Desenvolvimento e caracterização de amplificadores paramétricos e de aplificadores e lasers à fibra dopada com Túlio

Abstract

Nessa tese estudamos do ponto de vista teórico e experimental, dois tipos de amplificadores ópticos, os Amplificadores Paramétricos de Fibra Óptica (FOPAs) e os Amplificadores de Fibra Dopada com Túlio (TDFAs) além de lasers de fibra óptica. Nos amplificadores paramétricos sinais copropagantes com um feixe intenso de bombeamento são amplificados devido à não linearidade Kerr da fibra ´óptica, que transforma fótons de bombeamento em fótons de sinal por mistura de quatro ondas ocasionada pela modulação do ´índice de refração da fibra ´óptica. O processo, para ocorrer de forma eficiente, requer o casamento de fase entre os fótons gerados, o que depende, por sua vez, das propriedades de dispersão da fibra. A amplificação por fibras dopadas explora a emissão estimulada da radiação. Nesses sistemas, a fluorescência de íons de terras raras, presentes no núcleo da fibra, e excitados por um feixe de bombeamento é estimulada durante a propagação dos sinais na fibra. Ao contrário dos FOPAs esse mecanismo requer fibras especiais dopadas com esses elementos que têm um papel ativo no sistema. Para os FOPAs, abordamos o uso da dispersão da velocidade de grupo e sua derivada segunda para projetar um FOPA com bombeamento único em um único segmento de fibra com ganho plano e mais largo que os FOPAs usuais. Obtivemos relações teóricas relacionadas com os parâmetros relevantes da fibra (não linearidade) e do sistema (potências do bombeamento e dos sinais) que permitem a determinação do comprimento de fibra ótimo e ganho máximo nessas condições. Também introduzimos um esquema de bombeamento em paralelo, permitindo obter maior largura de banda em futuros sistemas de telecomunicações com amplificadores baseados nessa tecnologia. Finalmente caracterizamos experimentalmente o ganho de FOPAs constituídos de fibras de dispersão deslocada (DSF) e com elevada não linearidade (HNLF). Foi possível obter, com esses experimentos, estimativas do comprimento de onda de dispersão nula e da curva de dispersão para valores próximos do zero de dispersão. Abordamos também os mecanismos de amplificação em fibras dopadas com túlio com duplo bombeamento em 800 nm e 1050nm com simulações teóricas baseadas nas equações de taxa, reproduzindo recentes resultados experimentais do nosso grupo de pesquisas. Ainda explorando fibras dopadas com túlio, construímos lasers para emissão em ~800nm e iii~1470nm com bombeamento em 1050nm e cavidades no espaço livre e em anel. Nessa última, a inserção de uma Fibra com Grade de Bragg (FBG) permitiu o travamento do comprimento de onda de emissão. Esses lasers foram caracterizados, em função do tipo de cavidade e da ocupação populacional dos níveis envolvidos no processo de emissão laser