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UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA ELÉTRICA
HEIDI KAORI SATO PERTILE
LASER À FIBRA DOPADA COM ÉRBIO EM REGIME DE ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS COM ABSORÇÃO SATURÁVEL BASEADA EM NANOTUBOS DE CARBONO
São Paulo 2013
HEIDI KAORI SATO PERTILE
LASER À FIBRA DOPADA COM ÉRBIO EM REGIME DE ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS COM ABSORÇÃO SATURÁVEL BASEADA EM
NANOTUBOS DE CARBONO
Dissertação apresentada ao curso de Mestrado em Engenharia Elétrica do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Eunézio Antônio de Souza
São Paulo 2013
S253L Pertile, Heidi Kaori Sato Laser à fibra dopada com érbio em regime de acoplamento
híbrido de modos com absorção saturável baseada em nanotubos de carbono. / Heidi Kaori Sato Pertile – São Paulo, 2013.
64 f. : il.; 30 cm.
Dissertação (Programa de Pós-Graduação (Stricto Sensu) em Engenharia Elétrica) - Universidade Presbiteriana Mackenzie - São Paulo, 2013.
Orientador: Prof. Dr. Eunézio Antônio de Souza Bibliografia : p. 60-64 1. Laser à fibra dopada com Érbio. 2. Acoplamento híbrido de
modos. 3. Nanotubos de carbono. 4. Modulador eletro-óptico. 5. Taxa de 10 GHz. I.Título.
CDD 621.366
HEIDI KAORI SATO PERTILE
LASER À FIBRA DOPADA COM ÉRBIO EM REGIME DE ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS COM ABSORÇÃO SATURÁVEL BASEADA EM
NANOTUBOS DE CARBONO
Dissertação apresentada ao curso de Mestrado em Engenharia Elétrica do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Eunézio Antônio De Souza – Orientador
Universidade Presbiteriana Mackenzie
Prof. Dr. Christiano José Santiago de Matos
Universidade Presbiteriana Mackenzie
Prof. Dr. Edson Puig Maldonado
Dedico este trabalho a minha família
pelo amor, incentivo e paciência.
Ao Bruno e a Têre.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela vida, força, saúde, sabedoria e coragem para enfrentar as dificuldades.
À Universidade Presbiteriana Mackenzie, pela oportunidade de aprendizagem. Ao Professor Dr. Eunézio Antônio de Sousa, pelos conhecimentos compartilhados e pelas críticas e sugestões que contribuíram para este trabalho.
À minha mãe Elizabete, pelo carinho e amor, força nos momentos decisivos e por me ensinar que a vida é feita de direitos, mas também de deveres. Ao meu pai Ladimir, pelo carinho e amor, apoio, incentivo e pela compreensão nestes anos de estudos.
À minha irmã Lívia, por me apoiar e me suportar até o momento e, pelos bons momentos compartilhados. Ao meu querido sobrinho Víctor, por fazer renascer a minha infância e me mostrar o lado bom da vida.
Ao Bruno Villaméa Santos, pelo companheirismo, carinho, motivação e por tudo o que vivemos juntos, tornando-se essencial na construção deste trabalho. À inesquecível Terezinha de Jesus Rodrigues Ferreira (in memorian), pelos anos de convivência, por ter tornado a minha vida mais gostosa, pelo carinho e por ser minha segunda mãe.
Aos meus mestres Carlos Pachiega e Mara Campos, pelos ensinamentos, pelo carinho, estímulo, competência e ombro amigo. A eles, minha eterna gratidão. Aos amigos do laboratório: Priscila Romagnoli, Ileana Guizar, David Steimberg, Ivan Romano, Lúcia Saito, Henrique Guimarães, Suzanne Susskind, Cláudia Barros, Rodrigo Gerosa e Rafael Oliveira, por todos os momentos vividos. Aos amigos Agostinho Travençolo Júnior, Clarissa Oropalo, Cristina Akashi, Evandro Tadeu Rocha Júnior, Kharyna Rodrigues Nóbrega, Loraine Schechtel Oliveira, Luiza Villaméa, Maria da Graça Camilo de Carvalho e Samuel Mendes Sanches Júnior, pela amizade e pelas risadas e que tornam mais leve e agradável esta tortuosa caminhada. Aos Professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Presbiteriana Mackenzie, que colaboraram para a minha formação, com paciência e dedicação. Em especial ao Prof. Dr. Christiano José Santiago de Matos.
A todas as outras pessoas que indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.
Há um tempo em que é preciso abandonar as roupas usadas, que já tem a forma do nosso corpo e esquecer os nossos caminhos, que nos levam sempre aos mesmos lugares. É o tempo da travessia: e, se não ousarmos fazê-la, teremos ficado, para sempre, à margem de nós mesmos.
Fernando Pessoa
RESUMO
Neste trabalho apresentamos um estudo sobre a geração de trem de pulsos em
laser à fibra dopada com Érbio operando em regime de acoplamento híbrido de
modos, com pulsos curtos a altas taxas de repetição. Os pulsos curtos são obtidos
pela técnica de acoplamento passivo de modos utilizando absorvedores saturáveis
de carbono. As altas taxas de repetição são obtidas pela técnica de acoplamento
ativo de modos através de um modulador. Construímos três cavidades distintas:
ativa, passiva e finalmente a híbrida para comparação de resultados. Nas cavidades
ativa e híbrida foi utilizado um modulador eletro-óptico de fase e, nas cavidades
passiva e híbrida foi utilizado um filme de um polímero (NOA 73TM) contendo
nanotubos de carbono com diâmetro de 1 nm por nós fabricado. Com a cavidade em
regime híbrido de modos, foi obtida uma duração de pulso de 1,77 ps com uma taxa
de repetição de 10 GHz.
Palavras-chave: laser à fibra dopada com Érbio, acoplamento híbrido de modos,
nanotubos de carbono, modulador eletro-óptico, taxa de 10 GHz.
ABSTRACT
In this work we present a study on the generation of pulse train in an Erbium doped
fiber laser in the hybrid mode-locking regime operating with short pulses at high
repetition rates. The short pulses are generated by passive mode-locking technique
using carbon nanotubes as saturable absorbers. High repetition rates are generated
by active mode-locking technique using a phase modulator. We built cavities with
three different mode-locking regimes: active, passive and, finally, hybrid, to compare
results. In active and hybrid cavities we used an electro-optical modulator. In passive
and hybrid cavities we used a homemade film of a polymer containing carbon
nanotubes with diameter of 1 nm. With the cavity operating in the hybrid regime we
obtained pulse durations of 1.77 ps with repetition rate of 10 GHz.
Keywords: Erbium doped fiber laser, hybrid mode-locking, carbon nanotubes,
electro-optic modulator, repetition rate of 10 GHz.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: O sinal de um laser sem acoplamento de modos, (a) o domínio da
frequência, e (b) o domínio do tempo [7]. .................................................................. 18
Figura 2: O sinal de um laser com acoplamento de modos, (a) o domínio da
frequência, e (b) o domínio do tempo [7]. .................................................................. 19
Figura 3: Efeito do número de modos acoplados na duração e intensidade do pulso
laser formado. Com 10 modos acoplados (à direita) e com 100 modos acoplados (à
esquerda) [8]. ............................................................................................................ 19
Figura 4: Comportamento do acoplamento ativo de modos no tempo [14]. .............. 21
Figura 5: A representação do ganho e da perda em três janelas temporais no
acoplamento passivo de modos [14]. ........................................................................ 25
Figura 6: Relação entre os nanotubos de carbono e o grafeno [20]. ......................... 27
Figura 7: Mapa dos vetores quirais (n, m) [19]. ......................................................... 28
Figura 8: Cavidade experimental e os resultados de um laser em regime de
acoplamento híbrido de modos com modulação ativa síncrona gerando pulsos de
1ps com uma taxa de repetição de 10 GHz [37]. ...................................................... 32
Figura 9: Montagem experimental que gerou pulsos de 0,9 ps com uma taxa de
repetição de 40 GHz [38]........................................................................................... 32
Figura 10: Esquematização do funcionamento do acoplamento assíncrono de
modos........................................................................................................................ 33
Figura 11: Cavidade de um laser em regime de acoplamento assíncrono de modos e
seus resultados obtidos, com uma duração de pulso de 0,8 ps com uma taxa de
repetição de 10 GHz [41]........................................................................................... 34
Figura 12: Configuração experimental da cavidade operando em regime de
acoplamento assíncrono de modos e seus resultados obtidos, com uma duração de
pulso de 396 fs com uma taxa de repetição de 10 GHz [4]. ...................................... 35
Figura 13: Montagem experimental de um laser com acoplamento híbrido de modos
e seus resultados obtidos [42]. .................................................................................. 37
Figura 14: Configuração experimental utilizada como base para a realização das
diferentes cavidades laser. ........................................................................................ 39
Figura 15: Curva característica do Laser em regime CW. ......................................... 40
Figura 16: Cavidade Laser em Regime de Acoplamento Ativo de Modos................. 41
Figura 17: (a) Duração do pulso obtida com a cavidade em regime ativo. (b) Largura
de banda obtida com a cavidade em regime ativo. ................................................... 42
Figura 18: Trem de pulsos obtido com a cavidade em regime de acoplamento ativo
de modos em 10 GHz................................................................................................ 43
Figura 19: (a) microponta com a gotícula para depositar na face do conector, (b)
montagem experimental [43]. .................................................................................... 45
Figura 20: Vista lateral de um ferrolho com uma gotícula de suspensão depositada
