Nghiên cứu một số đặc trưng cơ bản của taper laser diode công suất cao vùng 670nm

Với các loại vật liệu bán dẫn khác nhau người ta có thể chế tạo các loại laser bán dẫn với bước sóng phát nằm trong cả dải từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại có công suất phát từ µW đến hàn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN – 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Quốc Tiến

THÁI NGUYÊN - 2018

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan dưới đây là khóa luận tốt nghiệp của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Trần Quốc Tiến - Phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu

- Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam Tất cả những kết quả và số liệu trong khóa luận này là trung thực và có được từ những nghiên cứu mà tôi đã thực hiện trong quá trình làm luận văn tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu

- Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam

Người làm luận văn

Nguyễn Minh Tuấn

Lời cảm ơn

Cuốn luận văn này được hoàn thành trong quá trình tôi làm việc tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam

Lời đầu tiên tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Quốc Tiến, người đã hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy luôn hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp tôi hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Tôi xin chân trọng cảm ơn các anh chị tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi khi thực hiện luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, các thầy các cô trong khoa Vật lí - Công nghệ, cán bộ phòng Đào tạo trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, đã cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý giá cững như sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường THPT Triệu Quang Phục, anh chị em đồng nghiệp nơi tôi công tác, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình

Thái Nguyên, ngày 12 tháng 5 năm 2018

Nguyễn Minh Tuấn

MỤC LỤC

DANH MỤC VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ

1.1 Các vấn đề cơ bản về laser bán dẫn

1.1.1 Sự phát xạ và hấp thụ trong bán dẫn

1.1.2 Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn

1.1.3 Khuếch đại quang và ngưỡng phát laser

1.1.4 Laser bán dẫn dị thể và laser giếng lượng tử

1.2 Laser bán dẫn công suất cao

1.2.1 Laser bán dẫn buồng cộng hưởng rộng (LOC)

1.2.2 Đặc điểm của laser bán dẫn hoạt động ở chế độ công suất cao

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

1.3.1 Đặc trưng quang điện

1.3.2 Đặc trưng phổ phát xạ

1.3.3 Đặc trưng tính chất chùm tia

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

2.1 Laser bán dẫn taper công suất cao phát bức xạ vùng sóng 670 nm

2.1.1 Phương pháp và kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser bán dẫn vùng 670nm

2.1.2 Phương pháp và kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser công suất cao 670 nm

2.1.3 Các thông số kỹ thuật chính của laser taper được nghiên cứu

2.2 Hệ ổn định và điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công suất cao

2.2.1 Nguồn nuôi và điều khiển pin Peltier

2.2.2 Hệ pin nhiệt điện và đế tỏa nhiệt cho laser công suất cao

2.3 Phương pháp đo đặc trưng quang điện của laser bán dẫn công suất cao

2.3.1 Đặc trưng I-V

2.3.2 Đặc trưng P-I

2.4 Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao

i

ii iii

1

3

3

3

5

8

11

13

13

13

14

14

15

17

19

19

19

19

21

22

22

23

25

25

26

26

2.5 Phương pháp khảo sát tính chất chùm tia của laser taper

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN VÀ THẢO LUẬN

3.1 Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng bước sóng 670 nm

3.1.1 Đặc trưng dòng thế (I-V)

3.1.2 Đặc trưng công suất phát xạ phụ thuộc dòng bơm (P-I)

3.1.3 Hiệu suất độ dốc và hiệu suất biến đổi điện quang

3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc trưng quang điện

3.2 Tính chất phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670nm

3.2.1 Phổ phát xạ của laser

3.2.2 Sự phụ thuộc vào dòng bơm của phổ phát xạ

3.2.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ phát xạ

3.3 Tính chất chùm tia của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670 nm

3.3.1 Phân bố trường xa của chùm tia

3.3.2 Độ rộng cổ chùm và tính toán hằng số truyền M2

3.4 Phân tích kết quả khảo sát đặc trưng của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670 nm và đánh giá về khả năng ứng dụng làm nguồn bơm trong hệ laser rắn Cr3+

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

27

30

30

30

31

33

34

36

36

37

38

39

39

41

43

46

47

i

DANH MỤC VIẾT TẮT

LED Light Emitting Diode Ánh sáng phát ra từ diode

ii DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các quá trình quang cơ bản của vật chất 3

Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận 5

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo(a), giản đồ năng lượng(b), phân bố chiết suất(c), và ánh sáng(d) của laser diode dị thể kép 6

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 7

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

Hình 1.6: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính

cho các m ật độ hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP

Hình 1.7: Đặc trưng I-V của laser bán dẫn

Hình 1.8: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn công su ất cao

Hình 2.1: C ấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn 670 nm 19

Hình 2.2: Mô hình chíp laser được hàn trên đế đồng 20

Hình 2.3 : C ấu trúc Taper, với L 1 là độ dài phần tạo dao động, L 2 chi ều dải của Taper, w 1 độ rộng vùng tạo dao động

Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper

Hình 2.5: Ngu ồn nuôi laser ITC4005 23

Hình 2.6: Pin nhiệt điện

Hình 2.7: H ệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điên Peltier 24

Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser 26

Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ của laser 27

Hình 2.10 : Máy phân tích phổ quang Advantest Q8384 OSA

Hình 2.11: Phương pháp đo độ rộng cổ chùm tia, sử dụng kỹ thuật quét khe hẹp

Hình 2.12: Dịch chuyển khe để đo phân bố mật độ công suất

Hình 2 13: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa

Hình 2.14: Minh h ọa các thông số cơ bản của chùm tia 29

8

9

9

15

15

19

20

21

21

23

23

24

26

27

27

28

28

29

29

Hình 3.1: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 3 0

30 Hình 3.2: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 4 0

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

Hình 3.4: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 4 0

34 Hình 3.5: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau

c ủa laser taper 3 o

Hình 3.6: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau

c ủa laser taper 4 o

Hình 3.7:Ph ổ quang của laser bán dẫn tại các giá trị khác nhau Hình 3.8: Phổ quang của laser taper 4 0 tại các giá trị dòng hoạt động khác

nhau, nhiệt độ hoạt động 25 o

C

Hình 3.9: Phổ quang của laser taper 4 0

tại dòng hoạt động 600 mA với các giá trị nhiệt độ hoạt động khác nhau

Hình 3.10: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3 o

Hình 3.1 1: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3 o theo hướng song

song với chuyển tiếp ở các dòng bơm khác nhau

Hình 3.12: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3 o tại các nhiệt độ khác

nhau Hình 3.13 : Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 4 o

iii

DANH MỤC BẢNG

B ảng 2.1: Giá trị giới hạn của laser taper

B ảng 2.2: Thông số hoạt động tối ưu của laser taper

B ảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser teper ở 25 0

C Bảng 3.1: Dòng ngưỡng phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 3 0

