With a rapid increase in information capacity of Internet access, high-speed, highly-efficiency, and cost-effectiveness laser source for optical fiber communication is required. High-speed 25Gb/s directly modulated laser is essential of this communication range, because of its simple structure, direct-modulation characteristics, low cost, and integration capability for wavelength division multiplexing (WDM) system, and moreover, it can achieved 100Gb/s data transmission by four channel module system. In this work, data modulation speed of 25Gb/s direct modulation DFB laser has been achieved. By employing high-speed coplanar waveguide structure with semi-insulating substrate, high-speed with f3dB > 20GHz has been demonstrated. By the electrical reflection measurement, it confirmed that the high-speed direction modulation can be realized through reduction of electrical parasitics. The laser chips is measured under continuous-wave mode at room temperature. In 1300nm and 1550nm wavelength device, slope efficiency obtained by taper fiber coupled of 0.045 and 0.07mW/mA respectively, output power up to 2.73 and 3.96mW/facet at 60mA. The Side Mode Suppression Ratio was greater than 35dB. 3dB bandwidth of greater than 16GHz and 20.5GHz, relaxation oscillation frequency of 12GHz and 16.6GHz. Finally, clearly back-to-back 25Gb/s eye diagram and error-floor-free performance were obtained.

Le développement des systèmes photoniques aucours des dernières décennies, rendu possible parl’évolution des technologies de nanofabrication, a vul’apparition de nouveaux matériaux synthétiques tels queles cristaux photoniques, les métamatériaux, les plasmonsde surface, et plus récemment les structures dites « àsymétrie Parité-Temps ». La caractéristique de ces derniersmatériaux synthétiques est que bien qu’ils soient décrits parun Hamiltonien non-Hermitien, leurs valeurs proprespeuvent toutefois être réelles. En optique plusieursphénomènes physiques sont connus pour la ressemblancedes équations les décrivant, avec l’expression de ce typed’Hamiltonien en mécanique quantique. C’est le cas deséquations de modes couplés dans les lasers DFB.Ce travail de thèse a porté sur la conception, fabrication etétude de lasers DFB à couplage complexe, dans l’optiqued’appliquer le principe de symétrie Parité Temps (PT) à uncomposant fonctionnel. Ces lasers sont combinent un réseaupar l’indice et par les pertes, avec un déphasage spécifique.La simulation des modes dans la cavité, effectuée parméthode matricielle de Ables, a dévoilé l’avantageuxfiltrage apporté par les lasers DFB à couplage complexe, engardant un seuil faible. Le cas spécifique d’un déphasaged’un quart de période entre les deux réseaux, correspondantà une condition de symétrie PT, induit des effetsunidirectionnels d’amplification en réflexion.Des lasers DFB à couplage par l’indice, par les pertes et àcouplage complexe avec différentes phases entre les réseauxont été fabriqués selon les techniques courantes deréalisation de circuits photonique intégrés : lithographieélectronique et gravure ICP notamment.Les mesures de caractéristiques courant /puissancemontrent une diminution du courant de seuil des lasers àcouplage complexe en comparaison de leur équivalent àcouplage par les pertes, et un comportement monomodeplus robuste et plus systématique en comparaison de leuréquivalent à couplage par l’indice.Les variations d’indice réelle et imaginaire dans les cavitésont été mesurés à l’aide d’un laser externe.La résistance au retour optique de nos lasers a également étéétudiée. Les résultats montrent une corrélation entre latolérance au retour optique et le déphasage des réseauxd’indice et de pertes, sans montrer d’améliorationsignificative de cette résistance par rapport aux lasers DFBà couplage par l’indice.Ce premier « véhicule test » sur l’application de la symétriePT aux lasers à contre réaction répartie a permis d’obtenirdes perspectives encourageantes quant à l’amélioration desperformances des technologies existantes. Ce travailconforte l’intérêt de ce concept pour la conception de lasersDFB tolérant au feedback et leur intégration dans unsystème laser-modulateur fonctionnant sur la même base. / The development of photonics during the pastdecades, enabled by the advent of nanofabricationtechnologies, witnessed the appearance of new types ofartificial materials such as photonic crystals,metamaterials, plasmonic circuits, and more recently the socalled “PT symmetry” structures. The characteristic featureof this new type of artificial structures is that though theyare described by non-Hermitian Hamiltonians theireigenvalues can still be real. In optics, several physicalphenomena are known to obey equations that are formallyequivalent to that of Hamiltonians in quantum mechanics.During this work, we investigated the design, fabricationand characterization of complex-coupled DFB lasers, withthe intent to apply Parity-Time (PT) symmetry to apractical device. The mode selectivity inside the cavity isbrought by the combination of a gain-coupled and indexcoupledBragg grating, under the form of respectively acorrugated waveguide and a metallic absorbing surfacegrating.Through the simulation of the mode evolution insideconventional DFB lasers and complexe-coupled DFBlasers using Ables matrix method, the advantages ofefficient mode filtering while keeping a low thresholdcurrent was observed. The specific phase shift of a quarterperiod, matching the PT-symmetric configuration, is foundto show highly asymmetric mode selection, with unidirectionalamplification in reflection.Index, gain and complex-coupled DFB lasers with differentphase shifts between loss and index grating profiles werefabricated, using photonics integrated circuits fabricationbuilding blocks: electron beam lithography and inducedcoupled plasma dry etching to name but a few.The characterization of the fabricated lasers shows areduction in threshold compared to equivalent third ordergain-coupled DFB lasers, and improved monomodeoperation and yield compared to third order index-coupledDFB lasers.Real and imaginary parts of the index modulation as wellas reflection spectral response was investigated by externaloptical probing of the laser cavities.The resistance of the CC DFB lasers to external opticalfeedback was studied. If results show an apparentcorrelation between the gratings phase shift and thefeedback resistance, but no significant improvement wasfound with regards to IC DFB lasers.This first milestone on the application of PT-symmetry tothe design and fabrication of DFB lasers provide interestingprospects on the improvement of existing technologies.This work reinforces the interest of this concept for thedesign of feedback tolerant DFB lasers, and theirintegration in an all PT-symmetric laser-modulator system.

