Dynamique d'injection optique et propriétés de polarisation des peignes de fréquence des lasers à semi-conducteurs

Optical injection dynamics and polarization properties of semiconductor lasers frequency combs

• Auteur / Autrice : Yaya Doumbia
• Direction : Marc Sciamanna, Delphine Wolfersberger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/10/2021
• Etablissement(s) : CentraleSupélec
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Grillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mariangela Gioannini, Krassimir Panajotov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Grillot, Angel Valle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectres de fréquences

Spectroscopie de perte d'énergie des électrons

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Mots clés libres

Dynamique non linéaire des lasers

Injection optique

Dynamique de polarisation du VCSEL

Peigne de fréquence optique

Verrouillage par injection du peigne de fréquence optique

Nonlinear lasers dynamics

Optical injection

Polarization dynamics of VCSEL

Optical frequency comb

Injection locking of optical frequency comb

Résumé

Dans ce travail, nous étudions la dynamique non linéaire de diodes laser injectées optiquement avec des peignes de fréquence.Nous analysons d'abord théoriquement et expérimentalement la dynamique non linéaire des lasers à émettant par la tranche (EELs) à partir d'une injection optique de peignes de fréquence. Les paramètres d'injection et les propriétés du peigne injecté sont variés pour dévoiler plusieurs dynamiques verrouillées et déverrouillées. Pour une force d'injection suffisamment grande et sur une large plage de désaccord, le verrouillage d'injection bifurque vers une dynamique temporelle correspondant à un peigne de fréquence optique qui étend le peigne injecté à un spectre optique beaucoup plus large. Une analyse de bifurcation révèle une dynamique de peigne de fréquence harmonique en cascade conduisant à une augmentation significative des lignes de peigne de sortie. Nous avons également utilisé les paramètres d'injection, les propriétés du peigne et le courant d'injection pour contrôler les propriétés du nouve peigne. Dans un deuxième temps, nous analysons expérimentalement la dynamique non linéaire et les propriétés de polarisation dans des lasers émettant par la surface (VCSEL) soumis à une injection optique orthogonale avec des peignes de fréquence. Plus important encore, le VCSEL montre deux peignes de fréquence avec une polarisation orthogonale à partir d'un seul appareil pour certains paramètres d'injection. Nous démontrons également la possibilité de contrôler le taux de répétition des peignes à une ou deux polarisations grâce à la génération de peignes à fréquence harmonique. Nous présentons enfin expérimentalement et théoriquement la dynamique d'injection de VCSEL à partir d'une injection de peigne de fréquence optique avec une polarisation parallèle à celle du VCSEL. Nous montrons que la performance des peignes à deux polarisations sont limitées à une injection de courant élevé dans le cas d'une injection optique parallèle. Pour un courant de polarisation fixe, la dynamique des deux peignes de polarisation disparaît lorsque l'on augmente l'espacement des peignes injectés.Cette thèse démontre donc outre son intérêt pour la dynamique laser non linéaire, l'injection optique est une technique permettant d'exploiter les propriétés de peigne dans les diodes laser.

In this work, we study the nonlinear dynamics of laser diodes optically injected with frequency combs.We first theoretically and experimentally analyze the nonlinear dynamics of edge-emitting lasers (EELs) from an optical injection of frequency combs. The injection parameters and injected comb properties are varied to unveil several locked and unlocked dynamics. For large enough injection strength and over a large detuning range, the injection locking bifurcates to a time-periodic dynamics corresponding to an optical frequency comb that extends the injected comb to a much broader optical spectrum. A bifurcation analysis reveals a cascade harmonic frequency comb dynamics leading to a significant increase in the output comb lines. We have also used the injection parameters, comb properties, and injection current to control the new comb properties. We secondly analyze the nonlinear dynamics and polarization properties in vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) subject to orthogonal optical injection with frequency combs experimentally. Most importantly, the VCSEL shows two frequency combs with orthogonal polarization from a single device for some injection parameters. We also demonstrate the possibility to control the single or two polarizations comb repetition rate through harmonic frequency combs generation. We finally present experimentally and theoretically the VCSEL injection dynamics from parallel optical frequency comb injection. We show that the two polarizations combperformance is restricted to high current injection in the case of parallel optical injection. For fixed bias current, the two polarization comb dynamics disappear when increasing the injected comb spacing.This thesis therefore demonstrates besides its interest for nonlinear laser dynamics, optical injection is a technique to harness the comb properties in laser diodes.