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Apr 03, 2023

Programmierbarer und abstimmbarer Flat

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18036 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

In dieser Studie stellten wir flache kohärente Superkontinuumslaser mit einstellbaren Wiederholungsraten und programmierbaren spektralen Bandbreiten vor. Superkontinuumsquellen mit ultrabreitbandiger Abdeckung und hoher Wiederholrate können durch die Kombination nichtlinear verbreiterter elektrooptischer optischer Frequenzkämme mit optischer zeilenweiser Spektrumsformung erreicht werden. Die Programmierung der spektralen Bandbreite wird durch iterative Spektrumformung und Eingangsleistungssteuerung hochgradig nichtlinearer Stufen implementiert, während die Abstimmung der Wiederholungsrate durch Steuerung der Modulationsgeschwindigkeit in optischen Frequenzkämmen erfolgt. Hier haben wir ein programmierbares und abstimmbares Flat-Top-Superkontinuum mit einer maximalen Bandbreite und Wiederholungsrate von 55 nm bei 10 dB bzw. 50 GHz implementiert. Um die Kohärenz des Superkontinuums während der Abstimmung und Programmierung zu klären, haben wir eine Phasenrauschanalyse durchgeführt. Wir haben eine bemerkenswert modifizierte Selbstheterodyn-Methode vorgeschlagen, um das Phasenrauschen jedes Modus präzise zu messen, indem bestimmte Superkontinuumsabgriffe in einem Mach-Zehnder-Interferometer gefiltert werden. Mit dieser Methode wurde bewiesen, dass die Einseitenbandspektren in jedem Modus denen des HF-Takts nahezu ähnlich sind, was darauf hindeutet, dass unser programmierbarer und abstimmbarer Superkontinuum-Erzeugungsprozess zu einer minimalen Verschlechterung der Phasenrauscheigenschaften führte. Diese Studie zeigt Möglichkeiten zur Erzeugung Hunderter programmierbarer und abstimmbarer flacher optischer Träger mit Robustheit und Kohärenz.

Since the demonstration of the supercontinuum source based on an ultrashort pulse laser in the 1960s, it has received significant attention owing to its ultrabroadband and coherent characteristics1. As the spectral performance in terms of stability, bandwidth, and flatness has gradually improved, supercontinuum sources have been utilized in various fields, including optical communication system2,3,4, microwave photonics100 complex-coefficient taps. Opt. Express 22, 6329–6338 (2014)." href="/articles/s41598-022-22463-y#ref-CR5" id="ref-link-section-d66911122e511"> 5,6, optische Tomographie7,8 und Spektroskopie9,10. Da jede Anwendung unterschiedliche Eigenschaften der Superkontinuumsquellen11 erfordert, wurde das Gebiet der Superkontinuumserzeugung untersucht, um die programmierbare Leistung optischer Quellen12,13 zu verbessern. Beispielsweise liegt die erforderliche Wiederholungsrate für die kombinierte Spektroskopieanwendung im Bereich von ~ 10 MHz bis ~ 10 GHz14, während die Kalibrierung astronomischer Spektrographen eine Wiederholungsrate im Bereich von ~ 10 GHz bis ~ 100 GHz14 erfordert. Darüber hinaus gibt es einige Anwendungen, bei denen die Wiederholungsrate sogar während des Gebrauchs angepasst werden muss, wie z. B. die Generierung von Arbiträrwellenformen15,16.

Zu den jüngsten Forschungsbemühungen zur Implementierung der Superkontinuumserzeugung mit programmierbaren und abstimmbaren Eigenschaften gehören optische Mikrokämme von Kerr17,18, modengekoppelte Faserlaser19,20 und elektrooptische optische Frequenzkämme (EO-OFC)21,22. Da die Wiederholungsrate und der Spektralbereich der optischen Kerr-Mikrokämme durch das Material und die Struktur des Mikroresonators bestimmt werden, versucht man, die Wiederholungsraten entweder durch Steuerung der Temperatur17 oder des angelegten elektrischen Feldes18 im Mikrokamm zu programmieren sind gemacht worden. Obwohl optische Mikrokämme von Kerr attraktive Funktionen bieten können, einschließlich einer hohen Wiederholungsrate bis zum THz-Bereich und einer geringen Größe, ist der Abstimmbereich des entworfenen Mikroresonators eng und die Feinabstimmung ist aufgrund der stufenartigen Abstimmung schwierig Bereich12,17,18.

