Brevet FR3097659A1 — publié le 20201225

Description Titre de l'invention : Source lumineuse comportant au moins une puce à semi-conducteur portant au moins une diode Domaine technique [0001] La présente invention concerne une source de lumière comportant une puce à semi- conducteurs portant au moins une diode. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION [0002] Une barrette de diodes laser forme une source laser de forte puissance à base de semi-conducteurs. Les diodes peuvent présenter une grande efficacité de conversion électro-optique, une forte puissance et elles sont arrangées linéairement ou matriciellement de manière très compacte. Les diodes laser de la barrette sont parfois désigné par l'expression « diodes lasers à rubans élargis » (ou « broad area laser diode » selon la terminologie anglo-saxonne généralement employée) [0003] Une telle barrette est généralement composée d'une puce de semi-conducteurs, par exemple à base d'AsGa ou de GaN, portant les diodes laser agencées sur un substrat dissipateur de chaleur, parfois par l'intermédiaire d'une couche intercalaire. Des contacts électriques sont disposés sur la puce et sont reliés à des broches d'alimentation électrique de la barrette. On a ainsi représenté sur la figure 1 une vue schématique d'une puce à semi-conducteur 1 portant des diodes laser 2 de l'état de la technique. Les surfaces d'émission 2a des diodes 2 sont disposées sur une face principale la de la puce 1. Les surfaces d'émission 2a sont généralement étendues et présentent, comme cela est visible sur l'exemple de la figure 1, une largeur 1 typiquement de l'ordre de 100 pin ou plus et une dimension verticale h réduite, de l'ordre du micromètre. [0004] Le rayonnement lumineux issu d'une telle barrette est donc constitué d'une pluralité de faisceaux alignés pour former un ruban d'émission. La dimension verticale h de chaque diode définit un axe dit rapide qui présente une divergence importante de l'ordre de 30 à 40° FWHM mais une bonne qualité de faisceau (facteur de qualité M2 du faisceau proche de un). La dimension horizontale L de chaque diode définit un axe dit lent, qui présente une divergence plus réduite, typiquement de l'ordre de 6° à 10°, mais une qualité de faisceau pauvre (facteur de qualité M2 du faisceau supérieur à 1000). 100051 On prévoit donc généralement de conditionner le rayonnement. produit par la barrette. Ce conditionnement peut être en partie intégré à celle-ci, par exemple sous la forme d'une lentille cylindrique disposée en vis-à-vis des surfaces d'émission 2a, de sorte à collimater le rayonnement émis selon la direction rapide au moins. On peut également prévoir des pièces optiques additionnelles à celle éventuellement intégrée à la barrette, 2 de manière à mettre en forme le rayonnement lumineux. On peut ainsi rechercher à rendre le faisceau plus symétrique et/ou de meilleure qualité (comme mesurée par exemple par le paramètre M2) pour l'injecter dans une fibre optique conventionnelle, présentant un coeur essentiellement circulaire. D'une manière plus générale, on cherche à façonner le rayonnement lumineux émis par les diodes pour qu'il possède l'étendue optique la plus basse possible. [0006] On connaît ainsi du document US5513201 un dispositif optique visant à réagencer le rayonnement émis par la barrette d'une première disposition selon laquelle les rayonnements émis par les diodes 2 sont disposés côte à côte, en juxtaposant leurs axes lents pour former un rayonnement en ruban, à une seconde disposition selon laquelle les rayonnements sont disposés côte à côte juxtaposés par leurs axes rapides. On rend de la sorte le rayonnement lumineux plus compact, ce qui facilite son injection dans une fibre optique. [0007] Le document INIEYAN, Hagop et GOODNO, Gregory D. High power laser handbook. New York : McGraw-Hill Profcssional, 2011 fournit également de nombreux exemples d'agencements optiques visant à façonner le faisceau émis par une barrette de laser pour en faciliter le couplage avec une fibre optique. Il peut ainsi s'agir dune mise en forme par un montage optique dit « de Southampton », par des miroirs étagés, ou par des pièces optiques réfractives tel que des micro prismes qui dévient le rayonnement de chaque diode laser dans des plans parallèles dans lesquels des micro lentilles sont disposées pour le collimater et former une matrice de faisceaux de petites dimensions. Dans tous les cas on cherche à injecter le faisceau ainsi façonné dans une fibre. On peut également prévoir d'intercaler une lentille sphérique pour faciliter cela. [0008] Quelle que soit la solution choisie pour réaliser cette injection, on cherche bien entendu à injecter un maximum de la puissance optique émise par les diodes dans la fibre optique. OBJET DE L'INVENTION [0009] Un but de l'invention est de proposer une solution originale à ce problème. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION [001 0] En vue de la réalisation de ce but, l'objet de l'invention propose une source de lumière comportant : - au moins une puce à semi-conducteur apte à émettre un rayonnement incident - un étage de sortie comprenant au moins une fibre ou un espace libre pour propager une pluralité de modes prédéfinis; - au moins une pièce optique présentant une smface piincipale microstructurée disposée en vis-à-vis de la puce à semi-conducteur pour intercepter le rayonnement incident, modifier spatialement la phase du rayonnement incident et former, par une 3 pluralité de réflexions et/ou de transmissions sur la pièce optique, un rayonnement lumineux transformé comprenant au moins les modes prédéfinis. [0011] Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable : - la surface microstructurée est configure° pour décomposer le rayonnement incident selon une pluralité de modes d'entrée d'un plan d'entrée associée à une pluralité de modes de sortie définis dans un plan de sortie pour former le rayonnement transformé ; l'étage de sortie comprend au moins une fibre rnulti mode ; 1. le rayonnement lumineux transformé se couple à plus de 90% dans une extrémité d'injection de la fibre ; le rayonnement incident comprend un premier nombre de modes et la fibre multimodc est apte à guider un deuxième nombre de modes, le deuxième nombre étant supérieur ou égal au premier ; l'étage de sortie est configure pour permettre la propagation libre du rayonnement transformé ; le rayonnement incident émis par la puce à semi-conducteur est produit par une diode laser ou une diode électroluminescente ; le rayonnement incident émis par la puce à semi-conducteur est produit par une seule diode ; le rayonnement incident émis par la puce à semi-conducteur est produit par une pluralité de diodes émettant chacune un rayonnement multimode ou monomode ; la source de lumière comprend un dispositif de mise en forme du rayonnement incident, disposé entre la puce à semi-conducteur et la pièce optique ; le dispositif de mise en forme comprend une pluralité de fibres multimodes dans lesquels s'injectent respectivement des parties du rayonnements incident ; la microstructuration de la surface principale est à variables séparables. Brève description des dessins [0012] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels : [0013] [fig.1] La figure 1 représente une puce à semi-conducteur portant des diodes laser de l'état de la technique ; [0014] [fig.2] La figure 2 représente un exemple de source lumineuse reprenant les principes de l'invention ; [0015] [fig.3a] 100161 Ifig.3b1 Les figures 3a, 3b représentent respectivement un exemple de décomposition modale du rayonnement incident clans un plan d'entrée et du rayonnement transformé dans le plan de sortie ; [0017] [fig.4] La figure 4 représente un second exemple d'une source de lumière reprenant les principes de l'invention ; [0018] [fig.5] La figure 5 représente un autre exemple d'une source de lumière reprenant les principes de l'invention. Description des modes de réalisation [0019] Par souci de clarté, on définit dans la présente demande un rayonnement lumineux comme un rayonnement formé d'au moins un mode du champ électromagnétique, chaque mode formant une distribution sspatio-fréquentielle de de la phase, et de la polarisation du champ. En