Automazione della modalità di bloccaggio in una rotazione in fibra laser non lineare di polarizzazione attraverso l'uscita di polarizzazione Misure

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

Quando un laser è mode-locked, emette un treno di impulsi ultracorti cadenza di ripetizione determinato dalla lunghezza della cavità laser. Questo articolo delinea una procedura nuova e poco costoso per forza di bloccaggio modalità in un laser in fibra di rotazione non lineare polarizzazione pre-regolato. Questa procedura si basa sul rilevamento di un improvviso cambiamento nello stato di polarizzazione di uscita quando si verifica bloccaggio modalità. Questa modifica è utilizzato per comandare l'allineamento del controllore di polarizzazione intra-cavità per trovare condizioni mode-locking. Più specificamente, il valore del primo parametro Stokes varia quando l'angolo del controllore di polarizzazione viene spazzata e, inoltre, subisce una brusca variazione quando il laser entra nello stato modo bloccato. Monitoraggio questa variazione brusca fornisce un segnale pratico e facile da rilevare che può essere utilizzato per comandare l'allineamento del controllore di polarizzazione e guidare il laser verso bloccaggio modalità. Tale monitoraggio viene ottenuto alimentando una piccola porzionedel segnale ad un analizzatore di polarizzazione misurare il primo parametro Stokes. Un cambiamento improvviso nella lettura di questo parametro dall'analizzatore si verifica quando il laser entra nello stato modo bloccato. In questo momento, l'angolo richiesto del controllore di polarizzazione viene mantenuto fisso. L'allineamento è completato. Questa procedura fornisce un modo alternativo per le procedure Automazione esistenti che utilizzano apparecchiature come un analizzatore di spettro ottico, un analizzatore di spettro RF, un fotodiodo collegato ad un impulso di contatore elettronico o un sistema di rilevazione non lineare sulla base di assorbimento a due fotoni o generazione di seconda armonica. È adatto per la modalità laser bloccata mediante rotazione di polarizzazione lineare. E 'relativamente facile da implementare, richiede mezzi economici, soprattutto alla lunghezza d'onda di 1550 nm, e riduce i costi di produzione e di funzionamento sostenute rispetto alle tecniche sopra menzionate.

Introduction

Lo scopo di questo articolo è quello di presentare una procedura di allineamento di automazione per ottenere bloccaggio modalità (ML) in laser a fibra di rotazione lineare di polarizzazione. Questo procedimento si basa su due fasi essenziali: rilevamento regime ML misurando la polarizzazione del segnale di uscita del laser e poi messa a punto di un sistema di controllo autoaccensione raggiungere ML.

laser a fibra sono diventati uno strumento importante in ottica giorno d'oggi. Esse costituiscono una fonte efficiente della luce vicino infrarosso coerente e ora stanno estendendo nella porzione medio infrarosso dello spettro elettromagnetico. Il loro basso costo e la facilità d'uso hanno fatto loro una valida alternativa ad altre fonti di luce coerente, come laser a stato solido. laser a fibra possono anche fornire impulsi ultracorti (100 fsec o meno) quando un meccanismo ML viene inserito nella cavità fibra. Ci sono molti modi per progettare questo meccanismo ML come specchi di loop non lineari e assorbitori saturabili. Uno di questi, f ampiamente usatoo la sua semplicità, è basato su rotazione polarizzazione lineare (NPR) del segnale 1,2. Esso utilizza il fatto che l'ellisse polarizzazione del segnale subisce una proporzionale rotazione alla sua intensità si propaga nelle fibre della cavità laser. Inserendo un polarizzatore nella cavità, questo NPR porta a perdite di intensità-dipendente durante una andata e ritorno del segnale.

Il laser può essere costretto a ML controllando lo stato di polarizzazione. Effettivamente, le porzioni ad alta potenza del segnale saranno soggetti a minori perdite (Figura 1) e questo portare alla formazione di impulsi ultracorti di luce quando il laser è acceso e parte da un segnale rumoroso bassa potenza. Tuttavia, lo svantaggio di questo metodo è che il controllore stato di polarizzazione (PSC) deve essere correttamente allineato per ottenere ML. Di solito, un operatore trova il ML manualmente variando la posizione del CPS e l'analisi del segnale di uscita del laser con un facile photodiode, un analizzatore di spettro ottico o un ottica auto-correlatore non lineare. Non appena viene rilevato l'emissione degli impulsi, l'operatore arresta variando la posizione del CPS poiché il laser è ML. Ovviamente ricevendo il laser per auto-start porta automaticamente ad un guadagno importante in termini di efficienza. Ciò è particolarmente vero quando il laser è soggetto alle perturbazioni cambiando l'allineamento o la configurazione di cavità in quanto l'operatore deve passare attraverso la procedura di allineamento ripetutamente. Negli ultimi dieci anni, sono stati proposti diversi metodi per realizzare questa automazione. Hellwig et al. 3 utilizzati squeezers piezoelettrici per controllare la polarizzazione in combinazione con un'analisi completa dello stato di polarizzazione del segnale con una divisione del dell'ampiezza polarimetro all-fibra per rilevare ML. Radnarotov et al. 4 utilizzati PSC piatto a cristalli liquidi con un'analisi basata sullo spettro RF per rilevare ML. Shen et al. 5 usato spremi piezoelettriciper controllare la polarizzazione e / sistema di contatore ad alta velocità fotodiodo per rilevare ML. Più recentemente, una strategia basata su un algoritmo evolutivo è stato presentato in cui la rilevazione è provvisto da un fotodiodo a banda larga in combinazione con un intensimetrica autocorrelatore secondo ordine e un analizzatore di spettro ottico. Il controllo viene quindi eseguita con due PSC azionati elettronicamente all'interno della cavità 6.

