Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFA)

Femtosegundo Amplificação de Pulso

Comparado a amplificadores ópticos de reforço (BOAs) e amplificadores ópticos semicondutores (SOAs), os amplificadores de fibra com acoplamento de érbio (EDFAs) podem amplificar pulsos de femtosegundo para níveis de potência de pico significativamente mais elevados. Detalhes sobre os mecanismos de amplificação envolvidos são fornecidos na seção Comparação de Amplificadores na parte inferior desta guia.

Below, apresentamos medidas que mostram como o perfil temporal de um pulso de entrada FWHM de 430 fs a 1550 nm é afetado pela propagação através do amplificador EDFA100P.

Configuração experimental
Pulsos laser de femtossegundo centrados a 1550 nm foram emitidos por um oscilador de fibra de érbio. A largura de banda espectral de 3 dB desses pulsos foi medida para ser 9 nm, correspondendo a uma largura de pulso transformada limitada de 290 fs FWHM; a largura real de pulso foi medida por um autocorrelador de intensidade como 430 fs FWHM. A potência média de saída do oscilador de fibra foi de 1,1 mW. Como a taxa de repetição do oscilador de fibra foi de 50 MHz, a energia de pulso medida foi de 22 pJ.

Estes 430 fs FWHM, 22 pJ pulsos foram propagados para o amplificador EDFA100P. Em alguns casos, o oscilador de fibra foi conectado diretamente ao amplificador, enquanto em outros, o oscilador de fibra foi conectado ao amplificador através de um cabo intermediário de dispersão-compensador de fibra. A potência total de saída foi variada ajustando a corrente da bomba EDFA100P. Medimos o perfil temporal dos pulsos de saída amplificados em função da potência de saída usando um autocorrelador de intensidade.

Resultados
Caracterizamos os pulsos de saída amplificados em três energias de pulso de saída: 0,3 nJ, 0,6 nJ, e 1,1 nJ. As medidas foram interrompidas a 1,1 nJ de energia de pulso de saída porque não apareceram linearidades no perfil temporal. Os dados em cada gráfico foram normalizados para facilitar a comparação das formas das autocorrelações.

Conclusão
Quando a potência de pico do pulso de saída é de ~1 kW ou menor, As não linearidades no perfil temporal do pulso de saída são mínimas. (Este limite de potência de pico corresponde a uma integral B entre 1 e 2, abaixo do limite no qual os efeitos ópticos não lineares podem tornar-se significativos). Como a potência de pico aumenta além de ~1 kW, o alargamento espectral devido à modulação auto-fásica e outros efeitos ópticos não lineares comprime a largura do pulso e distorce o perfil temporal. Um equilíbrio cuidadoso entre o pio inicial do pulso, a dispersão do amplificador e a energia do pulso pode produzir pulsos comprimidos não lineares com baixa distorção.

Um exemplo disso é mostrado no caso 0,6 nJ acima. Quando usado com um oscilador de érbio de femtosegundo e uma fibra pré-compensadora, o amplificador EDFA100P é capaz de produzir <100 pulsos de fs que têm potência de pico de 6 kW. Sem uma fibra pré-compensadora, o amplificador ainda fornece alto ganho e distorção temporal mínima, mantendo a potência de pico do pulso de saída (e a integral B) abaixo do limiar de não-linearidade.

Comparação do amplificador

Amplificadores de fibra como EDFAs e YDFAs são tipicamente mais adequados do que amplificadores ópticos semicondutores (por exemplo, BOAs e SOAs) para amplificação de pulsos laser de femtosegundo. Estes tipos de amplificadores diferem nas suas energias de saturação, na sua dinâmica de saturação de ganho e na sua vida útil livre de transporte. Nos amplificadores semicondutores, as energias de saturação são relativamente baixas, na ordem de alguns picojoules. Isso limita a energia de pulso amplificada que pode ser obtida por amplificadores semicondutores. A título de comparação, nos amplificadores de fibra, as energias de saturação excedem os níveis dos microjoules. Além disso, os tempos de recuperação de ganho nos amplificadores semicondutores são regidos pela vida útil da portadora, que está na escala de tempo de 10 ps a 100 ps. A vida útil da portadora dos amplificadores de fibra é tipicamente na escala de tempo de 10 µs a 1 ms.
Considere o caso de um laser de fêmerossegundo mode-locked com uma taxa de repetição na ordem de 1 MHz. Para energias de pulso bem abaixo da energia de saturação dos amplificadores semicondutores, os pulsos serão amplificados com o mínimo de distorção. Contudo, uma vez que a energia do pulso exceda a energia de saturação, a amplificação irá saturar durante o pulso, levando a uma diferença de ganho sobre o perfil temporal do pulso e distorcendo a forma do pulso. Como os amplificadores de fibra têm energias de saturação mais altas do que os amplificadores semicondutores, eles são menos propensos a experimentar saturação de ganho por este mecanismo.
Porque o tempo de recuperação de ganho de um amplificador semicondutor (escala de tempo de 10 ps a 100 ps) é menor do que o período de repetição, o meio de ganho se recupera antes que o próximo pulso no trem de pulso chegue ao amplificador semicondutor. Portanto, o mesmo processo é repetido para cada pulso. Nos amplificadores de fibra, a vida útil da portadora livre (10 µs a 1 ms de tempo) é muito maior do que o período de repetição. Consequentemente, os amplificadores de fibra podem ser considerados como respondendo à potência média do pulso, em oposição à sua potência de pico.
Um ponto adicional que é especialmente relevante para pulsos de femtosegundo é o papel dos processos não-lineares no amplificador. Enquanto a resposta não-linear de um amplificador de fibra é quase instantânea, o tempo de resposta não-linear de um amplificador semicondutor está na escala de tempo de 10 ps a 100 ps, pois está relacionado à sua vida útil portadora. Esta escala de tempo ps representa outra fonte de distorções de pulso quando a energia de pulso excede a energia de saturação.