Dynamique modale des lasers à semiconducteur

par Luca Furfaro

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Gian Luca Lippi.

Soutenue en 2003

à Nice , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) .

mots clés

Résumé

La dynamique modale des lasers à semiconducteur est le sujet de cette thèse. En particulier, nous présentons un nouveau type de dynamique caractérisée par des oscillations périodiques de l’intensité modale et par une intensité totale d’émission constante. Nous avons effectué une série de mesures systématiques sur une large gamme de lasers à puits quantiques (PQ) et nous avons vérifié que ces oscillations périodiques de l’intensité modale sont une caractéristique générale de ce type de lasers. Nous avons déterminé pour quelle région de paramètres cette dynamique peut être observée et comment cette dernière change en modifiant les paramètres de contrôle externes (température et courant de pompage). Ce nouveau type de comportement dynamique est extrêmement robuste et insensible au bruit électrique et optique. Une large étude a été effectuée sur les conséquences de la rétroaction optique : des effets drastiques on été observés en fonction de l’intensité et de la phase de la rétroaction. Nous avons comparé la statistique des lasers à semiconducteur à PQ avec celle des lasers massifs en mettant en évidence la différente nature physiques des dynamiques observées dans ces deux types de lasers. A l’aide d’un modèle théorique qui explique les observations expérimentales dans le laser à semiconducteur à PQ, nous montrons que le mécanisme dominant pour l’apparition de la dynamique est le mélange à quatre ondes. L’ordre d’allumage est expliqué grâce à l’asymétrie de la réponse optique du milieu semiconducteur.

Titre traduit

Modal dynamics of semiconductor lasers

Résumé

The modal dynamics of semiconductor lasers is the subject of this thesis. We present a new kind of dynamics characterized by periodic oscillations of the modal intensity and constant total intensity. We perform systematic measurements on several QW lasers and verify that the periodic oscillations of the modal intensity are a general characteristic for this kind of device. We study the parameter range where we can observe this dynamics and how its temporal and spectral features are affected by changes in the control parameters (temperature and pumping current). This new kind of dynamics is very robust and insensitive to electrical and optical noise. We perform a ample study on the effects of optical feedback: substantial changes can be observed as a function of the intensity and phase of the feedback. We compare the statistics of bulk and QW semiconductor lasers and show the different physical nature of the observed dynamics for these two kinds of lasers. With the help of a new theoretical model, which explains the experimental observations in QW lasers, we show that four-wave-mixing is the dominant mechanism for the appearance of the observed dynamics. The sequence of mode switching is explained from the spectral asymmetry of the optical response in semiconductor media.

Résumé

La dinamica modale dei laser a semiconduttore è l’argomento di questa tesi. In particolare, presentiamo un nuovo tipo di comportamento dinamico caratterizzato da oscillazioni periodiche dell’intensit`a modale, con un’intensità totale d’emissione costante. Abbiamo effettuato una serie di misure sistematiche su una larga gamma di laser a “buca quantica” (quantum well, QW) ed abbiamo verificato che queste oscillazioni periodiche dell’intensità modale sono una caratteristica generale per questo tipo di dispositivo. Abbiamo definito in quali regioni dei parametri si osservi questa dinamica e come quest’ultima si modifichi cambiando i parametri di controllo esterni (temperatura e corrente di pompa). Questo nuovo tipo di dinamica è estremamente stabile ed insensibile al rumore elettrico ed ottico. Uno studio dettagliato è stato effettuato sugli effetti della retroazione ottica: la dinamica pu`o essere modificata in modo drastico in funzione della fase e del”intensit`a della retroazione. Abbiamo confrontato la statistica dei laser a semiconduttore a QW con quella dei laser “bulk” sottolineando la diversa natura fisica della dinamica osservata nei due tipi di laser. Con l’aiuto d’un modello teorico che spiega le osservazioni sperimentali nei laser a semiconduttore a QW, si constata che l’interazione a quattro onde è l’elemento dominante per la comparsa di tale comportamento dinamico. L’ordine dell’accensione dei modi è spiegato grazie all’asimmetria della risposta ottica nei materiali a semiconduttore.