B ảng 3.2: Hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 4 o

Bảng 3.3: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser taper 4 0

B ảng 3.4: Sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc taper 4 o

Bảng 3.5: Các thông số chùm của laser taper cấu trúc 3 o

MỞ ĐẦU

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là thiết bị

tạo ra chùm ánh sáng có cường độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp và có tính chuẩn trực cao Bước sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là ánh sáng đơn sắc khi được so sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lượng tử) tạo nên chùm laser có mối quan hệ về pha cố định (tính kết hợp cao) Ánh sáng laser có tính phân kỳ thấp,

có thể đi qua một khoảng cách lớn hoặc có thể được tập trung tới một điểm sáng rất nhỏ với cường độ sáng rất lớn Do có những tính chất quí báu này, laser được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống

Từ khi laser diode bán dẫn được công bố đầu tiên vào năm 1962 Kể từ đó đến nay, trải qua nhiều giai đoạn phát triển, các tính năng kỹ thuật của laser diode không ngừng được hoàn thiện Từ chỗ ban đầu là các laser đơn chuyển tiếp có dòng ngưỡng phát laser cao, chỉ hoạt động được ở nhiệt độ thấp và công suất quang lối ra nhỏ (khoảng mW) ở vùng hồng ngoại gần Đến nay laser bán dẫn dựa trên cơ sở dị chuyển tiếp kép dạng vật liệu khối hay đa giếng lượng tử (MQW) với dòng ngưỡng phát laser thấp (đối với laser công suất thấp), có thể hoạt động được ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn Với các loại vật liệu bán dẫn khác nhau người ta có thể chế tạo các loại laser bán dẫn với bước sóng phát nằm trong cả dải từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại có công suất phát từ µW đến hàng chục W cho đơn chíp laser Laser bán dẫn công suất cao ra đời đem lại nhiều ứng dụng thiết thực trong y tế, công nghiệp, an ninh quốc phòng, cũng như trong đời sống hàng ngày

Đặc biệt Laser bán dẫn ổn định bước sóng vùng đỏ với công suất cao, phổ hẹp, chất lượng chùm tia tốt có rất nhiều ứng dụng như: sử dụng trong quang phổ Raman [18], phổ nguyên tử [11], làm nguồn bơm cho các laser rắn Cr:LiSAF [16], phát hòa ba bậc hai (SHG) tạo ra bức xạ UV [10]

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 cấu trúc taper và thường có dòng ngưỡng hoạt động lớn, tuy nhiên chất lượng của chùm tia của laser taper là rất tốt

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 nghiên cứu 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 taper

có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng, đặc biệt là thiết kế quang cho các mục đích

sử dụng khác nhau: Các tính chất đặc trưng của laser được đo đạc, tính toán đối với laser bán dẫn cấu cấu trúc taper có góc mở 3o hoặc 4o Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong ba chương của luận văn như sau:

Chương 1 Tổng quan về các laser bán dẫn công suất cao phát xạ vùng sóng

đỏ

Chương 2 Kỹ thuật thực nghiệm

Chương 3 Kết quả khảo sát các đặc trưng cơ bản và thảo luận

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO

PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ 1.1 Các vấn đề cơ bản về laser bán dẫn

1.1.1 Sự phát xạ và hấp thụ trong bán dẫn

Trong điều kiện bình thường, hầu hết các loại vật liệu đều hấp thụ ánh sáng nhiều hơn là phát xạ Hình 1.1 mô tả một quá trình hấp thụ ánh sáng, trong đó E1 và

E2 tương ứng với mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích của các

nguyên tử trong môi trường hấp thụ Nếu một photon có năng lượng hvới là tần

số của ánh sáng đến đúng bằng với độ lệch năng lượng Eg = E2 – E1 thì năng lượng của photon sẽ bị hấp thụ bởi nguyên tử, kết quả là nguyên tử đang ở trạng thái mức năng lượng nền sẽ được chuyển lên trạng thái mức năng lượng kích thích Ánh sáng tới bị suy hao đi do quá trình hấp thụ

Thông thường, các nguyên tử tồn tại bền vững hơn ở mức năng lượng nền, khi tồn tại ở các mức năng lượng cao hơn sẽ có xu hướng chuyển về mức năng lượng thấp hơn sau một khoảng thời gian nhất định Vì thế, khi nguyên tử ở mức năng lượng kích thích chuyển về mức năng lượng nền sẽ giải phóng năng lượng hay phát xạ ánh sáng Quá trình phát xạ này phân làm hai loại cơ bản là quá trình phát xạ tự phát và phát xạ kích thích như mô tả trong hình 1.1 Trong trường hợp phát xạ tự phát, các photon được phát xạ có hướng và pha là ngẫu nhiên Trong trường hợp phát xạ kích thích, tại thời điểm nguyên tử đang ở mức năng lượng kích thích có một photon khác đi đến làm tác nhân kích thích nguyên tử này chuyển từ trạng thái kích về trạng thái nền và phát xạ photon ánh sáng cùng pha cùng tần số với ánh sáng kích thích Quá trình này có thể được sử dụng để khuếch đại bức xạ quang Tất cả các laser, bao gồm cả các laser bán dẫn phát xạ đều dựa trên quá trình phát xạ kích thích, và ánh sáng phát xạ của laser được gọi là ánh sáng kết hợp

Hình 1.1 Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn

Xét mô hình hệ thống nguyên tử đơn giản gồm hai mức năng lượng tương tác trong trường điện từ như mô tả trong hình 1.1 Nếu N1 và N2 lần lượt là mật độ

nguyên tử ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích và ρ em() là mật độ phổ của năng lượng điện từ, thì biểu thức tương ứng của tốc độ phát xạ tự phát, tốc

độ phát xạ kích thích và tốc độ hấp thụ có thể được mô tả như sau

Rspom = AN1, Rstim = BN2ρ em , Rabs = B’N1ρ em , (1.1)

với A, B và B’ là các hằng số Trong điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ các hạt nguyên tử được phân bố theo quá trình Boltzmann,

) / ' (

/



T k h B B

B A



T k h

c h B

hồng ngoại (h𝜐 ~1𝑒𝑉), quá trình phát xạ tự phát thường chiếm ưu thế hơn phát xạ kích thích trong điều kiện cân bằng nhiệt ở nhiệt độ phòng (𝑘𝐵𝑇 ≈ 25 𝑚𝑒𝑉) bởi vì

tranh với quá trình hấp thụ của nguyên tử R stim có thể vượt quá R abschỉ khi nào có