conséquence, le façonnage, la modification ou la transformation du rayonnement lumineux désigne la modification ou la transformation spatio-fréquentielle des modes du rayonnement. [0020] On désignera par « forme » d'un rayonnement la distribution transverse de l'amplitude et de la phase du mode ou la combinaison des distributions transverses d'amplitude et de phase des modes composant ce rayonnement. [0021] Par souci de simplification, on considérera dans la présente description que le rayonnement est polarisé selon une unique direction et présente une unique fréquence. Toutefois les principes exposés sont tout à fait applicables à un rayonnement présentant plus d'une direction de polarisation ou plus d'une unique fréquence. [0022] On a représenté sur la figure 2, en vue de dessus, un exemple de source de lumière 3 reprenant les principes de l'invention. [0023] Elle comprend une puce à semi-conducteur 1 comportant une pluralité de diodes laser, trois dans l'exemple représenté. On pourrait bien entendu prévoir un nombre différent de telles diodes, typiquement entre 1 et 100. Dans le cas où une unique diode laser est prévue, celle-ci émettra un rayonnement multimode pour pouvoir tirer profit d'un dispositif conforme à l'invention. Dans le cas où une pluralité de diodes sont prévues, elles peuvent indifféremment émettre un rayonnement rnonomode ou multimode. Dans le repère de la figure 2, la puce 1 est disposée pour que les surfaces d'émission des diodes laser soient toutes disposées le long de l'axe x, verticalement. On pourrait prévoir qu'elles soient arrangées différemment, selon une autre direction ou en matrice par exemple, cette matrice pouvant être obtenue en empilant les unes sur les autres une pluralité de puces à semi-conducteur similaires à celle représentée sur la figure 1. Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure 2, la puce 1 peut être instrumentée d'une lentille de collimation ou d'une pluralité de telles lentilles, par exemple une lentille cylindrique mise en vis-à-vis des surfaces d'émission des diodes, d'un support dissipateur de chaleur et de tout autre élément utile pour constituer une barrette de diodes laser. [0024] Quelle que soit la configuration choisie de la puce (ou des puces) à semi-conducteur 1, les diodes qu'elle porte émettent un rayonnement incident I. La source 3 représentée sur la figure 2 comprend également un étage de sortie 4, ici constituée d'une unique fibre optique multimodc 4. Cette fibre présente une extrémité d'injection pour collecter le rayonnement lumineux émis par la puce à semi-conducteur 1 après que ce rayonnement a été mis en forme par les autres pièces optiques constituant la source 3 pour former un rayonnement transformé. L'étage de sortie peut comprendre une optique de collimation, non représentée sur la figure, pour favoriser la collecte du rayonnement transformé dans la fibre 4. D'une manière générale, on choisira la fibre (ou la pluralité de fibres) disposée à l'étage de sortie pour qu'elle puisse (collectivement) accommoder le nombre de modes composant le rayonnement incident I. Par exemple, si la puce à semi-conducteur 1 est composée de 5 diodes émettant chacune un rayonnement composé de 100 modes, on choisira une fibre rnultimode 4 (ou une collection de telles fibres) pouvant guider (collectivement) au moins les 500 modes composant le rayonnement incident!. Dit autrement, le rayonnement incident comprend un premier nombre de modes et la fibre multimodc est apte à guider un deuxième nombre de modes, le deuxième nombre étant supérieur ou égal au premier nombre. On cherchera toutefois à limiter au maximum le nombre de modes de la (ou des) fibre muhimode afin de ne pas augmenter excessivement le diamètre de la fibre et guider dans cette fibre un rayonnement présentant une forte concentration d'énergie. [0025] La fibre ou la pluralité de fibres disposée dans l'étage de sortie peuvent être des fibres à gradient d'indice ou, préférentiellement, à saut d'indice. [0026] On a également représenté sur la figure 2, un plan d'entrée PE et un plan de sortie PS, ces plans étant transverses