Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes lasers de puissance, faible bruit à 1.5 µm sur InP pour des applications d’optique hyperfréquence, notamment pour des liaisons optiques analogiques de grande dynamique pour les systèmes radar. La première partie du travail a consisté à modéliser et concevoir des structures laser DFB ayant de faibles pertes internes. Ces structures, appelées lasers à semelle, incorporent une couche épaisse de matériaux entre la zone active et le substrat pour agrandir et délocaliser le mode propre optique des zones dopées p. La complexité de la conception résidait dans le bon compromis à trouver entre les performances statiques et dynamiques. Nous avons réalisé des diodes-lasers DFB avec une puissance > 150 mW, un rendement de 0.4 W/A, un niveau de bruit de 160 dB/Hz et une bande passante de modulation à 3 dB de 7.5 GHz. Les composants ont ensuite été caractérisés puis évalués dans des liaisons analogiques. Nous avons démontré des performances de gain de liaison, de dynamique et de point de compression à l’état de l’art mondial. En bande L (1-2 GHz) par exemple, nous avons montré des liaisons avec 0.5 dB de gain, un point de compression de 21 dBm et une dynamique (SFDR) de 122 dB.Hz2/3.En utilisant la même méthodologie de conception, la dernière partie du travail de thèse a été consacrée à la réalisation et à la caractérisation de lasers de puissance à verrouillage de modes pour la génération de train d’impulsions ultra-courts et la génération de peignes de fréquences. Ces structures présentent de très faibles largeurs de raie RF (550 Hz) et de très fortes puissances optiques (> 18 W en puissance crête). / This work focuses on the design, realization and characterization of high power, low noise 1.5 µm diode lasers for microwave applications and more particularly for high dynamic optical analog link for radar systems. The first part of this study deals with modeling and design of low internal losses DFB laser structures. These specific structures are called slab-coupled optical waveguide lasers, and are composed of a thick layer between the active layer and the substrate. The aim of this waveguide is to enlarge the optical eigenmode and to move the optical mode away from p-doped layers. The main difficulty was to find the good trade-off between laser static performances (optical power, efficiency) and dynamic performances (RIN and modulation bandwidth). We have succeeded in developing high efficiency (0.4 W/A), low noise (RIN ≈ 160 dB/Hz) DFB lasers with more than 150 mW and a 3 dB modulation bandwidth up to 7.5 GHz. We have then characterized our components on wide band and narrow band analog links. We have demonstrated state of the art gain links, dynamic and 1 dB compression power. In the L band (1-2 GHz) for example, we have obtained an optical link with a gain of 0.5 dB, a compression power of 21 dBm and a dynamic (SFDR) of 122 dB.Hz2/3.Finally we have applied the methodology and the design of slab-coupled optical waveguide structures to develop high power mode-locked lasers for ultra-short pulses generation and for optical and electrical comb generation. We have demonstrated narrow RF linewidth (550 Hz) lasers with very high power (continuous power > 400 mW and peak power > 18 W).

Cette étude s’intéresse à l’amélioration des performances du laser solide Er3+:YAG, dont la longueur d’onde de 1,64 µm est dite « eye-safe ». L’une des solutions est le remplacement des monocristaux actuellement utilisés comme milieu amplificateur par des céramiques polycristallines Er:YAG transparentes, dont les propriétés thermomécaniques remarquables permettent une meilleure cohérence du faisceau de sortie et de ce fait, une augmentation des performances du laser. Cependant, la réunion des différents critères requis pour obtenir la transparence reste un réel challenge dans l’élaboration de ces céramiques. L’utilisation de poudres commerciales issues de deux voies de synthèse différentes a permis de souligner le rôle primordial des caractéristiques physiques de la poudre sur le comportement à la compaction et au frittage, effectué par Spark Plasma Sintering, tandis que la composition phasique et la pureté chimique conditionnent la qualité optique finale. Il ressort également que la coloration de la céramique observée lors du frittage résulte, non pas d’une contamination au carbone, mais de la formation de lacunes d’oxygène. Enfin, l’analyse et la compréhension du mode d’action du LiF utilisé comme aide au frittage ont permis d’établir des mécanismes réactionnels permettant d’optimiser le cycle de frittage. Cette démarche a conduit à l’obtention de céramiques polycristallines transparentes (Ø = 30 mm, e = 3 mm) à qualité optique élevée avec des valeurs de transmission de 80 % à 400 nm et 84 % à 1100 nm. Sur la base de ces résultats et de la simulation numérique, un changement d’échelle des céramiques (Ø = 50 mm, e = 5 mm) a été effectué dans le but de les évaluer en cavité laser. / This work focus on the improvement of the solid state Er3+:YAG laser performances presenting an "eye-safe" wavelength at 1.64 µm. One way is the replacement of single crystals currently used as gain media by polycrystalline ceramics as they present improved thermo-mechanical properties allowing a longer use of the laser. However, the meeting of different criteria requested to get transparency remains a challenge in the development of these ceramics. The use of commercial powders produced by two different synthesis ways allowed to highlight the essential role of the physico-chemical characteristics of the powder on compaction and sintering behaviors, performed by Spark Plasma Sintering, Phase composition and chemical purity have an influence of the final optical quality. It was also figured out that the gray coloration of the ceramic observed after sintering is caused by the formation of oxygen vacancies, rather than a carbon contamination. Finally, the mode of action of LiF, used as sintering aid to increase optical transmittance, was studied in order to establish reaction mechanisms allowing an optimization of the SPS cycle. This approach helps to reach Er3+:YAG transparent polycrystalline ceramics (Ø = 30 mm, thk = 3 mm) with an optical transmittance of 80 at 400 nm and 84 % at 1100 nm. On the basis of these results and with the help of numerical simulation, an up-scaling of ceramics (Ø = 50 mm, thk = 5 mm) was undertaken in order to evaluate their laser performances through laser cavity tests.

