Lasers à semiconducteur en régime de modulation hyperfréquence fort signal : modélisations et expériences à 1,3 μm

par Éric Hemery

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Michel Lourtioz.

Soutenue en 1989

à Paris 11 .


  • Résumé

    L'objet de cette thèse est l'analyse des comportements d'un laser à semiconducteur soumis à une modulation de courant hyperfréquence de forte amplitude. La modélisation des comportements est effectuée à l'aide des équations à taux de population où l'amplification optique, la relaxation des porteurs et les pertes de la cavité sont décrites de manière phénoménologique. Les paramètres du milieu amplificateur sont obtenus séparément à partir de mesures de gain. L'expression théorique du gain est calculée à partir du formalisme de la matrice densité. L'étude numérique systématique des équations à taux de population prédit trois types de comportements : le régime périodique simple, le régime à pics multiples, le doublement de période à haute fréquence de modulation. Le travail expérimental est mené sur un laser InGaAsP et la diode de détection est caractérisée préalablement jusqu'à 20 GHz. Cette caractérisation est effectuée par une nouvelle méthode que nous avons mise au point et qui consiste en l'interférométrie Fabry-Perot du champs émis par un laser à semiconducteur modulé. Les distorsions du signal optique en régime périodique simple sont modélisées précisément. Les pics multiples à basse fréquence de modulation sont bien mis en évidence. Pour la première fois dans un laser InGaAsP, nous obtenons une instabilité du régime périodique du type doublement de période haute fréquence. Ce comportement instable est parfaitement décrit par le modèle utilisé. La confrontation entre la théorie et l'expérience confirme que les équations à taux de population sont parfaitement appropriées pour décrire la dynamique du laser modulé. Ceci valide notre procédure de détermination des paramètres. De cette manière, nous nous affranchissons de la caractérisation électrique du laser.

  • Titre traduit

    Semiconductor lasers under strong microwave current modulation : theoretical analysis and characterizations at 1,3 micrometers


  • Résumé

    This work is adressed to the theoretical and experimental analysis of semiconductor lasers dynamics under strong microwave modulation. Modelling of the dynamic behavior is obtained using rate equations where the optical amplification, carrier relaxation and cavity losses are described phenomenologically. The amplifier-medium parameters are separately deduced from gain measurements. The theoretical expression of the gain is calculated from the density matrix formalism. Numerical simulations predict three types of behavior : the regular periodic regime, the multiple-spike regime, period-doubling at high modulation frequency. Experimental work is carried out on a InGaAsP laser with the aid of an InGaAsP photodetector. The photodetector is first characterized up to 20 GHz. A new method of characterization, based on Fabry-Perot interferometry of the modulated semiconductor laser output, is developed for this purpose. In the periodic regime, distorsions of the optical output are precisely modelled. The multiple peak response at low modulation frequencies is well evidenced experimentally. Period-doubling at high modulation frequencies is also reported for the first time in InGaAsP lasers. This laser instability is perfectly described by the model. The overall agreement between theory and experimental results confirms that the rate equation model is appropriate to describe the semiconductor laser dynamics. It also validates our determination of the laser parameters. In addition, it is shown that the electrical characterization of the laser is not necessary to interpret the experimental results.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (305 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(1989)103
  • Bibliothèque : Centre Technique du Livre de l'Enseignement supérieur (Marne-la-Vallée, Seine-et-Marne).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TH2014-035380
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