Nghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởng

Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng .... Do đó đề tài được chọn: “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN VÀ PHỔ CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Công trình được hoàn thành tại phòng Laser và kĩ thuật ánh sáng, bộ môn Quang học và Quang điện tử, Viện Vật lý Kĩ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội và phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Thanh Phương

Phản biện 1: Phạm Hồng Minh

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Hảo

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

họp tại:………

Vào hồi giờ ngày tháng năm 20

Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

Và thư viện trường Đại học Khoa Học, khoa Vật lí & Công nghệ.

MỤC LỤC

MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG ii DANH MỤC HÌNH ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB

1.2 Laser bán dẫn công suất cao DFB 4 1.3 Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB 5 1.3.1 Đặc trưng quang điện 5

1.3.2 Đặc trưng phổ quang phụ thuộc dòng bơm 6

1.3.3 Độ rộng vạch phổ của laser DFB 6

Chương II KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 7

2.1 Công nghệ chế tạo laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nm sử

dụng trong nghiện cứu 7

2.1.1 Công nghệ tạo các lớp epitaxy và chế tạo cách tử trong laser DFB công suất cao vùng sóng 780 nm 7 2.1.2 Chế tạo thành laser bán dẫn DFB ống dẫn sóng gò và kim loại hóa 7

i

2.1.3 Phủ lớp phản xạ 7 2.1.4 Đóng vỏ 7 2.2 Phương pháp đo đặc trưng của laser bán dẫn công suất cao 7

2.2.1 Đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng 7

2.2.2 Hệ đo đặc trưng phổcủa laser bán dẫn công suất cao DFB phát vùng sóng 780 nm 8

2.2.3 Kỹ thuật đo độ rộng vạch phổ của laser bán dẫn DFB 8

Chương III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 10

3.1 Phân loại laser bán dẫn DFB 780 nm 10 3.2 Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng 10

3.3 Tính chất phổ của laser bán dẫn công suất cao biến đổi theo chiều dài buồng cộng hưởng 12

3.4 Tối ưu hoá độ rộng vạch phổ của laser theo chiều dài buồng cộng hưởng 15

KẾT LUẬN 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Giá trị độ rộng vạch phổ tương ứng tại các mức cường

độ tương đối từ hàm dạng

Voigt 9

Bảng 3.1: Laser bán dẫn DFB 780 nm sử dụng trong luận văn 10 Bảng 3.2: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài

buồng cộng hưởng 1,5 mm 11

Bảng 3.3: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài

buồng cộng hưởng 3 mm 12

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả các điện tử trong bán dẫn vùng

cấm thẳng Vùng dẫn cách vùng hóa trị một khe năng lượng Eg 2

Hình 1 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán

Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường

độ phân bố theo chiều ngang Ix

Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ của laser bán dẫn công suất

Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs về tần số ν

trong hệ đo self-delayed-heterodyne

9

Hình 3.1: Đặc trưng PUI của laser L1501 ở nhiệt độ 25oC 11

Hình 3.4: Đặc trưng PUI của laser L3001 ở nhiệt độ 25oC 12

Hình 3.7: Phổ laser L1501 tại công suất quang 100 mW 13 Hình 3.8: Bản đồ phổ của laser L1501 với bước thay đổi dòng là 10

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Laser có trong rất nhiều ứng dụng trong đời sống cũng như trongnghiên cứu như ghi dữ liệu, máy in laser, máy quét mã vạch, truyền dẫn thôngtin, gia công vật liệu, y tế, phẫu thuật thẩm mỹ Trong quân đội laser được dùng

để đánh dấu, đo khoảng cách và tốc độ của mục tiêu Trong giải trí laser được

sử dụng trong các sân khấu như hòa âm ánh sáng Laser phát xạ ở bước sóng 780

nm do đó cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong quang phổphân giải cao, làm lạnh bằng laser, đo lường quang học…

Tuy nhiên với các laser hiện nay như các laser rắn hoặc khí có nhân tầnhoặc laser buồng cộng hưởng ngoài… việc đưa vào ứng dụng trong các lĩnh vựcnày gặp khó khăn do kích thước, trọng lượng còn khá lớn, cơ cấu phức tạp

Với những thách thức trên, laser bán dẫn công suất cao phản hồi phân bố(Distributed feedback laser: DFB laser) là một lựa chọn thay thế hoàn hảo do kíchthước gọn nhỏ, hiệu suất quang điện cao, độ tin cậy cao

