Laser à semiconducteur en cavité verticale étendue émettant à 1550 nm et perspectives pour la génération d'impulsions brèves PDF Download
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Book Description
Les OP-VECSELs (Optically Pumped Vertical External Cavity Semiconductor Lasers) sont des sources permettant d'obtenir des faisceaux circulaires de bonne qualité et de puissance élevée. De plus, la cavité externe permet d'envisager la réalisation de sources impulsionnelles par l'insertion d'un miroir à absorbant saturable (SESAM) dans la cavité et la mise en place d'un régime de blocage de modes passif. Ce travail de thèse a porté sur la réalisation et l'étude des OP-VECSEL, des SESAMs et des cavités optiques adaptés à la réalisation d'une source impulsionnelle à l,55 [mu]m. Le cœur de ce travail de thèse a consisté en la conception, la caractérisation, et l'obtention du fonctionnement laser en continu d'OP-VECSELs réalisés monolithiquement sur InP. La principale difficulté pour l'obtention de l'effet laser en continu a été la gestion de l'échauffement, particulièrement important lors du pompage optique des matériaux à l'accord de maille sur InP. L'effet laser à 1,55 [mu]m en pompage continu à température ambiante a cependant été obtenu, avec un seuil de 6 kW/cm^2, et une puissance de sortie de 4 mW à OʿC. Ce résultat est une première pour une structure OP- VECSEL monolithique sur InP émettant à 1,55 [mu]m. La réalisation d'une source impulsionnelle nécessite l'amélioration des propriétés thermiques des OP-VECSELs, et nous proposons de nouvelles structures satisfaisant à cette contrainte. La génération d'impulsions brèves à haut débit nécessite l'accélération de la dynamique de fonctionnement des SESAMs. Pour ce faire, nous proposons une méthode originale, consistant à placer le puits quantique jouant le rôle d'absorbant saturable très près de la surface du composant, pour bénéficier des recombinaisons rapides des porteurs sur les états de surface. Nous proposons également des configurations de cavités optiques compactes adaptées à l'obtention d'impulsions à un débit supérieur à 2 GHz.
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Les OP-VECSELs (Optically Pumped Vertical External Cavity Semiconductor Lasers) sont des sources permettant d'obtenir des faisceaux circulaires de bonne qualité et de puissance élevée. De plus, la cavité externe permet d'envisager la réalisation de sources impulsionnelles par l'insertion d'un miroir à absorbant saturable (SESAM) dans la cavité et la mise en place d'un régime de blocage de modes passif. Ce travail de thèse a porté sur la réalisation et l'étude des OP-VECSEL, des SESAMs et des cavités optiques adaptés à la réalisation d'une source impulsionnelle à l,55 [mu]m. Le cœur de ce travail de thèse a consisté en la conception, la caractérisation, et l'obtention du fonctionnement laser en continu d'OP-VECSELs réalisés monolithiquement sur InP. La principale difficulté pour l'obtention de l'effet laser en continu a été la gestion de l'échauffement, particulièrement important lors du pompage optique des matériaux à l'accord de maille sur InP. L'effet laser à 1,55 [mu]m en pompage continu à température ambiante a cependant été obtenu, avec un seuil de 6 kW/cm^2, et une puissance de sortie de 4 mW à OʿC. Ce résultat est une première pour une structure OP- VECSEL monolithique sur InP émettant à 1,55 [mu]m. La réalisation d'une source impulsionnelle nécessite l'amélioration des propriétés thermiques des OP-VECSELs, et nous proposons de nouvelles structures satisfaisant à cette contrainte. La génération d'impulsions brèves à haut débit nécessite l'accélération de la dynamique de fonctionnement des SESAMs. Pour ce faire, nous proposons une méthode originale, consistant à placer le puits quantique jouant le rôle d'absorbant saturable très près de la surface du composant, pour bénéficier des recombinaisons rapides des porteurs sur les états de surface. Nous proposons également des configurations de cavités optiques compactes adaptées à l'obtention d'impulsions à un débit supérieur à 2 GHz.
