Дисертації з теми "Nonlinear lasers dynamics"
Щоб переглянути інші типи публікацій з цієї теми, перейдіть за посиланням: Nonlinear lasers dynamics.
Оформте джерело за APA, MLA, Chicago, Harvard та іншими стилями
Ознайомтеся з топ-50 дисертацій для дослідження на тему "Nonlinear lasers dynamics".
Біля кожної праці в переліку літератури доступна кнопка «Додати до бібліографії». Скористайтеся нею – і ми автоматично оформимо бібліографічне посилання на обрану працю в потрібному вам стилі цитування: APA, MLA, «Гарвард», «Чикаго», «Ванкувер» тощо.
Також ви можете завантажити повний текст наукової публікації у форматі «.pdf» та прочитати онлайн анотацію до роботи, якщо відповідні параметри наявні в метаданих.
Переглядайте дисертації для різних дисциплін та оформлюйте правильно вашу бібліографію.
1
Eriksson, Stefan. "Nonlinear dynamics of optically injected semiconductor lasers." Helsinki : University of Helsinki, 2002. http://ethesis.helsinki.fi/julkaisut/mat/fysik/vk/eriksson/.
2
Jiad, Khalid Mohammed. "Nonlinear dynamics of optically pumped laser." Thesis, Heriot-Watt University, 1993. http://hdl.handle.net/10399/1403.
3
Olejniczak, Lukasz. "Polarization properties and nonlinear dynamics of quantum dot lasers." Thesis, Metz, 2011. http://www.theses.fr/2011METZ001S/document.
Анотація:
Dans cette thèse nous présentons dans un premier temps nos résultats expérimentaux sur les instabilités de polarisation de lasers à boîtes quantiques (QD) et à cavité verticale (VCSELs). Ces instabilités présentent des caractéristiques différentes de celles observées dans les lasers VCSELs à puits quantiques : une compétition se produit entre deux états polarisés elliptiquement et non orthogonaux, qui donne lieu à une dynamique de saut de mode de polarisation dans le temps. Le temps de séjour moyen dans un mode décroit de huit ordres de grandeur en augmentant le courant d’injection (de la seconde à la nanoseconde). A notre connaissance ceci constitue la première observation d’une dynamique de polarisation d’un VCSEL avec une échelle de temps aussi diversifiée.Nous présentons ensuite une étude théorique d’un laser QD avec injection optique, en prenant en compte la dynamique des porteurs de charge vers des états énergétiques excités. Nous montrons qu’aux dynamiques d’impulsions excitables observées expérimentalement s’ajoutent des dynamiques auto-pulsées complexes résultant d’une phénomène de bifurcation autour d’un point de selle (« bottleneck »). Finalement nous avons étudié le cas d’un laser QD émettant simultanément depuis les états d’énergie fondamental et excité. Alors que la lumière est injectée dans laser QD esclave à la fréquence proche de l’état d’énergie fondamental, nous montrons que l’émission à la fréquence de l’état excité présente une dynamique auto-pulsée avec des impulsions très courtes (ps) suite à un mécanisme de basculement de gainIn this thesis we first show our experimental results on polarization instabilities in quantum dot (QD) lasers with vertical cavity, so called VCSELs. Their characteristics are different from what is typically observed in their QW counterparts: light that is linearly polarized close to lasing threshold becomes elliptically polarized as current is increased and then a wide region of polarization mode hopping between nonorthogonal, elliptically polarized modes sets on. Within this region the average dwell time decreases by eight orders of magnitude from seconds to nanoseconds. To our best knowledge this is the first observation of such a diversified dynamics of polarization mode hopping in a single VCSEL. We have also carried out theoretical studies of optically injected QD lasers accounting for the intradot carrier dynamics through the higher-energy excited states. We show that experimentally observed excitable pulses are complemented by self-pulsations resulting from the so-called bottleneck phenomenon. Finally, we have theoretically investigated optically injected QD laser lasing simultaneously from the ground and excited states. We show that although the external light is injected to the ground state mode alone, modulation of the relaxation time induced by injected signal can provide a gain switching mechanism leading to generation of picosecond pulses from the excited state
4
Bauer, Stefan. "Nonlinear dynamics of semiconductor lasers with active optical feedback." Doctoral thesis, [S.l.] : [s.n.], 2004. http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=973616423.
5
Chan, Sze-Chun. "Nonlinear dynamics of semiconductor lasers for microwave photonics applications." Diss., Restricted to subscribing institutions, 2007. http://proquest.umi.com/pqdweb?did=1472130221&sid=1&Fmt=2&clientId=1564&RQT=309&VName=PQD.
6
Kozyreff, Gregory. "Nonlinear aspects of the dynamics induced by dissipative light-matter interaction." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2001. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/211644.
Анотація:
Dans cette thèse, nous avons appliqué les outils modernes de la théorie des systèmes dynamiques à l'étude des lasers. Le but de ce travail était de mieux comprendre les sources cohérentes existantes en vue de les améliorer et de proposer de nouveaux mécanismes d'amplification lumineuse.Motivé par de récentes expériences menées sur des lasers miniatures avec absorbant saturable, nous en avons repris la description théorique. Les nouvelles valeurs de paramètres suggérées par l'expérience nous ont amenés à découvrir de nouveaux comportements dynamiques pour ces systèmes. En particulier, nous avons décrit comment l'intensité délivrée par ces lasers devenait temporellement sinusoïdale, puis impulsionnelle sur un très petit intervalle de paramètres.
Par la connaissance acquise du laser à absorbant saturable, nous avons pu comprendre comment s'établissait un régime impulsionnel semblable dans un autre laser. Il s'agissait du laser multimode à pompage longitudinalement inhomogène. Il est apparu en effet qu'une partie du milieu emprisonné dans la cavité optique agissait à la manière d'un absorbant saturable, déstabilisant ainsi l'émission continue de ce laser. Nous avons également montré que, dans certaines circonstances, son état dynamique présentait des effets de mémoire. Une autre propriété importante de la dynamique du laser multimode a été mise en évidence: pour de petites perturbations, l'intensité totale présente un comportement plus régulier que les intensités modales prises séparément.
Ce type intrigant d'auto organisation fut rencontré plus tard, lorsque nous avons envisagé la dynamique d'un réseau de lasers à semi conducteur couplés par un feedback optique. Le retard accumulé par la lumière au cours de ce feedback est un paramètre essentiel du problème. Ce système important sur le plan technologique s'est révélé extrêmement riche sur le plan dynamique. Nous avons pu montrer que plus le retard était grand, plus les lasers avaient tendance à se synchroniser. Cela fut observé aussi bien en régime continu qu'en régime périodique ou chaotique. Par une telle synchronisation, la qualité du rayon optique émis par le réseau de lasers augmente spectaculairement, élargissant par là ses possibilités d'application.
Au début des années 1990, les physiciens commencèrent à étudier systématiquement les effets d'interférence quantique dans l'interaction lumière matière. Ceci faisait suite à l'annonce fracassante que de tels effets devaient permettre de construire des lasers sans inversion de population. Récemment, une série d'expériences a montré que de telles interférences quantiques étaient à l’œuvre dans le laser miniature LNP. Une partie de cette thèse y fut consacrée. Nous avons montré que le comportement dynamique observé résultait d'un renforcement quantique de l'absorption stimulée par les niveaux énergétiques inférieurs.
Nous avons poursuivi notre étude des effets d'interférence quantique sur un schéma électronucléaire. Nous avons montré que pour ce système, un rayon gamma peut être amplifié sans inversion de population. Ce résultat est très important, compte tenu du fait qu'une telle inversion est techniquement impossible à réaliser pour ces très hautes fréquences électromagnétiques, empêchant jusqu'ici la réalisation de lasers gamma. Afin d'atteindre l'amplification sans inversion, un rayonnement d'appoint dans le domaine optique s'avère nécessaire. Tenant compte de la décroissance de ce champ optique en cours de propagation, et donc de la diminution des effets quantiques associés, nous avons déterminé une distance optimale de propagation. Au-delà de cette distance, l'amplification se mue en absorption. Une telle information est dès lors cruciale sur le plan expérimental.
Doctorat en sciences appliquées
info:eu-repo/semantics/nonPublished
7
Alharthi, Sami S. "Nonlinear dynamics of solitary and optically-injected spin vertical-cavity lasers." Thesis, University of Essex, 2016. http://repository.essex.ac.uk/16632/.
Анотація:
This work investigates the nonlinear dynamics and polarisation properties of Spin-Vertical-(External)-Cavity Surface-Emitting Lasers (V(E)CSELs). The focus is on gaining a broad understanding of the various polarised resolved nonlinear dynamical effects in solitary and injected 1300 nm spin-V(E)CSELs. We report a comprehensive study including theory, based on the Spin Flip Model, and experiments of the stability characteristics of solitary 1300 nm dilute nitride Quantum-Well (QW) spin-VCSELs. Various forms of oscillatory behaviour causing self-sustained oscillations in the polarisation of the spin-VCSEL subject to Continuous-Wave (CW) pumping are found. Additionally, this work is extended to study experimentally and theoretically the evolution of the output polarisation ellipticity, and experimentally the nonlinear dynamics of the light polarisation emitted by the QW spin VCSELs under polarised optical injection. Rich nonlinear dynamics of the optically injected QW spin-VCSEL are reported ranging from polarisation control, polarisation switching and bistability to periodic oscillations and chaos. Good agreement is found between measurements and calculations where theoretical results are available. We also report the first 1300 nm Quantum-Dot (QD) Semiconductor Disk Laser (SDL) using a very simple and compact laser configuration involving a high reflection (HR)-coated fibre as the top mirror. Moreover, by applying spin injection to the 1300 nm SDL via CW polarised optical pumping we also demonstrate the first 1300 nm QD spin Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser (Spin-VECSEL). This is also accompanied by an investigation of the dynamics of the solitary 1300 nm QD spin-VECSEL. Finally, we present the first experimental study of the evolution of the output polarisation ellipticity and nonlinear dynamics of the 1300 nm QD spin-VECSEL under polarised optical injection. Our findings show nonlinear effects similar to the ones seen in optically injected QW spin-VCSELs.
8
Farnum, Edward D. "Stability and dynamics of solitary waves in nonlinear optical materials /." Thesis, Connect to this title online; UW restricted, 2005. http://hdl.handle.net/1773/6766.
9
Camacho, Lopez Santiago. "Spatio-temporal dynamics of nonlinear volume gratings for holographic laser oscillators." Thesis, Imperial College London, 2000. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.311942.
10
Virte, Martin. "Two-mode dynamics and switching in quantum dot lasers." Thesis, Supélec, 2014. http://www.theses.fr/2014SUPL0020/document.
Анотація:
Dans cette thèse, j'étudie la dynamique non linéaire résultant d’une compétition entre deux modes dans des systèmes lasers à boites quantiques.D’abord, je considère le cas de la compétition entre deux modes de polarisation apparaissant dans les diodes laser nanostructurées à cavité verticale et émettant par la surface (VCSELs). Il est connu que ces composants peuvent avoir une polarisation instable menant à des dynamiques riches. Récemment, un surprenant saut de mode entre deux états polarisés elliptiquement a été récemment découvert dans les VCSELs à boites quantiques. Ce comportement montre des propriétés intrigantes qui nécessitent une interprétation alternative. Dans cette thèse, je montre que ce comportement dynamique peut-être reproduit en utilisant le modèle spin-flip (SFM). En particulier je démontre et confirme expérimentalement que les sauts de modes sont en réalité des fluctuations chaotiques de faible dimension : un chaos en polarisation. Je démontre ensuite la pertinence de la dynamique chaotique observée pour les applications exploitant le chaos optique, en réalisant un générateur de nombres aléatoires à grande vitesse basé sur le chaos en polarisation.Deuxièmement, j'étudie les effet d'une rétroaction optique à délai sur les lasers à boites quantiques émettant simultanément depuis l'état fondamental et le premier état excité. Je clarifie l'impact the cette rétroaction optique ainsi que les mécanismes et bifurcations correspondantes. Je montre théoriquement qu'une rétroaction optique favorise globalement l'émission par l'état fondamental, mais aussi qu'un tel montage peut être utilisé pour commuter entre ces deux modes d'émission lorsque l'on change le taux ou le délai de la rétroaction. Enfin, je confirme ces observations expérimentalement, en rapportant des commutations entre l'état fondamental et l'état excitéIn this thesis, I study the nonlinear dynamics induced by the competition between two modes in quantum dot laser systems.First, I focus on the competition between polarization modes that takes place in quantum dot vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). It is well-known that these devices can exhibit polarization instabilities leading to rich dynamical evolution. Recently, a new peculiar random-like hopping between two non-orthogonal elliptically polarized states has been highlighted in QD VCSELs. This behavior shows intriguing features which clearly call for a different interpretation. In this thesis, I show that the dynamical behavior reported experimentally can accurately be reproduced within the spin-flip model (SFM) framework. In particular, I demonstrate and confirm experimentally that the peculiar random-like hoppings are in fact deterministic low-dimensional chaotic fluctuations, i.e. ``Polarization Chaos''. I then make a proof-of-concept demonstration of a high-speed random bit generator based on polarization chaos, hence demonstrating that the chaotic dynamics uncovered is relevant for optical chaos-based applications.Secondly, I investigate the effects of an external optical feedback on quantum dot lasers emitting simultaneously from the ground and the excited states. I bring new light on the impact of optical feedback and the corresponding mechanisms and bifurcations. I highlight theoretically that optical feedback globally favors the ground state emission, but also that it can be used to switch from one mode to the other when changing the feedback rate and/or the time-delay. In addition, I experimentally report switching between the ground and excited states when varying the external cavity length at the micrometer scale, which supports the theoretical predictions
11
Swanston, Neil. "Nonlinear dynamics and control of chaos in an external cavity semiconductor laser." Thesis, Heriot-Watt University, 1997. http://hdl.handle.net/10399/1167.
