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RÉSUMÉ
Inventés dans les années 1960, les lasers à semi-conducteurs ont aujourd’hui atteint un niveau de maturité technologique garantissant leur omniprésence dans de nombreux secteurs d’applications. Si les communications par fibre ont d’abord été le moteur principal de leur développement, d’autres applications comme la lecture et le stockage de l’information sur disque optique ou le pompage optique de laser de puissance ont pris le relais. Ces lasers bénéficient encore des résultats de recherches et développements importants améliorant les performances, créant de nouvelles fonctionnalités ou ouvrant encore de nouvelles applications.
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Jean-Claude BOULEY : Professeur Associé à GET/Télécom Paris
INTRODUCTION
Inventés dans les années 1960, les lasers à semi-conducteurs, ou, plus exactement, les diodes laser à semi-conducteurs, ont aujourd’hui atteint un niveau de maturité technologique garantissant leur omniprésence dans de nombreux secteurs d’applications. Si les communications par fibre ont d’abord été le moteur principal de leur développement, d’autres applications comme la lecture et le stockage de l’information sur disque optique (CD, DVD) ou le pompage optique de laser de puissance ont pris le relais.
Cette maturité est le fruit de progrès spectaculaires réalisés tant sur la conception et l’adaptation de structures à l’application visée que sur la maîtrise de leur technologie de réalisation, sans oublier l’aspect « packaging » qui constitue l’élément majeur de leur coût.
La maîtrise de l’élaboration des semi-conducteurs en couches minces permet aujourd’hui de réaliser des diodes à jonction p-n couvrant des longueurs d’ondes d’émission allant du bleu, pour les futurs lecteurs - enregistreurs DVD à haute résolution (norme Blu ray-disc ou HD DVD), jusqu’au proche infrarouge (1,5 µm) pour les communications optiques longues distances.
Un nombre important de structures (laser ruban à émission par la tranche, laser VCSEL à émission par la surface) et de structures oscillantes, cavités Fabry-Pérot ou à réseau (DFB), offre une grande variété de choix pour les applications. Les courants de seuil, les puissances d’émission, les rendements énergétiques, les diagrammes de rayonnement, les puretés spectrales sont autant de propriétés qui pourront être optimisées en configurant au mieux les paramètres géométriques et les compositions des matériaux de la structure.
Le conditionnement du laser dans un boîtier contenant les interfaces électriques et optique avec l’environnement extérieur est aussi vital pour faciliter sa mise en œuvre dans son environnement système. Celui-ci passe aujourd’hui par le développement de modules miniatures intégrant plusieurs fonctions électroniques de modulation et de contrôle de l’émission. Les actions de normalisation menées actuellement sur ces modules contribuent à une réduction significative de leur coût.
Enfin, ces lasers bénéficient encore des résultats de recherches et développements importants éméliorant les performances, créant de nouvelles fonctionnalités ou ouvrant encore de nouvelles applications.
Ce dossier présente l’état de l’art de ces sources lasers. Certains aspects théoriques sont rappelés, d’autres renverront le lecteur à des ouvrages ou des dossiers antérieurs publiés par les Techniques de l’Ingénieur.
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2. Principes physiques
Dans les années 1960, dès lors qu’il avait été démontré que certains semi-conducteurs, comme l’arséniure de gallium (GaAs), pouvaient émettre spontanément des photons par recombinaison de paires électrons-trous dans une jonction p-n, plusieurs expérimentateurs ont observé de l’amplification de lumière par émission stimulée dans des jonctions traversées par un fort courant. Le seuil d’émission stimulée est apparu pour une quantité de paires électrons-trous satisfaisant une condition analogue à celle de l’inversion de population des systèmes atomiques. Ensuite, à l’instar des lasers à gaz, en insérant ce milieu amplificateur dans une cavité optique de type Fabry-Pérot, on a multiplié les amplifications de lumière et créé ainsi, dès 1962 le premier oscillateur, ou laser à semi-conducteur émettant à 0,9 µm.
Les structures et les propriétés des diodes ont considérablement évolué depuis. Ces progrès ont été obtenus grâce à la découverte de nouveaux semi-conducteurs, à une parfaite maîtrise de leur élaboration et la mise au point de nouvelles cavités optiques.
2.1 Matériaux
Rappelons que, dans un semi-conducteur, les énergies permises pour les électrons et les trous forment des bandes d’énergie séparées par une bande interdite (« gap ») de valeur Eg . L’énergie du photon associé à la recombinaison électron-trou est alors égale à celle du « gap » auquel il faut ajouter les énergies des états excités de l’électron et du trou dans chacune de ces bandes. Les énergies de ces états étant faibles vis-à-vis de Eg , la longueur d’onde de la recombinaison approximativement donnée par l’expression :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SÄCKINGER (E.) - Broadband Circuits for Optical Fiber Communication. - Wiley-Interscience (2005).
-
(2) - AGRAWAL (G. P.), DUTTA (N. K.) - Semiconductor Lasers. - Second Edition, Van Nostrand Reinhold Company Inc, New York (1993).
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(3) - AGRAWAL (G. P.) - Fiber-Optic Communication Systems. - Wiley-Interscience (2002).
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(4) - AMANN (M.-C.), BUUS (J.) - Tunable Laser Diodes. - Artech House, Boston, London (1998).
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(5) - SALE (T. E.) - Vertical cavity surface emitting lasers. - John Wiley & Sons Inc, New York (1995).
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(6) - ZORY (P. S.) (Editor) - Quantum Well lasers. - Jr, Academic Press, Inc Harcourt Brace Jovanovich, Publishers.
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Sources Laser.
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Interconnexions optiques.
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Optoélectronique hyperfréquence. Composants.
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Propagation du rayonnement dans les matériaux.
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Composants à hétérostructures : applications en nanoélectronique et nanophotonique.
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ANNEXES
Le marché mondial des lasers à semi-conducteurs est suivi régulièrement par la société Strategies Unlimited dont les résultats de l’étude sont régulièrement publiés dans Laser Focus en début d’année. Le total des ventes pour toutes applications confondues est passé d’un peu moins de 2 milliards de $ en 1996 à 3,14 milliards en 2006 (figure 1). À l’exception de l’envolée du marché des Télécoms en 2000, le volume du marché augmente régulièrement à raison de 8 % en moyenne par an.
Le marché en 2006 a été essentiellement tiré par les diodes pour le stockage de l’information (1,5 milliard de dollars), suivi par les lasers Télécoms (1,15 milliard) qui retrouve sensiblement une légère croissance en dépit d’une très forte diminution des coûts de production.
HAUT DE PAGE
Le prix des diodes lasers dépend, bien sûr, de la complexité de la structure de la puce, mais surtout de celui du module assurant l’interface avec son futur environnement système. Par exemple, dans le cas des lasers pour télécommunications,...
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