N2 > N1 Điều kiện này được gọi là điều kiện đảo lộn mật độ, và nó không bao giờ

xảy ra trong điều kiện cân bằng nhiệt Điều kiện đảo lộn mật độ là tiên quyết đối với hoạt động của laser Trong các hệ nguyên tử, điều này đạt được bằng cách sử dụng các cơ chế bơm 3 hay 4 mức sao cho nguồn năng lượng bên ngoài làm chuyển mật độ hạt ở mức nền lên các mức cao hơn

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 1.2 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 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 1.2 : Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận

Để thu được mật độ photon cao trong laser bán dẫn, dẫn sóng quang được tạo ra để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện Hơn nữa, một buồng cộng hưởng quang, hầu hết là Fabry-Perot, được sử dụng để tăng mật độ photon trong buồng cộng hưởng Một laser bán dẫn có thể dùng như một bộ dao động quang bao gồm một môi trường khuếch đại và một buồng cộng hưởng để tạo

ra sự khuếch đại hồi tiếp

1.1.2 Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn

Trong lớp chuyển tiếp p - n các hạt tải điện không được giam giữ tại vùng

lân cận lớp chuyển tiếp, vì vậy rất khó để tạo ra mật độ hạt tải điện cao, laser bán dẫn dựa trên đơn chuyển tiếp p - n vì vậy dòng ngưỡng thuận Ith rất lớn Để cải thiện tính chất phát xạ của laser bán dẫn, người ta sử dụng cấu trúc dị thể kép Vấn đề giam giữ hạt tải điện được giải quyết bằn cách đưa vào một lớp màng mỏng nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n và p xung quanh (hình 1.3) Sơ

đồ cấu tạo của laser bán dẫn dị thể chuyển tiếp kép AlGaAs/GaAs như trình bày hình a, b, c, d

Hình 1.3 : Sơ đồcấu tạo(a), giản đồ năng lượng(b), phân bố chiết suất(c) và phân

bố mật độ photon (d) của laser diode dị thể kép

Vai trò của lớp này là giam giữ ở bên trong nó những hạt tải điện được tiêm vào dưới tác dụng của điện áp thuận Sự giam giữ hạt tải điện xẩy ra là kết quả của

sự gián đoạn trong độ rộng vùng cấm ở vùng chuyển tiếp giữa hai bán dẫn có cùng cấu trúc tinh thể nhưng khác nhau về độ rộng vùng cấm Chuyển tiếp như vậy gọi

là chuyển tiếp dị thể và các linh kiện dựa trên cơ sở đó có câu trúc dị thể kép

Sử dụng cấu trúc chuyển tiếp p - n dị thể kép cho các nguồn sáng bán dẫn có hai lợi ích Thứ nhất, hạt tải sẽ được giam giữ trong lớp nằm giữa lớp p và lớp n, lớp ở giữa này gọi là lớp tích cực vì ở đó điện tử và lỗ trống sẽ dễ dàng tái hợp và sinh ra ánh sáng Thứ hai, do có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn nên lớp tích cực có chiết suất lớn hơn so với các lớp loại p và n xung quanh Vì vậy, lớp tích cực hoạt động như dẫn sóng điện môi và cấu trúc dị thể giam giữ được các photon phát ra nhờ tính chất này

Laser bán dẫn được cấu thành từ các thành phần cơ bản dưới đây:

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

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

 Buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp quang

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 E g, 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 cl và độ dày lớp 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

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 của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z

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

,

, , 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: M ột 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 sóng chiết suất (index-guided) như trong laser chuyển tiếp

dị thể vùi

1.1.3 Khuếch đại quang và ngưỡng phát laser

Khi có photon ánh sáng với năng lượng h ≥ E gchiếu vào chất bán dẫn có thể xảy ra sự hấp thụ Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử chuyển từ trạng thái

năng lượng thấp trong vùng hóa trị lên trạng thái năng lượng cao trong vùng dẫn

Sau đó, điện tử ở vùng dẫn có thể tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị sau một thời gian sống nhất định và phát ra photon một cách ngẫu nhiên (có bước sóng, pha và hướng lan truyền khác nhau) gọi là phát xạ tự phát Phát xạ cưỡng bức là quá trình

mà trong đó ánh sáng chiếu tới gây ra sự phát xạ cưỡng bức (hay cảm ứng) của điện

tử ở trạng thái kích thích Ánh sáng phát ra có cùng bước sóng, pha, phân cực và

hướng lan truyền với ánh sáng chiếu tới Vì vậy ánh sáng sinh ra bởi phát xạ cưỡng bức có tính đơn sắc, kết hợp và định hướng cao Trong bức xạ cưỡng bức có hai photon sinh ra: một là photon ánh sáng chiếu tới và một là photon sinh ra do bức xạ cưỡng bức Hai photon này lại tiếp tục kích thích hay cảm ứng các cặp điện tử khác tái hợp sinh ra bức xạ cưỡng bức với các photon giống như vậy Quá trình như vậy xảy ra tiếp tục trong môi trường khuếch đại, ánh sáng chiếu tới được khuếch đại bởi bức xạ cưỡng bức và ta có sự khuếch đại quang

Để có được sự khuếch đại quang ta cần phải làm cho số điện tử ở trạng thái năng lượng cao nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp Điều kiện này gọi là sự đảo mật độ tích lũy

Sự đảo mật độ tích lũy trong các chất bán dẫn xảy ra ở vùng lân cận bờ vùng đạt được nhờ kích thích các điện tử bằng bơm quang hay tiêm dòng điện, khi đó có nhiều điện tử ở đáy vùng dẫn và nhiều lỗ trống ở đỉnh vùng hoá trị Các bộ dao động laser sử dụng một phần phát xạ tự phát làm ánh sáng chiếu tới và khuếch đại ánh sáng này nhờ phát xạ cưỡng bức

