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Jul 09, 2023

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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5762 (2023) Cite este artículo 862 Accesos Detalles de métricas Bucles de desplazamiento de frecuencia, que consisten en una cavidad de anillo de fibra óptica, un modulador de frecuencia y

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5762 (2023) Citar este artículo

862 Accesos

Detalles de métricas

Los bucles de desplazamiento de frecuencia, que constan de una cavidad anular de fibra óptica, un modulador de frecuencia y un amplificador para compensar la pérdida, permiten un escaneo de frecuencia de alta velocidad con pasos de frecuencia precisos y fácilmente controlados. Esta plataforma es particularmente atractiva para aplicaciones en espectroscopia y alcance óptico. Sin embargo, el ruido de emisión espontánea amplificado se acumula debido a la amplificación repetida de la luz que circula en la cavidad, lo que limita el rango de escaneo de frecuencia de los bucles de desplazamiento de frecuencia (FSL) existentes. Aquí presentamos un enfoque en cascada que aborda esta limitación básica. Al conectar en cascada múltiples FSL en serie con diferentes cambios de frecuencia, podemos aumentar drásticamente el rango de escaneo accesible. Presentamos modelos que muestran el potencial de este enfoque para permitir el escaneo en rangos de hasta 1 THz, un aumento diez veces mayor en comparación con el estado del arte. Experimentalmente, construimos un par de FSL en cascada capaces de escanear un rango de 200 GHz con pasos de 100 MHz en 10 ms y utilizamos esta plataforma para realizar mediciones de espectroscopía de absorción de una celda H13C14N. Al aumentar el ancho de banda operativo de los FSL, el enfoque en cascada introducido en este trabajo podría permitir nuevas aplicaciones que requieran un escaneo de frecuencia preciso y de alta velocidad.

Los láseres de frecuencia sintonizable son esenciales para una variedad de aplicaciones que incluyen espectroscopia de absorción, medición de distancias, LIDAR y caracterización de dispositivos fotónicos. Si bien los láseres sintonizables han avanzado considerablemente en los últimos años1, obtener sintonización de frecuencia de alta velocidad con tamaños de paso consistentes sigue siendo un desafío y muchos sistemas de escaneo láser dependen de una calibración exhaustiva o monitoreo in situ para compensar las no linealidades en la frecuencia del láser escaneado2,3. Un enfoque alternativo es modular externamente un láser de onda continua (CW) de frecuencia fija. Sin embargo, este enfoque normalmente se limita a la sintonización en rangos de frecuencia modestos debido al ancho de banda finito de los moduladores ópticos y el requisito de una electrónica de accionamiento de alta velocidad. Los bucles de desplazamiento de frecuencia (FSL) proporcionan una alternativa atractiva al acumular grandes cambios de frecuencia al recircular la luz a través de un único modulador decenas o cientos de veces4.

Los bucles de desplazamiento de frecuencia suelen constar de una cavidad anular de fibra óptica que contiene un modulador de desplazamiento de frecuencia, un amplificador que se utiliza para compensar la pérdida y un filtro de paso de banda utilizado para suprimir la emisión espontánea amplificada (ASE). Después de cada vuelta de ida y vuelta en el circuito, la luz sufre un cambio de frecuencia adicional. El FSL se puede utilizar para generar un peine de frecuencia óptica sembrándolo con luz CW5. Alternativamente, si se acopla luz pulsada al FSL, se puede utilizar para generar un tren de pulsos igualmente espaciados en tiempo y frecuencia6. Esto permite un escaneo de frecuencia preciso y de alta velocidad con un modulador de ancho de banda y un sistema electrónico de accionamiento relativamente bajos. Estas características han llevado al uso de FSL en una amplia gama de aplicaciones que incluyen espectroscopia de absorción7,8,9, manipulación de peine de frecuencia óptica10, análisis óptico de Fourier11, detección de fibra distribuida12,13, generación de formas de onda arbitrarias14 y análisis de espectro de RF15. El principal inconveniente de los FSL es que el ancho de banda general está limitado por la acumulación de ASE debido a la amplificación continua de la luz en el bucle. Como resultado, los FSL generalmente están limitados a un ancho de banda de unas pocas decenas de GHz (la banda más ancha FSL reportada hasta donde sabemos abarcaba 100 GHz16) antes de que ASE comience a dominar.

