Khảo sát các chữ kí số dựa trên hệ rsa nghiên cứu lược đồ chữ kí rsa pss và những chuẩn hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TỐNG QUANG CÔNG NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 67

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TỐNG QUANG CÔNG

NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER

BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ

VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 670 nm

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội – 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TỐNG QUANG CÔNG

NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER

BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ

VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 670 nm

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô

Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Vũ Doãn Miên

Hà nội -2011

Mục lục

Danh mục các từ viết tắt i

Danh mục bảng ii

Danh mục hình iii

MỞ ĐẦU 1

Chương - 1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA LASER DIODE VÀ TÍNH CHẤT CHÙM TIA 3

1.1 Nguyên lý hoạt của laser diode 3

1.1.1 Sự phát xạ và sự hấp thụ trong chất bán dẫn 3

1.1.2 Các thành phần cơ bản của laser bán dẫn 10

1.1.3 Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng 13

1.1.4 Sự giam giữ quang ngang 17

1.2 Cấu trúc cơ bản của các laser diode công suất cao 19

1.2.1 Cấu trúc giếng lượng tử 19

1.2.2 Khái niệm buồng cộng hưởng quang rộng (Large Optical Cavity) 21

1.3 Tính chất chùm tia của laser diode 24

1.3.1 Một số nguyên lý cơ bản đánh giá thông số và chất lượng chùm tia 24

1.3.2 Sự phân bố mật độ công suất 25

1.3.3 Phân bố trường xa 25

1.3.4 Phân loại chùm tia 25

Chương - 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 27

2.1 Laser bán dẫn công suất cao 670nm 27

2.1.1 Laser bán dẫn cấu trúc dải rộng (Broad Area) dùng trong nghiên cứu 27

2.1.2 Laser bán dẫn cấu trúc Taper 28

2.2 Phương pháp đo các đặc trưng của Laser bán dẫn công suất cao 29

2.2.1 Đặc trưng I-V , P-I 29

2.2.2 Đặc trưng phổ 30

2.2.3 Đặc trưng Phân bố trường xa 30

2.3 Kỹ thuật ghép nối module laser 670nm với sợi quang đa mốt 31

2.4 Phương pháp đo hệ số M 2 33

2.4.1 Phương pháp khe hẹp (slit method) 33

2.4.2 Thừa số truyền chùm M2 34

Chương - 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .35

3.1 Các đặc trưng cơ bản của của laser bán dẫn BA và laser bán dẫn Taper 35

3.1.1 Đặc trưng I-V của laser bán dẫn công suất cao 670 nm 35

3.1.2 Đặc trưng Công suất quang phụ thuộc dòng bơm 36

3.1.3 Phổ quang của laser bán dẫn 670nm 39

3.1.4 Phân bố trường xa 44

3.2 Hiệu suất ghép nối Laser 670 nm với sợi quang đa mốt 48

3.3 Chất lượng chùm tia của laser 670nm 51

3.3.1 Độ rộng cổ chùm (beam waist) 51

3.3.2 Thừa số truyền chùm M 2 51

KẾT LUẬN 53

Các bài báo đã công bố 55

Tài liệu tham khảo 56

Danh mục các từ viết tắt

GRINSCH Graded-index separate-confinement Heterostructure

Dị chuyển tiếp giam giữ tách biệt có chiết suất biến đổi từ từ

SCH Separate-Confinement Heterostructure

Dị chuyển tiếp giam giữ tách biệt TEC Thermoelectric Cooler Bộ làm lạnh nhiệt điện

Danh mục bảng

Bảng 3.1: Dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD Taper 3o 37

Bảng 3.2: Dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD Taper 4o 38

Bảng 3.3: Dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD BA 39

Bảng 3.4: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser BA 41

Bảng 3.5: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser Taper 4o 43

Bảng 3.6: sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc Taper 4o 44

Bảng 3.7:Thông số kỹ thuật của loại sợi quang đa mode được sử dụng 48

Bảng 3.8: Các thông số chùm của laser BA và các laser Taper cấu trúc 3o và 4o 52

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 4Hình 1 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn 6Hình 1.3: Chuyển tiếp p-i-n cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận 10Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) và điện trường (photon) sử dụng cấu trúc dị thể kép theo trục thẳng đứng x của laser bán dẫn phát cạnh Sơ đồ vùng năng lượng E(x) với vùng dẫn và vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) của dẫn sóng điện môi (giữa), sự phân bố điện trường �(x) của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z 12Hình 1.5: một sóng đứng có m=7 trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot với chiều dài buồng cộng hưởng L 13Hình 1.6: Phổ khuếch đại quang của vật liệu bán dẫn khối GaAs ở mật độ hạt tải N=2-6x1018 cm-3 Ở năng lượng photon nhỏ hơn năng lượng độ rộng vùng cấm của GaAs (Eg=1.42 eV), vật liệu là trong suốt Khuếch đại quang xảy ra ở các năng lượng gần độ rộng vùng cấm, đỉnh của đường cong khuếch đại dịch về phía sóng ngắn khi mật độ hạt tải tăng do hiệu ứng điền đầy vùng năng lượng Nếu năng lượng photon cao hơn nữa hiện tượng hấp thụ xảy ra [9] 14Hình 1.7: Phân bố cường độ quang J(x) theo hướng thẳng đứng x của mode quang cơ bản

có dạng gần gauss cho laser phát cạnh với độ dày miền tích cực d 15Hình 1.8: Cường độ của sóng quang trên đường truyền trong buồng cộng hưởng Fabry Perot với chiều dài L và hệ số phản xạ R1 và R2 16Hình 1.9: Ba dạng giam giữ ngang cơ bản: giam giữ dòng, giam giữ quang và giam giữ hạt tải 17Hình 1.10: Các cấu trúc laser với các dạng giam giữ khác nhau .18Hình 1.11: Phổ khuếch đại vật liệu g� ��0 của đơn giếng lượng tử Ga0.8In0.2As có độ dày 8nm trong vật liệu khối ở mật độ hạt tải khác nhau N=2-6.1018 cm-3 Do mật độ trạng thái D(E) trong giếng lượng tử cao, điểm cực đại của đường cong khuếch đại gần như không dịch theo bước sóng Tại mật độ điện tử cao hơn, các chuyển mức gây bởi vùng con thứ hai của giếng lượng tử đóng góp vào sự khuếch đại (tạo ra cực đại thứ hai) [8] 20

