Synchronization dynamics of dual-mode solid-state and semiconductor DFB lasers under frequency-shifted feedback : applications to microwave photonics

Dynamiques de synchronisation de lasers bifréquence à état solide et DFB soumis à une réinjection décalée en fréquence : applications en photonique micro-onde

• Auteur / Autrice : Aurélien Thorette
• Direction : Marc Vallet, Marco Romanelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/11/2018
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Systèmes dynamiques

Photonique

Lasers

Mots clés libres

Lasers

Dynamique des lasers

Photonique micro-Onde

Lasers à solide

Lasers semiconducteurs

Systèmes dynamiques

Laser bi-Fréquence

Opto-Électronique

Oscillateur opto-Électronique

Lasers

Laser dynamics

Microwave photonics

Solid-State Lasers

Semiconductor lasers

Dynamical systems

Dual-Frequency lasers

Opto-Electronics

Opto-Electronic Oscillator

Résumé

Le contrôle de la différence de fréquence entre deux lasers est un défi transversal à de nombreux domaines de la photonique, que ce soit dans un but de génération hétérodyne d'un battement micro-onde de grande pureté, ou pour des expériences de métrologie ou de télécommunication. L'avancée des connaissances sur la dynamique de lasers soumis à divers couplages a permis le développement de méthodes de stabilisation basées sur l'injection optique. Nous étudions ici théoriquement et expérimentalement un mécanisme appelé réinjection décalée en fréquence (RDF), qui permet dans des situations variées de contrôler précisément la différence de fréquence entre deux lasers. Dans un premier temps, la méthode RDF est appliquée à un laser à état solide bi-polarisation bi-fréquence Nd:YAG afin de verrouiller en phase ses deux modes de polarisation orthogonaux. Le développement d'un modèle type «rate equations» en bonne adéquation avec les expériences a aussi permis de mettre en lumière un certain nombre de régimes de synchronisation partielle dits de phase bornée. De plus, nous montrons que cet état peut subsister en présence d'oscillations chaotiques de l'intensité et de la phase. Le comportement du laser sous RDF est étudié pour différentes valeurs du désaccord de fréquence, du taux d'injection, du retard éventuel, et du couplage inter-modes. Enfin, la nécessité d'inclure un couplage phase-amplitude (facteur de Henry non-nul) dans le modèle a mené au développement d'une méthode pour mesurer ce coefficient habituellement négligé dans les lasers solides. Le mécanisme de stabilisation par RDF est ensuite appliqué à un composant semiconducteur original contenant deux lasers DFB sur InP. Malgré une plus grand complexité du schéma de couplage, et la présence de retards effectifs importants, il reste possible de synchroniser en phase ces lasers. Des bandes d'accrochages liées au retard sont observées, et reproduites à l'aide d'un modèle numérique. Ce dernier permet aussi de déterminer les conditions de fonctionnement minimisant l'influence de paramètres expérimentaux non maîtrisés. Enfin, ce système, permettant de contrôler une phase micro-onde sur porteuse optique, peut être intégré dans une boucle résonante de type oscillateur opto-électronique (OEO) qui ne nécessite pas de référence externe. On réalise un oscillateur micro-onde sur porteuse optique auto-référencé, à bande latérale unique, ayant des performances encourageantes. Dans ce cadre, il semble que la plupart des techniques développées pour les OEO puissent être réinvesties.

The control of the frequency difference between two lasers is a cross-cutting challenge in many fields of photonics, either for the generation of high-purity heterodyne microwave beatnotes, or in metrology and telecommunication experiments. The advances of the comprehension of laser dynamics under various couplings has allowed to develop stabilization methods based on optical injection. We study here theoretically and experimentally a mechanism called frequency-shifted feedback (FSF), which allows to precisely control the frequency difference between two lasers in several situations.First, the FSF method is applied to a dual-frequency dual-polarization solid-state Nd:YAG laser, in order to lock the phases of its two orthogonal polarization modes. A model of rate equations is used to precisely describe the experiment, and allows to highlight partial "bounded phase" synchronization regimes. Furthermore, we show that in some cases this synchronization can subsist even with chaotic oscillations of the intensity and phase. The behavior of the laser under FSF is studied for varying values of the frequency detuning, injection rate, possible injection delay, and mode coupling in the active medium. Finally, we find that the inclusion of a phase-amplitude coupling (non-zero linewidth enhancement factor) is needed in the model to account for experimental observation. This leads to the development of an ad-hoc technique to measure the low value of this usually neglected factor in solid-laser lasers.The FSF stabilization mechanism is then applied to a custom semiconductor component embedding two DFB lasers overs InP. In spite of a more complex coupling scheme and the large effective delays into play, phase locking of the two lasers is possible. Due to the delay, locking bands appear when the detuning changes, and this behavior can be replicated using a numerical model. This model also permit to determine working conditions minimizing the influence of uncontrolled experimental optical feedback phases. Finally, as this system allows to control a microwave phase over an optical carrier, it can be integrated in a resonant loop not unlike an opto-electronic oscillator (OEO). We realized an oscillator generating a self-referenced, single sideband microwave signal over an optical carrier, with encouraging phase noise performances. In this case, it seems that most of the techniques that exist for standard OEO can be reused.