En este trabajo, presentamos una arquitectura FSL en cascada capaz de aumentar drásticamente el rango de escaneo de frecuencia y la cantidad de pasos de frecuencia generados antes de que ASE comience a dominar. Mostramos que combinar un FSL inicial con pasos de frecuencia más pequeños seguido de un segundo FSL con pasos de frecuencia más grandes nos permite aumentar significativamente el rango de escaneo mientras minimizamos la acumulación de ASE. Presentamos simulaciones que indican que un FSL en cascada diseñado adecuadamente podría permitir escanear más de 1 THz antes de que ASE comience a dominar. Como demostración inicial, construimos un FSL en cascada capaz de producir 2000 pulsos en pasos de 100 MHz en un rango total de 200 GHz y utilizamos el sistema para realizar mediciones de espectroscopía de absorción de una celda H13C14N. Al proporcionar un método para aumentar el rango de escaneo de FSL, este trabajo aumentará las aplicaciones de este poderoso enfoque para el escaneo de frecuencias de alta velocidad.

Un bucle de desplazamiento de frecuencia puede proporcionar diversas funciones dependiendo de cómo se siembra. Por ejemplo, si un FSL se siembra con una fuente de luz CW, generará un peine de frecuencia óptica con una separación de peine determinada por el modulador de frecuencia5 y un ancho de banda dictado por el filtro de paso de banda en el bucle. La inyección de varias formas de onda moduladas en un FSL proporciona la posibilidad de generación de formas de onda arbitrarias14. Por otro lado, si el FSL se siembra con un pulso óptico, se puede utilizar para generar un tren de pulsos uniformemente espaciados en tiempo y frecuencia5. En este trabajo nos centramos en esta última aplicación de las FSL. Al generar un tren de pulsos en el que cada pulso contiene una única frecuencia óptica, este enfoque es particularmente adecuado para la espectroscopia de absorción, ya que la absorción a una frecuencia determinada se puede obtener mediante detección directa. En comparación con la espectroscopia láser sintonizable convencional, los FSL son capaces de realizar escaneos a alta velocidad manteniendo al mismo tiempo la alta coherencia del láser semilla, lo que podría permitir aplicaciones como la espectroscopia de dispersión sensible a la fase. Finalmente, este enfoque es susceptible de conversión de frecuencia no lineal, lo que permite el acceso a diferentes regímenes de frecuencia8.

Si bien este enfoque simple ha permitido el escaneo de frecuencia de alta velocidad con pasos de frecuencia controlados con precisión, el ancho de banda total y la cantidad de pulsos generados en el FSL están limitados por la acumulación de ASE17. El ASE introducido después de cada viaje de ida y vuelta escala con la amplificación requerida para compensar la pérdida y el ancho de banda del filtro de paso de banda. Como resultado, mitigar la acumulación de ASE requiere que el FSL minimice la pérdida en el bucle (reduciendo la amplificación requerida después de cada viaje de ida y vuelta), limite el ancho de banda operativo total (permitiendo un filtro de paso de banda más estrecho) y minimice el número de pulsos generados (reduciendo el número de veces que la luz se amplifica). Una vez que se minimiza la pérdida de ida y vuelta, la acumulación de ASE introduce efectivamente un equilibrio entre el ancho de banda general y el cambio de frecuencia entre pulsos vecinos: se puede acomodar un ancho de banda mayor si se aumenta el tamaño del paso de frecuencia para limitar el número de pulsos. generado. En una aplicación de espectroscopia de absorción, esto da como resultado un equilibrio entre el rango de exploración y la resolución de frecuencia.

