Однонаправленная генерация и синхронизация мод в цельноволоконных лазерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

, ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ Чф И 3 И К И

РГ Б Ой

• ' На правах рукописи

I г ИЮН Ш9Н ш 621.373.7

МАРТИРОСЯН ТИГРАН РАДИКОВИЧ

ОДЙОНАПРАВЛШНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И СШЮШЗАИИЯ МОД В ЦЕЙЬНОВОЛОШШХ ЛАЗЕРАХ.

(01.04.21 - лазерная физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканий ученой степени кандидата фюзико-математических наук

МОСКВА - 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми.

--;--- А

Создание источников когерентного оптического излучения лавров привело к усиленному развитию оптических систем обработки, передачи я хранения информации. В нестоящее время, одними из наиболее перспективных средств передачи информации являются волоконные световода и, в частности, одномодовые световода, позволяющие увеличить скорость такой передачи, которые находят все более широкое применение в оптических системах связи. Однако, вследствие малого размера сердцевины тают* световодов, ввод излучения в них сопряжен со значительными потерями. С этой точки зрения, создание цельноволоконных оптических устройств, хорошо согласующихся с передающей волоконной линией, становится особенно актуальным.

Кроме того, оптические системы связи нового поколения

обладают повышенной информационной емкостью и скоростью передачи

информации (свыше 100Гбит/с). В связи с этим возникает задача

разработки новых лазерных источников коротких импульсов ' —11—14

длительностью 10 - 10 с и с высокой частотой повторения-<09-ю11 Гц, а также одночастотных лазеров для когерентных систем передачи информации. Такие лазерные источники должны удовлетворять раду требований. Среда них следует отметить компактность лазеров, малое энергопотребление, ■ совместимость с волоконно-оптическими системами, долговременную стабильность последовательности импульсов, относительно низкую их стоимость. Перечислении»! требованиям в первую очередь удовлетворяют полупроводниковые и волоконные лазера. Особый интерес вызывают легированные' ионами волоконные лазеры . с полупроводниковой накачкой. Низкий уровень шумов, высокий коэффициент усиления в диапазоне длин волк

импульсн являются спектрально ограниченными.

Практическая ценность диссертационной работы определяется отбором для рассмотрения актуальных задач и доведением решения до конечного вида, пригодного для использования другими авторами.

В изготовленных сплавннх тволоконно-оптических элемента* получена высокая воспроизводимость их геометрических и оптических параметров. При этом потери не превышали 0,1 дБ, что позволяет успешно использовать такие элементы в различного рода волоконных схемах. Предложены и реализованы схемы цельяоволоконнш лазеров, работающих в режимах однонаправленной генерации и активной

синхронизации мод.

/

Апробация работы.

Материалы, включенные в диссертацию, докладывались и обсуадались на семинарах отдела волоконной оптики Института общей

физики РАН, Международной конференция по волоконно-оптической

связи и интегральной оптики (орс/тоос'эз, США).

Публикации.

Сеяоввые результаты диссертационной работы опубликованы в Ь печатных работах, приведенных в конце автореферата.

Структура и об'ем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и. заключения. Общий об'ем работы составляет 103 страницы, включая 23 рисунка и 15 страниц библиографии, содержащей 123 наименования.

оптимального значения дисперсионного параметра ц, были изготовлены мультиплексоры с потерями не превышающими 0,1 дБ и развязкой между каналами более 20 дБ при спектральной волосе входного излучения 50 нм. Такие элементы могут успешно использоваться в схема* легированных ионами ег3+ волоконных лазеров для развязки каналов накачки и лазерного излучения.

Во второй главе рассматриваются фундаментальные вопросы генерации волоконных лазеров и, в частности, волоконного лазера с кольцевой геометрией. . Такие системы являются наиболее нерспвкткбными с точки зрения их простоты, большого коэффициента усиления, отсутствия потерь при согласовании с волоконно-оптическими линиям связи, воэмоиности перестройки длины волны излучения в широком диапазоне длин воли и относительно низкой стоимости.

