Jan Lamperski
Politechnika Poznańska
Katedra Systemów Telekomunikacyjnych i Optoelektroniki Wydział Elektroniki i Telekomunikacji
ul. Piotrpwo 3A, 60-965 Poznań jlamper@et.put.poznan.pl
LASER IMPULSOWY EDFA Z SYNCHRONIZACJĄ MODÓW
Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki badań
podstawowej konstrukcji lasera impulsowego pracującego w konfiguracji światłowodowego rezonatora Fabry-Perot wykorzystującego wzmacniacz EDFA. Przedstawiono rezultaty pomiaru struktury modowej lasera pierścieniowego. Zaprezentowano wyniki pomiarów właściwości uzyskanych impulsów.
1. WSTĘP
Źródła bazujące na aktywnych włóknach znajdują szerokie zastosowanie zarówno w nauce jak i przemyśle [1]. Popularność swoją zawdzięczają bardzo dużej elastyczności: na bazie włókien EDF można zrealizować źródła szerokopasmowe, wąskopasmowe, przestrajalne, wielofalowe oraz impulsowe. Elementy tego typu znajdują szerokie zastosowanie w metrologii i telekomunikacji.
2. WŁAŚCIWOŚI LASERÓW IMPULSOWYCH Z SYNCHRONIZACJĄ MODÓW
Większość laserów może równocześnie generować wiele podłużnych modów. Mody są rozłożone równomiernie. Odstęp modowy określony jest geometrią rezonatora i wynosi: f=c/(2L). Zwykle oscylacje modów są wzajemnie niezależne, jednakże istnieją metody, które umożliwiają fazową synchronizacje modów podłużnych. Synchronizacja modów praktycznie może być zrealizowana za pomocą modulatora intensywności umieszczonego wewnątrz wnęki rezonansowej. Częstotliwość modulatora powinna pokrywać się z odstępem modowym.
Amplitudę zmodulowanego pola elektrycznego przedstawia równanie [2, 3]:
( )
(
)
( )
( )
t ME(
(
)
t)
ME(
(
)
t)
E t t M E E q q q q q ω ω ω ω ω ω ω + + − + = = + = cos 2 cos 2 cos cos cos 1 0 0 0 0W wyniku modulacji pojawiają się nowe częstotliwości o identycznych fazach.
W sytuacji synchronizacji pole jest superpozycja składowych pochodzących od poszczególnych modów:
(
)
(
)
∑
+ = n t E i n t E 0exp ω0 ωgdzie: ω0 – środkowa częstotliwość oscylacji, oraz
ω=2πf.
W rezultacie sumaryczne pole elektryczne i natężenie promieniowania można przedstawić następująco:
( )
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 2 sin 2 sin 0 t t N e t E i t t ω ω ω( )
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 2 sin 2 sin 2 2 0 t t N I t It ω ωZ powyższego wzoru wynikają następujące właściwości laserów z synchronizacją modów:
− Moc wyjściowa emitowana jest w postaci ciągu impulsów o okresie T równym czasowi obiegu w pętli rezonatora,
− Moc szczytowa impulsów jest N krotnie większa od średniej mocy wyjściowej, N – liczba zsynchronizowanych modów,
− Szerokość impulsów, określona położeniem miejsc zerowych, jest równa τ=T/N i jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości pasma wzmocnienia ∆λ.
3. PIERŚCIENIOWY LASER IMPULSOWY EDFA – WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH
W przeprowadzonych badaniach stosowany był światłowodowy pierścieniowy rezonator Fabry-Perot, którego transmitancję opisuje zależność:
(
)
(
i L)
ac L i c a E T β β − − − − = exp 1 exp 0gdzie: E0 – wejściowe pole elektryczne, β – stała
propagacji, a2 – współczynnik sprzężenia pomiędzy ramionami sprzęgacza, c – stosunek mocy na wyjściu i wejściu pierścienia, L – długość pierścienia.
