Automatización de modo de bloqueo de rotación en un láser de fibra no lineal de polarización a través de mediciones de polarización de salida

El objetivo general de este procedimiento es detectar un bloqueo de modo en modo automático en un láser de fibra con rotación no lineal de polarización previamente ajustado. Este procedimiento proporciona una alternativa a los métodos de automatización existentes basados en un analizador de espectro de radiofrecuencia, un analizador de espectro óptico, un esquema de detección no lineal o un dispositivo de conteo de pulsos. Sus principales ventajas son que es relativamente económico, es fácil de implementar y requiere solo una pequeña fracción de la salida del láser, que se deriva para su monitoreo.

Esta animación muestra el concepto de bloqueo de modo basado en la rotación no lineal de la polarización. La señal es polarizada por el polarizador y luego transformada en un estado de polarización elíptica por el controlador de polarización. La no linealidad actual en las fibras de la cavidad fuerza una rotación de esta elipse, que es proporcional a la potencia instantánea de la señal.

La transmisión en el polarizador final favorecerá así la transmisión de las porciones de alta potencia de la señal, lo que lleva a la formación de un pulso. Al colocar un analizador de polarización justo antes del polarizador final, es posible detectar un pulso en la cavidad mediante la discriminación entre estados de polarización. Esto es posible porque un pulso experimentará una rotación no lineal de polarización mayor que una señal de onda continua durante un recorrido completo en la cavidad.

El primer paso consiste en configurar un sistema de láser de fibra sobre una plataforma estable. Para comenzar, monte la cavidad en anillo del láser, que constituye el núcleo de este experimento, sobre una mesa óptica. Este esquema proporciona una visión general para orientación.

La luz se propaga en sentido horario. Para comprender el montaje, comience con un polarizador. Se utiliza un polarizador con fibra empalmada.

Se empalma por fusión con un tramo de fibra recubierta de poliimida que se inserta en un controlador de estado de polarización motorizado tipo yow todo en fibra. La presencia de este componente es esencial para el procedimiento de automatización. Después del controlador de polarización, coloque un multiplexor por división de longitud de onda de 980/1550 nanómetros que es bombeado por un diodo láser de 976 nanómetros.

Luego, haga pasar la luz a través de una fibra óptica monomodo dopada con erbio que actúa como medio de ganancia. La fibra dopada con erbio emite luz verde cuando se bombea, como se muestra aquí. La fibra dopada con erbio está unida mediante fusión a un multiplexor híbrido por división de longitud de onda de 980/1550 nanómetros y a un aislador de 1550 nanómetros.

Es bombeado por un segundo diodo láser. El elemento final en el bucle de la cavidad es un acoplador de salida 50-50 que debe colocarse justo antes del polarizador. La posición del acoplador de salida de la cavidad es muy importante, ya que el analizador de polarización recibirá su señal de entrada de este acoplador.

Debe ubicarse justo antes del polarizador para maximizar el efecto de rotación de polarización no lineal. La salida de una cavidad va a un divisor 99:1, con el 99 % dirigiéndose a la salida utilizable. El 1 % pasa a través de un controlador manual de polarización y proporciona retroalimentación para el bloqueo de modo automatizado.

El siguiente paso es conectar el controlador de polarización motorizado a un controlador informático. Primero, conecte el controlador de polarización con compresor de fibra intra-cavidad a su módulo de accionamiento. Luego, conecte el módulo de accionamiento al puerto USB del ordenador.

Regrese a las fibras de salida del láser en el banco y seleccione la salida al 99 %. Conecte la salida al 99 % a un analizador óptico de espectros utilizando un adaptador barefit. Encienda los láseres de bombeo y diríjase al ordenador para iniciar la interfaz del instrumento.

Utilice la interfaz para ordenar al controlador de polarización que gire 3000 pasos en sentido horario. Durante la rotación, el controlador alcanzará un tope mecánico. A continuación, ordene al controlador de polarización que gire aproximadamente un grado en sentido antihorario.

Observe el espectro en el analizador de espectro óptico para determinar si se ha alcanzado el bloqueo de modo. Los espectros son representativos de los regímenes cuasi-continuo y conmutado por Q. En comparación con los regímenes cuasi-continuo y conmutado por Q, el espectro con bloqueo de modo es muy amplio.

