Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ. '. 2
СЕЛЕКТИВНЫЕ ОДНОМОДОВЫЕ ВОЛОКОННЫЕ
УСТРОЙСТВА. ; 7
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ 10
ОДНОРЕЗОНАТОРНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПАССИВНОЙ
СИНХРОНИЗАЦИИ МОД ;.... 27
ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С ГИБРИДНОЙ
СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД...... , 4!
1. ЮЗДЕНИЕ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Создание лазеров — источников когерентного излучения
дало мощный импульс развитию оптических систем передачи
обработки информации что привело, в частности, к рождешн
самостоятельного направления — волоконной оптию
Значительный прогресс достигнутый в последние годы в облает
волоконной оптики, оказывает косвенно или непосредсгвенн
обратное влияние на породившую ее квантовую электрошне
привел к развитию эффективных волоконно—оптически
методов управления параметрами излучения лазеров и, наконеї
к созданию волоконных лазеров. Аналогичная картин
наблюдается в развитии таких направлений, как генераторі
ультракоротких импульсов и нелинейная оптика, последня
обязанная в значительной степени своими успехами созданиі
мощных пикосекундных лазеров, в свою очередь привела
достижениям в области фемтосекундной технологии на основ
лазеров с нелинейностью в резонаторе, примером которы
является солитонный лазер [1J. Управление параметрам!
излучения —спектральным составом, поляризацией
динамическими характеристиками— реализуется изменение?
структуры оптической обратной связи, осуществляющейс
резонатором лазера, в той степени, в которой свобод
управления допускается специфическими особенностям]
активной среды. Возможности такого управления могут был
существенно расширены в том случае, когда сигнал бптическоі
обратной связи формируется не сосредоточенным зеркалои
резонатора, как это происходит в простейшем случае, і
распределенным устройством (например, внешниъ
резонатором), которое может содержать разнообразньн элементы, в том числе и нелинейные, либо когда этот сигна; задается независимым внешним генератором.
Инжекция внешнего оптического сигнала широк* используется для управления параметрами лазеров. Одна и; разновидностей этого метода соетоит в инжекции сигнала от одпомодового задающего лазера для навязывания и захвате частоты ведомому генератору. Этот метод позволяет, і
частности, предотвратить избыточное спектральное уширение ведомого инжекционного лазера, связанное с возникновением многомодового режима при прямой модуляции тока накачки {2], и получать одноиодовые пикосекундные импульсы при частотах повторения вплоть до .нескольких гигагерц. Другая разновидность этого метода, которую можно * определить как самоинжекцгоо, реализуется в лазерах со внешними резонаторами, в которых часть излучения сформированного определенным образом во внешнем (обычно пассивном) резонаторе инжектируется назад в основной резонатор, содержащий активную среду. При этом временная задержка и спектральный состав возвращенного излучения зависит от структуры внешнего резонатора. Такая оптическая обратная связь оказывает сильное влияние яа спектральные и (динамические свойства излучения и применяется для различных активных сред.
Полупроводниковые лазеры со внешними селективными эезонаторами широко используются в тех случаях, когда предъявляются значительно более высокие, требования к монохроматичности, стабильности частоты и спектральной герестройке, чем они обычно реализуются: в лазерах с :обственным резонатором [3.4]. Достоинства внешних >езонаторов состоят в больших возможностях контроля іараметров оптического излучения без дополнительных сложностей, связанных с изменением тока накачки или емпературы лазерного диода. В этой связи, использование юлоконных световодов значительно расширило возможности азерных резонаторов, Особенно заметны преимущества дномодовых волоконных шггерферометрігческих резонаторов го сравнению с аналогичными устройствами на . основе бъемных дискретных элементов: отсутствие дифракционной асходимости, высокая добротность, простота в реализации ольцевых схем, в том числе режима однонаїгравленной енерации, и пр. Кроме того, использование протяженных езонаторов, состоящих из конденсированных сред открывает овые возможности, связанные с эксплуатацией специфических
видов рассеяния в них {5,6|, а также нелинейностей (например, керровской) уже при сраянительно малых мощностях.
Использование внешних резонаторов для улучшения
качества синхронизации мод привело к развитию целого
направления — интерференционной сшгхроннзации мод (ИСМ),
(в англоязычной литературе — additive—pulse, coupled—cavity,
interferential mode—locking {7-Ю]). Применение этого подхода
для генерации коротких импульсов в различных твердотельных
лазерах (Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:Glass, Ті:А1203, КС1:Ті), позволило
надежно и сравнительно простыми средствами освоить диапазон
длительностей импульсов менее 100 фсек |11). Исторически
начало этому направлению положило предложение использовать
двухрезояаторную систему с оптическим световодом во
внешнем резонатора, извеспгуто как солитонньш лазер [І], в
котором обратная связь осуществляется инжекцией в основной
резонатор солитонного импульса, сформированного в световоде.
Солитонньш лазер явился первой демонстрацией возможности
существенного сокращения и контроля длительности импульса
внешней оптической обратной связью. В дальнейшем было
показано, что солитонньш лазер является частным случаем
широкого класса лазерных систем с керровской нелинейностью
во внешнем резонаторе, известных теперь как лазеры с ИСМ, в
которых уменьшение длительности происходит при
интерференционном сложении фазо—модулированных
импульсов |7 — И).
В связи с -созданием оптических систем связи нового
поколения, обладающих повышенной информационной
емкостью и скоростью передачи (свыше ! Гбит/сек) в ведущих
лабораториях мира —ATT BELL (США), Naval Research Lab.
(США), British Telecom {Великобритания), NTT (Япония) -
интенсивно ведутся исследования по созданию новых лазерных
источников коротких импульсов (К)-"— U)-lbc), следующих С
высокими частотами повторения (109 — 10й Гц). Создание
лазерных источников с такими параметрами является
необходимым условием для разработки высокоскоростных
систем передачи информации, оптических компьютеров,
оптических переключателей. Для реализации
высококачественных цифровых систем передачи информации необходимо, чтобы источники оптических импульсов удовлетворяли следующим требованиям: компактность, малое энергопотребление, совместимость с волоконно-оптическими системами передачи информации, долговременная стабильность последонательности импульсов. Таким требованиям удовлетворяют в первую очередь волоконные и полупроводниковые лазеры. Получение коротких спектрально -ограниченных импульсов с высокой частотой следования в таких лазерных системах требует разработки новых принципов импульсной генерации.
Вышесказанное определило крут вопросов, составивших предмет настоящей работы:
создание высокоселективных одномодовых волоконно-оптических элементов с малыми потерями пригодных для реализации высокодобротных дисперсионных резонаторов;
разработка эффективных схем . волоконных
интерферометров для селекции продольных мод в качестве внешних резонаторов полупроводниковых лазеров и резонаторов .волоконных лазеров;
изучение возможности построения однорезонаторных систем способных к интерференционной синхронизации мод с целью создания генераторов коротких импульсов свободных от необходимости прецизионной стабилизации оптической длины, присущей двухрезонагорным схемам;
исследование возможности распространения техники интерференционной синхронизации мод на область полупроводниковых лазеров для генерации коротких импульсов с высокой частотой повторения и построение монолитных интегральных шхжекционных лазеров, работающих па этом принципе.
Основной целью исследований, составивших содержание настоящей диссертации, была разработка эффективных методов внугрирезонаторной интерферомегрии для контроля и улучшения когерентных свойств лазерного излучения. При ЭТОМ, понимая когерентность в широком смысле, возможны два направления бб увеличения. С одной стороны, зто создание
одночастотных лазеров, для чего необходимо произвести селекцию продольных мод в резонаторе, т.е. реализовать необходимую частотную дискриминацию. Другая возможность состоит в использовании многочастотного режима генерации, при котором относительные фазы мод поддерживаются постоянными, иначе говоря, осуществление режима синхронизации мод, В диссертации автор защищает:
—разработку технологии изготовления волоконных компонентов и создание элементов с рекордной спектральной селективностью;
—предложение и реализацию эффективного метода генерации импульсов при гассиввой синхронизации мод в полупроводниковом лазере за счет интерференционного сжатия;
—создание интегрально—оптаческог о варианта
многофункционального инжекционного лазера с резонатором в форме активного интерферометра Маха—Цендера;
предложение и разработку физических основ новых методов генерации коротких оптических импульсов с высокой частотой повторения с использованием внугрирезонаторных нелинейно— оптических эффектов в волоконных лазерах;
эксперйменталыгую реализацию новых лазерных схем с уникальными характеристиками по совокупности следующих параметров: малая длительность оптических импульсов -— Ю-11 — Ї0-'3 с, большая частота повторений — Ш9—10' Гц, высокое качество (спектрально—ограниченные ' импульсы солитоноподобной формы);
—новые методы получения одночастотного спектрально— перестраиваемого излучения в полуроводниковых и волоконных лазерах. Апробация работы:
Предложенные оригинальные принципы построения волоконных и полупроводниковых лазеров, позволяющие генерировать сверхкороткие импульсы, монохроматическое спектрально—перестраиваемое излучение и ряд других практически интересных режимов работы лазеров подтверждены в исследованиях ряда зарубежных авторов. В
частности, схема волоконного лазера для генерации солитоноподобных коротких импульсов, широко исследуемая за рубежом, впервые предложена в ходе выполнения настоящей работы. Приоритет этих исследований имеет международное признание. По теме диссертации опубликовано более 40 статей, приведенных в отдельном списке литературы. Результаты исследований были представлены в 10 докладах if а отечественных и международных конференциях.