Hình 1.6: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính

cho các mật độ hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP

Tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức thực càng lớn ta có hệ số khuếch đại quang

càng lớn Có thể tính hệ số khuếch đại công suất quang g phụ thuộc vào năng lượng photon h nghĩa là phụ thuộc vào bước sóng khuếch đại được chọn và mật độ hạt

tải tiêm vào Hình 1.6 là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại g vào năng lượng photon h cho các mật độ hạt tải tiêm vào khác nhau được tính toán cho vùng tích cực InGaAsP 1,3 m Khi mật độ hạt tải bơm vào yếu (1x1018 cm3), g < 0, chưa

xảy ra sự đảo mật độ tích lũy hạt tải và chưa có sự khuếch đại Khi mật độ hạt tải

bơm vào tăng lên, g có giá trị dương, đường cong khuếch đại mở rộng, tăng lên về

biên độ và đỉnh phổ khuếch đại dịch về phía năng lượng cao (bước sóng ngắn hơn) Khi tăng mật độ hạt tải bơm vào sự bắt đầu xuất hiện của độ khuếch đại dịch về phía

năng lượng photon thấp hơn do sự giảm năng lượng vùng cấm E g khi mật độ hạt tải tăng Nửa âm của trục tung tương ứng với hệ số hấpthụ vì hệ số hấp thụ công suất quang α(h ) và hệ số khuếch đại công suất quang g(h ) được liên hệ với nhau như sau: α(h )= - g(h ) Ta cũng thấy trên hình 1.6 hệ số khuếch đại quang tăng nhanh trong chất bán dẫn một khi sự đảo mật độ tích lũy hạt tải được thực hiện Vì có độ khuếch đại quang cao như vậy nên các laser bán dẫn có thể được chế tạo với kích thước vật lý rất ngắn (dưới 1 mm) Contour khuếch đại như trên hình 1.6 sẽ liên quan đến vùng xuất hiện các mode sóng dọc trong bức xạ cưỡng bức của laser bán dẫn loại buồng cộng hưởng Fabry-Perot hay nói cách khác, các mode sóng dọc (phụ thuộc vào bước sóng) phát ra sẽ nằm trong vùng khuếch đại

Tuy nhiên, trong môi trường khuếch đại cũng xảy ra sự mất mát quang do sự hấp thụ trên bề mặt, hấp thụ trên các tâm tạp, hấp thụ bởi các hạt tải tự do như tái hợp Auger, v.v… Khi sự khuếch đại quang bù trừ được các mất mát quang mới xảy

ra dao động laser Vì vậy, nếu chỉ có khuếch đại quang sẽ chưa đủ cho hoạt động laser mà phải có thêm một điều kiện cần thiết khác là phản hồi quang, điều này sẽ làm bộ khuếch đại trở thành bộ dao động Nghĩa là để có được dao động laser (hay

bộ dao động quang với tần số dao động rất cao, f ~ 1014-15 Hz) độ khuếch đại quang cần phải bằng độ mất mát quang trong vùng tích cực Sự phản hồi quang được thực hiện bằng cách đặt môi trường khuếch đại giữa các gương phản xạ tạo thành buồng cộng hưởng quang hay còn gọi là buồng cộng hưởng Fabry-Perot (FP) Trong trường hợp laser bán dẫn, các gương phản xạ ngoại là không cần thiết vì các bề mặt

bổ tinh thể laser có tác dụng như các gương phản xạ với độ phản xạ :

Với n là chiết suất của môi trường khuếch đại Thông thường, n = 3,5 cho

các chất bán dẫn vùng cấm hẹp dẫn tới độ khuếch đại R ~ 30% Trong các laser đơn tần (phản hồi phân bố DFB hay phản hồi phản xạ Bragg DBR) phản hồi quang được thực hiện bởi cách tử trên cơ sở thay đổi tuần hoàn chiết suất ở gần vùng tích cực

Khái niệm ngưỡng phát laser có thể hiểu là một phần các photon sinh ra bởi

( 1.9)

bức xạ cưỡng bức sẽ bị mất đi do sự mất mát trong buồng cộng hưởng và cần phải được bổ sung liên tục Nếu độ khuếch đại quang không đủ lớn để bù trừ được sự mất mát trong buồng cộng hưởng thì sẽ không tạo ra được được mật độ photon cần thiết Như vậy, một giá trị độ khuếch đại tối thiểu là cần thiết cho hoạt động laser, giá trị này thực hiện được chỉ khi laser được bơm trên mức ngưỡng Dòng điện bơm cần thiết để đạt được ngưỡng gọi là dòng ngưỡng phát laser Nói chung, dòng ngưỡng phát laser cũng gần với dòng ngưỡng để đạt được sự đảo mật độ trạng thái

Sự cân bằng giữa độ khuếch đại và độ mất mát đựơc biểu diễn như sau:

Vế bên phải bao gồm mất mát nội int với các cơ chế đã nói ở trên, trong đó vai trò chính là mất mát do hấp thụ hạt tải tự do,và mất mát do gương laser mir với

R1, R2 là độ phản xạ của hai mặt gương, L là độ dài buồng cộng hưởng (độ dài chíp laser giữa hai mặt gương)

1.1.4 Laser bán dẫn dị thể và laser giếng lượng tử

Laser diode chuyển tiếp đồng thể(homojiunction) phát quang của lớp chuyển tiếp p-n đơn được chế tạo từ vật liệu bán dẫn tinh thể đơn Loại laser này có hiệu suất thấp, mật độ dòng ngưỡng ở nhiệt độ phòng rất cao (Jth = 105 A/cm2) do đó chiều dày của miền hoạt chất (d 1µm) và kích thước chiều rộng tương đối lớn, chùm laser bị mở rộng đáng kể đi vào miềm p và n, ở đó được hấp thụ rất mạnh, vì vậy laser chuyển tiếp đồng thể phát ở chế độ liên tục thường ở nhệt độ nitơ lỏng

Để giảm dòng ngưỡng và tăng hiệu suất của laser diode, người ta sử dụng các lớp vật lệu khác nhau tại lớp chuyển tiếp, đây gọi là lớp chuyển tiếp dị thể (heterojunction) Chuyển tiếp dị thể được hình thành giữa hai lớp bán dẫn có có khe năng lượng khác nhau, vật liệu thường dùng là GaAs và AlGaAs Chuyển tiếp

dị thể kép là dạng phổ biến nhất, nơi mà lớp hoạt chất của bán dẫn có bề dày

50-300 nm được đặt vào giữa hai hai lớp phủ của bán dẫn khác Ở nhiệt độ phòng, laser diode chuyển tiếp dị thể có mật độ dòng ngưỡng giảm hai bậc (Jth = 103

A/cm2) so với laser chuyển tiếp đồng thể tướng ứng, nên tại nhệt độ này laser chuyển tiếp dị thể có thể hoạt động ở chế độ liên tục

So sánh với chuyển tiếp đồng thể, chuyển tiếp dị thể có ba ưu điểm:

- Lớp phủ, chẳng hạn AlGaAs có khe năng lượng rộng hơn GaAs, vì thế tại vùng trụng tâm xảy ra sự tái hợp nhều hơn

( 1.10)

- Miền hoạt chất có chiều cao hơn các vùng xung quanh nên ánh sáng phát ra

có độ tập chung cao, làm tăng hiệu quả của bức xạ cưỡng bức; đây là điều kiện gian giữ quang học

