출력 편광 측정을 통해 비선형 편광 회전 광섬유 레이저의 모드 잠금의 자동화

이 실험 절차의 전체적인 목표는 사전 조정된 비선형 편광 회전 광섬유 레이저에서 자동 모드 잠금을 검출하는 것입니다. 본 절차는 RF 스펙트럼 분석기, 광학 스펙트럼 분석기, 비선형 검출 방식 또는 일시 정지 계수 장치를 기반으로 하는 기존의 자동화 절차에 대한 대안적인 방법을 제공합니다. 주요 장점은 상대적으로 비용이 저렴하고 구현이 쉬우며, 모니터링을 위해 레이저 출력의 아주 적은 일부만 분기하여 사용한다는 점입니다.

이 애니메이션은 비선형 편광 회전에 기반한 모드 잠금(mode locking)의 개념을 보여줍니다. 신호는 편광자에 의해 편광된 후 편광 컨트롤러에 의해 타원 편광 상태로 변환됩니다. 공동(cavity) 내 광섬유의 현재 비선형성은 이 타원의 회전을 유도하며, 이 회전은 신호의 순간 전력에 비례합니다.

따라서 최종 편광판에서의 투과는 신호의 고출력 부분의 투과를 촉진하여 펄스 형성을 유도합니다. 최종 편광판 바로 앞에 편광 분석기를 배치함으로써, 편광 상태를 구별하여 공동(cavity) 내의 펄스를 검출할 수 있습니다. 이는 펄스가 공동 내의 왕복 과정 동안 연속파(continuous wave) 신호보다 더 큰 비선형 편광 회전을 겪기 때문에 가능합니다.

첫 번째 단계는 안정적인 플랫폼 위에 파이버 레이저 시스템을 구축하는 것입니다. 우선, 본 실험의 핵심인 레이저 링 공진기를 광학 벤치 위에 설치하십시오. 이 도식은 방향 파악을 위한 개요를 제공합니다.

빛은 시계 방향으로 전파됩니다. 설정을 이해하기 위해 먼저 편광기부터 살펴보겠습니다. 파이버 피그테일(fiber pigtailed) 편광기가 사용됩니다.

이는 전섬유 전동 요(yow) 유형 편광 상태 컨트롤러에 삽입된 폴리이미드 코팅 광섬유 섹션과 융착 접속됩니다. 이 구성 요소의 존재는 자동화 절차에 필수적입니다. 편광 컨트롤러 뒤에 976 nanometer 레이저 다이오드로 펌핑되는 980/1550 nanometer 파장 분할 다중화기를 배치하십시오.

그 다음, 이득 매질인 단일 모드 에르븀 도프 광섬유에 빛을 통과시킵니다. 여기에서 보여주는 것처럼, 에르븀 도프 광섬유는 펌핑될 때 녹색으로 빛납니다. 에르븀 도프 광섬유는 하이브리드 980/1550 nanometer 파장 분할 다중화기와 1550 nanometer 격리기를 통해 융착 접속되어 있습니다.

이는 두 번째 레이저 다이오드에 의해 펌핑됩니다. 캐비티 루프의 마지막 요소는 편광자 바로 앞에 배치해야 하는 50-50 출력 결합기입니다. 편광 분석기가 이 결합기로부터 입력을 받기 때문에 캐비티 출력 결합기의 위치는 매우 중요합니다.

비선형 편광 회전을 극대화하기 위해 이는 반드시 편광자 바로 앞에 위치해야 합니다. 공동(cavity)에서 나오는 출력은 99:1 스플리터로 전달되며, 99%는 가용 출력으로 활용됩니다. 나머지 1%는 수동 편광 컨트롤러를 거쳐 자동 모드 잠금(mode locking)을 위한 피드백을 제공합니다.

다음 단계는 전동 편광 컨트롤러를 컴퓨터 컨트롤러에 연결하는 것입니다. 먼저 공동 내 섬유 스퀴저(intercavity fiber squeezer) 편광 컨트롤러를 구동 모듈에 연결하십시오. 그런 다음 구동 모듈을 컴퓨터의 USB 포트에 연결하십시오.

벤치 위에 있는 레이저 출력 파이버로 돌아가 99% 출력을 선택하십시오. barefit 어댑터를 사용하여 99% 출력을 광학 스펙트럼 분석기에 연결하십시오. 펌프 레이저를 켜고 컴퓨터로 이동하여 기기 인터페이스를 시작하십시오.

인터페이스를 사용하여 편광 컨트롤러를 시계 방향으로 3000단계 회전시키십시오. 회전하는 동안 컨트롤러가 기계적 정지 지점에 도달하게 됩니다. 그런 다음, 편광 컨트롤러를 시계 반대 방향으로 약 1도 회전시키십시오.

광학 스펙트럼 분석기에서 스펙트럼을 관찰하여 모드 잠금(mode-lock) 상태에 도달했는지 확인합니다. 제시된 스펙트럼은 모드 잠금된 준연속파(quasi-continuous) 및 Q-스위칭(Q-switched) 영역을 나타냅니다. 준연속파 및 Q-스위칭 영역과 비교했을 때, 모드 잠금 스펙트럼은 매우 넓게 나타납니다.

