Étant donné que l’on vise l’utilisation du réseau avec une forte puissance optique, on pré- fèrera un réseau tout en silice plutôt que l’utilisation de résines pour prévenir l’absorption et l’échauffement du composant. En effet, les gravures en résine sont moins coûteuses et très bien maîtrisées, mais ne sont pas totalement transparentes au faisceau laser. La fabrication
Section 3 - Développement d’un réseau de phase pour la séparation et la combinaison à N émetteurs 95 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 Efficacité de com binaiso n 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Contraste
Figure II.37: Performances du réseau de diffraction en fonction de l’erreur de fabrication. Il s’agit ici d’une erreur ponctuelle aléatoire à haute fréquence – son amplitude est quantifiée par la grandeur ∆mdéfinie équation II.38. Dans ce cas, c’est l’efficacité de combinaison qui est le plus touchée – ce type d’erreur ajoute des fréquences spatiales très élevées sur le motif, ce qui a pour effet de répartir la puissance sur les ordres élevés.
du réseau est externalisée, nous décrivons brièvement la technique utilisée puis nous évaluons expérimentalement les composants.
3.4.1 Moyens techniques mis en œuvre
Les réseaux ont été réalisés par la société Zeiss, par gravure proportionnelle par bombarde- ment ionique (aussi appelée en anglais reactive ion etching) directement dans la silice. Cette technique est particulièrement adaptée à la gravure d’un motif dont la profondeur varie de manière continue – comme c’est le cas pour le motif de phase choisi.
La technique consiste d’abord à inscrire le motif de phase désiré dans une résine préalable- ment déposée sur le substrat de silice – le motif est inscrit par exposition à un laser ultra-violet. Le motif inscrit dans la résine est ensuite transféré de manière proportionnelle dans la silice par bombardement ionique – la couche de résine constitue ainsi une couche de protection relative à son épaisseur. Lors de cette étape, toute la résine est supprimée, si bien qu’on obtient fina- lement une structure tout en silice qui convient à notre besoin. Le composant subit finalement un traitement AR sur les deux faces (R < 0, 25% à λ = 980 nm).
3.4.2 Tests expérimentaux des composants
Une mesure topographique des profils de phase conçus par interférométrie en lumière blanche nous permet de valider la précision de fabrication. Un exemple de motif réel mesuré est illustré par la figure II.38, en comparaison avec le profil théorique. Cette mesure nous indique que l’erreur de phase entre les deux profils respecte nos attentes : ∆m ≈ 2, 5%, soit inférieur à la tolérance spécifiée de 5% de la profondeur totale. Avec la mesure réelle du profil de phase, on peut également estimer les performance du réseau par la transformée de Fourier de son motif de phase (comme vu précédemment équationII.32). On obtient ainsi une efficacité comparable au profil théorique – 98, 5% contre 98%, et un contraste légèrement dégradé – 33% contre 27% théoriquement. Ces valeurs correspondent tout à fait à nos attentes.
Nous avons alors mis en place un montage expérimental afin de valider ces performances en pratique. Ces mesures ont été réalisées par Sylvie Janicot et Ioana Doyen. Le principe est assez simple, il s’agit de séparer un faisceau laser grâce à un premier réseau diffractif, puis de recombiner uniquement les ordres utiles à travers un second réseau. Les performances en séparation et en combinaison peuvent ainsi être évaluées. Le schéma du montage est représenté figureII.39(a). Ce dernier est constitué d’une diode laser DFB commerciale en tant que source monomode transverse, des deux réseaux de phase et d’un jeu de lentilles L10 et L11 afin d’ap-
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 x/ 0 1 2 3 4 5 Phase / rad
1 5 DOE - motif de phase
Motif réel Motif théorique
Figure II.38: Motif élémentaire du réseau de phase continu théorique comparé au motif réel mesuré. pliquer l’angle souhaité entre chaque ordre (13 mrad). La répartition de puissance selon les ordres est évaluée successivement après séparation et combinaison à l’aide d’un puissance-mètre et d’une caméra. L’efficacité de séparation correspond à la valeur simulée (98%), le contraste est quant à lui très proche (C= 35%) – les ordres diffractés sont représentés figureII.39(b)en comparaison avec le réseau théorique et le réseau réel simulé d’après sa mesure de profil. Comme attendu, l’étape de combinaison est quant à elle plus délicate, elle nécessite de mettre en place de nombreux réglages de positionnement et d’orientation afin d’aligner le second réseau de ma- nière optimale. Une efficacité de combinaison de 96, 5% est obtenue dans un faisceau unique. Les pertes résiduelles en comparaison de la séparation sont attribuées à de petits écarts de phase introduits dans le montage (erreur d’alignement ou astigmatisme introduit par les doublets), on estime ainsi l’écart de phase RMS à σφ≈ 0, 15 rad à partir de la figure II.34(b).
(a) Montage expérimental mis en place pour l’évaluation des DOE.
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 Ordre de diffraction 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Intensité norm alisée Théorie Réel simulé Mesure
(b) Comparaison des distributions de puissance selon le motif théorique, le motif réel simulé et la mesure expéri- mentale directe.
Figure II.39: Test expérimental des composants.
Finalement, ces mesures expérimentales1 valident les bonnes performances attendues des réseaux diffractifs fabriqués. On retrouve tout de même l’extrême sensibilité du contraste des ordres aux erreurs de fabrication, le réseau présenté est le meilleur fabriqué, mais l’analyse de tous les réseaux obtenus nous fournit un contraste moyen de39%, soit plus de 10 points de plus comparé au réseau théorique (l’efficacité reste constante) – bien que les erreurs de fabrication restent limitées avecΔm < 5% sur tous les réseaux testés.
1. Les tests ont également été réalisés avec un laser à section évasée dont la qualité spatiale est moins bonne que la diode laser DFB (M2≈ 2) : les résultats sont identiques.
Section 4 - Émetteurs à forte luminance dédiés à la combinaison cohérente 97
4
Émetteurs à forte luminance dédiés à la combinaison cohé-
rente
Nous décrivons dans cette section les différentes sources à semi-conducteur utilisées. Aussi bien en barrette qu’en émetteur individuel, nous avons utilisé deux types de lasers : des émet- teurs monomodes transverse à section droite ainsi que des émetteurs à section évasée. Ces sources nous ont été fournies par nos partenaires dans le cadre du projet européen BRIDLE, Modulight et FBH pour les diodes monomodes et les diodes évasées respectivement. Nous décrivons dans ce qui suit leurs principales caractéristiques en terme de puissance et de qua- lité spatiale, leurs propriétés de phase, la conception des bases mécaniques pour l’évacuation thermique ainsi que les optiques de collimation. Étant donné leur savoir-faire, les structures semi-conductrices ont été définies par nos partenaires afin de correspondre aux niveaux de lumi- nance désirés, aussi nous ne nous attardons pas sur ce point. L’utilisation que nous souhaitons faire des sources a néanmoins imposé un certain nombre de contraintes dans leur conception, nous démarrons par leur description.
(a) Architecture de cavité étendue en face arrière. (b) Architecture en MOPA.
Figure II.40: Rappel des architectures dans lesquelles seront utilisés les émetteurs. Dans toutes les configurations, on remarque que l’accès aux deux facettes des émetteurs est nécessaire.