Marcin M. Kożak *, Tomasz P. Baraniecki *, Elżbieta M. Pawlik, Krzysztof M. Abramski, Instytut Telekomunikacji i Akustyki, Politechnika Wrocławska, Wrocław Światłowodowy pierścieniowy laser erbowy Przedstawiono widmowe charakterystyki mocy wyjściowej światłowodowego lasera pierścieniowego zbudowanego na światłowodzie domieszkowanym jonami erbu. Opisano zastosowane elementy składowe oraz układy pomiarowe. Porównano widmowe promieniowania wyjściowego lasera oraz zakresy przestrajania uzyskiwane przez zmianę konfiguracji układów, zmianę mocy pompowania oraz kontrolowane tłumienie wprowadzane we wnętrze rezonatora za pomocą regulowanego światłowodowego tłumika. 1. Wprowadzenie Lasery zbudowane na światłowodach domieszkowanych jonami ziem rzadkich, są w ostatnich latach przedmiotem licznych badań [1]. Podstawowymi zaletami laserów światłowodowych jest łatwość ich łączenia z układami światłowodowymi oraz możliwość ich przestrajania w zakresie pasma emisji włókna. Cechy te są pożądane w telekomunikacyjnych systemach z podziałem długości fali () oraz zastosowaniach czujnikowych. Ze względu na kształt wnęki rezonansowej lasery światłowodowe możemy podzielić na (rys. 1): lasery pierścieniowe, lasery liniowe. źródło pompujące Pętlowe zwierciadła końcowe I izolator optyczny źródło pompujące I izolator optyczny analizator (a) (b) Rys. 1. Dwie podstawowe konfiguracje laserów światłowodowych: a) laser pierścieniowy, b) laser liniowy Niniejsza praca dotyczy skonstruowanego i uruchomionego przez nas pierścieniowego lasera światłowodowego domieszkowanego erbem. Elementem czynnym lasera był jednomodowy * magistranci Instytutu Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej.
światłowód domieszkowany erbem produkcji firmy Wave Optics, o koncentracji erbu 6,5 x 10 24 m -3 i całkowitej długości L=15 m. Widmo luminescencji badanego włókna przedstawiono na rys.2 0,9 0,8 Luminescencja [a.u.] 0,7 0,6 0,4 0,3 Pp = 19 [dbm] Pp = 18 [dbm] Pp = 17 [dbm] Pp = 16 [dbm] Pp = 15 [dbm] Pp = 14 [dbm] 0,2 0,1 1515 1520 1525 1530 1535 1540 1545 1570 Długość fali [nm] Rys. 2. Widmo luminescencji światłowodu używanego w eksperymencie [3]. Włókno to charakteryzuje się dość szerokim (1530-1570 nm) pasmem emisji spontanicznej, a tym samym pasmem wzmocnienia, zależnym od mocy pompującej. Do pompowania lasera światłowodowego użyto diody laserowej firmy SDL (typ SDLO 2565/64-110-BN) spigtailowanej z jednomodowym światłowodem telekomunikacyjnym. Centralna długość fali λ 0 =975 nm promieniowania pompującej diody laserowej pokrywa się dokładnie z centrum pasma absorbcyjnego badanego włókna erbowego [2]. Dioda pompująca jest wąskopasmową diodą o regulowanej mocy we włóknie do poziomu 19 dbm (około 80 mw). Specjalny układ zasilania pozwala na precyzyjną kontrolę mocy wyjściowej, a w obudowie lasera zainstalowana mikrochłodziarka Peltiera kontrolująca temperaturę złącza. Charakterystykę promieniowania diody pompującej pokazano na rys. 3. Rys. 3. Charakterystyka spektralna użytej diody pompującej
W celu efektywnego wprowadzenia sygnału diody pompującej w pętlę lasera pierścieniowego zastosowano (980/1550 nm) rozdzielający moc pompy i moc generacji promieniowania laserowego w okolicach 1550nm (rys. 1a). Natomiast w celu obserwacji generowanego sygnału laserowego w pętlę lasera pierścieniowego wpięto dodatkowo pasywny jednomodowy telekomunikacyjny typu Y o podziale mocy (90:10). Na u dzielono tak moc wewnętrzną lasera, aby większa jej część pozostawała w pętli lasera pierścieniowego. Drugi port wyjściowy tego a wyprzęgał moc wyjściową z lasera kierowaną na optyczny analizator. Ważną cechą lasera światłowodowego jest możliwość przestrajania jego długości fali. Efekt przestrajania zależy od długości wnęki rezonansowej, od stanu polaryzacji wiązki laserowej wewnątrz rezonatora, od poziomu strat rezonatora oraz dyspersji światłowodu tworzącego pierścień rezonatora laserowego. Poniżej przedstawiono wyniki badań zbudowanego przez nas pierścieniowego lasera erbowego. Otrzymano akcję laserową z mocą wyjściową ponad 1 mw na długości fali w okolicach 1550 nm. Długość generowanej fali i widmo promieniowania laserowego zmieniały się pod wpływem wielu czynników takich jak moc pompy, poziom strat, itp. Przeprowadziliśmy wiele elementarnych eksperymentów pozwalających ustalić charakter tych zmian. 