Bruit, Dynamique et Lumière Comprimée dans les Lasers à Boîtes Quantiques et à Cascade Interbande

Noise, Dynamics and Squeezed Light in Quantum Dot and Interband Cascade Lasers

• Auteur / Autrice : Shiyuan Zhao
• Direction : Frédéric Grillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et optoélectronique
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• 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-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Jesper Mork
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jesper Mork, Marc Vallet, Gian Luca Lippi, Gaelle Lucas-Leclin, Mariangela Giovanni
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Vallet, Gian Luca Lippi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à semi-conducteur

Points quantiques

États comprimés (optique)

Diodes laser

Mots clés libres

Lasers à Boîtes Quantiques

Lasers à Cascade Interbande

Bruit

Dynamique Non-Linéaire

Lumière Comprimée

Quantum Dot Lasers

Interband Cascade Lasers

Noise

Nonlinear Dynamics

Squeezed light

Résumé

Les lasers à semiconducteurs sont devenus omniprésents aussi bien dans la recherche scientifique que dans les applications en ingénierie, et leur miniaturisation a fait d'importants progrès depuis leur première démonstration en 1960. Deux avancées majeures dans ce domaine incluent les lasers à boîtes quantiques (QD), qui opèrent dans la plage de longueurs d'onde proche de l'infrarouge, et les lasers à cascade interbande (ICL), conçus pour une utilisation dans le moyen infrarouge. Dans le paysage actuel de l'optoélectronique, les circuits intégrés photoniques (CIP) jouent un rôle essentiel et étendu. Ils offrent une évolutivité inégalée, un poids réduit, une rentabilité et une efficacité énergétique en permettant la fabrication de systèmes optiques complets à l'aide de blocs de construction polyvalents intégrés sur une seule puce. Dans ce contexte, la croissance épitaxiale directe de matériaux III-V sur du silicium offre des perspectives prometteuses en tant qu'approche convaincante pour le développement de sources laser cohérentes. Les lasers à boîtes quantiques, avec leur confinement ultime des porteurs en trois dimensions, leur grande stabilité thermique et leur tolérance robuste aux défauts épitaxiaux, sont des candidats prometteurs pour servir de sources laser sur puce. De plus, les ICL sont également bien adaptés à l'intégration dans le silicium, ce qui en fait des candidats idéaux pour les systèmes compacts de détection chimique. Les considérations liées au bruit sont en effet primordiales lorsqu'il s'agit d'évaluer la qualité et la fiabilité des cette technologie. Atteindre la limite du bruit de grenaille et la largeur de raie de Schawlow-Townes a longtemps été reconnu comme des étapes significatives. Pour résoudre les problèmes de bruit, toute une gamme de techniques de réduction du bruit a été explorée, allant de la rétroaction optique passive dans une cavité externe aux mécanismes actifs de rétroaction électronique visant à compenser les fluctuations du courant d'injection. Cependant, bien que les systèmes de rétroaction puissent atténuer le bruit du laser, ils peuvent également introduire des dynamiques non linéaires plus complexes, donnant lieu à des phénomènes tels que l'oscillation périodique, l'oscillation en créneaux et le chaos. La première partie de cette thèse porte sur une investigation approfondie du bruit et de la dynamique dans deux types de lasers distincts. On constate que les lasers à boîtes quantiques présentent un degré élevé de robustesse lorsqu'ils sont exposés à des réflexions optiques parasites, mais manifestent une sensibilité accrue à la rétroaction optoélectronique. En revanche, les ICL affichent une gamme de comportements dynamiques lorsqu'ils sont soumis à une rétroaction optique. De plus, les récents progrès dans les circuits de pompage à faible bruit pour les lasers ont conduit à la génération de lumière comprimée en amplitude. Il s'agit d'une transition du bruit classique au bruit quantique, ouvrant de nouvelles possibilités dans le domaine de la technologie laser et de l'optique quantique. La deuxième partie de cette thèse se penche sur le phénomène de la compression en amplitude à la fois dans les lasers à boîtes quantiques et dans les ICL. Les résultats indiquent que les deux types de lasers peuvent présenter une large bande passante de compression et un niveau significatif de compression. Toutes ces conclusions dans cette étude contribuent à une compréhension plus profonde des caractéristiques des lasers à boîtes quantiques et des ICL, jetant les bases du développement de sources émettrices classiques et quantiques de haute performance sur des CIP à l'avenir.

Semiconductor lasers have become ubiquitous in both scientific research and engineering applications, and their miniaturization has made significant strides since their initial demonstration in 1960. Two prominent advancements in this domain include quantum dot (QD) lasers, which operate in the near-infrared wavelength range, and interband cascade lasers (ICLs), designed for mid-infrared operation. Two prominent advancements in this domain include quantum dot (QD) lasers, which operate in the near-infrared wavelength range, and interband cascade lasers (ICLs), designed for mid-infrared operation. In the current landscape of optoelectronics, photonic integrated circuits (PICs) play a pivotal and far-reaching role. They offer unmatched scalability, reduced weight, cost-effectiveness, and energy efficiency by enabling the fabrication of complete optical systems using versatile building blocks seamlessly integrated onto a single chip. In this context, the direct epitaxial growth of III-V materials on silicon holds promise as a compelling approach for the development of coherent laser sources. QD lasers with their ultimate three-dimensional carrier confinement, high thermal stability, and robust tolerance for epitaxial defects are promising candidates for serving as on-chip laser sources. Additionally, ICLs are also well-suited for integration into silicon, making them ideal for compact chemical sensing systems. Noise considerations are indeed paramount when it comes to assessing the quality and reliability of technologies. Achieving the shot noise limit and the Schawlow-Townes linewidth has long been recognized as significant milestones. To tackle noise issues, a range of noise reduction techniques has been explored, encompassing passive optical feedback within an external cavity and active electronic feedback mechanisms to compensate for injection current fluctuations. However, while feedback systems can mitigate laser noise, they can also introduce more intricate nonlinear dynamics, giving rise to phenomena like periodic oscillation, square-wave oscillation, and chaos. The first part of this thesis involves an in-depth investigation into noise and dynamics in two distinct laser types. QD lasers are found to exhibit a high degree of robustness when exposed to parasitic optical reflections but manifest increased sensitivity to optoelectronic feedback. Conversely, ICLs display a spectrum of dynamic behaviours when subjected to optical feedback. Furthermore, recent advancements in low-noise pumping circuits for lasers have led to the generation of amplitude-squeezed light. This represents a transition from classical noise to quantum noise, opening up new possibilities in the field of laser technology and quantum optics. The second part of this thesis delves into the phenomenon of amplitude squeezing in both QD lasers and ICLs. The findings indicate that both types of lasers can exhibit broadband squeezing bandwidth and a significant level of squeezing. All these outcomes in this study contribute to a deeper comprehension of the characteristics of QD lasers and ICLs, laying the groundwork for the development of high-performance classical and quantum emitters on PICs in the future.