Les lasers doivent satisfaire à des exigences de conception spécifiques pour survivre aux rigueurs de l'espace tout en présentant un bon rapport coût/efficacité.
ADAM ERLICH, SHEAUMANN LASER INC.
Récemment, les médias ont largement évoqué des constellations de satellites en orbite terrestre basse, dont on s'attend à ce qu’ils soient principalement capables de fournir l'Internet à large bande partout dans le monde. Bon nombre de ces réseaux de satellites nécessiteront des lasers économiques mais capables de survivre aux rigueurs de l'espace. Les missions sur la lune et les planètes nécessitent généralement une large bande passante pour répondre aux exigences scientifiques telles que l'imagerie hyperspectrale. Pour fournir une puissance et une intensité de signal suffisante aux stations au sol, des diodes laser personnalisées de forte puissance peuvent également être nécessaires pour certaines missions spatiales. Par conséquent, les lasers à longue durée de vie pour les environnements difficiles deviennent de plus en plus importants. Il y a plusieurs facteurs clés liés à la conception d'un module laser pour une longue durée de vie dans l'espace.
Un module de diode laser qualifié spatial. Courtoisie de Sheaumann Laser Inc.
Les rigueurs de l'espace
Les conditions environnementales extrêmes que l'on trouve dans l'espace repoussent les limites physiques de presque toutes les techniques, processus et composants scientifiques. Pour qu'un engin spatial réussisse, tous ses composants, y compris les lasers, doivent non seulement survivre à ces conditions, mais aussi maintenir leurs performances. Les organisations spatiales choisiront souvent un laser en fonction de sa capacité à pénétrer dans l'atmosphère et à transmettre au travers de la vapeur d'eau. Par coïncidence, ces longueurs d'onde sont semblables aux longueurs d'onde traditionnelles des télécommunications, mais les boîtiers standards des composants télécom ne sont pas conçus pour les rigueurs de l'espace.
Lorsque les lasers se déplacent dans l'espace, ils peuvent devoir fonctionner pendant plus de deux décennies sans réparations ni recalibrage. Ils seront exposés à des températures allant de -55 à 85 °C, de l'obscurité glaciale derrière la Terre à la chaleur extrême du soleil. Ils seront également exposés à des contraintes mécaniques élevées, y compris des chocs et des vibrations sévères. La conception d'un laser pour réussir dans l'espace est particulièrement exigeante car la taille, le poids et l’alimentation doivent être aussi faibles que possible pour minimiser les coûts de lancement.
Le cycle thermique est un domaine qui pose un vrai défi aux fabricants de lasers car les différents coefficients de dilatation thermique entre les matériaux contenus dans le boîtier peuvent entraîner des niveaux de puissance variables couplés dans la fibre. Au fil du temps, ces différents taux d'expansion entraînent le cisaillement du boîtier. La capacité du laser à prévaloir et à survivre dans un environnement hostile dépend de la façon de repenser comment une puce à diode laser est conçue et montée dans un boîtier. Des lasers à longue durée de vie sont nécessaires pour survivre à des milliers de cycles de température ; même les diodes laser de qualité militaire ne peuvent généralement pas survivre plus de 500 cycles. En fin de compte, les caractéristiques de l'espace fournissent l'environnement idéal pour tester et perfectionner une diode laser d’extrême fiabilité.
L’empilement métallique
Dans une conception de diode laser typique, il y a plusieurs couches de différents métaux et de soudure entre la puce laser et la monture. La soudure relie la puce à un sous-support, qui est relié par une autre soudure à un support de base, qui à son tour est relié au boîtier par une autre couche de soudure (Figure 1). Chaque couche représente un potentiel d'inadéquation de dilatation thermique et, lorsqu'elle est soumise à des essais de cycles extrêmes, la matrice métallique de la soudure peut se briser.
Figure 1. Illustration d'une matrice, d'un support et d'une monture. Courtoisie de Sheaumann Laser Inc.
