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

Резюме

A protocol to detect and automate mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser is presented. The detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs is used to command the alignment of an intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions.

Аннотация

Когда лазер с синхронизацией мод, он испускает поезд ультра-коротких импульсов с частотой повторения определенной длины резонатора лазера. В этой статье описывается новый и недорогой процедуры для принудительного режима блокировки в предварительно скорректированных нелинейной поляризации лазера вращения волокна. Эта процедура основана на обнаружении внезапного изменения состояния выхода поляризации, когда происходит режим блокировки. Это изменение используется для команды выравнивания контроллера поляризации внутри полости для того, чтобы найти режим блокировки условий. Более конкретно, значение первого параметра Стокса изменяется при изменении угла контроллера поляризации заметен и, кроме того, он претерпевает резкое изменение, когда лазер переходит в состояние режима автоподстройки. Мониторинг это резкое изменение обеспечивает практический сигнал простой в определить, что может быть использовано для команды выравнивание поляризационного контроллера и привода лазера в направлении мод. Этот контроль достигается путем подачи небольшой частисигнала в анализатор поляризации измерения первого параметра Стокса. Внезапное изменение в чтении из этого параметра из анализатора будет происходить, когда лазер переходит в состояние режима автоподстройки. В этот момент, требуемый угол контроллера поляризации сохраняется фиксированной. Выравнивание завершается. Эта процедура обеспечивает альтернативный путь к существующим процедурам Automating, которые используют оборудование, такое как оптический анализатор спектра, анализатор спектра РЧ, фотодиода, подключенного к электронному импульсным счетчиком или нелинейной схемы детектирования на основе ДФП или генерации второй гармоники. Он подходит для режима лазеров заблокированного нелинейного вращения поляризации. Это сравнительно легко осуществить, он требует недорогое средство, особенно при длине волны 1550 нм, и это снижает затраты на производство и эксплуатацию, понесенные по сравнению с вышеупомянутыми методами.

Введение

Цель данной статьи состоит в том, чтобы представить процедуру выравнивания автоматизации для получения режима синхронизации мод (ML) в нелинейной поляризации лазеров вращения волокна. Эта процедура основана на двух основных этапов: определение режима ML путем измерения поляризации выходного сигнала лазерного излучения, а затем наладку систему управления самозапуска, чтобы добраться до ML.

Волоконные лазеры стали важным инструментом в оптике в настоящее время. Они являются эффективным источником когерентного ближнего инфракрасного света, и в настоящее время они проходящее в середине инфракрасной части электромагнитного спектра. Их низкая стоимость и простота использования сделали их привлекательной альтернативой другим источникам когерентного света, таких как твердотельных лазеров. Волоконные лазеры могут также обеспечить ультракоротких импульсов (100 фс или менее), когда механизм ML вставлен в полость волокна. Есть много способов создания такого механизма ML, такие как нелинейные зеркала петель и насыщающихся поглотителей. Один из них, широко используется Fили его простота, основана на нелинейной вращения плоскости поляризации (NPR) сигнала ^1,2. Он использует тот факт, что эллипс поляризации сигнала испытывает поворот пропорционально его интенсивности по мере распространения в волокнах резонатора лазера. Вставив поляризатор в полости, это приводит к NPR, зависящей от интенсивности потерь во время туда и обратно сигнала.

Лазер может быть вынужден ML путем контроля состояния поляризации. Эффективно, высокие мощности части сигнала будут подвергнуты снизить потери (рисунок 1) , и это в конечном итоге приведет к образованию ультракоротких импульсов света , когда лазер включен и начинается от шумного сигнала с низким энергопотреблением. Однако недостатком этого метода является то, что состояние поляризации контроллер (PSC) должны быть выровнены, чтобы получить ML. Как правило, оператор находит ML вручную путем изменения положения PSC и анализа выходного сигнала лазера с быстрым рhotodiode, оптический анализатор спектра или нелинейный оптический автокоррелятор. Как только излучение импульсов обнаружен, то оператор прекращает изменения положения ККП, так как лазер МЛ. Очевидно, что получение лазера к самозапуска автоматически приводит к важному выигрыш в эффективности. Это особенно актуально, когда лазер подвергается возмущениям, изменяющих выравнивание или конфигурацию полости, поскольку оператор должен снова и снова пройти процедуру выравнивания. В последнее десятилетие различные методы были предложены для достижения этой автоматизации. Hellwig и др. ³ использовали пьезоэлектрические соковыжималки для контроля поляризации в сочетании с полным анализом состояния поляризации сигнала с полностью волоконной разделением от амплитуды поляриметре для обнаружения ML. Radnarotov и др. ⁴ использовали ЧОК жидкокристаллические пластины с анализом на основе радиочастотного спектра для обнаружения ML. Shen и др. ⁵ использовали пьезоэлектрические соковыжималкиконтролировать поляризацию и фотодиод / высокоскоростного счетчика системы для обнаружения ML. Совсем недавно была представлена ​​стратегия на основе эволюционного алгоритма, в котором обнаружение обеспечивается фотодиода с высокой пропускной способностью в сочетании с intensimetric автокорреляторе второго порядка и оптический анализатор спектра. Контроль Затем выполняется с двумя электронным способом приводом ЧОК внутри полости ^6.

