107 research outputs found
Modulation properties and nonlinear dynamics induced by optical feedback in distributed-feedback quantum cascade lasers
No full textThis study explores the dynamic behavior of distributed-feedback quantum cascade lasers (QCLs) through numerical simulations based on the Effective Semiconductor Maxwell-Bloch Equations (ESMBEs). First, we analyze the intrinsic intensity modulation response of QCLs, demonstrating that the modulation bandwidth is fundamentally constrained by the population grating induced by the standing-wave pattern in the QCL cavity, namely, spatial hole burning (SHB). We then extend the ESMBEs framework to incorporate the effects of an external target, enabling the investigation of multimode nonlinear dynamics in QCLs subject to external optical feedback (EOF). Our findings identify fast SHB and a non-zero linewidth enhancement factor as key physical mechanisms governing the emergence of complex multimode behavior and the eventual transition to chaos. Notably, we reveal that QCL destabilization under EOF arises from interactions between internal longitudinal modes and external cavity modes, rather than from undamped relaxation oscillations, as typically observed in conventional semiconductor lasers. Furthermore, we examine the evolution of the system's dynamics as a function of feedback strength, demonstrating the onset of photonic chaos at feedback levels two orders of magnitude higher than those required in traditional diode lasers, in agreement with experimental observations existing in the literature. Finally, we assess the correlation dimension of the attractor of the resulting nonlinear dynamics. Beyond fundamental insight, this work introduces the use of ESMBEs as a predictive framework for experimental interpretation and device design, enabling the engineering of QCLs for mid- and long-infrared free-space applications, including high-speed transmission, chaos-based LiDAR, and random number generation. (c) 2025 Author(s). All article content, except where otherwise noted, is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International (CC BY-NC-ND) license (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)
PubMed Central Deposit and Author Rights: PubMed Central Deposit and Author Rights
No full textAuthors and publishers have long negotiated the ownership of copyright in scholarly works. However, with the rise of electronic publishing and a growing trend towards open and public access models, traditional authorpublisher agreements are changing. One of many forces bringing about this change is the National Institutes of Health’s (NIH) recently revised Public Access Policy, requiring authors of NIH-funded articles to submit their works to PubMed Central. As a result of this policy, authors of funded works are looking closely at their publication agreements and scientific, technical, and medical journal publishers are re-examining their author agreements to accommodate the author’s needs. This paper, in an effort to help authors make informed choices about their rights, compares and contrasts how the agreements of 12 publishers permit authors to meet the requirements of the NIH Public Access Policy and share their works while they are under embargo
Nonlinear photonics in mid-infrared quantum cascade lasers
No full textLes 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
Lasers à cascades quantiques moyen-infrarouges pour les communications sécurisées par chaos
No full textLes lasers à cascades quantiques (LCQs) sont des lasers semiconducteurs émettant dans le moyen-infrarouge. Ce domaine optique est bien connu pour ses propriétés d'absorption pour de nombreuses molécules et les lasers à cascades quantiques ont déjà fait leurs preuves en spectroscopie. Des expériences de communication en espace libre ont également vu le jour à ces longueurs d'onde et l'objectif de cette thèse était d'explorer plus en détail ce champ d'applications en réalisant une communication sécurisée reposant sur le chaos optique. La thèse avait pour but de préciser de manière expérimentale les conditions optimales (température, courant de pompe, longueur de cavité externe...) pour obtenir du chaos optique afin de l'utiliser dans des applications futures. Durant cette thèse, une transmission sécurisée a été réalisée avec deux LCQs grâce au principe de synchronisation du chaos, ce qui est une première. Cela permet d'entrevoir tout le potentiel offert par ces lasers en terme de communication au moyen-infrarouge, où la transparence de l'atmosphère donne un net avantage aux LCQs comparés aux diodes laser conventionnelles émettant dans le proche infrarouge. En parallèle de ces expériences sur les communications sécurisées, d'autres phénomènes non-linéaires ont également été observés en fonction des conditions d'opération. Ainsi, le phénomène d'entrainement, connu pour les diodes laser, a pu être démontré expérimentalement. Lors d'une réinjection avec rotation de polarisation, il a été possible de voir que le LCQ était capable d'émettre une onde carrée dont la période et le rapport cyclique pouvaient être modifiés en fonction des paramètres du montage. Enfin, la présence d'événements extrêmes, commune à d'autres systèmes optiques et même d'autres systèmes physiques, a également pu être observée, ce qui pourrait être un frein à un système de communication utilisant des LCQs car les événements extrêmes ont tendance à perturber le signal du laser et