Автоматизация режима блокировки в нелинейной поляризации Вращение волоконного лазера через выход поляризационных измерений

Общая цель данной процедуры заключается в обнаружении автоматической синхронизации мод в предварительно настроенном волоконном лазере с нелинейным вращением поляризации. Данный метод представляет собой альтернативу существующим процедурам автоматизации, основанным на использовании РЧ-анализатора спектра, анализатора оптического спектра, схемы нелинейного детектирования или устройства подсчета пауз. Его основными преимуществами являются относительная дешевизна, простота реализации и необходимость отвода лишь небольшой части выходного излучения лазера для мониторинга.

В этой анимации представлена концепция синхронизации мод на основе нелинейного вращения поляризации. Сигнал поляризуется поляризатором, после чего контроллер поляризации переводит его в состояние эллиптической поляризации. Текущая нелинейность волокон резонатора вызывает вращение этого эллипса, которое пропорционально мгновенной мощности сигнала.

Таким образом, пропускание через конечный поляризатор будет способствовать прохождению высокомощных частей сигнала, что приведет к формированию импульса. Разместив анализатор поляризации непосредственно перед конечным поляризатором, можно обнаружить импульс в резонаторе, дифференцируя состояния поляризации. Это становится возможным, поскольку импульс при одном обходе резонатора претерпевает большее нелинейное вращение плоскости поляризации, чем сигнал непрерывного излучения.

Первым шагом является установка системы волоконного лазера на устойчивую платформу. Для начала установите кольцевой резонатор лазера, являющийся центром данного эксперимента, на оптический стол. Эта схема дает общее представление для ориентировки.

Свет распространяется по часовой стрелке. Чтобы понять устройство установки, начнем с поляризатора. Используется поляризатор с присоединенным оптоволокном.

Он соединяется методом оплавления с участком волокна с полиимидным покрытием, который вставляется в полностью волоконный моторизованный контроллер состояния поляризации йо-типа. Наличие этого компонента крайне важно для автоматизации процедуры. После контроллера поляризации установите мультиплексор спектрального уплотнения 980/1550 нм, который прокачивается лазерным диодом с длиной волны 976 нм.

Затем пропустите свет через одномодовое эрбиевое оптоволокно, которое служит активной средой. Как показано здесь, при накачке эрбиевое волокно светится зеленым. Эрбиевое волокно соединено методом оплавления с гибридным мультиплексором по длинам волн 980/1550 нм и изолятором на 1550 нм.

Прокачка осуществляется вторым лазерным диодом. Последним элементом в контуре резонатора является выходной смеситель 50-50, который следует установить непосредственно перед поляризатором. Положение выходного смесителя резонатора имеет критическое значение, так как сигнал на анализатор поляризации будет поступать именно от этого смесителя.

Он должен быть расположен непосредственно перед поляризатором, чтобы максимально усилить эффект нелинейного вращения плоскости поляризации. Выход из резонатора поступает на разделитель 99:1, при этом 99% сигнала направляется на полезный выход. Остальной 1% проходит через ручной контроллер поляризации и обеспечивает обратную связь для автоматической синхронизации мод.

Следующим шагом является подключение моторизованного контроллера поляризации к компьютерному контроллеру. Сначала подключите контроллер поляризации межканального волоконного сжимателя к его модулю управления. Затем подключите модуль управления к USB-порту компьютера.

Вернитесь к выходным волокнам лазера на столе и выберите выход 99%. Подключите выход 99% к анализатору оптического спектра с помощью адаптера для открытого волокна. Включите лазеры накачки и перейдите к компьютеру, чтобы запустить интерфейс прибора.

Используйте интерфейс, чтобы подать команду контроллеру поляризации на поворот на 3000 шагов по часовой стрелке. Во время поворота контроллер достигнет механического стопора. Затем подайте команду контроллеру поляризации на поворот примерно на один градус против часовой стрелки.

