Short optical pulses and engineered nonlinear media is a powerful combination. Mode locked pulses exhibit high peak powers and short pulse duration and the engineered ferro-electric KTiOPO4 facilitates several different nonlinear processes. In this work we investigate the use of structured, second-order materials for generation, characterization and frequency conversion of short optical pulses. By cascading second harmonic generation and difference frequency generation the optical Kerr effect was emulated and two different Nd-based laser cavities were mode locked by the cascaded Kerr lensing effect. In one of the cavities 2.8 ps short pulses were generated and a strong pulse shortening took place through the interplay of the cavity design and the group velocity mismatch in the nonlinear crystal. The other laser had a hybrid mode locking scheme with active electro-optic modulation and passive cascaded Kerr lensing incorporated in a single partially poled KTP crystal. The long pulses from the active modulation were shortened when the passive mode locking started and 6.9 ps short pulses were generated. High-efficiency frequency conversion is not a trivial task in periodically poled materials for short pulses due to the large group velocity mismatch. Optimization of parameters such as the focussing condition and the crystal temperature allowed us to demonstrate 64% conversion efficiency by frequency doubling the fs pulses from a Yb:KYW laser in a single pass configuration. Quasi phase matching also offers new possibilities for nonlinear interactions. We demonstrated that it is possible to simultaneously utilize several phase matched second harmonic interactions, resulting in a dual-polarization second harmonic beam. Short pulse duration of the fundamental wave is a key parameter in the novel method that we demonstrated for characterization of the nonlinearity of periodically poled crystals. The method utilizes the group velocity mismatch between the two polarizations in a type II second harmonic generation configuration. The domain walls of PPKTP exhibit second order nonlinearities that are forbidden in the bulk material. This we used in a single shot frequency resolved optical gating arrangement. The spectral resolution came from Čerenkov phase matching, a non-collinear phase matching scheme that exhibits a substantial angular dispersion. The second harmonic light was imaged upon a CCD camera and with the spectral distribution on one axis and the temporal autocorrelation on the other. From this image we retrieved the full temporal profile of the fundamental pulse, as well as the phase. The spectral dispersion provided by the Čerenkov phase matching was large enough to characterize optical pulses as long as ~200 fs in a compact setup. The Čerenkov frequency resolved optical gating method samples a thin stripe of the beam, i.e. the area close to the domain wall. This provides the means for high spatial resolution measurements of the spectral-temporal characteristics of ultrafast optical fields. / QC 20100831

Ce travail de thèse porte sur les systèmes de communication radio-sur-fibre (RoF) aux fréquences millimétriques dans la gamme de fréquences 57-66 GHz et leur génération par voie optique. La technique utilisée repose sur l’emploi de diodes laser à verrouillage de modes à boites quantiques. Au cours de cette thèse, plusieurs études ont été effectuées : la première porte sur la capacité d’intégrer ces types des lasers dans des systèmes de communication RoF avec leurs performances sous modulation directe ou externe. La deuxième étude a été consacrée aux effets de la propagation de ces signaux dans des systèmes basés sur les lasers à blocage de modes. Une technique originale a été mise en place afin de réduire la sensibilité à la dispersion chromatique dans la fibre optique. Une étude de la réduction du bruit de phase des lasers à verrouillage de modes basée sur l’observation de l’effet de la contre réaction et l’injection optique externe a été également présentée. / This thesis focuses on the radio-over-fiber (RoF) communication systems at millimeter frequencies in the frequency range 57-66 GHz and optical generation of a signal at millimeter-wave frequency band. The technique used is based on mode-locked laser diodes. The diodes employed in this work are in quantum dots (or quantum dashes) technology. In this thesis, several studies were conducted: the first relates the ability of integration these types of lasers in the RoF communication systems under direct or external modulation. The second study was devoted to propagation effects. An original technique was implemented to reduce the sensitivity to chromatic dispersion in an optical fiber. A study of the reduction of phase noise mode-locked lasers based on the observation of the reaction effect and against the external optical injection was presented.

