Academic literature on the topic 'Cavité à miroirs de Bragg'

L'objectif de cette thèse vise à l'étude d'un laser à cavité étendue et/ou filtre optique, dont le miroir externe est un réseau de Bragg à pas variable linéairement. En ce qui concerne le milieu à gain dans le résonateur, l'amplificateur optique à semiconducteur (SOA, Semiconductor Optical Amplifier) peut offrir toutes les caractéristiques et avantages classiques et typiques tels que large bande passante spectrale de 50 nm, faible consommation, haute rapidité de commutation électro-optique etc.... Par conséquent, ce type de laser et/ou filtre optique offre de nombreuses applications intéressantes dans le domaine des télécommunications optiques.Dans cette recherche, les premiers travaux sont la conception de la cavité continuum passive à l'aide d'un réseau de Bragg à pas variable. A l'intérieur de cette cavité continuum, formée entre un miroir et un réseau de Bragg chirpé, toutes les longueurs d'onde de Bragg oscillent simultanément ; la phase après un aller-retour de chaque longueur d'onde doit rester constante. La largeur de bande passante du spectre de transmission peut être ajustée dans la bande C (entre 1525 nm et 1565 nm) pour répondre aux besoins des systèmes de multiplexage en longueur d'onde (WDM, Wavelength-Division Multiplexing). On appliquera dans un premier temps ce concept de cavité continuum à la conception et la réalisation d'un filtre optique à bande passante variable. Puis dans un deuxième temps on rajoute un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) dans cette cavité pour réaliser un laser dit continuum. On s'attend à une émission sur un large spectre défini par la bande de réflexion du réseau chirpé. Le contrôle et la compréhension des phénomènes liés à cette émission lumineuse feront l'objet de cette étude. La cavité laser dite continuum sera étudiée en régime d'injection optique. L'idée est d'utiliser cette source comme amplificateur résonant fonctionnant en régime d'injection locking. La contribution dans cette thèse couvre à la fois la modélisation numérique, et les manipulations expérimentales. La conception du filtre ainsi que des mesures expérimentales de validation ont été complètement réalisés sur une structure hybride constituée d'une cavité à fibre optique incluant les réseaux de Bragg. Un bon accord entre théorie et expérience a été obtenu. Par contre, les calculs ont montré qu'un filtre optique intégré sur semi-conducteur utilisant ce concept de cavité n'avait pas d'intérêt. Les propriétés spectrales du filtre réalisé montrent en effet qu'on ne pourra obtenir qu'un faible taux de réjection et une qualité médiocre de forme de filtre en version intégrée. La réalisation expérimentale d'une cavité laser continuum a pu être démontrée et les propriétés spectrales enregistrées. En particulier une émission laser avec une largeur de spectre de 10 nm a été observée. Même si il reste un grand travail de caractérisation et de modélisation pour comprendre totalement les mécanismes qui gouvernent le fonctionnement d'une telle structure, c'est un résultat totalement nouveau que l'on a obtenu ici. Cette structure a par ailleurs été testée en régime d'injection optique. Un fonctionnement d'injection locking est obtenu qui permet à cette structure de jouer le role d'amplificateur à faible bruit.

