Dinâmica em laser de semicondutor: efeitos de realimentação ótica na intensidade e na polarização

Abstract

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.