אוטומציה של מצב נעילה בתוך לייזר סיב סיבוב קוי קיטוב באמצעות מדידות קיטוב פלט

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא לזהות נעילה אוטומטית של מצבים (mode locking) בלייזר סיב אופטי המבוסס על סיבוב קיטוב לא-לינארי המכוון מראש. פרוצדורה זו מספקת דרך חלופית להליכים אוטומטיים קיימים המבוססים על מנתח ספקטרום RF, מנתח ספקטרום אופטי, סכמת זיהוי לא-לינארית או התקן לספירת השהיות. יתרונותיה העיקריים הם עלות נמוכה יחסית, קלות יישום והצורך במשיכה של חלק קטן בלבד מפלט הלייזר לצורך ניטור.

אנימציה זו מציגה את הקונספט של נעילת מודים (mode locking) המבוססת על סיבוב קיטוב לא-ליניארי. האות מקוטב על ידי המקוטב ולאחר מכן מועבר למצב קיטוב אליפטי על ידי בקר הקיטוב. האי-ליניאריות הנוכחית בסיבים של חלל התהודה כופה סיבוב של אליפסה זו, אשר פרופורציונלי להספק הרגעי של האות.

ההעברה במקטב הסופי תעדיף אפוא את העברתם של חלקי האות בעלי העוצמה הגבוהה, מה שיוביל להיווצרותו של פולס. על ידי מיקום של מנתח קיטוב ממש לפני המקטב הסופי, ניתן לזהות פולס בחלל על ידי הבחנה בין מצבי קיטוב. הדבר אפשרי מכיוון שפולס יעבור סיבוב קיטוב לא-ליניארי גדול יותר מאות של גל רציף במהלך סיבוב אחד בחלל.

השלב הראשון הוא הקמת מערכת לייזר סיב על גבי פלטפורמה יציבה. ראשית, הגדירו את חלל הטבעת של הלייזר, המהווה את גרעין הניסוי, על גבי שולחן אופטי. סכימה זו מספקת סקירה כללית לצורך התמצאות.

האור מתפשט עם כיוון השעון. כדי להבין את המערך, נתחיל במקטב. נעשה שימוש במקטב המחובר לסיב אופטי (pigtailed).

זה끔 מוסבץ בהיתוך (fusion spliced) עם קטע של סיב מצופה פולימיד המוכנס לבקר מצב קיטוב ממוטור מסוג yow המבוסס כולו על סיבים. נוכחותו של רכיב זה חיונית להליך האוטומציה. לאחר בקר הקיטוב, יש להציב מדרג אורך גל (wavelength division multiplexer) של 980/1550 nanometer המונשק על ידי דיודה בלייזר ב-976 nanometer.

לאחר מכן העבירו את האור דרך סיב אופטי חד-סיבי מועשיר ארביום המשמש כמדיום ההגברה. הסיב המועשיר ארביום זוהר בירוק בעת הפעימה, כפי שמוצג כאן. הסיב המועשיר ארביום מחובר באמצעות התלחום (fusion splice) למפחל אורים (WDM) היברידי באורכי גל של 980/1550 ננומטר ולבידוד אופטי (isolator) של 1550 ננומטר.

הוא נדרך על ידי דיודת לייזר שנייה. האלמנט האחרון בלולאת המהוד (cavity loop) הוא מצמד מוצא 50-50 שיש להניח ממש לפני המקטב. מיקומו של מצמד המוצא של המהוד הוא חשוב מאוד, שכן אנליזטור הקיטוב יקבל את קלטו ממצמד זה.

יש למקם אותו בדיוק לפני המקטב כדי למקסם את ההשפעה של סיבוב קיטוב לא-ליניארי. הפלט מהחלל האופטי עובר למפצל 99:1, כאשר 99% מהפלט הולך ליציאה השמישה. ה-1% הנותר עובר דרך בקר קיטוב ידני ומספק משוב עבור נעילת מצב (mode locking) אוטומטית.

השלב הבא הוא חיבור בקר הקיטוב הממונע לבקר מחשב. ראשית, חברו את בקר הקיטוב של מהדק הסיבים הבין-חללי למודול ההפעלה שלו. לאחר מכן, חברו את מודול ההפעלה ליציאת ה-USB של המחשב.

חזרו לסיבי הפלט של הלייזר על השולחן ובחרו בפלט של 99%. חברו את פלט ה-99% למנתח ספקטרום אופטי באמצעות מתאם barefit. הדליקו את לייזרי השאיבה ועברו למחשב כדי להפעיל את ממשק המכשיר.

השתמשו בממשק כדי להורות לבקר הקיטוב להסתובב 3000 צעדים עם כיוון השעון. במהלך הסיבוב, הבקר יגיע למעצור מכני. לאחר מכן, הורו לבקר הקיטוב להסתובב בערך מעלה אחת נגד כיוון השעון.

יש לבחון את הספקטרום במנתח ספקטרום אופטי כדי לקבוע אם הושג נעילה של מודים (mode-lock). הספקטראים מייצגים משטרי quasi-continuous ו-Q-switched בנעילה של מודים. בהשוואה למשטרי ה-quasi-continuous וה-Q-switched, הספקטרום של נעילת המודים הוא רחב מאוד.

