[논문 리뷰] Frequency dependence of mode coupling gain in Yb doped fiber amplifiers due to stimulated thermal Rayleigh scattering

Arlee V. Smith, J. Joshua Smith|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 18.

Photonic Crystal and Fiber Optics인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 이트리튬 도핑된 섬유 앰프에서 자발적 열 레일리 산란(STRS)에 의해 유도되는 모드 커플링 이득에 대한 상세한 수치 모델을 제시한다. 여기서 최고 이득 주파수(FM)는 코어 크기, 도핑 프로파일, 인version 분포, 열 렌즈 효과, 섬유 코일링, 펌프 방향, 광소실 현상 등에 의해 강하게 영향을 받는다. 모델은 FM이 유효 면적(1/A_eff)에 반비례하여 스케일링됨을 예측하며, 홀드 버닝 효과로 인해 열 확산 추정치 이하로 감소한다. 입력 노이즈 스펙트럼을 고려할 경우 이는 측정된 값과 양적 일치를 보인다.

ABSTRACT

Using a numerical model we study the frequency dependence of mode coupling gain due to stimulated thermal Rayleigh scattering in step index, Yb doped, fiber amplifiers. The frequency at the gain peak is shown to vary with core size, doping size, population saturation, thermal lensing, fiber coiling, direction of pumping, photodarkening, and pump noise spectra. The predicted frequencies are compared with measured values whenever possible.

연구 동기 및 목표

• 자발적 열 레일리 산란(STRS)으로 인한 이트리튬 도핑 섬유 앰프에서의 주파수 의존성 모드 커플링 이득을 모델링하기.
• 최고 이득 주파수(FM)가 코어 크기, 도핑 프로파일, 펌프 방향, 열 렌즈 효과 등 섬유 설계 및 작동 조건에 따라 어떻게 변화하는지 조사하기.
• 모델 예측값과 측정된 FM 값을 비교하여 모델를 검증하고, 낮은 불안정성 임계값과 같은 성능 이상 현상 진단하기.
• 횡방향 홀드 버닝, 광소실 현상, 펌프/신호 노이즈 스펙트럼이 FM에 미치는 영향을 규명하기.
• 섬유 길이에 따라 변화하는 인version 분포 및 열 분포 프로파일을 포함하여 단순 모델을 개선하기.

제안 방법

• 단일 인덱스 이트리튬 도핑 섬유에서 STRS에 의해 유도되는 모드 커플링을 수치적으로 시뮬레이션하기 위해 복합 열 및 모드 전파 방정식을 풀는 모델을 사용한다.
• 횡방향 홀드 버닝으로 인해 공간적으로 변화하는 인version 분포를 고려하여 진동하는 열 소스 프로파일이 변화함을 반영한다.
• LP01 및 LP11/LP02 모드 간 주파수 오프셋에 따른 이득을 정 steady-periodic 접근법을 사용해 계산한다.
• 열 확산 시간은 유효 코어 반경을 기준으로 하며, FM ≈ 1/(4πD r_eff²)로 추정되며, 여기서 D는 열확산도이다.
• 섬유 코일링, 비대칭 냉각, 열 렌즈로 인한 모드 프로파일 변화는 열 및 모드 프로파일에 대한 교란 요소로 포함된다.
• 입력 신호 및 펌프 노이즈 스펙트럼은 실제 조건의 변조 효과를 시뮬레이션하기 위해 주파수 이동 성분으로 모델링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이트리튬 도핑 섬유 앰프에서 최고 모드 커플링 이득 주파수(FM)는 유효 모드 면적(A_eff)에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 인버전 분포의 횡방향 홀드 버닝이 열 확산 추정치 이하로 FM을 얼마나 낮추는가?
• RQ3 섬유 코일링 및 비대칭 냉각은 이득 피크 주파수의 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 펌프 구성(공동 펌프 대 반대 펌프), 광소실 현상, 열 렌즈 효과가 FM에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실험에서 측정된 FM 값이 모델 예측과 다를 때가 있는데, 이는 펌프 또는 시드 노이즈 스펙트럼이 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 최고 모드 커플링 이득 주파수(FM)는 유효 코어 반경을 통한 열 확산과 일치하여 약 1/A_eff 비례로 스케일링된다.
• 횡방향 홀드 버닝은 진동하는 열 소스를 코어 중심에서 벗어나게 하여, 단순한 열 확산 추정치 이하로 FM을 감소시킨다.
• 섬유를 코일링하거나 비대칭 냉각을 적용하면 모드 프로파일이 바깥 코일 측면으로 압축되어 유효 모드 면적이 감소하고, 이로 인해 FM이 증가한다.
• A_eff = 4536 μm²인 공 펌프 섬유의 경우 모델 예측값은 FM = 325 Hz이며, 측정값은 220 Hz로, 이는 광소실 현상이나 1/f 노이즈와 같은 추가적인 효과가 존재할 가능성을 시사한다.
• A_eff = 3595 μm²인 반대 펌프 섬유의 경우 모델 예측값은 FM = 490 Hz이며, 측정된 피크는 350 Hz로, 이는 펌프 또는 시드에 입력 조절 또는 스펙트럼 구조가 존재할 가능성을 시사한다.
• 39.5 μm 코어 섬유의 경우 모델 예측값은 FM ≈ 2420 Hz이며, 측정값은 2000 Hz로, 홀드 버닝 효과를 고려한 후 양호한 일치를 보였다.