Одномодовые волоконные ответвители, в которых оптически связаны два или несколько одномодовых волоконных световодов, привлекают богатством функциональных возможностей, позволяющих использовать для многих целей даже простейшие устройства из двух световодов, например, в качестве делителей мощности, спектральных и поляризационных фильтров и т.д. Создание ответвители состоит в формировании участка связи, обеспечивающего необходимый обмен энергией между световодами и обладающего требуемыми спектральными характеристиками. Структура участка связи может быть достаточно сложна — на нем происходит плавное изменение размеров и формы сечения связанных волноводов к . могут меняться характеристики волноводных слоев. В сплавных биконических ответпителях, о которых пойдет речь ниже контакт световодов осуществляется их сплавлением при нагреве и последующим механическим вытяжением. Принцип работы такого устройства следуюищй. Излучение, введенное во входной световод, распространяется в виде направляемой моды сердцевины световода. При вытяжении световода диаметр его уменьшается в месте разогрева и образуются конусные переходы между невозмущенным световодом и тонким участком, так что место контакта двух вытянутых световодов приобретает характерную биконическук» форму. При утоньшении световода может происходить значительное проникновение излучения в оболочку световода. Световоды, вытянутые таким образом и приведенные в оптический контакт.
*
. vioiyr обмениваться энергией, ^сли обладают достаточными степенью делокализации излучения и длиной участка связи. Для voro, чтобы процесс обмена энергией между световодами происходил без потерь, необходимо изготавливать <ідиабатачесхие конусные переходы, т.е. такие, которые сохраняют исходный модовый состав, вызывая лишь его пространственную деформацию. В отличие от них, на неадиабатическом конусе входная фундаментальная мода возбуждает излучательные и высшие направляемые оболочкой моды, обладающие различными постоянными распространения (12,13]. Соотношение фаз этих мод на входном конусе определяет долю энергии, преобразующуюся в выходную фундаментальную моду, остальное излучение теряется. В терминах модового состава обмел энергией между световодами ответвителя и соответствующая длина перекачки энергии определяются различием постоянных распространения симметричной и антисимметричной нижних мод составного волновода участка связи. Сказанное выше иллюстрирует мвисимосгь проходящей мощности Р, в одном, из выходных каналов от длины участка связи ответвителя 1, представленная ни рис.1. Изменение фазовых соотношений между модами, зависящее от длины участка связи, приводит к периодическому ложению или вычитанию их амплитуд и, как следствие, к полной перекачке энергии поочередно в один из выходных каналов ответвителя. При этом мощность Р2(1), ответвленная во второй выходной канал, осциллируег в прогивофазе с Pt(I), так что суммарная мощность на выходе двух каналов остается постоянной с точностью до избыточных потерь. Точка на зависимости Р,(1), где Р,=Рг=0.5 при минимальной длине 1, отвечает симметричному делителю мощности со слабой спектральной зависимостью. При увеличении числа осцилляции N на зависимостях Р,{1), Р2{1) спектральная чувствительность коэффициента деления ответвителя возрастает, что открывает возможность создания спектрально—селективных элементов. Теоретический анализ работы ответвителя показал, что при ч.оотретствующем контроле параметров в процессе изготовления ответвителя, число осцилляции и спектральная чувствительность
од *
«W4MPMVWWM
*яі tat
... _ , . . 31
і * Г"-:* «.-«..л*. v< *тяе,.'-_^<зьиііГгеЖїГ> ^*A-rr«T«t
[I l\\ ц\ ip v ^v
L JA.M J'>?-<
»H4n:Ui:r. -,
.- «чЧ*;*.**"
>-.*.-.; №^s ...
'V-:r-?*:-ir-'>'.:- 'Ч-^їГїГ.^'-;
(if Ії» 'ІмІІ rmtji ис$Гчпц*& II II 11ЇІ fits' ИК1 Иї3 "H
.- f
1, мм
Рисі Зависимости мощности в нштуугаэт; каналах
отвегвитсля от длины уяасйса сплавлення
световодов, полученные в процесха вытяжения.
коэффициента деления находятся в однозначном соответствии
J12]. В этом случае достаточно остановить процесс сплавления —
вытяжения световодов, совершив необходимое количество
осцилляции, для получения заданной спектральной
селективности. Коэффициент деления ответвителя
синусоидальным образом зависит от длины волны, поскольку
ответвитель является фактически двухлучевым
интерферометром. На рис.2 показаны спектры пропускания каналов ответвителя, соответствующего N =2,5 осциляции на зависимостях Р1Д(1). Такой ответвитель может . служить мультиплексором—демультиплексором для длин волн 1.3 и 1.55 мкм с развязкой между каналами 20 дБ при спектральной полосе входного излучения 50 нм. При уменьшении спектральной ширины источников излучения развязка существенно возрастает. На рис.3 суммированы экспериментальные данные по измерению спектральной силы К ответвителей с различными значениями N. Спектральная сила R ответвителя определялась
как R=A/Aa, где ДА, — полупериод спектральной зависимости коэффициента деления. Рекордное значение,спектральной силы R = 1.1x104 достигнуто для ответвителя с N = 4500, что позволяет разделять оптические сигналы со спектральным
расстоянием ДХ— 7x.W~2 нм. Управляемая персональным компьютером технологическая установка [14], созданная в процессе вьшолнения настрящих исследований, позволяет изготавливать элементы с потерями менее 0.1 дБ и хорошей воспроизводимостью, что дало возможность перейти к экспериментальной реализации программы волоконной интерферометрии.
3. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Развитая технология' цельноволоконных оптических элементов - ответвителей, мультиплексоров, спектральных фильтров на основе волокон с долрессией показателя преломления в оболочке — позволила создавать достаточно сложные многофункциональные интерферометрические схемы
КЮО
Длина
волны, нм
Рис 2. Спектры іфоаускания двуж каналов
шекзрально - селективного отаехвнгеля
разделяющего (объединяющего) излучения
с ддипамн волн t3 п 1,55 мкм, имевшего
число осцилляции N=2,5 на зависимости
щей мощности от длины вытяжения
" между каналами - более 20 дБ.
R »'
РисЗ. Спектральная зависимость спектральной силы R сиветат-аля or колнчетва биений N шстєЕсшгаоота в процессе сплавленая и вытяжении световодов.
!3
для внутрирезонаторного контроля когерентных свойств лазеров. При зтом усложнение оптических схем не вызывает серьезных трудностей при их изготовлений и позволяет реализовать конструкции с уникальными спектральными характеристиками, построение которых из дискретных элементов было бы вряд ли оправданно. Фрагментами, оптических схем, о которых нойдет речь, являются хорошо известные в классической оптике двухлучевые интерферометры Саньяка, Маха—Цендера и многолучевой кольцевой интерферометр (показаны на рис.4а,б,в, соответственно), поскольку они достаточно просто выполняются в волоконном варианте и естественным образом интегрируются в сложные конфигурации.
Для дискриминации продольных мод в лазере необходимо, чтобы спектральная селективность диспергирующего элемента была сравнима с межмодовым интервалом. Спектральное пропускание интерферометра Маха—Цендера синусоидально зависит от длины волны; соответствующим разбалансом длин плеч легко реализовать спектральный период, сравнимый с межмодовым интервалом [14]. Дополнительная селективность, сравнимая с шириной кривой усиления лазера, может быть введена при использовании селективного бтвствктеля в качестве одного из ответвителей, образующих интерферометр Моха-Цендера. Интерферометр Саньяка, образованный симметричным ответвителем, является глухим (петлевым) золоконным зеркалом — аналогом трехзеркального антирезонаксного отражат-ля. Сочетание его с интерферометром Маха — Цендера, как показано на рис.5а, делает интерферометр отражающим селективным зеркалом. Спектр отражения приведен па рас.55.
Волоконный кольцевой интерферометр (рис.4в) простейпгай резонатор высокой разрешающей силы — во-первых, не имеет отражения назад (исключая обратное-рэлеевское рассеяние, которое будет обсуждаться ниже) и, во -вторых, имеет сравнительно малую область свободней дисперсии (c/nL), поскольку сделать малой его оиглческую длину nL весьма затруднительно. Использование интерферометров Саньяка и Маха-Цондера в комбинации с
& - Сая&яка; в - кольцевой.
л
Длина волны, нм
Т?яс5. Петлевой отражатель со дшшом через итърферетегр млха-Цеядера (а) ц ашкхр «яго пропускання (о).
