Summary
3 차 광학 비선형 감수성과 관련된 비선형 현상의 효율적인 생성 Χ (3) 삼중 공진 실리카 마이크로 스피어의 상호 작용이 논문에 제시되어있다. 보고 여기의 상호 작용은 다음과 같습니다 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 안티 - 스톡스 라만 산란 (SARS)를 포함하는 네 개의 파 혼합 처리합니다.
Abstract
유전체 미소는 높은 품질 계수 속삭이는 갤러리 모드를 통해 시간의 길이 (WGM)에 대한 빛과 소리를 한정 할 수 있습니다. 소형 레이저 소스, 고감도 생화학 센서 및 비선형 현상 : 유리 마이크로 스피어는 응용 프로그램의 거대한 다양한 에너지의 저장소로 생각 될 수있다. 미세과 커플 링 시스템 모두의 제조를위한 프로토콜이 제공됩니다. 여기에 기술 된 커플러는 테이퍼 섬유이다. 3 차 광학 비선형 감수성과 관련된 비선형 현상의 효율적인 생성 Χ (3) 삼중 공진 실리카 마이크로 스피어의 상호 작용이 논문에 제시되어있다. 보고 여기의 상호 작용은 다음과 같습니다 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 안티 - 스톡스 라만 산란 (SARS)를 포함하는 네 개의 파 혼합 처리합니다. 캐비티 강화 현상의 방지가 펌프 신호 및 아이들러 간의 상관 관계의 부족으로 주어진다 공진 모드는 쌍을 획득하기 위해 존재해야신호 및 아이들러의. hyperparametric 진동의 경우 (사 광파 혼합과 자극 반 스톡스 라만 산란)에서, 모드는 에너지와 운동량 보존을 수행하고, 마지막으로를, 좋은 공간 중복이 있어야합니다.
Introduction
속삭이는 갤러리 모드 공진기 (WGMR)는 비선형 현상 1-3의 임계 값의 감소를 수있는 두 가지 독특한 특성, 긴 광자 수명과 작은 모드 볼륨을 보여줍니다. 위스퍼 링 갤러리 모드는 내부 전반사에 의해 층간 무선 인터페이스에 한정되는 광 모드이다. 상기 시간 제한은 상기 캐비티의 품질 팩터 Q와 관련되는 반면 작은 모드 볼륨은 높은 공간 구속에 기인한다. WGMR 다른 형상을 가질 수 있고, 높은 Q의 공진기를 높은 품질 요소로 변환 원자 규모 거칠기 근처 실리카 미립자 전시 등 4-6 표면 장력 공동을 얻기위한 적합한 다른 제조 기술이있다. 감금의 두 가지 유형이 크게 인해 WGMR 내부의 강한 에너지 축적에 비선형 효과에 대한 임계 값을 줄일 수 있습니다. 또한 연속파 (CW) 비선형 광학 수 있습니다.
WGMR는 일을 사용하여 설명 할 수있다수소 원자 7 강한 유사 전자 양자 숫자 N, L, m 및 편광 상태. 구형 대칭은 반경 방향 및 각도 의존성에서 분리 할 수 있습니다. 반경 방향 용액은 베셀 함수, 구형 고조파 (8)에 의해 각 사람에 의해 주어진다.
실리카 유리 그러므로, Χ 관련 2 차 현상이 (2) 상호 작용이 금지되어, 중심 대칭입니다. 마이크로 스피어의 표면에, 대칭 반전 끊어지고 Χ (2) 현상은 제 1 관찰 할 수있다. 그렇지만, 2 차 주파수 발생에 대한 위상 정합 조건이 포함 된 파장이 상당히 상이하고, 분산액의 역할이 매우 중요 할 수 때문에 특히, 3 차 주파수 발생에 상응하는보다 문제가있다. 2 차 상호 작용은 매우 약하다. 반면 생에 대한 Q 3 생성 된 전력 저울번째 순서의 상호 작용을 Q 4 생성 된 전력 규모. 9 이러한 이유로,이 작품의 초점은 3 차 광학 비선형 감수성 Χ (3) 자극 된 라만 산란 (SRS) 및 자극 된 Antistokes 라만 산란 등의 상호 작용 (SARS)입니다 , SARS 덜 탐구 상호 작용 10, 11을 주도했습니다. 장 12 Campillo은 (13)는 매우 비선형 WGMR 같은 물질하지만, 펌프 레이저 대신 CW의 펄스 한 방울을 사용하여 비선형 현상의 연구를 개척했다. 실리카 마이크로 스피어 14,10 및 microtoroids (15)은 지난 수십 년에 많은 관심을 얻고, 미세 물방울에 비해보다 안정적이고 강력한 플랫폼을 제공했다. 특히, 실리카 마이크로 스피어는 제조 및 취급이 매우 용이하다.