El enfoque FSL en cascada presentado en este trabajo está diseñado para abordar esta compensación. Nuestro enfoque se basa en un FSL inicial con pequeños cambios de frecuencia, generando un tren de pulsos que están muy espaciados en frecuencia. Luego, estos pulsos se utilizan para generar un segundo FSL que introduce grandes cambios de frecuencia, excediendo todo el ancho de banda del tren de pulsos generado por el primer FSL. Este esquema tiene dos ventajas. En primer lugar, el uso de FSL en cascada reduce el número total de veces que cualquier pulso individual se amplifica. En un FSL único convencional, el ASE acumulado mientras genera \(N\) pulsos escala como \(N\). Sin embargo, en el esquema en cascada, el ASE escala como \(2\sqrt{N}\) si se generan \(\sqrt{N}\) pulsos en cada bucle. En segundo lugar, el uso de pasos de frecuencia más pequeños en el FSL inicial nos permite usar un filtro de paso de banda estrecho en el primer FSL, suprimiendo aún más el ASE.

La arquitectura básica del sistema se muestra en la Fig. 1a. El sistema se siembra con un láser CW y se usa un modulador acústico-óptico (AOM0) para tallar un pulso de semilla inicial con una duración de pulso \(\tau\) (tenga en cuenta que se podría usar cualquier modulador de intensidad en lugar de AOM0). Este pulso de semilla se acopla al primer FSL mediante un acoplador 50:50. El primer FSL consta de un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA1), un filtro de paso de banda con ancho de banda \(\Delta {F}_{1}\) y un modulador de frecuencia, AOM1, que introduce un desplazamiento de frecuencia \(\Delta { f}_ {1}\). El retraso de ida y vuelta a través del primer FSL se define como \({\Delta t}_{1}\). El primer FSL genera un tren de \({N}_{1}\) pulsos separados en frecuencia por \(\Delta {f}_{1}\) y espaciados temporalmente por \({\Delta t}_{1 }\), como se muestra en el recuadro de la Fig. 1a. Este tren de pulsos inicial luego genera un segundo FSL que consta de un amplificador, un filtro de paso de banda con ancho de banda \(\Delta {F}_{2}\) y un modulador de frecuencia. Aquí, se utiliza un modulador de banda lateral única (SSMB) electroóptico para permitir cambios de frecuencia relativamente grandes que exceden el ancho de banda del tren de pulsos generado en FSL1 (por ejemplo, \(\Delta {f}_{2}\) > 1 GHz ). El tiempo de ida y vuelta en el segundo bucle se define como \(\Delta {t}_{2}\) y debe ser ligeramente mayor que la duración del pulso \(\tau\). El número de pulsos generados en el segundo bucle, \({N}_{2}\), luego establece un límite en el retraso requerido en el primer bucle como \({\Delta t}_{1}\ge {N }_{2}{\Delta t}_{2}\). De manera similar, el retraso entre los pulsos de semillas y la longitud del tren de pulsos general es \({t}_{train}\ge {N}_{1}{\Delta t}_{1}\ge {N}_ {1}\left({N}_{2}{\Delta t}_{2}\right).\) En estas condiciones, la salida del segundo FSL será un tren con \({N}_{ 1}\cdot {N}_{2}\) pulsos totales. Los pulsos no aumentan monótonamente en frecuencia, sino que aumentan en pasos de \(\Delta {f}_{2}\) antes de restablecerse a la frecuencia del siguiente pulso de FSL1, como se muestra en la Fig. 1b y en color. codificado en el recuadro de la Fig. 1a. En principio, es posible utilizar retrasos más pequeños en el primer FSL y retrasos más largos en el segundo FSL para generar un tren de impulsos que aumenta monótonamente en frecuencia. Sin embargo, esto daría lugar a retrasos desiguales entre los pulsos que llegan a EDFA1 en el primer FSL y aumentaría el impacto de los efectos de saturación de EDFA. En la práctica, encontramos que el enfoque que se muestra en la Fig. 1, donde \({\Delta t}_{1}\gg {\Delta t}_{2}\), permite un tren de pulsos estable con una amplitud más uniforme en cada pulso.

