Capitolo 4
Realizzazione sperimentale della tecnica di compressione mediante fibra di tipo
“comb-like” a dispersione decrescente
In questo capitolo viene illustrata la realizzazione sperimentale della tecnica di compressione mediante fibra di tipo comb-like a dispersione decrescente.
Nella prima parte viene spiegato il procedimento di costruzione della fibra, il set-up per le misure ed i relativi risultati sperimentali.
Per ogni coppia di fibra DS e standard che compongono il compressore sono stati misurati l’autocorrelazione e lo spettro di potenza.
Nella seconda parte del capitolo viene effettuato un confronto tra i risultati sperimentali e quelli ottenuti con il modello completo illustrato nel capitolo precedente a parità di condizioni.
L’analisi numerica mediante il modello semplificato ha permesso di dimensionare le lunghezze delle fibre del compressore di tipo comb-like.
Si è deciso di utilizzare fibra DS come fibra non lineare e fibra standard come fibra lineare avvolgendo su un supporto cilindrico gli spezzoni di fibra opportunamente giuntati mediante una splice machine (Figura 4.1).
Le fibre DS e standard utilizzate in pratica per la costruzione della comb-like (Figura 4.5 e Figura 4.6) presentano le caratteristiche mostrate nella Tabella 4.1.
Figura 4.1 Splice machine
Dispersione Slope Coefficiente non lineare
Fibra DS 0,42 ps/nm/km 0,06 ps/nm2/km 2,5 W-1km-1 Fibra standard 17 ps/nm/km 0,09 ps/nm2/km 2 W-1km-1
La fibra comb-like è stata testata tramite il set-up rappresentato in Figura 4.2.
Un fibre ring mode-locking laser (FRMLL) (Figura 4.3) genera un impulso a secante iperbolica della durata di 3 ps con una frequenza di ripetizione di 10 GHz; in cascata è presente un amplificatore drogato all’erbio (EDFA) (Figura 4.4) e un attenuatore variabile (ATT) che permettono di impostare la potenza di picco dell’impulso di ingresso a 2 W (che corrispondono a 17,8 dBm di potenza media, ovvero lo stesso valore utilizzato nelle simulazioni).
Per valutare l’impulso all’uscita della fibra comb-like si utilizzano un analizzatore di spettro ottico (OSA) (Figura 4.7) e un autocorrelatore (Figura 4.8).
Al fine di effettuare misure parziali dopo ogni coppia di fibre DSF e SMF si fa uso di una splice machine che permette di allineare la fibra nuda del compressore con l’estremità libera di uno spezzone di fibra che all’altro capo ha un connettore inserito in uno strumento di misura. In tal modo si evita di dover connetturizzare l’estremità di uscita della fibra comb-like ad ogni misura per poi togliere il connettore prima di inserire la coppia di fibre successiva.
L’autocorrelazione dell’impulso e il suo spettro di potenza vengono misurati dopo ogni coppia di fibre.
Tabella 4.1 Caratteristiche delle fibre DS e standard
1 DSF 150m 2 SMF 18m 3 DSF 135m 4 SMF 10m 5 DSF 110m 6 SMF 3,5m 7 DSF 85m 8 SMF 1,5m 9 DSF 70m 10 SMF 1m 11 DSF 40m 12 SMF 0,5m N
Nuummeerroo
spspeezzzzoonnee TiTippoo ffiibbrraa LuLunngghheezzzzaa spspeezzzzoonnee
Figura 4.2 Set-up utilizzato per la caratterizzazione della fibra comb-like. Nella tabella sono mostrate le lunghezze dei singoli
spezzoni di fibra che compongono la comb-like.
τin =3ps
Ppicco=2W
ATT.
Comb-like DDF
OSA
Autocorrelatore FRMLL EDFA
Figura 4.4 Amplificatore dopato all’erbio (EDFA) Figura 4.3 Fibre ring mode-locking laser (FRMLL)
Figura 4.5 Compressore di tipo comb-like a dispersione decrescente realizzato (vista laterale)
Figura 4.6 Compressore di tipo comb-like a dispersione decrescente realizzato (vista dall’alto)
Figura 4.7 Misuratore dello spettro del segnale ad alta risoluzione (OSA)
Figura 4.8 Autocorrelatore
Come descritto nel paragrafo precedente sono state misurate l’autocorrelazione e lo spettro in uscita da ogni stadio che compone il compressore basato su fibra comb-like.
Figura 4.9 mostra l’autocorrelazione (a) e lo spettro di potenza (b) all’uscita del laser mode-locking.
L’autocorrelazione ha una durata di 4,68 ps a cui corrisponde una durata dell’impulso pari a (4,68*0,6482) ps=3,03 ps.
Lo spettro misurato tramite l’OSA presenta una banda a -3dB pari a 0,71 nm.
Lo spettro presenta una forma triangolare, indice del fatto che l’impulso ha la forma di una secante iperbolica.
