Letteratura scientifica selezionata sul tema "Lasers à îlot quantiques"

Les premiers calculs sur les structures de type I à faible gap sur substrat d’InP(001) révèlent l’intérêt de la combinaison. InAsSb/GaAsSb. La modélisation d’îlots uniques montre un mélange des fonctions d’onde de valence et conduction dans les états confinés, conduisant à des relaxations non-radiatives. La géométrie a un fort impact sur les temps associés à ces processus. Un calcul de l’IVBA montre une évolution globalement défavorable aux grandes longueurs d’onde avec toutefois des gammes privilégiées. Le gap élevé d’InAs contraint oblige à utiliser de gros îlots en faible densité, ce qui limite le gain. Un laser fait de 4 plans d’îlots a un courant de seuil de 3,4 kA/cm² à 20 K pour une longueur d’onde de 1,85 µm. L’obtention d’ilots d’InAsSb dans une barrière de GaAsSb semble complexe du fait d’un blocage cinétique de la transition 2D-3D par l’antimoine en surface qui permet néanmoins d’obtenir de plus gros îlots ou des puits plus épais émettant jusqu’à 2,35 µm à 300 K
Type I band lineups calculation for narrow gap structures on InP(001) substrate are presented It reveals the interest of InAsSb/GaAsSb association. Single dot model show a mixing of valence and conduction eigenfunctions in the confined eigenstates. This effect leads to non-radiative relaxations. Geometry has a strong impact on related characteristic times. IVBA calculations show a negative trend towards long wavelengths except for favoured areas. Large gap of strained InAs implies the use of big islands with low densities. Gain is then reduced. A 4 QD layers laser emitting at 1. 85 µm at 20 K has a threshold current density of 3,4 kA/cm². InAsSb dots formation in GaAsSb barrier turns out to be difficult. Antimony presence on the surface inhibits 2D-3D transition. Nevertheless this effect permits the formation of larger dots or thicker wells emitting until 2. 35 µm at 300 K