In recent years, the study of stimulated emission from and by biological systems has gained wide spread attention as a promising technology platform for novel biointegrated laser. However, the photonic properties and the associated physics of many biological laser systems are not yet fully understood and many promising resonator architectures and laser classes have not yet transitioned into the biological world. In this thesis, we investigate the fundamental photonic properties of lasers based on single biological cells and explore the potential of distributed feedback (DFB) gratings as novel biointegrated laser resonators. We show how the easy and flexible fabrication of DFB resonators helps to realize optofluidic and solid-state biological lasers. Lasing characteristics, such as tunable and single mode emission, are investigated and different applications are explored. Fourier-space emission studies on different biological lasers give insight in to the photonic dispersion relation of the system and the fundamental creation of lasing modes and their confinement in living systems. The first purely water based optofluidic DFB laser is demonstrated and novel sensing applications are suggested. This device shows low threshold lasing due to an optimized mode shape, which is achieved by a low refractive index substrate and the use of a mixed-order grating. Next, by integrating a high refractive index interlayer on a DFB resonator, a laser device incorporating the novel solid-state biological gain material green fluorescent protein (GFP) is realized. Lastly, we show how the thickness of organic polymer lasers can be reduced to its fundamental limit (< 500 nm) and the resulting membrane like laser devices can be applied to and operated on various body parts to potentially complement biometric identification.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude des propriétés fondamentales de bâtonnets quantiques InAs/InP formant la zone active de diodes lasers, à l’aide de microscopie et spectroscopie à effet tunnel à balayage. Nous avons pu étudier la nature de la dimensionnalité de ces nanostructures, mesurer la structure électronique de bâtonnets uniques en fonction de leur position dans la jonction PIN et également établir la cartographie de leur fonction d’onde à l’aide de mesures de conductivité différentielle. Nous avons de plus étudié le potentiel de ces bâtonnets quantiques comme milieu à gain de diodes lasers pour applications en détection de gaz. Nous avons optimisé des structures actives qui ont permis une émission laser en continu jusqu’à 2 µm et nos résultats expérimentaux et de modélisation montrent que cette longueur d’onde d’émission peut être étendue encore plus vers le MIR. De plus nous avons conçu et développé un procédé de fabrication de lasers DFB à couplage latéral à base de réseau de Bragg à fort rapport cyclique qui a permis d’améliorer de façon significative le coefficient de couplage (>40 cm-1). Ce procédé ne nécessitant pas de reprise d’épitaxie est très simple et à bas coût dans sa réalisation. Les valeurs élevées du coefficient de couplage sont d’autre part obtenues sans recourir à des réseaux de Bragg métalliques, comme c’est généralement le cas dans la littérature, qui introduisent des pertes de propagation non négligeables. Cette nouvelle approche a été mise en œuvre pour la réalisation d’un laser monofréquence émettant à 1,986 µm, avec une puissance de sortie par face de 4,5 mW, un courant de seuil de 65 mA et un taux de suppression des modes latéraux > 37 dB. Ces paramètres sont parfaitement adaptés à la détection e.g. de NH3, ce qui est très important pour des applications industrielles. Ce type de laser DFB à couplage latéral (LC-DFB), à fort k et faibles pertes de propagation constitue une brique de base pour la réalisation future de composants à deux sections présentant une gamme élevée d’accordabilité en continu pour des applications aussi bien en détection de gaz qu’en télécommunications optiques / During this work, we investigated the fundamental properties of single Qdashes, that were embedded in a diode-laser structure configuration, using cross-sectional scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The main results included addressing the open question of the Qdash dimensionality nature, probing the electronic structure of individual nanostructures in respect to their precise location in the p-i-n junction and imaging of the Qdash electronic squared wavefunctions by high-stability differential conductivity mapping. In addition, we investigated Qdashes as the active material of semiconductor lasers, with special attention to the gas sensing application. We optimized Qdash based material at specific emission wavelengths above 1.55 um, and demonstrated CW lasing up to 2 um with high performances. Our experimental and simulation results show to be promising for further pushing the emission wavelength out, towards longer wavelengths in the future, using the same material system. Furthermore, a novel process has been developed, for the fabrication of laterally-coupled DFB lasers, based on high-duty-cycle etched Bragg gratings: The process provides appreciably improved coupling coefficients suitable for practical applications (~40 cm-1), while avoiding the complicated high cost processing steps, that had been employed in previous works (regrowth over corrugated substrates/ FIB lithography) and without using the conventional highly absorbing metal gratings, which introduce significant additional losses. We implemented this approach on our optimized epi-wafer and demonstrated high SMSR (>37dB) LC-DFB lasers emitting at 1.986 um, with an output power per facet up to 4.5 mW and Ith down to 65 mA for a 630 um cavity length, suitable for detection of the NH3 gas. These high-κ, low loss, preliminary results of our LC-DFB lasers, achieved using etched gratings, open the way for the fabrication of a two-section LC-DBR laser using the same technology in the future. Such a laser would combine a significantly simplified process, with sufficient feedback, continuous wide range tunability, and negligible grating-induced losses, finding potential applications both in sensing and telecommunications applications