Automação de Modo de bloqueio em uma rotação do laser da fibra não-linear de polarização através de medidas de polarização de saída

O objetivo geral deste procedimento é detectar um travamento de modo automatizado em um laser de fibra com rotação não linear de polarização previamente ajustado. Este procedimento fornece uma alternativa aos métodos automatizados existentes baseados em analisador de espectro de radiofrequência, analisador de espectro óptico, esquema de detecção não linear ou dispositivo de contagem de pulsos. Suas principais vantagens são o custo relativamente baixo, a facilidade de implementação e o fato de exigir apenas uma pequena fração da saída do laser, derivada para monitoramento.

Esta animação mostra o conceito de bloqueio de modo baseado na rotação não linear da polarização. O sinal é polarizado pelo polarizador e, em seguida, transformado em um estado de polarização elíptica pelo controlador de polarização. A não linearidade presente nas fibras da cavidade força uma rotação dessa elipse, que é proporcional à potência instantânea do sinal.

A transmissão no polarizador final favorecerá assim a passagem das partes do sinal com alta potência, levando à formação de um pulso. Ao posicionar um analisador de polarização logo antes do polarizador final, é possível detectar um pulso na cavidade discriminando entre estados de polarização. Isso é possível porque um pulso sofrerá uma rotação não linear de polarização maior do que um sinal contínuo durante uma volta completa na cavidade.

O primeiro passo é montar um sistema a laser de fibra em uma plataforma estável. Para começar, monte a cavidade em anel do laser, que é o núcleo deste experimento, em uma bancada óptica. Este esquema fornece uma visão geral para orientação.

A luz propaga-se no sentido horário. Para entender a montagem, comece com um polarizador. Utiliza-se um polarizador com fibra pigtail.

É soldado por fusão a um trecho de fibra revestida com poliimida que é inserido em um controlador de estado de polarização do tipo yow com motorização e fibra inteira. A presença desse componente é essencial para o procedimento de automação. Após o controlador de polarização, coloque um divisor de comprimento de onda de 980/1550 nanômetros que é bombeado por um diodo a laser de 976 nanômetros.

Em seguida, faça a luz passar por uma fibra óptica dopada com érbio de modo único que atua como meio de ganho. A fibra dopada com érbio brilha em verde quando é bombeada, conforme mostrado aqui. A fibra dopada com érbio é conectada por fusão a um multiplexador híbrido de divisão de comprimento de onda de 980/1550 nanômetros e a um isolador de 1550 nanômetros.

É bombeado por um segundo diodo laser. O elemento final no circuito da cavidade é um acoplador de saída 50-50 que deve ser colocado logo antes do polarizador. A posição do acoplador de saída da cavidade é muito importante, pois o analisador de polarização receberá seu sinal de entrada a partir desse acoplador.

Deve estar localizado logo antes do polarizador para maximizar o efeito da rotação de polarização não linear. A saída de uma cavidade vai para um divisor 99:1, com 99% indo para a saída utilizável. Os 1% restantes passam por um controlador de polarização manual e fornecem retroalimentação para o bloqueio automático de modos.

O próximo passo é conectar o controlador de polarização motorizado a um controlador de computador. Primeiro, conecte o controlador de polarização com apertador de fibra intra-cavidade ao seu módulo de acionamento. Em seguida, conecte o módulo de acionamento à porta USB do computador.

Retorne às fibras de saída do laser na bancada e selecione a saída de 99%. Conecte a saída de 99% a um analisador de espectro óptico utilizando um adaptador barefit. Ligue os lasers de bombeamento e dirija-se ao computador para iniciar a interface do instrumento.

Use a interface para comandar o controlador de polarização a girar 3000 passos no sentido horário. Durante a rotação, o controlador atingirá um ponto de parada mecânica. Em seguida, comande o controlador de polarização a girar aproximadamente um grau no sentido anti-horário.

Observe o espectro no analisador óptico de espectro para determinar se o bloqueio de modos foi alcançado. Os espectros são representativos dos regimes bloqueados por modo quase contínuo e por chaveamento Q. Em comparação com os regimes quase contínuo e por chaveamento Q, o espectro bloqueado por modo é muito amplo.