Questo articolo descrive un modo innovativo di rilevare ML e la sua applicazione di una tecnica di automazione costringendo il laser a fibra di ML. La rilevazione di ML del laser è ottenuta analizzando come lo stato dell'uscita polarizzazione del segnale varia l'angolo del PSC è spazzato. Come si vedrà, la transizione a ML è associato con un improvviso cambiamento di stato di polarizzazione rilevabile misurando uno dei parametri di Stokes del segnale di uscita. Il fatto che un impulso è più intensa di un segnale CW e subirà una più importante exp NPRLains questo cambiamento. Poiché l'uscita del laser è immediatamente posizionato prima del polarizzatore nella cavità, lo stato di polarizzazione di un impulso in questa posizione è diverso dallo stato di polarizzazione di un segnale CW (Figura 2) e verrà utilizzata per discriminare lo stato ML. Aspetti teorici di questa procedura e la sua prima applicazione sperimentale sono stati presentati a Olivier et al. 7. In questo articolo, l'accento sarà posto sugli aspetti tecnici della procedura, i suoi limiti e dei suoi vantaggi.

Questa tecnica è relativamente semplice da implementare e non richiede sofisticati strumenti di misura per rilevare lo stato ML e automatizzare l'allineamento del laser per ottenere ML. è necessaria una PSC regolabile dall'esterno attraverso un'interfaccia programmabile. Diversi PSC possono essere usati nella linea di principio: squeezers piezoelettrici, a cristalli liquidi, onda piastre ruotato da un motore, cristalli magneto-ottico o un motore o basato PSC all-fibran spremitura e torsione della fibra 8. In questo articolo, quest'ultimo viene utilizzato, un all-in fibra motorizzato Yao-tipo PSC. Per rilevare lo stato di polarizzazione un costoso polarimetro commerciale può essere utilizzato. Tuttavia, poiché è necessaria solo il valore del primo parametro Stokes, un divisore di fascio polarizzante in combinazione con due fotodiodi sarà sufficiente, come mostrato in questo articolo.

Tutti questi componenti sono poco costoso per i laser in fibra drogata con erbio ampiamente usati. Un circuito di retroazione sulla base di questa procedura può trovare ML in pochi minuti. Il tempo di risposta è adatta per la maggior parte delle applicazioni dei laser a fibra ed è paragonabile alle altre tecniche esistenti. Infatti, il tempo di risposta è limitato dall'elettronica di analisi della polarizzazione del segnale. Infine, anche se il procedimento è applicato qui per un laser in fibra drogata con Erbio similariton 9, potrebbe essere utilizzata per qualsiasi laser in fibra a base NPR non appena l'apparecchiatura di cui sopra o suoi equivalent diventa disponibile alla lunghezza d'onda di interesse.