[43]. ........................................................................................................................... 45
Figura 21: Amostra de nanotubos de carbono está entre dois conectores de fibra
óptica. ........................................................................................................................ 46
Figura 22: Cavidade Laser em Regime de Acoplamento Passivo de Modos. ........... 46
Figura 23: (a) Autocorrelação da duração do pulso obtida com a cavidade em regime
passivo. (b) Largura de banda obtida com a cavidade em regime passivo. .............. 49
Figura 24: Trem de pulsos da cavidade laser em regime de acoplamento passivo de
modos........................................................................................................................ 49
Figura 25: Cavidade Laser em Regime de Acoplamento Híbrido de Modo. .............. 50
Figura 26: Autocorrelação da duração do pulso obtida com o modulador desligado
(acoplamento passivo) na curva preta com uma taxa de repetição de 29,6 MHz e,
com o modulador ligado (acoplamento híbrido) na curva vermelha com uma taxa de
repetição de 10 GHz.................................................................................................. 52
Figura 27: Largura de banda obtida com o modulador desligado (acoplamento
passivo) na curva preta e, com o modulador ligado (acoplamento híbrido) na curva
vermelha. ................................................................................................................... 52
Figura 28: Trem de pulsos (a) no osciloscópio lento, na escala em MHz e (b) no
osciloscópio rápido, na escala em GHz..................................................................... 54
Figura 29: Cavidade em regime de acoplamento passivo de modos com a inserção
de fibra DCF. ............................................................................................................. 55
Figura 30: Estudo da influência da dispersão intracavidade média na duração do
pulso e na largura de banda. ..................................................................................... 55
Figura 31: Autocorrelação da duração do pulso (a) e largura de banda (b) obtidas
com a cavidade otimizada para o parâmetro de dispersão intracavidade em regime
de acoplamento passivo de modos. .......................................................................... 56
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AM Amplitude Modulator
APM Additive Pulse Mode-locking
CNT Carbon Nanotubes
CPM Colliding Pulse Mode-locking
CW Continuous Wave
DCF Dispersion Compensation Fiber
EDF Erbium Doped Fiber
FC/APC Fiber Connector / Angle Polished Connector
FWHM Full Width at Half Maximum
HiPCO Hi Pressure Cabon Oxide Conversion
ITU-T International Telecommunication Union
KLM Kerr Lens Mode-locking
ML Mode-Locking
MWCNT Multi-Walled Carbon NanoTube
NOA Norland Optical Adhesive
PDMS Polydimethylsiloxane
PM Phase Modulator
SMF Single Mode Fiber
SWCNT Single-Walled Carbon NanoTube
WDM Wavelength Division Multiplexing
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ___________________________________________________ 14
2 TÉCNICAS DE ACOPLAMENTO DE MODOS __________________________ 17
2.1 ACOPLAMENTO ATIVO DE MODOS _________________________________________ 20
2.2 ACOPLAMENTO PASSIVO DE MODOS COM O USO DE ABSORVEDORES SATURÁVEIS __ 24
3 REVISÃO DA LITERATURA SOBRE ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS _ 30
3.1 ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS COM MODULAÇÃO PASSIVA BASEADA EM
EFEITO SOLITONICO _____________________________________________________ 31
3.2 ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS COM MODULAÇÃO PASSIVA BASEADA EM
ABSORÇÃO SATURAVEL __________________________________________________ 35
3.2.1 Acoplamento Híbrido De Modos Com Modulação Passiva Baseada Em Absorção Saturável
Em Nanotubos De Carbono ________________________________________________ 36
4 LASER À FIBRA DOPADA COM ÉRBIO EM REGIME DE ACOPLAMENTO
HÍBRIDO DE MODOS COM ABSORÇÃO SATURÁVEL BASEADA EM
NANOTUBOS DE CARBONO _______________________________________ 38
4.1 CARACTERIZAÇÃO DA CAVIDADE LASER BÁSICA OPERANDO EM REGIME CW ________ 38
4.2 LASER EM REGIME DE ACOPLAMENTO ATIVO DE MODOS _______________________ 41
4.3 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS FILMES CONTENDO NANOTUBOS DE CARBONO ____ 43
4.4 LASER EM REGIME DE ACOPLAMENTO PASSIVO DE MODOS _____________________ 46
4.5 LASER EM REGIME DE ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS _____________________ 50
5 CONCLUSÃO ___________________________________________________ 58
6 BIBLIOGRAFIA __________________________________________________ 60
14
1 INTRODUÇÃO
As comunicações ópticas vêm sendo amplamente desenvolvidas desde a
década de 60, graças às primeiras fibras ópticas de baixas perdas e ao
desenvolvimento de lasers e amplificadores à fibra [1]. As fibras ópticas com baixas
perdas renderam, inclusive, o Prêmio Nobel de Física em 2009 para Charles K. Kao,
tamanha foi a contribuição para as comunicações ópticas dessas fibras [2].
Para que haja ação laser em uma fibra óptica, o mais usual é a utilização de
dopagem com algum elemento ativo em seu núcleo. Os elementos mais utilizados
são os elementos terras-raras da série dos lantanídeos como, por exemplo, o Érbio
(Er3+), Neodímio (Nd3+), Itérbio (Yb3+), e Praseodímio (Pr3+). Os lasers à fibra
apresentam algumas características vantajosas, entre elas - a baixa potência de
bombeamento necessária para se obter o efeito laser (inversão de população), e o
fato de serem sistemas puramente ópticos. Ainda há facilidade de funcionamento
junto às tecnologias para transmissão de dados visto que grande parte das redes de
comunicação utiliza fibras ópticas. Existe outro tipo de laser à fibra que é baseado
no Efeito Raman (Espalhamento Raman Estimulado). Este laser é constituído por
uma fibra óptica com o núcleo reduzido que, recebendo alta potência de
bombeamento, atinge alta intensidade óptica no interior da fibra o que possibilita a
interação dos fótons incidentes com as vibrações da rede, ou seja, os fônons. Neste
processo, a ação laser é obtida através de efeitos não-lineares ao longo de toda a
cavidade.
Os grandes avanços tecnológicos, dentre eles principalmente a Internet,
implicam em uma grande preocupação na demanda de tráfego de informações.
Assim, o desafio de encontrar soluções para esse constante aumento se faz
presente para a comunidade científica [3]. Um tipo de sistema de comunicação já
desenvolvido é o WDM (Wavelength Division Multiplexing) convencional, sendo
constituído por vários canais separados espectralmente de acordo com padrões ITU-
T (International Telecommunication Union). Cada canal tem um laser semicondutor,
como fonte, e um modulador, que produz os sinais em taxas de repetição da ordem
de GHz. Estes passam por um multiplexador, que reúne todos os sinais a fim de
15
transmiti-los por uma única fibra óptica. Depois de transmitido, esse sinal é
demultiplexado e cada canal é detectado separadamente.
A dificuldade encontrada hoje para esse sistema vem justamente do aumento
da demanda por banda, pois a necessidade de mais canais em um mesmo
multiplexador, bem como o aumento da taxa de transmissão, aumenta a
complexidade do sistema e, consequentemente, seus custos. Uma proposta para
contornar esse problema é a utilização de uma única fonte banda larga, cujo
espectro pode ser fatiado gerando múltiplos canais simultaneamente.
Experimentalmente, buscam-se fontes de pulsos ultracurtos da ordem de pico e
femtossegundos e banda larga, dado que estas duas propriedades estão
relacionadas pela Transformada de Fourier: pulsos ultracurtos no domínio do tempo
possuem espectros largos no domínio da frequência, ou seja, quanto menor a
duração do pulso, maior é a largura de banda para um determinado sistema laser.
(O número de canais de um sistema WDM baseado em pulsos curtos é calculado
pela divisão da largura de banda do pulso e o espaçamento entre cada canal, que é
tipicamente da ordem de 0,8 nm (100 GHz)).
Uma das técnicas mais utilizadas para geração de pulsos ultracurtos é o
acoplamento de modos (Mode-locking, ML). Os modos longitudinais em lasers à
fibra podem ser acoplados passivamente, por meio da inclusão de absorvedores
saturáveis na cavidade (acoplamento passivo de modos); ou ativamente, utilizando
moduladores eletro-ópticos de fase ou de amplitude na cavidade (acoplamento ativo
de modos).
No acoplamento passivo de modos é inserido um elemento não linear na
cavidade que neste caso é um absorvedor saturável que permite a geração de
pulsos com menor duração quando comparado com a técnica ativa. No entanto, o
acoplamento ativo de modos possibilita a geração de pulsos em altas taxas de
repetição. Utilizam-se moduladores de amplitude (Amplitude Modulator, AM) ou
moduladores de fase (Phase Modulator, PM), juntamente com um gerador de sinais
que controla a frequência da modulação intracavidade.
Este trabalho busca uma maneira mais eficiente de se conseguir altas taxas de
repetição e pulsos ultracurtos, ou seja, através do acoplamento de modos híbrido
16
que é a união das técnicas de acoplamento passivo de modos e do acoplamento
ativo de modos, em condições que sejam favoráveis a formação dos pulsos,
casando seus harmônicos dos trens de pulsos. Técnicas híbridas são utilizadas para
favorecer a compressão dos pulsos podendo chegar a ordem de femtossegundos
[4].
Fundamentado por esses aspectos, este projeto de mestrado visou estudar e
implementar um laser à fibra altamente dopada com Érbio em regime de
acoplamento híbrido de modos, buscando a geração de pulsos curtos, da ordem de
picossegundos, por meio de absorvedores saturáveis de carbono (nanotubos de
carbono) aliado a altas taxas de repetição, neste caso a taxas de 10 GHz, por meio
de um modulador eletro-óptico.
