Światłowody VI. Elementy techniki, lasery BERNARD ZIĘTEK http://www.fizyka.umk.pl www.fizyka.umk.pl/~ /~bezet
a) Sprzęgacze czołowe 1. Sprzęgacze światłowodowe (czołowe, boczne, stałe, rozłączalne) Złącza, np.: FC, ST, S.C., E2000 2
Złącze FC/PC Straty 3
Efektywność sprzężenia Moc wprowadzona Moc źródła Sprzężenie dioda - światłowód NA r - apertura numeryczna rdzenia Na d apertura numeryczna diody 4
Dla światłowodu parabolicznego 5
-Pryzmat b) Sprzężenie boczne Najsilniejsze sprzężenie, jeśli i długość oddziaływania - Siatka dyfrakcyjna 6
-Sprzęgacze kierunkowe Niech, a moc Równanie falowe dla 1 światłowodu Równanie falowe dla 2 światłowodu Uwzględniamy sprzężenia między modami 7
Rozwiązania Po podstawieniu do równań falowych Nietrywialne rozwiązania, jeśli 8
Ogólne rozwiązania Niech Zakładamy, że jeden światłowód jest wzbudzony, a w drugim nie ma światła dla z=0, czyli 9
Stąd Tak więc Droga wymiany energii Długość sprzężenia Jeśli, to 10
Wielkość sprzężenia dla modu LP 01 Demultiplekser Jest funkcją długości fali. Jeśli dla jednej długości : Dla 11
2. Modulatory światłowodowe 12
3. Soczewki światłowodowe gdzie w przybliżeniu Ogniskowa Apertura numeryczna Odległość pracy (odległość ogniska od czoła światłowodu) 13
14
4. Polaryzatory światłowodowe Polaryzator z metalicznym pokryciem Polaryzator z odcięciem modu Odcięta polaryzacja P y 15
5. Cyrkulatory optyczne 16
Cyrkulator doskonały Cyrkulator jako demultiplekser Cyrkulator w łączności dwustronnej 17
6. Światłowodowe siatki Bragga Rola GaO 2 Metody wytwarzania: -technika jednowiązkowa, - metoda holograficzna dwuwiązkowa, -metoda maski fazowej 18
7. Lasery i wzmacniacze światłowodowe Zalety: -pełen zakres widma i mocy - szerokie pasma emisji i wzmocnienia - praca ciągła i impulsowa -możliwość generacji impulsów femtosekundowych -duża gęstości promieniowania w rdzeniu - prostota konstrukcji -długi rezonator duża liczba modów -wysoka jakość wiązki w laserach jednomodowych - moce na poziomie kw pracy ciągłej (HPFL) - wykorzystanie konwersji częstości Wady: -obecność niepożądanych procesów nieliniowych - silne niejednorodne poszerzenie linii - krótszy niż w kryształach czas życia -zwiększone prawdopodobieństwo relaksacji bezpromienistych z udziałem fononów - nieustalony stan polaryzacji światła - problemy ze wzbudzaniem od czoła -możliwość uszkodzenia włókna 19
Elementy laserów światłowodowych 1. Elementy rezonatorów 2. Rezonatory i lasery 3. Wzmacniacze 20
Szkło fluorowe ZBLAN (ZrF 4 BaF 2 LaF 3 AlF 3 -NaF) - niska energia fononów -mała tłumienność w obszarze widzialnym Tłumienność szkła kwarcowego (a) i szkła ZBLAN (b) 21
Sprzęgacze kierunkowe światłowodowe Obs zar odd ziaływania L gdzie Występuje wymiana energii między światłowodami z okresem Łatwo sprawdzić, że 22
Zwierciadła i przełączniki pętlowe 1. Zwierciadło pętlowe (ang. nonlinear-optical loop mirror - NOLM) gdzie stosunek podziału natężenia pól: α/(1-α) 23
Optyczny efekt Kerra (K nieliniowy współczynnik Kerra) powoduje przesunięcie fazy na drodze L E wej wchodzi do portu 1". Po przejściu drogi L pola E 3 i E 4 wynoszą Stąd 24
Jeśli: 1. α = 1/2 to 2 E02 = 0 czyli 2 2 E 01 = E wej Otrzymaliśmy ZWIERCIADŁO 2. α = 1/2 to 2 2 E 02 = E wej jeśli dla m nieparzystych dla m parzystych Otrzymaliśmy PRZEŁĄCZNIK i NASYCAJĄCY SIĘ ABSORBER 25
2. Wzmacniające zwierciadło pętlowe (ang. nonlinear amplifying loop mirror -NALM) Jeśli G jest wzmocnieniem, to przesunięcia faz fal w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie wynosi Maksymalne przełączanie między portami występuje dla 26
Rezonatory laserów światłowodowych Mogą być: liniowe i pierścieniowe 27
28
Wzmacniacze EDFA i PDFA Schemat poziomów energetycznych Er 3+ (a) i emisja w różnych szkłach (b) Wzbudzenie i emisja wzmacniacza Pr 3+ 29
Gęstość centrów luminescencyjnych Równanie kinetyczne Równania stacjonarne gdzie obsadzenia stanów laserowych lub p pompowane, s - sygnał W warunkach stacjonarnych gdzie gdzie a czyli 30
Natężenia w funkcji drogi z: jeśli z normą Stąd zmiana mocy sygnału na drodze z wynosi 31
Zalety: -duża wydajność kwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530-1600 nm, - pasma wzmocnienia dopasowane do pasm telekomunikacyjnych, - niski poziom szumów dochodzący do teoretycznej 3 db, - wielkości współczynnika szumów, - izotropowość ośrodka, tak że wzmocnienie nie zależy od stanu polaryzacji, -długi czas życia w stanie wzbudzonym, (np. czas życia górnego stanu laserowego Er³wynosi 10.2 ms, - niewielkie zapotrzebowanie energetyczne, -wyższa moc nasycenia niż we wzmacniaczach laserowych, - brak odbić i strat na odbicia, -duża niezawodność układu, - elastyczność systemu laserowego polegająca na tym, że układ działa poprawnie przy modulacji analogowej i cyfrowej. 32
Wzmacniacz Er +3 Pompowanie do pewnego relaksacja do poziomu 2 poziomu 3 stanu 4 I 13/2 stanu 4 I 13/2 Przejście laserowe 2 1: 4 I 13/2 4 I 15/2 Równania kinetyczne (układ trójpoziomowy) gdzie prawdopodobieństwa przejść spontanicznych prawdopodobieństwa przejść wymuszonych Rozwiązanie stacjonarne gdzie W T = 293 K Praktycznie = 0 przy pompowaniu 980 nm 33
Warunek progowy Maksymalna inwersja Zalety pompowania linia 980 nm 1. β = 0, 2. minimalny szum Wada: mała szerokość linii absorpcyjnej 34
Wzbudzenie wzmacniaczy przez sprzężenie: a)od czoła, b)boczne. 35
Mechanizmy Lasery z przemianą częstości Wzbudzenie dwufotonowe Wzbudzenie Z transferem energii Wzbudzenie z przejściem lawinowym 36
Schemat poziomów i pompowania lasera Tm3+ z przemianą częstości Schemat konwersji wzbudzenia przez dwustopniową absorpcję jonu Nd 3+ i widmo emisji przy wzbudzeniu 514nm Wzbudzenie Er 3+ przy wzbudzeniu trzema fotonami Schemat wzbudzenia lasera Pr 3+ z przemianą częstości 37