قفل شدگی مد فعال
تکنیک قفل شدگی مد، بر مبنای مدولاسیون فعال اتلاف های درون کاواکی یا تغییر فاز رفت و برگشتی است.
قفل شدگی مد فعال

تعریف: تکنیک قفل شدگی مد، بر مبنای مدولاسیون فعال اتلاف های درون کاواکی یا تغییر فاز رفت و برگشتی است.
تولید پالس های فوق کوتاه به وسیله روش قفل شدگی مد، به طور کلی در مقاله قفل شدگی مد بحث شده است. این مقاله در مورد قفل شدگی مد فعال است که شامل مدولاسیون تناوبی اتلاف های مشدد یا تغییر فاز رفت و برگشتی می شود. به عنوان مثال، این فرآیند با یک مدولاتور صوتی-اپتیکی یا الکترو-اپتیکی، مدولاتور یکپارچه اپتیکی ماخ-زندر[1] یا مدولاتور نیمه هادی جاذب الکترونی[2] بدست می آید. اگر مدولاسیون با رفت و برگشت های (پیمایش) مشدد انطباق زمانی داشته باشند، پالس های فوق کوتاه تولید می شوند.

 
شکل 1- شماتیک چیدمان لیزر قفل شده مد فعال.

اصول قفل شدگی مد فعال به وسیله مدولاسیون اتلاف های رزوناتور (قفل شدگی مد AM) به راحتی قابل درک است. هنگامی که اتلاف ها کمینه مقدار را دارا هستند، یک پالس می تواند از مدولاتور عبور کند (شکل 2). با این وجود کناره های[3] پالس در هر رفت و برگشت اندکی تضعیف می شوند که این امر به طور موثری سبب کوتاه شدگی پالس می شود، تا اینکه این کوتاه شدگی پالس توسط اثرات دیگری (همانند باریک شدگی بهره) که تمایل به پهن کردن پالس دارند جبران شود.
در موارد ساده، طول پالس[4] در حالت پایا با استفاده از تئوری کوزینگ-سیگمن[5] محاسبه می شود. طول پالس نوعاً در محدوده پیکوثانیه است و به پارامترهایی مانند شدت سیگنال مدولاتور اندکی وابسته است. این وابستگی ضعیف از این واقعیت ناشی می شود که برای پالس هایی با طول کوتاهتر، تأثیر کوتاه شدگی پالس توسط مدولاتور کمتر است در حالی که پدیده های دیگری (مانند پاشندگی رنگی) که منجر به طویل شدگی پالس می شوند، تأثیر بیشتری دارند.

 
شکل 2- تحول زمانی توان اپتیکی و اتلاف ها در لیزر قفل شده مد فعال. مدولاتور منجر به افزایش اتلاف ها در کناره های پالس و کوتاه شدگی مؤثر پالس ها می شود. اگر طول پالس نسبت به دوره تناوب پالس بسیار کوچکتر از مقدار نشان داده شده باشد، تأثیر کوتاه شدگی پالس توسط مدولاتور بسیار ضعیف خواهد بود.
 
- قفل شدگی مد از طریق مدولاسیون فرکانس
قفل شدگی مد فعال به جای مدولاسیون دامنه میتواند با یک مدولاسیون فاز تناوبی نیز ایجاد شود، با این وجود این امر منجر به چرپ شدگی پالس[6] به عنوان مثال در یک سلول پاکلز میشود. هر چند عبارت قفل شدگی مد از طریق مدولاسیون فاز مناسب تر است ولی این روش قفل شدگی مد FM[7] نامیده می شود. در برخی از لیزرهای قفل شده مد FM، ناپایداری به صورت جست و خیز تصادفی بین دو مد فعال ایجاد می شود بدین معنی که هر گاه تأخیر فاز مابین دو مد فعال به کمینه یا بیشینه مقدار خود میرسد پالس از مدولاتور عبور میکند. در برخی مواقع این نوع ناپایداری به وسیله اثرات غیر خطی و پاشنده حذف می شوند.

- هم زمانی، روش بازخورد احیا کننده
برای عملکرد پایدار، باید زمان پیمایش مشدد دقیقاً منطبق بر دوره تناوب سیگنال مدولاتور (یا مضرب صحیحی از آن) باشد، به طوریکه یک پالس چرخشی همیشه همزمان با اتلاف های مینیمم از مدولاتور عبور کند. حتی یک فرکانس کوچک نابرابر بین رزوناتور لیزر و سیگنال محرک می تواند به اعوجاج زمانی[8] سیگنال یا حتی رفتار بی نظم منجر شود.
انطباق (همزمانی) بین منبع مدولاتور و لیزر به وسیله تنظیم دقیق چیدمان لیزر پایدار، یا یک مدار بازخورد (پس خورد) که به طور خودکار تنظیم می شود یا فرکانس مدولاسیون یا طول مشدد لیزر بدست می آید. یکی از روش هایی که غالباً استفاده می شود، قفل شدگی مد احیا کننده (بازتولیدی) است (که همچنین قفل شدگی مد از طریق بازخورد بازتولیدی نامیده می شود). در این حالت، سیگنال مدولاتور به وسیله کاواک سرد یا نوسانگر الکترونیکی که اندکی اصلاح شده ایجاد نمی شود، بلکه از طریق مدولاسیون شدت خود قطار پالس ناشی می شود. یک چنین طرح هایی به ویژه برای دستیابی به نرخ تکرار پالس قابل تنظیم مهم است و در لیزرهای فیبر قفل شده مد و دیودهای لیزری به کار می رود.

- قفل شدگی مد فعال با پالسهای فرکانس نرخ تکرار بالا
به دلیل محدودیت های هندسی جهت ایجاد مشددهای لیزری خیلی کوتاه، دستیابی به نرخ های تکرار پالس خیلی بالا مشکل است. این مشکل از طریق قفل شدگی مد هارمونیک قابل حل است. در این روش پالس های چندگانه در رزوناتور لیزری منتشر می شوند. فرکانس مدولاتور مضرب صحیحی از فرکانس رفت و برگشتی است. روش دیگر قفل شدگی مد، قفل شدگی مد هارمونیک نسبی است. در این روش فرکانس مدولاسیون برابر با فرکانس رفت و برگشت ضربدر نسبت دو عدد صحیح است.

- مقایسه این روش با قفل شدگی مد غیر فعال
قفل شدگی مد فعال در مقایسه با قفل شدگی مد غیر فعال، معمولاً پالس های طولانی تری تولید میکند. از معایب این روش، نیاز به مدولاتور اپتیکی، منبع تغذیة الکترونیکی و (در بیشتر موارد) وسایلی جهت تطبیق زمانی است. به عبارت دیگر، هنگامی که تطبیق زمانی قطارهای پالسی با سیگنال الکترونیکی مورد نیاز است و یا هنگامی که تعداد زیادی از لیزرها باید به طور همزمان عمل کنند، قفل شدگی مد فعال می تواند یک راه حل طبیعی باشد. بنابراین قفل شدگی مد فعال اغلب در زمینه ارتباطات فیبر نوری استفاده می شود.
 

[1] Mach–Zehnder integrated-optic modulator
[2] Electron Absorption
[3] Wings
[5] Kuizenga–Siegman
[6] Chirped Pulses
[7] Frequency Modulation
 


   |    1397/4/5