Modengekoppelte Faserlaser wurden auch zur Erzeugung programmierbarer und abstimmbarer Superkontinuumsquellen untersucht19,20. Mithilfe des optoakustischen Effekts wurde ein modengekoppelter Solitonenfaserlaser mit einstellbarer Wiederholungsrate demonstriert19. Die Temperaturkontrolle eines Vernier-Filters, einschließlich zweier Mikroringresonatoren, wurde ebenfalls angewendet, um abstimmbare modengekoppelte Faserlaser zu erzeugen20. Obwohl modengekoppelte Faserlaser mit einem für den gewünschten Wellenlängenbereich geeigneten Laser ein Ultrabreitband-Superkontinuum mit großer Bandbreite erzeugen können, sind die maximale Wiederholungsrate und der Abstimmbereich auf mehrere GHz bzw. einige hundert MHz begrenzt12,19,20 . Da der modengekoppelte Faserlaser außerdem thermisch oder optoakustisch abgestimmt ist, ist es schwierig, ohne zusätzliches Feedback-Management eine stabile Leistung zu erzielen.

Das EO-OFC-Schema überwindet die Mängel optischer Mikrokämme und modengekoppelter Faserlaser von Kerr in Bezug auf Ebenheit, Robustheit, Programmierbarkeit und Abstimmbarkeit. Darüber hinaus zeichnet es sich dadurch aus, dass die Mittenwellenlänge einfach und unabhängig eingestellt werden kann. Durch die Anpassung der Modulationsgeschwindigkeit der Intensitäts- und Phasenmodulationsstufen des EO-OFC21 lässt sich die Wiederholrate stufenlos und präzise einstellen. Es ist auch möglich, die spektrale Bandbreite optischer Superkontinuumquellen zu programmieren, indem die Lichtintensität in stark nichtlinearen Stufen angepasst wird23. Mit diesem Schema gab es Implementierungen des programmierbaren und abstimmbaren EO-OFC mit einer maximalen Wiederholungsrate von bis zu 18 GHz und Dutzenden Abgriffen bei 10 dB21. Obwohl es die programmierbaren und abstimmbaren Möglichkeiten des EO-OFC-Schemas zeigte, war die maximale Wiederholungsrate auf weniger als 20 GHz begrenzt und Dutzende von Abzweigungen waren nicht als Superkontinuumsquellen geeignet.

In dieser Studie schlagen wir eine programmierbare Flat-Top-Superkontinuumsquelle basierend auf dem EO-OFC vor und demonstrieren sie, einschließlich elektrooptischer Intensitäts- und Phasenmodulationsschemata. In Kombination mit der zeilenweisen Impulsformungstechnik24 bietet diese Lösung die gewünschte vollständige Programmierbarkeit für die Wiederholungsrate, die spektrale Bandbreite und die Spektrumhüllkurve. Die Programmierbarkeit der spektralen Bandbreite und der Hüllkurve wird hauptsächlich durch iterative optische zeilenweise Impulsformung und optische Leistungssteuerung in einer hochgradig nichtlinearen Stufe erreicht, während die Abstimmbarkeit der Wiederholungsrate durch die Modulationsgeschwindigkeitssteuerung im EO-OFC implementiert wird. Hier demonstrieren wir eine flache Superkontinuumsquelle mit einer einstellbaren Wiederholungsrate von 50 GHz und einer programmierbaren spektralen Bandbreite von 55 nm bei 10 dB. Dies ermöglicht eine programmierbare Abdeckung des S-, C- und L-Band-Bereichs mit dem entsprechenden einstellbaren Leitungsabstand für kommerzielle optische Schalter und Filter. Um die Kohärenz unserer Superkontinuumsquellen während der Abstimmung und Programmierung zu klären, haben wir außerdem eine Phasenrauschanalyse der Quellen durchgeführt. Wir schlagen eine modifizierte Selbstheterodyn-Methode vor, um das Phasenrauschen jeder Mode der Superkontinuumsquelle präzise zu bewerten. Mit dieser Plattform haben wir bewiesen, dass die Einseitenbandspektren (SSB) der Abgriffe in jedem Modus denen des HF-Takts sehr nahe kommen, was darauf hindeutet, dass die Phasenrauscheigenschaften jedes Modus durch unseren Superkontinuum-Erzeugungsprozess nicht wesentlich verschlechtert werden.

