Dans cette thèse nous présentons dans un premier temps nos résultats expérimentaux sur les instabilités de polarisation de lasers à boîtes quantiques (QD) et à cavité verticale (VCSELs). Ces instabilités présentent des caractéristiques différentes de celles observées dans les lasers VCSELs à puits quantiques : une compétition se produit entre deux états polarisés elliptiquement et non orthogonaux, qui donne lieu à une dynamique de saut de mode de polarisation dans le temps. Le temps de séjour moyen dans un mode décroit de huit ordres de grandeur en augmentant le courant d’injection (de la seconde à la nanoseconde). A notre connaissance ceci constitue la première observation d’une dynamique de polarisation d’un VCSEL avec une échelle de temps aussi diversifiée.Nous présentons ensuite une étude théorique d’un laser QD avec injection optique, en prenant en compte la dynamique des porteurs de charge vers des états énergétiques excités. Nous montrons qu’aux dynamiques d’impulsions excitables observées expérimentalement s’ajoutent des dynamiques auto-pulsées complexes résultant d’une phénomène de bifurcation autour d’un point de selle (« bottleneck »). Finalement nous avons étudié le cas d’un laser QD émettant simultanément depuis les états d’énergie fondamental et excité. Alors que la lumière est injectée dans laser QD esclave à la fréquence proche de l’état d’énergie fondamental, nous montrons que l’émission à la fréquence de l’état excité présente une dynamique auto-pulsée avec des impulsions très courtes (ps) suite à un mécanisme de basculement de gain / In this thesis we first show our experimental results on polarization instabilities in quantum dot (QD) lasers with vertical cavity, so called VCSELs. Their characteristics are different from what is typically observed in their QW counterparts: light that is linearly polarized close to lasing threshold becomes elliptically polarized as current is increased and then a wide region of polarization mode hopping between nonorthogonal, elliptically polarized modes sets on. Within this region the average dwell time decreases by eight orders of magnitude from seconds to nanoseconds. To our best knowledge this is the first observation of such a diversified dynamics of polarization mode hopping in a single VCSEL. We have also carried out theoretical studies of optically injected QD lasers accounting for the intradot carrier dynamics through the higher-energy excited states. We show that experimentally observed excitable pulses are complemented by self-pulsations resulting from the so-called bottleneck phenomenon. Finally, we have theoretically investigated optically injected QD laser lasing simultaneously from the ground and excited states. We show that although the external light is injected to the ground state mode alone, modulation of the relaxation time induced by injected signal can provide a gain switching mechanism leading to generation of picosecond pulses from the excited state

Depuis le premier concept proposé par K.Iga il y a 30 ans jusqu'aux recherches actuelles sur l'intégration photonique des VCSELs (pour Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface), une forte activité de recherches a été déployée sur ces composants optoélectroniques emblématiques, du matériau au composant jusqu'au système, leur permettant d'acquérir leur position stratégique actuelle. C'est dans cette dynamique que s'est inscrit mon parcours scientifique. Les principales activités de recherche que j'ai menées depuis 1992 sur la technologie des VCSELs et leur intégration dans des systèmes photoniques sont décrites dans ce mémoire. Je rappelle tout d'abord brièvement les avantages des dispositifs III-V à cavité verticale pour l'optoélectronique et plus particulièrement les propriétés des VCSELs, composants au centre de mes travaux. Ce contexte général étant posé, je décris les contraintes imposées lors de l'élaboration de ces dispositifs à cavité verticale sur GaAs ainsi que la technique de contrôle optique en temps réel qui m'a permis de répondre à ce défi. Je détaille ensuite mes travaux sur la photo-détection en cavité verticale, qui ont porté sur la conception, la réalisation et la caractérisation de photo-détecteurs simples à cavité massive, de VCSELs à double fonction pour la détection d'un faisceau externe, ainsi que de VCSELs avec monitoring intégré exploitant la détection latérale de l'émission spontanée dans le plan de la cavité. La thématique du contrôle de l'injection électrique dans les VCSELs de grandes dimensions pour la manipulation de solitons de cavité ou la génération de puissance est également exposée, ainsi que les études menées sur l'intégration des VCSELs dans les microsystèmes qui m'ont conduite à mettre en place une nouvelle filière sur la micro-optique intégrée à base de polymères pour ces composants. Enfin, les prospectives de recherche qu'ouvrent l'ensemble de ces travaux sont présentées ainsi que le contexte dans lequel elles s'inscrivent.