Hình 1.12: Các cấu trúc thẳng đứng khác nhau cho sự giam giữ riêng biệt của hạt tải điện

và mốt quang Đồ thị diễn tả năng lượng vùng cấm phụ thuộc vào vị trí theo trục thẳng

đứng 21

Hình 1.13: Cấu trúc laser công suất cao điển hình 22

Hình 1.14: Cấu trúc dẫn sóng thẳng đứng, và sự tính toán phân bố cường độ trường gần cho laser bán dẫn 23

Hình 1.15: Phân bố mật độ công suất của các dạng chùm tia 26

Hình 2.1 : Cấu trúc các lớp của laser phát ở vùng sóng 670 nm 27

Hình 2.2 : Cấu trúc Taper, với L1 là độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải của Taper, w1 độ rộng vùng tạo dao động 28

Hình 2.3: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V-P của Laser 29

Hình 2.4: Sơ đồ đo phổ của laser 30

Hình 2.5: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa 31

Hình 2.10: Minh họa các thông số cơ bản của chùm tia 34

Hình 3.1: Đặc trưng I-V của laser Taper FBHCO15761 35

Hình 3.2: Đặc trưng I-V của laser BA FBHCO160033 36

Hình 3.3: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser Taper 3o 36

Hình 3.4: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser Taper 4o 38

Hình 3.5: Đặc trưng Công suất phụ thuộc dòng bơm LD BA FBHCO160033 39

Hình 3.6: Phổ quang của laser BA FBHCO160033 40

tại các giá trị dòng hoạt động khác nhau 40

Hình 3.7: Phổ quang của laser BA tại dòng hoạt động 800 mA với các giá trị nhiệt độ hoạt động khác nhau 41

Hình 3.8: Phổ quang của laser Taper 4otại các giá trị dòng hoạt động khác nhau, nhiệt độ hoạt động 25oC 42

Hình 3.9: Phổ quang của laser Taper 4o tại dòng hoạt động 600 mA với các giá trị nhiệt độ hoạt động khác nhau 43

Hình 3.10: Độ rộng phổ của laser Taper 44

Hình 3.11: Phân bố trường xa của laser dải rộng (BA) FBHCO160033 45

a) Hướng song song với chuyển tiếp 45

b) Hướng vuông góc với chuyển tiếp 45

Hình 3.12: Phân bố trường xa của laser cấu trúc Taper 3o 45

Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc Taper 3o tại các nhiệt độ khác nhau 46

Hình 3.14: Phân bố trường xa của laser cấu trúc Taper 4o 47

Hình 3.15: Phân bố trường xa của module laser 48

Hình 3.16: a) Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của LD và module LD 49

b) Sự phân bố thành phần công suất theo góc 49

Hình 3.17: Mô phỏng chùm sáng laser ghép với sợi quang kích thước 400 �m, ứng với các khẩu độ số khác nhau của laser cấu trúc Taper (a, b, c)và laser cấu trúc dải rộng (BA) (d, e, f) 50

Hình 3.18: Phân bố cường độ công suất theo vị trí cổ chùm 51

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây laser bán dẫn công suất cao phát ở các bước sóng khác nhau trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại gần được nghiên cứu trong nhiều phòng thí nghiệm về quang tử trên thế giới cũng như đang được triển khai ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như phục vụ nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp, y tế và an ninh quốc phòng

Laser bán dẫn công suất cao cấu trúc giếng lượng tử phát ở vùng ánh sáng đỏ được quan tâm nghiên cứu nhiều do những ứng dụng to lớn mà nó mang lại Ví dụ laser rắn (Cr:LiSAF) phát xung femto giây có thể được bơm bởi laser bán dẫn phát trong vùng 650nm tới 740nm [5] Trong tương lai thị trường laser đỏ (630nm tới 640nm) phục vụ cho công nghệ trình chiếu là rất lớn Một ứng dụng khác với tiềm năng to lớn có thể thấy trước được đó là ứng dụng trị liệu trong y học [3,6]

Các laser bán dẫn công suất cao hiện nay được chế tạo chủ yếu trên cơ sở cấu trúc giếng lượng tử ở vùng tích cực (vùng xảy ra dao động laser) Vùng tích cực thường gồm nhiều lớp giếng lượng tử với độ dày khoảng vài tới vài chục nano mét Các cấu trúc laser bán dẫn vùng ánh sáng đỏ có sự khác nhau rất ít giữa độ rộng khe năng lượng (vùng cấm) của vật liệu chế tạo giếng lượng tử (thông thường

là GaInP với độ dày từ 5 ÷ 10 nm) và độ rộng khe năng lượng của vật liệu chế tạo các lớp dẫn sóng (AlGaInP) Bởi vậy chiều cao hàng rào là khá thấp cho các hạt tải trong miền tích cực Vật liệu (Al x Ga1�x)0.5In0.5P được sử dụng cho cấu trúc dẫn sóng, vật liệu như vậy với thành phần Al cao hơn được sử dụng cho các lớp vỏ, trong nhiều trường hợp là AlInP Các cấu trúc hình học chính được sử dụng để chế tạo laser công suất cao ở vùng ánh sáng đỏ là cấu trúc dải rộng BA (Broad Area) và cấu trúc vuốt thon (taper)

Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu một số tính chất vật lý quan trọng nhất đối với laser bán dẫn công suất cao phát ở vùng sóng ánh sáng đỏ nhằm mục đích nghiên cứu, tìm hiểu về laser cũng như phục vụ cho các mục đích ứng dụng khác nhau Đặc trưng được quan tâm nhất của laser diode công suất cao phát ở vùng sóng 670nm là công suất phát phụ thuộc dòng bơm và các tính chất của chùm tia Đối với các laser được chế tạo với các lớp epitaxy như nhau, laser bán dẫn cấu trúc BA có công suất phát lớn hơn so với laser cấu trúc Taper và thường có dòng ngưỡng hoạt động lớn hơn Tuy nhiên chất lượng của chùm tia của laser Taper là tốt hơn so với của các laser cấu trúc BA Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm được đo tại các giá trị nhiệt độ khác nhau từ đó tính được nhiệt độ đặc trưng của

laser cấu trúc loại này Sự phân bố mật độ công suất được đo tại các giá trị dòng khác nhau, nhiệt độ hoạt động khác nhau Hiệu suất ghép nối bức xạ laser với sợi quang được tính từ sự phân bố mật độ công suất của laser Các đặc trưng phổ quang, độ rộng cổ chùm tia được khảo sát nhằm mục đích tính toán hệ số truyền chùm tia M2.`

Việc đo đạc các tính chất đặc trưng cơ bản như là P-U-I, đặc trưng phổ, phân

bố trường xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M2 của laser bán dẫn có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế các hệ thống tạo chùm tia cho các mục đích sử dụng khác nhau như là:

� Tạo ra một chùm tia song song với đường kính chùm xác định

� Tạo ra một chùm tia hội tụ với đường kính cổ chùm xác định

� Tạo ra chùm tia có góc phân kỳ nhất định

� Thay đổi hướng, vị trí của chùm tia theo phương vuông góc với hướng lan truyền của chùm tia

� Tạo ra ảnh phóng đại ở một vị trí xác định

Các tính chất đặc trưng của laser được đo đạc, tính toán đối với cả hai loại laser bán dẫn cấu trúc BA và cấu trúc Taper có góc mở 3o hoặc 4o Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong ba chươngcủa luận văn như sau:

Chương 1: Nêu ra các nguyên lý cơ bản của laser diode và tính chất chùm tia laser Chương 2: Trình bày phương pháp kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính toán các thông số cơ bản của laser bán dẫn

Chương 3: Trình bày các kết quả đo các đặc trưng và tính toán các thông số của laser công suất cao vùng ánh sáng 670nm có cấu trúc BA và cấu trúc Taper

Chương - 1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA LASER DIODE VÀ TÍNH CHẤT CHÙM TIA

1.1 Nguyên lý hoạt của laser diode

T=0 K, vùng năng lượng trên cùng được gọi là vùng dẫn và được bỏ 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 hóa trị cách nhau một khe năng lượng

có giá trị Eg = 0.5-2.5eV cho vật liệu bán dẫn làm laser diode công suất cao

Hai loại hạt tải đóng góp vào quá trình dẫn điện đó là điện tử trong vùng dẫn và

lỗ trống trong vùng hóa trị Một điện tử tự do có động năng E� p2 ( 2m0), khối lượng m0=9.109534x10-31 kg Khi điện tử được xem xét như là hạt trong cơ học lượng tử ta có momen xung lượng p �� k tỉ lệ với số sóng k� 2 � / � và hằng số Planck =6.582173x10-16eVs, trong đó � là bước sóng Vậy đối với một điện tử tự

do ta có sự phụ thuộc của năng lượng vào số sóng là E(k) �� �� 2k2 /�2m0� Trong bán

dẫn các mức năng lượng của điện tử trong vùng dẫn E c (k) và trong vùng hóa trị

E v (k) có số sóng k nhỏ được biểu diễn như sau [6]:

2)( ,2)

(

2 2 2

2

h

v e

g c

m

k k

E m

k E

k

Hình 1.1 là giản đồ năng lượng trong không gian vec tơ sóng k của bán dẫn

vùng cấm thẳng Sự tương tác của các hạt tải với mạng tinh thể chất rắn xảy ra được giải thích bởi khái niệm khối lượng hiệu dụng cho các điện tử m evà cho các

lỗ trống m h, khối lượng này khác so với khối lượng m0 ở trên Từ sự phụ thuộc của

� �k

E trong vùng hóa trị có dạng parabol âm, các lỗ trống có thể đóng góp như các hạt với điện tích dương

Sự chuyển mức vùng vùng có phát xạ là sự phát sinh và tái hợp của các cặp điện

tử lỗ trống tương ứng với sự hấp thụ hoặc phát xạ các photon Trong sự chuyển mức này, năng lượng Evà momen lượng tử �kphải được bảo toàn Do giá trị cao

của tốc độ ánh sáng c�2,997925�1010cm/s, momen lượng tử của các photon

c E c

� cho mức năng lượng E ph trong khoảng 0,5-2,5eV có thể được bỏ

qua khi so sánh với mômen lượng tử của các hạt tải điện Bởi vậy một chuyển mức bức xạ giữa một điện tử trong vùng dẫn với năng lượng E2(k2) và một lỗ trống trong vùng hóa trị với năng lượng E1� �k1 dưới dạng phát xạ hoặc hấp thụ một photon chỉ có thể xảy ra ở cùng một số sóng k

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

Như trong hình 1.1 chỉ ra, các chuyển mức này có thể được minh họa bởi các mũi tên thẳng đứng với năng lượng photon �� các mũi tên này hướng lên trên cho

sự phát sinh và hướng xuống dưới cho sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống Trong trạng thái cân bằng nhiệt, các hạt tải có xu hướng chiếm giữ các trạng thái với năng lượng thấp nhất Với các điện tử đó là các trạng thái ở đáy vùng dẫn và năng lượng tối thiểu của các lỗ trống tích điện dương là trên đỉnh của vùng hóa trị Đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn của bán dẫn vùng cấm thẳng ở vị trí k � 0 Trong bán dẫn vùng cấm xiên như Si, Ge đỉnh và đáy có giá trị k khác nhau; bởi vậy tái hợp vùng

