Génération et contrôle de peignes de fréquences optiques dans les lasers à cascade d'interbande (ICL) - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2024

Optical Frequency Combs Generation and Control in Interband Cascade Lasers (ICL)

Génération et contrôle de peignes de fréquences optiques dans les lasers à cascade d'interbande (ICL)

Pavel Abajyan
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1377982
  • IdRef : 277286433

Résumé

Optical frequency combs (OFCs) are coherent light sources that emit a broad spectrum of discrete, perfectly spaced modes, each with an absolute frequency measurable with the precision of an atomic clock.OFCs in the mid-infrared (MIR 3-12 μm) have recently become of great interest to molecular spectroscopy by the presence of strong absorption of molecular vibration and rotation modes in the spectroscopic "fingerprint" region. Nevertheless, the operation of the OFC in the crucial mid-infrared region (MWIR 3-6 μm) remains significantly underdeveloped compared to other parts of the MIR.In this work, we present an in-depth experimental study of a new generation of interband cascade laser (ICL) and their potential for OFCs in MWIR. The thesis provides proof of the OFC regime both by high-frequency beatnote spectroscopy (BN), and by the new technique of temporal reconstruction of the ultrafast dynamics of these lasers, this making it possible to "visualize" the control of the type of operation of the OFC in ICL. In particular, was carried out the optoelectrical characterization of a set of ICLs with a range of geometries, with the aim of studying low group delay dispersion (GDD) ICLs at longer wavelengths than those previously studied: an ICL operating at 3.8 μm with a 2-section architecture, ICLs operating at 4.1 μm, and another generation of ICL operating at a wavelength of 4.2 μm designed with a wide spectral gain. OFC regime formation and GDD are linked and important for understanding the fundamental mechanisms of OFC formation. ICLs were studied using optical and electrical BN spectroscopy. Passive mode locking (PML) (or free running) and active mode locking (AML) were demonstrated. For 2-section ICLs, where the ICL is divided into a long part and a short part for a single cavity, the exact effect of the small section on the BN has been explained: allows to (a) control very finely the intracavity GDD, (b) introducing losses and showing that we converge towards PML behavior.This work then feeds into the case of ICLs operating at longer wavelengths in a single section cavity and where the GDD is expected to be less. In the particular case of the ICLs operating at 4.1 μm, we demonstrate a strong optical BN, which can be injection locked by radio frequency (RF) injection at the round trip frequency of the ICL, showing the first-steps of active modelocking. This injection locking was achieved using a simple single-section laser architecture with very low waveguide dispersion, and showing that adapting the ICL waveguide for RF operation is not a fundamental requirement. In the final part of the thesis, we show the implementation of the "Shifted Wave Interference Fourier Transform Spectroscopy" (SWIFTS) technique, used in two different configurations, to reconstruct the laser's temporal intensity profile at ultrafast timescales. This permits to demonstrate the nature of OFC generated in these ICLs. Indeed, we show that the ICL operates in the frequency modulation (FM) regime when free-running and transits towards an amplitude modulation (AM) regime when actively modelocked. Interestingly, we also show that ICLs can generate short pulses of ~6.7 ps in free-running operation, despite FM operation, and highlight the control of the pulse width and peak intensity via RF injection. This permits to compress the free-running pulses by a factor of 2.3 to obtain sub-3 ps pulses.This work constitutes an important step in the creation and control of OFCs in the MWIR region. The prospects are to broaden the spectral bandwidth of ICLs and generate high-power ultrashort pulses in the MWIR and beyond.
