Tutoriel : Notions de base sur les diodes laser fibrées

Diode laser couplée à la fibre : ce tutoriel donne un aperçu des propriétés techniques des diodes laser fibrées. Les différentes familles de diodes laser telles que les diodes laser DFB ou lesDiodes laser multi-émetteurs haute puissance sont décrites dans ce tutoriel.

Version PDF complète : Diode laser fibrée

976nm laser diode - all diodes
Une diode laser fibrée monomode et plusieurs multimodes d'AeroDIODE

Introduction

Les diodes laser sont partout aujourd’hui. Ils sont l’élément le plus simple pour convertir la puissance électrique en puissance laser. Les diodes laser sont basées sur plusieurs matériaux assemblés semi-conducteurs (GaAs, InP ou d’autres structures plus complexes comme le GaN). Les diodes laser monomodes sont des diodes laser de faible puissance (généralement< 1W) alors que les diodes laser multimodes sont des dispositifs de puissance beaucoup plus élevée (généralement> 10 W jusqu’à plusieurs kW).

Fibres optiques

Il est important de connaître les deux types de fibres actives couramment utilisées pour coupler la lumière provenant d’une diode laser :

  • Fibres monomodes avoir un cœur de quelques µm (par exemple ~ 6 µm autour d’une longueur d’onde de 1 µm et 9 µm autour d’une longueur d’onde de 1,5 µm)
  • Fibres multimodes sont des fibres de plus grand diamètre qui peuvent supporter un niveau de puissance optique beaucoup plus élevé. Les versions standard ont généralement 62, 100, 200, 400, 800 ou même> Diamètre du noyau de 1000 µm. Plus le diamètre est petit, plus il est facile de focaliser en un petit point la lumière provenant de la fibre avec une lentille ou un objectif de microscope.
Fiber coupled laser diode - type of fiber
Figure 1: Principe d'une fibre monomode ou multimode. Le cœur de la fibre est beaucoup plus grand lorsqu'on considère une fibre multimode.

Fibres à maintien de polarisation : La diode laser monomode peut être standard (SMF) ou à maintien de la polarisation (PM). Dans ce cas de figure, la fibre optique présente une structure spéciale dans la gaine qui permet le maintien de la polarisation de la lumière sur toute la longueur de la fibre.

Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques de divers modèles de fibres PM monomodes proposés par Corning Inc. On peut voir que le diamètre du noyau devient très petit à mesure que la longueur d’onde diminue. Un point intéressant à prendre en compte est la longueur d’onde de coupure. Une fibre monomode fonctionne très bien si la longueur d’onde est située entre sa longueur d’onde de coupure et ~ 1,5 fois cette longueur d’onde de coupure. En dessous de cette plage, la fibre devient multimode, au-dessus de cette plage, la lumière peut facilement quitter la fibre lorsqu’on la courbe.

Figure 2: Exemple de caractéristiques des fibres monomodes (PM) offertes par Corning Inc (Crédits Corning Inc - fiche technique en ligne)

Diodes laser couplées dans une fibre optique monomode

Ce type de diode laser est généralement assemblé dans un boîtier dit «Butterfly» avec un refroidisseur TEC et une thermistance intégrée dans le boîtier (la tendance est aujourd’hui d’atteindre des facteurs de forme plus petits). Une diode laser à couplage fibre monomode est généralement capable d’atteindre quelques centaines de mW jusqu’à 1,5 W de puissance de sortie.

Notez qu’une diode laser couplée par fibre dans un boîtier butterfly est un appareil complexe avec de nombreuses configurations de broches possibles et plusieurs types de configurations de mise à la terre (entièrement flottante, anode mise à la terre, etc.). La mise en place d’un boîtier Butterfly sur un pilote donné nécessite quelques vérifications.

Figure 3 : Exemple d'une diode laser à boîtier papillon couplée dans une fibre monomode émettant à 976 nm (mini-butterfly à 10 broches (à gauche) et butterfly standard à 14 broches (à droite)). Ces modules de diode laser comprennent un TE-Cooler, une thermistance et une photodiode de mesure face arrière (BFM) pour mesurer le niveau de puissance optique.

