Automatisation du mode de verrouillage dans un Nonlinear Polarisation Rotation fibre laser par Polarisation sortie Mesures

1Centre d'optique, photonique et laser, Université Laval, 2Département de physique, Cégep Garneau
Published 2/28/2016
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Olivier, M., Gagnon, M. D., Habel, J. Automation of Mode Locking in a Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser through Output Polarization Measurements. J. Vis. Exp. (108), e53679, doi:10.3791/53679 (2016).

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Abstract

Lorsqu'un laser est verrouillé en mode, il émet un train d'impulsions ultracourtes à une fréquence de répétition déterminée par la longueur de la cavité laser. Cet article décrit une procédure nouvelle et peu coûteux à forcer le mode verrouillage dans une polarisation non linéaire laser préréglée en fibre de rotation. Cette procédure est basée sur la détection d'un brusque changement de l'état de polarisation de sortie lorsque le mode de verrouillage se produit. Cette modification est utilisée pour commander l'alignement du contrôleur de polarisation intra-cavité afin de trouver des conditions de mode de verrouillage. Plus précisément, la valeur du premier paramètre de Stokes, varie lorsque l'angle du contrôleur de polarisation est balayé et, en outre, elle subit une variation brusque lorsque le laser entre dans l'état de mode verrouillé. Suivre ce brusque variation fournit un signal pratique facile à détecter qui peut être utilisé pour commander l'alignement du contrôleur de polarisation et conduire le laser vers le mode verrouillage. Cette surveillance est réalisée par l'alimentation d'une petite partiedu signal à un analyseur de polarisation de mesure du premier paramètre de Stokes. Un changement brusque de la lecture de ce paramètre à partir de l'analyseur se produit lorsque le laser entre dans l'état de mode verrouillé. A ce moment, l'angle requis du contrôleur de polarisation est maintenu fixe. L'alignement est terminé. Cette procédure fournit un autre moyen de procédures d'Automatisation existantes qui utilisent un équipement tel qu'un analyseur de spectre optique, un analyseur de spectre RF, une photodiode reliée à une impulsion compteur électronique ou un système de détection non linéaire basée sur l'absorption à deux photons ou génération de seconde harmonique. Il est adapté pour le mode verrouillé par une rotation de polarisation non linéaire des lasers. Il est relativement facile à mettre en œuvre, elle nécessite des moyens peu coûteux, surtout à une longueur d'onde de 1550 nm, et il réduit la production et les coûts d'opération engagés par rapport aux techniques mentionnées ci-dessus.

Introduction

Le but de cet article est de présenter une procédure d'alignement d'automatisation pour obtenir le verrouillage de mode (ML) en polarisation non linéaire des lasers à fibre de rotation. Cette procédure est basée sur deux étapes essentielles: la détection du régime ML en mesurant la polarisation du signal de sortie du laser, puis la mise en place d'un système de contrôle d'auto-allumage pour se rendre à ML.

lasers à fibre sont devenus un outil important dans l'optique de nos jours. Ils sont une source efficace de la lumière proche infrarouge cohérente et ils sont en train d'étendre dans la partie infrarouge moyen du spectre électromagnétique. Leur faible coût et la facilité d'utilisation en ont fait une alternative intéressante à d'autres sources de lumière cohérente tels que les lasers à l'état solide. Les lasers à fibre peuvent également fournir des impulsions ultracourtes (100 fs ou moins) lorsqu'un mécanisme ML est inséré dans la cavité de la fibre. Il existe de nombreuses façons de concevoir ce mécanisme ML, comme les miroirs de boucle non linéaires et des absorbeurs saturables. L'un de ceux-ci, largement utilisé fou sa simplicité, est basée sur une rotation de polarisation non - linéaire (NPR) du signal 1,2. Il utilise le fait que l'ellipse de polarisation du signal subit une rotation proportionnelle à son intensité telle qu'elle se propage dans les fibres de la cavité laser. En insérant un polariseur dans la cavité, ce NPR conduit à des pertes d'intensité dépendante lors d'un aller-retour du signal.

Le laser peut alors être forcé de ML en contrôlant l'état de polarisation. En effet, les parties de haute puissance du signal seront soumis à la diminution des pertes (figure 1) et cela finira par conduire à la formation d'impulsions ultracourtes de lumière lorsque le laser est activé et commence à partir d' un signal bruité faible puissance. Cependant, l'inconvénient de cette méthode est que le contrôleur d'état de polarisation (PSC) doit être correctement aligné pour obtenir ML. Habituellement, un opérateur trouve le ML manuellement en faisant varier la position de la CFP et à analyser le signal de sortie du laser avec une vitesse photodiode, un analyseur de spectre optique ou optique d'auto-corrélation non linéaire. Dès que l'émission d'impulsions est détectée, l'opérateur cesse de faire varier la position de la CFP, étant donné que le laser est ML. Évidemment obtenir le laser à auto-allumage conduit automatiquement à un gain important en matière d'efficacité. Cela est particulièrement vrai lorsque le laser est soumis à des perturbations changeantes de l'alignement ou la configuration de la cavité puisque l'opérateur doit passer par la procédure d'alignement encore et encore. Dans la dernière décennie, différentes méthodes ont été proposées pour réaliser cette automatisation. Hellwig et al. 3 utilisé squeezers piézo-électriques pour contrôler la polarisation en combinaison avec une analyse complète de l'état du signal de polarisation avec un tout-fibre division d'amplitude polarimètre pour détecter ML. Radnarotov et al. 4 utilisé à cristaux liquides PSCs plaque avec une analyse basée sur le spectre RF pour détecter ML. Shen et al. , 5 utilisé presseurs piézo-électriquespour contrôler la polarisation et un / système de compteur à grande vitesse photodiode pour détecter ML. Plus récemment, une stratégie basée sur un algorithme évolutif a été présenté dans laquelle la détection est assurée par une photodiode à bande passante élevée en combinaison avec un auto-corrélateur de second ordre intensimétrique et un analyseur de spectre optique. La commande est ensuite réalisée avec deux PSCs entraînées électroniquement à l' intérieur de la cavité 6.

