Ce travail de thèse présente une étude sur les propriétés de nanostructures de type bâtonnets quantiques et de leur application pour les télécommunications optiques. Durant la dernière décennie, ces nanostructures, ont démontré des propriétés optiques et électroniques intéressantes en raison notamment d’un fort confinement quantique dans les trois dimensions d'espace. Cette thèse porte sur la conception et la fabrication d'émetteurs optiques intégrés à base de ce matériau et de leur implémentation dans des systèmes de communication. La première partie de ce travail analyse les propriétés de ces nanostructures, théorique et expérimentale. Elles sont utilisées comme matériau actif de lasers modulés directement en amplitude. Les propriétés dynamiques de ces lasers sont ensuite évaluées et des transmissions sur fibre optique entre 0 et 100 km sont ensuite démontrées en utilisant un filtre étalon permettant d’augmenter en particulier le taux d’extinction dynamique. En s’appuyant sur cette démonstration basée sur des éléments discrets, une version monolithique intégrant un laser et un résonateur en anneaux a été réalisée. La dernière partie de ce travail porte sur des lasers à blocage de mode à base de ce matériau et en particulier sur les méthodes d’intégration sur substrat InP. En particulier, un design de miroir de Bragg innovant a été développé à cet effet et une démonstration d'un laser a blocage de mode intégré avec un amplificateur optique à semi-conducteur a finalement été réalisée / This PhD dissertation presents a study on the properties of the novel quantum dash nanostructures and their properties for application in optical telecommunications. Over the last decade, scientific community has gained considerable interest over these nanostructures and several demonstrations have been made on their interesting optical and electronic properties, notably owing to their strong quantum confinement. This dissertation focuses on conception, fabrication and system demonstration of integrated optical transmitters based on quantum dash material. A first part of this work analyses the properties of qdashes theoretically and experimentally for their use as an active material in directly modulated lasers. The dynamic properties of this material are then evaluated leading to an optical transmission distances in range of 0-100km under direct modulation. The transmission is particularly studied with a passive optical filter to enhance the dynamic extinction ratio, the use of such passive filters is studied in detail. An innovative and fully integrated optical transmitter is finally demonstrated by integrating a ring-resonator filter to a distributed feedback laser. The second part of this work focuses on mode locked lasers based on this material and in particular the methods of integration of such devices on InP are explored. Thus an innovative Bragg mirror design is developed leading to a mode locked laser integrated with a semiconductor optical amplifier

Die vorliegende Dissertation behandelt das Zusammenspiel von effizienten aktiven Lasermedien und neuartigen sättigbaren Absorbern, welche auf den Kohlenstoff-Nanostrukturen Graphen und den einwandigen Kohlenstoff Nanoröhren (SWCNTs) basieren. Die aktiven Lasermedien decken den Spektralbereich von 1,0 Mikrometer bis 2,1 Mikrometer ab, d.h. eine ganze Oktave, und nutzen die laseraktiven Ionen des Ytterbiums, Chroms und Thuliums. In dieser Arbeit werden die auf Graphen und SWCNT basierenden sättigbaren Absorber hinsichtlich ihres einer Anregung folgenden Relaxationsverhaltens, ihrer von der Fluenz abhängigen Transmission und ihres Sättigungs- verhaltens bei hohen Fluenzen untersucht. Eine vorangestellte Einführung der optischen Eigenschaften von Graphen und SWCNTs wird gegeben und die Modelle zur Beschreibung realer Proben werden aus theoretischen Modellvorstellungen hergeleitet. Die sättigbaren Absorber basierend auf Graphen und SWCNTs werden untereinander und mit klassischen halbleitenden sättigbaren Absorbern verglichen. Diese Arbeit zeigt ferner die Erzeugung ultrakurzer Pulse verschiedener Laser mit diesen neuartigen sättigbaren Absorbern basierend auf Kohlenstoff Nanostrukturen. Die erhaltenen Pulse werden mittels Spektrometrie, Autokorrelation, Radiofrequenz- und partiell FROG-Messungen charakterisiert, und der zugrunde liegende Pulsformungsmechanismus, sowie die Stabilität gegen das Güteschalten werden diskutiert. / This thesis addresses the interplay of highly efficient active laser media and novel saturable absorbers based on the carbon nanostructures graphene and single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The active laser media cover the spectral region from 1.0 micron up to 2.1 micron, i.e. a whole octave, and apply ytterbium, chromium and thulium as active lasing ions. Within this work, the saturable absorbers based on SWCNTs and graphene are characterized with respect to their relaxation behaviour after excitation, and with respect to their fluence-dependent transmission and saturation. A precedent introduction of the general optical properties of graphene and SWCNTs is presented as well and the models to describe real samples experimentally are deduced from theoretical model conceptions. The saturable absorbers based on graphene and SWCNTs are compared to each other and to classical semiconducting saturable absorbers. This thesis further presents the generation of ultrashort laser pulses applying these novel carbon nanostructure based saturable absorbers in different lasers. The obtained pulses are characterized by spectrometry, autocorrelation, radio-frequency measurements and partially by FROG measurements. Additionally, the underlying pulse formation process and the Q-switching stability are discussed.