12
Rontani, Damien. "Nonlinear dynamics of photonic components. Chaos cryptography and multiplexing." Phd thesis, Supélec, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00783267.
Анотація:
With the rapid development of optical communications and the increasing amount of data exchanged, it has become utterly important to provide effective architectures to protect sensitive data. The use of chaotic optoelectronic devices has already demonstrated great potential in terms of additional computational security at the physical layer of the optical network. However, the determination of the security level and the lack of a multi-user framework are two hurdles which have prevented their deployment on a large scale. In this thesis, we propose to address these two issues. First, we investigate the security of a widely used chaotic generator, the external cavity semiconductor laser (ECSL). This is a time-delay system known for providing complex and high-dimensional chaos, but with a low level of security regarding the identification of its most critical parameter, the time delay. We perform a detailed analysis of the influence of the ECSL parameters to devise how higher levels of security can be achieved and provide a physical interpretation of their origin. Second, we devise new architectures to multiplex optical chaotic signals and realize multi-user communications at high bit rates. We propose two different approaches exploiting known chaotic optoelectronic devices. The first one uses mutually coupled ECSL and extends typical chaos-based encryption strategies, such as chaos-shift keying (CSK) and chaos modulation (CMo). The second one uses an electro-optical oscillator (EOO) with multiple delayed feedback loops and aims first at transposing coded-division multiple access (CDMA) and then at developing novel strategies of encryption and decryption, when the time-delays of each feedback loop are time- dependent.
13
Ali, Khan Nadir. "Nonlinear dynamics of long wavelength 1550 nm vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs)." Thesis, University of Essex, 2013. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.589449.
Анотація:
This project studies experimentally the temperature and current dependent nonlinear dynamics of a 1550 nm Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs). The aim of this thesis is to explore and explain various nonlinear dynamical effects in solitary and optically injected VCSELs using simple experimental approaches and compare the obtained results with theory. The phenomenon of polarisation switching and locking with respect to current are investigated. Also the crucial parameters of a solitary VCSEL as a function of temperature are presented. The most important parameter of semiconductor lasers, the linewidth enhancement factor (0.) is measured using four different methods for a range of temperatures and the results are compared. The nonlinear dynamics of optically injected VCSELs are investigated with respect to bias current of 1.5 and 2.5 of threshold and temperature of -200 C to 60° C. The stability maps showing the nonlinear dynamics are presented. The variation of Hopf minimum with temperature is attributed to the change in linewidtli enhancement factor (α) with temperature.
14
Wei, Huai, Bin Li, Wei Shi, Xiushan Zhu, Robert A. Norwood, Nasser Peyghambarian, and Shuisheng Jian. "General description and understanding of the nonlinear dynamics of mode-locked fiber lasers." NATURE PUBLISHING GROUP, 2017. http://hdl.handle.net/10150/624054.
Анотація:
As a type of nonlinear system with complexity, mode-locked fiber lasers are known for their complex behaviour. It is a challenging task to understand the fundamental physics behind such complex behaviour, and a unified description for the nonlinear behaviour and the systematic and quantitative analysis of the underlying mechanisms of these lasers have not been developed. Here, we present a complexity science-based theoretical framework for understanding the behaviour of mode-locked fiber lasers by going beyond reductionism. This hierarchically structured framework provides a model with variable dimensionality, resulting in a simple view that can be used to systematically describe complex states. Moreover, research into the attractors' basins reveals the origin of stochasticity, hysteresis and multistability in these systems and presents a new method for quantitative analysis of these nonlinear phenomena. These findings pave the way for dynamics analysis and system designs of mode-locked fiber lasers. We expect that this paradigm will also enable potential applications in diverse research fields related to complex nonlinear phenomena.
15
Peil, Michael. "Dynamics and synchronization phenomena of semiconductor lasers with delayed optical feedback utilizing nonlinear dynamics for novel applications." Berlin Logos-Verl, 2006. http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?id=2793060&prov=M&dok_var=1&dok_ext=htm.
16
Wang, Cheng. "Modulation dynamics of InP-based quantum dot lasers and quantum cascade lasers." Thesis, Rennes, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAR0009/document.
Анотація:
Le besoin incessant de débits toujours plus élevés dans les systèmes de télécommunications a un impact sur tous les éléments composant la chaine de transmission. Ainsi, pour faire face à l’augmentation croissante du volume de données échangées à travers le monde, le développement de nouvelles sources optiques semi-conductrices est absolument nécessaire. La modulation directe de lasers nanostructurés constitue une alternative bas coût et à faible consommation énergétique qui permettra de remplacer progressivement les diodes lasers à puits quantiques actuelles. De nombreux efforts en recherche ont été consacrés au cours des dernières années en vue d’améliorer les performances dynamiques des lasers nanostructurés notamment en terme de bande passante, de facteur de couplage phase-amplitude (facteur α) et de dérive de fréquence (chirp). Pour les applications aux très grands réseaux et systèmes de communication, la croissance d’îlots ou de fils quantiques déposés sur substrat InP permet de réaliser des dispositifs nanostructurés émettant dans le proche infra-rouge autours de 1550 nm. Dans ce mémoire, la dynamique de modulation des lasers nanostructuré est étudiée en régime de modulation directe. Les caractéristiques analysées comprennent: la modulation en amplitude (AM) et en fréquence (FM), le chirp, et les réponses en régime grandsignal. Grâce à une approche semi-analytique, il est démontré que la bande passante et l’amortissement sont fortement limités par les phénomènes de capture et de relaxation des porteurs de charge dans les nanostructures. Afin d’étudier les propriétés du facteur α et du chirp, un nouveau modèle dynamique a été proposé, prenant en compte la contribution à l’indice optique des porteurs de charge dans des états hors résonance. Il est ainsi montré que, contrairement au cas des lasers à puits quantiques, le facteur α dépend fortement du courant de pompe et de la fréquence de modulation. Le facteur α reste constant à basses fréquences (<0,1 GHz) et supérieur aux valeurs obtenues à hautes fréquences (au-delà de quelques GHz) à partir de la technique FM/AM. Ces caractéristiques sont essentiellement attribuées aux contributions des porteurs dans les états hors résonance. Les simulations montrent que le facteur α peut être réduit en augmentant la séparation énergétique entre l’état fondamental résonant (GS) et les états hors résonance. En particulier, un effet laser sur 1’état excité des nanostructures (ES) constitue une solution prometteuse pour améliorer les performances dynamiques, en accroissant notamment la bande passante de modulation et en réduisant le facteur α d’environ 40%. Les techniques d’injection optique sont également intéressantes pour régénérer les performances dynamiques des lasers. Le couplage phase-amplitude et le gain optique y sont substantiellement modifiés via le contrôle de l’amplitude et du désaccord en fréquence du faisceau injecté. Dans ce cadre, ce travail propose une nouvelle technique dérivée de la méthode Hakki-Paoli, permettant de mesurer, sous injection optique, le facteur α à la fois en dessous et au-dessus du seuil. Les lasers à cascade quantique (QCL) sont basés sur des transitions électroniques inter-sous-bandes dans des hétérostructures à puits quantiques. Ces lasers présentent une bande passante (AM) relativement de quelques dizaines de GHz et sans résonance ce qui est prometteur pour les transmissions en espace libre. De manière surprenante, les calculs montrent que les QCL présentent une largeur de bande FM extrêmement large de l’ordre quelques dizaines de THz, environ trois ordres de grandeur supérieure à la largeur de bande AM. L’injection optique dans ces lasers présente les mêmes avantages que ceux procurés dans les lasers à transitions interbandes. Des désaccords positifs ou négatifs en fréquence augmentent notamment la largeur de la bande passanteHigh performance semiconductor lasers are strongly demanded in the rapidly increasing optical communication networks. Low dimensional nanostructure lasers are expected to be substitutes of their quantum well (Qwell) counterparts in the next-generation of energy-saving and high-bandwidth telecommunication optical links. Many efforts have been devoted during the past years to achieve nanostructure lasers with broad modulation bandwidth, low frequency chirp, and reduced linewidth enhancement factor. Particularly, 1.55-μm InP-based quantum dash (Qdash)/dot (Qdot) lasers are preferable for long-haul transmissions in contrast to the 1.3-μm laser sources. In this dissertation, we investigate the dynamic characteristics of InPbased nanostructure semiconductor lasers operating under direct current modulation, including the amplitude (AM) and frequency (FM) modulation responses, the linewidth enhancement factor (also known as α-factor), as well as large-signal modulation responses. Using a semi-analytical analysis of the rate equation model, it is found that the modulation bandwidth of the quantum dot laser is strongly limited by the finite carrier capture and relaxation rates. In order to study the α- factor and chirp properties of the quantum dot laser, we develop an improved rate equation model, which takes into account the contribution of carrier populations in off-resonant states to the refractive index change. It is demonstrated that the α-factor of quantum dot lasers is strongly dependent on the pump current as well as the modulation frequency, in comparison to the case of Qwell lasers. The α-factor remains constant at low modulation frequencies (<0.1 GHz) and higher than the value derived at high modulation frequencies (beyond several GHz) from the FM/AM technique. These unique features are mostly attributed to the carrier populations in off-resonant states. Further simulations show that the α-factor can be reduced by enlarging the energy separation between the resonant ground state (GS) and off-resonant states. Lasing from the excited state (ES) can be a promising alternative to enhance the laser’s dynamic performance. The laser exhibits a broader modulation response and the α-factor can be reduced by as much as 40%. The optical injection technique is attractive to improve the laser’s dynamical performance, including bandwidth enhancement and chirp reduction. These are demonstrated both theoretically and experimentally. The phase-amplitude coupling property is altered as well in comparison with the free-running laser and the optical gain depends on the injection strength and the frequency detuning. This work proposes a new method derived from the Hakki-Paoli method, enabling to measure the α-factor of semiconductor lasers under optical injection both below and above threshold. In addition, it is demonstrated theoretically that the α-factor in nanostructure lasers exhibits a threshold discontinuity, which is mainly attributed to the unclamped carrier populations in the off-resonant states. It is a fundamental limitation, preventing the reduction of the α-factor towards zero. Quantum cascade (QC) lasers rely on intersubband electronic transitions in multi-quantum well heterostructures. QC lasers show flat broadband AM response (tens of GHz) without resonance, which constitutes promising features for free-space communications. Surprisingly, calculations show that the QC laser exhibits an ultrabroad FM bandwidth on the order of tens of THz, about three orders of magnitude larger than the AM bandwidth. Optically injection-locked QC lasers also exhibit specific characteristics by comparison to interband semiconductor lasers. Both positive and negative frequency detunings enhance the modulation bandwidth
17
Franz, Anthony Lawrence. "Dynamics and synchronization of nonlinear oscillators with time delay a study with fiber lasers /." College Park, Md. : University of Maryland, 2007. http://hdl.handle.net/1903/7209.
Анотація:
Thesis (Ph. D.) -- University of Maryland, College Park, 2007.Thesis research directed by: Physics. Title from t.p. of PDF. Includes bibliographical references. Published by UMI Dissertation Services, Ann Arbor, Mich. Also available in paper.
18
Uy, Chi-Hak. "Two-Polarization dynamics in optically delayed lasers." Thesis, CentraleSupélec, 2018. http://www.theses.fr/2018CSUP0006.
Анотація:
La diode laser est un composant clef de notre vie de tous les jours. Inventée il y a cinquante ans (1962) elle est utilisée aujourd'hui pour lire l'information encodée sur des disques compacts dans les lecteurs CD, pour transmettre l'information sous forme optique dans les réseaux de télécommunications à fibres optiques, pour scanner nos articles dans les supermarchés, pour aider au positionnement, à l'éclairage et à l'affichage dans des systèmes multimédias. Ces applications nécessitent un comportement stable et surtout prédictible du composant laser. Cependant, il a été démontré depuis plus de trente ans que sous certaines conditions, la diode laser émet une puissance fluctuant dans le temps de façon chaotique c'est-à-dire imprévisible. Le chaos ou la sensibilité extrême d'un système dynamique conduisant à son imprédictibilité, a aujourd'hui été observé dans grands nombres de systèmes physiques et biologiques. Le chaos explique par exemple aujourd'hui l'impossibilité mathématique de prédire la météo au-delà de quelques jours. Cette thèse est donc à la confrontation de deux thèmes scientifiques majeurs: le comportement dynamique et les performances de diodes lasers, et l'étude du chaos optique. Nous proposons dans un premier temps d'étudier la génération de chaos optique par une diode laser à l'aide d'une rétroaction optique conduisant à des dynamiques complexes entre deux états de polarisation du laser. L'analyse approfondie de ces dynamiques montre l'existence de propriétés de corrélation inattendues entre polarisation se manifestant à plusieurs échelles de temps distincts. Nous démontrons d'une part l’interaction qui existe entre ces échelles de temps et proposons d'autre part une interprétation physique à ce phénomène.Dans un second temps, nous nous intéressons à une dynamique particulière conduisant à un basculement régulier entre deux états de polarisation dans une diode laser soumis à une rétroaction optique modifiant l'état de polarisation. Ces basculements sont à l'origine de modulation ondes carrées. La fréquence de modulation est modulable de manière très simple par une modification de la rétroaction. De plus, nous observons l'apparition de dynamiques oscillants et entretenues accompagnant les états hauts des ondes carrées. Une analyse expérimentale et numérique montre que la fréquence de ces oscillations dépassent les fréquences typiques observées pour ce genre de système laser. L'étude analytique prévoit des fréquences pouvant aller au-delà des 20 GHz sur des dispositifs lasers particuliers appelés VCSELsLaser diodes have become a key component in our everyday life. Discovered 50 years ago (1962), laser diode is used for reading information engraved in compact disk (CD), for transmitting informations in modern telecommunication systems based on optical fibers, for reading bar codes at the supermarket, for positioning and ranging and for lightning. All those applications need a stable and predictible behavior of the laser. Nonetheless, it has been shown that lasers can emit an chaotic fluctuation of light intensity under certain conditions i.e. an unpredictable dynamic. The chaos, or the high sensitivity of a system leading to its unpredictibility, is nowaday observed in a large variety of physical and biologial systems. Chaos explains for example the mathématical impossibility to predict the weather beyond few days. This thesis is therefore at the interface between two main scientific themes : the dynamical behavior and the specifications of laser diodes, and the study of optical chaos.We propose in a first part to study the generation of optical chaos from a laser diode using an optical feedback which leads to complex dynamics between two polarisation states of the laser. An in-depth analysis of this dynamic shows the existence of unexpeted correlation properties between the polarisations which manifest themselves on several time-scales. We demonstrate, on the one hand, the interplay between the different time-scales and on the other hand, we bring a physical interpretation to this phenomenon.In a second part, we focus on a peculiar dynamic leading to regular switching between two polarization states in a laser diode subjected to optical feedback. Those swtichings lead to square-wave modulations. The modulation frequency can be driven by a simple modification of the feedback parameters. In addition, we observe the emergence of oscillatory and undamped dynamics which accompagny the upper state of the square-wave. An experimental and numerical analysis show that the frequency of those oscillations exceed the usual frequency signatures for this kind of laser system. The analytical study predicts frequencies going beyond 20 GHz for a peculier type of lasers called VCSELs
19
Porte, Parera Javier. "Complex dynamics of delay-coupled semiconductor lasers: fundamentals and applications." Doctoral thesis, Universitat de les Illes Balears, 2015. http://hdl.handle.net/10803/375896.
