Ce travail relate la construction et les premiers résultats obtenus avec un interféromètre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon métastable, de moment angulaire 2, préparé et sélectionné en spin par lasers. Ses performances sont comparées à celles d'un interféromètre du même type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogène métastable, de moment angulaire 1. Pour réaliser un interféromètre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte à vide traversée par un jet d'atomes polarisés puis analysés en spin après une évolution dans une zone de champ magnétique bien contrôlé. Ceci est réalisé par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associées à une optique fibrée. Les transitions choisies étaient fixées autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnétique du coeur de l'interféromètre est réalisée par un circuit magnétique centré sur l'axe du jet atomique, protégé par un blindage magnétique. En employant un détecteur sensible à la position, nous avons mis en évidence la grande sensibilité de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique à la place d'un jet effusif. Le signal interférométrique dépend alors bien plus finement des détails du profil magnétique. Cette propriété est mise en évidence par l'apparition dans les figures d'interférences de structures inattendues liées aux effets de phase géométrique traduisants l'évolution du spin 2 dans un champ magnétique conique. Ces résultats permettent de guider la réflexion sur l'application de cet interféromètre, tant vers des expériences visant la nanolithographie, qu'à des études plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les études déjà réalisées sur l'hydrogène.

Les travaux reportés dans cette thèse concernent la conception et la réalisation<br />technologique d'une diode laser à puits quantiques InGaAsN émettant à 1,3μm, épitaxiée sur<br />substrat de GaAs, et comportant une structure à ruban à base d'un diaphragme d'oxyde<br />d'aluminium (Alox). Nous présentons, tout d'abord, l'étude de modélisation et de conception de ces<br />diodes laser. En nous appuyant sur un outil incluant la modélisation de la structure de bande des<br />puits quantiques InGaAsN/GaAs, une étude complète d'optimisation des propriétés d'émission des<br />puits quantiques est menée. Nous en dégageons les critères de conception de la structure<br />bidimensionnelle pour obtenir une émission laser à 1,3μm présentant de bonnes performances en<br />terme de stabilité thermique et de réponse dynamique, compatible avec les réseaux optiques<br />d'accès.<br />La seconde partie porte sur la réalisation technologique des composants. Nous présentons la<br />mise au point de l'étape d'oxydation latérale humide et au développement d'un procédé<br />technologique complet et reproductible de réalisation de diodes laser avec injection latérale des<br />porteurs et diaphragme d'oxyde en tenant compte des contraintes technologiques des différentes<br />étapes du procédé. La réalisation et la caractérisation de diodes laser à diaphragme d'oxyde ont<br />constitué la dernière phase de ce travail. Après avoir validé le procédé technologique dans la filière<br />AlGaAs/GaAs, nous avons procédé à une caractérisation approfondie des composants à multi puits<br />quantiques InGaAsN/GaAs afin d'évaluer les potentialités de cette nouvelle filière et de confirmer<br />l'intérêt du confinement procuré par le diaphragme Alox pour l'obtention de composants<br />monomodes stables.

La demande en constante progression de sources laser compactes et efficaces conduit à rechercher des architectures nouvelles pour accroître la puissance des diodes laser. La solution la plus prometteuse consiste à utiliser plusieurs lasers identiques de puissance modérée en parallèle. Pour conserver la qualité spatiale du faisceau, il est nécessaire d'induire une relation de phase constante entre les lasers. Nous présentons une étude théorique et expérimentale de la mise en phase passive d'une barrette de diodes laser de puissance. Pour cela, nous exploitons les propriétés de filtrage angulaire et spectral des réseaux de Bragg volumiques dans une cavité externe. Deux solutions ont été étudiées : la première exploite l'effet d'auto-imagerie Talbot et la seconde effectue un filtrage sélectif des composantes angulaires de l'émission de la barrette. Un modèle théorique permettant de déterminer le comportement modal de chacune de ces cavités a été réalisé. Dans le cas de la cavité Talbot, en collaboration avec l'Université de Nottingham, la cavité a également été modélisée en prenant en compte les propriétés internes des diodes laser. Expérimentalement, plusieurs architectures adaptées à des géométries de barrettes différentes ont été étudiées, qui ont toutes donné lieu à une émission cohérente. Nous montrons que l'utilisation d'un réseau de Bragg volumique intra-cavité permet à la fois d'améliorer la cohérence entre les lasers et de stabiliser le spectre d'émission. Enfin, nous présentons une solution originale utilisant des filtres de phase permettant de convertir le faisceau cohérent multilobe provenant de la cavité laser en un faisceau de profil gaussien.

