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 modo automatizado travando em um laser de fibra de rotação de polarização não linear pré-ajustado. Este procedimento fornece uma maneira alternativa ao procedimento de automação existente com base em um analisador de espectro de RF, um analisador de espectro óptico, um esquema de detecção não linear ou um dispositivo de contagem de pausa. Suas principais vantagens são que é relativamente barato, é fácil de implementar e requer apenas uma pequena fração da saída do laser para ser aproveitada para monitoramento.

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

A transmissão no polarizador final favorecerá, portanto, a transmissão de porções de alta potência do sinal, levando à formação de um pulso. Ao posicionar um analisador de polarização logo antes do polarizador final, a detecção de um pulso na cavidade é possível discriminando entre os estados de polarização. Isso é possível porque um pulso sofrerá uma rotação de polarização não linear maior do que um sinal de onda contínua durante uma viagem de ida e volta na cavidade.

O primeiro passo é configurar um sistema de laser de fibra em uma plataforma estável. Para começar, configure a cavidade do anel de laser no centro deste experimento em uma bancada óptica. Este esquema fornece uma visão geral da orientação.

A luz se propaga no sentido horário. Para entender a configuração, comece com um polarizador. Um polarizador pigtailed fibra é usado.

É uma fusão emendada com uma seção de fibra revestida de poliimida que é inserida em um controlador de estado de polarização do tipo yow motorizado totalmente em fibra. A presença deste componente é essencial para o procedimento de automação. Após o controlador de polarização, coloque um multiplexador de divisão de comprimento de onda de 980/1550 nanômetros que é bombeado por um diodo laser de 976 nanômetros.

Em seguida, passe a luz através de uma fibra óptica dopada com érbio monomodo que é o meio de ganho. A fibra dopada com érbio brilha em verde quando é bombeada, como mostrado aqui. A fibra dopada com érbio é unida por fusão com um multiplexador híbrido de divisão de comprimento de onda de 980/1550 nanômetros e um isolador de 1550 nanômetros.

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

Ele 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 de 99:1 com 99% indo para a saída utilizável. O 1% passa por um controlador de polarização manual e fornece feedback para bloqueio de modo automatizado.

O próximo passo é conectar o controlador de polarização motorizado a um controlador de computador. Primeiro conecte o controlador de polarização do espremedor de fibra intercavidade 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 usando um adaptador barefit. Ligue os lasers da bomba e vá para o computador para iniciar a interface do instrumento.

Use a interface para comandar o controlador de polarização para girar 3000 passos no sentido horário. Durante a rotação, o controlador irá parar mecanicamente. Em seguida, comande o controlador de polarização para girar um grau aproximadamente no sentido anti-horário.

Observe o espectro no analisador de espectro óptico para determinar se o bloqueio de modo foi atingido. Os espectros são representativos dos regimes de modo bloqueado, quase-contínuo e Q-switched. Comparado com os regimes quase-contínuo e Q-switched, o espectro de modo bloqueado 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 ponto, prepare-se para procurar os limites de potência da bomba.

Reduza a potência da bomba até que o bloqueio do modo seja perdido. Em seguida, aumente a potência da bomba para um pouco acima do limite de bloqueio de modo. Observe o espectro de bloqueio de modo e, em seguida, desligue e ligue o laser novamente para garantir que o modo de laser trave sozinho.

Para confirmar o estado de bloqueio de modo, desconecte a fibra do analisador de espectro. Conecte a fibra a uma configuração rápida de fotodiodo para exibir um sinal em um osciloscópio. O estado de bloqueio de modo produz uma tensão de pulso com uma taxa de repetição de cerca de 82 megahertz.

O próximo passo é se preparar para analisar a polarização da saída do laser. Para fazer isso, use um analisador de polarização comercial, também chamado de polarímetro, e insira a fibra a partir do toque de 1%. O arranjo final do equipamento para o experimento é descrito neste esquema.

O computador pode controlar o analisador de polarização. Use o computador para colocar o controlador de polarização em sua parada mecânica e para parar o software do polarímetro. Neste ponto, o analisador de espectro óptico exibe um espectro bloqueado fora do modo.

No software do polarímetro, inicie as medições de polarização clicando no botão Iniciar. Pise o controlador de polarização no sentido anti-horário em incrementos de um grau. À medida que a faixa de ângulos permitida pelo controlador de polarização entre cavidades é explorada, observe o estado de polarização usando o software do polarímetro.