Le développement des sources supercontinuum a engendré des avancées majeures dans de nombreux domaines tels que la spectroscopie, la métrologie ou encore la biologie avec la tomographie optique cohérente. Récemment, l'arrivée des fibres à cristaux photoniques (FCPs) a permis la fabrication de telles sources avec des lasers impulsionnels de pompe moins puissants. Ainsi, de par leur compatibilité avec les fibres optiques, les lasers impulsionnels réalisés en optique intégrée sur verre semblent une alternative intéressante pour la réalisation d'une source supercontinuum intégrée. Notre travail a donc eu pour objectif l'étude et la réalisation d'un laser impulsionnel déclenché par modulation passive des pertes assez puissant et compatible avec les fibres à cristaux photoniques dans le but de générer un supercontinuum. Nous avons alors conçu et fabriqué ce laser constitué d'un guide d'onde amplificateur réalisé par échange d'ions dans un verre dopé au néodyme et d'une cavité Fabry-Perot fermée par un miroir diélectrique en entrée et sans miroir de sortie ce qui permet un couplage direct avec une fibre optique. L'hybridation de l'absorbant saturable sous la forme d'une couche mince d'acétate de cellulose dopée au BDN sur le guide d'onde a permis la génération d'impulsions ayant une puissance crête de (2,8 ± 0,6) kW. La source supercontinuum réalisé avec une FCP pompée par le laser préalablement étudié présente un spectre allant de 440 nm à 1600 nm. Les perspectives de cette étude portent sur le changement de matériau absorbant saturable pour permettre l'émission d'impulsions plus puissantes, ainsi que sur l'intégration monolithique de la FCP pour réaliser un dispositif encore plus compact. Elles portent aussi sur la réalisation de lasers intégrés à modes bloqués utilisant cette technologie. Nous avons démontré sa faisabilité ainsi que son régime de fonctionnement en soliton dissipatif. Des caractérisations préliminaires ont également été effectuées. / Supercontinuum sources made possible major break through in spectroscopy metrology and biology like the development of optical coherent tomography. Photonics crystal fiber have been useful for supercontinuum generation allowing the use of relatively low peak power pulsed laser sources. Regarding this kind of devices, pulsed lasers made by integrated optics on glass seemed to be a good candidate. The aims of this work were hence to develop and realize Q-switched lasers for photonic crystal fiber pumping. We demonstrated the possibility to realize a supercontinuum source pumped by an integrated Q-switched laser made by ion exchange on Neodymium doped glass. The Fabry-Perot cavity used is closed by a dielectric mirror on one hand and by the waveguide facet on the other side allowing direct coupling with optical fiber. The saturable absorber has been hybridized on the amplifying waveguide to interact with the evanescent wave. (2.8 ± 0.6) kW peak-power pulses have been generated, which coupled in a photonic crystal fiber, generated a 440 nm to 1600 nm large supercontinuum. As a perspective, a mode-locked laser realized with the same technology has been demonstrated. We show that this laser operates in dissipative soliton regime. This laser is then preliminary characterized.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des lasers à verrouillage de modes à bâtonnets quantiques (MLL QD) sur le système de matériau InAs/InP en vue de leur utilisation pour les applications télécoms. Contrairement aux lasers à deux sections, nous exploitons, tout au long de cette thèse, le phénomène du mélange à quatre-ondes qui est à l’origine du verrouillage de modes dans ces structures. Une analyse du « chirp » des impulsions générées par ce type de lasers, ainsi qu’une étude théorique et expérimentale pour le compenser, ont été décrites. En particulier, nous démontrons la compensation du « chirp » linéaire par un filtrage et par une fibre présentant une dispersion adéquate. D’autre part, une compensation du « chirp » d’ordre supérieur est possible en utilisant une fibre à dispersion spécifique. Une étude a été consacrée à la gigue temporelle, un autre paramètre crucial pour la plupart des applications utilisant les MLLs QD. Dans une première étape, nous avons mis en œuvre une technique de mesure par cross-corrélation optique pour caractériser la gigue temporelle des MLLs à haute fréquence de répétition. Contrairement à la technique de mesure par analyse spectrale, celle-ci permet d’effectuer des mesures à des fréquences de répétitions supérieures à 50 GHz et sur une plage de fréquence allant de presque 0 Hz à quelques centaines de MHz. Ensuite, nous avons caractérisé des diodes lasers présentant une largeur de raie RF record d’une valeur de 850 Hz. Une valeur de gigue de 500 fs a été mesurée sur la bande de fréquence [150 kHz-320 MHz]. Cette valeur correspond à une amélioration d’un facteur 25 par rapport à la valeur mesurée sur une structure à base de puits quantiques pour les mêmes bornes d’intégration. Nous avons également présenté une étude de la réduction du bruit de phase des MLLs basée sur l’effet de la réinjection optique. Nous avons ainsi obtenu une amélioration du niveau de bruit de phase d’un facteur supérieur à 15 dB par rapport à la technique optoélectronique standard. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des MLL QD pour la génération des impulsions à très faibles gigue temporelle et ouvrent la voie pour la conception des oscillateurs tout-optiques à faible bruit de phase. Enfin, nous présentons la génération d’un peigne de fréquences WDM en utilisant un MLL QD. En utilisant une telle source, nous avons démontré une transmission canal par canal sur une distance de 50 km de fibre SMF à un débit de 10 Gbit/s. Ce résultat de toute première importance permet d’envisager l’utilisation des MLLs QD pour la transmission WDM / This PhD thesis deals with the integration of InP based quantum dash mode locked lasers for use in optical communication systems and microwave optoelectronic applications. The properties of pulse and characterization methods are described as well as requirements for application in communication systems. Experimental and analytic method for pulse “chirp” characterization and compensation are also discussed. In particular, we demonstrate that high order dispersion can be compensated using specific fibre length. The characterization of quantum dash based mode locked lasers, has shown their potential to generate high spectral purity self-pulsating signals, with state-of-the-art spectral linewidth of ~ 850 Hz. Especially, the importance of, and way to reduce high-frequency jitter is discussed. Indeed, a novel method for measurement of high-frequency jitter based on optical cross-correlation technique is implemented. Systematic investigation of 10 GHz passively mode locked laser based on InAs/InP quantum dashes emitting at 1.55 µm have demonstrated a reduced value of timing jitter of 500 fs in the 150 kHz – 320 MHz frequency range. Compared to typical passively mode-locked quantum well laser which exhibit timing jitter in the range 12 ps (150 kHz – 50 MHz), our device demonstrates an approximately 25 times improvement in timing jitter. Concerning microwave optoelectronic applications, we demonstrate that a low phase noise oscillator can be obtained using a QD MLL integrated in an optical self injection loop without any opto-electronic or electro-optic conversion. A significant reduction of the -3 dB linewedith as low as 200Hz was obtained thanks to optimised tuning of the optical external cavity length. The phase noise has been reduced from -75dBc/Hz to a level as low as -105dBc/Hz at an offset of 100kHz. This yields to ultra low timing jitter and shows the potential to fabricate simple, and yet low noise oscillators based on semiconductor lasers without any high frequency electronics, photodetector or modulator. Finally, we report, for the first time, error-free transmission of 8 WDM channels over 50 km long single mode fiber at 10 Gbit/s using comb-generation in a quantum dash based mode locked laser. Such good performance paves the way for the use of mode locked-lasers in WDM transmission and allows considering such a solution in an integrated WDM transceiver

