This thesis describes a design of a driver for a specific type of laser VCSEL. Models for simulation in PSpice OrCAD have been developed for this type of laser. The qualities of the designed driver aim to be equal to the integrated drivers that are available and to remove some of their drawbacks. It consists of the following components: input LVPECL receiver/driver, differential amplifier, fixed source of a modulation current, circuit of automatic power control. Regulation of the modulation current is dealt with atypically using an aptly selected input LVPECL receiver/driver which enables to control the voltage amplitude on its output by means of voltage. The thesis also describes different types of coupling between laser and driver. The most appropriate alternative is selected taking into consideration the unconventional design of the driver. The connection of the driver is supplemented by a microcontroller which secures control of output optical power by means of a serial bus RS232.

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The nature of work conducted during the course of study towards a MSc degree focused on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS). This field involves the in-situ detection of gas constituents from low concentration samples. Specifically, I will focus on TDLAS systems utilizing practical optics, readymade electronics, and commercially available near infrared vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL). In attempting to lower the minimum detectable concentrations of constituent gases, quantifying contributory noise sources is vital. Consequently, I seek to characterize principle noise sources of a prototypical TDLAS system in order to gain understanding of the limits that inhibit detection of trace gas concentrations. The noise sources which were focused on can be categorized as follows: source laser noise, optical noise, and detection noise. Through this work it was my goal to provide the means of achieving superior sensitivities.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et la réalisation de lasers à cavité verticale accordable et émettant à 1,55 µm, destinés aux applications télécom, capteurs intégrés et imagerie médicale. En vue de réaliser des VCSELs accordables sur de large gamme spectrale (>> 50 nm), ce travail de thèse s'est attaché à étudier et à améliorer les éléments clés constitutifs de ces dispositifs, à savoir : les miroirs de Bragg, la zone active, et les performances optiques et thermiques des VCSELs. Le fort contraste d'indice (Δn~1,9) des matériaux diélectriques (a-Si/a-SiN,x) a permis d'avoir une bande passante du miroir de Bragg suffisamment large (~700 nm) et des hautes réflectivités (~99,6%), assurant un bon fonctionnement du VCSEL. Pour la région active, nous avons opté pour les fils quantiques, qui grâce à leur dispersion en taille, permettent de bénéficier d'un gain matériau large bande. La réalisation d'un VCSEL à fils quantiques avec des miroirs diélectriques a permis une première démonstration internationale d'une émission laser sur un large domaine spectral de plus de 117 nm, couvrant ainsi les bandes de télécommunication optique C et L. L'émission laser est obtenue sous pompage optique continu jusqu'à une température de 42°C avec une puissance émise maximale de 1,3mW. Pour améliorer la puissance émise du laser, une étude en fonction du nombre de paires du miroir de sortie a été conduite. Pour un nombre de paires variable (4, 5 et 6 paires), le meilleur compromis a été obtenu pour un miroir de sortie comportant uniquement 4 paires, permettant d'accroitre la puissance émise de 0,1 mW (6 paires) à 1,3 mW (4 paires). Dans ce cas, l'amélioration des performances optiques s'est traduite également par un meilleur rendement quantique différentiel externe du laser et une augmentation de la plage de fonctionnement en puissance de pompe. Afin d'améliorer la dissipation thermique du VCSEL, le concept du miroir hybride a été développé. Ce dernier permet de conserver voire d'améliorer la réflectivité du miroir diélectrique classique tout en réduisant le nombre de paires le constituant. Ceci a permis de démontrer expérimentalement une diminution de 29 % de la résistance thermique, ce qui confirme l'efficacité du miroir hybride pour être une alternative potentielle au miroir diélectrique classique. Cette amélioration de l'aspect thermique a permis une augmentation de la température de fonctionnement jusqu'à 45°C et une puissance émise maximale de 1,8 mW. La réalisation du procédé TSHEC combiné au miroir hybride enterré, a permis d'améliorer encore davantage les performances optiques et thermiques du VCSEL. Ainsi, avec un miroir enterré