波長可変広帯域単一周波数狭線幅ファイバレーザ

概要

全ファイバ複合共振器構造を有する同調可能単一周波数（SF）狭線幅ファイバレーザを設計した。それは光ファイバ同調可能フィルタ、高精度リングフィルタ、およびファイバループミラーから構成されている。 励起光源として980 nmの半導体レーザを使用し、利得媒質および可飽和吸収体としてイッテルビウム添加ファイバを使用すると、1030 nm〜1090 nmの広帯域波長可変単一周波数狭線幅レーザ出力が得られます。 実現しました。 ポンプパワーが最大300 mWのとき、出力パワーは18.5 mWで、スロープ効率は波長1070 nmで7.95％です。 1時間以内にモードホッピング現象はなく、電力安定性の標準偏差は1％以下であった。 ポンプパワーが２００ｍＷのとき、線幅は遅延自己ヘテロダイン法により測定され、波長調整範囲内の平均線幅は８．７ｋＨｚ、緩和振動周波数は６４ｋＨｚである。

前書き

単一周波数ファイバレーザは、狭い線幅、低い雑音および長いコヒーレンス長などの優れた光学特性を有する。それらは、重力波検出、マイクロ波光子およびファイバセンシング、波長可変単一周波数ファイバレーザの分野において広い応用展望を有し、計測学、生物医学、分光法などの分野において広スペクトル単一周波数の特性を有する。 、多くの研究者の研究関心を集めています。現在、超短線形共振器、線形共振器および環状共振器は単一周波数狭線幅レーザー出力を実現することができる。 （８）超短線形共振器は、その超短共振器長および光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）の波長制限のために、波長の広範囲の同調を達成することが困難である。線形キャビティは、利得ファイバ内の空間的ホールバーニング現象によって引き起こされる。マルチ縦モード状態。環状キャビティは進行波キャビティに属し、それは線形キャビティによって引き起こされるホールバーニング効果を回避し、波長可変単一周波数ファイバレーザの出力を実現するために適切なモード選択コンポーネントおよび波長同調装置を挿入することができる。 2）。単一周波数レーザ波長可変、非励起ドープファイバ可飽和吸収体およびカスケードフィルタデバイスなどを達成するために、応力または温度によってＦＢＧの中心波長を変えることなど、波長可変生成のための多くの技術がある。この方法によって実現されたレーザは、狭い同調範囲、大きなデバイス損失、高コストなどの欠点を有する。 Sagnac ringは3.5mのポンプで汲み上げていない餌繊維を自己として使用していると報告した。 45nm波長可変単一周波数ファイバレーザ出力用の波長可変Fabry-Perot（FP）フィルタと組み合わせた誘導FBGフィルタ。 2013年に、Feng等。レーザキャビティ内の縦モードの数を制限するために光ファイバリング（１リング）フィルタを使用し、キャビティ内に縦モード発振が１つだけあることを保証するために別のダブルカプラファイバリング（２リング）が使用される。ファイバレーザの単一周波数出力は、段階的なフィルタリングによって実現されます。波長選択のための波長可変FBG、30 nm波長可変単一周波数レーザー出力2015年に、Lu等。サニャックリング接合を形成するための可飽和吸収体として１．５ｍの非励起ファイバを使用した。ダイナミックグレーティング、ＦＢＧの温度を変化させることによる中心波長は、周波数チューナブル単一ファイバレーザを達成するために使用される。 2016年、風水と他の口。デュアルカプラファイバループフィルタを別のファイバループフィルタに埋め込むと同時に、FBGの中心波長を変えるために引き伸ばすことによって、10 nmの波長可変単一周波数レーザ出力が達成されます。 2017年に、Yeh等。レーザの単一縦モード出力と波長可変バンドパスフィルタを介した波長３０ｎｍの単一波長レーザ出力を得るために、干渉計フィルタとして１０ｃｍのファイバドープファイバ（ＹＤＦ）と光ファイバスコープを使用した。