Do đó đề tài được chọn: “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN VÀ PHỔ CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB 780 NANO MÉT PHỤ THUỘC ĐỘ DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG”

Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong ba chương của luận văn như sau:

Chương 1: Các nguyên lý cơ bản của laser bán dẫn và tính chất quang điện và phổ

của laser bán dẫn công suất cao DFB

Chương 2: Phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính toán các thông số

cơ bản của laser bán dẫn

Chương 3: Các đặc trưng và tính toán các thông số của laser công suất cao và kết

luận

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB

1.1 Laser bán dẫn – nguyên lý cơ bản [13]

1.1.1 Cơ chế hấp thụ và phát xạ trong laser bán dẫn

Laser rắn và laser khí thông thường có các mức năng lượng biểu diễnbởi các vạch hẹp là các mức năng lượng của các nguyên tử riêng biệt Trong bándẫn, các mức năng lượng được mở rộng thành vùng năng lượng do sự chồng

2phủ của các quỹ đạo nguyên tử Với bán dẫn không pha tạp và khi không có bất

kỳ sự kích

thích từ bên ngoài nào, ở nhiệt độ T = 0 K, vùng năng lượng trên cùng được gọi làvùng dẫn và trống hoàn toàn, vùng năng lượng bên dưới vùng dẫn được gọi

là vùng hóa trị và được lấp đầy hoàn toàn bởi các điện tử Vùng dẫn và vùng hóatrị cách nhau một khe năng lượng có giá trị Eg = 0,5-2,5eV cho vật liệu bán dẫnlàm laser

Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả các điện tử trong bán dẫn vùng cấm thẳng.

Vùng dẫn cách vùng hóa trị một khe năng lượng E g

Với một mức năng lượng photon cố định  chỉ có hai mức năng lượng

riêng biệt E1kvà E2kvì sự chuyển mức chỉ có thể xảy ra ở cùng véc tơ sóng k như

trong Hình 1.1 Trong bán dẫn có ba dạng của bức xạ vùng – vùng được minh họatrong Hình 1.2

Hình 1 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn

- Sự hấp thụ, cũng được gọi là hấp thụ kích thích, là quá trình thứnhất minh họa trong Hình 1.2 Một photon được hấp thụ và một cặp điện tử - lỗtrống được phát sinh

- Quá trình thứ hai được gọi là phát xạ tự phát

- Quá trình thứ ba là phát xạ cưỡng bức - cảm ứng Một sự tái hợp của cặpđiện tử - lỗ trống được kích thích bởi một photon và một photon thứ hai được

4sinh

ra đồng thời có cùng hướng và pha như photon thứ nhất (cảm ứng) Quá trìnhnày có thể được sử dụng để khuếch đại bức xạ quang, vì các photon được phát rahoàn toàn giống photon kích thích về tần số, pha, phân cực và hướng, kết quả là

ta có phát xạ có tính kết hợp Nguồn ánh sáng dựa trên quá trình phát xạ nàycùng với thành phần phản hồi quang (ví dụ buồng cộng hưởng Fabry-Perot)

được gọi là laser, viết tắt của “Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation”.

1.1.2 Các thành phần cơ bản của laser bán dẫn

Laser bán dẫn phải được cấu thành từ các thành phần không thể thiếu dướiđây:

 Một môi trường tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích

 Một dẫn sóng quang để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện

 Một buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp quang

 Sự giam giữ dòng bơm vào, các hạt tải và các photon theo chiều ngang cần thiếtcho hoạt động đơn mode ngang (mode không gian) cơ bản

1.1.3 Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng

Trong laser bán dẫn sự khuếch đại quang đạt được trong vật liệu lớp tíchcực Trong trường hợp này, sự tăng theo hàm mũ của cường độ sóng quang cóthể được diễn tả bởi một giá trị âm của tương ứng với hệ số khuếch đại quang g

 Trong  dẫn sóng quang, chỉ một phần cường độ của mốt quang nằm trongvùng tích cực mà thông thường nằm ở trong lõi của dẫn sóng quang

1.1.4 Dẫn sóng và buồng cộng hưởng [13]

Laser bán dẫn hoạt động đòi hỏi một điều kiện quan trọng, cụ thể là dẫnsóng của sóng quang học trong miền tích cực Đơn giản là theo hướng thẳngđứng, dẫn sóng dựa trên tổng số phản xạ nội của sóng quang tại hai giao diệntheo luật của Snell, xem Hình 1.9

Hình 1.9: Sơ đồ của một ống dẫn sóng ba lớp [13]

