Polarizasyon kontrolörün etkisi

Literatürde klasik halka tipi EDFL düzeneğinde polarizasyon denetleyici (PC) kullanılarak, kavite içerisindeki polarizasyon durumunun optimize edilebileceği belirtilmiştir (Bellemare, 2003; Bellemare vd., 2001). Böylece kavite içerisinde polarizasyon süreksizliğine bağlı kayıplar minimize edilebilecek ve birden fazla spektral modun uyarılması engellenerek EDFRL’nin tek boylamsal moda sahip olması sağlanabilecektir. Yapılan deneylerde PC’nin EDFRL çıkışındaki sinyalin spektrumuna etkisini incelemek için Şekil 4.16’daki EDFRL düzenekleri kurulmuştur. Deneysel düzeneklerde TBPF kullanılmadığı için kavite uzunluğuna bağlı olarak EDFRL’nin belirli bir dalgaboyunda ışıma yapması beklenmektedir.

Şekil 4.16. Polarizasyon denetleyicinin etkisini gözlemlemek için kurulan (a) polarizasyon denetleyicisiz (b) polarizasyon denetleyicili halka tipi EDFL.

Şekil 4.17(a)’da PC ve TBPF kullanılmadan kurulan EDFRL düzeneğinin çıkış spektrumu görülmektedir. EDFRL’nin kavite uzunluğuna bağlı olarak 1606 nm’de ışıma yaptığı, ancak birden fazla spektral modun uyarıldığı ve ışıma spektrumunda çökmelerin oluştuğu gözlemlenmektedir. Kavite içerisinde polarizasyona bağlı kararlılığı artırmak için düzeneğe PC eklendiğinde, EDFRL çıkış spektrumunun daha kararlı hale geldiği ve tek boylamsal modda ışıma yaptığı Şekil 4.17(b)’den görülmektedir. Elde edilen EDFRL çıkışının merkez dalgaboyu 1604 nm ve çizgi genişliği (3 dB) 0.32 nm’dir.

Şekil 4.17. (a)Polarizasyon denetleyicisiz (b) polarizasyon denetleyicili halka tipi EDFL çıkış spektrumu.

PC’nin halka tipi EDFL çıkışına etkisini incelemek için bir sonraki deney adımında halka kavite içerisine TBPF eklenerek ışıma dalgaboyu ayarlanabilir hale getirilmiştir (Şekil 4.18). Deneysel düzeneklerde TBPF’nin performansını da gözlemleyebilmek adına iki ayrı filtre kullanılmıştır. Öncelikle JDS FITEL marka TB1570 model, dalgaboyu mekanik olarak ayarlanabilir TBPF deney düzeneğine dahil edilmiştir. Filtrenin merkez dalgaboyu 1570 nm’ye ayarlanmıştır ve filtrenin bantgenişliği ~1 nm’dir.

Şekil 4.18. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL kavitesinin (a) polarizasyon denetleyicisiz (b) polarizasyon denetleyicili tasarımları.

PC’nin düzeneğe dahil olduğu ve olmadığı durumlar için EDFRL çıkış spektrumu OSA aracılığıyla gözlemlenmiştir. Şekil 4.19’dan görüleceği üzere PC düzeneğe dahil değilken, EDFRL çıkış spektrumunda, halka içerisindeki polarizasyon durumundaki süreksizlikler nedeniyle, polarizasyona bağlı mod atlamaları gözlemlenmektedir. Bu yüzden EDFL çıkışında düzgün, Gausiyen forma sahip bir ışıma spektrumu elde edilememektedir. Ancak deney düzeneğine PC eklendiğinde ve polarizasyon durumu kontrol edildiğinde, polarizasyon durumunda halka içerisinde süreklilik (2π faz şartı) elde edilmekte, EDFRL çıkış spektrumunun Gausiyen bir forma sahip olduğu ve homojen bir çizgi genişliği elde edildiği görülebilmektedir.

Şekil 4.19. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL'nin farklı polarizasyon durumlarındaki çıkış spektrumları (TBPF: JDS FITEL TB1570).

Bir sonraki deney adımında deney düzeneğine Sercalo marka TF1C100 model TBPF eklenerek, EDFL’nin ışıma dalgaboyu ayarlanmıştır. TBPF’nin merkez dalgaboyu rastgele olarak 1584 nm’ye ayarlanmış ve EDFL çıkışı, OSA aracılığıyla gözlemlenmiştir. Filtrenin bantgenişliği 0.3 nm’dir. Şekil 4.20’de ışıma dalgaboyu TBPF aracılığıyla ayarlanmış halka tipi EDFL’nin çıkış spektrumları görülmektedir. Düz çizgi (mavi) PC’nin kaviteye dahil olmadığı durumdaki

çıkış spektrumunu gösterirken, kesikli çizgi (kırmızı) PC’nin kaviteye dahil olduğu durumdaki çıkış spektrumunu vermektedir.

