Ces travaux de thèses portent sur l’étude de la dynamique du laser à mode de galerie dans le but de réaliser une source micro-onde en utilisant un laser à mode de galerie doublement monomode. Nous montrons ici les résultats expérimentaux sur le bruit relatif d’intensité (RIN) d’un laser à mode de galerie en verre ZBLALiP dopé aux ions Er3+. Outre l’aspect performances d’utilisation du laser, le spectre de RIN donne un certain nombre d’informations sur la dynamique du laser (temps de vie des photons, taux de pompage effectif, sources de bruit, ...).Les très forts facteur de qualités de ces résonateurs ainsi que leurs propriétés de confinement spatial amène un couplage non-linéaire etre les photons et les atomes du milieu amplificateur, faisant apparaitre dans le spectre de RIN des harmoniques de la fréquence de relaxation du laser. Le modèle harmonique développé permet d’estimer le volume de mode du mode de galerie en régime laser, quantité difficilement estimable dans ce régime d’émission. D’autre part, les mesures de RIN réalisées sur un verre industriel IOG-1 codopé Yb3+/Er3+ montrent la signature d’un couplage modal, induit par la diffusion Rayleigh, où les deux modes couplés fonctionnent au dessus du seuil laser. La dynamique de ce laser est également étudié et les comportements obtenus sont mis en parallèle avec les études réalisées sur le gyro-Laser à l’état solide. / This thesis presents the studies of whispering gallery mode laser dynamics in order to realize a micro-wave source using simultaneous oscillations in a unique whispering gallery mode micro-laser. We show experimental results on the relative intensity noise (RIN) of a Whispering Gallery Mode Laser in ZBLALiP glass doped with Er3+ ions. Besides the pure laser specifications, the RIN spectrum gives informations about the dynamics inside the cavity, such as photon lifetime, effective pumping rate and noise sources. Moreover, we have shown that a single-mode emission comes with the presence of multiple harmonics of the relaxation frequency. The theoretical model taking account the non-linear coupling between photons and atoms allows us to determine the mode volume of the whispering gallery mode in laser regime, which is quite difficult to evaluate in this regime. On the other hand, we have studied the laser dynamics in an industrial IOG-1 glass codoped with Yb3+/Er3+ ions where the signature of a modal coupling, induced by Rayleigh scattering, lies in the RIN spectrum. In this particular case, the two coupled modes operate above threshold. The observed behavior is compared with thoses of a solid state gyro-laser.

Les sources laser à fibre, haute puissance et de faible largeur spectrale sont de plus en plus utiles pour des applications à la fois industrielle et scientifique. Cependant, le développement de ces sources est limité par les seuils d’apparition d’effets non-linéaires tels que la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) du fait d’un fort confinement de la lumière dans le coeur de la fibre. Un premier amplificateur en régime monofréquence de puissance moyenne égale à 50W a été développé à partir d’une diode laser signal de 50 mW. L’étude du bruit d’intensité sur cet amplificateur a montré que l’utilisation de fibres standards (diamètre de coeur < à 20μm) jusqu’à 50W est limitée par l’apparition du phénomène de DBS se traduisant par une dégradation du bruit d’intensité. Pour s’affranchir de ces effets non-linéaires, une solution réside sur l’utilisation de fibres à large aire modale (LMA) dont les diamètres des coeurs est égale à plusieurs dizaines de microns. Les fibres LMA présentent un recouvrement [coeur dopé / onde de pompe] optimisé conduisant à une réduction de la longueur du milieu à gain. Par cette stratégie de la diminution du confinement spatial du faisceau avec une diminution de la longueur d’interaction, le seuil d’apparition des effets non-linéaires est repoussé. Mais paradoxalement, cette stratégie va induire une nouvelle limitation non-linéaire, non plus en termes de puissance crête mais de puissance moyenne. En effet, les coeurs multimodaux des fibres LMA, couplés à une charge thermique par unité de longueur forte (pour une puissance de moyenne de sortie équivalente) vont induire l’apparition d’effets non-linéaires en puissance moyenne : les Instabilités Modales (IM) et la Dégradation Modale de la Fibre (DMF). Ce sont donc les stratégies usuelles utilisées pour repousser les effets non-linéaires qui ont conduit à l’avènement de ces nouveaux effets délétères. Un système d’asservissement du bruit d’intensité efficace (suppression > 30 dB) sur une bande passante d’1MHz permet de supprimer le bruit en excès des diodes de pompe. / High power, narrow linewidth fiber lasers are useful for both industrial and scientific applications. Nevertheless, nonlinear effects like Stimulated