Zhenyu HAO - Université de Rennes 1

N° d’ordre : UEB/UR1 2012REN1Exxx ANNÉE 2013
THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1
sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne
pour le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : PHYSIQUE
Ecole doctorale SDLM
présentée par
Zhenyu HAO
préparée à l’unité de recherche UMR 6082 Foton
École Nationale Supérieure des Sciences Appliquées et de Technologie
Caractérisations de
structures à base
d’îlots et bâtonnets
quantiques en termes
de bruit, de non-
linéarité et d’injection
optique
Thèse soutenue à Lannion
le 15 octobre 2013
devant le jury composé de :
Olivier GAUTHIER-LAFAYE
Chargé de recherche, CNRS LAAS / rapporteur
Ammar SHARAIHA
Professeur, ENIB, CNRS Lab-STICC / rapporteur
Frederic VAN DIJK
Ingénieur de recherche, III-V Lab / examinateur
Alain LE CORRE
Professeur, INSA, CNRS FOTON / examinateur
Jean-Claude SIMON
Professeur, ENSSAT, CNRS FOTON / examinateur
Laurent BRAMERIE
Ingénieur de recherche, ENSSAT, CNRS FOTON /
Invité
Pascal BESNARD
Professeur, ENSSAT, CNRS FOTON / directeur de
thèse

ii

Remerciements
Les travaux de ce doctorat ont été réalisés au sein de l’unité FOTON dans le groupe «Lasers &
Télécoms» de l’équipe Systèmes Photoniques. Je tiens donc à remercier Jean-Claude SIMON, ancien
directeur du laboratoire, et Pascal BESNARD, directeur du laboratoire, pour m’avoir accueilli.
Tout d’abord, je tiens à exprimer toute ma gratitude à Pascal BESNARD, professeur à l’ENSSAT,
pour la direction de ce doctorat. Pascal a su être présent durant ces années, malgré les lourdes
tâches qui l’incombaient en tant que directeur du laboratoire. J’ai apprécié tout son soutien, ses
encouragements et ses efforts pour m’aider dans ma recherche, et notamment dans la rédaction à la
fin de cette thèse.
Je remercie les rapporteurs, Olivier GAUTHIER-LAFAYE et Ammar SHARAIHA, d’avoir eu la gen-
tillesse d’étudier mes travaux de thèse via ce manuscrit. Je suis également reconnaissant aux autres
membres du jury, Frederic VAN DIJK, Alain LECORRE et Jean-Claude SIMON, d’avoir accepté d’y
participer.
Je tiens à remercier toutes les personnes du groupe Lasers & Télécoms. Tout d’abord Yohann
LÉGUILLON, Kenny HEY TOW et Alphonse RASOLONIAINA qui m’ont accompagné durant ces an-
nées. Je les remercie pour m’avoir aidé dans le travail et dans la vie ainsi que pour m’avoir initié à
L
A
TEX. Ensuite, Schadrac FRESNEL, Vincent HUET et Thi Kim Ngân NGUYEN, ainsi que les perma-
nents Patrice FÉRON et Thierry CHARTIER qui m’ont donné des conseils, grâce à leur bonne humeur,
l’ambiance de travail a été agréable. Parmi les "anciens", je n’oublie pas Jean-François HAYAU qui
m’a aidé à m’intégrer dans le sujet de thèse; Stéphane TRÉBAOL et Olivier VAUDEL qui m’ont ac-
cueilli amicalement pendant mon stage de master; Alexandra LAGROST et Quoc-Thai NGUYEN qui
ont partagé le bureau avec moi.
Je suis aussi très reconnaissant aux personnes au sein du laboratoire avec lesquelles j’ai pu tra-
vailler. Je tiens à remercier Laurent BRAMERIE, qui a voulu examiner mes résultats, et Mathilde
GAY, avec qui nous avons travaillé pour un projet. Merci aussi à Philippe ROCHARD, Sébastien
LOBO et Eric BORGNE pour leur support pendant mes expérimentations. Je remercie particuliè-
rement les secrétaires du laboratoire, Réjane ÉTESSE sans oublier Danielle GRAVIOU et Carole
PERROT pour leur efficacité et leur sympathie. Grâce à elles, la vie à Lannion est rendue plus facile
pour les étrangers.
Je tiens également à remercier les personnes de l’équipe OHM de FOTON à l’INSA avec lesquelles
j’ai pu travailler pendant ma thèse : Hervé FOLLIOT, Alain LECORRE, Rozenn PIRON, ainsi que les
doctorants Jean-Philippe GAUTHIER, Kamil KLAIME et Dame THIAM.
Au sein du service technique de l’école, je remercie Stéphane CHEHAYED et Serge LEFLÉCHER
pour leur efficacité à résoudre mes problèmes informatiques ou autres problèmes techniques, ainsi
que Henry L’HER pour toute l’aide qu’il a pu m’apporter pendant le travail. Grand merci aussi aux
personnes de la scolarité de l’école, Françoise TOUPIN, Catherine DELEN et Christian SAUQUET.
Enfin, je suis infiniment reconnaissant à ma famille, mes parents, ma femme et mon fils Lucca,
pour tout ce qu’ils m’apportent au quotidien. Sans eux, cette thèse ne serait pas ce qu’elle est
aujourd’hui...

iv

Table des matières
Table des figures vii
Liste des tableaux xi
Introduction 1
1 Introduction des lasers à semi-conducteurs 3
1.1 Généralités sur les lasers ............................... 3
1.1.1 Interactions matière-rayonnement ...................... 3
1.1.2 Les «ingrédients» du laser .......................... 5
1.2 Intérêt des structures à base d’îlots quantiques et de bâtonnets quantiques . . . . . 10
1.2.1 Des structures massives aux structures à îlots quantiques .......... 11
1.2.2 Potentialités théoriques des boites quantiques ................ 14
1.2.3 L’état de l’art des structures à base d’îlots quantiques et de bâtonnets quan-
tiques ..................................... 17
2 Etudes du bruit d’intensité 19
2.1 Modélisation du bruit d’intensité ........................... 19
2.2 Modélisation du bruit d’intensité dans les lasers à îlots quantiques ......... 21
2.2.1 Solutions stationnaires ............................ 22
2.2.2 Études dynamiques .............................. 24
2.2.3 Modélisation du RIN ............................. 24
2.3 Bruits liés à la détection optique ........................... 26
2.3.1 Détection optique ............................... 26
2.3.2 Bruits à la détection ............................. 27
2.3.3 Détection du bruit d’intensité ......................... 28
2.4 Principe de mesure du bruit d’intensité ........................ 29
2.4.1 Estimation des bruits indésirables ...................... 29
2.4.2 Mesure de RIN ................................ 33
3 Laser monomode DFB à bâtonnets quantiques 35
3.1 Caractéristiques statiques ............................... 35
3.1.1 Mise en oeuvre ................................ 35
3.1.2 Caractéristiques ................................ 37
3.1.3 Bruit d’intensité RIN ............................. 38
3.2 Influence d’une injection optique ........................... 42
3.2.1 Historique et applications de l’injection optique ............... 42
3.2.2 Principe de l’injection optique ........................ 45