Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3266556 bytes, checksum: 8fff5feabda41bc9480a61946ad6a5e5 (MD5) Previous issue date: 2015-08-20 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / When submitted to external perturbations semiconductor lasers are convenient systems for amplitude or frequency dynamics studies. Amplitude dynamics of the electromagnetic field of semiconductor devices have been studied in a large number of theoretical and experimental works in the last few decades, particularly under coherent optical feedback. New features in the operation of semiconductor lasers can be exploited when subjected to orthogonal optical feedback. In this work we present a systematic study of the dynamics in frequency observed in semiconductor lasers when subjected to an orthogonal and to a filtered orthogonal feedback. We analyze the frequency shift that occurs when part of the orthogonally polarized beam is re-injected in the cavity. We study the response of a semiconductor filtered to orthogonal feedback, considering two different spectral filters: an atomic transition and a diffraction grating. The orthogonal feedback filtered by an atomic line can be used in a technique to stabilize the laser frequency. We determine the conditions for which this stabilization is optimized and measure the response time of the semiconductor when subjected to orthogonal feedback. When we use the diffraction grating to filter the feedback light, we observe a new behavior: emission frequency oscillations. We show that the amplitude of these oscillations depends on the power of feedback and we try to measure the rate at which the laser emission frequency oscillates under these conditions. / Lasers semicondutores, quando submetidos a uma perturbação externa, são sistemas bastante convenientes para estudos de dinâmica em amplitude ou freqüência. Dinâmica na amplitude do campo eletromagnético de dispositivos semicondutores tem sido estudada em um grande número de trabalhos teóricos e experimentais nas ultimas décadas, particularmente para lasers submetidos a um retorno ótico coerente. Novas características na operação de lasers semicondutores podem ser exploradas quando estes são submetidos a uma realimentação ótica ortogonal. Neste trabalho apresentamos um estudo sistemático da dinâmica em freqüência observada em lasers semicondutores quando submetidos a uma realimentação ortogonal ou ortogonal filtrada. Analisamos o deslocamento em freqüência que ocorre quando re-injetamos parte do feixe laser com polarização cruzada na cavidade semicondutora. Estudamos a resposta dinâmica do laser semicondutor quando utilizamos realimentação ótica ortogonal filtrada, considerando dois filtros espectrais diferentes: uma transição atômica e uma grade de difração. A realimentação ortogonal filtrada por uma linha atômica pode ser usada como técnica para estabilização da freqüência do laser. Aqui determinamos sob quais condições esta estabilização é otimizada e medimos o tempo de resposta do semicondutor quando submetido à realimentação ortogonal. Quando fazemos uso de uma grade de difração para realimentar o semicondutor, observamos um comportamento novo: oscilações na freqüência de emissão. Mostramos que a amplitude dessas oscilações depende da potência de realimentação na cavidade laser e tentamos medir a taxa com que a freqüência de emissão laser oscila sob estas condições.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3266556 bytes, checksum: 8fff5feabda41bc9480a61946ad6a5e5 (MD5) Previous issue date: 2012-08-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / When submitted to external perturbations semiconductor lasers are convenient systems for amplitude or frequency dynamics studies. Amplitude dynamics of the electromagnetic field of semiconductor devices have been studied in a large number of theoretical and experimental works in the last few decades, particularly under coherent optical feedback. New features in the operation of semiconductor lasers can be exploited when subjected to orthogonal optical feedback. In this work we present a systematic study of the dynamics in frequency observed in semiconductor lasers when subjected to an orthogonal and to a filtered orthogonal feedback. We analyze the frequency shift that occurs when part of the orthogonally polarized beam is re-injected in the cavity. We study the response of a semiconductor filtered to orthogonal feedback, considering two different spectral filters: an atomic transition and a diffraction grating. The orthogonal feedback filtered by an atomic line can be used in a technique to stabilize the laser frequency. We determine the conditions for which this stabilization is optimized and measure the response time of the semiconductor when subjected to orthogonal feedback. When we use the diffraction grating to filter the feedback light, we observe a new behavior: emission frequency oscillations. We show that the amplitude of these oscillations depends on the power of feedback and we try to measure the rate at which the laser emission frequency oscillates under these conditions. / Lasers semicondutores, quando submetidos a uma perturbação externa, são sistemas bastante convenientes