Cet article décrit un moyen novateur de détection de ML et son application à une technique d'automatisation forçant le laser à fibre à ML. La détection de ML du laser est obtenue en analysant la façon dont l'état de polarisation du signal de sortie varie comme l'angle de la CFP est balayée. Comme on le verra, la transition vers ML est associée à un brusque changement de l'état détecté en mesurant l'un des paramètres de Stokes du signal de sortie de polarisation. Le fait qu'une impulsion est plus intense qu'un signal CW et fera l'objet d'une exp plus importante NPRlains ce changement. Depuis la sortie du laser est immédiatement situé avant le polariseur dans la cavité, l'état d'une impulsion à cet endroit de polarisation est différent de l'état de polarisation d'un signal CW (Figure 2) et sera utilisé pour discriminer l'état ML. Les aspects théoriques de cette procédure et sa première mise en œuvre expérimentale ont été présentés dans Olivier et al. 7. Dans cet article, l'accent sera mis sur les aspects techniques de la procédure, ses limites et ses avantages.

Cette technique est relativement simple à mettre en œuvre et ne nécessite pas d'instruments de mesure sophistiqués pour détecter l'état ML et automatiser l'alignement du laser pour obtenir ML. Un CFP réglable externe par le biais d'une interface programmable est nécessaire. Différents CSP peuvent en principe être utilisés: piézo-électrique presseurs à cristaux liquides, des plaques d'onde mis en rotation par un moteur, des cristaux magnéto-optiques ou d'un o à base de PSC tout fibre motorisén presser et tordre la fibre 8. Dans cet article, celui-ci est utilisé, un tout-fibre motorisé Yao-type PSC. Pour détecter l'état de polarisation d'un polarimètre commercial coûteux peut être utilisé. Toutefois, étant donné que la valeur du premier paramètre de Stokes est nécessaire, un diviseur de faisceau de polarisation en combinaison avec deux photodiodes sera suffisante comme indiqué dans cet article.

Tous ces composants sont peu coûteux pour les lasers à fibre largement utilisés dopées à l'erbium. Une boucle de rétroaction sur la base de cette procédure peut ML trouver en quelques minutes. Ce temps de réponse est appropriée pour la plupart des applications de lasers à fibres et est comparable à celle des autres techniques existantes. En fait, le temps de réponse est limitée par l'électronique utilisée pour analyser la polarisation du signal. Enfin, bien que la procédure est appliquée ici à un laser dopé à l' erbium similariton 9 de fibres, il pourrait être utilisé pour n'importe quel laser à fibre à base NPR dès que l'équipement mentionné ci - dessus , ou ses équivalent devient disponible à la longueur d'onde d'intérêt.

