Одночастотный лазер на базе легированного ионами Er – Yb оптического волокна с волоконными брэгговскими решетками

  • Джума Альремеити Институт технологических инноваций, 9639, Масдар-Сити, Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Игорь Андреевич Гончаренко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь, ул. Машиностроителей, 25, 220118, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Рассмотрена структура компактного узкополосного волоконно-оптического лазера, генерирующего излучение в одной продольной моде (одночастотный лазер). В настоящее время одночастотные лазеры находят широкое применение в оптических системах связи с разделением каналов по длинам волн (технология WDM), оптических датчиках с высоким разрешением, спектрометрах, также они используются для распознавания оптических изображений, детектирования гравитационных волн, создания мощных киловаттных лазерных систем на основе сложения когерентных лазерных пучков и т. д. Предложенный лазер изготовлен на основе короткого отрезка оптического волокна, совместно легированного ионами Er3+ и Yb3+. Для создания обратной связи использован резонатор Фабри – Перо, сформированный волоконными брэгговскими решетками, которые записаны на концах отрезка легированного волокна. С помощью математического моделирования выполнена оптимизация параметров элементов лазера для достижения генерации на одной продольной моде на длине волны 1550 нм, соответствующей минимальным потерям стандартного телекоммуникационного волокна. Теоретическая модель основана на получении решения для стационарного состояния системы скоростных уравнений для оптических полей с учетом взаимодействия между энергетическими уровнями легированного ионами Er3+ – Yb3+ кварцевого волокна. Система уравнений решена с использованием итерационного метода в программном коде Matlab, что позволило провести анализ заселенности энергетических уровней ионов эрбия и иттербия. Для вычисления функции отражения брэгговских решеток применен разработанный авторами алгоритм на основе метода линий. С использованием программного пакета Optisystem произведен расчет динамики установления генерации предложенного лазера на основе легированного ионами Er3+ – Yb3+ оптического волокна. Показано, что при оптимальных параметрах элементов лазера можно получить одночастотную генерацию в непрерывном режиме с мощностью 0,67 Вт на длине волны 1550 нм при мощности накачки 1 Вт с дифференциальной эффективностью (т. е. эффективностью наклона кривой зависимости мощности сигнала от мощности накачки), равной 67 %.

Биографии авторов

Джума Альремеити , Институт технологических инноваций, 9639, Масдар-Сити, Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник Института технологических инноваций, магистрант кафедры лазерной физики и спектроскопии физического факультета Белорусского государственного университета. Научный руководитель – И. А. Гончаренко

Игорь Андреевич Гончаренко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь, ул. Машиностроителей, 25, 220118, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; профессор кафедры естественных наук факультета подготовки научных кадров Белорусского государственного университета, профессор кафедры лазерной физики и спектроскопии физического факультета Университета гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь

