2.b.Etude du bruit quantique dans les VCSELs

Parmi les semi-conducteurs, à microcavité, un type particulier de dispositif a connu un développement important : les VCSELs, dont l'acronyme anglais est vertical-cavity surface-emitting lasers.

Le premier avantage que ce nouveau type de laser présente par rapport aux diodes lasers habituelles est lié au fait que la lumière est émise dans une direction verticale, c'est-à-dire orthogonale à la couche semi-conductrice et parallèle au sens de propagation du courant d'alimentation. Cette caractéristique de fabrication ouvre la voie à de nombreuses applications (télécommunication, couplage avec des fibres optiques...).

De plus, la longueur de la cavité est de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière émise. Ces lasers sont donc longitudinalement monomodes et fonctionnent dans un régime où les effets d'électrodynamique quantique deviennent non négligeables. En particulier, l'extrême réduction du volume de la cavité implique une inhibition de l'émission spontanée dans les modes non lasant, ce qui abaisse le seuil d'oscillation.

En ce qui concerne les caractéristiques de bruit auxquelles nous nous intéressons, les VCSELs offrent la possibilité d'appliquer directement le principe de la pompe régulière. Nous nous sommes donc toujours appliqués à alimenter les VCSELs avec des courants faible bruit.

VCSEls en fonctionnement libre : nous disposions de quatre échantillons comprenant 250 lasers de divers diamètres transverses (entre 3 et 20 µm). Pour observer des états comprimés, nous avons sélectionné les lasers possédant la meilleure efficacité quantique et le seuil le plus bas. En pratique, les plus petits lasers possédaient les meilleures caractéristiques. La meilleure compression mesurée est de -0.75 dB (15 %) sous le bruit quantique standard. Une analyse spectrale du faisceau a aussi mis en évidence le caractère très multimode de tels faisceaux et montré que la compression de bruit était due à de très fortes anticorrélations entre les différents modes transverses.

Injection des VCSELs : nous avons aussi obtenu des faisceaux au bruit d'intensité comprimé grâce à l'injection des VCSELs par une diode laser montée sur réseau. Si l'injection réduit le nombre de modes au-dessus du seuil et implique une redistribution de l'intensité en faveur du mode injecté, le faisceau n'est pas systématiquement monomode transverse. L'injection implique dans tous les cas une forte réduction du bruit d'intensité (parfois plus de 5 dB). L'injection a même permis de comprimer le bruit d'intensité d'un VCSEL (-0.8 dB soit 18 % sous la limite quantique standard), alors que ce dernier possédait, en fonctionnement libre, un bruit d'intensité supérieur au bruit quantique standard.

Distribution spatiale du bruit d'intensité : dans le cas d'un faisceau composé de deux modes transverses (TEM₀₀ et TEM₁₀), nous avons étudié les anticorrélations à travers la distribution transverse du bruit d'intensité. Nous avons effectué nos mesures en coupant transversalement le faisceau avec une lame de rasoir. Nos résultats expérimentaux peuvent être comparés, dans ce cas simple, aux prédictions d'un modèle quantique phénoménologique. Ce modèle prévoit aussi que l'on peut obtenir de la compression de bruit en intensité en coupant partiellement un faisceau. Expérimentalement, nous avons mesuré une importante réduction du bruit d'intensité, supérieure à un simple effet d'atténuation [1,2].

Modèle théorique : nous avons élaboré un modèle permettant de connaître le bruit d'intensité d'un VCSEL ayant seulement un mode longitudinal et transversal au-dessus du seuil. Nous avons utilisés le modèle développé par San Miguel, Feng and Moloney : le "spin flip model". Il décrit les VCSELs par un système à quatre niveaux d'énergie, qui prend en compte les moments angulaires de la bande de valence et de conduction. Pour calculer le bruit d'intensité du faisceau, nous avons appliqué la méthode des forces de Langevin aux équations dérivées du modèle de San Miguel. Les résultats expérimentaux obetnus, confirment les prédictions de notre modèle. Il y a de fortes anticorrélations entre le mode qui est au-dessus du seuil et les modes orthogonalement polarisés qui sont au-dessous du seuil.

[1] J.-P . Hermier, A. Bramati, A.Z. Khoury, E. Giacobino, J.-Ph. Poizat, T. J. Chang, et Ph. Grangier, "Spatial quantum noise of semiconductor lasers", J. Opt. Soc. Am. B., 16, pp.2140, 1999.[Josab]

[2] J.-P . Hermier, A. Bramati, A.Z. Khoury, E. Giacobino, J.-Ph. Poizat, Ph. Grangier, P. Schnitzer, R. Michalzik, et K. J. Ebeling, "Spatial distribution of the intensity noise of vertical-cavity surface-emitting semiconductor laser", optics letters, 24, pp.893, 1999.[OL]

[3] J-P. Hermier, I. Maurin, A. Bramati, A.Z. Khoury, E. Giacobino, P. Schnitzer, R. Michalzik, et K. J. Ebeling, New journal of Physics, 2000.[Quantum noise in VSCELs]