סובב את בקר הקיטוב נגד כיוון השעון בצעדים של מעלה אחת. כאשר תושג נעילה של המודים (mode-lock), קבע את הזווית לפני ההמשך. בנקודה זו, היערך לחיפוש ספי thresholds של הספק המשאבה.

הפחית את הספק המשאבה עד לאובדן נעילת המודים (mode locking). לאחר מכן, הגדל את הספק המשאבה לרמה שמעט מעל סף נעילת המודים. התבונן בספקטרום של נעילת המודים, ולאחר מכן כבה והדלק מחדש את הספק הלייזר כדי לוודא שהלייזר ננעל למודים באופן עצמואי.

כדי לאשר את מצב נעילת המודים (mode-locking), נתק את הסיב ממנתח הספקטרום. חבר את הסיב למערך של פוטודיודה מהירה כדי להציג אות באוסצילוסקופ. מצב נעילת המודים מייצר רצף פולסים עם קצב חזרה של כ-82 megahertz.

השלב הבא הוא ההכנה לניתוח הקיטוב של פלט הלייזר. לשם כך, השתמשו במנתח קיטוב מסחרי, המכונה גם פולרימטר, והזינו אליו את הסיב מה-1%tap. הסידור הסופי של הציוד עבור הניסוי מוצג בסכימה זו.

המחשב יכול לשלוט על מנתח הקיטוב. השתמש במחשב כדי להביא את בקר הקיטוב למצב העצירה המכנית שלו ולהפסיק את פעולת תוכנת הפולרימטר. בנקודה זו, מנתח הספקטרום האופטי מציג ספקטרום שאינו נעול במוד (non-mode locked).

בתוכנת הפולרימטר, התחילו את מדידות הקיטוב על ידי לחיצה על כפתור ההתחלה (start). הזיזו את בקר הקיטוב נגד כיוון השעון במרווחים של מעלה אחת. תוך כדי סריקת טווח הזוויות המותר בבקר הקיטוב הבין-חללי, עקבו אחר מצב הקיטוב באמצעות תוכנת הפולרימטר.

המשיכו לבחון את הזוויות עד שיופיעו ראיות לנעילת מצבים (mode-locking). שימו לב שהקיטוב נשאר יציב מאוד ביחס לזווית, למעט בנקודה שבה מושגת נעילת המצבים. צפו בספקטרום במנתח הספקטרום כדי לוודא שחתימת נעילת המצבים ניכרת.

חזרו למחשב כדי להמשיך. סובבו שוב את בקר הקיטוב עם כיוון השעון עד שלא ניתן יהיה לסובב אותו יותר. בתוכנת הפולרימטר, הכינו את המערכת לניטור פרמטרי Stokes כפונקציה של הזווית.

כאן הם מסודרים מ-S zero עד S three מלמעלה למטה. עברו דרך הזוויות של בקר הפולריזציה בגידולים של מעלה אחת, תוך הקלטה וצפייה בערכים של S one, S two ו-S three. ניתן לראות ש-S one עובר שינוי פתאומי כאשר מתרחש המעבר לנעילת מצב (mode-locking).

בשפת תכנות גרפית, כתבו סקריפט שימצא באופן אוטומטי את תנאי נעילת המודים (mode-locking). הלוגיקה של סקריפט זה מפורטת בתרשים הזרימה זה. באופן בסיסי, הסקריפט יתחיל כאשר בקר מצב הקיטוב נמצא בנקודת העצירה המכנית, ויגדיל את הזווית שלו בקפיצות של מעלה אחת, תוך קריאת ערך S one מהפולרימטר בכל שלב.

ברגע שערכו של S one יעלה ביותר מערך סף שנקבע מראש של 0.3 בשלב בודד, הסקריפט ייעצר כיוון שננעלה מצב של mode-locking. כעת, הרץ את הסקריפט. גרסה זו של הסקריפט מציגה את התפתחות פרמטר סטוקס S one ככל שהזווית עולה.

עם תחילת הסריקה הזוויתית, הלייזר אינו נמצא במצב של נעילת מודים (mode-locked). בעוד בקר הפולריזציה מסתובב, ערך S one והספקטרום האופטי של הלייזר משתנים. עם סיום הפעלת הסקריפט, מושגת נעילת מודים, כפי שנראה מהספקטרום האופטי הרחב.

השלב הבא הוא יצירת תחליף לפולרימטר המסחרי. השתמש באוסצילוסקופ המחובר למחשב באמצעות ממשק GPIB. לאחר מכן, התמקד ברכיבים האופטיים של הפולרימטר התחליפי.

במרכז נמצא מפחית קרן מקטב (polarizing beam splitter) המיושר עם שלושה קולמטורים של פתחי סיב אופטי מסוג FC-APC. אור מוזן אל מפחית הקרן מהפתח העליון. אור מקוטב אנכית יוצא מהמערכת דרך הפתח הימני.

