Um laser de fibra Brillouin avançado

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3554 (2022) Citar este artigo

2300 Acessos

4 Citações

Detalhes das métricas

Lasers de fibra baseados em espalhamento de Brillouin estimulado para trás fornecem larguras de linha estreitas e servem em processamento de sinal e aplicações de detecção. O espalhamento Brillouin estimulado nas fibras também ocorre na direção direta, com larguras de banda de amplificação que são mais estreitas em duas ordens de grandeza. No entanto, os lasers Brillouin avançados ainda precisam ser realizados em qualquer plataforma de fibra. Neste trabalho, relatamos um primeiro laser de fibra Brillouin avançado, usando uma fibra de manutenção de polarização do tipo panda, disponível no mercado. A luz da bomba em um eixo principal fornece amplificação Brillouin para um sinal laser de copropagação da polarização ortogonal. A realimentação é fornecida pelas grades de Bragg em ambas as extremidades da cavidade da fibra. Regimes de operação monomodo, poucos modos e multimodo são observados. O limiar de laser exibe uma sensibilidade ambiental única: é elevado quando a fibra é parcialmente imersa em água devido ao alargamento do espectro de espalhamento Brillouin direto. Os resultados estabelecem um novo tipo de laser de fibra, com potencial para ultra-alta coerência e detecção de precisão de mídia fora do revestimento.

Lasers de fibra baseados em espalhamento de Brillouin estimulado para trás (backward SBS) são estudados e empregados há mais de trinta anos1,2. Devido à largura de banda de ganho relativamente estreita do SBS para trás em fibras, da ordem de 30 MHz, um único modo de laser longitudinal pode ser selecionado mesmo em cavidades de fibra comparativamente longas de faixa espectral livre estreita. Os lasers de fibra Brillouin são usados ​​na geração e processamento de sinais fotônicos de micro-ondas3 e em giroscópios de fibra óptica4. Os lasers SBS invertidos também foram demonstrados com sucesso em microrressonadores e plataformas fotônicas integradas, como fluoreto de cádmio5, vidro calcogeneto6, sílica7, silício8 e nitreto de silício em sílica9.

SBS em fibras ópticas e guias de ondas também pode ocorrer na direção direta10,11,12,13. Forward SBS acopla entre duas ondas ópticas copropagadas e ondas acústicas guiadas que são predominantemente transversais10,11,12,13. Em comparação com o mecanismo inverso, o SBS direto normalmente envolve ondas acústicas de baixa frequência e sua largura de linha é tipicamente mais estreita, atingindo centenas de kHz em fibras nuas ou revestidas com poliimida14. As larguras de banda de ganho estreitas permitem a seleção de modos longitudinais únicos de cavidades de fibra ainda mais longas. Além disso, o tempo de vida do fóton em tais cavidades de fibras longas pode ser ainda maior do que o dos fônons, permitindo o estreitamento da largura de linha do laser em relação à bomba2.

A realização de lasers SBS diretos em fibras enfrenta um desafio fundamental: ao contrário do efeito retrógrado, o SBS direto em um único modo óptico guiado espacialmente leva à modulação de fase de uma onda de bombeamento de entrada contínua e não fornece amplificação estimulada de um sinal de laser15. Por esse motivo, os lasers SBS avançados são difíceis de obter em fibras monomodo padrão. O laser de Brillouin direto pode ser alcançado em um processo intermodal, entre campos ópticos de bomba e sinal que se propagam em modos espaciais distintos16. Demonstrações marcantes de lasers SBS diretos intermodais foram relatadas em guias de onda dentro de membranas de silício suspensas17. Esses dispositivos requerem capacidades de fabricação especiais. Além disso, os tempos de vida dos fótons de sinal em lasers de silício SBS avançados são mais curtos do que os dos fônons, portanto, eles atualmente não suportam o estreitamento da largura de linha óptica. O Forward SBS foi minuciosamente investigado em padrão10,11,12,13, manutenção de polarização (PM)18 e fibras de cristal fotônico e nanoestruturadas especiais19,20,21. No entanto, até onde sabemos, os lasers SBS avançados ainda não foram relatados em nenhuma plataforma de fibra.

Neste trabalho propomos e demonstramos um primeiro laser de fibra SBS avançado. O laser é baseado em uma fibra PM do tipo panda, pronta para uso. A fibra laser tem 30 metros de comprimento e é despojada de seu revestimento protetor para melhorar as interações opto-mecânicas. O laser é impulsionado pela amplificação SBS direta intermodal18. A luz contínua da bomba é aplicada ao longo de um eixo principal da fibra e um sinal de laser é obtido no estado ortogonal. O feedback para o sinal de laser é fornecido na forma de redes de Bragg de fibra (FBGs) em ambas as extremidades da fibra. Devido à birrefringência da fibra PM, o feedback é fornecido ao sinal de laser apenas enquanto a bomba não ressonante passa pelos FBGs com baixas reflexões residuais. Vários regimes de operação são observados, envolvendo um único modo acústico guiado, poucos modos acústicos, ou com muitos sinais devido a múltiplos modos e mistura entre eles. A largura de linha do laser monomodo diminui com a potência de saída e atinge poucos kHz, limitada pela deriva térmica dos modos da cavidade longitudinal no ambiente de laboratório. A vida útil dos fótons de sinal na cavidade da fibra é 10 vezes maior do que a das ondas acústicas, portanto, o laser Brillouin avançado promete estreitar a largura de linha com estabilização ambiental adequada. A potência de bombeamento limiar do laser SBS dianteiro é da ordem de 500 mW. A potência de saída do laser está atualmente restrita a 250 μW pelo início do laser SBS retrógrado intramodal dentro da cavidade, uma limitação que pode ser mitigada. Extensões do conceito podem levar a sensores de precisão de mídia fora do revestimento de fibra. Como primeiro exemplo, demonstramos o efeito da água fora do revestimento de fibra nua no sistema de laser. Embora a presença de água não afete a cavidade óptica, ela reduz o coeficiente de ganho SBS direto e aumenta o limite de laser. Essa sensibilidade ao ambiente é exclusiva do mecanismo SBS avançado.