Gire el controlador de polarización en sentido antihorario en pasos de un grado. Cuando se alcance el bloqueo de modo, fije el ángulo antes de continuar. En este punto, prepárese para buscar los umbrales de potencia de bombeo.

Reduzca la potencia de la bomba hasta que se pierda el bloqueo de modo. Luego aumente la potencia de la bomba a justo por encima del umbral de bloqueo de modo. Observe el espectro de bloqueo de modo y luego apague y encienda nuevamente la potencia del láser para asegurar que el láser bloquee el modo por sí mismo.

Para confirmar el estado de bloqueo de modo, desconecte la fibra del analizador de espectro. Conecte la fibra a un sistema con un fotodiodo rápido para mostrar una señal en un osciloscopio. El estado de bloqueo de modo produce un tren de pulsos con una frecuencia de repetición de aproximadamente 82 megahercios.

El siguiente paso consiste en prepararse para analizar la polarización de la salida láser. Para ello, utilice un analizador de polarización comercial, también llamado polarímetro, e introduzca la fibra del acoplador 1%. La disposición final del equipo para el experimento se muestra en este esquema.

La computadora puede controlar el analizador de polarización. Utilice la computadora para mover el controlador de polarización hasta su tope mecánico y detener el software del polarímetro. En este punto, el analizador de espectro óptico muestra un espectro sin bloqueo de modo.

En el software del polarímetro, inicie las mediciones de polarización haciendo clic en el botón de inicio. Gire el controlador de polarización en sentido antihorario en incrementos de un grado. A medida que se explora el rango de ángulos permitidos por el controlador de polarización intercavidad, observe el estado de polarización mediante el software del polarímetro.

Continúe explorando los ángulos hasta que haya evidencia de bloqueo de modos. Observe que la polarización permanece muy estable con el ángulo, excepto donde se alcanza el bloqueo de modos. Observe el espectro en el analizador de espectros para verificar que sea evidente la firma del bloqueo de modos.

Regrese al ordenador para continuar. Una vez más, gire el controlador de polarización en sentido horario hasta que ya no pueda girar. En el software del polarímetro, prepárese para monitorear los parámetros de Stokes en función del ángulo.

Aquí están ordenados de S cero a S tres de arriba hacia abajo. Recorra los ángulos del controlador de polarización en incrementos de un grado mientras registra y observa los valores de S uno, S dos y S tres. Puede observarse que S uno experimenta una variación abrupta cuando ocurre la transición al bloqueo de modo.

En un lenguaje de programación gráfica, escriba un script que encontrará automáticamente la condición de bloqueo de modo. La lógica de este script se muestra en este diagrama de flujo. Básicamente, el script comenzará con el controlador del estado de polarización en el tope mecánico y aumentará su ángulo en pasos de un grado, leyendo en cada paso el valor de S uno desde el polarímetro.

En cuanto el valor de S uno aumente más de un valor preestablecido de umbral de cero punto tres en un solo paso, el script se detendrá, ya que se debería haber alcanzado el bloqueo de modo. A continuación, ejecute el script. Esta versión del script muestra la evolución del parámetro de Stokes S uno a medida que se incrementa el ángulo.

Al comenzar el barrido angular, el láser no está en modo de bloqueo de modo. A medida que el controlador de polarización gira, el valor de S uno y el espectro óptico del láser evolucionan. Cuando el script finaliza, se logra el bloqueo de modo, como se observa en el espectro óptico amplio.

El siguiente paso consiste en elaborar un reemplazo para el polarímetro comercial. Utilice un osciloscopio conectado al ordenador mediante una interfaz GPIB. A continuación, dirija la atención hacia los componentes ópticos del polarímetro de reemplazo.

En el centro hay un divisor de haz polarizador alineado con tres colimadores de puertos fibra óptica FC-APC. La luz entra al divisor de haz desde el puerto superior. La luz polarizada verticalmente sale del sistema por el puerto derecho.