В данной статье описывается новый способ обнаружения ML и его применение к технике автоматизации принуждая волоконный лазер на ML. Обнаружение ML лазера достигается путем анализа того, как состояние поляризации выхода сигнала изменяется угол ККП заметен. Как будет показано далее, переход к ML связано с внезапным изменением состояния поляризации обнаруживаемого путем измерения одного из параметров Стокса выходного сигнала. Тот факт, что импульс является более интенсивным, чем сигнал CW и будет проходить более важную NPR ехрlains это изменение. Поскольку выход лазера непосредственно расположен перед поляризатора в полости, состояние поляризации импульса на этом месте , отличном от состояния поляризации сигнала CW (рисунок 2) и будет использоваться для различения состояния ML. Были представлены теоретические аспекты этой процедуры и ее первой экспериментальной реализации в Оливье и др. ^7. В этой статье основное внимание будет уделено техническим аспектам процедуры, ее ограничения и ее преимущества.

Этот метод относительно прост в реализации и не требует сложных измерительных приборов для определения состояния ML и автоматизировать выравнивание лазера, чтобы получить ML. ККП регулируемые снаружи через программируемый интерфейс требуется. Различные ЧОК могут быть использованы в принципе: пьезоэлектрические соковыжималки, жидкий кристалл, волновые пластины во вращение двигателем, магнитооптических кристаллов или моторизованной цельноволоконный на основе PSC Oп сжатие и скручивание волокна ^8. В этой статье используется последняя, ​​все-волокна моторизованные Яо типа PSC. Для определения состояния поляризации дорогой коммерческий поляриметр может использоваться. Тем не менее, так как только значение первого параметра Стокса требуется, поляризационный расщепитель луча в комбинации с двумя фотодиодов будет достаточно, как показано в этой статье.

Все эти компоненты недороги для широко используемых эрбиевых волоконных лазеров. Контур обратной связи на основе этой процедуры можно найти ML в течение нескольких минут. На этот раз ответ подходит для большинства применений волоконных лазеров и сравнима с другими существующими методами. На самом деле, время отклика ограничена электроникой, используемых для анализа поляризации сигнала. Наконец, хотя эта процедура применяется здесь к эрбием волоконного лазера симиляритона ^9, он может быть использован для любого волоконного лазера на основе НПР как только вышеупомянутого оборудования или его equivalenт становится доступным на длине волны, представляющей интерес.

