The main aim of the thesis is a frequency stabilization of the DFB semiconductor laser diodes. The temperature stability of the laser diode chip, the stability and the noise of the injection current and the backward reflections are the crucial parameters which affects the frequency stability. These influences are described and the resolution is proposed. The theory of the external methods of the frequency stabilization and the comparison of these methods is presented. One method was choosed and this method was realized for 760 and 1540 nm wavelength laser diodes. In this method was used the frequency stabilization based on the linear absorption to the spectral lines of the gases. The diploma work is closed by the measured results of the frequency stability of the used laser diodes and by the comparison of level of stability achieved by the other methods.

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Cette thèse porte sur l'étude et le développement de diodes laser à semi-conducteurs monofréquences émettant à une longueur d'onde de 2,6 μm. Afin de pouvoir analyser la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone par spectroscopie d'absorption par diodes laser accordables, les composants laser doivent présenter une émission monomode dans les directions transverse, latérale et longitudinale. Les lasers, fabriqués au laboratoire, présentaient au début de cette thèse un fonctionnement monofréquence à 2,6 μm que sous certaines conditions de température et de courant.<br />Ce manuscrit met l'accent sur les améliorations apportées à la fabrication des diodes laser.<br />Apres avoir décrit dans une première partie le principe et les propriétés des lasers à antimoniures et de la méthode d'analyse de gaz, le second chapitre expose l'optimisation des paramètres technologiques dans le but d'obtenir une émission monomode latérale et transverse. L'amélioration de l'étape de gravure y est présentée avec l'étude d'autres solutions d'attaque et la mise en place d'une couche d'arrêt.<br />La mise au point de la technologie DFB à couplage latéral permettant d'obtenir une émission monomode longitudinale est présentée dans le troisième chapitre. Cette technique, adaptée sur GaSb au cours de cette thèse, consiste pour l'essentiel à déposer de part et d'autre du ruban laser un réseau de Bragg métallique qui joue le rôle d'un filtre fréquentiel.<br />La dernière partie expose l'ensemble des résultats sur les composants laser. Les composants à ruban étroit présentent une émission au dessus de 2,6 μm pour un fonctionnement en continu et à température ambiante. La technologie DFB apporte des améliorations notables sur les propriétés d'émission des composants.<br />Ce travail a permis d'une part d'obtenir des composants lasers présentant les propriétés requises par l'application et d'autre part de faire acquérir au laboratoire un savoir-faire technologique riche en perspectives pour l'avenir.

Pour répondre à la demande d'un débit croissant du transport des informations par voie optique, le multiplexage en longueur d'onde (DWDM) prévoit le transport simultané d'information sur plusieurs longueurs d'ondes optiques dans une même fibre optique. Dans ce cadre, la mise au point de sources laser présentant un spectre d'émission étroit et stable, et pouvant intégrer plusieurs longueurs d'onde d'émission est requis. Deux principaux types de sources laser sont déjà en place sur le marché : les laser sur matériau semi-conducteur, ainsi que les lasers à base de fibre optique. Nous proposons la solution alternative de l'optique intégrée sur verre, qui semble un bon compromis, puisqu'elle permet à la fois une bonne stabilité et l'intégration de plusieurs composants sur une même puce. L'objectif de ce travail est alors la réalisation et la caractérisation de matrices de lasers DFB utilisant la technologie de l'optique intégrée sur verre. Les lasers réalisés présentent une puissance de sortie de 4,3 mW pour 220 mW de puissance de pompe injectée. La stabilité de l'intensité émise est caractérisée grâce à la mesure du bruit d'intensité relatif (RIN), dont la valeur est inférieure à –155 dB.Hz-1 après 4 MHz. La largeur de raie d'émission des lasers vaut 8 kHz, ce qui correspond à une longueur de cohérence de 10 km. Nous démontrons par ailleurs la réalisation d'une matrice de 18 lasers dont les fréquences d'émission couvrent une gamme spectrale de près de 1 terahertz. L'espacement entre les fréquences émises par les différents lasers de la matrice est de 25 ou 100 GHz, démontrant l'intérêt de ces matrices pour une utilisation dans le domaine des télécommunications optiques. Finalement, la remarquable finesse de la raie d'émission permet d'envisager d'autres types d'applications, allant des capteurs à la spectroscopie.