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Protocol

1. Impostazione di una ML Laser Fibra Fibra Tra cui una motorizzata PSC

  1. Raccogliere i seguenti componenti: una fibra drogata con Erbio modalità singola, un 980 / 1.550 nm Wavelength Division Multiplexer (WDM), un 980 / 1.550 nm WDM-1.550 nm isolatore componente ibrido, un accoppiatore 50/50 fibra, un polarizzatore fibra, un PSC motorizzato, due 980 nm diodi laser di pompa, una fibra accoppiatore 99/1 e una linea PSC manuale.
  2. Tagliare la fibra drogata con Erbio, e tutti gli altri componenti in fibra-pigtailed per adattarsi con il disegno della cavità desiderata.
    NOTA: La procedura di automazione presentato è adatto per i laser a fibra a base di rotazione di polarizzazione lineare. Dovrebbe funzionare per i diversi regimi di funzionamento come ad esempio il laser solitoni, il laser disteso impulsi, il laser solitone dissipativo e il laser similariton. Quest'ultimo regime è utilizzato in questo esperimento.
  3. Per costruire la cavità laser, utilizzare un splicer fusione della fibra per unire i componenti cavità nell'ordine indicato nel diagramma (figura 3 </ Strong>). Prima di eseguire ogni giuntura di fusione, pulito le fibre si conclude con alcool isopropilico e fendono con una mannaia di fibra.
    NOTA: I componenti interni del laser sono, in senso orario nella cavità anello, un PSC motorizzato, un 980 / 1.550 nm WDM, una fibra drogata con Erbio, un componente ibrido WDM isolatore 980 / 1.550 nm, un'uscita 50/50 accoppiatore ed un polarizzatore fibra. I componenti esterni sono una fibra accoppiatore 99/1 e una linea PSC manuale (come discusso in fasi 1.7 e 1.8).
    NOTA: Un segmento di fibra di circa 30 cm deve essere inserita nel PSC motorizzato prima che le giunzioni vengono eseguite con gli altri componenti della cavità. Anche se una fibra monomodale standard funziona, l'uso di poli-immide fibra rivestita è consigliato per questo segmento perché è più resistente alla pressione esercitata dalle viti del controllore e sarà quindi durare più a lungo.
  4. Unire i diodi laser pompa al WDM utilizzando il giuntatrice di fusione. Anche in questo caso, pulire le fibre si conclude con isopropilico alcohol e fendere con una mannaia di fibra prima di eseguire ogni giuntura di fusione.
  5. Collegare i diodi laser ai rispettivi regolatori di temperatura e driver correnti.
  6. Collegare il intra-cavità motorizzato Yao-tipo di fibra-spremiagrumi PSC (Figura 4) per il suo modulo di guida e quindi collegare il modulo di pilotaggio alla porta USB di un computer.
    NOTA: Questa porta è identificata dal numero "COM4", come illustrato nella "Gestione periferiche" del computer.
  7. All'uscita del laser, cioè porta 50/50 del copulante non ancora giuntati, unire un accoppiatore 99/1.
    Nota: la porta 99% è l'uscita utilizzabile. La porta 1% viene utilizzato per monitorare lo stato di polarizzazione nella procedura di automazione.
  8. Inserire un PSC manuale lungo la fibra del porto 1%. Per fare ciò, rimuovere le viti e aprire il PSC. Inserire la fibra nella slot appropriato e poi mettere le viti nelle loro buchi e avvitare loro.
  9. Splice una fibra co angolo lucidatonnector (APC) alla fine della fibra porta 1% (dopo il PSC manuale). Pulire e fendere le fibre finisce prima di eseguire la giuntura di fusione.
  10. Collegare l'uscita del 99% a un analizzatore di spettro ottico (OSA) utilizzando un adattatore bare-fibra.
    NOTA: Come discusso in seguito, lo spettro ottico visto sul OSA fornirà un modo alternativo di verificare se il laser è ML.
  11. Fissare tutte le fibre ei componenti nella cavità correttamente con nastro poliimmide film.
    NOTA: Le fibre ei componenti devono essere impedito di muoversi in qualsiasi condizione, come quando la tabella vibra o ventilatori soffiare aria. Il nastro poliimmide film viene utilizzato per evitare di danneggiare le fibre.
  12. Serrare le viti di pressione del PSC intra-cavità fino a quando la fibra comincia ad essere un po 'spremuto.
  13. Accendere i laser di pompa diodi e regolare le loro correnti ai valori massimi come specificato dal costruttore diodo laser.
  14. Avviare l'interfaccia di comunicazione dello strumento. Nel "Peripherals e Interface "colonna a sinistra, scegliere" COM4 ". Clicca su" pannello di prova aperta VISA ". Clicca su" Input / Output ". Poi, in" Selezionare o immettere il comando "tipo" SM, 500,3000 n " e fare clic sul pulsante "Query". Questo comanda il CPS a ruotare da 3.000 passi di 0.1125 ° in senso orario. nel farlo, il CPS raggiunge un arresto meccanico.
  15. In "Selezionare o immettere il comando" del pannello di test "COM4", tipo "SM, 500, -10 n" e fare clic sul pulsante "Query". Il PSC poi ruota di circa 1 ° in senso antiorario. Verificare ML viene raggiunta cercando in spettro ottico sul OSA. ML viene raggiunta quando la larghezza piena a metà del massimo dello spettro ottico è dell'ordine di poche decine di nanometri (Figura 5). Se si raggiunge ML, mantenere la birifrangenza e l'angolo fisso e passare al punto 1.18.
  16. Se ML non viene raggiunto, ripetere 1.15 fino a quando ML o all'angolo massimo Attainable con il CPS è raggiunto.
  17. Se viene raggiunto l'angolo massimo del PSC prima che si verifichi ML, aumentare la birifrangenza del PSC serrando leggermente le viti di pressione e ripetere i passaggi 1,14, 1,15 e 1,16 tante volte quanto richiesto per ottenere ML.
  18. Una volta che ML è raggiunto, diminuire i poteri della pompa al loro valore minimo permettendo ML di auto-start. Per fare ciò, ridurre i poteri della pompa fino a quando ML è perduto. Poi, riportarli lentamente verso il valore più piccolo che farà la ML riapparire. Attivare le pompe spegnere e riaccendere e verificare se le serrature modalità laser di per sé. Aumentare le potenze della pompa leggermente più a garantire la ML è stabile e si auto-start ogni volta che il laser è acceso.

2. Analizzando la polarizzazione del segnale di uscita

  1. Collegare il rubinetto 1% ad un polarimetro commerciale.
  2. Collegare il polarimetro al computer tramite una porta USB.
  3. Nella "Seleziona o il comando immettere" del pannello di test "COM4", TyPE "SM, 500,3000 n" e fare clic sul pulsante "Query".
  4. Eseguire il software commerciale polarimetro controllo e avviare la misurazione della polarizzazione facendo clic sul pulsante "Start".
  5. In "Selezionare o immettere il comando" del pannello di test "COM4", tipo "SM, 500, -10 n" e fare clic sul pulsante "Query". Osservare lo stato di polarizzazione sul polarimetro.
  6. Ripetere il passaggio 2,5 tante volte quanto necessario per coprire l'intera gamma di angoli consentiti dalla PSC intra-cavità. Si osservi che lo stato di polarizzazione varia molto agevolmente con l'angolo tranne agli angoli specifici dove ML è raggiunto come si può vedere osservando contemporaneamente la larghezza dello spettro ottico sul OSA.
  7. Ripetere i passaggi 2.3 al 2.6, ma questa volta, invece di guardare stato di polarizzazione, registrare i valori della Stokes parametri S 1, S 2 e S 3 come funziones dell'angolo del CPS (Figura 6). Per vedere chiaramente questi valori, scegliere "Measurement- → Oscilloscope" nel menu del software e cercare i valori medi di S 1, S 2 e S 3. Contemporaneamente guardare spettro ottico e registrare gli angoli per cui il laser è ML.

