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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5762 (2023) Citare questo articolo
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Gli anelli di spostamento della frequenza, costituiti da una cavità dell'anello in fibra ottica, un modulatore di frequenza e un amplificatore per compensare la perdita, consentono la scansione della frequenza ad alta velocità con passaggi di frequenza precisi e facilmente controllabili. Questa piattaforma è particolarmente interessante per le applicazioni in spettroscopia e misurazione ottica. Tuttavia, il rumore amplificato dell'emissione spontanea si accumula a causa della ripetuta amplificazione della luce che circola nella cavità, limitando il campo di scansione della frequenza degli anelli di spostamento di frequenza (FSL) esistenti. Qui, introduciamo un approccio a cascata che affronta questa limitazione di base. Collegando più FSL in serie con diversi spostamenti di frequenza siamo in grado di aumentare notevolmente la portata di scansione accessibile. Presentiamo un modello che mostra il potenziale di questo approccio per consentire la scansione su gamme fino a 1 THz, un aumento di dieci volte rispetto allo stato dell'arte. Sperimentalmente, abbiamo costruito una coppia di FSL in cascata in grado di scansionare una gamma di 200 GHz con passi di 100 MHz in 10 ms e abbiamo utilizzato questa piattaforma per eseguire misurazioni di spettroscopia di assorbimento di una cella H13C14N. Aumentando la larghezza di banda operativa delle FSL, l'approccio a cascata introdotto in questo lavoro potrebbe consentire nuove applicazioni che richiedono una scansione della frequenza precisa e ad alta velocità.
I laser a frequenza regolabile sono essenziali per una varietà di applicazioni, tra cui la spettroscopia di assorbimento, la misurazione della distanza, il LIDAR e la caratterizzazione dei dispositivi fotonici. Sebbene i laser sintonizzabili abbiano fatto notevoli progressi negli ultimi anni1, ottenere una sintonizzazione della frequenza ad alta velocità con dimensioni di passo costanti rimane una sfida e molti sistemi di scansione laser si affidano a una calibrazione approfondita o al monitoraggio in situ per compensare le non linearità nella frequenza laser scansionata2,3. Un approccio alternativo consiste nel modulare esternamente un laser a onda continua (CW) a frequenza fissa. Tuttavia, questo approccio è tipicamente limitato alla sintonizzazione su gamme di frequenza modeste a causa della larghezza di banda finita dei modulatori ottici e dei requisiti per l'elettronica di azionamento ad alta velocità. I circuiti di spostamento di frequenza (FSL) forniscono un'alternativa interessante accumulando ampi spostamenti di frequenza facendo ricircolare la luce attraverso un singolo modulatore 10 o 100 volte4.
Gli anelli di spostamento di frequenza sono tipicamente costituiti da una cavità dell'anello in fibra ottica contenente un modulatore di spostamento di frequenza, un amplificatore utilizzato per compensare la perdita e un filtro passa-banda utilizzato per sopprimere l'emissione spontanea amplificata (ASE). Dopo ogni viaggio di andata e ritorno nel circuito, la luce subisce un ulteriore spostamento di frequenza. L'FSL può essere utilizzato per generare un pettine di frequenza ottica seminandolo con luce CW5. In alternativa, se la luce pulsata viene accoppiata all’FSL, può essere utilizzata per generare un treno di impulsi equidistanti nel tempo e nella frequenza6. Ciò consente una scansione della frequenza precisa e ad alta velocità con un modulatore di larghezza di banda relativamente basso e un'elettronica di comando. Queste caratteristiche hanno portato all'uso delle FSL in un'ampia gamma di applicazioni tra cui la spettroscopia di assorbimento7,8,9, la manipolazione del pettine di frequenza ottica10, l'analisi ottica di Fourier11, il rilevamento di fibre distribuite12,13, la generazione di forme d'onda arbitrarie14 e l'analisi dello spettro RF15. Lo svantaggio principale delle FSL è che la larghezza di banda complessiva è limitata dall'accumulo di ASE dovuto alla continua amplificazione della luce nel circuito. Di conseguenza, gli FSL sono in genere limitati a una larghezza di banda di poche decine di GHz (l'FSL di banda più ampia riportato a nostra conoscenza si estendeva su 100 GHz16) prima che ASE inizi a dominare.
In questo lavoro, introduciamo un'architettura FSL a cascata in grado di aumentare notevolmente l'intervallo di scansione della frequenza e il numero di passi di frequenza generati prima che l'ASE inizi a dominare. Mostriamo che la combinazione di un FSL iniziale con passi di frequenza più piccoli seguito da un secondo FSL con passi di frequenza più grandi ci consente di aumentare significativamente la portata di scansione riducendo al minimo l'accumulo di ASE. Presentiamo simulazioni che indicano che un FSL in cascata adeguatamente progettato potrebbe consentire la scansione su 1 THz prima che ASE inizi a dominare. Come dimostrazione iniziale, abbiamo costruito un FSL in cascata in grado di produrre 2000 impulsi in passi di 100 MHz su una gamma totale di 200 GHz e abbiamo utilizzato il sistema per eseguire misurazioni di spettroscopia di assorbimento di una cella H13C14N. Fornendo un metodo per aumentare la portata di scansione delle FSL, questo lavoro aumenterà le applicazioni per questo potente approccio alla scansione di frequenza ad alta velocità.
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>