Анотація:
Introduction:
The present thesis is devoted to the study of semiconductor lasers subject to delayed optical
feedback and coupling. The complex spectral and dynamical properties of these systems have
been investigated using state-of-the-art telecommunications detection technologies. With such
tools, we have been able to experimentally characterize previously unknown features in our
delay-coupled systems. Along this work, both fundamental and applied results are presented
for the different experiments investigated.
Results:
The first part of the thesis is focusing on the system of the single delayed feedback laser. The
problem of feedback characterization is approached from a time scale perspective, relating the
dynamical regimes to the characteristic frequencies of the delayed feedback laser. We have
empirically found that the ratios of these characteristic frequencies completely determine the
dynamical behavior. This constitutes a model independent approach that can be used, for
example, to test the validity of numerical models that aim at explaining the dynamical behavior
of these lasers. Furthermore, the general extent of our approach is validated by measuring
various laser diodes with distinct characteristics.
Specific properties of the dynamics of the single laser with feedback system have also been
characterized by means of the intensity autocorrelation function. For this purpose, the
experimental autocorrelation is compared with the autocorrelation obtained from a model of a stochastic linear oscillator with delay. The relation between the model parameters and the
experimental system parameters is analyzed and discussed together with the limits of validity
of this approach.
In the second part, systems with two delay-coupled lasers are studied. The phenomenon of
chaos synchronization is explored in two different configurations: a unidirectional coupling
configuration where the delayed feedback laser signal is optically coupled to a second laser,
and a bidirectional scheme of two mutually coupled lasers with self-feedback. In the first
configuration, the relation between the consistency of the dynamics and the synchronizability
with the second laser is studied. In the latter scheme, the robustness of the synchronized state
is characterized against detuning in parameters and noise. The knowledge gained in the
synchronization experiments is used to implement a classical public-channel secure-key
exchange protocol in the bidirectional coupling scheme. This protocol is demonstrated
experimentally, and its advantages and weaknesses are analyzed.
Finally, we present a practical photonic implementation of a dynamical system experiencing two
different delay times depending on the state of the system. The stationary spectral
characteristics of this experimental system are studied and the conditions for the dynamics to
occur in separated states are highlighted. We have also investigated the real-time intensity and
optical spectrum dynamics to demonstrate the existence and properties of state-dependent
delay dynamics. Qualitatively similar properties can be found from a proper numerical model of
this system.
Conclusions:
Altogether, we have presented fundamental and applied aspects of semiconductor lasers
optically coupled with delay. The presented phenomenology is of immediate potential use for a
variety of applications that range from photonics-based reservoir computing to chaos
communications. In addition, the presented fundamental insights can potentially be extended to
other classes of dynamical systems.
Contents:
Resum (iv)
Abstract (vi)
List of Publications (vii)
1 Introduction (1)
1.1 Motivation (1)
1.2 Semiconductor Laser Devices (2)
1.3 Nonlinear Dynamics of Semiconductor Lasers (5)
1.3.1 Delayed Optical Feedback Effects on the Emission of Semiconductor Lasers (6)
1.4 Chaos Synchronization in Optically-Coupled Semiconductor Lasers (11)
1.5 Outline of this Thesis (14)
2 Semiconductor Lasers Subject to Delayed Optical Feedback: Similarity Properties in the
Dynamics (17)
2.1 Introduction (17)
2.1.1 Strong and Weak Chaos Regimes (18)
2.1.2 Chapter Outline (18)
2.1.3 Contributions to the Work in the Present Chapter (19)
2.2 Experimental Methods (19)
2.2.1 Semiconductor Lasers (19)
2.2.2 Feedback Experiments in Fiber-Based Setups (20)
2.2.3 Acquisition Conditions (21)
2.3 Characteristic Frequencies of Delayed Feedback Lasers (21)
2.3.1 Autocorrelation Function of the Intensity Dynamics (24)
2.4 Invariant Dynamics Signature (25)
2.4.1 Physical Mechanism for Weak and Strong Chaos (27)
2.5 Full Rescaling of the Dynamics (30)
2.6 Dynamical Regimes (32)
2.6.1 Low Feedback Strengths (32)
2.6.2 Intermediate Feedback Strengths (34)
2.6.3 High Feedback Strengths (34)
2.7 Comparison with Numerical Modelling (35)
2.8 Similarity Properties in Quantum Dot Lasers (38)
2.8.1 Brief Introduction to Quantum Dot Lasers Particularities (38)
2.8.2 Invariant Dynamics Signature in Quantum-Dot Lasers (40)
2.9 Discussion and Summary (42)
3 Properties of the Autocorrelation Function of a Laser with Feedback (45)
3.1 Introduction (45)
3.1.1 Chapter Outline (46)
3.1.2 Contributions to the Work in the Present Chapter (46)
3.2 Experimental Methods (46)
3.2.1 Experimental Technique to Determine the Delay Time (47)
3.3 Autocorrelation Function of a Linear Stochastic Delay Model (47)
3.4 Comparison of the Autocorrelation Functions of the Laser and the Linear Model (51)
3.5 Limits of Validity of the Linear Approximation (53)
3.6 Parameters Extraction from the Fit of the Autocorrelation Function (56)
3.6.1 Time Delay Extraction (58)
3.7 Summary and Discussion (59)
4 Chaos Synchronization in Delay-Coupled Semiconductor Lasers (61)
4.1 Introduction (61)
4.1.1 Chapter Outline (63)
4.1.2 Contributions to the Work in the Present Chapter (63)
4.2 Experimental Methods (64)
4.2.1 Experimental Setups for Synchronization Experiments (64)
4.2.2 Cross-Correlation Analysis (66)
4.3 Correlations and Synchronization of Unidirectionally Coupled Lasers in Open-Loop
Configuration (66)
4.4 Synchronization of Two Mutually-Coupled Semiconductor Lasers with a Passive Relay (73)
4.4.1 Influence of Spectral Detuning (76)
4.4.2 Isochronous Synchronization Regime (78)
4.4.3 Noise-Induced Desynchronization Events: Bubbling (79)
4.5 Summary and Discussion (86)
5 Bidirectional Secure Key Exchange using Chaotic Semiconductor Lasers (89)
5.1 Introduction (89)
5.1.1 Chapter Outline (93)
5.1.2 Contributions to the Work in the Present Chapter (93)
5.2 Experimental Methods (94)
5.3 Encrypted-Key Distribution Scheme (95)
5.3.1 Simultaneous Bidirectional Key Exchange Protocol (96)
5.3.2 Particularities of the Experimental Setup (96)
5.3.3 Proof of Concept (99)
5.4 Security Analysis of Our Scheme (102)
5.5 Discussion and Summary (106)
6 State-Dependent Delay Dynamics in Semiconductor Lasers (109)
6.1 Introduction (109)
6.1.1 Chapter Outline (111)
6.1.2 Contributions to the Work in the Present Chapter (111)
6.2 Experimental Methods (111)
6.3 Experimental Results (114)
6.4 Numerical Modeling (124)
6.5 Switching Characteristics (127)
6.6 Summary and Discussion (129)
7 Concluding Remarks (131)
A Appendix A (137)
A.1 Laser Sources (137)
A.2 Feedback Experiments in Fiber-Based Setups (140)
A.3 Signal Detection (141)
A.4 List of Instruments and Components (142)
Abbreviations (145)
Bibliography (147)
20
Ortín, González Silvia. "Nonlinear dynamics reconstruction by neural networks of time-delay chaotic systems." Doctoral thesis, Universidad de Cantabria, 2010. http://hdl.handle.net/10803/31824.
Анотація:
This thesis is motivated by the intense research in chaos-based communications in the last years.
This thesis focuses on the reconstruction of the nonlinear dynamic of time-delay systems by using an embedding-like approach. This method works with a special embedding space that includes both short time and feedback time delayed values of the system variable. We use a new type of modular neural network based on the structure of time-delay systems. We also carefully investigate the time delay identification from the time series, a crucial parameter to construct the special embedding vector. Finally we use the reconstructed models to show the vulnerability of the chaos-based communication system based on time-delay systems and to study the predictability of these systems. Although we mainly study electro-optical feedback systems, the techniques investigated in this thesis have a general applicability to scalar time-delay systems.El objetivo de esta tesis es estudiar la confidencialidad de los sistemas de comunicaciones caóticas basados en sistemas con retraso. Para ello, la tesis se centra en la reconstrucción de la dinámica no lineal de sistemas con retraso usando un embedding especial. Este embedding especial incluye no solo los tiempos cercanos sino también los tiempos centrados alrededor del retraso del sistema. Dado que conocer el tiempo de retraso es esencial para la construcción del este embedding, en la tesis también se analiza la identificación del tiempo de retraso a partir de la serie temporal. Usando un nuevo tipo de red neuronal modular y este embedding hemos construido modelos que reconstruyen la dinámica no lineal de los sistemas escalares con retraso a partir de la serie temporal. A continuación estos modelos se usan para mostrar la vulnerabilidad de los sistemas de comunicación basados en sistemas con retraso y para estudiar la predictibilidad de estos sistemas. Aunque básicamente nos hemos centrado en el estudio de sistemas opto-electrónicos con retraso, las técnicas presentadas en esta tesis se pueden aplicar a cualquier sistema escalar con retraso.
21
Ushakov, Oleg. "Self-organization in semiconductor lasers with ultra-short optical feedback." Doctoral thesis, [S.l.] : [s.n.], 2007. http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=985232145.
22
Duan, Jianan. "Dynamic and nonlinear properties of quantum dot lasers for photonic integrated circuits on silicon." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLT050.
