Automatisation du mode de verrouillage dans un Nonlinear Polarisation Rotation fibre laser par Polarisation sortie Mesures

L'objectif général de cette procédure est de détecter un verrouillage de mode automatisé dans un laser à fibre à rotation non linéaire de la polarisation préajusté. Cette procédure offre une alternative aux méthodes d'automatisation existantes basées sur un analyseur de spectre RF, un analyseur de spectre optique, un système de détection non linéaire ou un dispositif de comptage d'impulsions. Ses principaux avantages sont son coût relativement faible, sa facilité de mise en œuvre et le fait qu'elle ne nécessite qu'une petite fraction de la puissance laser à prélever pour la surveillance.

Cette animation montre le concept de verrouillage de modes fondé sur la rotation non linéaire de la polarisation. Le signal est polarisé par le polariseur, puis transformé en un état de polarisation elliptique par le contrôleur de polarisation. La non-linéarité présente dans les fibres de la cavité force une rotation de cette ellipse, proportionnelle à la puissance instantanée du signal.

La transmission au niveau du polariseur final favorisera ainsi les parties du signal de forte puissance, conduisant à la formation d'une impulsion. En plaçant un analyseur de polarisation juste avant le polariseur final, la détection d'une impulsion dans la cavité devient possible en discriminant entre les états de polarisation. Ceci est réalisable parce qu'une impulsion subit une rotation non linéaire de polarisation plus importante qu'un signal continu au cours d'un aller-retour dans la cavité.

La première étape consiste à installer un système de laser à fibre sur une plateforme stable. Pour commencer, mettez en place la cavité en anneau laser, cœur de cette expérience, sur une table optique. Ce schéma fournit un aperçu pour l'orientation.

La lumière se propage dans le sens horaire. Pour comprendre le dispositif, commencez par un polariseur. Un polariseur à fibre pigtai1é est utilisé.

Il est soudé par fusion à une section de fibre revêtue de polyimide qui est insérée dans un contrôleur d'état de polarisation de type yow entièrement fibré et motorisé. La présence de ce composant est essentielle pour la procédure d'automatisation. Après le contrôleur de polarisation, placez un multiplexeur par division de longueur d'onde 980/1550 nanomètres qui est pompé par une diode laser de 976 nanomètres.

Ensuite, faites passer la lumière à travers une fibre optique monomode dopée à l'erbium qui constitue le milieu amplificateur. La fibre dopée à l'erbium émet une lumière verte lorsqu'elle est pompée, comme illustré ici. La fibre dopée à l'erbium est soudée par fusion à un multiplexeur hybride à division de longueur d'onde 980/1550 nanomètres et à un isolateur 1550 nanomètres.

Il est pompé par une deuxième diode laser. L'élément final du circuit de la cavité est un coupleur de sortie 50-50 qui doit être placé juste avant le polariseur. La position du coupleur de sortie de la cavité est très importante, car l'analyseur de polarisation recevra son signal d'entrée provenant de ce coupleur.

Il doit être placé juste avant le polariseur afin de maximiser l'effet de la rotation de polarisation non linéaire. La sortie d'une cavité est dirigée vers un séparateur 99:1, dont 99 % constitue la sortie utilisable. Les 1 % restants passent par un contrôleur de polarisation manuel et fournissent un retour pour le verrouillage de mode automatisé.

L'étape suivante consiste à connecter le contrôleur de polarisation motorisé à un contrôleur informatique. Connectez d'abord le contrôleur de polarisation à compresseur de fibre intra-cavité à son module d'entraînement. Ensuite, reliez le module d'entraînement au port USB de l'ordinateur.

Retournez aux fibres de sortie du laser sur le banc et sélectionnez la sortie à 99 %. Connectez la sortie à 99 % à un analyseur de spectre optique à l’aide d’un adaptateur barefit. Allumez les lasers de pompe et rendez-vous à l’ordinateur pour démarrer l’interface de l’instrument.

Utilisez l'interface pour commander le contrôleur de polarisation afin qu'il effectue 3000 pas dans le sens horaire. Pendant la rotation, le contrôleur atteindra un arrêt mécanique. Ensuite, commandez au contrôleur de polarisation d'effectuer environ un degré dans le sens antihoraire.

Observer le spectre sur l'analyseur de spectre optique afin de déterminer si le verrouillage de mode a été atteint. Les spectres sont représentatifs des régimes quasi-continu et à verrouillage de mode, ainsi que du régime à commutation Q. Par rapport aux régimes quasi-continu et à commutation Q, le spectre en régime de verrouillage de mode est très large.