de 20 µm de diamètre, nous avons démontré une puissance émise maximale de 2,2 mW avec une plage de fonctionnement en puissance de pompe plus large et une température de fonctionnement allant jusqu'à 55°C. L'ensemble de ces optimisations seront prochainement implémentées dans les structures VCSELs accordables du projet ANR HYPOCAMP. / This thesis focuses on the study and realization of broadband vertical cavity lasers emitting at 1,55 µm, useful for telecom applications, integrated sensors and medical imaging. ln order to achieve tunable VCSELs over broad spectral range(>> 50 nm), this thesis focused on the study and improvement the key components of these devices, which are: Bragg mirrors, active region and optical and thermal performances of VCSELs. The high index contrast (Δn~1,9) of dielectric materials (a-Si/a-SiN.) allowed a large bandwidth mirror (~700 nm) and high reflectivity (99.6%), ensuring a good VCSEL operation. For the active region, we opted for using quantum dashes, and thanks to their size dispersion allow having a broadband gain material. The realization of the quantum dashes based VCSEL with dielectric mirrors allowed a first international demonstration of a laser emission over a broadband of 117 nm, covering the optical telecommunication C and L bands. The laser emission is obtained under continuous optical pumping up to 42°C with a maximum output power of 1.3 mW. To improve the emitted laser power, a study based on the number of the output mirror pairs was conducted. For a variable number of pairs (4, 5 and 6 pairs), the best compromise was obtained for an output mirror with 4 pairs only, for which the output power is increasing from 0.1 mW (6 pairs) to 1.3 mW (4 pairs). ln this case, besides the increase of the output power, performance improvement is also reflected by improved external differential quantum efficiency of the laser and an increase in the operating range of the pump power. To improve the thermal aspect of the VCSEL, an approach based on the use of hybrid mirror was developed. This allows to keep even to improve the reflectivity of the standard dielectric mirror while reducing its number of pairs. Experimentally, it has been demonstrated a 29 % reduction in thermal resistance, confirming the effectiveness of the hybrid mirror to be a potential alternative to standard dielectric mirror. This improvement in term of thermal dissipation allowed an increase in operating temperature up to 45°C and a maximum output power of 1.8 mW. The realization of TSHEC process based on buried hybrid mirror, allowed further optical and thermal enhancements. Thus, with a 20 µm Bragg mirror diameter, we have demonstrated a maximum output power of 2.2 mW with a larger pump power operating range and a temperature operating up to 55 °C. All these optimizations will soon be implemented within the tunable VCSEL structures of HYPOCAMP ANR project.

Cette thèse vise à analyser en détails la possibilité d'améliorer les futurs systèmes Radio-sur-Fibre (RoF) dans différents scénarios de télécommunication, tels que les réseaux cellulaires actuels et de la prochaine génération, ainsi que dans d'autres applications telles que la radioastronomie. Le système RoF étudié est donc composé d’un laser à cavité verticale (VCSEL) fonctionnant à 850 nm, d'une fibre standard monomode (SSMF) et d'un phototransistor à hétérojonction SiGe (HPT), adoptant la technique appelée détection directe par modulation d'intensité qui est aujourd'hui l'architecture à moindre coût et la plus simple pour RoF. Cette thèse décrit en détail la propagation non naturelle dans le SSMF (conçue pour fonctionner uniquement à 1310 nm et 1550 nm) à 850 nm. A travers un modèle mathématique développé, la propagation à deux modes est décrite et les principaux phénomènes impliqués sont analysés. En particulier, le modèle se concentre sur la dispersion intermodale et le bruit modal, considérés comme les deux principales contributions de performance nuisible. Le modèle mis au point permet d'identifier les principaux paramètres qui contribuent à renforcer les effets néfastes de la dispersion intermodale et du bruit modal, à la fois en fréquence et dans le temps. A partir du modèle, des techniques possibles pour améliorer les performances sont alors proposées. En fait, une technique de pré-filtrage est réalisée afin d'éviter l'excitation du mode du second ordre, permettant une propagation quasi-monomode au sein du SSMF. La technique est validée théoriquement et expérimentalement soit pour une transmission sinusoïdale à radiofréquence unique, soit pour une transmission de signal passe-bande centrée sur une bande de radiofréquence. Il est démontré expérimentalement