높은
May 18, 2023Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5762(2023) 이 기사 인용
759 액세스
측정항목 세부정보
광섬유 링 캐비티, 주파수 변조기 및 손실 보상을 위한 증폭기로 구성된 주파수 이동 루프는 정확하고 쉽게 제어되는 주파수 단계를 통해 고속 주파수 스캐닝을 가능하게 합니다. 이 플랫폼은 분광학 및 광학 범위 지정 분야의 응용 분야에 특히 매력적입니다. 그러나 캐비티 내에서 순환하는 빛의 반복적인 증폭으로 인해 증폭된 자연 방출 노이즈가 축적되어 기존 주파수 편이 루프(FSL)의 주파수 스캐닝 범위가 제한됩니다. 여기서는 이러한 기본 제한 사항을 해결하는 계단식 접근 방식을 소개합니다. 서로 다른 주파수 이동으로 여러 FSL을 직렬로 연결함으로써 접근 가능한 스캐닝 범위를 극적으로 늘릴 수 있습니다. 우리는 이 접근 방식이 최첨단 기술에 비해 10배 증가한 최대 1THz 범위의 스캐닝을 가능하게 하는 잠재력을 보여주는 모델링을 제시합니다. 실험적으로 우리는 10ms 내에 100MHz 단계로 200GHz 범위를 스캔할 수 있는 계단식 FSL 쌍을 구성하고 이 플랫폼을 사용하여 H13C14N 셀의 흡수 분광학 측정을 수행했습니다. FSL의 작동 대역폭을 증가시킴으로써 이 연구에 도입된 계단식 접근 방식은 정밀하고 고속 주파수 스캐닝이 필요한 새로운 애플리케이션을 가능하게 할 수 있습니다.
주파수 조정 가능 레이저는 흡수 분광학, 거리 측정, LIDAR 및 광자 장치 특성화를 포함한 다양한 응용 분야에 필수적입니다. 조정 가능한 레이저는 최근 몇 년 동안 상당히 발전했지만 일관된 단계 크기로 고속 주파수 조정을 얻는 것은 여전히 어려운 일이며 많은 레이저 스캐닝 시스템은 스캔된 레이저 주파수의 비선형성을 보상하기 위해 광범위한 교정 또는 현장 모니터링에 의존합니다2,3. 대안적인 접근 방식은 고정 주파수, 연속파(CW) 레이저를 외부적으로 변조하는 것입니다. 그러나 이 접근 방식은 일반적으로 광 변조기의 제한된 대역폭과 고속 드라이브 전자 장치에 대한 요구 사항에 따라 적당한 주파수 범위를 조정하는 것으로 제한됩니다. 주파수 편이 루프(FSL)는 단일 변조기를 통해 빛을 10초 또는 100회 반복하여 큰 주파수 편이를 축적함으로써 매력적인 대안을 제공합니다4.
주파수 편이 루프는 일반적으로 주파수 편이 변조기를 포함하는 광섬유 링 캐비티, 손실을 보상하는 데 사용되는 증폭기, ASE(증폭 자연 방출)를 억제하는 데 사용되는 대역통과 필터로 구성됩니다. 루프의 각 왕복 후에 빛은 추가적인 주파수 이동을 겪습니다. FSL은 CW 빛5을 시딩하여 광 주파수 빗을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 또는 펄스광이 FSL에 결합되면 시간과 주파수6에서 동일한 간격의 펄스열을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 이를 통해 상대적으로 낮은 대역폭 변조기와 드라이브 전자 장치를 사용하여 정밀한 고속 주파수 스캐닝이 가능합니다. 이러한 기능으로 인해 흡수 분광법7,8,9, 광 주파수 빗 조작10, 광학 푸리에 분석11, 분산 섬유 감지12,13, 임의 파형 생성14 및 RF 스펙트럼 분석15을 포함한 광범위한 응용 분야에서 FSL이 사용되었습니다. FSL의 주요 단점은 루프에서 빛의 지속적인 증폭으로 인해 ASE가 축적되어 전체 대역폭이 제한된다는 것입니다. 결과적으로 FSL은 일반적으로 ASE가 지배하기 시작하기 전에 수십 GHz의 대역폭(우리가 알고 있는 바에 따르면 100GHz에 걸쳐 보고된 가장 넓은 대역 FSL16)으로 제한됩니다.
