1.55-µm high-speed modelocked semiconductor lasers are theoretically and experimentally studied for various coherent photonic system applications. The modelocked semiconductor lasers (MSLs) are designed with high-speed (>5 GHz) external cavity configurations utilizing monolithic two-section curved semiconductor optical amplifiers. By exploiting the saturable absorber section of the monolithic device, passive or hybrid mode-locking techniques are used to generate short optical pulses with broadband optical frequency combs. Laser frequency stability is improved by applying the Pound-Drever-Hall (PDH) frequency stabilization technique to the MSLs. The improved laser performance after the frequency stabilization (a frequency drifting of less than 350 MHz), is extensively studied with respect to the laser linewidth (~ 3 MHz), the relative intensity noise (RIN) (< -150 dB/Hz), as well as the modal RIN (~ 3 dB reduction). MSL to MSL, and tunable laser to MSL synchronization is demonstrated by using a dual-mode injection technique and a modulation sideband injection technique, respectively. Dynamic locking behavior and locking bandwidth are experimentally and theoretically studied. Stable laser synchronization between two MSLs is demonstrated with an injection seed power on the order of a few microwatt. Several coherent heterodyne detections based on the synchronized MSL systems are demonstrated for applications in microwave photonic links and ultra-dense wavelength division multiplexing (UD-WDM) system. In addition, efficient coherent homodyne balanced receivers based on synchronized MSLs are developed and demonstrated for a spectrally phase-encoded optical CDMA (SPE-OCDMA) system.

A detailed characterization of the Ini-xGaxAsyP1-j, quaternary material system lattice matched to GaAs, grown by gas source Molecular Beam Epitixy (MBE) has been performed. Photoluminescence, X-ray diffraction and Transmission Electron Microscopy (TEM) were used to study the lateral composition modulation (LCM) which was observed in this material system. Optimization of the growth process and the substrate orientation resulted in a significant reduction of the LCM. Additionally, a comprehensive analysis of the optical constants was performed which resulted in the first publication of wavelength and composition dependent index of refraction data for this material system. The combination of growth optimization and index of refraction data lead to the demonstration of efficient, low threshold operation of InGaAsP/GaAs based multiple quantum well lasers. In order to efficiently couple the above laser diodes to an external cavity to facilitate the generation of ultrashort pulses, antireflection facet coatings were required. As such, optical interference filters have been fabricated using a plasma enhanced chemical vapor deposition system, based on the SiOxNy material system. High quality antireflection facet coatings, suitable for application to the InGaAsP/GaAs diode lasers have been designed and fabricated, resulting in modal reflectivities of 1-2 x 10-4. Finally, an ultrashort-pulse external-cavity diode laser system was designed and manufactured which allowed the laser diode to be wavelength tuned and emit mode-locked ultrashort optical pulses. Pulses with sub 2 ps duration and greater than 1 mW average output power have been achieved. A study of the novel application of an asymmetric quantum well structure to the generation of ultrashort optical pulses has been proposed and initiated. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

This dissertation has three parts which are distinctive from the perspective of their frequency regime of operation and from the nature of their contributions to the science and engineering communities. The first part describes work that was conducted on a vertical-external-cavity surface emitting-laser (VECSEL) in the optical frequency regime. We designed, fabricated, and tested a hybrid distributed Bragg reflector (DBR) mirror for a VECSEL sub-cavity operating at the laser emission wavelength of 1057 nm. The DBR mirror was terminated with a highly reflecting gold surface and integrated with an engineered pattern of titanium. This hybrid mirror achieved a reduction in half of the number of DBR layer pairs in comparison to a previously reported, successful VECSEL chip. Moreover, the output power of our VECSEL chip was measured to be beyond 4.0Wwith an optical-to-optical efficiency of 19.4%. Excellent power output stability was demonstrated; a steady 1.0 W output at 15.0 W