Par conséquent, les matériaux devraient être choisis en fonction de trois critères clés : 1) conductivité thermique élevée pour éliminer la chaleur de la matrice ; 2) dilatation thermique compatible à travers l'empilement métallique ; et 3) résistance du matériau pour maintenir l'intégrité structurale en cas de chocs et vibrations élevés. Grâce à une conception efficace, les contraintes thermiques entre les couches peuvent être réduites au minimum. Ce type de module laser est capable de survivre à plus de 2000 cycles de température et aux fortes forces g et profils de vibration associés au lancement.
La puce laser
Lorsque les lasers se déplacent dans l'espace, ils peuvent devoir fonctionner pendant plus de deux décennies sans réparations ni recalibrage.
Un élément essentiel pour obtenir une longue durée de vie est l'optimisation de la performance thermique de la puce elle-même. Si la température de la puce devient trop élevée, elle subira un stress et finira par griller avec le temps. Plus la dissipation de la chaleur est efficace, plus la durée de vie du laser sera longue.
Il est essentiel de concevoir les meilleures couches et épaisseurs de métal possibles afin d'éviter des impédances thermiques élevées entre les couches. Il faut déposer plusieurs couches de métal sur la puce d'arséniure de gallium (GaAs) qui couple thermiquement la puce à la soudure et la relie au support (Figure 2). Si les couches ne sont pas choisies correctement, la chaleur se réfléchit vers la puce. Bien que des outils de modélisation soient disponibles pour aider à cette tâche, des décennies d'expérience sont nécessaires pour maîtriser cet art ; la technique est si subtile qu'elle n'a pas été entièrement saisie dans les outils de modélisation. La puce doit fonctionner de manière fiable à des températures de jonction très élevées.
Figure 2. Détail d'une puce laser. Courtoisie de Sheaumann Laser Inc.
Performance
En plus de survivre à l'environnement difficile, le module laser doit également maintenir ses performances optiques. La dilatation thermique déplace la fibre par rapport à l'ouverture de la puce et réduit la lumière couplée à la fibre. Pour maintenir une puissance constante dans la fibre, le système doit être conçu pour réduire la sensibilité à ce mouvement. Une nouvelle approche pour atteindre cet objectif nécessite une modification de la structure de puits quantiques de la puce pour modifier la façon dont la lumière est émise par l'ouverture. Il en résulte un couplage plus élevé dans l'angle d'acceptation de la fibre.
Un boîtier sur-mesure et une conception en interne de chip laser peut permettre la création et la fabrication de structures de puces uniques. En modifiant les propriétés physiques du faisceau émis par la puce, il est possible de maintenir une puissance constante dans la fibre sur la plage de température requise.
Herméticité
Au-delà de la gestion thermique, l'herméticité du packaging représente également un défi. La durée de vie du laser est directement liée à des niveaux d'herméticité élevés. Les spécifications de Telcordia sont deux ordres de grandeur plus faibles que ce qui est nécessaire pour qu'un laser survive pendant 25 ans dans l'espace. Une façon d'atteindre ces niveaux est d'utiliser un nouveau procédé qui permet de sceller le raccord de couplage et le boîtier ensemble. La capacité à tester le boîtier pour déceler les faibles fuites et les fuites importantes à de tels niveaux exige des procédures avancées.
Parce que l'innovation est nécessaire pour qu'un module laser réussisse dans l'espace, les règles de conception traditionnelles doivent être brisées et les designs doivent être repensés à partir d’une feuille blanche. La capacité d'une entreprise à modifier la conception et la fabrication de ses diodes laser, ainsi que sa capacité à traiter et à monter ses produits en interne, sont les clés du succès.
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Adam Erlich est directeur des ventes et du marketing de Sheaumann Laser Inc. Au cours de ses 25 années de carrière en photonique, il s'est concentré sur le lancement de technologies novatrices.