Alguns materiais, quando na forma vítrea, apresentam propriedades lineares e não lineares. Essas caracteristicas, associadas às propriedades mecânicas dos vidros, têm mostrado que se pode empregá-los na fabricação de dispositivos ópticos, como lasers, amplificadores e chaves ópticas.
Com o aumento do interesse nos vidros para lasers e dispositivos ópticos, as pesquisas neste sistema vítreo se desenvolveram ainda mais. Os vidros teluritos têm sido estudados por vários pesquisadores e aparecem como promissores para a construção de dispositivos aplicados às comunicações ópticas. Na década de 70, foram estudados lasers com telúrio, neodímio e outras terras raras. Vidros à base de óxido de telúrio têm atraído o interesse em aplicações como matrizes para íons de terras raras. Em geral, estes vidros apresentam índices de refração linear e não linear de alto valor, energias de modos vibracionais relativamente baixas se comparadas às de vidros a base de silicatos ou fosfatos, boa estabilidade vítrea e forte resistência à corrosão [35].
Duas conseqüências importantes estão relacionadas à energia dos modos vibracionais. Primeiro, as baixas taxas de transições não radiativas entre níveis eletrônicos energeticamente próximos em íons lantanídeos tripositivos. E, em segundo lugar, a janela de transparência estendida na região do infravermelho [36].
Os vidros a base de oxido de telúrio também apresentam alta solubilidade em relação à dopagem com íons de terras raras, principalmente o Érbio e o praseodímio. Além disso, não
necessitam de atmosfera especial para a produção da fase vítrea, possuindo baixa temperatura de transição vítrea, o que facilita sua fabricação [36].
Os vidros teluritos mostram boas características ópticas (80% de transmitância na faixa espectral entre 470 e 2.700 nm). Mostrou-se também que o óxido de Érbio (Er2O3) é altamente
solúvel em vidros teluritos. Na Tabela 3.1, apresenta-se uma comparação entre o vidro telurito e outros vidros. Das propriedades comparadas, nas três últimas, a solubilidade de terras raras, a durabilidade química e a solubilidade em água, o vidro telurito apresenta maior vantagem sobre os demais [37].
Tabela 3.1 – Comparação das propriedades de vidros [37]
Propriedades
Calcogeneto
Fluoreto
Sílica
Telurito
Índice de refração (589,9 nm) 2,83 1,5 1,46 1,8 – 2,3
Índice de refração não linear (n2, m2/W)
alto 10-21 10-20 2,5 x 10-19
Janela de transmissão (µm) 0,8 – 16 0,2 – 7,0 0,2 – 2,5 0,4 – 5,0
Densidade (g/cm3) 4,51 5,0 2,2 5,5
Transição vítrea (°C) 300 300 1000 300
Solubilidade de terras raras Baixa Regular Baixa Alta
Durabilidade química Regular Péssima Boa Boa
Solubilidade em água Baixa Solúvel Baixa Baixa
A possibilidade de se doparem vidros teluritos com altas concentrações de Er3+ permite a fabricação de dispositivos ópticos, tais como mini-lasers e amplificadores ópticos, de grande largura de banda. O alto índice de refração não-linear e a baixa energia de fônon fazem com que as fibras de vidro telurito sejam excepcionalmente apropriadas para aplicações não-lineares e para dispositivos amplificadores [17]. Nos espectros de secção eficaz ilustrados pela Fig. 3.6, observa-se que o vidro telurito apresenta a maior largura de banda na faixa de 1.550 nm se comparada à de sílica e à de fluoreto [17].
Em uma dopagem extremamente baixa, pode acontecer que o número total de íons disponíveis seja menor que o número de fótons incidentes. A amplificação do sinal é limitada pela disponibilidade de íons, isto é, que para melhorar o ganho é preciso incrementar os dopantes. Mas para alta dopagem têm-se problemas com a matriz: pode ocorrer a cristalização na base vítrea, a concentração de íons pode incorporar-se à base vítrea sem cristalização, dependendo
muito do sistema vítreo. E pode ocorrer também a chamada relaxação cruzada3 não radiativa entre os íons do Érbio, provocando uma diminuição na população de níveis excitados [37].
