L’objectif général de ce projet de thèse est le développement industriel de source lasers accordables de haute cohérence à base de technologies III-V dans les gammes spectrales 0.95-1.1µm, et 2-2.5µm. Ce travail est le fruit d'un partenariat entre les laboratoires IES et C2N, avec la société INNOPTICS spécialisée dans l'intégration de composant opto-électronique.Il s'agit ici de tirer profit des nombreux avantages des composants VeCSELs (Vertical external Cavity Surface Emitting Laser) pour atteindre une combinaison des performances cohérence - puissance - accordabilité - compacité, inaccessible avec les technologies laser commerciales d'aujourd'hui. Pour atteindre cet objectif le travail est scindé en deux grandes parties :- L'étude physique de la dynamique non linéaire d'un laser VECSEL en régime continu et en présence de dispersion de phase. Nous montrons l'existence d'une dynamique déterministe du champ laser qui donne naissance à un régime multimode longitudinal non stationnaire régulier ou à un régime mono-fréquence stable. Ce résultat permet alors la conception de source de haute cohérence à forte puissance sans élément intracavité sélectif en longueur d'ondes.- Le développement de nouvelles sources monofréquences compact largement accordables bas bruit avec une largeur de raie étroite. Cette partie comporte l’étude physique des composants, depuis l’optimisation du milieu à gain jusqu'à l'émission laser en terme de cohérence spatiale et temporelle, ainsi qu'un travail sur l'environnement du laser (mécanique et thermique optimisée pour la stabilité de la fréquence laser). / The main goal of this thesis is the industrial development of highly coherent tunable laser sources based on III-V technologies in the 0.95-1.1μm and 2-2.5μm spectral ranges.This work is the result of a partnership between the IES and C2N laboratory together with the company INNOPTICS, specialized in the packaging of optoelectronics devices.We take advantage of the Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) technology to achieve a combination of coherence - power -tunability -compactness, overcoming the performances of today's commercial laser technologies. To achieve this goal the work is divided into two main parts:- The physical study of the non-linear dynamics of a VECSEL laser in continuous wave operation and in the presence of cavity phase dispersion. We show the existence of a deterministic dynamics of the laser field that gives rise to a regular non-stationary longitudinal multimode regime or a stable single-frequency regime. This result then makes it possible to design a source of high coherence with high power without any intracavity wavelength selective element.- The development of new low noise compact single frequency sources with a narrow linewidth. This part involves the physical study of the components, from optimization of the gain medium to the laser emission in terms of spatial and temporal coherence, as well as a work on the environment of the laser (optimization of the thermal mechanical properties of the packaging for the stability of the laser frequency).

Les solutions laser actuellement mises en œuvre pour la manipulation des atomes de Césium dans les horloges atomiques et les capteurs inertiels embarqués souffrent de limitations intrinsèques en termes de puissance, de largeur de raie ou de compacité qui justifient l'étude de nouveaux concepts. Nous nous sommes intéressés aux lasers à semiconducteurs pompés optiquement, qui combinent les avantages des lasers solides traditionnels et ceux des lasers à semiconducteurs, ce qui leur permet d'émettre de fortes puissances dans un faisceau monomode. Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est monomode transverse et longitudinale, en prenant en compte les contraintes d'efficacité et de compacité imposées par l'environnement spatial. Nous portons un soin tout particulier à décrire la structure semiconductrice et sa caractérisation expérimentale. Nous détaillons ensuite la mise en œuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype, accordable sur la raie D2 de l'atome de Césium. La stabilisation de la fréquence du laser est réalisée grâce à un asservissement sur une transition atomique dans un montage d'absorption saturée. Les propriétés spectrales de la source sont étudiées, en particulier, sa largeur de raie du laser et son spectre de bruit de fréquence. Enfin, nous mettons en évidence les contraintes thermiques qui apparaissent lors de la montée en puissance et nous cherchons à atteindre les limites des composants étudiés. Finalement, nous proposons diverses voies de recherche pour la poursuite de ces travaux.