Faites tourner le contrôleur de polarisation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre par incréments d'un degré. Lorsque le verrouillage de mode est atteint, fixez l'angle avant de poursuivre. À ce stade, préparez-vous à rechercher les seuils de puissance de pompe.

Réduisez la puissance de la pompe jusqu'à ce que le verrouillage de mode soit perdu. Augmentez ensuite la puissance de la pompe juste au-dessus du seuil de verrouillage de mode. Observez le spectre de verrouillage de mode, puis éteignez et rallumez la puissance du laser pour vous assurer que le laser se verrouille en mode de manière autonome.

Pour confirmer l'état de verrouillage de modes, débranchez la fibre de l'analyseur de spectre. Branchez la fibre à un dispositif photodiodique rapide afin d'afficher un signal sur un oscilloscope. L'état de verrouillage de modes produit un train d'impulsions avec une fréquence de répétition d'environ 82 mégahertz.

L'étape suivante consiste à préparer l'analyse de la polarisation du faisceau laser en sortie. Pour ce faire, utilisez un analyseur de polarisation commercial, également appelé polarimètre, et connectez-y la fibre issue du branchement 1 %. La configuration finale du matériel pour l'expérience est représentée sur ce schéma.

L'ordinateur peut commander l'analyseur de polarisation. Utilisez l'ordinateur pour placer le contrôleur de polarisation à son arrêt mécanique et pour arrêter le logiciel du polarimètre. À ce stade, l'analyseur de spectre optique affiche un spectre non verrouillé en mode.

Dans le logiciel du polarimètre, commencez les mesures de polarisation en cliquant sur le bouton de démarrage. Réglez le contrôleur de polarisation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre par incréments d'un degré. En explorant la plage d'angles autorisés par le contrôleur de polarisation intra-cavité, observez l'état de polarisation à l'aide du logiciel du polarimètre.

Continuez à explorer les angles jusqu'à l'observation d'un verrouillage de mode. Notez que la polarisation évolue très régulièrement avec l'angle, sauf lorsqu'un verrouillage de mode est atteint. Observez le spectre sur l'analyseur de spectre afin de vérifier la présence de la signature caractéristique du verrouillage de mode.

Revenez à l'ordinateur pour continuer. Faites de nouveau tourner le contrôleur de polarisation dans le sens horaire jusqu'à ce qu'il ne puisse plus tourner. Dans le logiciel du polarimètre, préparez-vous à surveiller les paramètres de Stokes en fonction de l'angle.

Ici, ils sont ordonnés de S₀ à S₃ de haut en bas. Parcourez les angles du contrôleur de polarisation par incréments d'un degré tout en enregistrant et en visualisant les valeurs de S₁, S₂ et S₃. On observe que S₁ subit une variation brutale lorsque la transition vers le verrouillage de mode se produit.

Dans un langage de programmation graphique, rédigez un script qui détectera automatiquement la condition de verrouillage de mode. La logique de ce script est indiquée dans ce diagramme de flux. Fondamentalement, le script commencera avec le contrôleur d'état de polarisation en butée mécanique et augmentera progressivement son angle par incréments d'un degré, tout en lisant à chaque étape la valeur de S un fournie par le polarimètre.

Dès que la valeur de S₁ augmente de plus d'une valeur seuil prédéterminée de 0,3 en une seule étape, le script s'arrêtera, car le verrouillage de mode devrait être atteint. Ensuite, exécutez le script. Cette version du script affiche l'évolution du paramètre de Stokes S₁ au fur et à mesure que l'angle augmente.

Lorsque le balayage angulaire commence, le laser n'est pas verrouillé en mode. Au fur et à mesure que le contrôleur de polarisation tourne, la valeur de S un et le spectre optique du laser évoluent. Lorsque le script est terminé, le verrouillage de mode est obtenu, comme en témoigne le spectre optique large.

L'étape suivante consiste à fabriquer un substitut au polarimètre commercial. Utilisez un oscilloscope relié à l'ordinateur au moyen d'une interface GPIB. Ensuite, portez votre attention sur les composants optiques du polarimètre de remplacement.

Un séparateur de faisceau polarisant est positionné au centre, aligné avec trois collimateurs à ports fibres optiques FC-APC. La lumière est introduite dans le séparateur de faisceau par le port supérieur. La lumière polarisée verticalement sort du système par le port droit.