Ce travail présente la préparation et la caractérisation de matériaux hybrides organiques<br />inorganiques pour applications en la photonique. La théorie associée à la préparation des<br />matériaux est décrite et quelques résultats d'autres travaux déjà publiés concernant ces<br />matériaux sont présentés. La structure du matériau obtenu après hydrolyse et condensation est<br />détaillée en présence de différentes quantités de zirconium. Les analyses de rayons X mettent<br />en évidence les particules qui formant ce matériau et l'influence du zirconium sur la forme de<br />cette particule. La spectroscopie dans la région de l'infrarouge a permis l'étude des liaisons<br />caractéristiques du matériau et les modifications structurelles liées à l'ajout de la phase<br />inorganique. Les caractéristiques du matériau ont été analysées par résonance magnétique<br />nucléaire. Les caractéristiques spectroscopiques du matériau sont détaillées, notamment la<br />luminescence intrinsèque du matériau et l'influence du zirconium. On montre que<br />l'introduction de l'ion europium confère de nouvelles propriétés et permet aussi une évaluation<br />structurelle complémentaire du matériau. Diverses applications du matériau étudié sous la<br />forme de couches minces sont présentées. Nous avons obtenu des réseaux de diffraction par<br />holographie, par lithographie, et également un effet laser à contre-réaction répartie dans des<br />films dopés avec la rhodamine 6G.

Universiẗat, Diss., 2003--Heidelberg.

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The duty-cycle randomness (DCR) lying the Bragg grating of the distributed feedback (DFB) lasers introduced by the fabrication process is inevitable even with the state-of-the-art technologies such as the electron beam lithography and dry or wet etching. This thesis investigates the impact of grating DCR on DFB laser performance through numerical simulations. The result reveals that such a randomness causes a reduction on the side mode suppression ratio (SMSR), and deteriorates the noise characteristics, i.e., broadens the linewidth and increases the relative intensity noise (RIN). With the grating DCR, the effective grating coupling coefficient decreases as evidenced by the reduced Bragg stopband width. However, the longitudinal spatial hole burning (LSHB) effect in the DFB lasers can somewhat be diminished by the grating DCR. The seriousness of these effects depends on different grating structures and their coupling strengths. Our simulation shows that a degradation of 17dB can be brought to the SMSR of the uniform grating DFB lasers with their duty-cycles taking a deviation of ±25% in a uniformly distributed random fashion. It also broadens the linewidth of the quarter-wavelength phase-shifted DFB lasers by more than 2.5 folds. The impact of this effect on the RIN is moderate – less than 2%. All the performance deteriorations can partially be attributed to the effective reduction of the grating coupling coefficient around 20% by such a DCR. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Cette thèse CIFRE adresse le développement de diodes laser, émettant à 975nm, de très forte puissance, rendement à la prise élevé, et stabilisées en longueur d’onde pour pompage de fibres dopées Er/Yb et réalisation de lasers à fibre. La thèse a été développée dans le cadre d’un partenariat étroit entre le Laboratoire IMS, le GIE III-V Lab, principal fondeur français de composants à semiconducteurs III-V pour des applications électroniques et photoniques, et THALES Research & Technology à Palaiseau en région parisienne. Un travail en profondeur de caractérisation et d’analyse a porté sur les aspects thermiques qui contribuent, en particulier,à limiter les niveaux de puissance optique de sortie. Dans ce cadre, nous avons réalisé un ensemble de caractérisations complémentaires au GIE III-V lab et à l’IMS nous permettant d’envisager des solutions correctives d’optimisation technologique portant en particulier sur la profondeur de gravure définissant la largeur de la zone d’émission et la nature du substrat dissipateur. Ces solutions ont été proposées à partir de modélisations physiques mises en oeuvre avec un simulateur dédié, propriété de III-V Lab et de simulations par éléments finis thermiques et thermomécaniques (approche multiphysique) de la structure microassemblée définitive. Ces travaux se sont prolongés par la fabrication et la caractérisation électro-optique et thermique de plusieurs structures verticales : LOC (Large Optical Cavity), SLOC (Super Large OpticalCavity) et AOC (Asymetrical Optical Cavity). Les diodes laser de type LOC et SLOC sont stabilisées en longueur d’onde en intégrant un réseau de Bragg (DFB). Une puissance optique de 8W avec une efficacité de 60% a été obtenue ; ce qui permet de situer ces travaux à l’état de l’art international notamment vis-à-vis de ceux publiés par l’Institut Ferdinand-Braun.L’originalité des travaux menés dans cette thèse nous a permis d’avoir accès à une bourse du Cluster européen « Laserlab » (The Integrated Initiative of European Laser Research Infrastructures), pour conduire des campagnes d’expérimentation à l’Institut Max Born à Berlin dans le groupe du Dr J.W. Tomm. Les travaux ont porté sur la caractérisation thermique de ces diodes laser de forte puissance émettant à 975nm, à double hétérostructure symétrique et asymétrique (SLOC et AOC), en utilisant des techniques complémentaires (microphotoluminescence,photoluminescence résolue en temps, spectroscopie de photocourant et mesures L-I pulsées) et permettant d’évaluer le type de contraintes résiduelles apportées par les étapes de report de la diode Laser ainsi que la cinétique de dégradation catastrophique de type COD. / This PhD addresses the development of high-power laser diodes emitting at 975nm withhigh efficiency and wavelength stabilized using a Bragg grating. This thesis was conducted in the framework of a close partnership between IMS Laboratory, the GIE III-V lab, who is themain French founder of III-V semiconductor devices for electronic and photonic applications,and THALES Research & Technology in Palaiseau. An in-depth characterization and analysiswork has addressed thermal aspects that contribute, in particular, to limit the optical outputpower of a laser diode. In such a context, we have carried out a set of complementary characterizations both at III-V lab and IMS allowing us to provide some corrective solutionsfor technological optimization concerning the etching depth of the grooves that defines the emitting stripe of the laser diode and the nature of the submount acting as a thermocompensator.These solutions have been proposed from optical modelling implemented with a dedicated simulator, property of III-V lab, and thermal and thermomechanical (multiphysics approach) finite element simulations of the overall microassembled structure. All this work has resulted in the fabrication as well as electro-optical and thermal characterizations of three vertical structures namely LOC (Large Optical Cavity), SLOC (Super Large Optical Cavity)and AOC (Asymmetrical Optical Cavity). The LOC and SLOC vertical structures have been processed with a Fabry-Perot cavity and also including a Bragg grating (DFB architecture) while the AOC one was only fabricated with a Fabry-Perot cavity. State-of-the-art results aredemonstrated since in particular an optical power of 8W with an efficiency of 60% has been obtained that can be compared to those recently published by the Ferdinand-Braun Institute.The originality of the work carried out in this PhD has allowed us to receive a grant from the European Laserlab Cluster (The Integrated Initiative of the European Laser Research Infrastructures), to conduct dedicated experiments at the Max-Born Institute (Berlin) in thegroup of Dr. J.W. Tomm. The work aimed to characterize mechanical strain of the laser diode induced by the soldering process. Two vertical structures (SLOC and AOC) were investigated using complementary techniques (microphotoluminescence, time-resolved photoluminescence,photocurrent spectroscopy and pulsed L-I measurements), allowing to quantify the level of residual stress provided by the laser diode mounting process as well as the kinetics of the catastrophic degradation process (COD).