Plusieurs autres facteurs de forme de boîtiers sont disponibles sur le marché. Par exemple, les packages DIL suivants se rencontrent souvent sur le marché des télécommunications ou les packages coaxiaux pour une puissance généralement <10mW :

Figure 4: Autres types de facteurs de forme de diode laser à couplage fibre (mini-DIL (à gauche), DIL à 14 broches (au milieu) et coaxial (à droite))

La tendance actuelle des fabricants de diodes laser sur le marché des télécoms ou LIDAR de faible puissance est de développer de nouveaux boîtiers coaxiaux avec de très petits facteurs de forme mais comprenant toujours TEC, thermistance et BFM :

Figure 5: Exemple d'un boîtier TOSA extrêmement compact qui comprend une diode laser, un TEC et une thermistance dans un boîtier de 6 * 5 mm.

La figure ci-dessous présente les 3 familles de diodes laser généralement présentes sur le marché. Les diodes laser VCSEL ne sont généralement pas couplées dans une fibre. Ce sont les types de diodes laser que l’on voit dans les grandes applications de détection de diffusion telles que les souris d’ordinateur ou les smartphones à détection 3D de visage.

Les émetteurs DFB et Fabry-Perrot, souvent couplés dans une fibre, sont décrits ci-dessous:

Figure 6: 3 types d'émetteurs à diodes laser généralement rencontrés dans l'industrie. (Crédits Phil Saunders / Optics and Photonics News)

a) Diodes laser Fabry Perot avec ou sans réseau de Bragg

Une diode laser « standard » couplée dans une fibre est constitué de une cavité semi-conductrice commune partiellement réfléchissante où la facette arrière a un revêtement hautement réfléchissant et la facette avant partiellement réfléchissant. La taille typique de la puce de diode laser est de ~ 1 * 0,5 * 0,2 mm.

Les principales caractéristiques typiques sont les suivantes :

  • Les plages de puissance peuvent atteindre >1,5 W pour le monomode (et bien plus pour les versions multimode, voir ci-dessous)
  • La bande passante est généralement large (>1 nm)
  • Le faisceau en sortie est fortement elliptique.

Pour réduire la bande passante d’émission et améliorer la stabilité globale de la diode laser, les fabricants de diode laser ajoutent souvent un réseau de Bragg à fibre dans la fibre de sortie.

Figure 7: Principe du réseau de Bragg en fibre (Crédits HiTech corp.)

Un réseau de Bragg ajoute quelques pour cent de réflectivité à la diode laser à une longueur d’onde très précise. Ceci permet la réduction globale de la largeur de bande d’émission de la diode laser. La largeur de bande d’émission est typiquement de 3 à 5 nm sans réseau de Bragg, alors qu’elle est beaucoup plus étroite (~ < 0,1 nm) avec un réseau de Bragg. Le coefficient d’accord de température du spectre en longueur d’onde est typiquement de 0,35 nm / ° C sans aucun réseau de Bragg, alors qu’il est beaucoup moins important avec un réseau de Bragg.

Les principaux fournisseurs de diodes laser à pompe monomode 915/976/1064 nm sont des entreprises qui ont développé leurs activités à la fin des années 90 pour les amplificateurs à fibre utilisés sur le marché des télécoms (EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifiers). Ils offrent à la fois un haut niveau de fiabilité, robustesse à un coût modéré du fait de la production en volume pour l’industrie des télécommunications.

b) diode laser DBR or DFB

Les dispositifs à diode laser DFB ou DBR ont la section de stabilisation de longueur d’onde du réseau de Bragg directement intégrée sur la section de puce de la diode laser. Cela fournit une longueur d’onde d’émission plus étroite, typiquement 1 MHz pour un DFB (c’est-à-dire ~ 10-5 nm) au lieu de ~ 0,1 nm pour un Fabry-Perrot avec un réseau de Bragg.

