Etude de cavités optiques formées de miroirs de Bragg à réseaux à pas variable : application aux filtres et lasers.

par Xunqi Wu

Thèse de doctorat en Photonique (SPI)

Sous la direction de Joël Jacquet.

Soutenue le 11-01-2012

à Supélec , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux .

Le président du jury était Jean-Paul Salvestrini.

Le jury était composé de Véronique Bardinal Delagnes, Aurélien Antoine Jacques Bergonzo, Guang-Hua Duan, Frédéric Genty.

Les rapporteurs étaient Christian Boisrobert, Ammar Sharaiha.


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse vise à l'étude d'un laser à cavité étendue et/ou filtre optique, dont le miroir externe est un réseau de Bragg à pas variable linéairement. En ce qui concerne le milieu à gain dans le résonateur, l’amplificateur optique à semiconducteur (SOA, Semiconductor Optical Amplifier) peut offrir toutes les caractéristiques et avantages classiques et typiques tels que large bande passante spectrale de 50 nm, faible consommation, haute rapidité de commutation électro-optique etc.... Par conséquent, ce type de laser et/ou filtre optique offre de nombreuses applications intéressantes dans le domaine des télécommunications optiques.Dans cette recherche, les premiers travaux sont la conception de la cavité continuum passive à l'aide d’un réseau de Bragg à pas variable. A l’intérieur de cette cavité continuum, formée entre un miroir et un réseau de Bragg chirpé, toutes les longueurs d'onde de Bragg oscillent simultanément ; la phase après un aller-retour de chaque longueur d'onde doit rester constante. La largeur de bande passante du spectre de transmission peut être ajustée dans la bande C (entre 1525 nm et 1565 nm) pour répondre aux besoins des systèmes de multiplexage en longueur d'onde (WDM, Wavelength-Division Multiplexing). On appliquera dans un premier temps ce concept de cavité continuum à la conception et la réalisation d’un filtre optique à bande passante variable. Puis dans un deuxième temps on rajoute un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) dans cette cavité pour réaliser un laser dit continuum. On s’attend à une émission sur un large spectre défini par la bande de réflexion du réseau chirpé. Le contrôle et la compréhension des phénomènes liés à cette émission lumineuse feront l’objet de cette étude. La cavité laser dite continuum sera étudiée en régime d’injection optique. L’idée est d’utiliser cette source comme amplificateur résonant fonctionnant en régime d’injection locking. La contribution dans cette thèse couvre à la fois la modélisation numérique, et les manipulations expérimentales. La conception du filtre ainsi que des mesures expérimentales de validation ont été complètement réalisés sur une structure hybride constituée d’une cavité à fibre optique incluant les réseaux de Bragg. Un bon accord entre théorie et expérience a été obtenu. Par contre, les calculs ont montré qu’un filtre optique intégré sur semi-conducteur utilisant ce concept de cavité n’avait pas d’intérêt. Les propriétés spectrales du filtre réalisé montrent en effet qu’on ne pourra obtenir qu’un faible taux de réjection et une qualité médiocre de forme de filtre en version intégrée. La réalisation expérimentale d’une cavité laser continuum a pu être démontrée et les propriétés spectrales enregistrées. En particulier une émission laser avec une largeur de spectre de 10 nm a été observée. Même si il reste un grand travail de caractérisation et de modélisation pour comprendre totalement les mécanismes qui gouvernent le fonctionnement d’une telle structure, c’est un résultat totalement nouveau que l’on a obtenu ici. Cette structure a par ailleurs été testée en régime d’injection optique. Un fonctionnement d’injection locking est obtenu qui permet à cette structure de jouer le role d’amplificateur à faible bruit.

  • Titre traduit

    Study of optical cavities formed by chirped bragg mirrors : Application of filters and lasers


  • Résumé

    The aim of this thesis is focused on the study of an extended cavity laser or/and optical filter, whose external mirror is the linearly chirped Bragg grating. As for the gain medium in the resonant, SOA (Semiconductor Optical Amplifier) can act as optical gain device. It can offer all of the classic and typical characteristics and advantages like large spectral passband of 50 nm, low power consumption, high-speed electro-optical commutation and so on. Therefore, this type of laser or/and optical filter have many interesting applications in the field of optical telecommunications.In this research, the first works are the design of passive continuum resonant cavity using linearly chirped Bragg grating. Inside this so-called continuum cavity, formed between mirror and chirped grating, all of the Bragg wavelengths oscillate at the same time, so the round-trip phase of each oscillated wavelength should keep constant. Then there is a passband spectrum at the transmission side. The bandwidth of transmission could be varied in C band (from 1525 nm to 1565 nm) to satisfy the needs of wavelength-division multiplexing (WDM) systems. This project is separated by two cases, one is about the external cavity applying chirped fiber Bragg grating as an external mirror, and the other is about the integrated cavity on InP chip, where the Bragg grating is already lithographed. Anyway, the first works of the thesis consist of numerical modeling, computational simulations and experimental manipulations.During the second works, the first step we add SOA as gain medium between two chirped fiber Bragg gratings for the purpose of generating laser. There are reflectors and active part in the passive cavity, so there is lasing far and away. It emits the typical F-P multimode light at the intersection of SOA gain band and reflection band of chirped grating. Then the second step is that a seed laser, whose frequency is nearby one of the longitudinal modes, is injected into the cavity in order to lock this mode. So there is only one emitted laser mode because of injection locking. This lasing resonant cavity could also be formed between mirror and linearly chirped Bragg grating.


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