Şekil 4.20. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL'nin farklı polarizasyon durumlarındaki çıkış spektrumları (TBPF: Sercalo TF1C100).

Şekil 4.20’den de görüleceği üzere PC’nin kavite tasarımına dahil olduğu ya da olmadığı durumda EDFRL çıkış spektrumunda bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Her iki durumda da EDFRL çıkışı dar (~0.08 nm) çizgi genişliğine sahiptir ve merkez dalgaboyu 1584 nm’dir. Halka tipi EDFL’de oldukça dar bantlı bir TBPF’nin kullanılması lazerde uyarılan spektral mod sayısını büyük ölçüde sınırlamış, bu nedenle oldukça dar bir çizgi genişliği elde etmeye ve lazer çıkışında daha yüksek kararlılığa erişmeye olanak sağlamıştır (Bellemare, 2003).

Yapılan deneyde de MEMS tabanlı TBPF’nin çok dar bantgenişliğine sahip olması, EDFRL çıkışındaki spektrumun çok dar olmasını sağlamakta, polarizasyona bağlı mod atlamasını engellemektedir. Bu sayede tek boylamsal modda rezonansa gelen, kararlı ve dar çizgi genişliğine sahip EDFRL çıkışı, kavite içerisinde PC olmaksızın da elde edilebilmektedir. Bu sebeple, bundan sonraki ölçümlerde EDFRL kavite yapısı içerisinde PC kullanılmasına gerek olmadığına karar verilerek düzenekten çıkarılmıştır.

Tasarlanan klasik halka tipi EDFL çıkışındaki sinyalin polarizasyon durumunu (lineer polarize veya polarize değil) gözlemleyebilmek adına EDFRL düzeneğinin çıkışına bir polarizasyon denetleyici üzerinden Thorlabs firmasının ILP1550SM-FC model polarizörü eklenmiştir (Şekil 4.21).

Şekil 4.21. Dalgaboyu ayarlanabilir halka tipi EDFL çıkışındaki sinyalin polarizasyon durumunu gözlemlemek için kurulan (a) polarizörsüz ve (b) polarizörlü deney düzenekleri.

Şekil 4.22. Dalgaboyu ayarlanabilir EDFRL'nin çıkış portuna polarizasyon denetleyici üzerinden eklenen polarizörün çıkış spektrumuna etkisi

Şekil 4.22’de klasik EDFRL çıkışına eklenen polarizörün çıkış spektrumuna etkisi görülmektedir. Şekilden görüleceği üzere polarizörün eklenmesi ile EDFRL çıkışındaki tepe güç seviyesi ~0.5 dB düşmüştür. Bu optik güç kaybının polarizörün yerleştirme kaybı ve ilave füzyon ekleri sebebiyle ortaya çıktığı söylenebilir. Diğer taraftan polarizörlü düzenekte güç seviyesindeki

düşme, kısmi polarize ışık üretimi nedeniyle spektrumun yan bantlarında ~1 dB’e kadar yükselmektedir. Sonuç olarak tasarlanan EDFRL çıkış sinyallerinin tamamıyla lineer polarize ışıktan oluştuğu ve bu sebeple polarize lazer kaynak olarak kullanılabileceği söylenebilir.

4.2.4. EDF uzunluğunun etkisi

Klasik halka tipi EDFL’nin çıkış gücünü ve ayarlanabilir dalgaboyu aralığını etkileyen en önemli parametrelerden biri kullanılan EDF’nin uzunluğudur. Deneysel karakterizasyonun bu kısmında klasik halka tipi EDFL tasarımında farklı uzunluklara sahip EDF’ler kullanılarak, EDF uzunluğunun EDFRL çıkışına etkisi incelenmiştir. Yapılan deneylerde diğer parametreleri sabit tutmak için, pompa güçleri 100 mW ve çıkış kuplörü bölme oranı %10 olarak belirlenmiştir.

Şekil 4.23. 20 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10).

Şekil 4.23’te EDF uzunluğu 20 m iken ölçülen klasik halka tipi EDFL’nin çıkış spektrumları görülmektedir. EDFL’nin ayarlanabilir dalgaboyu aralığının 1560 – 1610 nm (@3dB) dalgaboyları arasında 50 nm’lik bir alanı kapladığı görülmektedir. Bu aralıkta ortalama tepe gücü 2.79 dBm olarak elde edilmiştir.

