Источник генерации разностной частоты на основе нестационарных солитонов в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод Российский патент 2024 года по МПК H01S3/67 

Изобретение относится к области волоконных лазеров и в частности к реализации режима пассивной синхронизации мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации (НВПП) в волоконном лазере.

Этот режим позволяет лазеру генерировать ультракороткие импульсы с высокой стабильностью, высоким качеством луча, высокой энергией и при этом имеет большую прикладную ценность. Волоконные лазерные источники нашли свое широкое применение благодаря таким свойствам как компактность, низкая стоимость и экологическая безопасность. С развитием технологий передачи информации возрастает потребность в создании высококачественных лазерных источников, излучающих в области 3 окна прозрачности.

Импульсный режим в волоконных лазерах может быть реализован с помощью пассивной синхронизации мод. Она может быть реализована методом нелинейного вращения плоскости поляризации, петлевого зеркала с нелинейный усилением, которые генерируют импульсы за счет баланса нелинейности и дисперсии. Также могут быть использованы насыщающиеся поглотители на основе полупроводниковых (п/п) элементов SESAM и на основе различных наноматериалов.

Волоконный лазерный источник, реализованный на основе НВПП, имеет преимущества простой структуры и низкой стоимости. Техника НВПП может быть использована для генерации солитонного режима, а волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод, с легирующим эрбиевым (Er) волокном, может быть использован для вывода солитонного импульса с гармонической синхронизацией мод в спектральной области 1500 – 1600 нм. В таких схемах можно реализовать различные типы ультракоротких и стабильных импульсов, которые находят свое применение в высокоскоростной оптической связи, лазерной микрообработке, исследованиях нелинейной оптики.

Солитоны это устойчивые, локализованные, частицеподобные физические структуры, которые формируются в результате нелинейного взаимодействия распределенных волн (физических полей). Они имеют три основных состояния: стационарное, пульсирующие и хаотические. В зависимости от параметров системы солитон может переходить из одного состояния в другое. Численный метод, основанный на кубическом уравнении Гинзбурга-Ландау со слагаемым пятого порядка (CQGLE), дает четкую физическую картину для понимания влияния параметров лазера на динамику импульса. N. Akhmediev и J. M. Soto-Crespo точно разделили области параметров устойчивого солитона и солитона различных пульсирующих состояний и определили динамику солитона от устойчивого состояния к хаосу через бифуркацию энергии с удвоением периода при конкретных параметрах CQGLE. Изменение любого параметра в CQGLE может привести к переходу из стационарного состояния в пульсирующее и затем в хаотическое. Например, при изменении параметра дисперсии D в сторону увеличения, импульс сначала переходит в состояние однопериодной пульсации, затем за счет бифуркации удвоения периода с ростом D возникают многопериодные пульсации, в конечном итоге переходящие в хаос.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является многофункциональный волоконный лазерный источник шумоподобных импульсов состоящий из задающего волоконного эрбиевого лазерного источника шумоподобных импульсов, волоконного усилителя на встречной накачке и куска нелинейного оптического волокна на кварцевой основе. Используют длинный волоконный кольцевой резонатор 190 м и многомодовую накачку. Возможна регулировка оптических характеристик задающего волоконного эрбиевого лазерного источника без изменения резонатора, а также подстройка выходного спектра суперконтинуума (RU 2773109, МПК H01S 3/067, опубл. 30.05.2022).

Недостатком известного решения является неспособность генерации разностной частоты на основе нестационарных солитонов.

Технический результат заключается в генерации разностной частоты на основе высокочастотных пульсаций нестационарных солитонов в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод на основе НВПП.

Сущность изобретения заключается в том, что источник генерации разностной частоты на основе нестационарных солитонов в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод включает в себя волоконный кольцевой резонатор в составе активного эрбий-иттербиевого волокна с многомодовой накачкой через сумматор в оболочку полупроводниковым лазерным диодом и контроллеры поляризации. Используют волоконный кольцевой резонатор, длина которого сопряжена с биением нестационарных солитонов.

На фиг. 1 представлена схема волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод на основе НВПП; на фиг. 2 приведен оптический спектр; на фиг. 3 (а, б) приведены осциллограммы импульсов в диапазонах 0-50 нс и 0-25 нс, соответственно; на фиг. 4 приведен радиочастотный спектр.