La géométrie innovante du laser à cavité verticale présente un attrait considérable pour quelques applications spécifiques telles que les interconnexions optiques massivement parallèles ou l'ordinateur optique qui nécessitent des réseaux uni- ou bi-dimensionnels de lasers à faible courant de seuil. Dans le dessein de réaliser un laser à cavité verticale monolithique émettant aux longueurs d'onde d'intérêt pour les télécommunications optiques (1,3-1,55 µm), le système semiconducteur AlGaAsSb permet d'atteindre de très haut pouvoirs réflecteurs pour les miroirs de Bragg, qui constituent les éléments clés de ce type de composant. La pierre angulaire de ce travail a été d'établir les conditions de croissance par Épitaxie par Jets Moléculaires des couches antimoniures sur InP et sur GaSb. En particulier l'accord de maille de AlGaAsSb sur InP a été obtenu malgré les difficultés liées à une lacune de miscibilité à ces compositions. Le choix de multipuits GaInSb dans des barrières de AlGaAsSb comme zone active sur GaSb émettant à 1,55 µm, nous a permis d'atteindre une émission laser à température ambiante sur des lasers à émission par la tranche, ce résultat constituant une première mondiale. La réalisation de miroirs de Bragg performants aux longueurs d'onde de 1,55 µm et 2 µm valide les grandes potentialités du système semiconducteur AlGaAsSb/AlAsSb pour la fabrication de lasers à cavité verticale fonctionnant dans le proche infrarouge. De même la croissance d'une structure à cavité verticale 3l centrée à 1,5 µm montre la faisabilité de lasers à cavité verticale totalement monolithiques sur GaSb pour les applications aux télécommunications optiques.

Les thèmes de recherche développés dans cette habilitation portent sur les lasers à cavité verticale (VCSELs) dans la gamme de lon- gueur d'onde 0,85-1,55 m. La géométrie particulière de cet émetteur et son attractivité dans un contexte applicatif, autant pour son intégrabilité que pour son intérêt économique, a dicté les évolutions récentes des composants VCSEL. L'adaptation de cet émetteur aux multiples usages ambitionnés par les industriels a incité d'une part à élargir la bande spectrale d'émission, la plus convoitée étant celle des communications optiques, et d'autre part à intégrer sur puce ces composants dans une vision de combinaisons de fonctions élémentaires dans un système optique complexe. Je présenterai les contextes dans lesquels ces deux thématiques de recherche se sont développées, et comment s'y sont articulés mes projets de recherche.