(a) Esquema del enfoque FSL en cascada. Los recuadros indican el tiempo de los pulsos generados en cada etapa. (b) Diagrama de tiempo-frecuencia que indica la frecuencia de cada pulso, codificado por colores para que coincida con los pulsos que se muestran en los recuadros de (a). (c) Los parámetros utilizados en la sección experimental para generar un tren de pulsos a través de 200 GHz con un espaciado de 100 MHz. *Tenga en cuenta que \(\Delta {F}_{1}=10\text{ GHz}\) habría sido óptimo, pero debido al equipo disponible, se usó un filtro de 100 GHz en el primer FSL en los experimentos reportados en este trabajar.

Para optimizar este esquema, primero simulamos la acumulación de ASE siguiendo el modelo introducido en la Ref.17. El modelo se utilizó para calcular la relación señal-ruido (SNR) entre la potencia de la señal en el enésimo pulso, \({P}_{sig}(n)\), y la potencia de ASE en el enésimo pulso, integrada a través de \(m\) intervalos de frecuencia de ancho \(\Delta f\):

La potencia de la señal en el enésimo pulso se calculó como:

donde \({G}_{EDFA}\left(n\right)\) es la ganancia de EDFA experimentada por el enésimo pulso y \(T\) es la transmisión a través del FSL, incluida la pérdida del 50% debido al acoplador de fibra . La potencia de ASE en el m-ésimo intervalo de frecuencia de ancho \(\Delta f\) después del enésimo viaje de ida y vuelta a través del FSL se calculó como:

donde \(h\) es la constante de Planck, \(\nu\) es la frecuencia óptica y \(NF\) es la figura de ruido del EDFA. El primer término de esta expresión representa el ASE generado por el EDFA en el enésimo bucle, mientras que el segundo término representa el ASE que continúa circulando en el bucle y sufre un cambio de frecuencia \(\Delta f\) después de cada viaje de ida y vuelta. El número total de contenedores de frecuencia fue determinado por el filtro de paso de banda como \(\Delta F/\Delta f\). Este enfoque implica un filtro de paso de banda rectangular que rechaza la potencia del ASE una vez que pasa el borde del filtro.

Para tener en cuenta la saturación de ganancia, la ganancia de EDFA experimentada en el enésimo viaje de ida y vuelta se calculó como

donde \({g}_{ss}\) es la ganancia de señal pequeña, \({P}_{sat}\) es la potencia de saturación de EDFA y \({P}_{tot}\left(n\ derecha)\) es la potencia óptica total que circula en el enésimo viaje de ida y vuelta, definida como:

Para inicializar la simulación, la potencia de la señal, \({P}_{sig}(n=1)\), se configuró a la mitad de la potencia en el pulso semilla (para tener en cuenta el 50% del acoplador), mientras que la potencia inicial del ASE en cada intervalo de frecuencia se estableció en cero, es decir, \({P}_{ASE}\left(m,n=0\right)=0\). Esto supone que el modulador se bloquea después del enésimo pulso para rechazar la acumulación de ASE del tren de pulsos anterior. En la simulación, la pequeña ganancia de la señal se resolvió numéricamente para producir un tren de pulsos con amplitud uniforme, asegurando que la ganancia de EDFA saturado fuera aproximadamente igual a la pérdida de ida y vuelta. Esto es análogo al procedimiento experimental de ajustar la ganancia de EDFA para equilibrar la pérdida en el FSL y generar un tren de pulsos uniforme.

Para evaluar el enfoque en cascada que se muestra en la Fig. 1, primero utilizamos el modelo descrito anteriormente para calcular la señal y la potencia ASE producida por el primer bucle. Luego, la señal simulada y las potencias de ASE se proporcionaron como entradas al segundo FSL y calculamos la SNR del tren de pulsos final que sale del segundo FSL.