que possibilité d'augmenter la bande passante de modulation du système RoF, tout en réduisant les fluctuations de puissance et de gain. De plus, la technique est validée dans un véritable système de transmission LTE, ce qui permet à la technologie RoF de transmettre un signal LTE 256-QAM de 20 MHz, confirmant la possibilité d'utiliser cette technologie pour réduire le coût global et la consommation du réseau. Des travaux supplémentaires ont été réalisés sur le modèle mathématique. En fait, la propagation des deux modes est exploitée en sens inverse pour caractériser le chirp du VCSEL utilisé. Enfin, le problème du couplage entre les fibres et les dispositifs optoélectroniques est discuté et étudié afin d’améliorer les performances tout en gardant un faible coût. La possibilité d'utiliser une structure collective et passive pour coupler la fibre optique avec des photodétecteurs à petite surface et VCSEL est présentée, montrant des améliorations importantes sur l'efficacité du couplage et la tolérance au désalignement / This dissertation aims to analyze the possibility of improving in terms of cost and consumption the future Radio-over-Fiber (RoF) systems in different telecommunication scenarios, such as current and next generation of cellular networks and in other applications such as Radio Astronomy. The RoF system studied is hence composed of a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) operating at 850 nm, standard single mode fiber (SSMF) and SiGe Heterojunction Phototransistor (HPT), adopting the technique called Intensity Modulation{Direct Detection which is nowadays the cheapest and simplest architecture for RoF. This dissertation describes in detail the multimode propagation within the SSMF (designed to operate only at 1310 nm and 1550 nm) which is present at 850 nm. Through a developed mathematical model, the two-modes propagation is described and the main phenomena involved are analyzed. In particular, the model focus on intermodal dispersion and modal noise which are considered the two main contributions of performance detrimental. The model developed is able to identify the main parameters which contribute to enhance the detrimental effects produced by intermodal dispersion and modal noise both in frequency and time domain. Starting from the model, possible techniques to improve the performances are then proposed. In particular, a pre-filtering technique is realized in order to avoid the excitation of the second order mode, allowing a quasi-single-modepropagation within the SSMF. The technique is theoretically and experimentally validated either for single radio frequency sinusoidal transmission either for bandpass signal transmission centered in radio frequency band. In particular it is demonstrated experimentally the possibility of increasing the modulationbandwidth of the RoF system, reducing at the same time the fluctuations of power and gain. Furthermore, the technique is validated in a real LTE transmission system, making the RoF technology proposed able to transmit 256-QAM LTE signal of 20 MHz bandwidth, confirming the possibility of using this technology to decrease the overall cost and consumption of the network. Further work hasbeen done on the mathematical model. In particular the two modes propagation is exploited reversely in order to characterize the chirp parameter of the VCSEL employed. Finally, the problem of coupling between fiber and opto-electronic devices is also discussed and investigated, in order to enhance theperformances while keeping low the cost. The possibility of utilizing a collective and passive ploymerbased structure for coupling the optical fiber with small area photodetectors and VCSEL is presented, showing important improvements on coupling efficiency and tolerance to misalignment

L’interférométrie par retro-injection optique (OFI) est une technique de détection émergente pour les systèmes fluidiques. Son principe est basé sur la modulation de la puissance et/ou de la tension de polarisation d’une diode laser induites par interférence entre le faisceau propre de la cavité laser et la lumière réfléchie ou rétro-diffusée par une cible distante. Grâce à l’effet Doppler, cette technique permet de mesurer précisément la vitesse de particules en mouvement dans un fluide, et de répondre aux besoins croissants de mesure de débit dans les systèmes d’analyse biomédicale ou chimique.Dans cette thèse, les performances de la vélocimétrie par rétro-injection optique sont étudiées théoriquement et expérimentalement pour le cas de micro-canaux fluidiques. Un nouveau modèle numérique multi-physique (optique, optoélectronique et fluidique) est développé pour reproduire les