Генетический алгоритм оптимизации работы широкополосного доступа в условиях шума

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1865 (2023) Цитировать эту статью

Доступы 1873 г.

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Шумоподобный импульсный режим волоконно-оптических лазеров очень сложен и связан с многомасштабным излучением случайных субпикосекундных импульсов с гораздо более длинной огибающей. С добавлением высоконелинейного волокна в резонатор шумоподобные импульсные лазеры также могут демонстрировать расширение суперконтинуума и генерацию выходных спектров, охватывающих сотни нм. Однако достижение такой широчайшей полосы пропускания требует тщательной оптимизации насыщающегося поглотителя на основе нелинейного вращения поляризации, что требует очень большого пространства потенциальных параметров. Здесь мы изучаем спектральные характеристики широкополосного шумоподобного импульсного лазера путем сканирования работы лазера по случайной выборке из 50 000 настроек поляризации и количественно определяем, что эти самые широкие полосы пропускания генерируются только в \(\sim\) 0,5% случаев. Мы также показываем, что генетический алгоритм может заменить оптимизацию методом проб и ошибок, чтобы настроить полость для этих широкополосных рабочих состояний.

Хорошо известно, что распространение сверхкоротких импульсов в оптическом волокне приводит к широкому спектру сложных нелинейных динамик и процессов, таких как нестабильность модуляции, солитонная и самоподобная эволюция и генерация суперконтинуума1. Сравнительно широкий диапазон динамики можно увидеть в волоконных лазерах с синхронизацией моделей, где концепция диссипативного солитона, в частности, обеспечила мощную основу для интерпретации множества различных классов наблюдаемых лазерных режимов2,3,4,5,6 ,7. С точки зрения приложений, большинство исследований волоконных лазеров были сосредоточены на конструкциях, которые производят высокорегулярные последовательности импульсов8,9, но также были проведены обширные исследования с фундаментальной точки зрения на нестабильность лазеров. Действительно, изучение нестабильностей в волоконных лазерах привело к новому пониманию таких процессов, как образование солитонных молекул10,11,12, формирование сложной временной структуры в лазерах13,14,15, появление солитонной волны-убийцы14,16, а также прерывистости и апериодической переходы между различными режимами стабильности и нестабильности17,18.

Особенно нестабильным режимом работы волоконного лазера является режим «шумоподобного импульса» (НЛП), при котором большое количество (100–1000) сверхбыстрых импульсов случайным образом эволюционируют под гораздо более широкой огибающей19. Режим НЛП был в центре внимания многих недавних экспериментов20,21,22,23,24,25,26,27, а также демонстраций в таких приложениях, как метрология низкой когерентности28 и обработка материалов29. В одном недавнем исследовании сообщалось о лазере НЛП с длиной волны около 1550 нм, где наличие сильно нелинейного волокна в полости приводит к расширению внутрирезонаторного суперконтинуума с выходными спектрами, охватывающими сотни нм30. Однако было обнаружено, что достижение этой конкретной ширины полосы требует высокоточной оптимизации методом проб и ошибок насыщающегося поглотителя на основе нелинейного вращения поляризации. В этой статье мы сообщаем о дальнейшем экспериментальном исследовании широкополосного НЛП-лазера, в ходе которого мы сканируем работу лазера с использованием более 50 000 настроек поляризации и количественно определяем, что самая широкая полоса пропускания генерируется только в \(\sim\) 0,5% случаев по сравнению с полной выборочное пространство параметров работы лазера. Для систематического доступа к этому режиму широкой полосы пропускания мы используем генетический алгоритм, который успешно заменяет метод проб и ошибок для автоматической оптимизации выравнивания полости.

На рис. 1 показана экспериментальная установка, основанная на системе, описанной ранее в [30]. Лазер представляет собой однонаправленный кольцевой резонатор и использует волокно, не сохраняющее поляризацию. Длины и параметры волокон следующие. Сегмент AB состоит из 11 м волокна, легированного эрбием (EDF), сегмент BD состоит из 1,8 м стандартного одномодового волокна (SMF-28), сегмент DE состоит из 12 м волокна с высокой нелинейностью (HNLF), а сегменты EF и ГА состоят из 4,3 м и 3,1 м СМФ-28 соответственно. EDF имеет параметр дисперсии \(\beta _2 = +40 \times 10^{-3}\,{\text{ps}}^2\,{\text{m}}^{-1}\), и нелинейный параметр \(\gamma = 6,0 \times 10^{-3}\,{\text{W}}^{-1}\,{\text{m}}^{-1}\). Параметры дисперсии SMF-28: \(\beta _2 = -21,7\times 10^{-3}\,{\text{ps}}^2\,{\text{m}}^{-1}\) , \(\beta _3 = +86,0 \times 10^{-6}\,{\text{ps}}^3\,{\text{m}}^{-1}\), и нелинейный параметр \( \gamma = 1,1 \times 10^{-3}\,{\text{W}}^{-1}\,{\text{m}}^{-1}\). HNLF имеет параметры дисперсии \(\beta _2 = -5,23\times 10^{-3}\,{\text{ps}}^2\,{\text{m}}^{-1}\), \ (\beta _3 = +42,8\times 10^{-6}\,\text{ps}^3\,\text{m}^{-1}\) и нелинейный параметр \(\gamma = 18,4 \times 10 ^{-3}\,\text{W}^{-1}\,\text{m}^{-1}\). Все параметры дисперсии и нелинейности указаны при длине волны 1550 нм, а чистая дисперсия резонатора составляет + 0,17 пс\(^2\).