respectivement au rayonnement incident I émis par les diodes et au rayonnement transformé s'injectant dans la fibre 4. [0027] Pour permettre un couplage efficace du rayonnement incident I dans la fibre 4, la présente invention propose de traiter ce rayonnement incident modalement, c'est-à-dire opérer une conversion modale visant à transporter l'énergie du rayonnement incident respectivement présente dans des modes d'entrée vers des modes de sortie, ces modes de sortie étant adaptés pour se coupler efficacement avec la fibre 4. [0028] La figure 3a représente un exemple de décomposition modale dans le plan d'entrée PE du rayonnement émis par les diodes laser 2 qui s'est propagé jusqu'à ce plan d'entrée PE. Ce plan est muni d'un repère cartésien (x, y) dans lequel on peut décomposer modalement le rayonnement incident I, ici en trois modes fi(x,y), f2(x,y) et f3(x,y), les fonctions fi, f2 et f3 déterminant l'amplitude et la phase de chacun de ces modes. D'une manière générale, on déterminera le nombre et la nature des modes dans 6 le plan d'entrée PE de manière à pouvoir décomposer aussi fidèlement que possible le rayonnement incident à ce plan PE. La famille des modes d'entrée peut notamment former une base. [0029] On peut si milairement décomposer le rayonnement transformé dans le plan de sortie PS à l'aide d'une famille de modes de sortie, dont la cardinal ité est la même que celle de la famille d'entrée, et qui se couple au mieux à la fibre 4. Dans l'exemple représenté sur la figure 3b, le rayonnement transformé est formé des trois premiers modes LP f'1, f'2, f'3 centrés sur la fibre optique 4. Cette décomposition concorde avec les premiers modes LP guidés par la fibre multimodc 4, cc qui permet de « remplir » convenablement ces modes guidées par le rayonnement transformé. On note que dans le cadre de la présente demande on cherche à injecter un maximum de puissance dans la fibre, et qu'il est indifférent que cette puissance soit injectée dans un mode guidé plutôt qu'un autre. A titre d'exemple, le rayonnement transformé se couple à plus de 90 dans une extrémité d'injection de la fibre multimodc 4. [0030] Entre le plan d'entrée et le plan de sortie, on a prévu un dispositf de tranformation modale, ici comprenant une première pièce optique Sa réfléchissante disposée en vis-à-vis d'une seconde pièce optique réfléchissante Sb, de sorte à définir une cavité multipassage dans lequel le rayonnement incident! se propage en direction de l'étage de sortie 4. La première pièce optique Sa présente une surface microstructurée qui intercepte le rayonnement lumineux incident une pluralité de fois au cours de sa propagation. Chaque réflexion sur la surface microstructurée Sa modifie spatialement la phase de ce rayonnement, de sorte qu'à l'issue des multiples réflexions, le rayonnement incident est transformé pour se coupler à la fibre 4 formant dans cet exemple l'étage de sortie. [0031] Par « surface microstructurée » on signifie que la surface de la pièce optique présente un relief, qui peut par exemple se décomposer sous la forme de « pixels » dont les dimensions sont comprises entre quelques microns à quelques centaines de microns. Le relief ou chaque pixel de ce relief présente une élévation variable par rapport à un plan moyen définissant la surface en question, d'au maximum quelques microns ou d'au maximum quelques centaines de microns. Une pièce optique présentant une telle surface microstructurée forme un masque de phase introduisant un déphasage local au sein de la section transverse du rayonnement qui s'y réfléchit ou qui s'y transmet. [0032] La microstructuration de la première pièce est élaborée numériquement (à l'aide (l'un logiciel de conception optique) pour permettre la transformation du rayonnement incident dans le rayonnement transformé apte à se coupler à la fibre 4. Dit autrement, la surface microstructurée est configurée pour associer, c'est-à-dire transformer, respectivement les modes d'entrée, tels qu'ils ont par exemple été définis sur la figure 3a, aux modes de sortie qui correspondent sensiblement à ceux guidés par les fibres, ici les 