Анотація:
La photonique sur silicium permet de palier au faible rendement et la consommation énergétique élevée des liens télécoms exploitant les câbles à paires torsadées ou les câbles coaxiaux. Cette technologie offre une versatilité exceptionnelle, de nouvelles fonctionnalités et des performances accrues pour les communications à haut-débit, les systèmes d’interconnexions optiques à courte portée et le déploiement de liaisons optiques d’une puce à une autre, d’une carte à une autre, ou d’un rack à un autre (datacom). Le silicium est un matériau semi-conducteur très efficace pour le guidage de la lumière, notamment en raison du fort contraste d’indice avec la silice. Cependant, sa bande interdite indirecte ne permet pas une émission radiative efficace. La réalisation de lasers repose donc sur des technologies hybrides de collage ou de report du matériau actif III- V (wafer-bonding, flip-chip) sur le silicium passif. Cependant, cette intégration hétérogène présente des inconvénients comme par exemple un coût élevé et une évolutivité limitée. Les lasers hybrides sur silicium sont aussi plus sensibles aux réflexions parasites provenant des transitions des différentes interfaces passives/actives. Un moyen permettant de surmonter ces inconvénients consiste à faire croître directement le matériau III-V sur le silicium. Dans ce contexte, les lasers à boîtes quantiques utilisant des atomes semi-conducteurs comme milieu de gain sont des candidats très prometteurs en raison de leur compacité, de leur grande stabilité thermique et d’une tolérance accrue aux défauts structuraux. Certaines applications comme les systèmes cohérents, les futures horloges atomiques intégrées sur puces et les radars où la sensibilité aux bruits de fréquence et d’intensité influe fortement le taux d’erreur binaire requièrent l’utilisation d’émetteurs optiques à très faible bruit. Dans une première partie, cette thèse révèle le potentiel de lasers à boîtes quantiques InAs/InP présentant une largeur de raie spectrale intrinsèque de 80 kHz et un bruit relatif d’intensité inférieur à -150 dB/Hz. A cet effet, il est montré qu’un faible couplage vertical entre les états liés est plus approprié pour une réduction du bruit d’intensité notamment grâce à la suppression du bruit de porteurs associée à l’état excité. Dans une deuxième partie, les propriétés dynamiques et non- linéaires des lasers à boîtes quantiques directement épitaxiés sur silicium sont étudiées. Comme susmentionné, les lasers intégrés de manière hétérogène sur le silicium sont plus sensibles aux réflexions parasites. Combinées à une rétroaction optique externe, la stabilité du laser peut s’en trouver fortement affectée. Sachant qu’il n’existe pas à ce jour d’isolateurs optiques intégrés sur puce ayant un taux d’isolation suffisant, le développement d’émetteurs insensibles aux rétroactions est un objectif majeur. Cette thèse présente notamment un résultat de transmission sans erreur à partir d’un laser à boîtes quantique directement épitaxié sur silicium soumis à une modulation externe à 10 Gb/s ainsi qu’à une rétroaction optique maximale de 100%. Cette insensibilité aux réflexions résulte de plusieurs propriétés remarquables comme un facteur d’élargissement spectral proche de zéro, un facteur d’amortissement élevé, un fort contraste entre les seuils d’émission des états liés, et une durée de vie des porteurs plus courte. Ces résultats permettent d’envisager le développement de futurs circuits intégrés photoniques sur silicium à haute performance et fonctionnant sans isolateur optiqueSilicon photonics have been introduced to overcome low efficiency and high energy consumption of telecom links using twisted pairs or coaxial cables. This technology provides novel functionality and high performance for applications in high speed communication systems, short reach optical interconnects, and the deployment of optical links from chipto-chip, board-to-board or rack-to-rack (datacom). Silicon is known as a very efficient semiconductor material for waveguiding light in particular owing to the strong index contrast with silica. However, the indirect bandgap of silicon makes light emission from silicon inefficient, and other techniques such as wafer- or flipchip bonding must be investigated if light emission is to be realized. The drawbacks of such heterogeneous integration concentrate on the high cost and the limited scalability. Lasers heterogeneously integrated on silicon are also more sensitive to optical reflections originating from the transition between passive/active interfaces. The best way to overcome these drawbacks is to move on to direct epitaxial growth of IIIV materials on silicon for photonics integration. In this context, quantum dot lasers using semiconductor atoms as a gain medium are ideal because they enable smaller devices, amplification with large thermal stability and high tolerance to epitaxial defects. Ultra-low noise optical transmitters are required not only for the coherent systems but also for future chipscale atomic clocks and radar related applications because of the sensitivity to the frequency noise and intensity noise can strongly affect the bit error rates. To this end, the first part of the thesis reports an intrinsic spectral linewidth as low as 80 kHz and a relative intensity noise less than - 150 dB/Hz in InAs/InP quantum dot lasers. In particular, it is shown that a small vertical coupling is more suitable for low intensity noise operation due to the suppression of the carrier noise in the excited state. The second part of the thesis investigates the dynamic and nonlinear properties of epitaxial quantum dot lasers on silicon. As mentioned above, lasers heterogeneously integrated on silicon are more sensitive to parasitic reflections. When combined with external optical feedback, the laser stability can be dramatically affected. As no on-chip optical isolators integrated with lasers and having sufficient isolation ratio exist, the development of feedback insensitive transmitters remains a major objective. This thesis presents an error-free transmission of an epitaxial quantum dot laser on silicon externally modulated at 10 Gb/s and subjected to 100% optical feedback. Such remarkable feedback insensitivity directly results from the near-zero linewidth enhancement factor, the large damping factor, the strong contrast between the ground state and excited states and a shorter carrier lifetime. These results pave the way for future high-performance photonics integrated circuits on silicon operating without optical isolators
23
Jumpertz, Louise. "Photonique non-linéaire dans les lasers à cascade quantique moyen infrarouges." Thesis, Paris, ENST, 2016. https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-03689516.
Анотація:
Les lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisiblesMid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasures
24
Balakireva, Irina. "Nonlinear dynamics of Kerr optical frequency combs." Thesis, Besançon, 2015. http://www.theses.fr/2015BESA2043.
Анотація:
La présente thèse est consacrée à l’étude des peignes optiques de Kerr dans les résonateurs àmodes de galerie, au sein desquels la lumière peut être excitée par pompage externe. L’effet Kerrexistant dans ces résonateurs engendre des modes latéraux équidistants (dans le domaine spectral)de part et d’autre du mode excité, c’est à dire un peigne de fréquence. Cette thèse est diviséeen trois chapitres. Le premier est dédié à l’introduction de la génération de ces peignes et leurapplications. Le deuxième chapitre présente l’analyse de l’équation de Lugiato-Lefever, décrivantde manière analytique le système, et conduit à la construction de deux diagrammes de bifurcationpour les dispersions normale et anomale. Ils sont tracés en fonction des deux seuls paramètresexpérimentalement contrôlables une fois le résonateur fabriqué : la puissance du laser et sondécalage de fréquence. Ces diagrammes indiquent les plages de paramètres pour lesquels une,deux, ou trois solutions existent ainsi que leur stabilité. Les simulations numériques renseignentle type exact de solution associée à chaque aire (notamment les solitons brillants et sombres, lesbreathers, les peignes optiques de Kerr de premier et deuxième ordre, et un régime chaotique) ; cesdiagrammes indiquent donc les paramètres du laser à choisir afin de générer la solution souhaitée.Le troisième chapitre est dédié aux peignes de Kerr optique secondaires, lignes additionnelles dansle domaine spectral générées entre les lignes du peigne principal. Ils apparaissent en dispersionanormale, lorsque la quantité de photon pompe excède un seuil dit de second ordre, qui a étédéterminé numériquementThis thesis is dedicated to the study of the Kerr optical frequency combs in whispering gallery moderesonators, where the light can be excited by the extern pump. Due to the Kerr effect existing in theseresonators, the quasi-equidistant lines in the spectral domain are generated around the excited mode,that is the frequency comb. This thesis is devided in three chapters. The first one is dedicated to theintroduction of the Kerr comb generation and their applications.The second one presents the analysisof the Lugiato-Lefever equation used for the analytical study of the system, leading to the constructionof two bifurcation diagrams for the normal and anomalous dispersions. They are plotted for twoparameters, which can be controlled during experiments once the resonator has been fabricated,which are the pump power of the laser and its frequency detuning. These diagrams show the areas ofthe parameters for which one, two, or three solutions exist and their stability. The additional numericalsimulations show the exact type of the solution in each area (such as the bright and dark solitons,the breathers, the primary and secondary Kerr combs and chaotical regimes), finally these diagramsshow the parameters of the laser needed to be choosen for the generation of the desired solution.The third chapter is dedicated to the secondary Kerr combs, which are the additional lines generatedbetween the lines of the primary comb. They appear in the anomalous dispersion regime, when thequantity of the pump photons crosses the second-order threshold, which has been found numerically
25
De, Syamsundar. "Noise in dual-frequency semiconductor and solid-state lasers." Thesis, Paris 11, 2015. http://www.theses.fr/2015PA112114/document.
Анотація:
Les sources cohérentes de lumière émettant deux fréquences optiques avec une différence largement accordable dans le domaine radiofréquence et un fort degré de corrélation entre leurs fluctuations respectives peuvent être d’un grand intérêt pour de nombreuses applications telles que la photonique micro-onde, les horloges atomiques ultra stables, la physique atomique, la métrologie, etc. C’est le cas des lasers bifréquences émettant deux modes de polarisations linéaires croisées avec une différence de fréquence dans le domaine radiofréquence. Nous comparons les caractéristiques de telles sources bifréquences basées sur des lasers à semiconducteurs (VECSEL: vertical-external-cavity surface-emitting laser) ou des lasers à solide (notamment les solides dopés Nd3+ ou Er3+). Au-delà de la différence évidente entre les mécanismes de gain dans les lasers à semiconducteurs et dans les lasers à solide, le VECSEL bifréquence et le laser Nd:YAG bifréquence ne présentent pas la même dynamique. Le VECSEL bifréquence, comme pour un laser de classe A, a une dynamique dénuée d’oscillations de relaxation puisque la durée de vie des photons dans la cavité est beaucoup plus longue que celle de l’inversion de population. A l’opposé, le laser Nd:YAG bifréquence possède une dynamique présentant des oscillations de relaxation comme pour un laser de classe B, en vertu du fait que la durée de vie des photons dans la cavité est plus courte que celle de l’inversion de population. Dans cette thèse, nous explorons les mécanismes par lesquels cette dynamique, en plus du couplage non linéaire entre les deux modes, gouverne le bruit dans les lasers bifréquences. En particulier, nous analysons à la fois expérimentalement et théoriquement les propriétés spectrales des différents bruits (intensité, phase) ainsi que leurs corrélations dans le cas d’un VECSEL bifréquence de classe A et d’un laser Nd:YAG bifréquence de classe B. Enfin, un modèle de réponse linéaire de deux oscillateurs amortis couplés permet d’interpréter les résultats obtenus sur la corrélation entre ces différents bruitsCoherent sources emitting two optical frequencies with a widely tunable frequency difference lying in the radio-frequency range and having a high degree of correlation between their fluctuations can be useful for numerous applications such as microwave photonics, ultra-stable atomic clocks, atom manipulation and probing, metrology, etc. Dual-frequency lasers, which emit two orthogonal linearly polarized modes with a frequency difference lying in the radio-frequency range, have huge potentials for the above mentioned applications. We compare the characteristics of such dual-frequency oscillation in lasers based on either semiconductor (VECSEL: vertical-external-cavity surface-emitting laser) or solid-state active media (mainly Nd3+, or Er3+ doped crystalline host). Apart from the obvious difference between the gain mechanisms in semiconductor and solid-state laser media, the dual-frequency VECSEL and the dual-frequency Nd:YAG laser exhibit different dynamical behaviors. The dual-frequency VECSELs exhibit relaxation oscillation free class-A dynamics as the photon lifetime inside the cavity is longer than the population inversion lifetime. On the contrary, the dual-frequency Nd:YAG lasers obey class-B dynamics linked with the fact that the photon lifetime inside the cavity is shorter than the population inversion lifetime, leading to the existence of relaxation oscillations. In this thesis, we figure out how the laser dynamics, in addition to the nonlinear coupling between the two laser modes, governs different noise phenomena in dual-frequency lasers. In particular, we demonstrate, both experimentally and theoretically, the influence of the laser dynamics and the nonlinear coupling between the two modes on the laser noise, by analyzing the spectral properties of the different noises (intensity, phase) and their correlation in a class-A dual-frequency VECSEL (vertical-external-cavity surface emitting laser) and a class-B dual-frequency Nd:YAG laser. Moreover, the noise correlation results are interpreted in terms of the linear response of two coupled damped oscillators
26
Semaan, Georges. "Soliton dynamics in fiber lasers : from dissipative soliton to dissipative soliton resonance." Thesis, Angers, 2017. http://www.theses.fr/2017ANGE0029/document.
Анотація:
Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement la génération d'impulsions carrées très énergétiques et accordable à l’échelle nanosecondes et d'impulsions ultracourtes à haute puissance moyenne de sortie dans les lasers à fibre utilisant les nanomatériaux comme absorbant saturable. Tout d'abord, puisque la dynamique des impulsions est dominée par l'interaction de la non linéarité et de la dispersion chromatique cubique de la fibre avec un mécanisme de discrimination d'intensité appelé absorbant saturable, la stabilité d'une distribution harmonique en mode verrouillé est étudiée par injection externe d'une onde continue.Enfin, nous avons utilisés des absorbant saturable à base de nanomatériaux déposés sur des tapers optiques dans les lasers à fibre pour générer des impulsions ultracourtes avec une puissance de sortie moyenne élevéeIn this thesis, we investigate experimentally the generation of high energy nanosecond tunable square pulses and high output power ultrashort pulses in fiber lasers. First, since pulse dynamics are dominated by the interaction of the fiber's cubic Kerr nonlinearity and chromatic dispersion with an intensity-discriminating mechanism referred to as a saturable absorber, the stability of a harmonic mode-locked distribution is studied by external injection of a continuous wave. Finally, we implemented nanomaterial based saturable absorbers in fiber laser configuration to generate ultrashort pulses with high average output power. Different techniques of achieving such components are explicitly detailed: ultrashort pulse generation in ring cavities where graphene and topological insulators are deposited on optical tapers to form a saturable absorber
27
Doumbia, Yaya. "Optical injection dynamics and polarization properties of semiconductor lasers frequency combs." Thesis, CentraleSupélec, 2021. http://www.theses.fr/2021CSUP0008.