Figura 4.9 Autocorrelazione (a) e spettro (b) del segnale all’uscita del Laser Mode-Locking
Lunghezza d’onda [nm]
BW-3dB=0,71 nm
(b)
Tempo [ps]
∆T-3dB =3,03 ps
(a)
τAutoc=4,68 ps
Nella tabella 4.2 sono presenti i valori della durata a -3 dB, -13 dB, -20 dB dell’impulso, della sua autocorrelazione e della larghezza di banda a -3 dB.
La durata dell’impulso compresso risulta essere a -3 dB di 1,04 ps.
∆T-3dB ∆T-13dB ∆T-20dB ∆T-3dB ∆T-13dB ∆T-20dB BW-3dB
1°stadio 3,921 ps 9,569 ps 24,314ps 2,541 ps 6,668 ps 17,686ps 0,95 nm 2°stadio 3,137 ps 8,432 ps 12,941ps 2,033 ps 5,844 ps 9,413 ps 1,37 nm 3°stadio 2,745 ps 8,124 ps 12,741ps 1,779 ps 5,669 ps 9,268 ps 1,61 nm 4°stadio 2,157 ps 7,647 ps 11,961ps 1,398 ps 5,337 ps 8,7 ps 2,06 nm 5°stadio 1,765 ps 7,059 ps 9,216ps 1,144 ps 4,926 ps 6,704 ps 2,4 nm 6°stadio 1,605 ps 6,747 ps 9,921ps 1,04 ps 4,708 ps 7,217 ps 2,9 nm
Le figure 4.10 e 4.11 mostrano rispettivamente l’evoluzione dell’autocorrelazione dell’impulso e del suo spettro lungo la fibra comb-like.
Osservando gli spettri si nota come l’allargamento spettrale che accompagna il restringimento della durata dell’impulso non alteri in modo sostanziale la sua forma che rimane triangolare. Ciò permette di affermare che anche l’impulso è con buona approssimazione a secante iperbolica.
Autocorrelazione [ps] Durata impulso [ps] Banda[nm]
Tabella 4.2 Valori della durata a -3 dB, -13 dB, -20 dB dell’impulso, della sua autocorrelazione e della larghezza di banda a
-3 dB dopo ogni stadio
Tempo [ps]
Tempo [ps]
Tempo [ps]
Tempo [ps] Tempo [ps]
∆T-3dB = 1,78 ps
∆T-3dB= 2,52 ps
∆T-3dB = 1,39 ps
∆T-3dB = 1,04 ps
∆T-3dB = 2,03 ps
Dopo 2 fibre Dopo 4 fibre
Dopo 6 fibre
Tempo [ps]
∆T-3dB = 1,14 ps Dopo 10 fibre
Dopo 8 fibre
Dopo 12 fibre
Figura 4.10 Autocorrelazione dopo ogni stadio composto da una coppia di fibre DS e SMF. In ogni
riquadro è presente il corrispondente valore della durata dell’impulso
Aumentando la potenza media in ingresso da 17,8 dBm fino a 18,85 dBm la compressione aumenta, ottenendo un impulso di uscita di 646 fs con una larghezza spettrale di 4,27 nm.
Il fattore di compressione è aumentato da 3 a 4,7. Ciò significa che è possibile compensare la diminuzione della compressione dovuta alle irregolarità delle caratteristiche della fibra ed alle imprecisioni legate al processo realizzativi agendo sulla potenza di ingresso.
L’autocorrelazione (a) e lo spettro dell’impulso compresso (b) sono mostrati in Figura 4.12.
Ampiezza [dBm]
Lunghezza d’onda [nm]
Dopo 6 fibre
Ampiezza [dBm]
Lunghezza d’onda [nm]
Dopo 10 fibre BW-3dB=2,4 nm BW-3dB=1,61 nm
Figura 4.11 Spettro in uscita da ogni stadio composto da fibra DS e standard
Lunghezza d’onda [nm]
Dopo 12 fibre
Ampiezza [dBm] BW-3dB=2,9 nm
Ampiezza [dBm]
Lunghezza d’onda [nm]
Dopo 2 fibre BW-3dB=0,95 nm
Ampiezza [dBm]
Lunghezza d’onda [nm]
Dopo 8 fibre BW-3dB=2,06 nm
Ampiezza [dBm]
Lunghezza d’onda [nm]
Dopo 4 fibre
BW-3dB=1,37 nm
Tempo [ps]
∆T-3dB=646 fs
0,99 ps
Ampiezza normalizzata
(a)
Figura 4.12 Autocorrelazione (a) e spettro (b) all’uscita del compressore ottenuti con una potenza media di 18,85 dBm in
ingresso
(b)
Lunghezza d’onda [nm]
BW-3dB=4,27 nm
Ampiezza [dBm]
4.2 Confronto tra risultati sperimentali e numerici
Il raffronto tra i risultati ottenuti sperimentalmente e quelli ottenuti con il modello numerico completo è mostrato di seguito a parità di condizioni (caratteristiche impulso di ingresso e caratteristiche delle fibre).
