Optical self-organization and dynamics in saturable absorber semiconductor lasers
Auto-organisation optique et dynamique dans des lasers à semiconducteurs en présence d'un absorbant saturable
Résumé
The present thesis reports on the experimental study of transverse optical self-organization in lasers with high Fresnel number containing a saturable absorber. In the presence of bistability and modulational instability, localized structures may appear, which are called cavity solitons. They result from an equilibrium between diffraction and nonlinear self-focusing. In the laser regime, the systems described above can emit many beams with diameter around ten microns only. Each beam constitutes a localized structure in the transverse plane, which can be turned on, off and displaced at will. This work is divided into two parts : the continuous regime and the pulsing regimes. In the latter case, the laser could emit cavity light bullets localized both in space and time. The work done was directed towards the search for and the study of the different physical parameters needed for the appearance of bistable and pulsed localized structures. The results presented in this report show for the first time, in a monolithic VCSEL structure with an integrated saturable absorber, a writing-erasure process of a localized structure in the continuous regime. Moreover, they show the steps achieved in order to get close to similar results in the pulsing regime : a cluster of pulsed localized structures has thus been written and erased. By the compacity of the VCSEL and the reconfigurability of the cavity solitons, these results constitute one more step towards the realization of an all-optical data treatment with cavity solitons.
Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de l'auto-organisation optique transverse dans des lasers à grand nombre de Fresnel contenant un absorbant saturable. En présence de bistabilité et d'instabilité de modulation, des structures localisées apparaissent, appelées solitons de cavité. Elles résultent d'un équilibre entre diffraction et auto-focalisation dans un milieu non-linéaire. En régime laser, les systèmes évoqués plus haut peuvent ainsi émettre plusieurs faisceaux d'une dizaine de microns de diamètre seulement. Chaque faisceau constitue une structure localisée dans le plan transverse, qui peut être allumée, éteinte et déplacée à volonté. Ces travaux de thèse se divisent en deux parties principales : l'étude du régime continu et celle des régimes impulsionnels. Dans ce deuxième cas, le laser peut émettre des balles de lumière en cavité localisées à la fois dans l'espace et dans le temps. Les travaux effectués se sont axés sur la recherche et l'étude des différentes propriétés nécessaires à l'apparition de structures localisées bistables et impulsionnelles afin de les réunir. Les résultats présentés dans ce manuscrit montrent pour la première fois, dans une structure monolithique VCSEL avec absorbant saturable intégré, un processus d'écriture-effacement d'une structure localisée en régime continu. De plus, ils montrent les étapes réalisées afin de se rapprocher du même résultat dans le régime impulsionnel : un agrégat de structures localisées impulsionnelles a ainsi pu être écrit et effacé. De par la compacité des systèmes VCSEL et la reconfigurabilité des solitons de cavité, ces résultats constituent une étape supplémentaire vers la réalisation d'un traitement tout-optique de l'information.
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