出力偏光測定を通じて非線形偏波回転ファイバレーザにおけるモードロックの自動化

サマリー

事前に調整された非線形偏光回転ファイバーレーザーのモードロックを検出し、自動化するプロトコルが提示されます。モードロックが発生したときに出力偏光状態が急激に変化したことを検出することで、キャビティ内偏光コントローラのアライメントを指令し、モードロック条件を検出します。

要約

レーザは、モードロックされたときには、レーザ共振器の長さによって決定される繰り返し率で、超短パルス列を放出します。この記事では、事前調整非線形偏光回転ファイバレーザにモード同期を強制的に新しいと安価な手順の概要を説明します。この手順は、モードロックが発生し、出力偏光状態の急激な変化の検出に基づいています。この変化は、モード同期状態を見つけるために、イントラキャビティ偏光コントローラの位置合わせを指令するために使用されます。具体的には、第一のストークスパラメータの値は、レーザーが、モードロック状態になったときまた、急激な変化を受け、偏光制御器の角度を掃引したときに変化​​し。この急激な変化を監視する偏光制御器の位置合わせを指示し、モード同期に向けてレーザを駆動するために使用することができる実用的な簡単に検出信号を供給する。この監視は、ごく一部を供給することにより達成されます。偏光解析装置への信号の最初のストークスパラメータを測定します。レーザーは、モードロック状態になったときアナライザからこのパラメータの読み出しの急激な変化が発生します。このとき、偏波コントローラの必要な角度が一定に保たれます。アライメントが完了しました。この手順では、このような光スペクトラムアナライザ、RFスペクトラム・アナライザ、電子パルスカウンタまたは2光子吸収または第二高調波発生に基づく非線形検出方式に接続されたフォトダイオードなどの機器を使用する既存の自動化手順への代替方法を提供します。これは、非線形偏光回転によってロックレーザモードに適しています。特に、1550nmの波長において、安価な手段を必要とし、実装するのが比較的容易であり、それは、上記の技術と比較して発生し、生産及び操作のコストを低下させます。

概要

この論文の目的は、非線形偏光回転ファイバレーザモード同期（ML）を得るために自動アライメント手順を提示することです。この手順は、2つの重要なステップに基づいています。レーザーの出力信号の偏光を測定した後、MLに到達するために、自己始動制御装置をアップ設定することにより、ML体制を検出します。

ファイバレーザは、最近の光学系で重要なツールとなっています。彼らは、コヒーレント近赤外光の効率的な供給源であり、彼らは今、電磁スペクトルの中間赤外線部分内に延びています。その低コスト、使いやすさは、固体レーザなどのコヒーレント光の他のソースにそれらを魅力的な代替を行いました。 ML機構はファイバキャビティ内に挿入されたときのファイバレーザは、（100フェムト秒以下）の超短パルスを提供することができます。このような非線形ループミラーと可飽和吸収体としてこのMLメカニズムを設計する方法は多数あります。これらのいずれかの、広く使用されているFまたはそのシンプルさは、信号^1,2の非線形偏光回転（NPR）に基づいています。それは、レーザキャビティのファイバに伝搬する信号の偏光の楕円は、その強度に回転比例を受けるという事実を利用します。キャビティ内での偏光板を挿入することにより、このNPRは、信号の往復の際に強度依存損失につながります。

レーザーは、次に、偏光状態を制御することにより、MLに強制することができます。効果的に、信号の高出力部は、低損失（ 図1）に供され、レーザがオンと低電力ノイズの多い信号から開始された場合、これは、最終的に光の超短パルスの形成につながります。しかし、この方法の欠点は、偏光状態コントローラ（PSC）は、適切にMLを取得するように整列されなければならないということです。通常、オペレータは、PSCの位置​​を変化させると高速Pでレーザの出力信号を分析することによって手動でMLを発見しますhotodiode、光スペクトラムアナライザや非線形光学自動相関器。できるだけ早くパルスの放射が検出されると、オペレータは、レーザがMLであるので、PSCの位置​​を変化させることを停止します。明らかに、自動的に効率の重要な利益につながる自己スタートにレーザーを得ます。レーザは、オペレータが何度も位置合わせ手順を経る必要があるため、アライメントまたは空洞の構成を変更する摂動を受ける場合に特に当てはまります。 10年で、異なる方法が、この自動化を達成するために提案されています。 Hellwigさんら ^3は 、MLを検出するためにすべてのファイバ分割の振幅偏光の信号の偏光状態の完全な分析と組み合わせた偏光を制御するための圧電スクイーザを用います。 Radnarotov ら ^4は、MLを検出するためのRFスペクトルに基づいて分析を液晶板のPSCを使用します。シェンらは^、5圧電スクイーザを使用分極およびMLを検出するフォトダイオード/高速カウンタシステムを制御します。より最近では、進化的アルゴリズムに基づいた戦略は、検出がintensimetric二次自己相関と光スペクトラムアナライザと組み合わせて高帯域幅のフォトダイオードによって提供されて提示されました。制御は、その後、キャビティ⁶内^の 2電子駆動のPSCを用いて行われます。

