Modellierung des extrem rauscharmen Betriebs in Fourier-Domänen-modengekoppelten (FDML) Lasern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Jirauschek
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320985564

Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Modellierung des extrem rauscharmen Betriebs in Fourier-Domänen-modengekoppelten (engl. Fourier domain mode-locked, FDML) Faserringresonator-Lasersystemen. Diese erzeugen schnelle Frequenzdurchläufe über eine große spektrale Bandbreite, was für verschiedene Anwendungen in der bildgebenden Diagnostik und Messtechnik benötigt wird. Ein wichtiges Beispiel ist die optische Kohärenztomographie (engl. optical coherence tomography, OCT), welche tiefenaufgelöste Information über menschliches Gewebe liefert. Typischerweise weist der FDML-Laser starke, hochfrequente Intensitätsfluktuationen auf, und die instantane Kohärenzlänge ist auf ein paar mm begrenzt. Für hochgradig dispersionskompensierte FDML-Laser wurde ein extrem rauscharmer Betriebsbereich entdeckt, welcher sich durch nahezu verschwindendes Intensitätsrauschen auszeichnet und wesentlich verbesserte Kohärenzeigenschaften aufweist. Daraus resultiert eine deutlich gesteigerte Leistungsfähigkeit des OCT-Verfahrens, und neuartige Anwendungen wie die FDML-basierte Erzeugung ultrakurzer optischer Pulse werden ermöglicht. Aus wissenschaftlicher Sicht ist dieser Betriebsbereich hochinteressant, da er auf einem bislang unbekannten Selbststabilisierungsmechanismus beruht. In diesem Antrag planen wir die Entwicklung eines theoretischen Modells für den extrem rauscharmen FDML-Betrieb, welches dann zur Untersuchung und Weiterentwicklung darauf basierender Anwendungen eingesetzt wird. Dieses Vorhaben baut auf unserem im Rahmen des DFG-Projektes JI 115-3/1 entwickelten Simulationsansatz auf. Dieser berücksichtigt bereits die Polarisationsdynamik, welche das Rauschverhalten des FDML-Lasers in erheblichem Maße beeinflusst. Dieser Ansatz muss um die nichtlineare Dynamik des Halbleiterlaserverstärkers, welche ebenfalls in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle spielt, sowie andere relevante Effekte erweitert werden. Das resultierende Modell soll verwendet werden, um den Selbststabilisierungsmechanismus für den extrem rauscharmen Betrieb zu identifizieren, und in enger Zusammenarbeit mit unserem experimentellen Partner die Leistungsfähigkeit des Lasers systematisch zu verbessern. Dieses Projekt beinhaltet auch die Entwicklung und Untersuchung spezieller Anwendungen, welche erst durch diesen Betriebsbereich ermöglicht werden, insbesondere die Kompression des FDML-Spektrums zu ultrakurzen Pulsen und das Auftreten von Frequenzkammstrukturen im Spektrum. Weiterhin werden wir auf Raman-Verstärkungsmedien basierende FDML-Laser, welche eine wesentlich schnellere Verstärkungsregeneration als der typischerweise verwendete Halbleiterlaserverstärker aufweisen, sowie auf dotierten Faserverstärkern mit quasi-statischem Verhalten basierende Konfigurationen theoretisch untersuchen. Hierbei werden wir abklären, wie die Verstärkungserholungszeit die Kohärenzeigenschaften von FDML-Lasern, und insbesondere den extrem rauscharmen Betrieb, beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen