Дисертації з теми "Laser intensity noise"

Includes bibliographical references (leaves 151-163). Investigates the behaviour of the intensity noise in a multimode Nd:YAG laser. The collective modes of oscillation are excited by broadband ambient noise. Because the phase of the excitation is unknown, a cross spectral technique to measure the antiphase dynamics directly and form a picture of the intensity noise interference for two to five mode operation is developed. For three mode operation, the contributions of the longitudinal modes to collective modes is measured.

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-Stokes
Stimulated 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

This thesis studied the source of instability in optical phase modulators used in high accuracy laser measurement systems. The nonlinear origin of the amplitude noise helped further reducing this instability in applications that rely on phase modulators to function. This outcome will have positive impacts on the development of new methods in the amplitude noise suppression.

Les sources laser à fibre, haute puissance et de faible largeur spectrale sont de plus en plus utiles pour des applications à la fois industrielle et scientifique. Cependant, le développement de ces sources est limité par les seuils d’apparition d’effets non-linéaires tels que la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) du fait d’un fort confinement de la lumière dans le coeur de la fibre. Un premier amplificateur en régime monofréquence de puissance moyenne égale à 50W a été développé à partir d’une diode laser signal de 50 mW. L’étude du bruit d’intensité sur cet amplificateur a montré que l’utilisation de fibres standards (diamètre de coeur < à 20μm) jusqu’à 50W est limitée par l’apparition du phénomène de DBS se traduisant par une dégradation du bruit d’intensité. Pour s’affranchir de ces effets non-linéaires, une solution réside sur l’utilisation de fibres à large aire modale (LMA) dont les diamètres des coeurs est égale à plusieurs dizaines de microns. Les fibres LMA présentent un recouvrement [coeur dopé / onde de pompe] optimisé conduisant à une réduction de la longueur du milieu à gain. Par cette stratégie de la diminution du confinement spatial du faisceau avec une diminution de la longueur d’interaction, le seuil d’apparition des effets non-linéaires est repoussé. Mais paradoxalement, cette stratégie va induire une nouvelle limitation non-linéaire, non plus en termes de puissance crête mais de puissance moyenne. En effet, les coeurs multimodaux des fibres LMA, couplés à une charge thermique par unité de longueur forte (pour une puissance de moyenne de sortie équivalente) vont induire l’apparition d’effets non-linéaires en puissance moyenne : les Instabilités Modales (IM) et la Dégradation Modale de la Fibre (DMF). Ce sont donc les stratégies usuelles utilisées pour repousser les effets non-linéaires qui ont conduit à l’avènement de ces nouveaux effets délétères. Un système d’asservissement du bruit d’intensité efficace (suppression > 30 dB) sur une bande passante d’1MHz permet de supprimer le bruit en excès des diodes de pompe
High power, narrow linewidth fiber lasers are useful for both industrial and scientific applications. Nevertheless, nonlinear effects like Stimulated Brillouin Scattering (SBS) are main limitations of these laser sources due to high power in fiber core. A first amplifier in single-frequency operation with 50W of output power from a laser diode seeder of 50 mW was developed. Study of intensity noise on this amplifier developed with standard fiber (core diameter less than 20 μm) showed that SBS leads to a degradation of noise properties of the laser. The use of large mode area (LMA) fibers is a solution for suppressing nonlinear effects with core diameters bigger than several tens of microns. LMA fibers show an overlap between doped core and pump wave optimized leading to a reduction of gain medium length. This strategy permits to increase nonlinear effect threshold. Second step of high power amplifiers with LMA fibers allows to obtain 100W in single-frequency regime without DBS. LMA fiber used have a core diameter equals to 40μm. Power scaling from 100W to 200W highlights a new limiting non-linear effect: Fiber Modal Degradation (FMD). Indeed, multimodal cores of these fibers, coupled to high thermal load lead to non-linear effects like Modal Instabilities (IM) and FMD. FMD effect, first described by Ward et al in 2016, is a thermo-optic effect characterized by a beam quality degradation with power transfer from fundamental mode to high order modes. Furthermore, a decrease of output power, synonym of guidance loss of fundamental mode in gain medium is observed. Unlike well-known effect IM, this phenomenon doesn’t act like a threshold phenomenon. In fact, transitory regime in association with FMD is longer than IM caused by photodarkening dynamic. In our study, beam quality at the output of the fiber was degraded after several tens of hours at 200W. For understanding this effect, a photodarkening effect study both in continuous wave (CW) and pulsed regime was carried out. This study shows that for the first time a photodarkening and photobleaching equilibrium on high power amplifiers in pulsed regime. These thermo-induced effects threshold depends on thermal load and are different for both regimes: 120W for CW and 150W for pulsed regime. Finally, a study and a reduction of intensity noise based from a servo-loop were carried out on 100W amplifier. A 1MHz bandwidth with a 30 dB decrease of noise were demonstrated. These results allow to develop high power and low intensity noise lasers at industrial level”