Systeme mit Zeitverzögerung sind von großem Interesse in Nichtlinearer Dynamik und allgegenwärtig in den Naturwissenschaften. Gegenstand dieser Doktorarbeit ist die raumzeitliche Dynamik räumlich-ausgedehnter, nichtlinearer Systeme mit Zeitverzögerung, mit besonderem Augenmerk auf deren lokalisierte Lösungen. Die betrachteten Systeme werden beschrieben durch partielle Differentialgleichungen und gekoppelte Systeme von gewöhnlichen Differentialgleichungen mit verzögerter Rückkopplung. Hinsichtlich der partiellen Differentialgleichungen untersucht diese Arbeit die Existenz und Stabilität der ebenen Wellenlösungen ebenso, wie die Existenz und Stabilität der lokalisierten Lösungen der eindimensionalen, komplexen, kubischen und kubisch-quintischen Ginzburg-Landau Gleichung mit verzögerter, optischer Rückkopplung. Das erste Ergebnis dieser Arbeit ist die vollständige Beschreibung der Menge der ebenen Wellenlösungen und ihre Stabilität für lange Verzögerungszeiten. Aufgrund der Symmetrie der Ginzburg-Landau Gleichung bildet diese Menge eine eindimensionale Familie, die zum Auftreten einer „Tube“ in Parameter-Koordinaten führt. Das zweite, neuartige Ergebnis ist die Beschreibung der Modulationsinstabilität dieser lokalisierten Strukturen. Diese Instabilität kann zu einer periodischen und chaotischen Zickzackbewegung der Lösung führen. Das dritte Resultat ist die Charakterisierung gebundener Impulsfolgen in einem System von gekoppelten gewöhnlichen Differentialgleichungen mit Zeitverzögerung, das zur Beschreibung einer Anordnung von modengekoppelten Lasers herangezogen wird. In diesem Regime interagieren die modengekoppelten Impulse in verschiedenen Lasern lokal über die Balance von Abstoßung und Anziehung. Resultierend daraus entstehen Cluster von Impulsen, die in einzelnen modengekoppelten Lasern nicht möglich sind. Sämtliche genannte Phänomene wurden analytisch und numerisch behandelt. / Systems with time-delay are ubiquitous in nature and attract significant interest in the field of nonlinear dynamics. The scope of this Thesis is the spatiotemporal dynamics in spatially extended nonlinear systems with time-delay, with a focus on the dynamics of localized structures. The systems under consideration are described by partial differential equations with delayed feedback and coupled systems of delay differential equations. For the partial differential equations, the existence and stability of plane wave solutions as well as localized structures are investigated in one-dimensional complex cubic and cubic-quintic Ginzburg-Landau equation with delayed feedback. The first result of this Thesis is the complete description of the set of plane wave solutions and their stability in the limit of large delay time. Due to the symmetry of Ginzburg-Landau equation, this set forms a one-dimensional family which leads to the appearance of the “tube” in parameter coordinates which is filled densely with plane wave solutions with the increase of the delay time. The second novel result is the description of modulational instability of localized structures in spatially extended systems with time-delay which can lead to periodic and chaotic zigzagging movement of the solution. The third result is the description of bound pulse trains in coupled delay systems depicting an array of mode-locked lasers. In this regime mode-locked pulses in different lasers interact locally via the balance of their repulsion and attraction. As a result, clusters of pulses emerge which can not exist in a solitary mode-locked laser. All of the aforementioned phenomena were described analytically and the results are supported by path continuation methods as well as direct numerical simulations with a specially designed software tool.