Dans cette thèse, nous caractérisons expérimentalement les modes acoustiques et op- tiques de cavités à miroirs de Bragg de GaAs/AlAs, planaires et en micro-piliers. L’objectif est d’étudier le couplage optomécanique de ce type de système avec des expériences de transpa- rence induite optomécaniquement. La caractérisation des modes acoustiques de haute fréquence (20 GHz) est effectuée par expériences d’acoustique pico-seconde, à basse température. On utilise la technique d’excitation sous-harmonique résonante afin de contourner la limite de résolution fréquentielle de l’expérience. Grâce à cette technique, nous avons mesuré des facteurs de qua- lité acoustiques jusqu’à 3 · 10 ^4 , ce qui donne un produit facteur de qualité-fréquence Q m f m de 5 × 10 ^14 Hz à 20 K. La caractérisation des modes optiques s’effectue avec un montage de mesure de réflectivité qui est également utilisé pour les expériences de transparence induite optomécaniquement. Nous n’avons pas observé expérimentalement de signal de transparence induite. À partir de calculs réalisés pour simuler les résultats attendus, nous avons pu estimer une borne supérieure du couplage optomécanique à basse température de ces cavités à miroirs de Bragg de GaAs/AlAs planaires, g 0 < 2π·60 kHz
Here, we experimentally characterize acoustic and optical modes of GaAs/AlAs Bragg mirror planar and micropillar cavities. The goal is to study the optomecanical coupling of such sys- tem with optomecanically induced transparency experiments. To characterize the high frequency acoustic modes (20 GHz) of the cavity, we use picosecond acoustic experiments, along with a subharmonic excitation technique, at low temperature. It allows to overcome the frequency resolution limitation of the experiment. Thanks to this technique, we measure acoustic quality factors as high as 3 · 10 ^4 , which gives a quality factor frequency product Q m f m of 5 × 10 ^14 Hz at 20 K. The optical mode characterization is performed with a reflectometric setup, which is also used for the induced transparency measurements. We did not experimentally observed any induced transparency signal. From calculation realized to simulate the result we expected, we were able to estimate an upper bound of the optomecanical coupling of the studied GaAs/AlAs Bragg mirror planar cavity at low temperature, g 0<2π·60 kHz

La géométrie innovante du laser à cavité verticale présente un attrait considérable pour quelques applications spécifiques telles que les interconnexions optiques massivement parallèles ou l'ordinateur optique qui nécessitent des réseaux uni- ou bi-dimensionnels de lasers à faible courant de seuil. Dans le dessein de réaliser un laser à cavité verticale monolithique émettant aux longueurs d'onde d'intérêt pour les télécommunications optiques (1,3-1,55 µm), le système semiconducteur AlGaAsSb permet d'atteindre de très haut pouvoirs réflecteurs pour les miroirs de Bragg, qui constituent les éléments clés de ce type de composant. La pierre angulaire de ce travail a été d'établir les conditions de croissance par Épitaxie par Jets Moléculaires des couches antimoniures sur InP et sur GaSb. En particulier l'accord de maille de AlGaAsSb sur InP a été obtenu malgré les difficultés liées à une lacune de miscibilité à ces compositions. Le choix de multipuits GaInSb dans des barrières de AlGaAsSb comme zone active sur GaSb émettant à 1,55 µm, nous a permis d'atteindre une émission laser à température ambiante sur des lasers à émission par la tranche, ce résultat constituant une première mondiale. La réalisation de miroirs de Bragg performants aux longueurs d'onde de 1,55 µm et 2 µm valide les grandes potentialités du système semiconducteur AlGaAsSb/AlAsSb pour la fabrication de lasers à cavité verticale fonctionnant dans le proche infrarouge. De même la croissance d'une structure à cavité verticale 3l centrée à 1,5 µm montre la faisabilité de lasers à cavité verticale totalement monolithiques sur GaSb pour les applications aux télécommunications optiques.

Cette thèse propose une nouvelle méthode pour générer des spectres continus avec des applications possibles dans les réseaux d'accès optiques WDM. Cette nouvelle méthode devrait permettre le développement d'une structure laser type continuum avec de meilleures performances en termes de coût et de simplicité comparées aux sources supercontinuum actuelles. Dans ce but, nous avons analysé la possibilité d'élargir les modes résonants d'une cavité Fabry-Perot en n’agissant que sur la conception de l'un des miroirs de la cavité. La conception du miroir est réalisée avec un algorithme génétique en ciblant un spectre de réflectivité souhaitée. Un milieu actif est alors ajouté à l'intérieur de la cavité formée avec un tel miroir synthétisé et son comportement en dessous du seuil est simulé. Les spectres des cavités ainsi obtenues sont continus sur une bande de 5 à 15nm