Анотація:
Dans ce travail, nous étudions la dynamique non linéaire de diodes laser injectées optiquement avec des peignes de fréquence.Nous analysons d'abord théoriquement et expérimentalement la dynamique non linéaire des lasers à émettant par la tranche (EELs) à partir d'une injection optique de peignes de fréquence. Les paramètres d'injection et les propriétés du peigne injecté sont variés pour dévoiler plusieurs dynamiques verrouillées et déverrouillées. Pour une force d'injection suffisamment grande et sur une large plage de désaccord, le verrouillage d'injection bifurque vers une dynamique temporelle correspondant à un peigne de fréquence optique qui étend le peigne injecté à un spectre optique beaucoup plus large. Une analyse de bifurcation révèle une dynamique de peigne de fréquence harmonique en cascade conduisant à une augmentation significative des lignes de peigne de sortie. Nous avons également utilisé les paramètres d'injection, les propriétés du peigne et le courant d'injection pour contrôler les propriétés du nouve peigne. Dans un deuxième temps, nous analysons expérimentalement la dynamique non linéaire et les propriétés de polarisation dans des lasers émettant par la surface (VCSEL) soumis à une injection optique orthogonale avec des peignes de fréquence. Plus important encore, le VCSEL montre deux peignes de fréquence avec une polarisation orthogonale à partir d'un seul appareil pour certains paramètres d'injection. Nous démontrons également la possibilité de contrôler le taux de répétition des peignes à une ou deux polarisations grâce à la génération de peignes à fréquence harmonique. Nous présentons enfin expérimentalement et théoriquement la dynamique d'injection de VCSEL à partir d'une injection de peigne de fréquence optique avec une polarisation parallèle à celle du VCSEL. Nous montrons que la performance des peignes à deux polarisations sont limitées à une injection de courant élevé dans le cas d'une injection optique parallèle. Pour un courant de polarisation fixe, la dynamique des deux peignes de polarisation disparaît lorsque l'on augmente l'espacement des peignes injectés.Cette thèse démontre donc outre son intérêt pour la dynamique laser non linéaire, l'injection optique est une technique permettant d'exploiter les propriétés de peigne dans les diodes laserIn this work, we study the nonlinear dynamics of laser diodes optically injected with frequency combs.We first theoretically and experimentally analyze the nonlinear dynamics of edge-emitting lasers (EELs) from an optical injection of frequency combs. The injection parameters and injected comb properties are varied to unveil several locked and unlocked dynamics. For large enough injection strength and over a large detuning range, the injection locking bifurcates to a time-periodic dynamics corresponding to an optical frequency comb that extends the injected comb to a much broader optical spectrum. A bifurcation analysis reveals a cascade harmonic frequency comb dynamics leading to a significant increase in the output comb lines. We have also used the injection parameters, comb properties, and injection current to control the new comb properties. We secondly analyze the nonlinear dynamics and polarization properties in vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) subject to orthogonal optical injection with frequency combs experimentally. Most importantly, the VCSEL shows two frequency combs with orthogonal polarization from a single device for some injection parameters. We also demonstrate the possibility to control the single or two polarizations comb repetition rate through harmonic frequency combs generation. We finally present experimentally and theoretically the VCSEL injection dynamics from parallel optical frequency comb injection. We show that the two polarizations combperformance is restricted to high current injection in the case of parallel optical injection. For fixed bias current, the two polarization comb dynamics disappear when increasing the injected comb spacing.This thesis therefore demonstrates besides its interest for nonlinear laser dynamics, optical injection is a technique to harness the comb properties in laser diodes
28
Loose, Andre. "Multistability due to delayed feedback and synchronization of quasiperiodic oscillations studied with semiconductor lasers." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I, 2011. http://dx.doi.org/10.18452/16418.
Анотація:
In dieser Arbeit werden zwei nichtlineare Phänomene untersucht, Multistabilität durch verzögerte Rückkopplung und Synchronisation von quasiperiodischen Oszillationen. Dies geschieht mit Hilfe von Halbleiterlasern und auf dem selben Chip wie der Laser integrierter ultrakurzer optischer Rückkopplung. Verzögerte Rückkopplung ist unter anderem die Ursache für das Phänomen der Faltung von Lasermoden, und damit für das Auftreten von mehreren möglichen Laserzuständen für die selben Parameter. Ein tristabiles Regime von Dauerstrichzuständen kann im Experiment für mehrere breite Parameterbereiche der Rückkopplung beobachtet werden. Sehr nahe der Laserschwelle wird einer der Laserzustände durch den stabilen ``aus''''-Zustand ersetzt. Theoretische Betrachtungen im Rahmen des paradigmatischen Lang-Kobayashi Models verzögerter Rückkopplung ermöglichen eine in sich konsistente Interpretation der experimentellen Ergebnisse. Neben der Beeinflussung des stationären Verhaltens eines Halbleiterlasers kann verzögerte Rückkopplung Instabilitäten in der Laseremission hervorrufen. Abhängig von Rückkoppelstärke und -phase werden zwei verschiedene Intensitätspulsationen des emittierten Lichtes beobachtet. Synchronisationsprozesse solcher Pulsationen wurden von mir in einem System von zwei verschiedenen gekoppelten Multisektionslasern untersucht. Periodische Selbstpulsationen von Laser 1 werden hierfür in Laser 2 injiziert, welcher sich in einem Regime quasiperiodischer Intentensitätspulsationen mit zwei fundamentalen Frequenzen befindet. Das Experiment zeigt eine neue Art von Übergang zu synchronem Verhalten, welche kürzlich mit Hilfe von gekoppelten generischen Phasen- und van der Pol Oszillatormodellen aufgedeckt wurde. Desweiteren konnten bislang unerforschte Prozesse des Kohärenzübertrags auch zu nichtsynchronisierten Oszillationen beobachtet werden.In this work two nonlinear phenomena are investigated, multistability due to delayed feedback and synchronization of quasiperiodic oscillations. The experimental devices are semiconductor lasers with ultra-short optical feedback, which is integrated on the same chip as the laser. Delayed feedback causes the folding of lasing modes, leading to hysteresis effects and even the coexistence of several laser states for the same parameters. A regime of tristability of continuous-wave (cw) states is found for multiple ranges of applied currents. Very close to threshold, one of the lasing states may be replaced by the stable ``off''''-state. Theoretical investigations in the framework of the paradigmatic Lang-Kobayashi model provide a consistent understanding of the experimental findings. Besides modifying the stationary behavior of a semiconductor laser, delayed feedback can cause instabilities of the laser output. Depending on strength and phase of the feedback, two types of self-sustaining pulsations of the emitted light intensity are found in our devices. Synchronization processes of such pulsations are studied in a system of two coupled multisection lasers. Periodic self-pulsations of laser 1 are injected into laser 2, which is operating in a regime with two-frequency quasiperiodic self-pulsations. The experimental system demonstrates the new type of transitions to synchrony between three frequencies which has been recently revealed using generic coupled phase and van der Pol oscillator models. Moreover, carefully determining the coherence of the noisy oscillations, so far unexplored processes of coherence transfer to nonsynchronized oscillations are revealed.
29
Audo, Kevin. "Étude théorique et expérimentale des lasers solides bi-fréquences auto-régulés en bruit d'intensité via des non-linéarités intracavité." Thesis, Rennes 1, 2018. http://www.theses.fr/2018REN1S002/document.
Анотація:
Les lasers à état solide bi-fréquences constituent des sources de choix pour de nombreux domaines (métrologie, photonique micro-onde, Lidar-Radar, horloges atomiques). Cependant, de tels lasers souffrent d'excès de bruit d'intensité difficiles à supprimer avec les méthodes habituelles. Dans ce contexte, nous développons une nouvelle approche baptisée « buffer reservoir » pour la réduction de l'excès de bruit d'intensité des lasers à état solide. Cette méthode repose sur le changement du comportement dynamique du laser par insertion d'un mécanisme d'absorption non-linéaire faiblement efficace dans la cavité. Tout d'abord, nous étudions cette approche dans des lasers solides mono-fréquence en exploitant deux types d'absorption non-linéaire : l'absorption à deux photons (TPA) et l'absorption par génération de seconde harmonique (SHGA). Nous montrons qu'il est possible de réduire de 50 dB le bruit d'intensité à la fréquence des oscillations de relaxation d'un laser Er,Yb:verre sans en dégrader la puissance de sortie ni le bruit de phase. Nous explorons les mécanismes physiques sous-jacents en développant un modèle analytique décrivant le comportement dynamique du laser. L'effet de l'absorbant non-linéaire sur les pics de bruit à haute fréquence à l'intervalle spectrale libre de la cavité est également étudié. Nous démontrons l'intérêt de telles sources lasers auto-régulées en intensité pour la distribution d'oscillateurs locaux sur porteuse optique. Nous mettons ensuite en application l'approche « buffer reservoir » dans des lasers bi fréquences. En développant un modèle analytique prédictif, nous montrons expérimentalement que l'utilisation de TPA engendre, sous certaines conditions, une réduction de 40 dB de l'amplitude des pics de bruit en-phase et en anti-phase. Nous vérifions en outre les propriétés de couplage des modes dans le milieu actif lorsque les pertes non-linéaires sont présentes. Enfin, nous abordons l'utilisation de SHGA comme ''buffer reservoir'' dans les lasers bi-fréquences. Plus particulièrement, nous explorons expérimentalement et théoriquement le comportement du laser lorsque les pertes non-linéaires ne sont introduites que sur un seul mode propre du laser. Dans cette configuration, nous montrons qu'il est possible d'obtenir pour les deux modes à la fois une forte diminution des pics de bruit d'intensité résonantsDual-frequency solid-state lasers are attractive for numerous domains (metrology, microwave photonics, Lidar-Radar, optical clocks). However, such lasers suffer from excess intensity noise which is difficult to cancel with usual methods. In this context, we develop a new approach called “buffer reservoir” for reducing the excess intensity noise. This method relies on the change of the laser’s dynamical behavior by inserting a low efficient nonlinear absorption mechanism in the cavity. First, this approach is studied on single frequency solid-state lasers by using two types of non-linear absorption: two-photon absorption (TPA) and second harmonic generation absorption (SHGA). We show a possible reduction of the intensity noise at the relaxation oscillations frequency of an Er,Yb:glass laser up to 50 dB without degrading neither its power nor its phase noise. We explore the underlying physics by developing an analytical model describing the laser dynamical behavior. The effect of the nonlinear absorber on the noise peaks lying at high frequency at the free spectral range of the cavity is also studied. We demonstrate the relevance of such self-regulated lasers for the distribution of optically carried local oscillators. We then extend the “buffer reservoir” approach to dual-frequency lasers. By developing a predictive analytical model, we show experimentally that the use of TPA enables 40 dB reduction of both in-phase and anti-phase noise under certain conditions. The mode coupling in the active medium is analyzed when the nonlinear losses are present. Finally, we address the use of SHGA as a ''buffer reservoir'' in dual-frequency lasers. In particular, we experimentally and theoretically explore the laser behavior when the nonlinear losses are inserted on one eigen-mode of the laser only. This configuration enables a strong reduction of resonant noise peaks for both modes
30
Wang, Tao. "Évolution de la cohérence et dynamique non-linéaire des lasers à la meso-échelle." Thesis, Nice, 2016. http://www.theses.fr/2016NICE4016/document.
Анотація:
Le laser est omniprésent dans la recherche et les applications. Les efforts de miniaturisation, qui affectent le développement de sa cohérence, se sont multipliés depuis sa découverte, mais seulement avec les plus petits Lasers à Emission Verticale (VCSELs) on détecte l'influence du volume de cavité sur les propriétés d'émission. Ainsi on se pose des questions sur l'apparition et le développement de la cohérence, sur la valeur (unique ?) du seuil laser, sur l'existence d'un tel seuil dans un nanolaser et sur la réponse à la modulation du pompage. Dans cette thèse, nous explorons le fonctionnement du laser autour du « seuil » pour obtenir des réponses expérimentales à quelques-unes des questions posées dans des lasers à la meso-échelle. Les fonctions de corrélation, la dynamique temporelle, la reconstruction de l'espace des phases, des indicateurs statistiques et des mesures spatialement résolues d'intensité et de longueur d'onde d'émission sont les indicateurs utilisés dans cette étude. La dynamique est étudiée modulant sinusoïdalement des petits VCSEL, où nous obtenons : des impulsions dans la région du seuil, amplification anormale de l'émission spontanée (en polarisation croisée), oscillations régulières et (surtout) irrégulières par la forte influence de l'émission spontanée dans ces petits dispositifs. Enfin, une caractérisation bidimensionnelle des propriétés du rayonnement, transversalement à l'émission, montre la corrélation entre la croissance de la cohérence et celle du mode laser. Pour les dispositifs plus grands, cette analyse jette les bases pour l'étude du développement de la cohérence dans les lasers spatialement étendusCoherent light sources are nowadays ubiquitous in scientific research and engineering applications and have been miniaturized since their inception. Physically, the onset and development of laser coherence is largely affected by the cavity size reduction, but this becomes apparent only for the smallest Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs). Thus the following questions arise: When does coherence set in? How does it develop? How do we define threshold? Is there a unique threshold value and does it exist at all for a nanolaser? What is the dynamical response to modulation in this uncharted territory? In this thesis we explore the regime of laser operation around what is conventionally called the threshold point and obtain experimental answers to some of the questions from mesoscale lasers. Correlation functions, temporal dynamics, phase space reconstruction, statistical indicators and spatially-resolved intensity and emission wavelength measurements are the indicators for the answers we seek. The dynamical response is investigated by applying a sinusoidal modulation to very small VCSELs, where we obtain the amplification of pulses in the threshold region, anomalous amplification of the spontaneous emission (in a cross-polarized channel), regular and (mostly) irregular pulsations due to the strong influence of spontaneous emission in these small devices. Finally, a two-dimensional characterization of the radiation properties transversely to the emission shows the correlation between coherence buildup and the establishment of a laser mode. For larger devices, this analysis lays the foundation for investigating the buildup of coherence in spatially extended lasers
31
Oliver, Andreu Neus. "Complex dynamics in photonic delay systems: a story of consistency and unpredictability." Doctoral thesis, Universitat de les Illes Balears, 2015. http://hdl.handle.net/10803/378032.
Анотація:
- Introducció
Photonic systems are powerful test-beds for the investigation of complex dynamics emerging from
delays in feedback or coupling. The aim of this thesis was to study two relevant properties of photonic
delay systems with direct applications in current information processing and encryption systems:
consistency and unpredictability. We characterized the ability of laser systems with delay to exhibit, on
the one hand, reliable complex dynamics when an external stimulus is applied, and on the other hand,
unpredictable complex behavior, depending on the operating conditions. Consistency properties have
been studied as a necessary condition for the implementation of Reservoir Computing schemes. The
property of unpredictability has been exploited in the application of random bit generation.
- Contingut de la investigació
For the characterization of the consistency properties, we used three different experiments based on a
semiconductor laser systems with delay that followed the drive-response scheme. Through the analysis
of the responses to a repeated drive, a consistent or inconsistent behavior can be identified.
In the first setup, we investigated consistency of a semiconductor laser to its own time-delayed feedback,
so that the drive was the self-generated complex signal, and the response system was the semiconductor
laser itself. A high accuracy in the repetition of the drive was achieved with the design of a fiber-optic
setup with two feedback loops. This allowed us the extraction of measures like the sub-Lyapunov
exponent.
