L’évolution actuelle des systèmes de communications optiques est telle que la circulation d’information n’est plus exclusivement limitée par les liens longues distances transocéaniques ou par les réseaux cœurs. De nombreuses applications courtes distances comme les réseaux d’accès où les débits des systèmes amenant la fibre chez l’abonné doivent être maximisés et les connexions internes et externes des centres de données transportent un trafic de données important produit en partie par les applications de type « Big Data ». Les critères imposés par ces nouvelles architectures notamment en termes de coût et consommation énergétique doivent être pris en compte en particulier par le déploiement de nouveaux composants d’extrémités. Grâce au très fort confinement des porteurs, les lasers à boites quantiques constituent une classe d’oscillateurs présentant des caractéristiques remarquables notamment en termes de courant de seuil et de stabilité thermique. En particulier, l’application d’une perturbation optique externe permet d’exploiter les nonlinéarités optiques des boîtes quantiques pour la réalisation de convertisseurs en longueur d’onde performants ou de transmetteurs à haut-débit fonctionnant sans isolateur optique. Ce dernier point est particulièrement critique dans les réseaux courtes distances où l’utilisation de sources modulées directement reste une solution technologique importante.Ce travail de thèse réalisé sur des structures lasers à base d’Arséniure de Gallium (GaAs) et de Phosphure d’Indium (InP) montre la possibilité d’améliorer l’efficacité de conversion non-linéaire par injection optique et de générer de nombreuses dynamiques dans des oscillateurs rétroactionnés et émettant sur différents états quantiques. Par ailleurs, le déploiement massif des systèmes cohérents mais également la conception des futures horloges atomiques sur puces nécessite l’utilisation de sources optiques à faible largeur de raie et ce afin de limiter la sensibilité de la réception au bruit de phase du transmetteur et de l’oscillateur local et induire un taux d’erreur binaire important. La conception de laser à faible largeur spectrale constitue un autre objectif de ce travail thèse. Les avantages de la technologie boites quantiques ont été mis à profit pour d’atteindre une largeur spectrale de 160 kHz (100 kHz en présence de rétroaction optique) ce qui est de première importance pour les applications susmentionnées. / The recent evolution of optical communication systems is such that the transfer of massive amounts of information is no longer limited to long-distance transoceanic links or backbone networks. Numerous short-reach applications requiring high data throughputs are emerging, not only in access networks, where upgrades of the bit rate of fiber-to-the-home systems need to be anticipated, but also in data center networks where huge amounts of information may need to be exchanged between servers, in part triggered by the rise of big data applications. The new requirements in terms of cost and energy consumption set by novel short-reach applications therefore need to be considered in the design and operation of a new generation of semiconductor laser sources. Owing to the tight quantum confinement of carriers, quantum dot lasers constitute a class of oscillators exhibiting superior characteristics such as a lower operating threshold, a better thermal stability as well as larger optical nonlinearities. The investigation of quantum dot lasers operating under external perturbations allows probing such optical nonlinearities in the view of developing all-optical wavelength-converters with improved performance as well as optical feedback-resistant transmitters. This last point iseven more critical since it is expected that short-reach links making use of directly modulated sources will experience massive deployment in the near future, in contrast to conventional backbone links where the number of required optoelectronic interfaces remains relatively modest. In order to do so, the thesis reports on novel findings in GaAs- and InP-based quantum dot lasers such as improved bandwidth and conversion efficiency under optical injection and various complex dynamics with delayed quantum dot oscillators emitting on different lasing states. Last but not the least, the massive deployment of coherent systems as well as the realization of future chip-scale atomic clocks require the implementation of optical sources with narrow spectral linewidth otherwise the sensitivity to the phase noise of both transmitters and local oscillators can strongly affect the bit error rates at the receiver. This is another objective to be addressed in the thesis where the benefits of the quantum dot technology has allowed to reach a spectral linewidth as low as 160 kHz (100 kHz under optical feedback) which is of paramount importance not only regarding the aforementioned applications.