Наблюдайте за спектром на оптическом анализаторе спектра, чтобы определить, достигнута ли синхронизация мод. Представленные спектры характерны для режимов синхронизации мод, квазинепрерывного и модулированного по добротности (Q-переключаемого) режимов. По сравнению с квазинепрерывным и Q-переключаемым режимами, спектр при синхронизации мод является очень широким.

Поворачивайте контроллер поляризации против часовой стрелки с шагом в один градус. При достижении синхронизации мод зафиксируйте угол, прежде чем продолжить. После этого подготовьтесь к поиску пороговых значений мощности накачки.

Снижайте мощность накачки до тех пор, пока не исчезнет синхронизация мод. Затем увеличьте мощность накачки до значения чуть выше порога синхронизации мод. Пронаблюдайте спектр синхронизации мод, после чего выключите и снова включите лазер, чтобы убедиться, что синхронизация мод происходит самостоятельно.

Для подтверждения режима синхронизации мод отсоедините волокно от анализатора спектра. Подключите волокно к установке с быстрым фотодиодом для вывода сигнала на осциллограф. В режиме синхронизации мод формируется последовательность импульсов с частотой повторения около 82 MHz.

Следующим шагом является подготовка к анализу поляризации лазерного излучения. Для этого используйте коммерческий анализатор поляризации, также называемый поляриметром, и подключите к нему волокно от 1%tap. Окончательная схема расположения оборудования для эксперимента представлена на данной схеме.

Компьютер может управлять анализатором поляризации. С помощью компьютера установите контроллер поляризации в положение механического стопора и остановите работу программного обеспечения поляриметра. В этот момент анализатор оптического спектра отображает спектр без синхронизации мод.

В программном обеспечении поляриметра начните измерения поляризации, нажав кнопку запуска. Перемещайте контроллер поляризации против часовой стрелки с шагом в один градус. По мере изучения диапазона углов, допускаемых межрезонаторным контроллером поляризации, наблюдайте за состоянием поляризации с помощью программного обеспечения поляриметра.

Продолжайте изменять углы до появления признаков синхронизации мод. Обратите внимание, что поляризация меняется очень плавно в зависимости от угла, за исключением случаев достижения синхронизации мод. Проверьте спектр на анализаторе спектра, чтобы убедиться в наличии характерного признака синхронизации мод.

Вернитесь к компьютеру для продолжения. Снова поверните контроллер поляризации по часовой стрелке до упора. В программном обеспечении поляриметра подготовьтесь к мониторингу параметров Стокса в зависимости от угла.

Здесь они расположены от S0 до S3 сверху вниз. Перебирайте углы контроллера поляризации с шагом в один градудь, записывая и наблюдая за значениями S1, S2 и S3. Можно заметить, что S1 претерпевает резкое изменение в момент перехода в режим синхронизации мод.

С помощью графического языка программирования напишите скрипт, который будет автоматически определять условие синхронизации мод. Логика этого скрипта представлена на данной блок-схеме. По сути, скрипт начнет работу с контроллером состояния поляризации в механическом стопоре и будет увеличивать его угол шагами в один градус, считывая при каждом шаге значение S1 с поляриметра.

Как только значение S1 увеличится более чем на заранее определенный пороговый уровень 0,3 за один шаг, работа скрипта будет остановлена, так как режим синхронизации мод должен быть достигнут. Далее запустите скрипт. Эта версия скрипта отображает изменение параметра Стокса S1 по мере увеличения угла.

В начале углового сканирования лазер не находится в режиме синхронизации мод. По мере вращения контроллера поляризации значение S₁ и оптический спектр лазера изменяются. По завершении работы скрипта достигается синхронизация мод, что подтверждается уширением оптического спектра.

Следующим шагом является создание заменителя коммерческого поляриметра. Используйте осциллограф, подключенный к компьютеру через интерфейс GPIB. Далее перейдите к рассмотрению оптических компонентов создаваемого поляриметра.

В центре расположен поляризационный светоделитель, выровненный по трем коллиматорам оптоволоконных портов FC-APC. Свет вводится в светоделитель через верхний порт. Вертикально поляризованный свет выходит из системы через правый порт.