pump power was measured for over an hour. The second part reports on an ultrafast in situ pump-probing of the nonequlibrium dynamics of the gain medium of a VECSEL under mode-locked conditions. We proposed and successfully tested a novel approach to measure the response of the inverted carriers in the active region of a VECSEL device while it was operating under passively mode-locked conditions. We employed the dual-frequency-comb spectroscopy (DFCS) technique using an asynchronous optical sampling (ASOPS) method based on modified time-domain spectroscopy (TDS) to measure the nonequilibrium dynamics of the gain medium of a phase-locked VECSEL that we designed and fabricated to operate at the1030 nm emission wavelength. Our spectroscopic studies used a probe pulse of 100 fs and an in situ pump pulse of 13 ps. We probed the gain medium of the VECSEL and recorded a depletion time of 13 ps, a fast recovery period of 17 ps, and 110 ps for the slow recovery time. Our scans thus demonstrated a 140 ps full depletion-recovery cycle in the nonequilibrium state. The third part discusses work in the microwave and millimeter wave frequency regimes. A new method to fabricate Luneburg lenses was proposed and demonstrated. This type of lens is well known; it is versatile and has been used for many applications, including high power radars, satellite communications, and remote sensing systems. Because the fabrication of such a lens requires intricate and time consuming processes, we demonstrated the design, fabrication and testing of a Luneburg lens prototype using a 3-D printing rapid prototyping technique both at the X and Ka-V frequency bands. The measured results were in very good agreement with their simulated values. The fabricated X-band lens had a 12 cm diameter and produced a beam having a maximum gain of 20 dB and a beam directivity (half-power beam width (HPBW)) ranging from 12° to 19°). The corresponding Ka-V band lens had a 7 cm diameter; it produced a beam with a HPBW about the same as the X-band lens, but with a maximum gain of more than 20 dB.

Alors que l'étude de l'atmosphère a une importance croissante pour répondre aux problématiques environnementales, les exigences en terme de sources laser pour la spectrométrie de molécules complexes nécessitent de développer des sources largement accordables. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est centré sur la mise en œuvre de lasers à cascade quantique en cavité étendue (EC-QCL). Une partie de ce travail concerne la caractérisation d'une source EC-QCL commerciale ainsi que son application à la détection de gaz par spectrométrie photoacoustique. Des mesures ont été réalisées sur le dioxyde de carbone dans l'air expiré et sur le butane. La partie centrale de ce travail de thèse réside dans le développement de sources EC-QCL à partir de puces laser à cascade quantique développées par le III-V Lab. L'objectif est d'obtenir des sources largement accordables qui puissent être utilisées pour la détection de molécules complexes. Cela comprend la simulation, la conception et la mise en œuvre de systèmes en cavité étendue. Deux sources EC-QCL ont été réalisées. La première est une source impulsionnelle émettant autour de 4,5μm. La seconde émet autour de 7,5μm et fonctionne en continu à température ambiante. Ce laser a été utilisé pour réaliser des enregistrements sur l'acétone et le trichlorure de phosphoryle. / As the study of the atmosphere is growing strongly in response to environmental issues, the needs in terms of laser sources for spectroscopy of complex molecules require the development of widely tunable sources. The PhD work presented in this manuscript is focused on the implementation of quantum cascade lasers in external cavity (EC-QCL). Part of this work deals with the characterization of a commercial EC-QCL source and its application to gas detection by photoacoustic spectrometry. Measurements were performed on carbon dioxide in exhaled air and butane. The central part of this thesis consists in the development of ECQCL sources based on quantum cascade laser chips from III-V Lab. The aim is to obtain widely tunable sources that can be used for the detection of complex molecules. This includes simulation, design and implementation of external cavity systems. Two EC-QCL sources were implemented. The first one is a pulsed laser emitting around 4,5μm. The second one emits around 7,5μm and is operated at room temperature in continuous wave mode. This laser was used to record the spectra of acetone and phosphoryl chloride.