Figure 8: Principe d'un DFB et d'une diode laser DBR (Crédits Remi Arieli: «l'aventure laser»)
1310 nm laser diode - 180 mW DFB
Figure 9 : Exemple d'une diode laser DFB de 180 mW à 1310 nm d'AeroDIODE

c) Propriétés impulsionnelles / commutation de gain (gain-switching)

Une solution simple pour moduler la lumière provenant d’une diode laser fibrée consiste à appliquer une modulation directe à l’aide d’un pilote en courant électronique impulsionnel. Un exemple d’une largeur d’impulsion de 3 nanosecondes est présenté ci-dessous. On peut voir le pic de gain-switching au début de l’impulsion. Il s’agit d’une relaxation des porteurs de charge de la diode laser. Les pics de gain-switch peuvent être utiles si l’on veut isoler cette impulsion et obtenir ~ 100 picosecondes de durée d’impulsion. Mais le pic de gain-switch est généralement une propriété indésirable (voir ci-dessous).

Figure 10: Largeur d'impulsion stable 3ns à partir de la pulsation directe d'une diode laser DFB Butterfly avec pilote AeroDIODE CCS.

Il existe peu d’entreprises dans le monde qui se spécialisent dans la fabrication commerciale de pilotes impulsionnels à diode laser. Cependant, la forme de l’impulsion pour une courte largeur d’impulsion, le temps de montée / descente et les niveaux de gigue peuvent différer considérablement d’un fabricant à l’autre. En outre, il existe de nombreuses fonctionnalités clés et des fonctions supplémentaires qui varient selon les fabricants. La facilité d’utilisation est également à considérer.

Les limitations en bande passante sont le résultat de la vitesse de l’électronique côté pilote et de l’inductance de la diode laser . Atteindre un temps de montée / descente de 5 ns/A est atteint, en mode de commutation ON / OFF, par de nombreux fournisseurs. Cependant, combiner modularité, facilité d’utilisation et niveaux de performances élevées est la partie la plus difficile lors du développement d’un driver pulsé.

AeroDIODE propose plusieurs modèles de pilotes de commutation de diodes laser ON / OFF avec une vitesse de commutation de 3 nsec / A à moins de 0,5 nsec / A.

Un autre produit haute performance pour la modulation directe de diodes laser est appelé «Pulse-Shaper». Il comprend un AWG (générateur de forme d’onde arbitraire) interne et peut façonner la sortie de la diode laser avec une résolution en amplitude de 48 dB et 500 picosecondes de résolution temporelle. Voir ce pilote de diode laser haute vitesse.

Figure 11: Module de mise en forme AeroDIODE mis en configuration de pilote direct (à gauche) et forme d'impulsion optique spéciale obtenue à partir d'une diode laser DFB après sa programmation dans le module (à droite)

Ce module de mise en forme d’impulsions permet à l’utilisateur de programmer une forme personnalisée à l’aide d’un AWG intégré à bande passante élevée et génère la forme d’impulsion optique personnalisée souhaitée. Comme le montre la figure ci-dessous, ce module dispose également d’une fonction interne spéciale qui permet à l’utilisateur d’atténuer le pic de gain-switch :

Gain switch peak suppression function
Figure 12: Formes d'impulsions 3ns à partir d'une diode laser DFB pilotée par des modules de mise en forme AeroDIODE. La courbe de gauche a un pic de gain-switch qui est supprimé sur l'impulsion de droite en activant la fonction interne de «suppression de pic de gain-switch».

d) Propriétés spectrales

Lorsqu’on considère l’évolution du spectre d’émission des diodes laser pulsées, l’utilisateur doit comprendre deux effets spectraux indésirables :

  • Le premier est corrélé au temps nécessaire à la diode laser pour se « verrouiller » sur son élément de verrouillage Bragg. Ce verrouillage est immédiat pour un DFB mais nécessite souvent plus de 100 nanosecondes pour une diode laser à réseau de Bragg. En d’autres termes, lors de la pulsation des diodes laser stabilisées par réseau, les premières nanosecondes produisent un large spectre d’émission comme s’il n’y avait pas de réseau de Bragg. Certains fournisseurs proposent une solution intermédiaire appelée «Bragg près de la puce» qui ne prend que quelques nanosecondes à se verrouiller.
  • Un autre effet inévitable vient du couplage de la fréquence / phase du spectre et du profil d’intensité. Plus précisément, le spectre d’émission peut changer sur la longueur de l’impulsion et cela peut parfois être un problème. La modulation externe avec, par exemple, un SOA offre une solution intelligente pour éviter cet effet. Voir notre tutoriel: Bases du modulateur fibre haute vitesse pour une comparaison détaillée des quatre technologies couramment utilisées pour la modulation externe de la lumière laser.

