doctoralThesis
Dinâmica em laser de semicondutor: efeitos de realimentação ótica na intensidade e na polarização
Autor
BARBOSA, Wendson Antonio de Sá
Institución
Resumen
Nessa tese apresentamos um estudo sobre a dinâmica caótica em lasers de semicondutor e os efeitos da realimentação ótica na intensidade e na polarização da luz emitida. Apresentamos resultados experimentais e também cálculos numéricos baseados em modelos de equações de taxa para esse tipo de laser. Discutimos as principais diferenças entre as características estruturais e de emissão dos lasers de semicondutor de cavidade vertical com emissão pela superfície, os VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) e de emissão pela borda, os chamados EEL (Edge-Emitting Lasers). Inicialmente mostramos resultados experimentais e teóricos dos efeitos de realimentação ótica nos lasers tipo EEL e também o sincronismo obtido através de acoplamento eletrônico de duas unidades desse tipo de laser. Nesse caso, para os cálculos numéricos usamos o modelo teórico proposto por Lang e Kobayashi em 1980 para lasers de semicondutor com realimentação ótica. As diferenças entre os lasers tipo EEL e VCSEL foram evidenciadas quando estudamos as propriedades da polarização da luz emitida. Devido à sua estrutura, os VCSELs apresentam emissão em diferentes modos de polarização. Descrevemos resultados experimentais e teóricos da dinâmica desses modos. O modelo teórico usado nos cálculos numéricos para os VCSELs foi o chamado modelo de Spin-Flip proposto por San Miguel, Feng e Moloney em 1995. Também obtivemos resultados experimentais da dinâmica caótica de um VCSEL operando no modo solitário. As intensidades dos modos ortogonais de polarização emitidos foram estudadas através séries temporais e suas estatísticas mostraram aparecimento de pulsos extremos raros cuja intensidade é muito superior à intensidade média dos pulsos. Em ótica, esses pulsos extremos são conhecidos como rogue waves ou simplesmente extreme events. Também discutimos a dinâmica desses lasers sob efeito de realimentação ótica. Embora tenha estrutura e características de emissão diferentes dos convencionais EELs, os VCSELs apresentam efeitos semelhantes aos EELs em sua intensidade quando a realimentação ótica é aplicada. Um exemplo é o aparecimento do chamado regime de flutuações de baixa frequência, mais conhecido como LFF (Low Frequency Fluctuations) que consiste em quedas irregulares na intensidade total do laser. Mostramos que nesse regime caótico as intensidades modos de polarização ortogonais emitidos podem apresentar dinâmicas com correlação de fase, anti-fase ou dinâmicas independentes um do outro. Discutimos essas diferentes dinâmicas usando conceitos como luz não polarizada, parâmetros de Stokes, fator de polarização e tempo de polarização. Também é discutido o efeito da filtragem na intensidade em diferentes escalas temporais da dinâmica. CNPq In this thesis the chaotic dynamics of semiconductor lasers and the effect of the optical feedback in the intensity and polarization of the emitted light is studied. We present experimental results and numerical calculations based on rate equations model for this type of laser. We discuss the differences between the structures and emission features of the Vertical-Cavity Surface- Emitting Lasers (VCSELs) and the Edge-Emitting Lasers (EELs). First, we show experimental and theoretical results of the optical feedback effects in EEL and the synchronism of two units of this kind of laser when they are electronically coupled. For this laser, our numerical calculations were done using the equations of the theoretical model for semiconductor lasers with optical feedback proposed by Lang and Kobayashi in 1980. The main difference between emission of the EEL and VCSEL is shown when we studied the properties of the polarization of the emitted light. Because of its structure, the VCSELs emits more than one modes of polarization simultaneously. We show experimental and theoretical results of the dynamics of these modes. O theoretical model used for the VCSELs was the well known Spin-Flip model proposed by San Miguel, Feng and Moloney in 1995. In this work, we also show experimental results of the chaotic dynamics of solitary VCSELs. The intensities of the orthogonal polarization modes were studied using time serie. The statistics of this time serie showed rare pulses with its intensity much larger than the average intensity of all the pulses. This pulses are known in the literature as rogue waves or extreme events. We also discuss the dynamics of this lasers under optical feedback effect. Although it has difference on its structure and emission features from the conventional EELs, the VCSELs show similar effects to the EEL when subjected to optical feedback. For example, the onset of the low frequency fluctuations regime (LFF) that are nothing more than irregular drops on the total intensity of the laser. In this regime of operation, we investigated the different dynamics of the polarization modes. The modes can present dynamics with phase and anti-phase behavior or totally independent dynamics. We discuss these different types of dynamics using concepts of non-polarized light, Stokes parameters, degree of polarization and polarization time. We also discuss the effect of intensity filters in different time scale of the dynamics.