Литература

  1. Kringlebotn JT, Morkel PR, Reekie L, Archambault J-L, Payne DN. Efficient diode-pumped single-frequency erbium : ytterbium fiber laser. IEEE Photonics Technology Letters. 1993;5(10):1162–1164. DOI: 10.1109/68.248414.
  2. Di Pasquale F. Modeling of highly-efficient grating-feedback and Fabry – Perot Er3+ – Yb3+ co-doped fiber lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1996;32(2):326–332. DOI: 10.1109/3.481880.
  3. Bonfrate G, Vaninetti F, Negrisolo F. Single-frequency MOPA Er3+ DBR fiber laser for WDM digital telecommunication systems. IEEE Photonics Technology Letters. 1998;10(8):1109–1111. DOI: 10.1109/68.701518.
  4. Yamashita S, Hsu K. Single-frequency, single-polarization operation of tunable miniature erbium : ytterbium fiber Fabry – Perot lasers by use of self-injection locking. Optics Letters. 1998;23(15):1200–1202. DOI: 10.1364/OL.23.001200.
  5. Nielsen TG, Hodel W, Weber HP, Iocco A, Costantini DM, Limberger HG, et al. Stable and widely tunable all-fiber Pr3+-doped CW laser system using fiber Bragg gratings. Optics Letters. 1999;24(9):614–616. DOI: 10.1364/OL.24.000614.
  6. Pilipovich VA, Esman AK, Goncharenko IA, Kuleshov VK. High-speed continuous tuneable fibre and waveguide lasers with controllable Bragg grating. Optics Communications. 2002;203(3–6):289–294. DOI: 10.1016/S0030-4018(01)01597-8.
  7. Pilipovich VA, Esman AK, Goncharenko IA, Kuleshov VK. Lasing dynamics of tunable single-frequency fiber-optic and waveguide lasers. Journal of Optical Technology. 2003;70(3):173–176. DOI: 10.1364/JOT.70.000173.
  8. Abbott BP, Abbott R, Adhikari R, Ajith P, Allen B, Allen G, et al. LIGO: the laser interferometer gravitational-wave observatory. Reports on Progress in Physics. 2009;72(7):076901. DOI: 10.1088/0034-4885/72/7/076901.
  9. Ma Yanxing, Wang Xiaolin, Leng Jinyong, Xiao Hu, Dong Xiaolin, Zhu Jiajian, et al. Coherent beam combination of 1.08 kW fiber amplifier array using single frequency dithering technique. Optics Letters. 2011;36(6):951–953. DOI: 10.1364/OL.36.000951.
  10. Bai Xiaolei, Sheng Quan, Zhang Haiwei, Fu Shijie, Shi Wei, Yao Jianquan. High-power all-fiber single-frequency erbium – ytterbium co-doped fiber master oscillator power amplifier. IEEE Photonics Journal. 2015;7(6):7103106. DOI: 10.1109/JPHOT.2015. 2490484.
  11. Fu Shijie, Shi Wei, Feng Yan, Zhang Lei, Yang Zhongmin, Xu Shanhui, et al. Review of recent progress on single-frequency fiber lasers [Invited]. Journal of the Optical Society of America B. 2017;34(3):A49–A62. DOI: 10.1364/JOSAB.34.000A49.
  12. Sompo JM, Grobler M, Kaboko JJM. Influence of upconversion and excited state absorption on the performance of an erbiumytterbium doped DFB fiber laser. In: 2019 IEEE Africon; 2019 September 25–27; Accra, Ghana. [S. l.]: IEEE; 2019. p. 1–5. DOI: 10.1109/AFRICON46755.2019.9134018.
  13. Koptev MYu, Egorova ON, Medvedkov OI, Semjonov SL, Galagan BI, Sverchkov SE, et al. Narrow-linewidth single-frequency ytterbium laser based on a new composite Yb3+-doped fiber. Photonics. 2022;9(10):760. DOI: 10.3390/photonics9100760.
  14. Tao Yue, Jiang Man, Liu Liu, Li Can, Zhou Pu, Jiang Zongfu. More than 20 W, high signal-to-noise ratio single-frequency all-polarizationmaintaining hybrid brillouin/ytterbium fiber laser. Journal of Lightwave Technology. 2023;41(2):678–683. DOI: 10.1109/JLT.2022.3215655.
  15. Wagener JL, Wysocki PF, Digonnet MJF, Shaw HJ, Di Giovanni DJ. Effects of concentration and clusters in erbium-doped fiber lasers. Optics Letters. 1993;18(23):2014–2016. DOI: 10.1364/OL.18.002014.
  16. Karasek M. Optimum design of Er3+ – Yb3+ co-doped fibers for large-signal high-pump-power applications. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1997;33(10):1699–1705. DOI: 10.1109/3.631268.
  17. Kringlebotn JT, Archambault J-L, Reekie L, Townsend JE, Vienne GG, Payne DN. Highly-efficient, low-noise grating-feedback Er3+ : Yb3+ co-doped fibre laser. Electronics Letters. 1994;30(12):972–973. DOI: 10.1049/el:19940628.
  18. Hsu K, Miller CM, Kringlebotn JT, Taylor EM, Townsend J, Payne DN. Single-mode tunable erbium : ytterbium fiber Fabry – Perot microlaser. Optics Letters. 1994;19(12):886–888. DOI: 10.1364/OL.19.000886.
  19. Cucinotta A, Selleri S, Vincetti L, Zoboli M. Numerical and experimental analysis of erbium-doped fiber linear cavity lasers. Optics Communications. 1998;156(4–6):264–270. DOI: 10.1016/S0030-4018(98)00432-5.
  20. Desurvire E, Simpson JR. Amplification of spontaneous emission in erbium-doped single-mode fibers. Journal of Lightwave Technology. 1989;7(5):835–845. DOI: 10.1109/50.19124.
  21. Goncharenko IA, Helfert SF, Pregla R. General analysis of fibre grating structures. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 1999;1(1):25–31. DOI: 10.1088/1464-4258/1/1/003.
  22. Goncharenko IA, Helfert SF, Pregla R. Analysis of nonlinear properties of fibre grating structures. AEÜ – International Journal of Electronics and Communications. 1999;53(1):25–31.
  23. Born M, Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation interference and diffraction of light. 6th edition. Oxford: Pergamon Press; 1980. Chapter 7, Elements of the theory of interference and interferometers; p. 256–260.
Опубликован
2023-05-23
Ключевые слова: волоконно-оптический лазер, одночастотная генерация, волоконная брэгговская решетка, легированное ионами Er – Yb оптическое волокно, резонатор Фабри – Перо
Как цитировать
Альремеити , Д., & Гончаренко, И. А. (2023). Одночастотный лазер на базе легированного ионами Er – Yb оптического волокна с волоконными брэгговскими решетками. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 4-13. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5466
Выпуск
№ 2 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Лазерная физика

Copyright (c) 2023 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).