La technologie des lasers à gaz Argon et Hélium Cadmium ionisés est obsolète et leurs production est abandonnée. Etant donné le vaste champ des applications basées sur les longueurs d’onde (488 nm, 325 nm) générées par cette technologie, il apparait essentiel d’imaginer une solution alternative. Les travaux exposés dans ce manuscrit traitent de l’étude des solutions apportées par la conversion en fréquence des lasers à fibre dopées ytterbium fonctionnant sur leur transition 3 niveaux à 976 nm. Les conditions d’obtention d’un effet laser sur cette transition particulière où section efficace d’émission et d’absorption sont confondues sont tout d’abord explicitées. Ensuite, nous présentons le développement d’une source laser continue monofréquence à 976 nm permettant de générer plus de 35W en limite de diffraction (M²<1.1). Le doublement en fréquence de cette source fondamentale à 976 nm dans des cristaux à alternance de polarisation (PPsLT) conduit à générer plus de 4W à 488 nm (bleu) en simple passage avec un niveau de bruit d’intensité extrêmement bas (0,05%rms sur la gamme 100Hz – 10MHz).Puis, nous relatons la démonstration de plus de 760 mW à la longueur d’onde ultraviolette de 325,3 nm à partir d’une laser à fibre impulsionnel nanoseconde (5ns ; 100 kHz) triplé en fréquence dans deux étages de cristaux non linéaires (LBO 20mm type I puis type II) délivrant près de 7,6 W soit une énergie de 73μJ et une puissance crête de 14,3kW à la longueur d’onde fondamentale de 976 nm et une puissance de 2,8 W à 488 nm à la seconde harmonique. L’efficacité de conversion de l’IR vers l’UV est donc de 10%. Enfin, nous rapportons la génération de plus de 2 W à 325,3 nm en régime picoseconde (15ps ; 20MHz) par triplement en fréquence (cascade de deux LBO) d’un laser à fibre générant une puissance moyenne de 16 W à 976 nm soit une énergie de 0,8 μJ et une puissance crête de 52kW. Ce qui représente une efficacité de conversion de 12%. / Gas laser technology (Ar ion and HeCd lasers) is now largely obsolete, with new production rapidly disappearing. Given the vast application domain based around these wavelengths (488nm, 325 nm…), it seems extremely important to develop alternative solutions. The work presented in this thesis covers the study of relevant solutions via frequency conversion of Yb fiber lasers emitting on the three level transition at 976 nm. The necessary conditions for laser operation in this zone where absorption and emission peaks are superimposed are presented. Next, we present the development of a single mode, single frequency source at 976 nm giving a record 35W output power with diffraction limited performance (M2<1.1). Frequency doubling of the fundamental radiation in a PPSLT crystal allowed the generation of more than 4W of output at 488 nm in a single pass configuration with extremely low noise (0.05%RMS from 100Hz to 10MHz).Subsequently, 760 mW of output power was generated at 325 nm via frequency tripling of a multi-watt nanosecond source at 976 nm (5ns, 100 kHz). Type I and type II interactions in LBO were used in this case allowing us to demonstrate an overall conversion efficiency of 10% from IR to UV.Finally, we report on the generation of 2W of output power at 325 nm by frequency tripling of a 15 ps laser generating 16W at 976 nm, representing a pulse energy of 0.8μJ and a peak power of 52 kW (conversion efficiency of 12%).

Le contexte de cette thèse couvre les dispositifs photoniques hybrides III-V sur silicium. L’étude porte sur l’intégration par collage de matériau à base d'InP sur le silicium, puis la conception d’un guide optique comportant une nanostructuration qui permettra la sélection en longueur d’onde dans un laser DFB hybride. Enfin, on étudie les étapes technologiques de fabrication d’un laser hybride injecté électriquement fonctionnant dans le domaine spectral 1.55µm, et on caractérise les dispositifs. Pour associer les matériaux III-V sur Si, nous avons développé le collage sans couche intermédiaire que l’on nomme collage hétéroépitaxial ou oxide-free. Ce collage est reporté dans la littérature comme présentant une meilleure qualité électrique. Nous avons établi les conditions de préparation permettant d’obtenir des surfaces parfaitement désoxydées, et les conditions de recuit conduisant à une interface hybride sans oxyde et sans dislocation. Mais ce recuit est réalisé à température assez élevée (~450-500°C). Nous avons alors développé le collage avec une fine couche intermédiaire d’oxyde réalisé à plus faible température -300°C- qui présente l'avantage d'être compatible avec la technologie CMOS. Nous avons étudié différentes approches pour élaborer et activer une couche d’oxyde très fine (~3nm), de façon à obtenir une surface collée sans zones localement non collées. Le collage est dans les deux cas réalisé sous vide dans un équipement de type Bonder Suss SB6e. La qualité structurale de l’interface a été observée par STEM et la qualité mécanique du joint de collage a été caractérisée par indentation. Une méthode originale de mesure quantitative et locale de l’énergie du joint de collage a été développée. La qualité optique des couches collées a été étudiée par la mesure de la photoluminescence de puits quantiques placés proches du joint d’interface. En conséquence du collage sans couche intermédiaire ou avec une couche très fine, le design du mode optique est de type double-cœur, qui ne nécessite pas de taper. Le guide optique Si est de type shallow ridge, le confinement latéral étant assuré par un matériau nanostructuré à une période sub-longueur d’onde. Ce matériau fonctionne comme un