Automazione della modalità di bloccaggio in una rotazione in fibra laser non lineare di polarizzazione attraverso l'uscita di polarizzazione Misure

L'obiettivo generale di questa procedura è rilevare un blocco della modalità automatica in un laser a fibra a rotazione a polarizzazione non lineare preregolato. Questa procedura fornisce un modo alternativo alla procedura di automazione esistente basata su un analizzatore di spettro RF, un analizzatore di spettro ottico, uno schema di rilevamento non lineare o un dispositivo di conteggio delle pause. I suoi principali vantaggi sono che è relativamente economico, è facile da implementare e richiede solo una piccola frazione dell'uscita laser da sfruttare per il monitoraggio.

Questa animazione mostra il concetto di blocco della modalità basato sulla rotazione della polarizzazione non lineare. Il segnale viene polarizzato dal polarizzatore e quindi trasformato in uno stato di polarizzazione ellittica dal controller di polarizzazione. La non linearità della corrente nelle fibre della cavità forza una rotazione di questa ellisse, che è proporzionale alla potenza istantanea del segnale.

La trasmissione al polarizzatore finale favorirà quindi la trasmissione di porzioni di segnale ad alta potenza, portando alla formazione di un impulso. Posizionando un analizzatore di polarizzazione appena prima del polarizzatore finale, è possibile rilevare un impulso nella cavità discriminando tra gli stati di polarizzazione. Ciò è possibile perché un impulso subirà una rotazione di polarizzazione non lineare maggiore rispetto a un segnale d'onda continua durante un viaggio di andata e ritorno nella cavità.

Il primo passo è quello di installare un sistema laser a fibra su una piattaforma stabile. Per iniziare, posiziona la cavità dell'anello laser al centro di questo esperimento su un banco ottico. Questo schema fornisce una panoramica per l'orientamento.

La luce si propaga in senso orario. Per capire la configurazione, inizia con un polarizzatore. Viene utilizzato un polarizzatore a treccia in fibra.

È giuntato a fusione con una sezione di fibra rivestita di poliimmide che viene inserita in un controller di stato di polarizzazione di tipo yow motorizzato interamente in fibra. La presenza di questo componente è essenziale per la procedura di automazione. Dopo il controller di polarizzazione, posizionare un multiplexer a divisione di lunghezza d'onda a 980/1550 nanometri pompato da un diodo laser a 976 nanometri.

Quindi far passare la luce attraverso una fibra ottica monomodale drogata con erbio che è il mezzo di guadagno. La fibra drogata con erbio si illumina di verde quando viene pompata, come mostrato qui. La fibra drogata con erbio è giuntata a fusione con un multiplexer ibrido a divisione di lunghezza d'onda 980/1550 nanometri e un isolatore a 1550 nanometri.

Viene pompato da un secondo diodo laser. L'elemento finale nel circuito della cavità è un accoppiatore di uscita 50-50 che dovrebbe essere posizionato appena prima del polarizzatore. La posizione dell'accoppiatore di uscita della cavità è molto importante poiché l'analizzatore di polarizzazione riceverà il suo input da questo accoppiatore.

Deve essere posizionato appena prima del polarizzatore per massimizzare l'effetto della rotazione della polarizzazione non lineare. L'uscita da una cavità va a uno splitter 99:1 con il 99% che va all'uscita utilizzabile. L'1% passa attraverso un controller di polarizzazione manuale e fornisce un feedback per il blocco automatico della modalità.

Il passaggio successivo consiste nel collegare il controller di polarizzazione motorizzato a un controller del computer. Per prima cosa collegare il controller di polarizzazione dello squeezer in fibra intercavità al suo modulo di guida. Quindi collegare il modulo di guida alla porta USB del computer.

Torna alle fibre di uscita laser sul banco e seleziona l'uscita del 99%. Collegare l'uscita al 99% a un analizzatore di spettro ottico utilizzando un adattatore barefit. Accendere i laser della pompa e passare al computer per avviare l'interfaccia dello strumento.

Utilizzare l'interfaccia per comandare al controller di polarizzazione di ruotare di 3000 passi in senso orario. Durante la rotazione, il controller raggiungerà un arresto meccanico. Quindi, comandare al controller di polarizzazione di ruotare di circa un grado in senso antiorario.

Osservare lo spettro sull'analizzatore ottico di spettro per determinare se è stato raggiunto il blocco della modalità. Gli spettri sono rappresentativi dei regimi di modalità bloccata, quasi-continua e Q-switched. Rispetto ai regimi quasi-continuo e Q-switched, lo spettro di modalità bloccata è molto ampio.

