Automatisering van Mode Locking in een lineaire Polarisatie Rotatie Fiber Laser tot Uitvoer Polarisatie Metingen

Het algemene doel van deze procedure is het detecteren van een automatische mode-locking in een vooraf ingestelde fiberlaser met niet-lineaire polarisatierotatie. Deze procedure biedt een alternatief voor bestaande automatiseringsprocedures die gebaseerd zijn op een RF-spectrumanalyzer, een optische spectrumanalyzer, een niet-lineair detectieschema of een pauzetellingsapparaat. De belangrijkste voordelen zijn dat het relatief goedkoop is, eenvoudig te implementeren is en slechts een klein fractie van de laseruitvoer vereist voor monitoring.

Deze animatie illustreert het concept van mode-locking op basis van niet-lineaire polarisatierotatie. Het signaal wordt gepolariseerd door de polarisator en vervolgens door de polarisatiecontroller omgezet in een elliptische polarisatietoestand. De huidige niet-lineariteit in de vezels van de caviteit dwingt een rotatie van deze ellips af, die proportioneel is aan het ogenblikkelijke vermogen van het signaal.

Transmissie bij de uiteindelijke polarisator zal dus de transmissie van hoogvermogensgedeelten van het signaal bevoordelen, wat leidt tot de vorming van een puls. Door een polarisatie-analyser vlak voor de uiteindelijke polarisator te plaatsen, is detectie van een puls in de caviteit mogelijk door onderscheid te maken tussen polarisatietoestanden. Dit is haalbaar omdat een puls tijdens een ronde in de caviteit een grotere niet-lineaire polarisatierotatie ondergaat dan een continugolfsignaal.

De eerste stap is het opzetten van een vezellasersysteem op een stabiel platform. Begin met het opstellen van de laserringcaviteit, de kern van dit experiment, op een optische tafel. Dit schema biedt een overzicht ter oriëntatie.

Licht plant zich met de klok mee voort. Om de opstelling te begrijpen, beginnen we bij een polarisator. Er wordt gebruikgemaakt van een fiber pigtailed polarisator.

Het wordt via fusielassen verbonden met een sectie polyimide-gecoate vezel die is geplaatst in een gemotoriseerde polarization state controller van het yow-type, volledig opgebouwd uit vezels. De aanwezigheid van dit component is essentieel voor de automatiseringsprocedure. Plaats na de polarisatiecontroller een 980/1550 nanometer wavelength division multiplexer die wordt gepompt door een 976 nanometer laserdiode.

Leid het licht vervolgens door een single-mode erbium-gedoteerde optische vezel die als versterkingsmedium dient. De erbium-gedoteerde vezel geeft een groene gloed af wanneer deze wordt gepompt, zoals hier wordt getoond. De erbium-gedoteerde vezel is via fusielasverbindingen gekoppeld aan een hybride 980/1550 nanometer wavelength division multiplexer en een 1550 nanometer isolator.

Het wordt gepompt door een tweede lasersdioden. Het laatste element in de caviteitslus is een 50-50 outputkoppelaar die vlak voor de polarisator moet worden geplaatst. De positie van de outputkoppelaar van de caviteit is zeer belangrijk, aangezien de polarisatieanalyser zijn input van deze koppelaar ontvangt.

Het moet zich direct vóór de polarisator bevinden om het effect van niet-lineaire polarisatierotatie te maximaliseren. De output van een cavity gaat naar een 99:1 splitter, waarbij 99% naar de bruikbare output gaat. De 1% gaat door een handmatige polarisatiecontroller en dient als feedback voor geautomatiseerde mode-locking.

De volgende stap is het aansluiten van de gemotoriseerde polarisatiecontroller op een computercontroller. Sluit eerst de polarisatiecontroller van de intercavity fiber squeezer aan op de bijbehorende aansturingsmodule. Sluit vervolgens de aansturingsmodule aan op de USB-poort van de computer.

Keer terug naar de laseruitvoervezels op de werkbank en selecteer de 99% output. Verbind de 99% output met een optische spectrumanalyser met behulp van een bare-fiber adapter. Zet de pomplasers aan en ga naar de computer om de instrumentinterface te starten.

Gebruik de interface om de polarisatiecontroller 3000 stappen met de klok mee te laten draaien. Tijdens het draaien zal de controller een mechanische stop bereiken. Instrueer de polarisatiecontroller vervolgens om ongeveer één graad tegen de klok in te draaien.

Observeer het spectrum op de optische spectrumanalysator om te bepalen of mode-lock is bereikt. De spectra zijn representatief voor quasi-continue en Q-switched regimes met mode-lock. In vergelijking met de quasi-continue en Q-switched regimes is het mode-locked spectrum zeer breed.

