Dynamics of optical injection semiconductor lasers: effects of langevinian noise sources and integrated resonant tunneling diode devices

Abstract

La recherche en dynamique non linéaire en physique des lasers, en particulier dans les lasers à semi-conducteurs continue de croître sans cesse depuis l'avènement des premières diodes laser. Ces lasers à semi-conducteur sont d’une importance primordiale dans les traitements optiques de données et les communications optiques. Cette thèse étudie la dynamique non linéaire des lasers à semi-conducteur à injection optique en se concentrant sur les effets du bruit, son contrôle et sa suppression à partir des équations modifiées des lasers à semi-conducteur. Comme résultats, nous avons montré une méthode d’élimination du bruit 1/f qui exige un laser maître avec de faibles fluctuations de phase optique. Nous proposé de méthodes d’amélioration du spectre du bruit d’intensité en basses fréquences (jusqu'à la fréquence de relaxation autour de 1 GHz) et de réduction des bruits d’intensité et de fréquence lorsque le laser est contrôlé par un nouveau paramètre de contrôle appelé coefficient de gain effectif parmi tant d'autres paramètres. Nous avons également développé une nouvelle formulation de la longueur à mi-hauteur donnant une largeur de raie laser idéale modulée par le coefficient de gain effectif en plus du facteur Henry. Dans la suite, nous avons intégré ce laser dans un oscillateur électrique à base de diode à résonnance tunnel dans le but d’étudier sa dynamique nonlinéaire. Les résultats ont montré que la stabilité du laser à semiconducteur est amélioré par l'intégration optoélectronique avec une diode à résonnance tunnel et que le coefficient de gain effectif permet la restriction de la phase optique de verrouillage et donc le contrôle de stabilité. La tension continue, le paramètre 𝑟 (la résistance globale du circuit) et le coefficient de gain effectif étaient des paramètres de contrôle au centre de ces travaux : nous avons découvert que des points d’équilibre stables sont atteints dans la zone de résistance négative soit en augmentant progressivement la tension de polarisation, soit en augmentant la résistance 𝑟 pendant que le coefficient de gain effectif diminue. Il est à noter que le système a généré de multiples oscillations instables. Diverses riches dynamiques nonlinéaires ont été observées, notamment la génération du chaos, de l’hyperchaos et la multistabilité avec la coexistence des attracteurs N-scrolls et M-scrolls en raison de la dynamique coopérative (interférence) entre l'excitation électrique et l’injection optique du laser à semi-conducteur. La route vers le chaos était observée via des séquences de doublement de période en cascade (scenario de Feigenbaum) en plus de la cascade de doublement de période inverse appelé antomonotonicité et, le laser a révélé en outre des attracteurs étranges tels que des attracteurs chaotiques multiscroll et un attracteur infinite-scroll. Nous avons utilisé le paramètre 𝑟 (la résistance globale du circuit) et la tension de polarisation pour contrôler la multistabilité et le chaos. Enfin, dans le domaine optique, le système a révélé une dynamique éclatante à partir d’un point de bifurcation, des oscillations en mode mixte, des oscillations éclatantes à ondes carrées modulées par le coefficient de gain effectif et une bifurcation incrémentielle en mode mixte pertinentes dans la description de l'activité neurale du cerveau.