Alors que les télécommunications optiques se sont imposées dans les liaisons point à point de très haut débit, leur extension au réseau métropolitain, caractérisé par une grande densité de connexions, est aujourd'hui freinée par le prix élevé des composants. Un des principaux facteurs de coût dans la fabrication des modules optique est lié au besoin de coupler le laser à un isolateur afin de le protéger des réflexions externes. Le but de cette thèse a consisté à développer des lasers monomodes faiblement sensibles à la réalimentation optique afin de pouvoir réaliser des transmissions à 2,5 GBit/s sans isolateur optique. L'étude de structures DFB (Distributed Feedback Lasers) conventionnelles a permis de relier les effets physiques induits sur les composants par la contre-réaction optique aux dégradations observées dans les courbes de taux d'erreurs. Bien qu'un tri de ces composants soit nécessaire à l'échelle industrielle, des transmissions à 2,5 GBit/s et à 85°C ont été réalisées sans plancher et avec de faibles pénalités après optimisation de la structure laser. Afin de s'affranchir de l'opération de tri, de nouvelles structures DFB à pas variable et fondées sur l'utilisation d'un réseau de Bragg asymétrique (chirped grating) ont ensuite été réalisées. Les résultats montrent des performances statiques et dynamiques homogènes sur plaque et au-delà de l'état de l'art. Outre la réduction du prix lié à l'absence d'isolateur, de telles performances permettent surtout de s'affranchir de l'opération de tri et sont donc particulièrement prometteuses pour le développement futur des réseaux de télécommunications tout optique.

Excitabilité et structures localisées sont des phénomènes universels qui ont été observés dans une grande variété de systèmes. Chacun des deux phénomènes a des propriétés intéressante pour des applications potentielles, surtout dans l'optique. L'excitabilité est la propriété intrinsèque du neurone, elle décrit sa réponse à une stimulation: pour des stimulations en-dessous d'un certain seuil, le neurone reste dans son état de repos mais quand la stimulation dépasse ce seuil, il émet une impulsion dont la taille ne dépend pas de la force de la stimulation. Les structures localisées dans les systèmes optiques sont des pics de surintensité qui coexistent avec un fond homogène sur la section transversale spatialement étendue d'une cavité laser. Dans cette thèse nous avons étudié l'apparition de ces deux phénomènes non-linéaires dans des microcavités à semi-conducteur, pour lesquelles les applications dans le traitement tout-optique de l'information sont prometteuse. En outre, nous avons étudié la possibilité de trouver un nouveau phénomène à l'intersection entre les deux: les structures localisées excitables. D'une part nous avons étudié les propriétés des structures localisées qui se forment dans un laser à solitons. Celui-ci est constitué par deux laser à semiconducteur à cavité verticale (VCSEL) mutuellement couplées dans une configuration de laser avec absorbant saturable (LSA). Nous observons l'émissions aléatoire et localisée d'impulsions que nous affirmons être la première évidence expérimentale de structures localisées excitables. D'autre part nous avons démontré le comportement excitable d'un laser avec signal injecté par la possibilité de contrôler les impulsions excitable grâce à une perturbation externe appropriée. Nous avons également réalisé des simulations numériques qui montrent l'existence des structures localisées excitables dans un modèle de VCSEL avec absorbant saturable.