кольцркым интерферометром ігояколякуг модифицировать его свопстии, и частности, а широких пределах менять величину отражения интерферометра и существенно расширить его область свободной дисперсии при сохранении высокой добротности. На рис.б представлена схема кольцевого интерферометра с внутренним петлевым отражателем. При увеличении коэффициента отражения внутренней петли за счет изменения коэффициента перекачки огветвителя его образующего, спектр пропускания характерный. для кольцевого интерферометра в случае слабого отражении (рис.7а), іілаино изменяется, переходя ври полном отражении петли в спектр интерферометра Фабри —Перо с той же оптической длиной (рис.7в). В промежуточных случаях (рис.76), резонанс исходного кольцевого интерферометра распадается на два резонанса. При этом отраженное назад от интерферометра излучение также существенно меняется, позволяя тем самым менять уровень обратной связи при использовании его в качестве элемента внешнего резонатора.
Расширение области свободной дисперсии возможно при использовании селективного -отвепштеля, замыкающего кольцо, однако проще реализовать и использоеать кольцевую схему с внутренним интерферометрам Маха — Цсядера, показанную на рис.8. Расширение области свободной дисперсии происходит в ней за счет подавления части резонансов в тех областях спектра, где селективность интерферометра Маха — Ценлера "выключает" добротность кольца. На рис.9 приведен спектр пропускания
такого интерферометра при Л-=1.58 мкм с областью свободной дисперсии расширеніїой в 5 раз по- сравнению с обычным кольцевым резонатором аналогичной длины. Интерферометр имел 1о=2.1 м, Lj = 0.9 м и L2 =0.3 м, с помощью гсьозокерамических модуляторов сканировались длины Lq и Lt.
Следует отметить, что предложенные модификации кольцевого интерферометра позволяют сохранить его высокую добротность. В наших экспериментах их резкость (отношение области свободной дисперсии к ширине резонанса) превышала
б
в
ЇЇасВ. Схтт волоконного кольцевою внкрфа^юмшра с анутреншш нетлевым отражателем (кверху).
йие& Спежзрьз щющгпсалия зшхерферсиетра с даизш
2 м при ушеквяевхш оараш&ния ЕнутЕреш "Ш
пеюш: а - нулевое отражение,"
б - іфамеясрточшвй случай; з » полное тражешза
EecS. Кольцевой втедферодоегр со ваодом через Ештерфероьіеяр Маха - Цев&ера.
Рис 9. Спектр пропускання интерфєроіжгра с параметрами: L = 2,1 м , L = 0,9 м, L2— 03 м.
І')
ПРОДОЛЬНЫХ МОД И СУЖЕНИЯ линии
В области применения внешних резонаторов для улучшения когерентных свойств полупроводниковых лазеров можно выделить два аспекта. Во-первых, широко используемые инжекщгонные лазеры с резонатором Фабри — Перо, образованным гранями полупроводниковой пластины, имеющим малую селективность и не гарантирующим одномодовый режим при изменении тока накачки и рабочей температуры, особенно, если речь идет о высокочастотной токовой модуляции, требуют простых методов выделения и контроля одной продольной «оды диодного лазера. Во—вторых, игокекциониые лазеры, в которых одномодовый режим обеспечен их конструкцией,, например, применением распределенной обратной связи, имеют ширину линии обычно не менее 10 МГц из — за малой длины диодного резонатора, что не достаточно для ряда применений и требуется дальнейшее сужение линии'.
Решение первой задачи успешно достигается применением селективных волоконных отражателей, один из вариантов которых описан в предыдущем разделе. Для этой цели одна из граней инжекциоиного лазера (иногда имеющая просветляющее покрытие) оптически согласуется со входным световодом волоконного отражателя через микролинзу, сформированную методом оплавления на предварительно угоньшенном (для согласования геометрии мод лазера н оптического волокна) торце световода. Одна из исследованных схем этого тина представлена на рис.10. При достижении оптимального согласования (коэффициент ввода излучения в одномодовый световод обычно составлял 40—70%), во—первых, понижался порог лазерной генерации и, во—вторых, при надлежащей настройке отражателя происходило возбуждение единственной продольной моды диода, совпадающей с максимумом отражения волоконного селектора. На рис,11а,б представлены спектры лазера без внешнего отражателя и с ним, В таком лазере присутствует эффект составного резонатора — комбинирование селективности внешнего резонатора и резонатора диода,
Ъас Ш. Сяєш лазера с гюлтавнъш дишерсаионным
отражатешмс, аналлгочньш хтшхзденнсшу на
. ркс5. ЛД - лазерный диод.
б
л &_іиж
ВОЛНЫ, им.
132?
йвс It. Оадяри лазера без акггочеашй (а) ю с обратной связьзо
играющего роль внутрирезотіпторпого эталона Фабри — Перо. Влияние; последнего, в принципе, можно уменьшить ТЩДГеЛЬИЫМ яросвотлеиием, однако и в этом случае при спектральной перестройке с помощью волоконного отражателя выходная мощность увеличивается и уменьшается с периодом равным спектральному расстоянию между продольными модами диода.
Для сужения линии генерации исходно дкомодоэых
лазерных диодов перспективно использовать многолучевые
отражательные интерферометры, при этом необходимо, чтобы
область свободной дисперсии интерферометра превосходила
начальную ширину линии диода. Таким образом обратная связь
осуществляется отражением, соответствующим единственному
резонансу интерферометра. Для этих целей мы успешно
применяли отражатель, представленный на ркс.6. Помимо этого,
использование оіггического волокна дополнительно
предоставляет интересную возможность для резкого сужения линии. Известно, что обратное рзлеевское рассеяние из протяженных световодов '(длиной более 50 м) существенно сужает линию генерации [5J. Однако флуктуации температуры, механических напряжений и т.п. в световоде приводят к случайным перескокам частоты в пределах ширины линии излучения лазерного диода, которая наблюдается до согласования его со световодом. Использование такого рода сужение линии представляется малопригодным и обычно рассматривается как паразитная обратная связь при введении излучения в световод, приводящая к дополнительным шумам. Наша попытка преодолеть эти трудности состояла в предложении использовать обратное рзлеевское рассеяние из высокодобротного резонатора, образованного кольцевым волоконным' интерферометром. Применение кольцевого интерферометра позволяет, so—первых, при малом периметре кольца увеличить эффективную длину рассеяния и, во —вторых, ограничить область перескоков частоті,! излучения лазера шириной резонанса кольца. При совпадении частоты излучения лазера с резонансной частотой интерферометра, излучение накапливается в кольце, совершая в нем значительное количество проходов вследствие его высокой добротности.
приводя тем самым, к многократному возрастанию обратного рзлеевского рассеяния. Вдали от резонансов кольцевого , интерферометра отраженное назад излучение уменьшается, поскольку рассеяние там происходит на сравнительно небольшой длине 16). Ма рис. 12а представлена оптическая схема эксперимента, выполненного с одномодовьш лазерным диодом с
длиной волны Л=1.58 мкм и исходной шириной линии 100 МГц
{рис. 126). В эксперименте были предприняты специальные меры
для предотвращения паразитных отражений. На рис.12в показан
спектр лазера ^ оптической обратной связью от кольцевого
интерферометра длиной 1 м и резкостью 100, измеренного на
сканирующем интерферометре с разрешением 50 кГц. Как и в
первом случае. приведены два порядка пропускания
сканирующего интерферометра. Измеренная ширина линии в
данном эксперименте определялась разрешением сканирующего
интерферометра. Последующие эксперименты доказали, что
ширина линии такого лазера лежит в субгерцовом диапазоне
(=0,6 Гц [151 ).
йолоконные лазеры также вызывают значительный интерес с точки зрения построения на их основе спектрально перестраиваемых источников одночастотного излучения. Обьгшо исследуются схемы, включающие спектрально — селективные ' элементы — эталоны Фабри —Перо, дифракционные решетки — и оптические фарадеевские изоляторы для обеспечения однонаправленной генерации в кольцевой геометрии и предотвращения пространственного выгорания инверсии в пучностях стоячей волны, ведущего к срыву одномодовой. генерации {16-18]. Такие схемы обладают тем недостатком, что в них теряется цельноволоконная, оптически однородная структура лазера и, как следствие, они имеют значительные потери, связанные с оптическим согласованием обьемных элементов с одномодовьгаи световодами. Для преодоления этих трудностей нами был предложен и реализован волоконный лазер, схематически показанный на рис.13, являющийся модифицированным кольцевым интерферометром с внутренним интерферометром
Ипяо с
югазый лазер пленной связью вы
Вааоашпный ЕСоАэьедевай
шггерферокегр с рзлеєзааш саражсвЕСйх
Вкс 22, а- овйЕимескад сжеш.
6 - ог&стр излучений тащраваншно ле^хшиг
диода. Исходная пшрша линии - 100 МГц.
в- шеязр заалучеша, с обржгаой сьяшга sa етєг
сбіра-гаою ралвеаското расоззташ та йодошзишсго
кодщвзого иадаерферомехрзи Р&арашшнв - SS кП$.