Les lasers à fibres à modes bloqués font partie des rares systèmes qui permettent de réaliser une variété de fonctions optiques élaborées, au moyen de peu de composants optiques. La gestion de la dispersion apporte à ce type de lasers une variété de comportements, qui est si riche que la cartographie complète et l’analyse détaillée des états stables deviennent difficilement réalisable lorsqu’on utilise les outils conventionnels basés sur les équations de propagation du champ intra-cavité. Dans cette thèse nous montrons que l’adjonction de la technique des coordonnées collectives aux outils théoriques conventionnels, permet de résoudre au moins en partie le problème de la complexité et l’extrême diversité des états stables des cavités gérées en dispersion. En particulier, nous proposons l’ACCD (approche des coordonnées collectives dynamiques), comme un outil théorique permettant de réaliser des gains de performance substantiels dans des opérations de recherche et caractérisation des états stables du laser. D’autre part, le recours à l’approche des cordonnées collectives nous permet de mettre en évidence des effets majeurs induits par certains phénomènes qui étaient jusqu’à présent largement sous-estimés. Notamment, nous mettons en évidence des modifications majeures desdomaines respectifs des différents états stables du laser, qui surviennent lorsqu’on change la bande passant de la fitre. D’autre part, en considérant une cavité où la largeur spectrale du champ lumineux (3.12 THz) est d’un ordre de grandeur plus petite que la largeur de la bande du gain Raman, nous mettons en lumière des effets remarquables de la diffusion Raman sur les phénomènes d’hystérésis. / Mode-locked fiber laser are among the few systems that allow to achieve a variety of elaborate optical functions, by means of few optical components. The use of dispersion management brings to this type of lasers a variety of behaviors, which is so rich that the complete mapping and detailed analysis of the stable states becomes impractical when conventional tools based on the intra-cavity field propagation equations, are used. In this thesis we show that the addition of the technique ofcollective coordinates to the conventional theoretical tools, allows to solve at least in part the problem of complexity and diversity of the stable states of the cavity. In particular, we propose the DCCA (dynamical collective coordinate approach), as a theoretical tool to achieve substantial performance gains in search and characterization of stable states of the laser. Furthermore, the use of the collective coordinated approach allows us to highlight major effects induced by certain phenomena that were until now largely underestimated. In particular, we highlight major changes in the respective areas ofthe different stable states of the laser, which occur when changing the width of the band-pass filter BPF. Furthermore, considering a cavity where the spectral width of the light field (3.12 THz) is an order of magnitude smaller than the bandwidth of the Raman gain, we highlight remarkable effects of Raman scattering on hysteresis phenomena.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la recherche des solutions économiquementviables pour des réseaux personnels à hauts débits (plusieurs Gbps à plusieursdizaines de Gbps) opérationnels en bande millimétrique autour de 60 GHz. Aucas où ces réseaux servent un nombre élevé d’utilisateurs, ils comprendront unemultitude d’antennes afin d’assurer l’accès sans fil rapide. Afin de réduire aumaximum le coût d’un module d’antenne, les réseaux doivent fournir un signalanalogue à des porteuses millimetriques. Une solution prometteuse pour les systèmesde distribution qui correspond à ces besoins sont des structures à fibreoptique, laquelle permet une transmission à faibles pertes et à haute bande passante.On parle de l’approche "radio-sur-fibre" (en anglais, radio-over-fiber). Laproblématique est de pouvoir générer et moduler un signal aux fréquences millimétriqueslors de la transmission optique - et ce avec des composant bas coûts.La technique utilisée dans