Theory of mode-locked lasers based on non-conventional cavity modes
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This PhD thesis mainly addresses the dynamics and the robustness of a novel concept of mode locking in ultracompact semiconductor nanolasers. Such a nanolaser exhibits Hermite-Gaussian modes created by a harmonic photonic cavity to confine light. This maps the optical cavity into quantum mechanical harmonic oscillator, with evenly spaced eigenfrequencies, an essential requirement for mode locking. The possible nonlinear regimes are described by the Gross-Pitaevskii equation with a parabolic potential and nonlinear terms describing gain and absorption. To investigate these dynamical behaviors, direct numerical simulations are mainly implemented. Continuation calculations are also performed using pde2path.First, the mode competition for gain among Hermite-Gaussian modes in the absence of saturable absorption is investigated and shown to be very different from usual resonators.Second, mode locking is predicted to occur with instantaneous saturation of gain and absorption over a broad range of parameters, corresponding to the emergence of dissipative soliton and multisoliton solutions. The mode locking period is controlled by the design of the photonic potential, and not by the cavity length. The dissipative soliton is well described by the coherent state of a quantum mechanical oscillator, namely a Gaussian envelope oscillating without deformation.Third, in the regime of noninstantaneous gain and absorption saturation, different dynamical behaviors of the nanolaser are obtained by varying the gain and the absorption. These different regimes, including Q-switching, Q-switched mode locking, and CW mode locking, are described in detail, illustrating the rich physics of this nonlinear system. The influence of the Henry factor on the mode locking is also discussed. Moreover, similar dynamical behaviors using spatially separated gain and absorber sections inside the cavity are obtained.Fourth, the robustness of mode locking of the Hermite-Gaussian modes to the disorder of the harmonic cavity is investigated in details. It includes the effect of non-parabolicity of the potential and the random errors in the shape of the potential.
Abstract FR:
Cette thèse de doctorat porte principalement sur la dynamique et la robustesse d’un nouveau concept de verrouillage de mode dans les nanolasers semi-conducteurs ultracompacts. Un tel nanolaser présente des modes ermites-gaussiens créés par une cavité photonique harmonique pour confiner la lumière. Cela permet de mapper la cavité optique en oscillateur harmonique de mécanique quantique, avec des fréquences propres régulièrement espacées, une condition essentielle pour le verrouillage de mode. La période de verrouillage de mode est contrôlée par la conception du potentiel photonique, et non par la longueur de la cavité. Les régimes non linéaires possibles sont décrits par l’équation de Gross-Pitaevskii avec un potentiel parabolique et des termes non linéaires décrivant le gain et l’absorption. Pour étudier ces comportements dynamiques, des simulations numériques directes sont principalement mises en œuvre. Tout d’abord, la compétition de mode pour le gain entre les modes ermites et gaussiens en l’absence d’absorption saturable est étudiée. Deuxièmement, on prévoit que le verrouillage des modes se produira avec une saturation instantanée du gain et de l’absorption sur un large éventail de paramètres, correspondant à l’émergence d’une soliton dissipative. Troisièmement, dans le régime de saturation non instantanée du gain et de l’absorption, différents comportements dynamiques du nanolaser sont obtenus en faisant varier le gain et l’absorption. Ces différents régimes, y compris la commutation Q, le verrouillage de mode à commutation Q et le verrouillage de mode CW, sont décrits en détail. L’influence du facteur Henry sur le verrouillage de mode est également abordée. Quatrièmement, la robustesse du verrouillage de mode des modes ermite et gaussien au désordre de la cavité harmonique est étudiée en détail, y compris l’effet de la non-parabolicité du potentiel et les erreurs aléatoires dans la forme du potentiel.