Cette thèse s’est concentrée sur l’étude des lasers à blocage de modes destinés à la fenêtre de télécommunication de 1,55 µm et à base de bâtonnets quantiques dont la croissance a été réalisée sur des substrats d’InP. Un des principaux objectifs de ce travail de thèse a consisté à apporter de nouveaux éléments permettant de mieux appréhender les aspects physiques sous-tendant le mécanisme du ML dans ces dispositifs. En effet, une meilleure compréhension du comportement intrinsèque de ces dispositifs et la façon dont ils sont affectés par des facteurs externes, qui pourraient être présents dans les conditions réelles d’utilisation, est cruciale pour leur intégration dans des technologies futures. Un deuxième objectif majeur de ce travail a consisté à démontrer le potentiel d’exploitation de ces dispositifs dans différents scenarii d’applications / This PhD thesis focuses on the study of mode locked laser diodes based on novel optimized InAs Quantum Dash structures grown on InP substrates. It covers several important modelling aspects, the clean room processing of single and two section shallow ridge waveguide lasers, characterization of the fabricated devices and the evaluation of their performance in different application scenarios. Systematic characterization experiments and subsequent analyses have allowed to gain a much deeper comprehension of the physical mechanisms related to the mode locking regime in these devices, thus far not completely understood. This has allowed to better control most of the main physical phenomena limiting device performance, resulting in first demonstrations of record peak power, sub-picosecond pulse, low radio frequency linewidth and high repetition frequency mode locked lasers grown on InP substrates, opening the way to a vast number of potential applications in the 1.55 µm telecommunication window

Ce mémoire pressente l'étude et la réalisation d'un laser a colorant a blocage de mode passif produisant des impulsions de 100 femtosecondes (10##1#3 s). Dans une cavite en anneau contenant un milieu amplificateur (rhodamine 6g) et un absorbant saturable (dodci), un système de prismes permettant de contrôler la dispersion de vitesse de groupe réalise une mise en phase de toutes les fréquences du spectre des impulsions. Nous avons ensuite étudie la possibilité de produire des impulsions femtosecondes a d'autres longueurs d'onde directement avec l'oscillateur. Des impulsions de 60 fs a 685 nm et inférieures a 50 fs entre 775 nm et 800 nm ont ete produites pour la première fois par blocage de mode passif. Les impulsions dans le proche infrarouge nous ont permis d'étudier la cinetique de la saturation de l'absorption dans des semi-conducteurs du type multipuits quantiques gaas/algaas. Un regime de fonctionnement particulier du laser a ete observe et analyse en termes de solitons optiques. Afin de realiser des expériences de spectroscopie résolue dans le temps avec des impulsions encore plus brèves, nous avons étudie un système de compression d'impulsions suivi d'une amplification pour augmenter leur énergie. Des impulsions de 20 fs avec une énergie de 10 micro joules (puissance crete: 0,5 gw) ont ete utilisées pour étudier la cinétique de la saturation de l'absorption dans un colorant organique (le vert de malachite).

Ce travail de thèse présente une étude sur les propriétés de nanostructures de type bâtonnets quantiques et de leur application pour les télécommunications optiques. Durant la dernière décennie, ces nanostructures, ont démontré des propriétés optiques et électroniques intéressantes en raison notamment d’un fort confinement quantique dans les trois dimensions d'espace. Cette thèse porte sur la conception et la fabrication d'émetteurs optiques intégrés à base de ce matériau et de leur implémentation dans des systèmes de communication. La première partie de ce travail analyse les propriétés de ces nanostructures, théorique et expérimentale. Elles sont utilisées comme matériau actif de lasers modulés directement en amplitude. Les propriétés dynamiques de ces lasers sont ensuite évaluées et des transmissions sur fibre optique entre 0 et 100 km sont ensuite démontrées en utilisant un filtre étalon permettant d’augmenter en particulier le taux d’extinction dynamique. En s’appuyant sur cette démonstration basée sur des éléments discrets, une version monolithique intégrant un laser et un résonateur en anneaux a été réalisée. La dernière partie de ce travail porte sur des lasers à blocage de mode à base de ce matériau et en particulier sur les méthodes d’intégration sur substrat InP. En particulier, un design de miroir de Bragg innovant a été développé à cet effet et une démonstration d'un laser a blocage de mode intégré avec un amplificateur optique à semi-conducteur a finalement été réalisée / This PhD dissertation presents a study on the properties of the novel quantum dash nanostructures and their properties for application in optical telecommunications. Over the last decade, scientific community has gained considerable interest over these nanostructures and several demonstrations have been made on their interesting optical and electronic properties, notably owing to their strong quantum confinement. This dissertation focuses on conception, fabrication and system demonstration of integrated optical transmitters based on quantum dash material. A first part of this work analyses the properties of qdashes theoretically and experimentally for their use as an active material in directly modulated lasers. The dynamic properties of this material are then evaluated leading to an optical transmission distances in range of 0-100km under direct modulation. The transmission is particularly studied with a passive optical filter to enhance the dynamic extinction ratio, the use of such passive filters is studied in detail. An innovative and fully integrated optical transmitter is finally demonstrated by integrating a ring-resonator filter to a distributed feedback laser. The second part of this work focuses on mode locked lasers based on this material and in particular the methods of integration of such devices on InP are explored. Thus an innovative Bragg mirror design is developed leading to a mode locked laser integrated with a semiconductor optical amplifier

Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement la génération d'impulsions carrées très énergétiques et accordable à l’échelle nanosecondes et d'impulsions ultracourtes à haute puissance moyenne de sortie dans les lasers à fibre utilisant les nanomatériaux comme absorbant saturable. Tout d'abord, puisque la dynamique des impulsions est dominée par l'interaction de la non linéarité et de la dispersion chromatique cubique de la fibre avec un mécanisme de discrimination d'intensité appelé absorbant saturable, la stabilité d'une distribution harmonique en mode verrouillé est étudiée par injection externe d'une onde continue.Enfin, nous avons utilisés des absorbant saturable à base de nanomatériaux déposés sur des tapers optiques dans les lasers à fibre pour générer des impulsions ultracourtes avec une puissance de sortie moyenne élevée. / In this thesis, we investigate experimentally the generation of high energy nanosecond tunable square pulses and high output power ultrashort pulses in fiber lasers. First, since pulse dynamics are dominated by the interaction of the fiber's cubic Kerr nonlinearity and chromatic dispersion with an intensity-discriminating mechanism referred to as a saturable absorber, the stability of a harmonic mode-locked distribution is studied by external injection of a continuous wave. Finally, we implemented nanomaterial based saturable absorbers in fiber laser configuration to generate ultrashort pulses with high average output power. Different techniques of achieving such components are explicitly detailed: ultrashort pulse generation in ring cavities where graphene and topological insulators are deposited on optical tapers to form a saturable absorber.

Les peignes de longueurs d'onde, produisant des dizaines de porteuses optiques régulièrement espacées à partir d'une seule source laser, présentent un grand intérêt pour les systèmes de communication à haut débit. Ce travail de thèse porte sur les peignes générés par les diodes laser à blocage de modes basées sur des nanostructures semi-conductrices à basse dimensionnalité. Dans cette étude, les performances en verrouillage de modes de lasers Fabry-Pérot mono-section basés sur différents systèmes de matériaux sont comparées sur la base de la largeur du spectre optique d'émission et de la capacité à produire des impulsions courtes à faible gigue temporelle. En remarquant que les lasers à base de bâtonnets quantiques InAs sur InP présentent de meilleures caractéristiques par rapport aux autres matériaux examinés, leurs propriétés spécifiques en termes de stabilité des peignes de fréquences optiques et de chirp des impulsions sont étudiées plus en détail. Le chirp est d'abord étudié par la technique FROG (frequency-resolved optical gating). Ensuite, la dispersion chromatique du matériau laser est évaluée afin de vérifier si elle peut expliquer les grandes valeurs de chirp mesurées par FROG. Pour cela la technique de réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel est utilisée et ses capacités uniques de mesure ont été étudiées et validées. Enfin, ces lasers sont employés avec succès pour les transmissions haut débit à l'aide de la technique de modulation optique OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) en détection directe. Débits de l'ordre du térabit par seconde, ainsi que le faible coût de l’architecture du système, sont très prometteurs pour les data centers / Optical frequency combs, generating tens of equally spaced optical carriers from a single laser source, are very attractive for next-generation wavelength division multiplexing (WDM) communication systems. This PhD thesis presents a study on the optical frequency combs generated by mode-locked laser diodes based on low-dimensional semiconductor nanostructures. In this work, the mode-locking performances of single-section Fabry-Pérot lasers based on different material systems are compared on the basis of the optical spectrum width, the timing jitter and pulse generation capabilities. Then, noticing that InAs quantum dashes grown on InP exhibit on average better characteristics than other examined materials, their unique properties in terms of comb stability and pulse chirp are studied in more detail. Laser chirp, in particular, is first investigated by frequency resolved optical gating (FROG) characterizations. Then, chromatic dispersion of the laser material is assessed in order to verify whether it can account for the large chirp values measured by FROG. For that, a high sensitivity optical frequency-domain reflectometry setup is used and its measurement capabilities are extensively studied and validated. Finally, the combs generated by quantum dash mode-locked lasers are successfully employed for high data rate transmissions using direct-detection optical orthogonal frequency division multiplexing. Terabit per second capacities, as well as the low cost of this system architecture, appear to be particularly promising for future datacom applications