Điều kiện cuối cùng được đề cập liên quan tới dao động laser là điều kiệnbuồng cộng hưởng Hầu như tất cả các buồng cộng hưởng laze bán dẫn cóthể

được xem như buồng cộng hưởng Perot Buồng cộng hưởng Perot bao gồm hai gương được song song với nhau Đối với laser bán dẫn để haigương song song dựa trên việc tách các mặt của tinh thể bán dẫn một cáchhợp lý Các mặt của laser bán dẫn được phủ với độ phản xạ cao ở phía sau và với

Fabry-độ phản xạ thấp ở mặt trước sao cho phù hợp với tỉ lệ công suất hiệu dụng của hệlaser Cấu hình của một laser bán dẫn được dựa trên buồng cộng hưởng Fabry-Perot được thể hiện trong Hình 1.11

Hình 1.11: Cấu hình của laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot.

1.2 Laser bán dẫn công suất cao DFB

Trọng tâm của phần này nêu một số đặc điểm cơ bản của laser DFB (laserphản hồi phân bố) bằng việc đưa vào buổng cộng hưởng một cách tử lọc lựabước sóng Trong laser DFB phản hồi quang không được bố trí ở các mặtgương mà được phân bố trong suốt chiều dài buồng cộng hưởng Do có cách tửtrong buồng cộng hưởng đã làm thay đổi cơ chế lọc lựa mode Hình 1.12 cho thấycấu trúc điển hình của một laser bán dẫn DFB với một cách tử Bragg nằm ngoàivùng tích cực

Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố

theo chiều ngang I x [17]

Phản hồi quang xảy ra dựa trên nguyên lý nhiễu xạ Bragg, khi kết hợp cácsóng truyền theo hai hướng từ phía trước và phía sau Cơ chế chọn lọc mode dọctuân theo điều kiện Bragg

1.3.Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB

1.3.1 Đặc trưng quang điện

a Đặc trưng công suất bức xạ phụ thuộc dòng bơm (P –I)

Đặc trưng công suất quang – dòng bơm (P-I) của laser biểu diễn sự phụthuộc vào dòng bơm của công suất quang lối ra Thông qua đường đặc trưngnày ta có thể xác định được nhiều thông số cũng như các tính chất quan trọng củalaser và module laser : dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc hay hiệu suất biến đổiquang điện… đồng thời làm sáng tỏ một số vấn đề về công nghệ chế tạo.Hình1.13 mô tả

đặc trưng công suất quang đầu ra của laser bán dẫn phụ thuộc dòng bơm

Hình 1.13: Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn

b Đặc trưng dòng thế ( I –V)

Đặc trưng dòng thế (I-V) là đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điệnkích chạy qua laser bán dẫn và điện thế đặt trên chuyển tiếp Từ Hình 1.14 ta thấyvới dòng kích rất nhỏ, điện thế tăng rất nhanh và khi đạt đến mức điện thếphân cực thuận đặt trên chuyển tiếp laser thì tốc độ tăng của thế so với dònggiảm đi Điều này chứng tỏ điện trở laser là phi tuyến và nó phụ thuộc vào dòngkích Khi chưa có điện áp phân cực thì điện trở laser rất lớn Còn khi đã đạt tớiđiện áp phân

cực thuận thì điện trở của laser bán dẫn giảm xuống còn rất nhỏ

V f

Hình 1.14: Đặc trưng I-V của một laser

c Hiệu suất biến đổi điện quang

Hiệu suất biến đổi điện quang ηc là một trong các đặc trưng quan trọng củalaser bán dẫn, cho biết hiệu suất biến đổi công suất điện đầu vào biến đổi thànhcông suất quang ở đầu ra Hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc vào nhiềuyếu tố trong đó có phụ thuộc vào công suất và chiều dài buồng cộng hưởng Cóthể đạt được công suất đầu ra như nhau trong laser bán dẫn với các chiều dàibuồng cộng hưởng khác nhau nhưng hiệu suất biến đổi sẽ khác nhau

1.3.2.Đặc trưng phổ quang phụ thuộc dòng bơm.

Hình 1.16 mô tả cụ thể phổ quang của một laser bán dẫn Fabry-Perot

dẫn sóng gò ở các giá trị trên và dưới ngưỡng phát laser Tại các giá trị dòng

khác nhau, phổ quang của laser bán dẫn sẽ có dạng khác

nhau

Bước sóng nm Bước sóng nm

Bước sóng nm

Bước sóng nm

Hình 1.16: Phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới ngưỡng (a),

gầnngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d).

