Vláknové zesilovače dopované erbiem (EDFA)

Zesilování femtosekundových pulzů

V porovnání s posilovacími optickými zesilovači (BOA) a polovodičovými optickými zesilovači (SOA) mohou vláknové zesilovače dopované erbiem (EDFA) zesilovat femtosekundové pulzy na výrazně vyšší špičkové výkony. Podrobnosti o příslušných zesilovacích mechanismech jsou uvedeny v části Srovnání zesilovačů v dolní části této karty.

Níže uvádíme měření, která ukazují, jak je časový profil vstupního impulsu 430 fs FWHM na vlnové délce 1550 nm ovlivněn šířením přes zesilovač EDFA100P.

Experimentální uspořádání
Femtosekundové laserové impulsy se středem na vlnové délce 1550 nm byly emitovány oscilátorem z erbiového vlákna. Byla změřena 3 dB spektrální šířka pásma těchto pulzů 9 nm, což odpovídá transformačně omezené šířce pulzu 290 fs FWHM; skutečná šířka pulzu byla změřena pomocí autokorelátoru intenzity jako 430 fs FWHM. Průměrný výstupní výkon vláknového oscilátoru byl 1,1 mW. Vzhledem k tomu, že opakovací frekvence vláknového oscilátoru byla 50 MHz, byla naměřená energie pulzu 22 pJ.

Tyto 430 fs FWHM, 22 pJ pulzy byly šířeny do zesilovače EDFA100P. V některých případech byl vláknový oscilátor připojen přímo k zesilovači, zatímco v jiných případech byl vláknový oscilátor připojen k zesilovači prostřednictvím zprostředkujícího optického kabelu s kompenzací disperze. Celkový výstupní výkon se měnil nastavením proudu čerpadla EDFA100P. Časový profil zesílených výstupních pulzů jsme měřili jako funkci výstupního výkonu pomocí intenzitního autokorelátoru.

Výsledky
Zesilované výstupní pulzy jsme charakterizovali při třech energiích výstupních pulzů: 0,3 nJ, 0,6 nJ a 1,1 nJ. Měření byla zastavena při energii výstupního impulsu 1,1 nJ, protože se v časovém profilu objevily nelinearity. Data v jednotlivých grafech byla normalizována, aby bylo možné lépe porovnat tvary autokorelací.

Závěr
Když je špičkový výkon výstupního impulsu ~1 kW nebo nižší, jsou nelinearity v časovém profilu výstupního impulzu minimální. (Tato hranice špičkového výkonu odpovídá integrálu B mezi 1 a 2, tedy pod hranicí, při níž se nelineární optické efekty mohou stát významnými). S nárůstem špičkového výkonu nad ~ 1 kW dochází ke spektrálnímu rozšíření v důsledku samofázové modulace a dalších nelineárních optických jevů, které stlačují šířku pulzu a zkreslují časový profil. Pečlivou rovnováhou mezi počátečním chirpem na pulzu, disperzí zesilovače a energií pulzu lze dosáhnout nelineárně stlačených pulzů s nízkým zkreslením.

Příklad tohoto postupu je uveden ve výše uvedeném případě 0,6 nJ. Při použití s femtosekundovým erbiovým oscilátorem a předkompenzovaným vláknem je zesilovač EDFA100P schopen produkovat <100 fs pulsy, které mají špičkový výkon 6 kW. Bez předkompenzujícího vlákna zesilovač stále poskytuje vysoký zisk a minimální časové zkreslení tím, že udržuje špičkový výkon výstupního impulsu (a integrál B) pod prahem nelinearity.

Srovnání zesilovačů

Vláknové zesilovače, jako jsou EDFA a YDFA, jsou obvykle vhodnější než polovodičové optické zesilovače (např. BOA a SOA) pro zesilování femtosekundových laserových impulsů. Tyto typy zesilovačů se liší energií nasycení, dynamikou nasycení zisku a dobou života volných nosičů. U polovodičových zesilovačů jsou energie nasycení relativně nízké, řádově několik pikojoulů. To omezuje energii zesíleného impulsu, které lze polovodičovými zesilovači dosáhnout. Pro srovnání, u vláknových zesilovačů přesahují energie nasycení úroveň mikrojoulů. Kromě toho se doba obnovy zesílení v polovodičových zesilovačích řídí dobou života nosičů, která se pohybuje v rozmezí 10 ps až 100 ps. Životnost nosiče u vláknových zesilovačů se obvykle pohybuje v časové škále 10 µs až 1 ms.
Uvažujme případ femtosekundového laseru s módem a opakovací frekvencí v řádu 1 MHz. Pro energie pulzů hluboko pod saturační energií polovodičových zesilovačů budou pulzy zesíleny s minimálním zkreslením. Jakmile však energie pulzu překročí saturační energii, zesílení se během pulzu nasytí, což vede k rozdílu zesílení v časovém profilu pulzu a ke zkreslení tvaru pulzu. Protože vláknové zesilovače mají vyšší energie nasycení než polovodičové zesilovače, jsou méně náchylné k nasycení zisku tímto mechanismem.
Protože doba obnovy zisku polovodičového zesilovače (časová škála 10 ps až 100 ps) je kratší než opakovací perioda, zesilovací médium se obnoví dříve, než do polovodičového zesilovače dorazí další impuls v řetězci impulsů. Proto se stejný proces opakuje pro každý impuls. U vláknových zesilovačů je doba života volné nosné (časová škála 10 µs až 1 ms) mnohem delší než opakovací perioda. V důsledku toho lze o vláknových zesilovačích uvažovat jako o zesilovačích reagujících na průměrný výkon impulsu na rozdíl od jeho špičkového výkonu.
Dalším bodem, který je zvláště důležitý pro femtosekundové impulsy, je úloha nelineárních procesů v zesilovači. Zatímco nelineární odezva vláknového zesilovače je téměř okamžitá, doba nelineární odezvy polovodičového zesilovače se pohybuje v časové škále 10 ps až 100 ps, protože souvisí s dobou života jeho nosiče. Tato časová škála ps představuje další zdroj zkreslení impulsů, když energie impulsu překročí saturační energii.

.