le cadre de cette thèse est l’emploi des diodes laser àverrouillage de modes. Ces derniers vont pouvoir générer des hautes fréquencestout en ne nécessitant qu’une alimentation continue, et ils peuvent être modulésde manière directe ou externe. Les lasers à semi-conducteurs employés ici sontd’une génération encore à l’état d’étude puisqu’il s’agit des lasers à boites (ouîlots) quantiques. Ces lasers ont montrés de très bonnes capacités à générer dessignaux électriques aux fréquences autour de 60 GHz, bien qu’ayant encore, pourl’instant, à une stabilité de fréquence (ou de phase) limitée. Dans le cadre des systèmesde communication opto/micro-ondes, peu de travaux approfondis ont étémenés sur ces structures.Au cours de cette thèse, plusieurs études ont été effectuées. La première portesur les propriétés générales d’un système construit à partir de ce type de laser(puissances disponibles, figure de bruit, linéarité etc.). Une deuxième étude aété consacrée aux effets de la propagation des signaux dans les systèmes baséssur les lasers à verrouillage de modes, notamment de la dispersion chromatiquelaquelle a un effet considérable sur les distances de transmission. Les deux étudesmettent en avant l’importance d’une limitation du nombre de modes générés parla diode laser afin d’optimiser non seulement le gain du lien et la puissance RFrécupérée, mais aussi la figure de bruit du système. Lors d’une troisième étude, lastabilité en fréquence/phase s’est révélée critique, car le bruit de fréquence/phaselimite la qualité de la transmission en introduisant un plancher d’erreur mêmepour des rapports signal-a-bruit très élevés. Des différentes générations de lasersà boites (îlots) quantiques et à verrouillage de modes ont été testées. Le problèmedu bruit de fréquence et de phase persiste et ne peut pas être résolu en utilisantles techniques classiques comme les boucles à verrouillage de phase conventionnelles.Une solution pour ce problème a été développée pour les systèmes detransmission; elle permet simultanément un ajustement de fréquence supérieure(précision de quelques Hz à quelques kHz) à celle donnée par le processus de fabricationdes diodes lasers (précision de quelques GHz), ainsi qu’une stabilisationde fréquence et de phase. / This dissertation is related to the search for an economically sustainable solutionfor high data rate (several Gbps to several tens of Gbps) personal area networksoperating in the millimeter-wave region around 60 GHz. If such networks supplya large number of users, they need to encompass a multitude of antenna pointsin order to assure wireless access to the network. With the aim of reducing thecost of an antenna module, the networks should at best provide quasi "readyto-radiate" signals to the modules, i.e. at millimeter-wave carrier frequencies.Thanks to their low transmission loss and their high bandwidth, optical fiber distributionarchitectures represent a promising solution. The technique is referredto as the so-called "radio-over-fiber" approach whereby the analog radio signalwill be transported to the access point by an optical wave. The challenge herebyis the generation and modulation of an optical signal by a millimeter-wave radiosignal using preferably cost-efficient system components. The technique proposedherein is based on the use of mode-locked laser diodes which can generatesignals at very high frequencies under the condition of continuous current supply.Mode-locked laser diodes can be modulated both directly and externally. Thediodes employed in this work are based on so-called quantum dots (or quantumdashes); these are material structures which are themselves still subject to intensivephysical research. Signals at millimeter-wave frequencies (around 60 GHz)can easily be generated by such lasers. However, their frequency and phase stabilityis as yet limited. In the context of radio-over-fiber communication systems,these structures have not yet been studied in detail.In the course of this dissertation, several aspects are considered. A first systemstudy treats the basic properties of a system built from this type of