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Detailed view PhD thesis
Université Nice Sophia Antipolis (1999-11-12), Tredicce Jorge (Dir.)
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Dynamique non linéaire dans les lasers à semiconducteurs avec rétroaction optique
massimo giudici1

La dynamique des lasers à semi-conducteur avec rétroaction optique est le sujet de cette thèse. En particulier, nous analysons l'instabilité à l'origine des fluctuations à basse fréquence de l'intensité du laser (Low Frequency Fluctuations, LFFs) qui apparaissent pour une rétroaction modérée à forte.

Nous étudions la nature dynamique des fluctuations à basse fréquence au moyen de techniques des mesures particulières. Nous prouvons que les LFFs trouvent leur origine dans une bifurcation noeud - col d'Andronov anticipée par le bruit présent dans le système. Nous démontrons expérimentalement que, en accord avec ce type de bifurcation, le laser à semi-conducteur avec rétroaction optique répond aux perturbations comme un système excitable. Ceci constitue la première preuve d'excitabilité dans un système optique. Corollairement, le contrôle du niveau de bruit dans le système nous permet de réaliser la première observation du phénomène de Coherence Resonance.
Nous avons aussi obtenu de fortes indications sur le mécanisme physique à l'origine de l'instabilité des fluctuations à basse fréquence. L'analyse de l'évolution temporelle du spectre optique à des échelles inférieures à la nanoseconde nous permet de montrer que cette instabilité est générée par l'interaction entre différents modes du laser.
Enfin, nous nous sommes placés dans le cas expérimental où la rétroaction optique est sélective en fréquence, analysant ainsi les caractéristiques du système par la variation de cette fréquence.

L'influence de la rétroaction sur un laser a aussi été étudiée pour des lasers à cavité verticale (VCSELs) dont le fonctionnement monomode longitudinal est imposé par la séparation en fréquence entre les modes. Pourtant, nous observons une fluctuation à basse fréquence dans l'intensité émise par le système. Nous montrons que, dans ce cas, l'instabilité est liée à l'interaction entre les deux composants de polarisation du VCSEL.
1:  INLN - Institut Non Linéaire de Nice Sophia-Antipolis
laser à semi-conducteur – Instabilités dans les lasers – systèmes excitables – rétroaction dans les lasers – dynamique multimodal – laser a cavité externe

Non linear dynamics in semiconductor lasers with optical feedback
The dynamics of semiconductor lasers exposed to optical feedback is the subject of this thesis. We have analyzed the instability leading to the so-called Low Frequency Fluctuations (LFF) appearing in the laser output intensity at moderate-to-strong feedback levels.

We have investigated the dynamical nature of the LFF by means of non-standard measurements. We show that the LFF are a consequence of two joint elements: the existence of a saddle node-Andronov bifurcation and the noise present in the system which may anticipate the bifurcation. We have demonstrated experimentally that, according to this type of bifurcation, a semiconductor laser with optical feedback responds to perturbations as an excitable medium. This provides the first experimental evidence of excitability in an optical system. Moreover, varying the noise level in the system we have observed, for the first time, Coherence Resonance.
We have also obtained strong indications about the physical mechanism at the origin of the LFF-instability. The analysis of the optical spectrum time-resolved over sub-nanosecond time-scales has showed that this instability is generated by the interaction among different modes of the laser.
Finally, we have explored the configuration where the optical feedback is frequency selective, describing the characteristics of the system while tuning the frequency of the feedback.

The dynamics induced by optical feedback were investigated also in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs). VCSELs are intrinsically single-longitudinal-mode devices because of the large frequency separation of the cavity resonances. In spite of this, even in VCSELs we have observed a parameter region characterized by low frequency fluctuations in the intensity output. We have showed that, in this case, the instability is related to the interaction between the two polarization modes of the VCSEL.
semiconductor lasers – laser instability – excitable systems – laser feedback – multimode dynamics – external cavity lasers

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