Dynamique non-linéaire haute fréquence et chaos optique dans une diode laser avec rétroaction optique à conjugaison de phase

High-frequency nonlinear dynamics and optical chaos in a laser diode with phase-conjugated optical feedback

• Auteur / Autrice : Guillaume Bouchez
• Direction : Marc Sciamanna, Delphine Wolfersberger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/03/2022
• Etablissement(s) : CentraleSupélec
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Alexis Fischer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Massimo Giudici, Ghaya Baili, Jordia Tiana-Alsina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Fischer, Massimo Giudici

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectres de fréquences

Conjugaison de phase (optique)

Lasers

Mots clés libres

Lasers

Dynamique non-linéaire

Chaos optique

Dynamiques haute-fréquences

Lasers

Nonlinear dynamics

Optical chaos

High-frequency dynamics

Résumé

Le travail de cette these a consiste a montrer la richesse dynamique insoupconnee d’une diode laser soumise a une retroaction optique a conjugaison de phase (PCF, phase-conjugate feedback), en analysant a la fois numeriquement et experimentalement l’evolution de la puissance du laser, avec des vitesses de l’ordre de quelques dizaines de GHz. D’abord, j’ai etudie le signal chaotique genere par un tel systeme, a la fois par des simulations et par l’experience. Trois indicateurs etaient consideres : la bande-passante de chaos, c’est-a-dire l’etendue des frequences sur lesquelles l’energie du signal est repartie, la platitude spectrale, qui verifie que l’energie n’est pas concentree sur une seule frequence et l’entropie de permutation, qui etudie si des motifs se repetent dans le signal. J’ai observe que le chaos genere par un tel systeme etait a la fois etendu sur un grand nombre de fréquences (bande passante de 30 GHz environ) et complexe (entropie de permutation jusqu’a 0,994), et sur une large plage de parametres exterieurs au laser, dont la force de la retroaction, le retard dans la retroaction ou le courant d’alimentation du laser. Ensuite, j’etudie les phenomenes periodiques tres rapides précédemment observes avec le PCF, les modes de cavites externes (ECM, external cavity modes). Cette dynamique est marquee par une evolution periodique de la puissance du laser a une frequence egale a un multiple de la frequence associee au retard de la retroaction. Nous etendons les precedentes etudes expérimentales en variant de nombreux parametres du systeme, a savoir la force de la retroaction, le retard dans la retroaction et le courant d’alimentation du laser. En particulier, nous observons experimentalement deux resultats qui avaient ete predits numeriquement. D’une part, les ECM sont bistables, c’est-a-dire qu’avec les memes parametres physiques ils peuvent avoir des fréquences differentes. D’autre part, nous montrons la frequence des ECM ne change pas significativement si on change le retard sans changer les autres parametres de l’experience. Enfin, nous etudions numeriquement la possibilite de generer des ondes carrees avec une retroaction optique a conjugaison de phase. Nous observons que la dynamique ainsi obtenue est semblable a celle obtenue avec une retroaction optique non conjuguee en phase.

This thesis studied the dynamics of a laser diode subjected to a phase conjugate feedback (PCF). I analyzed both numerically and experimentally the evolution of the laser power, with speeds of the order of a few tens of GHz. First, I studied the chaotic signal generated by such a system, both by simulations and by experiment. Three indicators were considered: the chaos bandwidth, i.e. the range of frequencies over which the energy of the signal is distributed, the spectral flatness, which verifies that the energy is not concentrated on a single frequency, and the permutation entropy, which studies whether patterns are repeated in the signal. I observed that the chaos generated by such a system was both broadband (bandwidth of about 30 GHz) and complex (permutation entropy up to 0.994). Such chaos was observed over a wide range of experimental parameters, including the feedback strength, the feedback delay, or the laser pump current. Then, I study the very fast periodic phenomena previously observed with the PCF, the external cavity modes (ECM). The ECMs are regular self-pulsations of the laser power, at a frequency equal to a multiple of the frequency associated with the feedback delay. We extend previous experimental studies by varying the feedback strength, the feedback delay and the laser pump current. In particular, we observe experimentally two results that had only been numerically predicted. First, the ECMs are bistable, i.e. under the same experimental parameters they can have different frequencies. Secondly, we show that the frequency of the ECMs does not change significantly if we change the delay without varying the other parameters of the experiment. Finally, we study numerically the generation of square waves with phase conjugate feedback. We observe that the resulting dynamics are similar to those obtained with non-phase conjugate optical feedback.