環状キャビティに基づいて、同調可能帯域通過フィルタ、高精度リングフィルタおよびファイバループミラー（LMF）を有する同調可能単一周波数狭線幅ファイバレーザを設計した。 励起源としては980nmの半導体レーザーが用いられている。 ミラーファイバは、それぞれ、キャビティ内の利得媒体および励起されていない可飽和吸収体として使用される。 キャビティタイプの精密な調整と最適化を通して、1030〜1090 nmの安定した幅がうまく実現されています。 スペクトルは単一周波数狭線幅レーザー出力に調整することができます。 連続動作の1時間以内にモードホッピングはなく、電力の不安定性は1％未満です。 ポンピングパワーが２００ｍＷのとき、線幅測定は遅延自己ヘテロダイン法で行われ、平均線幅は波長同調範囲で８．７ｋＨｚ、緩和振動周波数は６４ｋＨｚである。

2実験装置と原理

単一周波数ファイバーレーザーを調整するための実験装置を図1に示します。ポンピングパワーとして600 mWのポンピングパワーを持つ980 nmの半導体レーザーが使用され、ポンピング光は980/1060を通してピグテールから出力されます。 nmの波長分割マルチプレクサ（WDM）。長さ８０ｃｍの長さ８０ｃｍのファイバをポンピングするためにキャビティに結合する［Ｙｂ５０１、コーラティブ、カナダ、鏡の濃度（原子分率、以下同じ）は０．０２１、開口数は０．１３］。励起光はそれぞれ３ｄＢを通過する。 1 nm帯域幅のチューナブルバンドパスフィルタ、高精度フィルタ（80％結合：2％2X2カプラC2および1.5 m非励起利得ファイバからなるHFRF）およびファイバループミラー結合比は50％：50％の1X2カプラC3、3端サーキュレータ（CIR）と長さ2 mの励起されていない利得ファイバ]、共振器内の複数の縦モードのための同調可能帯域通過フィルタモード抑制と波長同調が実行され、その後共振器内のモード数が高精度で抑制されるフィルタ。最後に、キャビティ内の単一縦モードはファイバループミラーによって選択される。サーキュレータの３ポートは、波長可変マルチプレクサの一端と接続されて、同調可能単一周波数ファイバレーザ複合環状キャビティ構造を形成する。伝送中に光が一方向に伝送されることを保証するために、サーキュレータは3対2です。端部は45 dBのアイソレーションを持っています。結果として生じるチューナブル単一周波数レーザは、チューナブルフィルタ（ＴＦ）と高精度フィルタとの間の３０％：７０％の結合比で、カプラＣ１の３０％ポートによって出力される。利得ファイバは広帯域吸収を有し、ファイバループミラーは波長可変フィルタの波長出力を動的に追跡するように格子フィルタを動的に誘導することができるので、それらから構成されるフィルタを波長可変ファイバレーザに使用することができ、より広い帯域幅を得ることができる。チューニング範囲

レーザキャビティチューナブルフィルタ、高精度フィルタおよびファイバループミラーは、キャビティ内の縦振動モードの数を減らすことができる。 これら３つの装置のフィルタリングを通して、安定した波長同調単一周波数出力が得られる。 チューナブルフィルタは、広範囲の波長チューニングを達成するために使用されるだけでなく、その1 nm 3 dB帯域幅は、ミラーファイバの誘導放射によって生成されるモードの多くを効果的に抑制し、キャビティ内で発振する縦モードの数を減らします。 。 高精度フィルタは、光ファイバリングと非励起ファイバYDF 2で構成されています。 チューナブルフィルタを通過した光は、カップリング比50％：50％でカプラに入ります。ここで、1つの光はファイバリングに結合され、その透過率は次のようになります。

カプラの分割比式。 ｇは光ファイバループの利得である。 ３は光照射野の角周波数である。 r = 2k / a fsr遅延時間、a fsr = c / "は自由スペクトル範囲、c = 3×10 8 m / sは光速、L | = 2.3mで、これは高精度フィルタの長さです。ファイバループミラーは、サニャックリングと励起されていないファイバYDF 3で構成されており、サーキュレータを通過して50％：50％のカップリング比で入射します。 YDF3では同じ振幅と偏光が反対に干渉されるため、ファイバループミラーはダイナミックグレーティングを形成します。