Les Structures localisées (SLs) apparaissent dans les milieux dissipatifs nonlinéaires ayant un grand rapport d'aspect et où plusieurs solutions coexistent pour la même gamme de paramètres. Elles ont des longueurs de corrélations bien plus courtes que la taille du système ce qui en fait des objets individuellement adressables. Les SLs ont été largement étudiées dans les résonateurs optiques pour leur potentiel dans le traitement tout-optique d'information. Nous focalisons nos recherches sur les structures localisées temporelles obtenues dans un laser à blocage de modes passif. Il s'agit, plus spécifiquement, d'un laser à Cavite Verticale Émettant par la Surface (VCSEL) monté dans une cavité externe délimitée par un Miroir Semiconducteur à Absorption Saturable (SESAM). Nous montrons que les pulses émis par ce système peuvent être individuellement allumés et éteints par le biais d'impulsions électriques dans le courant de pompage. Nous étudions la possibilité de déplacer ces pulses l'un par rapport à l'autre et/ou de reconfigurer leur disposition dans la cavité à l'aide d'une modulation du paramètre de pompage. Ceci nous a permis de découvrir un nouveau paradigme pour la dynamique pour les SLs, jusqu'ici étudiées seulement dans les systèmes à symétrie de parité (systèmes spatiaux et résonateurs à Fibre de (type Kerr). En effet, dans notre système, le temps de réponse fini du milieu semiconducteur introduit la causalité dans la cavité, brisant ainsi la symétrie de parité du système. Ceci a des conséquences très importantes sur la vitesse de propagation des SLs, sur leurs formes et sur leurs interactions. Dans la partie finale de ma thèse, inspiré par le résultat obtenu dans ce système, je m'intéresser à l'implémentationdes SLs spatio-temporelle, aussi appelées Balles de Lumière (BLs). En effet, une version similaire de ce système a servi pour implémenter des SLs dans la section transverse du résonateur, ce qui en fait un bon candidat pour générer des BLs. Nous étudions donc les modifications à apporter pour atteindre ces structures. Les indications obtenues ont suggéré de remplacer le VCSEL par un dispositif similaire mais incapable de laser sans un miroir externe. Ce dispositif, appelé demi-VCSEL ou VECSEL et son SESAM compatible ont été fabriqués par l'Institut d'Electronique et des Systèmes de Montpellier. L'optimisation des caractéristiques de ces dispositifs permet d'atteindre le régime de localisation temporelle, ce qui est un résultat prometteur vers les Balles de Lumière. / Localized Structures (LS) appear in non-linear dissipative mediums with a large aspect ratio and where several solutions coexist for the same range of parameters. They have a correlation length much shorter than the size of the system which makes them individually addressable objects. LS have been widely studied in optical resonators for their potential in all-optic informations processing. We focus our study on Temporal Localized Structures in a Passive Mode-Locked Laser. More specifically, we study a Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser (VCSEL) coupled in an external cavity with a Semiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM). We show that pulses emitted by this system can be individually turned on and off using electrical pulses in the bias current. We study the possibility to move those pulses and/or to reconfigure their positions in the cavity thanks to a modulation of the bias current. We were able to discover a new paradigm for the dynamics of LS, studied until now only in system with parity symmetry (spatial system et Kerr fiber resonator). Indeed, in our system, the finite response time of the semiconductor medium brings causality in the cavity, and so breaks the parity symmetry of the system. This fact has important consequences on the LS drifting speed, on their shapes and their interactions. In the last part of my thesis, inspired by the results we obtain in this system, we focus on the implementation of spatio-temporal LS, also called Light Bullet (LB). Indeed, a similar system was used to implement LS in the transverse section of the resonator, so it can be a good candidate to generate LB. So we study the modification needed to obtain those structures. The results suggested to replace the VCESL by a similar device but that can't lase without external mirror. This device, called half-VCSEL or VECSEL, and its compatible SESAM, were design the Institut d'Electronique et des Systèmes of Montpellier. The optimization of the characteristic of those devices allows to get a regime of temporal localization, which is a promising towards the Light Bullets.