Le niveau de sécurité requis dans l'aviation civile a conduit à l'utilisation de plusieurs chaînes séparées de mesures pour une même information. Il est désormais recommandé de les compléter par une chaîne de mesure dissemblable. Ainsi, THALES Avionics développe depuis 2006 un anémomètre laser dont l'injecteur est réalisé en optique intégrée sur verre pour la mesure de la vitesse de l'avion. Ce travail de thèse vise à poursuivre la miniaturisation en hybridant sur une puce de verre la diode laser de pompe qui alimente l'injecteur optique. L'architecture proposée repose sur le verrouillage d'une diode laser à ruban large sur son mode fondamental grâce à une cavité externe planaire. Celle ci est constituée d'un convertisseur modal réalisé par échange d'ions sur verre intégrant un réseau de Bragg à sa sortie monomode. Le travail réalisé dans cette thèse comporte trois étapes principales. Dans un premier temps, un modèle analytique a permis de dimensionner la rétroaction optique à imposer sur la diode. L'échange d'ions sélectivement assisté par champ électrique a permis dans un second temps de réaliser un convertisseur modal adapté à la liaison entre la diode ruban et la fibre optique monomode de récupération. Finalement, le verrouillage modal a été démontré grâce à l'utilisation d'une fibre optique à réseau de Bragg. L'émission spectrale de la diode laser a été stabilisée autour de la longueur d'onde de Bragg sur une largeur spectrale de 0,3 nm tandis que la puissance en sortie de la fibre monomode a atteint 100 mW. Le réseau de Bragg a alors été intégré sur la puce optique et l'émission de la diode laser ruban a également été stabilisée par la rétroaction intégrée. La forte réflexion du réseau a limité la puissance en sortie du dispositif et une émission sur deux modes transverses a été constatée. Les perspectives de cette étude portent, d'une part, sur l'augmentation de la puissance en sortie du dispositif et, d'autre part, sur la réalisation d'un système de pompage monolithique d'un milieu actif placé au sein de la cavité externe. / Objectives of security in civil aviation are reached in multiplying separated measuring chains. The use of dissimilar measuring chains is now encouraged. For this purpose, THALES Avionics has developed an aircraft speed laser anemometer. The suitability of integrated optics on glass for the miniaturisation of the system has been proven in 2006. This thesis aims at pushing ahead with the miniaturisation in hybridising the pump laser diode which supplies the seed laser on a glass platform. The structure consists on locking the fundamental of a Broad Area Laser Diode (BALD) thanks a planar external cavity, composed of a modal converter made by ion exchange on glass and a Bragg grating. First, easy to use conception rules for the BALD's optical feedback are elaborated. Then, the technique of selective field assisted ion exchange is shown to be adapted to the realisation of a modal converter between the BALD and a single mode collecting optical fibre. The realised converter demonstrated the modal locking thanks to the use a fibre Bragg grating. The BALD has been stabilized around the Bragg wavelength with a spectral width of 0.3 nm and stable single mode output power has reached 100 mW. The Bragg grating has then been integrated on the optical chip and the integrated locking of the BALD has been achieved. The output power has been limited by the high reflectivity of the grating. As perspectives, the increase of the output power has been studied and a highly integrated system of intra cavity pumping is proposed.

Des applications comme les contre-mesures optiques nécessitent des sources puissantes et avec une bonne qualité de faisceau dans le moyen infrarouge. Le laser à cascade quantique (LCQ) est une solution prometteuse mais la puissance fournie par ces lasers n’est pas suffisante. La combinaison cohérente de plusieurs de ces sources devrait permettre de sommer leurs puissances tout en conservant la qualité de faisceau d’un émetteur unique et constitue donc une solution intéressante pour contourner l’actuelle limitation en puissance des LCQ.Nous présentons une étude théorique et expérimentale de la combinaison de faisceaux cohérente de LCQ dans une cavité externe commune utilisant un coupleur de faisceaux. La mise en phase est ici totalement passive puisque fondée sur la minimisation des pertes dans la cavité globale : on parle d’auto-organisation. Un modèle général permettant de quantifier l’efficacité de combinaison et la stabilité de telles cavités est développé. Dans un premier temps, on montre expérimentalement que la combinaison cohérente de deux LCQ dans une cavité Michelson est une solution efficace et stable. Pour combiner plus d’émetteurs il est nécessaire de concevoir des coupleurs de faisceaux dans le moyen infrarouge efficaces. Pour cela, nous avons étudié deux types de réseaux : les réseaux de phase binaire (réseaux de Dammann) et des structures à gradient d’indice composées de motifs sub-longueur d’onde. Le dessin et l’optimisation de telles structures fait appel à la théorie des milieux artificiels et nécessite l’utilisation d’un code de résolution rigoureuse des équations de Maxwell (RCWA). Enfin, la combinaison cohérente de cinq LCQ en cavité externe avec un coupleur de faisceaux est démontrée expérimentalement et la combinaison d’un plus grand nombre de LCQ est discutée. En conclusion, nous présentons une solution originale pour réaliser la combinaison cohérente passive de LCQ et ainsi apporter une solution à l’augmentation de puissance dans le moyen infrarouge. / Powerful sources in the mid-infrared with a good beam quality are highly needed for applications such as optical countermeasures. The quantum cascade laser (QCL) is a promising solution but the maximum power achievable is not sufficient. The coherent beam combining of several QCL could lead to higher output power in the same beam and thus is an interesting solution to circumvent the current power limitation of these sources.We present a theoretical and experimental study of the coherent beam combining of QCL in a common external cavity with a beam combiner. The phase locking is totally passive since it is only based on loss minimization in the external cavity: it is a self-organization process. A general model is developed to quantify the combining efficiency and the stability that can be obtained from this method. Experimentally, the coherent combining of two QCL in a Michelson cavity is studied first and demonstrated to be efficient and stable. In order to combine more emitters, an efficient beam combiner must be designed in the mid-infrared. For that purpose, two type of gratings, a classical binary phase grating (or Dammann grating) and a more complex gradient-index structure made of local sub-wavelength patterns are designed and compared. The calculation and optimization of this sub-wavelength structure is based on the artificial media theory and is achieved with rigorous coupled wave analysis (RCWA). Finally, the coherent combining of five QCL in an external cavity with a binary phase grating is demonstrated and the scalability to the combining of more emitters is discussed. In conclusion, we present an original solution to combine coherently several QCL and thus address the power scaling issue in the mid-infrared.

