Intégration de source laser à semi-conducteur accordable de haute cohérence. Dynamique multimode non linéaire et régime monofréquence

Integration of high coherence tunable semiconductor laser. Non linear multimode dynamics and route to single frequency operation

• Auteur / Autrice : Baptiste Chomet
• Direction : Arnaud Garnache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 05/04/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Sagnes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Garnache, Isabelle Sagnes, Carlo Sirtori, Massimo Giudici, Daniele Romanini, Daniel Dolfi, Vincent Lecocq, Mikhaël Myara
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlo Sirtori, Massimo Giudici

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Semiconducteurs

Mots clés libres

Vecsel

Semiconducteur

Monofréquence

Dynamique

Multimode

Intégration

Vecsel

Semiconductor

Single frequency

Dynamics

Multimode

Packaging

Résumé

L’objectif général de ce projet de thèse est le développement industriel de source lasers accordables de haute cohérence à base de technologies III-V dans les gammes spectrales 0.95-1.1µm, et 2-2.5µm. Ce travail est le fruit d'un partenariat entre les laboratoires IES et C2N, avec la société INNOPTICS spécialisée dans l'intégration de composant opto-électronique.Il s'agit ici de tirer profit des nombreux avantages des composants VeCSELs (Vertical external Cavity Surface Emitting Laser) pour atteindre une combinaison des performances cohérence - puissance - accordabilité - compacité, inaccessible avec les technologies laser commerciales d'aujourd'hui. Pour atteindre cet objectif le travail est scindé en deux grandes parties :- L'étude physique de la dynamique non linéaire d'un laser VECSEL en régime continu et en présence de dispersion de phase. Nous montrons l'existence d'une dynamique déterministe du champ laser qui donne naissance à un régime multimode longitudinal non stationnaire régulier ou à un régime mono-fréquence stable. Ce résultat permet alors la conception de source de haute cohérence à forte puissance sans élément intracavité sélectif en longueur d'ondes.- Le développement de nouvelles sources monofréquences compact largement accordables bas bruit avec une largeur de raie étroite. Cette partie comporte l’étude physique des composants, depuis l’optimisation du milieu à gain jusqu'à l'émission laser en terme de cohérence spatiale et temporelle, ainsi qu'un travail sur l'environnement du laser (mécanique et thermique optimisée pour la stabilité de la fréquence laser).

The main goal of this thesis is the industrial development of highly coherent tunable laser sources based on III-V technologies in the 0.95-1.1μm and 2-2.5μm spectral ranges.This work is the result of a partnership between the IES and C2N laboratory together with the company INNOPTICS, specialized in the packaging of optoelectronics devices.We take advantage of the Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) technology to achieve a combination of coherence - power -tunability -compactness, overcoming the performances of today's commercial laser technologies. To achieve this goal the work is divided into two main parts:- The physical study of the non-linear dynamics of a VECSEL laser in continuous wave operation and in the presence of cavity phase dispersion. We show the existence of a deterministic dynamics of the laser field that gives rise to a regular non-stationary longitudinal multimode regime or a stable single-frequency regime. This result then makes it possible to design a source of high coherence with high power without any intracavity wavelength selective element.- The development of new low noise compact single frequency sources with a narrow linewidth. This part involves the physical study of the components, from optimization of the gain medium to the laser emission in terms of spatial and temporal coherence, as well as a work on the environment of the laser (optimization of the thermal mechanical properties of the packaging for the stability of the laser frequency).