In dieser Arbeit werden einige Probleme im Zusammenhang mit der Erzeugung ultrakurzer Pulse in modengekoppelten Lasern unter Verwendung analytischer und numerischer Methoden theoretisch untersucht. Weiterhin werden einige Resultate über die Strahlung resonanter Medien, welche durch einen ultrakurzen Überlichtgeschwindigkeits-Lichtpuls angeregt werden, dargestellt. / In this thesis current problems related to the generation of short optical pulses in mode-locked lasers are considered in a theoretical context. We use numerical and analytical methods to study these problems. Additionally, the problem of resonant medium radiation excited by ultrashort light pulse propagating at superluminal velocity is investigated.

Halbleiterlaser stellen mit über 70% Wirkungsgrad einzigartig effiziente Lichtquellen dar. Dennoch ist ihre zuverlässige Nutzung, insbesondere im Bereich hoher Leistungsdichten, von thermischen Limitierungen geprägt. Einen grundlegenden Beitrag zu deren physikalischen Verständnis leistet die Analyse der thermischen Eigenschaften und Degradationsprozesse solcher Bauelemente. In dieser Arbeit wird hierzu die Thermographie als innovative Analysemethode untersucht. Das Plancksche Strahlungsgesetz erlaubt die radiometrische Ermittlung der Temperatur. Die wichtige physikalische Kenngröße Emissivität wird in dieser Arbeit für Halbleiter und Halbleiterlaserstrukturen spektral gemessen und auf fundamentale physikalische Eigenschaften zurückgeführt. Auf dieser Grundlage werden methodische Aspekte der Thermographie diskutiert, welche durch den thermischen Hintergrund und die teilweise Transparenz der Halbleitermaterialien geprägt sind. Die daraus folgenden analytischen Fähigkeiten erlauben unter anderem die orts- und zeitaufgelöste Bestimmung der thermischen Eigenschaften von komplexen Hochleistungslasern unterschiedlichster Bauart. Darüber hinaus ermöglicht die Kenntnis der beteiligten thermischen Zeitkonstanten die Extraktion von lokalen Überhöhungen in der Infrarotemission, deren Zusammenhang zur Degradation der Bauelemente untersucht wird. Eine grundsätzliche Begrenzung der Ausgangsleistung ist durch einen abrupten Degradationsprozess gegeben, welcher maßgeblich durch eine Reabsorption der Laserstrahlung an der Frontfacette verursacht wird. Mithilfe einer kombinierten Thermographie-Nahfeld-Messung wird dieser Prozess orts- und zeitaufgelöst analysiert. Die Erweiterung des Messfensters zu kürzeren Wellenlängen hin erlaubt die Detektion strahlender Übergänge unter Einbeziehung von Defektzentren welche als strahlende Signaturen von graduellen Degradationsprozessen aufzufassen sind. / Semiconductor lasers are unequaled efficient light sources, reaching efficiencies of more than 70%. Nevertheless, thermal limits govern their reliable application, in particular in the field of high power densities. The analysis of thermal properties and degradation processes in such devices contributes essentially to the understanding of these limits. This work exploits thermography as an innovative analytical technique for such purpose. Planck''s law allows for a radiometric detection of temperatures. In this work, the important physical parameter emissivity is measured spectrally resolved for both semiconductors and semiconductor laser structures and is related to fundamental physical properties. Based on that, methodological aspects are discussed, which are affected on the one hand by the omnipresent thermal radiation and on the other hand by the partial transparency of the semiconductor materials. The resulting analytical capacities allow, for instance, for the determination of the thermal properties of complex high-power lasers of a wide range of different designs in a spatio-temporally resolved fashion. Furthermore, does the knowledge of the involved thermal time constants allow for an extraction of localized peaks of the infrared emission that is analyzed for its relationship with device degradation. The output power of high-power devices is fundamentally limited by the catastrophic optical damage, an abrupt degradation process that is induced significantly by reabsorption of laser radiation at the front facet. This process is analyzed spatio-temporally resolved with help of a combined thermography and optical near-field technique. Extending the detection range down to shorter wavelengths allows for imaging of radiative transitions that are related to defect centers, which are interpreted as radiative signatures of gradual device degradation processes.

