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

Alors que l'efficacité et la puissance continuent d'augmenter, les diodes laser continueront de remplacer les technologies traditionnelles, de changer la façon dont les choses sont traitées et de stimuler la naissance de nouvelles choses.
Traditionnellement, les économistes pensent 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, appelées 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 à se développer, et même 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 retard à long terme 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 XXe 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 prévisions 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 haute puissance est limitée. En 1962, l'industrie a démontré pour la première fois la conversion d'électrons en lasers, suivie d'un certain nombre d'avancées qui ont conduit à des améliorations significatives dans la conversion d'électrons en procédés laser à haut rendement. Ces améliorations peuvent prendre en charge une gamme d'applications importantes, notamment le stockage optique, la mise en réseau optique et un large éventail d'applications industrielles.
Le rappel de ces évolutions et des nombreuses améliorations qu’elles ont apportées ont 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 des applications importantes augmentera et aura un impact profond sur la croissance économique.
Histoire 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 l'arséniure de gallium (GaAs), qui ont des motifs d'interférences «étranges», ce qui signifie laser à cohérence - la naissance du premier laser à semi-conducteurs. Hall a d'abord cru que le laser à semi-conducteur était un "long shot" parce que les diodes électroluminescentes à l'époque étaient très inefficaces. Dans le même temps, il était également sceptique à ce sujet car le laser qui avait été confirmé il y a deux ans et qui existe déjà nécessite un «miroir fin».
À l'été 1962, Halle a déclaré qu'il était choqué par les diodes électroluminescentes GaAs plus efficaces développées par le laboratoire MIT Lincoln. Par la suite, il a dit qu'il avait la chance de pouvoir tester avec des matériaux GaAs de haute qualité et a utilisé son expérience en tant qu'astronome amateur pour développer un moyen de polir les bords des puces GaAs pour former une cavité.
La démonstration réussie de Hall est basée sur la conception des rebonds de rayonnement dans les deux sens à l'interface plutôt que sur le rebond vertical. Il a dit modestement que personne "n'a eu cette idée". En fait, la conception de Hall est essentiellement une heureuse coïncidence que le matériau semi-conducteur formant le guide d'ondes a également la propriété de limiter les porteuses bipolaires en même temps. Sinon, il est impossible de réaliser un laser à semi-conducteur. En utilisant des matériaux semi-conducteurs différents, un guide d'ondes en plaque peut être formé pour chevaucher des photons avec des porteurs.
Ces démonstrations préliminaires à General Electric ont constitué une avancée majeure. Cependant, ces lasers sont loin d'être des appareils pratiques. Afin de promouvoir la naissance des lasers à semi-conducteurs de haute puissance, la fusion de différentes technologies doit être réalisée. Les principales innovations technologiques ont commencé par une compréhension des matériaux semi-conducteurs à bande interdite directe et des techniques de croissance cristalline.
Les développements ultérieurs comprenaient l'invention de lasers à double hétérojonction et le développement ultérieur de lasers à puits quantiques. La clé pour améliorer encore 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. En particulier, l'amélioration de la luminosité est excellente. En 1985, le laser à semi-conducteur de 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 haute puissance les plus avancés peuvent désormais produire plus de 250 watts de fibre de 105 microns avec une seule longueur d'onde - une multiplication par 10 tous les huit ans.

