Laser, Amplificateur, Monomode, Communications, Moyen-Infrarouge

Cette thèse a été réalisée au sein de l'entreprise MirSense en collaboration avec le laboratoire de physique de l'ENS. Le point central du travail présenté est l'étude d'amplificateurs de puissance à maître-oscillateur (Master oscillator power amplifier, MOPA) basés sur des lasers à cascade quantique (LCQ). Ces dispositifs sont obtenus par intégration monolithique d'un laser à contre-réaction répartie (DFB) et d'un amplificateur optique à semi-conducteur. La conception de ces dispositifs a été motivée par la nécessité d'une source monomode puissante fonctionnant en continu à des longueurs d'onde dans l'infrarouge lointain, afin de relever les défis des communications optiques en espace libre (FSO) tels que la haute bande passante, la faible atténuation du faisceau optique et les longues distances de transmission. L'originalité des dispositifs réalisé pendant ce travail de thèse repose sur le choix d'un DFB à réseau métallique de surface. Ce manuscrit présente initialement une évaluation des paramètres gouvernant les structures à cascade quantique, réalisée à l'aide de modèles de cavité laser. Par la suite, une série de simulations a été menée pour modéliser le guide d'onde qui contient la zone active. Enfin, les étapes de fabrication, réalisée en salle blanche, sont présentées. La caractérisation des MOPAs fonctionnant à 8,5 µm a permis de démontrer une augmentation de plusieurs décibels de la puissance optique grâce à l'implémentation de l'amplificateur. L'étude de ces dispositifs a clarifié les phénomènes physiques sous-jacents dans ces cavités couplées et a identifié des axes de développement pour améliorer ces structures. Le chapitre suivant présente la réalisation d'un LCQ à haute fréquence, pour la transmission de donnée par modulation directe. Couplé à un photodétecteur infrarouge à puits quantique, il a permis d'obtenir une liaison de 60 Gbit/s à la longueur d'onde 9 µm, à température ambiante. Finalement, une étude sur des DFB à double longueur d'onde autour de 4,5 µm a été menée pour réaliser, à des fins spectroscopiques, des sources émettant dans la bande de Reststrahlen des semiconducteurs III-V; ces types de dispositifs pouvant également être utilisés comme sources pour les liaisons FSO.