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Protocol

1. Configuration d'une fibre ML fibre laser comprenant un PSC motorisé

  1. Rassembler les éléments suivants: une fibre dopée à l'erbium monomode, une nm en longueur d'onde multiplexeur 980/1550 (WDM), un WDM 1,550 composant hybride nm isolateur 980 / 1,550 nm, un coupleur 50/50 de fibre, un polariseur à fibre, une CFP motorisée, deux diodes de 980 nm de pompage laser, un coupleur de fibres 99/1 et CFP une ligne manuelle.
  2. Couper la fibre dopée à l'erbium et tous les autres composants de la fibre à queue de cochon s'adapter à la conception de la cavité souhaitée.
    REMARQUE: La procédure d'automatisation présenté est adapté pour les lasers à fibre à base de rotation de polarisation non linéaire. Il devrait travailler à différents régimes de fonctionnement tels que le laser soliton, le laser étiré impulsion, le laser soliton dissipative et le laser similariton. Le second régime est utilisé dans cette expérience.
  3. Pour construire la cavité laser, utilisez une colleuse de fusion de la fibre pour rejoindre les composants de la cavité dans l'ordre indiqué dans le diagramme (Figure 3 </ Strong>). Avant d'effectuer chaque épissure par fusion, propre les fibres se termine avec de l'alcool isopropylique et les fendent avec un couperet de la fibre.
    REMARQUE: Les composants internes du laser sont, dans le sens horaire dans la cavité annulaire, un PSC motorisé, un nm WDM 980 / 1,550, une fibre dopée à l'erbium, un composant hybride WDM isolateur 980 / 1,550 nm, une sortie 50/50 et un polariseur de couplage de la fibre. Les composants externes sont un coupleur 99/1 de la fibre et un PSC en ligne manuel (comme décrit dans les étapes 1.7 et 1.8).
    REMARQUE: un segment de fibre d'environ 30 cm doit être insérée dans la CFP motorisé avant que les épissures sont effectués avec les autres composants de la cavité. Bien qu'une fibre monomode standard travail, l'utilisation de la fibre de polyimide revêtu est recommandé pour ce segment, car il est plus résistant à la pression exercée par les vis du régulateur et donc durer plus longtemps.
  4. Rejoignez les diodes laser de pompe aux WDM utilisant la colleuse de fusion. Encore une fois, nettoyer les fibres se termine avec isopropylique alCohol et de les cliver avec un couperet de fibres avant d'effectuer chaque épissure de fusion.
  5. Connecter les diodes laser à leurs régulateurs de température respectifs et les pilotes actuels.
  6. Connecter le intra-cavité motorisé Yao type fibre squeezer PSC (figure 4) à son module d'entraînement, puis connectez le module d'entraînement au port USB d'un ordinateur.
    NOTE: Ce port est identifié par le numéro "COM4", comme indiqué dans le "Gestionnaire de périphériques" de l'ordinateur.
  7. A la sortie du laser, à savoir le port du coupleur 50/50 pas épissé, raccorder un coupleur 99/1.
    REMARQUE: Le port de 99% est la sortie utilisable. Le port 1% est utilisé pour surveiller l'état de polarisation de la procédure d'automatisation.
  8. Insérez un PSC manuel le long de la fibre du port 1%. Pour ce faire, enlever les vis et ouvrir la CFP. Insérez la fibre dans la fente appropriée, puis mettre les vis dans leurs trous et les visser.
  9. Splice une co fibre angle polinnector (APC) à l'extrémité de la fibre du port à 1% (après la CFP manuel). Nettoyer et cliver les fibres se termine avant d'effectuer l'épissure de fusion.
  10. Connectez la sortie de 99% à un analyseur de spectre optique (OSA) à l'aide d'un adaptateur nu-fibre.
    NOTE: Comme discuté plus tard, le spectre optique vu sur l'OSA fournira un autre moyen de vérifier si le laser est ML.
  11. Fixer toutes les fibres et les composants dans la cavité correctement avec la bande de film de polyimide.
    NOTE: Les fibres et les composants doivent être empêchés de se déplacer dans toutes les conditions telles que lorsque la table vibre ou ventilateurs souffler de l'air. La bande de film de polyimide est utilisé afin d'éviter d'endommager les fibres.
  12. Serrer les vis de pression de la CFP intra-cavité jusqu'à ce que la fibre commence à être légèrement pressé.
  13. Allumez les lasers de pompe diodes et d'ajuster leurs courants à leurs valeurs maximales spécifiées par le fabricant de la diode laser.
  14. Démarrez l'interface de communication de l'instrument. Dans le "Peripherals et Interface "colonne sur la gauche, choisissez" COM4 ". Cliquez sur" Panneau de test Open VISA ". Cliquez sur" Entrée / Sortie ". Puis, dans" Sélectionnez ou entrez la commande "type" SM, 500,3000 n " et cliquez sur le bouton "requête". Cette commande la CFP pour faire tourner par 3.000 étapes de 0,1125 ° dans le sens horaire. Ce faisant, la CFP atteint une butée mécanique.
  15. Dans le "Sélectionnez ou entrez la commande" du "COM4" panneau de test, tapez "SM, 500, -10 n" et cliquez sur le bouton "Requête". La CFP tourne alors d'environ 1 ° dans le sens antihoraire. Vérifiez si ML est atteint en regardant le spectre optique de l'OSA. ML est atteinte lorsque la pleine largeur à mi - hauteur du spectre optique est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres (figure 5). Si ML est atteinte, maintenir la biréfringence et l'angle fixe et passez à l'étape 1.18.
  16. Si ML est pas atteint, répéter jusqu'à ce que soit 1,15 ML ou l'angle maximal attainable avec la CFP est atteint.
  17. Si l'angle maximal de la CFP est atteint avant ML se produit, augmenter la biréfringence de la CFP en serrant légèrement les vis de pression et répétez les étapes 1.14, 1.15 et 1.16 autant de fois que nécessaire pour obtenir ML.
  18. Une fois que ML est atteint, diminuer les pouvoirs de la pompe à leur valeur minimale permettant ML à l'auto-démarrage. Pour ce faire, réduire les pouvoirs de la pompe jusqu'à ce que ML est perdue. Puis, les ramener lentement vers la plus petite valeur qui fera le ML réapparaître. Mettez les pompes hors tension puis à nouveau et vérifier si les verrous de mode laser par lui-même. Augmenter les pouvoirs de la pompe un peu plus pour assurer la ML est stable et auto-démarrage chaque fois que le laser est activé.

2. Analyse de la polarisation du signal de sortie

  1. Lier le 1% robinet pour un polarimètre commercial.
  2. Branchez le polarimètre à l'ordinateur via un port USB.
  3. Dans le "Sélectionnez ou entrez la commande" du panneau de test "COM4", type "SM, 500,3000 n" et cliquez sur le bouton "Requête".
  4. Exécutez le logiciel polarimètre contrôle commercial et démarrer la mesure de polarisation en cliquant sur le bouton "Démarrer".
  5. Dans le "Sélectionnez ou entrez la commande" du "COM4" panneau de test, tapez "SM, 500, -10 n" et cliquez sur le bouton "Requête". Observez l'état de polarisation sur le polarimètre.
  6. Répétez l'étape 2.5 autant de fois que nécessaire pour couvrir toute la gamme des angles autorisés par la CFP intra-cavité. Notez que l'état de polarisation varie très en douceur avec l'angle sauf aux angles spécifiques où ML est atteint comme on peut le voir en regardant simultanément la largeur du spectre optique sur l'OSA.
  7. Répétez les étapes 02.03 à 02.06 , mais cette fois, au lieu de simplement regarder l'état de polarisation, enregistrer les valeurs des paramètres de Stokes S 1, S 2 et S 3 en fonctions de l'angle de la CFP (Figure 6). Pour voir ces valeurs clairement, choisissez "Mesure- → Oscilloscope" dans le menu du logiciel et rechercher les valeurs moyennes de S 1, S 2 et S 3. Simultanément regarder le spectre optique et enregistrer les angles pour lesquels le laser est ML.