- Bức xạ laser chỉ bị hấp thụ yếu ở những vùng lân cận, do vậy sự mất mát xảy ra là cực tiểu

Laser bán dẫn tạo nên từ một chuyển tiếp p-n trong đó tạo nên giam giữ hạt tải và giam giữ quang Các hạt tải được giam giữ bởi cấu trúc dị thể (double heterostructure – DH) và ngày nay hầu hết sử dụng cấu trúc dị thể giếng lượng tử (quantum well – QW) Trong chuyển tiếp dị thể, bán dẫn loại p được kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại p và n của hai loại bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn hơn Hạt tải bơm từ phía p sang phía n được giam trong lớp bán dẫn vùng cấm hẹp Tại lớp bán dẫn này, quá trình tái hợp bức xạ xảy ra Độ rộng vùng cấm của bán dẫn khe hẹp (vùng tích cực) này sẽ xác định bước sóng phát xạ của laser Để đạt được sự đảo mật độ trạng thái cần thiết để phát bức xạ cưỡng bức, mật độ hạt tải tự do trong miền tích cực phải cao hay nói cách khác la phải đạt đến trạng thái suy biến Điều này có thể thực hiện được bằng cách làm mỏng lớp tích cực của bán dẫn vùng cấm hẹp Độ dày này thông thường của các laser dị thể là nhỏ hơn 0,2 m Cấu trúc dị thể được xây dựng trên cơ sở các vật liệu có phải giam giữ trong lớp tích cực mỏng nhất có thể và mật độ ánh sáng cần phải dưới ngưỡng phá hủy quang của vật liệu tạo nên lớp tích cực Vấn đề này được giải quyết bằng cách sử dụng cấu hình dị thể giam giữ tách biệt (SCH) Cấu trúc này có lớp tích cực kẹp giữa hai lớp có độ rộng vùng cấm cao hơn với chức năng giam giữ hạt tải (các lớp giam hạt tải – blocking layers) và cả cấu trúc này được đặt giữa hai lớp vật liệu khác có chức năng giam giữ quang (các lớp bọc ngoài – cladding layers) (xem hình vẽ trên) Các lớp giam hạt tải là trong suốt với ánh sáng laser nó giúp giảm mất mát quang và mở rộng trường quang Các lớp này được nuôi trên đế bán dẫn loại n theo trình tự mô tả trên hình vẽ trên Chip laser sau khi chế tạo được hàn lên đế tỏa nhiệt cực dương (cực bán dẫn loại p) lên trên hoặc cực dương xuống dưới tương ứng với hai cấu hình dương nối vỏ hoặc âm nối vỏ Cấu hình dương nối vỏ với cực bán dẫn p hàn tiếp xúc đế tỏa nhiệt khó thực hiện hơn về mặt công nghệ nhưng lại có ưu điểm lớn là tiêu tán nhiệt tốt hơn, đặc biệt thích hợp cho các laser bán dẫn công suất cao tích hợp nhiều chip laser đơn Hiện tại, các laser lớp tích cực cấu trúc giếng lượng tử được sử dụng phổ biến Các giếng lượng tử có thể là biến dạng hoặc không biến dạng (phù hợp hằng số mạng) Các laser giếng lượng tử lớp biến dạng có một số ưu

điểm trong các vấn đề làm giảm mật độ dòng ngưỡng mà không làm tăng độ nhạy với sự suy giảm chất lượng trong quá trình hoạt động của laser bán dẫn ở chế độ công suất cao Thêm vào đó, bước sóng phát xạ có thể xác định không chỉ phụ thuộc vào thành phần mà còn vào độ biến dạng và độ dày lớp giếng lượng tử Điều này cho phép điều chỉnh bước sóng của bức xạ phát ra một cách chính xác cho các ứng dụng đặc thù ví dụ như các laser giếng lượng tử biến dạng InGaAs/GaAs sử dụng để bơm quang cho các khuếch đại quang sợi pha tạp erbium - Erbium doped fiber optical amplifier (EDFA) với yêu cầu về bước sóng phát xạ rất gần 670 nm để kích thích chuyển dời liên quan đến erbium Tuy nhiên cũng cần lưu ý rằng độ rộng của lớp giếng lượng tử cần phải nhỏ hơn độ dày tới hạn (critical thickness) cho hồi phục đàn hồi, yếu tố giới hạn thành phần và độ rộng của lớp giếng lượng tử

Bức xạ laser sinh ra trong miền tích cực cần được giới hạn trong khuôn khổ của một ống dẫn sóng Như đã trình bày ở trên trong laser bán dẫn có hai loại dẫn sóng: dẫn sóng khuếch đại và dẫn sóng chiết suất Phần lớn các cấu hình laser bán dẫn hiện nay là dẫn sóng khuếch đại Dẫn sóng khuếch đại hình thành bởi việc giới hạn sự mở rộng ra hai bên của vùng tích cực nơi có sự bơm hạt tải Các laser dẫn sóng được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công suất cao

1.2 Laser bán dẫn công suất cao

1.2.1 Laser bán dẫn buồng cộng hưởng rộng (LOC)

Cấu trúc buồng cộng hưởng rộng 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 lượng tử 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 xác định phụ thuộc vào thành phần vật liệu và độ dày của các lớp epitaxy tạo thành lớp dẫn sóng cũng như các lớp vỏ và sự tính toán phân bố cường độ trường gần cho laser bán dẫn

1.2.2 Đặc điểm của laser bán dẫn hoạt động ở chế độ công suất cao

Laser bán dẫn công suất cao được thiết kế chế tạo trên cơ sở một số cấu trúc Các cấu trúc này chủ yếu dựa trên cấu trúc giến lượng tử Các laser bán dẫn công suất cao hoạt động trong các điều kiện cường độ làm việc cao; để tạo ra được linh

kiện tin cậy một số tính chất của laser phải tương đương với các linh kiện công suất thấp làm việc trong điều kiện dòng bơm nhỏ hơn nhiều Do đó các cấu trúc tối ưu cho phát xạ công suất cao phải thỏa mãn một số đòi hỏi Những yêu cầu này bao gồm: hệ số giam giữ quang học phải cao để giảm tối đa dòng ngưỡng, độ rộng của trường gần phải lớn để giảm mật độ công suất quang tại bề mặt phát, độ rộng trường gần phải nhỏ để giảm độ dày tổng cộng của các lớp epitaxy, độ rộng trường gần phải lớn để giảm góc mở của chùm tia phát ra, mất mát tán xạ thấp và các mặt tiếp xúc được nâng cao chất lượng, pha tạp cao để giảm điện trở nối tiếp, các hàng rào thế giam giữ cao để đạt được giam giữ điện của hạt tải tối ưu, các hàng rào thế thấp để giảm điện thế rơi trên chuyển tiếp Trong các yêu cầu nêu ra ở trên, có thể thấy một số yêu cầu là mâu thuẫn nhau Do đó thiết kế cấu trúc của laser bán dẫn công suất cao cần phải tối ưu hóa các yếu tố trên của laser Đặc biệt cần chú ý tới một số yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình già hóa linh kiện

