Laser diode. Học cổng hưởng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BO MON VAT LY UNG DUNG LASER DIODE CAU TRUC CẢI TIỀN DỰA VÀO HOC CONG HUONG GVHD: PGS.. Dòng ngưỡng thâp Cải tiên Laser Diode: II Low threshold

Vý VýV¿Ini€NÍAYVVN.Ẵ£Ø@XW

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

BO MON VAT LY UNG DUNG

LASER DIODE CAU TRUC CẢI TIỀN DỰA VÀO

HOC CONG HUONG

GVHD: PGS TS Truong Kim Hiéu

HVTH: Phan Trung Vinh

Nguyên tắc hoạt động của Laser Diode

Before : At

contact C Ta mm Du mm km xa Er equili-

\ current At

, ¬ M Es

electron

holes

H2: Dòng phun của hạt tải đa số

H1: Tiếp xúc p-n dưới tác dụng điện trường phân cực

thuân

——————————————-

Á D8 8 8 ee ee

holes

H3: Tái hợp giữa lỗ trỗng và electron

phat ra photon

Mật d6 photon ttt Hốc cộng hưởng

và định hướng (resonant cavity)

H5: Sw phan xa nhiéu lan cua photon

trong hôc cộng hưởng

El296.9)p)6J\0]LPS2p]eJUZ2I90V222 ro)

ho

H4: Su

No Photons Spontaneous Emission

Conduction Band

>> ñ(›

Valence Band

(a)

Stimulated Emission

A

Conduction Band

Coherent Emission

ho

(b)

# khác nhau giữa bức xạ tự

phát (LED) (a) và bức xạ kích

thích (Laser Diode) (b)

Dòng phân cực thuận

Bề mặtnhám

Vùng lớp phủ >> Anh sang Hen eem Ý

Vung hoat 1 OO Lee 7 phat ra holes

Vùng lớp phủ 3>

Các mặt song song Vung hoạt tính

bóng và nhẫn : ¬¬ :

H7: Giàn đỒ vùng năng lượng

H6: Câu trúc của một laser diode sử của một laser diode chuyên

dụng hốc cộng hưởng Fabry-Perot tiép di the (heterojunction)

Mode 1 olished Eee các mode trong hộc có bước

H8: Các mode cộng hưởng lan truyền bên =

trong hộc Fabry-Perot q = 1,2,3, ; L: chiều dài hóc;

Mlocle = trupeyeie) fin) tty fein truyar À: bước sóng ánh sáng trong

hdc

Polished Face /

Dòng ngưỡng thâp

Cải tiên Laser Diode:

II (Low threshold current)

cao (High Modulation Hốc cọ, điện typ

H9: Cac mode

lan truyền trong hôc

Hướng dao động

Điện trường phân cực thuận ~

Độ cao rào thê Mật độ hạt tải

Mật độ photon phat ra ~

Mode cé mat dé photon cao nhat tai

1.46 1590 năng lượng photon lân cận peak phổ (H10

1.42 Photon Energy (eV)

H10: Đường cong độ dôi (gain) theo năng

lượng photon kích thích tại các mật độ hạt

tải được phun khác nhau đôi với GaAs tai 300K | Photon co nang Mật độ

lượng nhất định cao nhất

Mat do photon phat xa (xer 4) cliieu)

d lớn > Xuat hiện thêm các mode

có tân số lớn dao động trong hỗốc

=> Mật độ photon phát ra ngoài hỗc

dòng phun và cường độ laser phát

ra > Xuât hiện các điểm uốn (kink)

=> Gây nhiễu trong truyên thông tin

Injection current — —=,—=

Khac phuc

laser phát ra theo cường độ dòng

phun hat tai tai d; nho (dwong Hoc dân do doi Hoc dan chiéet suat

bén trai) va d, lớn (đường bên phải) (Gain guided [Ị (Index guided |

L cavities) II cavities)