протокол

1. Настройка волокна ML волоконный лазер Включая моторизованной PSC

1. Соберите следующие компоненты: одномодовый эрбиевый волокно, 980/1550 нм мультиплексор разделение (WDM), 980/1550 нм WDM-1,550 нм Изолятор гибридная компонент, 50:50 волоконный ответвитель а, волокно поляризатор, моторизованный PSC, два 980 нм диоды накачки лазера, 99/1 волоконный ответвитель а и ручной встроенный PSC.
2. Обрежьте эрбиевых волоконных и все другие волоконно-косичкой компоненты в соответствии с желаемым дизайном полости.
   Примечание: Представленная процедура автоматизации подходит для волоконных лазеров на основе нелинейного вращения поляризации. Он должен работать для различных режимов работы, таких как солитонном лазера, растянутых-импульсного лазера, диссипативной солитона лазера и симиляритона лазера. Последний режим используется в этом эксперименте.
3. Для того, чтобы построить резонатор лазера, использовать слитый волокна дл соединени соединить компоненты полости в порядке , указанном на схеме (рисунок 3 </ Сильный>). Перед выполнением каждого слияния сращивания, чистые волокна заканчивается изопропилового спирта и расщеплять их с волокном тесак.
   Примечание: Внутренние компоненты лазера являются, по часовой стрелке в кольцевой полости, моторизованной PSC, 980/1550 нм WDM, легированной эрбием волокно, 980/1550 нм WDM Изолятор гибридная компонент, 50:50 выход ответвитель и волоконный поляризатор. Внешние компоненты представляют собой 99/1 волоконный ответвитель и ручной встроенный ККП (как описано в шагах 1.7 и 1.8).
   Примечание: Волокно сегмент примерно 30 см должна быть вставлена ​​в моторизованной PSC перед сростки выполняются с другими компонентами полости. Хотя стандартный одномодовое волокно будет работать, использование полиимидной покрытием волокна рекомендуется для данного сегмента, так как он более устойчив к давлению, оказываемому винтов контроллера и, таким образом, служить дольше.
4. Соедините насос лазерных диодов к WDMs с помощью сварочного аппарата. Опять же, чистые волокна заканчивается изопропилового дрcohol и расщеплять их с волокном скалывателе перед выполнением каждого слияния сращивания.
5. Подключите лазерные диоды к их соответствующих регуляторов температуры и текущих драйверов.
6. Подключите внутриполостное моторизованные Яо типа волоконно-соковыжималка PSC (рисунок 4) для его ведущего модуля , а затем подключить модуль вождения к USB - порту компьютера.
   Примечание: Этот порт идентифицируется номером "COM4", как показано в "Диспетчер устройств" компьютера.
7. На выходе лазера, т.е. порт 50:50 ответвителя еще не сращены, сращивать 99/1 ответвитель.
   ПРИМЕЧАНИЕ: 99% порт полезная мощность. 1% порт используется для контроля состояния поляризации в процедуре автоматизации.
8. Вставьте ручной PSC вдоль волокна на 1% порта. Для этого удалите винты и откройте PSC. Вставьте волокно в соответствующее гнездо, а затем поставить винты обратно в свои отверстия и ввернуть их в.
9. Сращивания угол полировкой волокна COnnector (АРС) в конце 1% оптоволоконного порта (после ручного PSC). Чистый и расщепляют волокна заканчивается перед выполнением сварки стык.
10. Подключите выход 99% к оптическому анализатору спектра (OSA), используя адаптер голое волокно.
    Примечание: Как будет показано ниже, оптический спектр видно на ОРД обеспечит альтернативный способ проверки того, если лазер МЛ.
11. Закрепить все волокна и компоненты в полости должным образом с полиимидной пленки лентой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Волокна и компоненты должны быть предотвращен от перемещения в любых условиях, например, когда таблица вибрирует или вентиляторы охлаждения нагнетают воздух. Полиимидной пленки лента используется для того, чтобы избежать повреждения волокон.
12. Затянуть винты давления ККП внутри полости, пока волокна не начнет слегка сдавленные.
13. Включите лазеров накачки диодов и корректировать свои токи до их максимальных значений, указанных изготовителем лазерного диода.
14. Запустите интерфейс инструмента связи. В "Перipherals и интерфейс "в левом столбце, выберите" COM4 ". Нажмите на кнопку" Открыть VISA тестовой панели ". Нажмите на кнопку" Input / Output ". Затем, в" Выберите или введите команду "типа" СМ, 500,3000 п " и нажмите на кнопку "Запрос". Это команды PSC вращаться на 3000 шагов 0,1125 ° в направлении по часовой стрелке. делая это, ККП достигает механического упора.
15. В поле "Выберите или введите команду" из "COM4" тестовой панели, типа "SM, 500, -10 п" и нажмите на кнопку "Запрос". PSC затем поворачивается приблизительно на 1 ° против часовой стрелки. Проверьте, если ML достигается путем глядя на оптическом спектре на ОРД. ML достигается при полной ширины на половине максимума оптического спектра порядка нескольких десятков нанометров (рисунок 5). Если ML будет достигнуто, сохранить двулучепреломления и угол фиксированной и перейдите к шагу 1.18.
16. Если ML не достигнуто, повторите 1.15 до либо ML или максимального угла АфайNable с PSC достигается.
17. Если максимальный угол PSC достигается прежде, чем произойдет ML, увеличение двулучепреломления PSC, слегка затянув винты давления и повторите шаги 1,14, 1,15 и 1,16 столько раз, сколько требуется, чтобы получить ML.
18. После того, как ML достигается, уменьшить мощности накачки до их минимального значения, позволяющего ML к самозапуска. Для этого, уменьшить мощности накачки до ML не будет потеряна. Затем вернуть их обратно медленно в сторону наименьшего значения, которое сделает ML снова. Включите насосы и снова включите его снова и проверьте, если режим лазерного замков сам по себе. Увеличение насос силы немного больше, чтобы обеспечить ML является стабильным и будет самозапуска каждый раз, когда лазер включен.