Một vấn đề quan trọng nữa ảnh hưởng đến tính chất và quá trình hoạt động của laser là nhiệt trở của linh kiện Nhiệt trở laser cao làm giảm công suất bức xạ đồng thời tăng nhiệt độ làm việc tại miền tích cực, dẫn tới hậu quả là hiệu suất biến đổi điện quang giảm tại nhiệt độ cao với các laser có nhiệt trở cao hơn

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

1.3.1 Đặc trưng quang điện (I-V, P-I)

 Đặc trưng I-V

Đặc trưng I-V là đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện kích chạy qua laser diode và hiệu điện thế trên chuyển tiếp Từ hình vẽ ta thấy dòng điện kích kích rất nhỏ, điện thế tăng rất nhanh và khi đạt đến điện thế phân cực thuận trên chuyển tiếp laser thì tốc độ tăng của thế so với dòng giảm đi Điều này chứng tỏ điện trở của laser là phi tuyến và nó phụ thuộc vào dòng kích Khi chưa có điện áp phân cực thì điện trở của laser diode giảm xuống rất nhỏ

Hình 1.7 .Đặc trưng I-V của laser bán dẫn

V

O

V F

I

Từ đặc trưng trên ta xác định được sụt thế thuận trên chuyển tiếp VF

 Đặc trưng của quang điện P – I

Đặc trưng công suất phát của laser phụ thuộc vào dòng bơm như sau:

(I - Ith) [

] (1.11) Trong đó:

R1, R2 : là hệ số phản xạ của hai gương (mặt tách) của buồng cộng hưởng

(1.12) Tuy nhiên phần nhiều các mode này nằm gọn trong một dải rộng B trong đó

hệ số khuếch đại vượt quá hệ số mất mát (số mode laser có thể có là M = b/vf) Do

độ dài buồng cộng hưởng lớn hơn nhiều lần bước sóng phát của laser nên laser sẽ

phát nhiều mode dọc Khoảng cách ∆ giữa các mode tỉ lệ nghịch với độ dài buồng cộng hưởng L nên khi giảm độ dài buồng cộng hưởng thì ta sẽ có laser đơn mode

Dưới chế độ ngưỡng, bức xạ phát ra là sự phát với độ rộng phổ cỡ 30 nm Khi gần đến dòng ngưỡng, phổ bức xạ laser hẹp đi đáng kể và bao gồm vài mode dọc Trên dòng ngưỡng, cùng với việc tăng vọt công suất phát do bắt đầu bức xạ laser, độ rộng phổ bức xạ thu hẹp hẳn lại Các mode dọc gần với đỉnh của khuếch đại thì tăng về công suất, còn cường độ các mode bên thì bão hòa

Một thông số quan trọng để mô tả sự đơn sắc (độ sạch phổ) của laser bán dẫn

là tỉ số nén mode SMSR (side mode suppression ratio) Nó được xác định bởi tỉ số giữa công suất của mode chính và công suất của mode bên mạnh nhất Nhiều ứng dụng thực tế đòi hỏi giá trị SMSR phải đủ lớn (lớn hơn 30dB) Ngày nay cơ chế phản hồi phân bố và cơ chế buồng cộng hưởng kép đã được sử dụng để tăng giá trị SMSR và tạo ra các laser đơn mode dọc, điều này có ý nghĩa quan trọng trong hệ thông tin cáp quang Mặt khác độ rộng phổ của laser đơn mode cũng được quan tâm trong các ứng dụng thực tế Thậm chí ngay cả khi laser làm việc ở chế độ bơm đơn mode dọc, các thăng giáng lượng tử liên quan đến các quá trình bức xạ tự phát dẫn đến mở rộng vạch laser Độ rộng thường nằm trong khoản 10 ~ 100 MHz và giảm khi công suất laser tăng

Ngưỡng phát laser đạt được khi hệ số khuếch đại của đơn mode dọc gần đỉnh đường bao khuếch đại nhất và bằng hệ số mất mát Mode ở gần đỉnh của phổ khuếch đại là mode trội nhất Trong các điều kiện tiêu chuẩn, các mode khác sẽ không đạt đến ngưỡng phát do khuếch đại của chúng luôn nhỏ hơn khuếch đại của mode chính

1.3.3 Đặc trưng tính chất chùm tia

Để 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 laser Diện tích phân

bố mật độ công suất có thể được tính qua độ rộng dx và dy của chùm [3]

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

Q x  d x0x

4

1 (1.14) Thông số tích này không thay đổi khi chùm laser lan truyền qua một môi trường quang học Giá trị góc phân kỳ xbị giới hạn bởi khẩu độ số của hệ thống hội tụ quang Nếu thông số tích và độ rộng nhỏ nhất của chùm được biết ta có thể tính góc phân kỳ theo công thức trên Ngược lại độ rộng chùm lớn nhất của chùm tia song song phụ thuộc vào khẩu độ số khi ra khỏi hệ thống quang Góc phân kỳ nhỏ nhất xcó 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 [20]

x x Gauss

Các thông số tích của chùm tia theo hướng x và y, và công suất chùm được dùng để tính độ chói của chùm:

2 2 2 2

0 0 2 16

y x y

x y

x y

P Q

Q

P d

d

P B

x

B d d

P area

y x y

x d d y

x D W y x y x y

x

I( , )   ( , , , )  ( , ,  ,  )   (1.19) Công suất chùm là công suất theo mặt phẳng vuông góc với trục:



z I x y z d d

Phân bố mật độ công suất cách xa nguồn phát chùm có thể được diễn tả bởi

sự phân bố công suất của chùm theo góc Nó được gọi là phân bố trường xa Phân

bố trường xa của chùm có thể được tính từ phân bố Wigner

I ff( x, y) WD(x,y, x, y)d x d y (1.21) Chùm tia được phân loại dựa trên sự truyền của độ rộng chùm qua các hệ thống quang đối xứng [19, 13,14, 15] Một chùm tia với đường bao phân bố mật độ công suất theo hướng x và hướng y, d x d y, theo tất cả mặt phẳng ngang của

