Laboratory for Photonics and Nanostructures
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Composants photoniques pour applications télécoms > Surface-coupled vertical cavity devices
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PuceSurface-coupled vertical cavity devices
- Surface-coupled micro-cavity devices present some advantages compared to edge-emitters or waveguided components, such as easiest fiber coupling (no cleaved facets, and nearly-circular aouput beam better adapted to fiber optical mode), or simple 2D arrays fabrication.
- We develop vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL, or VECSEL) at 1.55 µm emission wavelength, and micro-cavity saturable absorbers (SA). The latters show a non-linear response useful for mode-locked pulse generation, or for all-optical signal processing of high bit-rate optical data.
- A common challenge for this family of devices is to dissipate efficienly the heat originating from photo-absorption, or electrical / optical pumping, out of the micro-cavity.

PuceMain applications :
- All-optical signal processing in high bit-rate telecommunication networks at 1.55 µm, including all-optical regeneration pf high-bit rate data ('0' and '1' levels noise suppression). We develop fast regenerators compatible with 40 Gb/s data bit-rate, and with wavelength-division multiplexing, avoiding for signal opto-electronic conversion. Our regenerators also make use of a low-cost fiber-coupling technology.
- Saturable absorbers mirrors (SESAMs) for pulse generation from mode-locked laser sources.
- Wavelength-tunable VCSELs to be used as laser sources in fiber-Bragg-grating sensing systems, or in optical imaging requiring large bandwidth optical sources (such as optical tomography). The 1.55 µm emission wavelength allows for propagating the signal in standard optical fibers with minimal optical loss.
- Mode-locked VECSELs (ML-VECSELs) to be used as optical gate in time-domain multiplexing of optical data, optical clock-recovery, or optical data sampling (as required for analog-to-digital conversion of high-bit rate data in the optical domain). Short pulses (< 1 ps) with low-timing jitter are indeed expected from ML-VECSEL sources. ML-VECSELs could also compete with other sub-picosecond lasers (e.g. fiber-based or Ti:Sa pulsed lasers) in some domains.

PuceMAIN TOPICS :

SA regenerators
Non-linear devices for all-optical processing of high-bit rate data
SA regenerators
Saturable absorber mirrors

Vertical Extended-Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs):
ML-VECSEL
Mode-locked VECSELs
Tunable-VECSEL
Tunable VECSELs
EP-VECSEL
Electrically-pumped VECSELs

SA Structure
SA module
VECSEL Structure
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Puce Members

Contacts

 Oudar Jean-Louis  (+33) 1 69 63 61 49  
 Bouchoule Sophie  (+33) 1 69 63 61 53  

And also...

 Fang Li  (+33) 1 69 63 63 54  
 Chaccour Lea  (+33) 1 69 63 61 68  
 Aubin Guy  (+33) 1 69 63 61 51  
 Harmand Jean-Christophe  (+33) 1 69 63 60 81  
 Patriarche Gilles  (+33) 1 69 63 61 73  
 Sagnes Isabelle  (+33) 1 69 63 61 71  

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Puce Publications

Publication in journals
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Puce Contracts and projects

    Puce ANR RNRT

      FUTUR : Fonctions optiqUes pour Transmission à très haUt débit dans le Réseau coeur

      Reference contract : Programme TELECOM
      LPN leader(s): Jean-Louis Oudar
      Main goals : Développement et étude de l'insertion de fonctions optiques à base de fibres optiques spéciales ou à base de semiconducteurs dans des lignes de transmissions à très haut débit (160 Gbit/s ou plus) (2007-2010)

      TONICS : ANR Telecom – Linear and non-linear optical sampling techniques for anolog-to-digital conversion of millimetre wave signals and for the monitoring of high-bit rate optical data

