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Scientific Reports volume 13、記事番号: 5762 (2023) この記事を引用 862 アクセスメトリックの詳細周波数シフトループ。光ファイバーリングキャビティ、周波数変調器、および

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5762 (2023) この記事を引用

862 アクセス

メトリクスの詳細

光ファイバーリングキャビティ、周波数変調器、損失を補償する増幅器で構成される周波数シフトループにより、正確で簡単に制御できる周波数ステップによる高速周波数スキャンが可能になります。このプラットフォームは、分光法や光学測距のアプリケーションにとって特に魅力的です。しかし、キャビティ内を循環する光が繰り返し増幅されることにより、増幅された自然放出ノイズが蓄積し、既存の周波数シフトループ (FSL) の周波数走査範囲が制限されます。ここでは、この基本的な制限に対処するカスケードアプローチを紹介します。複数の FSL を異なる周波数シフトで直列にカスケード接続することにより、アクセス可能なスキャン範囲を大幅に増やすことができます。我々は、このアプローチが最大 1 THz の範囲にわたるスキャンを可能にする可能性を示すモデリングを提示します。これは、最先端技術と比較して 10 倍の増加です。実験的に、10 ミリ秒で 100 MHz ステップで 200 GHz の範囲をスキャンできる一対のカスケード FSL を構築し、このプラットフォームを使用して H13C14N セルの吸収分光測定を実行しました。 FSL の動作帯域幅を増やすことにより、この研究で導入されたカスケードアプローチにより、正確で高速な周波数スキャンを必要とする新しいアプリケーションが可能になる可能性があります。

周波数可変レーザーは、吸収分光法、測距、LIDAR、光デバイスの特性評価などのさまざまな用途に不可欠です。チューナブルレーザーは近年大幅に進歩しました1が、一貫したステップサイズで高速周波数チューニングを実現することは依然として課題であり、多くのレーザースキャンシステムは、スキャンされたレーザー周波数の非線形性を補償するために広範なキャリブレーションまたは現場モニタリングに依存しています2、3。別のアプローチは、固定周波数の連続波 (CW) レーザーを外部で変調することです。ただし、このアプローチは通常、光変調器の有限帯域幅と高速駆動電子機器の要件により、適度な周波数範囲での調整に限定されます。周波数シフトループ (FSL) は、単一の変調器を介して光を数十回または数百回再循環させ、大きな周波数シフトを蓄積することで魅力的な代替手段を提供します4。

周波数シフトループは通常、周波数シフト変調器を含む光ファイバーリングキャビティ、損失を補償するために使用される増幅器、および増幅自然放出 (ASE) を抑制するために使用されるバンドパスフィルターで構成されます。ループ内を往復するたびに、光は追加の周波数シフトを受けます。 FSL を使用すると、CW 光をシードすることで光周波数コムを生成できます5。あるいは、パルス光を FSL に結合すると、時間と周波数が等間隔のパルス列を生成するために使用できます6。これにより、比較的低い帯域幅の変調器と駆動電子機器を使用した、正確で高速な周波数スキャンが可能になります。これらの機能により、吸収分光法 7、8、9、光周波数コム操作 10、光フーリエ解析 11、分散型ファイバーセンシング 12、13、任意波形生成 14、RF スペクトル解析 15 など、幅広いアプリケーションでの FSL の使用が可能になりました。 FSL の主な欠点は、ループ内で光が継続的に増幅されるため、ASE の蓄積によって全体の帯域幅が制限されることです。その結果、ASE が優勢になり始める前に、FSL は通常、数十 GHz の帯域幅に制限されます (私たちの知る限り、報告されている最も広帯域の FSL は 100 GHz に及びました16)。

この研究では、周波数スキャン範囲と、ASE が優勢になり始める前に生成される周波数ステップ数を大幅に増加できるカスケード FSL アーキテクチャを導入します。小さい周波数ステップを持つ最初の FSL に続いて、より大きい周波数ステップを持つ 2 番目の FSL を組み合わせることで、ASE の蓄積を最小限に抑えながらスキャン範囲を大幅に拡大できることを示します。適切に設計されたカスケード FSL により、ASE が優勢になり始める前に 1 THz を超えるスキャンが可能になることを示すシミュレーションを示します。最初のデモンストレーションとして、合計 200 GHz の範囲にわたって 100 MHz ステップで 2000 パルスを生成できるカスケード FSL を構築し、そのシステムを使用して H13C14N 細胞の吸収分光測定を実行しました。 FSL のスキャン範囲を拡大する方法を提供することにより、この研究により、高速周波数スキャンに対するこの強力なアプローチのアプリケーションが増加します。