đường truyền được gọi là đối xứng (stigmatic) Một chùm có độ rộng chùm theo

hướng x và hướng y không bằng nhau và hướng của trục chính không thay đổi theo

phương truyền trong không gian được gọi là astigmatic (loạn thị) đơn Tất cả các dạng chùm khác được gọi là chùm tổng quát astigmatic, trong hầu hết các trường

hợp này chùm thay đổi trục của nó theo phương truyền

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Laser bán dẫn taper công suất cao phát bức xạ vùng sóng 670 nm

2.1.1 Phương pháp và kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser bán dẫn vùng 670nm

Chúng tôi sử dụng laser bán dẫn công suất cao dạng taper phát ở vùng bước sóng 670 nm Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn được chế tạo bằng công nghệ epitaxy pha hơi lắng đọng thành phần kim loại, hữu cơ MOVPE (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy) Các lớp vật liệu bán dẫn của cấu trúc laser mô tả như trên hình 2.1 Lớp tích cực của chip laser là một giếng lượng tử đơn GaInP nằm giữa

các lớp dẫn sóng AlGaInP Lớp vỏ (cladding) phần pha tạp loại n sử dụng vật liệu AlInP, trong khi phần pha tạp loại p lại sử dụng vật liệu AlGaAs Lớp vỏ AlGaAs

này có ưu điểm là giúp tăng nồng độ hạt tải và cho phép thay thế tạp kẽm (Zn) loại

p bằng tạp các bon (C) với nồng độ pha tạp cao hơn Cấu trúc epitaxy này của chip

laser bán dẫn 670 nm được nuôi trên đế đơn tinh thể GaAs, dạng phiến có đường kính 3, 4 inh Phiến chứa cấu trúc laser này sẽ được đưa vào công đoạn xử lý (quang khắc, ăn mòn) để tạo cấu trúc hình học của lase Sau khi các laser đã hình thành cấu trúc hình học trên phiến Phiến bán dẫn có cấu trúc laser này phủ kim loại lên cả hai mặt làm điện cực (Ni/Ge/Au – Ti/Pt/Au) phiến này cắt thành các thanh rộng bằng chiều dài buồng cộng hưởng của lase, sau đó các thanh phủ lớp chống phản xạ tạo gương cho mặt trước và sau của lase Các thanh cắt thành chíp lase đơn trước khi đưa vào đóng gói laser sẽ mô tả ở mục 2.1.2

Hình 2.1 Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn 670 nm

2.1.2 Phương pháp và kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser công suất cao 670

nm

Chíp laser diode được hàn lên một đế đồng vừa để định vị vị trí của chíp laser vừa để tản nhiệt cho nó Chíp laser được hàn ở giữa đế đồng sao cho mặt phát bức xạ của chíp phải nằm sát mép và song song với mặt thẳng đứng của đế để tránh

bị ảnh hưởng của cạnh đế lên bức xạ laser Đế kim loại được chế tạo từ đồng đỏ, bề mặt được mài và đánh bóng, sau đó được phủ bằng một lớp In bằng phương pháp bốc bay chân không Chíp laser diode được hàn ở giữa tấm đồng, nhưng một mặt buồng cộng hưởng phải song song với mặt đứng của tấm đồng và phải nằm sát mép của tấm đồng để tránh bị ảnh hưởng của cạnh tấm đồng lên chùm laser Bên cạnh chíp laser diode là một tấm cách điện (có thể là Si có điện trở lớn hoặc Si tan cách điện) một mặt được hàn xống tấm đồng mặt kia được phủ công tắc vàng Trên công

tắc này có các dây vàng ɸ = 25µm được hàn với laser diode bằng công nghệ hàn

ép nhiệt Đầu kia của dây vàng hàn lên mặt tấm cách điện, đã có phủ một lớp vàng dùng làm điện cực phụ cũng với công nghệ hàn tương tự Trên tấm điện cực phụ có hàn phiến điện cực nối ra điện cực ngoài như hình 2.2

Hình 2.2: Mô hình chíp laser được hàn trên đế đồng

Tất cả các quy trình hàn: Hàn đế laser lên đế tản nhiệt, hàn đế tản nhiệt vào

vỏ, hàn điện cực laser và đóng vỏ laser đều được thực hiện trong môi trường sạch Với điều kiện này, các lớp vật liệu không bị oxi hóa khi hàn ở nhệt độ cao (ở 1800) đảm bảo sự kết dính giữa các linh kiện cần hàn, đảm bảo sự tản nhiệt cho laser và tăng tuổi thọ cho linh kiện

Tất cả các chíp laser trước khi đưa vào đóng vỏ qua các khâu kiểm tra sau:

- Độ sạch của hai mặt buồng cộng hưởng (trước và sau)

- Đo điện trở thuận Rth

- Đo điện trở nghịch Rng thường thì giá trị này phải có Rng vô cùng lớn Cấu trúc hình học của chip laser bán dẫn cấu tạo như mô tả trên hình 2.3 chip có độ dài tổng cộng 2 mm, trong đó, phần dẫn sóng chiết suất dạng gò (ridge-wave guide) có độ dài 0,75 mm và phần taper khuếch đại quang có độ dài 1,25 mm Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hai loại laser taper với góc mở của taper () là 3o và 4o

Chíp laser

điện

Đế đồng

Hình 2.3 : Cấu trúc taper, với L 1 là độ dài phần tạo dao động, L 2 chiều dải của taper, w 1 độ rộng vùng tạo dao động

Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper

2.1.3 Các thông số kỹ thuật chính của laser taper được nghiên cứu

Cấu trúc hình học của chip laser bán dẫn cấu tạo như mô tả trên Hình 2.3: chip có độ dài tổng cộng 2 mm, trong đó, phần dẫn sóng chiết suất dạng gò (ridge-wave guide) có độ dài 0,75 mm và phần taper khuếch đại quang có độ dài 1,25 mm Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hai loại laser taper với góc mở của taper () là 3o và 4o Mặt trước laser (mặt phát) được phủ lớp chống phản xạ với hệ số

phản xạ R f ~ 1%, mặt sau laser được phủ màng phản xạ cao với hệ số phản xạ Rf ~ 95% Công suất của laser này từ 0,5W cho đến 1W

Ví dụ thông số kỹ thuật của laser teper

B ảng 2.1: Giá trị giới hạn của laser taper

B ảng 2.2: Thông số hoạt động tối ưu của laser taper

Ánh sáng laser

B ảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser Teper ở 250C

Tham số Ký hiệu Đơn vị min typ max

Công suất ra với dòng 1A Popt W 0,5

2.2 Hệ ổn định và điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công suất cao

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn tới các đặc trưng, hiệu suất và thời gian sống của laser Để laser hoạt động ổn định, đảm bảo hiệu suất và sử dụng lâu dài, ta phải đảm bảo cho laser hoạt động ở một nhiệt độ ổn định Chính vì vậy bộ ổn định nhiệt