Il dimensionamento della fibra comb-like tramite simulazioni è stato effettuato considerando un impulso in ingresso di durata pari a 2,6 ps, poiché tale valore è quello tipico degli impulsi generati dal laser mode locking di cui si dispone.
Tuttavia la durata dell’impulso all’uscita del fibre ring mode locking laser non è costante e perfettamente controllabile. Durante le misure in laboratorio gli impulsi avevano una durata di 3,03 ps; pertanto il confronto è fatto con i risultati numerici ottenuti per tale valore della durata dell’impulso d’ingresso.
In Figura 4.13 sono comparate le autocorrelazione degli impulsi dopo ogni coppia di fibre.
Si osserva che la compressione totale nel caso sperimentale è minore.
Ciò è dovuto all’attenuazione delle splice inserite per unire insieme le fibre che comportano una perdita complessiva stimata pari a 1dB e che non sono state considerate nelle simulazioni.
Un altro motivo che rende ragione delle differenze tra i risultati sperimentali e quelli numerici è che lungo la fibra reale la dispersione non è costante e ciò può portare a riduzioni considerevoli della compressione totale.
È da considerare che anche errori di pochi centimetri nella lunghezza degli spezzoni finali di fibra SMF possono aumentare notevolmente la durata dell’impulso compresso.
Figura 4.13 Confronto delle autocorrelazioni ottenute mediante analisi numerica e misure
sperimentali Tempo [ps]
Ampiezza normalizzata
Tempo [ps]
Ampiezza normalizzata
Dopo 6 fibre
Tempo [ps]
Ampiezza normalizzata
Tempo [ps]
Dopo 8 fibre
Ampiezza normalizzata
Dopo 10 fibre
Tempo [ps]
Ampiezza normalizzata
Dopo 12 fibre
Tempo [ps]
Ampiezza normalizzata
Nella Figura 4.14 è mostrata la durata dell’impulso a -3dB (∆T-3dB) dopo ogni coppia di fibre.
Il confronto è fatto tra i valori ottenuti sperimentalmente e quelli ottenuti mediante il modello numerico completo considerando sia impulsi con una durata iniziale di 3,03 ps (corrispondente a quella degli impulsi del laser mode-locking) sia impulsi con una durata iniziale di 2,6 ps (utilizzata per dimensionare il compressore).
Si può notare come le due curve numeriche convergano verso valori molto vicini, mentre la curva sperimentale si attesti ad un valore maggiore.
Queste curve mostrano come la fibra comb-like sia in grado di tollerare lievi variazioni della durata dell’impulso d’ingresso; motivo del diverso andamento della curva sperimentale è da ricercare nelle variazioni della dispersione lungo la fibra reale, nella imprecisione della lunghezza degli spezzoni di fibra e nell’attenuazione delle giunzioni.
Indice dello stadio
Figura 4.14 Variazione della durata dell’impulso all’uscita di ogni coppia di fibre ottenuta mediante analisi numerica e misure
sperimentali
∆T-3dB [ps]
Figura 4.16 mostra il rapporto tra la durata dell’impulso a -3dB e -20 dB (∆T-3dB/∆T-20dB) dopo ogni coppia di fibre.
Si nota come nel caso sperimentale la curva assuma valori maggiori rispetto alle curve numeriche che convergono tra loro.
Nel caso sperimentale l’impulso compresso presenta una durata maggiore, tuttavia il rapporto ∆T-3dB/∆T-20dB rimane maggiormente vicino al valore ideale di 0,29 indicando che l’impulso non ha subito una consistente deformazione durante la compressione.
In sostanza le imperfezioni della fibra hanno reso più graduale la compressione: ciò ha provocato un aumento della durata dell’impulso compresso rispetto all’analisi numerica, ma ha diminuito la deformazione subita dall’impulso, mantenendolo con buona approssimazione a secante iperbolica.
Indice di stadio
Figura 4.15 Variazione della durata dell’impulso a -20 dB all’uscita di ogni coppia di fibre ottenuta mediante analisi numerica e misure
sperimentali
∆T-20dB [ps]
Figura 4.17 mostra la larghezza spettrale a -3 dB dopo ogni coppia di fibre.
La minor larghezza di banda nel caso sperimentale è giustificata dalla maggior durata dell’impulso compresso.
Indice dello stadio
Figura 4.16 Variazione del rapporto ∆T-3dB/∆T-20dB all’uscita di ogni coppia di fibre ottenuta mediante analisi numerica e misure sperimentali
∆T-3dB/∆T-20dB
Indice dello stadio
Figura 4.17 Variazione della banda BW-3dB all’uscita di ogni coppia di fibre ottenuta mediante analisi numerica e misure sperimentali
Larghezza di banda a – 3dB [nm]