В обода: случает показаны дна йорядаа иршустаган
скашр^сщєго .дащротааїшт нтІЕрфержетр&,
Дшроотный агветвЕхаяь нм - 1560 гая
Накачка на
БСЦЩЫ —. 1'
Акотзшай зрбшхдай световрд
йас.13. Одрдоасттый кольцевой волоконный лазер
с шдашшраЕЛйвной генерацией
без навзаимных а\тешш
Маха— Цендера, рассмотренным яыпге {см. рис.8). Световод легированный ионами Ег3+ до концентрации 400 ррт длиной 18 м располагался в одной из плечей интерферометра Маха— Цендера, образованного двумя спектрально неселекггивными ответвителями, один из которых был симметричным делителем мощности, другой имел значительную (более 10 дБ) асимметрию коэффициента деления. Оптическая накачка производилась непрерывным перестраиваемым лазером Cr^YAG {Щ, настроенным на длину волны 1480 нм, с выходной мощностью до 300 мВт через селективный дихроичный ответвителъ, пропускающий в кольцо излучение накачки и запирающий в кольце сигнальное излучение на длине волны І51Ю нм. Оптическая развязка ответвигеля для длин волн 1480 нм и 1560 нм превышала 20дБ. Балансировка длин плечёй интерферометра Маха —Цендера с целью управления спектральной характеристикой резонатора и выделения единственной продольной моды, осуществлялась с помощью нагревателя, расположенного в одном из плечей интерферометра. Коэффициент деления входного асимметричного ответвигеля и усиление активной среды выбирались такими, чтобы волны, интерферирующие на выходном симметричном ответвителе, имели равные амплитуды. В этом случае достигается высокий контраст интерференции и, как следствие, для оптимальной частоты излучения реализуется высокая . добротность для генерации в направлении распространения по часовой стрелке (рис.13). В противоположном направлении излучение, прошедшее активную среду,' преимущественно выводится из резонатора на асимметричном ответвителе. Таким образом, при оптимальной настройке удается полностью подавить двунаправленную генерацию без использоваішя невзаимных элементов и предотвратить возниковение многомодовой генерации вследствие пространственного выгорания дыр в инверсии. Одномодовый режим генерации проиллюстрирован на рис.14а,б спектрами, полученными с помощью монохроматора с разрешением 0.1 им и сканирующего интерферометра с областью свободной дисперсии 100 МГц.
Дыава
волны, ям
Рюс 14. Оптичгесктш спектры кольцевого лазера с иззтерферомєтром Маха - Цендера, хюлученные
с шмощью монохроматора (а) и сканирующего
иагерферометра с областью свободной дисаерсии
100 МГЦ (б).
Выходная мощность составляла 15 мВт при 70 мВт мощности оптической накачки, поглощенной активной средой.
Полупроводниковые лазеры, ряд твердотельных систем, в
том числе волоконные лазеры на основе световодов
легированных ионами редкоземельных элементов, имеют
значительную ширину спектральной полосы усиления и
способны генерировать субпикосекундные импульсы. Это
означает, что уже при сравнительно небольшой средней
мощности возможно достижение значительных величин
пиковых мощностей в импульсном режиме. Предметом
последующего изложения является рассмотрение
интерферомегрических резонаторов с учетом специфики импульсного режима генерации, означающего необходимость учета внутрирезонаторных нелинейно—оптических эффектов. Как уже указывалось во Введении, связанные резонаторы с нелинейностью позволяют резко. улучшить качество синхронизации мод, а в ряде случаев реализовать режим самостартующей пассивной синхронизации мод. Теоретически и экспериментально показано [20 — 25], что солитоиныи лазер представляет собой частный случай двухрезонаторных лазерных систем с. нелинейным внешним резонатором, в которых улучшение синхронизации мод возможно и в отсутствии солитонного характера распространения оптического импульса. В этом случае наличие дисперсии определенной величины и знака не является принципиальным [20]. В таких лазерных системах уменьшение длительности импульса происходит из—за интерференции излучения выходящего из основного и внешнего нелинейного резонаторов. Поскольку фаза излучения, вернувшегося из внешнего резонатора, зависит от мощности, выбором параметров зеркала, на котором происходит интерференция, и расстройкой длин резонаторов вблизи точки синхронизма достигается условие, при котором конструктивная интерференция имеет место лишь для пиковой мощности импульса, в то время как крылья импульса разрушаются. Иными
словами, в такой схеме реализуется динамическая добротность связанных резонаторов, дающая сокращение длительности импульсов в режиме активной синхронизации мод, а при определенных параметрах приводящая и к пассивной синхронизации мод. экспериментально наблюдавшейся для солитоїшого лазера |21{.
Серьезной проблемой лазеров со связанными резонаторами
является необходимость в стабилизации с
иитерферометрической точностью оптических длин резонаторов вбли:ш точки синхронизма J21). В настоящей рабоге предложена схема лазера с нелинейным волоконным резонатором, реализующая интерференционное сжатие импульса, в которой интерферирующие импульсы автоматически находятся в синхронизме. Рассмотренная однорезонаториая схема, свободна от необходимости стабилизировать оптические длины связанных резонаторов вблизи точки синхронизма.
При рассмотрении способности той или иной оптической схемы к пассивной синхронизации, мы руководствовались на начальном этапе энергетическими соображениями, именно, переход к синхронизации мод должен сопровождаться увеличением добротности резонатора, т.е. импульсный режим должен иметь меньшие потери, чем, скажем, непрерывный режим с той же средней мощностью. Разумеется, это условие не является достаточным, однако око крайне полезно с методологической точки зрения.
В основе рассмотренных ниже схем волоконных лазеров с пассивной синхронизацией мод лежит нелинейное волоконное зеркало в форме петли (синонимы - нелинейный интерферометр Саньяка, антирезонансный отражатель), показанное на рис,4а, которое было впервые предложено в J22J для оптических переключений. Его функциональные ВОЗМ9ЖНОСТН иллюстрирует рис.15, на котором представлена зависимость отражения (пропускания) от уровня входной мощности. Малые потери оптического одномодового волокна и элементов на его основе — ответвителей, мультиплексоров — позволяют создавать резонаторы большой длины, что дает возможность эксплуатировать нелинейные свойства петлевого
Невзаимный фазовый садит в петле - ОД) я
йтддвая энергия. ОТО, ед.
Рис 15. Функция отклика нелинейного интерферометра Саньяка для дврс значений невзаимной фазы в петли.
зеркала при использовании в качестве активной среды волоконные или полупроводниковые усилители малой средней мощности. Рассмотрим свойства лазера с линейной геометрией резонатора, в котором одним из зеркал является волоконный петлевой отражатель (ВПО) с несимметричным отаегвителем. При учете нелинейности, излучения, распространяющиеся з таком ВПО в противоположных направлениях, набирают из—за отличия в мощностях, различные фазы |22]. Такая фазовая разбалансировка при увеличении мощности приводит к уменьшению с ражения ВПО по сравнению с линейным случаем. Введение в ВПО невзаимного элемента позволяет создать различие в набегах фаз у встречных излучений уже в линейном случае, то есть при малых интенсивностях, когда фазовой , самомодуляцией можно пренебречь. Поскольку отражение петли зависит от невзаимной фазы (или поворота плоскости поляризации), как показано на рис.15, выбором невзаимного элемента можно достичь минимального отражения при малых мощностях, излучения, в частности на крыльях импульса, н максимального для центра импульса, где ощутим вклад нелинейности. Фактически при наличии невзаимного элемента существуют два связанных резонатора, в которых излучение распространяется во встречных направлениях, а их оптические длины равны (синхронны) лишь дія пиковой интенсивности, для которой начальная фазовая расстройка компенсируется разностной нелинейной фазой. Если невзаймная разностная фаза ф не превышает % и противоположна по знаку нелинейной разностной фазе, излучение с большей мощностью имеет больший коэффициент отражения из ВПО, что приводит к положительной обратной связи. Невзаимная фаза может возникать при вращении ВПО или вводиться иными способами, например, вследствие эффекта Фарадея или за счет внесения внутрь ВПО несимметрично расположенного фазового модулятора, либо за счет двулучепреломления в световоде.
Распространение излучения в волокне будем описывать нелинейным уравнением. Шредиигера в бегущих координатах Т|=t—z/u:
еАі/ді-і0.5к2<32А/д(\Ч^ \ Aj (*А,« О,
где и — групповая скорость, параметр к2 учитывает линейную
дисперсию среды во втором приближении, pj — нелинейный
коэффициент, a А,(1) — амплитуда излучения,
распространяющегося внутри ВПО в одном из направлений и связанная через амплитудные коэффициенты прохождения і или перекачки р ответвителя с амплитудой А(1) входною
ИЗЛуЧеНИЯ {12 —13]. АмВЛИТуДЯЬіе КОЭффИЦИеНТЫ Ш'р.ІЖОНИЯ
R=ipr(l+Qexpi^ и пропускания Т— (t^-p^expi^ ВПО выражаются через набег фазы в волокне и фактор С, характеризующий невзаимность. В случае нулевой дисперсии, когда к2 =0, можно явно записать фазу =-0lp2lA|2L+^) и фактор =ехрі(Ф—6, (і2 —р2) |А(2 L), где L — длина петли, а Нелинейная фаза.
Излучение, отраженное от ВПО, проходит при необходимости, амплитудный модулятор, использующийся для активной синхронизации мод, с пропусканием 1 — Mfl+coso^t), индексом модуляции М и частотой модуляции Фм, соответствующей межмодовому интервалу лазера, а также активную среду, связывающую Фурье—компоненты А"(а>) амплитуды на каждом проходе: Аа+і — <х/{(Щв>/Ав>)2)(1+е$}Аа, где 1= (lApdl и е, а, Да» — факторы насыщения, усиления и ширина
полосы, соответственно.
