Nonlinear photonics in mid-infrared quantum cascade lasers

Les lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisibles.Mid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasure

Photonique non-linéaire dans les lasers à cascade quantique moyen infrarouges

Mid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasuresLes lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisibles

Photonique non-linéaire dans les lasers à cascade quantique moyen infrarouges

Mid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasuresLes lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisibles

Deterministic temporal chaos from a mid-infrared quantum cascade laser subjected to external optical feedback

International audienc

Beam steering in quantum cascade lasers with optical feedback

International audienc

Regimes of Feedback Effects in Mid-Infrared Distributed Feedback Quantum Cascade Lasers

International audienc

SUPPRESSION DU BEAM STEERING DANS UN LASER À CASCADES QUANTIQUES SOUMIS À UNE CONTRE-RÉACTION OPTIQUE EXTERNE

International audienceLes lasers à cascades quantiques sont des sources semiconductrices exploitant les transitions inter-sous-bandes au sein de la bande de conduction. Pour les applications de forte puissance, la qualité du faisceau en champ proche est altérée, notamment par le beam steering. Dans cet article, nous montrons que le beam steering peut être efficacement supprimé tout en conservant une bonne qualité de faisceau en champ proche grâce à l'application d'une contre-réaction optique externe

Deterministic temporal chaos from a mid-infrared external cavity quantum cascade lasers

International audienceQuantum cascade lasers (QCLs) are unipolar semiconductor lasers offering access to wavelengths from the mid-infrared (IR) to the terahertz domain and promising impact on various applications such as free-space communications, high-resolution spectroscopy, LIDAR remote sensing or optical countermeasures. Unlike bipolar semiconductor lasers, stimulated emission in QCLs is obtained via electronic transitions between discrete energy states inside the conduction band. Recent technological progress has led to QCLs operating in pulsed or continuous wave mode, at room temperature in single- or multi-mode operation, with high powers up to a few watts for mid-IR devices. This spectacular development raises multiple interrogations on the stability of QCLs as little is known on their dynamical properties. Very recently, experiments based on optical spectrum measurements have unveiled the existence of five distinct feedback regimes without, however, identifying the complex dynamics dwelling within the QCL. In this article we provide the first experimental evidence of a route to chaos in a QCL emitting at mid-IR wavelength. When applying optical feedback with an increasing strength, the QCL dynamics bifurcate to periodic dynamics at the external cavity frequency and later to chaos without an undamping of relaxation oscillations, hence contrasting with the well-known scenarios occurring in interband laser diodes. © (2016) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only

Dynamique à retard dans un laser à cascade quantique émettant au moyen infra-rouge

International audienceLes lasers à cascade quantique sont des sources semiconductrices basées sur des transitions intersous-bandesau sein de la bande de conduction. Pouvant émettre sur une large plage de longueurs d’onde allantdu moyen infra-rouge au terahertz, ils sont devenus une source privilégiée pour des applications telles que laspectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques [1]. Une analyse temporelledes fluctuations de la puissance optique émise a récemment révélé un comportement chaotique du laser à cascadequantique soumis à une force de rappel optique [3]. Cette étude expérimentale a mis en évidence un scénariode bifurcation impliquant une déstabilisation à la fréquence de cavité externe, puis un chaos sous la forme defluctuations basses fréquences. Ce scénario est typique des lasers à gaz de type classe A [4] mais n’avait jamaisété observé jusqu’alors dans un laser semiconducteur, où la première déstabilisation est basée sur la fréquence desoscillations de relaxation [5]. Ces observations expérimentales ont été validées par une étude numérique exploitantles équations de Lang et Kobayashi [5], en y incorporant les paramètres spécifiques du laser à cascade quantiqueétudié. Cependant, il est important de comprendre si ce scénario de bifurcation peut se reproduire sur d’autresstructures ou dans d’autres conditions expérimentales.L’objectif de ce travail est d’étudier numériquement la dynamique à retard du laser à cascade quantique en fonctionde trois paramètres clés : le courant de pompe, la longueur de la cavité externe et le facteur d’élargissement spectraldu laser (facteur α), intrinsèque à la structure. Les simulations obtenues montrent des déstabilisations proches decelle observée expérimentalement, avec l’apparition d’oscillations à la fréquence de cavité externe. Cependant, sil’on augmente le courant de pompe ou que l’on diminue la valeur du facteur α, la première bifurcation de Hopf, àlaquelle ces oscillations apparaissent, se produit à des taux de réinjection significativement plus élevés, et la zonechaotique tend à disparaître. De plus, si l’on augmente la longueur de cavité externe, la bulle de chaos apparaîtà de plus faibles taux de réinjection, bien que la première bifurcation de Hopf reste à des taux de réinjectionsimilaires, mais cette zone se réduit fortement, et finalement disparait.En conclusion, cette étude numérique montre que le scénario de déstabilisation caractérisée par des fluctuationsbasses fréquences est bien reproductible dans d’autres conditions expérimentales ou sur d’autres types de structuresà cascade quantique. Cependant, le taux de réinjection auquel a lieu la première bifurcation de Hopf ou l’étenduede la zone chaotique peuvent varier, et il est donc fondamental d’étudier chaque cas afin d’éviter une déstabilisationou émission chaotique parasite