В отличие от многомодовых волоконных лазеров, ( аналогичные одномодовые системы обладают рядом преимуществ: из-за малого размера сердцевины одяомодовых активных световодов в них достигается высокий коэффициент усиления, а также низкий уровень мощности накачки, необходимый для достижения порога генерации. Следовательно, в качестве источников накачки в таких лазерных едете»* могут успешно использоваться полупроводниковые лазера, обладающие сравнительно небольшой выходной мощностью.

В первой части главы рассматривались сдяочастотные режимы генерации и возможности сужения линии генерации одночастотного однонаправленного волоконного лазера с кольцевой геометрией.

Как правило, межмодовое расстояние волоконных лазерных систем мало и в линию генерации попадает бояыюе количество продольных мод. Для сужения линии генерации и., выделения одно'й моды используются различные спектрально-селективные элементы. Однако сужению линии генерации препятствует другой эффект, вызываемый

уровня шумов и высокой выходной мощности.

Различий режимов генерации на выбранных длинах волн привело к необхо, мости более детального рассмотрения работы легированных ионами ег3+ волоконных усилителей в реноме насьацения усиление.

Поскольку при накачке световода легированного ионами Ег на длине волны 1,48 мкм излучение попадает в край линии люминесценции, то существует отличная от нуди вероятность того, что накачка будет сама непосредственно влиять на инверсную населенность на длине волны 1,53 мкм. Это дает нам право рассматривать режим лазерной генерации в рамках квазидвухурозневой системы. В результате проведенного численного анализа было показано, что при одинаковых коэффициентах усиления слабого сигнала на длинах волн 1,48 и 0,96 мкм; в режиме насыщения возникают существенные отличия. А нелинейность коэффициента усиления при накачке на длине волны 1,48 мкм' оказывается в несколько раз выше, чем при накачке на 0,98 мкм. Полученные результаты объясняют различия режимов генерации на выбранных длинах волн. При накачке на длине волны 0,98 мкм лазерная система является трехуровневой, в то время как, за длине волны 1,48 мкм ее следует рассматривать в рамках двухуровневой модели. При одинаковых коэффициентах усиления слабого сигнала поведение систем существенно меняется в режиме насыщения. В этом случае нелинейность необходимая для появления невзаимности, при накачке на .длине волны 1,48 мкм оказывалась существенно выше вследствие двухуровневое™ системы.

Такие было проведено сравнение коэффициентов усиления в распределенном усилителе для излучений, распространяющихся в одном с накачкой направлении и в противоположном. Влияние двухуровневое-ги в этом случае оказалось не существенным, а сама разность даэффициентов усиление излучения, распространяющихся в

- И -

значительно прввшшющей ширину спектра усиления активной среды лазера. Таким образом, предложенная схема одворезонаторного лазера с НВПО выводила достичь как фазовой модуляции, так и сжатия. Для такого сжатия импульсов существенны два эффекта .• и сильная нелинейность, которая вызывает значительные фазовые набеги и уиирение у встречно распространяющихся импульсов и 2) нелинейный взаимный сдвиг фаз у интерферирующих импульсов.

Получение сильной фазовой самомодуляции (ФСМ), необходимой для большего утирания спектре импульса, возможно путем увеличения длины НВПО. Следовательно, частота повторения импульсов окажется мала. Введение в резонатор элемента с потерями или усилением, периодически зависящими 9т спектра, приводит к увеличению частоты повторения импульсов. Численный анализ показал, что применение в НВПО спектрально- селективного ответвителя или же использование измененной схемы лазера с НВПО на основе симметричного ответвителя с г=0,5 и точечного источника потерь на одном из его выходных концов, так*® дает возможность достичь пассивной синхронизации мод.