Draai de polarisatiecontroller tegen de klok in in stappen van één graad. Wanneer mode-locking is bereikt, wordt de hoek gefixeerd voordat u verdergaat. Bereid u op dit punt voor om de drempelwaarden voor het pomppvermogen te bepalen.

Verlaag het pomppvermogen totdat de mode-locking verloren gaat. Verhoog vervolgens het pomppvermogen tot net boven de drempelwaarde voor mode-locking. Observeer het mode-locking spectrum en schakel daarna de laser uit en weer in om te controleren of de laser zelfstandig mode-lockt.

Om de mode-locking-toestand te bevestigen, koppelt u de vezel los van de spectrumanalysator. Sluit de vezel aan op een opstelling met een snelle fotodiode om een signaal op een oscilloscoop weer te geven. De mode-locking-toestand produceert een pulstrein met een herhalingssnelheid van ongeveer 82 megahertz.

De volgende stap is de voorbereiding voor het analyseren van de polarisatie van de laseroutput. Gebruik hiervoor een commerciële polarisatie-analysator, ook wel een polarimeter genoemd, en voer de vezel van de 1%tap in. De uiteindelijke opstelling van de apparatuur voor het experiment is afgebeeld in dit schema.

De computer kan de polarisatie-analyse-eenheid aansturen. Gebruik de computer om de polarisatiecontroller naar de mechanische aanslag te brengen en om de polarimetersoftware te stoppen. Op dit punt vertoont de optische spectrumanalyser een spectrum zonder modedlocking.

Start de polarisatiemetingen in de polarimetersoftware door op de startknop te klikken. Verplaats de polarisatiecontroller tegen de klok in met stappen van één graad. Observeer de polarisatietoestand met de polarimetersoftware terwijl het bereik van hoeken dat door de inter-cavity polarisatiecontroller wordt toegestaan, wordt verkend.

Ga door met het verkennen van de hoeken totdat er bewijs is van mode-locking. Let op dat de polarisatie zeer gelijkmatig verloopt met de hoek, behalve op het punt waar mode-locking wordt bereikt. Observeer het spectrum op de spectrumanalyser om te verifiëren dat de signatuur van mode-locking duidelijk zichtbaar is.

Keer terug naar de computer om verder te gaan. Draai de polarisatiecontroller opnieuw met de klok mee totdat deze niet verder kan draaien. Bereid in de polarimetersoftware de monitoring van de Stokes-parameters als functie van de hoek voor.

Hier zijn ze geordend van S nul tot S drie, van boven naar beneden. Loop door de hoeken van de polarisatiecontroller in stappen van één graad, terwijl de waarden van S één, S twee en S drie worden geregistreerd en bekeken. Er is te zien dat S één een abrupte variatie ondergaat wanneer de overgang naar mode-locking plaatsvindt.

Schrijf in een grafische programmeertaal een script dat de mode-locking-conditie automatisch vindt. De logica van dit script wordt weergegeven in dit stroomdiagram. In essentie zal het script starten met de polarisatietoestandsregelaar op de mechanische stop en de hoek stapsgewijs met één graad verhogen, terwijl bij elke stap de waarde van S₁ van de polarimeter wordt afgelezen.

Zodra de waarde van S one in een enkele stap met meer dan een vooraf bepaalde drempelwaarde van nul komma drie toeneemt, stopt het script, aangezien mode-locking bereikt zou moeten zijn. Voer vervolgens het script uit. Deze versie van het script toont de evolutie van de Stokes-parameter S one naarmate de hoek wordt vergroot.

Wanneer de hoeksweep begint, is de laser niet mode-locked. Terwijl de polarisatiecontroller draait, evolueren de waarde van S één en het optische spectrum van de laser. Wanneer het script is voltooid, is mode-locking bereikt, wat blijkt uit het brede optische spectrum.

De volgende stap is het maken van een vervanging voor de commerciële polarimeter. Gebruik hiervoor een oscilloscoop die via een GPIB-interface met de computer is verbonden. Richt de aandacht vervolgens op de optische componenten van de vervangende polarimeter.

In het centrum bevindt zich een polariserende bundelsplitser die is uitgelijnd met drie FC-APC glasvezelpoort-collimatoren. Licht wordt via de bovenste poort in de bundelsplitser ingevoerd. Verticaal gepolariseerd licht verlaat het systeem via de rechterpoort.

Horizontaal gepolariseerd licht wordt via de onderste poort uitgezonden. Voor de polarisatie-analyzer moeten tevens twee identieke elektronische circuits worden gefabriceerd. Hier bevinden beide transimpedantie-versterkerscircuits zich op dezelfde printplaat.