Les circuits photoniques intégrés (PIC) utilisant la technologie de la photonique sur silicium présentent un potentiel significatif dans les systèmes de communication à haute vitesse, le calcul optique et la technologie quantique. Les lasers à îlot quantiques (QD), en particulier ceux qui sont cultivés épitaxialement sur silicium, affichent des caractéristiques remarquables telles qu'une forte tolérance aux défauts, un faible courant de seuil et une bonne stabilité thermique. De ce fait, ils émergent progressivement comme des sources laser prometteuses sur puce pour les PIC. Cette thèse vise à explorer la dynamique non linéaire et les propriétés d'état quantique des lasers QD, jetant ainsi les bases de diverses applications potentielles. La première section de la thèse se penche sur le rôle du facteur d'élargissement de la largeur de raie (αH-facteur) dans les lasers QD. J'ai utilisé une technique de modulation de phase optique pour extraire le αH-facteur des lasers QD au-dessus du seuil. Le petit αH-facteur des lasers QD a fortement amélioré la tolérance au feedback optique. Cela facilite le développement de transmissions optiques à haute vitesse sur puce sans isolateur optique et augmente la densité d'intégration. La deuxième section explore les caractéristiques dynamiques des lasers QD sous feedback optoélectronique (OEF). Contrairement au feedback optique, j'ai démontré que les lasers QD présentent une sensibilité accrue à l'OEF, conduisant à diverses dynamiques complexes. Cette sensibilité extrême est cruciale pour l'avancement du calcul optique basé sur le silicium sur puce et des applications des machines d'Ising, un phénomène non observé dans les lasers à puits quantiques (QW). Dans la troisième section, j'ai analysé la dépendance du bruit de fréquence au bruit porteur externe. La recherche a révélé qu'un pompage silencieux est très avantageux pour minimiser le αH-facteur, réduire le bruit de fréquence et, par conséquent, rétrécir la largeur de raie optique des lasers QD. La dernière section met en évidence la génération de lumière comprimée en amplitude directement à partir d'un laser QD à semi-conducteurs entraîné par un courant constant. Avec le pompage silencieux, j'ai atteint une large bande passante de compression de plusieurs gigahertz à température ambiante avec un rapport de compression de 3,5 dB. L'insensibilité extrême à la réflexion du générateur QD comprimé sous feedback optique, en contraste avec un laser de référence utilisant la technologie QW standard, est également démontrée avec un rapport de compression amélioré à 5,7 dB. Trois mesures distinctes, incluant le spectre radiofréquentiel sous le bruit de grenaille, les statistiques photoniques sub-Poissonniennes et la fonction de corrélation d'ordre deux à retard zéro, valident mes conclusions. Cette recherche établit un cadre fondamental pour des circuits quantiques photoniques intégrés compacts et hautement efficaces, démontrant le potentiel d'application immense des lasers QD dans les domaines de la photonique classique et quantique
Photonic integrated circuits (PICs) utilizing silicon photonics technology show significant potential in high-speed communication systems, optical computing, and quantum technology. Quantum dot (QD) lasers, particularly those epitaxially grown on silicon, exhibit notable characteristics such as strong defect tolerance, low threshold current, and good temperature stability. As a result, they are gradually emerging as promising on-chip laser sources for PICs. This thesis aims to explore the nonlinear dynamics and quantum state properties of QD lasers, laying the foundation for various potential applications. The first section of the thesis delves into the role of the linewidth enhancement factor (αH-factor) in QD lasers. I employed an optical phase modulation technique to extract the above-threshold αH-factor of QD lasers. The small αH-factor of QD lasers strongly improved optical feedback tolerance. This facilitates the development of high-speed optical transmission on chips without an optical isolator and increases integration density. The second section explores the dynamic characteristics of QD lasers under optoelectronic feedback (OEF). Unlike optical feedback, I demonstrated that QD lasers exhibit enhanced sensitivity to OEF, leading to various complex dynamics. This extreme sensitivity is crucial for the advancement of on-chip silicon-based optical computing and Ising machine applications, a phenomenon not observed in quantum well (QW) lasers. In the third section, I analyzed the dependency of frequency noise on external carrier noise. The research revealed that quiet pumping is highly advantageous for minimizing the αH-factor, reducing frequency noise, and consequently narrowing the optical linewidth of QD lasers. The last section highlights the generation of amplitude-squeezed light directly from a constant-current-driven semiconductor QD laser. With the quiet pump, I achieved a substantial gigahertz squeezing bandwidth at room temperature with a squeezing ratio of 3.5 dB. The extreme reflection insensitivity of the squeezed QD generator under optical feedback, in contrast to a reference laser using standard QW technology, is also demonstrated with a squeezing ratio further improved to 5.7 dB. Three distinct measurements, including the sub-shot-noise radiofrequency spectrum, sub-Poissonian photon statistics, and second-order correlation function at zero delay, validate my findings. This research establishes a foundational framework for compact and highly efficient photonic quantum integrated circuits, showcasing the immense application potential of QD lasers in both classical and quantum photonics fields

Nous présentons, dans ce manuscrit, une étude du bruit d'intensité et de l'influence de l'injection optique pour des lasers à îlots quantiques et à bâtonnets quantiques. Ces structures font l'objet de nombreuses attentes mais peu d'études ont été jusqu'à présent réalisées. Nous détaillons les techniques de mesure de bruit et développons une analyse de l'interaction entre les modes d'un laser multifréquences à partir de mesures de bruit. Une modélisation du bruit d'intensité dans les structures à îlots quantiques montre un fonctionnement plus complexe de ces structures en comparaison aux structures massives. Il indique le rôle majeur de la couche dite de mouillage, en accord avec l'étude expérimentale. Les meilleures caractéristiques dynamiques liées à une fréquence de relaxation et un taux d'amortissement plus forts s'accompagne d'un bruit plus faible dans un laser à bâtonnets quantiques comparativement à un laser massif de structure comparable. Un nombre plus réduit de plans de bâtonnets quantiques conduit à de moins bonnes caractéristiques dynamiques alors que cette diminution est connue pour diminuer le seuil laser. L'étude de l'injection optique dans ces structures montre un comportement très proche de celui des lasers monomodes. Peu de régimes sont rencontrés en comparaison à l'injection dans un laser multi-mode massif. Par ailleurs nous montrons l'observation du régime de multi-excitabilité dans ces structures.