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.

Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser solides, pompées par diode, émettant un rayonnement continu monomode longitudinal dans le proche infrarouge (1000 nm) et dans le bleu-vert par doublement de fréquence, particulièrement à 501,7 nm. Ces sources laser visent des applications métrologiques telles que la spectroscopie de l'iode (127I2) à ultra-haute résolution et la mise en pratique du mètre, domaines dans lesquels les lasers à argon sont actuellement utilisés.<br />Le premier chapitre de ce travail présente le contexte de cette étude, à travers un état de l'art des sources laser autour de 500 nm, les solutions retenues et explorées, ainsi que des éléments théoriques pour la génération de seconde harmonique. Le principe commun des deux voies est de produire une émission laser monomode spectrale à 1000 nm qui est ensuite doublée en fréquence.<br />Le deuxième chapitre traite de la solution utilisant des cristaux dopés ytterbium émettant à 1000 nm, dont l'émission est doublée en fréquence intracavité dans un cristal non linéaire de KNbO3. Deux cristaux laser sont utilisés : le Yb:YSO et le Yb:KYW. Dans les deux cas, à 501,7 nm, nous démontrons des puissances en régime monofréquence comprises entre 35 et 60 mW pour une puissance de pompe de 4W à 980 nm.<br />Le troisième chapitre concerne la seconde voie étudiée utilisant un milieu amplificateur semiconducteur à puits quantiques de type VCSEL. La structure active, formée d'un miroir de Bragg et de puits quantiques, est montée en cavité étendue et pompée optiquement. L'émission autour de 1000 nm est doublée en fréquence pour produire 60 mW en régime monomode spectral à 500 nm, à partir d'une puissance de pompe de 6,5 W à 808 nm.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude de sources laser à semi-conducteur de haute cohérence, émettant à 894 nm, pour application aux horloges atomiques Césium compactes pompées optiquement, dans un contexte de développement industriel. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à émission par la tranche, dits "Distributed-Feedback" (DFB), pompés électriquement. L'objectif est d'obtenir un laser monomode en fréquence, à faible seuil, à rendement optique élevé et de largeur de raie inférieure à 1 MHz. Nous traitons d'abord de la conception et de la caractérisation au 1er ordre des diodes DFB, jusqu'à leur mise en modules pour horloge, puis nous effectuons une étude approfondie des propriétés physiques de l'émission laser en terme de cohérence temporelle, en introduisant une nouvelle méthode universelle de caractérisation du bruit de fréquence optique. Enfin, nous nous intéressons aux propriétés spectrales de l'émission en configuration d'asservissement sur une raie de fluorescence du Césium ("Dither-Locking"). Nous montrons que les propriétés intrinsèques du composant satisfont aux exigences du système industriel tel qu'il a été défini lors de l'étude. / This PhD work deals with the design, the fabrication and the study of high-coherence semiconductor laser sources emitting at 894 nm, for application to compact, optically-pumped cesium atomic clocks in an industrial context. We are particularly interested in the electrically pumped "Distributed-Feedback" in-plane laser diodes (DFB). The aim is to obtain a low-threshold, single-mode laser with high optical efficiency and a linewidth of less than 1 MHz. We first deal with the design and first-order characterization of the DFB diodes until they are put into modules for the clock. We then carry out an in-depth study of the physical properties of the laser emission in terms of coherence time. For that purpose, a new universal method for characterizing the optical frequency noise is introduced. Finally, we look further into the spectral properties of the emission in a servo configuration on a fluorescence line of the cesium ("Dither-Locking"). We show that the intrinsic properties of the component satisfy the requirements of the industrial system as defined in the study.

