[논문 리뷰] Mode-locked fiber laser with offset splicing between two multimode fibers as a saturable absorber

Zhipeng Dong, Shujie Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 03.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 급격한 굴절률 변화를 가진 다중모드 섬유 두 개 사이의 오프셋 스플라이스를 포화 흡수체로 사용하여 저비용이며 안정적인 모드-잠금 섬유 레이저를 제안한다. 오프셋 스플라이스에서 발생하는 비선형 다중모드 간섭은 2.8%의 조절 깊이와 2.5 MW/cm²의 포화 강도를 생성하며, 이는 114 mW의 펌프 전력에서 1039 nm 파장에서 17.6 ps 펄스를 32.619 MHz 반복 주파수로 생성하고 신호 대 잡음비(SNR)가 65 dB에 도달하게 한다.

ABSTRACT

A novel mode-locked fiber laser based on offset splicing technology between two kinds of graded index multimode fibers is proposed and experimentally demonstrated. The offset splice spot structure acts as a saturable absorber via nonlinear multimodal interference mechanism. The absorption modulation depth of the device is 2.8%, with a saturation intensity of 2.5 MW/cm2. The fiber laser operates at a stable mode-locked state when the pump power reaches 114 mW. The laser oscillates at 1039 nm with a pulsewidth of 17.6 ps, a repetition rate of 32.619 MHz, and a high signal noise ratio of 65 dB. The fiber laser is superior in terms of low cost, high damage threshold, and easy fabrication, thus providing many potential applications in ultrafast photonics and industrial processing.

연구 동기 및 목표

• 초고속 섬유 레이저를 위한 저비용이며 간편하게 제작할 수 있는 포화 흡수체를 개발하기 위해.
• 복잡한 제작 공정이나 낮은 내구성 등의 기존 포화 흡수체의 한계를 극복하기 위해.
• 오프셋 스플라이스된 다중모드 섬유에서 발생하는 새로운 비선형 다중모드 간섭 메커니즘을 통해 안정적인 모드-잠금을 구현하기 위해.
• 산업 응용 분야에 적합한 소형·내구성 있는 레이저 작동을 위해 높은 신호 대 잡음비를 달성하기 위해.

제안 방법

• 다른 급격한 굴절률 변화를 가진 다중모드 섬유 두 개 사이에 오프셋 스플라이스를 형성하여 비선형 광학 인터페이스를 만든다.
• 스플라이스 인터페이스가 비선형 다중모드 간섭을 통해 포화 흡수체로 작용하며, 내부 캐비티 손실을 조절한다.
• 표준 섬유 구성 요소를 사용하여 레이저 캐비티를 구성하며, 이는 114 mW 펌프 소스와 1039 nm 증폭 매체를 포함한다.
• 펌프 전력이 114 mW를 초과할 경우 레이저 장치는 안정적인 모드-잠금 작동 상태에 들어간다.
• 흡수 조절 깊이와 포화 강도는 각각 2.8%와 2.5 MW/cm²로 측정된다.
• 표준 광스펙트럼 및 오토코릴레이션 기법을 사용하여 펄스 폭, 반복 주파수, 그리고 신호 대 잡음비를 레이저 출력으로 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오프셋 스플라이스된 다중모드 섬유 접합부는 모드-잠금 섬유 레이저에서 효과적인 포화 흡수체로 기능할 수 있는가?
• RQ2 오프셋 스플라이스 섬유 구조에서 모드-잠금을 가능하게 하는 비선형 광학 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 실제 펌프 전력 조건에서 펄스 지속시간, 반복 주파수, 그리고 신호 대 잡음비 측면에서 장치 성능은 어떠한가?
• RQ4 흡수체의 주요 성능 파rameter로는 조절 깊이와 포화 강도가 있으며, 이들의 수치는 무엇인가?
• RQ5 이 방법은 산업 응용 분야에 적합한 안정적이고 저비용이며 고내구성의 모드-잠금을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 오프셋 스플라이스된 다중모드 섬유 구조는 조절 깊이 2.8%와 포화 강도 2.5 MW/cm²를 달성한다.
• 레이저는 중심 파장 1039 nm에서 반복 주파수 32.619 MHz로 17.6 ps 펄스를 생성한다.
• 매우 높은 신호 대 잡음비 65 dB를 달성하여 뛰어난 펄스 품질을 나타낸다.
• 114 mW의 펌프 전력에서 안정적인 모드-잠금이 유지되며, 저임계 작동을 보여준다.
• 장치는 높은 내구성과 단순한 제작 공정을 갖추고 있어 산업용 초고속 포토닉스 응용 분야에 적합하다.
• 포화 흡수체 메커니즘은 오프셋 스플라이스 인터페이스에서 발생하는 비선형 다중모드 간섭에 기인한다.