Le tableau 1 ci-dessous donne un aperçu de ces effets d’évolution du spectre – avec la température ou le niveau de courant – en fonction des technologies de diode laser ( Diode laser DFB ou alors Diode laser Fabry-Perrot ):

Tableau 1: Comparaison de l’évolution spectrale des diodes laser Fabry-Perrot et DFB:

Évolution de la longueur d’onde de crête…

Fabry-Perrot

DFB

Avec température

~ 0,35 nm / ° C

~ 0,06 nm / ° C

Avec le niveau de courant

~ 5 nm / A

~ 1 nm / A

L’évolution spectrale de la puce émettrice de Fabry-Perrot est ainsi typiquement de 0,35 nm / ° C et 5 nm / A. Notez que le verrouillage du réseau de Bragg atteint une bonne stabilité spectrale lorsque sa propre longueur d’onde de crête étroite est comprise dans une plage de longueurs d’onde de la longueur d’onde d’émission de crête de puce ± 5 nm.

Il est intéressant de noter que les propriétés spectrales d’une diode laser Fabry-Perrot pilotée en régime d’impulsions montrent une évolution dans les 100 premières ns. Le graphique ci-dessous montre quelques courbes mesurées de ces largeurs de bande.

fiber coupled laser diode Bragg locking pulse regime
Figure 13: Évolution de la bande passante d'émission d'une diode laser Fabry-Perrot avec réseau de Bragg. L'émission de la diode laser se comporte comme s'il n'y avait pas de réseau de Bragg pour des impulsions très courtes.

La bande passante spectrale d’une diode laser DFB est donc beaucoup plus étroite en régime CW qu’un laser Fabry-Perrot, même avec un réseau de Bragg.

Les DFB montrent également une certaine évolution de la longueur d’onde d’émission avec à la fois la température et le niveau de courant. Celles-ci sont bien inférieures aux technologies de Fabry Perrot et sont comparées ci-dessous.

Il est également intéressant de regarder l’évolution de la bande passante d’émission lorsque l’on considère les impulsions courtes. On peut remarquer que la bande passante d’émission reste étroite lorsqu’on considère une impulsion courte uniquement lorsque le niveau de courant reste en dessous de 200 mA (une résolution minimale OSA de 0,04 nm est ici observée pour des impulsions de 0,2 A). Cependant, nous commençons à observer une évolution significative de la bande passante lorsque l’on considère un courant de crête plus élevé.

DFB laser diode spectrum evolution
Figure 14: Evolution de la bande passante d'une diode laser DFB lorsqu'elle est pilotée en régime d'impulsions - La bande passante peut devenir très large lorsqu'elle est pilotée à un niveau de courant élevé.

e) Pilotage d'une diode laser monomode

Piloter une diode laser monomode en régime CW ou impulsionnel est une tâche difficile qui nécessite des produits spécialisés. Voici trois pilotes de diode laser spécialement conçus pour la R&D et l’intégration complète du système photonique. Tous ces pilotes comprennent une partie de contrôle TEC qui permet à l’utilisateur d’ajuster la température de la diode laser.