Brillouin Scattering (SBS) are main limitations of these laser sources due to high power in fiber core. A first amplifier in single-frequency operation with 50W of output power from a laser diode seeder of 50 mW was developed. Study of intensity noise on this amplifier developed with standard fiber (core diameter less than 20 μm) showed that SBS leads to a degradation of noise properties of the laser. The use of large mode area (LMA) fibers is a solution for suppressing nonlinear effects with core diameters bigger than several tens of microns. LMA fibers show an overlap between doped core and pump wave optimized leading to a reduction of gain medium length. This strategy permits to increase nonlinear effect threshold. Second step of high power amplifiers with LMA fibers allows to obtain 100W in single-frequency regime without DBS. LMA fiber used have a core diameter equals to 40μm. Power scaling from 100W to 200W highlights a new limiting non-linear effect: Fiber Modal Degradation (FMD). Indeed, multimodal cores of these fibers, coupled to high thermal load lead to non-linear effects like Modal Instabilities (IM) and FMD. FMD effect, first described by Ward et al in 2016, is a thermo-optic effect characterized by a beam quality degradation with power transfer from fundamental mode to high order modes. Furthermore, a decrease of output power, synonym of guidance loss of fundamental mode in gain medium is observed. Unlike well-known effect IM, this phenomenon doesn’t act like a threshold phenomenon. In fact, transitory regime in association with FMD is longer than IM caused by photodarkening dynamic. In our study, beam quality at the output of the fiber was degraded after several tens of hours at 200W. For understanding this effect, a photodarkening effect study both in continuous wave (CW) and pulsed regime was carried out. This study shows that for the first time a photodarkening and photobleaching equilibrium on high power amplifiers in pulsed regime. These thermo-induced effects threshold depends on thermal load and are different for both regimes: 120W for CW and 150W for pulsed regime. Finally, a study and a reduction of intensity noise based from a servo-loop were carried out on 100W amplifier. A 1MHz bandwidth with a 30 dB decrease of noise were demonstrated. These results allow to develop high power and low intensity noise lasers at industrial level”

Cette thèse porte sur l'étude de structures lasers à semi-conducteurs à base d'îlots et de bâtonnets quantiques, connues pour avoir quelques propriétés remarquables telles leur fort gain, leur effet non-linéaire renforcé, leur faible courant de seuil, leur haute température caractéristique ... Les caractérisations en termes de bruit d'intensité et d'injection optique de ces structures montrent un comportement atypique comparativement aux structures classiques (massives ou à base de puits quantiques). Nous avons pu ainsi comparer le bruit d'un laser DFB à bâtonnets quantiques avec celui d'un laser DFB massif ou à puits quantiques. Des études comparatives de bruit ont aussi été effectuées sur des lasers de type Fabry-Perot. Une modélisation du bruit a été confrontée aux résultats expérimentaux et montre l'importance de la prise en compte de la couche de mouillage. L'injection optique, contrairement aux propriétés d'un laser classique, présente un grand nombre de régimes dynamiques fortement non linéaires près du seuil laser (r~1,1) et peu de régimes à seuil modéré (r~3). Ces résultats nous indiquent finalement que le couplage des modes longitudinaux est à la fois fort et fortement amorti par l'interaction avec la couche de mouillage, ce qui nous donne des pistes très intéressantes pour la modélisation du blocage de modes observé dans ces structures. / This thesis focuses on laser diodes made of Quantum Dot/Quantum Dash (QD) structures. These devices have attracted considerable attention due to their remarkable properties, such as high gain, high non-linear effects, low laser-threshold, high thermal stability, etc. Our studies based on RIN (Relative Intensity Noise) and optical injection show unusual behaviour of QD lasers. We have compared the RIN of a QDash DFB laser with a ''classical'' (massif or quantum well) DFB laser as well as for Fabry-Perot type QDot/QDash lasers. Analytical simulations have been faced to experimental results and show the role of the wetting layer. Contrary to what is observed with ''classical lasers'', optical injection exhibits many regimes with strong non-linear dynamics when the laser is biased near the threshold, while there is only a very few regimes at moderate pump. All these results demonstrate a strong coupling with strong dumping between the longitudinal modes through the wetting layer, which is a very interesting point for the understanding of mode-locking in these QDot/QDash structures.

