i. introduction sur les diodes lasers et leurs comportements

CH I : Introduction sur les lasers à semi-conducteurs et leurs comportements dynamiques
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I. I NTRODUCTION SUR LES DIODES LASERS
ET LEURS COMPORTEMENTS DYNAMIQUES

CH I : Introduction sur les lasers à semi-conducteurs et leurs comportements dynamiques
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SOMMAIRE
I. Introduction sur les diodes lasers et leurs comportements dynamiques......................... 1
I.1. Diode laser (sans retour optique) ............................................................................... 5
I.1.1. Introduction ........................................................................................................... 5
I.1.1.1. Laser à semi-conducteur à cavité Fabry-Perot ....................................... 6
I.1.1.1.1. Structure .......................................................................................... 6
I.1.1.1.2. Le milieu amplificateur ................................................................... 7
I.1.1.1.3. La cavité résonante .......................................................................... 8
I.1.1.1.4. Fonctionnement ............................................................................... 8
I.1.2. Condition laser ..................................................................................................... 10
I.1.3. Coefficient d’élargissement spectral .................................................................... 13
I.1.4. L’analyse linéaire de stabilité .............................................................................. 15
I.1.4.1. Contexte ................................................................................................ 15
I.1.4.2. Equations de taux ................................................................................. 16
I.1.4.3. Oscillation de relaxation ....................................................................... 19
I.2. Diode laser soumises à un retour optique conventionnel ........................................ 21
I.2.1. Contexte ............................................................................................................... 21
I.2.2. Définition ............................................................................................................. 22
I.2.3. Equations de taux ................................................................................................ 22
I.2.4. Oscillation de relaxation ...................................................................................... 29
I.2.5. Classification des régimes (Tkach)...................................................................... 29
I.2.6. Les fluctuations basse fréquences........................................................................ 32
I.2.6.1. Contexte et historique des LFFs ........................................................... 32
I.2.6.2. Définition des LFFs .............................................................................. 33
I.2.6.3. Caractéristiques des LFFs ..................................................................... 34
I.2.6.3.1. Domaine temporel ......................................................................... 35
I.2.6.3.2. Domaine fréquentiel ...................................................................... 36
I.2.6.3.3. Caractéristique P(I) ........................................................................ 37
I.2.6.4. LFFs de type « jump-up » .................................................................... 38
I.2.6.5. Origines des LFFs ................................................................................. 39
I.2.6.6. Cartographie des régimes dynamiques ................................................. 42

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I.2.6.7. Exemple d’applications ........................................................................ 44
I.3. Le retour optique sélectif en fréquence (FOF) ........................................................ 45
I.3.1. Contexte ............................................................................................................... 45
I.3.2. Description .......................................................................................................... 46
I.3.3. Rôles du filtre ...................................................................................................... 46
I.3.4. Les modèles FOF ................................................................................................. 47
I.3.4.1. Modèle d’un FOF provenant d’un étalon Fabry Perot : ....................... 47
I.3.4.2. Modèle d’un FOF provenant d’un FBG ............................................... 53
I.3.4.3. Comparaison des deux modèles FOF : ................................................. 56
I.3.4.4. Stabilité en puissance et en longueur d’onde ....................................... 56

