Экспериментальное измерение и аналитическая оценка усиления сигнала в иттербиевом волокне Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВКВО-2019- Стендовые

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УСИЛЕНИЯ СИГНАЛА В ИТТЕРБИЕВОМ ВОЛОКНЕ

Штырина О.В.1'2*, Кохановский А.Ю.1, Иваненко А.В.1' Ефремов С.А.1 Яруткина И.А.1' Скидин А.С.1' Чеховской И.С.1' Федорук М.П.1'2

1 Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск 2 Институт вычислительных технологий СО РАН, г. Новосибирск

E-mail: olya. shtyrina@gmail.com

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16198

Волоконные лазеры широко используют активные усиливающие среды с целью получения устойчивой импульсной генерации. В данной работе была предложена экспериментальная схема усиления сигнала в иттербиевом волокне с нормальной дисперсией. Также был предложен теоретический метод оценки коэффициента усиления по малому сигналу и мощности насыщения через характеристики экспериментальной установки. Данный метод может быть использован при моделировании и оптимизации длинных волоконных лазеров с нормальной дисперсией, а также волоконных лазеров с распределенным усилением.

Схема измерения усиления в иттербиевом волокне приведена на рис. 1. Она состоит из 2.3 м иттербиевого волокна (ЫекИ УЬ1200-6/125БС-РМ), непрерывного лазерного источника, переменного аттенюатора, мультиплексора, диода накачки и спектрометра. Обычно для измерения характеристик усиления для малого входного сигнала в пределах 1-10 мкВт необходимо использовать дополнительные устройства, такие как дополнительные ответвители [1]. Для оценки свойств иттербиевого волокна мы предлагаем метод получения коэффициентов усиления без использования дополнительных экспериментальных измерений.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Усиление сигнала в иттербиевом волокне может быть аналитически описано при помощи двухуровневой модели усиления [2], но главным недостатком данной модели является то, что в ней не учитываются потери внутри волокна, либо она не интегрируема при их учете. Альтернативным методом описания усиления сигнала является использование простой модели усиления на основе нелинейного уравнения Шредингера:

дЛ

. р2 д2 Л

- iy\A |2 Л + -

-Л-аЛ (1)

dz 2 dt2 1 + P(z)/ Ра^

Здесь и у - соответственно коэффициенты дисперсии и нелинейности волокна, g -коэффициент усиления малого сигнала, P(z) - средняя мощность в заданной точке внутри активного волокна, Paat - насыщение усиления, а - потери внутри волокна. Чтобы применять уравнение (1), необходимо знать значения мощности насыщения Paat и коэффициента усиления малого сигнала g. Значения данных величин могут быть определены по результатам экспериментальных измерений, т.е. по экспериментально определённым коэффициентам усиления, полученным для различных входных мощностей, мощностей накачки и длин активного волокна. В предложенном теоретическом методе сначала при помощи простой модели усиления из экспериментальных данных вычисляется коэффициент усиления малого сигнала, а затем его значение корректируется при помощи более точной модели и значений мощности насыщения.

На рис. 2а показаны теоретические и экспериментальные результаты: пунктирная линия соответствует теоретической аппроксимации, а точками показаны экспериментальные данные.

378

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

ВКВО-2019 Стендовые

Приближенные теоретические формулы для оценки параметров волокна (мощности насыщения и коэффициента усиления малого сигнала) имеют следующий вид:

g[1/ м] = 2 + 0.5Ррш1р[Вт] - 0.85 / (Ррш1р[Вт] + 0.01) Psat [Вт] = -0.002 + 0.015P [ Вт] + 0.0035№ [Вт])2

Рис.2. а) Теоретическая (пунктирная линия) и экспериментальная (точки) зависимость коэффициента усиления малого сигнала и мощности насыщения от мощности накачки; б) Зависимость усиления сигнала от мощности входного сигнала; на вставке показана зависимость усиления сигнала от

мощности в логарифмической шкале

На рис. 2б показано сравнение экспериментальной (точки) и теоретической (черные линии) зависимости усиления сигнала от входного сигнала для различных мощностей накачки и выбранной длины активного волокна. Для построения теоретических зависимостей использовались приближенные формулы, полученные выше. Как можно видеть, наблюдается хорошее соответствие между теорией и экспериментом, причём в широком диапазоне мощностей входного сигнала и мощностей накачки.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 18-31-20027).

Литература

1. Shtyrina O.V., et al, J. Opt. Soc. Am. B, 34, 227-231 (2017)

2. Pfeiffer T., et al, IEEE Photon. Technol. Lett., 4, 449-451 (1992)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 379