Cette thèse s’est concentrée sur l’étude des lasers à blocage de modes destinés à la fenêtre de télécommunication de 1,55 µm et à base de bâtonnets quantiques dont la croissance a été réalisée sur des substrats d’InP. Un des principaux objectifs de ce travail de thèse a consisté à apporter de nouveaux éléments permettant de mieux appréhender les aspects physiques sous-tendant le mécanisme du ML dans ces dispositifs. En effet, une meilleure compréhension du comportement intrinsèque de ces dispositifs et la façon dont ils sont affectés par des facteurs externes, qui pourraient être présents dans les conditions réelles d’utilisation, est cruciale pour leur intégration dans des technologies futures. Un deuxième objectif majeur de ce travail a consisté à démontrer le potentiel d’exploitation de ces dispositifs dans différents scenarii d’applications / This PhD thesis focuses on the study of mode locked laser diodes based on novel optimized InAs Quantum Dash structures grown on InP substrates. It covers several important modelling aspects, the clean room processing of single and two section shallow ridge waveguide lasers, characterization of the fabricated devices and the evaluation of their performance in different application scenarios. Systematic characterization experiments and subsequent analyses have allowed to gain a much deeper comprehension of the physical mechanisms related to the mode locking regime in these devices, thus far not completely understood. This has allowed to better control most of the main physical phenomena limiting device performance, resulting in first demonstrations of record peak power, sub-picosecond pulse, low radio frequency linewidth and high repetition frequency mode locked lasers grown on InP substrates, opening the way to a vast number of potential applications in the 1.55 µm telecommunication window

L’application du concept de synchronisation appliqué aux composants photoniques non-linéaires a permis l’avènement des communications chaotiques optiques. Les systèmes optoélectronique dans ces chaines de transmission ont déjà démontré leur potentiel en termes de sécurité additionnelle au niveau de la couche physique des réseaux optiques. Cependant, la quantification du niveau de sécurité et l’absence d’un cadre déduit aux aspects multi-utilisateurs (techniques de multiplexage spécifiques) ont fortement freiné le déploiement de ces techniques à large échelle. La recherche effectuée dans le cadre de cette thèse a contribué à l’avancement de ces deux questions ouvertes. Dans premier temps, nous nous sommes intéressés à la sécurité d’une classe de générateur optique particulière: les lasers à semi-conducteur à cavité externe (ECSL). Nous proposons d’attaquer le système dans le contexte le plus difficile, celui dans lequel aucune information n’est a priori disponible. La sortie du laser chaotique (l’intensité optique) est enregistrée, et les séries temporelles obtenues sont analysées. La sécurité est comprise dans ce contexte comme étant la quantité d’information sur les paramètres du système (analogue d’une clé dans les systèmes de cryptage conventionnels) et/ou la fonction non-linéaire du système (l’équivalent de l’algorithme de cryptage). Un ECSL est un système possédant un délai (aussi appelé retard), un paramètre critique pour la sécurité. Nous avons étudié l’influence des paramètres ajustable de l’ECSL chaotique sur l’identification du délai: l’intensité de la rétroaction optique, la valeur du délai, et le courant alimentant le laser (aussi appelé courant de pompe). Dans un deuxième temps nous interprétons ces résultats sur la base des régimes dynamiques précédent l’apparition du chaos dans l’ECSL. Nous avons proposé par la suite une architecture pour multiplexer des signaux chaotiques optiques générés par des ECSL. Nous démontrons la supériorité de cette approche en terme d’efficacité spectrale relativement aux méthodes de multiplexage en longueur d’onde (wavelength division multiplexing, WDM) appliquées aux communications optiques par chaos (aussi connues sous le nom de chaotic WDM ). Nous avons adapté un concept fondamental de la théorie de la synchronisation: la décomposition active-passive (APD) en utilisant des composants optiques simples. Nous démontrons la possibilité de multiplexer et démultiplexage de deux signaux chaotiques optiques par synchronisation (en utilisant deux émetteurs et deux récepteurs). Les performances et la robustesse de cette structure sont analysées ainsi que la possibilité de crypter et de décrypter des messages. Après cela, nous avons utilisé une classe de systèmes optoélectroniques différente de celle correspondant au deux premières sections, avec l’objectif d’utiliser un seul oscillateur chaotique pour encoder plusieurs messages au lieu de considérer un oscillateur par message. A cette fin, nous avons modifié une structure d’un générateur de chaos électro-optique existant dans la littérature en lui ajoutant plusieurs boucles de rétroactions non-linéaires. Chacune