Источник генерации разностной частоты на основе нестационарных солитонов представляет собой волоконный эрбиевый лазер с пассивной синхронизацией мод на НВПП. Конструкция волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод на НВПП состоит из источника накачки 1 и резонатора 2 лазера. Источник накачки 1 представляет собой лазерный диод накачки (LD) с длиной волны 976 нм и максимальной выходной мощностью до 4 Вт. Регулировка мощности накачки осуществляется при помощи драйвера управления (на чертеже не указан) лазерного диода, который позволяет регулировать ток подводимый к п/п лазерному диоду. При повышении значения тока происходит увеличение оптической мощности п/п лазерного диода накачки. Резонатор включает в себя сумматор накачки 3 с сигнальной жилой (2+1)х1, активное эрбий-иттербиевое (Er/Yb) волокно с двойной оболочкой 4, первое кольцо пассивного оптического волокна 5, волоконный оптический изолятор (ISO) 6, используемый для поддержки однонаправленности излучения в резонаторе лазера, первый контроллер поляризации (КП1) 7, делитель поляризации (ДП) 8, второй контроллер поляризации (КП2) 9, бухту одномодового пассивного волокна (ОПВ) (E1AO “Оптиковолоконные системы” Саранск) 10 и второе кольцо пассивного оптического волокна 11. В качестве выхода использовался второй порт делителя поляризации 8, на который приваривался 8-градусный пигтейл 12, для предотвращения попадания в резонатор обратного отражения. Общая длина резонатора составила 310 метров.

Принцип работы заключается в следующем. В резонатор волоконного лазера вводится излучение от п/п источника накачки 1 при помощи сумматора накачки 2 с сигнальной жилой (2+1)х1. Пассивная синхронизация мод осуществляется на основе НВПП, которое обеспечивается парой контроллеров поляризации 7,9 и делителя поляризации 8. При точной настройке мощности накачки, оптимизации общей длины резонатора и положения лепестков контроллеров поляризации 7,9 обеспечивается генерация разностной частоты на основе нестационарных солитонов.

При мощности накачки диода P=1,78 Вт, температуре 27°C, длине резонатора 310 м и настройке положения лепестков контроллеров поляризации 7,9 реализуется импульсный режим работы, оптический спектр, осциллограмма сигнала выходного излучения лазера и его радиочастотный спектр которого показаны на фиг. 2, 3 и 4, соответственно. Настройка положения лепестков контроллеров поляризации 7,9 была проведена с учетом того, что вертикальная ось равна 0 отклонению, отклонение против часовой стрелки принимает отрицательные значения, а по часовой положительные значения. В таком случае 3 лепестка КП1 находятся под углами 0, -45, 60 градусов, а КП2 под углами 45, -30, -30 градусов. Полученное излучение имело центральную длина волны 1568,5 нм, ширину оптического спектра на уровне 3 дБ – 0,9 нм и среднюю выходную мощность более 18 мВт. Выходное излучение амплитудно-модулировано с частотой 319,560 МГц при полуширине не более 5 кГц.

Из полученного результата следует, что предлагаемая конструкция источника генерации разностной частоты на основе нестационарных солитонов в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод позволяет:

1) генерировать лазерное излучение, состоящее из совокупности нестационарных солитонов, что подтверждается оптическим спектром с центральной длиной волны 1568,5 нм, шириной оптического спектра на уровне 3 дБ – 0,9 нм;

2) биение нестационарных солитонов обеспечивает амплитудную (или частотно импульсную) модуляцию выходного излучения с частотой повторения 319,560 МГц при полуширине не более 5 кГц;

3) за счет использования многомодовой накачки повысить ресурс использования источника накачки;

4) изготовить полностью волоконный источник высокостабильного модулированного оптического излучения в безопасной для зрения спектральной области 1500 – 1600 нм.

По сравнению с известным решением разработан источник генерации разностной частоты на основе нестационарных солитонов в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации.

Изобретение относится к области волоконных лазеров и в частности к реализации режима пассивной синхронизации мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации в волоконном лазере. Источник генерации разностной частоты на основе нестационарных солитонов в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод включает в себя волоконный кольцевой резонатор в составе активного эрбий-иттербиевого волокна с многомодовой накачкой через сумматор в оболочку полупроводниковым лазерным диодом. Технический результат - генерация разностной частоты на основе высокочастотных пульсаций нестационарных солитонов в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод на основе нелинейного вращения плоскости поляризации. 4 ил.

Источник генерации разностной частоты на основе нестационарных солитонов в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод включает в себя волоконный кольцевой резонатор в составе активного эрбий-иттербиевого волокна с многомодовой накачкой через сумматор в оболочку полупроводниковым лазерным диодом и контроллеры поляризации, отличающийся тем, что используют волоконный кольцевой резонатор, длина которого сопряжена с биением нестационарных солитонов.