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Jul 09, 2023

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Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 5762 (2023) Citer cet article 862 Accès aux détails des métriques Boucles de décalage de fréquence, constituées d'une cavité annulaire à fibre optique, d'un modulateur de fréquence et

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5762 (2023) Citer cet article

862 accès

Détails des métriques

Les boucles de décalage de fréquence, constituées d'une cavité annulaire à fibre optique, d'un modulateur de fréquence et d'un amplificateur pour compenser la perte, permettent un balayage de fréquence à grande vitesse avec des pas de fréquence précis et facilement contrôlés. Cette plateforme est particulièrement attractive pour les applications en spectroscopie et en télémétrie optique. Cependant, le bruit d'émission spontanée amplifié s'accumule en raison de l'amplification répétée de la lumière circulant dans la cavité, limitant la plage de balayage en fréquence des boucles de décalage de fréquence (FSL) existantes. Nous introduisons ici une approche en cascade qui répond à cette limitation fondamentale. En mettant en cascade plusieurs FSL en série avec différents changements de fréquence, nous sommes en mesure d'augmenter considérablement la plage de balayage accessible. Nous présentons une modélisation montrant le potentiel de cette approche pour permettre un balayage sur des plages allant jusqu'à 1 THz, soit une multiplication par dix par rapport à l'état de l'art. Expérimentalement, nous avons construit une paire de FSL en cascade capables de balayer une plage de 200 GHz avec des pas de 100 MHz en 10 ms et avons utilisé cette plate-forme pour effectuer des mesures de spectroscopie d'absorption d'une cellule H13C14N. En augmentant la bande passante de fonctionnement des FSL, l'approche en cascade introduite dans ce travail pourrait permettre de nouvelles applications nécessitant un balayage de fréquence précis et à grande vitesse.

Les lasers accordables en fréquence sont essentiels pour une variété d'applications, notamment la spectroscopie d'absorption, la télémétrie, le LIDAR et la caractérisation des dispositifs photoniques. Bien que les lasers accordables aient considérablement progressé ces dernières années1, obtenir un réglage de fréquence à grande vitesse avec des tailles de pas cohérentes reste un défi et de nombreux systèmes de balayage laser s'appuient sur un étalonnage approfondi ou une surveillance in situ pour compenser les non-linéarités de la fréquence laser balayée2,3. Une approche alternative consiste à moduler en externe un laser à onde continue (CW) à fréquence fixe. Cependant, cette approche est généralement limitée au réglage sur des plages de fréquences modestes en raison de la bande passante limitée des modulateurs optiques et de la nécessité d'une électronique de commande à grande vitesse. Les boucles de décalage de fréquence (FSL) offrent une alternative intéressante en accumulant de grands décalages de fréquence en faisant recirculer la lumière à travers un seul modulateur 10 ou 100 secondes4.

Les boucles de déplacement de fréquence sont généralement constituées d'une cavité annulaire à fibre optique contenant un modulateur de déplacement de fréquence, un amplificateur utilisé pour compenser la perte et un filtre passe-bande utilisé pour supprimer l'émission spontanée amplifiée (ASE). Après chaque aller-retour dans la boucle, la lumière subit un décalage de fréquence supplémentaire. Le FSL peut être utilisé pour générer un peigne de fréquence optique en l’ensemençant avec de la lumière CW5. Alternativement, si la lumière pulsée est couplée au FSL, elle peut être utilisée pour générer un train d’impulsions également espacées dans le temps et en fréquence6. Cela permet un balayage de fréquence précis et rapide avec un modulateur de bande passante relativement faible et une électronique de commande. Ces caractéristiques ont conduit à l'utilisation des FSL dans un large éventail d'applications, notamment la spectroscopie d'absorption7,8,9, la manipulation du peigne de fréquence optique10, l'analyse optique de Fourier11, la détection par fibre distribuée12,13, la génération de formes d'onde arbitraires14 et l'analyse du spectre RF15. Le principal inconvénient des FSL est que la bande passante globale est limitée par l’accumulation d’ASE due à l’amplification continue de la lumière dans la boucle. En conséquence, les FSL sont généralement limités à une bande passante de quelques dizaines de GHz (la FSL à bande la plus large signalée à notre connaissance s'étendait sur 100 GHz16) avant que l'ASE ne commence à dominer.

Dans ce travail, nous introduisons une architecture FSL en cascade capable d'augmenter considérablement la plage de balayage de fréquence et le nombre de pas de fréquence générés avant que l'ASE ne commence à dominer. Nous montrons que la combinaison d'un FSL initial avec des pas de fréquence plus petits suivi d'un deuxième FSL avec des pas de fréquence plus grands nous permet d'augmenter considérablement la plage de balayage tout en minimisant l'accumulation d'ASE. Nous présentons des simulations indiquant qu'un FSL en cascade correctement conçu pourrait permettre un balayage sur 1 THz avant que l'ASE ne commence à dominer. À titre de première démonstration, nous avons construit un FSL en cascade capable de produire 2 000 impulsions par pas de 100 MHz sur une plage totale de 200 GHz et utilisé le système pour effectuer des mesures de spectroscopie d'absorption d'une cellule H13C14N. En fournissant une méthode pour augmenter la plage de balayage des FSL, ces travaux augmenteront les applications de cette approche puissante du balayage de fréquence à grande vitesse.