Der Rest dieses Dokuments ist wie folgt gegliedert: Die „Methoden“ werden unmittelbar nach dem Abschnitt „Einführung“ vorgestellt. Anschließend werden die „Ergebnisse“ der Studie vorgestellt. Abschließend werden die „Schlussfolgerungen“ zusammengefasst.

Um programmierbare und abstimmbare Flat-Top-Superkontinuumsquellen mit hoher Wiederholungsrate und ultrabreiter spektraler Bandbreite zu erzeugen, verwendeten wir einen EO-OFC als Single-Laser-gespeiste Multitap-Seed-Quelle. Der EO-OFC hat den Vorteil, dass die Wiederholungsrate und die Mittenwellenlänge leicht geändert werden können und gleichzeitig ein hohes Maß an Kohärenz und Robustheit erhalten bleibt. Die schematische Konfiguration des EO-OFC ist in Abb. 1 dargestellt, wo ein Dauerstrichlaserausgang (CW) mit schmaler Linienbreite (< 0,1 kHz) durch einen elektrooptischen Intensitätsmodulator (IM) und drei Phasenmodulatoren gesendet wird ( PM) in Reihe aufgebaut23. Die Impulsform eines CW-Lasers wird periodisch durch einen ordnungsgemäß vorgespannten IM geschnitzt, und die geformten Impulse werden in den kaskadierten PMs durch Anwendung einer periodischen Zeitlinse (linearer Chirp) von Zeit zu Frequenz umgewandelt25. Ein IM und drei PMs werden von einem HF-Oszillator angetrieben, der eine einzelne Frequenz von 250 kHz bis 50 GHz erzeugt, wobei die Wiederholungsrate des EO-OFC kontinuierlich durch die Antriebsfrequenz angepasst werden kann26.

Schematische Darstellung eines Ultrabreitband-Superkontinuumgenerators mit flacher Oberseite. Optischer IM-Intensitätsmodulator, optischer PM-Phasenmodulator, EDFA-Erbium-dotierter Faserverstärker, PA-Leistungsverstärker, PS-Phasenschieber, EDFA-Erbium-dotierter Faserverstärker, SMF-Singlemode-Faser, hochgradig nichtlineare HNLF-Faser, PC-Polarisationsregler.

Um die Spektrumsbandbreite des EO-OFC vor der bandbreitenbegrenzten Impulsformung weiter zu erweitern, haben wir die erste hochgradig nichtlineare Stufe angewendet. Wie in Abb. 1 dargestellt, durchläuft das EO-OFC nach der Verstärkung durch einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA) eine dispersive lineare Single-Mode-Faserspule (SMF), um durch Kompensation der Dispersion des EO eine Dispersion nahe Null zu erreichen -OFC-Stufe. Um die Spektrumsbandbreite zu vergrößern, wird dasdispersionskompensierte EO-OFC durch eine hochgradig nichtlineare Faser (HNLF) gesendet, wo die spektrale Verbreiterung über Selbstphasenmodulation (SPM)27,28 erfolgt. Die nichtlineare Phasenverschiebung (d. h. Frequenzverschiebung), die durch ein nichtlineares Medium geht, ist