17
2 TÉCNICAS DE ACOPLAMENTO DE MODOS
O acoplamento de modos ou mode-locking como é conhecido, é uma técnica
utilizada para gerar pulsos ópticos com duração da ordem de picossegundos e até
femtossegundos. Uma das aplicações da geração de pulsos curtos, em
telecomunicações, é a sua utilização para transmitir dados por longas distâncias
(com taxas de gigabits por segundo, através de fibras ópticas) [5].
A Figura 1 mostra o comportamento na saída de um laser sem acoplamento de
modos no domínio da frequência (a) e o domínio do tempo (b). Considerando neste
raciocínio um laser com alargamento inomogêneo de linha. Quando não se tem
controle sobre os modos permitidos, a saída do laser é instável. Cada modo
longitudinal é representado por uma frequência, que por sua vez possui uma fase,
porém, neste caso as fases não tem relação entre si e isso faz com que a
intensidade varie aleatoriamente no tempo.
No domínio da frequência, o sinal é composto por linhas discretas espaçadas
pelo intervalo c/2L, onde c é a velocidade da luz e L é o comprimento da cavidade, e
como cada modo não tem nenhuma relação de fase com os outros modos, as fases
são distribuídas de forma aleatória no intervalo de (Figura 1), o domínio do
tempo apresentam características de ruído [6].
18
Figura 1: O sinal de um laser sem acoplamento de modos, (a) o domínio da frequência, e (b)
o domínio do tempo [7].
No entanto, quando um laser tem seus modos longitudinais acoplados, a saída
desse laser com acoplamento de modos é mostrada na Figura 2, no domínio da
frequência (a) e no domínio do tempo (b). Isso acontece, porque as amplitudes e as
fases relativas dos vários modos oscilantes permanecem constantes no tempo e, a
cada instante a relação de fase entre os componentes de frequência deve ser bem
definida. Nesta condição, é estabelecida uma relação fixa entre a fase dos modos
longitudinais ressonantes na cavidade laser (por exemplo, as fases dos modos são
nulas). Assim, quanto maior o número de modos acoplados, menor será a duração
do pulso e maior será a sua intensidade, como mostra a Figura 3. O número máximo
de modos possíveis que podem ser acoplados é limitado pela largura de banda do
meio ativo do laser [8]. A largura de banda e a duração do pulso estão relacionados
pela Transformada de Fourier.
19
Figura 2: O sinal de um laser com acoplamento de modos, (a) o domínio da frequência, e (b) o domínio do tempo [7].
Figura 3: Efeito do número de modos acoplados na duração e intensidade do pulso laser formado. Com 10 modos acoplados (à direita) e com 100 modos acoplados (à esquerda) [8].
20
O regime de acoplamento de modos pode ser alcançado de três maneiras,
modulação de perdas por um mecanismo ativo, modulação de perdas por um
mecanismo passivo, ou ainda por modulação do ganho do meio laser ativo [5].
No caso do acoplamento de modos por modulação ativa, utiliza-se de
moduladores acusto-ópticos ou elétro-ópticos, e estes podem modular a amplitude
ou a fase do campo intracavidade na frequência de separação dos modos do
ressonador. No entanto, a duração do pulso nesse tipo de modulação é da ordem de
picossegundos, devido a função de modulação descrita pela teoria de Kuizenga-
Siegman [9], porém pode-se alcançar altas taxa de repetição podendo ser da ordem
de GHz. No acoplamento de modos por modulação passiva, utiliza-se um meio não
linear dentro da cavidade, que usualmente é um absorvedor saturável [5], cuja
transmitância é diretamente proporcional à intensidade de luz, ou seja, aumentando-
se a intensidade da luz, aumenta-se a transmitância [10]. No acoplamento passivo
de modos, o laser opera com uma taxa de repetição que é determinada pela
frequência fundamental da cavidade, que está relacionada com o comprimento da
cavidade, e que geralmente é da ordem de MHz.
Uma maneira conhecida de se obter altas taxas de repetição e pulsos curtos,
em certos lasers e com a utilização de certos efeitos, como a dispersão e a auto
modulação de fase, é utilizando o acoplamento de modos híbrido assíncrono [11].
Neste acoplamento, uma dessintonização de 15 a 40 kHz da frequência de
modulação possibilita a geração de pulsos sólitons podendo chegar a duração
menor que 1 ps [4]. O problema desta técnica é que embora o laser produza pulsos
curtos, ele não é estável o bastante para utilização, sendo isto uma motivação para
esse trabalho.
2.1 ACOPLAMENTO ATIVO DE MODOS
Como já foi comentado, no acoplamento ativo de modos é inserido na cavidade
laser um modulador eletro-óptico ou acusto-óptico que pode ser de amplitude (AM)
21
ou de fase (FM), associado a um gerador de sinais, que aplica um sinal de
radiofrequência, para controlar a frequência de modulação intracavidade. Este
conjunto faz com que o laser opere em regime pulsado em altas taxas de repetição,
da ordem de GHz, sendo um múltiplo inteiro da frequência natural da cavidade
gerando pulsos da ordem de picossegundos [12][13]. Se a frequência da modulação
é aproximadamente igual à separação entre os modos da cavidade, as fases dos
modos se acoplam via bandas laterais [10].
A Figura 4 mostra o comportamento do acoplamento dos modos no domínio do
tempo e esse acoplamento acontece quando a modulação do modulador está
ressonante com a oscilação da cavidade e no momento de transmissão máxima
formam-se os pulsos, ou seja, a formação de pulsos é controlada e sintonizada pela
frequência de modulação aplicada.
Figura 4: Comportamento do acoplamento ativo de modos no tempo [14].
No acoplamento ativo de modos, o modulador inserido na cavidade pode
operar de duas maneiras, no regime síncrono ou no regime assíncrono.
No regime síncrono, o modulador opera em sincronismo com a cavidade, ou
seja, a frequência de modulação é igual a um múltiplo da frequência da cavidade,
. O regime assíncrono é obtido a partir do regime síncrono e o modulador
de fase (somente é utilizado o modulador de fase) é dessintonizado em alguns kHz
22
do harmônico da frequência da cavidade [11]. O regime assíncrono será discutido na
seção de acoplamento híbrido de modos.
2.1.1 Modulação de Amplitude
Um modulador de amplitude quando inserido em uma cavidade laser é ativado
por um gerador de sinais rf, a uma frequência de modulação , que corresponde
exatamente a frequência de uma volta (round-trip) da cavidade laser (ou seja, a
frequência fundamental) ou podendo ser a frequência de um dos seus harmônicos.
Analisando o domínio do tempo é razoável pensar que o laser pode começar a
oscilar sob a forma de um pulso curto que circula no interior da cavidade laser, que
atravessa o modulador em cada round-trip apenas no instante em que a transmissão
do modulador está no seu máximo. Em outras palavras, o que gera o acoplamento
de modos é o modulador, que em geral apresenta uma transmissão que é mínima
em uma frequência duas vezes maior que o sinal de rf aplicado por um gerador de
sinal rf e o pulso passa pelo modulador no momento de maior transmissão [5].
Analisando o domínio da frequência, pode-se dizer que cada um dos modos de
oscilação axial presentes na cavidade do laser na frequência irá adquirir bandas
laterais de modulação nas frequências como um resultado do
modulador ativo [5][14].
Para o caso do modulador ser de amplitude, a função de transmissão do
modulador é dada pela expressão (1) [6]
(
(1)
onde é a profundidade de modulação e é a frequência de modulação. Para
que os modos da cavidade entrem em fase, a frequência de modulação deve ser
sintonizada com a separação dos modos longitudinais, e à medida que esse sinal
passa pelo modulador, novos modos vão sendo excitados [6]. Assim, pela teoria de
23
Kuizenga-Siegman, que estudou a variação do campo elétrico dentro de uma
cavidade analisando a condição estacionária, a duração do pulso será dada pela
expressão (2) [9]
(
(2)
onde é o coeficiente de ganho, é a profundidade de modulação que depende
da potência RF aplicada no modulador, é a frequência de modulação (
) e é a largura de linha do meio ativo, ou banda espectral.
O coeficiente de ganho de um round-trip em um típico laser com acoplamento
ativo de modos pode variar de 0,1 a 1, sendo este o valor do ganho saturado no
estado estacionário. E a profundidade de modulação também terá uma variação
similar [14].
2.1.2 Modulação de Fase
No método que utiliza um modulador de fase, uma fase oscilante insere um
deslocamento doppler na frequência. Esse deslocamento, que se acumula a cada
volta, empurra a frequência para fora do perfil de ganho. Somente se mantém as
frequências com dΦ/dt = 0, gerando assim um conjunto de modos acoplados [5].
Para um modulador de fase, a função de transmissão é dada pela seguinte
expressão (3) [6]
(
(3)
24
sendo a defasagem causada pela passagem da luz no modulador. E, a duração do
pulso é dada pela equação (4) [9]
(
(4)
A diferença entre esta equação e a equação da duração do pulso para a
modulação de amplitude é que a duração do pulso é mais curta por um fator de
para a modulação de amplitude, que é fator de correção da profundidade de
modulação [14].
Outra diferença a ser observada é que a profundidade de modulação é
proporcional à potência aplicada, para a modulação de amplitude e para a
modulação de fase
, ou seja, a duração do pulso, no modulador de
amplitude varia com
, enquanto que no modulador de fase ela varia com
,
ou seja, para uma mesma potência de modulação , a modulação de amplitude
fornece um pulso mais curto [9] [6] [14].