3. Impostazione di un anello di retroazione per automatizzare l'allineamento del PSC utilizzando polarimetro commerciali Misure

  1. Spegni il computer.
  2. Collegare la porta seriale del polarimetro commerciale alla porta seriale "COM1" del computer. Riavviare il computer e il polarimetro.
  3. Avviare l'interfaccia grafica linguaggio di programmazione (GPLI) che permetterà la lettura del polarimetro tramite "COM1" e il controllo del PSC motorizzato tramite "COM4".
  4. Nel GPLI, cliccare su "Blank VI". Quindi, selezionare "Finestra →Piastrelle sinistro e destro ".
    NOTA: Lo schermo verrà diviso in due parti. Lo schema a blocchi viene visualizzata a destra. E 'utilizzato per creare lo script utilizzando diverse funzioni associate con diverse icone. Il pannello frontale è visualizzato sulla sinistra. E 'utilizzato per visualizzare i comandi e le misure quando lo script è in esecuzione.
  5. Nella finestra schema a blocchi del GPLI, sviluppare uno script di automazione ML per essere utilizzato con il polarimetro commerciale (vedi Figura 7).
    NOTA: Questo script legge S 1 dal polarimetro e usa il suo valore per fornire un feedback e raggiungere il corretto allineamento dell'angolo PSC che porta alla ML. Il rilevamento di ML si ottiene ricercando una discontinuità nella variazione di S 1 come l'angolo viene variato.
    NOTA: I comandi utilizzati per controllare la PSC tramite "COM4" sono uguali a quelli presentati nella fasi 2.3 e 2.5. Il comando per leggere S 1
  6. Salvare lo script facendo clic su "File → Salva" e quindi eseguirlo facendo clic sul pulsante "→". Il CPS viene riportato al suo arresto meccanico, poi ruota a passi di circa 1 ° fino ML viene raggiunto, mostrando il valore di S 1 come si evolve.

4. Costruire una rudimentale fatta in casa Polarizzazione Analyzer

  1. Collegare un oscilloscopio al computer utilizzando l'interfaccia GPIB.
  2. Mettere una polarizzazione del fascio splitter cubo (PBS) su un banco ottico.
  3. Impostare tre FC / APC collimatori porte fibra ottica con il PBS (Figura 8).
    NOTA: una delle porte è l'ingresso. Gli altri due sono le uscite per i componenti di polarizzazione X e Y del segnale.
  4. Collegare un PIN InGaAs fotodiodo fibra pigtailed alla prima uscita.
  5. Collegare il fotodiodo ad un trans-impedacircuito di NCE (Figura 9).
  6. Collegare l'uscita elettrica del circuito al canale 1 dell'oscilloscopio.
  7. Accendere il circuito di trans-impedenza.
  8. Nel GPLI, leggere il valore medio della tensione sul canale 1 dell'oscilloscopio tramite la connessione GPIB utilizzando i comandi "measu: IMM: SOU CH1;" per selezionare il canale 1 dell'oscilloscopio, "misu: IMM: TIPO media;" per definire la misura per essere una tensione media, "misu: IMM:? VAL" per ottenere il valore e infine "measu: IMM: UNI?" per ottenere le unità di misura. Salvare lo script facendo clic su "File → Salva" e quindi eseguirlo facendo clic sul pulsante "→".
  9. Collegare l'uscita 1% del laser alla porta di ingresso del PBS e accendere il laser ad una potenza di pompa arbitraria. Questo invia un segnale ottico nm 1.550 all'ingresso.
  10. Misurare la tensione media alla prima uscita. Quindi, scollegare il fotodiodo fibra-codino e sostituireesso da una potenza metri commerciale. Misurare la potenza ottica in questa uscita.
  11. Ripetere passaggio 4.10 mentre variando la potenza del segnale ottico in ingresso. La tensione dovrebbe variare linearmente con la potenza ottica. Trovare i coefficienti di questa relazione lineare.
    NOTA: Questa relazione verrà utilizzato nel passo 4.20 per ottenere P x dalla tensione misurata.
  12. Collegare un secondo PIN InGaAs fotodiodo fibra pigtailed alla seconda uscita del PBS.
  13. Collegare il fotodiodo ad un secondo circuito trans-impedenza.
  14. Collegare l'uscita elettrica del circuito al canale 2 dell'oscilloscopio.
  15. Accendere il circuito di trans-impedenza.
  16. Nel GPLI, leggere il valore medio della tensione sul canale 2 dell'oscilloscopio tramite la connessione GPIB utilizzando i comandi "measu: IMM: SOU ch2;" per selezionare il canale 2 dell'oscilloscopio, "misu: IMM: TIPO media;" per definire la misura di essere una tensione media, "misu: IMM: VAL?4; per ottenere il valore e infine "measu: IMM: UNI?" per ottenere le unità di misura. Salvare lo script facendo clic su "File → Salva" e quindi eseguirlo facendo clic sul pulsante "→".
  17. Accendere il laser ad una potenza della pompa arbitrario.
  18. Misurare la tensione media alla seconda uscita. Quindi, scollegare il fotodiodo fibra pigtailed e sostituirla con una potenza metri commerciale. Misurare la potenza ottica in questa uscita.
  19. Ripetere passaggio 4.18 mentre variando la potenza del segnale ottico in ingresso. Assicurarsi che la tensione varia linearmente con la potenza ottica.
    NOTA: Trovare i coefficienti di questa relazione lineare. Questa relazione verrà utilizzato nel passo 4.20 per ottenere P y dalla tensione misurata.
  20. Dopo aver impostato il secondo rivelatore per misurare P y, utilizzare il GPLI per calcolare la prima Stokes parametro S 1 definita come S 1 = ( x - P y) / (P x + P y). L'analizzatore di polarizzazione rudimentale fatto in casa è ora pronto per l'uso.