      Reference contract : ANR Telecom
      LPN leader(s): Jean-Louis Oudar, Sophie Bouchoule, Guy Aubin
      Main goals : The aim of the project is to develop optical sampling techniques to realise two functions : analog to digital conversion for millimeter wave (40 and 60 GHz) on an optical carrier, and a linear sampling device to observe eye diagramme and constellation of hig bit-rate (40 Gbit/s and beyond) optical signals. The key elements are a short pulse laser source with ultra-low timing jitter and all-optical sampling gates. Two kinds of laser sources emitting at 1.55 µm wavelength are investigated : mode-locked monolithic quantum-dot based edge emitting lasers, and mode-locked vertical extended cavity surface emitting lasers (ML-VECSEL). The repetition frequency of the mode-locked source lies in the 50MHz-500MHz range (for the linear optical sampling circuit), and in the 2 GHZ – 20 GHz range (for analog-todigital conversion circuit). A key-parameter of the source is its low-timing jitter.LPN has investigated a linear sampling circuit, and a ML-VECSEL source. The source is delivered to TRT partner for the investigation of the timing jitter. - Project Partners : Alcatel-Thales III-V lab (project leader), Thales (TRT and TAS), Aevix (SME), Europtest (SME) et LPN-CNRS. - Project Duration : 01/2006 – 06/2009 (2006-2009)

      ASTERIX : Absorbant saturable pour régénération térabits multiplexée en longueurs d'onde

      Reference contract : RNRT
      LPN leader(s): Jean-Louis Oudar
      Main goals : Conception, démonstration et réalisation pré-industrielle d\'un module d\'amélioration de contraste des signaux optiques pour un débit de 1 Tbit/s reposant sur un absorbant saturable ultra-rapide. Associé à un amplificateur optique à fibre, le module assurera une régénération de type 2R, permettant d\'augmenter les performances des liaisons numériques par fibre optique (débit, espacement entre répéteurs) (2002-2006)

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Puce Internship Training proposals

Post-docs


  • Developement of a UV (λ~300nm) Vertical Cavity Surface Emitting Optical Source

  • Contact : J. Leymarie , P. Disseix , S. Bouchoule
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    Research on nitride (III-N) based laser diodes emitting in the ultra-violet range (~λ ~ 300 nm) (III-N) is internationally very active. Such laser diodes are compact alternatives, potentially low-cost, and more stable than common UV lamps, and their applications are numerous: spectroscopy, imaging, lithography, purification... An interesting configuration consists of a vertical-cavity surface-emitting optical source. In the last decade, VCSELs have been demonstrated in the UV range around 400 nm. The extension to lower wavelengths towards 300 nm, remains a major challenge in terms of materials and of laser cavity design and fabrication. In this context, the “Optical Spectroscopy of Solids” team of Institut Pascal in Clermont-Ferrand, CNRS-LPN (Marcoussis), and Georgia Tech UMI (Metz) are involved in a research project to design and realize a surface emitting semiconductor laser emitting in the UV range (~λ<340nm). The partners are looking for a candidate (PhD) for a post-doctoral position. The post-doctoral work will be carried out mainly at Institut Pascal in Clermont-Ferrand, with some missions at LPN (Marcoussis).
    The post-docoral fellow will contribute to the optimization of the active material through optical spectroscopies, to the design of the laser cavity, and to first laser tests with optical pumping.
    Duration : 18 months. Starting date: From beginning 2014
    * Download the offer: UV Source (offre post-doc)

Internship Training


  • 1.5 µm semiconductor VECSEL for single-frequency high power continuous-wave laser emission

