Sintonizzazione spettrale non lineare del laser a fibra pulsata con amplificatore ottico a semiconduttore

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13799 (2022) Citare questo articolo

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Esaminiamo le proprietà spettrali della radiazione nei laser a fibra pulsata utilizzando l'amplificatore ottico a semiconduttore (SOA) come mezzo di guadagno. La complessa dinamica della luce che risulta dall'interazione tra gli effetti di propagazione delle fibre nella cavità, gli effetti non lineari nella SOA e il filtraggio spettrale, spostano la radiazione generata dalla lunghezza d'onda centrale del filtro. La lunghezza d'onda risultante della radiazione in uscita dipende dalla potenza della pompa SOA e dalla larghezza di banda del filtro intracavità. Ciò offre la possibilità di una accordabilità spettrale degli impulsi generati attraverso una dinamica non lineare piuttosto che l'uso convenzionale di un filtro accordabile.

Le proprietà di una gamma di laser moderni sono definite dalla dinamica della luce non banale introdotta dagli effetti non lineari nel risonatore. La nonlinearità può essere sia distribuita lungo la cavità (es. effetto Kerr, ovvero rotazione di polarizzazione non lineare nella fibra ottica) oppure prodotta da un'azione puntiforme di alcuni elementi (es. assorbitore saturabile o amplificatore non lineare con scala piccola rispetto alla lunghezza del risonatore ). Gli effetti non lineari, sebbene non facili da controllare, potrebbero offrire ricche possibilità per lo sviluppo di una varietà di nuove sorgenti laser1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.

SOA è un dispositivo ottico pratico e consolidato con numerose proprietà interessanti tra cui dimensioni compatte, ampia larghezza di banda di guadagno e possibilità di modulazione diretta del guadagno controllando la corrente di iniezione. Le SOA sono importanti in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui l'elaborazione del segnale ottico12, il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM), il multiplexing a divisione di tempo ottico (OTDM)13, la commutazione della lunghezza d'onda14, il recupero ottico del clock15,16, il campionamento ottico a basso rumore e a bit rate elevato17 e altri.

Inoltre, la SOA è promettente anche per applicazioni che vanno oltre le tradizionali comunicazioni ottiche e i laser a semiconduttore. Ad esempio, può essere utilizzato come mezzo di guadagno nei laser a fibra invece delle fibre attive drogate con terre rare. Per quanto ne sappiamo, le prime pubblicazioni sui laser basati su SOA iniziarono ad apparire alla fine degli anni '7018,19,20,21,22,23,24,25. Matsumoto e Kumabe18 hanno dimostrato i laser ad anello AlGaAs-GaAs con diverse strutture di guida d'onda tridimensionali, tra cui il tipo a scatola di pillole e il tipo a cerchio. Nei lavori pionieristici sono stati studiati laser a cavità composita in fibra ottica, laser ad anello in fibra ottica a semiconduttore inclusi laser con modalità bloccata19,20,21,22. La teoria per la larghezza di linea di un laser ad anello semiconduttore-fibra ottica è stata sviluppata nel 26 utilizzando equazioni di velocità accoppiate per la cavità attiva e passiva. I laser mode-locked basati su SOA possono generare impulsi ultracorti dell'ordine di centinaia di femtosecondi27. Il blocco della modalità è stato ottenuto mediante un'iniezione di dati ottica esterna con non ritorno a zero. Nel laser in fibra con cavità anulare sono stati generati 28 impulsi ottici sub-picosecondi, dove l'evoluzione della polarizzazione non lineare nella SOA fungeva da meccanismo di blocco della modalità. In29 viene presentato un laser con modalità bloccata con una cavità anulare, che genera impulsi che possono essere compressi fino a 274 fs in un compressore esterno. Hech et al. hanno dimostrato la possibilità di generare impulsi con durata dell'impulso fino a 300 fs a 1550 nm nel laser ad anello a semiconduttore con modalità bloccata30. Lo schema comprende SOA e un assorbitore saturabile basato sulla tecnologia InP/InGaAsP nonché componenti passivi che forniscono la dispersione della frequenza. Nyushkov et al. dimostrato laser a fibra, modalità bloccata tramite modulazione SOA con impulsi di corrente di iniezione e forma controllabile di generazione di impulsi luminosi31,32. I laser a fibra basati su SOA a figura di otto sono stati studiati in33,34. È stato osservato in 34 che la velocità di ripetizione dell'impulso dipende quasi linearmente dalla corrente di iniezione della SOA e può variare in un ampio intervallo da 30 MHz a 12,02 GHz. Un laser ad armonica passiva ad avvio automatico che produce un treno di impulsi con quasi la metà del ciclo di lavoro ad una velocità di ripetizione di 1,7 GHz è stato dimostrato in33. Una combinazione di risonatore in fibra con SOA per generare radiazione pulsata offre anche un'interessante possibilità di progettare sistemi basati sulla dinamica non lineare della luce.