matériau effectif uniaxe pour lequel on a calculé les indices optiques ordinaire et extraordinaire selon la géométrie de la nanostructuration. On peut rajouter sur cette nanostructuration une super-périodicité qui conduit à un fonctionnement sélectif en longueur d’onde. Le comportement modal du guide est simulé à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics, le comportement spectral est simulé par FTDT 3D. Nous avons validé la pertinence de ce design en mesurant la transmission de guides hybrides. Ce design sera inclus dans un laser et permettra d’obtenir une émission monofréquence de type DFB. Nous avons développé les étapes technologiques nécessaires à la fabrication d’un laser hybride à base d'InP sur Silicium fonctionnant en injection électrique. Nous avons mis en oeuvre de nombreuses techniques, et développé plusieurs procédés spécifiques, en particulier, des procédés de gravure sèche de type Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching ICP-RIE pour la gravure de la nanostructuration dans le silicium, et pour la gravure du mésa du laser. La présence des 2 matériaux III-V et Si dans le dispositif hybride rend ces étapes complexes. Les premiers résultats peuvent être améliorés en optimisant la technologie des contacts. Un design permettant de s’affranchir de la pénalité thermique présenté par tous les dispositifs ayant les 2 contacts électriques du coté du matériau III-V a été proposé, exploitant le passage du courant à l’interface hybride III-V / Si, ce qui est possible dans le cas du collage oxide-free. Cette approche ouvre des perspectives d’intégration au-delà de la photonique. / This work contributes to the general context of III-V materials on Silicon hybrid devices for optical integrated functions, mainly emission/amplification at 1.55µm. Devices are considered for operation under electrical injection, reaching performances relevant for data transfer application. The main three contributions of this work concern: (i) bonding InP-based materials on Si, (ii) nanostructuration of the Si guiding layer for spatial and spectral control of the guided mode and (iii) technology of an hybrid electrically injected laser, with a special attention to the thermal budget. Bonding has been investigated following two approaches. The first one we call heterohepitaxial or oxide-free bonding, is performed without any intermediate layer at a temperature ~450°C. This approach has the great advantage allowing electrical transport across the interface, as reported in the literature. We have developed oxide-free surface preparation for both materials, mainly InP-based layers, and established bonding parameter processing. An in-depth STEM and RX structural characterization has demonstrated an oxide-free reconstructed interface without any dislocation except on one or two atomic layers which accommodate the large lattice mismatch (8.1%) between InP and Si. Photoluminescence of quantum wells intentionally grown close to the interface has shown no degradation. We have also developed an oxide-based bonding process operated at 300°C in order to be compatible with CMOS processing. The original ozone activation of the very thin (~5nm) oxide layer we have proposed demonstrates a bonding surface without any unbonded area due to degassing under annealing. We have developed an original method based on nanoindentation characterization in order to obtain a quantitative and local value of the surface bonding energy. Related to the absence or to the very thin intermediate layer between the two materials, our modal design is based on a double core structure, where most of the optical mode is confined in the Si guiding layer, and no taper is required. The Si waveguide on top of the SOI stack is a shallow ridge. A nanostructured material on both sides of the waveguide core ensures the lateral confinement, the nanostructuration geometry being at a sub-wavelength period in order to operate this material well below its photonic gap. It behaves as an uniaxial material with ordinary and extraordinary indices calculated according to the structuration geometry. Such a structuration allows modal and spectral control of the guided mode. 3D modal and spectral simulation have been performed. We have demonstrated, on a double-period structuration, a wavelength selective operation of hybrid optical waveguides. Such a double-period geometry could be included in a laser design for DFB operation. This nanostructuration has larger potential application such as coupled waveguides arrays or selective resonators. We have developed all the technological processing steps for an electrically injected hybrid laser fabrication. Main developments concern dry etching, performed with the Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching ICP-RIE technique of both the nanostructuration of the Silicon material, and the mesa of the hybrid laser. Efficient electrical contacts fabrication is also a complex step. First lasers operating performances could be improved. We have investigated a specific design in order to overcome the thermal penalty encountered by all the hybrid devices. This penalty is due to the thick buried oxide layer of the SOI stack that prevents heating related to the current flow to be dissipated. Taking advantage of the electrical transport we have shown at the oxide-free interface, we propose a design where the n-contact is defined on the guiding Si layer, suppressing thermal heating under electrical operation. Such an approach is very promising for densely packed hybrid devices integrated with associated electronic driving elements on Si.