2. Анализ Поляризация выходного сигнала

1. Ссылка на 1% кран на коммерческую поляриметре.
2. Подключите поляриметре к компьютеру через порт USB.
3. В поле "Выберите или введите команду" из "COM4" тестовой панели, Т.Ю.ЧП "СМ, 500,3000 N" и нажмите на кнопку "Запрос".
4. Запуск коммерческого поляриметре управления программным обеспечением и начать измерение поляризации, нажав на кнопку "Пуск".
5. В поле "Выберите или введите команду" из "COM4" тестовой панели, типа "SM, 500, -10 п" и нажмите на кнопку "Запрос". Обратите внимание на состояние поляризации на поляриметре.
6. Повторите шаг 2.5 столько раз, сколько необходимо, чтобы охватить весь диапазон углов, разрешенных PSC внутри полости. Заметим, что состояние поляризации изменяется очень плавно с углом за исключением специфических углов, где МЛ достигается, как можно видеть, наблюдая одновременно ширину оптического спектра на ОАС.
7. Повторите шаги 2.3 до 2.6 , но на этот раз, вместо того , чтобы просто смотреть на состояние поляризации, записать значения параметров Стокса S _1, S ₂ и S ₃ как функцияс угла ККП (рисунок 6). Чтобы увидеть эти значения явно, выберите "Measurement- → Осциллограф" в меню программы и искать средние значения S _1, S ₂ и S _3. Одновременно наблюдать оптический спектр и записывать углы, для которых лазер МЛ.

3. Настройка контура обратной связи для автоматизации Выравнивание ККП Используя Коммерческие Измерения поляриметре

1. Выключите компьютер.
2. Подключите последовательный порт коммерческого поляриметре к последовательному порту "COM1" компьютера. Перезагрузите компьютер и поляриметре.
3. Запустите графический интерфейс языка программирования (GPLI), что позволит чтение поляриметре через "COM1" и управления моторизованной PSC через "COM4".
4. В GPLI, нажмите на кнопку "Blank VI". Затем выберите "Окно →Плитка влево и вправо ".
   Примечание: На экране будет поделена на две части. Блок-схема отображается справа. Он используется для создания сценария с использованием различных функций, связанных с различными значками. На передней панели отображается слева. Он используется для отображения команд и измерений, когда скрипт работает.
5. В окне блок - схема GPLI, разработать сценарий автоматизации ML для использования с коммерческой поляриметра (рисунок 7).
   Примечание: Этот сценарий читает S ₁ из поляриметре и использует его значение для обеспечения обратной связи и достичь надлежащего согласования КРП угла , ведущего к ML. Обнаружение ML достигается путем поиска разрыва в изменении S ₁ , как угол изменяется.
   Примечание: Команды, используемые для управления PSC с помощью "COM4" такие же, как те, что представлены в пунктах 2.3 и 2.5. Команда для чтения S ₁ на коммерческой поляриметре через "COM1" является "* СОП? п".
6. Сохраните скрипт, нажав на кнопку "Файл → Сохранить", а затем запустить его, нажав на кнопку "→". PSC возвращается к его механическим ограничителем, то она вращается с шагом примерно 1 ° до ML достигается, показывая значение S ₁ , как она развивается.

