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.

"Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Télécom ParisTech, Paris, France" / L’échange d’informations est devenu une question de première importance et les systèmes optiques leur réponse. En effet, ils permettent de proposer des liens de communication pouvant contenir un flux toujours grandissant de données. Si le développement des liaisons intercontinentales reste au centre de toutes les attentions, la question de la connexion de réseaux plus modestes n’est pas à négliger, tant les notions de centre de données ou de stockage sur le « nuage » prennent de l’ampleur. En particulier, la longueur du lien de transmission joue un rôle central dans la question du coût énergétique. En effet, si pour couvrir de grandes distances, les réseaux optiques doivent se munir de structures robustes, capables de juguler ce flot, les liens courte distance peuvent quant à eux se dispenser de ces éléments onéreux. Pour répondre à ces besoins, cette thèse aborde la problématique des diodes lasers à modulation directe (DML) lesquelles figurent parmi les concurrents les plus incontournables pour les liens courte distance. Ces émetteurs de petite taille brillent notamment par leur faible coût ainsi que par leur facilité d’implémentation dans une chaine de transmission optique et une consommation énergétique - par bits transmis – plus faible que les transmetteurs exploitant la modulation externe. Néanmoins, la modulation directe de la lumière impacte fortement la bande passante de transmission et par conséquent le débit binaire maximal atteignable. Dans cette thèse, nous proposons d’explorer de nouvelles architectures de DMLs à capacité de transmission augmentée compatibles avec des débits supérieurs à 50 Gbps. Dans ce but, deux axes d’étude ont été privilégiés. Le premier repose sur une nouvelle structure DML exploitant des effets non-linéaires combinés comme le levier de gain et l’injection optique. Les simulations révèlent d’excellents résultats avec des bandes passantes prometteuses > 85 GHz et un diagramme de l’œil toujours ouvert à 40 Gbps. De plus, il est démontré que l’utilisation conjointe du levier de gain et de l’injection optique renforce la résistance aux phénomènes de compression du gain et de dérive de fréquence (chirp) garantissant ainsi une utilisation stable du DML dans un système de transmission. Le deuxième axe de la thèse se polarise sur l’étude de transmetteurs dont le volume de cavité se rapproche de la limite de diffraction. Les résultats montrent que le contrôle de l’émission spontanée est un élément vital pour diminuer substantiellement les puissances consommées tout en conservant une bonne dynamique de modulation. Le seuil optique étant atteint avant que le milieu ne soit totalement inversé (seuil électrique), les niveaux de courants de polarisation utilisés sont très faibles, typiquement <1 mA. Pour des dimensions de cavités proches de celles des structures verticales à émission par la surface (VCSELs), des bandes passantes de plus de 60 GHz sont obtenues. En transmission, les mésolasers apparaîssent comme les meilleurs candidats pour la modulation directe avec des diagrammes de l’œil permettant une décision à plus de 50 Gbps pour un courant de 6 mA. Lorsque le volume de cavité devient inférieur à la limite de diffraction (nanolaser), l’émetteur optique ne permet plus de conserver une dynamique de modulation efficace et une transmission compétitive. Couplés aux techniques de traitement de signal déjà employées pour la modulation directe, ce travail montre que les nouveaux composants DML susmentionnés possèdent des capacités d’opération exaltées (> 50 Gbps) ce qui en font d’excellents candidats pour les liens courte distance. / Development of ultrafast chips operating at speeds exceeding 100 Gbps is of paramount importance for increasing the transmission capacity of fiber-based networks, directly impacting G5 wireless networks, internet, local area networks, metropolitan area networks, and long-haul backbones, thus bringing closer the concept of networked society. Although complex modulation formats combined with digital signal post-processing are usually preferred to reach ultra-high modulation bandwidth, the long latency introduced by electronic processing results in a severe communication bottleneck. To this end, direct-detection systems implemented with directly modulated semiconductor lasers remain promising candidates as sources of high-speed intensity modulated signals thanks to their low-cost, well-established fabrication, compactness and most importantly their low energy consumption - by transmitted bits – much lower than transmitters using external modulation of light. In order to improve the performance and capacity of optical networks, it is necessary to enhance the modulation efficiency and 3-dB electro-optical bandwidth of optical transmitters without increasing their intensity noise and inducing excessive frequency chirp as well as intrinsic parasitic effects driven by nonlinear gain suppression or carrier transport delay. In