3. Configuration d'une boucle de rétroaction pour automatiser l'alignement de la CFP en utilisant les mesures de polarimètre commerciales

  1. Éteignez l'ordinateur.
  2. Connectez le port série du polarimètre commerciale au port "COM1" série de l'ordinateur. Redémarrez l'ordinateur et le polarimètre.
  3. Démarrez l'interface de langage de programmation graphique (GPLI) qui permettra la lecture du polarimètre via "COM1" et le contrôle de la CFP motorisée via "COM4".
  4. Dans le GPLI, cliquez sur "Blank VI". Ensuite, sélectionnez "Fenêtre →Tile gauche et droite ".
    REMARQUE: L'écran sera alors divisé en deux parties. Le diagramme est affiché sur la droite. Il est utilisé pour créer le script en utilisant différentes fonctions associées à des icônes différentes. Le panneau avant est affiché sur la gauche. Il est utilisé pour afficher les commandes et les mesures lorsque le script est en cours d'exécution.
  5. Dans la fenêtre du diagramme de l'GPLI, développer un script d'automatisation ML à utiliser avec le polarimètre commercial (voir figure 7).
    NOTE: Ce script lit S 1 du polarimètre et utilise sa valeur pour fournir une rétroaction et d' atteindre le bon alignement de l'angle de la CFP conduisant à ML. La détection de ML est obtenue en recherchant une discontinuité dans la variation de S 1 en tant que l'angle est variable.
    REMARQUE: Les commandes utilisées pour contrôler la CFP via "COM4" sont les mêmes que celles présentées dans les étapes 2.3 et 2.5. La commande à lire S 1
  6. Enregistrez le script en cliquant sur "Fichier → Enregistrer", puis exécutez-le en cliquant sur le bouton "→". La CFP est ramené à sa butée mécanique, puis il tourne par étapes d'environ 1 ° jusqu'à ce que ML est atteint, montrant la valeur de S 1 à mesure qu'il évolue.

4. Construire un analyseur de polarisation maison Rudimentary

  1. Connecter un oscilloscope à l'ordinateur via l'interface GPIB.
  2. Mettre un séparateur de polarisation cube (PBS) sur un banc d'optique.
  3. Mettre en place trois FC / APC collimateurs de fibres optiques portuaires avec le PBS (Figure 8).
    REMARQUE: L'un des ports est l'entrée. Les deux autres sont les sorties pour les composantes de polarisation X et Y du signal.
  4. Connecter une photodiode PIN InGaAs à fibre Pigtailed à la première sortie.
  5. Branchez la photodiode à une trans-impedacircuit nce (figure 9).
  6. Connectez la sortie électrique du circuit à la voie 1 de l'oscilloscope.
  7. Allumez le circuit trans-impédance.
  8. Dans le GPLI, lire la valeur moyenne de la tension sur le canal 1 de l'oscilloscope via la connexion GPIB en utilisant les commandes "Measu: IMM: SOU ch1;" pour sélectionner le canal 1 de l'oscilloscope, "Measu: IMM: TYPE moyen;" pour définir la mesure soit une tension moyenne, "Measu: IMM: VAL" pour obtenir la valeur et enfin "Measu: IMM: UNI?" afin d'obtenir les unités de la mesure. Enregistrez le script en cliquant sur "Fichier → Enregistrer", puis exécutez-le en cliquant sur le bouton "→".
  9. Connectez la sortie 1% du laser au port du PBS d'entrée et tourner le laser à une puissance de pompage arbitraire. Cela envoie un signal optique de 1.550 nm à l'entrée.
  10. Mesurer la tension moyenne à la première sortie. Ensuite, débranchez la photodiode de fibre pigtailed et remplacerpar une puissance-mètre commercial. Mesurer la puissance optique à cette sortie.
  11. Répétez l'étape 4.10 tout en faisant varier la puissance du signal optique d'entrée. La tension doit varier linéairement avec la puissance optique. Trouver les coefficients de cette relation linéaire.
    NOTE: Cette relation est utilisée à l' étape pour obtenir 4,20 P x à partir de la tension mesurée.
  12. Connecter un deuxième photodiode PIN InGaAs à fibre Pigtailed à la deuxième sortie du PBS.
  13. Branchez la photodiode à un second circuit trans-impédance.
  14. Connectez la sortie électrique du circuit sur le canal 2 de l'oscilloscope.
  15. Allumez le circuit trans-impédance.
  16. Dans le GPLI, lire la valeur moyenne de la tension sur le canal 2 de l'oscilloscope via la connexion GPIB en utilisant les commandes "Measu: IMM: SOU ch2;" pour sélectionner le canal 2 de l'oscilloscope, "Measu: IMM: TYPE moyen;" pour définir la mesure d'être une tension moyenne, "Measu: IMM: VAL?4; pour obtenir la valeur et enfin "Measu: IMM: UNI?" afin d'obtenir les unités de la mesure. Enregistrez le script en cliquant sur "Fichier → Enregistrer", puis exécutez-le en cliquant sur le bouton "→".
  17. Allumez le laser à une puissance de pompage arbitraire.
  18. Mesurer la tension moyenne à la deuxième sortie. Ensuite, débranchez la photodiode de fibre pigtailed et le remplacer par une puissance-mètre commercial. Mesurer la puissance optique à cette sortie.
  19. Répétez l'étape 4,18 en faisant varier la puissance du signal optique d'entrée. Assurez-vous que la tension varie linéairement avec la puissance optique.
    REMARQUE: Trouver les coefficients de cette relation linéaire. Cette relation est utilisée à l' étape pour obtenir 4,20 P y à partir de la tension mesurée.
  20. Après la mise en place du second détecteur pour mesurer P y, utilisez le GPLI pour calculer le premier paramètre de Stokes S 1 défini comme S 1 = ( x - P y) / (P x + P y). L'analyseur de polarisation rudimentaire maison est maintenant prêt à utiliser.