Les peignes de fréquences optiques, issus de diodes à blocage de modes, font partie des candidats potentiels pour les réseaux de transmission à multiplexage en longueurs d’onde (WDM). Cependant, les modes composant leur peigne, exhibent généralement des largeurs de raie optiques relativement élevées ( 1-100 MHz), rendant ainsi incompatible leur utilisation sur un réseau WDM employant des formats de modulation avancés d’ordre supérieur. Cette thèse étudie, une solution pour palier à cette limitation. La technique utilisée, dite d’asservissement à correction aval hétérodyne, effectue un traitement du flux lumineux en sortie du laser sans agir sur ce dernier, permettant de réduire le bruit de fréquence présent sur chacune des raies et par conséquent leur largeur de raie optique. Dans une première approche, la technique est appliquée à un laser mono-fréquence. Cela a permis d’une part de valider son fonctionnement et d’autre part d’identifier les limites intrinsèques du dispositif expérimental mis en place. Ainsi, nous démontrons que le niveau de bruit de fréquence minimum permis par notre système, correspond à un spectre optique de largeur de raie optique instantanée de 50 Hz et une largeur de raie de 1,6 kHz pour un temps d’observation de 10 ms. La technique est par la suite appliquée à une diode à blocage de modes actif. Le peigne de fréquences optiques ainsi généré, est composé de 21 modes, ayant tous une largeur de raie optique intrinsèque inférieure à 7 kHz, dont 9 modes sont sub-kHz. Pour un temps d’observation du spectre optique de 10 ms, ces modes exhibent tous une largeur de raie d’environ 37 kHz. Nous démontrons ainsi l’impact de la gigue d’impulsions sur les performances de la technique et nous soulignons l’intérêt d’une telle cohérence, pour le domaine des télécommunications optiques cohérentes (transmissions WDM cohérentes de type m-QAM avec des constellations d’ordre élevé, compatibles avec des débits multi-Tbit/s par raie). En dernier lieu, nous abordons une seconde technique consistant à pré-stabiliser la fréquence d’un laser par asservissement en boucle fermée. Elle repose sur l’utilisation d’un interféromètre à fibre déséquilibré comme référence pour réduire le bruit de fréquence d’un laser, situé particulièrement en basses fréquences. Appliquée à un laser mono-fréquence, elle a permis de réduire son bruit de fréquence technique conduisant ainsi à une nette amélioration de sa largeur de raie intégrée sur 3 ms, de 224 kHz à 37 kHz. Ce premier résultat représente un bon support vers l’exploration du potentiel des diodes à blocage de modes pour des applications métrologiques. / Optical frequency combs obtained from mode-locked laser diodes are potential candidates for WDM networks. However, their lines exhibit usually a broad optical linewidth ( 1-100 MHz). Thus their use is incompatible for high order modulation formats WDM based systems. This thesis investigates one solution to overcome this limitation. It consists of using a feed-forward heterodyne technique to reduce the frequency noise of each comb-line and consequently their optical linewidths. In a first approach, the technique is applied to a single-mode laser. This allowed us to validate its proper working and to identify the intrinsic limits of the experimental device set up. The latter analysis enabled us to reveal that the minimum achievable frequency noise level by our system, corresponds to a 50 Hz intrinsic optical linewidth spectrum and a 1,6 kHz optical linewidth based on 10 ms observation time. This technique is then applied to an actively mode-locked laser diode demonstrating, at our system output, a 21-line optical frequency comb with intrinsic optical linewidths reduced to below 7 kHz. It is worth noting that 9 among them, exhibit sub-kHz linewidths. For an observation time of 10 ms, all lines share the same optical linewidth, almost equal to 37 kHz. We thus show that the timing jitter impacts the technique performances. We also highlight the relevance of such coherence level for coherent optical communication. Lastly, we study a laser frequency pre-stabilization technique based on a locking to an unbalanced fiber interferometer. When applied to a single-mode laser, the technique showed a reduction of its technical frequency noise, thus leading to a clear improvement of its integrated optical linewidth from 224 kHz to 37 kHz for 3 ms observation time. This first result provides a good support towards the exploration of mode-locked laser diodes potential for metrological applications.

