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

この手順の全体的な目的は、あらかじめ調整された非線形偏光回転ファイバーレーザーにおいて、モードロックの自動検出を行うことです。本手順は、RFスペクトラムアナライザ、光スペクトラムアナライザ、非線形検出スキーム、またはパルス計数装置に基づいた既存の自動化手順に代わる手法を提供します。主な利点は、比較的安価であること、実装が容易であること、そしてモニタリングのために分波する必要のあるレーザー出力がごくわずかであることです。

このアニメーションでは、非線形偏光回転に基づくモード同期の概念を示しています。信号は偏光子によって偏光され、その後、偏光コントローラーによって楕円偏光状態に変換されます。共振器内のファイバーにおける現在の非線形性により、この楕円の回転が強制され、その回転は信号の瞬時パワーに比例します。

したがって、最終偏光子での透過により、信号の高出力部分の透過が促進され、パルスの形成につながります。最終偏光子の直前に偏光解析計を配置することで、偏光状態を識別し、共振器内でのパルス検出が可能になります。これは、共振器を1往復する間に、パルスが連続波信号よりも大きな非線形偏光回転を起こすためです。

最初のステップは、安定したプラットフォーム上にファイバーレーザーシステムを構築することです。まず、本実験の中核となるレーザーリング共振器を光学定盤上に設置します。この概略図は、構成を把握するための概要を示しています。

光は時計回りに伝播します。セットアップを理解するために、まずは偏光子から説明します。ここではファイバーピグテール付き偏光子を使用しています。

これは、全ファイバ製電動YAW型偏光状態コントローラに挿入されたポリイミド被覆ファイバのセクションと融点接合されています。自動化手順において、このコンポーネントの存在は不可欠です。偏光コントローラの後に、976 nanometerのレーザーダイオードで励起される980/1550 nanometer波長分割多色 multiplexer を配置します。

次に、利得媒質であるシングルモードエルビウムドープ光ファイバーに光を通過させます。ここに示すように、ポンプ光が導入されると、エルビウムドープファイバーは緑色に発光します。このエルビウムドープファイバーは、ハイブリッド980/1550ナノメートル波長分波器および1550ナノメートルアイソレータと融着接続されています。

これは2番目のレーザーダイオードによって励起されます。共振器ループの最後の要素は50-50出力結合器であり、偏光子の直前に配置する必要があります。偏光解析器はこの結合器から入力を受けるため、共振器出力結合器の位置は非常に重要です。

非線形偏光回転の効果を最大化するために、偏光子の直前に配置する必要があります。共振器からの出力は99:1のスプリッターに送られ、99%が有効な出力となります。残りの1%は手動偏光コントローラーを通り、自動モードロックのためのフィードバックとして利用されます。

次のステップは、電動偏光コントローラーをコンピュータコントローラーに接続することです。まず、共 cavity 内部ファイバースクイーザーの偏光コントローラーを駆動モジュールに接続します。次に、駆動モジュールをコンピュータのUSBポートに接続します。

ベンチ上のレーザー出力ファイバーに戻り、99%出力を選択します。ベアフィットアダプターを使用して、99%出力を光スペクトラムアナライザーに接続します。ポンプレーザーの電源を入れ、コンピューターへ移動して装置のインターフェースを起動します。

インターフェースを使用して、偏光コントローラーに時計回りに3000ステップ回転させるよう指示します。回転中、コントローラーはメカニカルストップに到達します。次に、偏光コントローラーに反時計回りに約1度回転させるよう指示します。

光スペクトラムアナライザでスペクトラムを観察し、モードロックに達したかを確認します。これらのスペクトラムは、モードロック状態、準連続波（quasi-continuous）状態、およびQスイッチ状態を代表するものです。準連続波およびQスイッチ状態と比較して、モードロック状態のスペクトラムは非常に広帯域になります。

偏光コントローラーを1度ずつ反時計回りに回転させます。モードロックに到達したら、角度を固定して次へ進んでください。この時点で、ポンプ光パワーの閾値の探索準備を整えます。

モードロックが解除されるまでポンプ出力を下げます。次に、モードロック閾値のわずかに上までポンプ出力を上げます。モードロックスペクトルを確認した後、レーザーの電源を一度切り、再度入れて、レーザーが自励的にモードロックすることを確認します。

モードロック状態を確認するために、スペクトラムアナライザーからファイバーを切り離します。ファイバーを高速フォトダイオードのセットアップに接続し、オシロスコープに信号を表示させます。モードロック状態では、繰り返し周波数が約82 MHzのパルス列が生成されます。

次のステップは、レーザー出力の偏光分析の準備をすることです。そのためには、ポラリメーターとも呼ばれる市販の偏光分析器を使用し、1%タップからのファイバーを入力してください。本実験における最終的な装置構成はこの概略図に示されています。

コンピュータで偏光解析装置を制御できます。コンピュータを使用して、偏光コントローラをメカニカルストップまで移動させ、ポラリメータソフトウェアを停止させます。この時点で、光スペクトラムアナライザには非モードロック状態のスペクトラムが表示されます。

ポラリメーターのソフトウェアで、スタートボタンをクリックして偏光測定を開始します。偏光コントローラーを反時計回りに1度ずつ段階的に動かします。キャビティ間偏光コントローラーで調整可能な角度範囲を探索しながら、ポラリメーターのソフトウェアを用いて偏光状態を観察します。

モードロックの証拠が得られるまで、角度の探索を続けてください。モードロックに達した箇所以外では、偏光が角度に対して非常に緩やかに変化することに注意してください。スペクトラムアナライザーでスペクトルを観察し、モードロックの特徴的なシグネチャーが明確に現れていることを確認します。