Ruotare il controller di polarizzazione in senso antiorario con incrementi di un grado. Una volta raggiunto il blocco della modalità, fissare l'angolo prima di procedere. A questo punto, prepararsi a cercare le soglie di potenza della pompa.

Ridurre la potenza della pompa fino a perdere il blocco della modalità. Quindi aumentare la potenza della pompa appena sopra la soglia di blocco della modalità. Osservare lo spettro di blocco della modalità, quindi spegnere e riaccendere il laser per assicurarsi che la modalità laser si blocchi da sola.

Per confermare lo stato di blocco della modalità, scollegare la fibra dall'analizzatore di spettro. Collegare la fibra a una configurazione veloce del fotodiodo per visualizzare un segnale su un oscilloscopio. Lo stato di mode-locking produce una deformazione dell'impulso con una frequenza di ripetizione di circa 82 megahertz.

Il passo successivo è prepararsi ad analizzare la polarizzazione dell'uscita laser. Per fare ciò, utilizzare un analizzatore di polarizzazione commerciale chiamato anche polarimetro e immettere la fibra dal rubinetto dell'1%. La disposizione finale dell'attrezzatura per l'esperimento è illustrata in questo schema.

Il computer può controllare l'analizzatore di polarizzazione. Utilizzare il computer per posizionare il controller di polarizzazione all'arresto meccanico e per arrestare il software del polarimetro. A questo punto, l'analizzatore di spettro ottico visualizza uno spettro non bloccato in modalità non casuale.

Nel software del polarimetro, iniziare le misurazioni della polarizzazione facendo clic sul pulsante di avvio. Spostare il controller di polarizzazione in senso antiorario con incrementi di un grado. Mentre si esplora l'intervallo di angoli consentito dal controller di polarizzazione intercavità, osservare lo stato di polarizzazione utilizzando il software del polarimetro.

Continua a esplorare gli angoli fino a quando non ci sono prove di blocco della modalità. Si noti che la polarizzazione rimane molto fluida con l'angolo, tranne dove si raggiunge il blocco della modalità. Osservare lo spettro sull'analizzatore di spettro per verificare che la firma del blocco della modalità sia evidente.

Torna al computer per continuare. Ruotare nuovamente il controller di polarizzazione in senso orario finché non può più ruotare. Nel software del polarimetro, prepararsi a monitorare i parametri di Stokes in funzione dell'angolo.

Qui sono ordinati da S zero a S tre dall'alto verso il basso. Passa attraverso gli angoli del controller di polarizzazione con incrementi di un grado durante la registrazione e la visualizzazione dei valori di S uno, S due e S tre. Si può notare che S one subisce una brusca variazione quando si verifica il passaggio al blocco della modalità.

In un linguaggio di programmazione grafica, scrivere uno script che troverà automaticamente la condizione di blocco della modalità. La logica di questo script è data in questo diagramma di flusso. Fondamentalmente, lo script partirà con il controller di stato di polarizzazione all'arresto meccanico e aumenterà il suo angolo di passi di un grado mentre legge il valore di S uno dal polarimetro ad ogni passo.

Non appena il valore di S one aumenta di oltre un valore di soglia predeterminato di zero virgola tre in un singolo passaggio, lo script si fermerà poiché il blocco della modalità dovrebbe essere raggiunto. Quindi, esegui lo script. Questa versione dello script mostra l'evoluzione del parametro S one di Stokes man mano che l'angolo viene incrementato.

All'inizio dello sweep angolare, il laser non è bloccato in modalità. Mentre il controller di polarizzazione ruota, il valore di S one e lo spettro ottico del laser si evolvono. Al termine dello script, si ottiene il blocco della modalità, come si vede dall'ampio spettro ottico.

Il passo successivo è quello di sostituire il polarimetro commerciale. Utilizzare un oscilloscopio collegato al computer con un'interfaccia GPIB. Quindi, rivolgere l'attenzione ai componenti ottici del polarimetro di ricambio.

Al centro è presente un divisore di fascio polarizzatore allineato con tre collimatori di porte in fibra ottica FC-APC. La luce viene immessa nel divisore di fascio dalla porta in alto. La luce polarizzata verticalmente esce dal sistema dalla porta destra.