Gire o controlador de polarização no sentido anti-horário em etapas de um grau. Quando o bloqueio de modo for alcançado, fixe o ângulo antes de prosseguir. Neste momento, prepare-se para buscar os limiares de potência da bomba.

Reduza a potência da bomba até que o travamento de modo seja perdido. Em seguida, aumente a potência da bomba para um valor logo acima do limiar de travamento de modo. Observe o espectro de travamento de modo e, então, desligue e religue a potência do laser para garantir que o laser trave o modo por si só.

Para confirmar o estado de bloqueio de modos, desconecte a fibra do analisador de espectro. Conecte a fibra a um conjunto com fotodiodo rápido para exibir um sinal em um osciloscópio. O estado de bloqueio de modos produz uma sequência de pulsos com uma taxa de repetição de cerca de 82 megahertz.

O próximo passo é preparar-se para analisar a polarização da saída do laser. Para isso, utilize um analisador de polarização comercial, também chamado de polarímetro, e conecte a fibra do acoplador de 1%. A disposição final dos equipamentos para o experimento é mostrada neste esquema.

O computador pode controlar o analisador de polarização. Use o computador para posicionar o controlador de polarização em seu ponto de parada mecânica e para encerrar o software do polarímetro. Neste momento, o analisador de espectro óptico exibe um espectro não modulado por bloqueio de modo.

No software do polarímetro, inicie as medições de polarização clicando no botão de início. Gire o controlador de polarização no sentido anti-horário em incrementos de um grau. Conforme for explorada a faixa de ângulos permitida pelo controlador de polarização intercavidade, observe o estado de polarização utilizando o software do polarímetro.

Continue explorando os ângulos até que haja evidência de travamento de modos. Observe que a polarização permanece muito estável com o ângulo, exceto onde o travamento de modos é alcançado. Observe o espectro no analisador de espectros para verificar se a assinatura do travamento de modos está evidente.

Volte ao computador para continuar. Novamente, gire o controlador de polarização no sentido horário até que não possa mais girar. No software do polarímetro, prepare-se para monitorar os parâmetros de Stokes em função do ângulo.

Aqui eles estão ordenados de S zero a S três de cima para baixo. Ajuste os ângulos do controlador de polarização em incrementos de um grau enquanto registra e visualiza os valores de S um, S dois e S três. Pode-se observar que S um apresenta uma variação abrupta quando ocorre a transição para a operação em modo acoplado.

Em uma linguagem de programação gráfica, escreva um script que encontrará automaticamente a condição de travamento de modo. A lógica desse script é apresentada neste fluxograma. Basicamente, o script começará com o controlador de estado de polarização no limite mecânico e aumentará seu ângulo em passos de um grau, lendo a cada passo o valor de S um do polarímetro.

Assim que o valor de S um aumentar em mais do que um valor predeterminado de limite de zero vírgula três em um único passo, o script será interrompido, já que o bloqueio de modos deve ter sido alcançado. Em seguida, execute o script. Esta versão do script exibe a evolução do parâmetro de Stokes S um à medida que o ângulo é incrementado.

À medida que a varredura angular começa, o laser não está com bloqueio de modo. Conforme o controlador de polarização gira, o valor de S um e o espectro óptico do laser estão evoluindo. Quando o script é concluído, o bloqueio de modo é alcançado, como visto pelo espectro óptico amplo.

O próximo passo é criar um substituto para o polarímetro comercial. Use um osciloscópio conectado ao computador com uma interface GPIB. Em seguida, concentre-se nos componentes ópticos do polarímetro substituto.

Há um divisor de feixe polarizador no centro, alinhado com três colimadores de porta fibra óptica FC-APC. A luz é inserida no divisor de feixe pela porta superior. A luz polarizada verticalmente sai do sistema pela porta direita.