We extended the study to the use of a semiconductor laser system with excitability properties subject to electrical input pulse trains. Here, two different pulse trains modulating the pump current of the laser
were used as drives, while the semiconductor laser with delayed feedback operating in the chaotic
regime of Low Frequency Fluctuations acted as response system. The purpose of this experiment was to
study the possibility and requirements to induce a consistent response, particularly the power drop-out,
with the injection of a short pulse.
To complement the investigations on consistency, the last drive-response scheme used
was an electro-optic intensity oscillator driven by 3 scalar signals: an harmonic waveform, a sequence of
pulses, and recorded time-traces from the autonomous dynamics. Under certain conditions, the response
system can show hysteresis and coexistence of multistable states.
We introduced new tools to quantify consistency and identified common features of the setups
investigated. Our study showed that when the autonomous dynamics were periodic or period doubled, a
consistent response was obtained independent of the drive. In cases of bistable dynamics, new sorts of
consistency were discovered, like reproducible time-position transitions between the two states.
The last Chapter of this thesis was devoted to the use of the unpredictable dynamics for the generation of
random bits. A semiconductor laser with polarization rotated feedback was utilized to provide chaos
characterized by randomness-like features, including a flat broad spectrum, suppression of the delay
echoes of the autocorrelation function and no recurrences in the temporal oscillations. Nevertheless, we
found that other factors like the data acquisition and the postprocessing of the signal also affected the
randomness of the finally generated bits. The validity of our guidelines was proven with our random bit
generator, enhancing its generation rate up to 160Gbit/s.
- Conclusió
With this work, we explored the emerging complex behavior in laser systems with delay. In particular,
we characterized their ability to display a consistent behavior, and deterministic chaos that can lead to
unpredictable dynamics. We introduced new tools and measures to quantify consistency, and guidelines
for an optimum performance of a random bit generator. Altogether, our results represent a significant
contribution to the areas where these two properties play a role, such as information processing and
secure optical communications.
Contents:
Resumen vii
Summary ix
List of publications xiii
1 Introduction 1
1.1 Delay systems 2
1.2 Photonic delay systems 3
1.2.1 Photonic delay systems in the drive-response scheme 3
1.3 About Consistency 4
1.3.1 Applications of consistency 5
1.4 About Unpredictability 6
1.4.1 Applications of unpredictable dynamics 7
1.5 Overview of this Thesis 8
2 Concepts and tools 11
2.1 Consistency and Generalized Synchronization 11
2.2 Tools to measure consistency 13
2.2.1 The sub-Lyapunov exponent 13
2.2.2 Inter- and intra-correlations 15
2.2.3 Review of the consistency measures 19
2.3 Tools to measure unpredictability 21
3 Consistency of a laser to time delayed feedback 23
3.1 Introduction 23
3.2 Experimental implementation 24
3.2.1 Dynamical performance 26
3.3 Quantifying consistency from experimental data 29
3.3.1 Consistency correlation 29
3.3.2 Sub-Lyapunov exponents from transverse distribution functions 33
3.4 Sub-Lyapunov exponent in numerical simulations 39
3.5 Summary and conclusions 41
4 Consistency of a laser system to input pulse trains 43
4.1 Introduction 43
4.2 Experimental realization 44
4.2.1 A study at slow timescales 48
4.3 Influence of the history of pulses 48
4.3.1 Consistency for a bimodal distribution of drive pulses 51
4.4 Influence of the inter-pulse intervals 54
4.4.1 Consistency for a uniform distribution of drive pulses 55
4.5 Filtering the responses 58
4.6 Summary and conclusions 59
5 Consistency of an electro-optic intensity oscillator 61
5.1 Introduction 61
5.2 Experimental realization 62
5.2.1 Methodology 64
5.3 Dynamics without modulation 65
5.3.1 Changing : from fixed point to chaos 65
5.3.2 Changing and 0: the bifurcation diagrams 66
5.4 Consistency with an external drive 71
5.4.1 Harmonic drive 72
5.4.2 Pseudo-random pulse distribution 74
5.4.3 Recorded time traces 77
5.5 Summary and conclusions 83
6 Random bit generation with a chaotic laser 87
6.1 What are random numbers? 88
6.1.1 Types of random bit generators 89
6.1.2 Why a random bit generator based on a semiconductor laser? 89
6.2 Experimental implementation 90
6.3 Dynamical properties for a good Random Bit Generator 91
6.3.1 RF power spectrum 92
6.3.2 Autocorrelation conditions 93
6.3.3 Systematic study of the AC properties 96
6.3.4 Role of noise 97
6.4 Acquisition conditions 97
6.4.1 Sampling rate and data acquisition . 99
6.5 Postprocessing 100
6.6 Assessing the randomness 102
6.7 Generation of random bit sequences 105
6.8 Interplay of postprocessing and sampling rate 106
6.9 Optimizing the bit generation rate 108
6.9.1 Extension to 16-bit digitization 110
6.9.2 Information Theoretic limits 110
6.10 Discussion 112
6.11 Summary 115
7 Conclusions and future work 117
7.1 Conclusions 117
7.2 Future work 119
Bibliography 121
32
Visnevski, Dmitri. "Collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures." Phd thesis, Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00914332.
Анотація:
In my thesis I will discuss some aspects of collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures. In the first Chapter I will make a brief introduction to the modern semiconductor physics and willdescribe the general elements and notions which will be used further. Other four chapters would be devoted to four works in which I participated, notably, in Chapter 2 I will speak about the coherent interactions between phonons and exciton orexciton-polariton condensates, in Chapter 3 I will discuss the quantum dots lasing and its amplification by an acoustic pulse. Chapter 4 and 5 will be devoted respectively to the polariton multistability and to the condensates of indirect excitons.
33
Sebastian, Ananthu. "Noise dynamics in multi-Stokes Brillouin laser." Thesis, Rennes 1, 2020. http://www.theses.fr/2020REN1S068.
Анотація:
La diffusion Brillouin stimulée (SBS) est un processus d'interaction cohérent, pour lequel la lumière est diffusée à partir des ondes acoustiques générées optiquement. Les lasers Brillouin suscitent un très grand intérêt pour leur capacité à produire des largeurs de raie ultra cohérentes. Cette thèse est consacrée à la compréhension des propriétés de bruit des lasers à fibre Brillouin en anneau, fonctionnant avec de multiples ordres de Stokes. Tout d'abord, nous présentons une technique basée sur la méthode de ringdown de la cavité, qui permet de caractériser le coefficient de gain Brillouin directement à partir du sondage de la cavité laser. Ses avantages sont d'obtenir des paramètres à partir d'une seule expérience avec de faibles puissances optiques (quelques 10 milliwatts) pour des cavités courtes (quelques mètres de long, ou cavités intégrées). Deuxièmement, il est démontré qu'une largeur de raie intrinsèque de quelques dizaines de mHz peut être facilement obtenue en cascadant deux lasers Brillouin non résonants (pour lesquels la pompe effectue un seul passage à l'intérieur de la cavité). Afin d'obtenir ces résultats, la stabilité à long terme a été améliorée en utilisant une boucle d'asservissement de type Pound Drever Hall, ce qui nous permet de comparer nos résultats analytiques et expérimentaux. Malheureusement, nous n'avons pas exploré les limites fondamentales de la réduction du bruit en raison du plancher de bruit de notre banc de mesure. Troisièmement, un des travaux majeurs de cette thèse est l'étude analytique et expérimentale des propriétés du bruit, y compris le bruit de fréquence et le bruit relatif d'intensité, d'un laser Brillouin résonant (pour lequel, les ondes de pompe et de Stokes sont résonantes à l'intérieur de la cavité). En particulier, les impacts du facteur de qualité de la cavité fibrée en anneau, le désaccord de gain Brillouin ont été évalués très précisément sur les caractéristiques du RIN du laser telles que la réduction de l'amplitude du bruit et la fréquence de relaxation. Nous soulignons le fait que de nombreuses caractéristiques du bruit de fréquence sont liées aux propriétés du RIN par un couplage entre l'intensité et la phase. Nous montrons que le processus en cascade modifie la dynamique du laser Brillouin par rapport à celle d'un laser Brillouin monomode avec une seule composante de Stokes de premier ordre. Nos résultats expérimentaux sont en excellent accord avec nos simulations, obtenues grâce à notre système non linéaire décrivant le fonctionnement d'un laser Brillouin multi-Stokes. Cette bonne concordance est principalement due à notre capacité : à obtenir des valeurs très précises des paramètres de la cavité et du coefficient de gain Brillouin en utilisant la technique CRDM ; à atteindre une stabilité à long terme (plusieurs dizaines d'heures) ; à contrôler finement le désaccord entre la résonance de Stokes du laser et la fréquence du maximum de gain Brillouin. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois que le bruit de fréquence est dégradé en présence d'une diffusion Brillouin anti-Stokes. Nous montrons également qu'un désaccord de gain de l'ordre de quelques centaines de kHz peut dégrader la réduction du bruit d'intensité ou également augmenter la largeur de raie par un couplage amplitude-phase. Toutes ces observations très fines nous permettent donc de fixer les limites fondamentales de tels systèmes laser comme : l'augmentation du bruit due aux ordres anti-Stokes ; le rôle du bruit de pompe et son interrelation possible avec la finesse de la cavité ; l'effet du désaccord inhérent aux ordres de Stokes plus élevés. Toutes ces conclusions sont les clés de la conception et de l'ingénierie de ces lasers à fibre Brillouin, qui suscitent actuellement beaucoup d'intérêt comme en témoignent les travaux en cours dans la communauté scientifique. Cette thèse de doctorat contribue à une meilleure compréhension des lasers Brillouin multi-StokesStimulated Brillouin Scattering (SBS) is a coherent interaction process in which light is scattered from optically generated acoustic waves. It is a powerful tool for microwave and optical signal processing, distributed sensing and spectroscopy. Brillouin lasers are attracting a lot of interest for their ability to produce ultra coherent linewidths. This thesis is devoted to the understanding of noise properties of Brillouin fiber ring lasers, operating with multiple Stokes orders. First, we present a technique based on the cavity ring-down method, which allows to characterize the Brillouin gain coefficient directly from probing the laser cavity. Its advantages are to obtain parameters from a single experiment with low optical powers (some 10 milliwatts) for short cavities (a few meters long, or integrated cavities). Secondly, it is shown that an intrinsic linewidth of a few tens of mHz can be easily obtained by cascading two non-resonant Brillouin lasers (for which the pump performs a single pass inside the cavity). In order to obtain these results, the long-term stability has been improved by using a Pound-Drever-Hall servo loop, which allows us to compare our analytical and experimental results. Unfortunately, we were unable to explore the fundamental limits of noise reduction due to the noise floor of our bench. Thirdly, one of the major works of this thesis is the theoretical and experimental study of the noise properties, including frequency noise and relative intensity noise, of a resonant Brillouin laser (for which pump and Stokes waves are resonant inside the cavity). In particular, the impacts of the fiber-ring-cavity quality factor, Brillouin gain detuning, are evaluated very precisely on the laser RIN features such as amplitude noise reduction and relaxation frequency. We emphasize the fact that many characteristics of the frequency noise are related to the RIN properties by a coupling between intensity and phase. We show that the cascade process modifies the dynamics of the Brillouin laser when compared to those of a single-mode Brillouin laser with a single first-order Stokes component. Our experimental results are in excellent agreement with our numerical simulations, obtained thanks to our non-linear system describing the operation of a multi-Stokes Brillouin laser. This good match is mainly due to our ability: to obtain very precise values of the cavity parameters and the Brillouin gain coefficient using the CRDM technique ; to achieve long-term stability (hours); to finely control the detuning between the laser Stokes resonance and the frequency of the Brillouin gain maximum. We demonstrate experimentally for the first time that frequency noise is degraded in the presence of anti-Stokes Brillouin scattering. We also show that a gain detuning of the order of a few hundred kHz can degrade the intensity noise reduction or also increase the linewidth by amplitude-phase coupling. All these very fine observations thus allow us to set the fundamental limits of such laser systems such as: the increase in noise due to anti-Stokes orders; the role of pump noise and its possible interrelation with cavity finesse; the effect of the detuning inherent to higher Stokes orders. All these conclusions are key to the design and engineering of these Brillouin fiber lasers, which are currently attracting a great deal of interest as evidenced by the work in progress in the scientific community. This PhD thesis contributes to a better understanding of multi-Stokes Brillouin lasers
34
Huang, Heming. "Optical nonlinearities in quantum dot lasers for high-speed communications." Thesis, Paris, ENST, 2017. http://www.theses.fr/2017ENST0012/document.
