Introduction au laser à émission par la tranche (EEL)

Introduction au laser à émission par la tranche (EEL)
Pour obtenir une puissance de sortie élevée avec un laser à semi-conducteur, la technologie actuelle repose sur l'utilisation d'une structure à émission par la tranche. Le résonateur de ce type de laser est constitué de la surface de dissociation naturelle du cristal semi-conducteur, et le faisceau de sortie est émis à l'avant du laser. Bien que ce type de laser puisse atteindre une puissance de sortie élevée, son point d'émission est elliptique, la qualité du faisceau est médiocre et sa forme nécessite un système de mise en forme.
Le schéma suivant illustre la structure d'un laser à semi-conducteur à émission par la tranche (EEL). La cavité optique de l'EEL est parallèle à la surface de la puce semi-conductrice et émet le laser sur le bord de celle-ci, permettant ainsi d'obtenir un laser de forte puissance, à haute vitesse et à faible bruit. Cependant, le faisceau laser émis par un EEL présente généralement une section transversale asymétrique et une forte divergence angulaire, et son efficacité de couplage avec la fibre optique ou d'autres composants optiques est faible.

L'augmentation de la puissance de sortie des EEL est limitée par l'accumulation de chaleur résiduelle dans la région active et par les dommages optiques à la surface du semi-conducteur. En augmentant la surface du guide d'ondes afin de réduire l'accumulation de chaleur résiduelle dans la région active et d'améliorer la dissipation thermique, et en augmentant la surface de sortie de la lumière afin de réduire la densité de puissance optique du faisceau et d'éviter les dommages optiques, une puissance de sortie de plusieurs centaines de milliwatts peut être atteinte dans une structure de guide d'ondes monomode transverse.
Pour le guide d'ondes de 100 mm, un seul laser à émission par la tranche peut atteindre une puissance de sortie de plusieurs dizaines de watts, mais à ce moment-là, le guide d'ondes est hautement multimode sur le plan de la puce, et le rapport d'aspect du faisceau de sortie atteint également 100:1, ce qui nécessite un système de mise en forme de faisceau complexe.
Partant du principe qu'aucune avancée majeure n'est réalisée dans les technologies des matériaux et de croissance épitaxiale, le principal moyen d'améliorer la puissance de sortie d'une puce laser semi-conductrice consiste à augmenter la largeur de la bande de sa zone lumineuse. Cependant, un élargissement excessif de cette bande peut engendrer des oscillations transversales d'ordre élevé et des oscillations filamentaires, réduisant considérablement l'uniformité du faisceau. De plus, la puissance de sortie n'augmente pas proportionnellement à la largeur de la bande, ce qui limite fortement celle d'une puce unique. Afin d'améliorer significativement cette puissance, la technologie des matrices a été développée. Cette technologie intègre plusieurs unités laser sur un même substrat, de sorte que chaque unité émettrice soit alignée en une matrice unidimensionnelle selon son axe lent. L'isolation optique permet de séparer chaque unité de la matrice, évitant ainsi les interférences et formant un laser multi-ouverture. En augmentant le nombre d'unités émettrices intégrées, il est possible d'accroître la puissance de sortie globale de la puce. Cette puce laser à semi-conducteurs est une puce à réseau laser à semi-conducteurs (LDA), également connue sous le nom de barre laser à semi-conducteurs.