Réalisation d'un VECSEL pompé électriquement faible bruit et étude des boîtes quantiques pour la réalisation d'un VECSEL bi-fréquence

Realization of a low noise electrically pumped VECSEL and study of quantum dots for the realization of a dual-frequency VECSEL

• Auteur / Autrice : Anwar Kerchaoui
• Direction : Mehdi Alouini, Alain Le Corre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 09/02/2022
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Angélique Rissons
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Chusseau, Cyril Paranthoën
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angélique Rissons, Christophe Labbé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Points quantiques

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Vecsel

Bi-Fréquence

Boîtes quantiques

Class A faible bruit

Pompage électrique

Vecsel

Dual-Frequency

Quantum dots

Low noise Class A

Electrical pumping

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’un VECSEL pompé électriquement (EP-VECSEL) mono-fréquence fonctionnant en régime classe A faible bruit et l’étude des boites quantiques (BQs) pour la réalisation d’un VESCEL pompé optiquement (OP-VECSEL) bi fréquence. Ces dispositifs émettent à 1.5 µm. En intégrant une zone active pompé électriquement à base de puits quantiques (PQs) dans une cavité courte (1 cm) et de grande finesse, nous avons pu démontrer pour la première fois avec ce type de laser le régime classe A. En régime mono fréquence, la puissance optique maximale obtenue est de 3 mW. Cela nous a permis de mesurer un niveau de bruit d’intensité relatif (RIN) faible de - 160 dB/Hz limité par le bruit de grenaille sur une large bande passante allant de 2 MHz à 20 GHz. La compacité, la faible consommation de puissance et le faible bruit de ce laser présentent un intérêt certain dans des domaines tels que l’optique micro-ondes ou les télécommunications cohérentes. Dans le cadre de cette étude, nous avons également étudié un VECSEL bi-fréquence à base de BQs, afin de réaliser une mesure directe de la constante de couplage de Lamb C. Des premières mesures ont permis de caractériser ce dispositif en régime multimode. Un effet de filtrage des modes longitudinaux a été constaté lié au dissipateur de chaleur de diamant intracavité collé sur la puce. L’oscillation de deux polarisations linaires orthogonales, nécessaires à la mesure de la constante de couplage, a également été obtenue expérimentalement. Ces mesures ont permis d’établir que le gain accessible sur le dispositif à BQs ne permettait pas pour l’instant de compenser toutes les pertes optiques introduites par les éléments intracavité du banc expérimental dédié pour la mesure de la constante de couplage. Cette étude reste à finaliser pour pouvoir conclure sur l'intérêt des BQs pour la réalisation des lasers bifréquences.

This thesis work focuses on the realization of a single frequency electrically pumped VECSEL (EP-VECSEL) operating in the low noise class A regime and the study of quantum dots (QDs) for the realization of a dual frequency optically pumped VESCEL (OP-VECSEL). These devices emit at 1.5 µm.By integrating electrically pumped quantum wells based (QWs) active region in a short (1 cm) and high finesse cavity, we succeeded in demonstrating for the first time the class A regime with this type of laser. In single frequency regime, the maximum output optical power obtained is 3 mW. This allowed us to measure a low relative intensity noise level (RIN) of - 160 dB/Hz limited by the shot noise over a wide bandwidth ranging from 2 MHz to 20 GHz. The compactness, low power consumption and low noise of this laser are of great interest in fields such as microwave optics or coherent telecommunications. In this study, we also studied a dual-frequency QDs based VECSEL, in order to realize a direct measurement of the Lamb coupling constant C. First measurements enabled to characterize this device in multimode regime. A filtering effect of the longitudinal modes has been observed related to the intracavity diamond heat spreader bonded on the chip. The oscillation of two orthogonal linear polarizations, necessary for the measurement of the coupling constant, has been also obtained experimentally. These measurements made it possible to establish that the gain accessible on the QDs device did not allow for the moment to compensate all the optical losses introduced by intracavity elements of the experimental bench dedicated for the measurement of the coupling constant. This study remains to be finalized to be able to conclude on the interests of QDs for the realization of dual frequency lasers.