Dans cette thèse, nous avons appliqué les outils modernes de la théorie des systèmes dynamiques à l'étude des lasers. Le but de ce travail était de mieux comprendre les sources cohérentes existantes en vue de les améliorer et de proposer de nouveaux mécanismes d'amplification lumineuse.<p><p>Motivé par de récentes expériences menées sur des lasers miniatures avec absorbant saturable, nous en avons repris la description théorique. Les nouvelles valeurs de paramètres suggérées par l'expérience nous ont amenés à découvrir de nouveaux comportements dynamiques pour ces systèmes. En particulier, nous avons décrit comment l'intensité délivrée par ces lasers devenait temporellement sinusoïdale, puis impulsionnelle sur un très petit intervalle de paramètres.<p><p>Par la connaissance acquise du laser à absorbant saturable, nous avons pu comprendre comment s'établissait un régime impulsionnel semblable dans un autre laser. Il s'agissait du laser multimode à pompage longitudinalement inhomogène. Il est apparu en effet qu'une partie du milieu emprisonné dans la cavité optique agissait à la manière d'un absorbant saturable, déstabilisant ainsi l'émission continue de ce laser. Nous avons également montré que, dans certaines circonstances, son état dynamique présentait des effets de mémoire. Une autre propriété importante de la dynamique du laser multimode a été mise en évidence: pour de petites perturbations, l'intensité totale présente un comportement plus régulier que les intensités modales prises séparément.<p><p>Ce type intrigant d'auto organisation fut rencontré plus tard, lorsque nous avons envisagé la dynamique d'un réseau de lasers à semi conducteur couplés par un feedback optique. Le retard accumulé par la lumière au cours de ce feedback est un paramètre essentiel du problème. Ce système important sur le plan technologique s'est révélé extrêmement riche sur le plan dynamique. Nous avons pu montrer que plus le retard était grand, plus les lasers avaient tendance à se synchroniser. Cela fut observé aussi bien en régime continu qu'en régime périodique ou chaotique. Par une telle synchronisation, la qualité du rayon optique émis par le réseau de lasers augmente spectaculairement, élargissant par là ses possibilités d'application.<p><p>Au début des années 1990, les physiciens commencèrent à étudier systématiquement les effets d'interférence quantique dans l'interaction lumière matière. Ceci faisait suite à l'annonce fracassante que de tels effets devaient permettre de construire des lasers sans inversion de population. Récemment, une série d'expériences a montré que de telles interférences quantiques étaient à l’œuvre dans le laser miniature LNP. Une partie de cette thèse y fut consacrée. Nous avons montré que le comportement dynamique observé résultait d'un renforcement quantique de l'absorption stimulée par les niveaux énergétiques inférieurs.<p><p>Nous avons poursuivi notre étude des effets d'interférence quantique sur un schéma électronucléaire. Nous avons montré que pour ce système, un rayon gamma peut être amplifié sans inversion de population. Ce résultat est très important, compte tenu du fait qu'une telle inversion est techniquement impossible à réaliser pour ces très hautes fréquences électromagnétiques, empêchant jusqu'ici la réalisation de lasers gamma. Afin d'atteindre l'amplification sans inversion, un rayonnement d'appoint dans le domaine optique s'avère nécessaire. Tenant compte de la décroissance de ce champ optique en cours de propagation, et donc de la diminution des effets quantiques associés, nous avons déterminé une distance optimale de propagation. Au-delà de cette distance, l'amplification se mue en absorption. Une telle information est dès lors cruciale sur le plan expérimental.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished