LASERS MONOMODES A FAIBLE SENSIBILITE A LA RETROACTION OPTIQUE POUR LES ...

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by  Frédéric Grillot

LASERS MONOMODES A FAIBLE SENSIBILITE A
LA RETROACTION OPTIQUE POUR LES
TRANSMISSIONS A 2,5GBit/s SANS ISOLATEUR
Frédéric Grillot
To cite this version:
Frédéric Grillot. LASERS MONOMODES A FAIBLE SENSIBILITE A LA RETROACTION OP-
TIQUE POUR LES TRANSMISSIONS A 2,5GBit/s SANS ISOLATEUR. Autre. Université de
Franche-Comté, 2003. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00007829￿
HAL Id: tel-00007829
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◦
N d’ordre: 957 AnnØe 2003
THESE
prØsentØe (cid:224)
L’U.F.R. DES SCIENCES ET TECHNIQUES
DE L’UNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE
Discipline: Sciences pour l’IngØnieur
Lasers monomodes (cid:224) faible sensibilitØ (cid:224) la rØtroaction
optique pour les transmissions (cid:224) 2,5 GBit/s sans isolateur
par
FrØdØric GRILLOT
JURY
PrØsident Abderrahim Ramdane Directeur de Recherche CNRS LPN Marcoussis
Rapporteurs Philippe Gallion Professeur ENST Paris
Pascal Besnard Professeur ENSSAT Lannion
Examinateurs Daan Lenstra Professeur UniversitØ libre d’Amsterdam
Bruno Thedrez IngØnieur de Recherche Alcatel Marcoussis
Directeur de ThŁse Michel de Labachelerie Directeur de Recherche CNRS LPMO Besan(cid:231)on
II
A Sophie,
A mes parents,
Et (cid:224) une intention particuliŁre.

Remerciements
(cid:28) L’innovation est une alliance entre recherche, marketing,
instinct, imagination, produit et courage industriel(cid:29).
Antoine Riboud, Industriel fran(cid:231)ais
Il est bien connu que l’incontournable partie consacrØe aux remerciements est souvent celle sur
laquelle se ruent les personnes qui sont en possession d’un manuscrit de thŁse. Aussi, je pense que je
ne serai pas d’une grande originalitØ aux yeux de certains en Øcrivant les quelques lignes qui suivent.
Ce travail de doctorat a ØtØ entiŁrement accompli au sein de la branche Alcatel Research and Inno-
vation et plus particuliŁrement dans l’unitØ de recherche Opto+ dont le nom originel est issu d’un
rapprochement avec l’ex-CNET de Bagneux. De maniŁre plus spØci(cid:28)que, cette unitØ a pour vocation
d’Øtudier et de concevoir des composants opto-Ølectroniques pour les tØlØcommunications optiques.
A ce propos, je tiens (cid:224) remercier Mr. Fran(cid:231)ois Brillouet, Directeur de l’unitØ pour la con(cid:28)ance
qu’il m’a tØmoignØ en me donnant l’opportunitØ, (cid:224) l’automne 1999, de rejoindre les laboratoires de
Marcoussis. La thŁse en milieu industriel restera pour moi, (cid:224) la fois une fantastique aventure et aussi
ma premiŁre grande expØrience professionnelle. En e(cid:27)et, pendant ces annØes passØes (cid:224) Opto+, j’ai
pu non seulement acquØrir d’abondantes connaissances scienti(cid:28)ques et techniques mais aussi com-
prendre les dures et parfois cruelles rØalitØs du monde du business. D’une maniŁre plus locale, il
est important de signaler que l’ensemble du travail prØsentØ dans ce manuscrit n’aurait jamais pu
Œtre menØ (cid:224) bien sans cet incommensurable esprit d’Øquipe. En e(cid:27)et, le jeune rØcipiendaire qui (cid:224) ses
dØbuts est vif, vigoureux, rempli d’une motivation inØbranlable et d’une imagination sans commune
limite s’aper(cid:231)oit (cid:224) bride abattue que la physique dessŁche rapidement la motivation du chercheur et
quelarØussitedesontravailestindubitablementliØeaudegrØd’interactionet(cid:224)laqualitØdesdiscus-
sions menØes avec l’ensemble des ingØnieurs et techniciens du laboratoire. Aussi, je tiens (cid:224) adresser
ces remerciements (cid:224) toutes les personnes qui m’ont apportØ leurs collaborations, leurs conseils ou
tout simplement leur soutien moral pendant ces annØes passØes (cid:224) Opto+. Dans un premier temps,
je souhaiterais grati(cid:28)er les promoteurs de ce sujet ainsi que les membres du jury de thŁse:
-Mr. Bruno Thedrez, responsable du groupe au sein duquel j’ai travaillØ pendant plus de trois
V
Remerciements
ans (cid:224) Alcatel. Je tiens (cid:224) le remercier vivement pour la qualitØ de son encadrement et sa disponibilitØ
permanente malgrØ un emploi du temps qui s’est densi(cid:28)Ø au (cid:28)l des mois. De plus, je tiens (cid:224) souligner
que j’ai ØtØ particuliŁrement (cid:28)er d’Œtre coachØ par une personne dotØe d’un excellent sens physique
et dont les qualitØs de physicien sont irrØprochables. Qu’il sache combien j’ai apprØciØ ces longues
discussions techniques (parfois tardives!) que nous avons eues. Elles ont toujours ØtØ fructueuses et
associØes (cid:224) de prØcieux conseils (sØvŁres mais justes).
-Mr. Michel de Labachelerie, Directeur de Recherche au CNRS qui a ØtØ le responsable et un des
garants de la qualitØ scienti(cid:28)que de la thŁse. De part notre Øloignement gØographique, l’interaction
n’a certes pas ØtØ continue dans le temps mais ce fut un rØel plaisir pour moi de venir (cid:224) Besan(cid:231)on,
ville forti(cid:28)Øe et voisine de ma ChŁre Bourgogne, pour discuter de l’avancØe des travaux. A ce titre, je
pense sincŁrement que la frØquence rØguliŁre de nos rencontres a permis de mener (cid:224) bien ce travail.
Aussi, je lui exprime ma gratitude pour l’ensemble des conseils qu’il m’a prodiguØ au cours de la
thŁse.
-Mr. Pascal Besnard, Professeur (cid:224) l’ENSSAT de Lannion qui a acceptØ le travail dØlicat d’Œtre
rapporteur de ce manuscrit. Nous nous Øtions dØj(cid:224) rencontrØs auparavant (cid:224) Marcoussis pour discuter
des e(cid:27)ets de la rØalimentation optique dans les structures lasers semi-conductrices. Je le remercie
donc pour ses prØcieux conseils et explications qu’il m’a apportØ pendant la thŁse et la correction
du manuscrit.
-Mr. Philippe Gallion, Professeur (cid:224) l’ENST Paris qui a Øgalement acceptØ la di(cid:30)cile t(cid:226)che de
rapporter ce travail. Sa notoriØtØ incontestØe fait que j’ai ØtØ particuliŁrement honorØ qu’il fasse
partie intØgrante du jury de thŁse.
-Mr. Daan Lenstra,Professor ofQuantumElectronicsattheVRIJUniversityinAmsterdam,The
Netherlands and head of the group of theoretical physics. I would like to say that I have been very
proud and happy to encounter Prof.dr. Lenstra one year ago. I am very grateful to him for all of
his precious advice and explanations about the maximum gain mode stability and the bifurcations
theory. I enjoyed our fruitful discussions we had and his cheerfulness was inspiring. Special thanks
alsotohimforalwayssupportingmeandgivingmeagreatopportunitytovisithisgroup.Isincerely
hope we can keep in touch in the future and continue working together.
-Mr. Abderrahim Ramdane, Directeur de Recherche au CNRS que j’ai rencontrØ, (cid:224) mes dØbuts,
lors des JournØes Nationales d’Optiques GuidØes (JNOG) (cid:224) Toulouse. Je me souviens plus particu-
liŁrement de ce jour di(cid:30)cile au cours duquel le chairman (c’Øtait lui!!) est venu me secourir devant
une assemblØe austŁre ne comprenant dØcidØment pas pourquoi j’avais oubliØ mes courants de seuil.
Eh oui! C’est en forgeant que l’on devient forgeron! Bien Øvidemment, je le remercie pour tous ses
conseils et en particulier pour m’avoir fait l’honneur d’accepter de prØsider le jury de thŁse.
