Le passé et l'avenir des lasers à semi-conducteurs de haute puissance

À mesure que l'efficacité et la puissance continuent d'augmenter, les diodes laser continueront de remplacer les technologies traditionnelles, de changer la façon de gérer les choses et de stimuler la naissance de nouvelles choses.
Traditionnellement, les économistes considèrent que le progrès technologique est un processus graduel. Récemment, l’industrie s’est davantage concentrée sur l’innovation de rupture qui peut entraîner des discontinuités. Ces innovations, connues sous le nom de technologies à usage général (GPT), sont « de nouvelles idées ou technologies profondes qui peuvent avoir un impact majeur sur de nombreux aspects de l'économie ». La technologie générale prend généralement plusieurs décennies pour se développer, et encore plus longtemps entraînera une augmentation de la productivité. Au début, ils n’étaient pas bien compris. Même après la commercialisation de la technologie, il y a eu un long retard dans l’adoption de la production. Les circuits intégrés en sont un bon exemple. Les transistors ont été introduits pour la première fois au début du 20e siècle, mais ils ont été largement utilisés jusque tard dans la soirée.
L'un des fondateurs de la loi de Moore, Gordon Moore, a prédit en 1965 que les semi-conducteurs se développeraient à un rythme plus rapide, « apportant la popularité de l'électronique et poussant cette science dans de nombreux nouveaux domaines ». Malgré ses prédictions audacieuses et d’une précision inattendue, il a subi des décennies d’amélioration continue avant d’atteindre la productivité et la croissance économique.
De même, la compréhension du développement spectaculaire des lasers à semi-conducteurs de haute puissance est limitée. En 1962, l’industrie a démontré pour la première fois la conversion des électrons en lasers, suivie d’un certain nombre de progrès qui ont conduit à des améliorations significatives dans la conversion des électrons en processus laser à haut rendement. Ces améliorations peuvent prendre en charge une gamme d'applications importantes, notamment le stockage optique, les réseaux optiques et un large éventail d'applications industrielles.
Le rappel de ces évolutions et des nombreuses améliorations qu’elles ont mises en lumière a mis en évidence la possibilité d’un impact plus important et plus étendu sur de nombreux aspects de l’économie. En fait, avec l’amélioration continue des lasers à semi-conducteurs de haute puissance, la portée d’applications importantes va augmenter et avoir un impact profond sur la croissance économique.
Historique des lasers à semi-conducteurs haute puissance
Le 16 septembre 1962, une équipe dirigée par Robert Hall de General Electric a démontré l'émission infrarouge de semi-conducteurs à base d'arséniure de gallium (GaAs), qui présentent des modèles d'interférence "étranges", c'est-à-dire un laser de cohérence - la naissance du premier laser à semi-conducteur. Hall pensait initialement que le laser à semi-conducteur était un « projet de longue haleine » car les diodes électroluminescentes de l'époque étaient très inefficaces. Dans le même temps, il était également sceptique à ce sujet, car le laser confirmé il y a deux ans et qui existe déjà nécessite un "miroir fin".
Au cours de l'été 1962, Halle s'est dit choqué par les diodes électroluminescentes GaAs plus efficaces développées par le laboratoire Lincoln du MIT. Par la suite, il a déclaré qu'il avait eu la chance de pouvoir tester des matériaux GaAs de haute qualité et a utilisé son expérience d'astronome amateur pour développer un moyen de polir les bords des puces GaAs afin de former une cavité.
La démonstration réussie de Hall repose sur la conception de rebonds de rayonnement au niveau de l'interface plutôt que sur un rebond vertical. Il a dit modestement que personne "n'a eu cette idée". En fait, la conception de Hall est essentiellement une heureuse coïncidence : le matériau semi-conducteur formant le guide d'ondes a également la propriété de limiter en même temps les porteurs bipolaires. Autrement, il est impossible de réaliser un laser à semi-conducteur. En utilisant des matériaux semi-conducteurs différents, un guide d'ondes en dalle peut être formé pour chevaucher les photons et les porteurs.