SRS는 임계치에 도달하면 충분하기 때문에 쉽게 실리카 WGMR 14,15으로 달성 될 수있는 순수한 이득 공정이다. 이 경우, 높은 circulatiWGMR 내부 강도를 ng를하는 라만 레이저 발진을 보장하지만, 파라 메트릭 진동을 위해 충분하지 않습니다. 이 경우, 효율적인 진동 위상 및 모드 매칭, 에너지와 운동량 보존 법칙과 모든 공진 모드의 좋은 공간 중복 16-18을 충족 할 필요합니다. 이것은 일반적으로 SARS 및 FWM의 경우입니다.
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Protocol
품질 마이크로 스피어의 초고 요인 1. 제작
- 광학 스트리퍼를 사용하여 아크릴 코팅 오프 표준 단일 모드 (SMF) 실리카 섬유의 약 1-2cm를 제거.
- 아세톤으로 제거 부분을 청소하고 절단.
- 융착 접속기의 일 아암의 절단 끝 도입 플라이 컨트롤러를 사용하는 전기 아크 방전의 시리즈를 생성한다. , 플라이 컨트롤러 메뉴에서 "수동 조작"을 선택 아크 전력 레벨에 대한 값을 설정하고 각각 60와 800 밀리 초에 기간을 호; "호"를 선택하고 하단의 "+"를 누릅니다.
- 구 모양을 복용하면, 중지 90 °로 섬유를 회전 단계 1.3를 반복합니다.
- 반복 단계 1.3 적어도 4 회 약 160 ㎛의 미세 구를 얻는다. 약 260 ㎛의 미세을 얻기 위해 16 번 반복합니다.
주 : 전기 아크 방전이 석영 유리를 융해하는 데 필요한 높은 용융 온도를 생성한다. SURFAC전자 장력은 mollified 섬유 끝에서 회전 타원체를 그릴 것입니다; 이 19도 1에서 알 수있는 바와 같이 구체의 크기는 약 350 ㎛의 직경에 포화 아크 쇼트 수에 정비례한다. 회전은 공진기의 구형을 보장한다.
2. 테이퍼 섬유 그리기
주 : 테이퍼 섬유도 microresonators으로 광을 결합하기위한 필요하다. 마이크로 스피어의 크기는 테이퍼의 허리를 결정할 것이다. 구형 직경 125 ㎛의보다 큰 경우, 테이퍼의 직경은 약 3-4 ㎛ 인 일 수있다. 작은 것 들어, 테이퍼의 직경이 작아야 1-2 μm의 말한다. 로우 레벨의 손실을 유지하고 테이퍼 섹션의 단지 하나의 모드 (기본 하나)을 갖기 위해, 테이퍼 단열 (가는 직경과 두께에서 점진적)이어야한다. 단열 테이퍼 부분의 전형적인 전체 길이는 약 2cm입니다. Figu이 재 섬유 당기는 홈 만들어진 장치를 나타내고,도 3a는 일반적인 허리 영역의 microphoto를 나타낸다.
- 스트립 3-4 광 스트리퍼를 사용하여 아크릴 코팅 오프 표준 단일 모드 (SMF) 실리카 섬유 cm, 및 섬유 레이저 (입력) 및 파워 미터 (출력)에 종료 연결합니다. 스트리핑 영역이없는 한 끝에, 섬유의 중간에 약 있는지 확인합니다. 섬유 레이저와 파워 미터에 종료 연결할 수하기 위해 베어 섬유 터미네이터를 사용합니다. 레이저와 워크 벤치의 상단에 전원 측정기를 놓습니다.