コンピュータに戻り、操作を続けます。再び、偏光コントローラーを回転しなくなるまで時計回りに回します。ポラリメーターのソフトウェアで、角度の関数としてストークスパラメータをモニターする準備をします。

ここでは、上から下に向かってS 0からS 3の順に並んでいます。S 1、S 2、およびS 3の値を記録および観察しながら、偏波コントローラーの角度を1度刻みで変化させます。モードロックへの移行が起こると、S 1が急激に変化することがわかります。

グラフィカルプログラミング言語を用いて、モード同期条件を自動的に検出するスクリプトを作成します。このスクリプトのロジックはこのフローチャートに示されています。基本的には、スクリプトは偏光状態コントローラをメカニカルストップの位置から開始し、各ステップでポラリメータからS1の値を読み取りながら、角度を1度ずつ増加させます。

S1の値が1ステップであらかじめ設定されたしきい値の0.3を超えて増加した時点で、モードロックが達成されたと考えられるため、スクリプトは停止します。次に、スクリプトを実行してください。このバージョンのスクリプトでは、角度の増加に伴うストークスパラメータS1の変化が表示されます。

角度スイープが始まるとき、レーザーはモードロックされていません。偏光コントローラーが回転するにつれて、S1の値とレーザーの光スペクトルが変化します。スクリプトが終了すると、広帯域な光スペクトルからわかるように、モードロックが達成されます。

次のステップは、市販のポラリメーターの代わりとなる装置を作製することです。GPIBインターフェースを介してコンピューターに接続されたオシロスコープを使用します。次に、代用ポラリメーターの光学部品について説明します。

中心に偏光ビームスプリッターがあり、3つのFC-APCファイバー opticポートコリメータと整列されています。光は上部のポートからビームスプリッターに入射されます。垂直偏光した光は右側のポートからシステム外へ出射されます。

水平偏光した光がボトムポートから出力されます。偏光解析器についても、2つの同一な電子回路を製作する必要があります。ここでは、2つのトランスインピーダンス増幅回路を同一のユニバーサル基板上に配置しています。

個々の回路のレイアウトはこの図に示されています。まず、インジウムガリウム砒素フォトダイオードが1550 nanometerの信号を検出します。このフォトダイオードは、演算増幅器、抵抗器、およびコンデンサに接続されています。

回路の出力はオシロスコープに接続されており、平均光出力の測定値を提供します。実験台で、ビームスプリッターの出力を回路に接続し始めてください。まず、一方の出力をインジウムガリウムアルセナイドフォトダイオードに接続します。

次に、トランスインピーダンス増幅回路の出力をオシロスコープのチャンネル1に接続します。オシロスコープとトランスインピーダンス増幅回路の電源を入れます。市販の偏光計からレーザーの1%出力を取り外します。

出力を偏光ビームスプリッターの入力ポートに接続します。任意のポンプ出力でレーザーをオンにし、1550 nanometerの光信号を送出します。コンピュータ上でスクリプトを実行し、オシロスコープのチャンネル1の平均電圧を読み取ります。

偏光アナライザーの光学素子に戻ります。偏光ビームスプリッターの出力をフォトダイオードから切り離します。代わりに、ビームスプリッターの出力を市販のパワーメーターに接続します。

このポンプパワーにおける光パワーを読み取り、記録します。次に、入力光信号のパワーを変化させながら、平均電圧と光パワーを測定します。数回の測定後、電圧対パワーのプロットは線形になるはずです。

この線形関係の係数を決定します。ビームスプリッターの2番目の出力についても同様の手順を行い、最終的な偏光解析装置のセットアップを完了させます。垂直偏光出力と水平偏光出力は、ともに増幅回路に接続されています。

各回路には専用のオシロスコープチャネルがあり、コンピュータで読み取られます。次に、新しい偏波解析器を自動モードロックプロセスに組み込みます。偏波コントローラの角度の関数としてストークスパラメータS1の不連続性を探索するために作成されたスクリプトを開いてください。

これを変更するには、装置からS1を決定する方法を変更するだけで済みます。このアナライザーでは、以下の式を用いてS1を算出します。電力値PXおよびPYは、各偏光における電圧と電力の間に測定された線形関係から求められます。

完了したら、スクリプトを開始します。このバージョンのスクリプトでは、角度が増加するにつれてストークスパラメータ S1 がどのように変化するかが表示されます。角度走査が開始される時点では、レーザーはモード同期されていません。

偏光コントローラーが回転するにつれて、S1の値とレーザーの光スペクトルが変化します。スクリプトが終了すると、広い光スペクトルからわかるように、モード同期が達成されます。これは、電動偏光状態コントローラーの角度に対するストークスパラメータS1の典型的なプロットです。

S1は、非市販の偏光解析計で測定されたパワー値を用いて算出されます。レーザーがモードロック状態に達すると、急激な変化が生じます。不連続点において偏光コントローラーの角度変更を停止するように記述された自動スクリプトを使用することで、数分以内にモードロックを見つけることができます。

この手順により、数分以内にモード同期させることが可能です。本手法の導入はレーザー共振器の設計に影響を与えず、出力信号のわずか1%をモニタリングするだけで済むため、残りの99%を目的のアプリケーションに使用できます。この手順でレーザーパラメータを適切に動作させるには、マルチパルスやノイズ状パルスなどの望ましくない動作領域を避けるため、ポンプ出力や偏光コントローラの複屈折を事前に適切に調整する必要があります。

この手順を異なるレーザー設計や動作波長に適用できるか検討するためには、さらなる研究が必要です。この手順は、起動時にモード同期が自動的に起こることが期待される商用ファイバーレーザーシステムで利用可能であると考えています。