  • Le CCS d’AeroDIODE est un pilote de diode laser pulsé et CW avec contrôle TEC. Ce pilote de diode laser pulsée délivre des impulsions qui sont générées en interne par un générateur d’impulsions embarqué, ou à la demande à partir d’un signal TTL externe. Il est compatible avec la plupart des facteurs de forme de diode laser monomode disponibles. Les diodes laser butterfly sont facilement pilotées en régime CW ou impulsionnel avec n’importe quelle fréquence et rapport cyclique jusqu’à un taux de répétition de 250 MHz. Reportez-vous à cette page produit: pilote de diode laser pulsée
  • La carte appelée « centrale » d’AeroDIODE a un canal de diode laser optimisé pour un pilotage en régime continu à faible bruit et un canal optimisé pour les impulsions courtes de la nanoseconde au continu. Il contient également de nombreuses fonctions pertinentes pour le laser à fibre, telles que plusieurs entrées de photodiode. La carte centrale peut servir de «centre de contrôle» pour un laser à fibre. Les cartes centrales ont plus de 50 fonctionnalités de haute technologie optimisées pour construire et intégrer un laser à fibre. Reportez-vous à cette page produit: pilote de diode laser à fibre.
  • La carte Shaper est un autre pilote proposé par AeroDIODE qui peut résoudre de nombreux problèmes détaillés dans les sections ci-dessus: il peut pré-compenser la déformation de la forme de l’impulsion et dispose d’une fonction spéciale de suppression du commutateur de gain. La forme peut être ajustée jusqu’à des largeurs d’impulsion très courtes, car son AWG interne (Arbitrary Waveform Generator) génère un point tous les 500 ps avec une plage dynamique de 48 dB. Elle contient également 3 sorties de générateur de retard d’impulsion. Voir cette page produit: pilote de diode laser haute vitesse.
Figure 15: Pilotes de diode laser optimisés AeroDIODE: CCS est un pilote de diode laser pulsé universel générant des impulsions de 1 ns jusqu'au signal CW (à gauche). La carte centrale est un pilote de diode laser à fibre multi-canaux optimisé pour les diodes laser monomode avec de nombreuses fonctions optimisées pour le laser à fibre (à droite)
Figure 16: Le module de mise en forme AeroDIODE (à gauche) est un pilote de diode laser haute vitesse qui génère des formes d'impulsions optiques spécialisées. Par exemple, une impulsion obtenue à partir d'une diode laser DFB après avoir été programmée dans le module (à droite)

Diodes laser à couplage fibre multimode

a) Les 4 familles de diodes laser à couplage fibre multimode

Diodes laser à couplage fibre multimode sont basés sur des puces à diode laser à émission latérale à large zone initialement conçues et fabriquées à partir d’une plaquette semi-conductrice.

Il existe 4 types de diodes laser à couplage fibre multimode (voir Figure 18 et Figure 19):

  • Émetteurs uniques : lorsqu’une puce de diode laser est isolée, assemblée sur un support et conditionnée seule dans un module de diode laser. On parle ici typiquement d’environ 15W de puissance couplée dans une diode laser 105 (core) / 125µm (plaquée)
  • Multi émetteurs : lorsque plusieurs émetteurs sont séparés et couplés optiquement avec d’autres émetteurs isolés dans une fibre multimode (Figure 19 à droite). Le niveau de puissance de sortie est ainsi évolutif jusqu’à plusieurs centaines de watts et la taille de la fibre peut être maintenue petite comme un cœur de 100 ou 200 µm.
  • Barrettes simples: lorsque plusieurs émetteurs sont maintenus ensemble comme une seule barre (Figure 17) et assemblés dans un module de diode laser. On parle ici typiquement d’environ 50 W de puissance couplés dans une diode laser typiquement 200 µm (coeur) / 240 µm (plaqué)
  • Plusieurs barrettes: Lorsque plusieurs barrettes sont assemblées dans un grand boîtier refroidi à l’eau et couplées dans une fibre multimode de grand diamètre. Nous parlons ici d’environ 100 W de KW même couplés dans, par exemple, des fibres multimodes à cœur de 600 ou 800 µm.
Figure 17: Exemple d'éléments de diode laser - éléments individuels assemblés sur un sous-support (à gauche) ou une seule barette composée de 19 émetteurs. (crédits Innolume et Seminex)

Toutes ces diodes laser ont des emballages très différents:

Figure 18 : Exemple de modules diodes laser couplés dans des fibres de type multimode : (gauche : diode laser multi-émetteur 35 W ; milieu : émetteur unique 10 W à 915 nm d'AeroDIODE ; droite : diverses sources à base de barrettes simples et multiples à diode laser de DILAS.