- 짧은 알루미나 실린더 내부의 제거 섬유 및 당기는 과정에서 동시에 작동이 번역 단계에 섬유의 코팅 끝을 놓습니다.
- 실리카의 융점 (약 2100 ℃)에 가까운 온도로 산소 - 부탄 불꽃에 의해 알루미늄 실린더 (즉 오븐 역할) 가열한다.
- obse에서 테이퍼의 adiabaticity을 추론635 nm에서 동작하는 레이저 광의 전송 rvation. 어떤 모드 스크램블링하지가 발생하는 것을 나타내는, 테이퍼 동안 출력에서 균일 한 원형 반점이 보존되어 있는지 확인합니다. 당기 중지하고 전송 전력이 진동을 중지하고, 시간이 지남에 따라 일정 할 때 불꽃을 은퇴.
- 테이퍼를 수용하는 U 형태의 형상을 현미경 유리 슬라이드에 테이퍼 광섬유 접착제 (도 3b 참조). 차원 76x26x1.2 mm의 현미경 유리 슬라이드를 사용합니다.
작은 마이크로 스피어 3. 제작
참고 : 입은 표준 섬유의 크기 아래에 직경이 작은 미소가 섬유의 이전 테이퍼가 필요합니다. 이 방법을 이용하여 얻어진 최소 직경은 대략 25 μm의 것이다.
- (2) 다음으로,이 휴식까지 당겨, 테이퍼 섬유를 그립니다.
- 플라이 공동의 값을 수정, 섹션 1 (UHQ 마이크로 스피어의 제조)하지만, 단계 1.3의 모든 단계를 수행ntroller으로는 다음과 같습니다 아크 전원 (20), 아크 기간 1,200 밀리 초.
미세 구에 4 커플 링 라이트
참고 : 우리는 마이크로 스피어에 몇 가지 빛에 테이퍼를 사용하여 마이크로 공진기의 공진을 측정한다.
- 4.1. 중간에 채널을 가진 T 모양의 PVC / 알루미늄 홀더를 준비합니다. 홀더에 스카치 매직이나 종이 접착 테이프의 조각으로 마이크로 스피어의 잔류 섬유 줄기를 수정합니다. 압전 액츄에이터 및 20 nm의 위치 해상도로 번역 단계로 두 개의 나사와 홀더를 클램프.
- 미세 구 섬유 줄기에 수직으로 위치 슬라이드 평면과 다른 번역 단계로 유리 슬라이드에 붙어 테이퍼를 수정합니다. 종료 화이버에 테이퍼 단부 스플 라이스. 한 파장 가변 다이오드 레이저 단부와의 InGaAs 광 다이오드 검출기에 다른 하나를 연결합니다.
- 공동 긴 작동 거리 (> 20mm)과 현미경 튜브를 사용테이퍼 및 미세 사이의 간격을 ntrol. 마이크로 스피어의 적도에 대하여 테이퍼를 제어 할 수있는 위치되도록 튜브 방향에 대하여 반대 방향의 위치에 45 ° 미러 시스템을 모니터하기 위해.
- 테이퍼 섬유와 접촉 마이크로 스피어의 적도를 놓습니다.
- 레이저의 전원을 켜고 오실로스코프의 미세 테이퍼 시스템의 전송 스펙트럼을 확인합니다.
- 공진이 나타날 때까지 조정은 CW 레이저는 1550 nm에서 동작. 로렌츠 스펙트럼에서 딥 모양으로 공진이 식별 될 수있다.
- 공진 선폭합니다 (로렌 시안 모양의 딥의 전체 폭의 절반 최대)를 측정한다. 공진 선폭 나눈 펌프의 주파수와 Q 팩터를 계산한다.
- 상기 구 및 테이퍼 사이의 갭을 증가 증가 / 커플 링 효율을 감소시키는 공진의 폭과 깊이를 모두 변경 / 줄인다.