この記事では、MLにファイバレーザを強制的に自動化技術にMLとその応用を検出する革新的な方法を説明します。レーザのMLの検出は、PSCの角度を掃引される信号の出力偏光状態がどのように変化するかを分析することによって達成されます。示されるように、MLへの遷移は、出力信号のストークスパラメータのいずれかを測定することによって検出偏光状態の急激な変化と関連しています。パルスはCW信号よりも強いであり、より重要なNPRのexpを受けるという事実lainsこの変更。レーザの出力は直ちにキャビティ内の偏光子の前に配置されているので、この位置におけるパルスの偏光状態は、CW信号の偏光状態（ 図2）とは異なり、MLの状態を識別するために使用されます。このプロシージャとその最初の実験的な実装の ​​理論的な側面は、オリビエらに提示された^。7。この記事では、重点は、プロシージャ、その限界とその利点の技術的な側面になります。

この技術は、比較的実装が簡単であり、MLの状態を検出し、MLを取得するために、レーザーの位置合わせを自動化するための高度な測定機器を必要としません。プログラマブルインタフェースを介して外部で調整PSCが必要です。別のPSCは、原理的には使用することができる：モーター、磁気光学結晶または電動全ファイバPSCベースのOによって回転圧電スクイーザ、液晶、波板nは圧搾ファイバ^8をねじります。この記事では、後者は、全ファイバ電動八尾型PSCを使用されています。高価な商用の偏光を使用することができる偏光状態を検出するために。最初のストークスパラメータの値のみが必要とされているので、この記事で示したようにしかし、2つのフォトダイオードと組み合わせた偏光ビームスプリッタは十分であろう。

すべてのこれらの構成要素は、広く使用されているエルビウムドープファイバレーザのため安価です。この手順に基づいてフィードバックループが数分でMLを見つけることができます。この応答時間は、ファイバレーザのほとんどのアプリケーションに適しており、他の既存の技術に匹敵します。実際に、応答時間は、信号の偏光を分析するために使用される電子機器によって制限されます。手順はsimilariton ⁹エルビウムドープファイバレーザにここで適用しているが、最終的には、上述した装置またはそのequivalen次第任意NPR基づくファイバレーザを使用することができますトンは、関心のある波長で利用可能になります。