The objective of this dissertation is to generate high power ultrashort optical pulses from an all-semiconductor mode-locked laser system. The limitations of semiconductor optical amplifier in high energy, ultrashort pulse amplification are reviewed. A method to overcome the fundamental limit of small stored energy inside semiconductor optical amplifier called "eXtreme Chirped Pulse Amplification (X-CPA)" is proposed and studied theoretically and experimentally. The key benefits of the concept of X-CPA are addressed. Based on theoretical and experimental study, an all-semiconductor mode-locked X-CPA system consisting of a mode-locked master oscillator, an optical pulse pre-stretcher, a semiconductor optical amplifier (SOA) pulse picker, an extreme pulse stretcher/compressor, cascaded optical amplifiers, and a bulk grating compressor is successfully demonstrated and generates >kW record peak power. A potential candidate for generating high average power from an X-CPA system, novel grating coupled surface emitting semiconductor laser (GCSEL) devices, are studied experimentally. The first demonstration of mode-locking with GCSELs and associated amplification characteristics of grating coupled surface emitting SOAs will be presented. In an effort to go beyond the record setting results of the X-CPA system, a passive optical cavity amplification technique in conjunction with the X-CPA system is constructed, and studied experimentally and theoretically.

Light detection and ranging (lidar) is used for various applications such as remote sensing, altimetry and imaging. In this talk, a linearly chirped pulse source is introduced that generates wavelength-swept pulses exhibiting ~6 nm optical bandwidth with > 20 km coherence length. The chirped pulses are used in an interferometric lidar setup to perform distance measurements with sub-millimeter resolution (using pulses that are a few meters long), at target distances > 10 km, with at least 25 dB signal-to-noise ratio at the receiver. A pulse repetition rate of 20 MHz provides fast update rates, while chirped pulse amplification allows easy amplification of optical signals to high power levels that are required for long range operation. A pulse tagging scheme based on phase modulation is used to demonstrate unambiguous, long range measurements. In addition to this, simultaneous measurement of target range and Doppler velocity is performed using a target moving at a speed of over 330 km/h (205 mph) inside the laboratory. In addition to this, spectral phase modulation of the chirped pulses is demonstrated to compensate for the undesirable ripple in the group delay of the chirped pulses. Moreover, spectral amplitude modulation is used to generate pulses with Gaussian temporal intensity profiles and a two-fold increase in the lidar range resolution (284 um) is observed.

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.