La luz polarizada horizontalmente se emite desde el puerto inferior. El analizador de polarización también requiere la fabricación de dos circuitos electrónicos idénticos. Aquí, los dos circuitos amplificadores de transimpedancia están en la misma placa brillante.

El diseño de un circuito individual se muestra en este diagrama. Primero, un fotodiodo de arseniuro de galio e indio detecta una señal de 1550 nanómetros. El fotodiodo está conectado a un amplificador operacional, una resistencia y un condensador.

La salida del circuito está conectada a un osciloscopio y proporciona una medida de la potencia óptica promedio. En el banco de trabajo, comience a conectar las salidas del divisor de haz a los circuitos. Primero, conecte una salida a un fotodiodo de arseniuro de galio e indio.

A continuación, conecte la salida del circuito amplificador transimpedancia al canal uno del osciloscopio. Encienda el osciloscopio y el circuito amplificador transimpedancia. Desconecte la salida del 1 % del láser del polarímetro comercial.

Conecte la salida al puerto de entrada del divisor de haz polarizante. Encienda el láser a una potencia de bombeo arbitraria para enviar una señal óptica de 1550 nanómetros. En la computadora, ejecute un script para leer el voltaje promedio en el canal uno del osciloscopio.

Regrese a los elementos ópticos del analizador de polarización. Desconecte la salida del divisor de haz polarizante del fotodiodo. En su lugar, conecte la salida del divisor de haz a un medidor de potencia comercial.

Lea y registre la potencia óptica para esta potencia de bombeo. Continúe variando la potencia de la señal óptica de entrada y luego midiendo el voltaje promedio y la potencia óptica. Después de varias mediciones, un gráfico del voltaje frente a la potencia debe ser lineal.

Determine los coeficientes de esta relación lineal. Siga el mismo procedimiento con la segunda salida del divisor de haz para obtener la configuración final del analizador de polarización. Tanto la salida de polarización vertical como la horizontal están conectadas a circuitos amplificadores.

Cada circuito tiene un canal dedicado del osciloscopio, que es leído por la computadora. Ahora incorpore el nuevo analizador de polarización al proceso automatizado de bloqueo de modo. Abra los scripts escritos para buscar discontinuidades en el fenómeno de Stokes S uno en función del ángulo del controlador de polarización.

Para modificarlo, solo se requiere un cambio en la determinación de S uno a partir del aparato. Para este analizador, calcule S uno utilizando esta fórmula. Los valores de potencia PX y PY se obtienen a partir de la relación lineal medida entre voltaje y potencia para cada polarización.

Una vez finalizado, inicie el script. Esta versión del script muestra la evolución del parámetro de Stokes S uno a medida que se incrementa el ángulo. Cuando comienza el barrido angular, el láser no está bloqueado en modo.

A medida que el controlador de polarización gira, el valor de S uno y el espectro óptico del láser evolucionan. Cuando el script finaliza, se logra el bloqueo de modo, como se observa en el espectro óptico amplio. Esta es una gráfica típica del parámetro de Stokes S uno frente al ángulo del controlador motorizado del estado de polarización.

S uno se calcula utilizando valores de potencia medidos a partir de un analizador de polarización no comercial. Ocurre un cambio brusco cuando el láser alcanza el estado de bloqueo de modo. Un script automatizado escrito para detener la variación del ángulo del controlador de polarización en una discontinuidad puede encontrar el bloqueo de modo en pocos minutos.

El procedimiento puede encontrar el bloqueo de modos en cuestión de minutos. Su implementación no afecta el diseño de la cavidad láser y requiere monitorear solo el 1% de la señal de salida, dejando el 99% para las aplicaciones previstas. Para que el procedimiento funcione correctamente, los parámetros del láser, como su potencia de impulso y la birrefringencia del controlador de polarización, deben ajustarse previamente de forma adecuada con el fin de evitar regímenes de operación no deseados, tales como múltiples pulsos o pulsos de tipo ruido.

Se requerirá trabajo adicional para estudiar la aplicabilidad de este procedimiento a diferentes diseños de láser y longitudes de onda de operación. Consideramos que este procedimiento podría utilizarse en sistemas de láser de fibra comerciales en los que se espera que el bloqueo de modos ocurra automáticamente al encenderse.