2.2 ACOPLAMENTO PASSIVO DE MODOS COM O USO DE
ABSORVEDORES SATURÁVEIS
Como já foi dito, no acoplamento passivo de modos é inserido um elemento
não linear na cavidade laser que neste caso é um absorvedor saturável (mas
existem outras formas de acoplar passivamente os modos, como Additive Pulse
Mode-locking (APM) Colliding Pulse Mode-locking (CPM), Kerr-lens Modelocking
(KLM) [14]) que permite a geração de pulsos com menor duração quando
comparado com a técnica de acoplamento ativo de modos, ou seja, chegando a
gerar pulsos da ordem de femtossegundos.
25
O regime do acoplamento de modos passivo se assemelha ao acoplamento de
modos ativo em que, tanto o ganho quanto a perda desempenham um papel
importante na formação dos pulsos, a diferença é que no acoplamento passivo de
modos, a perda vem da intensidade intracavidade, em vez de ser controlada
externamente, como no caso do acoplamento ativo que é controlada pelo
modulador.
Enquanto o absorvedor é saturado, o ganho total da cavidade excede a perda
total, permitindo assim a geração de pulsos curtos. Após a geração desse pulso,
ocorre a saturação do ganho e a recuperação do absorvedor saturável restaura a
perda intracavidade a um nível maior do que o ganho, impedindo a geração de pulso
durante o tempo de término da volta na cavidade [15], mostrado na Figura 5.
Figura 5: A representação do ganho e da perda em três janelas temporais no acoplamento passivo de modos [14].
O absorvedor saturável consiste em um material absorvente, em que quando
submetido à condição de aumento da intensidade da luz seu coeficiente de absorção
vai reduzindo e essa redução está relacionada com o estabelecimento de uma
26
inversão, não desprezível, nas populações dos níveis de energia envolvidos na
transição [8].
O coeficiente de absorção de um absorvedor saturável depende da intensidade
da luz incidente, como pode ser verificado pela seguinte expressão (5) [6]
((5)
sendo o coeficiente de absorção para baixas intensidades e é a intensidade de
saturação.
O absorvedor saturável é caracterizado por quatro parâmetros: o tempo de
recuperação, a profundidade de modulação, a absorção não saturável e a
intensidade de saturação. O tempo de recuperação é o tempo de decaimento (da
banda de condução para a banda de valência) do elétron gerado após ser excitado
por uma alta intensidade óptica. A profundidade de modulação é a alteração máxima
possível de absorção óptica (ou absorção saturável) sobre a absorção linear do
absorvedor. Absorção não saturável é a parte da absorção que está presente
mesmo se o absorvedor está totalmente saturado em intensidade elevada e
normalmente precisa ser minimizada para otimizar o acoplamento de modos. A
intensidade de saturação é a intensidade óptica, ou seja, a potência por unidade de
área, que leva à redução da absorção saturável à metade [15].
Outra característica dos absorvedores saturáveis é que eles podem ser
classificados como absorvedores saturáveis lento ou rápido e tal classificação
envolve o tempo de recuperação do absorvedor e duração do pulso. Se o tempo de
recuperação do absorvedor for muito maior do que a duração do pulso, o absorvedor
saturável é considerado como lento. Se o tempo de recuperação do absorvedor for
curto (ou muito menor) quando comparado com a duração do pulso, o absorvedor
saturável é considerado como rápido [16][17].
27
2.2.1 Nanotubos de Carbono como Absorvedores Saturáveis
Os nanotubos de carbono foram reportados pela primeira vez na literatura em
1991, pelo japonês Sumio Iijima, em um estudo que utilizou o método de descarga
por arco elétrico [18]. Os nanotubos de carbono são nanoestruturas constituídas por
folhas cilíndricas e ocas de grafeno, com o diâmetro variando de 0,7 a 10 nm, mas o
mais comum é um diâmetro menor do que 2 nm. Essas folhas podem ser de
múltiplas paredes (Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT), ou de parede única
(Single-Walled Carbon NanoTube, SWCNT). Os nanotubos de carbono podem ser
classificados, de acordo com a sua simetria, de duas formas, os aquirais (armchair e
zigzag) e os quirais. A Figura 6 mostra três exemplos de nanotubos de carbono a
partir do grafeno. Os nanotubos aquirais são aqueles em que se colocados em
frente a um espelho, sua imagem se sobrepõe ao objeto original. Já os nanotubos
quirais apresentam uma simetria em espiral e são aqueles em que sua imagem não
se sobrepõe ao objeto original. A quiralidade dos nanotubos de carbono indica sua
estrutura de bandas eletrônicas [19].
Figura 6: Relação entre os nanotubos de carbono e o grafeno [20].
28
Como já foi dito, os nanotubos de carbono são estruturas que são formadas a
partir do grafeno que é outro material que apresenta especial interesse da
comunidade científica e a marca disso foi o Prêmio Nobel de Física em 2010, dado
aos físicos Konstantin Novoselov e Andre Geim pelo trabalho desenvolvido em 2004
[21]. O grafeno é um material composto de carbono, e sua estrutura é formada por
uma rede plana hexagonal de anéis de benzeno. Várias propriedades do grafeno e
dos nanotubos de carbono têm sido estudadas, como as propriedades ópticas [22],
eletrônicas (estrutura de bandas e transporte de elétrons) e mecânicas (alta
resistência mecânica e alto módulo de Young) [23]. Uma vantagem do grafeno,
comparativamente, é que ele apresenta uma banda de absorção ultralarga, indo de
300 nm a 2500 nm [22].
Outra característica dos nanotubos é que eles podem ser metálicos ou
semicondutores, dependendo do diâmetro e quiralidade. A energia de gap de um
nanotubo semicondutor é inversamente proporcional ao seu diâmetro. Os pontos da
rede bidimensional da estrutura do grafeno podem se arranjar pelo par ordenado (m,
n) do ponto da rede com o ponto (0, 0), determinando assim, sua quiralidade. A
Figura 7 mostra os nanotubos de carbono que são metálicos (círculo branco) e os
que são semicondutores (círculo preto). Pode-se notar que a maioria dos nanotubos
de carbono são semicondutores [19].
Figura 7: Mapa dos vetores quirais (n, m) [19].
29
Os nanotubos de carbono tem um tempo de recuperação de aproximadamente
800 fs [24]. De acordo com o trabalho desenvolvido por Haus, os nanotubos de
carbono podem ser considerados como absorvedores saturáveis lentos, já que a
duração dos pulsos gerados por eles são menores do que o tempo de recuperação
[16].
Trabalhos publicados utilizaram os nanotubos de carbono de diversas maneiras
e montagens experimentais de cavidades laser, entre elas, a utilização de nanotubos
de carbono como absorvedores saturáveis, a fim de chavear a cavidade laser.
A fim de integrar os nanotubos de carbono às fibras ópticas, para poder
introduzi-los as cavidades lasers, várias técnicas vêm sendo testadas. Um dos
primeiros mecanismos foi a deposição guiada por termoforese [25][26][27].
Entretanto, no caso de lasers à fibra, a técnica que melhor se adapta é a de filmes
com nanotubos de carbono, onde os filmes são depositados na ponta da fibra óptica.
Nessa técnica os nanotubos de carbono são suspensos em filmes transparentes e
durante o processo fabricação dos filmes tem-se um melhor controle sobre as
variáveis, como espessura e concentração [28][29][30].
Na literatura, podem-se encontrar aplicações de filmes com 17 µm de
espessura em lasers à fibra para a geração de pulsos de 314 fs sem compressão na
saída [29]. Também se encontra aplicações de filmes ainda mais finos de 5 µm, com
o qual foi obtido um pulso de 177 fs [28], e larguras de banda de até 13 nm [31].
Outra vantagem é a rápida recuperação eletrônica [32] e a absorção saturável na
região do infravermelho [33]. Na maioria dos casos tem-se a criação de um pulso por
volta.
30
3 REVISÃO DA LITERATURA SOBRE ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS
Pode-se inicialmente definir o acoplamento híbrido de modos como sendo uma
conjugação das técnicas passiva e ativa, ou seja, com ambas as técnicas operando,
simultaneamente, em um laser. A técnica ativa introduz-se um modulador eletro-
óptico de fase ou de amplitude na cavidade laser e a técnica passiva pode ser feita
por meio do efeito solitônico ou ainda por meio da inserção de um absorvedor
saturável na cavidade laser.
Tratando-se de geração de pulso ultracurtos, a técnica que é mais utilizada é a
de acoplamento passivo de modos, uma vez que os pulsos gerados são mais curtos
quando comparados com a técnica de acoplamento ativo de modos. Diferentes
técnicas de acoplamento passivo de modos foram desenvolvidas como o SESAM
(Semiconductor Saturable Absorber Mirror) em lasers de estado sólido [34] e a
rotação de polarização não linear [35].
Tratando-se de geração de trem de pulsos a altas taxas, a técnica que é mais
utilizada é a de acoplamento ativo de modos. Lasers a fibra dopada com Érbio
geraram trens de pulso na região de 1550 nm com taxas superiores a 160 GHz [36].
A vantagem, em lasers à fibra dopada com Érbio, de se utilizar a técnica de
acoplamento ativo de modos é que com ela é possível alcançar altas taxas de
repetição, da ordem de GHz, porém, a duração dos pulsos obtidos é relativamente
larga, da ordem de 30 a 50 ps. Já a vantagem, também em lasers à fibra dopada
com Érbio de se utilizar o acoplamento passivo de modos é que com ele é possível
gerar pulsos curtos, da ordem de femtossegundos, no entanto, a taxa de repetição é
dada pela frequência fundamental da cavidade (que está relacionada com o
comprimento da cavidade, , onde L é o comprimento da cavidade, c é a
velocidade da luz, n é o índice de refração e, f é a frequência fundamental da
cavidade), ou seja, da ordem de MHz, uma vez que as cavidades normalmente são
da ordem de alguns metros, o que é baixo para telecomunicações.
