Caractérisation et modélisation optoélectronique de diodes lasers en cavité externe pour des applications métrologiques

Optoelectronic characterization and modeling of external cavity semiconductor diode lasers for metrological applications

• Auteur / Autrice : Jannik F. Ehlert
• Direction : Frédéric Grillot, Alain Mugnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Lepers
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Grillot, Alain Mugnier, Michel de Labachelerie, Pascal Besnard, Julien Perchoux, Michel Piché, Béatrice Dagens
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel de Labachelerie, Pascal Besnard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Électronique quantique

Mots clés libres

Laser

Cavité externe

Boîte quantique

Semi-conducteur

Modélisation

Manipulation de laboratoire

Laser

External cavity

Quantum dot

Semiconductor

Modeling

Experiments

Résumé

Les boîtes quantiques sont une technologie performante pour les diodes laser. En changeant la taille et la forme de ces boîtes et en utilisant une facette de sortie antireflet, des puces à gain peuvent être conçues pour émettre sur une large gamme de longueurs d’onde dans des lasers accordables. Cette thèse de doctorat traite à la fois de la simulation d’un laser à cavité externe et de la caractérisation expérimentale d’un laser accordable basé sur une puce à gain à boîte quantique. Un modèle d’équation d’évolution a été développé. La simulation numérique étudie les propriétés dynamiques et de bruit de ce laser. Ce travail montre l’intégration d’une puce à gain à boîte quantique dans une configuration de laser du type Littman-Metcalf. De plus, une nouvelle méthode a été développée pour résoudre spectralement l’émission spontanée en champ lointain de la puce à gain. Un mécanisme de référencement en longueur d’onde utilisant un étalon Fabry-Perot est présenté en détail. Enfin, un prototype d’un nouveau laser accordable à haute puissance sans asservissement a été testé à long terme pour un fonctionnement sans saut de mode.

Quantum dots have been proven to be a high performing technology for solitary laser diodes. By varying dot sizes, shapes, and by using an antireflection output facet, gain chips can be designed to emit over a large wavelength range in tunable lasers. This PhD thesis work deals with both the simulation of an external cavity laser and the experimental characterization of a quantum dot gain chip-based tunable laser. A rate equation model has been derived. The numerical simulation investigates dynamical properties like turn-on delay, gain clamping and damping rate. This work shows the integration of a quantum dot gain chip in a Littman-Metcalf laser setup. Also, a new method has been developed to spectrally resolve the gain chip’s spontaneous emission in the far-field. A wavelength referencing mechanism utilizing a Fabry- Perot etalon is laid out in detail. Finally, a prototype of a newly developed high power tunable laser without servo control has been tested for long term mode-hop free operation.