Face à la diversification des domaines d'application en optoélectronique, les émetteurs lasers, dont les VCSELs, évoluent rapidement vers une plus grande capacité d'intégration, ainsi qu'un accroissement de leurs fonctionnalités. Ceci a pour conséquence une sophistication des structures et des géométries de ces composants, impliquant la levée de certains verrous technologiques. Ce travail de thèse porte, d'une part, sur la mise en place d'une méthodologie d'optimisation de la croissance, d'analyse et de diagnostic rapide intégrée au procédé d'épitaxie par jets moléculaires (uniformité, maîtrise des propriétés optiques) démontrée sur de nouvelles structures VCSEL à multicouche complexe. D'autre part, la technologie d'oxydation d'alliages GaAlAs a été étudiée. Ce procédé, appelé AlOx, a ouvert la voie à l'obtention de composants monomodes performants grâce au confinement électro-optique latéral efficace qu'il réalise. Dans le but d'une maîtrise ultime et d'une ingénierie fine de ce confinement, nous avons approfondi la compréhension des cinétiques d'oxydation, mis en place un four avec contrôle en temps réel du front d'oxydation, et étudié une nouvelle technique d'oxydation d'une couche enterrée GaAlAs à partir de la surface. Ce travail contribue au développement des technologies de structurations verticale et latérale dans les composants à microcavité verticale, qui visent à leur ouvrir de nouvelles performances et fonctionnalités.

Ce travail, consacré à la conception, la réalisation et la caractérisation de VCSEL à diaphragme d'oxyde<br />sur substrat GaAs, a pour objectif d'obtenir un composant émettant à 1.3 μm, longueur d'onde d'intérêt pour<br />les transmissions optiques haut débit et moyenne distance. Après l'introduction du contexte économique et<br />historique de l'étude, nous abordons les points clés de la conception du VCSEL : matériau actif, dopage<br />des miroirs, oxydation latérale. Nous avons fabriqué et caractérisé des VCSEL à partir de trois matériaux<br />actifs diérents : des puits quantiques d'InGaAsN/GaAs, des puits quantiques d'InGaAs/GaAs fortement<br />contraints et des boîtes quantiques d'In(Ga)As/GaAs. Leurs caractérisations électro-optiques conrment que<br />la longueur d'onde d'émission des composants réalisés est supérieure à 1270 nm et atteint 1300 nm dans le cas<br />de puits d'InGaAs très contraints. Ces lasers présentent également des courants seuil de l'ordre du milliampère<br />et des puissances optiques de quelques centaines de microwatts pour les puits quantiques d'InGaAsN et les<br />boîtes quantiques d'In(Ga)As, et jusqu'à 1.77 mW pour les puits quantiques d'InGaAs contraints. A de<br />rares exceptions près, l'émission laser devient multimode transverse lorsque l'on augmente le courant injecté.<br />En particulier, les VCSEL à puits quantiques d'InGaAs très contraints présentent un comportement modal<br />spécique avec des modes d'oxyde inattendus. L'étude de ces modes nous amène notamment à observer leur<br />répartition spatiale par microscopie en champ proche spectralement résolue. La compréhension de l'origine<br />des modes transverses dans une cavité VCSEL constitue un premier pas vers leur suppression en vue d'une<br />émission monomode compatible avec les standards des télécommunications optiques.

Pour répondre aux besoins des domaines d'applications, de plus en plus ambitieux, et gagner de nouveaux domaines, les VCSELs continuent à évoluer. On note une tendance des recherches récentes à la miniaturisation des sources VCSELs et à la complexification de leurs architectures pour augmenter leur capacité d'intégration et incorporer de nouvelles fonctionnalités. Cela nécessite la maîtrise et l'adaptation des différentes étapes technologiques dont l'ingénierie du confinement électrique et optique exploitant la technologie d'oxydation sélective humide d'alliages AlGaAs, appelée AlOx. Ce travail de thèse porte, d'une part, sur l'étude des contraintes mécaniques engendrées par le procédé AlOx, qui ont un impact important sur le fonctionnement des VCSELs, leur fiabilité et leur durée de vie. D'autre part, je présente une nouvelle approche planaire de la technologie AlOx basée sur une oxydation d'une couche AlGaAs enterrée à travers des trous nanométriques gravés dans une couche GaAs fine en surface. Cette étape est suivie d'une reprise d'épitaxie par jets moléculaires (EJM) pour continuer l'empilement de la structure du composant. La nouvelle méthode offre une meilleure capacité d'intégration, une meilleure dissipation de chaleur et ouvre vers l'ingénierie libre du confinement opto-électrique.