Erbium-gedoopte vezelversterkers (EDFA)

Vermogenseconde pulsversterking

Vergeleken met booster optische versterkers (BOA’s) en halfgeleider optische versterkers (SOA’s), kunnen erbium-gedoopte vezelversterkers (EDFA’s) femtoseconde pulsen versterken tot aanzienlijk hogere piekvermogenniveaus. Details over de versterking mechanismen betrokken worden verstrekt in de versterker vergelijking sectie aan de onderkant van dit tabblad.

Hieronder presenteren we metingen die laten zien hoe het temporele profiel van een 430 fs FWHM input puls op 1550 nm wordt beïnvloed door de voortplanting door de EDFA100P amplifier.

Experimentele Setup
Femtoseconde laserpulsen gecentreerd op 1550 nm werden uitgezonden door een erbium fiber oscillator. De 3 dB spectrale bandbreedte van deze pulsen werd gemeten tot 9 nm, wat overeenkomt met een transformatie-beperkte pulsbreedte van 290 fs FWHM; de werkelijke pulsbreedte werd gemeten door een intensiteit autocorrelator als 430 fs FWHM. Het gemiddelde uitgangsvermogen van de vezeloscillator was 1,1 mW. Aangezien de herhalingsfrequentie van de vezeloscillator 50 MHz was, was de gemeten pulsenergie 22 pJ.

Deze 430 fs FWHM, 22 pJ pulsen werden gepropageerd in de EDFA100P versterker. In sommige gevallen werd de vezel oscillator direct aangesloten op de versterker, terwijl in andere gevallen de vezel oscillator werd aangesloten op de versterker via een intermediaire dispersie-compenserende vezel patchkabel. Het totale uitgangsvermogen werd gevarieerd door het aanpassen van de EDFA100P pomp stroom. We maten het temporele profiel van de versterkte uitgang pulsen als een functie van het uitgangsvermogen met behulp van een intensiteit autocorrelator.

Results
We kenmerkten de versterkte uitgang pulsen bij drie uitgang puls energieën: 0.3 nJ, 0.6 nJ, en 1.1 nJ. De metingen werden gestopt bij 1,1 nJ output puls energie omdat niet-lineariteiten verschenen in het temporele profiel. De gegevens in elke grafiek zijn genormaliseerd om de vormen van de autocorrelaties gemakkelijker te kunnen vergelijken.

Conclusie
Wanneer het piekvermogen van de uitvoerpuls ~1 kW of lager is, zijn de niet-lineariteiten in het temporele profiel van de uitgangspuls minimaal. (Deze piekvermogensgrens komt overeen met een B-integraal tussen 1 en 2, onder de grens waarbij niet-lineaire optische effecten significant kunnen worden). Naarmate het piekvermogen groter wordt dan ~1 kW, wordt de pulsbreedte samengedrukt en het tijdsprofiel vervormd door spectrale verbreding ten gevolge van zelffasemodulatie en andere niet-lineaire optische effecten. Een zorgvuldig evenwicht tussen de aanvankelijke chirp op de puls, de versterker dispersie, en de puls energie kan produceren niet-lineair gecomprimeerde pulsen met een lage vervorming.

Een voorbeeld hiervan wordt getoond in de 0,6 nJ geval hierboven. Bij gebruik met een femtoseconde erbium oscillator en een precompenserende vezel is de EDFA100P versterker in staat <100 fs pulsen te produceren met een piekvermogen van 6 kW. Zonder een precompenserende vezel, verstrekt de versterker nog hoge aanwinst en minimale temporele vervorming door het piekvermogen van de outputpuls (en de B-integraal) onder de drempel voor nonlinearity.

Vergelijking van versterkers

Vezelversterkers zoals EDFAs en YDFAs zijn typisch beter geschikt dan halfgeleider optische versterkers (b.v., BOAs en SOAs) voor het versterken van femtosecond laserimpulsen. Deze versterkertypes verschillen in hun verzadigingsenergieën, hun versterkingsverzadigingsdynamiek, en hun vrije dragerslevensduur. In halfgeleiderversterkers zijn de verzadigingsenergieën relatief laag, in de orde van enkele picojoules. Dit beperkt de pulsversterkingsenergie die met halfgeleiderversterkers kan worden bereikt. Ter vergelijking, in vezelversterkers zijn de verzadigingsenergieën hoger dan microjoule. Bovendien wordt de hersteltijd van de versterking in halfgeleiderversterkers bepaald door de levensduur van de drager, die tussen 10 en 100 ps ligt. De draaggolfduur van vezelversterkers ligt gewoonlijk tussen 10 µs en 1 ms.
Beschouw het geval van een mode-blokkeerde femtoseconde laser met een herhalingssnelheid in de orde van 1 MHz. Voor pulsenergieën ver beneden de verzadigingsenergie van de halfgeleiderversterkers zullen de pulsen met minimale vervorming worden versterkt. Zodra de pulsenergie echter de verzadigingsenergie overschrijdt, zal de versterking tijdens de puls verzadigen, hetgeen leidt tot een versterkingsverschil over het tijdsprofiel van de puls en vervorming van de pulsvorm. Aangezien vezelversterkers hogere verzadigingsenergieën hebben dan halfgeleiderversterkers, zijn zij minder vatbaar om winstverzadiging door dit mechanisme te ervaren.
Omdat de versterkingshersteltijd van een halfgeleiderversterker (10 ps tot 100 ps tijdschaal) korter is dan de herhalingsperiode, herstelt het versterkingsmedium zich voordat de volgende puls in de pulstrein bij de halfgeleiderversterker aankomt. Hetzelfde proces wordt dus voor elke puls herhaald. In vezelversterkers is de levensduur van de vrije draaggolf (tijdschaal 10 µs tot 1 ms) veel langer dan de herhalingsperiode. Bijgevolg kunnen vezelversterkers worden geacht te reageren op het gemiddelde vermogen van de puls, in tegenstelling tot het piekvermogen.
Een bijkomend punt dat vooral relevant is voor femtoseconde pulsen is de rol van niet-lineaire processen in de versterker. Terwijl de niet-lineaire respons van een vezelversterker is bijna onmiddellijk, de niet-lineaire respons tijd van een halfgeleider versterker is in de 10 ps tot 100 ps tijdschaal, zoals het is gerelateerd aan de levensduur van de drager. Deze ps tijdschaal vertegenwoordigt een andere bron van pulsvervormingen wanneer de pulsenergie de verzadigingsenergie overschrijdt.