Odstęp międzymodowy światłowodowego rezonatora Fabry-Perot wynosi:
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006
nL c
FSR=
gdzie: n współczynnik załamania światła światłowodu.
Na rys. 1 i 2 pokazano typowe widma emisyjne laserów pierścieniowych EDFL: niestabilnego, wielomodowego pracującego bez elementu selektywnego w pętli sprzężenia zwrotnego oraz lasera „jednomodowego” z wąskopasmowym filtrem.
Rys. 1. Widmo wielomodowego lasera EDFL.
Rys. 2. Widmo „jednomodowego” lasera EDFL. Ponieważ pomiary przedstawione na Rys. 1 i 2 wykonane były za pomocą typowego analizatora optycznego z siatką dyfrakcyjną, nie było możliwe zaobserwowanie subtelnej struktury modowej wynikającej z długości rezonatora.
Dla typowych konstrukcji laserów pierścieniowych ze wzmacniaczem EDFA odstępy pomiędzy modami są rzędu kilku MHz. Odstępy modowe, niezbędne do określenia częstotliwości synchronizacji modów wyznaczono więc w zakresie częstotliwości radiowych.
Pomiary widma RF przeprowadzono dla dwóch laserów pierścieniowych o różnych długościach wnęk rezonansowych (30 m i 130 m).
Na rys. 3 pokazano pierwsze trzy piki widma RF krótszego (L=30 m) rezonatora. Przebieg pozwala na bardzo precyzyjne określenie wartości FSR.
Rys. 3. Szczegóły widma RF rezonatora, L=30 m. Na rys. 4 pokazano przebieg widma w zakresie od 0-100 MHz.
Rys. 4. Widmo RF rezonatora w zakresie 0-100MHz,
L=30 m.
Rys. 5. Szczegóły widma RF rezonatora, L=130 m.
A 1AP Unit d B m R e fL v l 0d B m R e fL v l 0d B m RFAt t 3 0d B S t a r t0H z 5 0 0kHz/ S t o p5M H z RBW 2kHz VBW 2kHz SWT 3.2s SGL -90 -8 0 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -100 0 1 M a r k e r1[ T 1 ] - 2 1 . 7 0d B m 4 . 7 3 9 4 7 8 9 6M H z D a t e : 8 . S E P . 2 0 0 6 1 8 : 4 6 : 4 0 A 1AP Unit d B m R e fL v l 0d B m R e fL v l 0d B m RFAt t 3 0d B S t a r t0H z 2 . 2MHz/ S t o p2 2M H z RBW 10kHz VBW 10kHz SWT 560ms -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -100 0 1 M a r k e r1[ T 1 ] - 3 2 . 6 6d B m 2 0 . 4 1 2 8 2 5 6 5M H z D a t e : 8 . S E P . 2 0 0 6 1 8 : 3 6 : 2 9 A 1AP Unit d B m R e fL v l 0d B m R e fL v l 0d B m RFAt t 3 0d B S t a r t0H z 1 0MHz/ S t o p1 0 0M H z RBW 10kHz VBW 10kHz SWT 2.5s -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -100 0 1 M a r k e r1[ T 1 ] - 3 2 . 3 7d B m 2 0 . 4 5 6 9 1 3 8 3M H z D a t e : 8 . S E P . 2 0 0 6 1 8 : 3 9 : 4 3
Zachowanie widma RF w szerokim zakresie częstotliwości (od 0 do 1 GHz) pokazano na rys. 6.
Rys. 6. Widmo RF rezonatora w zakresie 0-1 GHz, L=130 m.
Obserwowane po detekcji widmo RF spowodowane jest nieliniowymi właściwościami fotodiody i wzajemną interferencją modów.
W oparciu o przeprowadzone pomiary zbudowano laser impulsowy EDFA, w którym zastosowano modulator intensywności pracujący na wyznaczonej częstotliwości FSR.
