RU225571U1 - Кольцевой волоконный генератор последовательностей субпикосекундных импульсов с управляемой частотой следования - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области оптики и лазерной физики, в частности, к получению оптических импульсов с управляемой частотой следования. Кольцевой волоконный генератор последовательностей субпикосекундных импульсов с управляемой частотой следования включает в себя источник излучения, блок управления, кольцевой волоконный резонатор, состоящий из активного фотонного кристалла, помещенного в блок контроля температуры, одномодового волокна, оптического ответвителя, изолятора и последовательно соединенный с кольцевым резонатором каскад волоконных световодов. Отличается тем, что с помощью блока контроля температуры возможно осуществить перестройку температурного режима, влияющего на спектральные характеристики активного фотонного кристалла и, как следствие, на частоту следования выходных сигналов. Предлагаемая модель кольцевого волоконного генератора с активной фотонно-кристаллической структурой с модулированным показателем преломления при изменении рабочей температуры от 0 до 465 К позволяет достичь перестройки частоты следования сигналов в широком диапазоне от 0,287 ТГц до 0,359 ТГц.

Description

Полезная модель относится к области оптики и лазерной физики. В частности, к получению оптических импульсов с управляемой частотой следования.

Исследования и разработки волоконных высокочастотных лазерных систем, позволяющих получать последовательности ультракоротких импульсов (УКИ) с частотой следования несколько десятков ГГц, представляют большой интерес для многих технических приложений в качестве широкополосных гребенчатых генераторов оптических частот. Сфера приложений лазерных генераторов гребенчатого спектра крайне широка. В нее входит применения в задачах оптической связи, спектроскопии, метрологии, микроволновой фотоники и т.д. [Kippenberg T.J., Holzwarth R., Diddams S.A. Science, 332, 6029 (2011)]. С практической точки зрения наиболее привлекательными источниками для генерации гребенки частот являются волоконные солитонные лазеры с гармонической синхронизацией мод. Подобные лазерные комплексы сочетают в себе ряд таких важных свойств как компактность, надежность, низкая стоимость и удобство вывода излучения из системы. Однако, в настоящее время частота следования генерируемых импульсов находится в гигагерцовом диапазоне частот. Разработка волоконных устройств, характеризующихся повышеннымзначением частоты следования сигналов, является крайне актуальной задачей.

Известна модель волоконного кольцевого лазера сверхкоротких импульсов [RU патент № 139786 U1, Кобцев С.М., Смирнов С.В., Хрипунов С.А., Раднатаров Д.А., Иваненко А.В.], включающего источник накачки и волоконный кольцевой резонатор с пассивной синхронизацией мод за счёт эффекта нелинейной эволюции поляризации, состоящий из волоконного модуля спектрального сведения, вход накачки которого соединен с источником накачки, сигнальный вход соединён с выходом поляризационно независимого оптического изолятора, а выход модуля спектрального сведения соединён с концом активного волокна. Другой конец активного волокна соединён с концом волоконного элемента фазовой задержки. Другой конец волоконного элемента фазовой задержки соединён со входом волоконного ответвителя с поддержкой поляризации для вывода поляризованного излучения лазера из резонатора через выход волоконного ответвителя. Второй выход волоконного ответвителя соединён со входом поляризационно независимого оптического изолятора. Отличается тем, что волоконный элемент фазовой задержки представляет собой отрезок оптического волокна длиной не менее 11 м, уложенный в виде витков со скруткой и изгибами, обеспечивающими необходимый режим синхронизации мод, и надёжно фиксированный системой механической фиксации вместе с оптическими элементами лазерного резонатора.

Известна модель волоконного лазера [RU патент № 150403U1, Кобцев С.М., Иваненко А.В.], содержащего источник излучения накачки и кольцевой резонатор, состоящий из волоконного модуля спектрального сведения, соединённого одним концом с источником излучения накачки, а двумя другими концами - с активным волокном и волоконным ответвителем, волоконного циркулятора, имеющего входной, промежуточный и выходной порты и обеспечивающего однонаправленный режим генерации излучения, соединенный через входной и выходной порты с активным волокном и волоконным ответвителем. На выходе промежуточного порта волоконного циркулятора установлено устройство, обеспечивающее режим синхронизации мод и способное к обратному отражению света. Отличается тем, что все волоконные элементы кольцевого резонатора являются поляризационно-зависимыми.

Недостатки указанных моделей:

1) Невозможность повышения частоты следования сигналов до субтерагерцовых значений.

2) Невозможность управления частотой следования в режиме генерации в широких пределах.

Устранить указанные недостатки позволяет предлагаемая полезная модель.

Цель полезной модели: разработать оптическую систему для генерации последовательностей субпикосекундных импульсов с управляемой частотой следования, лежащей в терагерцовом диапазоне.

Технический результат: разработка модели кольцевого волоконного генератора, главным элементом которого является активный фотонный кристалл с перестраиваемыми спектральными характеристиками.

Технический результат достигается за счет настройки температурного режима, который определяет функцию пропускания активной фотонно-кристаллической структуры, влияющей на частоту следования выходных сигналов.

