[논문 리뷰] Frequency-comb-linearized, widely tunable lasers for coherent ranging

Baoqi Shi, Yihan Luo외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 30.

Advanced Fiber Laser TechnologiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 테라헤르츠 대역폭과 1 MHz 해상도를 갖는 광역으로 테이너블 레이저에서 채프 다이내믹스를 특성화하고 선형화하기 위한 주파수 조합 기반 방법을 제시한다. 12종의 상용 레이저에서 채프 비선형성을 校정함으로써, 외부 선형화 장치 없이도 간섭계적 거리 측정을 가능하게 하였으며, 사전 선형화된 레이저 신호를 사용한 LiDAR 실험에서 밀리미터 이하의 정밀도를 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• OCT, OFDR 및 LiDAR와 같은 애플리케이션에서 주파수 해상도와 거리 측정 정밀도를 떨어뜨리는 광역으로 테이너블 레이저의 채프 비선형성 문제를 해결하기 위해.
• 넓은 테이닝 범위에서 순간 레이저 주파수와 채프 속도를 고대역, 고해상도로 특성화하기 위한 방법을 개발하기 위해.
• 교정된 채프 다이내믹스를 사용하여 레이저 채프를 사전 선형화함으로써 정확한 간섭계적 거리 측정을 가능하게 하여 실시간 광학적 또는 전자적 선형화 장치가 필요 없도록 하기 위해.

제안 방법

• 광주파수조합(OFC)을 사용하여, 조절 가능한 레이저와 지연된 조합선 사이의 비트 신호를 측정함으로써 테라헤르츠 대역폭에서 1 MHz 해상도로 순간 레이저 주파수를 추적한다.
• 디지털로 유한 임펄스 응답(FIR) 대역통과 필터를 적용하여 광검출기에서 얻은 RF 신호에서 순간 비트 주파수와 채프 속도를 추출한다.
• 다양한 레이저 설정에서 채프 속도 다이내믹스 α(t)를 특성화하고, 각 레이저 유형에 적합한 최적의 작동 조건을 규명한다.
• 교정된 채프 속도 α_c(t)를 사용하여 시간축을 재스케일링하는 사전 선형화 기법을 구현함으로써 비선형 채프를 선형 주파수 스윕으로 변환한다.
• 재스케일링된 시간 변수를 사용하여 비트 신호를 처리함으로써 간섭계적 LiDAR를 실현하고, 추가적인 선형화 하드웨어가 필요 없도록 한다.
• 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGAs)를 도입하여 실시간 데이터 처리를 가속화하고 저장 요구량을 감소시킨다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 테라헤르츠 대역폭에서 1MHz 이하의 해상도로 광역으로 테이너블 레이저의 채프 다이내믹스를 정확히 특성화할 수 있는가?
• RQ2 다양한 상용 레이저 모델에서 채프 비선형성을 최소화하는 데 최적의 작동 조건(예: 구동 주파수 및 채프 속도)은 무엇인가?
• RQ3 교정된 다이내믹스를 사용한 레이저 채프의 사전 선형화가 외부 선형화 장치 없이도 고정밀 간섭계적 거리 측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 채프 비선형성은 LiDAR 시스템의 거리 측정 정밀도를 어느 정도 악화시키며, 사전 특성화된 데이터를 바탕으로 사후 보정은 어떻게 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 Toptica, Santec, New Focus, EXFO, NKT의 12종의 광역으로 테이너블 레이저에서 테라헤르츠 대역폭에서 1 MHz 해상도로 채프 다이내믹스를 성공적으로 특성화하였다.
• Toptica CTL 레이저의 경우 50 Hz 정현파 구동에서 최적의 채프 선형성을 확보하였으며, 미세 조절 모드에서 35 GHz 테이닝 범위를 구현하였다.
• 최적의 셋 채프 속도는 Toptica CTL 레이저 2 nm/s, New Focus 레이저 2 nm/s, Santec 레이저 100 nm/s, EXFO 레이저 100 nm/s로 확인되었다.
• 교정된 α_c(t)를 사용한 사전 선형화는 4미터 거리에서 정밀한 2차원 LiDAR 거리 측정을 가능하게 하였으며, 공간 스펙트럼에서 날카우며 모호하지 않은 피크를 생성하였다.
• 사전 선형화 없이 실험한 경우 채프 비선형성으로 인해 거리 피크가 넓어져 정확한 거리 결정이 어려웠다.
• 이 방법은 실시간 또는 외부 선형화 장치 없이도 사전 특성화 및 신호 재스케일링에 의존하여 LiDAR 실험에서 밀리미터 이하의 정밀도를 달성하였다.

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