Para ilustrar la ventaja del enfoque en cascada, simulamos un sistema diseñado para producir 10.000 pulsos que cubren 1 THz en pasos de 100 MHz. Esto está significativamente más allá del alcance de un solo FSL (100 GHz es el ancho de banda más amplio reportado usando un solo FSL16). En este caso, asumimos una transmisión a través de ambos bucles de 0,1 (es decir, 10 dB de pérdida) y un acoplador del 50%, de modo que la transmisión total de ida y vuelta fue \({T}_{1}={T}_{2 } =0,05\). Luego variamos el número de pulsos generados en el primer FSL de \({N}_{1}=\) 10 a 100 y configuramos el ancho de banda del filtro en el primer bucle en \(\Delta {F}_{1 }={N}_{1}\Delta {f}_{1}\) con un cambio de frecuencia fijo de \(\Delta {f}_{1}=100 {\text{ MHz}}\). El cambio de frecuencia en el segundo bucle se estableció en \(\Delta {f}_{2}={N}_{1}\Delta {f}_{1}\) con un ancho de banda de filtro de paso de banda fijo de \(\ Delta {F}_{2}=1 \,{\text{THz}}\) para soportar todo el tren de pulsos. Como se muestra en la Fig. 2a, es posible mantener una SNR > 7 dB en 10 000 pulsos utilizando el primer FSL para generar 200 pulsos que cubran 20 GHz. Esto muestra el potencial de este enfoque para ampliar drásticamente el rango operativo de los FSL. La cantidad de pulsos generados en cada FSL debe optimizarse en función del ancho de banda general del tren de pulsos deseado y la pérdida en cada bucle. En este caso, la SNR es considerablemente menor si el primer FSL se usó para generar 100 o 1000 pulsos en lugar de los 200 a 500 pulsos ideales. A modo de comparación, también modelamos la SNR de un solo FSL con la misma pérdida (\(T=0.05\)) diseñado para producir trenes de pulsos que cubren de 50 a 200 GHz en pasos de 100 MHz. En cada caso, el filtro de paso de banda se ajustó al ancho de banda total del tren de pulsos generado. Como se muestra en la Fig. 2b, el FSL único no puede proporcionar cambios de frecuencia que excedan ~ 100 GHz antes de que la SNR caiga por debajo de 0 dB. En general, la SNR aceptable dependerá de la aplicación y este tipo de modelo se puede utilizar para estudiar el ancho de banda que se puede lograr usando un FSL en cascada mientras se mantiene la SNR requerida.

(a) SNR simulada versus cambio de frecuencia para un tren de pulsos en cascada que cubre 1 THz con pasos de 100 MHz. El número de pulsos generados en el primer FSL varió de 100 a 1000. El enfoque en cascada permite 10 000 pulsos en 1 THz con SNR > 7 dB. (b) SNR simulada para un solo FSL diseñado para generar trenes de pulsos con un espaciado de 100 MHz en 50 a 200 GHz. El FSL único sólo puede generar un tren de impulsos que cubra ~ 100 GHz con SNR > 0 dB.