order to improve the modulation characteristics, this PhD thesis explores new architectures of directly modulated lasers with increased transmission capacities compatible with high-speed operations at 50 Gbps and beyond. For this purpose, we first study a new DML exploiting combined non-linear effects such as gain lever and optical injection. Simulations reveal excellent results with promising bandwidths> 85 GHz and an eye diagram still open at 40 Gbps. In addition, it is demonstrated that the joint use of the gain lever and the optical injection greatly enhances the resistance to the gain compression and strongly lowers the frequency chirping making such a DML highly robust in a transmission system environment. The second axis of the thesis is focused on the modulation dynamics of optical transmitters whose cavity volume is closer to the diffraction limit. In such lasers in which the spontaneous emission rate is strongly enhanced, the optical threshold occurs before themedium is totally inverted (electrical threshold e.g. clamping condition). As a consequence, simulations show that nanolasers with cavity volumes below the diffraction limit can operate with extremely low injected currents (<<1 mA) which is desirable for reducing power consumption however without great performance at high-speeds. On the contrary, mesolasers with cavity sizes similar to that of surface-emitting vertical structures (VCSELs) are found to be the best candidates for high-speed operation with 3-dB electro-optics bandwidths as large as 60 GHz and an eye diagram allowing a decision at 50 Gbps for a current of 6 mA. Coupled with the signal processing techniques already employed for direct modulation, this work shows that the aforementioned directly modulated lasers have exalted operating capabilities (>50 Gbps) making them excellent candidates for short-reach communications.

Ce travaille de maîtrise comporte deux sujets distincts. Le premier porte sur une nouvelle solution au paradoxe des jumeaux d’Einstein. Plusieurs personnes ont tenté de trouver des solutions à ce paradoxe mais sans grand succès. Dans ce mémoire nous vous présenterons une nouvelle solution basée sur l’approche diachronique développé par Mr Michel Duguay dans son document intitulé Diachronie représentation of spacetime applied to problems in spécial relativity and in quantum optics. Tout d’abords nous ferons un rappel de ce qu’est la relativité restreinte, ensuite nous présenterons l’origine du paradoxe des jumeaux et quelques solutions proposées par d’éminents physiciens. Enfin il serait question des notions diachroniques et de la méthodologie à suivre afin de bien résoudre ce paradoxe. Au niveau pédagogique, nous présenterons des animations en flash et java qui permettront de mieux assimiler ces notions diachroniques. Le second sujet porte sur l’intégration à des circuits de lasers semiconducteurs, des amplificateurs optiques à base de semiconducteur. Le circuit de laser semiconducteur utilisé dans ce mémoire n’est autre qu’un guide d’onde effilé précédemment étudié par Mr Baribeau dans le cadre de la compensation de la dispersion chromatique. Nous utiliserons le même principe de base qui est la conversion adiabatique de mode dans un guide d’onde plan comprenant une paroi d’épaisseur variable pour pouvoir amplifier notre signal à l’aide de puit quantique. En premier lieu nous ferons des calculs et simulations nous permettant d’analyser la propagation d’un signal à l’intérieur d’un guide ensuite nous étudierons l’influence de l’intégration de puit quantique à ce guide d’onde. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais est Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance du bruit de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. Lorsque deux modes transverses polarisés linéairement et orthogonalement oscillent, nous étudions la structure spatiale transverse du bruit d'intensité. Nous développons un modèle quantique qui donne correctement l'allure du bruit d'intensité.<br /><br />Nous rapportons également dans cette thèse l'étude du bruit quantique dans les diodes laser. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à fort courants. Nous démontrons expérimentalement et théoriquement que cet excès de bruit provient des fluctuations du courant à l'intérieur de la diode laser.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'autopulsation à 40 GHz générée par verrouillage de modes passif dans les lasers DBR à semi-conducteurs, et de leur application à la récupération d'horloge tout-optique à 40 Gbit/s. Un modèle théorique a montré que le blocage de modes passif dans ces lasers est engendré par mélange à quatre ondes et génère une corrélation des bruits de phase des modes du laser. La signature expérimentale de l'autopulsation est alors la réduction de largeur spectrale du spectre lorentzien du photocourant. L'importance du mélange à quatre ondes a ensuite guidé les démarches de conception de ces composants, et les lasers DBR autopulsants réalisés ont permis l'étude expérimentale du blocage de modes passif, à travers la mesure d'une relation de phase fixe entre modes et la démonstration de la corrélation de leurs bruits de phase. Par la suite, la caractérisation de lasers à boîtes quantiques, développés au III-V Lab, a montré leur potentiel à générer des signaux autopulsants de haute pureté spectrale, avec des largeurs spectrales proches du kHz. Enfin, l'étude de la synchronisation externe du laser autopulsant a montré le rôle clé de la largeur spectrale et l'intérêt des lasers à boîtes quantiques pour les applications telles que la récupération d'horloge tout-optique ou la génération de porteuses optiques micro-ondes. Ces lasers ont d'ailleurs permis la réalisation d'une récupération d'horloge tout-optique à 40 Gbit/s présentant une fonction de transfert de gigue compatible avec le gabarit de la norme ITU-T G825.1. Ce résultat prometteur permet d'envisager l'utilisation de lasers DBR autopulsants dans une interface de régénération.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation et la compréhension des propriétés optiques d'un milieu semi-conducteurs à boîtes quantiques InAs/InP(311)B obtenues par épitaxie. Cette étude est menée dans le cadre de la réalisation de lasers à modulation directe et d'amplificateurs optiques multi-canaux sans diaphonie. Après un rappel du contexte des réseaux de télécommunications optiques, nous rappelons les principes physiques du fonctionnement d'un ensemble de boîtes quantiques ainsi que les spécificités de ce milieu par rapport aux composants à base de matériaux massifs, de puits quantiques ou de "" segments "" quantiques. Ensuite, nous présentons les caractérisations effectuées par pompage optique sur des guides planaires à boîtes quantiques. Les résultats de l'oscillation laser obtenue sont discutés. Les mesures de gain, de pertes et du remplissage par les porteurs du milieu à boîtes quantiques sont ensuite présentées. La mise en perspective des différentes caractérisations permet une discussion du caractère inhomogène de nos boîtes quantiques à température ambiante. En complément de ces mesures est effectuée une étude sur la polarisation de l'émission du milieu.Enfin, nous présentons les résultats obtenus sur un amplificateur à guide monomode. La mise en place d'une technique de mesure pompe - sonde et les résultats ainsi obtenus sous saturation de l'absorption du niveau fondamental sont présentés. Nous terminons par une discussion de la largeur homogène sous saturation de l'absorption et sur le potentiel particuliers des boîtes quantiques pour le traitement du signal optique multi-canaux sans diaphonie inter-canal.

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.

Cette thèse porte sur l'étude de structures lasers à semi-conducteurs à base d'îlots et de bâtonnets quantiques, connues pour avoir quelques propriétés remarquables telles leur fort gain, leur effet non-linéaire renforcé, leur faible courant de seuil, leur haute température caractéristique ... Les caractérisations en termes de bruit d'intensité et d'injection optique de ces structures montrent un comportement atypique comparativement aux structures classiques (massives ou à base de puits quantiques). Nous avons pu ainsi comparer le bruit d'un laser DFB à bâtonnets quantiques avec celui d'un laser DFB massif ou à puits quantiques. Des études comparatives de bruit ont aussi été effectuées sur des lasers de type Fabry-Perot. Une modélisation du bruit a été confrontée aux résultats expérimentaux et montre l'importance de la prise en compte de la couche de mouillage. L'injection optique, contrairement aux propriétés d'un laser classique, présente un grand nombre de régimes dynamiques fortement non linéaires près du seuil laser (r~1,1) et peu de régimes à seuil modéré (r~3). Ces résultats nous indiquent finalement que le couplage des modes longitudinaux est à la fois fort et fortement amorti par l'interaction avec la couche de mouillage, ce qui nous donne des pistes très intéressantes pour la modélisation du blocage de modes observé dans ces structures. / This thesis focuses on laser diodes made of Quantum Dot/Quantum Dash (QD) structures. These devices have attracted considerable attention due to their remarkable properties, such as high gain, high non-linear effects, low laser-threshold, high thermal stability, etc. Our studies based on RIN (Relative Intensity Noise) and optical injection show unusual behaviour of QD lasers. We have compared the RIN of a QDash DFB laser with a ''classical'' (massif or quantum well) DFB laser as well as for Fabry-Perot type QDot/QDash lasers. Analytical simulations have been faced to experimental results and show the role of the wetting layer. Contrary to what is observed with ''classical lasers'', optical injection exhibits many regimes with strong non-linear dynamics when the laser is biased near the threshold, while there is only a very few regimes at moderate pump. All these results demonstrate a strong coupling with strong dumping between the longitudinal modes through the wetting layer, which is a very interesting point for the understanding of mode-locking in these QDot/QDash structures.