Continue explorando os ângulos até que haja evidências de bloqueio de modo. Observe que a polarização permanece muito suave com o ângulo, exceto onde o bloqueio de modo é alcançado. Observe o espectro no analisador de espectro para verificar se a assinatura do bloqueio de modo é evidente.

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

Aqui eles são ordenados S zero a S três de cima para baixo. Percorrer os ângulos do controlador de polarização em incrementos de um grau enquanto grava e visualiza os valores de S um, S dois e S três. Pode-se ver que S um sofre uma variação abrupta quando ocorre a transição para o bloqueio de modo.

Em uma linguagem de programação gráfica, escreva um script que encontre a condição de bloqueio de modo automaticamente. A lógica desse script é dada neste fluxograma. Basicamente, o script começará com o controlador de estado de polarização na parada mecânica e aumentará seu ângulo em etapas de um grau enquanto lê o valor de S um do polarímetro em cada etapa.

Assim que o valor de S um aumentar em mais do que um valor de limites pré-determinado de zero vírgula três em uma única etapa, o script será interrompido, pois o bloqueio de modo deve ser alcançado. Em seguida, execute o script. Esta versão do script exibe a evolução do parâmetro S de Stokes à medida que o ângulo é incrementado.

Quando a varredura angular começa, o laser não é bloqueado no 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 termina, o bloqueio de modo é obtido como visto pelo amplo espectro óptico.

O próximo passo é fazer uma substituição para o polarímetro comercial. Use um osciloscópio conectado ao computador com uma interface GPIB. Em seguida, preste atenção aos componentes ópticos do polarímetro de substituição.

Há um divisor de feixe polarizador no centro alinhado com três colimadores de porta de fibra óptica FC-APC. A luz é inserida no divisor de feixe a partir da porta na parte 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 requer a fabricação de dois circuitos eletrônicos idênticos. Aqui, os dois circuitos amplificadores de transimpedância estão na mesma placa brilhante.

O layout de um circuito individual está neste diagrama. Primeiro, um fotodiodo de arseneto de índio e gálio detecta um sinal de 1550 nanômetros. O fotodiodo é 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 a conectar as saídas do divisor de feixe aos circuitos. Primeiro, conecte uma saída a um fotodiodo de arseneto de índio e gálio.

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

Conecte a saída à porta de entrada do divisor de feixe polarizador. Ligue o laser em uma potência de bomba 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 energia comercial.

Leia e registre a potência óptica para esta potência da bomba. 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. As saídas de polarização vertical e horizontal são conectadas a circuitos amplificadores.

Cada circuito possui um canal de osciloscópio dedicado, que é lido pelo computador. Agora incorpore o novo analisador de polarização ao processo automatizado de bloqueio de modo. Abra os scripts escritos para procurar descontinuidade no fenômeno de Stokes S um em função do ângulo do controlador de polarização.

Para modificá-lo, é necessária apenas uma mudança na determinação de S um do aparelho. Para este analisador, calcule S um usando esta fórmula. Os valores de potência PX e PY são encontrados a partir da relação linear medida entre tensão e potência para cada polarização.

Quando terminar, inicie o script. Esta versão do script exibe a evolução do parâmetro S de Stokes à medida que o ângulo é incrementado. Quando a varredura angular começa, o laser não é bloqueado no 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 termina, o bloqueio de modo é obtido como visto pelo amplo espectro óptico. Este é um gráfico típico do parâmetro de Stokes S um versus o 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 parar de variar o ângulo do controlador de polarização em uma descontinuidade pode encontrar o bloqueio de modo em alguns minutos.

O procedimento pode encontrar o bloqueio de modo em alguns minutos. Sua implementação não afeta o projeto da cavidade do laser e requer que apenas 1% do sinal de saída seja monitorado, deixando 99% para as aplicações pretendidas. Para que o procedimento execute os parâmetros do laser, como sua potência de colisão e a birrefringência do controlador de polarização, devem ser pré-ajustados adequadamente para evitar regimes indesejados de operação, como pulsos pulsantes múltiplos ou semelhantes a ruídos.

Trabalhos adicionais serão necessários para estudar a aplicabilidade deste procedimento a diferentes projetos de laser e comprimentos de onda operacionais. Acreditamos que esse procedimento pode ser usado em sistemas comerciais de laser de fibra, onde se espera que o bloqueio de modo ocorra automaticamente na inicialização.