Finalmente, ajustamos los parámetros del modelo para que coincidan con nuestros parámetros experimentales, proporcionando el gráfico SNR que se muestra en la Fig. 3. Experimentalmente, diseñamos los FSL en cascada para generar 2000 pulsos que cubran 200 GHz en pasos de 100 MHz. El primer FSL se utilizó para generar 100 pulsos en 10 GHz, mientras que el segundo FSL proporcionó 20 pulsos en pasos de 10 GHz. Debido a las limitaciones del equipo disponible, nuestro sistema experimental mostró una pérdida mayor que el sistema simulado en la Fig. 2a y se basó en un filtro de paso de banda más amplio en el primer FSL de lo que hubiera sido ideal. En esta simulación, igualamos nuestras condiciones experimentales, utilizando los valores de pérdida medidos de \({T}_{1}=0.05\) y \({T}_{2}=0.0005\). La alta pérdida en el segundo FSL fue causada por una baja transmisión a través del SSBM debido a la falta de un generador de señal de RF disponible con suficiente potencia para alcanzar \({V}_{\pi }\). También utilizamos un filtro de paso de banda de 100 GHz en el primer bucle del experimento, en lugar del filtro de 10 GHz que hubiera sido óptimo. La Figura 3 muestra la SNR que hubiéramos esperado con el filtro ideal de 10 GHz junto con la SNR esperada usando un filtro de 100 GHz. Si bien el filtro de 10 GHz proporciona claramente un rendimiento superior, ambos diseños permiten una SNR > 10 dB en todos los 200 GHz. Curiosamente, la SNR mejora al final del tren de pulsos utilizando el filtro de 100 GHz. Esto se debió al ASE generado en el primer bucle (que cubre una banda de 100 GHz) que finalmente se desplazó fuera del filtro de paso de banda en el segundo FSL cerca del final del tren de pulsos. A modo de comparación, también modelamos la SNR que podríamos esperar si intentáramos utilizar el primer FSL para cubrir todo el rango de 200 GHz. En este caso, utilizamos la misma pérdida de \({T}_{1}=0.005\) y el filtro de paso de banda se configuró en \({\Delta F}_{1}=200\text{ GHz}.\ ) Como se muestra en la Fig. 3, la SNR cae por debajo de 0 dB después de sólo ~ 60 GHz, lo que muestra claramente la ventaja del método en cascada.

SNR simulada versus cambio de frecuencia para un tren de pulsos en cascada utilizando las condiciones experimentales de este trabajo. Este tren de pulsos fue diseñado para cubrir 200 GHz en pasos de 100 MHz utilizando el primer FSL para generar 100 pulsos en 10 GHz. La simulación incluye el caso experimental usando un filtro de paso de banda de 100 GHz así como el caso óptimo usando un filtro de paso de banda de 10 GHz. En ambos casos, el enfoque FSL en cascada es capaz de mantener una SNR > 10 dB en todo el tramo. También se muestra la SNR si se utilizó un solo FSL para generar un tren de pulsos de 200 GHz, lo que indica que la SNR cae por debajo de 0 dB después de ~ 60 GHz.

Construimos un FSL en cascada siguiendo la arquitectura básica que se muestra en la Fig. 1a, comenzando con un láser de semillas de banda estrecha (Rio Orion) que opera a una frecuencia óptica de \(\nu =193.53\text{ THz}\) (longitud de onda de \(\ lambda =1549.1\text{ nm}\) en el vacío) con una potencia de salida de 10 mW y un ancho de línea \(<1\) kHz. Luego utilizamos AOM de 100 MHz (Brimrose AMMF-100) para tallar el pulso de semilla inicial e introducir el cambio de frecuencia en el primer FSL. En el primer FSL se utilizó un filtro multiplexor por división de longitud de onda de 100 GHz (AFW Technologies, WDM-PM) para suprimir ASE. En el segundo FSL, se utilizó un modulador de banda lateral única (SSBM, Thorlabs LN86S-FC) para introducir el cambio de frecuencia y se incluyó un AOM adicional de 100 MHz para rechazar la luz ASE entre trenes de pulsos (se utilizó un cambio de frecuencia de 10 GHz en el segundo FSL). proporcionado impulsando el SSBM a 9,9 GHz y el AOM a 100 MHz). Se usó un filtro sintonizable (Santec OTF-980) para colocar un filtro de paso de banda de 200 GHz comenzando en la frecuencia del láser de semilla. Todo el sistema se construyó utilizando fibra monomodo, acopladores de fibra que mantienen la polarización (Thorlabs PN1550R5A2) y EDFA de mesa (Thorlabs EDFA100). Como se describió anteriormente, el sistema fue diseñado para generar 2000 pulsos a través de 200 GHz en pasos de 100 MHz generando 100 pulsos en el primer FSL y 20 pulsos en el segundo FSL. Los parámetros experimentales se resumen en la Fig. 1c.