プロトコル

1.電動PSCを含むファイバーMLファイバーレーザーの設定

1. 単一モードのエルビウム添加光ファイバ、980 / 1,550 nmの波長分割マルチプレクサ（WDM）、980 / 1,550 nmのWDM-1,550 nmのアイソレータハイブリッド成分50/50ファイバ結合器、光ファイバ偏光子、以下の成分を集めます電動式PSC、2の980nmレーザーポンプダイオード、99/1ファイバカプラおよび手動インラインPSC。
2. 希望のキャビティ設計に合うようにエルビウム添加光ファイバと他のすべてのファイバピッグテール成分をカットします。
   注：提示自動化手順は、非線形偏光回転に基づいて、ファイバレーザに適しています。このようなソリトンレーザー延伸パルスレーザー、散逸ソリトンレーザーとsimilaritonレーザなどの異なるオペレーティング・レジームのために働く必要があります。後者のレジームは、この実験で使用されています。
3. レーザ共振器を構築するには、図（ 図3に示す順序で空洞部品を結合するために、ファイバ融着接続機を使用します</強いです>）。それぞれの融着接続を行う前に、きれいな繊維は、イソプロピルアルコールで終了し、ファイバ切断装置でそれらを切断します。
   注：レーザーの内部構成要素は、リング共振器の時計回りの順に、980 / 1,550 nmのWDM、エルビウムドープファイバ、980 / 1,550 nmのWDMアイソレータハイブリッド成分50/50出力電動PSCありますカプラおよびファイバ偏光子。外付け部品は99/1ファイバカプラおよび手動インラインPSC（ステップ1.7と1.8で説明したように）です。
   注：スプライスをキャビティの他のコンポーネントを使用して実行される前に、約30cmのファイバセグメントは、電動式PSCに挿入する必要があります。標準的なシングルモードファイバは機能しますが、それはコントローラのねじによる圧力に対してより耐性であり、したがって、長持ちしますので、ポリイミド被覆繊維の使用は、このセグメントのために推奨されます。
4. 融着接続機を使用してのWDMへの励起レーザダイオードに参加。ここでも、きれいな繊維は、イソプロピルアルで終了しますcoholと各融着接続を行う前に、繊維包丁でそれらを切断します。
5. それぞれの温度コントローラと現在のドライバにレーザーダイオードを接続します。
6. イントラキャビティ電動八尾型ファイバスクイーザのPSC（ 図4）は、その駆動モジュールに接続し、コンピュータのUSBポートに駆動モジュールを接続します。
   メモ：コンピュータの「デバイスマネージャ」に示すように、このポートは、番号「COM4」によって識別されます。
7. レーザーの出力では、50/50カプラのポートは99/1カプラスプライス、まだスプライシングされていない、すなわち 。
   注：99％ポートが使用可能な出力です。 1％のポートは、自動化手順における偏光状態を監視するために使用されます。
8. 1％ポートのファイバに沿っマニュアルPSCを挿入します。これを行うには、ネジを取り外し、PSCを開きます。適切なスロットに繊維を挿入した後、戻って自分の穴にネジを入れて、それらをねじ込みます。
9. 角度研磨繊維の共同スプライス（手動PSC後）1％ポートのファイバの終わりにnnector（APC）。清潔で繊維を切断するには、融着接続を実行する前に終了します。
10. 裸ファイバアダプタを用いた光スペクトラムアナライザ（OSA）を99％の出力を接続します。
    注：後述するように、OSAに見られる光スペクトルは、レーザーがMLであるかどうかをチェックする別の方法を提供します。
11. ポリイミドフィルムテープで適切にキャビティ内の全ての繊維およびコンポーネントを保護します。
    注：繊維および構成要素は、テーブルが振動したり、ファンが空気を吹き付ける際にどのような条件の下で移動するのを防止する必要があります。ポリイミドフィルム、テープ、繊維の損傷を防ぐために使用されています。
12. 繊維がわずかに絞られ始めるまで、キャビティ内のPSCの圧力ネジを締めます。
13. ポンプレーザダイオードをオンにして、レーザダイオードのメーカーによって指定されるようにそれらの最大値にその電流を調整します。
14. 機器の通信インタフェースを起動します。 「パーでipheralsとインタフェース」欄左側に、選択した「COM4」を。をクリックして「開くVISAテストパネル」。をクリックして「入力/出力」。そして、中」コマンドを選択するか入力し、「タイプ」SM、500,3000 n "はそして「クエリ」ボタンをクリックします。これは、そうしながらPSCは。時計方向に0.1125°の3000段階によって回転するためのコマンド、PSCは、機械的停止に達します。
15. そして「COM4」試験パネル、タイプ「N SM、500、-10」の「選択または入力します。コマンド」の「クエリ」ボタンをクリックします。 PSCは、その後、約1°反時計回りに回転します。 MLは、OSAの光スペクトルを見ることによって到達したかどうかを確認してください。光スペクトルの半値幅が数十ナノメートル（ 図5）のオーダーである場合MLに到達します。 MLに達した場合、複屈折および固定角度を維持し、1.18に進みます。
16. MLに達していない場合は、MLまたは最大角度attaiのいずれかまで1.15を繰り返しますPSCとのNABLEに到達します。
17. MLが発生する前に、PSCの最大角度に達した場合、わずかに圧力ネジを締めて、PSCの複屈折率を高め、MLを取得するために、必要に応じて繰り返して何回も1.14、1.15と1.16を繰り返します。
18. MLに到達すると、セルフスタートにMLを可能にするそれらの最小値にポンプパワーを減少させます。 MLが失われるまで、これを行うには、ポンプパワーを減少させます。その後、MLは再び表示になります最小値に向かってゆっくりとそれらを持ち帰ります。ポンプの電源を切り、背面に再び自身でレーザモードロックをかどうかを確認します。 MLは安定しており、レーザーがオンになるたびに自己開始されます保証するために、ポンプ電力もう少しを増やします。

