Dans cette thèse nous décrivons l'étude expérimentale et théorique d'un modulateur à électro-absorption (EAM) en vue de son intégration verticale sur un VCSEL (Laser à Cavité Verticale Emettant par la Surface) pour des communications optiques à très hautes fréquences. La modulation externe de la lumière émise par le VCSEL, alimenté en continu, permet de s'affranchir de la limite physique due à la dynamique des porteurs et devrait donc permettre d'augmenter la bande passante comparé à un VCSEL à modulation directe. Notre approche permet de considérablement diminuer la surface utile de par son intégration monolithique verticale et ainsi la consommation électrique. La première partie est consacrée au design du composant EAM-VCSEL. Tout d'abord nous expliquerons l'effet d'électro-absorption et comment le modéliser, sa combinaison avec la méthode de transfert matricielle, et son implémentation pour optimiser les paramètres physiques des puits quantiques tels que : l'épaisseur, la concentration d'aluminium dans les barrières et le champ électrique à appliquer. Ensuite, basé sur l'état de l'art des modulateurs verticaux, nous présenterons la conception d'une structure Fabry-Pérot asymétrique pour augmenter l'effet d'absorption dans la cavité. Cette structure optimisée du modulateur sera ensuite intégrée sur une structure standard de VCSEL tout en considérant le découplage optique entre ces cavités. Je présenterai ensuite la fabrication de ces composants complexes. Nous aborderons la croissance des structures EAM et EAM-VCSEL avec notamment l'optimisation de la calibration des cellules et les caractérisations après croissance. Ensuite nous présentons un procédé lift-off innovant visant à faciliter le procédé complet. Ce procédé sera utilisé pour fabriquer le modulateur afin de le caractériser en régime statique. Nous démontrons ainsi son fonctionnement en mesurant la réflectivité en fonction de la température et de la tension appliquée ce qui nous permet d'avoir une validation du modèle précédent. Nous présentons enfin la caractéristique LIV du modulateur-VCSEL ainsi que son spectre en longueur d'onde.[...] / In this PhD thesis, we describe experimental and theoretical studies on Electro-Absorption Modulator (EAM) for its vertical integration onto a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) to reach high-speed modulation for optical communications. The external modulation of the emitted light by the VCSEL, biased in continuous-wave, avoids the physical limitation due to the carrier dynamics encountered in directly-modulated lasers and thus enables very high frequency bandwidth. Furthermore, this fully monolithic integrated approach decreases the footprint and thus the energy consumption. In the first part of the manuscript, we describe the design of the EAM-VCSEL device. First, we explain the electro-absorption effect and its modelling; its combination with the transfer matrix method, and the implementation of the combined model for optimization of the quantum well parameters: thickness, barrier Al-content and applied electric field. Then, based on the state-of-the-art of the vertical modulators, we design an Asymmetric Fabry-Perot modulator structure to improve the electro-absorption in the top cavity. This EAM structure is integrated onto a standard VCSEL device while considering the decoupling between the two cavities. I present afterwards the fabrication of these complex devices. The epitaxial growth of EAM and EAM-VCSEL structures is presented as an implementation of pre-growth calibration routine to achieve the expected characteristics and the post-growth characterization of the wafers. Then, we present an innovative technological solution used to facilitate the global process. We used a double resist stack for a self-aligned process for the modulator, useful for the mesa etch, the sidewalls passivation and the metallization, all realized with only one single photolithography step. This process is used for the static characterization of the EAM. We demonstrate the feasibility of these devices by carrying out static reflectivity measurements as a function of the temperature and the applied EAM voltage. This allows to validate the previous absorption model. We also present the static characterization of the EAM-VCSEL with LIV curves and spectrum measurements. [...]