L'émergence des amplificateurs à fibre et l'inévitable accroissement du débit ont drastiquement augmenté la complexité des systèmes de transmission optiques, imposant une évolution des composants photoniques. Des techniques de caractérisation fiables et précises sont alors indispensables pour mener une analyse appropriée des caractéristiques et des performances desdits composants. La réflectométrie à faible cohérence sensible à la phase est une technique bien adaptée à la détection, localisation et quantification des discontinuités d'indice dans les composants optiques et photoniques. Dans le cadre de cette thèse, elle a été appliquée à l'analyse de différents composants photoniques innovants, tels que les réseaux de Bragg à fibre, les fibres optiques spéciales et les lasers à semi-conducteurs soumis à une injection optique. Les résultats obtenus situent cette technique comme un véritable outil d'investigation qui s'avère très performant pour l'assistance et l'aide à la conception des nouvelles générations de composants photoniques.

Cette thèse porte sur l'élaboration et l'utilisation de structures semi-conductrices à émission laser par la surface en cavité externe (VECSEL) en pompage optique pour la réalisation de sources d'impulsions brèves à haut taux de répétition émettant à 1550nm. Ces sources ouvrent la voie à des applications intéressantes dans les télécommunications optiques pour réaliser des émetteurs à très haut débit ou pour l'échantillonnage optique linéaire ultra-rapide. Les objectifs de ce travail de thèse étaient, dans un premier temps, de développer et réaliser des structures VECSEL, qui contiennent une zone active formée par des puits quantiques GaAlInAs/InP localisés aux maxima du champ électrique résonant, positionnée sur un miroir de Bragg, le tout étant reporté par brasure sur un substrat de bonne conductivité thermique. Pour cela, nous avons conçu des structures permettant d'accélérer l'évacuation de la chaleur accumulée dans la zone active, ce qui a permis d'améliorer les performances du VECSEL, notamment la puissance de sortie. Les performances des VECSEL ont été évaluées dans une cavité simple à deux miroirs (plan-concave). Le second point était de développer et réaliser des structures SESAMs, qui permettent, par leur comportement non linéaire, d'obtenir un fonctionnement en verrouillage de modes passif. Les structures, contenant des puits quantiques InGaAsN/GaAs, ont pour paramètres : le nombre de puits quantique, la résonance de la structure. Les caractérisations optiques en régime linéaire et non linéaire ont permis d'optimiser les structures SESAM et d'estimer leurs performances. Enfin, la compatibilité entre les structures de VECSEL et de SESAM en terme de profondeur de modulation et de longueur d'onde de résonance, a permis d'obtenir un verrouillage de mode passif dans une cavité à quatre miroirs. Les impulsions obtenues présentent deux comportements différents suivant les propriétés de dispersion des structures. La réalisation d'une faible dispersion a permis d'obtenir la première démonstration d'un VECSEL en verrouillage de modes passif fonctionnant à 1550 nm et à température ambiante. Un dispositif d'échantillonnage tout optique mettant en oeuvre l'échantillonnage optique linéaire basé sur l'utilisation d'une source d'impulsions brèves, a été réalisé et testé. Ce dispositif permettra d'obtenir des diagrammes de l'oeil et diagrammes de constellation avec une sensibilité attendue de l'ordre de -20dBm de puissance moyenne, sur des signaux porteurs de données à 10Gbit/s, voire 40 Gb/s. Les tests effectués ont permis de visualiser l'acquisition à très haut débit (40Gb/s).