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Ce travail consiste à optimiser un laser à semi-conducteurs (SC)à cavité étendue (LCE), émettant à 852 nm. Dans un LCE, on allonge la longueur de la cavité de la diode laser par une section externe spectralement sélective de quelques centimètres de long. On réalise ainsi une source laser de haute pureté spectrale, nettement meilleure que celle d'une diode ordinaire. La réduction de la largeur de raie est très efficace, elle passe de quelques MHz à des largeurs de raie inférieures à 100 kHz, et la plage d'accordabilité (discontinue) en longueur d'onde passe de quelques nm à une vingtaine de nm. La première partie de ce rapport sera consacrée à un rappel des notions de base utiles des lasers à semi-conducteurs, qui interviennent dans l'analyse des effets de feedback optique quand la diode laser sera couplée à une cavité externe, et à la description de la structure des lasers à cavité externe, en particulier, le LCE étudié. Dans la deuxième partie, après avoir présenté différentes méthodes et questions nécessaires pour mieux caractériser et optimiser les LCE, nous présentons une nouvelle structure géométrique des LCE, assurant l'alignement de la cavité à_long terme, avec la possibilité d'avoir un accord continu en fréquence sans saut de mode. Enfin, dans la troisième partie, nous concluons par des applications de ces sources laser dans les domaines de recherche qui intéressent le Laboratoire de l'Horloge Atomique. Mots clés: Diode laser, feedback optique, cavité étendue, pureté spectrale, auto-alignement, accordabilité continue, piège magnéto-optique, génération de l'harmonique 2.
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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.
Author: Michel de Labachelerie Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 286
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L'objet de cette thèse est l'étude d'un laser à semi-conducteur à "cavité étendue" (LCE) constitué d'une diode laser insérée dans une cavité externe spectralement sélective.de grande longueur.On obtient ainsi une source accordable continue dont les caractéristiques spectrales sont nettement meilleures que celles d'une diode laser ordinaire : la plage d'accord passe de quelques nanomètres à plusieurs dizaines de nanomètres et la largeur de raie, réduite d'un facteur mille, devient inférieure à 100 kHz.Dans la première partie, les notions de base concernant les diodes laser sont résumées et un des plus récents modèles de laser utilisant le formalisme de la matrice densité est particulièrement dé taillé ; ce cadre théorique est ensuite utilisé dans une étude simplifiée bruit de phase des diodes laser.Dans la deuxième partie, les différentes questions concernant les lasers à cavités étendues sont abordées, des méthodes de mesure sont développées et conduisent à une évaluation complète de leurs caractéristiques énergétiques et spectrales qui sont expliquées dans les grandes lignes en utilisant la première partie.Dans la troisième partie on s'intéresse à l'accordabilité continue sans sauts de mode qui est possible avec ce type de laser ainsi qu'à sa stabilisation de fréquence à long terme.On montre en conclusion que les résultats obtenus justifient la poursuite et diversification des recherches sur ce sujet.