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 résonants
Dual-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

Ces travaux de thèses portent sur l’étude de la dynamique du laser à mode de galerie dans le but de réaliser une source micro-onde en utilisant un laser à mode de galerie doublement monomode. Nous montrons ici les résultats expérimentaux sur le bruit relatif d’intensité (RIN) d’un laser à mode de galerie en verre ZBLALiP dopé aux ions Er3+. Outre l’aspect performances d’utilisation du laser, le spectre de RIN donne un certain nombre d’informations sur la dynamique du laser (temps de vie des photons, taux de pompage effectif, sources de bruit, ...).Les très forts facteur de qualités de ces résonateurs ainsi que leurs propriétés de confinement spatial amène un couplage non-linéaire etre les photons et les atomes du milieu amplificateur, faisant apparaitre dans le spectre de RIN des harmoniques de la fréquence de relaxation du laser. Le modèle harmonique développé permet d’estimer le volume de mode du mode de galerie en régime laser, quantité difficilement estimable dans ce régime d’émission. D’autre part, les mesures de RIN réalisées sur un verre industriel IOG-1 codopé Yb3+/Er3+ montrent la signature d’un couplage modal, induit par la diffusion Rayleigh, où les deux modes couplés fonctionnent au dessus du seuil laser. La dynamique de ce laser est également étudié et les comportements obtenus sont mis en parallèle avec les études réalisées sur le gyro-Laser à l’état solide
This thesis presents the studies of whispering gallery mode laser dynamics in order to realize a micro-wave source using simultaneous oscillations in a unique whispering gallery mode micro-laser. We show experimental results on the relative intensity noise (RIN) of a Whispering Gallery Mode Laser in ZBLALiP glass doped with Er3+ ions. Besides the pure laser specifications, the RIN spectrum gives informations about the dynamics inside the cavity, such as photon lifetime, effective pumping rate and noise sources. Moreover, we have shown that a single-mode emission comes with the presence of multiple harmonics of the relaxation frequency. The theoretical model taking account the non-linear coupling between photons and atoms allows us to determine the mode volume of the whispering gallery mode in laser regime, which is quite difficult to evaluate in this regime. On the other hand, we have studied the laser dynamics in an industrial IOG-1 glass codoped with Yb3+/Er3+ ions where the signature of a modal coupling, induced by Rayleigh scattering, lies in the RIN spectrum. In this particular case, the two coupled modes operate above threshold. The observed behavior is compared with thoses of a solid state gyro-laser

Le développement de nouvelles sources laser est un travail long et minutieux. Une grande variété de paramètres doit être étudiée et maîtrisée pour parvenir aux performances souhaitées. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés au bruit relatif d'intensité (Relative Intensity Noise ou RIN) de différents lasers. Nous avons en particulier étudié le processus de doublage de fréquence et son influence sur le RIN. Pour les besoins de cette étude, un modèle numérique de simulation d'un laser à fibre en fonctionnement multimode longitudinal a été développé. Il prend en compte des caractéristiques nécessaires à notre étude : la résolution du champ laser en amplitude et phase, le fonctionnement multimode, le spatial hole burning et l'introduction de sources de bruit via l'ajout de forces de Langevin. L'étude du RIN après doublage de fréquence, prise en compte par la mise au carré du champ résultant de la résolution de notre modèle numérique, a montré trois processus différents menant à une augmentation du RIN à basse fréquence après doublage : un couplage entre les RIN les plus faibles et les intensités les plus fortes, la compétition entre les modes et un transfert de bruit de phase sur le bruit d'intensité. Enfin, nous avons étendu notre étude au cas des lasers à semi-conducteurs. En utilisant un modèle de simulations numériques préexistant, nous avons étudié le RIN après doublage de fréquence d'un laser à semi-conducteurs dans trois régimes de fonctionnement différents. Cette étude a pu confirmer la fiabilité de l'analyse développée dans le cadre d'un laser à fibre et montrer les différences entre les architectures laser étudiées
Developing a new laser source is a meticulous and time-consuming work. A large variety of parameters must be studied to obtain the wanted performances. In this work, we focused on the Relative Intensity Noise (RIN) of different lasers. Especially, we studied the second harmonic generation process and its influence on the laser RIN. For the needs of this work, we developed a numerical simulation model of a multimode fibre laser. It takes into account some needed features: the resolution of the laser field with amplitude and phase, the multimode behaviour, the spatial hole burning effect and the introduction of noise sources by adding Langevin forces. Studying the RIN after frequency doubling is done by squaring the field obtained by our numerical simulation. We found three different processes leading to an increase of the RIN at low frequencies after frequency doubling: a coupling between the less-noisy modes and the most-intense ones, the mode competition at low frequencies and, a transfer of the phase noise to the intensity noise. We have extended our study to semiconductor lasers. We used a pre-existing numerical simulation model and studied the RIN after frequency doubling for three different operating regimes. This study did confirm the reliability of the analysis developed in the fibre laser case and showed some differences between both lasers