A luz polarizada horizontalmente é emitida pela porta inferior. O analisador de polarização também exige a fabricação de dois circuitos eletrônicos idênticos. Aqui, os dois circuitos amplificadores transimpedância estão na mesma placa brilhante.

O layout de um circuito individual está neste diagrama. Primeiro, um fotodiodo de arsenieto de gálio índio detecta um sinal de 1550 nanômetros. O fotodiodo está conectado a um amplificador operacional, um resistor e um capacitor.

A saída do circuito é conectada a um osciloscópio e fornece uma medida da potência óptica média. Na bancada, comece conectando as saídas do divisor de feixe aos circuitos. Primeiro, conecte uma saída a um fotodiodo de arsenieto de índio e gálio.

Em seguida, conecte a saída do circuito amplificador transimpedância ao canal um do osciloscópio. Ligue o osciloscópio e o circuito amplificador transimpedância. Desconecte a saída de 1% do laser do polarímetro comercial.

Conecte a saída à porta de entrada do divisor de feixe polarizador. Ligue o laser em uma potência de bombeamento arbitrária para enviar um sinal óptico de 1550 nanômetros. No computador, execute um script para ler a tensão média no canal um do osciloscópio.

Retorne aos elementos ópticos do analisador de polarização. Desconecte a saída do divisor de feixe polarizador do fotodiodo. Em vez disso, conecte a saída do divisor de feixe a um medidor de potência comercial.

Leia e registre a potência óptica para esta potência de bombeamento. Continue variando a potência do sinal óptico de entrada e, em seguida, medindo a tensão média e a potência óptica. Após várias medições, um gráfico da tensão versus potência deve ser linear.

Determine os coeficientes dessa relação linear. Siga o mesmo procedimento com a segunda saída do divisor de feixe para chegar à configuração final do analisador de polarização. Ambas as saídas de polarização vertical e horizontal são conectadas a circuitos amplificadores.

Cada circuito possui um canal dedicado no osciloscópio, que é lido pelo computador. Agora, incorpore o novo analisador de polarização ao processo automatizado de travamento de modo. Abra os scripts escritos para buscar descontinuidades no fenômeno de Stokes S₁ como função do ângulo do controlador de polarização.

Para modificá-lo, basta alterar a determinação de S um a partir do aparelho. Para este analisador, calcule S um utilizando esta fórmula. Os valores de potência PX e PY são obtidos a partir da relação linear medida entre tensão e potência para cada polarização.

Quando concluído, inicie o script. Esta versão do script exibe a evolução do parâmetro de Stokes S um à medida que o ângulo é incrementado. À medida que a varredura angular começa, o laser não está com bloqueio de modo.

À medida que o controlador de polarização gira, o valor de S um e o espectro óptico do laser estão evoluindo. Quando o script é concluído, o bloqueio de modos é alcançado, como visto pelo espectro óptico amplo. Este é um gráfico típico do parâmetro de Stokes S um em função do ângulo do controlador de estado de polarização motorizado.

S um é calculado usando valores de potência medidos a partir de um analisador de polarização não comercial. Uma mudança abrupta ocorre quando o laser atinge o estado de bloqueio de modo. Um script automatizado escrito para interromper a variação do ângulo do controlador de polarização em uma descontinuidade pode encontrar o bloqueio de modo em poucos minutos.

O procedimento pode identificar a travamento de modo em poucos minutos. Sua implementação não afeta o projeto da cavidade a laser e requer apenas que 1% do sinal de saída seja monitorado, restando 99% para as aplicações pretendidas. Para que o procedimento funcione adequadamente, os parâmetros do laser, como sua potência de pico e a birrefringência do controlador de polarização, devem ser pré-ajustados corretamente, a fim de evitar regimes indesejados de operação, como pulsos múltiplos ou pulsos semelhantes a ruído.

Será necessário trabalho adicional para estudar a aplicabilidade deste procedimento a diferentes projetos de laser e comprimentos de onda de operação. Acreditamos que este procedimento possa ser utilizado em sistemas a laser de fibra comerciais, onde se espera que o bloqueio de modos ocorra automaticamente na inicialização.