d’elle est utilisée pour l’encryptage d’un message, réalisée, par exemple, par la modulation du gain non-linéaire de la boucle. Nous avons analysé différentes configurations possibles, ainsi que les propriétés des signaux chaotiques générés au sein de chaque boucle et utilisés pour transporter les différents messages. Nous avons expliqué dans quelle mesure l’orthogonalité (ou décorrélation) entre les différents signaux peut être utilisée à notre avantage pour dériver des équations de décodage de faible complexité algorithmique (comme fonction du nombre d’utilisateurs). Enfin, nous analysons comment certains phénomènes d’interférences entre signaux porteurs peuvent être pris en compte afin de toujours permettre la récupération des messages. / With the rapid development of optical communications and the increasing amount of data exchanged, it has become utterly important to provide effective architectures to protect sensitive data. The use of chaotic optoelectronic devices has already demonstrated great potential in terms of additional computational security at the physical layer of the optical network. However, the determination of the security level and the lack of a multi-user framework are two hurdles which have prevented their deployment on a large scale. In this thesis, we propose to address these two issues. First, we investigate the security of a widely used chaotic generator, the external cavity semiconductor laser (ECSL). This is a time-delay system known for providing complex and high-dimensional chaos, but with a low level of security regarding the identification of its most critical parameter, the time delay. We perform a detailed analysis of the influence of the ECSL parameters to devise how higher levels of security can be achieved and provide a physical interpretation of their origin. Second, we devise new architectures to multiplex optical chaotic signals and realize multi-user communications at high bit rates. We propose two different approaches exploiting known chaotic optoelectronic devices. The first one uses mutually coupled ECSL and extends typical chaos-based encryption strategies, such as chaos-shift keying (CSK) and chaos modulation (CMo). The second one uses an electro-optical oscillator (EOO) with multiple delayed feedback loops and aims first at transposing coded-division multiple access (CDMA) and then at developing novel strategies of encryption and decryption, when the time-delays of each feedback loop are time- dependent.

Les Structures Localisées (SL) se forment dans les milieux non-linéaires dissipatifs à large rapport d'aspect où une ou plusieurs solutions peuvent coexister dans l'espace des paramètres. Bien que la formation des SL est un phénomène général, leur mise en œuvre dans les lasers à semi-conducteur se montre très intéressante due au potentiel qu'offre les SL pour le traitement tout optique de l'information. En effet, l'idée de base est d'utiliser les SL comme des bits d'information en exploitant leur propriété d'addressabilité dans un milieu laser rapide et miniaturisé. Dans ce travail, je décrirai les résultats théoriques et expérimentaux obtenus dans les lasers à semi-conducteur à cavité vertical (VCSEL). Après une courte introduction sur les SL spatiales déjà observées dans la section transverse des VCSELs, j'expliquerai comment nous sommes parvenus à générer des SL temporelles à partir d'un régime de Mode-Locking passif obtenu quand le laser est couplé à une longue cavité externe fermée par un absorbant saturable rapide. Nous avons également observé l'émergence d'un autre type de SL, les SL temporelles vectorielles, dont le mécanisme de formation exploite le degré de liberté de polarisation de la lumière émise par le VCSEL alors que celui-ci est soumis à de la rétro-action optique sélective en polarisation (PSF) et de la réinjection de polarisation croisée (XPR). / Localized Structures (LS) appear in nonlinear dissipative media with large aspect-ratios where one or several solutions coexist in the parameters space. Although LS formation is a general phenomenon, their implementation in semiconductor lasers is of great interest due to the potential of LS for all-optical data processing. In fact, the basic idea consists in using LS as bits of information exploiting their property of addressability in a fast and small-sized medium. In this contribution, I will show the experimental and theoretical results obtained in Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs). After a brief historical introduction on spatial LS emerging in the transverse profile of VCSELs, I will describe our method for the generation of temporal LS, that we observed in the frame of passive mode-locking when the VCSEL is coupled to a long external cavity closed by a fast saturable absorber, and vectorial LS, whose formation exploits the polarization degree of freedom of the VCSEL, which is submitted to the actions of a polarization-selective feedback (PSF) and a crossed-polarization reinjection (XPR).