2.出力信号の偏光を分析

1. 商業偏光に1％タップをリンクします。
2. USBポートを使用してコンピュータに偏光計を接続します。
3. 「COM4」試験パネル、TYの「選択または入力してコマンド」では、「N SM、500,3000を「PEと「クエリ」ボタンをクリックします。
4. 商用偏光制御ソフトウェアを実行し、「スタート」ボタンをクリックすることで、偏光測定を開始します。
5. そして「COM4」試験パネル、タイプ「N SM、500、-10」の「選択または入力します。コマンド」の「クエリ」ボタンをクリックします。旋光偏光状態を観察します。
6. 繰り返し手順2.5キャビティ内PSCによって許可された角度の全範囲をカバーするために必要な回数。偏光状態を同時にOSAの光学スペクトルの幅を見て分かる​​ようにMLに到達した特定の角度を除い角度で非常に滑らかに変化することを観察します。
7. 繰り返し関数としてS _{1、S 2}およびS _3のパラメータストークスの値を記録するだけで偏光状態を監視するのではなく、2.6今回2.3手順PSCの角度のS（ 図6）。明らかにこれらの値を表示するには、ソフトウェアのメニューで「測定- →オシロスコープ」を選択し、S _{1、S 2、S 3}の平均値を探します。同時に光スペクトルを見て、レーザーがMLであるために角度を記録します。

3.商業旋光測定を用いてPSCの位置​​合わせを自動化するためのフィードバックループを設定します

1. コンピュータの電源を切ります。
2. コンピュータのシリアルポート "COM1"に商業偏光計のシリアルポートを接続します。コンピュータと偏光を再起動します。
3. 「COM1」と「COM4」を経由して電動PSCの制御を介して、偏光の読み取りを可能にするグラフィカルプログラミング言語インターフェース（GPLI）を起動します。
4. GPLIでは、「ブランクVI」をクリックしてください。次に、「ウィンドウを選択→タイル左と右」。
   注：画面には、2つの部分に分割されます。ブロックダイアグラムが右側に表示されます。別のアイコンに関連付けられたさまざまな機能を使用してスクリプトを作成するために使用されます。フロントパネルが左側に表示されています。コマンドスクリプトが実行されている測定結果を表示するために使用されます。
5. GPLIのブロックダイアグラムウィンドウで、（ 図7参照 ）は、市販偏光計で使用するMLの自動化スクリプトを開発します。
   注：このスクリプトは、偏光からS _1を読み込み、フィードバックを提供し、MLにつながるPSC角の適切な位置合わせに到達するために、その値を使用しています。 MLの検出は、角度が変化するようにS ₁の変形例における不連続性を探索することにより達成されます。
   注：「COM4」を介してPSCを制御するために使用されるコマンドは、ステップ2.3および2.5に提示されるものと同じです。 S _1を読み出すコマンド "* SOP？ n"はあります。
6. 「保存→ファイル」をクリックして、スクリプトを保存し、「→」ボタンをクリックして実行します。 PSCは、それが進化するように、S ₁の値を示し、MLに到達するまで、それは、約1度ずつ回転する、バックその機械的停止させます。