laser source(available signal power, system noise figure, linearity etc.). A second study isdevoted to an investigation of propagation effects like dispersion, which considerablyinfluence the attainable transmission distances. An essential result of bothstudies is the importance of limiting the laser spectrum to a small number of lasermodes for an optimization of link gain, generated RF power, and system noisefigure. A third study deals with the limited frequency and phase stability whichturn out to be critical factors for transmission quality. The study of several generationsof quantum dot/dash lasers has revealed that the problems of frequencyand phase noise persist and cannot be solved using classical techniques involvinge.g. conventional phase-locked loops. In this dissertation, a solution is presentedwhich not only allows a more precise adjustment of the laser frequency (precisionin the order of Hz to kHz) than that given by the manufacturing process of thelaser (precision in the order of GHz), but also enables a stabilization of frequencyand phase. / Die vorliegende Dissertation steht im Zusammenhang mit der Suche nach wirtschaftlichtragfähigen Lösungen zum Aufbau hochdatenratiger Heimnetzwerke(einige Gbps bis einige zehn Gbps), so genannter Personal area-Netzwerke imMillimeterwellenbereich um 60 GHz. Sollen diese Netze eine große Anzahl vonNutzern versorgen, wird eine Vielzahl von Zugangspunkten - also Antennenmodulen- benötigt, um den drahtlosen Netzanschluss zu ermöglichen. Um dieKosten eines Antennenmoduls soweit wie möglich zu senken, sollen die Netzequasi "abstrahlfertige" Signale an die Module liefern, d. h. auf Trägerfrequenzenim Millimeterwellenbereich. Glasfaserbasierte Verteilsysteme werden dankihrer geringen Leitungsverluste und ihrer hohen Bandbreite diesem Anspruchgerecht. Man spricht hier vom so genannten Radio-over-fiber-Ansatz, wobei dasanaloge Signal von einer optischen Welle zum Zugangspunkt transportiert wird.Die Herausforderung liegt hierbei in der Generierung und Modulation eines optischenSignals mit einem Nutzsignal imMillimeterwellenbereich - und das unterVerwendung möglichst kostengünstiger Komponenten. Die hier vorgeschlageneTechnik basiert auf der Nutzung von modengekoppelten Laserdioden, welcheallein bei Gleichstromversorgung Signale bei hohen Frequenzen erzeugen undsowohl direkt als auch extern moduliert werden können. Die Dioden, welche hierzur Verwendung kommen, basieren auf so genannten Quantenpunkten (englisch:quantum dot/quantum dash); es sind Strukturen, die selbst noch Gegenstand intensiverphysikalischer Forschung sind. Signale bei Frequenzen um 60 GHz könnenleicht von diesen Lasern erzeugt werden, wenn auch bisher nur bei begrenzterFrequenz- und Phasenstabilität. Im Kontext von Radio-over-fiber-Systemenwurden diese Strukturen noch nicht untersucht.Im Rahmen dieser Dissertation wurden mehrere Aspekte betrachtet. Eine ersteSystemstudie behandelt die grundlegendenEigenschaften eines Systems, welchesauf dieser Art von Lasern basiert (verfügbare Leistung, Rauschzahl, Linearitätusw.). Eine zweite Untersuchung ist der Erforschung von Ausbreitungseffektenwie etwa Dispersion gewidmet, welche die erreichbaren Entfernungen maßgeblichbeeinflusst. Ein wesentliches Ergebnis beider Studien ist die Relevanzeiner Begrenzung des Laserspektrums auf wenige Moden zur Optimierung vonGewinn, Hochfrequenz-Leistung und Rauschzahl. Eine dritte Studie untersuchtdie Frequenz-und die Phasenstabilität, welche sich als kritisch für die Übertragungsqualitäterweisen. Die Untersuchung von mehreren Generationen von modengekoppeltenQuantenpunktlasern hat ergeben, dass das Problem des FrequenzundPhasenrauschens fortbesteht und nicht auf konventionellem Weg wie z.B.durch die Verwendung von klassischen Phasenregelkreisen gelöst werden kann.Im Rahmen der Arbeit wurde eine Lösung für dieses Problem gefunden, welcheerstens eine bessere Feineinstellung der Frequenz erlaubt (Genauigkeit von Hzbis kHz), als sie durch den Laserfertigungsprozess gegeben ist (Genauigkeit vonGHz), und zweitens eine Stabilisierung von Frequenz und Phase ermöglicht.