Ces démonstrations préliminaires chez General Electric ont constitué une avancée majeure. Cependant, ces lasers sont loin d’être des appareils pratiques. Afin de favoriser la naissance de lasers à semi-conducteurs de haute puissance, la fusion de différentes technologies doit être réalisée. Les innovations technologiques clés ont commencé avec la compréhension des matériaux semi-conducteurs à bande interdite directe et des techniques de croissance cristalline.
Les développements ultérieurs comprenaient l'invention des lasers à double hétérojonction et le développement ultérieur des lasers à puits quantiques. La clé pour améliorer davantage ces technologies de base réside dans l’amélioration de l’efficacité et le développement de la passivation des cavités, de la dissipation thermique et de la technologie d’emballage.
Luminosité
L’innovation au cours des dernières décennies a apporté des améliorations passionnantes. L’amélioration de la luminosité est particulièrement excellente. En 1985, le laser à semi-conducteur haute puissance de pointe était capable de coupler 105 milliwatts de puissance dans une fibre à cœur de 105 microns. Les lasers à semi-conducteurs de haute puissance les plus avancés peuvent désormais produire plus de 250 watts de fibre de 105 microns avec une seule longueur d'onde, soit une multiplication par 10 tous les huit ans.

Moore a conçu "fixer davantage de composants au circuit intégré" - le nombre de transistors par puce a alors augmenté de 10 fois tous les 7 ans. Par coïncidence, les lasers à semi-conducteurs de haute puissance incorporent davantage de photons dans la fibre à des taux exponentiels similaires (voir Figure 1).

Figure 1. Luminosité des lasers à semi-conducteurs de haute puissance et comparaison avec la loi de Moore
L’amélioration de la luminosité des lasers à semi-conducteurs de haute puissance a favorisé le développement de diverses technologies imprévues. Bien que la poursuite de cette tendance nécessite davantage d’innovation, il y a des raisons de croire que l’innovation dans la technologie des lasers à semi-conducteurs est loin d’être achevée. La physique bien connue peut encore améliorer les performances des lasers à semi-conducteurs grâce à un développement technologique continu.
Par exemple, les supports à gain de points quantiques peuvent augmenter considérablement l’efficacité par rapport aux dispositifs à puits quantiques actuels. La luminosité de l’axe lent offre un potentiel d’amélioration d’un autre ordre de grandeur. De nouveaux matériaux d'emballage avec une adaptation thermique et de dilatation améliorée apporteront les améliorations nécessaires à un ajustement continu de la puissance et à une gestion thermique simplifiée. Ces développements clés fourniront une feuille de route pour le développement de lasers à semi-conducteurs de haute puissance dans les décennies à venir.
Lasers à semi-conducteurs et à fibre pompés par diode
Les améliorations apportées aux lasers à semi-conducteurs de haute puissance ont rendu possible le développement de technologies laser en aval ; dans les technologies laser en aval, les lasers à semi-conducteurs sont utilisés pour exciter (pomper) des cristaux dopés (lasers à solide pompés par diode) ou des fibres dopées (lasers à fibre).
Bien que les lasers à semi-conducteurs fournissent une énergie laser à haut rendement et à faible coût, ils présentent deux limitations principales : ils ne stockent pas d’énergie et leur luminosité est limitée. Fondamentalement, ces deux lasers doivent être utilisés pour de nombreuses applications : l’un pour convertir l’électricité en émission laser et l’autre pour améliorer la luminosité de l’émission laser.
Lasers à semi-conducteurs pompés par diode. À la fin des années 1980, l’utilisation de lasers à semi-conducteurs pour pomper des lasers à solide a commencé à gagner en popularité dans les applications commerciales. Les lasers à semi-conducteurs pompés par diode (DPSSL) réduisent considérablement la taille et la complexité des systèmes de gestion thermique (principalement des refroidisseurs à recirculation) et obtiennent des modules qui combinaient historiquement des lampes à arc pour pomper des cristaux laser à semi-conducteurs.
Les longueurs d'onde des lasers à semi-conducteurs sont sélectionnées sur la base de leur chevauchement avec les propriétés d'absorption spectrale du milieu de gain laser à semi-conducteur ; la charge thermique est considérablement réduite par rapport au spectre d'émission à large bande de la lampe à arc. En raison de la popularité des lasers à base de germanium de 1 064 nm, la longueur d'onde de pompe de 808 nm est devenue la plus grande longueur d'onde des lasers à semi-conducteurs depuis plus de 20 ans.