Em lasers à fibra dopada com Érbio em regime de acoplamento passivo de
modos, para se atingir altas taxas de repetição, seria necessário que o comprimento
da cavidade fosse pequeno. O nosso trabalho propôs uma taxa de repetição de 10
31
GHz e para se obter essa taxa de repetição somente com o acoplamento passivo de
modos, a cavidade laser deveria ter 20 mm e, para configurar cavidades pequenas
aumentaria a complexidade do sistema. Por outro lado, lasers com o acoplamento
ativo de modos pode gerar altas taxas de repetição apenas inserindo um modulador
na cavidade laser.
Contudo, o que se pretende com o acoplamento híbrido de modos é aliar a
vantagem de cada técnica, ou seja, a geração de pulsos curtos (obtidos pelo
acoplamento passivo de modos) com taxas de repetição iguais aos harmônicos de
alta ordem da cavidade (característica obtida pelo acoplamento ativo de modos).
3.1 ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS COM MODULAÇÃO PASSIVA
BASEADA EM EFEITO SOLITONICO
Na literatura é possível encontrar trabalhos que desenvolveram a técnica de
acoplamento híbrido de modos em lasers à fibra dopada com Érbio com modulação
passiva baseada em efeito solitônico e com modulação ativa operando de maneira
síncrona ou assíncrona.
Com a modulação síncrona, onde o modulador atua em sincronismo com a
cavidade, ou em outras palavras, é a frequência de modulação é um harmônico da
cavidade, já foi demonstrado a geração de pulsos com duração de 1 ps com uma
taxa de repetição de 10 GHz, como mostra a Figura 8, com sua cavidade laser e
seus resultados experimentais. Nesse trabalho, Abelin e Kubota utilizaram um
modulador Mach-Zehnder como o elemento ativo e a compressão solitônica
intracavidade como elemento passivo [37].
Em outro estudo de acoplamento híbrido de modos com modulação ativa
síncrona, Yoshida e Nakazawa, em 1999, demonstraram a geração de pulsos com
duração de 0,9 ps em uma taxa de repetição de 40 GHz utilizando uma modulador
de amplitude como elemento ativo e o efeito solitônico como elemento passivo. A
cavidade experimental e os seus resultados são mostrados na Figura 9 [38].
32
Figura 8: Cavidade experimental e os resultados de um laser em regime de acoplamento híbrido de modos com modulação ativa síncrona gerando pulsos de 1ps com uma taxa de
repetição de 10 GHz [37].
Figura 9: Montagem experimental que gerou pulsos de 0,9 ps com uma taxa de repetição de 40 GHz [38].
33
Na técnica de modulação assíncrona, onde se utiliza um modulador de fase
(modulador ativo) na cavidade laser, não há um componente físico responsável pelo
acoplamento passivo dos modos, o mecanismo responsável pela modulação passiva
é baseado no efeito solitônico que sofre uma pequena dessintonização da
frequência da modulação ativa causado pelo modulador.
Se houver uma combinação e um balanceamento entre a dispersão e a auto
modulação de fase (SPM), é possível se produzir sólitons intracavidade. Uma vez
que existam sólitons na cavidade, eles são perturbados e os pulsos resultantes são
mais curtos do que os que são geralmente gerados pelo acoplamento síncrono de
modos. Essa perturbação é feita com um modulador de fase que é dessintonizado
propositalmente do harmônico da frequência fundamental da cavidade, essa
dessintonização é entre 15 a 40 kHz da frequência de modulação. Quando essa
dessintonização ocorre, as altas intensidades do sóliton são capazes de,
passivamente, se readequar a nova frequência, e a velocidade de grupo e gera uma
nova fase para compensar o desvio de fase causada pelo modulador, porém, as
baixas intensidades não tem potência suficiente para fazer o mesmo, então elas são
filtradas, fazendo com que a duração do pulso diminua. Como ilustrada pela Figura
10.
Figura 10: Esquematização do funcionamento do acoplamento assíncrono de modos.
34
Com a modulação assíncrona, já foi demonstrado a geração de pulsos com
duração de 0,8 ps como uma taxa de 10 GHz (como mostra a cavidade e seus
resultados na Figura 11). Esse trabalho utilizou um modulador de fase como
elemento ativo e o efeito solitônico com elemento passivo [41].
Outro trabalho, ainda demonstrou a geração de pulsos com aproximadamente
400 fs com uma taxa de repetição de 10 GHz (como mostra a cavidade e seus
resultados na Figura 12). Esse trabalho também utilizou um modulador de fase como
elemento ativo e o efeito solitônico com elemento passivo [4].
Entretanto, nos trabalhos até então desenvolvidos, os pulsos são gerados pela
técnica de acoplamento assíncrono de modos, que utilizam o efeito de sólitons na
cavidade.
Figura 11: Cavidade de um laser em regime de acoplamento assíncrono de modos e seus resultados obtidos, com uma duração de pulso de 0,8 ps com uma taxa de repetição de 10
GHz [41].
35
Figura 12: Configuração experimental da cavidade operando em regime de acoplamento assíncrono de modos e seus resultados obtidos, com uma duração de pulso de 396 fs com
uma taxa de repetição de 10 GHz [4].
3.2 ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS COM MODULAÇÃO PASSIVA
BASEADA EM ABSORÇÃO SATURAVEL
Grande parte do desenvolvimento da técnica de acoplamento híbrido de modos
se deu em lasers de meio semicondutor. Tais lasers operam em regime de
acoplamento passivo de modos por ação de materiais semicondutores absorvedores
saturáveis presentes no interior da cavidade laser. Ao meio de ganho ou, ao meio
absorvedor é aplicada uma tensão modulada externamente, mecanismo o qual é
responsável pela modulação ativa. Assim, tem sido possível a obtenção de trens de
pulsos com taxas de repetição de 40 GHz [39][40] nesses lasers de semicondutor.
36
3.2.1 Acoplamento Híbrido De Modos Com Modulação Passiva Baseada
Em Absorção Saturável Em Nanotubos De Carbono
Na literatura é possível ser encontrado um trabalho que aplica a técnica de
acoplamento híbrido de modos com componentes físicos distintos responsáveis
pelos acoplamentos passivo e ativo, separadamente, em laser à fibra dopada com
Érbio [42]. Até o presente momento e até onde vai o nosso conhecimento, este é o
único trabalho que utiliza um modulador como elemento ativo e absorvedores
saturáveis de nanotubos de carbono como elemento passivo, semelhante a nossa
proposta.
A montagem experimental desse recente trabalho de 2011 é mostrada na
Figura 13 juntamente com seus resultados. O comprimento da cavidade laser é de
10,4 metros, sendo 3 m de fibra dopada com Érbio. O modulador utilizado foi o de
amplitude que é utilizado como elemento ativo. E o elemento passivo é um
absorvedor saturável de nanotubos de carbono.
Os nanotubos de carbono foram incorporados à cavidade laser através de um
filme feito a partir de uma suspensão de PDMS (polydimethylsiloxane) contendo
nanotubos de carbono com uma concentração de 0,125 wt%. Porém, antes de
serem misturados com o polímero, os nanotubos de carbono foram misturados com
clorofórmio, que é um solvente para o PDMS, para que eles se dispersassem. O
diâmetro dos nanotubos de carbono foi escolhido entre 0,8 e 1,2 nm.
As amostras foram fabricadas a partir de uma célula construída com duas
camadas de acrílico, pois o polímero não gruda nele. A solução foi colocada dentro
da célula e curada aquecendo a amostra a 95 ºC durante uma hora e, depois, deixar
repousar durante 24 horas. Separadas as camadas de acrílico, o filme resultante
teve uma espessura de 192 µm. Com a cavidade passiva (sem o modulador e o PC2
mostrada na Figura 13) foi obtido uma largura de banda de 2 nm e um pulso com
duração de 1,26 ps.
No entanto, com a cavidade híbrida, a duração do pulso conseguida foi de 730
fs a uma taxa de repetição de 4 GHz e a potência média de saída foi de 3,39 mW.
37
Figura 13: Montagem experimental de um laser com acoplamento híbrido de modos e seus resultados obtidos [42].
38
4 LASER À FIBRA DOPADA COM ÉRBIO EM REGIME DE ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS COM ABSORÇÃO SATURÁVEL BASEADA EM NANOTUBOS DE CARBONO
Neste capítulo mostraremos os resultados experimentais obtidos neste trabalho
de mestrado, onde foi construída uma cavidade laser que serviu de base para três
configurações experimentais. Para chegarmos à montagem experimental da
cavidade laser operando em regime de acoplamento híbrido de modos, foi feito
anteriormente outras duas montagens. A primeira montagem foi a do laser operando
em regime ativo de modos, com o uso de um modulador eletro-óptico de fase; e a
segunda montagem foi a do laser operando em regime passivo de modos, com o
uso de absorvedores saturáveis de carbono. E por fim, a terceira montagem foi a do
laser operando em regime de acoplamento híbrido de modos. Essas montagens
foram feitas com o objetivo de se obter parâmetros comparativos entre as três
cavidades laser.