Les progrès récents des nanotechnologies permettent d'envisager de nouvelles générations de diodes laser. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apport des cristaux photoniques bidimensionnels pour explorer la faisabilité d'un réseau monolithique de diodes laser tout cristal photonique émettant au voisinage de 2,3 µm en filière GaSb. Chaque laser doit répondre à un certain nombre de critères : une émission monomode à une longueur d'onde stable et précise, une émission fine spectralement avec une puissance de sortie élevée, une longueur d'onde accordable, présentant aucun saut de mode sur la gamme d'accordabilité, un fonctionnement à température ambiante, sous pompage électrique et en régime continu. Ces critères répondent au cahier des charges de la technique de spectroscopie d'absorption à diodes laser accordables multiplexées (MTDLAS : Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy). La technique de MTDLAS est ici mise en œuvre pour les applications de détection de gaz dans le moyen infra-rouge (MIR), soit la gamme de longueur d'onde allant de 2 à 5 µm. Cette gamme de longueur d'onde présente plusieurs fenêtres de transparence (autour de 2,3 µm et de 3,4 à 4 µm) où l'absorption par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone est très faible. L'existence de ces fenêtres est mise à profit pour la détection de molécules gazeuses de l'atmosphère, telles que le monoxyde de carbone ou le méthane. Pour mes travaux de thèse, la longueur d'onde d'émission laser retenue est de 2,3 µm. Cette longueur d'onde correspond à la fenêtre de transparence pour la détection notamment du CH4, du CO et du HF. Ainsi, ce mémoire présente la conception de diodes laser tout cristal photonique, et le développement d'un procédé de fabrication de ces diodes lasers, qui a mené à la réalisation d'une série de composants. Nous montrons qu'une déformation de la maille photonique, associée à une optimisation de la largeur du guide, permet d'obtenir un fonctionnement monomode stable. Se basant sur ce principe, plusieurs géométries de mailles de cristaux photoniques ont été étudiées. Puis, nous nous attachons à lever le verrou technologique de la gravure profonde à fort rapport d'aspect dans les alliages AlGaAsSb. Pour cela, nous présentons des études paramétriques de gravure, conduisant à la mise au point d'un procédé optimisé de gravure profonde. Des profondeurs de gravure de 3,4 µm pour des trous de 370 nm de diamètre, soit un rapport d'aspect de plus de 9, ont ainsi pu être atteintes. Cette étape critique de gravure a été insérée dans un procédé technologique de fabrication de diodes laser tout cristal photonique, que nous avons mis au point. Cela a mené à la réalisation d'une série de composants. / Recent advances in nanotechnology allow considering new generations of laser diodes. The purpose of this thesis is to study the contribution of two-dimensional photonic crystals to design and fabricate a monolithic array of laser diodes emitting near 2.3 µm in GaSb system. Each laser in the array has to respond to stringent criteria : a stable and precisely predefined single-mode emission wavelength, high output power, tunable wavelength with no mode hopping over the tunability range. Moreover, such device should operate at room temperature, under electrical pumping and continuous regime. These criteria respond to the specifications of the technique of Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (MTDLAS). The MTDLAS technique is here implemented for gas sensing applications in the Mid-wavelength infrared (MidIR), corresponding to the wavelength range from 2 to 5 microns. This wavelength range contains two transparency windows (around 2.3 µm and from 3.4 to 4 µm), where the absorption by water vapor and carbon dioxide is reduced. The existence of these windows is harnessed for the detection of gaseous molecules in the atmosphere, such as carbon monoxide or methane. For my thesis work, the chosen wavelength of laser emission is 2.3 µm. This wavelength corresponds to a transparency window allowing detection of CH4, CO and HF. This dissertation presents the design of all photonic crystal laser diode, and the development of a manufacturing process of such device, which led to the production of a set of components. We show that the engineering of the photonic lattice combined with an optimization of the width of the laser waveguide provide stable, single-mode emission operation. Based on this principle, several geometries for photonic crystal lattice were studied. Then we tackle the technological challenge of deep etching with high aspect ratio in AlGaAsSb alloys. For this, we present parametric studies of etching, leading to the development of an optimized process for deep etching. We succeed to etch holes of 370 nm diameter and 3.4 µm depths, corresponding at an aspect ratio in excess of 9. We have developed a technological manufacturing process of all photonic crystal laser diodes, where this critical etching step has been successful inserted. This led to the realization of a set of components.