Avec l'augmentation de la luminosité des lasers à semi-conducteurs multimodes et la capacité de stabiliser la largeur étroite de la ligne d'émetteur avec des réseaux de Bragg en volume (VBG) au milieu des années 2000, la deuxième génération d'efficacité de pompage de diode améliorée a été obtenue. Les caractéristiques d'absorption plus faibles et spectralement étroites autour de 880 nm sont devenues des points chauds pour les diodes de pompe à haute luminosité. Ces diodes peuvent atteindre une stabilité spectrale. Ces lasers plus performants peuvent exciter directement le niveau supérieur 4F3/2 du laser dans le silicium, réduisant ainsi les défauts quantiques, améliorant ainsi l'extraction de modes fondamentaux à moyenne supérieure qui seraient autrement limités par les lentilles thermiques.
Au début de l'année 2010, nous avons été témoins de la tendance à la mise à l'échelle de haute puissance du laser 1064 nm à mode croisé unique et des séries associées de lasers de conversion de fréquence fonctionnant dans les bandes visible et ultraviolette. En raison des durées de vie plus longues des états énergétiques élevés du Nd:YAG et du Nd:YVO4, ces opérations de commutation DPSSL Q fournissent une énergie d'impulsion et une puissance de crête élevées, ce qui les rend idéales pour le traitement de matériaux ablatifs et les applications de micro-usinage de haute précision.
laser à fibre optique. Les lasers à fibre offrent un moyen plus efficace de convertir la luminosité des lasers à semi-conducteurs haute puissance. Bien que l'optique multiplexée en longueur d'onde puisse convertir un laser à semi-conducteur à luminance relativement faible en un laser à semi-conducteur plus brillant, cela se fait au détriment d'une largeur spectrale accrue et d'une complexité optomécanique. Les lasers à fibre se sont révélés particulièrement efficaces dans la conversion photométrique.
Les fibres à double gaine introduites dans les années 1990 utilisent des fibres monomodes entourées d'une gaine multimode, permettant d'injecter efficacement des lasers multimodes pompés par semi-conducteurs de plus grande puissance et moins coûteux dans la fibre, créant ainsi un moyen plus économique de convertir un laser à semi-conducteur haute puissance en un laser plus brillant. Pour les fibres dopées à l'ytterbium (Yb), la pompe excite une large absorption centrée à 915 nm ou une bande étroite autour de 976 nm. À mesure que la longueur d'onde de la pompe se rapproche de la longueur d'onde laser du laser à fibre, les défauts dits quantiques sont réduits, maximisant ainsi l'efficacité et minimisant la quantité de dissipation thermique.
Les lasers à fibre et les lasers à semi-conducteurs pompés par diode reposent sur des améliorations de la luminosité du laser à diode. En général, à mesure que la luminosité des lasers à diode continue de s’améliorer, la proportion de puissance laser qu’ils pompent augmente également. La luminosité accrue des lasers à semi-conducteurs facilite une conversion de luminosité plus efficace.
Comme on pouvait s'y attendre, la luminosité spatiale et spectrale sera nécessaire pour les futurs systèmes, ce qui permettra un pompage de faibles défauts quantiques avec des caractéristiques d'absorption étroites dans les lasers à semi-conducteurs et un multiplexage de longueur d'onde dense pour les applications directes de laser à semi-conducteurs. Le projet devient possible.
Marché et application
Le développement de lasers à semi-conducteurs de haute puissance a rendu possibles de nombreuses applications importantes. Ces lasers ont remplacé de nombreuses technologies traditionnelles et ont mis en œuvre de nouvelles catégories de produits.
Avec un coût et des performances multipliés par 10 par décennie, les lasers à semi-conducteurs de haute puissance perturbent le fonctionnement normal du marché de manière imprévisible. Bien qu’il soit difficile de prédire avec précision les applications futures, il est très important de passer en revue l’histoire du développement des trois dernières décennies et de fournir un cadre de possibilités pour le développement de la prochaine décennie (voir Figure 2).