  • Level : Master2
    Contact : S. Bouchoule
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    * La configuration laser VECSEL (vertical external cavity surface emitting laser) est basée sur une cavité de type plan-concave de haute finesse, intégrant un composant semiconducteur incluant le milieu actif (appelé microcavité ½-VECSEL), et un miroir externe. Cette configuration présente certains avantages qui permettent d’obtenir des lasers continus assez compacts, de grande pureté spatiale et spectrale (émission monomode transverse et longitudinale, faible largeur de raie), et de faible niveau de bruit d’intensité. Les domaines d’applications concernent les communications optiques et l'instrumentation sur fibre optique (sources pour liaisons radar, capteurs sur fibre optique par exemple). A titre d’exemple, ce type de laser est intéressant pour les liaisons radar large-bande sur fibre optique qui nécessitent de disposer de sources mono-fréquences à 1.55µm de faible bruit [1]. Afin de maximiser le rapport signal à bruit, la source laser utilisée doit émettre suffisamment de puissance. Considérant les budgets de liaisons, nous cherchons à obtenir une puissance source de ~ 100 mW couplée dans la fibre optique. Dans ce contexte, l’objectif du travail de stage est d’étudier et de caractériser des sources VECSELs émettant à 1550nm, en régime monofréquence, afin d’optimiser la puissance émise. Le LPN a développé récemment une technologie de VECSELs à 1.5 µm sur InP optimisés thermiquement, qui devrait répondre aux spécifications visées [2,3].
    * Les puces réalisées dans la salle blanche du LPN, seront intégrées par le stagiaire dans une cavité laser pour obtenir une émission laser mono-fréquence sous pompage optique continu.
    Afin d’optimiser la puissance de sortie, le stagiaire étudiera le fonctionnement laser pour plusieurs géométries de cavités laser, et étudiera différentes hétérostructures structures ½-VECSEL, expérimentalement et à l’aide de simulations à partir de modèles de microcavités.
    * Date de démarrage souhaitée : printemps 2014 - Durée : 3 -6 mois. (contact : sophie.bouchoule@lpn.cnrs.fr)
    [1] G. Baili et al., IEEE Int. Meeting on Microwave Photonics (MWP), 2013.
    [2] Z. Zhao et al. Opt. Lett. 36 (issue 22), 4377 (2011)
    [3] Z. Zhao et al., IEEE J. Quant. Electron. 48, 643 (2012)
    See also: Page VECSEL.

Puce Past and current Internship Training

Post-docs


  • Non-linear microcavity devices for 2R - 3R regeneration of high-bit rate optical data

  • H.-T. Nguyen-(2010-01-01 / 2010-12-31)
    Contact : J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More

PhDs


  • Composants à absorbant saturable rapide à base de semiconducteurs irradiés par des ions et applications à la régénération des signaux télécoms

  • J. Mangeney-(1997-10-01 / 2000-11-06)
    Contact : J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    Thèse de doctorat de l'Université Paris VI

  • Etude de dispositifs tout-optiques ultra-rapides pour application aux transmissions optiques à haut débit

  • H. Choumane-(1999-10-01 / 2002-11-25)
    Contact : J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    Thèse de doctorat de l'Université Paris XI

  • Absorbant saturable innovant sur GaAs pour la régénération optique à haut débit

