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

이 절차의 전반적인 목표는 사전 조정된 비선형 편광 회전 파이버 레이저에서 자동 모드 잠금을 감지하는 것입니다. 이 절차는 RF 스펙트럼 분석기, 광 스펙트럼 분석기, 비선형 감지 체계 또는 일시 중지 계수 장치를 기반으로 하는 기존 자동화 절차에 대한 대체 방법을 제공합니다. 주요 장점은 상대적으로 저렴하고 구현하기 쉬우며 모니터링을 위해 레이저 출력의 작은 부분만 탭하면 된다는 것입니다.

이 애니메이션은 비선형 편광 회전을 기반으로 하는 모드 잠금의 개념을 보여줍니다. 신호는 편광자에 의해 편광된 다음 편광 컨트롤러에 의해 타원 편광 상태로 변환됩니다. 캐비티 파이버의 현재 비선형성은 이 타원의 회전을 강제하며, 이는 신호의 순간 전력에 비례합니다.

따라서 최종 편광판에서의 전송은 신호의 고출력 부분의 전송에 유리하여 펄스를 형성합니다. 최종 편광판 바로 앞에 편광 분석기를 배치하면 편광 상태를 구별하여 캐비티의 펄스를 감지할 수 있습니다. 이는 펄스가 캐비티의 왕복 동안 연속파 신호보다 더 큰 비선형 편광 회전을 겪기 때문에 달성 가능합니다.

첫 번째 단계는 안정적인 플랫폼에 파이버 레이저 시스템을 설정하는 것입니다. 먼저 광학 벤치에서 이 실험의 핵심에 있는 레이저 링 캐비티를 설정합니다. 이 회로도는 방향에 대한 개요를 제공합니다.

빛은 시계 방향으로 전파됩니다. 설정을 이해하려면 편광판부터 시작하십시오. 섬유 피그테일 편광판이 사용됩니다.

그것은 모든 섬유 전동 요우 유형 편광 상태 컨트롤러에 삽입되는 폴리이미드 코팅 섬유 섹션과 융합됩니다. 이 구성 요소의 존재는 자동화 절차에 필수적입니다. 편광 컨트롤러 뒤에 976 나노미터 레이저 다이오드에 의해 펌핑되는 980/1550 나노미터 파장 분할 다중화기를 배치합니다.

그런 다음 이득 매체인 단일 모드 에르븀 도핑된 광섬유를 통해 빛을 통과시킵니다. 에르븀이 도핑된 섬유는 여기에 표시된 것처럼 펌핑될 때 녹색으로 빛납니다. 에르븀 도핑된 광섬유는 하이브리드 980/1550 나노미터 파장 분할 다중화기 및 1550 나노미터 절연체와 융합 접합됩니다.

두 번째 레이저 다이오드에 의해 펌핑됩니다. 캐비티 루프의 마지막 요소는 편광판 바로 앞에 놓아야 하는 50-50 출력 커플러입니다. 캐비티 출력 커플러의 위치는 편광 분석기가 이 커플러에서 입력을 받기 때문에 매우 중요합니다.

비선형 편광 회전의 효과를 최대화하기 위해 편광판 바로 앞에 위치해야 합니다. 캐비티의 출력은 99:1 스플리터로 이동하고 99%는 사용 가능한 출력으로 이동합니다. 1%는 수동 편광 컨트롤러를 거치며 자동 모드 잠금에 대한 피드백을 제공합니다.

다음 단계는 전동 편광 컨트롤러를 컴퓨터 컨트롤러에 연결하는 것입니다. 먼저 intracavity fiber squeezer polarization controller를 구동 모듈에 연결합니다. 그런 다음 구동 모듈을 컴퓨터의 USB 포트에 연결합니다.

벤치의 레이저 출력 광섬유로 돌아가서 99% 출력을 선택합니다. barefit 어댑터를 사용하여 99% 출력을 광 스펙트럼 분석기에 연결합니다. 펌프 레이저를 켜고 컴퓨터로 이동하여 기기 인터페이스를 시작합니다.

인터페이스를 사용하여 편광 컨트롤러에 시계 방향으로 3000단계를 회전하도록 명령합니다. 회전하는 동안 컨트롤러는 기계적 정지에 도달합니다. 그런 다음 편광 컨트롤러에 시계 반대 방향으로 약 1도 회전하도록 명령합니다.

광 스펙트럼 분석기에서 스펙트럼을 관찰하여 모드 잠금에 도달했는지 확인합니다. 스펙트럼은 모드 잠금, 준연속 및 Q 스위치 영역을 나타냅니다. 준연속 및 Q 스위칭 영역과 비교할 때 모드 고정 스펙트럼은 매우 넓습니다.