Pour des applications médicales ou en histoire de l'art, un système compact de production de rayonnement X monochromatique à haut flux par effet Compton nécessite de disposer d’une source laser impulsionnelle de forte puissance moyenne avec des durées de quelques picosecondes. Pour atteindre un haut flux de rayonnement X, le laser devra être injecté dans une cavité Fabry-Perot de haute finesse afin d’atteindre les puissances laser moyennes requises. Par conséquent, le laser devra avoir une bonne qualité de mode et de faibles bruits. Afin d’atteindre ces objectifs, nous avons étudié la réalisation d’oscillateurs à blocage de modes passif délivrant des puissances moyennes de plus de 10 W avec des impulsions d’une durée entre 10 et 20 ps. Au cours de ce travail, deux oscillateurs de haute puissance moyenne ont été conçus et réalisés : l’un à pompage radial avec Nd:YAG comme milieu de gain et l’autre à pompage longitudinal avec comme milieu de gain Nd:YVO4. Le développement du second oscillateur a donné lieu à une étude expérimentale de la réduction de la durée des impulsions qui nous permet d’ajuster la durée entre 46 ps et 12 ps en régime de blocage de modes passif. Les résultats expérimentaux ont été expliqués à l’aide d’une simulation numérique et une solution analytique a été trouvée pour prédire la durée des impulsions. Enfin, une étude des caractéristiques des bruits de l’oscillateur Nd:YVO4 a été réalisée. Ces mesures ont permis de mettre en évidence qu’un oscillateur de forte puissance moyenne a les capacités pour être aussi peu bruyant que des oscillateurs de faible puissance et à faibles bruits. En résumé nous avons développé un oscillateur puissant (20W), à une longueur d’onde de 1064 nm, avec des durées d’impulsions courtes (15 ps), une bonne qualité de faisceau (M2<1,2) et de faibles bruits (gigue temporelle <1,2 ps RMS 100Hz-1MHz non asservi). Par conséquent, notre oscillateur puissant est un excellent candidat pour faire partie de la machine compacte de rayonnement X monochromatique et à haut flux. / For medical or cultural heritage applications, a compact, monochromatic, Compton x-ray source system needs a powerful, few picosecond laser source. To obtain high-x-ray-flux, the laser should be coupled to a high-finesse Fabry-Perot cavity to reach the required laser power. Therefore, the laser should have a good beam quality and low noises. In order to reach theses requirements, we have studied passive mode-locking oscillators delivering more than 10 W average power and between 10 and 20 ps pulse duration.Two high-power oscillators have been designed and implemented: a side-pumped Nd:YAG and an end-pumped Nd:YVO4 oscillator. With the second oscillator, we have studied the experimental reduction of pulse duration. We obtained a decrease from 46 ps to 12 ps in the continuous-wave mode-locked regime. Those experimental results have been explained by a numerical simulation and furthermore, we have developed an analytical solution to predict the pulse duration of such oscillator. Finally, we studied the noise characteristics of the Nd:YVO4 oscillator. Our measurements have shown that a high-power oscillator might be as low-noise as other low-power, low-noise oscillators. In conclusion, we have developed a powerful (20W), 1064nm-wavelength, short-pulses (15ps), good-beam-quality (M2<1.2) and low-noise free-running oscillator (timing jitter <1.2 ps RMS 100Hz-1MHz). Therefore, our high-power oscillator is an excellent candidate to be part of a compact, high-flux, monochromatic x-ray source.