5. Remplacement du Polarimètre commercial par le Polarisation Analyzer maison dans le processus d'automatisation

  1. Connectez la sortie 1% du laser à l'entrée de polarisation de l'analyseur maison (comme cela a été fait à l'étape 4.9).
  2. Mesurer le premier paramètre de Stokes S 1 en fonction de l'angle de la CFP (figure 10) en répétant l' étape 2.7 en utilisant l'analyseur de polarisation maison ( au lieu du polarimètre commerciale). Observer le S 1 graphique mise à jour automatiquement à chaque étape. Observer un saut discontinu de la valeur de S 1 lorsque ML se produit (ce qui est le cas en utilisant le polarimètre commercial).
    REMARQUE: Utilisez un script GPLI pour effectuer cette tâche automatmatiquement. Ce script est basé sur une boucle qui varie l'angle de la CFP par pas de 1 ° ( en utilisant la commande "SM, 500, -10 n" envoyé à "COM4") et lit la valeur de S 1 de la maison analyseur de polarisation à chaque étape.
  3. Modifier le script développé en 3,5 de sorte que, au lieu d'utiliser la valeur donnée par le polarimètre commercial, il obtient P x et P y à partir de l'analyseur de polarisation maison et puis calcule S 1 = (P x P y) / (P x + P y).
  4. Utilisez le nouveau script basé sur l'analyseur de polarisation maison à ML automatiquement le laser d'une manière similaire à l'étape 3.6.

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Representative Results

NPR lasers à fibre mode bloqué sont connus pour fournir une grande variété de régimes d'impulsion tels que des impulsions Q-switch 10, impulsions ML cohérentes, des impulsions de bruit similaires, états liés d'impulsions ML, harmonique ML et structures complexes d'interaction ML impulsions 11. Dans le laser décrit ici, après la biréfringence de la CFP a été fixé pour être en mesure d'obtenir ML, la puissance de la pompe a été ajustée pour être relativement proche du seuil de impulsion unique ML. Ce faisant, le nombre de régimes concurrents a été réduit au minimum. A cette puissance de la pompe et en fonction de l'angle de la CFP, le laser a présenté différents régimes (figure 5) , mais pas de régime à impulsions multiples. Impulsions de bruit comme 12,13 ont été évitées en raison de la pré-réglage des fibres de cavité qui ont été conservés fixée une fois une impulsion ML norme unique a été trouvé. En fait, la conception de la cavité est probablement important à cet égard aussi, mais cet aspect n'a pas été étudiée à fond havant. Par conséquent, les régimes ne restants étaient émission à onde continue (CW), l'émission Q-switched et une écurie ML avec une impulsion unique et cohérent. Dans l'onde continue (CW) et les régimes Q-commutées, lignes étroites (1 nm ou plus, parfois limitée par la résolution de l'analyseur de spectre optique) sont considérés. Ces spectres sont à comparer avec le large spectre du régime ML avec une largeur à mi-hauteur de l'ordre de 30 nm ou même plus. Sur la photodiode rapide, CW montre presque pas de variations, Q-commutation montre un train d'impulsions avec un taux de l'ordre de quelques microsecondes de répétition (3,5 microsecondes ici) et ML apparaît comme un train d'impulsions beaucoup plus rapide avec un taux de quelques de répétition dizaines de nanosecondes (12.2 nsec ici) correspondant au temps aller-retour de la cavité laser. Quand une trace d'auto-corrélation est utilisé, seul le régime ML montre la présence d'impulsions parce que le régime à commutation de Q génère des impulsions qui ont une durée beaucoup plus longue et une puissance de crête beaucoup plus faible. La trace d'autocorrélationdans le régime ML montre un pic unique avec une largeur de 156 fs à partir de laquelle nous avons déduit que seule une impulsion unique ML cohérente est présent avec une durée FWHM près de 100 fs (110 fsec en supposant une forme d'impulsion gaussienne et 101 fsec supposant hyperbolique sécant carré forme d'impulsion).

La mesure de la Stokes paramètres en fonction de l'angle de la CFP intra-cavité (figure 6) a donné un résultat typique comme prévu théoriquement 7. Notez que chaque paramètre Stokes change brusquement lorsque ML est atteint. Par conséquent, une mesure d'un seul d'entre eux, par exemple S 1, est nécessaire pour détecter ML. A noter qu'une discontinuité dans la valeur d'un paramètre donné, qui ne coïncide pas avec la stabilité ML est parfois observée. En fait, le laser peut parfois atteindre un régime instable où il se déplace très rapidement entre CW, Q-switched et régimes ML d'une manière chaotique. Dans ces situations, la valeurs des paramètres de Stokes pourraient varier considérablement dans le temps. Ces variations apparaissent sous forme de barres d'erreur sur le graphique. On peut constater que les variations sont plus importantes dans certaines régions que dans d'autres. Cependant, dans les régimes ML stables, les variations sont vraiment petites. Ceci suggère que la variation temporelle des paramètres de Stokes peut être utilisé comme critère complémentaire pour vérifier si vraiment ML est atteint ou non après un saut discontinu a été détectée.