ここで、／は動的格子の結合係数である。入力光波長＝ １０６０ｎｍ。

繊維屈折率％＝ １．４５。動的格子長Ｌ ＝ ２ｍ。 ＹＤＦ ３屈折率変化ΔΔＶ ２×１０Ｔ。したがって、Δ／Δ＜１４ＭＨｚ、この値は、１８ＭＨｚの縦モード間隔によって決定される１１．８ｍキャビティ長未満であり、レーザが単一縦モード動作にあることを示す。

3実験結果の分析と考察

図2は、走査F-Pエタロンによって測定された単一周波数信号の特性を示します。 単一周波数レーザーの特性は、走査型F-Pエタロン（SA210、Thorlabs、米国）およびオシロスコープ（DSO9104A、Agilent Technologies、米国）を使用して実験的に観察された。 スキャニングＦ − Ｐ規格は１．５ＧＨｚの自由スペクトル範囲および２００の精度を有し、これは規格が７．５ＭＨｚの分解能を有することを示す。 黒いのこぎり波は電圧サイクルを表し、赤い曲線はランプ電圧サイクルにわたる単一垂直モードの数を表します。 図２から分かるように、のこぎり波ランプ電圧サイクルには２つの単一縦モードがあり、それらは滑らかな包絡線を形成している。 1つのモードが拡張されても、他のモードは表示されず、モードジャンプやモード競合はありません。 この現象は、レーザが単一周波数レーザ動作を完全に実現していることを証明している。

光ファイバチューナブルフィルタの動作波長はコンピュータプログラムによって制御され、異なる波長の連続単一周波数レーザが出力される。 一定のポンピングパワーは３００ｍＷであり、間隔はＹｏｋｏｇａｗａ分光計（ＡＱ６３７０Ｃ、Ｙｏｋｏｇａｗａ、日本、解像度：０．０２ｎｍ）によって測定される。 ５ｎｍの同調可能単一周波数ファイバレーザの出力スペクトルが図３に示されている。この実験は、１０３０〜１０９０ｎｍの出力波長の連続同調可能性を首尾よく達成し、その信号対雑音比がより大きいことが分かる。 ５０ｄＢよりも大きく、制御波長が調整されたときにモードホッピングおよびモード競合は観察されない。 安定な1030〜1090 nmの連続同調可能単一周波数レーザー出力。

実験では、異なる動作波長で異なる励起パワーの連続単一周波数レーザー出力パワーをテストしました（図4）。図４から分かるように、レーザの動作波長が異なると、対応するスロープ効率と出力パワーも異なる。ポンプパワーが300mWのときの1070nmでの可変同調単一周波数レーザの出力特性を研究した。このとき、単一周波数レーザ出力は１８．５ｍＷの最大値に達し、スロープ効率は７．９５％に達する。 １０３０ｎｍにおけるこのレーザ媒体の放射スペクトルの利得は他の動作波長よりも強く、単一周波数出力レーザはこの帯域において最大利得係数およびレーザ出力スロープ効率を有するべきである。しかし実験結果は、スロープ効率が大きいとき、連続短波長レーザの動作波長も大きいことを示した。これは主に短波長のレーザ放出の自然放出がドープファイバによって再び吸収されたためである。 1030 nmの単一周波数出力で。レーザの出力パワーおよびスロープ効率は最大に達しなかった。

実験では、カナダのＧｅｎｔｅｃ社製のＭＡＥＳＴＲＯパワーメータを用いて、１０７０ｎｍでの単一周波数ファイバレーザ出力パワーの安定性を調べた。 サンプリング時間間隔を1秒、時間長を2時間に設定して、電力サンプリングを行った。 図5に単一周波数ファイバを示します。 2時間連続して動作するレーザーの出力パワー安定性曲線、パワー不安定性は1％未満であり、単一周波数ファイバーレーザーが安定した動作にあることを示しています。