La diffusion Brillouin est la diffusion inélastique de la lumière par les ondes acoustiques d'un milieu. Dans une fibre optique, la diffusion Brillouin stimulée (DBS) se manifeste, à partir d'une certaine intensité lumineuse incidente (Pompe), par la génération d'une onde Stokes rétrodiffusée dont la fréquence est décalée de celle de la Pompe d'une valeur directement proportionnelle à la vitesse de propagation des ondes acoustiques. Le décalage Brillouin présente une grande sensibilité à tous les effets qui peuvent modifier la vitesse de l'onde acoustique. Cette propriété permet d'étudier la composition des fibres et confère à la DBS la potentialité pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Le processus de DBS s'accompagne aussi d'un gain pour l'onde Stokes rétrodiffusée, puisque presque toute la puissance de l'onde Pompe y est transférée. Il peut donc être utilisé pour la réalisation d'amplificateurs et de lasers à fibres optiques. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié expérimentalement les propriétés statiques et dynamiques du laser à fibre Brillouin (LFB). Dépendamment du taux d'amortissement de l'onde acoustique et du taux de pertes de la cavité, le LFB peut être très cohérent et très peu bruité, favorisant ainsi son utilisation dans de multiples domaines comme la défense, la métrologie et les télécommunications. Lorsque la Pompe ne fait qu'un tour dans la cavité Brillouin, le LFB étudié présente un bruit de fréquence 10 000 fois plus faible que celui du laser de Pompe tout en gardant un bruit d'intensité similaire. Lorsque la Pompe est résonante, il est possible d'obtenir un LFB à multiples ondes Stokes en cascadant l'effet non-linéaire Brillouin dans la fibre optique. Limités par nos bancs de mesures, nous avons mesuré un bruit de fréquence 1 000 fois plus faible que celui de la Pompe et un bruit d'intensité plus de 100 fois plus faible
Brillouin scattering is the inelastic scattering of light by the acoustic waves of a medium. In an optical fiber, stimulated Brillouin scattering occurs, from a certain incident light intensity (pump), for generating a backscattered "Stokes" wave, whose frequency is shifted from that of the pump by a value directly proportional to the acoustic wave propagation velocity in the fiber. The Brillouin shift has a high sensitivity to all effects that can change the speed of the acoustic wave. This property makes it possible to study the composition of the fibers and gives to the SBS the potential for the production of optical fiber sensors. The SBS process is also accompanied by a gain for the backscattered Stokes wave since almost all the power of the Pump wave is transferred there. It can, therefore, be used for the production of optical fiber amplifiers and lasers. As part of this thesis work, we experimentally studied static and dynamic properties of the Brillouin fiber lasers (BFLs). Depending on the damping rate of the acoustic wave and the loss rate of the cavity, the BFL can be very coherent and less noisy, thus promoting its use in multiple fields such as defense, metrology, and telecommunications. When the Pump makes only one turn in the Brillouin cavity, the studied BFL has a frequency noise 10,000 times lower than that of the Pump laser while keeping a similar intensity noise. When the Pump is resonant, it is possible to obtain a BFL with multiple Stokes waves by cascading the Brillouin non-linear effect in the optical fiber. Restricted by our measurement benches, we measured a frequency noise 1000 times lower than that of the Pump and an intensity noise more than 100 times lower

This work deals with the transmission of optical radiation modulated by a radio frequency signal through an optical fiber. Furthermore, it describes the principles of communication and area coverage. It points out the practical use of components located in the communication chain of this system. Explains the functionality of the properties and the division of individual components. It introduces the benefits and limitations of this system. It further describes the creation of a topology suitable for laboratory measurement of RoF technology. Provides experimental measurement of C-band parameters. Indicates the possible use of RoF technology using a wireless optical link. A part of the work is also a sample laboratory protocol.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux propriétés des fluctuations de la lumière diffusée par un nuage d'atomes froids, que ce soit les variations temporelles de l'intensité ou les fluctuations spectrales du champ électrique dans le régime de diffusion simple ou multiple de la lumière. Bien que notre analyse soit réalisée sur un système passif, l'ajout de gain dans le système peut conduire à l'obtention d'un laser aléatoire dont l'étude des corrélations temporelles de l'intensité émise peut permettre une étude détaillée de ses propriétés de cohérence.La première étape de cette caractérisation est l'étude du bruit de fréquence de lasers conventionnels. La mesure est réalisée grâce à un discriminateur de fréquence, pouvant être une cavité Fabry-Pérot ou une transition atomique, utilisé pour convertir le bruit de fréquence en bruit d'intensité mesuré. Un modèle simple est présenté montrant que, alors que les résultats obtenus pour la cavité ou la transition atomique soient identiques à faibles fréquences de Fourier, de nouvelles structures apparaissent à hautes fréquences, permettant de réaliser de la spectroscopie de bruit en analysant les fluctuations de la lumière transmise.Les propriétés de cohérence peuvent aussi être étudiées grâce à la fonction de corrélation g(2) de l'intensité, offrant un accès à la statistique des photons de la lumière émise. Nous mesurons cette fonction dans un milieu passif en expansion balistique en contrôlant finement le régime de diffusion de la lumière. Nous analysons en détails l'évolution du contraste, la perte de cohérence ainsi que le changement de forme de g(2) dans le régime de diffusion multiple. Ces résultats sont combinés à des études numériques et analytiques pour mettre en évidence le rôle de la diffusion multiple dans les changements de la fonction g(2). Cette mesure est la première réalisation expérimentale de spectroscopie des ondes diffuses sur un nuage d'atomes froids en mouvement balistique.La caractérisation de la cohérence temporelle d'un laser aléatoire passe par l'étude de la fonction g(2) sur un milieu actif sous le seuil d'émission. Nous implémentons alors un schéma de gain Raman hyperfin, combinant efficacement gain et diffusion. Nous présentons les premiers tests de la quantification du gain dans le nuage par spectroscopie pompe-sonde, montrant l'apparition d'une fenêtre de transparence électromagnétiquement induite. Enfin, par une méthode hérérodyne, nous sommes en mesure d'accéder au spectre optique de la lumière diffusée en présence de gain
In this thesis, we are interested in studying the properties of the fluctuations of the light scattered by a cloud of cold atoms, namely temporal fluctuations of the intensity or spectral fluctuations of the electric field in the single or multiple scattering of light. Although our analysis is focused on a passive medium, gain can be added in the system leading to a random laser whose the study of the temporal correlations of the emitted intensity allows to better characterize its coherence properties.The first step towards this characterization is the study of the frequency noise power spectral density of conventional lasers. This measurement is made using a frequency discriminator, being a Fabry-Pérot cavity or an atomic transition, used to convert frequency noise into measurable intensity noise. A simple model is developed showing that, while results obtained with the Fabry-Perot cavity and the atomic transition are the same at low Fourier-frequency, new features appear at high Fourier-frequency showing the influence of the atoms in the noise conversion, allowing to perform spectroscopic measurements by analyzing the intensity fluctuations of the transmitted light.Coherence properties can also be studied with the correlation function g(2) of the intensity, giving access to the photon statistics of the emitted light. We measure this function in a passive medium ballistically expanding while controlling the regime of scattering of light. We analyze in detail the evolution of contrast, the loss of coherence and the change of shape in the multiple scattering regime. Those results are combined with numerical and analytical studies showing the role of multiple scattering in the changes of the g(2)-function. This measurement is the first experimental demonstration of diffusing wave spectroscopy on cold atoms in ballistic motion.The characterization of the temporal coherence of a random laser requires the study of the g(2)-function in an active medium below threshold. We implement a scheme based on hyperfine Raman gain, combining effectively gain and scattering. We present our first results to quantify the amount of gain in the cloud with pump-probe spectroscopy, showing the appearance of an electromagnetically induced transparency window. Finally, based on a heterodyne method, we are able to access the optical spectrum of the scattered light in presence of gain