Cette thèse porte sur l'étude de structures lasers à semi-conducteurs à base d'îlots et de bâtonnets quantiques, connues pour avoir quelques propriétés remarquables telles leur fort gain, leur effet non-linéaire renforcé, leur faible courant de seuil, leur haute température caractéristique ... Les caractérisations en termes de bruit d'intensité et d'injection optique de ces structures montrent un comportement atypique comparativement aux structures classiques (massives ou à base de puits quantiques). Nous avons pu ainsi comparer le bruit d'un laser DFB à bâtonnets quantiques avec celui d'un laser DFB massif ou à puits quantiques. Des études comparatives de bruit ont aussi été effectuées sur des lasers de type Fabry-Perot. Une modélisation du bruit a été confrontée aux résultats expérimentaux et montre l'importance de la prise en compte de la couche de mouillage. L'injection optique, contrairement aux propriétés d'un laser classique, présente un grand nombre de régimes dynamiques fortement non linéaires près du seuil laser (r~1,1) et peu de régimes à seuil modéré (r~3). Ces résultats nous indiquent finalement que le couplage des modes longitudinaux est à la fois fort et fortement amorti par l'interaction avec la couche de mouillage, ce qui nous donne des pistes très intéressantes pour la modélisation du blocage de modes observé dans ces structures.

La photonique sur silicium est une technologie prometteuse pour les systèmes de communication à haut débit, les interconnexions optiques à courte portée et pour le déploiement des technologies quantiques. La croissance de matériaux III-V sur silicium constitue également une solution idéale pour la prochaine génération de circuits photoniques intégrés (PIC). Dans ce contexte, les lasers à îlots quantiques (QD) 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. L'objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés non-linéaires et les dynamiques des lasers QD sur Si en vue des applications susmentionnées. La première partie se polarise sur les lasers QD directement épitaxiés sur Si en présence de contre-réaction optique (EOF). Dans le régime de cavité courte, les résultats rapportent des tolérances élevées aux réflexions parasites ce qui rend possible l’intégration de ces sources sur des PIC dépourvus d’isolateur optique. Par ailleurs, la réduction du facteur d’élargissement spectral est un déterminant fondamental permettant d'atteindre cet objectif. La deuxième partie analyse les propriétés statiques et dynamiques d'un laser QD à rétroaction optique distribuée (DFB) pour des applications sans isolateur et sans Peltier. Pour ce faire, la conception du laser intègre un désaccord entre le pic de gain et le pic d’émission DFB contrôlable par la variation de température. Par conséquent, les performances du laser sont substantiellement améliorées avec l'augmentation de la température. La troisième partie du manuscrit aborde les lasers QD sur Si pour la génération de peigne de fréquences optiques (OFC). Les techniques de contrôles externes comme la contre-réaction et l'injection optique sont utilisées pour régénérer les performances notamment le bruit de phase, la gigue temporelle et la bande passante d'émission du peigne. La dernière partie s'articule autour des non-linéarités optiques dans les lasers QD sur Si notamment sous l'angle du mélange à quatre ondes (FWM). L'étude montre que l'efficacité FWM du laser QD est supérieure de plus d'un ordre de grandeur à celle d'un laser à puits quantiques prouvant ainsi que les milieux QD sont très efficaces pour obtenir des peignes de fréquence de grande qualité et de l’auto blocage de mode. Ce travail démontre l'importance des solutions lasers QD en particulier pour les technologies photoniques intégrées sur Si
Silicon photonics is promising for high-speed communication systems, short-reach optical interconnects, and quantum technologies. Direct epitaxial growth of III-V materials on silicon is also an ideal solution for the next generation of photonic integrated circuits (PICs). In this context, quantum-dots (QD) lasers with atom-like density of states are promising to serve as the on-chip laser sources, owing to their high thermal stability and strong tolerance for the defects that arise during the epitaxial growth. The purpose of this dissertation is to investigate the nonlinear properties and dynamics of QD lasers on Si for PIC applications. The first part of this thesis investigates the dynamics of epitaxial QD lasers on Si subject to external optical feedback (EOF). In the short-cavity regime, the QD laser exhibits strong robustness against parasitic reflections hence giving further insights for developing isolator-free PICs. In particular, a near-zero linewidth enhancement factor is crucial to achieve this goal. The second part is devoted to studying the static properties and dynamics of a single-frequency QD distributed feedback (DFB) laser for uncooled and isolator-free applications. The design of a temperature-controlled mismatch between the optical gain peak and the DFB wavelength contributes to improving the laser performance with the increase of temperature. The third part of this dissertation investigates the QD-based optical frequency comb (OFC). External control techniques including EOF and optical injection are used to optimize the noise properties, reduce the timing-jitter, and increase the frequency comb bandwidth. In the last part, an investigation of the optical nonlinearities of the QD laser on Si is carried out by the four-wave mixing (FWM) effect. This study demonstrates that the FWM efficiency of QD laser is more than one order of magnitude higher than that of a commercial quantum-well laser, which gives insights for developing self-mode-locked OFCs based on QD. All these results allow for a better understanding of the nonlinear dynamics of QD lasers and pave the way for developing high-performance classical and quantum PICs on Si