2. Badanie konfiguracji laserów pierścieniowych Uruchomienie lasera w podstawowej konfiguracji pierścieniowej dało początek badaniom kilku konfiguracji pierścieniowych. W tej części pracy przedstawiono testowane przez nas konfiguracje lasera pierścieniowego. Podstawowymi parametrami mierzonymi była moc wyjściowa lasera i jej widmo promieniowania. Badano wpływ długości obwodu pętli lasera pierścieniowego, mocy sygnału pompującego oraz tłumienia na charakterystyki widmowe lasera. Przedyskutowano otrzymane wyniki dla pompowania o kierunku zgodnym z kierunkiem propagacji sygnału laserowego (pompowanie współbieżne) oraz przeciwnego do kierunku propagacji sygnału laserowego (pompowanie przeciwbieżne). Wszystkie badane konfiguracje zawierały te same elementy: włókno domieszkowane erbem, 980/1550 nm oraz pasywny jednomodowy telekomunikacyjny typu Y o wyjściowym podziale mocy 90:10. 2.1 Laser z pompowaniem współbieżnym i przeciwbieżnym. Na rys. 4 przedstawiono podstawową konfigurację lasera pierścieniowego w dwóch wersjach wyprzęgania mocy wyjściowej. Rys. 4a pokazuje wyprzęgnięcie mocy wyjściowej z kierunku zgodnego z kierunkiem pompowania (pompowanie współbieżne), a rys. 4b wyprzęgnięcie mocy wyjściowej z kierunku przeciwnego do kierunku pompowania (pompowanie przeciwbieżne). 0,8 1572 EFL-RL, Pp=19.7 mw 0,6 1572,1 moc [uw] 0,4 0,2 1566 1568 1570 1572 1574 1576 1578 Rys.4a Konfiguracja pomiarowa i widmo mocy lasera przy wyprzęgnięciu mocy wyjściowej z kierunku zgodnego z kierunkiem pompowania (pompowanie współbieżne).
14 12 10 1570,98 EFL-RL, Pp=19.7 mw moc [uw] 8 6 4 2 0-2 1566 1568 1570 1572 1574 1576 1578 Rys.4b Konfiguracja pomiarowa i widmo mocy lasera przy wyprzęgnięciu mocy wyjściowej z kierunku przeciwnego do kierunku pompowania (pompowanie przeciwbieżne). Eksperyment ten wykazał, że w laserze pierścieniowym generującym swobodnie pojawiają się dwie fale biegnące w przeciwnych kierunkach pętli. Dołączone promieniowania mocy wyjściowych pokazują, że laser generuje wielomodową paczkę fal o szerokości widmowej około 1 nm w okolicach 1570 nm. Jest to bardzo zaskakujący wynik, gdyż jest to dokładnie górny kraniec słabego pasma luminescencji (rys.2). Widmo generacji jest nieregularne, fluktuuje w czasie. Te fluktuacje spowodowane są wpływem wibracji i zmian temperatury powietrza otaczającego światłowód. Widmo mocy wyjściowej jest szczególnie wrażliwe na naprężenia wywierane na elementy światłowodowe rezonatora. Wszystkie te czynniki zmieniają stan polaryzacji promieniowania, a w naszym eksperymencie stan polaryzacji był niekontrolowany. Należy podkreślić, że chociaż struktura modowa i pasmo obu fal biegnących w przeciwnych kierunkach są podobne, chociaż nie jednakowe, to w konfiguracji z pompowaniem optycznym przeciwbieżnym moc wyjściowa jest kilkanaście razy większa. Oznacza to, że w laserze pierścieniowym dominuje jeden kierunek generacji, fala biegnąca w kierunku przeciwnym jest osłabiona w wyniku konkurencji. 2.2 Laser pierścieniowy z wydłużoną pętlą Na bazie lasera pierścieniowego rozważanego w poprzedniej konfiguracji przeprowadzono badanie lasera z przedłużoną długością pętli, w postaci dołączonego kabla telekomunikacyjnego jednomodowego o całkowitej długości 300 m jak pokazano na rys.5 0,2 1531,68 EFL-RL, Pp=19.7 mw moc [uw] światłowód jednomodowy L=300 m 1530 1540 Rys.5. Układ lasera pierścieniowego z przedłużoną o 300 m. Pętlą i jego widmo promieniowania mocy wyjściowej Dwie istotne cechy warte są podkreślenia. W wyniku zastosowania biernego przedłużenia światłowodowej pętli laserowej, długość generowanej fali istotnie się przesunęła w okolicę 1532nm, gdzie emisja spontaniczna jest najintensywniejsza. Ponadto widmo promieniowania mocy wyjściowej zostało wyraźnie zawężone do szerokości około 0.2 nm, a moc