Наиболее эффективггую положительную обратную связь кз ВПО можно получить, когда Ф=я, а длина L выбрана такой, что для пиковой интенсивности импульса =1. В этом случае при малых мощностях излучения, в частности на крыльях импульса, отражение из ВПО отсутствует, а для центра импульса оно максимально! Чтобы генерация развивалась из шумового излучения малой интенсивности, необходимо создать ненулевую
добротность при малых мощностях, для чего Ф должна быть несколько меньше те.
На рис.16 показан продесс развития генерации из шумов кри пассивной синхронизации иод нелинейным ВПО с параметрами: рг=0,4;2; а = 10,6; Д<»=6; е-1,8; к2 =0; pj-l; L=0,07; Ф~0,93п. Д\я разрушения неустойчивых состояний фазовые и амплитудные шумы добавлялись при каждом проходе излучения через резонатор. Как показали расчеты, по сравнению с нелинейной пассивной синхронизацией мод, импульс, полученный при активной синхронизации мод в наиболее благоприятном случае (отсутствие шумов, 100%—ая глубина модуляции), имеет существенно большую длительность и меньигую пиковую мощность.
Численный анализ с учетом дисперсии групповой скорости в волокне показал, что в широком диапазоне значений и произвольном знаке к2, разрушения режима пассивной синхронизации мод не происходит.
Фазовая самомодуляция излучения, распространяющегося в нелинейной среде, часто применяется для увеличения ширины спектра оптического импульса с целью его последующего сжатия в компрессоре с необходимым знаком дисперсии групповой скорости. Недостатком пассивных схем сжатия импульсов является образование пьедестала, содержащего значительную часть энергии. С этой точки зрения предпочтительны активные системы формирования импульса, например, лазер с синхронизированными модами, в котором пьедестал незначителен. Однако, ширина спектра и, соогветствйнно, длительность импульсов ограничены шириной кривой усиления активной среды как в традиционных схемах синхронизации мод, так и в улучшенных за счет оптической связи с внешним нелинейным резонатором. Хотя в последнем Случае двухрезонаторных систем уменьшение длительности импульса происходит из—за интерференции излучения основного резонатора и излучения, испытавшего фазовую самомодуляцию во внешнем нелинейном резонаторе, нелинейный набег фазы для пиковой мощности импульса при
РисЛб. Временная эволюция шшульса при тссиввай
синхрашязации мод, схартуюпфк из затравочных
шумов, в лазере е нелинейным волоконным
петлевьш отражателем. Представлен случай
отрицательной дашерснн в световода {к = - 1).
устойчивой генерации не должен превышать %Г1 {23|, поэтому уширение спектра в нелинейной среде мало и не оказывает значительного влияния на выходной спектр лазера.
В отличии от лазеров со слабосвязанными основным и нелинейным резонаторами, лазер с нелинейным ВПО имеет единый нелинейный резонатор и, гак как за формирование импульса отвечает разностная нелинейная фаза, появляется возможность существенно расширять оптический спектр за счет увеличения полной нелинейной фазы для излучений, распространяющихся в ВПО в противоположных направлениях. На рис. 17 сплошными кривыми приведены нормированный на энергию' спектр импульса, и спектральная зависимость оптической фазы <р, свидетельствующая о полной синхронизации мод. Спектр импульса в =5,5 раз шире кривой усиления активной среды, показанной на рис.17 пунктиром. Из—за сложной структуры лазера вид импульса может существенно изменяться по мере распространения по резонатору, позтоігу место вывода импульса из резонатора следует выбирать в зависимости от поставленной задачи. Так после прохождения активной среды пиковая мощность импульса увеличивается в =2 раза и он становится спектрально— ограниченным, однако длительность такого импульса увеличивается, так как его спектр лишь на 20% шире кривой усиления. Таким образом, лазер с пассивной синхронизацией мод за счет нелинейного переключения в ВПО способен генерировать импульсы близкие к спектрально—ограниченным, спектр которых существенно превышает ширину кривой усиления лазера. Иными словами, рассмотренная схема сочетает функции фазовой модуляции и внутрирезонаторной компрессии.
Дальнейшее развитие данной схемы связано с попыткой исключения из нее необходимости в невзаимной расстройке фаз в петле для встречных волн, что экспериментально реализуемо [24], однако представляется серьезным ее усложнением.
Возможная реализация такого лазера показана на рис.18. Резонатор лазера представляет собой модифицированный
Рис 1?. Спектр ишгульса ва выходе нелинейного петлевого отражателя и соогаегогаугащее ему распределение опгаческой фазы . Спектральная полоса усзлєния, использованная в численных расчетах, показана пушегаром.
В^щу^
Активная (воло: усшштель)
Оптическая накачка через
ДЕСКрОИЧЕЕБіе
ответвители
Акснвшш усилитель)
Ошжческий изолятор
t-
О&ноііаправленная
петля >
Двунаправленная
нелинейная
петля
Рис. 18. Схема колщевого волоконного лазера
с пассивной синтроннзацией мод.
Возможно ншользовавие одного
эсшшшного усилителя.
}7
кольцевой волоконный интерферометр, работа которого в линейном режиме' рассмотрена выше (см. рис.6), содержащий дополнительно отрезок активного световода {вариант лазера с двумя волоконными усилителями также обсуждается ниже) и работающий на проход нелинейный ВПО с несимметричным ответвителем. Далее всюду для простоты будем предполагать, что излучение испытывает нелинейные искажения (дисперсию, фазовую самомодуляцию) лишь в пассивном световоде внутри ВПО, пренебрегая нелинейностью в активной среде. Оптический изолятор обеспечивает однонаправленную генерацию вне ВПО. В отличии от нелинейных петлевых отражателей, петля, введенная в кольцевую схему, действует как фильтр с нелинейным пропусканием; для больших интенсивностей пропускание петли увеличивается, следовательно,', возрастает добротность кольцевого резонатора.
Существенным компонентом схемы является
несимметрично введенный в ВПО точечный источник потерь {либо усиления), увеличивающий различие в интенсивностях волн, проходящих через нелинейную среду в противоположных направлениях и приводящий поэтому к возникновению дополнительной разностной фазы. В этом случае излучение, распространяющееся в одном направлении, сначала испытывает потери (усиление) и затем фазовую самомодуляцию, а в противоположном' направлении очередность воздействий обратная. Оба механизма создания разностнрй фазы способствуют развитию пассивной синхронизации мод в рассматриваемом лазере и выполняют различные функции.
і Несимметричный ответвитель ВПО создает ненулевое пропусканию петли для слабых мощностей, что необходимо для развития генерации из шумов, и обеспечивает увеличение
, пропускания ВПО за счет фазовой самомодуляции при возрастании мощности. Несимметричное введение потерь (усиления) позволяет получать разностную фазу при меньшей суммарной нелинейной фазе и поддерживать требуемое для стабилизации сформированного импульса соотношение между полными разностной и суммарной фазами.
Детальный анализ J25J позволил идентифицировать режимы работы лазера и связать их параметрами резонатора. Особо хотелось бы отметить два практически важных момента. Отрицательная дисперсия в световоде, позволяющая формироваться солитоноподобньш оптическим . импульсам, благотворным . образом влияет на процесс пассивной синхронизации мод. Это обстоятельство иллюстрирует рис.19. Стационарная синхронизация мод в области отрицательной дисперсии световода приводит к формированию спектрально— ограниченных иміпульсон, при этом ма/vOe абсолютное значение дисперсии позволяет получать импульсы, соответствующие полной фазовой синхронизации спектральных компонент в пределах всего контура усиления. Это показывает исключительную эффективность данного механизма синхронизации мод. Впоследствие эти выводы были подтверждены в ряде экспериментов {26—28J, в которых была реализована пассивная синхронизация мод с длительностью импульсов stOO фсек. .
Кроме тогр, недетерминированность частоты повторения, в силу ' пассивного характера синхронизации, позволяет реализовать режимы с несколькими импульсами на временном интервале, равном полному обходу резонатора (синхронизация мод на' гармонических частотах). Зависимость количества импульсов от длины "нелинейного" световода в ВГЮ представлена на рис.20. При увеличении длины световода происходит распад предыдущего состояния и образуется новое с большим числом импульсов такое, чтобы меньшая пиковая мощность вновь образованных импульсов по—прежнему соответствовала бы разностной нелинейной фазе эгс при их интерференции на ответвителе и, таким образом, осуществлялось эффективное нелинейное переключение ВПО на проход. Экспериментально такое возрастание количества импульсов реализуется увеличением мощности накачки, эквивалентным удлинению световода,
з»
г4.0С
-3.00
-2.00
2.00 ->
І.00
Т 1.00 -
0.00
II II ПІП || II'. і і і її ц 11J II 18 ц 11 щ и и її іп пі і ці і ні її и і 2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00
к
Ряс 19. Завшзмссть длительности импульса % и параметра качества импульса К аг дисперсии
световода D для кольцевого двузнетлеззого
волоконного лазера {рисій}. К ~ нормированное
произведение длительности на спектральную
полосу. К = і ссотвегствуеяг
спегстрально - ограниченному импульсу.
