caso de estudio - CSIC

1 downloads 0 Views 279KB Size Report
ABSTRACT. We present a theoretic approach to the characterization of low-power bright ultrashort optical pulses with an internal frequency modulation ...
A  NEW TECHNIQUE OF MEASURING LOW‐POWER PICOSECOND OPTICAL PULSE TRAINS.  Ana Luz Muñoz Zurita1, Alexandre S. Shcherbakov3  Joaquín Campos Acosta2,  Ramón Gómez Jimenez1  1 Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME).Universidad Autónoma de Coahuila.   U. Torreón. C. P.  27000, Torreón Coahuila, México.   2 Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE),   Dpto. Óptica, C. P. 72000, Puebla, México.  3 Instituto de Física Aplicada, IFA‐CSIC. C. P. 28006, Madrid, España.  E‐mail: [email protected] 

  ABSTRACT  We  present  a  theoretic  approach  to  the  characterization  of  low‐power  bright  ultrashort  optical  pulses  with  an  internal  frequency  modulation  simultaneously  in  both  time  and  frequency  domains.  The  analysis  and  computer  simulations  are  applied  to  studying  the  capability  of  Wigner  distribution  to  characterize  solitary  pulses  in  practically  important  case of the sech‐pulses. Then, the simplest two‐beam scanning Michelson interferometer  is  selected  for  shaping  the  field‐strength  auto‐correlation  function  of  low‐power  picosecond  pulse  trains.  We  are  proposing  the  key  features  of  a  new  interferometric  experimental  technique  for  accurate  and  reliable  measurements  of  the  train‐average  width as well as the value and sign of the frequency chirp of pulses in high‐repetition‐rate  trains. This technique is founded on an ingenious algorithm for the advanced metrology,  assumes  using  a  specially  designed  supplementary  semiconductor  cell,  and  suggests  carrying out a pair of additional measures with exploiting this semiconductor cell.    AUTO‐CORRELATION FUNCTION FOR A SECH‐PULSE WITH THE FREQUENCY CHIRP  We  can  consider  a  two‐beam  scanning  Michelson  interferometer,  which  is  the  simplest  optical auto‐correlator. Such a device makes it possible to register the field strength auto‐ correlation function, which can be exploited via the inverse Fourier transform for finding  the spectral power density  S S ( ω ) 2  and measuring the width of the spectral contour. In  so  doing,  one  has  to  use  a  square‐law  photodiode  detecting  an  interference  of  two  incident field strengths  U S ( t )  and  U S ( t − τ ) , where the delay time  τ  of the second field  can be varied by the corresponding movable mirror of the  scanning interferometer. The  issuing  electronic  signal  is  proportional  to  the  energy    Ε  under  registration,  if  the  integration time of that photodiode is sufficiently long. Generally, this energy includes a  background  G 0 ( 0 )  and is proportional to the value  ∞

Ε ∼

∫ [U

−∞

S

( t ) + U S (t − τ ) ] 2 d t  ∼  G 0 ( 0 ) + 2 G A ( τ )  ,                           (1) 





G A (τ ) =

−∞

[ U S ( t ) × U S (t − τ ) ] d t = 1 2π





BS (ω )

2

exp ( − i ω τ ) d ω .                 (2) 

−∞

Equation (2) is true only when the field strength  U S ( t )  is real‐valued as for a sech‐pulse.  So, using Eq.(2), the function  G A ( τ )  can be calculated due to the Fourier transform of the  spectral intensity contour  G A (τ ) =

1 2π





BS (ω )

2

exp ( − i ω τ ) d ω =

−∞

1 2π

In fact, the function  G A ( τ )  includes two terms  1 a)   G 1 ( τ ) = 2π





X 22

−∞



∫ [X

2 2

( ω ) + Y22 ( ω ) ] exp ( − i ω τ ) d ω   (3) 

−∞

( ω ) exp ( − i ω τ ) d ω  ,  b)   G 2 ( τ ) = 1 2π



∫Y

2 2

( ω ) exp ( − i ω τ ) d ω . (4) 

−∞

The integral in Eq.(4) can be formally rewritten as  ∞

⎛ bt2 ⎛ t ⎞ 1 G1 (τ ) = d t 1 sec h ⎜⎜ 1 ⎟⎟ cos ⎜ ⎜ 2 τ2 τ0 ⎠ 32 π 3 ⎝ 0 ⎝ −∞ 1



⎧ ∞ ⎪ × ⎨ d ω exp ( − i ω τ ) cos ⎪⎩ −∞



1 Because of  2π H=



∞ ⎞ ⎛⎜ ⎛ t ⎟× d t 2 sec h ⎜⎜ 2 ⎟ ⎜⎜ ⎝ τ0 ⎠ ⎝ −∞



[ (ω − Ω ) t1 ]

