Development of passive ultrafast fiber lasers at telecom wavelengths using indium nitride as saturable absorber

Resumen

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