Par l'étude du bruit relatif d'intensité (RIN) dans des diodes lasers (DL) en nitrure de gallium à émission par la tranche, nous mettons en évidence la corrélation entre la dynamique du RIN et la structure spectrale, fortement impactée par le phénomène de mode clustering. Cette étude est interprétée grâce à un modèle analytique. Suit une étude de DL InGaN monomode longitudinale émettant autour de 420 nm. La sélection spectrale est obtenue par inscription d'un réseau de Bragg apériodique d'ordre élevé. L'originalité de cette approche tient dans l'utilisation d'une technique de lithographie standard (résolution ≃1 µm), là où la majorité des résultats dans le domaine sont obtenus par lithographie e-beam de haute résolution. Le relâchement de cette contrainte ouvre la voie pour la production de composants monomodes à faible coût. L'adaptation vers 420 nm de la technique de gravure d'un réseau apériodique, principalement employée aux longueurs d'onde télécom, est obtenue par la modélisation numérique du réseau. Des structures monomodes sont caractérisées sous pompage optique démontrant la faisabilité de la technique. Un dernier volet de ce travail concerne l'affinement spectral d'une diode InGaN par l'utilisation d'un réseau de Bragg fibré, à 400 nm, développé dans le cadre de cette thèse. Cette configuration permet d'obtenir une émission monofréquence (taux de suppression des modes latéraux supérieure à 40 dB) avec une puissance de sortie d'une cinquantaine de mW et une largeur de raie inférieure à 2,4 MHz
Studying relative intensity noise (RIN) of gallium nitride edge emitting laser diodes, the strong correlation between noise dynamics and spectral behavior impacted by mode clustering is highlighted. An analytical model is used to explain experimental results. Then we study single-longitudinal-mode laser diode (LD) emitting around 420 nm. Spectral filtering is achieved using high order aperiodic Bragg grating. A novel approach, involving standard lithography technique with a resolution close to the micron, is proposed unlike most of works of the domain using high resolution e-beam lithography. Release of the resolution constraint paves the way for mass production of low-cost single-mode diode laser devices. Aperiodic grating, mostly used in the telecom range, is designed to 420 nm diode laser using numerical modelling. First single-mode structures are fabricated at EPFL. Measurements of optically pumped devices prove the feasibility of the technique. In the third work we study spectral narrowing of InGaN LD by means of external cavity. Feedback is provided by a specially designed 400 nm Bragg grating optically written on a single-mode fiber. Using that setup, we obtain single-frequency emission with more than 40 dB side-mode suppression ratio, about 50 mW optical power and less than 2.4 MHz linewidth

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.

This thesis investigates the direct measurement of the thermal noise spectral distribution. Long base line gravitational wave detectors, being commissioned around the world, are limited in sensitivity in the intermediate frequencies by the thermal noise. These detectors are utilising suspended test mirrors for the detection of gravitational waves by measuring their relative displacement. One of the fundamental noise sources in these detectors is the thermally induced displacement of the suspension onto and within the mirrors. This thermally induced motion of the test mirrors limits the displacement sensitivity of the gravitational wave detectors. Knowledge of the spectral behavior of thermal noise over a wide frequency range will improve predictions and understanding of the behavior of the suspension and test mirrors.¶ In this thesis the direct measurement of the thermal noise spectral distribution of a mechanical flexure resonator is described. The mechanical flexure resonator is an unidirectional ’wobbly table’ made from copper-beryllium, which hinges around four thin flexures 15 mm wide, 1 mm high and ~116 µm thick. The mechanical flexure resonator has a resonant frequency of 192 Hz, with a quality factor of ~3000.¶ The thermal noise induced displacement of the mechanical flexure resonator was measured using an optical cavity. The end mirror of a two mirror optical cavity was mounted on the mechanical flexure resonator. A laser was made resonant with the test cavity by use of a locking control system. Thermal noise induced displacement moved the test cavity away from resonance. By measuring the error-signal in the control system, the equivalent thermal noise displacement was obtained.¶ The thermal noise induced displacement of the mechanical flexure resonator was predicted to be in the order of 10^(−12) to 10^(−17) m/sqrtHz over a frequency range of 10 Hz to 10 kHz. All other external noise sources needed to be suppressed to below this level. A major noise source was the laser frequency fluctuations. When the test cavity was locked to the laser, the laser frequency fluctuations dominated the read out signal. To suppress the frequency fluctuations, the laser was locked to a rigid long optical reference cavity. This allowed the frequency fluctuations to be suppressed to below the equivalent thermal noise displacement of the test cavity over the frequency range of interest.¶ Acoustic noise was suppressed by placing the whole experiment inside a vacuum chamber, and evacuating the air inside the chamber down to a pressure level of 10^(−4) mbar. A seismic vibration isolation system was used to suppress the seismic noise in the laboratory to below 10^(−14) m/sqrtHz at frequencies above 4 Hz.¶ With the experimental set up, the thermal noise displacement of the mechanical flexure resonator has been measured. Due to the degradation of the isolator performance, measurement of the thermal noise behavior over a wide frequency range of the mechanical flexure resonator was unsuccessful. By using an analytical curve fitting routine around the fundamental and first order resonant modes of the resonator, a loss factor of (3.5 ± 1.5 − 3.7 ± 1.5) × 10^(−4) for the copper-beryllium mechanical flexure resonator was obtained and structural damping was inferred.