para estudos de dinâmica em amplitude ou freqüência. Dinâmica na amplitude do campo eletromagnético de dispositivos semicondutores tem sido estudada em um grande número de trabalhos teóricos e experimentais nas ultimas décadas, particularmente para lasers submetidos a um retorno ótico coerente. Novas características na operação de lasers semicondutores podem ser exploradas quando estes são submetidos a uma realimentação ótica ortogonal. Neste trabalho apresentamos um estudo sistemático da dinâmica em freqüência observada em lasers semicondutores quando submetidos a uma realimentação ortogonal ou ortogonal filtrada. Analisamos o deslocamento em freqüência que ocorre quando re-injetamos parte do feixe laser com polarização cruzada na cavidade semicondutora. Estudamos a resposta dinâmica do laser semicondutor quando utilizamos realimentação ótica ortogonal filtrada, considerando dois filtros espectrais diferentes: uma transição atômica e uma grade de difração. A realimentação ortogonal filtrada por uma linha atômica pode ser usada como técnica para estabilização da freqüência do laser. Aqui determinamos sob quais condições esta estabilização é otimizada e medimos o tempo de resposta do semicondutor quando submetido à realimentação ortogonal. Quando fazemos uso de uma grade de difração para realimentar o semicondutor, observamos um comportamento novo: oscilações na freqüência de emissão. Mostramos que a amplitude dessas oscilações depende da potência de realimentação na cavidade laser e tentamos medir a taxa com que a freqüência de emissão laser oscila sob estas condições.

[pt] Os amplificadores a fibra dopada com érbio (EDFAs) têm se mostrado como uma alternativa bastante atraente para aumentar a capacidade de sistemas de comunicações por fibras ópticas operando na terceira janela de transmissão de fibras convencionais (lambda = 1.55 mi m). Consideráveis esforços têm sido direcionados ao aprimoramento do desempenho desses dispositivos. O potencial de aplicação em telecomunicações é grande e motiva o estudo do desempenho dos enlaces com o uso de EDFAs. A maior parte das contribuições teóricas sobre influência de amplificadores ópticos no desempenho dos receptores consiste de métodos que são fáceis de usar mas muito aproximado - o que pode conduzir a estimativas bastantes imprecisas -, ou muito precisos mas de utilização extremamente difícil - devido a uma complexidade inerente. São apresentados modelos para a simulação de sistemas de comunicações ópticos digitais que consideram as perdas no sinal e as distorções da forma de onda devidas ao efeito combinado do chirping do laser, da dispersão da fibra e da largura de banda finita do receptor. É proposta uma nova abordagem para o cálculo da taxa de erro do sistema e da sensibilidade, que possui a precisão e a simplicidade desejadas. O método desenvolvido considera a interferência intersimbólica (causada pelas distorções) e das contribuições de ruídos dos amplificadores, utilizando-se o método semi-analítico. Esses modelos e o método desenvolvido foram utilizados para introduzir a simulação de sistemas ópticos com EDFAs em um programa já existente de análise de sistemas. Foram realizadas simulações para avaliar as contribuições dos diversos parâmetros dos EDFAs e as implicações de algumas propriedades do sistema no desempenho total do sistema óptico. A comparação com resultados de análises rigorosas, encontrados na literatura, validou a abordagem proposta. / [en] Erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) have shown to be a very attractive alternative to improve the capacity of optical-fiber communications systems operating in the third transmission window of conventional fibers (lambda = 1.55 mi m). Considered efforts have been made towards the performance enhancement of these devices. The possible application potential in telecommunications is indeed large, and has simulated the study of system performance using EDFAs. Most of the previous theoretic contribuitions on the influence of optical amplifiers in the receiver performance consist of methods that are either easy to use but over-approximated - what can lead to quite inaccurate evaluations - or very precise but extremely difficult to use - due to some inherent complexity. Models for the simulation of digital optical communication systems are presented, which account for signal loss and distortion - due to laser chirping, fiber dispersion and detector finite bandwidth. A new semi-analytical method for the evaluation of bit-error rate (BER) and receiver sensitivity is introduced, which possesses the desired accuracy and simplicity. It takes into account the presence of inter-symbol interference (due to signal distortion) and the optical amplifier noises. These modesl and the developed method jhave been the used for introducing simulation of optical systems with EDFAs into a previously existing system evaluation software package. A numbe of simulations was carried out in order to estimate the contribution of EDFA parameters and implications of some system properties in the final performance of the optical system. The comparison with results from rigorous analysis, found in the literature, has validated the proposed approach.