אור מקוטב אופקית פולט מהפתח התחתון. עבור מנתח הקיטוב נדרש גם ייצור של שני מעגלים אלקטרוניים זהים. במקרה זה, שני מעגלי מגברי העכבה (transimpedance amplifier) נמצאים על אותה לוחה בהירה.

סידורו של מעגל בודד מוצג בדיאגרמה זו. ראשית, פוטודיודה של אינדיום גליום ארסניד מזהה אות של 1550 nanometer. הפוטודיודה מחוברת למגבר תפעולי, נגד וקבל.

מוצא המעגל מחובר לאוסצילוסקופ ומספק מדד להספק האופטי הממוצע. על השולחן, התחילו בחיבור מוצאי מפצל האלומה למעגלים. ראשית, חברו מוצא אחד לפוטודיודה של אינדיום גליום ארסניד.

בשלב הבא, חברו את המוצא של מעגל מגבר העכבה (transimpedance amplifier) לערוץ מספר אחת של האוסциלוסקופ. הפעילו את האוסциלוסקופ ואת מעגל מגבר העכבה. נתקו את מוצא ה-1% של הלייזר מהפולרימטר המסחרי.

חבר את המוצא לכניסה של המפריד קרן המקטב (polarizing beam splitter). הפעל את הלייזר בעוצמת דחיסה שרירותית כדי לשלוח אות אופטי באורך גל של 1550 nanometer. הרץ במחשב סקריפט לקריאת המתח הממוצע בערוץ אחד של האוסצילוסקופ.

חזרו אל הרכיבים האופטיים של מנתח הקיטוב. נתקו את המוצא של מפליג האורמקוטב מהפוטודיודה. במקום זאת, חברו את מוצא מפליג האור למד-הספק מסחרי.

קראו ורשמו את ההספק האופטי עבור הספק משאבה זה. המשיכו בשינוי ההספק של האות האופטי הנכנס, ולאחר מכן מדדו את המתח הממוצע ואת ההספק האופטי. לאחר מספר מדידות, גרף של המתח לעומת ההספק אמור להיות ליניארי.

קבעו את המקדמים של קשר ליניארי זה. בצעו את אותו ההליך עם הפלט השני של מפליט האלומה כדי להגיע למערך הסופי של מנתח הקיטוב. הן פלטי הקיטוב האנכי והן פלטי הקיטוב האופקי מחוברים למעגלי הגברה.

לכל מעגל יש ערוץ אוסצילוסקופ ייעודי, הנקרא על ידי המחשב. כעת שלבו את מנתח הקיטוב החדש בתהליך נעילת המודים (mode-locking) האוטומטי. פתחו את הסקריפטים שנכתבו לחיפוש אי-רציפות בתופעת סטוקס S1 כפונקציה של זווית בקר הקיטוב.

כדי לשנות זאת, נדרש רק שינוי בקביעת S one מהמכשיר. עבור אנלייזר זה, חשבו את S one באמצעות נוסחה זו. ערכי ההספק PX ו-PY נמצאים מהקשר הליניארי שנמדד בין המתח להספק עבור כל קיטוב.

בסיום הפעולה, הפעילו את הסקריפט. גרסה זו של הסקריפט מציגה את התפתחות פרמטר סטוקס S1 ככל שהזווית גדלה. בתחילת הסריקה הזוויתית, הלייזר אינו במצב של נעילת מודים (mode-locked).

בעוד בקר הפולריזציה מסתובב, ערכו של S one והספקטרום האופטי של הלייזר משתנים. עם סיום הרצת הסקריפט, מושג נעילה של מודים (mode-locking), כפי שנראה בספקטרום האופטי הרחב. זוהי גרף טיפוסי של פרמטר סטוקס S one כנגד הזווית של בקר מצב הפולריזציה הממונע.

S one מחושב באמצעות ערכי הספק שנמדדו באמצעות מנתח קיטוב שאינו מסחרי. שינוי פתאומי מתרחש כאשר הלייזר מגיע למצב נעילת מצב (mode-locking). סקריפט אוטומטי שנכתב כדי להפסיק את שינוי הזווית של בקר הקיטוב בעת זיהוי חוסר רציפות יכול למצוא נעילת מצב בתוך מספר דקות.

הפרוצדורה יכולה למצוא נעילה של מודים (mode-locking) בתוך מספר דקות. יישומה אינו משפיע על תכנון חלל הלייזר ודורש ניטור של 1% בלבד מהאות הפלט, מה שמשאיר 99% עבור היישומים המיועדים. כדי שהפרוצדורה תתבצע, יש לכוון מראש כראוי את פרמטרי הלייזר, כגון הספק ה-bump והביריפרינגנס (birefringence) של בקר הקיטוב, וזאת על מנת למנוע משטרי פעולה בלתי רצויים, כגון פולסים מרובים או פולסים דמויי רעש.

יהיה צורך בעבודות נוספות כדי לבחון את ישימותו של הליך זה עבור תכנוני לייזר שונים ואורכי גל פעולה שונים. אנו מאמינים כי ניתן להשתמש בהליך זה במערכות לייזר סיב מסחריות שבהן מצפים שהנעילה של המודים (modelocking) תתרחש באופן אוטומטי עם ההפעלה.