  • M. Le Du-(2003-10-01 / 2006-10-01)
    Contact : J.-C. Harmand , J.-L. Oudar
    Group : Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
                Photonic devices (PHODEV)
    More
    L’industrie des télécommunications prépare activement la reprise économique avec pour objectif de présenter aux clients des produits performants, robustes mais d’un coût réduit. En particulier dans les lignes régénérées de transmission optique de longue distance, qui mettent en œuvre de manière systématique le multiplexage en longueur d'onde (WDM), il est impératif de disposer de nouveaux régénérateurs optiques qui remplissent ces exigences. Dans le cadre de deux projets RNRT, ASTRE et ASTERIX (démarré en 2002), il a été démontré que l’absorbant saturable est un candidat intéressant. L’absorbant saturable idéal est une porte optique commandée optiquement : la puissance optique incidente de niveau haut sature l’absorption (état passant), alors que le bruit associé au niveau bas de la commande est absorbé (état bloquant). Sa fonction principale est d’améliorer le rapport signal à bruit du signal optique à traiter. La thèse visera l’optimisation d’un tel dispositif avec notamment les objectifs suivants : réduire les pertes d’insertion, abaisser la puissance de commutation, et élargir la bande passante optique. Dans une première phase, l’activité se focalisera sur des aspects matériaux : il s’agira de réaliser en épitaxie par jets moléculaires (EJM) des structures absorbantes à 1,55µm insérées dans une cavité optique. Pour la cavité, on se propose d’utiliser des miroirs de Bragg en GaAs et AlAs oxydé. Ce couple de matériaux présente un excellent contraste d’indice, bien supérieur à ce que l’on peut obtenir avec d’autres couples d’alliages III-V. Ce choix impose de travailler sur un substrat de GaAs. Le matériau absorbant sera constitué de puits quantiques d’alliage GaInNAs(Sb). Cet alliage, original et assez complexe, est étudié depuis peu au LPN. C’est un des rares alliages qui permette l’émission et l’absorption à 1,55µm sur substrat de GaAs. La présence d’azote pourra être exploitée pour ajuster la durée de vie des recombinaisons non radiatives. Cette durée de vie a un rôle primordial puisqu’elle fixe la vitesse de réponse du dispositif. Une autre caractéristique importante est la raideur du front d’absorption du matériau. Pour son optimisation, on utilisera l’effet surfactant de l’antimoine pendant la croissance des puits quantiques. Cet effet permet d’améliorer la qualité cristalline et optique des puits extrêmement contraints qui seront à étudier. Dans cette première partie du travail, on s’appuiera donc sur les acquis du laboratoire pour développer les points suivants : Technologie des miroirs GaAs/ AlAs oxydé (croissance, gravure, oxydation latérale par voie humide) Maîtrise des puits quantiques GaInNAs(Sb) à 1,55µm (contrôle de la durée de vie par la concentration d’azote, optimisation du front d’absorption par les conditions de croissance) La deuxième phase de l'activité sera consacrée à l'étude du dispositif, en relation avec la fonctionnalité visée. Les caractéristiques optiques relatives à la structure en microcavité seront étudiées et comparées à ce qui est attendu sur un plan théorique, notamment en ce qui concerne la bande passante optique et le facteur d'atténuation à l'état bloquant (faible puissance incidente). Le comportement du dispositif en régime dynamique sera étudié, notamment pour son fonctionnement en tant que porte optique commandée optiquement. En particulier l'utilisation d'un banc de mesure basé sur la technique pompe-sonde permettra de mesurer des paramètres essentiels tels que le temps de réponse, le contraste et la puissance de commutation, les pertes d'insertion (facteur d'atténuation à l'état passant). Enfin les fonctionnalités systèmes du dispositif pourront être testées par des expériences mettant en oeuvre des signaux optiques à haut débit (10 à 40 Gbit/s), par la mesure de paramètres tels que le facteur d'amplification du taux d'extinction, l'amélioration du facteur de qualité du signal détecté, etc. Le travail de thèse s’effectue dans le cadre du projet OPSAVE (Opto+/LPN), cofinancé par le ministère de l’industrie (MINEFI), Alcatel, et le Conseil Général de l’Essonne.

  • Composants à absorbant saturable pour la régénération des signaux télécoms WDM à très haut débit

  • D. Massoubre-(2003-10-01 / 2006-09-30)
    Contact : J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
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    Thèse

  • Short pulse generation from mode-locked VECSELs at 1.55µm for telecommunication applications and instrumentation

  • Z. Zhao-(2009-11-01 / 2012-11-01)
    Contact : S. Bouchoule , J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    Les sources à émission par la surface en cavité étendue en régime de verrouillage de modes présentent des propriétés remarquables pour la génération d’impulsions courtes et de moyenne à forte puissance : bonne qualité de faisceau (TEM0,0), forte puissance de sortie (10 mW à 100 mW et plus), impulsions courtes (< 1ps) en limite de Fourier et faible gigue temporelle de par la grande finesse de la cavité. Les résultats obtenus au LPN à la longueur d’onde de 1.55 µm dans le cadre du développement d‘une source de déclenchement dans un système d’échantillonnage tout-optique de signaux haut-débit ont confirmé ces potentialités : des impulsions de durée 1-2 ps en quasi-limite de Fourier ont été générées à la cadence de 2 GHz en émission TEM00, présentant une largeur de raie RF inférieure à 1000Hz. Le dispositif fonctionne à la température ambiante avec une puissance moyenne de quelques dizaines de mW. L’objectif du travail de thèse est d’aboutir à un meilleur contrôle des effets dispersifs et des instabilités dans la cavité VECSEL, pour comprendre quelles sont les durées d’impulsions ultimes accessibles avec ce type de composant. Les structures miroir à absorbant saturable et 1/2-VCSEL seront optimisées pour maximiser la puissance émise et la puissance intra-cavité, améliorer encore la dynamique de l’absorbant saturable, et équilibrer les effets dispersifs de ces deux composants. Les applications se situent dans le domaine des télécommunications optiques (échantillonnage tout optique, déclenchement de commutateurs rapides), dans le domaine de l’imagerie (excitation de fluorescence après doublage de fréquence, ..). En relation avec Wuhan National Laboratory for Optoelectronics (WNLO), Chine, groupe du Pr. X. Zhang.Vertical extended cavity surface emitting lasers (VECSEL) show interesting properties for short pulse generation: circular diffraction limited output beam, high average output power (10 mW to 100 mW or more), nearly-transform limited short (~ 1 ps or less) pulses with low timing jitter. Results already obtained at LPN in the framework of ANR TONICS project devoted to the development of a pulsed optical gate for an all-optical sampling system have confirmed these potentialities: nearly Fourier transform-limited pulses have been obtained at a repetition frequency of 2 GHz with a pulse width in the range of 1 ps – 2 ps and an RF linewidth narrower than 1000 Hz for the free-running laser. The device operates at room temperature with an average output power of few tens of milliwatts. The objective of the PhD work is to study in more details the dispersive effects and instabilities in the VECSEL cavity in order to further reduce the pulse width (< 1 ps). The saturable absorber mirror structures and the VECSEL structures will be optimized in order to maximize the outpout power, and to equilibrate the intra-cavity dispersive effects. Applications are in the field of optical telecommunications and optical signal processing (all-optical sampling, optical gate for fast switches, ..) and in the filed of optical imaging (fluorescence excitation with or without frequency doubling, ..). In relation with the Wuhan National Laboratory for Optoelectronics (WNLO), China, group of Pr. Xinliang Zhang.