4.1 CARACTERIZAÇÃO DA CAVIDADE LASER BÁSICA OPERANDO EM
REGIME CW
Foi construída uma cavidade laser em anel, onde todos os componentes são
integrados em fibra óptica, que foi utilizada como base das montagens
experimentais, ilustrada na Figura 14.
Esse é um laser à fibra dopada com Érbio ( ), bombeado por um laser de
diodo de comprimento de onda de (modelo FOL0908A45-J17-980), esse
laser de diodo é controlado por um driver de corrente e de temperatura (da ILX
Lightwave, modelo LDC-3744B), com temperatura programada para se manter
constante em 21C e não ultrapassar a corrente máxima de Ipump(máx) = 1 A, essa
corrente é limitada devido a fabricação do laser de diodo. Possui 30 cm de
comprimento uma fibra altamente dopada com Érbio (da OFS – Furukawa, EDF 150-
LD), cuja concentração é dada pelo parâmetro, pico de absorção de 150 dB/m em
1530 nm, com dispersão de -16 ps/(km.nm) em 1550 nm. Possui um acoplador
39
WDM 980/1550 nm contra-propagante (da JDSU, modelo AHC-150V11000) com um
isolador embutido, que permite que o laser oscile em um único sentido, neste caso
no sentido horário, e um controlador de polarização mecânico. O acoplamento de
saída é de 30% (da Optolink, modelo 1110K1AF886). O comprimento total desta
cavidade é de 4 metros. Na Figura 14, os X indicam que foi feita fusão entre as
fibras ópticas.
Figura 14: Configuração experimental utilizada como base para a realização das diferentes cavidades laser.
A curva de caracterização do laser CW (Continuous Wave), é mostrada na
Figura 15. O limiar do laser (ou, threshold) se dá em aproximadamente
, e esse valor, relativamente alto, é devido a maior concentração de íons de
Érbio nessa fibra. A potência máxima de saída, com uma corrente de , é de 25,6
mW.
40
Figura 15: Curva característica do Laser em regime CW.
Para realizar a medição dos experimentos, foram utilizados equipamentos
como Gerador de Sinais de R.F. (Rohde-Schwarz, modelo SMR-20, com faixa de
operação de 1 a 20 GHz), um Analisador de Espectro Óptico (Agilient, modelo
86142B, com faixa de operação entre 600 e 1700 nm e resolução espectral de 0,06
nm e/ou da Yokogawa, modelo AQ6370B, com faixa de operação entre 600 e 1700
nm e resolução espectral de 0,02 nm), um Osciloscópio Digital de 20 GHz (Tektronix,
modelo DSA8200, com tempo de resposta de aproximadamente 25 ps). Os pulsos
ultra-curtos são medidos com um Autocorrelador (modelo FR-103XL, da
Femtochrome Research, com cristal gerador de segundo harmônico), um
Osciloscópio Digital de 1 GHz para amostragem dos sinais (Tektronix, modelo DPO
4104B) e um Detector (Newport, modelo 818-BB-35F, com tempo de resposta de 35
ps).
41
4.2 LASER EM REGIME DE ACOPLAMENTO ATIVO DE MODOS
A primeira cavidade montada foi a cavidade ativa, utilizando a cavidade base
mostrada na Figura 14. Um modulador eletro-óptico de fase de Niobato de Lítio,
LiNbO3, (modelo Mach-40TM 027/066, da Covega, com perda de inserção de 5 dB)
operando em 10 GHz foi inserido na cavidade laser, ilustrado na Figura 16. A
cavidade nesta configuração possui um comprimento de 6,12 m e uma taxa de
repetição fundamental de 32,7 MHz.
Figura 16: Cavidade Laser em Regime de Acoplamento Ativo de Modos.
Uma vez que o modulador está dentro da cavidade, três parâmetros foram
otimizados. O primeiro parâmetro foi a polarização, pelo controle de polarização,
para que esta case com a polarização na entrada do modulador. O segundo
parâmetro foi o ajuste da frequência de modulação para um harmônico da
frequência fundamental da cavidade. E o terceiro parâmetro otimizado foi a corrente
de bombeamento.
Com essa configuração experimental, e otimizando todos os parâmetros, a
duração do pulso obtida foi de , com uma largura de banda de
, com o , mostradas na Figura 17 (a) e (b),
respectivamente. Essas medidas foram feitas a meia altura em relação ao máximo
42
(3dB), ou conhecido como FWHM (Full Width at Half Maximum). O produto tempo-
largura de banda corresponde a 2,5, que é 5,67 vezes mais largo do que o 0,441
esperado para o perfil gaussiano. Esse valor relativamente alto é devido a não
compensação da dispersão intracavidade.
Com essa configuração experimental a potência de pico intracavidade era de
5,54 mW e = 23,44 mW, ou seja, o laser não tem condições de formar sólitons na
cavidade. E para esse cálculo, foi considerado , valor utilizado para
SMF [45] e / .
-60 -40 -20 0 20
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Tempo (ps)
pulso= 29.05 ps
(a)
1557 1558 1559 1560 1561
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Comprimento de Onda (nm)
nm
(b)
Figura 17: (a) Duração do pulso obtida com a cavidade em regime ativo. (b) Largura de
banda obtida com a cavidade em regime ativo.
O trem de pulsos em 10 GHz é mostrado na Figura 18. Com o acoplamento
dos modos os pulsos se formam com um período (T) que é o inverso da frequência
de modulação, como neste caso a frequência de modulação é de 10 GHz, o trem de
pulsos formado tem um período de 100 ps.
43
0 100 200 300 400 500
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
T=100 ps
Inte
nsi
da
de R
ela
tiv
a (
u.a
.)
Tempo (ps)
T=100 ps
Figura 18: Trem de pulsos obtido com a cavidade em regime de acoplamento ativo de modos em 10 GHz.
Na Figura 18 (e na Figura 17) aparece um segundo pulso menor na base do
pulso principal, este pulso é uma evidência de que o laser tem uma tendência de
acoplar os modos em um harmônico, mais precisamente no dobro da frequência, ou
seja, em 20 GHz, devido ao fato da senoide apresentar dois picos em um período.
Mesmo ajustados parâmetros como potência de bombeamento e polarização para
tentar minimizar o efeito, esse foi o melhor resultado obtido.
Nessas medidas, a corrente de bombeamento foi de e a potência
de saída foi de .
4.3 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS FILMES CONTENDO
NANOTUBOS DE CARBONO
Para inserir os nanotubos de carbono na cavidade laser para que eles
desempenhem a função de absorvedores saturáveis, ou seja, para chavear a
44
cavidade laser e gerar pulsos, os nanotubos de carbono devem ser adequadamente
colocados para que a luz os atravesse.
Existem, na literatura, algumas maneiras diferentes para incorporar os
nanotubos de carbono na cavidade laser, entre elas, a deposição guiada por
termoforese [25], fabricação de filmes contendo nanotubos [29] e a técnica de spin
coating. Porém, neste trabalho a técnica que melhor se adequou foi uma nova
técnica desenvolvida pelo nosso grupo. A fabricação de filmes de nanotubos de
carbono e polímero para lasers à fibra dopada com Érbio com acoplamento de
modos, chamada de método da gota [43], descrito a seguir.
Para fabricar amostras de nanotubos de carbono utilizando o método da gota é
preciso, primeiramente, preparar uma suspensão de nanotubos de carbono com um
polímero líquido, em temperatura ambiente, a base de uretano, conhecido
comercialmente como NOA 73™ (Norland Optical Adhesive), utilizado também como
adesivo óptico, pois possui um índice de refração de 1,56, próximo ao índice da
sílica, que são feitas as fibras ópticas. Esse polímero possui viscosidade de 130 cps
em 25 ºC e quando exposto a luz ultravioleta é polimerizado, com máxima absorção
entre 350 a 380 nm. Os nanotubos de carbono utilizados foram os com diâmetro de
1 nm comercializados pela empresa Unidym™ e sintetizados pelo método HiPCO (Hi
Pressure Cabon Oxide Conversion). A concentração da suspensão utilizada foi a de
40 mg de nanotubos de carbono para 1 ml de polímero. Feita a suspensão, esta é
colocada em uma banheira de ultrassom para que seja homogeneizada.
O método da gota consiste em se coletar uma gotícula, da suspensão
preparada, com uma microponta, como mostra a Figura 19. Depois, a microponta é
colocada em um posicionador que aproxima a gotícula ao ferrolho do conector
FC/APC (Fiber Connector/Angle Polished Connector) de uma fibra óptica, assim, a
gotícula é transferida para o ferrolho, mostrada na montagem experimental da Figura
19. A Figura 20 mostra uma foto tirada com o microscópio eletrônico com uma vista
lateral de um ferrolho com uma gotícula de suspensão depositada sobre ele.
45
Figura 19: (a) microponta com a gotícula para depositar na face do conector, (b) montagem
experimental [43].
Figura 20: Vista lateral de um ferrolho com uma gotícula de suspensão depositada [43].
Depois de depositada a gotícula, esta precisa ser colocada sob a luz
ultravioleta para que o polímero entre em processo de polimerização.
Feito todo o procedimento de fabricação, esse conector com a gotícula é
colocado com outro conector e é ajustado o acoplamento da luz, no laser, por meio
do atarraxamento dos conectores, mostrada na Figura 21. Uma vez ajustado o
acoplamento, a amostra está pronta para uso.
46
Figura 21: Amostra de nanotubos de carbono está entre dois conectores de fibra óptica.