ainsi à brouiller le message envoyé. L'ensemble de ces résultats expérimentaux a permis une meilleure compréhension des dynamiques non-linéaires présentes dans un LCQ et contribueront à étendre les champs d'application pour ce type de laser moyen-infrarouge qui reste pour le moment restreint à la spectroscopie et aux contre-mesures optiques mais dont le potentiel est très élevé.The mid-infrared domain is a promising optical domain because it holds two transparency atmospheric windows, as well as the fingerprint of many chemical compounds. Quantum cascade lasers (QCLs) are one of the available sources in this domain and have already been proven useful for spectroscopic applications and free-space communications. The purpose of that dissertation is to go one step further by implementing a secure free-space communication relying on optical chaos and consequently, to give an accurate cartography of non-linear phenomena in quantum cascade lasers. Initial efforts about free-space secure chaotic transmission have been carried out during this Ph.D. thesis with two chaos-synchronized QCLs, which is a pioneer result paving the way for mid-infrared private communications. In order to have a global picture about the non-linear dynamics in QCLs under external optical feedback, we tuned many experimental parameters and this allowed us studying new phenomena in QCLs. We thus found similarities between QCLs and laser diodes when the chaotic dropouts are synchronized with an external modulation, known as the entrainment phenomenon. A cross-polarization reinjection technique led to square-wave emission in the output of the QCL. Eventually, we studied the triggering of rogue waves in QCLs. Rogue waves are a quite common phenomenon in optics (among other domains in science) but they have never been triggered on-demand in semiconductor lasers under external optical feedback before. Further studies will try to avoid such phenomenon in the output of a QCL under external optical feedback since it can disturb the message to be transmitted in a secure communication. All these experimental results allowed a better understanding of the non-linear dynamics of QCLs and will extend the potential applications of this kind of semiconductor lasers, which have currently been restricted to molecular spectroscopy and optical countermeasure systems
Étude comparative des centres luminogènes Ag et Cu dans les luminophores SCd et SZn
No full textTwo kinds of luminescent centers are observed in SCd(Ag) as in SCd(Cu) (red or infrared emissions). The distances between their energetic levels and the full band indicate an analogy of constitution with the corresponding ones in SZn. The substitutional position of the foreign atom and its monovalence in both cases of SZn(Cu) are in agreement with the representation previously proposed by the author
Properties of archive resources of a cartographic and topo-bathymetric archive dataset on the French Rhône River
No full textThis dataset describes the properties of 350 data items. This table has 18 columns that include the following: (1) the type of data: i.e. map, cross-section, long profile, table, topo-bathymetry drawn on the map, (2) the source (archive service) and reference (box number), (3) the original title (in French) and a translated English title, (4) the scale, author, and survey period, (5) the communes covered by the upstream-downstream Kilometric Points (KPs; km 0 is in Lyon, distances upstream from this reference point are negative and distances downstream are positive; the KPs were identified in ArcMap 10.5 using the GIS layer of riverine communes and active channels in 1860, to help in locating the maps with secondary channels), (6) comments on the quality and content of the data, (7) the number of images and their type (on a table or a magnetic board, HD scan, scanned and georeferenced), and (8) the storage file and sub-file
Beam shaping in high-power broad-area quantum cascade lasers using optical feedback
No full textAbstractBroad-area quantum cascade lasers with high output powers are highly desirable sources for various applications including infrared countermeasures. However, such structures suffer from strongly deteriorated beam quality due to multimode behavior, diffraction of light and self-focusing. Quantum cascade lasers presenting high performances in terms of power and heat-load dissipation are reported and their response to a nonlinear control based on optical feedback is studied. Applying optical feedback enables to efficiently tailor its near-field beam profile. The different cavity modes are sequentially excited by shifting the feedback mirror angle. Further control of the near-field profile is demonstrated using spatial filtering. The impact of an inhomogeneous gain as well as the influence of the cavity width are investigated. Compared to existing technologies, that are complex and costly, beam shaping with optical feedback is a more flexible solution to obtain high-quality mid-infrared sources.</jats:p
Deterministic temporal chaos from a mid-infrared external cavity quantum cascade lasers
No full textInternational 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
Photonique non-linéaire dans les lasers à cascade quantique moyen infrarouges
No full textMid-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
No full textMid-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
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