-Bertrand Rioualias CalimØropourlesintimes.Cepetitbonhommeestincontestablementunpro-
fessionnel du laser (cid:224) semi-conducteur (cid:224) qui l’air de la Californie (Sea, Sex and Sun!) et les parties de
freesbee sur les plages du Paci(cid:28)c Ocean manquent de temps en temps. Je le remercie vivement pour
VI
ses prØcieux conseils notamment sur la structure verticale du laser ainsi que pour avoir supportØ
ma mauvaise humeur (matinale uniquement) pendant ces annØes. Alors Bertrand, let’s go back to
California!
-Luis Lucatero qui est arrivØ en mŒme temps que moi (cid:224) Opto+ et qui compte aujourd’hui parmi
mes amis. Je l’ai trŁs souvent dØrangØ pour des traductions ou des corrections d’anglais. Aussi, je le
remercie pour les nombreuses fois oø il m’a accordØ de son temps avec la patience et la gentillesse
qui est la sienne. Luis, n’oublie surtout pas de regarder "La Grande Vadrouille" et "Les Tontons
Flingueurs" pour parfaire ta culture fran(cid:231)aise.
-Guang-HuaDuan outoutsimplementDuan,Ma(cid:238)trespirituelincontestØdulaser(cid:224)semi-conducteur
(cid:224) Alcatel. J’ai particuliŁrement apprØciØ ses conseils, remarques ou commentaires qu’il m’a fait pen-
dant la thŁse. Je le remercie vivement pour son aide prØcieuse lors de la mise au point du calcul
numØrique du seuil d’e(cid:27)ondrement de la cohØrence ainsi que pour la collaboration intensive que nous
avons eu lors de la rØdaction de mon premier Journal of Quantum Electronics.
-Jean-Guy Provost (cid:224) qui j’exprime ma plus vive reconnaissance pour son aide prØcieuse lors de
mes nombreuses campagnes de mesures. Il fait partie intØgrante des personnes qui ont apportØ leurs
pierres (cid:224) l’Ødi(cid:28)ce (cid:28)nal. Rigueur, minutie, prØcision et Tintin sont des termes qui quali(cid:28)ent parfai-
tement Jean-Guy et qui en font quelqu’un avec qui j’ai apprØciØ de travailler. En tant que confrŁre
tintinophyle, Mille milliards de mille sabords, je te remercie vivement.
-Cha(cid:28)k MØliani et Abed-Elhak Kasbari, l’Universitaire et le Normalien (non ce n’est pas Lau-
rel et Hardy!!) et plus simplement mes collŁgues thØsards du bureau 108 Docteurs Łs-Sciences et
Docteurs Łs-rØdaction d’article. Nous avons commencØ notre thŁse pratiquement ensemble et ce fut
vraiment un bonheur immense de partager le mŒme bureau pendant toutes ces annØes. Si vous les
rencontrez, ne leurs demandez pas comment va FrØdØric Grillot, ils vous rØpondront: "On ne le
conna(cid:238)t pas!" Demandez leurs plut(cid:244)t: comment va Equationman? En tout cas, encore merci (cid:224) eux
et j’espŁre qu’ils continueront (cid:224) promulguer la rØ(cid:29)exion physique au pro(cid:28)t des lois de la statistique.
Encore une chose, Cha(cid:28)k, n’oublie pas que tu n’as jamais ØtØ dans l’ambiance du diviseur statique!
-Jean-Luc Lafragette l’expert des traitements miroirs qui mØrite bien son titre. MŒme s’il a re-
joint le bureau 108 plus tard, j’ai particuliŁrement apprØciØ sa disponibilitØ et sa bonne humeur
permanente. Alors Jean-Luc, sportif accompli, j’espŁre que Mister Power Point comme tu l’as si
bien baptisØ ne te laissera pas un mauvais souvenir.
-Bruno Fernier qui fut mon chef de groupe au moment oø je suis arrivØ (cid:224) Opto+. J’ai sincŁrement
apprØciØ de travailler avec lui pendant un an et je le remercie Øgalement pour la con(cid:28)ance qu’il m’a
tØmoignØ en me permettant d’intØgrer son groupe de recherche.
-Philippe Brosson et Jean-Fran(cid:231)ois Palmier, les deux thØoriciens d’Opto+. J’ai vraiment ap-
prØciØ leurs disponibilitØs permanentes ainsi que leurs humilitØs au vue de l’immensitØ de leurs
connaissances (certains peuvent en prendre de la graine!). Merci (cid:224) tous deux pour votre aide prØ-
cieuse en calcul analytique et analyse numØrique.