Synchronizacja modów umożliwia uzyskanie ciągu krótkich impulsów. Ich szerokość jest odwrotnie proporcjonalna do pasma wzmocnienia (∆λ) aktywnego ośrodka lasera. W przypadku EDFA [3] ∆λ wynosi ok. 35 nm, stąd graniczna szerokość impulsu wynosi ok. 250 fs. Praktycznie uzyskiwane wartości są ok. 30-krotnie większe. Dla porównania, w laserach femtosekundowych zrealizowanych na bazie Ti:Saphire (∆ν= 100 THz), granica teoretyczna szerokości impulsu wynosi 10 fs, a wartości otrzymywane praktycznie - 30 fs [3]. Podstawowa częstotliwość powtarzania f0
impulsów wynika z długości pierścienia i dla typowych konstrukcji jest rzędu 107 Hz. Wyższe częstotliwości można uzyskać w układach pracujących na częstotliwościach harmonicznych.
W eksperymencie w pętli rezonatora oprócz wzmacniacza EDFA (układ jednostopniowy, pompowany współbieżnie, λpump=980 nm, Ppump=100
mW) zastosowano wysokoczęstotliwościowy zintegrowany modulator intensywności, kontroler polaryzacji oraz sprzęgacz umożliwiający obserwację generowanych przebiegów. Wyjściowe impulsy wytłumiane były do dopuszczalnej wartości szerokopasmowego (20 GHz), optycznego analizatora samplingowego. Modulator sterowany był za pomocą generatora impulsowego umożliwiającego pracę układu na częstotliwości podstawowej oraz harmonicznych. Całkowita długość pętli rezonatora wynosiła ok. 30 m.
Na rys. 7 pokazano zarejestrowany przebieg czasowy i widmo wyjściowe układu bliskiego synchronizacji.
A
B
Rys. 7. Ilustracja procesu zestrajania do częstotliwości synchronizmu: A – przebieg czasowy, B – widmo
optyczne.
Rys. 8 przedstawia przebieg impulsu wyjściowego układu pracującego na podstawowej częstotliwości.
Rys. 8. Impuls wyjściowy na częstotliwości podstawowej synchronizmu (Dt=760 ps, Pmax=0,8W).
Rys. 9. Widmo wyjściowe na podstawowej częstotliwości synchronizmu (Dt=760 ps, Pmax=0,8W).
S WT 5ms A 1AP Unit d B m RefLvl 0dBm RefLvl 0dBm RFAtt 3 0d B Start0Hz 100MH z / St o p1G H z R BW 3MHz V BW 3MHz -90 -80 -7 0 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -100 0 1 Marker1[T1] -5.63dBm 4.71342685MHz Date: 8.SEP.2006 17:52:58
Szerokości uzyskanych impulsów wahały się od ok. 300 – 1000 ps, a maksymalna amplituda mocy osiągała ok. 1300 mW.
Na rys. 10 i 11 pokazano kształty generowanych impulsów dla częstotliwości wynoszących 0,5*f0 oraz
2*f0.
Rys. 10. Impuls wyjściowy na częstotliwości 0,5*f0.
Rys. 11. Impuls wyjściowy na częstotliwości 2*f0.
4. PODSUMOWANIE
Przedstawiono badania pierścieniowego układu lasera EDFA z synchronizacją modów.
Subtelną strukturę modową zmierzono w zakresie częstotliwości RF. Pomiary te pozwoliły na precyzyjne określenie FSR badanego układu, a tym samym częstotliwość synchronizacji modów.
W układzie impulsowym z synchronizacją modów zastosowano zintegrowany modulator intensywności. Pokazano kształty i widma impulsów wyjściowych. Wyniki wskazują na potrzebę dalszej optymizacji konstrukcji.
SPIS LITERATURY
[1] E. Desurvire, Erbium-Doped Fiber Amplifiers:
Principles and Applications, Wiley Interscience,
1994,
[2] B. Ziętek, Optoelektronika, UMK, Toruń 2004, [3] A. Yariv, Optical Electronics in Modern