wyjściowa zmalała kilkakrotnie w stosunku do przedstawionej konfiguracji pompowania współbieżnego. Zmiana mocy pompowania od 40 mw do 80 mw nie przestrajała istotnie lasera (0.1 nm). Ten eksperyment, świadczący o wpływie strat wewnętrznych na długość generowanej fali, stał się inspiracją do regularniejszych badań wpływu strat wewnątrz rezonatowa, przedstawionych poniżej. 2.3 Wpływ wewnętrznych strat lasera na charakterystyki widmowe W celu określenia wpływu włączonych w obwód pętli laserowej strat optycznych na generację laserową przeprowadzono eksperyment z laserem pierścieniowym, w którego obwód włączono światłowodowy tłumik regulowany. A tłumik regulowany Rys.6. Schemat pierścieniowego lasera z regulowanym tłumikiem. Przykłady charakterystyk widmowych mocy wyjściowej przy ustalonej mocy pompy, z wprowadzonym regulowanym tłumieniem pokazano na rys. 7. 1,5 EFL-RL, Pp=36.3 mw, A=3dB 1560,7388 EFL-RL, Pp=36.3 mw, A=7dB (a) (b) EFL-RL, Pp=36.3 mw, A=11dB 1557,7872 0,30 EFL-RL, Pp=36.3 mw, A=13dB 1555,4322 0,25 0,20 0,15 0,10 5 0 (c) (d) Rys.7 Wpływ tłumienia A na charakterystyki mocy wyjściowej dla ustalonej mocy pompy P p =36.3 mw, a) A=3 db, b) A=7 db, c) A=11 db, d) A=13 db
Rysunek ten bardzo wyraźnie ilustruje wpływ strat na przesuwanie się generacji lasera zgodnie z zasadą: większe straty laser przestraja się w kierunku niższych długości fal. Zwiększenie poziomu strat obniża wyraźnie moc wyjściową i zawęża widmo promieniowania laserowego. 2.4 Wpływ mocy pompy na widmo lasera światłowodowego. W przedstawionej konfiguracji lasera pierścieniowego analizowano moc wyjściową w funkcji mocy pompującej. Trzy reprezentatywne charakterystyki pokazano na rys. 8. EFL-RL, Pp=32.2 mw, A=7dB EFL-RL, Pp=23.8 mw, A=7dB (a) (b) 0,25 EFL-RL, Pp=19.7 mw, A=7dB 0,20 0,15 0,10 5 0 (c) Rys. 8. Zależność charakterystyki widmowej promieniowania laserowego od mocy pompującej P p a) P p =32.2 mw, b) P p =23.8 mw, c) P p =19.7 mw. Maksymalne moce wyjściowe przewyższały poziom 1mW, a zmiana mocy pompującej nie wpły-wała na przesunięcie generacji. 3. Wnioski Powyżej przedstawiono nasze pierwsze eksperymenty z pierścieniowymi laserami światłowodowymi domieszkowanymi erbem, Otrzymano moc wyjściową ponad 1 mw. Przeprowadzone badania dowodzą, że proces kontroli i przestrajania laserów światłowodowych zależy od kilku parametrów lasera: mocy pompy, poziomu wewnętrznych strat czy obwodu pętli. Prezentowane wyniki stanowią wstępny etap dalszych badań zwłaszcza pod kątem precyzyjnej kontroli i przestrajania częstotliwości i wymuszania generacji jednoczęstotliwościowej lasera światłowodowego.
Podziękowania Autorzy dziękują Panu Profesorowi A. Kowalskiemu z CBR TP S.A. z Warszawie za wypożyczenie analizatora ARNITSU MS9710B istotnie ułatwiającego przedstawione w pracy procedury pomiarowe. Praca magisterska wykonana została w ramach grantu KBN 8T11D01717. Literatura: [1] Rare Earth Doped Fiber Laser And Amplifiers, Ed. Michel, J.F. Digonnet, Stanford University, Stanford, California; 1993 Marcel Dekker, Inc. New York, Basel, Hong Kong. [2] A. Stankiewicz, Praca magisterska Wielomodowy wzmacniacz światłowodowy, Instytut Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej, 1999. [3] T. Baraniecki i in. Światłowodowy wzmacniacz erbowy z płaską charakterystyką wzmocnienia, praca prezentowana na tej konferencji.