L’objectif de la thèse concerne le développement de lasers à semi-conducteur à blocage de modes qui présentent un grand intérêt pour les systèmes de télécommunications optiques à très haut débit (WDM, OTDM, radio sur fibre…).Les nanostructures à base de boites quantiques (BQs) possèdent des propriétés remarquables grâce au confinement 0D des porteurs de charge. Leur utilisation dans les lasers à blocage de modes a donné lieu à des avancées importantes en terme de génération d’impulsions très courtes à haute fréquence et avec un très faible niveau de bruit.Durant la thèse, une optimisation de la croissance des structures lasers à BQs InAs sur substrat InP(113)B a été menée afin d’accroître le nombre de plans de BQs tout en assurant une forte densité pour maximiser le gain modal. Le travail a également porté sur l’utilisation de substrats InP(001) désorienté et l’obtention d’empilement de plans de BQs de faible anisotropie. Une optimisation de la technologie des lasers monomode de type « shallow-ridge » a été réalisée sur substrat conventionnel InP (001). Nous avons confirmé l’intérêt des BQs pour améliorer l’efficacité d’injection grâce à une réduction de la diffusion latérale des porteurs. Le blocage de modes a été obtenue sur des lasers à mono-section et double sections à base de BQs InAs élaborés sur InP (001) désorienté et InP(113))B, à des fréquences de répétitions allant de 20 jusqu’à 83 GHz. Les spectres RF présentent des pics de faibles largeurs (jusqu’à 20 kHz) qui indique un faible bruit de phase. Enfin, une étude a été menée sur le comportement en température des lasers à blocage de modes passif à double sections à base de BQs ou de BatQs InAs/InP. / Semiconductor mode-locked lasers (MLLs) are at the centre of interest for a large range of photonic applications (WDM, OTDM, radio over fiber ...). Because of their outstanding performance coming from the 0D carrier confinement, the use of quantum dots (QDs) nanostructures as active material for MLLs has led to the generation of ultra-short and high frequency pulses with low noise. For the present thesis studies were carried out on InAs based QDs laser growth on InP (113)B in order to increase the number of stacked QDs layers while maintaining a high density of QDs to maximize modal gain. Work has also been focused on layers stacking and obtaining real QDs using misoriented (001) InP substrate. Structural qualities have been confirmed using AFM, polarized photoluminescence and broad laser characterization. A shallow ridge waveguide optimization technology has been realized on conventional (001) InP substrate. We have confirmed the improved injection efficiency of QDs due to lower lateral carrier diffusion. Mode-locking was obtained on single and two sections InAs based QDs lasers elaborated on (001) InP misoriented substrate and (113)B InP substrate, from 20 to 83 GHz. The RF linewidth at -3 dB is as low as 20 kHz indicating a ML regime with a low phase noise. Finally, we have studied the temperature effect on the QDs and QDashes InAs/InP multi-section MLLs.

Excitabilité et structures localisées sont des phénomènes universels qui ont été observés dans une grande variété de systèmes. Chacun des deux phénomènes a des propriétés intéressante pour des applications potentielles, surtout dans l'optique. L'excitabilité est la propriété intrinsèque du neurone, elle décrit sa réponse à une stimulation: pour des stimulations en-dessous d'un certain seuil, le neurone reste dans son état de repos mais quand la stimulation dépasse ce seuil, il émet une impulsion dont la taille ne dépend pas de la force de la stimulation. Les structures localisées dans les systèmes optiques sont des pics de surintensité qui coexistent avec un fond homogène sur la section transversale spatialement étendue d'une cavité laser. Dans cette thèse nous avons étudié l'apparition de ces deux phénomènes non-linéaires dans des microcavités à semi-conducteur, pour lesquelles les applications dans le traitement tout-optique de l'information sont prometteuse. En outre, nous avons étudié la possibilité de trouver un nouveau phénomène à l'intersection entre les deux: les structures localisées excitables. D'une part nous avons étudié les propriétés des structures localisées qui se forment dans un laser à solitons. Celui-ci est constitué par deux laser à semiconducteur à cavité verticale (VCSEL) mutuellement couplées dans une configuration de laser avec absorbant saturable (LSA). Nous observons l'émissions aléatoire et localisée d'impulsions que nous affirmons être la première évidence expérimentale de structures localisées excitables. D'autre part nous avons démontré le comportement excitable d'un laser avec signal injecté par la possibilité de contrôler les impulsions excitable grâce à une perturbation externe appropriée. Nous avons également réalisé des simulations numériques qui montrent l'existence des structures localisées excitables dans un modèle de VCSEL avec absorbant saturable. / Excitability and localized structures are universal phenomena, observed in various systems. Both possess interesting properties for potential applications, especially in optics. Excitability is the intrinsic property of the neuron defining its response to an external stimulus: for a sub-threshold stimulus the neuron stays quiescent; for a super-threshold stimulus, it emits a well-calibrated pulse independent on the strength of the stimulus. Localized structures in optics are bright intensity peaks coexisting with a homogeneous low intensity background. They appear in the transverse section of spatially-extended laser resonators. We study the occurrence of these nonlinear phenomena in semiconductor microcavities since the applications in all-optical processing of information are promising. Moreover we investigate the possibility of a novel kind of localized structure which stands at the intersection of these two phenomena: the excitable localized structures. On the one hand we study the properties of localized structures arising from a cavity soliton laser composed of two mutually coupled broad-area VCSELs in a LSA (Laser with Saturable Absorber) configuration . We report on the observation of a random and localized emission of pulses which we claim to be the first experimental evidence of noise-triggered excitable localized structures whose excitability is induced by inhomogeneities and drift. On the other hand we demonstrate the excitability in an optically injected laser by showing the control of excitable pulses by means of an external perturbation. We also perform numerical simulations which reveal the existence of excitable localized structures in a model of broad area VCSEL with saturable absorber.