Nous avons élaboré dans ce travail des dispositifs semiconducteurs pompés électriquement (1/2VCSEL) qui représentent la partie semiconductrice d'un laser en cavité verticale externe (VECSEL). Ces structures comportent un miroir de Bragg, une zone active à base de puits quantiques et une jonction tunnel. Elles sont épitaxiées sur un substrat d'InP afin de pouvoir s'accorder avec une zone active émettant à une longueur d'onde de 1,55µm. Le confinement du courant d'injection est assuré par l'implantation protonique ou par la gravure latérale de la jonction tunnel. Nous avons observé pour la première fois à notre connaissance l'effet laser sous pompage électrique continu et à température ambiante d'un VECSEL opérant à 1,55µm pour des diamètres de surface d'injection allant jusqu'à 50µm dans une cavité de géométrie plan-concave. Nous avons montré une émission monomode transverse (TEM00) et multimode longitudinale dans une cavité de 10 mm de longueur, les densités de courant de seuil sont de l'ordre de 1,8 kA/cm2 la puissance maximale récoltée en sortie est de 0,3mW à une température ambiante. Nous avons également montré une émission laser sur un seul mode longitudinal avec une accordabilité de la longueur d'onde émise grâce à l'ajustement de la longueur de la cavité sur 15nm en régime d'injection continu et de 25nm en régime pulsé. La puissance de sortie reste limitée par une mauvaise dissipation thermique dans le 1/2 VCSEL du fait de l'utilisation de matériaux quaternaires dans le miroir de Bragg. L'amélioration de ces dispositifs en terme de puissance de sortie passe inévitablement par l'utilisation de miroirs de Bragg de meilleures conductivités thermiques.

Les fluctuations d'intensité ou de fréquence observées en sortie de cavité émettrice représentent une caractéristique essentielle des lasers à semi-conducteur. Le bruit est d'une part une conséquence directe de la nature corpusculaire de la lumière et permet ainsi d'approcher les processus physiques mis en jeu dans la cavité laser. D'autre part, le bruit définit les limites fondamentales pour l'utilisation des composants concernés dans les expérimentations où la sensibilité est un facteur clé, ainsi que dans les systèmes de communication à haut débit. Ainsi, l'étude du bruit et la compréhension des mécanismes associés sont d'une importance primordiale, sur le plan de la physique fondamentale et également d'un point de vue technologique.

Dans un premier temps, nous avons optimisé des structures laser VECSEL dans le but de maximiser la puissance émise par une gestion thermique adéquate. Les structures conçues et fabriquées contiennent une zone active à base d’InP pour l’émission à 1.55 µm. Un miroir hybride métal- semiconducteur à base d’un miroir de Bragg GaAs/AlAs est intégré à la zone active. La structure semiconductrice est intégrée avec différents substrats hôtes de bonne conductivité thermique sur la base de simulations numériques, et les performances des dispositifs fabriqués sont évaluées expérimentalement sous pompage optique Les VECSELs intégrés sur substrat diamant CVD présentent les puissances de sortie les plus élevées, et sont de bons candidats pour l’émission de puissance (> 500 mW) à 1.55 µm et pour les expériences de blocage de modes. D’un autre côté nous montrons que l’intégration d’un substrat de cuivre par voie électrochimique représente une approche flexible et faible-coût, pour atteindre une puissance de sortie de plusieurs dizaines de mW jusqu’à ~ 200 mW.Dans un second temps, nous avons développé des SESAMs à 1.55 µm. La région active est formée de puits quantiques InGaAsN/GaAs, couplés par effet tunnel à des plans GaAsN à recombinaison rapide. Des temps caractéristiques de recouvrement de l’absorption de quelques picosecondes à la dizaine de picoseconde sont ainsi mesurés.La résonance de la microcavité SESAM est ajustée de manière contrôlée grâce à des couches de phase spécifques épitaxiées en surface de la structure. La gravure sélective couche par couche des couches de phase permet d’accorder la profondeur de modulation et la dispersion de vitesse de groupe (GDD) de la structure SESAM.Finalement nous avons assemblé les structures SESAM et VECSEL dans une cavité à quatre miroirs pour obtenir un fonctionnement laser en régime de blocage de modes passif. Nous observons que la durée de l’impulsion de blocage de modes peut être réduite de plusieurs picosecondes (~ 10 ps), jusqu’à moins de la picoseconde (0.9 ps) en accordant la GDD de la structurre SESAM. / In a first step, we have developed and implemented VECSEL structures, aiming at maximizing the laser output power through a proper thermal management. The fabricated VECSEL chips contain an InP-based active region for emission at 1.55 µm. A hybrid metal-GaAs/AlAs Bragg mirror is used to achieve efficient dissipation of the heat generated in the active region. The semiconductor structure is integrated to various host substrates and the VECSEL performances are investigated numerically and experimentally. VECSELs with CVD diamond substrates have the best overall performance and are promising for large output power (> 500 mW), while electroplated copper substrate is demonstrated to be a flexible and cost-effective approach for thermal management in 1.55 µm OP-VECSEL in order to achieve output power of several tens of mW to ~ 200 mW. The second part of the work is devoted to the development of SESAM structures at 1.55 µm. The structures include an active region consisting of InGaAsN / GaAs quantum wells surrounding by GaAsN planes, allowing to achieve absorption relaxation time of few picoseconds. The SESAM microcavity resonance was adjusted via a selective etching of phase layers specifically designed to control the magnitude of both the modulation depth and the intra cavity group delay dispersion of the device.Finally, assembling VECSEL and SESAM chips in a cavity, we observe experimentally that the mode-locked pulse duration could be reduced from several picoseconds to less than one picosecond when the resonance and group delay dispersion of the SESAM microcavity are tuned.