spectres Doppler expérimentaux. En particulier, les effets de la concentration en particules, de la distribution angulaire de la diffusion du laser par les particules, ainsi que du profil d’écoulement dans le canal sont pris en compte. Un bon accord est obtenu entre les vitesses d’écoulement théoriques et expérimentales. Ce modèle est également appliqué avec succès à la mesure de la vitesse locale dans un micro-canal et à l’analyse de l’impact sur le signal des configurations particulières de canal. Enfin, la conception d’un capteur OFI tirant parti des avantages des Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface (VCSEL) est proposée. Grâce au développement de techniques de microfabrication à base de matériaux polymères, un premier démonstrateur composé d’un VCSEL à lentille intégrée est réalisé et testé sans aucune optique macroscopique additionnelle. Les résultats obtenus en termes de mesure de flux sur des canaux micro-fluidiques de tailles différentes valident l’intérêt de cette approche et ouvrent la voie vers la réalisation de capteurs OFI ultra-compacts. / Optical feedback interferometry (OFI) is an emerging sensing technique which has been studied in fluidic systems. This sensing scheme is based on the modulation of the laser emission output power and/or the junction voltage induced by the interaction between the back-scattered light from a distant target and the laser inner cavity light. Thanks to the Doppler Effect, OFI can precisely measure the velocity of seeding particles in flowing liquids which is much required in chemical engineering and biomedical fields. In the present thesis, optical feedback interferometry performance for microscale flow sensing is studied theoretically and experimentally. A new numerical modeling approach based on multi-physics numerical simulations for OFI signal simulation in the micro-scale flowmetry configuration is presented that highlight the sensor performances. In this model, many factors are involved such as particle concentration and laser-particle scattering angle distribution and flow velocity distribution. The flow rate measurement shows good agreement with the modeling. The implementation of OFI based sensors in multiple fluidic systems, investigating the impact of the fluidic chip specific configuration on the sensor signal.Finally, a compact OFI flowmetry sensor based on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) using micro optical fabrication techniques is demonstrated as well. The simulation method for the design and the microfabrication procedures are detailed. After an evaluation of the experimental results, the capabilities of this new OFI sensor in microfluidic measurements are emphasized, thus demonstrating an open path towards ultra-compact microfluidic systems based on the OFI sensing technique.

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.

Une des techniques connues pour la gyrométrie est d'utiliser l'effet Sagnac dans une cavité laser en anneau avec pour milieu à gain un mélange d'Hélium et de Néon. Si ses qualités gyrométriques sont clairement établies, ce type de laser trouve ses principales limitations industrielles dans le caractère gazeux de son milieu à gain. Des solutions fondées sur un cristal de Nd :Yag ont déjà pu montrer qu'il était possible d'obtenir un signal Sagnac dans un autre type de milieu à gain. Il est cependant apparu que le temps relativement long de la fluorescence (230 μs) était une des sources de limitation de la qualité de la réponse en fréquence. Le semi-conducteur, par son temps de vie de luminescence beaucoup plus court (3 ns) présente ainsi un avantage potentiel pour la gyrométrie. De plus, la possibilité d'un pompage électrique pourrait offrir à terme une réduction importante des coûts. L'objectif de ce travail de thèse est ainsi d'étudier la possibilité de réaliser un gyrolaser fondé sur un milieu à gain semi conducteur dans une cavité en espace libre. La dynamique du milieu à gain étant significativement différente des systèmes précédemment cités, il est d'abord nécessaire d'étudier les conditions de stabilité du fonctionnement gyrométrique, ainsi que les performances que l'on peut espérer obtenir avec un tel système. L'influence du couplage phase-amplitude propre aux milieux semi-conducteurs est en particulier mise en évidence. Dans un deuxième temps, nous montrons experimentalement qu'il est effectivement possible d'obtenir à partir d'une cavité en anneau avec un 1/2-VCSEL un fonctionnement gyrométrique, grâce une géométrie de cavité adéquate et à un asservissement des intensités permettant de contrebalancer les effets de la compétition de modes qui a lieu au sein du semi-conducteur.

