Laser à peigne de fréquences intégrés

Integrated frequency comb lasers

• Auteur / Autrice : Aleksei Borodkin
• Direction : Mathias Marconi, Evgeny Viktorov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur en cotutelle avec ITMO University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Giovanna Tissoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathias Marconi, Evgeny Viktorov, Giovanna Tissoni, Bryan Kelleher, Kamel Merghem, Fabrice Raineri, Alexei Romanov, Evgenii Kolodeznyi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bryan Kelleher, Kamel Merghem

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Laser à semi-conducteur

Peigne de fréquence optique intégrée

Lasers à verrouillage modal

Verrouillage modal passif

Verrouillage modal hybride

Semiconductor laser

Integrated optical frequency comb

Mode-locked laser

Passive mode locking

Hybrid mode locking

Résumé

Les peignes de fréquences optiques (OFC) sont des sources lumineuses présentant un spectre constitué d'un ensemble de modes équidistants et verrouillés en phase. Bien qu'à l'origine, les OFC aient été utilisés pour la métrologie, permettant une précision sans précédent des mesures de fréquence, l'éventail des applications qui s'appuient sur les OFC est aujourd'hui beaucoup plus large. Les développements récents des technologies d'intégration telles que l'impression par micro-transfert hétérogène (III-V-sur-Silicium) et l'intégration hybride ont ouvert la voie à des solutions basées des technologies semi-conductrices à haut rendement énergétique. Ainsi, divers types d'OFC intégrés, comme les lasers à verrouillage modal en amplitude (AM) ou en fréquence (FM) à une section ou multi-section ont été développés pour de nombreuses applications, y compris la détection, la spectroscopie et le transfert de données. Une modulation électrique RF externe des OFC intégrés permet d'augmenter la bande passante et la plage de d'accrochage en fréquence, ce qui améliore encore la polyvalence de ces appareils.Dans ce travail, nous étudions expérimentalement les propriétés spectrales et temporelles des OFC émis par deux types de lasers intégrés : (i) un laser bi-sections à cavité en anneau III-V-sur-Silicium à verrouillage modal (AM), (ii) un laser ruban à bâtonnets quantiques mono-section. Dans un premier temps, nous analysons les propriétés spectrales d'un peigne de fréquences optiques émis par un laser III-V-sur-Silicium en anneau fonctionnant dans le régime de verrouillage en mode hybride (HML). Dans ce régime une modulation externe RF active est appliquée à la section absorbant saturable (AS). Nous démontrons que le laser HML a des réponses disparates à une modulation RF externe en fonction de la tension appliquée à l'absorbant saturable et du courant de la pompe. Tout d'abord, nous montrons que le fonctionnement hybride avec modulation externe ne dégrade pas le fonctionnement optimal du laser à verrouillage modal passif sur l'ensemble de la région de verrouillage, c'est-à-dire la plage de modulation externe électrique RF dans laquelle le taux de répétition du laser peut être accroché à la modulation externe. De plus, nous démontrons également, à partir d'un régime de verrouillage de mode passif incomplet et en utilisant la fréquence de modulation comme paramètre de contrôle, l'amélioration progressive des caractéristiques de verrouillage dans la plage d'accordabilité du taux de répétition du laser.De plus, nous étudions les lasers à semi-conducteurs III-V-sur-Silicium fonctionnant en mode de verrouillage modal passif. Nous trouvons un régime qui persiste dans une large gamme de tensions de l'AS et de gain et dans lequel il existe deux états à verrouillage modal caractérisés par des taux de répétition légèrement différentes. Le laser émet soit dans l'un des états de verrouillage modal, soit dans les deux états coexistants. Nous démontrons que dans ce dernier cas, les deux peignes optiques sont séparés spectralement mais verrouillés mutuellement par le faible couplage spectral, nous définissons cet état de verrouillage comme étant inter-verrouillé. Par l'application d'une modulation RF active de l'AS, nous testons le couplage et le transfert de cohérence entre les deux peignes dans un régime HML. Nous montrons également la possibilité de réaliser le verrouillage complet des deux peignes à la modulation électrique RF externe.Enfin, nous étudions les caractéristiques d'un autre type d'OFC intégré, à savoir le laser ruban à bâtonnets quantiques mono-section. Nous présentons une expérience permettant d'augmenter la largeur spectrale du peigne émis par le laser par l'injection d'un bruit optique à large bande provenant d'un amplificateur optique à semi-conducteur externe. L'injection de bruit induit une Amplification des modes latéraux du laser à OFC qui acquièrent une relation de phase fixe avec les modes centraux du peigne.

Optical frequency combs (OFCs) are light sources with a spectrum consisting of a set of equidistant and phase-locked modes. Although OFC was originally used for metrology, enabling unprecedented accuracy of frequency measurements, the range of applications that rely on OFC is now much wider. It includes precision spectroscopy, one of the methods which was developed by John L. Hall and Theodor W. Hänsch, who were awarded the Nobel Prize in Physics for their new measurement technique in 2005. Recent developments in integration technologies such as heterogeneous micro-transfer printing (III-V-on- silicon) and hybrid integration have paved the way for solutions based on energy-efficient semiconductor technologies. Thus, various types of integrated OFCs, such as single- or multi-section amplitude (AM) or frequency (FM) modulated mode-locked lasers have been developed for many applications, including sensing, spectroscopy, and data transfer. External electrical RF modulation of the OFCs can increase the frequency bandwidth and tunability range, further enhancing the versatility of these devices. In this work, we experimentally study the spectral and temporal properties of OFCs emitted by two types of integrated lasers: (i) a mode-locked (AM) III-V-on-Silicon ring cavity bi-section laser, (ii) a single-section quantum dash ridge laser.First, we analyze the spectral properties of an OFC emitted by a III-V-on-Silicon ring laser operating in the Hybrid Mode Locking (HML) regime. In this regime, active external RF modulation is applied to the saturable absorber section (SA). We demonstrate that the HML laser has disparate responses to external RF modulation as a function of the voltage applied to the saturable absorber and the pumping current. First, we show that hybrid operation with external modulation does not degrade the optimal operation of the passive mode-locked laser over the entire locking region i.e., the RF external modulation frequency range in which the repetition rate of the laser can be locked to the external modulation. In addition, we also demonstrate, from an incomplete passive mode-locking regime and using the modulation frequency as a control parameter, the gradual improvement of the locking characteristics in the tunability range of the laser repetition rate. This effect is maximized at the edge of the locking band and is manifested by an increase in spectral width and a decrease in the modal optical linewidth.In addition, we are investigating III-V-on-Si lasers operating in passive mode-locking regime. We find a regime that persists in a wide range of SA voltage and gain and in which there are two mode-locked states characterized by slightly different repetition rates. The laser emits either in one of the states or in both coexisting states. We show that in the latter case, the two combs are spectrally separated but mutually locked by the weak spectral coupling, we define this locking state as interlocked. By applying an active RF modulation of the SA, we test the coupling and coherence transfer between the two combs in an HML regime. We show the possibility to achieve the complete locking of both combs to the external RF modulation.Finally, we study the characteristics of another type of integrated OFC, namely the single- section quantum dash ridge laser. We present an experiment allowing to increase the spectral width of the comb emitted by the laser by injecting a broadband optical noise from an external semiconductor optical amplifier. Noise injection induces an amplifica- tion of the lateral modes of the OFC laser that acquire a fixed phase relationship with the central modes of the comb. We demonstrate a two-times expansion of the OFC laser spectrum using this technique.