At the Dawn of the 21st century, the field of specialty optical fibers experienced a scientific revolution with the introduction of the stack-and-draw technique, a multi-steps and advanced fiber fabrication method, which enabled the creation of well-controlled micro-structured designs. Since then, an extremely wide variety of finely tuned fiber structures have been demonstrated including novel materials and novel designs. As the complexity of the fiber design increased, highly-controlled fabrication processes became critical. To determine the ability of a novel fiber design to deliver light with properties tailored according to a specific application, several mode analysis techniques were reported, addressing the recurring needs for in-depth fiber characterization. The first part of this dissertation details a novel experiment that was demonstrated to achieve modal decomposition with extended capabilities, reaching beyond the limits set by the existing mode analysis techniques. As a result, individual transverse modes carrying between ~0.01% and ~30% of the total light were resolved with unmatched accuracy. Furthermore, this approach was employed to decompose the light guided in Large-Mode Area (LMA) fiber, Photonic Crystal Fiber (PCF) and Leakage Channel Fiber (LCF). The single-mode performances were evaluated and compared. As a result, the suitability of each specialty fiber design to be implemented for power-scaling applications of fiber laser systems was experimentally determined. The second part of this dissertation is dedicated to novel specialty fiber laser systems. First, challenges related to the monolithic integration of novel and complex specialty fiber designs in all-fiber systems were addressed. The poor design and size compatibility between specialty fibers and conventional fiber-based components limits their monolithic integration due to high coupling loss and unstable performances. Here, novel all-fiber Mode-Field Adapter (MFA) devices made of selected segments of Graded Index Multimode Fiber (GIMF) were implemented to mitigate the coupling losses between a LMA PCF and a conventional Single-Mode Fiber (SMF), presenting an initial 18-fold mode-field area mismatch. It was experimentally demonstrated that the overall transmission in the mode-matched fiber chain was increased by more than 11 dB (the MFA was a 250 ?m piece of 50 ?m core diameter GIMF). This approach was further employed to assemble monolithic fiber laser cavities combining an active LMA PCF and fiber Bragg gratings (FBG) in conventional SMF. It was demonstrated that intra-cavity mode-matching results in an efficient (60%) and narrow-linewidth (200 pm) laser emission at the FBG wavelength. In the last section of this dissertation, monolithic Multi-Core Fiber (MCF) laser cavities were reported for the first time. Compared to existing MCF lasers, renown for high-brightness beam delivery after selection of the in-phase supermode, the present new generation of 7-coupled-cores Yb-doped fiber laser uses the gain from several supermodes simultaneously. In order to uncover mode competition mechanisms during amplification and the complex dynamics of multi-supermode lasing, novel diagnostic approaches were demonstrated. After characterizing the laser behavior, the first observations of self-mode-locking in linear MCF laser cavities were discovered.

[pt] Diferentes tipos de lasers podem ser usados para gerar pulsos de luz com uma ampla faixa de durações de pulso, energias e potências de pico. As técnicas de Q-switching e mode-locked são relatadas há anos por vários autores e pesquisadores e são frequentemente utilizadas na geração de lasers de pulso ultracurto com duração de pulso no domínio do tempo na faixa de nanossegundos até femtossegundos. Uma configuração, com ganho fornecido por um amplificador óptico semicondutor (SOA) e amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) é proposta e emprega a técnica de gerenciamento de dispersão para gerar um trem de pulsos ópticos exibindo alta potência de pico, taxa de repetição ultra-baixa e largura temporal curta, habilitando que este laser seja usado como uma fonte para aplicações de alta resolução em reflectometria óptica no domínio do tempo (OTDR). A operação mode-locked é conhecida por ocorrer apenas em lasers ordenados padrão por um longo tempo e até recentemente foi encontrado também em lasers de fibra aleatórios desordenados (RFL). Embora tenha havido progresso no sentido de travar modos espaciais e longitudinais em lasers aleatórios, a literatura carece de relatos sobre geração de pulsos limitada por transformada de Fourier, apesar das muitas décadas de campo. O autor demonstra experimentalmente um mode-locked random fiber laser (MLRFL) operando como um refletômetro óptico de domínio do tempo sensível à fase. Aqui, a saída total do laser fornece o sinal de detecção, em contraste com o pequeno sinal retroespalhado medido em um OTDR convencional. O laser opera como um sensor acústico distribuído (DAS) e