Lasers semicondutores para comunicações coerentes e amplificadores de fibra óptica

Abstract

Procedeu-se a um estudo unificado das características de ruído e de modulação de lasers semicondutores Fabry-Perot ou DFB com realimentação óptica externa arbitrária. Através de uma análise de pequeno-sinal das equações de taxas e incluindo o efeito não-linear de compressão do ganho derivaram-se resultados inovadores nos seguintes tópicos: ruídos de intensidade e de frequência, largura espectral, respostas de modulação em intensidade e em frequência, redução do chirp, frequência e taxa de decaimento das oscilações de relaxação. Realizou-se a montagem laboratorial de um laser semicondutor de cavidade externa, tendo-se conseguido o seu funcionamento estável em modo único e uma largura espectral mínima de ≈1kHz. Demonstrou-se um novo método para a determinação da reflectividade externa efectiva, bem como uma nova técnica para a medição de larguras espectrais bastante estreitas. Em acordo com as previsões do modelo teórico, observou-se a saturação e o recrudescimento da largura espectral no regime de realimentação externa forte, o recrudescimento da largura espectral para comprimentos de onda suficientemente abaixo do pico da curva de ganho do laser durante o processo de sintonização larga, bem como a variação periódica da largura espectral durante o processo de sintonização fina. Analisaram-se as características da largura espectral e do funcionamento em modo único dos lasers DFB monoeléctrodo, tendo-se igualmente desenvolvido um modelo teórico para descrever as respostas de modulação dos lasers DFB com dois eléctrodos. Verifica-se que a resposta de modulação FM é geralmente bastante afectada no processo de sintonização do laser. Apresentou-se um modelo para descrever as características de sintonização e de ruído de lasers DBR. As principais limitações do processo de sintonização foram identificadas como sendo a absorção pelos portadores livres e a recombinação de Auger nas secções passivas. Num laser DBR com duas secções o ruído de frequência e de intensidade é bastante afectado pelo processo de sintonização, particularmente para valores baixos ou moderados do coeficiente de acoplamento da secção DBR. Para valores elevados deste coeficiente essa influência é irrelevante quando a sintonização é realizada apenas através da secção DBR, mas torna-se significativa quando se usa a corrente de controle de fase. Apresentou-se um modelo que descreve as características de modulação de lasers DBR com uma ou duas secções activas e uma ou duas secções passivas. Uma resposta FM uniforme e com elevada eficiência pode ser obtida por modulação através das secções passivas, mas a velocidade de modulação é limitada a algumas centenas de MHz pelo tempo de vida dos portadores. Criando na regiao activa duas secções com diferentes concentrações de portadores e modulando a secção em que essa concentração é inferior obtém-se uma resposta FM razoavelmente uniforme, numa banda de vários GHz. A modulação espúria de intensidade pode ser suprimida por modulação das duas secções em regime de "push-pull". Realizou-se um estudo das características de transferência, de ganho e de ruído dos amplificadores Raman e Brillouin de fibra óptica, tendo-se incluído efeito de vazamento não linear da potência de bombeamento. Analisou-se igualmente o impacto que a dispersão Brillouin estimulada pode ter nos amplificadores Raman de fibra e discutiu-se alguns resultados experimentais obtidos para este tipo de amplificador.

A unified study of the noise and modulation characteristics of Fabry-Perot and DFB semiconductor lasers with arbitrary external optical feedback is presented. By performing a small-signal analysis and taking into account the nonlinear gain saturation effect, generalisations of previous analytical results and novel features are presented in the following topics: intensity and frequency noise, intensity and frequency modulation responses, chirp reduction, frequency and damping rate of relaxation oscillations. An external cavity semiconductor laser (ECL), which showed a stable single-mode operation, was constructed and characterized. A new method is suggested to measure the effective external reflectivity and a new technique for linewidth measurements is demonstrated. A minimum linewidth of about 1 kHz was measured for the constructed ECL. Among other features and in agreement with the presented theoretical model, a saturation and rebroadening of the linewidth in the strong feedback regime, a rebroadening of the linewidth at shorter wavelengths relatively to the laser gain peak and a periodic variation of the linewidth by rottation of a transparent plate placed inside the external cavity are reported. The spectral linewidth and the single-mode operation characteristics of one-electrode DFB semiconducter lasers were analysed. A theorical model was presented to describe the frequency and intensity modulation responses of two-electrode DFB laser. A strong influence of the tuning process on the FM modulation characteristic of these lasers is observed. A theoretical model is presented to describe the tuning and noise characteristics of multi section DBR lasers. The main limitations to the tuning process were identified as the free carrier absorption and the Auger recombination on the passive sections. For a two-section DBR laser the frequency and intensity noise was shown to depend significantly on the tuning current, particularly at low frequencies and for low or moderate values of the grating coupling coefficient. For high values of this coefficient the tuning dependence is generally negligible when the tuning is performed only through the DBR section, but it becomes significant when using the phase control current. A theoretical model was developed to describe the modulation characteristics of DBR semiconductor laser width one or two active sections and one or two passive sections. An uniform and very efficient FM response can be obtained by modulation through one of the passive sections, but the modulation speed is limited to some hundred of MHz due to the carrier lifetime. However, a nearly flat FM response over several Hz can be achieved by nonuniform current injection and modulation of the lower carrier density section in the active region. A perfect cancellation of spurious intensity modulation together with the removal of the FM resonance peak seems to be possible by puh-pull modulation of the active sections with an appropriate current splitting ratio. A study was made of the gain, noise and transfer characteristics of Brillouin and Raman fiber amplifier, including the nonlinear pump power deplection effect. The impact of stimulated Brillouin scattering on the performance of a Raman fiber amplifier and the experimental results obtained with an amplifier of this type were also discussed.