이 연구에서는 ASE가 지배하기 시작하기 전에 생성되는 주파수 스캐닝 범위와 주파수 단계 수를 극적으로 늘릴 수 있는 계단식 FSL 아키텍처를 소개합니다. 우리는 더 작은 주파수 단계를 가진 초기 FSL과 더 큰 주파수 단계를 가진 두 번째 FSL을 결합하면 ASE 축적을 최소화하면서 스캐닝 범위를 크게 늘릴 수 있음을 보여줍니다. 우리는 적절하게 설계된 계단식 FSL이 ASE가 지배하기 시작하기 전에 1THz 이상의 스캐닝을 가능하게 할 수 있음을 나타내는 시뮬레이션을 제시합니다. 초기 시연으로 우리는 총 200GHz 범위에 걸쳐 100MHz 단위로 2000개의 펄스를 생성할 수 있는 계단식 FSL을 구축하고 이 시스템을 사용하여 H13C14N 셀의 흡수 분광학 측정을 수행했습니다. FSL의 스캔 범위를 늘리는 방법을 제공함으로써 이 작업은 고속, 주파수 스캐닝에 대한 강력한 접근 방식의 응용 프로그램을 증가시킬 것입니다.
1 GHz). The round-trip time in the second loop is defined as \(\Delta {t}_{2}\) and should be slightly longer than the pulse duration \(\tau\). The number of pulses generated in the second loop, \({N}_{2}\), then sets a limit on the required delay in the first loop as \({\Delta t}_{1}\ge {N}_{2}{\Delta t}_{2}\). Similarly, the delay between the seed pulses and the length of the overall pulse train is \({t}_{train}\ge {N}_{1}{\Delta t}_{1}\ge {N}_{1}\left({N}_{2}{\Delta t}_{2}\right).\) Under these conditions, the output of the second FSL will be a train with \({N}_{1}\cdot {N}_{2}\) total pulses. The pulses do not increase monotonically in frequency, but rather increase in steps of \(\Delta {f}_{2}\) before resetting to the frequency of the next pulse out of FSL1, as shown in Fig. 1b and color-coded in the inset of Fig. 1a. In principle, it is possible to use smaller delays in the first FSL and longer delays in the second FSL to generate a pulse train that increases monotonically in frequency. However, this would result in uneven delays between pulses arriving at EDFA1 in the first FSL and increase the impact of EDFA saturation effects. In practice, we found that the approach shown in Fig. 1, where \({\Delta t}_{1}\gg {\Delta t}_{2}\), enables a stable pulse train with more uniform amplitude in each pulse./p> 7 dB across 10,000 pulses by using the first FSL to generate 200 pulses covering 20 GHz. This shows the potential for this approach to dramatically extend the operating range of FSLs. The number of pulses generated in each FSL should be optimized based on the overall bandwidth of the desired pulse train and the loss in each loop. In this case, the SNR is considerably lower if the first FSL was used to generate 100 pulses or 1000 pulses rather than the ideal 200 to 500 pulses. For comparison, we also modeled the SNR of a single FSL with the same loss (\(T=0.05\)) designed to produce pulse trains covering 50 to 200 GHz in steps of 100 MHz. In each case, the bandpass filter was set equal to the total bandwidth of the generated pulse train. As shown in Fig. 2b, the single FSL cannot provide frequency shifts exceeding ~ 100 GHz before the SNR drops below 0 dB. In general, the acceptable SNR will depend on the application and this type of model can be used to study the bandwidth which can be achieved using a cascaded FSL while maintaining a required SNR./p> 7 dB. (b) Simulated SNR for a single FSL designed to generate pulse trains with 100 MHz spacing across 50 to 200 GHz. The single FSL can only generate a pulse train covering ~ 100 GHz with SNR > 0 dB./p> 10 dB across the entire 200 GHz. Curiously, the SNR actually improves at the end of the pulse train using the 100 GHz filter. This was due to ASE generated in the first loop (covering a 100 GHz band) which was eventually shifted outside of the bandpass filter in the second FSL near the end of the pulse train. For comparison, we also modeled the SNR we could expect if we tried to use the first FSL to cover the entire 200 GHz range. In this case, we used the same loss of \({T}_{1}=0.005\) and the bandpass filter was set to \({\Delta F}_{1}=200\text{ GHz}.\) As shown in Fig. 3, the SNR drops below 0 dB after only ~ 60 GHz, clearly showing the advantage of the cascaded approach./p> 10 dB across the entire span. The SNR if a single FSL was used to generate a 200 GHz pulse train is also shown, indicating that the SNR drops below 0 dB after ~ 60 GHz./p> 0 dB up to a shift of ~ 60 GHz. Since the pulses that should have probed the second absorption line near 140 GHz were dominated by broadband ASE, no absorption was observed. This confirms that the cascaded FSL approach can enable spectroscopy measurements over a larger bandwidth than a single FSL./p>
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
Русский