5. Sostituzione del Polarimeter commerciale dal fatto in casa polarizzazione Analyzer nella Process Automation

  1. Collegare l'uscita 1% del laser all'ingresso dell'analizzatore di polarizzazione casalingo (come è stato fatto nel passo 4.9).
  2. Misurare la prima Stokes parametro S 1 in funzione dell'angolo del CPS (Figura 10) ripetendo il punto 2.7 usando l'analizzatore di polarizzazione casalingo (invece del polarimetro commerciale). Osservare il grafico S 1 aggiorna automaticamente ad ogni passo. Osservare un salto discontinua nel valore di S 1 quando si verifica ML (questo è il caso durante l'utilizzo del polarimetro commerciale).
    NOTA: Utilizzare uno script GPLI per eseguire questa operazione automaticocamente. Questo script è basato su un ciclo che varia l'angolo della PSC dai passi di 1 ° (utilizzando il comando "SM, 500, -10 n" inviato a "COM4") e legge il valore di S 1 del casalingo analizzatore di polarizzazione ad ogni passo.
  3. Modificare lo script sviluppato in 3,5 in modo che, invece di usare il valore dato dalla polarimetro commerciale, diventa P x e P y dall'analizzatore di polarizzazione casalingo e quindi calcola S 1 = (P x -P y) / (P x + P y).
  4. Utilizzare il nuovo script basato sul analizzatore di polarizzazione casalingo a ml laser automaticamente in modo simile al passaggio 3.6.

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Representative Results

NPR laser a fibra mode-locked sono noti per fornire una grande varietà di regimi pulsare come impulsi Q-switched 10, impulsi ML coerenti, impulsi di rumore-like, stati legati di impulsi ML, armonica ML e strutture complesse di interazione ML impulsi 11. Nel laser qui descritto, dopo la birifrangenza del PSC è stato fissato per essere in grado di ottenere ML, la potenza della pompa viene regolato a essere relativamente vicino alla soglia di singolo impulso ML. In tal modo, il numero di regimi concorrenti è stato ridotto al minimo. A questa potenza pompa e seconda dell'angolo del CPS, il laser presentato regimi differenti (Figura 5), ma nessun regime multi-impulso. Impulsi di rumore simile 12,13 sono state evitate grazie al pre-regolazione delle fibre cavità che sono stati tenuti fissato una volta è stato trovato un singolo impulso di serie ML. Infatti, il disegno cavità è probabilmente importanti al riguardo anche, ma questo aspetto non è stato studiato a fondo here. Di conseguenza, i restanti solo regimi erano emissione onda continua (CW), emissione Q-switched e ML stabile con un singolo impulso coerente. In onda continua (CW) e regimi di Q-switched, linee strette (1 nm o giù di lì, a volte limitata dalla risoluzione ottica analizzatore di spettro) sono visti. Questi spettri devono essere confrontati con l'ampio spettro del regime ML con una larghezza a metà altezza dell'ordine di 30 nm o più. Sul fotodiodo veloce, CW mostra quasi senza variazioni, Q-switching mostra un treno di impulsi con frequenza di ripetizione dell'ordine di pochi microsecondi (3,5 msec qui) e ML appare come un treno di impulsi molto più veloce con un tasso di ripetizione di alcune decine di nanosecondi (12.2 NSEC qui) corrispondenti al tempo di andata e ritorno della cavità laser. Quando viene utilizzata una traccia di autocorrelazione, solo il regime ML indica la presenza di impulsi perché il regime Q-switched genera impulsi che hanno una durata molto più lunga e una potenza di picco molto inferiore. La traccia di autocorrelazionenel regime ML mostra un singolo picco con una larghezza di 156 fsec da cui si deduce che solo un singolo impulso ML coerente è presente con una durata FWHM quasi 100 fsec (110 fsec assumendo una forma d'impulso gaussiano e 101 fsec assumendo iperbolica secante quadrata forma dell'impulso).