  • Ultrafast saturable absorber devices for short optical pulse generation and optical signal processing

  • L. Fang-(On going since 2011-11-01)
    Contact : J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    The main objective of the doctoral work will be to improve the performance of ultrafast saturable absorber devices, by introducing specific nanostructures to enhance the local electric field and lower the saturation threshold. New cavities will be designed to increase the device optical bandwidth, and also to allow the fabrication of multi-wavelength saturable absorbers chips, in order to demonstrate WDM compatible saturable absorber modules. Specific designs will developed to use these devices in all-optical sampling of high bit rate data signals.

  • Dual-wavelength VECSEL source at 1.55 µm for fiber-optics based sensors

  • L. Chaccour-(On going since 2013-11-01)
    Contact : J.-L. Oudar , S. Bouchoule
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    Fiber optic sensors of strain and temperature variations exploiting the phenomenon of Brillouin scattering in the fiber are prensently subject to intense investigations. The principle relies on the spectral analysis of the Stokes wave back-scattered all along the fiber, starting from an injected pulse. The Brillouin shift (around 10 GHz for a standard fiber) is sensitive to the local strain or temperature variations in the fiber. The objective of the thesis work is to study a potentially low cost innovative solution, which relies upon measuring the Brillouin shift via a dual frequency laser source. The thesis takes place in the framework of a collaboration of LPN with IFSTTAR (Marne-la-Vallée) and ANDRA. The thesis student is hosted by LPN for developping the laser source. This work will benefit from the previous developments made at LPN on 1.55 µm VECSEL technology. The laser source will be tested and integrated, at IFSTTAR, in a Brilouin interrogator setup that will include the detection chain. - Summary of work: Experimental and theoretical. Contribution to the VECSEL fabrication in the clean room, construction of the laser cavity, spectral characterisation of the laser emission.

Internship Training


  • Pompage optique d'un laser à cavité verticale

  • M. So-(2000-04-01 / 2000-07-31)
    Level : Master2
    Contact : J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    DEA Modélisation et instrumentation en Physique

  • Investigation of pulse stabilization for mode-locked VECSEL emitting at 1.55µm operating at multi-GHz repetition frequency

  • G. Leclert-(2009-10-01 / 2010-09-30)
    Level : Master2
    Contact : J.-L. Oudar , S. Bouchoule
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More

  • Composants à puits quantiques pour la régénération tout-optique

  • A. Vigano-(2000-04-01 / 2000-07-10)
    Level : Master
    Contact : J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    Elève-ingénieur de l'Ecole polytechnique

  • Caractérisation des composants à absorbants saturables

  • S. Duguay-(2001-06-01 / 2001-09-30)
    Level : Master
    Contact : J.-L. Oudar
    Group : Photonic devices (PHODEV)
    More
    Elève-ingénieur de l'INSA de Rennes
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