Анотація:
L’évolution actuelle des systèmes de communications optiques est telle que la circulation d’information n’est plus exclusivement limitée par les liens longues distances transocéaniques ou par les réseaux cœurs. De nombreuses applications courtes distances comme les réseaux d’accès où les débits des systèmes amenant la fibre chez l’abonné doivent être maximisés et les connexions internes et externes des centres de données transportent un trafic de données important produit en partie par les applications de type « Big Data ». Les critères imposés par ces nouvelles architectures notamment en termes de coût et consommation énergétique doivent être pris en compte en particulier par le déploiement de nouveaux composants d’extrémités. Grâce au très fort confinement des porteurs, les lasers à boites quantiques constituent une classe d’oscillateurs présentant des caractéristiques remarquables notamment en termes de courant de seuil et de stabilité thermique. En particulier, l’application d’une perturbation optique externe permet d’exploiter les nonlinéarités optiques des boîtes quantiques pour la réalisation de convertisseurs en longueur d’onde performants ou de transmetteurs à haut-débit fonctionnant sans isolateur optique. Ce dernier point est particulièrement critique dans les réseaux courtes distances où l’utilisation de sources modulées directement reste une solution technologique importante.Ce travail de thèse réalisé sur des structures lasers à base d’Arséniure de Gallium (GaAs) et de Phosphure d’Indium (InP) montre la possibilité d’améliorer l’efficacité de conversion non-linéaire par injection optique et de générer de nombreuses dynamiques dans des oscillateurs rétroactionnés et émettant sur différents états quantiques. Par ailleurs, le déploiement massif des systèmes cohérents mais également la conception des futures horloges atomiques sur puces nécessite l’utilisation de sources optiques à faible largeur de raie et ce afin de limiter la sensibilité de la réception au bruit de phase du transmetteur et de l’oscillateur local et induire un taux d’erreur binaire important. La conception de laser à faible largeur spectrale constitue un autre objectif de ce travail thèse. Les avantages de la technologie boites quantiques ont été mis à profit pour d’atteindre une largeur spectrale de 160 kHz (100 kHz en présence de rétroaction optique) ce qui est de première importance pour les applications susmentionnéesThe recent evolution of optical communication systems is such that the transfer of massive amounts of information is no longer limited to long-distance transoceanic links or backbone networks. Numerous short-reach applications requiring high data throughputs are emerging, not only in access networks, where upgrades of the bit rate of fiber-to-the-home systems need to be anticipated, but also in data center networks where huge amounts of information may need to be exchanged between servers, in part triggered by the rise of big data applications. The new requirements in terms of cost and energy consumption set by novel short-reach applications therefore need to be considered in the design and operation of a new generation of semiconductor laser sources. Owing to the tight quantum confinement of carriers, quantum dot lasers constitute a class of oscillators exhibiting superior characteristics such as a lower operating threshold, a better thermal stability as well as larger optical nonlinearities. The investigation of quantum dot lasers operating under external perturbations allows probing such optical nonlinearities in the view of developing all-optical wavelength-converters with improved performance as well as optical feedback-resistant transmitters. This last point iseven more critical since it is expected that short-reach links making use of directly modulated sources will experience massive deployment in the near future, in contrast to conventional backbone links where the number of required optoelectronic interfaces remains relatively modest. In order to do so, the thesis reports on novel findings in GaAs- and InP-based quantum dot lasers such as improved bandwidth and conversion efficiency under optical injection and various complex dynamics with delayed quantum dot oscillators emitting on different lasing states. Last but not the least, the massive deployment of coherent systems as well as the realization of future chip-scale atomic clocks require the implementation of optical sources with narrow spectral linewidth otherwise the sensitivity to the phase noise of both transmitters and local oscillators can strongly affect the bit error rates at the receiver. This is another objective to be addressed in the thesis where the benefits of the quantum dot technology has allowed to reach a spectral linewidth as low as 160 kHz (100 kHz under optical feedback) which is of paramount importance not only regarding the aforementioned applications
35
Puzyrev, Dmitry. "Dynamics of Localized Structures in Spatially Extended and Coupled Systems with Delayed Feedback." Doctoral thesis, Humboldt-Universität zu Berlin, 2018. http://dx.doi.org/10.18452/19482.
Анотація:
Systeme mit Zeitverzögerung sind von großem Interesse in Nichtlinearer Dynamik und allgegenwärtig in den Naturwissenschaften. Gegenstand dieser Doktorarbeit ist die raumzeitliche Dynamik räumlich-ausgedehnter, nichtlinearer Systeme mit Zeitverzögerung, mit besonderem Augenmerk auf deren lokalisierte Lösungen. Die betrachteten Systeme werden beschrieben durch partielle Differentialgleichungen und gekoppelte Systeme von gewöhnlichen Differentialgleichungen mit verzögerter Rückkopplung.
Hinsichtlich der partiellen Differentialgleichungen untersucht diese Arbeit die Existenz und Stabilität der ebenen Wellenlösungen ebenso, wie die Existenz und Stabilität der lokalisierten Lösungen der eindimensionalen, komplexen, kubischen und kubisch-quintischen Ginzburg-Landau Gleichung mit verzögerter, optischer Rückkopplung. Das erste Ergebnis dieser Arbeit ist die vollständige Beschreibung der Menge der ebenen Wellenlösungen und ihre Stabilität für lange Verzögerungszeiten. Aufgrund der Symmetrie der Ginzburg-Landau Gleichung bildet diese Menge eine eindimensionale Familie, die zum Auftreten einer „Tube“ in Parameter-Koordinaten führt.
Das zweite, neuartige Ergebnis ist die Beschreibung der Modulationsinstabilität dieser lokalisierten Strukturen. Diese Instabilität kann zu einer periodischen und chaotischen Zickzackbewegung der Lösung führen.
Das dritte Resultat ist die Charakterisierung gebundener Impulsfolgen in einem System von gekoppelten gewöhnlichen Differentialgleichungen mit Zeitverzögerung, das zur Beschreibung einer Anordnung von modengekoppelten Lasers herangezogen wird. In diesem Regime interagieren die modengekoppelten Impulse in verschiedenen Lasern lokal über die Balance von Abstoßung und Anziehung. Resultierend daraus entstehen Cluster von Impulsen, die in einzelnen modengekoppelten Lasern nicht möglich sind. Sämtliche genannte Phänomene wurden analytisch und numerisch behandelt.Systems with time-delay are ubiquitous in nature and attract significant interest in the field of nonlinear dynamics. The scope of this Thesis is the spatiotemporal dynamics in spatially extended nonlinear systems with time-delay, with a focus on the dynamics of localized structures. The systems under consideration are described by partial differential equations with delayed feedback and coupled systems of delay differential equations. For the partial differential equations, the existence and stability of plane wave solutions as well as localized structures are investigated in one-dimensional complex cubic and cubic-quintic Ginzburg-Landau equation with delayed feedback. The first result of this Thesis is the complete description of the set of plane wave solutions and their stability in the limit of large delay time. Due to the symmetry of Ginzburg-Landau equation, this set forms a one-dimensional family which leads to the appearance of the “tube” in parameter coordinates which is filled densely with plane wave solutions with the increase of the delay time. The second novel result is the description of modulational instability of localized structures in spatially extended systems with time-delay which can lead to periodic and chaotic zigzagging movement of the solution. The third result is the description of bound pulse trains in coupled delay systems depicting an array of mode-locked lasers. In this regime mode-locked pulses in different lasers interact locally via the balance of their repulsion and attraction. As a result, clusters of pulses emerge which can not exist in a solitary mode-locked laser. All of the aforementioned phenomena were described analytically and the results are supported by path continuation methods as well as direct numerical simulations with a specially designed software tool.
36
Gustave, François. "Dynamique de phase et solitons dissipatifs dans des lasers à semiconducteurs." Thesis, Nice, 2016. http://www.theses.fr/2016NICE4003/document.
Анотація:
Les solitons dissipatifs (SD) sont des paquets d'onde auto-localisés qui apparaissent dans les systèmes dissipatifs spatialement étendus. En optique, tous les SD observés jusqu'à présent dans des systèmes propagatifs peuvent être classés en deux catégories, suivant la présence ou non d'un forçage externe, i.e. si la symétrie de phase est brisée ou non. Dans les systèmes forcés, les DS sont accrochés en phase au forçage alors que sans forçage, leur phase est libre et peu dériver en fonction du temps. Dans cette thèse nous étudions la formation d'états localisés propagatifs dans deux systèmes expérimentaux qui diffèrent fondamentalement par la présence ou l'absence d'un forçage externe. Le premier système est un laser à semiconducteur à cavité verticale (VCSEL) soumis à une boucle de rétro-action sélective en fréquence, qui accueille des DS se formant dans la dimension transverse à la propagation (2D). Nous analysons comment la synchronisation des fréquences longitudinales du système (verrouillage modal) peut mener à la formation d'un état localisé dans les trois dimensions : balles de lumière. Le deuxième système est un laser en anneau à semi-conducteur fortement multimode le long de la propagation, et forcé par une injection externe. Lorsque le forçage est légèrement désaccordé de la fréquence naturelle du système, il est possible d'observer des états localisés constitués par un tour de phase de 2 pi, immergés dans l'état homogène (synchronisé). Nous reportons ainsi la première observation de SD qui se forment dans la phase de l'onde optique : solitons de phase dissipatifsDissipative solitons (DS) are self-localized wave-packets appearing in spatially extended dissipative systems. In optics, all the DS that have been observed in propagative systems can be cast in two categories, depending on the presence or absence of an external forcing, i.e. the phase symmetry is broken or not. In forced systems, DS are locked in phase to forcing whereas without forcing, their phase is free an can wander in the course of time. In this thesis, we study the formation of propagative DS in two different experimental systems that fundamentally differ from the presence or lack of an external forcing. The first one is a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) submitted to a frequency selective feedback, in which DS form in the transverse plane of the system (2D). We analyze how the synchronization of the longitudinal frequencies (mode-locking) can give rise to tri-dimensionnal localization of light: light bullets. The second system is a highly multimode semiconductor ring laser with external forcing, whose spatial extension takes place along the propagation dimension. When the forcing frequency is slightly detuned from the natural frequency of the system, we can see the appearance of self-confined 2 pi phase rotations embedded in a homogeneous (synchronized) state. We then report on the first observation of DS that form in the phase of the optical wave : dissipative phase solitons
37
Rimoldi, Cristina. "Événements extrêmes dans des cavités optiques non linéaires étendues." Thesis, Université Côte d'Azur (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017AZUR4095/document.
Анотація:
Les événements extrêmes sont des phénomènes, souvent considérés catastrophiques, qui se produisent dans la queue d'une distribution généralement en s'écartant d'une décroissance attendue exponentielle. En optique, ces événements ont été étudié dans le contexte des fibres, où ils ont été amplement analysés, comme des vagues scélérates, par analogie bien connue entre l'optique et l'hydrodynamique à travers l'équation de Schroedinger non linéaire. Avec le développement et l'élargissement du domaine, l'étude des événements extrêmes a été étendue à des systèmes dissipatifs avec ou sans degrés spatiaux de liberté.Dans cette thèse on se concentre sur l'étude des événements extrêmes dans trois différents types de systèmes optiques actifs et dissipatifs, présentant chacun un ou deux degrés spatiales de liberté, soit dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière) soit dans la direction de propagation. Des structures localisées de nature différente constituent une solution possible importante dans chacun des systèmes étudiés ; leurs interactions autant que leurs rôles dans la formation des événements extrêmes ont donc été analysés en détails. Dans le premier système, un laser à semiconducteur monolithique (VCSEL) à large surface avec un absorbant saturable, on présente la formation d'événements extrêmes dans le plan transversal à deux dimensions de l'intensité du champ électrique. En particulier, on met en évidence la liaison entre ces objets et les solitons de cavité, soit stationnaires soit oscillatoires, aussi présents dans le système. Dans le deuxième système, un laser multimodal spatialement étendu dans la direction de propagation avec injection optique, on analyse l'interaction et la fusion des solitons de phase, des structures localisées qui se propagent dans la cavité en transportant une rotation de phase de 2π. Les événements extrêmes ont été étudié dans deux configurations : une première où ils émergent de la collision des solitons de phase avec des autres structures transitoires transportant une charge chirale négative, et une deuxième où des événements d'intensité élevée émergent d'un régime instable de motif en rouleau où les solitons de cavité ne sont pas des solutions stables. Dans les deux systèmes, on examine le rôle de la chiralité dans la formation des événements extrêmes. Dans le troisième système, un laser à semi-conducteur avec injection optique, on étudie dans les détails l'interaction des solitons de cavité dans le plan transversal, décrits comme deux particules soumises à un potentiel d'interaction décroissant exponentiellement avec la distance entre les deux objets : une analogie possible avec les matériaux hydrophobes a été proposée. Des résultats préliminaires présentant des événements extrêmes spatiotemporels dans ce système sont aussi donnésExtreme events are phenomena, often considered as catastrophic, that occur in the tail of a distribution usually deviating from an expected, exponential decay. In optics, these events were first studied in the context of fibers, where they have been extensively analyzed, as optical rogue waves, in light of the well known analogy between optics and hydrodynamics, through the nonlinear Schroedinger equation. With the development and the broadening of the field, extreme events have been also studied in dissipative optical systems with or without spatial degrees of freedom. In this Thesis we focused on the study of extreme events in three different active and dissipative optical systems, each presenting one or two spatial degrees of freedom, either in the transverse plane, perpendicular to the direction of propagation of light, or in the propagation direction. Localized structures of different nature represent an important possible solution in each one of the systems here studied, hence their interaction and the role played in the formation of extreme events have been also investigated into details. In the first system, a monolithic broad-area semiconductor laser (VCSEL) with an intracavity saturable absorber, we report on the occurrence of extreme events in the 2D transverse plane of the electric field intensity. In particular we highlight the connection between these objects and cavity solitons, both stationary and oscillatory, also present in the system. In the second system, a highly multimode laser with optical injection spatially extended along the propagation direction, we analyze the interaction and merging of phase solitons, localized structures propagating along the cavity carrying a 2π phase rotation. Extreme events have been investigated in two configurations: a first one where they emerge from the collision of phase solitons with other transient structures carrying a negative chiral charge, and a second one where high-peak events emerge from an unstable roll regime where phase solitons are not a stable solution. In both these systems we investigate the role of chirality in the extreme event formation. In the third system, a broad-area semiconductor laser (VCSEL) with optical injection, we study into details the interaction of cavity solitons in the transverse plane, described as two particles subjected to an interaction potential exponentially decreasing with the distance between the two objects: a possible analogy with hydrophobic materials is here suggested. Some preliminary results showing spatiotemporal extreme events in this system are also given
38
Karsaklian, dal Bosco Andreas. "Chaos and high-frequency self-pulsations in a laser diode with phase-conjugate feedback." Phd thesis, Supélec, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00963630.