7 trois premiers modes LP de la fibre. La surface microstructurée qui intercepte le rayonnement incident une pluralité de fois décompose le rayonnement selon les modes d'entrée qui sont transformés dans les modes de sorties pour former le rayonnement transformé. Pour poursuivre l'exemple représenté sur la figure 2, on pourra ainsi configurcr la surface microstructurée pour transformer les modes d'entrée dans les modes de sortie, par exemple pour que le mode d'entrée fi soit associé au mode de sortie f'1, le mode f2 soit associé au mode f'2, et le mode f3 soit associé au mode f3. Toute transformation linéaire et unitaire entre les modes de sortie et les modes d'entrée est possible. [0033] On trouvera dans les documents « Programmable unitary spatial mode mani- pulation », Itiforizur et AI, J. OPE. Soc. Am. A/Vol. 27, No. 1 1/November 2010 ; N. Fontaine et Al, (ECOC, 2017),"Design of High Order Mode-Multiplexers using Multiplane Light Conversion"; US9250454 et US2017010463 les fondements théoriques et des exemples de mise en oeuvre pratique d'un tel dispositif de conversion modale. [0034] Ainsi, un rayonnement lumineux qui se propage entre les pièces optiques Sa, Sb subit une succession de déphasages locaux séparés par des propagations. La succession de ces transformations élémentaires (par exemple au moins quatre transformations successives comme par exemple 8, 10, 12, 14, voire au moins 20 transformations) établit une transformation globale du profil spatial du rayonnement incident. Il est ainsi possible de configurer la surface microstructurée pour changer la forme du rayonnement incident I pour qu'il se couple avec efficacité avec la fibre 4 de l'étage de sortie. [0035] Bien entendu, d'autres agencements optiques que la cavité multipassage formée par les pièces optiques réfléchissantes Sa, 5b sont possibles pour réaliser de dispositif de transformation modale souhaitée. [0036] Ainsi, et plus généralement, la source de lumière 3 comprend au moins une pièce optique formant un dispositif de transformation modale 5 présentant une surface principale microstructurée disposée en vis-à-vis de la puce à semi-conducteur 1 pour intercepter le rayonnement incident I par une pluralité de réflexions/transmissions (par exemple au moins quatre réflexions/transmissions successives comme par exemple 8, 10, 12, 14, voire au moins 20 réflexions/transmissions) sur l'une ou les pièces optiques pour établir le rayonnement transformé. Chaque réflexion/transmission sur une surface microstructurée est suivie d'une propagation du rayonnement en espace libre. Certaines des pièces optiques peuvent être rnicrostructurées et contribuer à former le rayonnement transformé, d'autres peuvent être simplement réfléchissantes ou transparentes pour guider ce rayonnement. [0037] D'une manière générale, on cherche à limiter le nombre de réflexions et/ou trans- 8 missions sur les surfaces microstructurées du dispositif 5. Par exemple, on peut chercher à limiter ce nombre à moins de 20 ou moins de 10. On limite ainsi les pertes par absorption qui se produit à chaque réflexion et/ou transmission du rayonnement, on limite la complexité de conception du dispositif, c'est-à-dire la définition de la micro-structuration de la surface ou des surfaces en jeu. Cela peut toutefois conduire à approximer avec moins de précision la transformation modale implémentée. [0038] Aussi, pour simplifier le montage (c'est-à-dire le nombre de réflexions/trans- missions), sa conception, ou pour rechercher une meilleure approximation de la transformation modale (pour un nombre de réflexions/transmissions fixé), on peut chercher à disposer les modes dc la famille d'entrée et les modes de la famille de sortie pour que la transformation soit à variables séparables. Une telle transformation est décrite dans le document « Fabrication and Characterization of a Mode-selective 45-Mode Spatial Multiplexer based on Multi-Plane Light Conversion », Bade et al, Optical Fiber Communication Conference Postdeadline Papers, OSA Technical Digest, Optical Society of America, 2018, paper Th4B.3, pp. 1-3 et la demande de brevet