This thesis proposes a new method for the generation of continuous spectra with possible applications in optical WDM access networks. This new method would allow the development of a continuum laser type structure with better performances in terms of cost and simplicity compared to the current supercontinuum sources. For this purpose, we have analyzed the possibility of extending the resonant modes of a Fabry-Perot cavity acting only on the design of one of the cavity mirrors. The design of the mirror is generated with a genetic algorithm targeting a desired reflectivity spectrum. An active medium is then added inside the cavity formed with the synthesized mirror and the cavity’s emission is simulated below the lasing threshold. The spectra thus obtained are continuous on an interval of 5 to 15 nm

L'étude des différents modes de relaxation des contraintes a montré que dans les nitrures d'éléments III orientés suivant l'axe [0001], celle-ci ne peut pas s'opérer par le glissement de dislocations traversantes. Pour les films soumis à une contrainte extensive, la relaxation des contraintes fait intervenir la fissuration du film puis l'introduction de dislocations d'interface à partir des bords des fissures. La caractérisation d'hétérostructures fissurées (Al,Ga)N / GaN par microscopie électronique en transmission (MET) et diffraction des rayons X (DRX), a mis en évidence un mécanisme coopératif entre la fissuration et la relaxation ductile. Une forte dépendance du taux de relaxation avec l'épaisseur du film d'(Al,Ga)N a été mise en évidence. Les propriétés de croissance latérale de l'épitaxie en phase vapeur à base d'organométalliques (EPVOM), permettent dans certaines conditions de croissance de cicatriser les fissures. Nous avons ainsi obtenu des films d'AlGaN (20% en Al) épais, relaxés et de bonne qualité cristalline. Ces pseudo-substrats d'(Al,Ga)N ont été utilisés pour effectuer la croissance pseudomorphe de miroirs de Bragg (Al,Ga)N/GaN. La caractérisation de ces structures a été réalisée aussi bien en ce qui concerne l'état de contraintes que les propriétés optiques et électriques. Une méthode de mesure de la résistivité des miroirs de Bragg compatible avec une technologie planaire a notamment été développée. Enfin, des diodes électroluminescentes à cavité résonante (DEL-CR) ont été réalisées afin de valider la méthode proposée pour la croissance de films épais d'(Al,Ga)N.

This research work has been conducted to introduce a novel class of Fabry-Perot (FP) resonators : curved FP cavity based on coating-free Bragg mirrors of cylindrical shape, obtained by silicon micromachining. Another specificity is the rather large cavity lengths (L>200 µm) combined with high quality factor Q (up to 104), for the purpose of applications requiring cavity enhanced absorption spectroscopy, in which the product Q.L is a figure of merit. In this contest, the basic architecture has been modeled analytically to know the high order transverse modes supported by such cavities. Hence, the experimental conditions which lead to preferential excitation (or rejection) of these modes have been tested experimentally leading to the validation of our theoretical model and to a better understanding of the cavity behaviour. A second architecture, based on the curved FP together with a fiber rod lens has been developed for the purpose of providing stable designs. It was also modeled, fabricated and characterized leading to the expected performance improvements. On another side, a highlight on one of the potential applications that we identified for the curved cavities is presented by inserting the cavity into an electro-mechanical system. It consists of exciting and measuring tiny vibration through opto-mechanical coupling in a MEMS mechanical resonator embedding an FP cavity.Finally, as a complement to our study on resonators, we started exploring applications of optical interferometers based on similar micromachined silicon Bragg mirrors. For this purpose, an optical measurement microsystem was designed, fabricated and characterized ; it consists of an optical probe for surface profilometry in confined environments, based on an all-silicon Michelson interferometer

Ce travail de thèse porte sur l'étude et le développement de composants à cavité verticale dans le contexte des réseaux courtes et moyennes distances multiplexés en longueur d'onde autour de 1,55 μm. Pour fabriquer de telles structures, nous avons tout d'abord développé des miroirs de Bragg diélectriques constitués de silicium amorphe et de nitrure de silicium. La différence d'indice (1,9) élevée entre ces matériaux a permis d'atteindre les hautes réflectivités (R = 99,5%) nécessaires au bon fonctionnement des VCSELs. A la suite du développement de ces miroirs, nous avons réalisé un VCSEL, reporté sur substrat silicium par collage métallique AuIn2, comprenant deux miroirs diélectriques et une zone active à base de puits quantiques InGaAs/InGaAsP. Les caractérisations et les études par simulation du VCSEL ont engendré plusieurs optimisations, et ont permis d'obtenir une émission laser continue sous pompage optique jusqu'à une température de 35°C. Ces résultats encourageants ont validé