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

Figure 1. Luminosité des lasers à semi-conducteurs haute puissance et comparaison avec la loi de Moore
L'amélioration de la luminosité des lasers à semi-conducteurs haute puissance a favorisé le développement de diverses technologies imprévues. Bien que la poursuite de cette tendance nécessite plus d'innovation, il y a des raisons de croire que l'innovation de la technologie laser à semi-conducteurs est loin d'être terminée. 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 autre potentiel d'amélioration de l'ordre de grandeur. De nouveaux matériaux d'emballage avec une meilleure correspondance thermique et de dilatation fourniront les améliorations nécessaires pour un ajustement continu de la puissance et une gestion thermique simplifiée. Ces développements clés fourniront une feuille de route pour le développement de lasers à semi-conducteurs haute puissance dans les décennies à venir.
Lasers à semi-conducteurs et à fibre à pompage diode
Les améliorations apportées aux lasers à semi-conducteurs à 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 semi-conducteurs 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, il existe 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 semi-conducteurs a commencé à gagner en popularité dans les applications commerciales. Les lasers à semi-conducteurs à pompage 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 ont historiquement combiné des lampes à arc pour le pompage de 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 l'état solide; 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 à 1064 nm, la longueur d'onde de la 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 de ligne étroite de l'émetteur avec des réseaux de Bragg (VBG) de volume au milieu de 2000, la deuxième génération d'efficacité de pompage de diode améliorée a été atteinte. 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 directement exciter le niveau supérieur du laser 4F3 / 2 dans le silicium, réduisant les défauts quantiques, améliorant ainsi l'extraction des modes fondamentaux de moyenne plus élevée qui seraient autrement limités par des lentilles thermiques.
Début 2010, nous avons été témoins de la tendance à la mise à l'échelle à haute puissance du laser à 1064 nm monomode croisé et des séries connexes de lasers à conversion de fréquence fonctionnant dans les bandes visible et ultraviolette. En raison des durées de vie à haute énergie plus longues de Nd: YAG et Nd: YVO4, ces opérations de commutation DPSSL Q fournissent une énergie d'impulsion élevée et une puissance de crête, ce qui les rend idéales pour le traitement des 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 avérés particulièrement efficaces pour la conversion photométrique.
Les fibres à double gaine introduites dans les années 1990 utilisent des fibres monomodes entourées d'une gaine multimode, ce qui permet d'injecter efficacement des lasers à pompage à semi-conducteur multimode à plus haute puissance et à moindre coût 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. Lorsque la longueur d'onde de la pompe s'approche 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 à pompage 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 à faible défaut quantique avec des caractéristiques d'absorption étroites dans les lasers à semi-conducteurs et un multiplexage en longueur d'onde dense pour les applications de laser à semi-conducteur direct. Le plan devient possible.
Marché et application
Le développement de lasers à semi-conducteurs haute puissance a rendu possible de nombreuses applications importantes. Ces lasers ont remplacé de nombreuses technologies traditionnelles et ont implémenté de nouvelles catégories de produits.
Avec une multiplication par 10 des coûts et des performances par décennie, les lasers à semi-conducteurs haute puissance perturbent le fonctionnement normal du marché de manière imprévisible. Bien qu'il soit difficile de prévoir avec précision les applications futures, il est très important de passer en revue l'historique du développement des trois dernières décennies et de fournir des possibilités de cadre 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 80: 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 a montré pour la première fois le laser à semi-conducteur infrarouge, General Electrics Nick Holonyak 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 le marché 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 des niveaux de puissance généralement modestes limitent d'autres applications à des marchés de niche relativement petits tels que l'impression thermique, les applications médicales et certaines applications aérospatiales et de défense.
Les années 1990: les réseaux optiques dominent. 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 fibre optique, mais les lasers à pompe monomode de puissance plus élevée pour amplificateurs optiques sont essentiels pour atteindre l'échelle des réseaux optiques et vraiment soutenir la croissance des données Internet.
Le boom de l'industrie des télécommunications qui en découle est considérable, en prenant Spectra Diode Labs (SDL), l'un des premiers pionniers de l'industrie des lasers à semi-conducteurs à haute puissance, comme exemple. Fondée en 1983, SDL est une joint-venture entre les marques laser Spectra-Physics et Xerox du groupe Newport. Il a été lancé 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 pendant le pic 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, désormais considérée comme la plus grande bulle de l'histoire.
Années 2000: les lasers sont devenus 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 une variété de 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 soudage aux nouvelles technologies de fabrication avancées telles que la fabrication additive de pièces métalliques imprimées en 3D. Les applications de micro-fabrication 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 d'énergie directionnelle de prochaine génération.
Pour résumer
Il y a plus de 50 ans, Moore n'a pas proposé de nouvelle loi fondamentale de physique, mais a apporté de grandes améliorations aux circuits intégrés qui ont été étudiés pour la première fois il y a dix ans. Sa prophétie a duré des décennies et a entraîné une série d'innovations perturbatrices impensables en 1965.
Lorsque Hall a présenté des 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 les lasers à semi-conducteurs à haute intensité réalisent par la suite grâce à un grand nombre d'innovations.
Il n'y a 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 davantage la façon dont les choses sont développées. Plus important pour la croissance économique, les lasers à semi-conducteurs de haute puissance favoriseront également la naissance de nouvelles choses.