El tren de pulsos registrado en el fotodetector de referencia (Terahertz Technologies, TIA-525) que se muestra en la Fig. 1a se presenta en la Fig. 4a. El tren de pulsos revela 2000 pulsos de 4 μs espaciados uniformemente a lo largo de 10,3 ms. Los pulsos cerca del comienzo del tren de pulsos, que se muestran en la Fig. 4c, son relativamente rectangulares, mientras que los pulsos al final del tren de pulsos, que se muestran en la Fig. 4d, exhiben cierta distorsión debido a los efectos de saturación de EDFA18. El EDFA introduce una distorsión muy leve cada vez que se amplifica un pulso, que se acumula en el bucle, lo que resulta en una distorsión más notable en los pulsos que se muestran en la Fig. 4d que han experimentado casi 200 eventos de amplificación. No obstante, el espectro general, registrado en un analizador de espectro óptico con resolución de longitud de onda \(\Delta \lambda =0.08\text{ nm} (\Delta \nu =10\text{ GHz})\), confirma que el tren de pulsos abarcó los 200 GHz deseados con menos de 3 dB de variación de amplitud, como se muestra en la Fig. 4b. A modo de comparación, el espectro producido cuando se usó un solo FSL para generar 2000 pulsos en los mismos 200 GHz se muestra en la Fig. 4f. En este caso, el espectro está muy distorsionado debido a la acumulación de ASE. El tren de pulsos medido con un solo FSL también se muestra en la Fig. 4e, g, h. De manera similar al FSL en cascada, los pulsos cerca del comienzo del tren de pulsos generado en un solo FSL son bastante rectangulares, como se muestra en la Fig. 4g. Sin embargo, la acumulación de ASE en la configuración FSL única causa una distorsión significativa en los pulsos cerca del final del tren de pulsos, que se amplificaron hasta 2000 veces, como se muestra en la Fig. 4h. La rápida acumulación de ASE en un solo FSL también introduce fluctuaciones significativas en el nivel de potencia general, como se muestra en la Fig. 4e.

(a) Tren de pulsos generado por el FSL en cascada que contiene 2000 pulsos. (b) Espectro medido producido por el tren de pulsos en cascada. El tren de pulsos en cascada produjo el espectro plano esperado en 200 GHz con un pedestal relativamente débil debido a la fuga de ASE en el borde del filtro de paso de banda. (c) Vista ampliada de los primeros 22 pulsos generados por el FSL en cascada y (d) 22 pulsos cerca del final del tren de pulsos. (e) Tren de pulsos generado por un solo FSL que contiene 2000 pulsos. (f) Un espectro medido producido por un solo FSL. Se produce un espectro distorsionado debido a la importante acumulación de ASE. (g) Vista ampliada de los primeros 22 pulsos generados por un solo FSL y (h) 22 pulsos cerca del final del tren de pulsos.

Luego utilizamos el tren de pulsos generado por los FSL en cascada para realizar una medición de espectroscopia de absorción sondeando una celda de gas acoplada a fibra que contiene H13C14N (referencias de longitud de onda, HCN-13-H-(5.5)-25-FCAPC) con una presión de 25 Torr y una longitud de camino de 5,5 cm. En nuestro experimento, la luz pasó dos veces a través de la celda (usando un espejo de Faraday acoplado a fibra y un divisor de haz polarizador), proporcionando una trayectoria de absorción efectiva de 11 cm. El espectro de absorción se midió registrando la potencia de cada pulso en los dos detectores que se muestran en la Fig. 1a. Luego calculamos la potencia promedio durante los 2 μs centrales de cada pulso (para minimizar el impacto de los efectos de saturación de EDFA que se muestran en la Fig. 4d) y calculamos la transmisión como la potencia relativa entre el pulso de referencia y el pulso que pasó por el H13C14N. celúla. El espectro de absorción obtenido utilizando el pulso en cascada se muestra en la Fig. 5a, que revela 2 líneas rovibracionales separadas por 96 GHz, como se esperaba19. El ancho total en la mitad del máximo de las líneas de absorción fue ~ \(2.4\text{ GHz}\), lo que concuerda con mediciones espectroscópicas anteriores de la transición \(2{\nu }_{3}\) de H13C14N a temperatura ambiente. y 25 Torr19. Este ancho de línea incluye la contribución tanto del ensanchamiento Doppler (\(450\text{ MHz})\) como del ensanchamiento de presión (\(2.2\text{ GHz})\)19. Tenga en cuenta que esta medición se obtuvo en 10,3 ms (la duración de un tren de pulsos), sin requerir un promedio adicional. La desviación estándar en la transmisión medida al final del tren de impulsos (es decir, en los últimos 10 GHz) fue de 0,0036.