⎛ bt2 ⎞ 2 ⎟ cos ⎜ ⎟ ⎜ 2 τ2 ⎠ 0 ⎝

⎞ ⎟ ×  ⎟ ⎠

⎫⎞ ⎪⎟ cos [ ( ω − Ω ) t 2 ] ⎬ ⎟  .                   (5)  ⎪⎭ ⎟ ⎠

∫ d x exp ( − i x y ) cos ( a x )= 2 [ δ ( y + a) + δ ( y − a) ]  , one can find that   1

−∞

π exp ( − iτ Ω ) [ δ ( τ + t 1 + t 2 ) + δ ( τ + t 1 − t 2 2

) + δ ( τ − t 1 − t 2 ) + δ ( τ − t 1 + t 2 ) ]  .   (6) 

Then, Eq.(5) can be substituted into Eq.(4)  G1 (τ ) =

1 32 π 2

exp ( − iτ Ω )



⎛ bt2 ⎛ t ⎞ 1 d t 1 sec h ⎜⎜ 1 ⎟⎟ cos ⎜ 2 ⎜ τ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 2 τ0 −∞



⎧⎪ ⎛ τ + t1 × ⎨ sec h ⎜⎜ ⎝ τ0 ⎪⎩

⎡ b ( τ + t )2 ⎞ 1 ⎟ cos ⎢ ⎟ ⎢⎣ 2 τ 02 ⎠

⎞ ⎟ ×   ⎟ ⎠

⎤ ⎛ τ − t1 ⎥ + sec h ⎜⎜ ⎥⎦ ⎝ τ0

⎡ b ( τ − t )2 ⎞ 1 ⎟ cos ⎢ ⎟ ⎢⎣ 2 τ 02 ⎠

Now, applying the same approach to Eq.(4b), one can obtain  G 2 (τ ) =

1 32 π 2

exp ( − iτ Ω )



⎛ bt2 ⎛ t ⎞ 1 d t 1 sec h ⎜⎜ 1 ⎟⎟ sin ⎜ 2 ⎜ τ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 2 τ0 −∞



⎞ ⎟×   ⎟ ⎠

⎤ ⎫⎪ ⎥ ⎬  .        (7)  ⎥⎦ ⎪⎭

⎧⎪ ⎛ τ + t1 × ⎨ sec h ⎜⎜ ⎝ τ0 ⎪⎩

⎡ b ( τ + t )2 ⎞ 1 ⎟ sin ⎢ ⎟ ⎢⎣ 2 τ 02 ⎠

⎤ ⎛ τ − t1 ⎥ + sec h ⎜⎜ ⎥⎦ ⎝ τ0

⎡ b ( τ − t )2 ⎞ 1 ⎟ sin ⎢ ⎟ ⎢⎣ 2 τ 02 ⎠

⎤ ⎫⎪ ⎥ ⎬  .      (8)  ⎥⎦ ⎪⎭

To simplify a sum of Eq.(7) and (8) one can use the standard ratios and find  G A (τ ) = G1 (τ ) + G 2 (τ ) = ⎧⎪ ⎛ τ + t1 × ⎨ sec h ⎜⎜ ⎝ τ0 ⎪⎩

  Then, 

1 32 π

one 

can 

⎛ ⎛ b τ2 ⎞ ⎡ b(τ ± 2t τ) ⎤ 1 ⎟ cos ⎜ b t 1 τ cos ⎢ ⎥ = cos ⎜ ⎜ τ2 ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎥⎦ 2 τ 02 0 ⎠ 0 ⎝ ⎝ ⎣⎢

)



∫ dt

1

−∞

⎡ b ( τ2 + 2 t τ ) ⎞ 1 ⎟ cos ⎢ ⎟ 2 ⎢⎣ 2 τ0 ⎠

2

(

2

exp ( − iτ Ω )

⎤ ⎛ τ − t1 ⎥ + sec h ⎜⎜ ⎥⎦ ⎝ τ0

⎛ t sec h ⎜⎜ 1 ⎝ τ0

⎞ ⎟×   ⎟ ⎠

⎡ b ( τ2 − 2 t τ ) ⎞ 1 ⎟ cos ⎢ ⎟ 2 ⎢⎣ 2 τ0 ⎠

apply 

⎤ ⎫⎪ ⎥ ⎬ .     (9)  ⎥⎦ ⎪⎭

the 

2 ⎞ ⎛ ⎛ ⎞ ⎟ m sin ⎜ b τ ⎟ sin ⎜ b t 1 τ ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎜ τ2 ⎟ 0 ⎠ 0 ⎝ ⎝ ⎠

