Polarization properties and nonlinear dynamics of quantum dot lasers

par Lukasz Olejniczak

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Marc Sciamanna et de Krassimir Panajotov.

Le président du jury était Wolfgang Elsaesser.

Le jury était composé de Thomas Erneux, Hugo Thienpont, Angel Valle.

  • Titre traduit

    Propriétés de polarisation et dynamique non-linéaire de lasers à boîtes quantiques


  • Résumé

    Dans cette thèse nous présentons dans un premier temps nos résultats expérimentaux sur les instabilités de polarisation de lasers à boîtes quantiques (QD) et à cavité verticale (VCSELs). Ces instabilités présentent des caractéristiques différentes de celles observées dans les lasers VCSELs à puits quantiques : une compétition se produit entre deux états polarisés elliptiquement et non orthogonaux, qui donne lieu à une dynamique de saut de mode de polarisation dans le temps. Le temps de séjour moyen dans un mode décroit de huit ordres de grandeur en augmentant le courant d’injection (de la seconde à la nanoseconde). A notre connaissance ceci constitue la première observation d’une dynamique de polarisation d’un VCSEL avec une échelle de temps aussi diversifiée.Nous présentons ensuite une étude théorique d’un laser QD avec injection optique, en prenant en compte la dynamique des porteurs de charge vers des états énergétiques excités. Nous montrons qu’aux dynamiques d’impulsions excitables observées expérimentalement s’ajoutent des dynamiques auto-pulsées complexes résultant d’une phénomène de bifurcation autour d’un point de selle (« bottleneck »). Finalement nous avons étudié le cas d’un laser QD émettant simultanément depuis les états d’énergie fondamental et excité. Alors que la lumière est injectée dans laser QD esclave à la fréquence proche de l’état d’énergie fondamental, nous montrons que l’émission à la fréquence de l’état excité présente une dynamique auto-pulsée avec des impulsions très courtes (ps) suite à un mécanisme de basculement de gain


  • Résumé

    In this thesis we first show our experimental results on polarization instabilities in quantum dot (QD) lasers with vertical cavity, so called VCSELs. Their characteristics are different from what is typically observed in their QW counterparts: light that is linearly polarized close to lasing threshold becomes elliptically polarized as current is increased and then a wide region of polarization mode hopping between nonorthogonal, elliptically polarized modes sets on. Within this region the average dwell time decreases by eight orders of magnitude from seconds to nanoseconds. To our best knowledge this is the first observation of such a diversified dynamics of polarization mode hopping in a single VCSEL. We have also carried out theoretical studies of optically injected QD lasers accounting for the intradot carrier dynamics through the higher-energy excited states. We show that experimentally observed excitable pulses are complemented by self-pulsations resulting from the so-called bottleneck phenomenon. Finally, we have theoretically investigated optically injected QD laser lasing simultaneously from the ground and excited states. We show that although the external light is injected to the ground state mode alone, modulation of the relaxation time induced by injected signal can provide a gain switching mechanism leading to generation of picosecond pulses from the excited state


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