[pt] Neste trabalho apresenta-se um estudo do comportamento dinâmico de laser semicondutor modulado diretamente em intensidade sob fracos e fortes sinais. Através da utilização de dispositivo passivo (filtro supressor) e ativo (FET de dupla porta) de microondas aplaina-se a resposta em freqüência numa faixa em torno de 1,5 GHz. Resultados medidos e modelados são comparados mostrando boa concordância. / [en] This work presents a study of the dynamic behaviour of a semiconductor laser under small and large signal direct intensity modulation. A flat frequency response can be obtained in a bandwidth of around 1,5 GHz by using passive (suppressor filter) and an active (dual-gate FET) microwave device. The measured and modeled results are compared showing good agreement.

[pt] Propriedades dinâmicas dos lasers semicondutores monomodo têm sido investigadas utilizando-se diferentes sistemas ópticos de medição. Sistemas ópticos integrados auto- homódino e heteródino foram montados para a medição da modulação em intensidade (IM) e freqüência (FM) e para a obtenção do fator de alargamento da largura de linha (alfa) de três lasers semicondutores de realimentação distribuída (DFB) de seção única. O sistema auto-homódino foi pela primeira vez empregado na obtenção do fator de alargamento da largura de linha. Este sistema mostrou-se mais estável, prático e as medidas apresentam melhor reprodutibilidade que no sistema heteródino, uma vez que é possível obter as características de IM, FM e o parâmetro alfa em uma única medida sem o uso de um outro laser semicondutor como oscilador local. O outro sistema utilizador foi o interferômetro de Mach- Zehnder com detenção balanceada montado com elementos discretos. É possível medir as características de modulação e ruídos dos dispositivos com este interferômetro empregado como discriminador de freqüência. Com este instrumento foi feita a caracterização dinâmica de lasers DFB de seção única, DBR de múltiplas seções e grating assisted codirectional coupler with rear sampled reflector (GCSR) lasers. Foi analisado e pela primeira vez quantificado o efeito de desintonização carrregada em lasers GCSR, pelas medidads de resposta da IM, ruído de freqüência e largura de linha. A realização da caracterização das propriedades dinâmicas de lasers GCSR de larga sintonia é de grande importância, uma vez que muito pouca informação está disponível sobre o assunto pois a estrutura do dispositivo foi desenvolvida recentemente. O lasers GCSR possui quatro seções, uma seção de ganho e três sintonia. Estes dispositivos possuem sintonia quase-contínua de 1520 a 1560nm. Características como ruído de intensidade relativo (RIN), ruído de freqüência, largura de linha, resposta a modulação de amplitude e de freqÜência foram investigadas sob diferentes condições de funcionamento. O comportamento da largura de linha, freeqüência de ressonância, largura de faixa de modulação e varredura em freqüência foi analisado em dez comprimentos de onda espaçados de 4nm dentro da faixa de sintonia. A resposta IM tem características quase constantes sobre a faixa de sintonia e a resposta FM é comparável ou melhor que em lasers com refletor de Bragg distribuído (DBR). O fator de alargamento da largura de linha (alfa) foi obtido de forma inédita pelo uso do interferômetro de Mach-Zehnder com detecção balanceada pela medida das respostas AM e FM, alfa tem seu valor máximo no lado dos comprimentos de onda mais longos e decresce na direção dos comprimentos de onda mais curtos. Foi observado uma melhora em algumas prorpiedades do laser como: redução do ruído de freqüência, largura de linha e aumento da largura de faixa de modulação com a sintonia da seção de fase. Isto é característico da ocorrência do efeito de desintonização carregada (detuned loading effect), o qual geralmente ocorre em lasers DBR. Este efito explica o comportamento observado da largura de linha, largura de faixa de modulação e parâmetro alfa na faixa de sintonia. / [en] Dynamic properties of single mode semiconductor lasers have been investigated using different optical set-ups. Intergrated optical self-homodyne and heterodyne systems were mounted to measure the intensity (IM) and frequency (FM) modulation responses and to obtain the linewidth enhancement factor (a) of three single-section distributed feedback lasers (DFB). The self-homodyne interferometric system was used for the first time to obtain the linewidth enhancement factor. This system is more stable, reproducible and practical than the heterodyne set-up, since it is possible to obtain IM, FM characteristics and a parameter