Breitstreifenlaser haben eine breite Emissionsapertur, die es ermöglicht eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Gleichzeitig führt sie jedoch zu einer Verringerung der lateralen Strahlqualität und zu ihrem nicht-stationären Verhalten. Forschung in diesem Gebiet ist anwendungsgetrieben und somit ist das Hauptziel eine Erhöhung der Brillanz, die sowohl die Ausgangsleistung als auch die laterale Strahlqualität beinhaltet. Um die zugrunde liegenden raumzeitlichen Phänomene zu verstehen und dieses Wissen zu nutzen, um die Kosten der Brillanz-Optimierung zu minimieren, ist ein selbst-konsistentes Simulationstool notwendig, welches die wichtigsten Prozesse beinhaltet. Zunächst wird in dieser Arbeit ein quasi-dreidimensionales elektro-optisch-thermisches Model präsentiert, welches wesentliche qualitative Eigenschaften von realen Bauteilen gut beschreibt. Zeitabhängige Wanderwellen-Gleichungen werden genutzt, um die inhärent nicht-stationären optischen Felder zu beschreiben, welche an eine Ratengleichung für die Überschussladungsträger in der aktiven Zone gekoppelt sind. Das Model wird in dieser Arbeit um eine Injektionsstromdichte erweitert, die laterale Stromspreizung und räumliches Lochbrennen korrekt beschreibt. Des Weiteren wird ein Temperaturmodel präsentiert, das kurzzeitige lokale Aufheizungen in der Nähe der aktiven Zone und die Formierung einer stationären Temperaturverteilung beinhalten. Im zweiten Teil wird das beschriebene Modell genutzt, um die Gründe von Brillanz-Degradierung, das heißt sowohl die Ursprünge der Leistungssättigung als auch des nicht diffraktionslimitierten Fernfeldes zu untersuchen. Abschließend werden im letzten Teil Laserentwürfe besprochen, welche die laterale Brillanz verbessern. Hierzu gehört ein neuartiges “Schachbrettlaser” Design, bei dem longitudinal-laterale Gewinn-Verlust-Modulation mit zusätzlicher Phasenanpassung ausgenutzt wird, um eine sehr geringe Fernfeld-Divergenz zu erhalten. / Broad-area lasers are edge-emitting semiconductor lasers with a wide lateral emission aperture that enables high output powers, but also diminishes the lateral beam quality and results in their inherently non-stationary behavior. Research in the area is driven by application and the main objective is to increase the brightness which includes both the output power and lateral beam quality. To understand the underlying spatio-temporal phenomena and to apply this knowledge in order to reduce costs for brightness optimization, a self-consistent simulation tool taking into account all essential processes is vital. Firstly, in this work a quasi-three-dimensional opto-electronic and thermal model is presented, that describes well essential qualitative characteristics of real devices. Time-dependent traveling-wave equations are utilized to describe the inherently non-stationary optical fields, which are coupled to dynamic rate equations for the excess carriers in the active region. This model is extended by an injection current density model to accurately include lateral current spreading and spatial hole burning. Furthermore a temperature model is presented that includes short-time local heating near the active region as well as the formation of a stationary temperature profile. Secondly, the reasons of brightness degradation, i.e. the origins of power saturation and the spatially modulated field profile are investigated and lastly, designs that mitigate those effects that limit the lateral brightness under pulsed and continuous-wave operation are discussed. Amongst those designs a novel “chessboard laser” is presented that utilizes longitudinal-lateral gain-loss modulation and an additional phase tailoring to obtain a very low far-field divergence.