La misurazione della Stokes parametri in funzione dell'angolo del intra-cavità PSC (figura 6) ha prodotto un risultato tipico come previsto in teoria 7. Si noti che ogni parametro Stokes cambia bruscamente quando viene raggiunta ML. Di conseguenza, una misura di uno solo di essi, dicono S 1, è necessaria per rilevare ML. Si noti che una discontinuità nel valore di un dato parametro che non coincide con stable ML si osserva talvolta. Infatti, il laser potrebbe talvolta raggiungere un regime instabile sposta molto velocemente tra CW, Q-switched e regimi ML in modo caotico. In queste situazioni, il valores dei Parametri di Stokes possono variare sostanzialmente nel tempo. Queste variazioni appaiono come barre di errore sul grafico. Si può notare che le variazioni sono più importanti in alcune regioni rispetto ad altre. Tuttavia, nei regimi stabili ML, le variazioni sono molto piccole. Questo suggerisce che la variazione temporale dei parametri Stokes potrebbe essere utilizzata come criterio complementare per verificare se ML realmente raggiunto o meno dopo che è stato rilevato un salto discontinuo.

L'analisi precedente porta alla conclusione che l'automazione del laser può essere basata sulla ricerca di una discontinuità di un dato parametro Stokes. S 1 è stato scelto qui. La variazione di S 1 che viene definito come "discontinuità" è una arbitraria priori. Sulla base delle misure (figura 6), si trova che S 1 varia di solito da piccoli passi di 0,1 comel'angolo viene variata 1 °. L'unica eccezione è quando si raggiunge ML dove essa varia da 0,6. Si è quindi deciso di fissare la soglia di discontinuità a 0,3. La procedura automazione qui presentato (Figura 7) si basa su tale condizione. Il laser non deve essere in una condizione ML quando la routine inizia altrimenti la routine si interrompe quando sarà trovata la discontinuità che porta da ML a CW e il laser finirà che emette CW. Questo vincolo non è problematico perché la gamma di angoli dando ML è piccolo rispetto alla gamma completa del PSC. È quindi facile posizionare CPS con un angolo molto lontano dal ML quando la routine è impegnato. Qui, il CPS è stato portato al suo angolo minimo dove un fermo meccanico impedisce di muoversi ulteriormente. In questa posizione, il laser non era ML. In queste condizioni, la routine funziona molto bene. Essa trova ML pochi minuti. In questo caso, la velocità è principalmente limitata dal tempo di comunicazione richiesto tra le p commercialeolarimeter e il computer come l'angolo è spazzata.

Se misurata con l'analizzatore di polarizzazione casalingo (Figura 10), la curva di S 1 in funzione dell'angolo del PSC è diversa dalla curva misurata con il polarimetro commerciale (Figura 6). Ciò è dovuto al fatto che gli assi X e Y dei due strumenti non coincidono necessariamente. Tuttavia, la transizione brusca S 1 quando viene raggiunto ML si vede chiaramente in entrambi i casi. Infatti, il comportamento di S 1, S 2 e S 3 misurata con il polarimetro commerciale ha mostrato che i tre parametri non hanno subito la stessa discontinuità quando è stato raggiunto ML. Si suggerisce che un cambiamento di orientamento del divisore di fascio polarizzante o, equivalentemente, l'inserimento di un PSC manuale appena prima della polarizatione analizzatore potrebbe contribuire a rendere la transizione più brusca e più facile da individuare. In realtà, questo è esattamente quello che è successo qui, il passaggio alla ML è più facile vedere con l'analizzatore di polarizzazione in casa perché il PSC manuale è stato adattato per rendere la transizione appare più chiaro. La procedura di automazione è quindi più facile da realizzare.

L'automazione con l'analizzatore di polarizzazione in casa funziona davvero bene. ML si trova in pochi minuti. Infatti, poiché le letture delle tensioni fotodiodi sono più veloci le letture del polarimetro commerciale, l'analizzatore di polarizzazione casalingo comporta meglio.

Figura 1
Figura 1:. ML base alla rotazione di polarizzazione non lineare Il segnale viene prima polarizzata linearmente dal polarizzatore e poi trasformato in uno stato di polarizzazione ellittica da the PSC. A causa della non linearità Kerr della fibra nella cavità laser, l'ellisse di polarizzazione subisce una rotazione del suo asse principale proporzionale alla potenza del segnale. Poiché il polarizzatore alla fine trasmette solo la componente verticale della polarizzazione, la trasmissione dipende dalla potenza del segnale e può favorire la formazione di un impulso dal rumore se l'angolo PSC sia regolato correttamente. Fare click qui per visualizzare un grande versione di questa figura.