4.4 LASER EM REGIME DE ACOPLAMENTO PASSIVO DE MODOS
Para configurar a cavidade passiva, foi retirado o modulador eletro-óptico de
fase da cavidade laser e inserido uma amostra de nanotubos de carbono, como
ilustra a Figura 22. A fabricação das amostras, que são filmes feitos a partir, de uma
suspensão de um polímero com os nanotubos de carbono, que foi mostrada na
seção anterior. A cavidade nesta configuração possui um comprimento de 4,6 m e
uma taxa de repetição fundamental de 43,3 MHz, mostrada na Figura 24.
Figura 22: Cavidade Laser em Regime de Acoplamento Passivo de Modos.
47
A amostra de nanotubos de carbono pode ser caracterizada pelo parâmetro do
produto , de acordo com a equação (6) [44]:
(6)
onde é a potência, de entrada ou saída denominado no índice (normalmente
utilizamos uma potência de ), é o coeficiente de absorção (com unidade de
) e é a espessura do filme formado pela gota de suspensão (com unidade de
).
Já foi demonstrado que a melhor região de operação do acoplamento de
modos em lasers à fibra dopada com Érbio é a que o produto , que
corresponde a uma transmitância de [29].
A amostra de nanotubos de carbono utilizada nessa montagem experimental foi
caracterizada e apresentou um produto = 0,965 e uma transmitância (
), de 37%.
Com a amostra de nanotubos de carbono dentro da cavidade, dois parâmetros
foram otimizados. O primeiro parâmetro foi a polarização, pelo controle de
polarização. O segundo parâmetro foi o ajuste da corrente de bombeamento. Foi
observado que a melhor região para o acoplamento passivo dos modos é a região
próxima ao threshold do laser, não ultrapassando uma corrente de bombeamento de
. Essa limitação é esperada e é devida porque conforme vai se aumentando
a potência de bombeamento, a potência de cada pulso também aumenta até o limite
em que a potência de um pulso é dividida em dois pulsos ou mais. Com isso, é
concluímos que a melhor região de operação no regime de acoplamento passivo de
modos é a região em que se tem um pulso por volta.
Com essa cavidade laser, sólitons foram gerados e para existir sólitons (que
são ondas que se propagam sem alteração no tempo e no espectro) na cavidade é
necessário haver um balanço entre a dispersão e a automodulação de fase. E a
48
potência de pico mínima necessária para haver a formação de sóliton fundamental é
dada pela expressão (7) [45]
(7)
onde é o comprimento de onda central de emissão, D é a dispersão média
intracavidade (ps/(km.nm)), c é a velocidade da luz, é o coeficiente não-linear e
é a duração do pulso a meia altura. Ou seja, um das condições para que haja
sólitons na cavidade a potência de pico intracavidade tem que ser maior do que ,
que pode ser calculada pela expressão (8)
(8)
onde é a potência média da cavidade e TR é a taxa de repetição.
Para essa configuração experimental a potência de pico intracavidade era de
52 W e = 36,8 W, ou seja, o laser tem condições de ter a formação de sólitons na
cavidade. E para esse cálculo, foi considerado , valor utilizado para
SMF [45] e / .
Com essa configuração experimental, e otimizando todos os parâmetros, a
duração do pulso obtida (FWHM) foi de , com uma largura de banda
(FWHM) de , com um , mostradas na Figura 23 (a) e
(b), respectivamente. A figura da duração do pulso é a figura de autocorrelação.
O espectro mostrado na Figura 23 apresenta características de sóliton e o
produto tempo-largura de banda corresponde a 0,725, que é 2,3 vezes mais largo do
que o 0,314 esperado para o perfil secante hiperbólico. Esse alargamento é devido a
não compensação da dispersão intracavidade.
49
Nessas medidas, a corrente de bombeamento foi de e a potência
de saída foi de .
-3 -2 -1 0 1 2 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Tempo (ps)
pulso
= 714 fs
(a)
1530 1540 1550 1560 1570 1580
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Comprimento de Onda (nm)
Inte
rsid
ad
e R
ela
tiv
a (
u.a
.)
8.2 nm
(b)
Figura 23: (a) Autocorrelação da duração do pulso obtida com a cavidade em regime passivo. (b) Largura de banda obtida com a cavidade em regime passivo.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Tempo (ns)
43,3 MHz
Figura 24: Trem de pulsos da cavidade laser em regime de acoplamento passivo de modos.
50
4.5 LASER EM REGIME DE ACOPLAMENTO HÍBRIDO DE MODOS
Para a montagem da cavidade laser híbrida, foi utilizada a cavidade base
descrita anteriormente no início da seção 4.1. A partir desta cavidade, foram
inseridos na cavidade mais dois elementos, o modulador eletro-óptico de fase
(utilizado na cofiguração ativa) e a amostra de nanotubos de carbono (a mesma
amostra utilizada na cofiguração passiva), ou seja, as cavidades ativa e passiva
foram combinadas, obtendo-se a cavidade laser híbrida. A Figura 25 ilustra a
cavidade laser híbrida. A cavidade nesta configuração possui um comprimento de
6,75 m e uma taxa de repetição fundamental de 29,6 MHz.
Figura 25: Cavidade Laser em Regime de Acoplamento Híbrido de Modo.
Com a configuração da cavidade acima, porém com o modulador desligado, a
cavidade, inicialmente, começa a operar em regime de acoplamento passivo de
modos, pela ação dos nanotubos de carbono. Nesse regime, é feito um ajuste na
corrente de bombeamento e um ajuste na polarização, através do controle de
polarização, para que esta case exatamente com a polarização na entrada do
modulador. O modulador é o elemento mais sensível à polarização nesta
configuração, pois suas fibras, conectorizadas, são a fibra PANDA, ou seja, essa
fibra mantém e transmite o estado de polarização da luz que entra na fibra.
51
Uma vez que a polarização foi ajustada, o modulador é, então, ligado e a
frequência de modulação deve ser ajustada para um harmônico da frequência
fundamental da cavidade. No caso desse trabalho, a frequência de modulação foi de
10 GHz.
Quando todos esses parâmetros forem ajustados, é possível confirmar que o
laser está no regime híbrido apenas desligando e religando o modulador e, observar
o pulso alargar e estreitar, respectivamente. Então, é possível comparar a duração
do pulso e a largura de banda que foram gerados.
Durante o acoplamento passivo de modos (com o modulador desligado dentro
da cavidade), a duração do pulso obtida (FWHM) foi de , com uma
largura de banda (FWHM) de , com um , mostrada
nas curvas pretas das Figura 26 e Figura 27, respectivamente. A figura da duração
do pulso é a figura de autocorrelação. A taxa de repetição nesse regime foi de 29,6
MHz, mostrada na Figura 28, que é a taxa de repetição fundamental da cavidade.
A duração do pulso nesse regime passivo é maior do que o mostrado na Figura
23. Embora as duas cavidades estejam operando no regime passivo, a segunda
cavidade (Figura 25) tem o modulador inserido, então aumenta a perda
intracavidade e a potência de pico intracavidade é menor, diminuindo de 52 W para
8,83 W.
O produto tempo-largura de banda corresponde a 0,762, que é 2,4 vezes mais
largo do que o 0,314 esperado para o perfil secante hiperbólico. Esse alargamento é
devido a não compensação da dispersão intracavidade.
Com essa configuração experimental com o modulador desligado dentro da
cavidade, a potência de pico intracavidade era de 8,83 W e = 2,85 W, ou seja, o
laser tem condições de ter a formação de sólitons na cavidade. E para esse cálculo,
foi considerado , valor utilizado para SMF [45] e /
.
52
-10 -5 0 5 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
pulso= 1.77 ps
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a)
Tempo (ps)
Mod - Ligado
Mod - Desligado
pulso= 2.65 ps
TR = 29.6 MHz TR = 10 GHz
Figura 26: Autocorrelação da duração do pulso obtida com o modulador desligado (acoplamento passivo) na curva preta com uma taxa de repetição de 29,6 MHz e, com o
modulador ligado (acoplamento híbrido) na curva vermelha com uma taxa de repetição de 10 GHz.
1545 1550 1555 1560 1565 1570 15750.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Comprimento de Onda (nm)
Mod - Ligado
Mod - Desligado
= 2.33 nm = 4.04 nm
1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Comprimento de Onda (nm)
Mod - Ligado
Mod - Desligado
Figura 27: Largura de banda obtida com o modulador desligado (acoplamento passivo) na curva preta e, com o modulador ligado (acoplamento híbrido) na curva vermelha.
53
Durante o acoplamento híbrido de modos (com o modulador ligado dentro da
cavidade), a duração do pulso (FWHM) obtida foi de , com uma largura
de banda (FWHM) de , mostradas nas curvas vermelhas das Figura
26 e Figura 27, respectivamente. A figura da duração do pulso é a figura de
autocorrelação. A taxa de repetição nesse regime foi de 10 GHz, mostrada na Figura
28. Esses resultados foram obtidos bombeando a cavidade com uma potência de
135 mW, com uma potência de saída de 297 μW.
O produto tempo-largura de banda corresponde a 0,882, que é 2 vezes mais
largo do que o 0,441 esperado para o perfil gaussiano. Esse alargamento é devido a
não compensação da dispersão intracavidade.
Com essa configuração experimental com o modulador desligado dentro da
cavidade, a potência de pico intracavidade era de 39 mW e = 6,38 W, ou seja, o
laser não tem condições de formar sólitons na cavidade. E para esse cálculo, foi
considerado , valor utilizado para SMF [45] e /
.