L'objectif de la thèse concerne le développement de lasers à semi-conducteur à blocage de modes qui présentent un grand intérêt pour les systèmes de télécommunications optiques à très haut débit (WDM, OTDM, radio sur fibre...).Les nanostructures à base de boites quantiques (BQs) possèdent des propriétés remarquables grâce au confinement 0D des porteurs de charge. Leur utilisation dans les lasers à blocage de modes a donné lieu à des avancées importantes en terme de génération d'impulsions très courtes à haute fréquence et avec un très faible niveau de bruit.Durant la thèse, une optimisation de la croissance des structures lasers à BQs InAs sur substrat InP(113)B a été menée afin d'accroître le nombre de plans de BQs tout en assurant une forte densité pour maximiser le gain modal. Le travail a également porté sur l'utilisation de substrats InP(001) désorienté et l'obtention d'empilement de plans de BQs de faible anisotropie. Une optimisation de la technologie des lasers monomode de type " shallow-ridge " a été réalisée sur substrat conventionnel InP (001). Nous avons confirmé l'intérêt des BQs pour améliorer l'efficacité d'injection grâce à une réduction de la diffusion latérale des porteurs. Le blocage de modes a été obtenue sur des lasers à mono-section et double sections à base de BQs InAs élaborés sur InP (001) désorienté et InP(113))B, à des fréquences de répétitions allant de 20 jusqu'à 83 GHz. Les spectres RF présentent des pics de faibles largeurs (jusqu'à 20 kHz) qui indique un faible bruit de phase. Enfin, une étude a été menée sur le comportement en température des lasers à blocage de modes passif à double sections à base de BQs ou de BatQs InAs/InP.

La dynamique des lasers à semi-conducteur avec rétroaction optique est le sujet de cette thèse. En particulier, nous analysons l'instabilité à l'origine des fluctuations à basse fréquence de l'intensité du laser (Low Frequency Fluctuations, LFFs) qui apparaissent pour une rétroaction modérée à forte. <br /><br />Nous étudions la nature dynamique des fluctuations à basse fréquence au moyen de techniques des mesures particulières. Nous prouvons que les LFFs trouvent leur origine dans une bifurcation noeud - col d'Andronov anticipée par le bruit présent dans le système. Nous démontrons expérimentalement que, en accord avec ce type de bifurcation, le laser à semi-conducteur avec rétroaction optique répond aux perturbations comme un système excitable. Ceci constitue la première preuve d'excitabilité dans un système optique. Corollairement, le contrôle du niveau de bruit dans le système nous permet de réaliser la première observation du phénomène de Coherence Resonance.<br />Nous avons aussi obtenu de fortes indications sur le mécanisme physique à l'origine de l'instabilité des fluctuations à basse fréquence. L'analyse de l'évolution temporelle du spectre optique à des échelles inférieures à la nanoseconde nous permet de montrer que cette instabilité est générée par l'interaction entre différents modes du laser. <br />Enfin, nous nous sommes placés dans le cas expérimental où la rétroaction optique est sélective en fréquence, analysant ainsi les caractéristiques du système par la variation de cette fréquence.<br /><br />L'influence de la rétroaction sur un laser a aussi été étudiée pour des lasers à cavité verticale (VCSELs) dont le fonctionnement monomode longitudinal est imposé par la séparation en fréquence entre les modes. Pourtant, nous observons une fluctuation à basse fréquence dans l'intensité émise par le système. Nous montrons que, dans ce cas, l'instabilité est liée à l'interaction entre les deux composants de polarisation du VCSEL.