Dabei ist I die Lichtintensität, L die HNLF-Länge, \(k_{0}\) die Wellenzahl (\(k_{0} = 2\pi /\lambda_{0}\)) und \(n_{ 2}\) ist der nichtlineare Brechungsindex. Diese Gleichung zeigt mathematisch an, dass die spektrale Bandbreite von Superkontinuumsquellen durch Steuerung der Länge des nichtlinearen Mediums und der Lichtintensität angepasst werden kann. Da der Verlust auch mit der Verlängerung des nichtlinearen Mediums zunimmt, war es notwendig, die entsprechende Länge des nichtlinearen Mediums unter Berücksichtigung des Kompromisses zwischen spektraler Verbreiterung und Verlust festzulegen. Der verbreiterte EO-OFC über die erste nichtlineare Stufe wurde dann mit a programmiert zeilenweiser optischer Impulsformer mit iterativer Spektralmanipulation, bei dem Amplitude und Phase des EO-OFC präzise und gleichzeitig geformt werden können, um die Ebenheit und Bandbreite des resultierenden Superkontinuumsspektrums zu maximieren. Die zeilenweise Impulsformungstechnik im Spektralbereich ermöglicht die Erzeugung der gewünschten Form des optischen Spektrums durch eine Fourier-Transformation, die als Formung des optischen Spektrums mit Fourier-Transformation bezeichnet wird27,29. Das programmierbare Spektrumformungsschema ist in Abb. 2 dargestellt, wo der verbreiterte EO-OFC aus der ersten nichtlinearen Stufe in den Impulsformer gelangt. Der Pulsformer wurde dann mit einem optischen Splitter mit einem Kopplungsverhältnis von 50:50 verbunden, um das Spektrum und die Pulsprofile mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA) und einem Autokorrelator zu messen. Da der Unterschied zwischen der Übertragungsfunktion und den diskreten Seed-Spektrumsdaten im Puls besteht Da der Former Formfehler verursacht, ist es schwierig, mit einem einzigen Schnitzvorgang die gewünschte Form zu erreichen. Darüber hinaus weist der Flüssigkristall im Pulsformer eine schwache Kopplungscharakteristik zwischen Amplituden- und Phasenformung auf. Um das gewünschte Zielprofil mit einem minimalen Fehler zu erhalten, führten wir eine automatische Überwachung mit MATLAB durch, um die iterative Formgebung30 zu implementieren. Nach der Überwachung und Berechnung der Differenz zwischen den gemessenen und programmierten Zielprofilen änderte der zeilenweise Impulsformer nacheinander die Amplitude und die Phase. Wenn die programmierten Abgriffe erneut in den Pulsformer eingegeben werden, wird der Differenzpegel des gewünschten Spektrums neu berechnet. Der Formungsprozess ist abgeschlossen, wenn Phase und Amplitude jeder Anzapfung auf benutzerdefinierte Weise entworfen werden. Um ein Ultrabreitband-Flat-Top-Superkontinuum zu implementieren, muss der Eingangsimpuls zur zweiten hochgradig nichtlinearen Stufe quasi-super- sein. Gaußsche Form23. Obwohl es mehrere Studien zur Superkontinuumserzeugung mit spezifischen Pulsformen wie Gauß-31,32,33, parabolischem34 und hyperbolischem Sekanten35,36 zur Verbesserung der spektralen Ebenheit gab, erwies sich die Quasi-Super-Gauß-Form als die größte Ebenheit und Bandbreite der Superkontinuumserzeugung23 . Der iterative Amplitudenformungsprozess apodisiert und behält die Form des EO-OFC als Quasi-Super-Gauß-Form bei, selbst wenn die Wiederholungsrate geändert wird. Durch die iterative Phasenformung wird auch der Phasenversatz korrigiert, um die Kohärenz während der Programmier- und Abstimmungsprozesse aufrechtzuerhalten. Ein flaches Ultrabreitband-Superkontinuum kann durch die Ausbreitung des quasi-super-gaußförmigen EO-OFC auf die zweite hochgradig nichtlineare Stufe erzeugt werden Wie in Abb. 1 dargestellt. Um die Spektrumsbandbreite erheblich zu erhöhen, wurde ein stark nichtlineares Medium im normalen Dispersionsbereich mit einem quasi-super-gaußförmigen Hochleistungsimpuls gepumpt, was zu einer starken SPM-induzierten nichtlinearen Verbreiterung führte23. Wie in Abb. 1 gezeigt, verbessert die Kombination von Polarisationsreglern und einem EDFA in der zweiten hochgradig nichtlinearen Stufe die Ebenheit und Bandbreite des Superkontinuumsspektrums durch nichtlineare Umformung der Polarisationsrotation weiter37. Da es sich um einen intensitätsabhängigen Verlust handelt37, können die Nebenkeulen optischer Impulse, die an den HNLF gesendet werden, durch nichtlineare Polarisationsrotation apodisiert werden. Die spektrale Bandbreite des Superkontinuumsspektrums kann einfach und weitreichend eingestellt werden, indem die optische Eingangsleistung des stark nichtlinearen Mediums sowie der Quasi-Super-Gauß-Koeffizient23 gesteuert werden.

Schematische Darstellung der programmierbaren Pulsphasen- und Amplitudenformung. Optischer Spektrumanalysator OSA.