¡_ Hốc dẫn độ dôi (Gain guided cavities) |

Stripe width

Az

<7 |

ide Ce teh seers ti | <— Oxide

OEE Tas tt.” xide

D 0A: si km2 ,Aoca AI A UX Active layer

p-Al,Gay_,AS SMM ae GarxAs | ha” Pies

GaAs >0 ° SN :

«

————

2 EEE

H12: Laser cau trúc đa lép (The stripe

geometry laser) va su phan bố mật độ

dòng và nông độ hạt tải theo tọa độ (y,z)

Phủ trên bê mặt bán dân p một lớp SiO, móng và một lớp kim loại

mỏng Khắc một khe hẹp bê rộng 5 - 10um trên lớp SiO, (gọi là stripe) Nhờ đó, dòng phun hạt tải bị giam trong một không gian rất hẹp.

Í_ Hốc dẫn chiết suất (Index guided cavities) |

p-Al,Ga, -xAS

Cerca

n-Al,Gay_,AS

n-GaAs

Anh sang laser

D11 111142) 22271014 HỆ,

^

%

n-AlGaAs

H13: Laser câu trúc dị thê chôn (Buried

heterostructure laser)

Lớp kim loại

Ưu điểm: dễ dàng chế tạo

dụng hôc ¡ Chỉ dùng gương phẳng để tạo trạng thái

Fabry-Perot sóng dừng = không có sự ưu tiên cho

những mode đặc biệt

Chỉ có một vài mode tham gia vào việc

phát laser

Lager ofiZin ĐỖ hội tiễo of

(Tne cistriouitse foscoziex leiser)

Co su lwa chon mode dua vao sv lan truyén cua cac song

Excited region

«— n-GaAs substrate

«€— Au-Ge-Ni contact

poe ee

ee

7 /<— p-GaAs (active)

n-Alp 3Gay 7As

H14: Laser phân bô hồi tiếp có một mặt phân cách

có câu trúc tuân hoàn Sóng quang học bị giam do

mặt phân cách câu trúc tuân hoàn

Output Laser

sư 2scc

Optical Wave Field

——

_ — À;: bước sóng của câu trúc tuân hoàn

|

|

|

ằƠ

o | 2

Àp

©

» | <F- F+ ®> 2 |

oO = —

= o

Y Fe

2 7 a sere: oT error hee ES Neen ET yf Deere tee Ni Ais

-L/2 0 L/2 m=2 m= 1 m= 0 Ap m= s0 m=] m =2

(c) Wavelength

H15: (a) Sự dao động của laser trong câu trúc tuần hoàn phân bồ hồi tiêệp có một mặt phân cách có câu trúc tuần hoàn; (b) Biên độ trường của sóng lan truyền sang trái F_ và sóng lan truyền sang phải F theo khoảng cách z; (c) Cường độ laser phát tương ứng với bước sóng

Laser Hạn chê:

phát I_ Kích thước lớn

II Khó sản sinh ánh sáng laser có cường độ lớn

xạ cạnh

(Tri 3Urfza\c2 arnitting laser)

GaAs/AlAs DBR

fagg DBR —>E= Nhà : ` mInP

Reflector contact X (Substrate)

(B Ộ ph ản xạ n-GaAs Substrate (Cladding)

^ „ p-GalnAsP

Ấ _—— p-InP

bo Bragg) laser phat xa mat | (Ciadding)

J2

Active Region /

Contact Si/SiO, DBR

Ea eo ”? dy

=m = sad

nd) = À/4= Ny od

DBR { =

Active |

Layer l

DBR

Surface Emitting Laser

Ậ Wavelength ——>

H17: Cau tao cua DBR va do phan = 2(n,,d) + 1,949)

xạ tương ứng với bước sóng

GaAs/AlAs DBR

=

Hạn chế:

I Gây trở ngại cho DBR §§_ CC Actve

tải n-contact

=> Giảm hiệu suất

laser

Trong thực tê, tùy vào yêu câu và mục đích sử dụng,

dùng laser phát xạ cạnh hay laser phát xạ mặt.