Dans un premier temps, nous avons optimisé des structures laser VECSEL dans le but de maximiser la puissance émise par une gestion thermique adéquate. Les structures conçues et fabriquées contiennent une zone active à base d'InP pour l'émission à 1.55 µm. Un miroir hybride métal- semiconducteur à base d'un miroir de Bragg GaAs/AlAs est intégré à la zone active. La structure semiconductrice est intégrée avec différents substrats hôtes de bonne conductivité thermique sur la base de simulations numériques, et les performances des dispositifs fabriqués sont évaluées expérimentalement sous pompage optique Les VECSELs intégrés sur substrat diamant CVD présentent les puissances de sortie les plus élevées, et sont de bons candidats pour l'émission de puissance (> 500 mW) à 1.55 µm et pour les expériences de blocage de modes. D'un autre côté nous montrons que l'intégration d'un substrat de cuivre par voie électrochimique représente une approche flexible et faible-coût, pour atteindre une puissance de sortie de plusieurs dizaines de mW jusqu'à ~ 200 mW.Dans un second temps, nous avons développé des SESAMs à 1.55 µm. La région active est formée de puits quantiques InGaAsN/GaAs, couplés par effet tunnel à des plans GaAsN à recombinaison rapide. Des temps caractéristiques de recouvrement de l'absorption de quelques picosecondes à la dizaine de picoseconde sont ainsi mesurés.La résonance de la microcavité SESAM est ajustée de manière contrôlée grâce à des couches de phase spécifques épitaxiées en surface de la structure. La gravure sélective couche par couche des couches de phase permet d'accorder la profondeur de modulation et la dispersion de vitesse de groupe (GDD) de la structure SESAM.Finalement nous avons assemblé les structures SESAM et VECSEL dans une cavité à quatre miroirs pour obtenir un fonctionnement laser en régime de blocage de modes passif. Nous observons que la durée de l'impulsion de blocage de modes peut être réduite de plusieurs picosecondes (~ 10 ps), jusqu'à moins de la picoseconde (0.9 ps) en accordant la GDD de la structurre SESAM.

Le mélange de deux faisceaux laser sur un photo-détecteur permet de générer un signal radiofréquence jusqu'au THz. Par corrélation des deux sources optiques, le signal obtenu peut acquérir la pureté spectrale requise pour les réseaux de communications radio sur fibre. Notre travail porte sur la méthode de corrélation par accrochage optique sur un peigne de fréquences. L'injection optique permet de transférer le bruit de phase d'un laser maître, pris comme référence, à un laser esclave. En utilisant deux harmoniques d'un laser modulé en fréquence comme sources distinctes d'injection, les bruits de phase des deux lasers esclaves sont corrélés et la différence de fréquences est multiple de la fréquence primaire. Nous avons réalisé une étude théorique générale de l'injection dans les lasers semi-conducteur à cavité complexe, en particulier les lasers DFB, en mettant notamment en évidence l'asymétrie géométrique du bruit. Nous avons relié théoriquement le degré de corrélation entre les deux lasers aux paramètres d'injection et au bruit de phase. L'expression a été confirmée par des mesures sur le contraste de franges d'interférences et le spectre du photo-courant hétérodyne. Ces battements temporels ont été mis en regard avec l'optique de Fourier et le speckle. Nous avons étudié la pureté spectrale du battement et établi les limites fondamentales de cette technique en fonction de la qualité de l'oscillateur primaire, des propriétés spectrales des lasers, des paramètres d'injection et de transport sur fibre. Les mesures de bruit de phase sur le signal généré expérimentalement, pour différentes conditions d'injection, sont en très bon accord avec les expressions analytiques.