Les lasers a puits quantiques constituent des sources remarquables par leur compacite et leurs performances dynamiques sous injection electrique. Par un traitement perturbatif des equations de la matrice densite, nous calculons la susceptibilite electromagnetique du milieu actif, pour des structures a puits quantiques ou massives. Nous montrons les avantages dus a la quantification pour le gain differentiel et le facteur de couplage phase-amplitude. Dans ce modele, la non-linearite du gain, proportionnelle a l'intensite de l'emission stimulee, est independante du type de structure si les temps de relaxation intrabande sont identiques. Les mesures sous seuil et en modulation petit signal des performances dynamiques de lasers a puits quantiques confirment les avantages des structures a puits quantiques quant au gain differentiel et au facteur de couplage phase-amplitude. En revanche, la non-linearite du gain est nettement renforcee et les performances ultimes de modulation ne sont pas ameliorees. D'autre part, la non-linearite du gain depend du nombre de puits dans la region active. Les phenomenes de transport au sein de la region active pourraient en etre a l'origine. Enfin, nous presentons une approche analytique de la commutation de gain qui montre l'influence de la non-linearite du gain sur la dynamique. Cette approche, appliquee aux resultats de mesures impulsionnelles effectuees sur des lasers fabry-perot monodes accordables dans une cavite externe tres longue, tres selective et tres attenuatrice, a montre les tres bonnes performances dynamiques des lasers a puits quantiques contraints. Ces etudes ont aussi confirme les fortes valeurs du gain differentiel et de la non-linearite de gain dans les lasers a puits quantiques

Nous présentons, dans ce manuscrit, une étude du bruit d'intensité et de l'influence de l'injection optique pour des lasers à îlots quantiques et à bâtonnets quantiques. Ces structures font l'objet de nombreuses attentes mais peu d'études ont été jusqu'à présent réalisées. Nous détaillons les techniques de mesures de bruit et développons une analyse de l'interaction entre les modes d'un laser multifréquences à partir de mesures de bruit. Une modélisation du bruit d'intensité dans les structures à îlots quantiques montre un fonctionnement plus complexe de ces structures en comparaison aux structures massives. Il indique le rôle majeur de la couche dite de mouillage, en accord avec l'étude expérimentale. Les meilleures caractéristiques dynamiques liées à une fréquence de relaxation et un taux d'amortissement plus forts s'accompagne d'un bruit plus faible dans un laser à bâtonnets quantiques comparativement à un laser massif de structure comparable. Un nombre plus réduit de plans de bâtonnets quantiques conduit à de moins bonnes caractéristiques dynamiques alors que cette diminution est connue pour diminuer le seuil laser. L'étude de l'injection optique dans ces structures montre un comportement très proche de celui des lasers monomodes. Peu de régimes sont rencontrés en comparaison à l'injection dans un laser multi-mode massif. Par ailleurs nous montrons l'observation du régime de multi-excitabilité dans ces structures.

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 gain
In 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