Thermal Switching of Lasing Regimes in Heavily Doped Er³⁺ Fiber Lasers

Abstract

A pulsed regime of short-cavity, heavily erbium-doped fiber lasers is of high interest for its possible applications in telecommunications and sensorics. Here, we demonstrate these lasers in two configurations, distributed feedback laser and compare it with a classic Fabry-Perot type laser. We have managed to create lasers that function stably with cavities as small as 50 mm. Pulse properties such as amplitude, frequency and duration, are in a good agreement with our theoretical analysis, which takes into account spontaneous emission. We report the observation of the thermal switching effect, which consists of the pulsing regime changing to CW upon cooling the laser cavities down to the liquid nitrogen temperature. We theoretically show that this effect may be explained by weakening of the up-conversion process responsible for the pulsed regime. The slowing of the up-conversion processes is due to the energy mismatch in this process, which is overcome by interaction with phonons. At low temperatures, the number of phonons decreases and pulsing switches off.Fiber lasers based on erbium-doped silica glass are actively used in modern fiber optics. [1][2][3][4][5] Erbium lasers operating at wavelengths near 1.5 μm are widely used in telecommunications, 6-10 optical sensing, 11-13 and radiophotonics. 14 ASSOCIATED CONTENT

Photosensitive Yb-Doped Germanophosphosilicate Artificial Rayleigh Fibers as a Base of Random Lasers

“…Therefore, since intense absorption of pump radiation in a short fiber section occurs, a significant heat release appears in a small glass volume, and stable laser operation of the short cavity must be maintained using external cooling circuits. Another undesirable consequence of a high concentration of active ions in a fiber core is the effect of the spontaneous switching of the laser output beam from continuous (CW) to pulsed mode and vice versa, the mechanism of which is associated with up-conversion processes inside ion clusters [5,6].…”

Advanced distributed feedback lasers based on composite fiber heavily doped with erbium ions

“…As known from the literature, the shortest DFB fiber lasers have 16-mm long cavity in Yb 3+ -doped fiber 6 and 17–20 mm cavity in Er 3+ -doped fiber 7 , 8 reasoned mainly by the absence of active fibers with high gain at low concentration of clusters (ion pairs) limiting CW single-frequency regime of generation in DFB lasers. The highest level of the fiber core doping by rare-earth ions at the minimum level of clustering in case of silica fibers has been obtained by implementing the preform’s manufacturing technology of surface plasma chemical vapor deposition of silica glass at reduced pressure (SPCVD) 6 , 8 , 9 featured by the absence of the glass-melting stage during the synthesis process.…”

Одночастотный волоконный лазер с коротким резонатором, изготовленный на основе фоточувствительного Er/Yb фосфоросиликатного световода

“…Длина резонатора одночастотных волоконных лазеров составляет обычно несколько сантиметров, а в качестве основы для их изготовления чаще всего применяются высоколегированные эрбиевые световоды. Однако из-за высокой вероятности ап-конверсионных процессов в таких лазерах нередко возникает самопроизвольный импульсный режим генерации, являющийся существенным ограничением для их практического использования [1]. Таким образом, решение проблемы создания непрерывных одночастотных лазеров во многом зависит от успехов в области разработки активных световодов с оптимальным составом стекла сердцевины.…”

“…Для накачки лазерного резонатора использовалась волоконная схема, описанная в [1]. Излучение накачки вводилось через волоконный фильтрмультиплексор 976/1550 навстречу распространению излучения волоконного лазера.…”

“…1(а). В отличие от лазеров, являвшихся предметом исследований предыдущих работ [1] и [2], данный лазер генерировал непрерывное излучение начиная с пороговых значений мощности накачки и при комнатной температуре (295 К). В течение 2 часов был зафиксирован строго непрерывный характер излучения лазера на длине волны 1551,6 нм, при отсутствии признаков паразитной генерации ионов иттербия в диапазоне длин волн 1000-1100 нм.…”