Les peignes de fréquence optique (OFC) sont des sources de lumière cohérente qui émettent un large spectre de modes discrets parfaitement espacés, chacun avec une fréquence absolue mesurable avec la précision d'une horloge atomique.Les OFC dans l'infrarouge moyen (MIR 3-12 μm) sont récemment devenus d'un grand intérêt pour la spectroscopie moléculaire par la présence de forte absorption des modes de vibration et de rotation moléculaires dans la région des "empreintes digitales" spectroscopiques. Néanmoins, le fonctionnement de l'OFC dans la région cruciale de l'infrarouge moyen (MWIR 3-6 μm) reste nettement sous-développé par rapport aux autres parties du MIR.Dans ce travail, nous présentons une étude expérimentale approfondie d'une nouvelle génération de laser à cascade interbande (ICL) et de leur potentiel pour les OFC dans MWIR. La thèse apporte la preuve du régime OFC à la fois par spectroscopie des battements (BN) à haute fréquence, et par la nouvelle technique de reconstruction temporelle de la dynamique ultrarapide de ces lasers, celle-ci permettant de "visualiser" le contrôle du type de fonctionnement de l'OFC dans les ICL. En particulier, a été effectuer la caractérisation opto-électrique d'un ensemble d'ICL avec une gamme de géométries, dans le but d'étudier les ICL à faible dispersion de retard de groupe (GDD) à des longueurs d'onde plus longues que celles étudiées auparavant: un ICL fonctionnant à 3.8 μm avec une architecture en 2-sections, des ICL fonctionnant à 4.1 μm, et une autre génération d'ICL fonctionnant à une longueur d'onde de 4.2 μm conçue avec un gain spectral large. La formation du régime OFC et le GDD sont liées et importantes pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la formation de l'OFC. Les ICL ont été étudiés à l'aide de la spectroscopie BN optique et électrique. Les verrouillages de mode passif (PML) (ou fonctionnement libre) et actif (AML) ont été démontrés. Pour les ICL à 2-sections, où l'ICL est divisé en une partie longue et une partie courte pour une seule cavité, l'effet exact de la petite section sur le BN a été explicité: permets de (a) contrôler très finement le GDD intracavité, (b) introduire des pertes et montrant que l'on converge vers un comportement PML. Ce travail étend l'étude au cas des ICL fonctionnant à des longueurs d'onde plus longues dans une cavité à section unique et où le GDD est censé être inférieur.Pour un ICL à 4.1 μm, il est montré qu'un BN optique puissant peut être verrouillé par injection radiofréquence (RF) à la fréquence d'un aller-retour de l'ICL, premières étapes de AML. Ce verrouillage par injection a été réalisé à l'aide d'une architecture laser à 1-section avec une très faible GDD montrant ainsi que l'adaptation du guide d'onde ICL au fonctionnement RF n'est pas une exigence fondamentale.Dans sa dernière partie, la thèse montre la mise en œuvre de la technique "Shifted Wave Interference Fourier Transform Spectroscopy" (SWIFTS), utilisée selon deux configurations différentes, pour reconstruire le profil d'intensité temporel du laser à des échelles de temps ultrarapides. Cela démontre la nature des OFC générés dans ces ICL. L'ICL fonctionne en régime de modulation de fréquence (FM) lorsqu'il est en fonctionnement libre et transite vers un régime de modulation d'amplitude (AM) lorsqu'il est en régime AML en par injection RF. L'étude montre également que les ICL peuvent générer des impulsions courtes de ∼6.7 ps en fonctionnement libre, malgré leur caractère FM, et met en évidence le contrôle de la largeur d'impulsion et de l'intensité maximale via l'injection RF. Cela permet de compresser d'un facteur de 2.3 les impulsions libres pour obtenir des impulsions inférieures à 3 ps.Ces travaux constituent une étape importante dans la réalisation et le contrôle des OFC dans la région MWIR. Les perspectives sont d'élargir la bande passante spectrale des ICL et de générer des impulsions ultracourtes de haute puissance dans le MWIR et au-delà.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04557609 , version 1 (24-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04557609 , version 1

Citer

Pavel Abajyan. Génération et contrôle de peignes de fréquences optiques dans les lasers à cascade d'interbande (ICL). Optique [physics.optics]. Sorbonne Université, 2024. Français. ⟨NNT : 2024SORUS024⟩. ⟨tel-04557609⟩
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