Анотація:
This thesis is a theoretical and experimental study of the dynamics of an edge-emitting laser diode (850 nm) with phase-conjugate feedback. The experimental device is designed to see the dynamical range of the laser through the temporal and spectral properties while the feedback rate varies. Phase-conjugate feedback is performed through four-wave mixing in a photorefractive crystal. The propagation time of the laser beam in the external cavity is termed external time delay. Under the effect of the feedback, the system shows a wide dynamical range including chaos and self-pulsing states which characteristic properties are determined by the length of the external cavity. For the first time self-pulsing states at frequencies multiples of the fundamental frequency of the external cavity are evidenced. Simulations carried out based on the commonly-used Lang-Kobayashi laser rate equations provide theoretical confirmations to the experimental observations. The main topics tackled here are chaos crisis and bistability of pulsing solutions, self-pulsing regimes (through their stabilization and destabilization) and the transitions between them, characterization of extreme events of two kinds along with their statistical distribution and delay-induced deterministic coherence resonance of low frequency fluctuations. Beyond the fundamental interest of these results and the many comparisons that can be made with other laser systems, applications in the field of all-optical signal generation and control of chaos are direct consequences of this study.
39
Chism, William Wesley. "Nonlinear classical dynamics in intense laser-atom physics /." Digital version accessible at:, 2000. http://wwwlib.umi.com/cr/utexas/main.
40
Osman, Frederick. "Nonlinear paraxial equation at laser plasma interaction /." [Campbelltown, N.S.W. : The author], 1998. http://library.uws.edu.au/adt-NUWS/public/adt-NUWS20030707.114012/index.html.
41
Bart, Graeme. "Bridging the Microscopic and Macroscopic Realms of Laser Driven Plasma Dynamics." Thesis, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2018. http://hdl.handle.net/10393/38187.
Анотація:
The physical processes shaping laser plasma dynamics take place on length scales ranging from the microscopic (1 ångström) to the macroscopic realms (µm). Microscopic field fluctuations due to the motions of individual plasma charges evolve on an atomic scale. Collisional effects influencing thermalization and ionization processes depend on the plasma fields on an atomic level. Simultaneously, collective processes such as plasma oscillations take place on a mesoscopic length scale of many-nm. The macroscopic realm is ultimately determined by the laser which typically spans hundreds of nm to a few µm.
Consequently, ab-initio modelling of laser plasma dynamics requires the resolution of length scales from 1Å to multiple µm. As such, in order to bridge the microscopic and macroscopic length scales of light-matter interaction, in is necessary to account for the individual motions of up to ~10^11 particles. This is a not an insignificant undertaking.
Until recently, approaches to numerical modelling of light-matter interactions were limited to MD and PIC, each with their own limitations. MicPIC has been developed to fill the gap left by MD and PIC but so far has not been adapted for scalable parallel processing on large distributed memory machines. Thus, its full potential was not able to be fully realized until now.
This thesis presents the massively parallel MicPIC method capable of bridging the micro- and macroscopic realms. A wide range of applications that have heretofore not been accessible to theory or, at best, had limited applicability are now open for thorough investigation. Among these are nonlinear nanophotonics, quantum nanophotonics, laser machining, ab-initio dynamics of strongly coupled plasmas, high-harmonic generation, electron and x-ray sources, and optical switching. Two of the first applications of parallel MicPIC to a selection of such problems are shown and discussed below, demonstrating the applicability of the method to a wide variety of newly accessible strong field laser-plasma physics phenomena.
42
Ming, Tang Jian. "Nonlinear dynamical and spectral effects in semiconductor laser devices." Thesis, Bangor University, 1999. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.267445.
43
Mercier, Emeric. "High-frequency nonlinear dynamics of a laser diode with phase-conjugate feedback." Thesis, CentraleSupélec, 2016. http://www.theses.fr/2016SUPL0010/document.
Анотація:
Nous étudions l’influence d’une rétroaction optique à conjugaison de phase dans une diode laser. Ce type de rétroaction a été peu étudié et nous montrons ici qu’il donne des résultats intéressants, permettant de débloquer du contenu à haute fréquence. Cela pourrait mener à de meilleures performances dans des systèmes de génération de nombres aléatoires utilisant du chaos optiqueWe study the influence of phase-conjugate feedback in a laser diode. This type of feedback has not been studied a lot and yet we show here that it can give interesting results. It unlocks oscillations at high frequencies. This could lead to an improvement in the performance of random number generators based on optical chaos
44
Emms, Rhys Mullin. "Impact of Plasma Dynamics On Femtosecond Filamentation." Thesis, Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2016. http://hdl.handle.net/10393/35126.
Анотація:
In this thesis we ran a series of 2D simulations of femtosecond laser pulses filamenting in air using the FDTD method, a saturable Lorentz oscillator model of air [1], and two separate models of plasma: a Drude model where the plasma density is static in space, and a particle-in-cell model where plasma is free to migrate throughout the simulation space. By comparing matched pairs of simulations, which varied in pulse size, duration, and intensity, we can gauge the impact plasma dynamics has upon the evolution of a filamenting laser pulse. From these tests we determine that, while there are some visible differences between dynamic
and static plasmas, plasma dynamics do not significantly alter the evolution of the pulse.
45
Al-Hosiny, Najm M. "Nonlinear dynamics of a distributed feedback laser subject to single and dual optical injection." Thesis, University of Essex, 2006. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.434393.
46
Kurskoy, Yu S., O. S. Hnatenko, Yu P. Machekhin, and M. V. Neofitnyy. "Topological Model of Laser Emission Parameters Research." Thesis, CAOL, 2019. http://openarchive.nure.ua/handle/document/15100.
Анотація:
The research paper presents a model for studying both the parameters and dynamics of laser light as a nonlinear dynamic system. The model provides for the measurement of the values of physical quantities by non-linear metrology methods and the analysis of the research findings with topological tools. The model is based on the assumption of interval values of the measured values and the possibility of changing the stationary dynamics into the random one. The model contains an experiment scheme and a procedure for evaluating measurement results. The peculiarity of the model lies in its systemic approach and suitability for measuring and researching stationary and chaotic modes. The model provides for the measurement of the emission parameter values intervals in various modes, of their stability values and time series prediction. Classification of the system dynamics is performed using the fractal dimension. The model can be used both to ensure the stability of the laser light parameters, and to obtain and control random emission.
47
Smirni, Salvatore. "Nonlinear dynamics of microcirculation and energy metabolism for the prediction of cardiovascular risk." Thesis, University of Dundee, 2018. https://discovery.dundee.ac.uk/en/studentTheses/c551cbef-6f00-48ef-b753-ad76ac93daf4.
Анотація:
The peripheral skin microcirculation reflects the overall health status of the cardiovascular system and can be examined non-invasively by laser methods to assess early cardiovascular disease (CVD) risk factors, i.e. oxidative stress and endothelial dysfunction. Examples of methods used for this task are the laser Doppler flowmetry (LDF) and laser fluorescence spectroscopy (LFS), which respectively allow tracing blood flow and the amounts of the coenzyme NAD(P)H (nicotamide adenine dinucleotide) that is involved in the cellular production of ATP (adenosine triphosphate) energy. In this work, these methods were combined with iontophoresis and PORH (post-occlusive reactive hyperaemia) reactive tests to assess skin microvascular function and oxidative stress in mice and human subjects. The main focus of the research was exploring the nonlinear dynamics of skin LDF and NAD(P)H time series by processing the signals with the wavelet transform analysis. The study of nonlinear fluctuations of the microcirculation and cell energy metabolism allows detecting dynamic oscillators reflecting the activity of microvascular factors (i.e. endothelial cells, smooth muscle cells, sympathetic nerves) and specific patterns of mitochondrial or glycolytic ATP production. Monitoring these dynamic factors is powerful for the prediction of general vascular/metabolic health conditions, and can help the study of the mechanisms at the basis of the rhythmic fluctuations of micro-vessels diameter (vasomotion). In this thesis, the microvascular and metabolic dynamic biomarkers were characterised in-vivo in a mouse model affected by oxidative stress and a human cohort of smokers. Data comparison, respectively, with results from control mice and non-smokers, revealed significant differences suggesting the eligibility of these markers as predictors of risk associated with oxidative stress and smoke. Moreover, a relevant link between microvascular and metabolic oscillators was observed during vasomotion induced by α-adrenergic (in mice) or PORH (in humans) stimulations, suggesting a possible role of cellular Ca2+ oscillations of metabolic origin as drivers of vasomotion which is a theory poorly explored in literature. As future perspective, further exploration of these promising nonlinear biomarkers is required in the presence of risk factors different from smoke or oxidative stress and during vasomotion induced by stimuli different from PORH or α-adrenergic reactive challenges, to obtain a full picture on the use of these factors as predictors of risk and their role in the regulation of vasomotion.
48
Matsui, Ryutaro. "Study of nonlinear structures and dynamics in collisionless plasmas created by the interaction between high power laser and cluster medium." Kyoto University, 2019. http://hdl.handle.net/2433/242326.
49
Liebel, Matz. "Understanding molecular dynamics with coherent vibrational spectroscopy in the time-domain." Thesis, University of Oxford, 2014. http://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:e0289d80-f6e3-4e6f-817e-f8dd55d15bc4.
Анотація:
This thesis describes the development of several spectroscopic methods based on impulsive vibrational spectroscopy as well as of the technique itself. The first chapter describes the ultrafast time domain Raman spectrometer including the development of two noncollinear optical parametric amplifiers for sub-10 fs pulse generation with 343 or 515 nm pumping. In the first spectroscopic study we demonstrate, for the first time, that impulsive vibrational spectroscopy can be used for recording transient Raman spectra of molecules in excited electronic states. We obtain spectra of beta-carotene with comparable, or better, quality than established frequency domain based nonlinear Raman techniques. The following two chapters address the questions on the fate of vibrational coherences when generated on a reactive potential energy surface. We photoexcite bacteriorhodopsin and observe anharmonic coupling mediated vibrational coherence transfer to initially silent vibrational modes. Additionally, we are able to correlate the vibrational coherence activation with the efficiency of the isomerisation reaction in bR. Upon generation of vibrational coherence in the second excited electronic state of beta-carotene, by excitation from the ground electronic state, we are able to follow the wavepacket motion out of the Franck-Condon region. We observe vibrationally coherent internal conversion, through a conical intersection, into the first excited electronic state and are hence able to demonstrate that electronic surface crossings can occur in a vibrationally coherent fashion. Additionally, we find strong evidence for vibronic coupling mediated back and forth crossing between the two electronic states. As a combination of this work we develop a IVS based technique that allows for the direct recording of background and baseline free Raman spectra in the time domain. Several proof of principle experiments highlight the capabilities of this technique for time resolved Raman spectroscopy. In the final chapter we present work on weak-field coherent control. Here, we address the question of whether a photochemical reaction can be controlled by the phase term of an electric excitation field, in the one photon excitation limit. We study the systems rhodamine 101, bacteriorhodopsin, rhodopsin and isorhodopsin and, contrary to previous reports, find no evidence for one photon control.
50
Dubois, Jonathan. "Electron dynamics for atoms driven by intense and elliptically polarized laser pulses." Thesis, Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0297.
Анотація:
Assujettir des atomes ou des molécules à des impulsions lasers de fortes intensités done lieu à une variété de phénomènes hautement non-linéaires, tels que par exemple l'ionisation des électrons et la radiation de photons de hautes fréquences. Les distributions des vitesses des électrons ionisés ou des fréquences des photons radiés encodent des informations pertinentes sur les atomes ou les molécules ciblés à l'échelle temporelle naturelle des électrons, l'attoseconde-qui est un millionième, d'un millionième, d'un millionième d'une seconde. Comprendre la dynamique des électrons ionisés ainsi qu'identifier les mécanismes de radiation de hautes fréquences sont des étapes essentielles afin d'interpréter et décoder les informations cryptées dans les mesures expérimentales.Dans cette thèse, des atomes soumis à des impulsions lasers de fortes intensités polarisées elliptiquement dans le régime infra-rouge sont étudiés théoriquement. Malgré leur nature fondamentalement quantique dans les atomes, les électrons manifestent certains comportements classiques lorsqu'ils sont sujets à des impulsions lasers de fortes intensités. Nous exploitons ces traits classiques pour comprendre et illustrer, à l'aide des trajectoires, les mécanismes physiques en jeu afin d'interpréter les résultats expérimentaux. Après ioniser, le mouvement des électrons est analysé en utilisant des techniques issues de la dynamique non-linéaire. Ce travail de thèse démontre la complémentarité de la mécanique quantique et de la dynamique non-linéaire pour comprendre et illustrer des mécanismes impliqués lorsque des atomes sont sujets à des impulsions lasers de fortes intensités polarisées elliptiquementSubjecting atoms or molecules to intense laser pulses gives rise to a variety of highly nonlinear phenomena, such as for instance the ionization of electrons and the radiation of high-frequency photons. The distributions of the velocity of the ionized electrons of the frequency of the radiated photons measured at the detector encode relevant informations on the target atoms and molecules at the natural time scale of the electrons, the attosecond-that is, million, million, millionths of a second. Understanding the dynamics of the ionized electrons and identifying the mechanisms of high-frequency radiation are essential steps toward interpreting and decoding the informations encrypted in the experimental measurements.In this thesis, atoms subjected to intense and elliptically polarized laser fields in the infrared regime are theoretically studied. Despite their fundamental quantal nature in atoms, electrons display some classical behaviors when subjected to intense laser pulses. We exploit these classical features to understand and picture, with the help of trajectories, the physical mechanisms at play in order to interpret experimental measurements. After ionizing, the motion of the electrons is analyzed using techniques from nonlinear dynamics. This thesis work demonstrates the complementarity of quantum mechanics and nonlinear dynamics for understanding and illustrating the mechanisms involved when atoms are subjected to intense and elliptically polarized laser pulses