VII
Remerciements
-Olivier Gauthier-Lafaye qui m’a beaucoup aidØ notamment pour la mise en oeuvre du protocole
de rØglage de la polarisation de l’onde retour. Je lui exprime aussi ma vive reconnaissance pour
m’avoir initiØ et formØ (cid:224) ces mesures di(cid:30)ciles et Øtranges que sont les mesures de taux d’erreurs.
-Mmes Bernadette Duval, Colette Delavault et Pascale TØfaine les secrØtaires avec qui j’ai
eul’occasiond’interagir(cid:224)moultesreprises.JelesremerciesincŁrementpourleuraideetdisponibilitØ
prØcieuse qu’elles m’ont apportØ car je les ai trŁs souvent sollicitØes.
-Sophie, qui est devenue ma femme au cours de la thŁse (quelle chance pour elle!) et qui a eu
l’immense plaisir de corriger mes fautes d’orthographe (pas de chance pour elle!). Le parcours du
thŁsard Øtant parfois long et di(cid:30)cile, je la remercie sincŁrement de m’avoir toujours supportØ et
encouragØ y compris dans les moments de dØprime. Depuis notre rencontre (cid:224) la FacultØ des Sciences
de Dijon en 1995, je sais combien son dØsir d’e(cid:27)ectuer une thŁse Øtait important pour elle. A ce titre,
je suis certain qu’elle serait devenue une excellente chimiste. L’avenir en ayant dØcidØ autrement, ce
manuscrit lui est complŁtement dØdiØ accompagnØ de mes pensØes les plus respectueuses et les plus
profondes.
-Mes parents, mon frŁre, ma soeur et ma grand-mŁre, sans qui je ne serais jamais arrivØ
jusque l(cid:224). Depuis le dØbut de mes Øtudes, ils ont toujours ØtØ l(cid:224) quand il le fallait aussi bien dans
les jours fastes que dans les moments de crise. Comme je leur dois tout, je leur exprime ma plus
profonde gratitude en employant le mot le plus simple du monde: merci!! Et pour (cid:28)nir, ma chŁre
Isabelle alias Dr. Lewis, c’est (cid:224) mon tour d’attendre maintenant ta soutenance de thŁse.
et aussi,
Fran(cid:231)ois Favre, Guy Debarge, Jean-Claude Simon, Frank Mallecot, AurØlien Bergonzo,
CornØlia Cuisin, Elizabeth Boer, VØronique Colson, Joºl Jacquet, HØlŁne Sillard, Syl-
vain Blayac, Alain Carenco, StØphane Demiguel, Isabelle Guillemot, Jean-Yves Gour-
mond, Hakon Helmers, Milton, Alexandra Labrousse, Jean Landreau, Arnaud Leroy,
Marie-France Martineau, Michel Matabon, Christophe Ougier, Pascal Pecci, Antonina
Plais, Louisette Roux, Alexandre Shen, Vincent Voiriot, Joºl Py, Mohand Achouche,
Sabine Louis, Nicolas TrØnado, Murielle Muller, Fabrice Devaux, Philippe Jarry...et (cid:224)
toutes celles et ceux que j’ai oubliØs.
Marcoussis, mai 2003
VIII
TABLE DES MATI¨RES
Table des matiŁres
Remerciements V
Liste des (cid:28)gures XIII
Liste des tableaux XIX
Introduction GØnØrale 1
ThØorie du laser (cid:224) semi-conducteur et de la rØalimentation optique
externe 9
1 Les lasers (cid:224) semi-conducteur 9
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Structure ØlØmentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Description statique d’un laser (cid:224) semi-conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 La condition d’oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Le rendement externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Les Øquations d’Øvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.4 Le (cid:29)ux ØnergØtique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Modulation d’un laser (cid:224) semi-conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1 LinØarisation des Øquations d’Øvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Le facteur de couplage phase-amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.6 SynthŁse du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Bibliographie 23
2 ThØorie de la rØtroaction optique 25
2.1 Origine et dØ(cid:28)nition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Les rØgimes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 DØ(cid:28)nition de la rØ(cid:29)ectivitØ Øquivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
IX