Da das Phasenrauschen ein entscheidender Faktor bei der Bewertung der Kohärenz und Frequenzstabilität optischer Quellen ist, werden seine Eigenschaften im Allgemeinen für Anwendungen wie kohärente optische Kommunikation, hochauflösende Spektroskopie und optische Präzisionsmesstechnik benötigt38. Die zur Bewertung des Phasenrauschens verwendete optische Linienbreitenmesstechnik basiert üblicherweise auf der Erzeugung von Schwebungen zwischen einem Referenzlaser und dem zu testenden Laser. Die Homodyn- und Heterodyn-Methoden sind repräsentative Techniken zur Messung der optischen Linienbreite, bei denen ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet wird, um die optischen Phasenversätze des Lasers in Variationen der Lichtintensität umzuwandeln38,39. Die selbsthomodynen und selbstheterodynen Methoden, bei denen der zu testende Laser als Referenzlaser verwendet wird, sind vielversprechend für die Messung des Phasenrauschens mit einer einfachen Struktur und der Möglichkeit, die ultraschmale Linienbreite zu messen38. Die selbsthomodyne Methode ist jedoch anfällig für niederfrequentes Rauschen, und die selbstheterodyne Methode erfordert eine übermäßige Länge der Verzögerungsfaser und ein Frequenzverschiebungsgerät wie einen akusto-optischen Modulator40. Wenn diese Messmethode zur Messung der Linienbreite von Superkontinuumsquellen angewendet wird, unterliegt sie auch einer zusätzlichen Einschränkung bei der Messung der Linienbreite jedes Modus in der Quelle. Um das Phasenrauschen jedes Modus in der Superkontinuumsquelle präzise zu messen, führen wir eine ein bemerkenswerte Methode durch Anwendung einer abstimmbaren Filterung mit Impulsformern. Da eine Superkontinuumsquelle über mehrere Abgriffe mit einer konstanten Wiederholungsrate verfügt, besteht keine Notwendigkeit, ein Frequenzverschiebungsgerät zu verwenden, wie es bei der Selbstheterodyn-Methode erforderlich ist, wenn zwei benachbarte Abgriffe in einer Superkontinuumsquelle auf Schwebung gefiltert werden. Darüber hinaus beinhaltet das Schema keine übermäßig lange Verzögerungsfaser, da die Verzögerung durch die Struktur- und Materialunterschiede zwischen den Impulsformern bereitgestellt werden kann. Es eignet sich zur Bewertung der Kohärenz jedes Modus durch Filterung spezifischer Spektrallinien der Superkontinuumsquellen. Die modifizierte Selbstheterodynkonfiguration ist in Abb. 3 schematisch dargestellt. Nach der Aufteilung des Superkontinuums in zwei Pfade durch einen optischen 50:50-Splitter wurde ein bestimmter Träger in beiden Pfaden durch programmierbare optische Impulsformer mit Faserpigtail herausgefiltert. Das optische Signal wurde von einer Fotodiode (PD) erfasst und das Leistungsspektrum der Fotostromschwankungen wurde mit einem elektrischen Spektrumanalysator gemessen. In unserem Experiment haben wir ein programmierbares Superkontinuum mit einer Wiederholrate von bis zu 50 GHz erzeugt und das Phasenrauschen mit einem PD mit 50 GHz Bandbreite gemessen. Wir haben zwei benachbarte Frequenzkomponenten herausgefiltert, sodass die Frequenz der Schwebungsnote 50 GHz nicht überschritt.

Schematische Darstellung des Aufbaus der Phasenrauschmessung. Elektrischer Spektrumanalysator der ESA.