2.00
1.50 -
P 1.00 -
0.00 - І 'І Ч I 1 I I I I I 1 I I > ,1 14 I I I I I I II I III I lilt II
1S.00
0.00
РнсЖ Зависимость пшсовой интенсивности fP)
импульса в режиме стационарной пассивной
стгтгрошпатуитг мод от длены нелинейной
всшжсшнви петли (L). Цифры у кривых
во&аашшот количество импульоов в резонаторе
на одном полном проходе. Пунктиром
оташчеаы мйягастабальные состояния.
Несмотря на сравнительно большую длину волоконных лазеров (~10м), необходимую для функционирования нелинейного ВПО, в силу того, что при пассивной синхронизации мод частота повторения строго не задана, они способны работать, со значительными частотами следования импульсов кратными фундаментальной частоте резонатора. Экспериментально наблюдалась пассивная синхронизация мод на гармонической частоте в несколько десятков гигагерц при основной частоте, соответствующей обходу резонатора, в несколько мегагерц [26}, однако при этом частота повторений испытывает значительные флуктуации. Стабилизацию частоты можно достичь определенными усложнениями схемы [28}, которые, однако, не приводят к одновременной стабилизации пиковой интенсивности импульсов. Для преодоления этих трудностей перспективным подходом является гибридная (комбинированная) синхронизация мод, при которой частота следования задается стабильным модулятором, инициирующим активную синхронизацию мод, в то время как форма имульса определяется в основном внутрирезонаторными нелинейно — оптическими элементами, например, такими как ВПО,
Еще одно обстоятельство, делающее привлекательным гибридную синхронизацию мод, состоит в возможности изменения пиковой мощности импульсов и, в частности, ее значительного увеличения. Дело в том, что при пассивной синхронизации мод за счет изменения нелинейного отклика внутрирезонаторного интерферометра Саньяка, величина пиковой мощности жестко связана с разностью фаз интерферирующих, импульсов и, вследствие этого, с рабочей, точкой (значением отражения/пропускания) ВПО. Изменение пиковой мощности при изменении усиления в ВПО (мощности накачки) сопровождается значительным изменением формы импульса, поскольку изменение усиления приводит к новому значению разбалансировки ВПО для противоположных направлений распространения в нем. Именно, уменьшение усиления в ВПО и связанное с ним уменьшение средней
мощности генерации, соответствует более симметричному состоянию ВПО для двух направлений обхода, что в свою очередь требует большей' пиковой мощности для достижения нелинейной разности фаз, обеспечивающей рабочую точку ВПО с эффективным переключение»!. Это становится возможным лишь при значительном уменьшении длительности импульса^ При увеличении усиления в ВПО ситуация противоположна: большая разбалайсировка ВПО для двух направлений распространения при большей средней мощности требует меньшей пиковой мощности, что приводит к резкому увеличению длительности импульса. Этот недостаток схемы можно в; некоторой степени устранить путем введения еще одного усиления вне ВПО, как показано на рис.18. Возникающая при этом дополнительная степень свободы позволяет независимо балансировать значение средней мош.ности и положение рабочей точки ВПО и, таким образом, компенсировать в определенной степени изменения формы импульса при изменении его пиковой мощности. Однако с практической точки зрения, этот метод может оказаться громоздким.
Интересная возможность значительного увеличения пиковой мощности импульсов может быть реализована при использовании рабочей точки ПВО, соответствующей второму (или более высокому) максимуму на характеристике нелинейного отклика ПВО (рис.15). Наши расчеты показали J29], что возможно, получение устойчивой синхронизации мод при использовании второго локального максимума отражения нелинейного интерферометра Саньяка при инициировании генерации инжекцией . в резонатор соответсгвющето затравочного импульса. Такой режим работы ВПО может быть практически реализован. при комбинированной синхронизации мод, когда частота следования задается активным модулятором, а форма импульса формируется переключением в ВПО, В схеме с чисто пассивной синхронизацией мод, стартующей из шумов, при увеличении накачки наиболее вероятен переход к генерации с большим числом импульсов на периоде обхода резонатора, чем переход в режим, соответствующий второму
порядку нелинейного отклика ВПО, поскольку vacmr* следования импульсов жестко не детерминирована.
В исследованном волоконном лазере с гибрид!" »и синхронизацией мод, показанном на рис.21, в качеств-модулятора применен полупроводниковый усилитель, , нелинейный ВПО с усилением используется для укороченні; импульса, подобно быстрому насыщающемуся поглотителю, Достоинство инжекционного лазера с полосковой волноводкой. структурой в этой схеме заключается, во—первых, в возможности обеспечения низких потерь при оптическом согласовании его со световодом и, во—вторых, высокие частоты, доступные при прямой модуляции тока накачіш, позволяют просто настраиваться на необходимую частоту кратную основному резонансу. Использование активной синхронизации позволяет упростить схему, поскольку не требуется обеспечение условий для саморазвития импульсов из малого затравочного шума. В связи с этим мы использовали линейную геометрию, в которой не требуются фазосдвигающие или другие невзаимные элементы. Кроме того, импульс за один полный обход резонатора дважды проходит нелинейный ВПО; в связи с чем нелинейные свойства последнего обостряются. Резонатор лазера образуется внешней гранью полупроводникового диода и волоконным зеркалом, содержащего световод малой длины, такой что нелинейные эффекты в нем пренебрежимо малы. Это волоконное зеркало служило выходным зеркалом лазера с коэффициентом отражения 80%, что достигалось соответствующим коэффициентом деления ответвителя его образующего. Лазерный диод на основе четырехкомпонентного твердого раствора JnGaAsP с зарощенной мезаполосковой структурой имел антиотражающее покрытие на внутренней грани, обращенной к волоконной части резонатора.
Световод легированный ионами Егэ+ до концентрации 600 ррт длиной 1.8 м располагался асимметрично в ВПО и имел дополнительное легирование А1203 с целью расширения и уплощения спектральной кривой усиления активного световода [30J. Длина пассивного световода в ВПО была 25 м, а полная
Нелинейный ивтерферомегр Саньяка с усвоением
Накачка ва длине волны 980 им
Актаваый световод легированный ионами эрбия
оггаетвигель 980нм - 1550нм
RF DC
О- т -О
Полуировсдаикошой устительг-модуляо-ор
Кожроллсры поляризадргпи
X)
/
Огаегаитель с симметричным делением на 1550 вм
20 % - вое
кшодное
зеркало
Рис 21 Балконный лазер с гибридной саанхранизащиеа мод.
-)5
длина резонатора 'соответствовала фундаментальной частоте повторения F0 = 2.2 МГц.
Оптическая накачка осуществлялась непрерывным
перестраиваемым Т1:Л1г03 лазером на длине волны "к- ОНО нм через дихроичный ответвигель—мультиплексор. Лазерный диод монтировался на Пельтье регулятор, что позволяло изменением рабочей температуры диода совместить спектральный контур его
усиления с центром волоконного усилителя Лн1535 нм. Лазерный диод накачивался либо импульсами тока длительностью t нсек, либо гармоническим сигналом на частотах кратных полному времени обхода резонатора. Следует отметить, что кроме обычных функций инициирования импульсной генерации и укорочения длительности импульса, которую выполняет модулятор в схеме активной синхронизации мод полупроводниковый усилитель, имеющий в отсутствии накачки значительное поглощение на рабочей длине волны вблизи межзонного перехода, позволяет эффективно подавлять излучение отраженное (неперекліочєнное) от ВПО. Однако нами было найдено, что экспериментально достаточно просто обеспечить условия, при которых отражение от ВПО назад полностью отсутствует, т.е. имеет место эффективное нелинейное переключение в ВПО. На рис.22 приведены последовательности импульсов при синхронизации мод с частотами повторения в диапазоне от lxF0 до 6xF|>. Максимально реализованное 15—кратное превышение фундаментальной частоты следования было ограничено исключительно мощностью оптической накачки 30 мВт (поглощенная мощность). Важно отметить, что при такой гибридной синхронизации мод на кратных частотах, удается полностью контролировать как частоту следования, так и амплитуду импульсов.
Широко используемый метод получения коротких импульсов от полупроводниковых ннжекционшлх лазеров состоит в модуляции усиления при непосредственной накачке
*S
_JU
F=Z20 MHz
F=4.4Q №
Aiu-
Ai,., ...,.,.1% —A».
A». JL__A
F=6.60 MHz
F=8.80 MHz
#«»Ж
F=11.0MHz
F=!3.2 MHz
РисЗХ Последовательности импульсов волоконного лазера с гооридной синхронизацией мод с .частотами повторения, платными основной частоте резонатора. - 2,2 МГц.