- Ở dưới giá trị dòng ngưỡng I << Ith (Hình 1.16a): là vùng laser phát bức xạ huỳnh quang;

- Gần giá trị dòng ngưỡng I ~ Ith (Hình 1.16b và 1.16c): laser phát siêu huỳnh quang là vùng cạnh tranh giữa bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức

- Trên giá trị dòng ngưỡng I >> Ith (Hình 1.16d): là vùng phát laser;công suất quang đầu ra tăng tuyến tính với dòng cung cấp;

1.3.3 Độ rộng vạch phổ của laser DFB [13]

Chương II KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Công nghệ chế tạo laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nm sử dụng trong nghiện cứu [13]

Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả một số điểm quan trọng của dây chuyềncông nghệ là cơ sở để chế tạo các laser bán dẫn DFB công suất cao với cấu trúcống dẫn sóng gò (RW) Laser nghiên cứu trong khóa luận này đòi hỏi các bướcchế tạo sau đây, cụ thế là:

1) Tạo các lớp epitaxy trên nền tinh thể để tạo cấu trúc laser,

2) Xử lí các tấm vật liệu để bắt đầu chế tạo cách tử vào cấu trúc laser bằng

quang khắc(chiều tia UV),

3) Tạo laser ống dẫn sóng gò và kim loại hóa và cuối cùng,

4) Đóng vỏ cho laser

Dây chuyền công nghệ chế tạo của laser bán dẫn DFB công suất cao chế tạochủ yếu là tuân theo các bước trên Tuy nhiện, việc thực hiện chế tạo cách tử nộiđòi hỏi một quá trình liên tục Sau bước cuối cùng, cấu trúc Hình học của mộtlaser bán dẫn DFB công suất cao có dạng như trong Hình 2.1

Hình 2.1: Mô Hình cấu trúc laser DFB 780 nm.

2.1.1 Công nghệ tạo các lớp epitaxy và chế tạo cách tử trong laser DFB công suất cao vùng sóng 780 nm

2.1.2 Chế tạo thành laser bán dẫn DFB ống dẫn sóng gò và kim loại hóa

2.1.3 Phủ lớp phản xạ

2.1.4 Đóng vỏ

2.2 Phương pháp đo đặc trưng của laser bán dẫn công suất cao

2.2.1 Đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng

a) Đặc trưng P – I

Chúng tôi sử dụng hệ thí nghiệm với các thành phần được mô tả như ở Hình2.6 để đo công suất phụ thuộc dòng bơm của laser 780 nm phát ở chế độ liên

2.2.2 Hệ đo đặc trưng phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB phát vùng sóng 780 nm

Cấu trúc phổ của laser bán dẫn DFB 780 nm được chúng tôi nghiện cứu vàphân tích bằng hệ đo được mô tả theo sơ đồ Hình 2.10

Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ của laser bán dẫn công suất cao.

đo độ rộng vạch phổ của laser được mô tả như Hình 2.12

Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ của laser.

Giả sử laser được đo có tần số νs , sau khi đi qua bộ tách tia, phân đi qua

bộ điều tần, tần số bị dịch chuyển đi một đoạn là (νs - ν)

Tần số trung tâm dịch chuyển về vị trí :

Độ rộng ∆ν trong trường hợp này phụ thuộc vào thời gian trễ pha giữa

hai pha, hay nói cách khác phụ thuộc vào độ dài sợi quang L c

 MIN   g

Trong đó g= c/ng là vận tốc nhóm của tín hiệu laser truyền trong sợi quang có

chiết suất nhóm n g Như vậy với độ dài sợi quang 2 km, phương pháp này

Chúng tôi tiến hành đo đạc công suất và thế phụ thuộc dòng bơm của tất

cả các laser ở nhiệt độ 25oC Hình 3.1 là đặc trưng PUI của laser L1501 Laser đượccấp dòng bơm từ 0 mA đến 400 mA Ngưỡng phát của laser Ith có giá trị 41 mA.Trên dòng ngưỡng ta thấy công suất quang phát ra tương đối tuyến tính tăng đềuđến 238 mW ở 400 mA (đường màu xanh trên Hình 3.1) Từ đường đặctrưng công suất ta tính được hiệu suất độ dốc từ ngưỡng đến 100 mW là η = 0,79W/A Đường màu đỏ là thế rơi trên chuyển tiếp của laser tăng từ 1,6 V cho đến2,3 V Hiệu suất biến đổi quang điện được thể hiện trên đường màu đen Hiệusuất đạt giá trị cao nhất là 30%