– vùng chỉ có thể xảy ra với sự tham gia của phonon hoặc các bẫy Xác xuất tái hợp với sự tham gia của nhiều hạt là rất nhỏ và thông thường các tái hợp này là không bức xạ, vì vậy các bán dẫn vùng cấm xiên là không phù hợp cho việc chế tạo laser bán dẫn

Trong trạng thái cân bằng nhiệt ở nhiệt độ T, xác xuất có một trạng thái với năng lượng Eđược chiếm giữ bởi một điện tử được diễn tả bởi hàm Fermi f�E,T�

1 exp

1 ,

E E T

E f

B F

(1.3)

ở T � 0 K, hàm Fermi là hàm nhảy bậc có giá trị 1 bên dưới mức năng lượng Fermi E F và có giá trị 0 cho các mức năng lượng cao hơn Trong bán dẫn không

pha tạp mức Fermi nằm ở giữa vùng dẫn và vùng hóa trị Với nhiệt độ T lớn hơn

0K, hàm Fermi nhòe ra trong dải E F � 2k B T , với k B=8,617347 x 10-5 eV/K là hằng

số Boltzmann

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 họa trong hình 1.2 Quá trình thứ nhất được gọi là phát xạ tự phát, ở đó sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống dẫn đến sự phát xạ của một photon Đây là quá trình chiếm ưu thế trong đi ốt phát quang LEDs (Light – Emitting Diodes) Sự phát xạ của photon

có hướng, pha, thời gian ngẫu nhiên làm cho bức xạ không có tính kết hợp Vì quá trình này phụ thuộc vào sự tồn tại của một điện tử ở mức E2 và một lỗ trống ở mức

� �E1

D nhân với xác xuất không bị chiếm giữ bởi các điện tử �1 � f�E1,T� � Vậy tốc độ chuyển mức trên đơn vị thể tích cho phát xạ tự phát của photon với mức năng lượng cố định �� �E2 �E1 có thể được viết như sau:

� � �E f E T� � �D E � f�E T� �

AD

Với A là hằng số tỉ lệ cho phát xạ tự phát

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 thứ hai minh họa trong hình 1.2 Một photon được hấp thụ và một cặp điện tử - lỗ trống được phát sinh Đây là một quá trình ba – hạt và tốc độ chuyển mức R12bởi vậy tỉ lệ với sự tạo

ra của ba mật độ hạt: thứ nhất, mật độ trạng thái không chiếm giữ D� �E2 �1 � f�E2,T� �

trong vùng dẫn ở mức năng lượng E2, thứ hai, mật độ trạng thái bị chiếm giữ bởi điện tử D� � �E1 f E1,T� trong vùng hóa trị ở mức E1, thứ ba mật độ của photon �� ���với năng lượng �� �E2 �E1

của “light amplification by stimulated emission of radiation” Tương tự với hấp thụ

kích thích (1.5), tốc độ chuyển mức R21 cho phát xạ kích thích có thể được diễn tả như sau:

� � � � �D E f E T� � �D E � f�E T� �

B

Với B21là hằng số tỉ lệ cho phát xạ kích thích

Khi bán dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt đối với các photon, không có năng lượng nào được chuyển từ bán dẫn tới trường phát xạ quang, vì vậy hấp thụ và phát

xạ phải cân bằng:

sp R R

,

1 2

2 1

12

21

T E f T E f

T E f T E f B

A B

, ,

, ,

, 1

1

2 2

1 2

2 1

1 12

T E f T E f T E f T E f

T E f T E f T E f B

A B

k

E E

T k

E E B

A B

B

B

B F B

1

2

12 12

21

12 exp

) (

B T k B

Mật độ phổ năng lượng u� �� d� tại tần số � trong môi trường chiết suất n cho

bức xạ trong trạng thái cân bằng nhiệt được cho bởi công thức Planck cho vật đen tuyệt đối:

T k

hv c

v hn dv

v u

B

1 exp

1 8

3

3 3

Chia mật độ năng lượng u� �v cho năng lượng photon ��ta thu được mật độ photon �� ��� Ngoài ra, mối liên hệ � � 2 �v,h� 2 �� và d� � � ��� �d hv �hdv đã được

n d

B

1 exp

1

3 3 2

2 3

�E T�

f v ,

1 exp

1 ,

E E T

E f

B F c

c

1 exp

1 ,

E E T

E f

B Fv

Các phương trình là giống với hàm Fermi cân bằng, nhưng các mức năng lượng Fermi E F cvà E F vđược sử dụng cho phân bố hạt tải trong vùng dẫn và trong vùng hóa trị Trạng thái không cân bằng có thể được mô tả bằng cách thay thế

�E T� f �E T�

f 1, � v 1, và f�E2,T�� f c�E2,T� Để xác định một sóng quang với năng lượng lượng tử ��được hấp thụ hoặc khuếch đại bởi phát xạ kích thích, thương số của tốc độ R12 và R21đã được tính

E E

T k

E E

T k

E E

T E f

T E f

T E f T E f T E f

T E f T E f T E f T E f T E f

T E f T E f R R

B

F F

B F B F

v c

c v

c

c v

v v

c

c v

v c

v c

�

� exp

exp

exp

1 , 1

1 , 1

, ,

,

, ,

, ,

1 ,

, 1

,

1 2

1 2

2 1

2

2 1

1 1

2

2 1

21 12

Trong trạng thái này, gọi là trạng thái đảo, hàm mũ lớn hơn 1 và tốc độ phát xạ kích thích lớn hơn tốc độ hấp thụ Hoạt động laser yêu cầu một quá trình được gọi

là bơm tạo thành một sự phân bố hạt tải giả cân bằng trong vật liệu bán dẫn Mặc

dù quá trình bơm cũng có thể được cung cấp bằng sự kích thích quang của các cặp điện tử lỗ trống, một ưu điểm chính của laser bán dẫn so với các loại laser khác là chúng có thể dễ dàng bơm bởi dòng điện khi diode bán dẫn được phân cực thuận như trong hình 1.3 Vì lý do này, laser bán dẫn được bơm bằng điện cũng được gọi

là laser diode

Tất cả các laser diode bán dẫn sử dụng cấu trúc p-i-n dị thể kép phân cực thuận

để đạt được sự đảo mật độ hạt tải một cách dễ dàng Trong dạng cấu trúc này, một lớp bán dẫn không pha tạp với vùng cấm thẳng được kẹp giữa vật liệu pha tạp loại

n và loại p với chiết suất cao hơn

Hình 1.3: Chuyển tiếp p-i-n cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận

Để đánh giá tỉ lệ giữa số các hạt tải tái hợp bằng phát xạ kích thích và phát xạ tự phát, tỉ lệ giữa các tốc độ R21và R sp được tính toán sử dụng công thức (1.4), (1.6), (1.14)

n

c A

B R

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 dưới đây:

� 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 thiết cho hoạt động đơn mode ngang (mode không gian) cơ bản

Môi trường khuếch đại quang bao gồm lớp tích cực là bán dẫn vùng cấm thẳng không pha tạp, được đưa vào giữa các lớp bán dẫn pha tạp loại p và loại n có độ rộng vùng cấm lớn hơn Khi lớp chuyển tiếp p-i-n này được phân cực thuận, các điện tử và lỗ trống được đưa vào miền tích cực và sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích có thể xảy ra Hơn nữa, cấu trúc hàng rào dị thể kép giúp việc giam giữ các hạt tải trong miền tích cực tốt hơn Lớp tích cực phải bao gồm vật liệu bán dẫn khối với độ dày trung bình 100 nm, một hoặc nhiều lớp giếng lượng tử có độ dày trung bình 10 nm Cấu trúc giếng lượng tử được bàn luận trong mục 1.2

Môi trường dẫn sóng quang điện môi bao gồm một lớp lõi với hệ số phản xạ cao được đặt trong bên trong vật liệu vỏ với hệ số phản xạ thấp hơn Hình 1.4 minh họa

sự dẫn sóng quang cho laser cấu trúc dị thể kép Lớp tích cực với độ rộng vùng cấm

g

E , chiết suất n f và độ dày d được kẹp giữa các lớp vỏ với độ rộng vùng cấm E g,cl

và chiết suất n cl Nếu độ chênh lệch chiết suất �n�n f �n clvà độ dày lõi d của miền dẫn sóng là đủ nhỏ, chỉ có mode cơ bản với phân bố trường dạng Gauss có thể truyền trong dẫn sóng Sóng quang chạy theo hướng của dẫn sóng có chiết suất

hiệu dụng n eff nằm giữa chiết suất của lớp lõi và lớp vỏ (n cl �n eff �n f ) Hình 1.4 chỉ

ra cấu trúc lớp tạo ra sự giam giữ hạt tải và sóng quang

Trong laser giếng lượng tử, các cấu trúc giam giữ tách biệt là cần thiết, ở đó các hạt tải được giam giữ trong các giếng lượng tử và sóng quang được giam giữ trong một cấu trúc dẫn sóng điện môi tách biệt

Buồng cộng hưởng Fabry-Perot thường được sử dụng cho các laser bán dẫn công suất cao Hình 1.5 chỉ ra buồng cộng hưởng loại này bao gồm hai gương cách

nhau một khoảng L, vật liệu tích cực laser có chiết suất hiệu dụng n eff Khoảng cách giữa hai mốt dọc là �0 2n eff với �0 là bước sóng trong chân không Buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp khi một sóng đứng sinh ra giữa hai gương

Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) và điện trường (photon) sử dụng cấu trúc dị thể kép theo trục thẳng đứng x của laser bán dẫn phát cạnh Sơ đồ vùng năng lượng E(x) với vùng dẫn và vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) của dẫn sóng điện môi (giữa), sự phân bố điện trường �(x) của mode quang cơ bản chạy dọc theo

hướng z

,

, , m n

m L

eff

321 ,2

m là số nguyên và là số bậc của mốt dọc, �0là bước sóng trong chân không Các laser dùng cho hệ thống viễn thông có các dạng buồng cộng hưởng quang khác như buồng cộng hưởng phản hồi phân bố (DFB) hoặc phân bố phản xạ Bragg DBR, [1,2]

Hình 1.5: một sóng đứng có m=7 trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot với chiều dài

buồng cộng hưởng L

Như trên đã nói, sự giam giữ quang và hạt tải theo hướng vuông góc với mặt phẳng lớp tích cực (hướng thẳng đứng) là cần thiết Để thu được hoạt động đơn mode theo cả hai hướng vuông góc phương truyền sóng, sự giam giữ ngang song song với lớp tích cực là cần thiết Có hai cơ chế giam giữ quang theo chiều ngang này: sự giam giữ dòng trong các laser bán dẫn dẫn hướng (hay dẫn sóng) khuếch đại (gain-guided) ví dụ như trong các laser dải hình học hoặc sự giam giữ quang ngang tạo ra bởi sự dẫn hướng (hay dẫn sóng) chiết suất (index-guided) như trong laser chuyển tiếp dị thể vùi

Khi đi qua một vật liệu hấp thụ theo hướng z, cường độ J của sóng quang phẳng giảm theo hàm mũ:

� �z J � z�

Với J0là cường độ ban đầu và �là hệ số hấp thụ Trong laser bán dẫn sự khuếch đại quang đạt được trong vật liệu lớp tích cực Trong trường hợp này, sự tăng theo hàm mũ của cường độ sóng quang có thể 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 trong vùng tích cực mà thông thường nằm ở trong lõi của dẫn sóng quang Chúng ta cần phân biệt giữa hệ số khuếch đại của vật liệu lớp tích cực, được gọi là hệ số khuếch đại vật liệu và hệ số khuếch đại mốt quang thấp hơn đáng kể được gọi là hệ số khuếch đại mode gmodal