単一周波数ファイバレーザの波長安定性および信号対雑音比安定性図６に示すように、１時間以内の波長安定性を室温環境において５分間隔で測定した。 図６（ｃ）から分かるように、光波長可変フィルタの波長を１０６０ｎｍに設定した場合、スペクトル中心波長はそれほど変化しない。 計算から、波長分解能の不安定性は０．０２ｎｍ未満であることが分かる。 光信号対雑音比の変動は０．２２ｄＢ未満である。 波長オフセットおよび光信号対雑音比の変動は、ポンピングパワーおよび周囲温度の変化によって引き起こされる。 同時に、1040 nmの波長の波長安定性[Fig。 図６（ａ）］、１０５０ｎｍ ［図６］。 ６（ｃ）］、１０７０ｎｍ ［図６（ｃ）］。 ６（ｄ）］を測定し、それらの動作波長および光学系を得ることができる。 信号対雑音比の安定性は高い。

同調可能単一周波数ファイバレーザ出力線幅は、３０ｋｍ単一モード遅延ファイバおよび遅延自己ヘテロダイン法を用いて測定される。 図７（ａ）は、２００ｍＷのポンピングパワーで１０６０ｎｍで動作する連続単一周波数ファイバレーザ出力を示す。 線幅 真の単一周波数レーザ出力の線幅はヘテロダイン信号曲線の線幅の半分であるので、単一周波数レーザの線幅は約９ｋＨｚと計算することができる。 単一周波数レーザ出力の他の波長の線幅結果を得るために、13波長の線幅の測定が行われます[図。 これは、同調可能単一周波数レーザが非常に広い範囲にわたって非常に狭いスペクトル線幅を達成することができることを示している。

単一周波数ファイバレーザの相対雑音強度は、３ｄＢの帯域幅および１ＧＨｚの最大カットオフ周波数を有する光検出器（１６１１、Ｎｅｗｐｏｒｔ、米国）および無線周波数スペクトラムアナライザ（ＭＳ２７２４Ｃ、ＡＮＲＩＴＳＵ、日本）を使用して測定された。 。 励起光源に入力電力がない場合、スペクトラムアナライザの相対雑音強度（RIN）曲線（受信雑音）は、図8の黒い曲線で示されます。励起光源の励起電力が200 mWの場合、ピーク値 緩和振動周波数のΔθは約64kHzである（図8の赤い曲線）。 緩和振動は、ポンピング場とレーザー信号場との間の動的エネルギー交換過程によるものである。 。 ０〜１ＭＨｚの周波数における相対雑音を受信雑音と比較することによって、周波数が２００ｋＨｚよりも大きいとき、単一周波数ファイバレーザの相対強度雑音スペクトルにおいて他の雑音成分は観察されないことが分かる。 。

4まとめ

全ファイバ複合リングキャビティ構造を有する同調可能単一周波数狭線幅ファイバレーザは、フィルタ要素として同調可能バンドパスフィルタ、高精度リングフィルタおよびファイバループミラーからなる光学部品を用いて設計した。励起源としては980nmの半導体レーザーが用いられている。ドードファイバは、それぞれキャビティ内の利得媒質および励起されていない可飽和吸収体として使用される。 3ポートサーキュレータの光絶縁と組み合わせると、レーザはキャビティ内で一方向に伝送されて通過します。コンピュータプログラムは、光ファイバチューナブルフィルタの動作波長を制御し、その後、異なる波長の連続単一周波数レーザを出力し、１０３０〜１０９０ｎｍの安定した広スペクトルチューナブル単一周波数狭線幅レーザ出力を成功裏に達成する。ポンピングパワーは300です。mWでは、波長1070nmでの出力パワーは最大の18.5mWで、スロープ効率は7.95％です。連続動作の1時間以内にモードホッピングはなく、電力の不安定性は1％未満です。励起光の励起パワーが２００ｍＷのとき、線幅は遅延自己ヘテロダイン法により測定され、平均線幅は波長可変範囲で８．７ｋＨｚ、緩和振動周波数は６４ｋＨｚである。