его короткими импульсами тока. Несмотря на относительную простоту, он обладает рядом недостатков, главный из которых заключается в сравнительно низком качестве оптических импульсов, получаемых таким способом. Обычно ширина спектра этих импульсов в несколько раз превосходит ширину спектра спектрально—ограниченного импульса той же длительности. Это, в частности, не позволяет использовать такой метод получения импульсов в нелинейных солитонных системах передачи информации непосредственно без использования устройств спектральной фильтрации и компрессии. С точки зрения разработки новых эффективных методов генерации коротких импульсов со сверхвысокими частотами следования в полупроводниковых лазерах, возможность применения нелинейного интерференционного сжатия импульсов в лазерах со связанными резонаторами представляется крайне перспективной. К моменту начала наших исследований в этом направлении такая возможность никем не обсуждалась, единственным интригующим результатом было использование полупроводникового усилителя во внешнем резонаторе лазера на центрах окраски для инициирования пассивной синхронизации [31J мод вместо одномодового световода, обычно использующегося для этих целей.
Эксперименты по исследованию пассивной синхронизации мод в полупроводниковых лазерах со связанными резонаторами проводились в геометрии, представленной на рис.23, резонатор, представляющий из себя интерферометр Майкельсона, был образован внешними гранями лазерных диодов, плоским зеркалом с высоким коэффициентом отражения и делительной пластиной с коэффициентом отражения 60-80%. Внутренние {обращенные к делительной пластине) грани диодов имели просветляющие покрытия, вследствие чего генерация лазерных диодов на собственных зеркалах полупроводникового кристалла, в отсутствие внешней оптической обратной связи, не возникала во всем рабочем диапазоне токов накачки. 'Лазерные диоды накачивались независимыми стабилизированными источниками постоянного тока. Плоское зеркало монтировалось на предизионный механический стол, позволявший производить
/\
Лазерный диод 1
Лазерный диод 2
транслятор
ятмЦ Т ПьеЗОЭЛеКТрИЧСеСКИЙ
Рос. 23. Лазер со связанными в форме интерферометра *'
согласование оптических длин плечей интерферометра Майкельсона с точностью ні мкм. В дополнение к этому зеркало крепилось на пьезоэлектрическом трансляторе для осуществления быстрой коррекции малых рассогласований оптических длин плечей интерферометра. Для обеспечения высокой эффективности оптического согласования и, следовательно, высокой добротности составного резонатора были использованы просветленные микрообьективы с числовой апертурой 0,65. При равенстве длин плечей составного резонатора соответствующая настройка токов, накачивающих лазерные диоды, ґфиводила к спонтанному переходу к режиму' пассивной синхронизации иод. На рис.24а покапаны осциллограммы импульсов, полученные с помощью широкополосного фотодиода. Период следования импульсов соответствует основной частоте составного резонатора с длиной ^).37 м. Максимальная, частота повторения, реализованная в такой схеме, была S2 ГГц и ограничивалась исключительно размерами. внутрирезонаторных элементов (объективов, делительной пластины'и юстіфовочньгх приспособлений), не позволявших существенно уменьшить ддину резонатора. Экспериментально было обнаружено, что оптимальная настройка параметров лазера, при которой наблюдаются импульсы с полным контрастом, соответствует случаю равенства интенсивностей лучей, интерферирующих на делительной пластине. При независимом изменении тока накачки одного из лазерных диодов в оптимальном рабочем режиме, контраст импульсов сначала уменьшался, а затем синхронизация мод исчезала. Поэтому изменение средней мощности излучения в режиме синхронизации мод было возможно лишь при одновременном изменении токов накачки обоих диодов. Верхний предел длительности импульсов был экспериментально оценен как 30 псек. Точное измерение длительности с использованием автокорреляционной методики было затруднено из—за малой мощности излучения в выходном коллимированном пучке.
2nS.
їй-.
„. . ... ., ад-
uv=;.:,i гта? "*""«»з «-чеіч «N«4
! 1 II.' 1-. 1 /I
б
t *
|1 ! !
> V »-ф«* w*-*-** **л»А. tw r^P^-
*
ї ;
*1
if -ч і
S J ї*« «U і
І.„Тф«Я!ЙГ ~
ftsc. 24 Рсо^ештельноеть шшульшв лазера, є тоаашсй скшфешгаащшй мод, при шслкнеяной система стабшшзагрш длин таечйй ншрф[м>гйезр!ж^жого резошшра.
Вршаятая шкала - 2 вюек /де& (а) к 5 моек /дел.
Поскольку данная схема является двухрезонаторной и
ависит от взаимного фазового согласования составляющих ее
лементариых резонаторов, для достижения долговременной
табильности синхронизации необходима активная
табилизация длины резонатора, подобно тому как это делается солитонном лазере (21J. Мы использовали аналогичную истему стабилизации длины, исполнительным устройством в оторой служил пьезотранслятор, перемещавший плоское еркало. При включенной системе стабилизации, синхронизация год была стабильна в течении =10 минут (рис.246). Следует тметить, что данная схема отличается от традиционных систем ИСМ, в которых используется нелинейный внешний озонатор без усиления. В противоположность этим системам, осмотренная схема содержит две усилительные среды с елинейностыо, в которой два составляющих ее резонатора гогут работать выше порога генерации независимо, т.е. когда торая часть резонатора блокирована. В режиме синхронизации юд закрывание одной из частей резонатора переводило лазер в ежим, стабильной непрерывной генерации. По этой причине аннуто схему можно классифицировать как систему связанных азеров с синхронизацией мод.
Проведенные эксперименты показывают, что вследствие
начительной оптической нелинейности 1 даже
олупроводниковые волноводы . малой, длины приводят к елинейному фазовому сдвигу, достаточному для реализации ІСМ и, таким образом, к возможности пассивной инхронизации мод со сверхвысокими частотами. повторения. )днако построение таких лазеров на основе дискретных лементов , обладает рядом недостатков, например, низкой іеханической стабильностью, требующей использования систем табилизации резонатора, необходимостью в совершенной ехнолопга просветления граней лазерных, диодов, поскольку талонные эффекты, возникающие вследствие остаточного тражения граней, существенно ограничивают возможности корочения длительности импульсов и др. Естественным азвитием данного подхода является создание интегрального
аналога такого связанного резонатора в форме монолитного интерферометра с усилением.
На рис.25 показан внешний вид реализованного интегрального лазера - со сформированным методом фотолитографии интерферометром Мах—Цендера на полупроводниковой пластине с двойной гетероструктурой на основе соединения GaAs—AlGaAs. Ширина полосковых контактов составляла =5 мкм, а расстояние между юс центрами в разветвляющейся части интерферометра — 20 мкм. При больших расе ояииях между полосковыми контактами пороговый ток возрастал из—за увеличения потерь на рассеяние в Y—разветвлении.. Волноводная структура была сделана таким образом, чтобы плечи интерферометра Маха—Цендера могли накачиваться независимо. Разделение контактов достигалось с помощью химического-травления. Исследование интегральные интерферометркческие лазеры имели длину 400—550 мкм, а на их резонаториые грани наносились диэлектрические покрытия, имевшие при необходимости коэффиеит отражения в диапазоне 30-95%.
Зависимость выходной мощности таких лазеров от тока накачки была нелинейной и имела ряд специфических особенностей*, жесткий характер возникновения генерации, бистабильность, периодическое возникновение, и исчезновение генерации с ростом тока накачки. Это. связано с тем, что в интерферометрическом лазере потери в резонаторе периодически зависят от фазового рассогласования плечей, что приводит поочередно то к конструктивной, то к деструктивной интерференции. Измененение фазового рассогласования при изменении тока накачки в одном из плечей интерферометра вызвано зависимостью частоты излучения от показателя преломления, который связан с током накачки через плотность инжектированных носителей. Это и приводит к осцилляцшш на выходной характеристике лазера. При однородной накачке лазера одним источником постоянного тока, когда электрические контакты были соединены параллельно, зависимость выходной мощности от тока инжекции была линейной. Это свидетельствует о том, что в лазере не
№
Шшш\
гт \гт
ПШ !8FB MD15--
?вс25. Фрагмент интегрального шлуїфоводшзшвот
лазера с резонатором в форме волиово/щого
ит^рферометра Маха -Цендера, полученный с
помощью электронного микроскопа. Интерферометр
А** « зеэонжгора. Зеркала лазера, образованные сколами
голупроюоддшуоаога кристалла, находятся снрава ш слева за пределами
происходит пространственных деформаций мод, а все особенности выходной характеристики определяются исключительно иіггерферометрическим сложением оптических пучков.
Экспериментальное исследование интегрального
интерферометрнческото лазера показ&ю широкие возможности с точки зрения управления его когерентными свойствами как в непрерывном, так ' и в импульсном режимах. Все измерения проводились при накачке плечей интерферометра независимыми габилизированными источниками постоянного тока. Обнаружены следующие режимы работы, интересные с практической точки зрения.
А). Непрерывный одномсдовый режим с возможностью плавной перестройки частоты. Плавная перестройка (рис.26) осуществлялась соответствующей балансировкой токов накачки в плечах и составляла величину =2 нм, после чего наблюдался перескок моды. Подавление соседних мод при этом было не менее 25 — 30 дБ.