Şekil 4.24. 14 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10).

EDF uzunluğu 14 m olarak belirlendiğinde ise klasik halka tipi EDFL’nin çıkış spektrumları Şekil 4.24’teki gibi elde edilmektedir. Şekilden görüleceği üzere ayarlanabilir dalgaboyu aralığı 1542 – 1615 nm (73 nm) aralığını kapsamaktadır ve ortalama tepe gücü ise 3.87 dBm olarak ölçülmüştür.

Şekil 4.25’te 10 m EDF kullanıldığı durumda klasik halka tipi EDFL’nin çıkış spektrumlarının değişimi gösterilmektedir. Şekilden de anlaşılacağı üzere ayarlanabilir dalgaboyu aralığı 1540 – 1615 nm arasındaki 75 nm’lik bandı kapsarken, bu aralıktaki ortalama tepe gücü 4.13 dBm ölçülmüştür.

Şekil 4.25. 10 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10).

Şekil 4.26. 7.5 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10).

Şekil 4.26’da ise EDF uzunluğu 7.5 m iken klasik halka tipi EDFL’nin çıkış spektrumları görülmektedir. EDFL tasarımında 7.5 m EDF kullanıldığında ayarlanabilir dalgaboyu aralığı 1535 – 1613 nm aralığında 78 nm olarak ölçülmüştür. Ayrıca bu aralıkta ortalama tepe gücü 4.24 dBm olarak elde edilmiştir.

Şekil 4.27. 6 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10).

EDF uzunluğu 6 m olarak belirlendiğinde ise klasik halka tipi EDFL’nin çıkış spektrumları Şekil 4.27’deki gibi elde edilmektedir. Klasik halka tipi EDFL’nin ayarlanabilir dalgaboyu aralığı 1525 – 1605 nm aralığında 80 nm’lik bir bandı kapsamakta ve ortalama tepe gücü ise 4.61 dBm olarak elde edilmektedir.

Şekil 4.28. 3 m EDF kullanılan klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10).

Son olarak EDF uzunluğu 3 m olarak seçildiğinde ise klasik halka tipi EDFL’nin çıkış spektrumları Şekil 4.28’deki gibi elde edilmektedir. EDFRL’nin ayarlanabilir dalgaboyu aralığı 60 nm’lik (1525 – 1585 nm) bir bandı kapsarken, ortalama tepe gücü 5.67 dBm olarak ölçülmektedir.

Yapılan deneylerden anlaşılacağı üzere EDF uzunluğu, halka tipi EDFRL’nin performansını etkileyen önemli bir faktördür. EDFRL’nin çıkış gücü ve ayarlanabilir dalgaboyu aralığı, EDF’nin uzunluğuna göre değişmektedir. Şekil 4.29’da farklı EDF uzunlukları için, halka tipi EDFL’nin çıkış gücünün dalgaboyuna göre değişimi karşılaştırmalı olarak görülebilmektedir. Şekilden anlaşılacağı üzere, 3 m EDF kullanıldığında ortalama tepe güçleri en yüksek değere (5.67 dBm) sahip olmasına rağmen, ayarlanabilir dalgaboyu aralığı sadece 1525 – 1585 nm aralığında 60 nm’lik bir bandı kapsamaktadır. EDF uzunluğu arttıkça, tepe güçlerinin düşmeye başladığı görülmektedir. Buna karşılık, ayarlanabilir dalgaboyu aralığı da L- bandına doğru genişlemektedir. 6 m EDF kullanıldığında, ayarlanabilir dalgaboyu aralığı en yüksek değerine (~80 nm) ulaşmaktadır. 7.5 m – 20 m arasında uzunluğa sahip bir EDF kullanıldığında ayarlanabilir dalgaboyu aralığı tekrar azalmaya başlamakta ve L- bandına doğru kaymaya devam etmektedir. 20 m EDF kullanıldığında ise tepe güçleri en düşük değerini almakta (~2.79 dBm) ve sadece 1560 – 1610 nm aralığında, 50 nm’lik bir bantta lazer ışıması elde edilebilmektedir.

Şekil 4.29. Farklı EDF uzunlukları için halka tipi EDFL'nin çıkış gücünün dalgaboyu ile değişimi (PP1=PP2=100 mW, Cçıkış=%10).