Ce mémoire décrit la construction d'une expérience visant à produire un gaz de $^6$Li fermionique dégénéré par refroidissement évaporatif dans un piège magnétique. Il décrit également quelques propriétés d'un gaz de fermions dans le régime de dégénérescence quantique. A cause du principe d'exclusion de Pauli, le refroidissement évaporatif standard d'un gaz de fermions devient inefficace à basse température. La méthode proposée dans ce mémoire contourne cette limitation grâce à l'utilisation d'un mélange de fermions ($^6$Li), et bosons ($^7$Li). Le montage réalisé comprend un jet intense d'atomes de lithium ralentis par laser, un piège magnéto-optique à faisceaux de gros diamètre et un piège magnétique conçu de façon à produire de très forts gradients de champs. Une nouvelle source laser à semiconducteur émettant plusieurs composantes de fréquence autour de 670 nm a été développée. Ainsi 4 10$^(8)$ atomes de $^6$Li et 10$^(10)$ atomes de $^7$Li ont été confinés simultanément dans le piège magnéto-optique à une température de 1 mK. Les atomes sont ensuite transférés dans une zone éloignée de 5 cm où un piège de Ioffe-Pritchard à fort gradient les confine. Ce piège contient actuellement 4 10$^(8)$ atomes de $^7$Li à une température $\simeq$2 mK, et possède une durée de vie de 75 s. Sur un plan théorique, ce mémoire propose une nouvelle méthode de mesure de la dégénérescence de Fermi pour un gaz idéal. Cette méthode est très sensible. Elle repose sur l'inhibition de la relaxation collisionnelle d'un gaz de particules tests lorsque la température devient plus faible que la température de Fermi. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de refroidissement optique combinant collisions inélastiques et pompage optique.

La plasmonique est un domaine de la nano-photonique qui étudie le comportement de la lumière à des échelles sub-longueurs d'ondes en présence de métaux. Les plasmons polaritons de surface (SPPs) sont des modes électromagnétiques qui se propagent à l'interface entre un diélectrique et un métal. Les SPPs trouvent des applications dans plusieurs domaines comme la communication et le traitement tout-optique du signal, la spectroscopie, la détection en biologie et en chimie. De nombreux composants plasmoniques (modulateurs, coupleurs, détecteurs ...) ont été démontrés ces dernières années. Cependant, leur l'intégration reste conditionnée par l'absence d'un générateur compact (pompage électrique, dimensions réduites) et par les grandes pertes ohmiques. Les techniques standards de génération de SPs nécessitent l'alignement d'un laser externe sur un prisme ou un réseau de diffraction afin d'adapter le vecteur d'onde incident avec celui du plasmon. L'approche que nous avons choisie est basée sur l'utilisation de lasers à semiconducteur ayant une polarisation transverse magnétique (TM) comme source d'excitation et de gain. Notre approche, permet d'obtenir des dispositifs compacts et facilement intégrables sur puce. Pendant ma thèse j'ai étudié expérimentalement et numériquement les performances d'un laser en fonction rapprochement du contact métallique à sa région active. La proximité du gain optique au métal est nécessaire pour la réalisation de dispositifs plasmoniques actifs. J'ai démontré la génération et l'amplification des plasmons de surface dans la bande télécom (λ=1.3µm), avec des dispositifs compacts, à base de semiconducteurs, fonctionnant par injection électrique et à température ambiante. Notamment, j'ai réalisé une architecture élégante, avec coupleur intégré, pour la génération de SPPs accessibles sur le sommet du dispositif. Un dispositif avec gaine superficielle ultrafine a permis de démontrer un mode hybride plasmonique avec une fraction consistante de champ électrique à l'interface métal/semiconducteur. Finalement, j'ai montrée que la structuration nanométrique du contact métallique réduit les pertes du mode laser. Les résultats sont renforcés par une nouvelle technique de imagerie de champ proche (SNOM) qui a permis de mesurer les SPPs à l'interface métal/or et à l'interface métal/ semiconducteur. Grâce aux mesures SNOM, il a aussi été possible de démontrer sans aucune ambiguïté l'effet de la structuration du métal sur le mode optique.