- 1,550 nm의 감쇠기에서 동작 CW 레이저와 어븀 첨가 광섬유 증폭기 (EDFA)를 삽입합니다. EDFA는 1,530-1,570 나노 미터의 파장 범위에서 작동합니다. . 이것은 높은 입력 전력을 2 W. 비선형 효과의 최대 출력 전력을 필요 도달하는 레이저 출력을 높일 것 (4)는 실험 장치의 스케치를 나타낸다 참고.
- 3 dBm의 스플리터에 종료 광섬유 케이블 테이퍼의 한쪽 끝을 연결합니다. 광 스펙트럼 분석기 및 오실로스코프에 연결된 광 검출기에 대한 다른 하나의 스플리터 출력 섬유 중 하나를 연결한다.
- 레이저의 파장 스캔 속도에 필적하는 열 드리프트와 공진까지 조정 낮은 주파수 높은에서 레이저가 발견된다. 열 셀프 로크 (20)가 달성 될 때 공진의 폭이 넓어 오실로스코프에서 볼 수있다.
- 테이퍼 통해 송신 출력 전력을 점검광 스펙트럼 분석기로. 라만 레이저 라인이 나타날 때까지 전원을 늘립니다. 그것은 약 13.5 테라 헤르츠에서 펌프 파장에서 이조된다.
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Representative Results
미소 구체의 Q 인자 프로토콜이 상기 큰 직경이 108 (도 5) (> 200 μm의) 초과 작은 직경이 106 (<50 μm의) 초과 다음 제조. (중요 커플 링에 가까운) 95 % 이상 공명 대비가 쉽게 관찰 할 수있다. 고 순환 농도의 경우, 적외선 영역에서의 다음의 비선형 효과가 관찰 될 수있다 : (SRS)를 라만 산란 자극, SRS 21 캐스케이드 반 스톡스 라만 산란 (SARS) 및 사 광파 혼합 (FWM)를 자극 FWM 변성. 라만 이득은, 동일한 방법으로 앞으로 여행 빛과 역방향을 증폭 SRS에 대한 서 파도를 생성하고 SRS 캐스케이드. FWM 쌍은 파도를 여행. 측정의 일례는도 6 및도 7에서 볼 수있다.
Figur예 6은 100 나노 미터 (1,608 nm 내지 1,708 ㎚)에 의해 분리 된 두 개의 SRS 라인을 보여주고, 펌프의 근방에 캐스케이드 네 광자 파라 프로세스 직경 약 50 ㎛의 미세 구에 대한 상기 매체의 전자 커 비선형에 기초 1,546.6 nm에서 펌핑. FWM은 퇴화이 경우, 펌프의 두 개의 광자 신호 및 아이들러 광자를 생성한다. 유사한 결과는 1551 nm의 (그림 7)에서 약 98 μm의 직경의 미세 펌프에 의해 얻어졌다. 여기서, 라만 빗이 1,666.2 nm에서 중심으로 볼 수 있고, 이차 선 저효율 펌프의 부근에서 볼 수있다 (FWM 변성). 또한, 안티 - 스토크 스 라인은 1451 nm의 중심과 대칭 개의 측 파대는 10 nm로 분리된다. 이 경우, 펌프 및 스톡스 필드가 충분히 구축 근접하지만 SARS 효율 인해 양방향 필드 (펌프, 스톡스 안티 스토크) 간의 상호 위상 변조 (XPM)에 위상 부정합에 의해 방해된다. 기준의 경우, 에는 영향 위상 정합은 스톡스 안티 스토크 성분은 서로 대칭된다.
SARS 항상 SRS의 존재를 검출하지 않고, 절대 SRS의 부재, 및 Bloembergen 쉔 (22)의 이론과 일치한다. SARS 주파수 펌프와 SRS 신호와 유사한 캐비티 모드 위상 공진 때 SARS 강도 특별히 향상된다.도 8은도 예이다. 이 도표 9. 1,613.8 나노, 1,645.6 nm의, 1710 nm의, 1,727.6 nm의 1,745.8 nm에서 중심으로 (각각 1,629 nm의 1459 nm의) 90 나노로 구분 SRS 및 SARS 라인과 다른 SRS 라인을 보여줍니다 완벽한 위상 정합의 경우를 나타낸다 1572 nm에서 펌핑 65 μm의 직경의 미세합니다. 스톡스 라인은 1640 nm의 중심과 Antistokes는 1,490 내지 (약 347cm의 주파수 분리 -1)을 중심으로한다.