La luce polarizzata orizzontalmente viene emessa dalla porta inferiore. L'analizzatore di polarizzazione richiede anche la fabbricazione di due circuiti elettronici identici. Qui, i due circuiti dell'amplificatore a transimpedenza si trovano sulla stessa scheda luminosa.

Il layout di un singolo circuito è in questo diagramma. Innanzitutto, un fotodiodo di arseniuro di indio gallio rileva un segnale a 1550 nanometri. Il fotodiodo è collegato a un amplificatore operazionale, a un resistore e a un condensatore.

L'uscita del circuito è collegata a un oscilloscopio e fornisce una misura della potenza ottica media. Al banco, iniziare a collegare le uscite del divisore di fascio ai circuiti. Innanzitutto, collegare un'uscita a un fotodiodo all'arseniuro di indio gallio.

Quindi, collegare l'uscita del circuito dell'amplificatore a transimpedenza al canale uno dell'oscilloscopio. Accendere l'oscilloscopio e il circuito dell'amplificatore a transimpedenza. Scollegare l'1% di uscita del laser dal polarimiter commerciale.

Collegare l'uscita alla porta di ingresso del divisore di fascio polarizzatore. Accendi il laser a una potenza di pompa arbitraria per inviare un segnale ottico a 1550 nanometri. Sul computer eseguire uno script per leggere la tensione media sul canale uno dell'oscilloscopio.

Tornare agli elementi ottici dell'analizzatore di polarizzazione. Scollegare l'uscita del divisore di fascio polarizzatore dal fotodiodo. Collegare invece l'uscita del divisore di raggio a un misuratore di potenza commerciale.

Leggere e registrare la potenza ottica per questa potenza della pompa. Continuare variando la potenza del segnale ottico in ingresso, quindi misurando la tensione media e la potenza ottica. Dopo diverse misurazioni, un grafico della tensione rispetto alla potenza dovrebbe essere lineare.

Determina i coefficienti di questa relazione lineare. Seguire la stessa procedura con la seconda uscita del divisore di fascio per arrivare alla configurazione finale dell'analizzatore di polarizzazione. Sia le uscite di polarizzazione verticale che quella orizzontale sono collegate ai circuiti dell'amplificatore.

Ogni circuito ha un canale dell'oscilloscopio dedicato, che viene letto dal computer. Ora incorporate il nuovo analizzatore di polarizzazione nel processo di blocco automatico della modalità. Apri gli script scritti per cercare la discontinuità nel fenomeno di Stokes S uno in funzione dell'angolo del controller di polarizzazione.

Per modificarlo è sufficiente un cambiamento nella determinazione di S uno dall'apparato. Per questo analizzatore, calcolare S one utilizzando questa formula. I valori di potenza PX e PY si ottengono dalla relazione lineare misurata tra tensione e potenza per ciascuna polarizzazione.

Al termine, avvia lo script. Questa versione dello script mostra l'evoluzione del parametro S one di Stokes man mano che l'angolo viene incrementato. All'inizio dello sweep angolare, il laser non è bloccato in modalità.

Mentre il controller di polarizzazione ruota, il valore di S one e lo spettro ottico del laser si evolvono. Al termine dello script, si ottiene il blocco della modalità, come si vede dall'ampio spettro ottico. Questo è un tipico grafico del parametro di Stokes S uno rispetto all'angolo del controller di stato di polarizzazione motorizzato.

S one viene calcolato utilizzando i valori di potenza misurati da un analizzatore di polarizzazione non commerciale. Un cambiamento improvviso si verifica quando il laser raggiunge lo stato di blocco della modalità. Uno script automatizzato scritto per smettere di variare l'angolo del controller di polarizzazione in caso di discontinuità può trovare il blocco della modalità in pochi minuti.

La procedura può trovare il blocco della modalità in pochi minuti. La sua implementazione non influisce sul design della cavità laser e richiede solo l'1% del segnale di uscita da monitorare, lasciando il 99% per le applicazioni previste. Affinché la procedura esegua il laser, i parametri, come la potenza di urto e la birifrangenza del controller di polarizzazione, devono essere preregolati correttamente al fine di evitare regimi di funzionamento indesiderati come impulsi multipli o impulsi simili al rumore.

Sarà necessario ulteriore lavoro per studiare l'applicabilità di questa procedura a diversi progetti di laser e lunghezze d'onda operative. Riteniamo che questa procedura possa essere utilizzata nei sistemi laser a fibra commerciali in cui ci si aspetta che il modelock avvenga automaticamente all'avvio.