A figura do trem de pulso na escala em MHz, Figura 28, mostra que a eficiência
do acoplamento híbrido de modos é baixa. Embora o osciloscópio utilizado tenha
uma resolução de 1 GHz, ou seja, não é um instrumento que consegue ler a taxa de
10 GHz, a figura evidencia a taxa fundamental da cavidade (29,6 MHz) e, os pulsos
menores, ainda que sem resolução, mostra a taxa de 10 GHz. Se a eficiência do
acoplamento híbrido de modos fosse boa, o que se veria no osciloscópio seriam
somente os pulsos menores sem uma resolução definida. Esse comportamento é
devido aos poucos modos acoplados.
54
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Tempo (ns)
29.6 MHz(a)
0 200 400 600 800 1000
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Tempo (ps)
10 GHz(b)
Figura 28: Trem de pulsos (a) no osciloscópio lento, na escala em MHz e (b) no osciloscópio rápido, na escala em GHz.
Analisando estes resultados, concluímos que precisam ser otimizados
parâmetros como a) dispersão intracavidade e b) perda intracavidade para se obter
um bom acoplamento híbrido de modos.
a) Otimização da dispersão Intracavidade
A fim de minimizar a duração do pulso gerado pelo acoplamento passivo de
modos e, consequentemente, o acoplamento híbrido de modos, foi feito um estudo
para identificar com qual valor de dispersão intracavidade média era obtida a menor
duração do pulso. E com esse propósito, foi feita uma mudança na cavidade laser
básica onde foram inseridos 63 cm de fibra DCF (Dispersion Compensation Fiber),
mostrada na Figura 29.
55
Figura 29: Cavidade em regime de acoplamento passivo de modos com a inserção de fibra DCF.
O gráfico da Figura 30 mostra a duração do pulso (fs) e a largura de banda
(nm) em função da dispersão intracavidade média (ps/(km.nm)). E para padronizar
as medidas, para poder compará-las, foi utilizada uma mesma amostra de
nanotubos de carbono e, para variar o valor da dispersão intracavidade média, foi
colocado diferentes comprimentos de fibra SMF dentro da cavidade laser. Os
comprimentos de SMF colocados foram de 0 (zero) m; 0,6 m; 0,85 m; 1m; 1,6 m; 2
m; 3 m e 5 m, mostrados no gráfico.
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
2
4
6
8
10
12
14
Du
raç
ão
do
Pu
lso
(fs
)
Dispersão Intracavidade Média (ps/(km.nm))
53
2
1.61
0.6
La
rgu
ra d
e B
an
da
(nm
)
0
0.85
Figura 30: Estudo da influência da dispersão intracavidade média na duração do pulso e na
largura de banda.
56
Com esse estudo foi verificado que a melhor operação do laser foi em que o
valor da dispersão intracavidade média era de 1,99 (ps/(km.nm)) em que foi obtida a
menor duração do pulso (FWHM) de 284 fs e maior uma largura de banda (FWHM)
de 13,35 nm, mostrados na Figura 31 (a) e (b), respectivamente.
O produto tempo-largura de banda corresponde a 0,474, que é 1,5 vezes mais
largo do que o 0,314 esperado para o perfil secante hiperbólico.
Com essa configuração experimental a potência de pico intracavidade era de
53,5 W e = 32,8 W, ou seja, o laser tem condições de ter a formação de sólitons
na cavidade. E para esse cálculo, foi considerado , valor utilizado
para SMF [45] e / .
-2 -1 0 1 2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Tempo (ps)
pulso= 284 fs
(a)
1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
ns
ida
de
Re
lati
va
(u
.a.)
Comprimento de Onda (nm)
= 13.53 nm
(b)
Figura 31: Autocorrelação da duração do pulso (a) e largura de banda (b) obtidas com a cavidade otimizada para o parâmetro de dispersão intracavidade em regime de acoplamento
passivo de modos.
A amostra de nanotubos de carbono utilizada nessa montagem experimental foi
caracterizada e apresentou um produto = 0,60 e uma transmitância (
), de 54,8%.
57
b) Otimização da perda Intracavidade
O segundo parâmetro que foi necessário minimizar foi a perda intracavidade.
A primeira tentativa que foi feita, foi a troca do modulador por outro modulador
(Photline) também de fase com uma perda de inserção menor (3,5 dB), porém, a
substituição não diminuiu significativamente a perda intracavidade, portanto, não foi
suficiente para melhorar o acoplamento híbrido de modos.
De todos os componentes presentes na cavidade híbrida, o único elemento que
poderia ter sua perda minimizada era a amostra de nanotubos de carbono, já que o
modulador de fase possui uma perda por inserção própria e que não é possível ser
alterada.
Com isso, a segunda tentativa para minimizar a perda intracavidade foi fabricar
outras amostras de nanotubos de carbono. Foram feitas amostras que foram
deixadas com diferentes tempos na banheira de ultrassom com a finalidade de
melhorar a homogeneização da suspensão de nanotubos de carbono e o polímero.
Porém, esse teste não trouxe bons resultados. O laser emitia no comprimento de
onda de 1530 nm, o que é representa uma maior perda intracavidade.
Em outro teste foram preparadas suspensões com diferentes concentrações de
10, 20, 30 e 40 mg/ml, a fim de diminuir a absorção da amostra e consequentemente
sua perda. Neste teste, a dificuldade encontrada foi que com concentrações
menores que 40 mg/ml, devido à espessura da gota ser muito fina, as amostras de
nanotubos de carbono não absorviam o suficiente para acoplar os modos e gerar
pulsos, ou seja, o laser operava apenas no regime CW.
O método utilizado para fabricar as amostras de nanotubos de carbono não
permite que tenhamos um maior controle sobre as perdas, por isso não foi possível
se obter um resultado melhor do que o apresentado anteriormente com o
acoplamento híbrido de modos. Porém, os resultados podem ser melhorados
otimizando as perdas intracavidade do laser.
58
5 CONCLUSÃO
Neste trabalho de mestrado apresentamos resultados obtidos com o estudo
proposto e demonstrado, de geração de pulsos em regime de acoplamento híbrido
de modos em laser à fibra dopada com Érbio, com o uso de absorvedores saturáveis
de carbono.
Com a preocupação de se obter meios de comparação, foi feito análise de
dados com três cavidades com diferentes tipos de acoplamento de modos. Para
poder configurar todas as cavidades, primeiramente foi construída uma cavidade
que serviu como base para todas as outras.
As três cavidades analisadas foram: a cavidade com acoplamento ativo de
modos com o uso de um modulador de fase; a cavidade com o acoplamento passivo
de modos com o uso de absorvedores saturáveis de nanotubos de carbono; e por
fim a cavidade com o acoplamento híbrido de modos, que foi a união das duas
cavidades anteriores, ou seja, a cavidade ativa e a cavidade passiva, juntas.
Com a cavidade em regime de acoplamento ativo de modos, utilizando um
modulador de fase, foi obtida uma duração de pulso de e uma largura
de banda de .
Para configurar a cavidade em regime passivo de modos, primeiramente, foi
necessário fabricar amostras contendo nanotubos de carbono para inseri-las na
cavidade laser e permitir que os nanotubos de carbono atuem como chaveadores da
cavidade (absorvedores saturáveis).
Foi feita uma suspensão de um polímero, conhecido comercialmente como
NOA 73TM, e nanotubos de carbono com 1 nm de diâmetro, fabricados pelo método
HiPCO. Essa suspensão ficou por uma hora em uma banheira ultrassonicadora para
homogeneizar a suspensão. Em seguida, uma gota dessa suspensão foi recolhida
com uma microponta e depositada na face de um conector de fibra óptica. E então,
essa gota foi colocada sob uma luz ultravioleta para que fosse curada. Depois foi
feita a amostra, fechando a amostra com outro conector.
Com a cavidade em regime de acoplamento passivo de modos, utilizando
absorvedores saturáveis de carbono, foi obtida uma duração de pulso de
59
(com uma taxa de repetição de 43,3 MHz) e uma largura de banda de
.
Unindo as cavidades ativa e passiva, configura-se a cavidade híbrida. Nessa
configuração, todos os componentes estão inseridos na cavidade, porém, o
modulador de fase encontra-se desligado. É ajustada a polarização e a corrente de
bombeamento. E o modulador é, então, ligado e ajusta-se a frequência de
modulação para um harmônico da frequência fundamental da cavidade. O
acoplamento híbrido de modos pode ser confirmado desligando e religando o
modulador, sem mexer em mais nada.
Com a cavidade em regime de acoplamento híbrido de modos, utilizando
absorvedores saturáveis de carbono e um modulador de fase, foi obtida uma
duração de pulso de (com uma taxa de repetição de 10 GHz) e uma
largura de banda de .
Comparando os resultados obtidos com as três cavidades montadas, é
possível perceber que: na cavidade em regime de acoplamento ativo de modos a
taxa de repetição é alta, de 10 GHz, mas o pulso obtido é largo, de 29,05 ps. Com a
cavidade em regime de acoplamento passivo de modos, o pulso obtido é curto, de
714 fs, porém a taxa de repetição é baixa, de 43,3 MHz, comparando um com o
outro. Já com a cavidade em regime de acoplamento híbrido de modos, a duração
do pulso obtida foi de 1,77 ps e embora o pulso obtido seja um pouco mais largo do
que o obtido com a cavidade passiva, a taxa de repetição do laser no regime híbrido
é de 10 GHz, ou seja, muito superior a taxa do acoplamento passivo de modos.
Assim, esses resultados mostraram que é possível operar o laser em regime de
acoplamento híbrido de modos. Ou seja, unir as vantagens do acoplamento ativo de
modos que são as altas taxas e, as vantagens do acoplamento passivo de modos
que são os pulsos curtos.
60
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