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. / The field of plasmonics is experiencing a rapid development, due to the interest in studying the behavior of light at the nanometer scale. Key ingredients of plasmonics are the surface plasmons (SPs), electromagnetic modes localized at the interface between a metal and a dielectric. SPs rely on the interaction between electromagnetic radiation and conduction electrons at metallic interfaces or in "small" metallic nanostructures. The recent intense activity on plasmonics has been also enabled by state-of-the-art nano fabrication techniques and by high-sensitivity optical characterization techniques. These tools pave the way to promising applications (integration in electronics, chemical and biological detection...), which exploit the SP peculiarity of confining optical fields over sub-wavelength mode volumes. The number of publications concerning plasmonics has been continuously increasing over the last twenty years giving rise to a dynamic research context. Several plasmonic devices have been demonstrated during the last years (modulators, couplers, detectors ...). However their integration is limited by the absence of a compact generator (electrical pumping, small dimensions) and by the huge ohmic losses. Standard techniques for surface plasmon polariton (SPP) generation need an external alignment with a laser source on a prism or on a grating. Our approach is based on semiconductor lasers sources with a transverse magnetic (TM) polarization. Therefore, it is possible to obtain compact semiconductor devices suitable for the on chip integration. During my thesis I studied experimentally and numerically the performance of a diode laser as a function of the metal distance from its active region. The proximity of the gain to the metal is necessary to realize active plasmonic devices. I demonstrated the generation and the amplification of SPP in the telecom range (λ=1.3µm) with compact semiconductor based devices, operating at room temperature and by electrical injection. I realized an elegant architecture with an integrated coupler grating for the SPP generation. The SPPs are directly accessible at the device surface. An ultra-thin cladding device allowed the demonstration of a hybrid plasmonic laser with a consistent fraction of electric field at the metal/semiconductor interface. Finally I demonstrated that the metal patterning allows a loss reduction, decreasing the laser threshold. The results are strengthened by a new near-field technique (NSOM) which permitted to measure the SPPs at the metal/air interface and at the metal/semiconductor interface. Thanks to the NSOM we showed unambiguously the effect of the metal patterning on the optical mode.