L'objectif d'un dispositif de mesure qnd est de contrôler l'action en retour, imposée par la mécanique quantique, qui se produit sur un système soumis a une mesure. Il est, en effet, possible de rejeter cette perturbation entièrement sur l'observable complémentaire de celle mesurée, laissant cette dernière inchangées. Nous présentons ici, de manière détaillée, un ensemble de critères quantitatifs permettant d'évaluer les performances d'un dispositif mesurant l'intensité d'un faisceau lumineux. Ces critères permettent en particulier de séparer clairement des domaines classique et quantique de fonctionnement d'un tel dispositif. La première expérience realisee utilise le couplage par effet kerr croise de deux faisceaux laser dans un milieu non linéaire. Ce milieu est compose d'un jet atomique de sodium place dans une cavite optique doublement résonnante. Nous avons effectue une analyse théorique complète des proprietes de bruit quantique d'un tel système. Nous avons identifie un régime de paramètres, base sur des effets de déplacement lumineux, pour lequel il existe un transfert efficace d'information du faisceau incident vers la voie de mesure, sans dégradation appréciable du signal. Ces prévisions théoriques ont ensuite été vérifiées dans notre expérience. Nous présentons également une deuxième expérience utilisant la détection puis la réémission de la lumière par des composants optoélectroniques a semi-conducteur. Nous montrons que lorsque les taux de conversion photon-électron pour les photodiodes et électron-photon our les diodes electro-luminescentes sont proches de l'unité, ce dispositif permet de mesurer puis de recréer les fluctuations quantiques du faisceau incident. La démonstration de principe que nous avons realisee laisse présager des applications possibles dans le domaine des réseaux de télécommunication optique.

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier des lasers semi-conducteur issus de la plateforme d’intégration III-V sur Si et présentant un faible bruit d’intensité relatif (RIN) pour le transport de signaux RADAR par voie optique. Nous cherchons à obtenir des lasers de comportement dynamique dit de «Classe A», i.e. avec une réponse dynamique sans oscillations de relaxation. Dans ce cas, il a été précédemment montré qu’un tel comportement dynamique présente un RIN limité au bruit de grenaille sur une large bande de fréquences et est obtenu quand la durée de vie des photons dans la cavité est grande devant la durée de vie des porteurs dans la zone active. La plateforme photonique sur silicium est alors intéressante car elle permet de réaliser des cavités longues grâce aux guides optiques offrant de faibles pertes de propagation, i.e. de l’ordre du dB/cm. En première approche, nous avons étudié des lasers dont la cavité de longueur centimétrique est composée d’une partie active fournissant le gain optique et d’une partie passive composée de guide en silicium à faibles pertes de propagation. Nous avons proposé différentes optimisations des pertes optiques intra-cavité ainsi que différentes solutions de filtrage spectral à grande finesse nécessaire à une oscillation laser monomode. La seconde approcheétudiée repose sur le filtrage du RIN d’un laser hybride de longueur millimétrique en exploitant les effets de saturation du gain optique dans un amplificateur optique à SC (SOA). Nous avons présenté un modèle décrivant les différents mécanismes altérant le bruit du laser amplifié par un SOA. Une étudeexpérimentale a permis de mettre en évidence la réduction du RIN d’un laser hybride III-V sur silicium, allant jusqu’à 15 dB pour des fréquences allant jusqu’à quelques GHz. La dernière approche explorée dans cette thèse repose sur la conception de lasers DFB hybride III-V sur silicium à très haut facteur de qualité. L’utilisation d’un réseau de Bragg à pas variable permet de réduire les pertes radiatives, usuellement importantes dans les lasers DFB, et d’obtenir une cavité de facteur de qualité de l’ordre de quelques millions. Un premier composant réalisé présente un facteur de qualité de 65 000
The objective of the present thesis is to investigate new laser architectures with low Relative Intensity Noise (RIN) using the Silicon Photonics integration platform. We intend to reach “class-A” dynamics, in which relaxation oscillations are eliminated. In this conditions, lasers with class-A dynamics exhibit shot-noise limited RIN over a wide frequency bandwidth, typically from 100 MHz to 20 GHz. Such behaviour can be obtained with high-Q laser cavities, i.e with long cavities or with ultra-low losses cavities. The silicon photonics platform is a good candidate for the desired dynamical behaviour as it makes possible the implementation of long cavities (ten’s of cm) based on low losses silicon waveguides (dB/cm). Three different approaches have been considered in the present work. In the first approach, we have developed centimetre long lasers, consisting of an active section providing the optical gain coupled to a passive section made with low losses silicon waveguides. We proposed different approaches to optimize the intra-cavity optical losses, and different architectures of high finesse optical filters allowing simultaneously single-mode operation and high side mode suppression. The second approach consists on filtering the laser RIN by taking advantage of the coherent population oscillations effects in a SC Optical Amplifier (SOA). We proposed a model for describing the different mechanisms altering the RIN of the amplified laser. We demonstrated 15 dB RIN reduction for frequencies up to a few GHz, using a hybrid III-V on Si laser and a “classical” SOA. The last approach explored in the present thesis is based on the use of hybrid III-V on silicon DFB lasers with a high quality factor. Using Silicon Bragg grating with a variable pitch can reduce the radiative losses, usually important in DFB lasers. In this case, we can obtain optical cavities with few millions quality factor, leading to few ns photon lifetime. We realize a first design of Si Bragg grating with a Q factor of 65 000