편광 컨트롤러를 1도씩 반시계 방향으로 회전시킵니다. 모드 잠금(mode-lock)에 도달하면, 다음 단계로 넘어가기 전에 각도를 고정하십시오. 이 시점에서 펌프 출력 임계값을 탐색할 준비를 합니다.

모드 잠금이 해제될 때까지 펌프 출력을 낮춥니다. 그런 다음 펌프 출력을 모드 잠금 임계값보다 약간 높은 수준까지 올립니다. 모드 잠금 스펙트럼을 관찰한 후, 레이저 전원을 껐다가 다시 켜서 레이저가 스스로 모드 잠금이 되는지 확인합니다.

모드 잠금 상태를 확인하려면, 스펙트럼 분석기에서 광섬유를 분리하십시오. 광섬유를 고속 포토다이오드 설정에 연결하여 오실로스코프에 신호를 표시합니다. 모드 잠금 상태에서는 약 82 megahertz의 반복률을 갖는 펄스 트레인이 생성됩니다.

다음 단계는 레이저 출력의 편광을 분석하기 위한 준비 과정입니다. 이를 위해 편광 분석기(polarimeter라고도 함)를 사용하여 1% 탭의 광섬유를 입력하십시오. 실험을 위한 최종 장비 배치는 이 모식도에 나와 있습니다.

컴퓨터를 통해 편광 분석기를 제어할 수 있습니다. 컴퓨터를 사용하여 편광 컨트롤러를 기계적 정지 위치로 설정하고 편광계 소프트웨어를 종료하십시오. 이 시점에서 광학 스펙트럼 분석기에는 비모드 잠금(non-mode locked) 스펙트럼이 표시됩니다.

편광계 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭하여 편광 측정을 시작합니다. 편광 컨트롤러를 시계 반대 방향으로 1도씩 단계적으로 조정하십시오. 공동 내 편광 컨트롤러가 허용하는 각도 범위를 탐색하면서, 편광계 소프트웨어를 통해 편광 상태를 관찰합니다.

모드 잠금(mode-locking)의 증거가 나타날 때까지 각도를 계속 탐색하십시오. 모드 잠금에 도달하는 지점을 제외하고는 편광이 각도에 따라 매우 부드럽게 유지된다는 점에 유의하십시오. 스펙트럼 분석기에서 스펙트럼을 관찰하여 모드 잠금의 특징이 분명하게 나타나는지 확인하십시오.

컴퓨터로 돌아가 작업을 계속합니다. 다시 한번 편광 컨트롤러를 더 이상 회전하지 않을 때까지 시계 방향으로 회전시킵니다. 편광계 소프트웨어에서 각도의 함수로 스토크스 파라미터를 모니터링할 준비를 합니다.

여기서는 위에서 아래로 S zero부터 S three까지 순서대로 배열되어 있습니다. S one, S two, S three의 값을 기록하고 관찰하면서 편광 컨트롤러의 각도를 1도씩 증분하며 조정하십시오. 모드 잠금(mode-locking)으로 전이될 때 S one이 급격하게 변하는 것을 확인할 수 있습니다.

그래픽 프로그래밍 언어를 사용하여 모드 잠금 조건을 자동으로 찾는 스크립트를 작성하십시오. 이 스크립트의 로직은 본 플로우차트에 제시되어 있습니다. 기본적으로, 스크립트는 편광 상태 컨트롤러를 기계적 정지 위치에서 시작하여, 각 단계마다 폴라리미터의 S1 값을 읽으면서 각도를 1도씩 증가시킵니다.

S1 값이 단일 단계에서 미리 설정된 임계값인 0.3보다 더 크게 증가하면, 모드 잠금(mode-locking)이 달성된 것으로 간주하여 스크립트가 중지됩니다. 다음으로, 스크립트를 실행하십시오. 이 버전의 스크립트는 각도가 증가함에 따른 스토크스 파라미터 S1의 변화를 보여줍니다.

각도 스윕이 시작될 때, 레이저는 모드 잠금 상태가 아닙니다. 편광 컨트롤러가 회전함에 따라, S1 값과 레이저의 광학 스펙트럼이 변화합니다. 스크립트가 완료되면, 넓은 광학 스펙트럼에서 확인할 수 있듯이 모드 잠금이 달성됩니다.

다음 단계는 상용 편광계를 대체할 장치를 만드는 것입니다. GPIB 인터페이스를 통해 컴퓨터와 연결된 오실로스코프를 사용하십시오. 이어서, 대체 편광계의 광학 부품에 주의를 기울이십시오.

중앙에는 세 개의 FC-APC 광섬유 포트 콜리메이터와 정렬된 편광 빔 분할기가 있습니다. 빛은 상단 포트를 통해 빔 분할기로 입력됩니다. 수직 편광된 빛은 오른쪽 포트를 통해 시스템 밖으로 나옵니다.

