Ultralong continuous wave and ultrafast bre lasers at telecommunication wavelengths
Authors
Gallazzi, FrancescaDirector
Ania Castañón, Juan DiegoDate
2020Affiliation
Universidad de Alcalá. Departamento de Electrónica; Universidad de Alcalá. Programa de Doctorado en Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas InteligentesKeywords
Fibra óptica
Laseres
Óptica no lineal
Dispositivos láser
Document type
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Version
info:eu-repo/semantics/acceptedVersion
Rights
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional
Access rights
info:eu-repo/semantics/openAccess
Abstract
The birth of lasers in 1960 had a strong impact on the development of bre optics, and
consequently on nonlinear optics. Despite the enormous amount of literature concerning
bre lasers, the topic is still actual and thriving and always looking for new solutions addressing
the necessities of scienti c research and industry for what regards either continuous
wave or ultrafast radiation sources.
This thesis develops around two research lines, Raman distributed ampli ers, in the
form of ultralong Raman bre lasers, and passive ultrafast bre lasers, which we will try
to combine for the rst time.
The second order Raman distributed ampli er called ultralong Raman bre laser has
proven its suitability and e ciency in both unrepeatered and long-haul optical communication
links. Nevertheless relative intensity noise transfer from pump to signal, especially in
the case of high power co-propagating pump necessary to achieve the lowest signal power
variation in the ampli er cell, may severely hinder the transmission performances. In the
rst part of the thesis, a characterization of the relative intensity noise transfer in the
cavity and an optimization of the architecture of the ampli er (changing the front-end
re
ectivity and the pump power split) is performed in order to improve the performance in
a transmission system, which nds its optimal balance with a 20% forward pump power
ratio and 10% front-end re
ectivity with a transmission reach of 6479 km.
Ultrafast radiation sources have a widespread use and are highly demanded. Modelocked
bre lasers attract much attention due to their many advantageous features, such
as compactness, low-cost, stability and easy handling. In the second part of the thesis, we
focus on ultrafast passively mode-locked bre lasers trying to overcome one of their usual
limits, that is the achievement of high peak power and pulse energies in the femtosecond
range. Solutions for a simple, inexpensive, polarisation independent, high peak-power
passively mode-locked femtosecond ring bre laser are developed, relying on standard and
commercial components and a novel InN-based semiconductor saturable absorber mirror,
that ensures self-starting mode-locking. Using a cavity 2.4 km long it is possible to obtain
Gaussian pulses below 250 fs with a peak power over 1 MW and pulse energy over 250 nJ,
properties that open up to new power demanding application elds.
The developed laser system is then applied to the generation of supercontinuum and
pulse compression, achieved through the addition of an external reel of single mode bre
to the resonator. Fibres with di erent lengths and dispersion are employed to test the
applicability and tunability of this low-cost, simple system. In particular with standard
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single mode bre supercontinuum is generated over 200 nm with pulse compression down
to 50 fs. Such radiation source is tested to prove its feasibility for gas sensing.
In the last part, the developed ultrafast laser is used to implement for the rst time an
ultralong Raman bre laser into a pulsed laser, with the objective of generating high power
ultrashort pulses taking advantage of the virtually lossless and transparent span produced
by the Raman cell. Mode-locking with sub-picosecond pulses is maintained in cavity up to
25 km in length, demonstrating this new application area for distributed Raman ampli ers. El nacimiento de los l aseres en 1960 tuvo un fuerte impacto en el desarrollo de la
bra optica y, en consecuencia, de la optica no lineal. A pesar de la enorme cantidad de
literatura sobre l aseres de bra, el tema sigue siendo enormemente vigente y en constante
evoluci on, siempre en busca de nuevas soluciones que respondan a las necesidades de la
investigaci on cient ca y de la industria en lo que respecta a fuentes de radiaci on de onda
continua o ultrarr apida.
Esta tesis se desarrolla en torno a dos l neas de investigaci on, los ampli cadores Raman
distribuidos, en su modalidad de l aseres de bra Raman ultralargos, y los l aseres pasivos
de bra ultrarr apidos, combinando adems ambas l neas por primera vez.
