Développement de diodes laser à faible largeur de raie pour le pompage atomique et d'un MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) à 780 nm pour le refroidissement d'atomes de Rubidium et la réalisation de capteurs inertiels

Development of laser diodes with narrow linewidth for atomic pumping and a MOPA (Master Oscillator Power Amplifier)at 780 nm for cooling Rubidium atoms and realization of inertial sensors

• Auteur / Autrice : Joseph Patient Bebe Manga Lobe
• Direction : Bernard Orsal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 24/04/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - l’Institut Electronique et des Systèmes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Orsal, Laurent Bechou, André Pérennou, Michel Krakowski, Éric Tournié, Jean-Claude Simon, Arnaud Landragin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Bechou, André Pérennou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomes

Bruit d'intensité (lasers)

Diodes laser

Mots clés libres

Senseurs inertiels

Pompage atomique

Refroidissement d'atomes

Diodes laser 780 nm

Largeur de raie

MOPA: Oscillateur Maître plus Amplificateur de Puissance

Inertial sensors

Atomic pumping

Cooling of atoms

780 nm lasers

Linewidth

MOPA : Master Oscillator Power-Amplifier

Résumé

Cette thèse de doctorat a été réalisée au sein du III-VLab, en partenariat avec l’Institut d’Electronique du Sud (IES). L’objectif de ce travail de thèse vise d’une part à l’optimisation des performances des diodes laser DFB émettant à 780 nm et le développement d’une source plus compacte (MOPA) à 780nm, intégrant de façon monolithique l’oscillateur maître (laser à rétro-action répartie ou DFB) et l’amplificateur de puissance, et d’autre part, à appréhender les phénomènes de bruit, permettant d’évaluer la qualité technologique des lasers. Les développements autour de la longueur d’onde 780 nm, se sont organisés en plusieurs thématiques : les lasers Fabry-Perot et DFB, les amplificateurs (SOA), les MOPA et l’étude du bruit des lasers. Nous avons étudié des structures de différentes épaisseurs de puits quantiques (160Å, 135 Å et 145 Å). La comparaison des performances globales des différentes structures de lasers larges, loin d’être évidente, nous a permis de choisir celle intégrant un puits quantique de 160 Å, pour la réalisation des lasers Fabry-Perot à ruban étroit (3µm à 4µm). Nous avons obtenu sur des lasers larges, de 3 mm de long, bruts de clivage, une puissance d’environ 5 watts par face pour un courant d’injection continu autour de 10 A. Les simulations et caractérisations électro-optiques menées sur des lasers ridge Fabry-Perot, ont servi à affiner le dessin des DFB à 780 nm, par rapport aux briques de base existantes du III-V Lab, et à proposer des structures à cavités optiques larges et super-large (LOC et SLOC) optimisées, en termes de puissance, qualités de faisceau et spectrale.Les mesures de bruits, appuyées d’un modèle de bruit électrique, ont permis d’extraire une valeur du paramètre de Hooge de 2,1.10^-3 pour les lasers ridge, en accord avec la littérature, et qui correspond à une bonne qualité de matériau et technologique des lasers. Différents types d’amplificateurs optiques évasés ont été dessinés, réalisés et caractérisés. Les caractérisations des diverses géométries de SOA, ont donné dans l’ensemble, des valeurs de gain comprises entre 19dB et 25dB. Nous avons obtenu respectivement pour les structures d’amplificateurs à guidages entièrement par l’indice (GI), entièrement par le gain (GG) et mixte (GM), des puissances de 500mW, 750mW et 1W. L’ensemble des résultats obtenus avec ces structures sont prometteurs pour l’intégration monolithique avec le DFB. En ce qui concerne le MOPA, trois approches ont été étudiées: MOPA droit, DFB et amplificateur tiltés de 7° (par rapport à la normale aux faces clivées), et la plus prometteuse mais plus complexe, intégrant le DFB droit et l’amplificateur tilté de 7°, avec une section courbe entre les deux. La prise en compte de l’ensemble des résultats lasers Fabry-Perot, DFB et des résultats d’amplificateurs, nous ont permis de proposer des dessins MOPA originaux. Le dessin du masque réalisé, intègre toutes ces configurations de MOPA, et en plus, des SOA et DFB, qui seront utilisés comme témoins de test lors des caractérisations.

This thesis has been realized in III-VLab in collaboration with the South Electronic Institute in Montpellier. The aim of this work focuses in one hand, on the performance improvement of DFB's diode lasers emitting at 780 nm, and the advanced design of a compact semiconductor laser diode (Master Oscillator Power Amplifier), integrating monolithically the master oscillator (DFB for Distributed Feedback laser); in the other hand, using the noise phenomenon’s studies as a tool, for validating of our laser technologies. The Developments round the 780 nm wavelength, have been divided into different thematic: Fabry-Perot and DFB, Semiconductor Optical Amplifiers (SOA), MOPA, and the lasers noise’s study. We have studied structures with different quantum well thickness (160Å, 135 Å and 145 Å). The comparison of global performances of broad area lasers from these different structures, far to being obvious, allowed us to choose the one that integrates the 160-Å-thickness of quantum-well, for the realization of ridge Fabry-Perot lasers of 3 to 4-µm-of width. We obtained with broad area lasers, as cleaved, with 3-mm cavity lengths, an output power around 5 watts per facet, in continuous bias current around 10 AModellings and electro-optics characterizations performed on ridge Fabry-Perot lasers, allowed to refine DFB lasers at 780 nm, in comparison of the existing building blocks in the lab; we proposed new optimized structures with Large and Super Large Optical Cavities(LOC and SLOC), in terms of optical output power, beam and spectral qualities.The noise measurements with electrical noise modelling, allowed us to extract a value of Hooge’s parameter of 2,1.10^-3, quite in agreement with literature for such lasers, which corresponds to a good material quality and laser technology.Different types of flared SOA have been designed, realized and characterized. The characterizations of various SOA geometries, have given in general, values of gain between 19 dB to 25 dB. With SOAs of types: fully Index Guiding (IG), fully Gain Guiding (GG) and Mixed Guiding (MG), we have respectively obtained 500 mW, 750 mW and 1 W. All the results obtained with these structures are promising for monolithic integration with DFB. Regarding the MOPA, three approaches have been studied. The straight MOPA, the approach of SOA and DFB with 7° tilt(relative to the normal to cleaved facets), and the most complex, but promising approach, integrating the SOA with 7° tilt, and straight DFB, with a bend section between them. By taking into account all the results obtained on Fabry-Perot lasers, DFB, and SOA results, we were able to propose original MOPA designs. The layout drawing has been realized, all the MOPA configurations and additional, DFB and SOA devices, have been included on it. They will be used as test structures for characterizations.