Cette thèse se situe dans le contexte d'un projet d'intégration sur puce de microscopes à sonde locale : systèmes parallèles de nano-lecture-écriture optique comprenant des micro-leviers équipés de diodes laser, et montés sur des systèmes MEMS assurant les fonctions de balayage spatial. On utilisera des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). En quelques mots, un VCSEL est un laser à semi-conducteur, pompé électriquement, formé de miroirs de Bragg délimitant une cavité optique dans laquelle se trouvent des puits quantiques. Les VCSEL ont l'avantage d'avoir un faible courant seuil, une faible divergence et une grande capacité d'intégration surfacique. On exploitera la sensibilité des VCSEL à la réinjection optique. Le travail de thèse proprement dit porte sur l'étude de la réinjection optique dans un VCSEL sur le plan expérimental et théorique. La réinjection optique dans un VCSEL correspond à réintroduire une partie ou la totalité de la lumière émise par le VCSEL à l'intérieur de la cavité du VCSEL. Pour ce faire, on ajoute un miroir externe de façon à rétroréfléchir l'émission vers la face émettrice. On forme, entre la face émettrice du laser et le miroir externe, une cavité externe. La réinjection optique a été étudiée pour la première fois par R. Lang et K. Kobayashi dans des lasers à émission par la tranche en 1980. Depuis plusieurs travaux portant sur des VCSEL ont montré que la réinjection optique perturbe plusieurs caractéristiques de ces lasers : caractéristiques spectrales, courant seuil, efficacité quantique différentielle, puissance optique, tension, polarisation. Les effets de la réinjection optique sont influencés par la longueur (distance entre la face émettrice et le miroir externe) de la cavité externe d'une manière périodique, la période est la demi-longueur de l'onde laser du VCSEL. Ces effets sont également modifiés par la réflectivité du miroir externe. Ce travail de thèse se situe dans le prolongement d'une première thèse faite par D. Heinis et soutenue en octobre 2005. Il a notamment réalisé un microscope SNOM semi-massif fibré utilisant un asservissement à force de cisaillement, la sonde est une fibre optique étirée. L'information optique est obtenue à partir de la variation de la puissance optique induite par la réinjection optique dans un VCSEL émettant dans le proche IR. A partir de ce microscope SNOM, un montage de microscope à sonde optique et à asservissement optique est proposé. On utilise l'effet de la réinjection optique sur la puissance optique et la dépendance de cet effet avec la longueur de la cavité externe.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude dans les microrésonateurs à semiconducteur III-V des phénomènes d'Optique Transverse que sont les solitons de cavité. Ceux-ci résultent de l'interaction d'un faisceau<br />externe injecté dans la cavité avec les non-linéarités du matériau actif et la diffraction. L'originalité de ce travail tient au pompage optique de l'amplificateur semiconducteur à cavité verticale (VCSOA). On s'est d'abord attaché à développer les aspects théoriques de la physique mise en jeu, puis les aspects pratiques et technologiques concernant la conception et la réalisation des VCSOAs présentant des caractéristiques favorables à l'émergence de phénomènes d'optique transverse. Une grande partie du travail, que ce soit théorique ou<br />technologique, concerne la maitrîse du chauffage résiduel et l'atténuation de ses effets inhibiteurs de l'observation des solitons de cavité. Les expériences présentées ici montrent pour la première fois la formation de motifs transverses et la possibilité d'écrire et d'effacer de manière cohérente et incohérente des solitons de cavité en régime de pompage optique.