Um die Einstellbarkeit der Wiederholungsrate in den optischen Quellen zu demonstrieren, haben wir EO-OFCs mit Wiederholungsraten von 10, 25 und 50 GHz implementiert. Unter Verwendung der gleichen Konfiguration (siehe Abb. 1), aber mit unterschiedlichen HF-Antriebsfrequenzen für die IM und PMs in den EO-OFCs, haben wir EO-OFCs mit Wiederholungsraten von 10, 25 und 50 GHz implementiert, wie in Abb. 4 dargestellt Die kaskadierten IM und drei PMs wurden alle von einem abstimmbaren HF-Oszillator (Keysight, E8257D) angetrieben, der die gewünschte Wiederholungsrate des EO-OFC bestimmte. Die DC-Vorspannung am IM wurde so eingestellt, dass sie einen Impuls mit flacher Spitze erzeugte, während die Spitze der PMs durch Phasenschieber so ausgerichtet wurde, dass sie mit der Spitze des Impulses übereinstimmte. Abbildung 4 zeigt das EO-OFC-Spektrum, das mit einem OSA mit einer Auflösung von 0,01 nm beobachtet wurde, wobei sie zu einer flachen Hüllkurve mit 57, 36 und 15 Taps bei 10 dB Bandbreite führen, wenn die Wiederholungsraten 10, 25 bzw. 50 GHz betragen . Sie zeigen ein optisches Signal-Rausch-Verhältnis über 35 dB bei ähnlicher Form und Anzahl von Abgriffen bei unterschiedlichen Wiederholungsraten, was zu ähnlichen spektralen Eigenschaften nach nichtlinearer Verbreiterung in der ersten hochgradig nichtlinearen Stufe führt. In der nichtlinearen Stufe wurden die EO-OFCs mit Wiederholraten von 10, 25 und 50 GHz mit einem EDFA (LiComm, OFC-TCB-27AP) auf 26 dBm verstärkt und die Dispersion mit dem SMF kompensiert. Dasdispersionskompensierte EO-OFC wurde in 150 m HNLF mit einem nichtlinearen Koeffizienten von 11,5 W−1 km−1 und einer Dispersion von −1,8 ps/nm/km eingespeist, was zu einer Spektrumsbandbreite von ~ 20 nm bei 10 dB führte alle Wiederholungsraten. Danach erfährt der nichtlinear verbreiterte EO-OFC eine iterative zeilenweise Amplituden- und Phasenspektrumformung. Um optimale Superkontinuumsquellen mit minimalen Schwankungen im Flat-Top-Bereich zu erzeugen, haben wir das Apodisierungsprofil an den kantengeschnittenen Super-Gauß-Wert (d. h. Quasi-Super-Gauß-Wert) angepasst23. Um die Programmierfähigkeit unserer automatischen iterativen Impulsformungstechniken zu verdeutlichen, wie in Abb. 5 gezeigt, haben wir die gleiche Apodisierung des Quasi-Super-Gaussian implementiert und gleichzeitig die Wiederholungsrate ohne Konfigurationsänderungen geändert. Um das Apodisierungsprofil während der Wiederholungsratenabstimmung beizubehalten, haben wir den iterativen Impulsformungsalgorithmus so programmiert, dass er das Apodisierungsfenster aufrechterhält, indem die geänderten Apodisierungsdaten auf jedes Pixel im Impulsformer angewendet werden, wenn die Änderung der Wiederholungsrate erkannt wird. Abbildung 5 zeigt das gleiche Apodisierungsprofil mit 398, 159 und 79 Taps über der Kante bei Wiederholungsraten von 10, 25 bzw. 50 GHz. Da das Apodisierungsprofil in die zweite hochgradig nichtlineare Stufe die Form und Bandbreite von Superkontinuumsquellen dominiert, ermöglicht die Apodisierungsbeibehaltung der iterativen Impulsformung die Erzeugung derselben Superkontinuumshüllkurve während der Wiederholungsratenabstimmung ohne strukturelle Änderungen. Die iterative zeilenweise Phasenspektrumsformung korrigiert auch den Phasenversatz während der nichtlinear verbreiterten EO-OFC-Erzeugung und des Abstimmungsprozesses. Nach der Amplituden- und Phasenspektrumsformung wurde das quasi-super-gaußförmige EO-OFC auf das übertragen zweite hochgradig nichtlineare Stufe, wie in Abb. 1 dargestellt. Um die spektrale Bandbreitenprogrammierung zu implementieren, haben wir die optische Eingangsleistung mit einem Erbium-Ytterbium-kodotierten optischen Faserverstärker (PriTel, SP-LNHP-) an die hochgradig nichtlineare Stufe angepasst. FA-37-IO-NMA), wie in Abb. 6 dargestellt. Nach der Polarisationskontrolle wurde das leistungsgesteuerte Spektrum mit 200 m HNLF (− 2,22 ps/nm/km Dispersion und 11,7 (W km)−1 nichtlinear) verbunden Koeffizient). Mit zunehmender optischer Leistung zur nichtlinearen Stufe nahm auch die Spektrumsbandbreite linear zu, während die Flat-Top-Eigenschaften erhalten blieben. Wie in Abb. 6 dargestellt, betragen die Spektrumsbandbreiten bei 10 dB bei einer optischen Eingangsleistung von 1, 2, 3 und 4 W 22,1, 35,3, 45,7 bzw. 55 nm. Um die Ebenheit der programmierbaren Superkontinuumsquellen zu verbessern und aufrechtzuerhalten, haben wir eine weitere Rauschapodisierung zwischen den benachbarten Abgriffen implementiert. Die lineare Beziehung zwischen der Eingangsleistung und der Spektrumsbandbreite ist im Einschub von Abb. 6 dargestellt, wo die Beziehung die Möglichkeit einer zusätzlichen Vergrößerung der Spektrumsbandbreite beweist. Da die Eingangsleistung von HNLF durch die maximale Ausgangsleistung des Glasfaserverstärkers begrenzt ist, sollte es möglich sein, die Spektrumsbandbreite durch Verwendung eines Glasfaserverstärkers mit der höheren maximalen Ausgangsleistung weiter zu erhöhen.