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LISTE DES FIGURES
Fig. 1: homostructure, hétérostructure, double-hétérostructure. ........................................... 5
Fig. 2 : Schéma de principe d’une diode laser à cavité Fabry-Perot. .................................... 7
Fig. 3 : Structure vertical d’une cavité Fabry-Perot. ............................................................ 8
Fig. 4: illustration des différents processus d'absorption et émission de photons. ................ 9
Fig. 5: a) peigne Fabry Perot, b) Condition gain, c) condition phase. ................................. 13
Fig. 6 : a) Diode laser à cavité Fabry Perot soumise à un retour optique conventionnel
(COF). .................................................................................................................................. 22
Fig. 7 : Représentation graphique des solutions en régime permanent en fonction du
coefficient C (ω
0
= ω
th
et τ = τ
ext
) [16]. ................................................................................ 26
Fig. 8 : Diagramme de phase représentant les modes de cavités externe sur lequel la diode
laser est susceptible de se verrouiller régime permanent .................................................... 27
Fig. 9 : Les différents régimes de réinjection en fonction du taux de réinjection et de la
longueur de cavité externe [10]. .......................................................................................... 30
Fig. 10 : Réponse temporelle d’un laser à semi-conducteur soumis à un COF, a) mesurée
via une photodiode, b) mesurée via une ‘streak caméra’. (J = 1,03 Jth – τ
ext
= 3,6 ns), [12].
............................................................................................................................................. 34
Fig. 11 : a) Mesure expérimentale d’un « drop-out » à partir d’une seule acquisition. ....... 35
Fig. 12 : a) spectre optique en régime stable, b) régime de LFF[38] ................................. 37
Fig. 13 : Caractéristique P(I) avec et sans rétro injection optique. La caractéristique de droit
est sans rétro injection optique. La caractéristique de avec une rétro injection optique R
ext
= -10 dB [39]. ...................................................................................................................... 38
Fig. 14 : Réponse temporelle d’un laser à semi-conducteur soumis à un COF. a) I = 1,20 I
th
,
b) I= 1,34 I
th
, c) I = 1,48 I
th
, d) I = 1,66 I
th
, e) I = 2,08 I
th
. [40]. ......................................... 39
Fig. 15 : Diagramme de phase des modes et anti-mode de la cavité externe en fonction de
la densité de charges et la phase [45]. ................................................................................. 40
Fig. 16 : Classification des régimes de fonctionnement en fonction de l'existence ou la non
existence des LFF [27]. ....................................................................................................... 43
Fig. 17 : Schéma de principe d'une diode laser soumise à un retour optique sélectif en
fréquence provenant d’un élément sélectif en fréquence. ................................................... 46
Fig. 18 : Schéma de principe d’une configuration en boucle pour l’étude Des
comportements dynamiques d’une diode laser soumise à un retour optique sélectif en
fréquence. L’élément sélectif en fréquence est ici un étalon de Fabry-Perot (FP : FILTER
sur la figure). [63] ................................................................................................................ 48
Fig. 19: Représentation graphique de la résolution numérique de l’équation transendentale
dite « figure du snacke », ( C
eff
= 51 et Λ = 2 GHz) [63] ..................................................... 52
Fig. 20 : Schéma de principe d'une diode laser soumise à un retour optique sélectif en
fréquence provenant d’un FBG. .......................................................................................... 53

CH I
: Introduction sur les lasers à
I.1. D IODE LASER (
SANS RETOUR OPTIQUE
I.1.1. I NTRODUCTION
Comme
tout LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations),
une diode laser est un dispositif capable d’émettre et d’amplifier la lumière placée dans une
cavité optique résonnante contenant un milieu amplificateur. Les
apparition en 1962. Le milieu amplificateur est un matériau
laser à semi-conducteur.
Il s’agissait à cette époque l
jonction p-n limitées
presque exclusivement aux compos
gallium GaAs (Fig. 1) [1]
réalisée par la superposition de deux couches du même semi
différemment, de façon à ce que la couche dopée n possède plus d’électrons libres et que la
couche dopée p plus de trou
Fig. 1:
homostructure, hétérostructure, double
La recombinaison d’un électron et d’un trou se produit à la jonction des deux
milieux sous l’action d’un courant externe
d’énergie approximativement égale à l’écart énergétique entre la bande de conduction (o
sont les électrons) et la bande de valence (o
bandes d’énergies étant très large
longueurs d’onde d’une trentaine de nanomètres.
: Introduction sur les lasers à
semi-
conducteurs et leurs comportements dynamiques
SANS RETOUR OPTIQUE
)
tout LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations),
une diode laser est un dispositif capable d’émettre et d’amplifier la lumière placée dans une
cavité optique résonnante contenant un milieu amplificateur. Les
diode
apparition en 1962. Le milieu amplificateur est un matériau
semi-
conducteur
Il s’agissait à cette époque l
à d’«
homostructures
presque exclusivement aux compos
és III-
V à base d’arsenic de
[2]. Cette structure élémentaire de
laser à semi
réalisée par la superposition de deux couches du même semi
-
conducteur dopées
différemment, de façon à ce que la couche dopée n possède plus d’électrons libres et que la
couche dopée p plus de trou
s libres (autrement dit moins d’électrons).
homostructure, hétérostructure, double
-
hétérostructure.
La recombinaison d’un électron et d’un trou se produit à la jonction des deux
milieux sous l’action d’un courant externe
direct. Il en résulte l’émission d’un photon
d’énergie approximativement égale à l’écart énergétique entre la bande de conduction (o
sont les électrons) et la bande de valence (o
ù
sont les trous) du semi
bandes d’énergies étant très large
s, le gain optique de la jonction couvre une gamme de
longueurs d’onde d’une trentaine de nanomètres.
conducteurs et leurs comportements dynamiques
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tout LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations),
une diode laser est un dispositif capable d’émettre et d’amplifier la lumière placée dans une
diode
s laser ont fait leur
conducteur
d’où le nom
homostructures
» utilisant une
V à base d’arsenic de
laser à semi
-conducteur, est
conducteur dopées
différemment, de façon à ce que la couche dopée n possède plus d’électrons libres et que la
hétérostructure.
La recombinaison d’un électron et d’un trou se produit à la jonction des deux
direct. Il en résulte l’émission d’un photon
d’énergie approximativement égale à l’écart énergétique entre la bande de conduction (o
ù
sont les trous) du semi
-conducteur. Ces
s, le gain optique de la jonction couvre une gamme de