sensor de temperatura distribuído (DTS). / [en] Different types of lasers can be used to generate light pulses with a wide range of pulse durations, energies and peak powers. Q-switching and mode-locked techniques have been reported for years by several authors and researchers and are frequently used in the generation of ultra-short-pulse lasers with time-domain pulse durations from the nanosecond to femtosecond range. A configuration, with gain provided by a semiconductor optical amplifier (SOA) and erbium-doped fiber amplifier (EDFA) is proposed and employ the dispersion management technique to generate a train of optical pulses exhibiting high-peak-power, ultralow repetition rate, and fast temporal width, enabling this laser to be used as a source for high-resolution optical time domain reflectometer (OTDR) applications. The mode-locking operation has been known to occur only in standard ordered lasers for a long time and until recently it was found to also occur in disordered random fiber lasers (RFL). Although progress has been made towards locking spatial and longitudinal modes in random lasers, the literature lacks reports on Fourier transform-limited pulse generation despite the many decades of the field. The author experimentally demonstrates a mode-locked random fiber laser (MLRFL) operating as a lasing phase-sensitive optical time domain reflectometer based on random feedback from a sensing fiber. Here, the full output of the laser provides the sensing signal, in contrast to the small backscattered signal measured in a conventional OTDR. The laser operates as a distributed acoustic sensor (DAS) and distributed temperature sensor (DTS).

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).

Les peignes de longueurs d'onde, produisant des dizaines de porteuses optiques régulièrement espacées à partir d'une seule source laser, présentent un grand intérêt pour les systèmes de communication à haut débit. Ce travail de thèse porte sur les peignes générés par les diodes laser à blocage de modes basées sur des nanostructures semi-conductrices à basse dimensionnalité. Dans cette étude, les performances en verrouillage de modes de lasers Fabry-Pérot mono-section basés sur différents systèmes de matériaux sont comparées sur la base de la largeur du spectre optique d'émission et de la capacité à produire des impulsions courtes à faible gigue temporelle. En remarquant que les lasers à base de bâtonnets quantiques InAs sur InP présentent de meilleures caractéristiques par rapport aux autres matériaux examinés, leurs propriétés spécifiques en termes de stabilité des peignes de fréquences optiques et de chirp des impulsions sont étudiées plus en détail. Le chirp est d'abord étudié par la technique FROG (frequency-resolved optical gating). Ensuite, la dispersion chromatique du matériau laser est évaluée afin de vérifier si elle peut expliquer les grandes valeurs de chirp mesurées par FROG. Pour cela la technique de réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel est utilisée et ses capacités uniques de mesure ont été étudiées et validées. Enfin, ces lasers sont employés avec succès pour les transmissions haut débit à l'aide de la technique de modulation optique OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) en détection directe. Débits de l'ordre du térabit par seconde, ainsi que le faible coût de l’architecture du système, sont très prometteurs pour les data centers / Optical frequency combs, generating tens of equally spaced optical carriers from a single laser source, are very attractive for next-generation wavelength division multiplexing (WDM) communication systems. This PhD thesis presents a study on the optical frequency combs generated by mode-locked laser diodes based on low-dimensional semiconductor nanostructures. In this work, the mode-locking performances of single-section Fabry-Pérot lasers based on different material systems are compared on the basis of the optical spectrum width, the timing jitter and pulse generation capabilities. Then, noticing that InAs quantum dashes grown on InP exhibit on average better characteristics than other examined materials, their unique properties in terms of comb stability and pulse chirp are studied in more detail. Laser chirp, in particular, is first investigated by frequency resolved optical gating (FROG) characterizations. Then, chromatic dispersion of the laser material is assessed in order to verify whether it can account for the large chirp values measured by FROG. For that, a high sensitivity optical frequency-domain reflectometry setup is used and its measurement capabilities are extensively studied and validated. Finally, the combs generated by quantum dash mode-locked lasers are successfully employed for high data rate transmissions using direct-detection optical orthogonal frequency division multiplexing. Terabit per second capacities, as well as the low cost of this system architecture, appear to be particularly promising for future datacom applications