편광 컨트롤러를 시계 반대 방향으로 1도 단위로 회전합니다. 모드 잠금에 도달하면 계속 진행하기 전에 각도를 수정하십시오. 이 시점에서 펌프 전력 임계값을 검색할 준비를 합니다.

모드 잠금이 손실될 때까지 펌프 동력을 줄이십시오. 그런 다음 펌프 출력을 모드 잠금 임계값 바로 위까지 높입니다. 모드 잠금 스펙트럼을 관찰한 다음 레이저 전원을 껐다가 다시 켜서 레이저 모드가 자체적으로 잠기는지 확인합니다.

모드 잠금 상태를 확인하려면 스펙트럼 분석기에서 광섬유를 분리합니다. 광섬유를 빠른 포토 다이오드 설정에 연결하여 오실로스코프에 신호를 표시합니다. 모드 잠금 상태는 약 82MHz의 반복률로 펄스 변형을 생성합니다.

다음 단계는 레이저 출력의 편광 분석을 준비하는 것입니다. 이렇게하려면 편광계라고도하는 상용 편광 분석기를 사용하고 1 % 탭에서 광섬유를 입력하십시오. 실험을 위한 장비의 최종 배치는 이 회로도에 나와 있습니다.

컴퓨터는 편광 분석기를 제어할 수 있습니다. 컴퓨터를 사용하여 편광 컨트롤러를 기계적으로 정지시키고 편광계 소프트웨어를 중지하십시오. 이 시점에서 광 스펙트럼 분석기는 비모드 잠금 스펙트럼을 표시합니다.

편광계 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭하여 편광 측정을 시작합니다. 편광 컨트롤러를 시계 반대 방향으로 1도씩 조금씩 밟습니다. intra-cavity polarization controller가 허용하는 각도 범위를 탐색하면서 편광계 소프트웨어를 사용하여 편광 상태를 관찰합니다.

모드 잠금의 증거가 나타날 때까지 각도를 계속 탐색하십시오. 편광은 모드 잠금에 도달하는 위치를 제외하고는 각도와 함께 매우 부드럽게 유지됩니다. 스펙트럼 분석기의 스펙트럼을 관찰하여 모드 잠금의 서명이 분명한지 확인합니다.

계속하려면 컴퓨터로 돌아가십시오. 다시 한 번 더 이상 회전할 수 없을 때까지 편광 컨트롤러를 시계 방향으로 돌립니다. 편광계 소프트웨어에서 각도의 함수로 Stokes 매개변수를 모니터링할 준비를 합니다.

여기에서 그들은 위에서 아래로 S, 0에서 S 3으로 정렬됩니다. 편광 컨트롤러의 각도를 1도씩 진행하면서 S 1, S 2 및 S 3의 값을 기록하고 확인합니다. S one은 모드 잠금으로의 전환이 발생할 때 급격한 변화를 겪는 것을 볼 수 있습니다.

그래픽 프로그래밍 언어에서 모드 잠금 조건을 자동으로 찾는 스크립트를 작성하십시오. 이 스크립트의 논리는 이 순서도에 나와 있습니다. 기본적으로 스크립트는 기계적 정지에서 편광 상태 컨트롤러로 시작하여 각 단계에서 편광계에서 S 1의 값을 읽으면서 1도씩 각도를 증가시킵니다.

S 1의 값이 한 단계에서 미리 결정된 임계값 값인 0 포인트 3보다 증가하자마자 모드 잠금이 달성되어야 하므로 스크립트가 중지됩니다. 그런 다음 스크립트를 실행합니다. 이 버전의 스크립트는 각도가 증가함에 따라 Stokes 매개 변수 S 1의 진화를 표시합니다.

앵귤러 스윕이 시작되면 레이저가 모드 잠금이 되지 않습니다. 편광 컨트롤러가 회전함에 따라 S one의 값과 레이저의 광학 스펙트럼이 진화하고 있습니다. 스크립트가 끝나면 광범위한 광학 스펙트럼에서 볼 수 있듯이 모드 잠금이 달성됩니다.

다음 단계는 상업용 편광계를 교체하는 것입니다. GPIB 인터페이스가 있는 컴퓨터에 연결된 오실로스코프를 사용합니다. 다음으로, 교체용 편광계의 광학 구성 요소에 주의를 기울입니다.

중앙에는 3개의 FC-APC 광섬유 포트 시준기와 정렬된 편광 빔 스플리터가 있습니다. 빛은 상단의 포트에서 빔 스플리터로 입력됩니다. 수직 편광은 오른쪽 포트에서 시스템을 빠져 나옵니다.