4. Построение рудиментарных Самодельный Поляризация Analyzer

1. Подключите осциллограф к компьютеру с помощью интерфейса GPIB.
2. Поместите поляризационный расщепитель лучей куб (PBS) на оптической скамье.
3. Установите три FC / APC коллиматоры оптоволоконный порт с PBS (Рисунок 8).
   Примечание: Один из портов является входом. Два других являются выходы для x- и y- компонент поляризации сигнала.
4. Подключение волоконно-косичкой InGaAs PIN фотодиод к первому выходу.
5. Подключите фотодиод к транс-impedaсть схема (рисунок 9).
6. Подключить электрический выход схемы к каналу 1 осциллографа.
7. Включите цепь транс импедансом.
8. В GPLI, прочтите среднее значение напряжения на канале 1 осциллографа через соединение GPIB с помощью команд "колбы: IMM: СОУ CH1;" для выбора канала 1 осциллографа, "колбы: IMM: TYPE среднее;" для определения измерения быть среднее напряжение, "колбы: IMM: VAL" чтобы получить значение и, наконец, ": IMM колбы: UNI?" для получения единицы измерения. Сохраните скрипт, нажав на кнопку "Файл → Сохранить", а затем запустить его, нажав на кнопку "→".
9. Подключение 1% мощности лазера на входном порту PBS и включите лазер на в произвольной мощности накачки. Это посылает 1550 нм оптический сигнал на вход.
10. Измерьте среднее напряжение на первом выходе. Затем отсоедините волоконно-косичкой фотодиод и заменитьэто коммерческой силовой метр. Измерьте оптическую мощность на этом выходе.
11. Повторите шаг 4.10 при изменении мощности входного оптического сигнала. Напряжение должно изменяться линейно с оптической мощности. Найти коэффициенты этой линейной зависимости.
    Примечание: Это отношение будет использоваться на этапе 4.20 для получения _Рх от измеренного напряжения.
12. Подключение второй волоконно-скрученный InGaAs PIN фотодиод ко второму выходу PBS.
13. Подключение фотодиод ко второй схеме транс импедансом.
14. Подключить электрический выход схемы на канал 2 осциллографа.
15. Включите цепь транс импедансом.
16. В GPLI, прочтите среднее значение напряжения на канале 2 осциллографа через соединение GPIB с помощью команд "колбы: IMM: СОУ ch2;" чтобы выбрать канал 2 осциллографа, "колбы: IMM: TYPE среднее;" для определения измерения быть среднее напряжение, "колбы: IMM: VAL?4; чтобы получить значение и, наконец, ": IMM колбы: UNI?" для получения единицы измерения. Сохраните скрипт, нажав на кнопку "Файл → Сохранить", а затем запустить его, нажав на кнопку "→".
17. Включите лазер на в произвольной мощности накачки.
18. Измерьте среднее напряжение на втором выходе. Затем отсоедините волоконно-косичкой фотодиод и заменить его на коммерческой силовой метр. Измерьте оптическую мощность на этом выходе.
19. Повторите шаг 4,18 при изменении мощности входного оптического сигнала. Убедитесь, что напряжение изменяется линейно с оптической мощности.
    Примечание: Найти коэффициенты этой линейной зависимости. Это отношение будет использоваться на этапе 4.20 , чтобы получить P _Y от измеренного напряжения.
20. После установки второго детектора для измерения P _у, использовать GPLI для вычисления первого параметра Стокса S ₁ определяется как S ₁ = ( Р _х - Р _у) / (Р _х + Р _у). Самодельный рудиментарным анализатор поляризации теперь готов к использованию.

5. Замена коммерческого поляриметре по Самодельной поляризационных анализатора в процессе автоматизации

1. Подключите 1% выход лазера к самодельным входу анализатора поляризации (как это было сделано на шаге 4.9).
2. Мера первый параметр Стокса S ₁ в зависимости от угла PSC (рисунок 10), повторив шаг 2.7 , используя домашний анализатор поляризации (вместо коммерческого поляриметре). Обратите внимание на S ₁ график автоматического обновления на каждом шаге. Обратите внимание прерывистую скачок величины S ₁ , когда происходит ОД ( В этом случае при использовании коммерческого поляриметре).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте GPLI сценарий для выполнения этой задачи автоматчески. Этот сценарий основан на цикле , который изменяется угол PSC с шагом 1 ° ( с помощью команды "SM, 500, -10 п" отправляется "COM4") и считывает значение S ₁ из самодельных анализатор поляризации на каждом шаге.
3. Измените сценарий , разработанный в 3.5 так , что, вместо того чтобы использовать значение , заданное коммерческим поляриметре, он получает P _х и Р _у от домашнего анализатора поляризации , а затем вычисляет S ₁ = (P _х -Р _у) / (Р _х + P _у).
4. Используйте новый сценарий, основанный на самодельных анализатора поляризации для автоматического МЛ лазера аналогично к шагу 3.6.

Результаты

NPR режим автоподстройки волоконные лазеры , как известно, обеспечивают большое разнообразие пульсирующих режимов , таких как Q-коммутируемых импульсов ^10, когерентных импульсов ML, шумоподобных импульсов, связанных состояний ОД импульсов, гармонический ML и сложны...

Обсуждение

Было показано, что можно автоматизировать мл NPR волоконных кольцевых лазеров с помощью петли обратной связи на основе измерений поляризации выхода. Для реализации этой задачи имеет решающее значение для вставки регулируемого PSC в полости. Выходной ответвитель полости должен быть расп...

Материалы

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.