Affinement spectral et bruit d'intensité de sources cohérentes de lumière à base de diodes laser en nitrure de gallium émettant dans le bleu

Spectral narrowing and intensity noise of coherent light sources based on gallium nitride laser diodes emitting in the blue range

• Auteur / Autrice : Antoine Congar
• Direction : Pascal Besnard, Stéphane Trebaol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 02/09/2019
• Etablissement(s) : Rennes 1
• 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 : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit d'intensité (lasers)

Réseau de Bragg

Diodes laser

Mots clés libres

Diode laser InGaN/GaN monomode

Réseau apériodique

Réseau de Bragg fibré

Bruit relatif d’intensité

Single-Mode InGaN/GaN laser diodes

Aperiodic grating

Fiber Bragg grating

Intensity noise

Résumé

Par l'étude du bruit relatif d'intensité (RIN) dans des diodes lasers (DL) en nitrure de gallium à émission par la tranche, nous mettons en évidence la corrélation entre la dynamique du RIN et la structure spectrale, fortement impactée par le phénomène de mode clustering. Cette étude est interprétée grâce à un modèle analytique. Suit une étude de DL InGaN monomode longitudinale émettant autour de 420 nm. La sélection spectrale est obtenue par inscription d'un réseau de Bragg apériodique d'ordre élevé. L'originalité de cette approche tient dans l'utilisation d'une technique de lithographie standard (résolution ≃1 µm), là où la majorité des résultats dans le domaine sont obtenus par lithographie e-beam de haute résolution. Le relâchement de cette contrainte ouvre la voie pour la production de composants monomodes à faible coût. L'adaptation vers 420 nm de la technique de gravure d'un réseau apériodique, principalement employée aux longueurs d'onde télécom, est obtenue par la modélisation numérique du réseau. Des structures monomodes sont caractérisées sous pompage optique démontrant la faisabilité de la technique. Un dernier volet de ce travail concerne l'affinement spectral d'une diode InGaN par l'utilisation d'un réseau de Bragg fibré, à 400 nm, développé dans le cadre de cette thèse. Cette configuration permet d'obtenir une émission monofréquence (taux de suppression des modes latéraux supérieure à 40 dB) avec une puissance de sortie d'une cinquantaine de mW et une largeur de raie inférieure à 2,4 MHz.

Studying relative intensity noise (RIN) of gallium nitride edge emitting laser diodes, the strong correlation between noise dynamics and spectral behavior impacted by mode clustering is highlighted. An analytical model is used to explain experimental results. Then we study single-longitudinal-mode laser diode (LD) emitting around 420 nm. Spectral filtering is achieved using high order aperiodic Bragg grating. A novel approach, involving standard lithography technique with a resolution close to the micron, is proposed unlike most of works of the domain using high resolution e-beam lithography. Release of the resolution constraint paves the way for mass production of low-cost single-mode diode laser devices. Aperiodic grating, mostly used in the telecom range, is designed to 420 nm diode laser using numerical modelling. First single-mode structures are fabricated at EPFL. Measurements of optically pumped devices prove the feasibility of the technique. In the third work we study spectral narrowing of InGaN LD by means of external cavity. Feedback is provided by a specially designed 400 nm Bragg grating optically written on a single-mode fiber. Using that setup, we obtain single-frequency emission with more than 40 dB side-mode suppression ratio, about 50 mW optical power and less than 2.4 MHz linewidth.