notre processus de fabrication ainsi que la fiabilité et la bonne qualité des miroirs de Bragg diélectriques. Pour s'affranchir du caractère instable de la polarisation de ces VCSELs nous avons proposé l'utilisation de nanostructures quantiques InAs/InP anisotropes se présentant sous forme de fils. L'étude de ces structures et leur mise en cavité ont démontré leur intérêt pour introduire une anisotropie du gain permettant d'assurer une polarisation stable. Nous avons développé un VCSEL accordable suivant une nouvelle approche. Le principe repose sur l'insertion d'une couche de phase électro-optique à base de nano-PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) dans la cavité du VCSEL. Le nano-PDLC, permet d'obtenir une variation isotrope de l'indice de réfraction sous l'action d'une tension. La réalisation d'un prototype pompé optiquement a permis une première démonstration de faisabilité d'un VCSEL accordable par voie électro-optique. Une accordabilité de 10-nm autour de 1.55-μm a été mesurée pour une tension de 170V, et le temps moyen de commutation sur la gamme spectrale est de 30 μs.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et la réalisation de lasers à cavité verticale accordable et émettant à 1,55 µm, destinés aux applications télécom, capteurs intégrés et imagerie médicale. En vue de réaliser des VCSELs accordables sur de large gamme spectrale (>> 50 nm), ce travail de thèse s'est attaché à étudier et à améliorer les éléments clés constitutifs de ces dispositifs, à savoir : les miroirs de Bragg, la zone active, et les performances optiques et thermiques des VCSELs. Le fort contraste d'indice (Δn~1,9) des matériaux diélectriques (a-Si/a-SiN,x) a permis d'avoir une bande passante du miroir de Bragg suffisamment large (~700 nm) et des hautes réflectivités (~99,6%), assurant un bon fonctionnement du VCSEL. Pour la région active, nous avons opté pour les fils quantiques, qui grâce à leur dispersion en taille, permettent de bénéficier d'un gain matériau large bande. La réalisation d'un VCSEL à fils quantiques avec des miroirs diélectriques a permis une première démonstration internationale d'une émission laser sur un large domaine spectral de plus de 117 nm, couvrant ainsi les bandes de télécommunication optique C et L. L'émission laser est obtenue sous pompage optique continu jusqu'à une température de 42°C avec une puissance émise maximale de 1,3mW. Pour améliorer la puissance émise du laser, une étude en fonction du nombre de paires du miroir de sortie a été conduite. Pour un nombre de paires variable (4, 5 et 6 paires), le meilleur compromis a été obtenu pour un miroir de sortie comportant uniquement 4 paires, permettant d'accroitre la puissance émise de 0,1 mW (6 paires) à 1,3 mW (4 paires). Dans ce cas, l'amélioration des performances optiques s'est traduite également par un meilleur rendement quantique différentiel externe du laser et une augmentation de la plage de fonctionnement en puissance de pompe. Afin d'améliorer la dissipation thermique du VCSEL, le concept du miroir hybride a été développé. Ce dernier permet de conserver voire d'améliorer la réflectivité du miroir diélectrique classique tout en réduisant le nombre de paires le constituant. Ceci a permis de démontrer expérimentalement une diminution de 29 % de la résistance thermique, ce qui confirme l'efficacité du miroir hybride pour être une alternative potentielle au miroir diélectrique classique. Cette amélioration de l'aspect thermique a permis une augmentation de la température de fonctionnement jusqu'à 45°C et une puissance émise maximale de 1,8 mW. La réalisation du procédé TSHEC combiné au miroir hybride enterré, a permis d'améliorer encore davantage les performances optiques et thermiques du VCSEL. Ainsi, avec un miroir enterré de 20 µm de diamètre, nous avons démontré une puissance émise maximale de 2,2 mW avec une plage de fonctionnement en puissance de pompe plus large et une température de fonctionnement allant jusqu'à 55°C. L'ensemble de ces optimisations seront prochainement implémentées dans les structures VCSELs accordables du projet ANR HYPOCAMP
This thesis focuses on the study and realization of broadband vertical cavity lasers emitting at 1,55 µm, useful for telecom applications, integrated sensors and medical imaging. ln order to achieve tunable VCSELs over broad spectral range(>> 50 nm), this thesis focused on the study and improvement the key components of these devices, which are: Bragg mirrors, active region and optical and thermal performances of VCSELs. The high index contrast (Δn~1,9) of dielectric materials (a-Si/a-SiN.) allowed a large bandwidth mirror (~700 nm) and high reflectivity (99.6%), ensuring a good VCSEL operation. For the active region, we opted for using quantum dashes, and thanks to their size dispersion allow having a broadband gain material. The realization of the quantum dashes based VCSEL with dielectric mirrors allowed a first international demonstration of a laser emission over a broadband of 117 nm, covering the optical telecommunication