⎞ ⎟  ⎟ ⎠

ratios 

to  Eq.(9).  Two  terms 

with  sin b t 1 τ τ 02  give the odd functions under the integral signs in symmetrical limits, so  that the corresponding integrals equal to zero. That is why with  G A ( τ ) = G 1 ( τ ) + G 2 ( τ )  we  arrive at  G A (τ ) =

At 

exp( − iτ Ω ) 32 π 2

this 

⎛ t sec h ⎜⎜ 1 ⎝ τ0



⎛ ⎞ ⎛ b τ2 ⎞ ⎟ d t sec h ⎛⎜ t 1 ⎞⎟ cos ⎜ b t 1 τ ⎟ × cos ⎜ 1 ⎟ ⎜ ⎜ τ2 ⎟ ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎝ τ0 ⎠ 0 ⎠ −∞ ⎝ 0 ⎠ ⎝



stage, 

⎞ ⎛ τ ± t1 ⎟ sec h ⎜ ⎟ ⎜ τ 0 ⎠ ⎝

one 

⎡ ⎞ ⎛ t + τ ± t1 ⎟ = 2 ⎢ cosh ⎜ 1 ⎟ ⎜ τ0 ⎠ ⎝ ⎣⎢

can 

g1 ( τ ) = g 2 (τ ) =

16 π 2

take 

⎞ ⎛ t − τ m t1 ⎟ + cosh ⎜ 1 ⎟ ⎜ τ0 ⎠ ⎝

Eq.(10) to write  G A ( τ ) = g 1 ( τ ) + g 2 ( τ )  , where  exp ( − iτ Ω )

⎧⎪ ⎛ τ + t1 ⎞ ⎛ τ − t 1 ⎞ ⎫⎪ ⎟ + sech ⎜ ⎟ ⎨ sech ⎜⎜ ⎟ ⎜ τ ⎟ ⎬⎪ . (10)  ⎪⎩ ⎝ τ0 ⎠ ⎝ 0 ⎠⎭

⎞⎤ ⎟⎥ ⎟ ⎠ ⎦⎥

the 

  and  include  them  into 



⎛ b τ2 ⎞ ⎛ ⎞ ⎧ ⎟ d t cos ⎜ b t 1 τ ⎟ × ⎪⎨ cosh ⎛⎜ τ + 2 t 1 ⎞⎟ + cosh ⎛⎜ τ cos ⎜ 1 ⎜ τ ⎟ ⎜τ ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎜ τ2 ⎟ ⎪ 0 ⎝ ⎠ ⎝ 0 0 ⎠ −∞ ⎝ ⎝ 0 ⎠ ⎩

exp ( − iτ Ω ) 16 π 2

ratios 

−1



⎞ ⎫⎪ ⎟⎬ ⎟⎪ ⎠⎭



⎛ b τ2 ⎞ ⎛ ⎞ ⎧ ⎫ ⎟ d t cos ⎜ b t 1 τ ⎟ × ⎪⎨ cosh ⎛⎜ τ ⎞⎟ + cosh ⎛⎜ 2 t 1 − τ ⎞⎟ ⎪⎬ cos ⎜ 1 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎜ τ2 ⎟ ⎪ ⎝ τ0 ⎠ ⎝ τ 0 ⎠ ⎪⎭ 0 ⎠ −∞ ⎝ ⎝ 0 ⎠ ⎩



−1

. (11)  −1

. (12) 

To  integrate  Eqs.(11)  and  (12)  one  has  to  introduce  a  pair  of  the  new  independent  variables  ϑ1, 2 = 2 t 1 ± τ ,  so  that  t 1 = ( ϑ1, 2 m τ ) 2   and  d t 1 = d ϑ1, 2 2 .  Again,  one  can  be  exploit the standard ratios  ⎛ 2⎞ ⎛ 2⎞ ⎛ b τ ϑ1, 2 ⎞ ⎛ b τ ϑ1, 2 ⎞ ⎛ bt τ⎞ ⎡ b τ ( ϑ1, 2 m τ ) ⎤ ⎟ sin ⎜ b τ ⎟   ⎟ cos ⎜ b τ ⎟ ± sin ⎜ cos ⎜ 1 ⎟ = cos ⎢ ⎥ = cos ⎜ ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎜ 2 τ2 ⎟ ⎜ τ2 ⎟ ⎥⎦ ⎢⎣ 2 τ 02 0 ⎠ 0 ⎠ ⎝ 0⎠ ⎝ 0⎠ ⎝ ⎝ ⎝ 0 ⎠ Function  g 1 ( τ )  and  g 2 ( τ )  take the same form in terms of the corresponding new variable, 

