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Semiconductor laser dynamics: two polarization feedback, quantum cascade lasers, and ring lasers

par Friart, Gaetan
Président du jury Kockaert, Pascal
Promoteur Erneux, Thomas ;Verschaffelt, Guy
Publication Non publié, 2017-03-27

Thèse de doctorat

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Résumé :

Semiconductor lasers (Sls) are very sensitive to external perturbations which may destabilize their steady output. This is particularly striking when the SL is subject to optical feedback, i.e., when part of the light coming out of the laser is reinjected in the cavity after reflection from a distant mirror. For some applications, this is a nuisance that we wish to avoid. But optical feedback may also drive the laser into dynamical regimes which are useful for new applications. In this thesis, we study different problems where an SL is subject to a delayed feedback or to an injected signal. These problems are motivated by recent experiments, technological issues, or particular dynamical phenomena. Specifically, we combine analytical techniques, numerical simulations, and experiments to investigate the bifurcation mechanisms leading to a large variety of oscillatory outputs. The systems that we discuss are an edge-emitting laser with polarization-rotated optical feedback, a two-mode laser with optical injection, a quantum cascade laser with optical feedback, and a semiconductor ring laser with optical feedback. We show that the bifurcations from the steady-states are of primary importance. They not only delimit the stability boundaries of the laser output but they also form the backbone structure of many pulsating waveforms. We investigate these bifurcations in detail in order to find the best operating conditions to observe specific dynamical regimes. Our results highlight laser key parameters that allow their efficient control.

Les lasers à semi-conducteur sont sensibles aux perturbations externes et celles-ci peuvent déstabiliser leur faisceau de sortie d’intensité constante. Ceci est particulièrement marquant quand le laser à semi-conducteur est sujet à un feedback optique, c’est-à-dire quand une partie de la lumière sortant du laser est réinjectée dans sa cavité après réflexion par un miroir distant. Pour certaines applications, cela représente une nuisance que l’on souhaite éviter. Mais le feedback optique peut aussi engendrer des régimes dynamiques utiles pour de nouvelles applications. Dans cette thèse, nous étudions différents problèmes où un laser à semi-conducteur est soumis à un feedback retardé ou à un signal injecté. Nos travaux sont motivés par de récentes expériences, des questions technologiques ou des phénomènes dynamiques particuliers. Nous combinons des techniques analytiques, des simulations numériques ainsi que des expériences afin d’analyser les mécanismes de bifurcation menant à une large variété de régimes oscillants.Nous étudions en premier lieu la dynamique d’un laser à semi-conducteur soumis à un feedback avec rotation de la polarisation. Nous examinons, à la fois théoriquement et expérimentalement, la séquence de bifurcations menant à des oscillations sous forme d’ondes carrées. Nous mettons en évidence une multistabilité entre différentes ondes carrées de périodes spécifiques. Nous introduisons alors un mécanisme de contrôle qui nous permet de sélectionner l’onde carrée désirée. Nous analysons ensuite les frontières de stabilité d’un laser à semi-conducteur à deux polarisations soumis à une injection optique. Nous montrons que si les gains des deux modes de polarisation sont suffisamment proches, un état stationnaire mixte stable peut exister. Nous explorons également les conditions permettant une bistabilité entre un état stationnaire pur et un état stationnaire mixte. Les lasers à cascade quantique sont de nouveaux lasers à semi-conducteur prometteurs qui possèdent une forte tolérance au feedback optique. Nous examinons de façon systématique leur stabilité dans la limite des grands retards. Nous montrons que des instabilités oscillantes sont cependant possibles pour de faibles valeurs du courant de pompe. Le dernier dispositif que nous étudions dans cette thèse est le laser à semi-conducteur en anneau soumis à un feedback optique. Nous identifions le mécanisme de bifurcation, appelé pont de bifurcation, responsable des instabilités oscillantes dans le faisceau de sortie du laser. Ces oscillations sont indésirables pour la plupart des applications impliquant de tels lasers. Nous montrons qu’elles peuvent être évitées en contrôlant la phase du feedback.