figura 2
Figura 2:. Posizione del analizzatore di polarizzazione per una data potenza media, un impulso avrà una potenza di picco più grande di un segnale ad onda continua (CW) e subirà una grande rotazione di polarizzazione lineare. Posizionando l'analizzatore appena prima del polarizzatore, discriminazione tra gli stati di polarizzazione permetteranno il rilevamento della presenza di un impulso nella cavità. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3:. La cavità dell'anello laser a fibra Il laser deve essere una cavità anello comprese fibre monomodali ottici (blu), una fibra guadagno (verde), un isolatore, un polarizzatore, un PSC regolabile tramite un'interfaccia computer. L'accoppiatore di uscita deve essere posizionata appena prima del polarizzatore. Infine, 1% del segnale di uscita viene sfruttato per monitorare lo stato di polarizzazione del segnale e il 99% del segnale di uscita rimane disponibile. L'analizzatore di polarizzazione fornisce feedback per un anello di controllo programmato in un computer che regola l'angolo del motore PSC (luce rossa) tramite un cavo elettrico (nero).ps: //www.jove.com/files/ftp_upload/53679/53679fig3large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4:. A motorizzato fibra spremiagrumi PSC La birifrangenza del PSC è fissato dalla pressione delle viti sulla sinistra. L'angolo del PSC viene regolato con il motore a controllo elettronico che è sulla destra. Il cavo elettrico collega il sistema ad una interfaccia computer. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5: Rilevare ML con un analizzatore di spettro ottico differenti regimi del laser osservata nello spettro ottico.analizzatore a sinistra, su un fotodiodo veloce nel mezzo e su un autocorrelatore sulla destra (se del caso): quasi-CW con più lunghezze d'onda (blu), Q-switched CW (verde) e ML (rosso). Lo spettro nel regime ML è molto più ampia rispetto agli altri e la sua dechirped traccia di autocorrelazione mostra un singolo picco con FWHM di 156 FSEC e un piedistallo relativamente stretto. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6:. Il valore dei parametri Stokes come funzioni dell'angolo CPS e regioni ML Le curve blu sono il valore medio di ciascun parametro Stokes in 5 misurazioni effettuate ad intervalli di 0,2 sec per un caso tipico. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard delle misurazioni e dimostrano la stabilità del laser per un dato angolo PSC. Poiché l'angolo del PSC è vario, i valori dei parametri Stokes cambiano in modo continuo, tranne quando ML è raggiunto (aree rosse sulla figura). In questa situazione, i loro valori subiscono una variazione brusca che può essere utilizzato per rilevare la ML. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7:.. Una routine di allineare automaticamente il CPS ad ottenere ML Questo diagramma di flusso mostra la semplice routine utilizzato per automatizzare l'allineamento del controllore stato di polarizzazione (PSC) per ottenere ML Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 8: analizzatore di polarizzazione casalingo di misura S 1 una intercapedine polarizzazione beam splitter divide i componenti X e Y-polarizzazione del segnale.. Questi componenti vengono inviati separatamente a due fotodiodi che misurano così il potere P x e P y in ogni polarizzazione, permettendo di calcolare la prima Stokes parametro S 1 =. (P x - P y) / (P x + P y) Cliccate qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9
Figura 9: Transcircuito amplificatore -Impedenza per ciascun fotodiodo. Il fotodiodo InGaAs rileva il segnale di 1.550 nm. Esso è collegato ad un amplificatore operazionale, una resistenza ed un condensatore. Il ruolo del condensatore è di ridurre la larghezza di banda del circuito riducendo così il rischio di ottenere una oscillazione elettrica dal circuito stesso. Il valore di tensione sarà media dal oscilloscopio come il valore medio sarà letto da esso e trasformato in una potenza media ottico attraverso la calibrazione con un ottica potere metri commerciale. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 10
Figura 10: Il valore del primo parametro Stokes in funzione dell'angolo PSC usando l'analizzatore di polarizzazione casalingo Il comportamento di S.1 mostra il brusco passaggio tipica all'angolo dove il laser raggiunge ML per un caso tipico. Questo è stato visto anche con il polarimetro commerciale. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

E 'stato dimostrato che è possibile automatizzare la ML di NPR laser ad anello fibra utilizzando un ciclo di feedback sulla base di misure di uscita di polarizzazione. Per realizzare questo compito è fondamentale inserire un PSC registrabile nella cavità. L'accoppiatore di uscita della cavità deve essere posizionata appena prima del polarizzatore per vedere una differenza tra lo stato di polarizzazione di un segnale CW e un segnale di impulso (Figura 2). La birifrangenza del PSC deve essere pre-regolato in modo che ML può essere trovato e la potenza della pompa deve essere impostato vicino singolo impulso ML la soglia per ottenere un singolo impulso nella cavità e minimizzare il numero di regimi concorrenti che possono verificarsi. Questo spiega perché il regime ML trovato automaticamente da spazzare l'angolo in una certa direzione era sempre lo stesso durante l'esperimento. Il parametro misurato all'uscita per rilevare ML è S 1. Questo parametro cambia continuamente mentre l'angolo del PSC intra-cavità è swEPT. L'unica eccezione è quando si raggiunge ML, il valore di S 1 subisce quindi una discontinuità. La possibilità di effettuare piccoli incrementi angolari è importante qui. Se si usano grandi incrementi potrebbe diventare difficile discriminare tra un salto improvviso e una variazione "normale". La piccola gamma di angoli che portano alla ML potrebbe anche essere fatto un passo sopra senza accorgersene. Il piccolo incremento assicura anche che lo stato ML è sempre lo stesso perché il sistema non rientra ovunque nella gamma ML ma rileva sempre il bordo di questa regione dove gli impulsi hanno sempre lo stesso spettro ottico. Questo è l'unico modo ovvio per garantire la ripetibilità del procedimento e dei parametri di impulsi generati.