Les travaux reportés dans cette thèse concernent la conception et la réalisation<br />technologique d'une diode laser à puits quantiques InGaAsN émettant à 1,3μm, épitaxiée sur<br />substrat de GaAs, et comportant une structure à ruban à base d'un diaphragme d'oxyde<br />d'aluminium (Alox). Nous présentons, tout d'abord, l'étude de modélisation et de conception de ces<br />diodes laser. En nous appuyant sur un outil incluant la modélisation de la structure de bande des<br />puits quantiques InGaAsN/GaAs, une étude complète d'optimisation des propriétés d'émission des<br />puits quantiques est menée. Nous en dégageons les critères de conception de la structure<br />bidimensionnelle pour obtenir une émission laser à 1,3μm présentant de bonnes performances en<br />terme de stabilité thermique et de réponse dynamique, compatible avec les réseaux optiques<br />d'accès.<br />La seconde partie porte sur la réalisation technologique des composants. Nous présentons la<br />mise au point de l'étape d'oxydation latérale humide et au développement d'un procédé<br />technologique complet et reproductible de réalisation de diodes laser avec injection latérale des<br />porteurs et diaphragme d'oxyde en tenant compte des contraintes technologiques des différentes<br />étapes du procédé. La réalisation et la caractérisation de diodes laser à diaphragme d'oxyde ont<br />constitué la dernière phase de ce travail. Après avoir validé le procédé technologique dans la filière<br />AlGaAs/GaAs, nous avons procédé à une caractérisation approfondie des composants à multi puits<br />quantiques InGaAsN/GaAs afin d'évaluer les potentialités de cette nouvelle filière et de confirmer<br />l'intérêt du confinement procuré par le diaphragme Alox pour l'obtention de composants<br />monomodes stables.

Les sources laser accordables se distinguent par leur capacité à changer leur longueur d’onde d’émission de façon continue dans le temps. Elles sont utilisées dans de nombreuses applications comme les télécommunications, la spectroscopie et la tomographie optique cohérente. Elles sont caractérisées principalement par une faible largeur de raie instantanée, une grande fréquence de balayage et une large plage d’accord. Les avantages des sources accordables ouvrent la voie vers d’autres types d’applications comme la caractérisation des impulsions ultra-courtes par exemple. Généralement, ces impulsions sont caractérisées via des méthodes non linéaires, lentes et trop compliquées à mettre en place. Nous avons donc proposé une nouvelle approche basée sur les sources accordables pour la caractérisation des impulsions ultra-courtes. En utilisant un laser à semi-conducteur accordable linéairement, type SG-DBR (Sampled-Grating Distributed Bragg Reflector), nous pouvons balayer en une seule mesure tout le spectre optique des impulsions sous test. Le signal de battement entre la source accordable et le laser pulsé permet de mesurer l’amplitude et la phase spectrales des différents modes ce qui nous donne accès à la forme temporelle de l’impulsion. L’avantage de notre approche est que tout le processus de caractérisation se fait en une seule mesure très rapide. En effet, la grande fréquence de balayage du laser accordable permet d’avoir des temps de mesure très faibles (< 10 μs), ce qui offre la possibilité d’avoir des mesures en temps réel. De plus, grâce à la large plage d’accord, cette technique est complétement indépendante de l’impulsion sous test, elle ne nécessite aucune connaissance au préalable des différentes propriétés de cette dernière telles que la fréquence de répétition, le nombre de modes ou la fréquence de chaque mode / Optical swept sources are distinguished by the ability to change their output wavelength in a continuous manner over time. They are used in many applications such as telecommunications, spectroscopy and optical coherence tomography. They are mainly characterized by a narrow instantaneous linewidth, a high sweep rate and a wide tuning range. The advantages of swept sources open the way to other types of applications such as the characterization of ultrashort pulses for example. Generally, these pulses are characterized using nonlinear methods which are slow and too complicated. We have proposed a novel approach based on swept sources for the characterization of ultrashort pulses. By using a linearly wavelength-swept semiconductor laser like SG-DBR (Sampled-Grating Distributed Bragg Reflector), we can scan the entire optical spectrum of the pulses under test in a single measurement. The beat signal between the swept source and the pulsed laser is then used to measure the spectral amplitude and phase of all modes which gives access to the temporal shape of the pulse. The main advantage of our approach is that the entire characterization process is done in a single fast measurement. Indeed, the high sweep rate of the swept source offers the possibility of having real time measurements. In addition, thanks to the wide tuning range, this technique is completely independent of the pulse under test, it requires no prior knowledge of the various properties of the pulse such as the repetition frequency, the number of modes or the frequency of each mode