Figure 2. Application de carburant de luminosité laser à semi-conducteur haute puissance (coût de normalisation par watt de luminosité)
Années 1980 : Stockage optique et premières applications de niche. Le stockage optique est la première application à grande échelle dans l’industrie des lasers à semi-conducteurs. Peu de temps après que Hall ait montré pour la première fois le laser à semi-conducteur infrarouge, Nick Holonyak de General Electrics a également montré le premier laser à semi-conducteur rouge visible. Vingt ans plus tard, les disques compacts (CD) ont été introduits sur le marché, suivis par celui du stockage optique.
L'innovation constante de la technologie laser à semi-conducteurs a conduit au développement de technologies de stockage optique telles que les disques numériques polyvalents (DVD) et les disques Blu-ray (BD). Il s'agit du premier grand marché pour les lasers à semi-conducteurs, mais les niveaux de puissance généralement modestes limitent les autres applications à des marchés de niche relativement petits tels que l'impression thermique, les applications médicales et certaines applications aérospatiales et de défense.
Années 1990 : Les réseaux optiques s'imposent. Dans les années 1990, les lasers à semi-conducteurs sont devenus la clé des réseaux de communication. Les lasers à semi-conducteurs sont utilisés pour transmettre des signaux sur des réseaux à fibres optiques, mais les lasers à pompe monomodes de plus haute puissance pour amplificateurs optiques sont essentiels pour atteindre l'échelle des réseaux optiques et réellement soutenir la croissance des données Internet.
L'essor de l'industrie des télécommunications qu'il entraîne est d'une portée considérable, en prenant comme exemple Spectra Diode Labs (SDL), l'un des premiers pionniers de l'industrie des lasers à semi-conducteurs de haute puissance. Fondée en 1983, SDL est une coentreprise entre les marques laser du groupe Newport, Spectra-Physics et Xerox. Elle a été lancée en 1995 avec une capitalisation boursière d'environ 100 millions de dollars. Cinq ans plus tard, SDL a été vendue à JDSU pour plus de 40 milliards de dollars, au plus fort de l'industrie des télécommunications, l'une des plus importantes acquisitions technologiques de l'histoire. Peu de temps après, la bulle des télécommunications a éclaté et détruit des milliards de dollars de capital, aujourd’hui considérée comme la plus grosse bulle de l’histoire.
Années 2000 : les lasers deviennent un outil. Bien que l’éclatement de la bulle du marché des télécommunications soit extrêmement destructeur, l’énorme investissement dans les lasers à semi-conducteurs de haute puissance a jeté les bases d’une adoption plus large. À mesure que les performances et les coûts augmentent, ces lasers commencent à remplacer les lasers à gaz traditionnels ou d'autres sources de conversion d'énergie dans divers processus.
Les lasers à semi-conducteurs sont devenus un outil largement utilisé. Les applications industrielles vont des processus de fabrication traditionnels tels que la découpe et le brasage aux nouvelles technologies de fabrication avancées telles que la fabrication additive de pièces métalliques imprimées en 3D. Les applications de la microfabrication sont plus diversifiées, car des produits clés tels que les smartphones ont été commercialisés avec ces lasers. Les applications aérospatiales et de défense impliquent un large éventail d’applications critiques et incluront probablement à l’avenir des systèmes énergétiques directionnels de nouvelle génération.
pour résumer 
Il y a plus de 50 ans, Moore n'a pas proposé de nouvelle loi fondamentale de la physique, mais a apporté de grandes améliorations aux circuits intégrés étudiés pour la première fois il y a dix ans. Sa prophétie a duré des décennies et a entraîné une série d’innovations disruptives impensables en 1965.
Lorsque Hall a présenté les lasers à semi-conducteurs il y a plus de 50 ans, cela a déclenché une révolution technologique. Comme pour la loi de Moore, personne ne peut prédire le développement à grande vitesse que connaîtront par la suite les lasers à semi-conducteurs de haute intensité obtenus grâce à un grand nombre d'innovations.
Il n’existe pas de règle fondamentale en physique pour contrôler ces améliorations technologiques, mais des progrès technologiques continus peuvent faire progresser le laser en termes de luminosité. Cette tendance continuera à remplacer les technologies traditionnelles, modifiant ainsi encore davantage la manière dont les choses se développent. Plus importants pour la croissance économique, les lasers à semi-conducteurs de haute puissance favoriseront également la naissance de nouvelles choses.