L'analyse précédente conduit à la conclusion que l'automatisation du laser peut être basée sur la recherche d'une discontinuité d'un paramètre Stokes donné. S 1 a été choisi ici. La variation de S 1 qui est définie comme une «discontinuité» est a priori arbitraire. Sur la base des mesures (figure 6), on constate que S 1 varie habituellement par des étapes de taille inférieure à 0,1 en tant quel'angle varie de 1 °. La seule exception est quand ML est atteint où il varie de 0,6. Il a donc été décidé de fixer le seuil de discontinuité à 0,3. La procédure d'automatisation présentée ici (figure 7) est basé sur cet état. Le laser ne doit pas être dans un état ML lorsque la routine commence sinon la routine va arrêter quand la discontinuité menant de ML à CW sera trouvé et le laser va finir par émettre CW. Cette contrainte est pas problématique parce que la gamme d'angles donnant ML est faible par rapport à la gamme complète de la CFP. Il est donc facile de positionner la CFP à un angle vraiment loin de ML lorsque la routine est engagée. Ici, la CFP a été portée à son angle minimum où une butée mécanique empêche de se déplacer plus loin. Dans cette position, le laser n'a pas été ML. Dans ces conditions, la routine fonctionne vraiment bien. Elle trouve ML en quelques minutes. Dans ce cas, la vitesse est principalement limitée par le temps de communication nécessaire entre la p commercialeolarimeter et l'ordinateur que l'angle est balayé.

Lorsqu'elle est mesurée avec l'analyseur de polarisation maison (figure 10), la courbe de S 1 en fonction de l'angle de la CFP est différente de la courbe mesurée à l' aide du polarimètre commercial (figure 6). Ceci est dû au fait que les axes X et Y des deux instruments ne coïncident pas nécessairement. Cependant, la transition abrupte dans S 1 lorsque ML est atteinte est clairement visible dans les deux cas. En effet, le comportement de S 1, S 2 et S 3 mesurée à l' aide du polarimètre commerciale a montré que les trois paramètres ne sont pas soumis à la même discontinuité lorsque ML a été atteinte. Cela suggère qu'une modification de l'orientation du diviseur de faisceau de polarisation ou, de manière équivalente, l'insertion d'un PSC manuel juste avant la polarization analyseur pourrait aider à faire la transition plus abrupte et plus facile à détecter. En fait, c'est exactement ce qui est arrivé ici, la transition vers ML est plus facile de voir avec l'analyseur de polarisation maison parce que le PSC manuel a été ajusté pour faire la transition apparaît plus clairement. La procédure d'automatisation est alors plus facile à réaliser.

L'automatisation avec l'analyseur de polarisation maison fonctionne vraiment bien. ML se trouve à quelques minutes. En effet, du fait que les lectures des tensions de photodiodes sont plus rapides que les lectures du polarimètre commercial, l'analyseur de polarisation maison donne de meilleurs résultats.