ϑ 1  or  ϑ 2 , namely, 

g 1, 2 ( τ ) =

exp ( − iτ Ω ) 32 π 2



⎛ b τ2 ⎞ ⎛ b ϑ1, 2 τ ⎞ ⎧⎪ ϑ ⎟ d ϑ cos ⎜ ⎟ × ⎨ cosh ⎛⎜ 1, 2 cos ⎜ 1 , 2 ⎜ 2 2 ⎜ 2τ ⎟ ⎜ 2τ ⎟ ⎪ ⎝ τ0 0 ⎠ −∞ 0 ⎠ ⎩ ⎝ ⎝ 2



⎞ ⎛ ⎟ + cosh ⎜ τ ⎜τ ⎟ ⎝ 0 ⎠

⎞ ⎫⎪ ⎟⎬ ⎟ ⎠ ⎪⎭

−1

. (13) 

The odd terms with  sin [ b τ ϑ1, 2 ( 2 τ 02 ) ]  gave zero. Using Ref.[2], the number 2.5.48‐2, one  can integrate Eq.(13)  ∞

∫0

d ϑ1, 2

⎛ b ϑ1, 2 τ ⎞ ⎧⎪ ϑ ⎟ × cosh ⎛⎜ 1, 2 cos ⎜ ⎜ τ ⎜ 2 τ 2 ⎟ ⎨⎪ ⎝ 0 0 ⎠ ⎩ ⎝

⎞ ⎛ ⎟ + cosh ⎜ τ ⎜τ ⎟ ⎝ 0 ⎠

⎞ ⎫⎪ ⎟⎬ ⎟ ⎠ ⎪⎭

−1

=

[

]

π τ 0 sin b τ 2 ( 2 τ 02 ) . (14)  sinh ( τ τ 0 ) sinh [ π b τ ( 2 τ 0 ) ]

Using  Eqs.(11)  and  (12),  one  can  express  the  field  strength  auto‐correlation  function  inherent in a sech‐like pulse as  G A (τ ) =

⎛ b τ2 τ 0 exp ( − iτ Ω ) cos 2 ⎜ ⎜ 2 τ2 8π 0 ⎝

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

sin [ b τ 2 ( 2 τ 02 ) ]  .                  (15)  sinh ( τ τ 0 ) sinh [ π b τ ( 2 τ 0 ) ]

The normalized traces for the real parts of this field strength auto‐correlation function are  shown in Fig.1.  

  Figure 1 The normalized real parts of field‐strength auto‐correlation functions for the  sech‐pulses with:   (a) b = 0,  τ 0  = 1, Ω = 40 ; (b) b = 1,  τ 0  = 1, Ω = 40.  Now,  using  Eq.(7),  one  can  estimate  the  square‐average  duration  of  the  field  strength  auto‐correlation function as  ∞

a)   τ A = TA 2 − ( TA1 ) 2 ,   b)   TAn = E −A1

∫ −∞

τn G A ( τ )



2

d τ ,   c)   E A =

∫−∞ G A ( τ )

2

d τ . (16) 

It  follows  from  Eq.(16b)  that  TA1 ≡ 0 .  Both  the  integrals  in  Eqs.(16)  cannot  be  for  the  present calculated analytically in a closed form, so that the duration  τ A  can be presented  as  the  graphic  function  of  the  parameters  τ 0   and  b .  That  is  why  the  variable  τ   and  another  values  in  Eqs.(16)  will  be  simply  normalized  by  τ 0 ,  and  one  can  write  with  θ = τ τ0   12 ∞ ∞ ⎡ ⎤ 4 2 2 2 τA cos4 ( b θ2 2 ) sin2 ( b θ2 2 ) dθ 1 cos ( b θ 2 ) sin ( b θ 2 ) d θ 2 ⎢ ⎥ EA = ,   b)  .                              a)  = θ ⎢ EA τ0 sinh2 ( θ ) sinh2 ( π b θ 2 ) sinh2 ( θ ) sinh2 ( π b θ 2 ) ⎥ −∞ −∞ ⎣ ⎦





(17)  The corresponding plots, divided in two parts for the convenience of practical usage, are  depicted in Fig.2. 

