Sources laser de puissance à semi-conducteurs 1,55µm pour transmission en espace libre et applications LIDAR

High-power semiconductor laser sources emmitting at 1.55µm for free space transmission and LIDAR applications

• Auteur / Autrice : Cécil Pham
• Direction : Angélique Rissons
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Soutenance le 09/07/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : III-V Lab
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gauthier-Lafaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Gauthier-Lafaye, Abderrahim Ramdane, Fabien Bretenaker, Béatrice Dagens, Frederic Van Dijk
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Abderrahim Ramdane, Fabien Bretenaker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Laser

Semi-Conducteurs

Puissance

Laser

Semiconductors

High-Power

Résumé

Les transmissions optiques en espace libre pour des liaisons satellite-satellite ou satellite-sol sont en plein essor. Les systèmes les plus performants aujourd’hui reposent sur l’utilisation de laser à état solide ou d’émetteurs en configuration Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) comprenant une source laser, un modulateur externe et un amplificateur fibré type Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA). Ces deux types de sources laser présentent plusieurs inconvénients qui peuvent être rédhibitoires dans le cadre d’applications spatiales : poids et taille élevés, sensibilité aux radiations, forte consommation de puissance. C’est sur ce constat que s’appuie ce travail de thèse qui consiste en le développement de MOPA de haute puissance à 1,5μm intégrés monolithiquement sur InP. La thèse a vu la conception de deux types de MOPAs, l’un avec des guides en arête (shallow ridge) et l’autre avec des guides enterrés (Semi-Insulating Buried Heterostructure ou SIBH). Des simulations de propagation et de mode optique ont pu valider les dessins des guides. Ces MOPAs incluent un laser DFB, un modulateur à électro-absorption et un amplificateur évasé. Plusieurs angles d’évasement ont été testés. La fabrication en salle blanche des composants a permis plusieurs développements technologiques, notamment les étapes de fabrication de MOPA et de SOA évasés en SIBH. Les MOPA shallow ridge réalisés démontrent une puissance de 380 mW en CW et un fonctionnement monomode spectral. Des mesures de S21 ont ensuite été réalisées sur des MOPA et des SOA SIBH de puissance de structure similaire aux MOPA SIBH. Ces mesures ont permis le développement d’un modèle de fonction de transfert de SOA. Le modèle basé sur des paramètres mesurables donne une excellente concordance avec les mesures et permet de trouver le temps de vie des porteurs. Des mesures de diagramme de l’oeil sur des SOA modulés directement ont été effectuées. Bien que le taux d’extinction soit faible (<1 dB), la modulation à 5 Gbps ou 10 Gbps donne un oeil ouvert, limité par la puissance du générateur de signaux numériques. Ces résultats ouvrent la voie vers la recherche de points d’opération et de configurations optimales pour des MOPA et SOA pour des applications transmissions de données.

Free space optical transmissions for satellite-satellite or satellite-ground links are booming. The most effective transmission systems rely on the use of a solid state laser or a Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) laser emitter consisting in a laser source, an external modulator and an Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA). These emitters present several drawbacks : high weight and dimensions, high sensitivity to radiations, high power consumption. The PhD work is based on this observation and aims to develop high power MOPA emitting at 1.5μm monolithically integrated on InP.The PhD consisted in the conception of two MOPA types, one with a shallow ridge waveguide and the other with buried guides (Semi-Insulating Buried Heterostructure or SIBH). Propagation and optical mode simulations allowed us to validate the waveguide dimensions. The MOPAs include a DFB laser, an electro-optic modulator and a flared amplifier. Several taper angles are designed. The fabrication process in clean room allowed several technological achievements, especially the fabrication of SIBH MOPA and tapered SOA.We demonstrated 380 mW CW of optical power and a spectral single mode operation with the shallow ridge MOPAs. S21 measurements were also done on MOPAs and SIBH SOAs with a structure similar to the fabricated MOPAs. These measurements allowed us to develop a transfer function model for SOA. The model is based on measurable parameters and showed an excellent fit with the measurements, allowing us to find carrier lifetimes. Eye diagrams on directly modulated SOA are done. The extinction ratio i slow (<1 dB) but the eye is open at 5 Gbps and 10 Gbps, limited by the RF power of the numerical signal generator. These results pave the way to the investigation of optimal points of operation and configurations for high power MOPA and SOA for data transmission.