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CE TRAVAIL RAPPORTE UNE ANALYSE DETAILLEE DES PROPRIETES SPECTRO-TEMPORELLES DES LASERS A SEMICONDUCTEURS IMPULSIONNELS EMETTANT A 1,3 M ET 1,5 M ET PRESENTE DES SCHEMAS ORIGINAUX POUR LA GENERATION D'IMPULSIONS BREVES, A TRES GRANDE ACCORDABILITE, ET COHERENTES. L'ETUDE SPECTRO-TEMPORELLE DES DIODES LASERS EN REGIME DE COMMUTATION, ET EN PARTICULIER LA MESURE DU FACTEUR DE COUPLAGE PHASE-AMPLITUDE , PERMET DE DEFINIR LES PARAMETRES QUI INFLUENCENT LES EFFETS DE DERIVE DE FREQUENCE ACCOMPAGNANT L'EMISSION IMPULSIONNELLE DES DIODES LASERS. DES MESURES RESOLUES EN TEMPS DE L'EMISSION SPONTANEE ET STIMULEE DEMONTRENT QUE LA DERIVE DE FREQUENCE EST DIRECTEMENT LIEE A LA DENSITE DE PORTEURS. UNE ANALYSE EXPERIMENTALE DETAILLEE DU FACTEUR DANS DES LASERS DFB PERMETTENT DE DEFINIR DES STRUCTURES A FORTE OU FAIBLE DERIVE DE FREQUENCE. LES RESULTATS PRECEDENTS SONT EXPLOITES POUR OBTENIR DES IMPULSIONS BREVES ( 1-2 PS) PAR LA SIMPLE TECHNIQUE DE COMPRESSION LINEAIRE PAR FIBRE OPTIQUE, A PARTIR DE LASER DFB OPTIMISES POUR PRESENTER UNE FORTE DERIVE DE FREQUENCE EN REGIME IMPULSIONNEL ( 300 GHZ). POUR LA GENERATION D'IMPULSIONS PICOSECONDES A TRES GRANDE ACCORDABILITE, UN SCHEMA ORIGINAL BAPTISE SCHEMA D'AUTO-INJECTION EST DEVELOPPE. LES ANALYSES EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DU PROCESSUS DE SELECTION MODALE MONTRENT QUE L'AUTO-INJECTION SE DISTINGUE DU BLOCAGE DE MODES EN CAVITE EXTERNE, ET DU VERROUILLAGE PAR INJECTION D'UN LASER ESCLAVE PAR UN LASER MAITRE. CE SCHEMA PERMET DE SONDER DIRECTEMENT EN REGIME IMPULSIONNEL ET A CHAQUE LONGUEUR D'ONDE LE FACTEUR DE DIODES LASERS FABRY-PEROT. COMPLETE PAR DES TECHNIQUES DE COMPRESSION, IL PERMET DE GENERER DES IMPULSIONS BREVES ET ACCORDABLES. POUR LA GENERATION D'IMPULSIONS COHERENTES, UN SCHEMA DE LASER DFB EN CAVITE EXTERNE A MODES BLOQUES EST PRESENTE, ET LES IMPULSIONS OBTENUES AVEC CE SCHEMA REPONDENT AUX EXIGENCES REQUISES POUR LES TRANSMISSIONS SOLITONS. UNE ANALYSE THEORIQUE EXPLIQUE LES EFFETS D'AFFINEMENT SPECTRAL OBTENUS DANS CERTAINES CONDITIONS D'EXCITATION ELECTRIQUE
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DANS LA PLUPART DES SYSTEMES DE COMMUNICATIONS PAR FIBRE OPTIQUE ACTUELS, LES PERFORMANCES DE DETECTION SONT UNIQUEMENT LIMITEES PAR LE BRUIT QUANTIQUE DE LA LUMIERE. L'UTILISATION D'ETATS COMPRIMES DE LA LUMIERE QUI OFFRENT LA POSSIBILITE D'OBTENIR UN FAISCEAU LASER DONT LE BRUIT QUANTIQUE EST INFERIEUR AU BRUIT DE GRENAILLE PERMET DONC D'ENVISAGER, A LONG TERME, LE DEVELOPPEMENT D'UNE INSTRUMENTATION PLUS PERFORMANTE ET SUSCEPTIBLE DE REPONDRE AUX EXIGENCES DE NOUVEAUX PROTOCOLES DE TELECOMMUNICATIONS OPTIQUES. C'EST DANS CE CONTEXTE QUE S'INSCRIT CETTE THESE, ET ELLE CONTRIBUE A L'EFFORT ACTUEL VISANT A GENERER DES ETATS COMPRIMES DE LA LUMIERE AVEC DES LASERS SEMI-CONDUCTEURS COURAMMENT UTILISES DANS LES TELECOMMUNICATIONS. LES FLUCTUATIONS DE L'ENERGIE ET DE LA PUISSANCE EMISE PAR UNE DIODE LASER ONT ETE DETERMINEES PAR UN NOUVEAU FORMALISME CORPUSCULAIRE OPTIQUE. CERTAINS PARAMETRES LIMITANT LES CAPACITES DE COMPRESSION DES DIODES ONT ETE MIS EN EVIDENCE ; LES PERTES INTERNES IMPORTANTES DANS LES LASERS 1550 NM, UN ELARGISSEMENT DE GAIN FAIBLEMENT INHOMOGENE ASSOCIE A UN TAUX DE SUPPRESSION DES MODES SECONDAIRES INSUFFISANTS SONT AUTANT DE FACTEURS DEGRADANT LA COMPRESSION DU BRUIT D'AMPLITUDE. DE MEME LA SUPPRESSION DE GAIN NON NEGLIGEABLE DANS LES NOUVEAUX LASERS A PUITS QUANTIQUES APPARAIT NEFASTE A L'UTILISATION D'UNE SOURCE CALME. DES RECHERCHES EXPERIMENTALES MENEES SUR PLUSIEURS LASERS DFB 1550 NM ONT DEMONTRE QUE L'EXISTENCE DE BRUIT D'EXCES MASQUAIENT LA COMPRESSION. LE BRUIT D'EXCES D'ORIGINE MODALE A ETE REDUIT PAR L'UTILISATION D'UNE CAVITE ETENDUE. 0.7 DB DE COMPRESSION ONT AINSI PU ETRE OBTENU SUR UN PREMIER LASER. L'ASPECT DISPERSIF DE LA CONTRE-REACTION A ENSUITE ETE EXPLOITE AFIN DE REDUIRE PAR DECORRELATION DE PHASE ET D'AMPLITUDE LE BRUIT D'EXCES D'UN SECOND LASER. 1,6 DB DE COMPRESSION ONT ALORS ETE REALISE.
Author: Nathalie Boutin Publisher: National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada ISBN: 9780612200739 Category : Languages : fr Pages : 140
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Il est possible d'améliorer la qualité spectrale des lasers à semi-conducteurs (LSC) en utilisant le feedback optique. Pour réaliser du feedback dans une diode laser, on peut lui ajouter une cavité externe. La cavité externe permet d'influencer les paramètres optiques de la diode, sans faire varier le courant ou la température d'opération. De plus, le laser peut être accordable sur une bonne plage de fréquences. Finalement, le laser à cavité externe permet d'obtenir une largeur de raie affinée, à condition de se trouver dans le bon régime de feedback. Le laser à cavité étendue (LCE) est constitué d'une diode laser dont l'une des facettes a été recouverte d'un anti-reflet. On substitue à cette facette un réflecteur, situe à une certaine distance de la diode. Le réseau de diffraction est souvent utilisé comme élément réfléchissant, car il offre une sélection en longueur d'onde et permet ainsi d'obtenir un laser accordable. Le spectre du LCE est souvent monomode et sa largeur de raie est réduite de façon proportionnelle à L$\sp2, $ ou L est la longueur de la cavité externe. On peut donc obtenir une largeur de raie de l'ordre de quelques dizaines de kHz, en utilisant une cavité externe de quelques centimètres. Dans ce mémoire le feedback optique sera abordé et on décrira les conditions nécessaires pour que celui-ci réduise la largeur de raie des LSC. Une section portera sur le principe de fonctionnement et les caractéristiques du LCE. Finalement, il y aura une description des différentes expériences réalisées en laboratoire et des résultats obtenus.
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AMELIORATION DE LA PURETE SPECTRALE D'UN LASER A SEMICONDUCTEUR EMETTANT A 1,5 MU PAR ADJONCTION D'UNE CAVITE PASSIVE A LA CAVITE DE LA DIODE. LARGEUR DE RAIE INFERIEURE A 20 KHZ. LASER ACCORDABLE SUR PLUSIEURS DIZAINES DE NANOMETRES. - THEORIE DU LASER A CAVITE ETENDUE. METHODES DE MESURE DE LA LARGEUR DE RAIE DES LASERS A SEMICONDUCTEUR. APPLICATION DU LASER A CAVITE ETENDUE A L'ANALYSE SPECTRALE D'UN LASER A CONTRE REACTION DISTRIBUEE. UTILISATION DU LASER A CAVITE ETENDUE POUR FAIRE UN RELEVE DU SPECTRE D'ABSORPTION DE L'AMMONIAC GAZEUX AUTOUR DE 1,5 MU . DETERMINATION DE LA STABILITE EN FREQUENCE A LONG TERME DU LASER A CAVITE ETENDUE ASSERVI SUR UNE RAIE D'ABSORPTION DE L'AMMONIAC.
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Nous avons élaboré dans ce travail des dispositifs semiconducteurs pompés électriquement (lI2VCSEL) qui représentent la partie semiconductrice d'U1 laser en cavité verticale externe (VECSEL). Ces structures comportent un miroir de Bragg, une zone active à base de puits quantiques et une jonction tunnel. Elles sont épitaxiées sur un substrat d'InP afin de pouvoir s'accorder avec une zone active émettant à une longueur d'onde de 1,55Ilm. Le confmement du courant d'injection est assuré par l'implantation protonique ou par la gravure latérale de la jonction tunnel. Nous avons observé pour 1li première fois à notre connaissance l'effet laser sous pompage électrique continu et à température ambiante d'un V.ECSEL opérant à 1,551lm pour des diamètres de surface d'injection allant jusqu'à 50llm dans une cavité de géométrie plan-concave. Nous avons montré une émission monomode transverse (TEMoo) et multimode longitudinale dans une cavité de 10mm de longueur, les densités de courant de seuil sont de l'ordre de 1,8kA1cm2la puissance maximale récoltée en sortie est de 0,5mW à une température ambiante. Nous avons également montré une émission laser sur un seul mode longitudinal avec une accordabilité de la longueur d'onde émise grâce à l'ajustement de la longueur de la cavité sur 15nm en régime d'injection contin et de 25nm en régime pulsé. La puissance de sortie reste limitée par une mauvaise dissipation thermique dans le 1I2VCSEL du fait de l'utilisation de matériaux quaternaires dans le miroir de Bragg. L'amélioration de ces dispositifs en terme de puissance de sortie peut être atteinte par l'utilisation de miroirs de Bragg de meilleures conductivités thermiques.
Author: Clémentine Symonds
Author: Clémentine Symonds
Author: Mimoun Mezrhab
Author: Patrice Camelin
Author: Michel de Labachelerie
Author: SOPHIE.. BOUCHOULE
Author: FRANCINE.. JEREMIE
Author: Nathalie Boutin
Author: Kédro Diomandé
Author: Adel Bousseksou
Author: Christian Wüthrich