[論文レビュー] Frequency-comb-linearized, widely tunable lasers for coherent ranging

Baoqi Shi, Yihan Luo+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2023

Advanced Fiber Laser TechnologiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、テラヘルツ帯域幅と1 MHzの分解能を備えた広帯域可変周波数レーザーにおけるチャープダイナミクスの特徴付けと線形化に、周波数コンブベースの手法を提示する。12台の商業用レーザーにおけるチャープ非線形性のキャリブレーションにより、外部の線形化ユニットを必要とせずコherentな距離測定を実現し、事前に線形化されたレーザー信号を用いたLiDAR実験で、1ミリメートル未満の距離測定精度を達成した。

ABSTRACT

Tunable lasers, with the ability to continuously adjust their emission wavelengths, have found widespread applications across various fields such as biomedical imaging, coherent ranging, optical communications and spectroscopy. In these applications, a wide chirp range is advantageous for large spectral coverage and high frequency resolution. Besides, the frequency accuracy and precision also depend critically on the chirp linearity of the laser. While extensive efforts have been made on the development of many kinds of frequency-agile, widely tunable, narrow-linewidth lasers, wideband yet precise methods to characterize and to linearize laser chirp dynamics are also demanded. Here we present an approach to characterize laser chirp dynamics using an optical frequency comb. The instantaneous laser frequency is tracked over terahertz bandwidth with 1 MHz interval. Using this approach we calibrate the chirp performance of twelve tunable lasers from Toptica, Santec, New Focus, EXFO and NKT that are commonly used in fiber optics and integrated photonics. In addition, with acquired knowledge on laser chirp dynamics, we demonstrate a simple frequency-linearization scheme that enables coherent ranging without any optical or electronic linearization units. Our approach not only presents a novel wideband, high-resolution laser spectroscopy, but is also critical for sensing applications with ever-increasing requirements on performance.

研究の動機と目的

• OCT、OFDR、LiDARなどの応用分野で周波数分解能と距離測定精度を低下させる、広帯域可変周波数レーザーにおけるチャープ非線形性の課題に対処すること。
• 広帯域の周波数変調範囲において、瞬時のレーザー周波数とチャープレートを高帯域幅・高分解能で特徴付ける手法を開発すること。
• キャリブレートされたチャープダイナミクスを用いた事前線形化により、リアルタイムの光的または電子的線形化ユニットを不要にした正確なコherentな距離測定を可能にすること。

提案手法

• 可変周波数レーザーと遅延されたコンブラインとの間のビート信号を測定することで、1 MHzの分解能を有するテラヘルツ帯域幅にわたる瞬時のレーザー周波数を、光周波数コンブ（OFC）を用いて追跡する。
• デジタル的に適用された有限インパルス応答（FIR）バンドパスフィルタを用いて、光検出されたRF信号から瞬時のビート周波数とチャープレートを抽出する。
• 複数のレーザー設定におけるチャープレートダイナミクスα(t)を特徴付け、各レーザー種別に最適な動作条件を同定する。
• キャリブレートされたチャープレートα_c(t)を用いた時間軸の再スケーリングにより、事前線形化スキームを実装し、非線形チャープを線形周波数スイープに変換する。
• 再スケーリングされた時間変数を用いてビート信号を処理することで、追加の線形化ハードウェアを必要としないコherentなLiDARを実現する。
• フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）を用いて、リアルタイムのデータ処理を高速化し、ストレージ要件を低減することを提案する。

Figure 1: Principle and applications of widely tunable lasers . a . Applications that require linearly chirping lasers. OCT, optical coherence tomography. OFDR, optical frequency-domain reflectometry. LiDAR, light detection and ranging. b . Principle of laser chirp linearization. An ideal laser chir

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、1メガヘルツ未満の分解能を有するテラヘルツ帯域幅にわたって、広帯域可変周波数レーザーのチャープダイナミクスを正確に特徴付けることができるか？
• RQ2 異なる商業用レーザー機種において、チャープ非線形性を最小限に抑える最適な動作条件（例：駆動周波数およびチャープレート）は何か？
• RQ3 キャリブレートされたダイナミクスを用いたレーザーのチャープ事前線形化により、外部の線形化ユニットを必要とせず高精度なコherentな距離測定が可能になるか？
• RQ4 チャープ非線形性がLiDARシステムの距離測定精度にどの程度悪影響を及ぼすか、また、事前に得られた特徴付けを用いて後から補正することは可能か？

主な発見

• 本手法は、Toptica、Santec、New Focus、EXFO、NKTの12台の広帯域可変周波数レーザーを対象として、1 MHzの分解能を有するテラヘルツ帯域幅にわたってチャープダイナミクスを成功裏に特徴付けた。
• Toptica CTLレーザーでは、50 Hzの正弦波駆動で最適なチャープ線形度が達成され、微調整モードで35 GHzの周波数変調範囲を有した。
• 最適なセットチャープレートは、Toptica CTLで2 nm/s、New Focusで2 nm/s、Santecで100 nm/s、EXFOで100 nm/sであった。
• キャリブレートされたα_c(t)を用いた事前線形化により、4メートルの距離で高精度な2次元LiDAR距離測定が実現され、空間スペクトルに明確で曇りのないピークが得られた。
• 事前線形化を行わなかった場合、チャープ非線形性のため距離ピークが広がり、距離の決定が曇る結果となった。
• 本手法は、リアルタイムまたは外部の線形化ユニットを一切使用せず、事前に得られた特徴付けと信号の再スケーリングに依存するだけで、LiDAR実験で1ミリメートル未満の距離測定精度を達成した。

Figure 2: Schematic and experimental setup of laser chirp characterization . a . Experimental setup. BPF, band-pass filter. PC, polarization controller. BPD, balanced photodetector. LPF, low-pass filter. OSC, oscilloscope. b . Illustration of the laser frequency beating with the OFC during laser chi