Cette thèse de doctorat a été réalisée au sein du III-VLab, en partenariat avec l’Institut d’Electronique du Sud (IES). L’objectif de ce travail de thèse vise d’une part à l’optimisation des performances des diodes laser DFB émettant à 780 nm et le développement d’une source plus compacte (MOPA) à 780nm, intégrant de façon monolithique l’oscillateur maître (laser à rétro-action répartie ou DFB) et l’amplificateur de puissance, et d’autre part, à appréhender les phénomènes de bruit, permettant d’évaluer la qualité technologique des lasers. Les développements autour de la longueur d’onde 780 nm, se sont organisés en plusieurs thématiques : les lasers Fabry-Perot et DFB, les amplificateurs (SOA), les MOPA et l’étude du bruit des lasers. Nous avons étudié des structures de différentes épaisseurs de puits quantiques (160Å, 135 Å et 145 Å). La comparaison des performances globales des différentes structures de lasers larges, loin d’être évidente, nous a permis de choisir celle intégrant un puits quantique de 160 Å, pour la réalisation des lasers Fabry-Perot à ruban étroit (3µm à 4µm). Nous avons obtenu sur des lasers larges, de 3 mm de long, bruts de clivage, une puissance d’environ 5 watts par face pour un courant d’injection continu autour de 10 A. Les simulations et caractérisations électro-optiques menées sur des lasers ridge Fabry-Perot, ont servi à affiner le dessin des DFB à 780 nm, par rapport aux briques de base existantes du III-V Lab, et à proposer des structures à cavités optiques larges et super-large (LOC et SLOC) optimisées, en termes de puissance, qualités de faisceau et spectrale.Les mesures de bruits, appuyées d’un modèle de bruit électrique, ont permis d’extraire une valeur du paramètre de Hooge de 2,1.10^-3 pour les lasers ridge, en accord avec la littérature, et qui correspond à une bonne qualité de matériau et technologique des lasers. Différents types d’amplificateurs optiques évasés ont été dessinés, réalisés et caractérisés. Les caractérisations des diverses géométries de SOA, ont donné dans l’ensemble, des valeurs de gain comprises entre 19dB et 25dB. Nous avons obtenu respectivement pour les structures d’amplificateurs à guidages entièrement par l’indice (GI), entièrement par le gain (GG) et mixte (GM), des puissances de 500mW, 750mW et 1W. L’ensemble des résultats obtenus avec ces structures sont prometteurs pour l’intégration monolithique avec le DFB. En ce qui concerne le MOPA, trois approches ont été étudiées: MOPA droit, DFB et amplificateur tiltés de 7° (par rapport à la normale aux faces clivées), et la plus prometteuse mais plus complexe, intégrant le DFB droit et l’amplificateur tilté de 7°, avec une section courbe entre les deux. La prise en compte de l’ensemble des résultats lasers Fabry-Perot, DFB et des résultats d’amplificateurs, nous ont permis de proposer des dessins MOPA originaux. Le dessin du masque réalisé, intègre toutes ces configurations de MOPA, et en plus, des SOA et DFB, qui seront utilisés comme témoins de test lors des caractérisations. / This thesis has been realized in III-VLab in collaboration with the South Electronic Institute in Montpellier. The aim of this work focuses in one hand, on the performance improvement of DFB's diode lasers emitting at 780 nm, and the advanced design of a compact semiconductor laser diode (Master Oscillator Power Amplifier), integrating monolithically the master oscillator (DFB for Distributed Feedback laser); in the other hand, using the noise phenomenon’s studies as a tool, for validating of our laser technologies. The Developments round the 780 nm wavelength, have been divided into different thematic: Fabry-Perot and DFB, Semiconductor Optical Amplifiers (SOA), MOPA, and the lasers noise’s study. We have studied structures with different quantum well thickness (160Å, 135 Å and 145 Å). The comparison of global performances of broad area lasers from these different structures, far to being obvious, allowed us to choose the one that integrates the 160-Å-thickness of quantum-well, for the realization of ridge Fabry-Perot lasers of 3 to 4-µm-of width. We obtained with broad area lasers, as cleaved, with 3-mm cavity lengths, an output power around 5 watts per facet, in continuous bias current around 10 AModellings and electro-optics characterizations performed on ridge Fabry-Perot lasers, allowed to refine DFB lasers at 780 nm, in comparison of the existing building blocks in the lab; we proposed new optimized structures with Large and Super Large Optical Cavities(LOC and SLOC), in terms of optical output power, beam and spectral qualities.The noise measurements with electrical noise modelling, allowed us to extract a value of Hooge’s parameter of 2,1.10^-3, quite in agreement with literature for such lasers, which corresponds to a good material quality and laser technology.Different types of flared SOA have been designed, realized and characterized. The characterizations of various SOA geometries, have given in general, values of gain between 19 dB to 25 dB. With SOAs of types: fully Index Guiding (IG), fully Gain Guiding (GG) and Mixed Guiding (MG), we have respectively obtained 500 mW, 750 mW and 1 W. All the results obtained with these structures are promising for monolithic integration with DFB. Regarding the MOPA, three approaches have been studied. The straight MOPA, the approach of SOA and DFB with 7° tilt(relative to the normal to cleaved facets), and the most complex, but promising approach, integrating the SOA with 7° tilt, and straight DFB, with a bend section between them. By taking into account all the results obtained on Fabry-Perot lasers, DFB, and SOA results, we were able to propose original MOPA designs. The layout drawing has been realized, all the MOPA configurations and additional, DFB and SOA devices, have been included on it. They will be used as test structures for characterizations.