Les travaux reportés dans ce mémoire concernent la conception et la réalisation technologique de diodes laser à émission surfacique de type DBR (Distributed Bragg Reflector), dans la filière GaAlAs/GaAs. Dans une première partie, l'étude porte sur la modélisation et la conception de diodes laser à réflecteurs de Bragg distribués du second ordre. Il est présenté un modèle global qui regroupe, de façon consistante, les propriétés spectrales de la cavité DBR et celles de la structure à puits quantique, notamment en ce qui concerne le gain dans les régions pompées et l'absorption dans les régions non pompées. Ce modèle est mis en œuvre pour analyser, de façon systématique, l'influence des paramètres géométriques du composant sur ses performances en courant de seuil, rendement différentiel, diagramme de rayonnement et spectre d'émission. On en déduit le choix des paramètres permettant un fonctionnement optimal et on démontre que, compte tenu de la position aléatoire de la première dent des réseaux de Bragg par rapport à la zone de gain, il est impossible de prévoir, dans l'état de l'art actuel, la valeur du rendement différentiel ou la forme du diagramme de rayonnement. La seconde partie de l'étude concerne la définition d'un processus de fabrication, la réalisation technologique et la caractérisation de diodes laser DBR à émission surfacique. Il est présenté une étude détaillée de la mise en œuvre d'un banc d'insolation holographique destiné à la réalisation de réseaux diffractants sur semiconducteur. On établit ensuite un procédé complet d'élaboration de la diode DBR qui tient compte à la fois des critères de conception et des conditions particulières imposées par le principe de la structure. Les diodes laser réalisées présentent une émission surfacique selon des performances qui démontrent à la fois la validité de l'approche théorique et la qualité du procédé d'élaboration proposé

Les horloges atomiques à piégeage cohérent de population (CPT) constituent aujourd'hui un outil idéal pour la réalisation de références de fréquence stables, compactes et à faible consommation énergétique. Dans le cas des horloges à base de césium, elles nécessitent l'utilisation d'un champ laser bifréquence à 895 nm (raie D1) ou à 852 nm (raie D2) et dont la différence entre les fréquences optiques est égale à 9,19 GHz, soit l'écart entre les niveaux hyperfins du niveau fondamental. Nous proposons une nouvelle solution pour générer ce champ laser, à partir d'un unique laser à semiconducteur pompé optiquement et à émission bipolarisée et bifréquence.Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est accordable en fréquence sur la transition D2 du césium. Nous détaillons tout particulièrement le choix des éléments intracavité et de la structure semiconductrice utilisée. Nous décrivons ensuite la mise en oeuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype. Nous présentons les deux boucles d'asservissement que nous avons mises en place pour verrouiller la fréquence optique du laser sur la transition du césium, et la différence de fréquence sur la fréquence délivrée par un oscillateur local. Nous effectuons une modélisation et une caractérisation complète des trois types de bruits du laser, à savoir le bruit d'intensité, le bruit de fréquence optique, et le bruit de phase du signal généré par battement entre les modes laser. Enfin, nous montrons les premiers résultats expérimentaux de piégeage cohérent d'atomes de césium réalisé avec le prototype et étudions les caractéristiques du signal obtenu. Finalement nous établissons un budget de bruit d'une horloge CPT, en nous appuyant sur l'estimation de l'impact de chacun des bruits laser précédemment étudiés. Après avoir identifié les limites du système actuel, nous proposons quelques pistes d'améliorations du laser bifréquence, reposant sur la réduction du bruit d'intensité laser et sur la modification de la structure semiconductrice. / Atomic clocks using the coherent population trapping (CPT) technic are ex-cellent candidates to obtain frequency references that are stable, compact and with a low powerconsumption. In the case of cesium atomic clocks, this technic require a dual-frequency laserfield either at 895 nm (D1 transition) or 852 nm (D2 transition) whose frequency difference isequal to 9.19 GHz, the frequency splitting between the two hyperfine levels of the fundamentalstate. Here we present a new concept for generating this type of laser field using a unique dualfrequency and optically-pumped laser with a dual-polarized emission.In this manuscript, we study the conception of such a laser source at a wavelength of 852 nm.We detail the design of the intracavity elements and the semiconductor active structure. Thenwe describe the experimental set-up and characterization of a first prototype. We present thestabilization set-up of the laser based on two different servo-loops, one used to lock the opticalfrequency onto the cesium transition and the other to lock the frequency difference onto thefrequency generated by a local oscillator. We report a complete simulation and characterizationof the main laser noises: the laser intensity noise, the optical frequency noise, and the phase noiseof the radiofrequency signal generated by the beatnote of the two laser modes. We show the firstexperimental results of coherent population trapping obtained with the prototype. Finally weestablish a noise budget of a CPT atomic clock by estimating the impact of each laser noises.After we identify the system limits, we propose different ways to improve the dual-frequencywhich rely on the reduction of the intensity noise and the modification of the semiconductorstructure design.