Les lasers à état solide bi-fréquences constituent des sources de choix pour de nombreux domaines (métrologie, photonique micro-onde, Lidar-Radar, horloges atomiques). Cependant, de tels lasers souffrent d'excès de bruit d'intensité difficiles à supprimer avec les méthodes habituelles. Dans ce contexte, nous développons une nouvelle approche baptisée « buffer reservoir » pour la réduction de l'excès de bruit d'intensité des lasers à état solide. Cette méthode repose sur le changement du comportement dynamique du laser par insertion d'un mécanisme d'absorption non-linéaire faiblement efficace dans la cavité. Tout d'abord, nous étudions cette approche dans des lasers solides mono-fréquence en exploitant deux types d'absorption non-linéaire : l'absorption à deux photons (TPA) et l'absorption par génération de seconde harmonique (SHGA). Nous montrons qu'il est possible de réduire de 50 dB le bruit d'intensité à la fréquence des oscillations de relaxation d'un laser Er,Yb:verre sans en dégrader la puissance de sortie ni le bruit de phase. Nous explorons les mécanismes physiques sous-jacents en développant un modèle analytique décrivant le comportement dynamique du laser. L'effet de l'absorbant non-linéaire sur les pics de bruit à haute fréquence à l'intervalle spectrale libre de la cavité est également étudié. Nous démontrons l'intérêt de telles sources lasers auto-régulées en intensité pour la distribution d'oscillateurs locaux sur porteuse optique. Nous mettons ensuite en application l'approche « buffer reservoir » dans des lasers bi fréquences. En développant un modèle analytique prédictif, nous montrons expérimentalement que l'utilisation de TPA engendre, sous certaines conditions, une réduction de 40 dB de l'amplitude des pics de bruit en-phase et en anti-phase. Nous vérifions en outre les propriétés de couplage des modes dans le milieu actif lorsque les pertes non-linéaires sont présentes. Enfin, nous abordons l'utilisation de SHGA comme ''buffer reservoir'' dans les lasers bi-fréquences. Plus particulièrement, nous explorons expérimentalement et théoriquement le comportement du laser lorsque les pertes non-linéaires ne sont introduites que sur un seul mode propre du laser. Dans cette configuration, nous montrons qu'il est possible d'obtenir pour les deux modes à la fois une forte diminution des pics de bruit d'intensité résonants. / Dual-frequency solid-state lasers are attractive for numerous domains (metrology, microwave photonics, Lidar-Radar, optical clocks). However, such lasers suffer from excess intensity noise which is difficult to cancel with usual methods. In this context, we develop a new approach called “buffer reservoir” for reducing the excess intensity noise. This method relies on the change of the laser’s dynamical behavior by inserting a low efficient nonlinear absorption mechanism in the cavity. First, this approach is studied on single frequency solid-state lasers by using two types of non-linear absorption: two-photon absorption (TPA) and second harmonic generation absorption (SHGA). We show a possible reduction of the intensity noise at the relaxation oscillations frequency of an Er,Yb:glass laser up to 50 dB without degrading neither its power nor its phase noise. We explore the underlying physics by developing an analytical model describing the laser dynamical behavior. The effect of the nonlinear absorber on the noise peaks lying at high frequency at the free spectral range of the cavity is also studied. We demonstrate the relevance of such self-regulated lasers for the distribution of optically carried local oscillators. We then extend the “buffer reservoir” approach to dual-frequency lasers. By developing a predictive analytical model, we show experimentally that the use of TPA enables 40 dB reduction of both in-phase and anti-phase noise under certain conditions. The mode coupling in the active medium is analyzed when the nonlinear losses are present. Finally, we address the use of SHGA as a ''buffer reservoir'' in dual-frequency lasers. In particular, we experimentally and theoretically explore the laser behavior when the nonlinear losses are inserted on one eigen-mode of the laser only. This configuration enables a strong reduction of resonant noise peaks for both modes.