La génération de signaux microondes, millimétriques, voire THz par voie optique est actuellement une solution technique privilégiée pour la réalisation de systèmes de (télé)communications mobiles haut débit mais encore, les réseaux de distribution d'oscillateurs locaux et de signaux d'observation ou de radar intra- satellitaires, la distribution de signaux vidéo, la communication automobile, les systèmes de visualisation THz pour la sécurité, etc..... Nous reportons ici la réalisation et la caractérisation d'une source optique ultra-compacte en matériau semiconducteur permettant de générer deux modes optiques séparés de la fréquence que l'on désire créer au niveau de la photodétection. Cette source prend la forme d'un laser DFB bi-longueur d'onde émettant dans la gamme de longueurs d'onde autour de 1,55μm. Le composant a été fabriqué chez Alcatel- Thales III-VLab à partir d'une technologie propriétaire de laser DFB et dans le cade du projet Européen IPHOBAC. Différents objectifs avaient été fixés pour ce composant: accordabilité de l'écartement intermodal jusque 300 GHz, largeur de raie de l'ordre du MHz et divergence dans le plan horizontal et vertical de 10°. Le premier objectif a été atteint par la réalisation de deux lasers DFB dont l'écart de pas de réseau est différent de 0,3nm et par la variation des courants d'injection de chaque section. Le second a été globalement atteint par l'utilisation d'une structure active à puits quantiques, une nouvelle version du composant utilisant des boites quantiques devrait remplir complètement cet objectif. Le dernier objectif a été partiellement atteint par la conception et l'adjonction d'un adaptateur de mode en sortie de composant, la divergence obtenue est de 10°x17° (HxV). Dans le plan vertical, les 10° de divergence n'ont pas pu être obtenus principalement à cause de la structure du composant et des limitations que l'on s'était imposées sur la longueur totale de celui-ci.

Les solitons dissipatifs (SD) sont des paquets d'onde auto-localisés qui apparaissent dans les systèmes dissipatifs spatialement étendus. En optique, tous les SD observés jusqu'à présent dans des systèmes propagatifs peuvent être classés en deux catégories, suivant la présence ou non d'un forçage externe, i.e. si la symétrie de phase est brisée ou non. Dans les systèmes forcés, les DS sont accrochés en phase au forçage alors que sans forçage, leur phase est libre et peu dériver en fonction du temps. Dans cette thèse nous étudions la formation d'états localisés propagatifs dans deux systèmes expérimentaux qui diffèrent fondamentalement par la présence ou l'absence d'un forçage externe. Le premier système est un laser à semiconducteur à cavité verticale (VCSEL) soumis à une boucle de rétro-action sélective en fréquence, qui accueille des DS se formant dans la dimension transverse à la propagation (2D). Nous analysons comment la synchronisation des fréquences longitudinales du système (verrouillage modal) peut mener à la formation d'un état localisé dans les trois dimensions : balles de lumière. Le deuxième système est un laser en anneau à semi-conducteur fortement multimode le long de la propagation, et forcé par une injection externe. Lorsque le forçage est légèrement désaccordé de la fréquence naturelle du système, il est possible d'observer des états localisés constitués par un tour de phase de 2 pi, immergés dans l'état homogène (synchronisé). Nous reportons ainsi la première observation de SD qui se forment dans la phase de l'onde optique : solitons de phase dissipatifs / Dissipative solitons (DS) are self-localized wave-packets appearing in spatially extended dissipative systems. In optics, all the DS that have been observed in propagative systems can be cast in two categories, depending on the presence or absence of an external forcing, i.e. the phase symmetry is broken or not. In forced systems, DS are locked in phase to forcing whereas without forcing, their phase is free an can wander in the course of time. In this thesis, we study the formation of propagative DS in two different experimental systems that fundamentally differ from the presence or lack of an external forcing. The first one is a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) submitted to a frequency selective feedback, in which DS form in the transverse plane of the system (2D). We analyze how the synchronization of the longitudinal frequencies (mode-locking) can give rise to tri-dimensionnal localization of light: light bullets. The second system is a highly multimode semiconductor ring laser with external forcing, whose spatial extension takes place along the propagation dimension. When the forcing frequency is slightly detuned from the natural frequency of the system, we can see the appearance of self-confined 2 pi phase rotations embedded in a homogeneous (synchronized) state. We then report on the first observation of DS that form in the phase of the optical wave : dissipative phase solitons