Etude des boites quantiques pour la réalisation d'un laser VECSEL bi-fréquence cohérent

Investigation of quantum dots VECSEL for the realization of a coherent dual wavelength laser

• Auteur / Autrice : Gaëlle Brevalle
• Direction : Hervé Folliot, Mehdi Alouini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Agence : Agence nationale de la recherche (France)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....) - Institut des Fonctions Optiques pour les Technologies de l'informatiON
• Partenaire(s) de recherche : Ecole : École polytechnique fédérale (Lausanne, Suisse)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Bouchoule
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Folliot, Mehdi Alouini, Sophie Bouchoule, Guillaume Cassabois, Ghaya Baili, Krassimir Panajotov, Cyril Paranthoën, Mathieu Perrin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Bouchoule, Guillaume Cassabois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constantes de couplage

Spectroscopie d'absorption

Lasers

Points quantiques

Mots clés libres

VECSEL

Boites quantiques InAs/InP

Laser bi-fréquence

Spectroscopie de saturation d’absorption

SHB

Couplage

VECSEL

InAs/InP quantum dots

Dual-frequency laser

Saturated absorption spectroscopy

SHB

Coupling

Résumé

Ce travail de thèse porte sur différentes études expérimentales permettant de lier les performances d'un laser bi-fréquence aux propriétés structurales physiques des boites quantiques (BQs). L'objectif principal est de développer une nouvelle plateforme de lasers de type VECSEL (vertical extem cavity surface emitting laser), intégrant des BQs lnAs/lnP émettant à 1,55 µm, afin de réaliser des lasers bi-fréquences robustes, nécessitant un couplage faible entre les deux modes, et accordables. En premier lieu, une étude sur la croissance des BQs est présentée. Le contrôle des paramètres de croissance assure le contrôle de la densité et ainsi du couplage électronique entre BQs. La maitrise de l'empilement des plans de BQs en forte densité permet la réalisation de la zone active du VECSEL. Une étude comparative est ensuite menée, pem1ettant de quantifier le couplage photonique par la mesure c l'élargissement homogène et le couplage électronique dans les puits, les bàtonnets et les BQs en fonction de la température et de la densité de porteur A cette fin, une technique de spectroscopie de saturation d'absorption, exploitant le phénomène de Spectral Hole Buming (SHB), a été développée. Les résultats obtenus sont liés à la dernière étude, portant sur le couplage entre les deux modes dans le VECSEL bi-fréquence, par la mesure de la constante de couplage de Lamb. Elle est d'abord mesurée dans un laser à puits quantiques, permettant d'étalonner le montage et d'avoir un point de comparaison. Finalement, les résultats préliminaires obtenus en régime multimode sur des VECSELs à BQs sont présentés, et s'avèrent être très prometteurs pm atteindre l'oscillation bi-fréquence.

This PhD work focuses on several experimental studies, allowing to relate the performances of a dual-frequency laser to the structural and physics properties of quantum dots (QDs). These works aim to develop a new kind of VECSEL (vertical external cavity surface emitting laser), integrating lnAs/lnP QDs emitting at 1.55 µm, in order to make tunable and robust (i.e. involving a weak coupling between the two modes) dual-frequency laser Firstly, a growth study of the QDs is realized. The control of the growth parameters ensures the control of the density and the inter-QDs distance, and thus of the electronic coupling. Following this study, the growth parameters are carefully selected to get high density QDs; then the stack of the QDs planes forming the active medium is realized. The next study allowing the quantification of the photonic coupling by the homogeneous broadening are the electronic coupling is performed in quantum wells, quantum dashes and quantum dots, depending on the temperature and the carriers density. For this, saturated absorption spectroscopy, based on the Spectral Hole Burning (SHB) phenomenon, is used. The results obtained are linked to the last study that addresses the coupling between the two modes of the dual-frequency VECSEL by the measurement of the Lamb coupling constant. The measurement is performed in a quantum well based VECSEL first, to calibrate the experimental setup and to get the value for comparisons with QDs. Finally, preliminary results obtained in multimode operation of QDs based VECSEL are presented. They reveal to be very promising for the achievement of a dual-frequency operation.