Experimentell gemessenes optisches Spektrum der EO-OFCs bei Wiederholungsraten von (a) 10, (b) 25 und (c) 50 GHz.

Die spektrale Formung ergibt sich mit der gleichen quasi-super-Gaußschen Apodisierung bei Wiederholungsraten von (a) 10, (b) 25 und (c) 50 GHz.

Experimentell gemessenes optisches Spektrum des bandbreitenprogrammierbaren Superkontinuums. Der Einschub zeigt eine Bandbreite von 10 dB und 20 dB entsprechend der HNLF-Eingangsleistung.

Um die Amplitudenstabilität der Flat-Top-Superkontinuumsquellen zu bestätigen, haben wir die Spektralspur mit einem OSA überwacht, indem wir ihn über ein Zeitfenster von 3 Stunden frei laufen ließen. In Abb. 7 geben die Fehlerbalken, die den Durchschnittswert der entsprechenden Linien überlagern, die Standardabweichung der Amplitudenschwankungen an. Wir haben die Amplitudenschwankung repräsentativ gemessen, wenn die Superkontinuumsquelle eine maximale spektrale Bandbreite und Wiederholungsrate von 35,3 nm bei 10 dB bzw. 50 GHz hat. Das gemessene Fluktuationsergebnis zeigt eine maximale Standardabweichung von 0,553 dB ohne aktive Stabilisierung, während sie in 1-Minuten-Intervallen mit einer Auflösung von 0,01 nm erfasst wurden. Zusätzlich führten wir eine Phasenrauschcharakterisierung durch, um die Phasenstabilität von Superkontinuumsquellen zu analysieren. Um die Kohärenz der Superkontinuumsquellen auch während der Wiederholungsratenprogrammierung zu klären, haben wir das Phasenrauschen mit unserer modifizierten Selbstheterodynmethode gemessen, als die Wiederholungsraten der optischen Träger 10, 25 und 50 GHz betrugen. Abbildung 8 zeigt die gemessenen SSB-Spektren der HF-Takt-, EO-OFC- und Superkontinuumsquellen für die drei Wiederholungsraten. Wie in Abb. 8 gezeigt, betragen die SSB-Spektren des HF-Takts bei 10 kHz Offset – 112,375, – 106,831 und – 100,703 dBc/Hz, und die von EO-OFC bei 10 kHz Offset betragen – 112,079, – 106,018 und − 100,118 dBc/Hz, wenn die Wiederholungsraten 10, 25 bzw. 50 GHz betragen. Wir haben auch das SSB-Spektrum jedes Modus in Superkontinuumsquellen gemessen, um die Kohärenz zu beweisen, wobei das Phasenrauschen aller Modi in jeder der drei verschiedenen Wiederholungsraten ebenfalls sehr nahe am HF-Takt und EO-OFC lag. Die SSB-Spektren wurden durch die Akkumulation von Phasenrauschen während der Superkontinuumserzeugungsprozesse bei einem Versatz von > 100 kHz leicht verschlechtert, wobei das Phasenrauschen hauptsächlich durch die Verstärkung der HF-Quelle und die Drift des Vorspannungspunkts elektrooptischer Modulatoren verursacht wurde.

Experimentell gemessenes Superkontinuumsspektrum und Langzeitstabilitätsmessung über 3 h. Schwarz: Superkontinuumsspektren, rot: Standardabweichung des Superkontinuums.

SSB-HF-Spektrum-Rauschmessung bei Wiederholungsraten von (a) 10, (b) 25 und (c) 50 GHz. Die Wellenlängenzahlen jedes Modus zeigen die kürzere Wellenlänge zwischen den geschlagenen Abgriffen.