Çizelge 4.2’de farklı EDF uzunluklarına göre, halka tipi EDFL’nin performansını belirleyen kimi ölçütlerin değişimi verilmiştir. Çizelgedeki sonuçlar karşılaştırıldığında, genişband uygulamalar için uygun (1525 – 1605 nm), C+L bantlarını kapsayan, yüksek ortalama tepe gücü (4.61 dBm) sağlayabilen, ayarlanabilir bant aralığında tepe güçlerinin salınımı düşük (0.31 mW) ve gürültü hassasiyeti yüksek uygulamalarda kullanıma uygun olacak şekilde yüksek OSNR (54.7 dB) değerine sahip halka tipi EDFL elde etmek için, 6 m uzunlukta EDF kullanılabileceği anlaşılmaktadır.

Çizelge 4.2. Farklı EDF uzunluklarına göre halka tipi EDFL'nin karakterizasyonu.

EDF Uzunluğu (m) 3 6 7.5 10 14 20

Ortalama Tepe Gücü (dBm) 5.67 4.61 4.24 4.13 3.87 2.79

Ortalama Tepe Gücü (mW) 3.69 2.89 2.65 2.58 2.43 1.90

Tepe gücü standart sapması (mW) 0.88 0.31 0.64 0.62 0.29 0.41

Ayarlanabilir dalgaboyu aralığı (nm) 60 80 78 75 73 50

Minimum dalgaboyu (nm) 1525 1525 1535 1540 1542 1560

Maksimum dalgaboyu (nm) 1585 1605 1613 1615 1615 1610

Ortalama OSNR (dB) 59 54.7 53.3 50.7 49.8 47.1

4.2.5. Çıkış kuplörü bölme oranının etkisi

Çıkış kuplörü bölme oranının etkisini incelemek için deneysel düzenekte EDF uzunluğu 6 m, pompa güçleri 100 mW alınarak ve çıkış kuplör oranı da sırası ile %90, %50 ve %10 olarak

değiştirilerek halka tipi EDFL’nin ayarlanabilir dalgaboyu aralığı ve bu aralıktaki tepe güçlerinin değişimi gözlenmiştir.

Şekil 4.30. Çıkış kuplörü bölme oranının %90 olarak alındığı durumdaki klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (L=6 m, PP1=PP2=100 mW).

Şekil 4.30’da %90 çıkış kuplörü bölme oranı için halka tipi EDFL’nin çıkış spektrumları görülmektedir. Şekilden de anlaşılacağı üzere, kavite içerisindeki optik gücün %90’ı çıkış kuplöründen kavite dışına EDFRL çıkış sinyali olarak verilmektedir. Bu sebeple EDFRL çıkışındaki ortalama güç +13.86 dBm elde edilmektedir. Ancak %90’lık çıkış kuplörü bölme oranı kavite içi kayıpları artırmakta ve L- bandındaki EDFRL çıkış gücü önemli ölçüde azalmaktadır. Çünkü EDFA’nın kazanç spektrumunda L- bandındaki kazanç değerleri çok düşük olup, kavite içerisindeki kayıplara baskın gelememekte ve uzun dalgaboylarında lazer osilasyonu elde edilememektedir. Şekilden görüleceği üzere ayarlanabilir dalgaboyu aralığı 60 nm olup, OSNR değeri ise 45.2 dB olarak ölçülmüştür.

Çıkış kuplör oranı %50 olarak belirlendiğinde elde edilen halka tipi EDFL çıkış spektrumları Şekil 4.31’de görülebilmektedir. Şekilden anlaşılacağı üzere, ayarlanabilir dalgaboyu aralığı artmış (75 nm), ancak ortalama tepe güçleri düşmüştür (11.86 dBm). EDFL çıkışındaki OSNR değeri ise 50.8 dB’ye yükselmiştir.

Şekil 4.31. Çıkış kuplörü bölme oranının %50 olarak alındığı durumdaki klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (L=6 m, PP1=PP2=100 mW)

Çıkış kuplör oranı %10 olarak belirlendiği durumdaki halka tipi EDFL çıkış spektrumları Şekil 4.32’deki gibi elde edilmektedir. Çıkış kuplör oranının daha yüksek olduğu durumlarla karşılaştırıldığında, ayarlanabilir dalgaboyu aralığının artmış (80 nm) ve çıkış tepe güçlerinin düşmüş (4.61 dBm) olduğu görülmektedir. Ancak EDFL çıkışındaki OSNR değeri 54.7 dB’ye yükselmiştir.

Şekil 4.32. Çıkış kuplörü bölme oranının %10 olarak alındığı durumdaki klasik halka tipi EDFL'nin çıkış spektrumları (L=6 m, PP1=PP2=100 mW).