4.初歩的な手製の偏光アナライザを構築

1. GPIBインタフェースを使用してコンピュータにオシロスコープを接続します。
2. 光学ベンチ上に偏光ビームスプリッタキューブ（PBS）を置きます。
3. PBS（ 図8）で3 FC / APC光ファイバポートコリメータを設定します。
   注：ポートのいずれかが入力されます。他の2つは、信号のx軸とy軸偏光成分のための出力です。
4. 第一の出力にファイバピッグテールのInGaAs PINフォトダイオードを接続します。
5. トランスimpedaにフォトダイオードを接続しますNCE回路（ 図9）。
6. オシロスコープのチャンネル1に回路の電気出力を接続します。
7. トランスインピーダンス回路をオンにします。
8. 「SOU CH1：IMM MEASU; "GPLIでは、コマンドを使用して、GPIB接続を介してオシロスコープのチャンネル1の電圧の平均値を読み取りますオシロスコープのチャネル1を選択し、「MEASU：IMM：平均TYPE; "平均電圧であると測定を定義するには、「MEASU：IMM：？VAL "値と最終的に取得する」：IMM：MEASU？UNIを」測定単位を取得します。 「保存→ファイル」をクリックして、スクリプトを保存し、「→」ボタンをクリックして実行します。
9. PBSの入力ポートでレーザーの1％の出力を接続し、任意のポンプパワーでレーザーをオンにします。これは、入力に1,550 nmの光信号を送信します。
10. 第一の出力の平均電圧を測定します。次に、ファイバピッグテールフォトダイオードを外して交換それ商用電源メーターによって。この出力で光パワーを測定します。
11. 繰り返しステップ4.10入力光信号のパワーを変化させています。電圧は、光パワーに対して直線的に変化すべきです。この直線関係の係数を求めます。
    注：この関係は、測定された電圧からP _xを得るために、ステップ4.20において使用されます。
12. PBSの第二の出力に第ファイバピッグテールのInGaAs PINフォトダイオードを接続します。
13. 第二のトランスインピーダンス回路にフォトダイオードを接続します。
14. オシロスコープのチャネル2に回路の電気出力を接続します。
15. トランスインピーダンス回路をオンにします。
16. 「SOU CH2：IMM MEASU; "GPLIでは、コマンドを使用して、GPIB接続を介してオシロスコープのチャネル2の電圧の平均値を読み取りますオシロスコープのチャネル2を選択し、「MEASU：IMM：平均TYPE; " IMM：VAL平均電圧、「MEASUであることが測定を定義するには？4;値と最終的に取得する」：IMM：MEASU？UNIを」測定単位を取得します。 「保存→ファイル」をクリックして、スクリプトを保存し、「→」ボタンをクリックして実行します。
17. 任意のポンプパワーでレーザーをオンにします。
18. 第二の出力の平均電圧を測定します。次に、ファイバピッグテールフォトダイオードを切断し、商用電力計でそれを置き換えます。この出力で光パワーを測定します。
19. 繰り返しステップ4.18入力光信号のパワーを変化させています。電圧が光パワーに比例して変化することを確認します。
    注：この直線関係の係数を検索します。この関係は、測定された電圧からP _yを得るために、ステップ4.20において使用されます。
20. P _yを測定するための第2の検出器を設定した後、（S ₁ =のように定義された最初のストークスパラメータS _1を計算するためにGPLIを使用 P _のx - P _Y）/（Pの _X + P _yを ）。自家製の初歩的な偏光アナライザを使用する準備が整いました。

5.自動化プロセスに自家製の偏光アナライザによって商業旋光の交換

1. （ステップ4.9で行われたように）自家​​製の偏光アナライザの入力へのレーザの1％の出力を接続します。
2. （代わりに商業偏光計の）自家製の偏光アナライザを使用して、ステップ2.7を繰り返して、PSC（ 図10）の角度の関数として最初のストークスパラメータS _1を測定_します。自動的に各ステップで更新S ₁グラフを観察します。 MLが発生したときに（商業偏光を使用しながら、このような場合は）、S ₁の値の不連続ジャンプを確認します。
   注：このタスクのオートマットを実行するためにGPLIスクリプトを使用します的には。このスクリプトは（コマンドを使用して"SM、500を、-10 n"は"COM4"に送信された）1°のステップによってPSCの角度を変化させるループに基づいて、自家製のS ₁の値を読み出しれます各ステップでの偏光アナライザ。
3. 、ように3.5で開発されたスクリプトを修正代わりに商業偏光によって与えられた値を使用するのではなく、自家製の偏光アナライザからP _xおよびP _yを取得し、S ₁ =（P _のx -P _y）を計算する/（P _X + Pの _Y）。
4. 3.6工程と同様の方法で自動的にレーザーをmlに自家製の偏光アナライザに基づいて新しいスクリプトを使用してください。