수평 편광된 빛이 하단 포트에서 출력됩니다. 편광 분석기 또한 동일한 전자 회로 두 개를 제작해야 합니다. 여기서는 두 개의 트랜스임피던스 증폭기 회로가 동일한 브라이트 보드 위에 구성되어 있습니다.

개별 회로의 배치가 이 도표에 나와 있습니다. 먼저, 인듐 갈륨 비소 포토다이오드가 1550 nanometer 신호를 검출합니다. 이 포토다이오드는 연산 증폭기, 저항기 및 커패시터에 연결되어 있습니다.

회로의 출력단은 오실로스코프에 연결되어 평균 광출력을 측정합니다. 실험대에서 빔 스플리터 출력을 회로에 연결하기 시작하십시오. 먼저, 하나의 출력단을 인듐 갈륨 비소 포토다이오드에 연결하십시오.

다음으로, 트랜스임피던스 증폭기 회로의 출력을 오실로스코프의 1번 채널에 연결합니다. 오실로스코프와 트랜스임피던스 증폭기 회로의 전원을 켭니다. 상용 편광계에서 레이저의 1% 출력을 분리합니다.

출력을 편광 빔 분할기의 입력 포트에 연결합니다. 임의의 펌프 출력에서 레이저를 켜서 1550 nm 광신호를 보냅니다. 컴퓨터에서 오실로스코프의 1번 채널 평균 전압을 읽는 스크립트를 실행합니다.

편광 분석기의 광학 소자로 돌아갑니다. 편광 빔 분할기의 출력을 포토다이오드에서 분리하십시오. 그 대신 빔 분할기 출력을 상용 전력계에 연결하십시오.

해당 펌프 출력에서의 광출력을 읽고 기록하십시오. 이어서 입력 광신호의 출력을 변화시키며 평균 전압과 광출력을 측정하십시오. 여러 번의 측정을 거치면, 전압 대 출력 그래프가 선형으로 나타나야 합니다.

이 선형 관계의 계수를 결정하십시오. 빔 스플리터의 두 번째 출력에 대해서도 동일한 절차를 수행하여 최종 편광 분석기 설정을 완료하십시오. 수직 및 수평 편광 출력은 모두 증폭기 회로에 연결됩니다.

각 회로는 컴퓨터로 읽어 들이는 전용 오실로스코프 채널을 갖추고 있습니다. 이제 새로운 편광 분석기를 자동 모드 잠금 과정에 통합하십시오. 편광 컨트롤러 각도에 따른 스토크스 현상 S1의 불연속성을 탐색하기 위해 작성된 스크립트를 여십시오.

이를 수정하려면 장치에서 S one을 결정하는 방법만 변경하면 됩니다. 이 분석기의 경우, 다음 공식을 사용하여 S one을 계산하십시오. 전력 값 PX와 PY는 각 편광에 대해 측정된 전압과 전력 사이의 선형 관계에서 구할 수 있습니다.

완료되면 스크립트를 실행하십시오. 이 버전의 스크립트는 각도가 증가함에 따라 스토크스 파라미터(Stokes parameter) S1의 변화를 보여줍니다. 각도 스윕이 시작될 때 레이저는 모드 잠금(mode-locked) 상태가 아닙니다.

편광 컨트롤러가 회전함에 따라 S1 값과 레이저의 광학 스펙트럼이 변화합니다. 스크립트가 종료되면 넓은 광학 스펙트럼에서 확인할 수 있듯이 모드 잠금(mode-locking)이 달성됩니다. 이는 전동 편광 상태 컨트롤러의 각도에 따른 스토크스 파라미터(Stokes parameter) S1의 전형적인 그래프입니다.

S one은 비상용 편광 분석기에서 측정된 전력 값을 사용하여 계산합니다. 레이저가 모드 잠금 상태에 도달하면 급격한 변화가 일어납니다. 불연속 지점에서 편광 컨트롤러 각도 조절을 중단하도록 작성된 자동화 스크립트를 통해 몇 분 이내에 모드 잠금을 찾을 수 있습니다.

이 절차를 통해 몇 분 내에 모드 잠금(mode-locking)을 구현할 수 있습니다. 이 방법의 구현은 레이저 공진기 설계에 영향을 주지 않으며, 출력 신호의 1%만 모니터링하면 되므로 나머지 99%를 의도한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 이 절차가 제대로 수행되도록 하려면, 다중 펄스(multiple pulsing)나 노이즈 유사 펄스(noise-like pulses)와 같은 원치 않는 동작 모드를 방지하기 위해 펌프 출력 및 편광 컨트롤러의 복굴절과 같은 레이저 파라미터를 적절하게 사전 조정해야 합니다.

이 절차를 다양한 레이저 설계 및 작동 파장에 적용할 수 있는지 연구하기 위해 추가적인 작업이 필요할 것입니다. 우리는 이 절차가 기동 시 자동으로 모드 잠금(modelocking)이 일어날 것으로 예상되는 상업용 파이버 레이저 시스템에 활용될 수 있을 것이라고 믿습니다.