  Figure 2. The normalized square‐average time duration  τ A τ 0  of the field strength auto‐ correlation function versus the frequency chirp  b  for a sech‐pulse: (a)  b ≤ 1  and  b ≥ 1 .    A NEW TECHNIQUE OF MEASURING THE TRAIN‐AVERAGE PULSE WIDTH AS WELL AS THE  VALUE AND SIGN OF THE FREQUENCY CHIRP INHERENT IN PICOSECOND OPTICAL PULSES  WITH A SECH‐LIKE SHAPE IN HIGH‐REPETITION‐RATE TRAINS    Here, we demonstrate an opportunity of providing experimental conditions, under which  the train‐average auto‐correlation function of the field strength can serve as a source of  exact and reliable information on the average values of both duration and frequency chirp  of a low‐power optical pulses traveling in high‐repetition‐rate trains. We proceed from the  assumption that all pulses in a train are identical pulses with a sech‐envelope described by  Eq.(1).  For  a  sech‐pulse,  the  relation  between  the  pulse  parameters,  namely,  the  frequency  chirp  b   and  the  square‐average  pulse  duration τ SA = π τ 0 ( 2 3 ) ,  and  the  square‐average duration  τ A  of the corresponding auto‐correlation function follows from  Eq.(16a) and is expressed through the function  F ( b )  presented in Fig.2 as  τA =

2

The  auto‐correlation  function  durations 

3 τ SA F ( b ) = τ 0 F ( b ) .                                      (18)  π τ A m   ( m = 1, 2 )   obtained  from  the  repeated 

measurements  are  coupled  with  the  new  values  of  the  pulse  duration  τm   and  the  frequency chirp  b m  through formula (17). We assume that  τm = α m τ 0  and  b m = b 0 + βm ,  where  τ 0   and  b 0   are  unknown  values  of  the  duration  and  frequency  chirp,  while  the  quantities  α m  and  βm  are determined by supplementary optical components, and find  a)   τ A 0 = τ 0 F ( b 0 )  , b)   α 1−1 τ A 1 = τ 0 F ( b 0 + β1 )  ,   c)  α 2−1 τ A 2 = τ 0 F ( b 0 + β 2 )  . (19) 

Using Eqs.(19b), (17c) and Fig.2, one can find four values of  b 0 , of which two coincide with  each other and correspond to just the true value of the train‐average frequency chirp of  the pulses.  

  Figure 3. Design of the supplementary semiconductor cell: I is the domain of linear  amplification controlled   by the pump current J ; II is the domain with a fast‐saturable absorption.    Once the pulse frequency chirp  b 0  is determined, one can use formula (18a) to calculate  the pulse duration  τ 0 .For the supplementary electronically controlled optical component,  one can propose exploiting a specific device based on an InGaAsP single‐mode traveling‐ wave semiconductor laser heterostructure, which is quite similar to a saturable‐absorber  laser  with clarified facets. This device comprises two domains, see Fig.3. Domain I of the  linear  amplification  controlled  by  pumping  current  J m   has  the  length  L1   and  is  characterized  by  the  low‐signal  gain  factor  κ1 ( J m ) .  Domain  II  of  a  fast‐absorption  saturation,  created  by  a  deep  implantation  of  oxygen  ions  into  the  output  facet  of  the  heterostructure,  has  the  length  L 2   and  is  characterized  by  the  low‐signal  absorption  factor  κ 2  and the saturation power  PS . Domain I is able to modify the peak power  Pm  of  pulses  entering  domain  II,  so  that:  Pm = P exp [ κ 1 ( J m ) L 1 ] .  The  peak  power  Pm   determines, in its turn, the values of the parameters  α m  and  βm , reflecting the action of  domain II on the pulses. In the low‐signal case, one can use the relations 

(

) −1 2

a)   α m = ρ Pm 2 + 1  ,                     b)   βm = − ζ ρ Pm 2  ,            (19)  where  ζ   is  the  line‐width  enhancement  factor,  which  equals  usually  ζ = 3− 8     and  ρ = ( 2 PS ) −1 [ κ1 ( J m ) L1 ]  

is  the  absorption  parameter,  which  may  be  of  the  order  of  ρ ≤ 1 W  . Such a device makes possible performing the repeated measurements without  re‐adjusting  the  optical  circuit  and  ensures  additions  βm ≤ 5   to  the  frequency  chirp.  Our  proposal  consists  in  measuring  variations  in  the  duration  τ A   of  the  corresponding  auto‐ correlation  function  inherent  in  a  sech‐pulse  with  a  frequency  chirp  after  inserting  the  supplementary electronically controlled semiconductor optical cell into the measurement  circuit.     −1