Mitt-Infrarot-Technologie (mid-IR) ist ein äußerst leistungsfähiges Werkzeug für die Anwendung in der Molekülspektroskopie, da die Schwingungsmoden vieler Moleküle in diesem Wellenlängenbereich liegen. Der Quantenkaskadenlaser mit externem Resonator (EC-QCL) kann alle Bereiche dieses Spektrums abdecken. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist die Verbesserung der Leistung des EC-QCL im Hinblick auf die Breite des Wellenlängen-Durchstimmbereichs und die Laserleistung. Theoretische Untersuchungen bestätigen zunächst, dass der QCL die Schlüsselrolle bei EC-Systemen einnimmt: Die Effizienz des EC wird bestimmt durch die Effizienz des QCL und die Güte der Antireflex-Schicht (ARC) der Laserfacette. Die Breite des Durchstimmbereichs wird bestimmt durch das Gain-Spektrum des QCL. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die QCL in unserer Gruppe hergestellt und vom QCL-Wachstum selbst bis hin zur Facettenbeschichtung optimiert. Eine der größten Herausforderungen in der Herstellung des EC-Systems ist die Reduktion des Reflexionsvermögens innerhalb der Facetten des Laserchips. Dafür haben wir ein neues ARC-Konzept entwickelt und auf dem beschichteten Substrat demonstriert, dass innerhalb des gesamten, sehr breiten Wellenlängenbereichs von 7–12 μm die Reflexion auf unter 1% reduziert wird. Das Beschichtungsmodell wurde außerdem auf „broad-gain“-QCL-Facetten angewendet, wodurch die Reflexion auf 0,75% über den gesamten Emissions-Wellenlängenbereich reduziert werden konnte. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Konstruktion von EC-Lasersystemen. Es wurden zwei kompakte Laser vom Littrow-Typ entwickelt, die von 920 cm-1 bis 1190 cm-1 durchstimmbar sind und die eine Pulsleitung von 0.45 W erreichen. Außerdem wurde eine neue optische Konfiguration des EC-Systems vorgeschlagen um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen. Dieser „Intra-cavity Out-coupling Laser“ erreicht eine Pulsleistung von 1 W und den gleichen Emissionbereich wie die beiden Littrow-Laser. / Mid-infrared (mid-IR) technology is a very powerful tool for molecular spectroscopy since vibration modes of many molecules lie in this wavelength range. The External-Cavity Quantum Cascade Laser (EC-QCL) can cover any part of this spectral range. The main goal of this study is to improve EC-QCL performance in terms of wavelength tunability and laser power. The theoretical study about Quantum Cascade Laser (QCL) and EC systems has confirmed that the QCL plays the core role of EC-QCL systems; the power efficiency of an EC system is determined by the combination of the power efficiency of QCL and AR-coating of the laser facet. The width of the tuning range is determined by the gain spectrum of QCL. During this work, QCLs have been fabricated in our group and the optimization of these factors were carried out with various approaches, from QCL growth to facet coatings. One of the major challenges in making EC systems is to reduce the intra-facet