수평 편광은 하단 포트에서 출력됩니다. 편광 분석기는 또한 두 개의 동일한 전자 회로를 제작해야 합니다. 여기서 두 개의 트랜스임피던스 증폭기 회로는 동일한 브라이트 보드에 있습니다.

개별 회로의 레이아웃이 이 다이어그램에 있습니다. 먼저, 인듐 갈륨 비소 광 다이오드는 1550 나노미터 신호를 감지합니다. 광 다이오드는 연산 증폭기, 저항기 및 커패시터에 연결됩니다.

회로의 출력은 오실로스코프에 연결되며 평균 광 전력의 측정값을 제공합니다. 벤치에서 빔 스플리터 출력을 회로에 연결하기 시작합니다. 먼저 하나의 출력을 인듐 갈륨 비소 광다이오드에 연결합니다.

다음으로, 트랜스임피던스 증폭기 회로의 출력을 오실로스코프의 채널 1에 연결합니다. 오실로스코프와 트랜스임피던스를 켭니다 amp리퍼 회로. 상업용 편광계에서 레이저의 1% 출력을 분리합니다.

출력을 편광 빔 스플리터의 입력 포트에 연결합니다. 임의의 펌프 전원에서 레이저를 켜서 1550나노미터 광 신호를 보냅니다. 컴퓨터에서 스크립트를 실행하여 오실로스코프의 채널 1에서 평균 전압을 읽습니다.

편광 분석기의 광학 요소로 돌아갑니다. 포토다이오드에서 편광 빔 스플리터의 출력을 분리합니다. 대신 빔 스플리터 출력을 상용 전력계에 연결하십시오.

이 펌프 전력에 대한 광학 전력을 읽고 기록합니다. 입력 광 신호의 전력을 변화시킨 다음 평균 전압과 광 전력을 측정하여 계속합니다. 여러 번 측정한 후 전압 대 전력의 플롯은 선형이어야 합니다.

이 선형 관계의 계수를 결정합니다. 빔 스플리터의 두 번째 출력과 동일한 절차를 수행하여 최종 편광 분석기 설정에 도달합니다. 수직 및 수평 편광 출력은 모두 증폭기 회로에 연결됩니다.

각 회로에는 컴퓨터가 읽는 전용 오실로스코프 채널이 있습니다. 이제 새로운 편광 분석기를 자동화된 모드 잠금 프로세스에 통합하십시오. 스톡스 현상 S에서 불연속성을 편광 컨트롤러 각도의 함수로 검색하기 위해 작성된 스크립트를 엽니다.

이를 수정하려면 장치에서 S one을 결정하는 변경만 있으면 됩니다. 이 분석기의 경우 다음 수식을 사용하여 S 1을 계산합니다. 전력 값 PX 및 PY는 각 편파에 대한 전압과 전력 사이의 측정된 선형 관계에서 구합니다.

완료되면 스크립트를 시작합니다. 이 버전의 스크립트는 각도가 증가함에 따라 Stokes 매개 변수 S 1의 진화를 표시합니다. 앵귤러 스윕이 시작되면 레이저가 모드 잠금이 되지 않습니다.

편광 컨트롤러가 회전함에 따라 S one의 값과 레이저의 광학 스펙트럼이 진화하고 있습니다. 스크립트가 끝나면 광범위한 광학 스펙트럼에서 볼 수 있듯이 모드 잠금이 달성됩니다. 이것은 Stokes 매개변수 S 1과 전동 편광 상태 컨트롤러의 각도에 대한 일반적인 플롯입니다.

S one은 비상업적 편광 분석기에서 측정한 전력 값을 사용하여 계산됩니다. 레이저가 모드 잠금 상태에 도달하면 급격한 변화가 발생합니다. 불연속성에서 편광 컨트롤러 각도의 변화를 중지하도록 작성된 자동화된 스크립트는 몇 분 내에 모드 잠금을 찾을 수 있습니다.

이 절차는 몇 분 내에 모드 잠금을 찾을 수 있습니다. 그 구현은 레이저 캐비티 설계에 영향을 미치지 않으며 출력 신호의 1%만 모니터링하면 되고 99%는 의도된 응용 분야에 사용됩니다. 범프 파워 및 편광 컨트롤러의 복굴절과 같은 레이저 매개변수를 수행하는 절차를 수행하려면 다중 펄스 또는 노이즈와 같은 펄스와 같은 원치 않는 작동 체제를 피하기 위해 적절하게 사전 조정해야 합니다.

이 절차를 다양한 레이저 설계 및 작동 파장에 적용할 수 있는지 연구하려면 추가 작업이 필요합니다. 우리는 이 절차가 시작 시 모드 잠금이 자동으로 발생할 것으로 예상하는 상업용 파이버 레이저 시스템에서 사용할 수 있다고 믿습니다.