Diode laser

Caractéristique d'une diode laser.

La caractéristique d'une diode laser ressemble à celle d'une diode. En dessous d'une valeur d'intensité seuil, la diode est absorbante, au-delà, l'émission stimulée est proportionnelle à l'intensité du courant électrique.

Exemple d'évolution de la caractéristique d'une diode laser avec la température.

La caractéristique électrique d'une diode laser dépend de la température de la diode. En effet, la population de l'état haut de la diode dépend de la température suivant une fonction de Fermi[1]. La température modifie l'intensité de seuil et translate donc la caractéristique.

L'émission lumineuse est basée sur le phénomène de l'électroluminescence qui comprend l'émission d'un photon par recombinaison d'une paire électron-trou et le peuplement de la bande de conduction par injection d'un courant. La longueur d'onde d'émission [2] est donnée par l'application du principe de conservation de l'énergie : celle du photon sera approximativement égale à la largeur de la bande interdite du matériau. Un autre principe incontournable de la physique est la conservation du moment lors d'une recombinaison ou d'une absorption ; cela entraîne la nécessité d'utiliser des matériaux dits « à gap direct » : le minimum de la bande de conduction est à la verticale du maximum de la bande de valence dans l'espace des moments. L'arséniure de gallium (GaAs) possède cette propriété et fut le premier utilisé avec succès. On l'appelle un composé binaire III-V car Ga appartient à la colonne III du tableau périodique des éléments et As à la colonne V. Avec une largeur de bande interdite de 1,424 eV, il génère une longueur d'onde de 870 nm.

Une diode laser est une jonction de semi-conducteurs, comme une diode/diode électroluminescente classique. Elle possède trois zones caractéristiques : une couche de confinement de type n, une zone active et une couche de confinement de type p. Les couches de confinement permettent d'optimiser l'utilisation du courant dans la diode et d'augmenter le rendement. La zone active est formée d'un guide d'ondes encadrant le lieu de l'émission laser : matériau massif ou quantique (puits, boîtes ou fil). Lorsque cette diode est polarisée en direct, elle laisse passer un fort courant qui peuple la bande de conduction et peut réaliser l'inversion de population. En réalité, une couche intermédiaire d'indice optique supérieur joue le rôle de guide optique, comme dans une fibre. Les extrémités sont clivées et donnent des faces parfaitement planes jouant le rôle de miroirs semi-réfléchissants, créant la cavité résonante. Le dioptre entre le semi-conducteur d'indice 3,5 environ et l'air d'indice 1 possède ainsi un coefficient de réflexion de 30 %. Ce coefficient peut être diminué sur les deux côtés par l'application d'un revêtement anti-réfléchissant afin d'obtenir une puissance de sortie plus importante. Suivant le domaine d'application, on ajoute soit une lentille de focalisation par exemple pour les pointeurs ou les lecteurs, soit un asservissement en température ou en courant et une fibre amorce pour les applications télécoms et de spectroscopie. La puce optoélectronique est, dans ce dernier cas, montée sur un radiateur puis sur un module Peltier "butterfly". Le contact supérieur est connecté à la source de courant par un procédé de bonding.

L'image montre la structure d'une diode laser de puissance[3].

La condition d'émission laser s'obtient simplement en écrivant les conditions de résonance :

• Le gain sur un aller-retour doit être supérieur aux pertes.
• Le déphasage sur un aller-retour doit être un multiple de 2π.

On obtient ainsi le gain seuil et l'espacement en longueur d'onde entre les différentes raies.

Cet espacement est l'intervalle spectral libre, ISL (ou FSR en anglais, pour free spectral range).

Sur un aller-retour, le déphasage s'écrit

${\displaystyle 2nk_{0}\mathrm {L} }$ avec ${\displaystyle k_{0}={\frac {2\pi \nu }{c}}}$

où :

• • n est l'indice du matériau,
  • k₀ est la norme du vecteur d'onde,
  • ν est la fréquence du champ optique,
  • c est la vitesse de la lumière dans le vide,
  • L est la longueur de la diode laser.

La valeur de l'ISL se calcule donc de la manière suivante :

${\displaystyle \mathrm {ISL} _{\nu }=\nu _{m+1}-\nu _{m}}$

avec

${\displaystyle \nu _{m}={\frac {mc}{2n\mathrm {L} }}}$

soit

${\displaystyle \mathrm {ISL} _{\nu }={\frac {c}{2n\mathrm {L} }}}$

ou encore, exprimé en longueur d'onde :

${\displaystyle {\begin{matrix}\mathrm {ISL} _{\lambda }&=&{\frac {\lambda ^{2}}{c}}\times \mathrm {ISL} _{\nu }\\&=&{\frac {\lambda ^{2}}{2n\mathrm {L} }}\end{matrix}}}$

On voit notamment que plus la diode laser est courte, plus les longueurs d'onde d'émission sont espacées.

Modes lumineux d'une diode.

La diode laser est utilisée comme convertisseur de l'information électrique vers optique dans des applications à haute fréquence de modulation, la principale étant les télécommunications. Cette modulation haute fréquence induit des effets non linéaires et des limitations qui vont être décrits ici.

La bande passante est la fréquence maximale d'utilisation d'une diode, c'est-à-dire la limitation dynamique intrinsèque au composant. Ce facteur est directement relié au temps de déplétion de la jonction et à l'arrêt de l'inversion de population. Dans les systèmes de transmission actuels dits transceiver (ensemble diode laser + Peltier + couplage optique + boîtier), la bande passante exploitée est de 10 GHz. Le futur sera constitué de systèmes à 40 GHz.

Dans de nombreuses applications, on a besoin d'avoir de l'énergie à un endroit donné ou dans une direction donnée, ce qui peut être fait avec un faisceau lumineux collimaté ou bien focalisé. Dans cette catégorie, on peut inclure l'imprimante laser, les lecteurs de codes à barres, la numérisation d'image, les éclairages, l'enregistrement optique des données, l'allumage de combustion, la chirurgie laser, l'industrie de tri, l'usinage, et les armes à énergie dirigée. Certaines de ces applications sont courante auprès du grand public, d'autres sont expérimentales.

La lumière laser est une lumière cohérente. Cette propriété est utilisée pour la mesure de distance par interférométrie, l’holographie, la communication cohérente et la maîtrise cohérente de réactions chimiques. La cohérence de la lumière laser est primordiale pour les gyromètres à fibre optique. Ces outils calculent les variations d'angle d'une plateforme en utilisant l'effet Sagnac.

La technique de « blocage de mode » permet de générer des impulsions ultra-courtes. Cette propriété est utilisée pour la distribution de signaux d'horloge pour des circuits intégrés de haute performance, la production de signaux arbitraires pour des ondes radio, l’échantillonnage photonique pour la conversion analogique-numérique, et les systèmes d'accès multiple par répartition de code optique pour les communications sécurisées.