reflectivity of the laser chip, and we first proposed a new anti-reflection (AR) coating concept and demonstrated its performance for the first time to the community, achieving good reduction of reflection of the AR-coated substrate over 7-12 μm range, keeping below R < 1% reflection over the entire spectrum. The coating model was applied on broad-gain QCL facets, and the reflection was reduced to 0.75% over the entire emission wavelength range. Furthermore, this work focused on the development and engineering of laser systems, and two compact Littrow-type lasers and an EC system with a new optical configuration have been developed, achieving good performances; tunable from 920 cm-1 to 1190 cm-1 and 0.45 W pulse power. The new type of laser, an Intra-cavity out-coupling EC laser, was also proposed to enhance the power output and achieved over 1 W pulse power with keeping the same tuning range as the Littrow-type. / 中赤外分光の技術は非常に有用である。これはとりわけ多くの分子振動モードがこの波長帯域に存在しているためである。可変長レーザーである外部共振器量子カスケードレーザー(External cavity quantum cascade laser, EC-QCL)は、これらスペクトル領域を網羅することが可能で、したがって、EC-QCLは産業スケールを含めた、標準的な光源として非常に潜在的である。商品化のフェーズをさらに推し進めるため、このレーザー性能におけるボトムアップの技術が求められてる。 多くの中赤外光のアプリケーションには広帯域の光源が求められている。この研究はおもにそうした性能を最大化することを背景としている。具体的な目的としては、波長の変調性および光源の強度の向上である。これらの目的に取り組むため、我々はいくつかの段階にステージ化して研究を進めてきた。まず初めに、QCLおよびEC-QCLの基本的な特性の追求から始めた。QCLおよびEC-QCLの物理機構の理論的な考察を行い、これらからEC-QCL形態における要素の最適条件もしくは要請を求めた。QCL素子が、その主要な部位であり、EC系におけるほとんどの性能特性である量子効率、変調領域幅、増幅器の光学損失を決定する。 さまざまなアプローチによりこれら緒特性の最適化が行われた。 この研究のなかで、我々グループ内でシステムの心臓となるQCL素子の全製造プロセス(結晶成長から素子コーティングに至るまで)をおこなった。これら製造手順および性能特性の詳細もまた本論文に記す。 ECレーザーにおける要請特性の中で特に困難な課題として、レーザー素子の内部断面(intra-facet)の反射率の低減があげられる。これに応じるものとして、我々は新たな反射防止膜のコンセプトで、特に中赤外光領域に有益なものを提案した。この実現のために、様々な誘電体物質の光学特性を調べ、中赤外光の応用に最適なものを選択し、実際のコーティングに応用した。ここで提案されたモデル``quasi-Lockhart'' (疑ロックハート)のコーティングは、実験によりその高い性能が実証された。波長7–12 μmの領域をカバーし、かつその全領域内で反射率を1%以下に抑えることができた。またこのコーティングは広帯域ゲインのチップにも施され、その反射率を全体域をカバーしながら、0.75%まで低減させた。この成果はEC-QCLだけでなく、一般の中赤外光の光学コーティングにおいても大いに有用であろう。 さらに、我々は本研究の中でレーザーシステムの構築にも取り組んだ。この研究のなかで、二台のLittrow型レーザーと、新たな光学系をもつECレーザーを構築し、その高性能性を実証した。Littrow型では920 cm-1-1190 cm-1の帯域とパルス強0.45 Wを達成。新たなレーザーシステムであるIntra-cavity out-coupling系は従来の系にくらべ高出力することを目的とされ、その帯域を維持しながら、パルス強1~Wの出力を達成した。またこれら新たなシステムを用いて、またプロジェクトバートナーとの食道癌の細胞イメージングも試験、およびグループにおいてアンモニアの吸光度測定を実施した。

This thesis presents a new optical imaging technique which measures the structure of objects without the use of lenses. Termed diffraction-contrast imaging (DCI), the method retrieves the object structure from a Fresnel diffraction pattern of the object, using a deconvolution algorithm. DCI is particularly adept at imaging highly transparent objects and this is demonstrated by retrieving the structure of an almost transparent cloud of laser-cooled atoms. Applied to transparent Bose-Einstein condensates, DCI should allow the non-destructive imaging of the condensate while requiring only the minimum possible apparatus of a light source and a detector. (For complete abstract open document)