Hình 1.6: Phổ khuếch đại quang của vật liệu bán dẫn khối GaAs ở mật độ hạt tải 6x10 18 cm -3 Ở năng lượng photon nhỏ hơn năng lượng độ rộng vùng cấm của GaAs (Eg=1.42 eV), vật liệu là trong suốt Khuếch đại quang xảy ra ở các năng lượng gần độ rộng vùng cấm, đỉnh của đường cong khuếch đại dịch về phía sóng ngắn khi mật độ hạt tải tăng do hiệu ứng điền đầy vùng năng lượng Nếu năng lượng photon cao hơn nữa hiện

N=2-tượng hấp thụ xảy ra [9]

Trong hình 1.6, sự khuếch đại vật liệu của GaAs ở nhiệt độ phòng được vẽ cho các mật độ hạt tải Nkhác nhau Hệ số khuếch đại lớn nhất đạt được ở mức năng lượng photon cao hơn một chút so với năng lượng vùng cấm Hình 1.7 minh họa cường độ quang J� �x của mốt quang cơ bản trong laser phát cạnh cấu trúc dị thể có độ dày miền tích cực d Mối liên hệ giữa hệ số khuếch đại mode gmodalvà hệ

số khuếch đại vật liệu gđược xác định bởi hệ số giam giữ � Hệ số này phụ thuộc vào sự chồng phủ của mốt quang với vùng khuếch đại (vùng tích cực) của laser

dx x J d d

2 2

Trong cấu trúc dị thể với độ dày lớp tích cực từ 50-300 nm, thừa số giam giữ

� có giá trị từ 10-17% Nếu lớp tích cực bao gồm một giếng lượng tử với độ dày trung bình 10nm, thừa số giam giữ cỡ một vài phần trăm thu được

Với mốt lan truyền dọc theo dẫn sóng quang, hệ số hấp thụ cường độ quang

�thường được tách thành hai phần, một phần diễn tả sự hấp thụ mode thuần hay

hấp thụ nội �i, phần kia diễn tả hệ số khuếch đại mode gmodal � �g phụ thuộc vào cường độ của hạt tải tiêm vào

g

i � �

� �

Hình 1.7: Phân bố cường độ quang J(x) theo hướng thẳng đứng x của mode quang cơ

bản có dạng gần gauss cho laser phát cạnh với độ dày miền tích cực d

Sự hấp thụ mode nội gây ra bởi sự tán xạ của mốt quang ở các vị trí sai hỏng (khuyết tật) hoặc bề mặt gồ ghề và bởi sự hấp thụ hạt tải tự do Trong đó sự tán xạ

là rất thấp cho laser bán dẫn với chất lượng nuôi tinh thể tốt, sự hấp thụ hạt tải tự

do là không thể tránh được vì phần mốt quang vượt ra ngoài miền vỏ pha tạp loại n

và pha tạp loại p Khi sự khuếch đại mode �glớn hơn mất mát mode thuần �i mốt quang truyền được khuếch đại

Trong linh kiện laser, dẫn sóng quang được kết hợp với buồng cộng hưởng Fabry-Perot có hai gương phản xạ R1 và R2 Một phần cường độ quang thoát ra ngoài buồng cộng hưởng ở mặt gương và tạo thành chùm laser ra Như minh họa

trong hình 1.8, cường độ J rtcủa mốt quang sau một chu trình đi về trong buồng cộng hưởng là

R R J

Hình 1.8: Cường độ của sóng quang trên đường truyền trong buồng cộng hưởng Fabry

Perot với chiều dài L và hệ số phản xạ R 1 và R 2

Sự phát laser xảy ra khi sự khuếch đại của mode sóng quang bù trừ được sự hấp thụ nội và mất mát ở gương cho một lộ trình đi về Hệ số khuếch đại nhỏ nhất

gở đó linh kiện bắt đầu hoạt động phát laser gọi là hệ số khuếch đại ngưỡng g th Trong trường hợp này cường độ J rt của mode sóng quang sau một chu trình đi về trong buồng cộng hưởng lại có giá trị ban đầu J0

1

2 1

mirror i

1.1.4 Sự giam giữ quang ngang

Hình 1.9: Ba dạng giam giữ ngang cơ bản: giam giữ dòng, giam giữ quang và giam giữ

hạt tải

Như đã nêu trong mục 1.1.2 các cách thức thực hiện khác nhau được sử dụng

để đạt được sự giam giữ ngang của dòng, các photon, và các hạt tải trong laser phát cạnh Như minh họa ở phía trên của hình 1.9 sự giam giữ dòng được tạo ra bởi một lớp cách ly điện môi như chỉ ra cho laser dải (stripe) hay dải hình học ở phần trên của hình 1.10 Một cách giam giữ dòng khác được tạo ra bởi sự bắn phá ion để tạo

ra các vùng có điện trở cao nhằm hạn chế sự lan tỏa của dòng bơm Laser diode có

sự giam giữ dòng như vậy được gọi là laser dẫn sóng khuếch đại (gain-guided) như

đã nói tới ở trên Chỉ những mode quang truyền bên dưới dải này được khuếch đại

vì sự khuếch đại quang chỉ xảy ra trong các vùng được bơm bởi dòng điện Ở bên ngoài dải, dẫn sóng quang có sự mất mát quang cao Sự hoạt động của laser với các mốt ngang cơ bản có thể thu được trong các linh kiện có độ rộng dải nhỏ Laser dải đơn mốt dễ chế tạo hơn nhưng có một vài nhược điểm So với laser dẫn hướng chiết suất, dòng ngưỡng của laser dải lớn hơn bởi vì sự mất mát trong dẫn sóng nhiều hơn Vì mốt quang truyền một phần trong vật liệu hấp thụ, mặt pha của mốt

bị bẻ cong dẫn đến sự loạn thị (astigmatism) đáng kể ở chùm tia lối ra

Hình 1.10: Các cấu trúc laser với các dạng giam giữ khác nhau

Nguyên lý của laser dẫn sóng khuếch đại được minh họa trong hình 1.9 Sự chênh lệch chiết suất hiệu dụng theo chiều ngang � neff tạo ra sự dẫn sóng Tùy thuộc vào sự nhảy bậc chiết suất này và độ rộng W của dải dẫn sóng, hoạt động đơn

mốt ngang có thể thu được Một ví dụ điển hình của laser dẫn hướng chiết suất là laser dẫn sóng gò (ridge) được minh họa trong hình 1.10 Sự nhảy bậc chiết suất được tạo ra bởi thay đổi độ dày của lớp vỏ trên cùng Vì dòng được bơm vào từ trên đỉnh của gò, sự giam giữ dòng cũng được hình thành ở đây Chất lượng chùm của laser dẫn sóng gò rất nhạy với độ rộng và chiều dài của gò Bởi vậy, một sự điều khiển chính xác và tính lặp lại các kích thước của gò là cần thiết trong sự chế tạo linh kiện