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 optique
Silicon 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

Ce manuscrit présente une étude du bruit d'amplitude des lasers à fibres et à semiconducteurs émettant à 1550 nm. Les modèles théoriques permettant d'étudier le comportement des lasers solides à deux, trois et quatre niveaux ainsi que celui des lasers à semiconducteurs sont présentés. Ils permettent de prévoir le bruit d'amplitude théorique des structures et montrent comment, à partir des mesures du RIN des lasers il est possible de remonter aux caractéristiques fondamentales des lasers. La technique de mesure du bruit d'amplitude utilisée au laboratoire est détaillée. Elle permet avec une très grande sensibilité de mesurer des bruits d'amplitude aussi faibles que -170 dB.Hz−1 pour 1 mW (0 dBm) détecté sur une plage de fréquences allant de 100 kHz à 22 GHz. Nous avons utilisé cet outil performant afin de caractériser différentes structures lasers, en particulier aux lasers à fibre DFB. Des structures originales fabriquées à l'Université Laval à Québec permettent un fonctionnement simultané de plusieurs canaux séparés de 50 GHz dans une structure ultra compacte. Nous avons montré que les différents modes longitudinaux de ces structures
étaient indépendants et analogues aux modes de lasers à fibre monomondes. L'étude du transfert de bruit
par injection optique a aussi été menée tant théoriquement qu'expérimentalement. Une étude des spectres optiques de laser à semi-conducteurs DFB à permis d'étudier le transfert d'impureté spectral, notamment du point de vue du bruit, pour les lasers soumis à injection optique. Nous avons mis en évidence la réduction des bruits aux basses fréquences du laser esclave lorsque leurs origines n'étaient pas optiques. L'étude théorique a mis en évidence un transfert du bruit d'amplitude aux fréquences correspondant à la fréquence de relaxation du laser maître.

We investigate the behaviour of the intensity noise in a multi-longitudinal mode Nd:YAG laser. This type of laser is a nonlinear system which exhibits complicated dynamics within the intensity noise. For example, antiphase dynamics is where there is cancellation of one or more collective modes of oscillation, which are distinct from the longitudinal modes, in the total output. Commonly lasers are studied experimentally to discriminate between models used to describe them. They are convenient since many external influences can be controlled and the oscillations of interest are low frequency (in the kHz regime) making their direct measurement relatively simple. In our laser, the collective modes of oscillation are excited by broadband ambient noise. Because the phase of the excitation is unknown, we develop the cross spectral technique to measure the antiphase dynamics directly and form a picture of the intensity noise interference for two to five mode operation. For three mode operation, we measure the contributions of the longitudinal modes to the collective modes. We also calculate power spectral densities of the individual longitudinal modes and the total intensity. We test relationships between these quantities, at the collective mode frequencies, which are derived from modal rate equation theory. For two mode operation, the theoretical relations are satisfied. For three mode operation, the relations are satisfied when the picture of interferences is taken into account. The cross spectral technique is therefore shown to be a sensitive test of the model developed by Pieroux and Mandel [T. Hill et al., Phys. Rev. A 66, 063803 (2002)]. The behaviour of the multimode laser operating near the threshold of a longitudinal mode is measured. Transitions in the cross spectrum are noted in some pairs of longitudinal modes, for an arbitrary but small pump rate above threshold of a longitudinal mode. It has been shown that longitudinal modes with a high threshold pump power may become more intense than those with a lower threshold [K. Otsuka et al., Opt. Lett. 23, 201 (1998), L. Stamatescu and M.W. Hamilton, (unpublished) (1999), N.B. Abraham et al., Phys. Rev. A 62, 013810 (2000), P.A. Khandokhin, E.A. Ovchinnikov and E.Yu. Shirokov, Phys. Rev. A 61, 053807 (2000)]. The AC noise component of the first two longitudinal modes to reach threshold, is found to exhibit similar properties to their intensity. The implications of the results of this thesis, on models used to describe the behaviour of solid state lasers, are also discussed.
Thesis (Ph.D.)--Physics, 2003.