Б). Режим, двухчастотной генерации, соответствующий во временном представлений синусоидальным осцилляциям. Частота гармонических осцилляции с помощью изменения токов накачки могла изменяться в широких пределах от 100 МГц до .500 ГГц. При этом было возможно получение высокого контраста осодллящш. На рис.27 приведен двухчастотный спектр генерации и автокорреляционная функция соответствующих ему осцилляции с периодом І.84 псек.
В). Пассивная синхронизация мод, Получение качественной, синхронизации мод требовало прецизионной установки токов накачки, поскольку этот режим соседствует с широкой областью параметров, при которых возникает динамическая неустойчивость в форме пульсаций излучения. Было отмечено, что благоприятным обстоятельством, способствующим развитию синхронизации мод, является высокая добротность резонатора. Это находится в качественном согласии с выводами теоретической модели синхронизации мод со сверхвысокими частотами повторения в полупроводниковых лазерах (32{,
Дллыа волны, нм
Рис 26. Плавная таковая перестройка
длины волны іштерфароїйЯїдгазсзмато
полупроводникового лазера.
Ширины спектров ограничены
разрешением мошхраматорх
spectrum
SdRsvtiw
і::
-ьи'а :..1. Li l_iJ
:liu
в-вІЯ
ИКС v>. tnm
*
1.0-
*0.5
іД4 юсеяс
0.0
Временная задержка
Рис27. Дврдайхивый спеааср пшуіфоводрвжойюго
лазера, с йнгапзалшьш ивтерферомеярогг
МшЯ^квдера (а) и соашеярст^тшш ему
аЕйчж^ррейЩяошгаа фунвдва (б).
Автокорреляционная функция импульсов, полученная по. неколлинеарной схеме, показана на рис.28. Длительность импульса, в предположении огибающей импульса в форме гиперболического секанса, составила величину 0.6 псек. Ширина спектра в режиме синхронизации мод была равна =1,5 нм (по уровню 0.5), что соответствует произведению спектральной полосы на длительности -0.32. Это означает, что импульсы близки к спектрально — ограниченным. Период следования импульсов соответствовал времени обхода резонатора и был равен 12.6 псек (частота повторения =70 ГГц).
Как отмечалось выше, самостартующая пассивная синхронизация мод возможна при определенной начальной расстройке фаз в плечах интерферометрического составного резонатора. При такой расстройке импульсная генерация становится энергетически более выгодной (имеет меньшие потери), чем непрерывная генерация. В данном случае это достигалось соответствующей установкой токов накачки. Поскольку изменение тока накачки одновременно сопровождалось изменением усиления в регулируемом плече, нахождение режима синхронизации мод является многопараметрической задачей. Независимая установка фазового рассогласования могла бы существенно упростить обеспечение того или иного режима генерации, в частости, расширить диапазон плавной перестройки частоты. Независимое введение начальной фазы можно достичь, например*, с помощью тонкопленочного нагревателя, нанесенного на волновод одного из плечей интерферометра [33].
Интересно сравнить полученные режимы работы лазера на языке модового состава. Дополнительная селективность лазера — активного интерферометра Маха—Цендера с симметричной геометрией плечей — в сравнении с резонатором Фабри—Перо эквивалентной длины, возникает лишь при неоднородной инжекции, т.е. когда плотности токов накачки в плечах не равны между собой. Это приводит к образованию двух наборов продольных мод, в общем случае не совпадающих. При однородной инжекции, моды такого составного резонатора
* 22»
5»
Временная задержка, псек
Ряс28. Автокоррелзддозная функция ишгеасиияосга ивхегральнаго подущхаводоиковоро лазера с пассЕЕаой СЕЕГронизацней мод, измеренная по нешллииеарнай сасеке.
вырождены и дополнительной селективности не возникает. Очевидно, что для получения режима одной лродрлькой моды, необходима малая расстройка оптических длин составных резонаторов, при которой в спектралмюм контуре усиления могут совпасть лишь два резонанса, на частоте которых и возникает генерация. В режиме синхронизации ,мод начальная фазовая расстройка также приводит к. частотному расщеплению продольных мод составного резонатора, однако рабочий режим препятствует возникновению непрерывного режима, а ведет к развитию динамической нестабильности. В оптимальном режиме возникает синхронизация мод, при которой моды снова становятся вырожденными, но уже за счет дополнительного и различного нелинейного фазопего сдвига , а плечах интерферометра с рзпличиьш усиление»*.
Г). Существенно нелинейная выходная характеристика интерферометрического лазера позволяет выполнять логические операции с импульсными сигналами. Пример немонотонной "разрывной" выходной характеристики представлен на рис.29а, которая реализуется при малых коэффициентах отражения лазерных зеркал ( s30%). Подбором величии импульсных токов, накачивающих плечи лазерного интерферометра {при необходимости в комбинации с постоянным смещением), можно обеспечить режим, при котором генерация возникает лишь при одновременном приложении токов к. обоим плечам интерферометра. Это позволяет^ в частности, реализовать функцию логического "И". Рис.296 иллкзетрирзгет результат чт такого эксперимента.
-J-. 'Разработана оригинальная технология изготовления, одномодовых волоконных ответвителеЙ м мультиплексоров с предельно низкими (менее 0.1 дБ) потерями, что позволяет использовать их в качестве - внутрирезонагорых элементов лазеров. Реализована рекордная селективность таких элементов
-ДА,= 7х10-2им. Созданы конические переходы с микролинзои
к. 2
15.0
ю.о
0Q 0.0 -I
5.0
0.0
12 ,иА
150.0
Рис.29. Выхоадзая мощность в зазаисзамосхи от
тока накачки Г2 , 1т параметр (а).
Осдяллограммьг импульсов тока накачки в илечаж
интерферометра I , , I а (верхние кривые) и
озхгатіаскзкй выход лазера (шикняя кривая) (б).
Гора^зонтальный масштаб - 100 нсек / дел..
на торце световода, позволяющие эффективно вводит», (до 80%) излучение полупроводниковых лазеров в одномодовые световоды.
-2- Предложен и реализован ряд цельноволоконных интерферометров, являющихся комбинацией двухлучевых и многолучевых устройств, дающих широкие возможности управления спектральными характеристиками, величиной отражения и пр. На их основе создан волоконный лазер с шириной линии генерации менее 1 МГц, имеющий кольцевую геометрию, в которой однонаправленная генерация достигается без использования невзаимньгх элементов.
—3-, Показано, что использование дисперсионных волоконных отражателей в качестве элементов внешних . резонаторов полупроводниковых лазеров позволяет достичь высокого уровня обратной связи и обеспечить устойчивый одномодовый режим генерации с подавлением конкурирующих мод 25—30 дБ. ~4~. Предложен и реализован полупроводниковый лазер с оптической обратной связью за счет обратного рэлеевехого рассеяния из добротного кольцевого. волоконного интерферометра. В таком лазере получено сужение линии генерации полупроводникового лазера свыше 103 раз при девиации частоты менее 50 кГц. Осуществлена плавная перестройка частоты генерации в диапазоне 100 МГц. -5-. Разработан новый подход к генерации коротких импульсов при пассивной синхронизации мод в лазерах с нелинейностью. Предложены линейные и кольцевые однорезонаторные схемы с оптическим переключением в нелинейном петлевом зеркале с эффективной самостартующей синхронизацией мод. -б-. Экспериментально продемонстрирована перспективность гибридной синхронизации мод в волоконных лазерах, при которой форма импульса преимущественно определяется механизмом нелинейного интерферометричес'кого сжатие а частота следования задается модулятором. В качестве последнего предложено использовать иолноводиый полупроводниковый усилитель, характеризующийся большой широкополосноегью. позволяющей получать высокую частоту повторений при настройке на высокие гармоники основной частоты резонатора.
В таком режиме показана возможность получения импульсов
стабильных как по амплитуде, так и по частоте следования.
-7-. Экспериментально доказана возможность
интерференционной синхронизации мод в полупроводниковых лазерах. Создан интегральный вариант лазера на основе двойной гетероструктуры GaAs— AlGaAs, работающий на этом принципе, позволивший получить импульсы с длительностью — 0.6 псек и частотой следования — 80 ГГц близкие к спектрально ограниченным импульсам. Интерферометрическии монолитный полупроводниковый лазер, являющийся многофункциональным устройством, позволяет, при соответствующей оптимизации параметров, генерировать одномодовое спектрально — перестраиваемое излучение и двухчастотное излучение. Получена генерация стабильных ' гармонических сигналов, частота которых может перестраиваться в диапазоне 100 МГц — 500 ГГц, что позволяет использовать такой лазер для стробирования быстродействующих электронных схем. Продемонстрирована возможность выполнения логических операций при работе с накачкой, осуществляющейся импульсными сигналами. Развитый интерферометрическии подход может оказаться плодотворным при создании оптических интегральных схем.
В заключение, автор выражает благодарность сотрудникам
руководимой им лаборатории А.Г.Булушеву — за помощь в
математическом моделировании, В.М.Парамонову,
А.,В.Кузнецову — за техническую помощь в проведении экспериментов. Работа выполнена в отделе Волоконной Оптики института Общей Физики РАН при всесторонней поддержке его заведующего — члена—корреспондента РАН Е.М.Дианова, которому автор выражает глубокую благодарность.