français FR1851664. Ces documents démontrent qu'une telle transformation permet une réduction du nombre de réflexions/transmissions constituant le dispositif dc transformation modale 5. [0039] Une famille de mode est dite à variables séparables lorsque pour chaque mode i,j de la famille on peut écrire fi(x,y)=hi(x).gi(Y). [0040] Dans les plan d'entrée PE et de sorties PS muni de leurs repères cartésiens respectifs (x,y) et (x',y'), on dispose d'une collection de N fonctions génératrices hi(x) et h'i(x') définis respectivement dans le plan d'entrée et dans le plan de sortie et d'une collection de M fonctions génératrices g(y) et g'(y') également définis respectivement dans le plan d'entrée et dans le plan de sortie. [0041] Ces fonctions génératrices sont exploitées pour définir les N*M modes d'entrées fi; (x,Y)=11.1(x)-gi(Y) et N*M modes de sortie fii(x',y')=h'i(x').g'(y') à variables séparables, l REVENDICATIONS[Revendication 1] Source de lumière (3) comportant : - au moins une puce à semi-conducteur (1) apte à émettre un rayonnement incident (I) ; - un étage de sortie (4) comprenant au moins une fibre ou un espace libre pour propager une pluralité de modes prédéfinis; - au moins une pièce optique (5) présentant une surface principale microstructurée disposée en vis-à-vis de la puce à semi-conducteur (1) pour intercepter le rayonnement incident (I), modifier spatialement la phase du rayonnement incident (I) et former, par une pluralité de réflexion et/ou de transmission sur la pièce optique, un rayonnement lumineux transformé comprenant au moins les modes prédéfinis. [Revendication 2] Source de lumière (3) selon la revendication précédente dans laquelle la surface microstructurée est configurée pour décomposer le rayonnement incident (I) selon une pluralité de modes d'entrée d'un plan d'entrée (PE) associée à une pluralité de modes de sortie définis dans un plan de sortie (PS) pour former le rayonnement transformé. [Revendication 3] Source de lumière (3) selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'étage de sortie (4) comprend au moins une fibre multimode (4a, 4b, 4c). [Revendication 4] Source de lumière (3) selon la revendication précédente dans laquelle le rayonnement lumineux transformé se couple à plus de 90% dans une extrémité d'injection de la fibre (4a, 4b, 4c). [Revendication 5] Source de lumière (3) selon l'une des deux revendications précédentes dans lequel le rayonnement incident (I) comprend un premier nombre de modes et la fibre multimode est apte à guider un deuxième nombre de modes, le deuxième nombre étant supérieur ou égale au premier. [Revendication 6] Source de lumière (3) selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel l'étage de sortie (4) est configuré pour permettre la propagation libre du rayonnement transformé. [Revendication 7] Source de lumière (3) selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le rayonnement incident (I) émis par la puce à semi-conducteur (1) est produit par une diode laser ou une diode électroluminescente. [Revendication 8] Source de lumière (3) selon la revendication précédente dans laquelle dans laquelle le rayonnement incident (I) émis par la puce à semiconducteur (1) est produit par une seule diode. [Revendication 9] Source de lumière (3) selon la revendication 7 dans laquelle le 14 [Revendication 10] rayonnement incident (I) émis par la puce à semi-conducteur (1) est produit par une pluralité de diodes émettant chacune un rayonnement multimodc ou monomodc. [Revendication 11] Source de lumière (3) selon l'une des revendications précédent comprenant un dispositif de mise en forme (6) du rayonnement incident, disposé entre la puce à semi-conducteur (1) et la pièce optique (5). Source de lumière (3) selon la revendication précédente dans lequel le dispositif de mise en forme (6) comprend une pluralité de fibres multimodcs dans lesquels s'injectent respectivement des parties du rayonnements incident. [Revendication 12] Source de lumière (3) selon l'une des revendications précédentes dans lequel la microstructuration de la surface principale est à variables séparables.