1 GHz). The round-trip time in the second loop is defined as \(\Delta {t}_{2}\) and should be slightly longer than the pulse duration \(\tau\). The number of pulses generated in the second loop, \({N}_{2}\), then sets a limit on the required delay in the first loop as \({\Delta t}_{1}\ge {N}_{2}{\Delta t}_{2}\). Similarly, the delay between the seed pulses and the length of the overall pulse train is \({t}_{train}\ge {N}_{1}{\Delta t}_{1}\ge {N}_{1}\left({N}_{2}{\Delta t}_{2}\right).\) Under these conditions, the output of the second FSL will be a train with \({N}_{1}\cdot {N}_{2}\) total pulses. The pulses do not increase monotonically in frequency, but rather increase in steps of \(\Delta {f}_{2}\) before resetting to the frequency of the next pulse out of FSL1, as shown in Fig. 1b and color-coded in the inset of Fig. 1a. In principle, it is possible to use smaller delays in the first FSL and longer delays in the second FSL to generate a pulse train that increases monotonically in frequency. However, this would result in uneven delays between pulses arriving at EDFA1 in the first FSL and increase the impact of EDFA saturation effects. In practice, we found that the approach shown in Fig. 1, where \({\Delta t}_{1}\gg {\Delta t}_{2}\), enables a stable pulse train with more uniform amplitude in each pulse./p> 7 dB across 10,000 pulses by using the first FSL to generate 200 pulses covering 20 GHz. This shows the potential for this approach to dramatically extend the operating range of FSLs. The number of pulses generated in each FSL should be optimized based on the overall bandwidth of the desired pulse train and the loss in each loop. In this case, the SNR is considerably lower if the first FSL was used to generate 100 pulses or 1000 pulses rather than the ideal 200 to 500 pulses. For comparison, we also modeled the SNR of a single FSL with the same loss (\(T=0.05\)) designed to produce pulse trains covering 50 to 200 GHz in steps of 100 MHz. In each case, the bandpass filter was set equal to the total bandwidth of the generated pulse train. As shown in Fig. 2b, the single FSL cannot provide frequency shifts exceeding ~ 100 GHz before the SNR drops below 0 dB. In general, the acceptable SNR will depend on the application and this type of model can be used to study the bandwidth which can be achieved using a cascaded FSL while maintaining a required SNR./p> 7 dB. (b) Simulated SNR for a single FSL designed to generate pulse trains with 100 MHz spacing across 50 to 200 GHz. The single FSL can only generate a pulse train covering ~ 100 GHz with SNR > 0 dB./p> 10 dB across the entire 200 GHz. Curiously, the SNR actually improves at the end of the pulse train using the 100 GHz filter. This was due to ASE generated in the first loop (covering a 100 GHz band) which was eventually shifted outside of the bandpass filter in the second FSL near the end of the pulse train. For comparison, we also modeled the SNR we could expect if we tried to use the first FSL to cover the entire 200 GHz range. In this case, we used the same loss of \({T}_{1}=0.005\) and the bandpass filter was set to \({\Delta F}_{1}=200\text{ GHz}.\) As shown in Fig. 3, the SNR drops below 0 dB after only ~ 60 GHz, clearly showing the advantage of the cascaded approach./p> 10 dB across the entire span. The SNR if a single FSL was used to generate a 200 GHz pulse train is also shown, indicating that the SNR drops below 0 dB after ~ 60 GHz./p> 0 dB up to a shift of ~ 60 GHz. Since the pulses that should have probed the second absorption line near 140 GHz were dominated by broadband ASE, no absorption was observed. This confirms that the cascaded FSL approach can enable spectroscopy measurements over a larger bandwidth than a single FSL./p>

再構成可能なファイバー

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