El ampli cador Raman distribuido de segundo orden basado en cavidades ultralargas,
llamado l aser de bra Raman ultralargo, ha demostrado su idoneidad y e cacia tanto
en enlaces unicos de comunicaci on optica sin ampli caci on puntual intermedia como en
sistemas de largo alcance para comunicaciones transoce anicas. Sin embargo, la transferencia
de ruido de intensidad relativa de la fuente de bombeo a la se~nal, especialmente en el caso
de una fuente de bombeo co-propagante de alta potencia (necesaria para lograr la menor
variaci on de potencia de la se~nal en la cavidad del ampli cador), puede limitar seriamente
el rendimiento del sistema. En la primera parte de la tesis describiremos la caracterizaci on
de la transferencia del ruido de intensidad relativa en la cavidad y la optimizaci on de la
arquitectura del ampli cador (cambiando la re
ectividad del extremo de entrada de la
c elula y la proporci on de la potencia de la fuente de bombeo) para mejorar el rendimiento
de un sistema de transmisi on coherente de ultima generaci on, el cual encuentra su equilibrio
optimo con una proporci on de potencia de la fuente de bombeo co-propagante de un 20% y
una re
ectividad del extremo de entrada de la c elula de un 10% y un alcance de transmisi on
de 6479 km.
Las fuentes de radiaci on ultrarr apidas tienen una enorme cantidad de aplicaciones
tanto industriales como cient cas, siendo por tanto muy demandadas y dando lugar a
un campo de trabajo en vertiginosa evoluci on. De entre las diferentes opciones para este
tipo de fuentes, los l aseres de bra con anclado de modos llaman especialmente la atenci on
gracias a sus numerosas caracter sticas ventajosas, como la compacidad, el bajo coste, la
estabilidad y la facilidad de manejo. En la segunda parte de la tesis nos centramos en los
l aseres de bra con anclado de modos pasivo ultrarr apidos, demostrando la posibilidad de
superar uno de sus l mites habituales, que es el logro de altas potencias de pico y energ as
por pulso en el rango de los femtosegundos. Se desarrollan soluciones para un l aser de anillo
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de bra de femtosegundo con anclado de modos pasivo de alta potencia, simple, econ omico
e independiente de la polarizaci on, que se basa en componentes est andar y comerciales y
en un nuevo absorbente saturable de semiconductor en con guraci on de espejo basado en
InN, que garantiza el autoarranque del anclado de modos. Utilizando una cavidad de 2.4
km de longitud es posible obtener pulsos Gaussianos por debajo de 250 fs con una potencia
pico superior a 1 MW y una energ a por pulso superior a 250 nJ, propiedades que abren la
posibilidad de aplicar este tipo de fuentes a nuevos campos de aplicaci on con exigencia de
potencia elevada, sin necesidad de estapas de ampli cacin externas.
El sistema l aser desarrollado se aplica a continuaci on a la generaci on de supercontinuo,
obteni endose adem as la compresi on de los pulsos, mediante la adici on al resonador de un
carrete externo de bra monomodo. Fibras con diferentes longitudes y dispersiones son
empleadas para probar la aplicabilidad y sintonizabilidad de este sistema simple y de bajo
coste. En particular, con bra monomodo est andar, el supercontinuo se genera sobre m as
de 200 nm con una compresi on de los pulsos de hasta 50 fs. En esta misma secci on se
demuestra la viabilidad de dicha fuente de radiaci on para la detecci on de gases.
En la ultima parte, el l aser ultrarr apido desarrollado se combina por primera vez con
la tecnolog a de ampli cador de l aser de bra ultralargo, con el objetivo de generar pulsos
ultracortos de alta potencia aprovechando el tramo virtualmente sin p erdidas y transparente
producido por la c elula Raman. El anclado de modos con pulsos de sub-picosegundo se
mantiene en cavidades de hasta 25 km de longitud, lo que demuestra esta nueva area de
aplicaci on para los ampli cadores Raman distribuidos.
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