Dynamique de modulation de lasers à îlots quantiques sur substrat InP et de lasers à cascade quantique

Modulation dynamics of InP-based quantum dot lasers and quantum cascade lasers

• Auteur / Autrice : Cheng Wang
• Direction : Jacky Even
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique optoélectronique
• Date : Soutenance le 17/03/2015
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Président / Présidente : Didier Érasme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacky Even, Didier Érasme, Marc Sciamanna, Guang-Hua Duan, Marek Osiński, Mariangela Gioannini, Kathy Lüdge, Frédéric Grillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Sciamanna, Guang-Hua Duan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique

Modulation de fréquence

Théories non linéaires

Lasers à cascade quantique

Nanostructures

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Lasers à semiconducteurs

Nanostructures

Lasers à cascade quantique

Théories non linéaires

Modulation de fréquence

Dynamique de modulation

Semiconductor lasers

Nanostructures

Nonlinear theories

Radio frequency modulation

Résumé

Le besoin incessant de débits toujours plus élevés dans les systèmes de télécommunications a un impact sur tous les éléments composant la chaine de transmission. Ainsi, pour faire face à l’augmentation croissante du volume de données échangées à travers le monde, le développement de nouvelles sources optiques semi-conductrices est absolument nécessaire. La modulation directe de lasers nanostructurés constitue une alternative bas coût et à faible consommation énergétique qui permettra de remplacer progressivement les diodes lasers à puits quantiques actuelles. De nombreux efforts en recherche ont été consacrés au cours des dernières années en vue d’améliorer les performances dynamiques des lasers nanostructurés notamment en terme de bande passante, de facteur de couplage phase-amplitude (facteur α) et de dérive de fréquence (chirp). Pour les applications aux très grands réseaux et systèmes de communication, la croissance d’îlots ou de fils quantiques déposés sur substrat InP permet de réaliser des dispositifs nanostructurés émettant dans le proche infra-rouge autours de 1550 nm. Dans ce mémoire, la dynamique de modulation des lasers nanostructuré est étudiée en régime de modulation directe. Les caractéristiques analysées comprennent: la modulation en amplitude (AM) et en fréquence (FM), le chirp, et les réponses en régime grandsignal. Grâce à une approche semi-analytique, il est démontré que la bande passante et l’amortissement sont fortement limités par les phénomènes de capture et de relaxation des porteurs de charge dans les nanostructures. Afin d’étudier les propriétés du facteur α et du chirp, un nouveau modèle dynamique a été proposé, prenant en compte la contribution à l’indice optique des porteurs de charge dans des états hors résonance. Il est ainsi montré que, contrairement au cas des lasers à puits quantiques, le facteur α dépend fortement du courant de pompe et de la fréquence de modulation. Le facteur α reste constant à basses fréquences (<0,1 GHz) et supérieur aux valeurs obtenues à hautes fréquences (au-delà de quelques GHz) à partir de la technique FM/AM. Ces caractéristiques sont essentiellement attribuées aux contributions des porteurs dans les états hors résonance. Les simulations montrent que le facteur α peut être réduit en augmentant la séparation énergétique entre l’état fondamental résonant (GS) et les états hors résonance. En particulier, un effet laser sur 1’état excité des nanostructures (ES) constitue une solution prometteuse pour améliorer les performances dynamiques, en accroissant notamment la bande passante de modulation et en réduisant le facteur α d’environ 40%. Les techniques d’injection optique sont également intéressantes pour régénérer les performances dynamiques des lasers. Le couplage phase-amplitude et le gain optique y sont substantiellement modifiés via le contrôle de l’amplitude et du désaccord en fréquence du faisceau injecté. Dans ce cadre, ce travail propose une nouvelle technique dérivée de la méthode Hakki-Paoli, permettant de mesurer, sous injection optique, le facteur α à la fois en dessous et au-dessus du seuil. Les lasers à cascade quantique (QCL) sont basés sur des transitions électroniques inter-sous-bandes dans des hétérostructures à puits quantiques. Ces lasers présentent une bande passante (AM) relativement de quelques dizaines de GHz et sans résonance ce qui est prometteur pour les transmissions en espace libre. De manière surprenante, les calculs montrent que les QCL présentent une largeur de bande FM extrêmement large de l’ordre quelques dizaines de THz, environ trois ordres de grandeur supérieure à la largeur de bande AM. L’injection optique dans ces lasers présente les mêmes avantages que ceux procurés dans les lasers à transitions interbandes. Des désaccords positifs ou négatifs en fréquence augmentent notamment la largeur de la bande passante.

High performance semiconductor lasers are strongly demanded in the rapidly increasing optical communication networks. Low dimensional nanostructure lasers are expected to be substitutes of their quantum well (Qwell) counterparts in the next-generation of energy-saving and high-bandwidth telecommunication optical links. Many efforts have been devoted during the past years to achieve nanostructure lasers with broad modulation bandwidth, low frequency chirp, and reduced linewidth enhancement factor. Particularly, 1.55-μm InP-based quantum dash (Qdash)/dot (Qdot) lasers are preferable for long-haul transmissions in contrast to the 1.3-μm laser sources. In this dissertation, we investigate the dynamic characteristics of InPbased nanostructure semiconductor lasers operating under direct current modulation, including the amplitude (AM) and frequency (FM) modulation responses, the linewidth enhancement factor (also known as α-factor), as well as large-signal modulation responses. Using a semi-analytical analysis of the rate equation model, it is found that the modulation bandwidth of the quantum dot laser is strongly limited by the finite carrier capture and relaxation rates. In order to study the α- factor and chirp properties of the quantum dot laser, we develop an improved rate equation model, which takes into account the contribution of carrier populations in off-resonant states to the refractive index change. It is demonstrated that the α-factor of quantum dot lasers is strongly dependent on the pump current as well as the modulation frequency, in comparison to the case of Qwell lasers. The α-factor remains constant at low modulation frequencies (<0.1 GHz) and higher than the value derived at high modulation frequencies (beyond several GHz) from the FM/AM technique. These unique features are mostly attributed to the carrier populations in off-resonant states. Further simulations show that the α-factor can be reduced by enlarging the energy separation between the resonant ground state (GS) and off-resonant states. Lasing from the excited state (ES) can be a promising alternative to enhance the laser’s dynamic performance. The laser exhibits a broader modulation response and the α-factor can be reduced by as much as 40%. The optical injection technique is attractive to improve the laser’s dynamical performance, including bandwidth enhancement and chirp reduction. These are demonstrated both theoretically and experimentally. The phase-amplitude coupling property is altered as well in comparison with the free-running laser and the optical gain depends on the injection strength and the frequency detuning. This work proposes a new method derived from the Hakki-Paoli method, enabling to measure the α-factor of semiconductor lasers under optical injection both below and above threshold. In addition, it is demonstrated theoretically that the α-factor in nanostructure lasers exhibits a threshold discontinuity, which is mainly attributed to the unclamped carrier populations in the off-resonant states. It is a fundamental limitation, preventing the reduction of the α-factor towards zero. Quantum cascade (QC) lasers rely on intersubband electronic transitions in multi-quantum well heterostructures. QC lasers show flat broadband AM response (tens of GHz) without resonance, which constitutes promising features for free-space communications. Surprisingly, calculations show that the QC laser exhibits an ultrabroad FM bandwidth on the order of tens of THz, about three orders of magnitude larger than the AM bandwidth. Optically injection-locked QC lasers also exhibit specific characteristics by comparison to interband semiconductor lasers. Both positive and negative frequency detunings enhance the modulation bandwidth.