Applied diode laser spectroscopy and characterization of optical fiber nonlinearity
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2011-12-09
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Author
Date
2011
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 140/2011, Publication / Centre for Metrology and Accreditation. J, J3/2011
Abstract
This thesis describes work and progress on accurate nonlinearity measurements of optical fibers, design and characterization of external cavity diode lasers, and spectroscopic measurement of air temperature and humidity for accurate determination of the refractive index of air. The first part of the thesis describes measurement of the nonlinear coefficient of standard and erbium-doped single-mode fibers, commonly used in telecommunications. A simulation tool was developed to model the previously neglected effects of dispersion in the continuous-wave self-phase modulation method. The simulation can be included in already existing measurement set-ups increasing their versatility and reducing their uncertainty. It is shown that reliable erbium-doped fiber nonlinearity measurements are possible even for very short fibers when the whole measurement system is carefully characterized for nonlinearity. With the help of the dispersion simulation and a carefully optimized fiber optic power measurement, an expanded uncertainty of 2.0 % (k =2) was achieved for the nonlinearity of a single-mode fiber. The Expanded uncertainty for measurement of an erbium-doped fiber was found to be 3.0 % (k =2). Applied diode laser spectroscopy is covered in the second part of this thesis. External-cavity diode laser based on non-dispersive holographic volume grating was designed and characterized in this work. The use of a non-dispersive element for feedback eliminates beam directional variations and enables compact design with good wavelength reproducibility. Laser designs for applications in metrology, molecular spectroscopy and for multicomponent absorption spectroscopy were developed. This thesis describes accurate measurement of temperature and humidity using diode laser spectroscopy, which is crucial for refractive index compensation in demanding interferometric length measurements. The measurement system was tested both in laboratory and outdoor environment successfully over distances up to 130 m. The standard deviation of temperature measurement in laboratory environment was 7 mK using a 120 s sample time, which is the best spectroscopic value ever reported. Performance of the system was found to be excellent when a commercial interferometer was compensated in an environment with local temperature variations, demonstrating the suitability of the method for industrial dimensional measurements. A portable and robust temperature measurement set-up was developed for long-distance geodetic applications. The set-up was tested successfully in harsh outdoor conditions.Tässä väitöskirjassa kuvatussa tutkimustyössä on keskitytty luotettaviin ja tarkkoihin valokuidun epälineaarisuusmittauksiin, ulkokaviteettilasereiden karakterisointiin, ja ilman lämpötilan ja kosteuden mittaamiseen ilman taitekertoimen määrittämiseen laserspektroskopian avulla. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa käsitellään tietoliikenteessä käytettyjen yksimuotokuitujen ja erbium-seostettujen kuitujen epälineaarisen kertoimen mittaamista. Työssä kehitetyllä simulointityökalulla voidaan mallintaa ongelmallisen kuitudispersion vaikutuksia mittaukseen käytettäessä yleistä itseisvaihemodulaatioon perustuvaa mittaustapaa. Simulointityökalua voidaan käyttää jo olemassa olevien mittausjärjestelmien rinnalla lisäämään niiden monikäyttöisyyttä ja pienentämään mittausepävarmuutta. Työssä osoitetaan, että jopa erittäin lyhyiden erbium-seostettujen kuitujen epälineaarisuuden mittaus on mahdollista, kun koko mittausjärjestelmän epälineaarisuus on tarkasti karakterisoitu. Simuloinnin ja tarkan tehomittauksen avulla yksimuotokuidun mittausepävarmuudeksi saatiin 2.0 % (k =2). Erbium-seostetun kuidun mittausepävarmuus on 3.0 % (k =2). Väitöskirjan toinen osa käsittelee sovellettua laser-spektroskopiaa. Holografiseen volyymihilaan perustuva ulkokaviteettilaser suunniteltiin ja karakterisoitiin osana väitöskirjatyötä. Ei-dispersiivisen hilan käyttö takaisinkytkentäelementtinä poistaa säteen ulostulosuunnan vaihtelun ja mahdollistaa kompaktin rakenteen käytön toistettavalla aallonpituudella. Työssä tutkittuja lasereita voidaan hyödyntää useissa mittaustekniikan ja molekyylispektroskopian sovelluksissa, ja monikomponentti-spektroskopiassa. Väitöskirjatyön viimeisessä osassa esitetään mittausjärjestelmä, jolla voidaan mitata diodilaser-spektroskopian avulla ilman lämpötila ja kosteus, mikä on välttämätöntä jotta ilman taitekerroin voidaan kompensoida vaativissa pituusmittauksissa. Järjestelmä testattiin onnistuneesti laboratoriossa ja ulkona mittausmatkan ollessa jopa 130 m. Lämpötilamittauksen keskihajonnaksi mitattiin 7 mK käyttäen 120 sekunnin mittausaikaa, mikä on tiettävästi paras ikinä raportoitu tulos käyttäen spektroskopisia menetelmiä. Järjestelmän käytännöllinen suorituskyky paikallisten lämpötilavaihteluiden kompensoimiseen havaittiin erittäin hyväksi interferometrisissä pituusmittauksissa, mahdollistaen järjestelmän käytön myös vaativissa teollisuussovelluksissa. Työssä esitetty geodeettisiin sovelluksiin suunniteltu kannettava, ja rakenteeltaan yksinkertaisempi järjestelmä, testattiin ulkona hankalissa olosuhteissa 240 metrin matkalla.Description
Supervising professor
Ikonen, Erkki, Prof.Thesis advisor
Merimaa, Mikko, Dr.Keywords
nonlinear fiber optics, external-cavity diode laser, refractive index of air, spectroscopic thermometry, epälineaarinen kuituoptiikka, ulkokaviteettilaser, ilman taitekerroin, spektroskopinen lämpötilamittaus
Other note
Parts
- [Publication 1]: Antti Lamminpää, Tuomas Hieta, Jouni Envall, and Erkki Ikonen. 2007. Reliable determination of optical fiber nonlinearity using dispersion simulations and improved power measurements. Journal of Lightwave Technology, volume 25, number 2, pages 527-532.
- [Publication 2]: Tuomas Hieta and Erkki Ikonen. 2009. Measurement of Er-doped fiber nonlinearity using continuous-wave self-phase modulation method. Journal of Lightwave Technology, volume 27, number 15, pages 2977-2982.
- [Publication 3]: T. Hieta, M. Vainio, C. Moser, and E. Ikonen. 2009. External-cavity lasers based on a volume holographic grating at normal incidence for spectroscopy in the visible range. Optics Communications, volume 282, number 15, pages 3119-3123.
- [Publication 4]: T. Hieta and M. Merimaa. 2010. Spectroscopic measurement of air temperature. International Journal of Thermophysics, volume 31, numbers 8-9, pages 1710-1718.
- [Publication 5]: Tuomas Hieta, Mikko Merimaa, Markku Vainio, Jeremias Seppä, and Antti Lassila. 2011. High-precision diode-laser-based temperature measurement for air refractive index compensation. Applied Optics, volume 50, number 31, pages 5990-5998.
- [Publication 6]: Florian Pollinger, Tuomas Hieta, Markku Vainio, Nicolae R. Doloca, Ahmed Abou-Zeid, Karl Meiners-Hagen, and Mikko Merimaa. 2012. Effective humidity in length measurements: comparison of three approaches. Measurement Science and Technology, volume 23, number 2, 025503, 11 pages.