Горизонтально поляризованный свет выходит из нижнего порта. Анализатор поляризации также требует изготовления двух идентичных электронных схем. В данном случае две схемы трансимпедансных усилителей расположены на одной плате.

Схема отдельного контура представлена на данном диаграмме. Сначала фотодиод на основе арсенида индия-галлия детектирует сигнал с длиной волны 1550 нанометров. Фотодиод подключен к операционному усилителю, резистору и конденсатору.

Выход цепи подключен к осциллографу и позволяет измерить среднюю оптическую мощность. Находясь за рабочим столом, начните подключать выходы светоделителя к цепям. Сначала подключите один выход к индий-галлий-арсенидному фотодиоду.

Затем подключите выход схемы трансимпедансного усилителя к первому каналу осциллографа. Включите осциллограф и схему трансимпедансного усилителя. Отсоедините выход лазера с интенсивностью 1% от коммерческого поляриметра.

Подключите выход к входному порту поляризационного светоделителя. Включите лазер с произвольной мощностью накачки для подачи оптического сигнала с длиной волны 1550 нанометров. Запустите на компьютере скрипт для считывания среднего напряжения на первом канале осциллографа.

Вернитесь к оптическим элементам поляризационного анализатора. Отсоедините выход поляризационного светоделителя от фотодиода. Вместо этого подключите выход светоделителя к коммерческому измерителю мощности.

Считайте и зафиксируйте значение оптической мощности для данной мощности накачки. Продолжите, изменяя мощность входного оптического сигнала, с последующим измерением среднего напряжения и оптической мощности. После проведения нескольких измерений график зависимости напряжения от мощности должен стать линейным.

Определите коэффициенты этой линейной зависимости. Выполните ту же процедуру для второго выхода светоделителя, чтобы завершить настройку анализатора поляризации. Выходы с вертикальной и горизонтальной поляризацией подключены к схемам усилителей.

Каждая цепь подключена к отдельному каналу осциллографа, данные с которого считываются компьютером. Теперь включите новый анализатор поляризации в процесс автоматической синхронизации мод. Откройте скрипты, написанные для поиска разрывов в параметре Стокса S1 в зависимости от угла контроллера поляризации.

Для модификации требуется лишь изменить способ определения S one с помощью прибора. Для данного анализатора вычислите S one по этой формуле. Значения мощности PX и PY определяются на основании измеренной линейной зависимости между напряжением и мощностью для каждой поляризации.

По завершении запустите скрипт. В данной версии скрипта отображается эволюция параметра Стокса S1 по мере увеличения угла. В начале углового сканирования лазер не находится в режиме синхронизации мод.

По мере вращения контроллера поляризации изменяются значение S₁ и оптический спектр лазера. По завершении работы скрипта достигается синхронизация мод, что подтверждается широким оптическим спектром. На данном графике представлена типичная зависимость параметра Стокса S₁ от угла поворота моторизованного контроллера состояния поляризации.

S1 вычисляется с использованием значений мощности, измеренных с помощью некоммерческого анализатора поляризации. Резкое изменение происходит, когда лазер достигает состояния синхронизации мод. Автоматизированный скрипт, написанный для прекращения изменения угла контроллера поляризации при возникновении разрыва, позволяет найти синхронизацию мод в течение нескольких минут.

Данная процедура позволяет достичь синхронизации мод в течение нескольких минут. Ее реализация не влияет на конструкцию резонатора лазера и требует мониторинга лишь 1% выходного сигнала, оставляя 99% для целевого применения. Для успешного выполнения процедуры такие параметры лазера, как мощность накачки и двулучепреломление контроллера поляризации, должны быть предварительно правильно настроены, чтобы избежать нежелательных режимов работы, таких как многоимпульсный режим или генерация шумоподобных импульсов.

Потребуются дополнительные исследования для изучения применимости данной процедуры к различным конструкциям лазеров и рабочим длинам волн. Мы полагаем, что эта процедура может быть использована в коммерческих волоконных лазерных системах, в которых ожидается автоматическое возникновение синхронизации мод при запуске.