(a) Espectro de absorción de H13C14N registrado utilizando el FSL en cascada que revela correctamente la presencia de las líneas de absorción P10 y P9. (b) El espectro de absorción registrado usando un tren de pulsos generado con un solo FSL solo puede registrar la primera línea de absorción; la acumulación de ASE domina en frecuencias más altas usando un solo FSL, lo que impide una medición de absorción precisa.

Aunque se espera que la relación entre el tono y el nivel de fondo de ASE varíe a lo largo del tren de impulsos (como se muestra en la Fig. 3), esta variación no es directamente observable en el espectro de transmisión. En cambio, el modesto nivel de fondo de ASE (que se espera que comprenda menos del 10% de la potencia en cada pulso según el modelado que se muestra en la Fig. 3) afecta principalmente la profundidad de modulación de la línea de absorción. Por el contrario, el impacto de ASE es mucho más obvio en la Fig. 5b, que muestra el espectro de transmisión registrado utilizando un solo FSL. En este caso sólo se observó la primera línea de absorción. Esto es consistente con la simulación mostrada en la Fig. 3, que indicó que el FSL único solo mantendría una SNR > 0 dB hasta un desplazamiento de ~ 60 GHz. Dado que los pulsos que deberían haber sondeado la segunda línea de absorción cerca de 140 GHz estaban dominados por ASE de banda ancha, no se observó absorción. Esto confirma que el enfoque FSL en cascada puede permitir mediciones de espectroscopia en un ancho de banda mayor que un solo FSL.

Introdujimos un esquema basado en bucles de desplazamiento de frecuencia en cascada para aumentar el ancho de banda de escaneo de frecuencia de los FSL. Este enfoque tiene dos ventajas: reduce la cantidad de eventos de amplificación experimentados por cualquier pulso individual y permite un filtro de ancho de banda mucho menor en el primer FSL, los cuales reducen la acumulación de ASE. Las simulaciones presentadas en este trabajo indican que un FSL en cascada con una pérdida relativamente baja (10 dB) podría permitir el escaneo a más de 1 THz. Experimentalmente, demostramos que incluso con componentes de pérdida de inserción relativamente alta, este enfoque permite escanear más de 200 GHz en pasos de 100 MHz. Al aumentar el rango de escaneo de los FSL, este enfoque en cascada podría permitir aplicaciones adicionales para este conveniente enfoque de escaneo de frecuencia de alta velocidad y alta resolución.

Los datos generados durante este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., 4555 Overlook Ave., SW, Washington, DC, 20375, EE. UU.

Hannah M. Ogden, Joseph B. Murray, Matthew J. Murray y Brandon Redding

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HO realizó los experimentos, analizó los datos y contribuyó a la preparación del manuscrito. JM contribuyó al diseño experimental y revisó/editó el manuscrito. MM contribuyó a la creación del experimento y revisó/editó el manuscrito. BR supervisó los experimentos, contribuyó al análisis de datos, preparó y revisó/editó el manuscrito.

Correspondencia a Brandon Redding.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ogden, HM, Murray, JB, Murray, MJ et al. Espectroscopía de absorción de banda ancha de alta velocidad habilitada por bucles de desplazamiento de frecuencia en cascada. Representante científico 13, 5762 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32763-6

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Recibido: 15 de diciembre de 2022

Aceptado: 01 de abril de 2023

Publicado: 08 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32763-6

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