Переход от лазеров со связанными резонаторами к однорезонаторным схемам лазеров позволил освободиться от необходимости стабилизации оптических длин резонаторов с иитерферометрической точностью. Однако, наличие невзаимного элемента в схеме расмотренного выше волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод приводит к дополнительным потерям, связанным с ¡еобходимостью согласования об'Ймного элемента с волокном. Кроме ого, возникает задача механической стабилизации длины резонатора устройств ввода излучения в волокно.

Свободной от вышеназванных недостатков является вставленная во второй части главы схема волоконного лазера с годной накачкой, работающего в режиме активной синхронизации мод.

лазера осуществлялась путем модуляции тока накачки диодного лазера на частоте обхода резонатора и на ее гармониках. На постоянную составляющую тока накачки накладывались .импульсы тока отрицательной полярности с длительностью <» 1 не, что позволяло избежать предельных эксплуатационных режимов работы лазера и одновременно давало возможность получать максимальную выходную мощность излучения.

Таким обрезом, в предложенной схеме волоконного лазера диодный лазер, одновременно использовался в качестве источника накачки, фазового модулятора для активной синхронизации мод и внутрирезояаторяого эталона, что и позволило существенно упростить схему волоконного лазера, работающего в режиме активной синхронизации мод.

Отметим также, что иолулаемые при этом импульсы были спектрально-ограниченными, длительность которых зависела от добротности эталона Фабри - Перо. Меняя коэффициент отражения передней грани лазерного диода, можно было изменять добротность, а следовательно, и длительность импульсов на выходе волоконного лазера.

В эксперименте использовались полупроводниковые лазеры, передняя-грань которых имела различные коэффициенты отражения, меняющиеся от 4х до 15». При больших значениях коэффициента отражения ширина линии резонатора Файри-Перо была достаточно узкой, что приводило к срыву режима синхронизации мод волоконного лазера. При уменьшении добротности резонатора Фабри-Перо (уменьшении коэффиимейта отражения от передней грани до 4х), наблюдалось уменьшение длительности импульсов до 400 псек,

В заключении сформулированы основные результаты и выводя диссертационной работы:

1. Реализованы сплавные волоконно-оптические элементы в

пассивной синхронизации мод. которая дозволила достичь квк фазовой модуляции, так и сжатия импульсов.

5. Реализована схема легированного нонами ег'3+ волоконного лазера с диодной накачкой, работающего в режиме активной синхронизации мод, в которой продемонстрирована возможность использования полупроводникового лазера одновременно s качестве источника накачки, фазового модулятора и внутрирезоваторяого эталона Фабри-Перо. Это позволило существенно упростить схему волоконного лазера. Получаемые при этом импульсы являются спектрально ограниченными, длительность которых можно изменять,

меняя коэффициент отражения передней грани лазерного диода.

«

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.О. Bulushev, Т.Н. Martirosyan, о.G. Okhotnikov, V.M. Paramonov, and V.A. Tsarjov, Nonlinear fibre loop interferometer for intracavity pulse formation a»id compression, Soviet Lightwave Coamunications, v.'l, N.2, pp. 113-122, 1991.

2. E.M. Dianov, Т.К. Martirosyan, O.O. Okhotnikov and V.M, Pàrâmonov, A Unidirectional single-frequency all-fibre ring laser, Soviet Lightwave Communications, v.2, N.2, pp.153-156, 1992.

3. E.M. Dianov, T.R. Martirosyan, 0.6. Okhotnikov V.M. Paramonov, and A.M. Prokhoi-ov, Diode-pumped drive current controlled node-locked fibre laser, Soviet Lightwave Communications, v.2, N.3, pp.276-280, 199k.

4. E.M. Dianov, T.R. Martirosyan, O.G. Okhotflilcov and V.M. Paramonov, Unidireptional single-frequency all-fibre ring laser, Conf, OFC/IOOC'93, San Jose, W08, pp.103-104, 1993.