結果

NPRのモードロックファイバレーザは、Qスイッチパルス^10、コヒーレントMLパルス、ノイズのようなパルス、MLパルスの束縛状態、MLパルス^11を相互作用の高調波MLや複雑な構造のような脈動体制の多種多様を提供することが知られています。 PSCの複屈折は、MLを得ることができるように固定した後、ここに記載のレーザでは、ポンプ電力は、比較的単一パルスMLの閾値付近になるように調整しました。そうすることで、競合する計画の数を最小限に抑えました。このポンプパワーとPSCの角度に応じてでは、レーザーは異なる体制（ 図5）が、無マルチパルス体制を発表しました。ノイズのようなパルス^12,13が原因標準的な単一のMLパルスが検出された後は一定に保たれた空洞繊維の調整前に回避されました。実際には、キャビティ設計は、あまりにもその点ではおそらく重要であるが、この点は時間徹底的に調査しませんでしたERE。その結果、唯一残っている政権は、連続波放射（CW）、Qスイッチ放射および単一コヒーレントパ...

ディスカッション

出力偏光測定値に基づいてフィードバックループを使用して、NPRファイバリングレーザのMLを自動化することが可能であることが示されています。このタスクを実現するためには、キャビティ内の調整可能なPSCを挿入することが重要です。空洞の出力カプラは、CW信号とパルス信号（ 図2）の偏光状態の違いを見るためにだけ、偏光子の前に配置する必要があります。 MLを見つけることができるように、PSCの複屈折は、事前に調整されなければならないとポンプパワーは、キャビティ内の単一パルスを取得し、発生する可能性があります競合する体制の数を最小限にするために、単一パルスのMLの近くにしきい値を設定する必要があります。 ML政権は、特定の方向の角度は、実験中に常に同じであった掃引することにより、自動的に見つかった理由を説明します。 MLを検出するための出力で測定されたパラメータは、S ₁です。このパラメータは、キャビティ内のPSCの角度は、SWであるように連続的に変化しますEPT。これに対する唯一の例外は、MLに到達したとき、S ₁

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ベアファイバーアダプター	Bullet	NGB-14
ドロップイン偏光コントローラー	ゼネラル・フォトニクス	ポラライトPLC-006	手動偏光コントローラー。
DSPインライン偏光計	ゼネラル・フォトニクス社	POD-101D PolaDetect	偏光計(USB/シリアルコンピュータ接続付き)
ファイバークリーバー	Fitel	S323
FiberPort	Thorlabs Inc.	PAF-X-2-C
固定ファイバー間カプラーベンチ	Thorlabs Inc.	FBC-1550-APC	任意の光学ベンチを使用できます。3ウェイベンチはさらに良いでしょう。
融着接続機	フジクラ	FSM-40PM
高分解能全ファイバ偏波コントローラ	ギガコンセプト	GIG-2201-1300	USBコンピュータ接続を備えた全繊維電動偏光コントローラ。
InGaAs PIN PDモジュール	Optoway	PD-1310	ッグテールフォトダイオード。
計測器通信インタフェース	ナショナルインスツルメン	NI MAX	ナショナルインスツルメンツのドライバ(NI-VISA、NI-DAQmx、など)
オペアンプ	テキサスインスツルメンツ	TLO81ACP
光パワーメータ	ニューポート	818-IS-1、1835-C
光スペクトラムアナライザ	アンリツ	MS9710C
オシロスコープ	Tektronix	TDS2022	GPIBコンピュータ接続を備えたオシロスコープ。
偏光ビームスプリッターモジュール	Thorlabs Inc.	PSCLB-VL-1550
ポリイミドフィルムテープ3M		5413	繊維を傷つけずにテーブル上のコンポーネントを固定するためのテープ。
グラフィカルプログラミング言語インタフェース(GPLI)	National Instruments	LabVIEW	インタフェースにより、Gプログラミング言語でプログラミングし、実験装置と通信できます。
偏光計制御ソフトウェア	General Photonics Corp.	PolaView	には、偏光計General Photonics POD-101Dが付属しています。