Il est intéressant de noter comment les niveaux de tension et de courant typiques changent lorsque l’on considère les différentes familles:

  • Un émetteur unitaire typique a un niveau de tension typique de ~ 1,5 V et un courant de ~ 15 A.
  • Pour une diode laser multi-émetteurs, les émetteurs sont assemblés en série. Cela signifie que le niveau de courant ne change pas (typiquement 15 A max), mais c’est la tension qui augmente lorsque l’on considère de plus en plus d’émetteurs. (par exemple, 4,5 V / 15 A pour une diode laser de 60 W)
  • Une barrette de diodes laser assemble tous les émetteurs en parallèle. Ainsi, le niveau de tension ne change pas, mais le niveau de courant peut facilement atteindre 45 ou 50 A.
  • Là encore, lors de l’assemblage de plusieurs barrettes entre elles, celles-ci sont assemblées en série, de sorte que le niveau de courant (par exemple 45 A) ne change pas, mais la tension augmente régulièrement avec le nombre de barres.

b) Construction et facteurs de forme

La figure 19 montre quelques exemples de la construction d’une diode laser à un seul élément et à plusieurs éléments. On peut voir que séparer plusieurs éléments de diode laser et combiner leur lumière laser en une seule fibre permet d’augmenter la puissance / surface au niveau de la fibre. En revanche, une barrette de diode laser est fortement asymétrique et rend plus difficile l’injection de lumière dans une fibre circulaire. Cela rend le diamètre de fibre minimum d’une technologie de barrette laser généralement plus grand que pour une technologie multi-éléments.

Multimode Fiber coupled laser diode construction
Figure 19: Exemple de construction d'une diode laser à un seul élément (à gauche) et d'une diode laser à plusieurs (3) éléments (à droite)
Fiber coupled laser diode bar
Figure 20: Exemple d'une configuration d'injection de fibre de barrette de diode laser. (Crédits Fraunhofer IOF)

c) Propriétés spectrales

Notez que de nombreuses applications telles que le pompage d’ions de terres rares comme Yb3 + à 976 nm nécessitent un spectre d’émission de diode laser stabilisé et étroit. Cette stabilité en longueur d’onde implique que la température de la diode laser soit contrôlée et souvent que la diode laser comprenne un élément de stabilisation en longueur d’onde supplémentaire. Cet élément est généralement un VBG (Volume Bragg Grating) pour diodes laser multimodes. Le VBG est un morceau de verre spécialisé intégré dans le boîtier de la diode laser.

VBG locked multimode fiber coupled laser diode
Figure 21: Spectres verrouillés VBG à 940 nm d'une diode laser émettrice à 930 nm (Y.Li et al.)

d) Pilotage d'une diode laser multimode

Piloter une diode laser multimode est une tâche difficile qui nécessite des produits spécialisés. Surtout quand on considère> Diodes laser de puissance de sortie 10W, le refroidissement thermique devient un véritable sujet. Voici un pilote de diode laser spécialement conçu pour la commande de diode laser à fibre et compatible avec la R&D et l’intégration de produits laser à fibre complète.

Le CCM (Cool and Control Multimode) d’AeroDIODE (voir cette page: pilote de diode laser haute puissance ) est entièrement optimisé pour piloter une ou plusieurs diodes laser à pompe multimode (dispositifs à élément unique ou à éléments multiples). Il est équipé d’un TE-Cooler qui permet d’ajuster la température de la diode laser. Il s’agit d’un appareil refroidi par air compatible avec les diodes laser d’une puissance optique allant jusqu’à 200 W.

High power laser diode driver
Figure 22: Pilote de diode laser haute puissance AeroDIODE. Idéal pour les diodes laser multi-éléments comme II-VI, Lumentum, IPG etc.

Une famille d'électronique laser modulaire compatible avec presque tous les types de systèmes photoniques

AeroDIODE a développé une gamme complète de pilotes électroniques capables de construire presque n’importe quel type de système photonique à diode laser. Ces pilotes peuvent communiquer ensemble et peuvent contrôler tout type de diodes laser en régime pulsé ou CW. Ils sont conçus pour simplifier leur intégration dans un prototype compact. Cela permet un délai de développement du système photonique beaucoup plus rapide pour le concepteur.