Development of passive ultrafast fiber lasers at telecom wavelengths using indium nitride as saturable absorber
- Autores: Marco Jiménez Rodríguez
- Directores de la Tesis: Fernando Bernabé Naranjo Vega (dir. tes.), Miguel González Herráez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2018
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Diego Ania Castañón (presid.), Óscar Esteban Martínez (secret.), Cesar Jauregui Misas (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
Esta tesis doctoral se centra en la investigación de nuevas tecnologías para la fabricación de láseres ultrarrápidos de fibra óptica anclados en modos (mode-locked), con emisión a la longitud de onda de las telecomunicaciones (Banda-C, 1.53-1.57 µm). Para ello, se proponen los siguientes absorbentes saturables: InN en estado masivo (bulk) y pozos cuánticos de InN/InGaN. Todos los dispositivos han sido depositados sobre el mismo sustrato comercial (zafiro con GaN como capa amortiguadora) mediante la técnica de epitaxia de haces moleculares. Ciertas propiedades de los nitruros del grupo III los hace ideales para esta aplicación: su energía prohibida (band gap energy) es directa, tienen alta estabilidad térmica y química y poseen una gran resistencia frente a la radiación.
A lo largo de esta tesis se ha realizado un estudio en profundidad de los absorbentes saturables. Por un lado, comenzaremos viendo desde un punto de vista formal sus propiedades morfológicas y estructurales. Por otro lado, se ha llevado a cabo una completa caracterización de las propiedades ópticas de estos materiales, entre las que se han realizado medidas de óptica lineal, a partir de las cuales se ha estimado una energía prohibida de 0.8 eV (1.55 µm) para las muestras bulk. En relación a la caracterización óptica no lineal de las estructuras, se ha conseguido demostrar que estos materiales poseen un comportamiento muy no lineal, llegando a mostrar profundidades de modulación que superan el 30 %, pero también altas fluencias de saturación, por encima de los 200 µJ/cm2 . Sin embargo, todas las estructuras estudiadas han demostrado que pueden ser bombeadas con hasta 100 mJ/cm2, sin llegar a mostrar indicios de daño óptico. Con lo cual, podría tratarse de dispositivos muy prometedores para aplicaciones a altas energías.
También se ha desarrollado y caracterizado un espejo de absorción saturada basado en semiconductor, depositando para ello una capa de Al sobre una de las muestras de InN bulk. Este nuevo dispositivo debería aportar al sistema beneficios adicionales como por ejemplo mayor longitud neta de absorción y una mayor longitud de la capa efectiva. En relación a los pozos cuánticos, los resultados no han sido concluyentes, ya que su respuesta no lineal no ha demostrado ser tan elevada como en el caso de las muestras de InN masivo, y, por lo tanto, se debe asumir que dichos dispositivos no son tan eficientes.
Se ha conseguido anclar en modos un láser de fibra óptica, utilizando para ello un amplificador de fibra dopada con Erbio como medio de ganancia e introduciendo el absorbente saturable en el seno del resonador. Los resultados obtenidos son prometedores, puesto que los láseres emiten pulsos ultracortos, cuya duración temporal es de 220-250 fs, con una tasa de repetición aproximada de 5 MHz. Utilizando los absorbentes saturables en transmisión, se ha obtenido una potencia de pico de hasta 26.5 kW y una energía por pulso de 5.8 nJ. Estos valores aumentan en el caso del absorbente saturable en reflexión, obteniendo hasta 42 kW y 10 nJ. Se ha utilizado el mismo medio de ganancia en todos los láseres desarrollados, para poder comparar correctamente los resultados obtenidos.
Además, el hecho de introducir estos dispositivos basados en InN, hace que los láseres muestren independencia de la polarización. Todos los láseres estudiados tienen un arranque automático (self-starting), y sus cavidades han sido diseñadas según la técnica de dispersion management.
Los experimentos realizados a lo largo de esta tesis sitúan al InN como un material muy prometedor para su aplicación en el diseño de láseres ultrarrápidos con emisión en la longitud de onda de las telecomunicaciones
- English
This thesis focuses on the research of new technologies for fabrication of passive ultrafast mode-locked fiber lasers, operating at telecom wavelengths (C-band, 1.53-1.57 µm). For this purpose novel saturable absorbers based on indium nitride (InN) are proposed, which have been deposited using molecular beam epitaxy. This material presents unique properties such as direct band gap energy, high thermal and chemical stability, and high radiation hardness.
In this thesis, the InN based structures have been completely characterized, being particularly detailed the optical characterization of both the linear and nonlinear behavior. The developed devices have demonstrated high nonlinear optical effects, with modulation depth over 30%. Moreover, they have proved to support over 100 mJ/cm2, with no sign of apparent optical damage, converting them in promising devices for high energy applications.
Also, the design and fabrication of laser resonators have been carried out. For this purpose, optical fiber has been used as active medium, besides the InN-based saturable absorbers for achievement of the mode-locking. The developed lasers deliver ultrashort pulses (200-250 fs) with high peak power (over 40 kW). Furthermore, all the lasers using InN based saturable absorbers have exhibited properties such as polarization independence or self-starting operation.
For all the experiments that have been performed along this work, InN can be situated as a promising material for application in the design of ultrafast lasers with emission at telecom wavelengths.
- español