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그림 1. 마이크로 스피어 치수. 표준 125 μm의 통신 섬유의 끝에서 생성 된 마이크로 스피어의 크기, 섬유 융착 접속기의 아크 샷의 함수로.이 그림은에서 수정되었습니다 [18]. 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전.
그림 2. 테이퍼 섬유를 그리기위한 테이퍼 섬유. 실험 셋업을 그리기. 섬유는 두 개의 레일 위에, 슬라이딩 블록에있는 두 개의 섬유 클램프에 의해 유지된다. 구조는 휴대용이다. 블록이 떨어져 섬유를 가져옵니다 나사에 연결되어에서. 이의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오그림.
그림 3. 테이퍼 섬유. (A) 테이퍼 허리의 광학 현미경 사진. 녹색 컬러 간섭 효과로 인해, 그 균질성이 테이퍼 섹션을 따라 두께의 균일 성을 나타낸다. (B)의 U 자형 유리 지원에 붙어 테이퍼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
감쇠기 및 편광자를 통과 한 후, 테이퍼 섬유 의해 WGMR에 개시되어 EDFA를 증폭하는 가변 다이오드 레이저 (TDL)로부터의 신호 및 그림 4는 실험해서 설정한다. 출력 신호는 분할 및로 보내진다광 스펙트럼 분석기 (OSA)와 오실로스코프에 신호를 모니터링하는 포토 다이오드에. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 5 공명은. 4 μm의 허리 테이퍼 섬유에 결합 된 250 ㎛의 직경을 갖는 실리카 구 WGM 공진. 레드 라인은 로렌츠 함수를 사용하여 가장 적합합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6. 작은 미소의 비선형 스펙트럼. FWM의 실험 스펙트럼과 라만 캐스케이드50 μm의 직경의 마이크로 스피어의 행. 펌프는 1,546.6 nm에서의 피크, 캐스케이드 라만 선이 펌프에서 그들 자신에서 약 13.5 테라 헤르츠 (약 100 ㎚)에서 분리 된 반면 FWM 피크는, 펌프 (13 nm의 분리)에 가까운 나타나는 대칭 선이다 캐스케이드 (1608 nm의 첫 번째 줄, 1,708 nm의 두 번째 줄). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 7 초 미세 Q 비선형 스펙트럼. 98 ㎛의 직경의 미세 펌프 SRS 빗 부근에서 SARS, FWM 실험 스펙트럼. 펌프는 1551 nm에서 중심 피크, FWM는 펌프에 가까운 볼 수 퇴화. 100 nm의에 의해 분리 된 SRS 라인은 1646 nm의 중심과 대응 SARS는 c1,451.5 nm에서 입력. 사스 라인 근방의 두 개의 대칭 선 FWM 퇴화된다. 라만 빗이 1,666.2 nm에서 중심. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8. 구멍은 SARS 스펙트럼. 40 μm의 직경의 미세에 SARS의 실험 스펙트럼을 강화. 펌프가 1,539.4 nm에서 중심 상기 SRS 라인 1,629.6 nm에서 중심과 대응 SARS는 1459 nm의 중심이된다. 다른 SRS 라인은 1,613.8 나노, 1,645.6 nm의, 1710 nm의, 1,727.6 nm의 1,745.8 nm의 중심에있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
마이크로 컴팩트하고 효율적인 비선형 발진기 그리고 그들은 제조 및 취급이 매우 용이하다. 테이퍼 섬유 커플 링 공진기 /로부터의 광을 추출하기 위해 사용될 수있다. 95 %까지의 공진 대비 약 3 × 108의 Q 인자를 얻을 수있다.
