Photonique non-linéaire dans les lasers à cascade quantique moyen infrarouges

Nonlinear photonics in mid-infrared quantum cascade lasers

• Auteur / Autrice : Louise Jumpertz
• Direction : Frédéric Grillot, Mathieu Carras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Communications
• Date : Soutenance le 03/11/2016
• Etablissement(s) : Paris, ENST
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Sciamanna
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wolfgang Elsässer, Tim C. Newell, Philippe Adam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Krassimir Panajotov, Carlo Sirtori

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Laser à cascade quantique

Réinjection optique

Dynamique non-linéaire

Quantum cascade laser

Optical feedback

Nonlinear dynamics

Résumé

Les lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisibles.

Mid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasures