Développement de lasers à fibre dopée thulium ultra-rapides - Perspectives pour la nanophotonique à 2μm.

Development of ultra-fast thulium-doped fiber lasers - Prospects for 2μm-nanophotonics.

• Auteur / Autrice : Saïd Hamdi
• Direction : Philippe Grelu, Aurélien Coillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Smektala
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alessandro Tonello, Thierry Chartier, Antoine Monmayrant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Sanchez, Alessandro Tonello

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Thulium

Nanophotonique

Lasers à fibre

Mots clés libres

Lasers à fibre

Dynamique ultrarapide

Résonateurs silicium

Nanophotonique

Thulium

Solitons dissipatifs

Fiber lasers

Ultrafast dynamics

Silicon microresonators

Nanophotonics

Thulium

Dissipative solitons

Résumé

Le développement de sources impulsionnelles hautement cohérentesautour de la longueur d'onde de 2 µm est un sujet particulièrement dynamique du fait d'un grand nombre d'applications potentielles. En particulier, ces sources seront utiles pour les télécommunications optiques, la bande autour de 2 µm étant perçue comme laplus prometteuse pour l'augmentation des capacités de transmission. Dans ce contexte,les lasers à fibres à verrouillage de modes passif apparaissent comme une des voies les plus prometteuses, en particulier grâce à leur très grande cohérence et leur compatibilit éintrinsèque avec les systèmes de télécommunication.L'étude des lasers fibrés à 1,55 µm est l'une des spécialités du laboratoire, et l'évolution vers la longueur d'onde 2 µm suit la tendance globale du laboratoire à déplacer les activités de recherche plus loin dans l'infrarouge.Dans un premier temps, ma thèse a porté sur la transposition des techniques deverrouillage de modes en lasers à fibres connues à 1,55 µm vers 2 µm, afin d'étudier les dynamiques spécifiques des impulsions générées en lien avec la montée en longueurd'onde et les caractéristiques propres des amplificateurs et fibres optiques adaptés. Le verrouillage de modes par évolution non-linéaire de la polarisation et la richesse des dynamiques impulsionnelles résultantes seront étudiés en premier lieu, mais d'autres configurations plus complexes basées sur les interféromètres de Sagnac non-linéaires(NOLM et NALM) vont être présentées.Dans un second temps, nous étudierons l'intégration de composants de nanophotoniqueen silicium comme élément permettant le verrouillage de modes. Le silicium sur isolant est en effet une plateforme particulièrement adaptée pour l'optique nonlinéaire à 2 µm puisque l'absorption à 2 photons devient quasiment négligeable. En particulier, le verrouillage de modes harmonique en utilisant des résonateurs en anneaux sur silicium sera étudié, pour obtenir des taux de répétition de l'ordre de 50 GHz,compatibles avec les applications de télécommunications optiques.

Developing highly coherent pulsed sources around the 2 µm wavelengthhas been a particularly dynamic field of research in the last couples of years,due to its numerous applications. In optical telecommunication, the wavelength rangearound 2 µm is one of the most promising solutions to increase the transmission capacitypast the current technological bottleneck. In this context, passively mode-lockedfiber lasers appear as a high potential solution for cheap laser sources, due to their veryhigh coherence and intrinsic compatibility with telecommunication systems.Passively mode-locked fiber lasers at 1,55 µm and their ultrafast dynamics is oneof the specialty of the ICB laboratory, and the aim is now to translate this expertisefurther in the infrared, around 2 µm by taking advantage of the optical gain of thuliumdopedfibers. This move toward the 2 µm wavelength is a current goal of the laboratory,with several research group undergoing the same transition.The first goal of the PhD. project is to transpose the techniques used in the labfrom 1,55 µ;m to 2 µm, including the various characterization experiments (spectrummeasurements, auto-correlation, fast photodiode, . . .). This work will lead to the studyof the dynamics of pulse generation around 2 µm with its similarities and differencescompared to the 1,55 µm case. Various mode-locking schemes will be studied, includingnonlinear polarization evolution, nonlinear optical loop mirrors, . . .The second part of my thesis will consist in including a micro-resonator withina fiber laser cavity and obtain a stable mode-locking. Silicon on insulator will be themain platform for this study, as its processing is well-mastered, its nonlinear effectiveindex is very high with relatively low two-photon absorption at 2 µm. On-chip high-Qmicroresonators will act as saturable absorbers leading to harmonic mode-locking withrepetition rates around 50 GHz, suitable for telecommunication applications.