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.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et d'une nouvelle génération de MOEMS (Micro-Optical-Electrical-Mechanical System) pour le contrôle actif du faisceau laser émis par des matrices de VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers). Le microsystème à base de polymères que nous avons conçu est compatible avec une intégration monolithique en post-processing. Il est composé d'une membrane suspendue associée à une microlentille réfractive. Le plan de focalisation est contrôlé dynamiquement grâce au déplacement vertical de la membrane grâce à un actionnement électrothermique. La géométrie du MOEMS a été optimisée à l'aide notamment de simulations électro-thermo-mécaniques pour minimiser l'énergie de commande et fiabiliser les dispositifs. Nous avons ensuite développé l'ensemble des briques technologiques pour la fabrication collective de ce dispositif sur des matrices de VCSELs. En particulier, une technique originale de transfert thermique doux de films secs photosensibles épais a été mise au point au moyen d'un équipement de nano-impression, pour permettre un dépôt uniforme et précis sur des substrats fragiles ou de faible taille. En outre, nous avons développé un procédé simple et totalement planaire pour la fabrication du MOEMS et optimisé un procédé de dépôt par jets d'encre pour l'intégration finale des microlentilles, avec la possibilité de choisir la distance focale la plus adaptée à la fin du process. La caractérisation des microsystèmes que nous avons réalisés a conduit à l'obtention de déplacements mécaniques de 8µm pour seulement 12.5mW appliqués, ce qui constitue une validation de nos résultats de modélisation. Enfin, des premiers résultats de focalisation dynamique du faisceau VCSELs sont présentés. / This thesis deals with the study and the fabrication of a novel type of polymer MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical Systems) to achieve passive or active beam shaping of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs). To improve the photonic integration of these compact laser sources in optical communication and detection systems (sensors, biomedical analysis), we designed a polymer-based optical microsystem that is suitable with a post-processing integration on VCSELs. Its operation principle is based on the out-of-plane displacement of a suspended SU-8 membrane including a polymer refractive microlens at its surface. Thanks to electro-thermal actuation, the vertical displacement of the membrane allows to dynamically modify the microlens-source distance and leads to a vertical shift of the laser beam waist position. MOEMS actuation power and reliability were optimized owing to a comprehensive tri-dimensional thermo-electro-mechanical model that takes into account SU-8 material properties and precise geometry of the device. Technological steps necessary for the collective fabrication of such MOEMS on VCSELs arrays were also developed. In particular, we report on a new photoresist film transfer method we developed to achieve a highly uniform fabrication of high aspect ratio MOEMS on small-sized or fragile samples such as GaAs-based VCSELs wafers. This method that we call "soft thermal printing" is based on the use of a thermal nano-imprint set-up. Moreover, a simple and planar process for MOEMS fabrication was successfully tested. A dedicated inkjet printing process for drop-on-demand deposition of the microlens on the membrane center was also developed. Finally, the fabricated MOEMS were characterized. A vertical displacement as high as 8µm was observed for only 12.5mW applied, in good agreement with our 3D modeling results and first results on 850nm VCSEL dynamic beam focusing were obtained, demonstrating the interest of our approach.