Предлагаемая модель состоит из следующих конструктивных элементов:

1 - источник оптического излучения;

2 – изолятор;

3 - активный фотонный кристалл;

4- устройство контроля температуры;

5- одномодовое волокно;

6 - оптический ответвитель;

7- волоконный каскад;

8 - блок управления.

Излучение в систему подается от оптического источника 1. Основной частью модели является кольцевой резонатор, состоящий из изолятора 2, обеспечивающего однонаправленное распространение сигнала в резонаторе, активной фотонно-кристаллической (ФК) структуры 3, помещенной в блок контроля температуры 4, сегмента стандартного одномодового волокна 5, и выходного ответвителя 6 (фиг. 1). Кольцевой резонатор через ответвитель 6 последовательно соединен с волоконным каскадом 7. С помощью блока управления 8 реализуется контроль над элементами 1 и 4.

Ключевым элементом кольцевой лазерной схемы является активная ФК структура 3 с модулированным показателем преломления (ПП) , где - средний ПП, - период изменения ПП, z - продольная координата. В качестве примера таких структур на практике могут выступать брэгговские решетки, вписанные в сердцевину волокна, легированную ионами Er, Yb или T. Указанные периодические структуры имеют продольные размеры от 0.1 до 50 мм. Методика их изготовления достаточно хорошо отработана [Wolf A., Dostovalov A., Skvortsov M., Raspopin K., Parygin A., Babin S. Opt. & Laser Tech., 101, 202 (2018)]. Для стандартных одномодовых волокон глубина модуляции ПП может варьироваться в широких пределах . При малой глубине модуляции коэффициент пропускания для такой структуры определяется стандартным выражением [Yariv A. Quantum electronics (New York: Wiley, 1975)]:

. (1)

В соотношении (1) параметр определяется коэффициентом связи прямой и обратной волн и отстройкой от фазового синхронизма в активной ФК структуре , где - центральная длина волны, инкремент усиления ФК структуры учитывает ограниченность ширины линии усиления и эффекты насыщения. Типичный спектр пропускания активной ФК структуры характеризуется ярко выраженной запрещенной зоной, ширина которой определяется глубиной модуляции . Величина параметра модуляции при этом зависит от режима работы фемтосекундного лазера при записи решетки в волокно. Основным параметром структуры ФК является ширина запрещенной зоны, которая определяет частоту повторения импульсов и максимальный шаг гребенки частот.

Зависимость эффективного ПП активной фотонной структуры от температуры определяется как [M. Reid, M. Ozcan. Temperature dependence of fiber optic Bragg gratings at low temperatures. Opt. Eng. 37(1) 237–240 (January 1998)] и может быть реализована с помощью элемента 4: .

Выбранная ФК структура состоит из диэлектрических слоев, средний ПП которых составляет . В диапазоне температур от 0 до 465 К возможна вариация на величину вплоть до значения .

Стандартное одномодовое волокно 5 используется в резонаторе в качестве нелинейной диспергирующей среды для проявления нелинейных эффектов, приводящих к формированию последовательностей УКИ. Через оптический ответвитель выводится ~10 процентов мощности на каждом из проходов излучения по резонатору. На выходе из кольцевого резонатора излучение характеризуется сильной фазовой и относительно малой амплитудной модуляцией.

Дальнейшая временная компрессия образующейся в кольцевом резонаторе последовательности импульсов осуществляется в волоконном каскаде. Для этого выход кольцевого генератора соединяется с дополнительным активным каскадом, состоящим из усилителя и пассивного световода. Во временном представлении сигнал на выходе из каскада 8 представляет собой последовательность мощных ультракоротких импульсов (УКИ) - фиг. 2, частота следования которых определяется параметрами ФК структуры, зависящими от внешней температуры. Форма генерируемых импульсов при увеличении температуры незначительно изменяется. Длительность отдельного импульса составляет менее 1 пикосекунды. Пиковая мощность при этом возрастает более чем на три порядка по сравнению с пиковой мощностью, выдаваемой мастер-осциллятором, и составляет в зависимости от выбранных характеристик ФК. При увеличении температуры наблюдается рост эффективного ПП активной структуры.

Таким образом, поставленная цель достигнута. Показано, что при использовании кольцевого волоконного генератора с активной фотонно-кристаллической структурой с модулированным показателем преломления при изменении рабочей температуры от 0 до 465 К возможна перестройка частоты следования сигналов в широком диапазоне от 0,287 ТГц до 0,359 ТГц.

Claims (1)

1. Кольцевой волоконный генератор последовательностей субпикосекундных импульсов с управляемой частотой следования, включающий в себя источник излучения, блок управления, кольцевой волоконный резонатор, состоящий из активного фотонного кристалла, помещенного в блок контроля температуры, одномодового волокна, оптического ответвителя, изолятора и последовательно соединенный с кольцевым резонатором каскад волоконных световодов, отличающийся тем, что дополнительно содержит кольцевой волоконный резонатор, состоящий из активного фотонного кристалла, помещенного в блок контроля температуры, который осуществляет изменение температурного режима от 0 до 465 К с последующей перестройкой частоты следования сигналов в широком диапазоне от 0,287 ТГц до 0,359 ТГц.