C and L bands. The laser emission is obtained under continuous optical pumping up to 42°C with a maximum output power of 1.3 mW. To improve the emitted laser power, a study based on the number of the output mirror pairs was conducted. For a variable number of pairs (4, 5 and 6 pairs), the best compromise was obtained for an output mirror with 4 pairs only, for which the output power is increasing from 0.1 mW (6 pairs) to 1.3 mW (4 pairs). ln this case, besides the increase of the output power, performance improvement is also reflected by improved external differential quantum efficiency of the laser and an increase in the operating range of the pump power. To improve the thermal aspect of the VCSEL, an approach based on the use of hybrid mirror was developed. This allows to keep even to improve the reflectivity of the standard dielectric mirror while reducing its number of pairs. Experimentally, it has been demonstrated a 29 % reduction in thermal resistance, confirming the effectiveness of the hybrid mirror to be a potential alternative to standard dielectric mirror. This improvement in term of thermal dissipation allowed an increase in operating temperature up to 45°C and a maximum output power of 1.8 mW. The realization of TSHEC process based on buried hybrid mirror, allowed further optical and thermal enhancements. Thus, with a 20 µm Bragg mirror diameter, we have demonstrated a maximum output power of 2.2 mW with a larger pump power operating range and a temperature operating up to 55 °C. All these optimizations will soon be implemented within the tunable VCSEL structures of HYPOCAMP ANR project

L’émergence des verres dopés à l’erbium a permis le développement d’une multitude d’applications. Toutefois, plusieurs de ces applications comme le LIDAR, la spectroscopie infrarouge et la génération de radiation infrarouge pour les oscillateurs paramétriques optiques pourraient bénéficier d’un milieu possédant une large plage de gain au-delà de celle offerte par l’erbium. C’est ce que permet le thulium avec sa plage de gain s’étalant de 1.7 μm à 2.1 μm. Entraînés par les succès de l’erbium pour la production d’impulsions, plusieurs chercheurs transposent les concepts développés pour l’erbium vers le thulium. Parmi les différentes méthodes de conception d’une cavité laser, les cavités linéaires à rétroaction distribuée ou à miroirs de Bragg permettent la mise en place d’un laser monolithique de très petite taille. Selon le schéma de pompage, il est possible d’opérer un tel laser en régime continu tout comme en régime impulsionnel. Ce document présente la mise en application d’un laser à fibre dopée thulium muni d’une cavité linéaire avec miroirs de Bragg. Dans un premier temps, nous présentons le modèle utilisé pour effectuer la simulation du comportement dynamique du laser. Ce modèle permet d’implémenter un algorithme de simulation numérique capable de prendre en considération l’excitation impulsionnelle, les effets dispersifs induits par le réseau de Bragg et les effets non linéaires intrinsèques à la fibre optique. Ensuite, on présentera la caractérisation des différentes composantes nécessaires à la réalisation du laser au thulium, notamment l’amplificateur à l’erbium pour la production d’impulsions pompe de haute énergie pour l’excitation impulsionnelle du laser à fibre dopée thulium. Enfin, on présentera les performances du laser muni de miroirs de Bragg qu’on comparera aux résultats de simulations numériques.
The emergence of erbium doped glasses has allowed the development of many technologies. However, applications such as LIDAR, infrared spectroscopy and infrared sources for optical parametric oscillators all benefit from having a wide gain bandwidth farther in the infrared than what erbium doped glasses allow. Thulium has shown to be a good candidate for such applications due to its wide gain bandwidth ranging from 1.7 μm to 2.1 μm. Inspired by the success in laser pulse generation from erbium doped media, many researchers decided to apply the knowledge acquired from erbium doped laser sources to thulium doped laser sources. We chose to use a linear distributed Bragg reflector cavity, which allows us to implement a monolithic laser of a very small size. Depending on the pumping scheme, it is possible to operate this laser in a CW regime as well as in a pulsed regime. This document details the implementation of a thulium doped fiber laser in a linear cavity with distributed Bragg reflectors. We first develop the theoretical model used for the simulation of our laser’s dynamics. This model allows us to implement numerical simulations able to treat pulsed pumping, dispersive effects induced by the fiber Bragg grating and intrinsic nonlinear effects. We then characterize the erbium-ytterbium doped phosphate fiber amplifier used to generate pump pulses, along with the other components of the thulium doped fiber laser cavity. The numerical model is then validated by comparing numerical simulations to experimental results obtained from our thulium doped laser.