Figure 1
Figure 1:. ML en fonction de rotation de polarisation non linéaire , le signal est tout d' abord polarisé linéairement par le polariseur, puis transformé en un état ​​de polarisation elliptique par ee CFP. En raison de la non-linéarité Kerr de la fibre dans la cavité laser, l'ellipse de polarisation subit une rotation de son axe principal proportionnel à la puissance du signal. Depuis le polariseur à l'extrémité ne transmet que la composante verticale de la polarisation, la transmission dépendra de la puissance du signal et pourrait favoriser la formation d'une impulsion du bruit si l'angle PSC est réglé correctement. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2:. Position de l'analyseur de polarisation Pour une puissance moyenne donnée, une impulsion aura une puissance de crête supérieure à un signal à onde continue (CW) et fera l' objet d' une rotation plus importante de polarisation non linéaire. En positionnant l'analyseur juste avant le polariseur, une discrimination entre les états de polarisation vont permettre la détection de la présence d'une impulsion dans la cavité. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3:. La cavité laser en anneau de fibres Le laser doit être une cavité en anneau comportant des fibres monomodes optiques (bleu), une fibre de gain (vert), un isolateur, un polariseur, un PSC réglable via une interface informatique. Le coupleur de sortie doit être situé juste avant le polariseur. Enfin, le 1% du signal de sortie est exploité pour surveiller l'état de polarisation du signal et 99% du signal de sortie reste disponible. L'analyseur de polarisation fournit une rétroaction à une boucle de commande programmé dans un ordinateur qui ajuste l'angle de la CFP motorisée (lumière rouge) par l'intermédiaire d'un câble électrique (noir).ps: //www.jove.com/files/ftp_upload/53679/53679fig3large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4:. Un motorisé fibre squeezer CFP La biréfringence de la CFP est fixé par la pression des vis sur la gauche. L'angle de la CFP est ajustée avec le moteur à commande électronique qui est à droite. Le câble électrique relie le système à une interface d'ordinateur. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5: Détection de ML avec un analyseur de spectre optique différents régimes du laser observé sur le spectre optique.analyseur sur la gauche, sur une photodiode rapide au milieu et sur un autocorrélateur sur la droite (le cas échéant): quasi-CW avec de multiples longueurs d'onde (bleu), CW Q-switched (vert) et ML (rouge). Le spectre du régime ML est beaucoup plus large que les autres et sa trace d'autocorrélation dechirped montre un pic unique avec FWHM de 156 fs et un piédestal relativement étroit. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6:. La valeur des paramètres de Stokes en fonction de l'angle de la CFP et les régions ML Les courbes bleues sont la valeur moyenne de chaque paramètre Stokes sur 5 mesures prises à des intervalles de 0,2 s pour un cas typique. Les barres d'erreur représentent l'écart-type des mesures et de démontrer la stabilité du laser pour un angle PSC donné. Comme l'angle de la CFP est varié, les valeurs des paramètres de Stokes changent d'une façon continue, sauf lorsque ML est atteint (zones rouges sur la figure). Dans cette situation, leurs valeurs subissent une brusque variation qui peut être utilisé pour détecter la ML. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7:.. Une routine d'aligner automatiquement la CFP pour obtenir ML Cet organigramme montre la routine simple utilisé pour automatiser l'alignement du contrôleur d'état de polarisation (PSC) pour obtenir ML S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 8: analyseur de polarisation Homemade mesure S 1 Un espace libre diviseur de faisceau polarisant divise les x et y polarisation des composantes du signal.. Ces composants sont envoyés séparément à deux photodiodes mesurant ainsi le pouvoir P x et P y dans chaque polarisation, ce qui permet de calculer le premier paramètre de Stokes S 1 =. (P x - P y) / (P x + P y) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9
Figure 9: Transcircuit amplificateur -impedance pour chaque photodiode. La photodiode InGaAs détecte le signal 1,550 nm. Elle est reliée à un amplificateur opérationnel, une résistance et un condensateur. Le rôle du condensateur est de réduire la bande passante du circuit réduisant ainsi le risque de contracter une oscillation électrique à partir du circuit lui-même. La valeur de tension sera en moyenne par l'oscilloscope comme la valeur moyenne sera lue à partir et transformé en une puissance optique moyenne par un étalonnage avec une puissance-mètre optique commerciale. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 10
Figure 10: La valeur du premier paramètre Stokes en fonction de l'angle de la CFP en utilisant l'analyseur de polarisation maison Le comportement de S.1 montre la transition abrupte typique à l'angle où le laser atteint ML pour un cas typique. Cela a également été vu avec le polarimètre commercial. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Il a été démontré qu'il est possible d'automatiser le niveau maximal de NPR lasers en anneau de fibres en utilisant une boucle de rétroaction sur la base de mesures de polarisation de sortie. Pour réaliser cette tâche, il est crucial d'insérer un PSC réglable dans la cavité. Le coupleur de sortie de la cavité doit être située juste avant le polariseur afin de voir une différence entre l'état de polarisation d'un signal CW et un signal d'impulsion (Figure 2). La biréfringence de la CFP doit être pré-réglée de sorte que ML peut être trouvé et la puissance de la pompe doit être situé à proximité impulsion unique ML le seuil afin d'obtenir une impulsion unique dans la cavité et de minimiser le nombre de régimes concurrents qui peuvent se produire. Ceci explique pourquoi le régime ML trouve automatiquement en balayant l'angle dans une certaine direction a toujours été la même pendant l'expérience. Le paramètre mesuré à la sortie pour détecter ML est S 1. Ce paramètre change continuellement que l'angle de la CFP intra-cavité est swept. La seule exception à cette règle lorsque ML est atteint, la valeur de S 1 subit alors une discontinuité. La possibilité de faire de petits incréments d'angle est important ici. Si de grands incréments sont utilisés, il peut être difficile de distinguer entre un saut brusque et une variation «normale». La petite plage d'angles menant à ML pourrait également être enjamba sans le remarquer. Le petit incrément assure également que l'état ML est toujours le même parce que le système ne tombe nulle part dans la gamme ML, mais toujours détecter le bord de cette région où les impulsions ont toujours le même spectre optique. Ceci est la seule façon évidente d'assurer la reproductibilité de la procédure et les paramètres des impulsions générées.

En supposant que les points critiques ci - dessus ont été pris en considération, il est possible de construire une maison analyseur de polarisation qui fournit une valeur de S 1 et de permettre la détection et l' automatisation duML. La configuration proposée ici est composée d'un espace libre polarisant diviseur de faisceau cube en combinaison avec deux photodiodes. Une alternative serait d'utiliser un diviseur de faisceau de polarisation à base de fibres. Aucun alignement serait nécessaire et ce serait une configuration tout-fibre. Notez également que l'oscilloscope a été utilisé pour obtenir les tensions des photodiodes afin de communiquer facilement avec lui via un port GPIB. L'utilisation d'un voltmètre USB ou un circuit électronique maison pourrait réduire le coût de l'appareil.

La technique présentée ici est destiné à travailler pour fibres NPR lasers en mode verrouillé. Pour l'appliquer, il faut travailler avec une conception de la cavité relativement stable qui a été pré-réglée pour être en mesure d'obtenir ML. Le fait qu'un seul paramètre est modifié pour rechercher ML limiter la généralité de la technique. Si la cavité est perturbée par, par exemple, l'introduction d'une biréfringence dans les fibres, le système sera en mesure de compenser et de trouver ML lorsque la perturbation est faible. Houtefois, la CFP ne sera pas en mesure de compenser une grande modification de la biréfringence de la cavité parce que sa biréfringence est fixe 7. En ce sens, cette technique ne peut pas être considérée comme générale comme celui présenté dans Hellwig et al. 3. En outre, la caractérisation simple de S 1 à la sortie utilisée ici , en association avec le contrôle d'un angle COPS unique , ne permet pas à l'exploration de tous les régimes possibles d'émission du laser comme indiqué par Andral et al. , 6 , par exemple. De plus, la technique de détection ML présenté ici ne peut pas discriminer entre les impulsions de bruit comme 11, des impulsions ML cohérentes et plusieurs impulsions régimes. Le pré-réglage des fibres de cavité, la puissance de la pompe et la biréfringence de la CFP doit donc être fait avec soin pour garantir que les simples impulsions ML cohérentes formeront au lieu d'impulsions de bruit ressemblant ou plusieurs impulsions régimes.