Tất cả ba dạng giam giữ quang được tổ hợp trong laser diode có cấu trúc dị thể vùi được chỉ ra ở phía dưới cùng của hình 1.10 Cấu trúc dị thể ngang được thực hiện bằng công nghệ tái nuôi các lớp epitaxy Cấu trúc này tạo ra dẫn sóng chiết suất và giam giữ hạt tải vì các rào thế ngăn cản sự khuếch tán ngang của các điện tử

và lỗ trống như minh họa ở phía dưới cùng trên hình 1.9 Cấu trúc p-n-p theo hướng thẳng đứng làm việc như lớp khóa dòng tạo ra sự giam giữ hạt tải Laser cấu trúc dị thể vùi chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống thông tin vì ở đó cần có dòng ngưỡng rất thấp nhằm cho phép các đặc trưng động tốt và công suất tiêu thụ thấp

1.2 Cấu trúc cơ bản của các laser diode công suất cao

1.2.1 Cấu trúc giếng lượng tử

Trong cấu trúc dị thể kép, độ dày trung bình của các lớp tích cực là

nm

d � 50 � 300 kết quả là thừa số giam giữ quang trong dải từ 10-70% Mật độ trạng thái điện tử D(E) tăng tỉ lệ với căn của năng lượng (D ( E ) � E � Eg ) [6] Nếu độ dày của miền tích cực bị hẹp lại xuống còn 5-10nm, hàm sóng trong giếng lượng tử được lượng tử hóa theo hướng thẳng đứng x, kết quả là ta có các mức năng lượng của điện tử là gián đoạn Trường hợp này, mật độ trạng thái điện tử D(E) tăng nhảy bậc theo các mức năng lượng trong giếng lượng tử Như vậy, mật độ trạng thái gần với mức năng lượng thấp nhất trong giếng lượng tử là cao hơn nhiều so với mật độ trạng thái ở biên của vùng năng lượng trong vật liệu khối Mật độ các hạt tải điện ở mức năng lượng E là tích mật độ trạng thái D(E) và xác xuất bị chiếm giữ bởi điện

tử fc( T E , ) hoặc lỗ trống �1 � fv�E , T� �, các xác suất này giảm theo hàm mũ (theo (1.15)) Vậy sự phân bố hạt tải cho cấu trúc laser giếng lượng tử có giá trị lớn nhất lớn hơn và độ rộng vùng năng lượng nhỏ hơn

Hình 1.11: Phổ khuếch đại vật liệu g� ��0 của đơn giếng lượng tử Ga0.8In0.2As có độ dày 8nm trong vật liệu khối ở mật độ hạt tải khác nhau N=2-6.1018 cm-3 Do mật độ trạng thái D(E) trong giếng lượng tử cao, điểm cực đại của đường cong khuếch đại gần như không dịch theo bước sóng Tại mật độ điện tử cao hơn, các chuyển mức gây bởi vùng con thứ hai của giếng lượng tử đóng góp vào sự khuếch đại (tạo ra cực đại thứ hai) [8]

Do thể tích vùng tích cực của laser giếng lượng tử nhỏ, dòng ngưỡng thấp có thể đạt được Hơn nữa hệ số khuếch đại vật liệu cao hơn và sự dịch phổ của đường cong khuếch đại do hiệu ứng điền đầy là nhỏ hơn nhiều, bởi vì mật độ hạt tải cao hơn và phân bố năng lượng của nó hẹp hơn Tuy nhiên, ưu điểm chính của cấu trúc giếng lượng tử là khả năng tạo ra biến dạng trục kép cơ học dạng nén hoặc kéo căng Theo cách này dải bước sóng của vật liệu cụ thể có thể được mở rộng ví dụ

sự tham gia của In thay cho Ga trong màng mỏng GaAs cấu trúc giếng lượng tử gây ra sự biến dạng nén và có bước sóng thay đổi từ 870nm của cấu trúc khối lên tới 1100 nm Điều này được minh họa bởi đường cong sự khuếch đại phổ của giếng lượng tử Ga0.8In0.2AS dày 8nm trong hình 1.11 so với đường cong sự khuếch đại của vật liệu khối chỉ ra trong hình 1.6 Sự tạo ra cấu trúc giếng lượng tử mỏng và biến dạng của nó phải dưới một giá trị giới hạn Bên trên giá trị này một số lượng lớn của bẫy điện tử sinh ra dẫn đến sự tái hợp không bức xạ Trong cấu trúc giếng lượng tử biến dạng nén, vùng lỗ trống nặng và nhẹ được tách ra và khối lượng hiệu dụng của các lỗ trống này trong vùng hóa trị giảm xuống Khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống là có thể so sánh được dẫn đến sự đảo mật độ trạng thái hiệu quả hơn trong các giếng lượng tử Đặc biệt đối với các laser giếng lượng tử biến dạng nén, độ tin cậy được được cải thiện đáng kể