이러한 제조 기술의 주요 제한은 대량 생산과 통합된다. 섬유의 청결도가 미세하고 테이퍼 모두에게 중요하다 습도 등이다. 두 디바이스는 오래 지속 실험실 생활 건조한 환경에서 보관해야합니다. 매우 얇은 테이퍼는 연약; 결합하면 큰주의를 기울여야합니다. Q 값에 대해서는, 미세 구 크기는 중요 할 수있다. 50 ~ 500 μm의에 이르기까지 직경 미소에서, Q의 10 10를 초과하는 진공 23에서 설명하고있다. 마이크로 스피어의 고유 Q는 손실 여러 종류의 기여에 의해 결정됩니다 고유의 곡률손실 (Q의 RAD) 잔류 표면 불균일성의 라만 산란 및 레일리 산란 손실 극한 재료 손실, 표면 오염에 의해 도입 된 손실 (후자는 하부의 직경이 클수록 손실 22 크기 의존). Q의 방사선 -1 증가 크기가 사라진다 :. 더 빨리 R보다 감소 -5/2 (25)의 직경 250 μm의 범위 (24) 우리의 미소는 Q는 원거리에서 얻은 Q. 질문 요인의 궁극적 인 진공 값 아래에 여러 크기 요인이 5 × 10 6 최대 3 × 10 8.
미립자의 제조에 사용되는 다른 방법이 CO 부탄 / N 2 O 토치의 사용을 포함한다. 모든 절차에서 표면 장력은 회전 타원체로 용융 실리카를 그릴 것입니다. 여기서, 섬유의 용융을위한 장비의 선택 사항은 경제적이다. CO 2 레이저는 횃불 또는 접합기 사용하여 모든 실험실에 존재하는, 비싸섬유. 테이퍼는 또한 유리 클래드와 코어의 불산 (HF)의 침식에 의해 제조 될 수있다. 이 방법은 매우 긴; 약 5 시간이 4 ㎛의 테이퍼를 125 ㎛의 섬유를 얇게 필요하다. 또 다른 단점은 adiabaticity의 부족이며, HF는 동일한 비율로 모든 유리 침식된다.
테이퍼는 낮은 손실을 표시해야합니다; 그렇지 않으면 비선형 효과를 관찰하기 어려울 것이다. 효율을 결합하는 것도 매우 중요하다. 테이퍼와 마이크로 스피어 사이의 간격은 커플 링 정권을 결정합니다. 공진에서의 갭의 변화에 직접 및 / 또는 약간 이조으로 비선형 효과는 어느 향상 또는 감소 될 수있다.
WGMR 양자 컴퓨팅 애플리케이션을위한 비 고전 광 발전에 대한 방법을 포장 할 수 있습니다. 원자는 어려운 환경에서 효율적인 전송을 허용합니다 양자 전기 역학 실험 및 테이퍼 섬유 그 표면 근처에 포획 될 수있다. SRS 및 SARS 방사선으로 사용될 수있다분광 측정하고 활성 감지 것이 최근 25 입증 된 바와 같이.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optical Fiber | Corning | SMF28 | |
| Fiber coating stripper | Thorlabs | T06S13 | Available from other vendors as well |
| Fiber cleaver | Fitel | S325A | Available from other vendors as well |
| Fusion splicer | Furakawa | S177A-1R | Available from other vendors as well |
| Butane and Oxygen Gas | n/a | any vendor | |
| Microscope tube | Navitar | Zoom 6000 | Modular Kit |
| CCD camera | n/a | N/A | any will fit |
| Monitor | n/a | N/A | any monitor is valid |
| 3-Axis Stage | PI Instruments, Thorlabs, Melles | ||
| Assorted posts and mounts | Thorlabs | Available from other vendors as well | |
| Polarization control | Thorlabs | FPC030 | Available from other vendors as well |
| Attenuator | Throlabs | VOA50 | |
| Photodiode | Thorlabs | PDA400 | discontinued, replaced by PDA10CS-EC |
| Oscilloscope | Tektronix | DPO7104 | |
| Optical spectrum analyzer | Ando | AQ6317B | |
| Erbium Doped Fiber Amplifier | IPG Photonics | EAD-2K-C | |
| Tunable Laser | Yenista | TUNICS |
References
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