Accordabilité spectrale non linéaire d'un laser à fibre pulsé avec amplificateur optique à semi-conducteur

Mar 07, 2024

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13799 (2022) Citer cet article

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Nous examinons les propriétés spectrales du rayonnement dans les lasers à fibre pulsée en utilisant l'amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) comme milieu de gain. La dynamique complexe de la lumière résultant de l'interaction entre les effets de propagation des fibres dans la cavité, les effets non linéaires dans la SOA et le filtrage spectral déplace le rayonnement généré de la longueur d'onde centrale du filtre. La longueur d'onde résultante du rayonnement de sortie dépend de la puissance de la pompe SOA et de la bande passante du filtre intracavité. Cela offre la possibilité d'une accordabilité spectrale des impulsions générées via une dynamique non linéaire plutôt que l'utilisation conventionnelle d'un filtre accordable.

Les propriétés d'une gamme de lasers modernes sont définies par la dynamique de la lumière non triviale introduite par les effets non linéaires dans le résonateur. La non-linéarité peut être à la fois distribuée le long de la cavité (par exemple effet Kerr ou rotation de polarisation non linéaire dans la fibre optique) ou produite par une action ponctuelle de certains éléments (par exemple absorbeur saturable ou amplificateur non linéaire avec une échelle petite par rapport à la longueur du résonateur). ). Les effets non linéaires, bien que difficiles à contrôler, pourraient offrir de riches possibilités pour développer une variété de nouvelles sources laser1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.

SOA est un dispositif optique pratique bien établi doté de nombreuses propriétés attrayantes, notamment une taille compacte, une large bande passante de gain et la possibilité de modulation directe du gain en contrôlant le courant d'injection. Les SOA sont importantes dans un large éventail d'applications, notamment le traitement du signal optique12, le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM), le multiplexage optique par répartition dans le temps (OTDM)13, la commutation de longueur d'onde14, la récupération d'horloge optique15,16, l'échantillonnage optique à faible bruit et à haut débit17 et autres.

De plus, la SOA est également prometteuse pour des applications allant au-delà des communications optiques traditionnelles et des lasers à semi-conducteurs. Par exemple, il peut être utilisé comme milieu de gain dans les lasers à fibre au lieu de fibres actives dopées aux terres rares. À notre connaissance, les premières publications sur les lasers basés sur SOA ont commencé à paraître à la fin des années 7018,19,20,21,22,23,24,25. Matsumoto et Kumabe18 ont démontré les lasers annulaires AlGaAs-GaAs avec différentes structures de guides d'ondes tridimensionnelles, notamment le type casemate et le type cercle. Des lasers à cavité composite à fibre optique, des lasers en anneau à fibre optique à semi-conducteur, y compris des lasers à mode verrouillé, ont été étudiés dans des travaux pionniers19,20,21,22. La théorie de la largeur de raie d'un laser annulaire à fibre optique à semi-conducteur a été développée en 26 en utilisant des équations de vitesse couplées pour la cavité active et passive. Les lasers à mode verrouillé basés sur SOA peuvent générer des impulsions ultra-courtes de l’ordre de centaines de femtosecondes27. Le verrouillage de mode a été réalisé par une injection de données optique externe sans retour à zéro. Dans le laser à fibre à cavité annulaire, 28 impulsions optiques subpicosecondes ont été générées, où l'évolution de la polarisation non linéaire dans la SOA a servi de mécanisme de verrouillage de mode. L'article 29 présente un laser à mode verrouillé doté d'une cavité annulaire, qui génère des impulsions pouvant être compressées jusqu'à 274 fs dans un compresseur externe. Hech et coll. ont démontré la possibilité de générer des impulsions d'une durée allant jusqu'à 300 fs à 1550 nm dans le laser en anneau à semi-conducteur à mode verrouillé30. Le schéma comprend SOA et un absorbeur saturable basé sur la technologie InP/InGaAsP ainsi que des composants passifs assurant la dispersion de fréquence. Nyushkov et al. laser à fibre démontré, à mode verrouillé via une modulation SOA avec des impulsions de courant d'injection et une forme contrôlable de génération d'impulsions lumineuses31,32. Des lasers à fibre basés sur la figure en huit SOA ont été étudiés en 33,34. Il a été observé dans 34 que le taux de répétition des impulsions dépend du courant d'injection du SOA de manière presque linéaire et peut varier dans une large plage allant de 30 MHz à 12,02 GHz. Un laser à verrouillage de mode harmonique passif à démarrage automatique produisant un train d'impulsions avec un demi-cycle de service proche à un taux de répétition de 1,7 GHz a été démontré en 33. Une combinaison d'un résonateur à fibre avec SOA pour générer un rayonnement pulsé offre également une possibilité intéressante de concevoir des systèmes basés sur une dynamique non linéaire de la lumière.