Figura 3.6 – Secção eficaz de emissão dos íons de Er3+em três matrizes vítreas [38].
Os sistemas de 3 níveis requerem potências relativamente elevadas de bombeio para conseguir-se a inversão de população. A dopagem com Érbio do núcleo da fibra óptica permite elevado confinamento e uma elevada sobreposição do sinal de bombeio na zona ativa. Este fato, associado a uma elevada densidade de potência do sinal de bombeio, favorecem a inversão de população e o ganho óptico nesses sistemas vítreos.
Na fibra microestruturada de vidro telurito estudada nesse trabalho, utilizou-se uma concentração de 7.500 ppm de Er3+. A Fig. 3.7 ilustra a eficiencia quântica em função da dopagem de Érbio para esta fibra. Para menores concentrações a eficiencia quântica decresce devido possivelmente, ao efeito do campo cristalino e, para maiores concentrações, decresce devido a efeito de relaxação cruzada (processo de up-conversion ) [17].
3
O processo de relaxação cruzada envolve dois íons vizinhos. No primeiro estado excitado 4I13/2 um íon transfere sua
energia para o outro, tendo como resultado um íon no segundo estado excitado 4I9/2 e outro no estado fundamental 4I15/2. O íon do
estado 4I9/2 decai rapidamente para o estado 4I13/2 e, como conseqüência do processo de relaxação cruzada, temos a perda de um
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 E fi c iê n c ia Q u â n ti c a (ηηηη ) Concentração de Er3+ (1019 íons/cm3) τmedido τcalculado η =
Figura 3.7 – Representação da eficiencia quântica devido à dopagem de íons Er2O3 da fibra de
vidro telurito [17].
A literatura tem apresentado inúmeros trabalhos demonstrando pesquisas realizadas em fibras de vidro teluritos dopados com Érbio [38,39] e Túlio [40]. Entretanto, observou-se que fibras de vidros teluritos dopadas com íons de Tm3+ mostram um problema intrínseco quando operando na terceira janela óptica, com o estado excitado inferior 3F4 apresentando maior tempo
de vida do que o nível superior 3H4, como na Fig. 3.8. Para contornar este problema, é necessária
a desativação do estado 3F4 dos íons de Tm3+. Um processo de desativação por meio da conversão
ascendente foi descrito na literatura com a utilização de bombeio em 1064 nm, pois este excita o nível 3H4 e depopula o nível 3F4 [41]. Outra possibilidade de se eliminar tal problema é codopar a
fibra com íons de hólmio (Ho3+) e utilizar comprimento de ondas de bombeio em 790 nm para o nível 3H4 do Tm3+. Alternativamente, pode-se utilizar um processo em cascata no qual o nível 3F4
é eficientemente depopulado pela emissão estimulada do nível 3H4 em 1860 nm durante o ciclo
com bombeio em 790 nm. No diagrama de nível de energia ilustrado na Fig. 3.8, apresentam-se os estados de energia dos íons Tm3+ e Ho3+ envolvidos na absorção e na emissão no infravermelho com respeito à emissão do Tm3+ em 1470 nm (3H4) e à emissão do Ho3+ (5I7), além
das as possíveis transferências de energia entre (Tm:Ho) e (Tm:Tm) nestes vidros teluritos dopados.
Embora fibras de sílica dopadas com Tm3+ e fibras de vidro fluoreto já tenham sido reportadas na literatura [41], a primeira sofre de problemas relacionados com a alta energia de fônons e a última com sua pobre estabilidade térmica e durabilidade química.
Figura 3.8 – Níveis de energia dos íons de Tm3+ e Ho3+ e métodos de inversão de população do
nível 3F4 [42].
Visando simplificar a produção do vidro dopado e possibilitar a utilização de comprimentos de onde de bombeio de baixo custo e comercialmente disponíveis, o grupo de fibras ópticas do IFGW/UNICAMP desenvolveu recentemente diferentes estruturas de vidro telurito dopado apenas com Érbio. Dada a possibilidade de aplicação destes vidros em amplificadores ópticos, o próximo capítulo apresenta um primeiro trabalho de caracterização destas fibras com aplicação de diferentes esquemas de bombeio em 980 nm.