Zusammenfassend haben wir eine programmierbare und abstimmbare Superkontinuumslaserquelle mit flacher Oberseite demonstriert, die auf nichtlinear verbreiterten EO-OFCs und einem optischen zeilenweisen Impulsformer basiert. EO-OFCs, die aus kaskadierten elektrooptischen IM und PMs bestehen, werden durch hochgradig nichtlineare Stufen nichtlinear verbreitert. Die Phase und Amplitude jeder Kammlinie wurden iterativ mit einem Spektrumformer programmiert, um die Form des EO-OFC als Quasi-Super-Gaußsche Form beizubehalten, selbst wenn die Wiederholungsrate geändert wird. Durch die Phasenspektrumsformung wird auch der Phasenversatz der optischen Quellen korrigiert, um die Kohärenz während der Programmier- und Abstimmungsprozesse aufrechtzuerhalten. Die Programmierung der spektralen Bandbreite der Superkontinuumsquelle wurde durch iterative optische Spektrumsformung und optische Eingangsleistungssteuerung hochgradig nichtlinearer Stufen implementiert. Die Abstimmung der Wiederholungsrate erfolgte durch Steuerung der Modulationsgeschwindigkeit der IM und PMs in den EO-OFCs. Durch die Anwendung von Programmier- und Abstimmungstechniken haben wir ein programmierbares und abstimmbares Superkontinuum mit flacher Oberseite mit einer maximalen spektralen Bandbreite und einer Wiederholungsrate von bis zu 55 nm Bandbreite bei 10 dB bzw. 50 GHz implementiert. Darüber hinaus haben wir eine beispiellose modifizierte Selbstheterodyn-Methode vorgeschlagen, um das Phasenrauschen jeder Mode von Superkontinuumsquellen präzise zu messen. Durch diese Plattform wurde bewiesen, dass die Einseitenbandspektren in jedem Modus sehr nahe an der Basislinie des HF-Takts liegen, was darauf hindeutet, dass unser Superkontinuum-Erzeugungsprozess die Phasenrauscheigenschaften nicht wesentlich verschlechtert. Nach unserem besten Wissen ist diese Studie die erste, die gleichzeitig Programmierbarkeit und Abstimmbarkeit in ultrabreiten Flat-Top-Superkontinuumsquellen erreicht und gleichzeitig Robustheit und Kohärenz beibehält, was mit den anspruchsvollen Anforderungen moderner Kommunikation und Spektroskopie kompatibel ist. Diese Arbeit eröffnet auch einen neuen Weg für hypervernetzte photonische Mikrowellennetzwerke als flexible und vielseitige Mehrfachoptikträger.

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Diese Arbeit wurde durch den vom südkoreanischen Ministerium für Wissenschaft und IKT finanzierten Zuschuss des Institute for Information and Communication Technology Promotion (IITP) unterstützt (2019-0-00008).

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Minhyup Song, Minje Song und Seungyoung Lim.

Forschungsabteilung für photonische/drahtlose Geräte, Forschungsinstitut für Elektronik und Telekommunikation, Daejeon, 34129, Südkorea

Minhyup-Lied, Minje-Lied, Seungyoung Lim, Hyunjong Choi, Taehyun Lee, Gyudong Choi, Youngjin Jung und Joon Tae Ahn

School of Electronics Engineering, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Südkorea

Seungyoung Lim & Taehyun Lee

School of Computer and Information Technology, Korea University, Seoul, 02841, Südkorea

Hyunjong Choi

Fakultät für Elektrotechnik, Korea University, Seoul, 02841, Südkorea

Der junge Jin Jung

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MS, SL und MS haben das Projekt konzipiert; Die Experimente wurden von SL durchgeführt und MSMS entwarf und entwickelte das Superkontinuum-Quellenerzeugungssystem, das aus nichtlinear verbreiterten EO-OFCs und einem zeilenweisen Impulsformer besteht. SL und MS entwickelten das modifizierte System zur Messung des selbstheterodynen Phasenrauschens und führten mit dem Messsystem eine Phasenrauschanalyse von Superkontinuumsquellen durch. MS leitete die Studie, diskutierte die Ergebnisse und leitete die Erstellung des Manuskripts. Alle Autoren trugen zur Interpretation der Ergebnisse und zur Erstellung des Manuskripts bei.

Entsprechung zu Minhyup Song oder Minje Song.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Song, M., Song, M., Lim, S. et al. Programmierbare und abstimmbare Flat-Top-Superkontinuum-Laserquellen über elektrooptisches Intensitäts- und Phasenmodulationsschema. Sci Rep 12, 18036 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22463-y

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Eingegangen: 21. Juni 2022

Angenommen: 14. Oktober 2022

Veröffentlicht: 27. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22463-y

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