in one measurement without using another semiconductor lase as a local oscillator. The other system used was the Mach-Zehnder interferometer with balanced detection mounted with discrete optical elements. This instrument works as a frequency discriminator, therefore, it is possible to anlyse the modulation and noise properties of semiconductor lasers with one or more sections. Single section DFB lasers, multi-section DBR and grating assisted condirectional coupler with rear sampled reflector (GCSR) lasers were characterised using the interferometer. Measuring the IM response, frequency noise and linewidth of GCSR lasers it was possible to study the detuned loading effect in these devices. This effects was quantified for the first time in this work. The dynamic characterisation of widely tunable GCSR lasers is really relevant, once very little information is available about these devices and their structure was developed recently. The GCSR laser has four sections, one gain section and three tuning sections. These devices have quasi-continous tuning range from 1520 to 1560 nm. The relative intensity noise (RIN), frequency noise and linewidth characteristics, amplitude modulation (AM) and FM responses were measured at ten different wavelength spaced by 4 nm on the tuning range. The AM response hag quasi-constant characteristics on the tuning range and the FM response is comparable or better than on ordinary distributed Bragg reflector lasers (DBR). A new technique for a parameter extraction was developed measuring AM and FM responses using a Mach-Zehnder interferometer with balanced detection. The calculated a aparameter has a maximum value in the long wavelength side and decreases in the direction of the short wavelength side. An improvement of some laser properties like frequency noise, linewidth and modulation bandwidth with the phase tuning was observed. These are characteristics of the detuned loading effect, which usually occurs in DBR lasers. This effect explains the linewidth, bandwidth and a parameter behaviour on the tuning range.

[pt] Este trabalho apresenta alguns estudos experimentais sobre a geração de pulsos óticos curtos com lasers semicondutores e a deteção desses pulsos. Descreve-se inicialmente a geração de pulsos elétricos curtos com geradores a transistor avalanche e chaves fotocondutivas. Foi desenvolvido um modelo de circuito equivalente para lasers multi-modos, que permite simular com precisão a resposta ótica do dispositivo para diferentes condições de alimentação. Foram também desenvolvidos transformadores de impedância de larga banda passante. Linhas de transmissão de diversos tipos e substratos de diferentes constantes dielétricas foram empregados. Comprovou-se experimentalmente a melhoria da resposta ótica do laser a pulsos curtos de corrente com o uso desses transformadores, comparada com os arranjos convencionais. Mostrou-se também experimentalmente que os transformadores aqui desenvolvidos proporcionam um aumento significativo na largura de banda de sistemas de fotodetetores rápidos. São apresentados resultados experimentais de geração de pulsos óticos curtos com lasers semicondutores, usando-se as técnicas de mode-locking e chaveamento de ganho. Finalmente são sugeridas algumas técnicas alternativas para a medição indireta dos pulsos gerados pelo processo de mode-locking, e são mostrados alguns resultados preliminares. / [en] This work presents experimental studies on the generation of short duration optical pulses with semiconductor lasers and the detection of these pulses. The generation of high- speed electrical pulses with avalanche transistors and photoconductive switches is described. An equivalent circuit model for multimode lasers was developed, which permits simulating accurately the optical response of the devide under various bias conditions. Impedance transformers of large bandwidth were also developed. Transmission lines of several types and substrates with various dielectric constants were employed. A significant improvement of the optical response of the laser to short duration current pulses was experimentally observed with the use of the transformers, compared to conventional arrangements. It was also observed a significant increase in the bandwith of high- speed photodiode systems. Results are describe on the generation of short duration optical pulses with semiconductor lasers, using the techniques of mode-locking and gain switching. Finally, alternative high-speed techniques are suggested for the measurement of the pulses generated by mode-locking, and preliminary results are presented.