Vì các giếng lượng tử là rất mỏng nên sự giam giữ mốt quang là yếu Điều này

có thể khắc phục bằng những cấu trúc giam giữ dị thể riêng rẽ SCH, ở đó sự giam giữ quang được tạo ra bởi một cấu trúc dẫn sóng riêng rẽ Hai ví dụ của những cấu trúc này được chỉ ra trong hình 1.12, nếu cấu trúc dẫn sóng bao gồm một sự phân

bố hệ số phản xạ thay đổi từ từ thì cấu trúc đó được gọi là GRINSCH

Hình 1.12: Các cấu trúc thẳng đứng khác nhau cho sự giam giữ riêng biệt của hạt tải điện và mốt quang Đồ thị diễn tả năng lượng vùng cấm phụ thuộc vào vị trí theo trục

thẳng đứng

Cấu trúc các lớp và các chiều của laser BA công suất cao và hình dạng của chùm phát được chỉ ra trong hình 1.12

Cấu trúc dẫn sóng của lớp lõi có chiết suất cao hơn chiết suất của lớp vỏ Miền tích cực được tạo ra trong lớp lõi thường là một hoặc nhiều giếng lượng tử được biến dạng Một cấu trúc laser tối ưu phải có các tính chất yêu cầu như sau:

Hệ số giam giữ cao để giảm dòng ngưỡng

Độ rộng trường gần lớn để giảm mật độ công suất bề mặt

Độ rộng trường gần nhỏ để giảm chiều dày tổng của lớp epitaxy, cũng như giảm nhiệt trở, điện trở

Độ rộng trường gần lớn để đạt được sự phân kỳ theo hướng thẳng đứng nhỏ Suy hao quang do tán xạ thấp

Suy hao quang do hấp thụ hạt tải tự do thấp

Mức pha tạp cao để giảm điện trở nối tiếp

Hàng rào giam giữ hạt tải cao để đảm bảo sự giam giữ điện liên quan tới hiệu suất nội và sự ổn định nhiệt là tối ưu

Hàng rào thế thấp giữa các lớp khác nhau để giảm thế rơi trên chuyển tiếp

Hình 1.13: Cấu trúc laser công suất cao điển hình

Hình 1.13 chỉ ra các dạng cấu trúc dẫn sóng khác nhau Cấu trúc dẫn sóng điển hình nằm ở giữa của hình 1.14 tạo ra mật độ dòng ngưỡng nhỏ nhất Sự chênh lệch chiết suất giữa lớp lõi và lớp vỏ là tương đối lớn, độ dày của lớp lõi được tối

ưu hóa cho thừa số giam giữ lớn Tuy nhiên góc phân kỳ là lớn và sự phân bố cường độ với một đỉnh lớn hơn tạo ra mật độ quang ở bề mặt lớn điều này dẫn đến công suất quang lối ra bị hạn chế Khi sự giảm dòng ngưỡng của laser diode CSC không phải là vấn đề ưu tiên, sự nghiên cứu các cấu trúc dẫn sóng khác có nhiều hứa hẹn Hai ví dụ được chỉ ra bên phía trái và phải của cấu trúc nói trên ở hình 1.14 Cả hai cấu trúc này được đưa ra để thu được độ rộng mode quang lớn hơn Cấu trúc thứ nhất có thừa số giam giữ quang tương đối cao, nhưng trường quang xuyên sâu vào trong lớp vỏ Cấu trúc còn lại tăng được độ rộng lõi và giảm chênh lệch chiết suất giữa lớp lõi và lớp vỏ

Sự tiếp cận sau cùng được bàn luận ở đây, được gọi là LOC với lớp dẫn sóng được mở rộng dẫn đến trường gần có phân bố xấp xỉ dạng gauss Trong trường hợp

này thừa số giam giữ quang và mật độ công suất bề mặt là nhỏ nhất Hơn nữa phân

bố cường độ có dạng tù hơn, năng lượng được truyền trong lớp vỏ là rất nhỏ, bởi vậy lớp vỏ có thể được pha tạp tương đối mạnh và được chế tạo có kích thước mỏng Điều này dẫn đến nhiệt trở là nhỏ Suy giảm thấp cho phép chúng ta chế tạo buồng cộng hưởng dài trong dải 2 mm mà vẫn giữ được hiệu suất ngoại cao Sự phân kỳ theo phương thẳng đứng là do sự chênh lệch chiết suất giữa lớp vỏ và lớp dẫn sóng Một cấu trúc dẫn sóng khả thi phụ thuộc vào thành phần vật liệu và độ dày của các lớp epitaxy tạo thành lớp dẫn sóng cũng như các lớp vỏ

Hình 1.14: Cấu trúc dẫn sóng thẳng đứng, và sự tính toán phân bố cường độ trường gần

Theo hướng ngang, độ rộng dải có thể là 50, 100, 200 μm thậm chí là lớn hơn nên ánh sáng được phân bố qua nhiều mode không gian theo hướng này Kết quả sự phân

kỳ theo hướng này là nhỏ hơn so với hướng thẳng đứng (thông thường là 5-10oFWHM)

1.3 Tính chất chùm tia của laser diode

1.3.1 Một số nguyên lý cơ bản đánh giá thông số và chất lượng chùm tia

Công suất quang của chùm P và kích thước của vết hội tụ là thông số quan trọng

nhất của LD Diện tích phân bố mật độ công suất có thể được tính qua độ rộng dx

và dy của chùm [3]

y

x d d area

4

�

� (1.25)

Độ rộng chùm hội tụ, d 0,d 0phụ thuộc vào khả năng hội tụ của chùm hay góc phân

kỳ �x và �ycủa ánh sáng Độ rộng của chùm có thể được đo sử dụng phương pháp quét khe hẹp (slit method) hoặc phương pháp phân tích ảnh sử dụng camera CCD (caustic method) [3]

Bằng phương pháp gần đúng khá tốt ta nhận được thông số tích của chùm tia như sau:

x

� có thể tính theo công thức trên Vậy thông số tích của chùm là thông số đánh giá khả năng hội tụ và song song của chùm tia

Trong các loại chùm, chùm Gauss có thông số tích nhỏ nhất ở cùng một bước sóng

Ta chuẩn hóa thông số tích của một chùm tới thông số tích của một chùm Gauss ở cùng bước sóng [11]

x x Gauss