Comme mentionné dans leintroduction, d'autres mécanismes ML existent et certains d'entre eux ne nécessitent pas l'alignement. Ils ont tous des avantages et des inconvénients. ML basé sur la boucle non linéaire miroirs 14 nécessite une longueur supplémentaire de fibre à l' intérieur de la cavité et pourrait ne pas convenir à haute répétition des lasers à taux 15. ML basée sur des absorbeurs saturables miroirs 16 exige la conception de la coutume reflète approprié pour la puissance et les caractéristiques spectrales du laser en cours d' examen. Le mécanisme NPR ML reste le plus largement utilisé en raison de sa simplicité, son efficacité et sa mise en œuvre à faible coût.

L'automatisation de son alignement rend NPR une option encore plus intéressante car elle peut maintenant être utilisé dans les systèmes commerciaux sans nécessiter l'intervention de l'utilisateur pour assurer ML se produit. La technique pour automatiser son alignement présenté ici est suffisant pour obtenir ML dans des conditions normales et est simple à mettre en œuvre. Il nécessite quelques composants à faible coût et pas cher instrments tels qu'un analyseur de spectre optique ou d'un analyseur de spectre RF. La conception de la cavité ne doit pas être modifiée car elle repose sur des mesures de polarisation de sortie. En effet, seule une fraction du signal de sortie est prélevé pour la surveillance et la partie restante peut être utilisée pour l'application en cours.

En d'autres termes, le laser n'a pas besoin d'être déconnecté de procéder à la procédure d'alignement. D'autre part, la puissance moyenne requise est si petite qu'un robinet de contrôle à 1% est suffisante. Ceci est en contraste avec les techniques de détection ML basées sur des processus non linéaires, tels que la deuxième génération -harmonic ou l'absorption à deux photons qui nécessitent une fraction beaucoup plus importante pour la surveillance soit efficace. Enfin, étant donné que cette technique ne nécessite que le premier paramètre de Stokes S 1 à mesurer, il n'y a pas besoin d'une caractérisation complète de l'état de polarisation, ce qui rend le système plus simple et moins coûteux àconcevoir et construire.

Cette technique est bien adapté pour les lasers à fibre commerciale et, avec cet objectif en tête, pourrait être développé davantage pour améliorer ses performances. Il sera également intéressant de l'appliquer aux lasers à fibres optiques à différentes longueurs d'onde. Ici, il a été utilisé dans un laser à fibre dopée à l'erbium, mais il est facilement transposable à des lasers à fibre dopée à l'ytterbium étant donné que tout le matériel nécessaire est facilement disponible. Il pourrait devenir plus difficile pour les lasers fonctionnant à des longueurs d'onde non-conventionnelles, mais il est certainement possible. Plus de tests est nécessaire pour vérifier son applicabilité aux différents régimes de dispersion tels que le laser soliton, le laser étiré impulsion, le laser similariton et le laser soliton dissipative.

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Disclosures

Les auteurs ont rien à révéler.

Acknowledgements

Les auteurs tiennent à remercier Christian Olivier et Philippe Chrétien pour l'aide précieuse concernant l'électronique, Éric Girard à GiGa Concept Inc. pour le support avec le contrôleur de polarisation motorisée, professeur Réal Vallée pour le prêt de polarimètre commerciale et professeur Michel Piché pour de nombreuses discussions fructueuses .

Ce travail a été soutenu par le Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FRQNT), les sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et Emplois d'été Canada.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bare-Fiber adaptor Bullet NGB-14
Drop-in polarization controller General Photonics Corp. Polarite PLC-006 Manual polarization controller.
DSP In-line polarimeter General Photonics Corp. POD-101D PolaDetect Polarimeter with USB/serial computer connectivity.
Fiber Cleaver Fitel S323
FiberPort Thorlabs Inc. PAF-X-2-C
Fixed Fiber-to-Fiber Coupler Bench Thorlabs Inc. FBC-1550-APC Any optical bench could be used. A 3-way bench would even be better.
Fusion Splicer Fujikura FSM-40PM
High resolution all fiber polarization controller Giga Concept Inc. GIG-2201-1300 All-fiber motorized polarization controller with USB computer connectivity.
InGaAs PIN PD module Optoway PD-1310 Pigtailed photodiode.
Instrument communication interface National Instruments NI MAX It comes packaged with National Instruments drivers (NI-VISA, NI-DAQmx, etc.)
Operational amplifier Texas Instruments TLO81ACP
Optical Powermeter Newport 818-IS-1 with 1835-C
Optical spectrum analyzer Anritsu MS9710C
Oscilloscope Tektronix TDS2022 Oscilloscope with GPIB computer connectivity.
Polarizing beamsplitter module Thorlabs Inc. PSCLB-VL-1550
Polyimide Film Tape 3M 5413 Tape to fix the components on the table without damaging the fibers.
Graphical programming language interface (GPLI) National Instruments LabVIEW Interface to program in G Programming Language and communicate with laboratory instruments.
Polarimeter controlling software General Photonics Corp. PolaView Comes with the polarimeter General Photonics POD-101D.

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References

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