Şekil 4.33. Farklı çıkış kuplörü bölme oranları için halka tipi EDFL'nin çıkış gücünün dalgaboyu ile değişimi (L=6 m, PP1=PP2=100 mW).

Bu kısımda yapılan deneylerde görülmüştür ki, çıkış kuplörü bölme oranı halka tipi

EDFL’nin hem çıkış gücünü hem de ayarlanabilir dalgaboyu aralığını etkilemektedir. Şekil 4.33’te farklı çıkış kuplörü bölme oranları için, halka tipi EDFL’nin çıkış gücünün

dalgaboyuna göre değişimi karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Çıkış kuplörü bölme oranı yüksek olduğunda (%90) çıkış gücü de yüksek olmakta, ancak lazer osilasyonu elde edilen dalgaboyu aralığı önemli ölçüde düşmektedir (1525 – 1575 nm). Çıkış kuplörü bölme oranı düştükçe tepe gücü de düşmekte, buna karşılık ayarlanabilir dalgaboyu aralığı önemli ölçüde artmaktadır. %90, %50 ve %10 çıkış kuplörü bölme oranları için ayarlanabilir dalgaboyu aralığı sırasıyla 50 nm, 75 nm ve 80 nm; ortalama çıkış güçleri de sırayla 13.86 dBm, 11.86 dBm ve 4.61 dBm olarak gerçekleşmiştir.

Çizelge 4.3. Farklı çıkış kuplörü bölme oranlarına göre halka tipi EDFL'nin karakterizasyonu.

Çıkış Kuplörü Bölme Oranı %10 %50 %90

Ortalama Tepe Gücü (dBm) 4.61 11.86 13.86

Ortalama Tepe Gücü (mW) 2.89 15.34 24.32

Tepe gücü standart sapması (mW) 0.31 1.55 3.72

Ayarlanabilir dalgaboyu aralığı (nm) 80 75 50

Minimum dalgaboyu (nm) 1525 1525 1525

Maksimum dalgaboyu (nm) 1605 1600 1575

Ortalama OSNR (dB) 54.7 50.8 45.2

Çizelge 4.3’te farklı çıkış kuplörü bölme oranlarına göre, halka tipi EDFL’nin performansını belirleyen ölçütlerin değişimi verilmiştir. Çizelgedeki sonuçlar göz önünde bulundurulduğunda, en yüksek OSNR değeri (54.7 dB), en geniş ayarlanabilir dalgaboyu aralığı (1525 – 1605 nm) ve bu dalgaboyu aralığı içerisinde tepe güçlerindeki en düşük standart sapma (0.31 mW) %10 çıkış

kuplörü bölme oranı kullanıldığında elde edilmiştir. Ayrıca ortalama çıkış gücü (4.61 dBm), genişband fiber optik haberleşme ve sensör sistemleri için yeterli seviyededir.

4.2.6. Pompa gücünün etkisi

Yapılan deneysel karakterizasyon çalışmalarında EDFL çıkış gücünün pompa gücü ile değişimi de incelenmiştir. Şekil 4.34’te 1555 nm (C- bandı) ve 1575 nm (L- bandı) ışıma dalgaboylarında artan pompa gücüne göre EDFL çıkış gücünün değişimi verilmiştir. Deneysel düzenekle EDF uzunluğu 6 m ve çıkış kuplör oranı %10 olarak alınmıştır.

Şekil 4.34. Farklı ışıma dalgaboylarında EDFRL çıkış gücünün pompa gücü ile değişimi. Şekilden de görüleceği üzere pompa gücü arttıkça EDFRL çıkış gücü de hem C- bandında hem de L- bandında doğrusal olarak artmaktadır. Pompa eşik güçleri 1555 nm ve 1575 nm ışıma dalgaboyları için sırası ile 5 mW ve 4.76 mW’tır. Ayıca pompa gücü dönüşüm verimleri ise sırası ile %3.8 ve %4.2 olarak elde edilmiştir. Pompa gücünün halka tipi EDFL çıkış gücüne etkisinin incelendiği deneylerin sonuçları göz önünde bulundurulduğunda, tasarlanan EDFRL’nin hem C- bandı hem L- bandında artan pompa gücüyle lineer artan çıkış gücüne sahip olduğu ve çok düşük eşik güçlerinde çalışabildiği görülmektedir. Pompa güç dönüşüm verimi EDF uzunluğunun, C- bandında çalışma için gereken ortalama 3 m uzunluktan daha uzun olması nedeniyle L- bandında daha yüksek olmaktadır.