We investigate the behaviour of the intensity noise in a multi-longitudinal mode Nd:YAG laser. This type of laser is a nonlinear system which exhibits complicated dynamics within the intensity noise. For example, antiphase dynamics is where there is cancellation of one or more collective modes of oscillation, which are distinct from the longitudinal modes, in the total output. Commonly lasers are studied experimentally to discriminate between models used to describe them. They are convenient since many external influences can be controlled and the oscillations of interest are low frequency (in the kHz regime) making their direct measurement relatively simple. In our laser, the collective modes of oscillation are excited by broadband ambient noise. Because the phase of the excitation is unknown, we develop the cross spectral technique to measure the antiphase dynamics directly and form a picture of the intensity noise interference for two to five mode operation. For three mode operation, we measure the contributions of the longitudinal modes to the collective modes. We also calculate power spectral densities of the individual longitudinal modes and the total intensity. We test relationships between these quantities, at the collective mode frequencies, which are derived from modal rate equation theory. For two mode operation, the theoretical relations are satisfied. For three mode operation, the relations are satisfied when the picture of interferences is taken into account. The cross spectral technique is therefore shown to be a sensitive test of the model developed by Pieroux and Mandel [T. Hill et al., Phys. Rev. A 66, 063803 (2002)]. The behaviour of the multimode laser operating near the threshold of a longitudinal mode is measured. Transitions in the cross spectrum are noted in some pairs of longitudinal modes, for an arbitrary but small pump rate above threshold of a longitudinal mode. It has been shown that longitudinal modes with a high threshold pump power may become more intense than those with a lower threshold [K. Otsuka et al., Opt. Lett. 23, 201 (1998), L. Stamatescu and M.W. Hamilton, (unpublished) (1999), N.B. Abraham et al., Phys. Rev. A 62, 013810 (2000), P.A. Khandokhin, E.A. Ovchinnikov and E.Yu. Shirokov, Phys. Rev. A 61, 053807 (2000)]. The AC noise component of the first two longitudinal modes to reach threshold, is found to exhibit similar properties to their intensity. The implications of the results of this thesis, on models used to describe the behaviour of solid state lasers, are also discussed.
Thesis (Ph.D.)--Physics, 2003.

This thesis investigates the direct measurement of the thermal noise spectral distribution. Long base line gravitational wave detectors, being commissioned around the world, are limited in sensitivity in the intermediate frequencies by the thermal noise. These detectors are utilising suspended test mirrors for the detection of gravitational waves by measuring their relative displacement. One of the fundamental noise sources in these detectors is the thermally induced displacement of the suspension onto and within the mirrors. This thermally induced motion of the test mirrors limits the displacement sensitivity of the gravitational wave detectors. Knowledge of the spectral behavior of thermal noise over a wide frequency range will improve predictions and understanding of the behavior of the suspension and test mirrors. ¶ In this thesis the direct measurement of the thermal noise spectral distribution of a mechanical flexure resonator is described. The mechanical flexure resonator is an unidirectional ’wobbly table’ made from copper-beryllium, which hinges around four thin flexures 15 mm wide, 1 mm high and ~116 µm thick. The mechanical flexure resonator has a resonant frequency of 192 Hz, with a quality factor of ~3000. ¶ ...

碩士
國立交通大學
電子工程系所
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Relative Intensity Noise (RIN) of multiple quantum well (MQW) DFB laser and chirped multilayer quantum dot (CMQD) lasers have been measured and analyzed. The carrier dynamics in multilayer quantum structure are therefore determined. The temperature-dependent RIN measurement of MQW DFB laser was undertaken to evaluate the K-factor and differential gain. Carrier transport is limited by multiple layer structure in the DFB laser as the values of K-factor remain almost constant in the temperature range of 10 - 40 ℃. Therefore, the intrinsic fmax is evaluated to be 27 GHz. However, differential gain reflects the nature of gain spectrum broadening which decreases by a factor of approximately 1.5 (from 1.66×10-15 cm2 down to 1.1×10-15 cm2) over the measured temperature range. In general, cavity length for RIN measurement is suggested to be within 2 mm. The characteristics of chirped multilayer quantum dot (CMQD) lasers has been presented with different cavity lengths of 750 μm, 1000 μm, and 1500 μm at ambient temperature of 20 ℃. For cavity length of 750 μm, the highly damped RIN spectra have calibrated level of -160dB/Hz. In addition, excited state lasing is essential in our device in order to overcome the total loss and therefore reaches the lasing condition. The differential gain is estimated to be in the range of 3.0-8.2´10-16 cm2, which is subject to junction heating in as-cleaved devices. However, the K-factor limited bandwidth , which is temperature insensitive, is as large as 14 GHz, shows excellent agreement with Stevens et al., who firstly demonstrated direct modulation of excited state QD lasers in August 2009. To the best of our knowledge, we have successfully demonstrated RIN spectrum of excited state quantum dot lasers for the first time. Another unexpected observation is the double-resonance RIN spectra in even shorter cavity length. However, the mechanism is still a controversial issue. Therefore, this thesis has thrown up some questions for further investigation.