[pt] Neste trabalho apresenta-se a implementação de um sistema de medição de pulsos ópticos curtos gerados por lasers semicondutores. Através de uma técnica indireta de medida, que usa a radiação de segundo harmônico gerada internamente nesses lasers, a duração dos pulsos curtos de luz é estimada. São apresentadas as principais considerações teóricas e experimentais envolvidas com a emissão de segundo harmônico em diodos lasers e são discutidas as principais limitações da técnica. Mostra-se que embora a determinação exata da duração dos pulsos exija medidas adicionais, é possível inferir com boa resolução temporal a duração de pulsos ópticos gerados nos regimes de chaveamento de ganho e mode-locking. / [en] In this work the implementation of a measurement system of short optical pulses generated by semiconductor lasers is presented. This indirect method estimates the pulse duration using the internally generated second harmonic radiation from these lasers. The main theoretical and experimental considerations related with the second harmonic emission are also presented. Although the precise pulse duration requires aditional measurements it is possible to estimate the duration of optical pulses generated by gain-switching and mode-loching regimes with good time-resolution.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2016-03-16T11:48:24Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3030423 bytes, checksum: 121b1c06c249f60685f65714d1f26c0e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-16T11:48:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3030423 bytes, checksum: 121b1c06c249f60685f65714d1f26c0e (MD5) Previous issue date: 2014-08-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Here we present a systematic analysis of the dynamics in the frequency of semiconductor lasers in systems under orthogonal optical feedback or external injection, with and without frequency discriminator. We measure the parameter of proportionality between the change of frequency and the power level of the orthogonally polarized light injected into the cavity. We perform an application of this injection technique for frequency sweep that allows varying the frequency in a range of tens of GHz and apply it in an experience of spectroscopy. This technique allows frequency sweep without changing the main laser power, which is fed by another, control laser, whose wavelength is di erent from the principal. We have analyzed the dynamics of the semiconductor laser frequency subject to orthogonal optical feedback and injection in a con guration where a di raction grating works as a spectral lter. Using a di raction grating as frequency discriminator in these systems, we observe a dynamical behavior in the laser emission frequency. / Apresentamos neste trabalho uma an alise sistem atica em rela c~ao a din^amica em frequ^encia de lasers semicondutores em sistemas sob realimenta c~ao e inje c~ao otica ortogonal com e sem discriminador de frequ^encia. Medimos o par^ametro de proporcionalidade entre o deslocamento em frequ^encia e a varia c~ao da pot^encia injetada ortogonalmente na cavidade. Montamos alguns sistemas com a nalidade de varrer a frequ^encia de emiss~ao de um laser semicondutor, explorando con gura c~oes sob inje c~ao otica ortogonal. Entre elas, zemos uma aplica c~ao de uma t ecnica que permite obter uma varia c~ao de dezenas GHz em uma experi^encia de espectroscopia, sem variar a pot^encia de sa da do laser principal o qual e alimentado por outro laser de controle com comprimento de onda diferente do principal. Analisamos a dinamica em frequencia do laser semicondutor sujeito a realimenta cao e inje cao otica ortogonal com uma grade de difra cao empregada como ltro espectral. Usando uma grade de difra cao como discriminador de frequencia nesses sistemas, observamos um comportamento semelhante a uma oscila cao na frequencia.