Assumendo i punti critici di cui sopra sono stati considerati, è possibile costruire un analizzatore di polarizzazione artigianale che fornisce un valore di S 1 e consentire la rilevazione e automazioneML. La configurazione qui proposto è costituito da un libero spazio di polarizzazione del fascio splitter cubo in combinazione con due fotodiodi. Un'alternativa sarebbe quella di utilizzare un divisore di fascio di polarizzazione a base di fibre. Nessun allineamento sarebbe necessaria e sarebbe una configurazione del tutto-fibra. Si noti inoltre che un oscilloscopio è stato usato per ottenere le tensioni dei fotodiodi per comunicare con esso facilmente tramite una porta GPIB. L'uso di un voltmetro USB o un circuito elettronico in casa potrebbe ridurre il costo dell'apparecchiatura.

La tecnica qui presentata è destinato a lavorare per i laser mode-locked in fibra di NPR. Per applicarla, si ha la necessità di lavorare con un disegno della cavità relativamente stabile che è stata pre-registrata per essere in grado di ottenere ML. Il fatto che un solo parametro viene variato per cercare ML limita la generalità della tecnica. Se la cavità è perturbata da, per esempio, introducendo una birifrangenza delle fibre, il sistema sarà in grado di compensare e trovare ML quando la perturbazione è piccola. HTuttavia, il punto PSC non sarà in grado di compensare una grande modifica della birifrangenza della cavità perché la sua birifrangenza è fisso 7. In questo senso, questa tecnica non può essere considerata generale quella presentata nel Hellwig et al. 3. Inoltre, la semplice caratterizzazione di S 1 sull'uscita qui usato in combinazione con il controllo di un angolo PSC unica non consente l'esplorazione di tutte le possibili regimi di emissione del laser come discusso da Andral et al. 6, per esempio. Inoltre, la tecnica di rilevazione ML presentato qui non possono discriminare tra impulsi di rumore, come 11, legumi ML coerenti e regimi multipli-impulsi. La pre-regolazione delle fibre cavità, la potenza della pompa e la birifrangenza PSC deve quindi essere fatto con attenzione per garantire che i singoli impulsi ML coerenti formeranno invece di impulsi di rumore simile o regimi più-impulsi.

Come indicato nelintroduzione, altri meccanismi ML esiste e alcuni di loro non richiedono l'allineamento. Tutti hanno alcuni vantaggi e svantaggi. ML basata su circuito non lineare rispecchia 14 richiede una lunghezza supplementare di fibra all'interno della cavità e potrebbe non essere adatto per i laser ad alto tasso di ripetizione 15. ML basato su assorbitori saturabile specchi 16 richiede la progettazione di ordinazione rispecchia appropriata per la potenza e caratteristiche spettrali del laser in esame. Il meccanismo NPR ML rimane il più ampiamente usato per la sua semplicità, la sua efficacia e implementazione a basso costo.

L'automazione del suo allineamento rende NPR un'opzione ancora più interessante perché può ora essere utilizzato in sistemi commerciali senza richiedere l'intervento dell'utente per assicurare verifica ML. La tecnica di automatizzare l'allineamento presentato qui è sufficiente per ottenere ML in condizioni normali ed è semplice da implementare. Si richiede pochi componenti a basso costo e senza Instr costosocumenti come un analizzatore di spettro ottico o un analizzatore di spettro RF. Il disegno della cavità non deve essere modificato poiché si basa su misure di uscita di polarizzazione. Infatti, solo una frazione della potenza è sfruttato per il monitoraggio e la porzione rimanente può essere utilizzato per l'applicazione in corso.

In altre parole, il laser non ha bisogno di essere scollegato per procedere con la procedura di allineamento. In secondo luogo, la potenza media richiesta è così piccolo che un rubinetto monitoraggio 1% è sufficiente. Questo deve essere contrastato con tecniche di rivelazione ML basate su processi non lineari come seconda generazione -harmonic o assorbimento a due fotoni che richiedono una frazione significativamente maggiore per il monitoraggio sia efficiente. Infine, dal momento che questa tecnica richiede solo il primo Stokes parametro S 1 da misurare, non vi è alcuna necessità di una completa caratterizzazione dello stato di polarizzazione e questo rende il sistema molto più semplice e meno costosoprogettare e costruire.

Questa tecnica è particolarmente adatto per laser a fibra commerciali e, con questo obiettivo in mente, potrebbe essere ulteriormente sviluppato per migliorare le sue prestazioni. Sarà interessante anche applicarlo a laser in fibra a differenti lunghezze d'onda. Qui è stato utilizzato in un laser in fibra drogata con Erbio, ma è facilmente trasferibile a laser in fibra itterbio drogata poiché tutta l'attrezzatura necessaria è prontamente disponibile. Potrebbe diventare più difficile per i laser che operano a lunghezze d'onda non convenzionali ma è sicuramente fattibile. Ulteriori test è necessario per verificare la sua applicabilità ai diversi regimi di dispersione, come il laser solitoni, il laser allungata impulsi, il laser e il laser similariton soliton dissipativo.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

Gli autori desiderano ringraziare Christian Olivier e Philippe Chrétien aiuto prezioso per quanto riguarda l'elettronica, Éric Girard a GiGa Concetto Inc. per il supporto con il controller di polarizzazione motorizzato, professore Réal Vallée per il prestito del polarimetro commerciale e professore Michel Piché per molte discussioni fruttuose .

Questo lavoro è stato supportato dal Fonds de recherche du Québec - tecnologie Nature et (FRQNT), le scienze naturali e ingegneria Research Council of Canada (NSERC) e in Canada Lavori estivi.

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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