La lumière polarisée horizontalement est émise par le port inférieur. L'analyseur de polarisation nécessite également la fabrication de deux circuits électroniques identiques. Ici, les deux circuits amplificateurs de transimpédance se trouvent sur la même plaque brillante.

La disposition d'un circuit individuel est illustrée dans ce schéma. Tout d'abord, une photodiode en arséniure de gallium et d'indium détecte un signal de 1550 nanomètres. La photodiode est connectée à un amplificateur opérationnel, une résistance et un condensateur.

La sortie du circuit est connectée à un oscilloscope et fournit une mesure de la puissance optique moyenne. Sur le banc, commencez par relier les sorties du séparateur de faisceau aux circuits. Connectez d'abord une sortie à une photodiode en arseniure de gallium et d'indium.

Ensuite, reliez la sortie du circuit amplificateur transimpédance au canal un de l'oscilloscope. Allumez l'oscilloscope et le circuit amplificateur transimpédance. Débranchez la sortie à 1 % du laser du polarimètre commercial.

Connectez la sortie au port d'entrée du séparateur de faisceau polarisant. Allumez le laser à une puissance de pompe arbitraire pour envoyer un signal optique de 1550 nanomètres. Sur l'ordinateur, exécutez un script pour lire la tension moyenne sur le canal un de l'oscilloscope.

Revenez aux éléments optiques de l'analyseur de polarisation. Débranchez la sortie du séparateur de faisceau polarisant du photodiode. Connectez plutôt la sortie du séparateur de faisceau à un wattmètre commercial.

Lisez et enregistrez la puissance optique pour cette puissance de pompe. Continuez en faisant varier la puissance du signal optique d'entrée, puis en mesurant la tension moyenne et la puissance optique. Après plusieurs mesures, le tracé de la tension en fonction de la puissance doit être linéaire.

Déterminez les coefficients de cette relation linéaire. Suivez la même procédure avec la deuxième sortie du séparateur de faisceau afin d'obtenir la configuration finale de l'analyseur de polarisation. Les deux sorties de polarisation verticale et horizontale sont connectées à des circuits amplificateurs.

Chaque circuit possède un canal dédié sur l'oscilloscope, qui est lu par l'ordinateur. Intégrez maintenant le nouvel analyseur de polarisation dans le processus de verrouillage de mode automatisé. Ouvrez les scripts écrits pour rechercher une discontinuité dans le phénomène de Stokes S₁ en fonction de l'angle du contrôleur de polarisation.

Pour le modifier, il suffit de changer la méthode de détermination de S₁ à partir de l'appareil. Pour cet analyseur, calculez S₁ à l'aide de cette formule. Les valeurs de puissance PX et PY sont obtenues à partir de la relation linéaire mesurée entre la tension et la puissance pour chaque polarisation.

Lorsque c'est terminé, lancez le script. Cette version du script affiche l'évolution du paramètre de Stokes S1 à mesure que l'angle augmente. Lorsque le balayage angulaire commence, le laser n'est pas verrouillé en mode.

À mesure que le contrôleur de polarisation tourne, la valeur de S₁ et le spectre optique du laser évoluent. Lorsque le script est terminé, le verrouillage de mode est obtenu, comme en témoigne le spectre optique large. Il s'agit d'un tracé typique du paramètre de Stokes S₁ en fonction de l'angle du contrôleur d'état de polarisation motorisé.

S un est calculé à l'aide des valeurs de puissance mesurées à partir d'un analyseur de polarisation non commercial. Un changement brutal se produit lorsque le laser atteint l'état de verrouillage de mode. Un script automatisé conçu pour cesser de modifier l'angle du contrôleur de polarisation en cas de discontinuité peut trouver le verrouillage de mode en quelques minutes.

La procédure permet de trouver le verrouillage de mode en quelques minutes. Sa mise en œuvre n'affecte pas la conception de la cavité laser et nécessite uniquement la surveillance de 1 % du signal de sortie, laissant 99 % pour les applications prévues. Pour que la procédure fonctionne correctement, les paramètres du laser, tels que sa puissance d'excitation et la biréfringence du contrôleur de polarisation, doivent être préréglés correctement afin d'éviter des régimes de fonctionnement indésirables tels que les impulsions multiples ou les impulsions de type bruit.

Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour étudier l'applicabilité de cette procédure à différentes conceptions de lasers et à différentes longueurs d'onde de fonctionnement. Nous pensons que cette procédure pourrait être utilisée dans des systèmes de lasers à fibre commerciaux où l'on s'attend à ce que le verrouillage de modes se produise automatiquement au démarrage.