De indeling van een individueel circuit is weergegeven in dit diagram. Eerst detecteert een indiumgalliumarsenide-fotodiode een signaal van 1550 nanometer. De fotodiode is verbonden met een operationele versterker, een weerstand en een condensator.

De output van het circuit is verbonden met een oscilloscoop en geeft een maat voor het gemiddelde optische vermogen. Begin aan de werkbank met het verbinden van de outputs van de bundelsplitser met de circuits. Verbind eerst één output met een indiumgalliumarsenide-fotodiode.

Sluit vervolgens de uitgang van het transimpedantie-versterkercircuit aan op kanaal één van de oscilloscoop. Zet de oscilloscoop en het transimpedantie-versterkercircuit aan. Koppel de 1% output van de laser los van de commerciële polarimeter.

Verbind de uitgang met de ingangspoort van de polariserende bundelsplitser. Zet de laser aan bij een willekeurig pomppVermogen om een optisch signaal van 1550 nanometer te verzenden. Voer op de computer een script uit om de gemiddelde spanning op kanaal één van de oscilloscoop af te lezen.

Keer terug naar de optische elementen van de polarisatieanalyse-opstelling. Ontkoppel de uitgang van de polariserende beamsplitter van de fotodiode. Verbind de uitgang van de beamsplitter in plaats daarvan met een commerciële vermogensmeter.

Lees het optische vermogen voor dit pomppvermogen af en noteer dit. Ga verder door het vermogen van het optische ingangssignaal te variëren en vervolgens de gemiddelde spanning en het optische vermogen te meten. Na verschillende metingen moet een grafiek van de spanning tegenover het vermogen lineair zijn.

Bepaal de coëfficiënten van deze lineaire relatie. Volg dezelfde procedure met de tweede uitgang van de bundelsplitser om tot de uiteindelijke opstelling van de polarisatie-analysator te komen. Zowel de verticale als de horizontale polarisatie-uitgangen zijn verbonden met versterkercircuits.

Elk circuit heeft een toegewezen oscilloscoopkanaal, dat door de computer wordt uitgelezen. Integreer nu de nieuwe polarisatie-analyzer in het geautomatiseerde mode-locking-proces. Open de scripts die zijn geschreven om te zoeken naar discontinuïteit in het Stokes-fenomeen S one als functie van de hoek van de polarisatiecontroller.

Voor de aanpassing is alleen een wijziging nodig in het bepalen van S één vanuit de apparatuur. Bereken voor deze analyzer S één met behulp van deze formule. De vermogenswaarden PX en PY worden bepaald uit de gemeten lineaire relatie tussen spanning en vermogen voor elke polarisatie.

Wanneer dit is voltooid, start u het script. Deze versie van het script toont de evolutie van de Stokes-parameter S1 naarmate de hoek wordt vergroot. Wanneer de hoeksweep begint, is de laser niet mode-locked.

Terwijl de polarisatiecontroller draait, evolueren de waarde van S one en het optische spectrum van de laser. Wanneer het script is voltooid, is mode-locking bereikt, wat blijkt uit het brede optische spectrum. Dit is een typische grafiek van de Stokes-parameter S one tegenover de hoek van de gemotoriseerde polarisatietoestandscontroller.

S wordt berekend met behulp van vermogenswaarden die zijn gemeten met een niet-commerciële polarisatie-analyzer. Er treedt een abrupte verandering op wanneer de laser de mode-locking-toestand bereikt. Een geautomatiseerd script, geschreven om de variatie van de hoek van de polarisatiecontroller bij een discontinuïteit te stoppen, kan binnen enkele minuten de mode-lock vinden.

De procedure kan binnen enkele minuten mode-locking vinden. De implementatie heeft geen invloed op het ontwerp van de laserholte en vereist dat slechts 1% van het uitgangssignaal wordt gemonitord, waardoor 99% beschikbaar blijft voor de beoogde toepassingen. Om de procedure te laten werken, moeten de laserparameters, zoals het pompvermogen en de dubbelbreking van de polarisatiecontroller, vooraf correct worden ingesteld om ongewenste bedrijfsregimes, zoals multiple pulsing of noise-like pulses, te voorkomen.

Aanvullend onderzoek is nodig om de toepasbaarheid van deze procedure op verschillende laserontwerpen en operationele golflengten te bestuderen. Wij geloven dat deze procedure kan worden toegepast in commerciële vezellasersystemen waarbij wordt verwacht dat modelocking automatisch optreedt bij het opstarten.