độ cho laser bán dẫn là rất cần thiết Có rất nhiều phương pháp ổn định nhiệt độ cho laser hoạt động Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày về bộ ổn định nhiệt độ

sử dụng peltier-làm mát nhiệt điện TEC (thermo-electric cooling)

2.2.1 Nguồn nuôi và điều khiển pin Peltier

Nguồn sử dụng trong hệ đo là nguồn Thorlabs ITC4005 Đây là thiết bị vừa cấp được dòng cho laser và có hệ thống điều khiển dòng cho peltier Phần cấp dòng cho laser có công suất 50W, điện áp cao nhất 10V, dòng bơm tối đa 5A Bước chia nhỏ nhất 1mA với sai số 1% Bên cạnh đó thiết bị còn làm việc được ở 2 chế độ liên tục và xung Ở chế độ xung cho phép điều khiển độ rộng xung từ 1 đến 100%, tần số từ 1 đến 1MHz Phần cấp dòng của thiết bị tương thích với tất cả các laser bán dẫn và các cấu hình photodiode giám sát có chế độ dòng điện liên tục (constant current) hoặc công suất không đổi (constant power) Thiết bị có chế độ chống quá

áp, quá dòng, chống ngược cực nên rất an toàn khi sử dụng với laser bán dẫn Phần điều khiển nhiệt độ của thiết bị tương thích với hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến, và thích nghi với các tải nhiệt khác nhau thông qua bộ điều khiển PID kỹ thuật số Nó cung cấp chức năng tự động điều chỉnh PID hoặc điều khiển riêng các thông số P, I và D Ổn định nhiệt độ với sai lệch 0,002°C trong khoảng thời gian 24 giờ Hình 2.5 là nguồn Thorlabs ITC4005

Hình 2.5: Nguồn nuôi laser ITC4005

2.2.2 Hệ pin nhiệt điện và đế tỏa nhiệt cho laser công suất cao

Nguyên tắc hoạt động của hệ pin nhiệt điện như sau:

- Tại mặt tiếp giáp lạnh, năng lượng (nhiệt) được hấp thu bởi điện tử khi chúng chuyển từ mức năng lượng thấp trong thành phần bán dẫn loại p tới một mức năng lượng cao hơn trong thành phần bán dẫn loại n

- Nguồn nuôi cho pin lạnh cấp một năng lượng để chuyển rời điện từ qua hệ thống

- Tại mặt tiếp giáp nóng, năng lượng được tiêu tán trên tấm tỏa nhiệt khi điện tử chuyển rời từ thành phần có mức năng lượng cao (loại n) tới thành phần có mức năng lượng thấp (loại p)

Hình 2.6: Pin nhiệt điện Peltier

Nguyên tắc đo nhiệt độ một hệ thống làm lạnh TEC sử dụng một cặp nhiệt điện tiêu chuẩn Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau về bản chất hóa học và được hàn với nhau ở hai đầu, điển hình là đồng - constantan, theo cách này hai tiếp giáp được tạo thành Một tiếp giáp được giữ tại nhiệt độ tham chiếu, trong khi tiếp giáp còn lại được gắn tới vật được đo Hệ thống được sử dụng khi hở mạch tại một điểm nào đó và điện áp sinh ra được đo Ngược lại, ta tưởng tượng có một

năng lượng điện được đặt vào một cặp tiếp giáp trên cố định làm cho một tiếp giáp trở nên lạnh trong khi tiếp giáp còn lại trở nên nóng.

Pin nhiệt điện (hình 2.6) được làm từ hai thành phần bán dẫn, cơ bản là Bismuth Telluride, được pha tạp mạnh để tạo ra hoặc là thừa điện tử (loại n) hoặc là thiếu điện tử (loại p) Nhiệt hấp thu tại mặt lạnh được bơm tới mặt nóng tại một tốc

độ tương ứng với dòng qua mạch và số cặp nhiệt điện

Như vậy, thiết bị làm lạnh nhiệt điện là dựa trên hiệu ứng Peltier, mà sự chênh lệch nhiệt độ ΔTmas được tạo ra giữa những bề mặt của những vật liệu khác nhau cấu thành nên một pin Peltier khi một dòng điện Imax chạy qua chúng Thêm vào đó, nếu tồn tại một vật tỏa nhiệt đặt trên mặt lạnh của pin Peltier có công suất nhiệt Pth, công suất nhiệt này sẽ được chuyển tới mặt nóng của pin Peltier Quá trình này kèm theo sự giảm chênh lệch nhiệt độ tới ΔT < ΔTmas Kết hợp n pin Peltier bằng cách kết nối chúng nối tiếp về điện và song song về nhiệt, ta sẽ thu được một module peltier hoặc bộ làm lạnh nhiệt điện (TEC), module Peltier này có thể truyền công suất nhiệt nhiều hơn n lần so với pin peltier đơn tại cùng một chênh lệch nhiệt độ Điều kiện ΔT = 0 tại dòng hoạt động của pin Peltier I = Imax được định nghĩa là công suất nhiệt lớn nhất Pth,max mà có thể được hấp thụ tại mặt lạnh của module Peltier

Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điện Peltier

Ngược lại với chất dẫn nhiệt tự nhiên, hướng của dòng nhiệt bên ngoài qua module Peltier là song song với gradien nhiệt được tạo ra trong điều kiện

Pth< Pth,max Trong điều kiện này hoạt động thuận lợi này của TEC, trở kháng nhiệt của module peltier là âm:

2.1

Do đó, việc đưa thêm vào module Peltier trong đường dẫn nhiệt của một hệ thống dẫn lạnh, trở kháng nhiệt có thể được giảm xuống đáng kể Ví dụ của một hệ thống làm lạnh tăng cường như trên hình 2.7 Mặc dù nhiệt độ xung là 30oC, laser

có thể vẫn hoạt động tại 55oC Nếu không có sự hỗ trợ của TEC, nhiệt độ xung quanh phải thấp hơn 10oC Một thuận lợi thứ hai của một TEC là nó có thể điều chỉnh được Cảm biến nhiệt độ ghi lại nhiệt độ của laser diode trên đế tản nhiệt, giá trị điện thế trên cảm biến có thể được sử dụng như tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển nhằm điều chỉnh dòng qua pin Peltier để thiết lập nhiệt độ laser mong muốn

Sự chênh lệch nhiệt độ đạt được giữa mặt nóng và mặt lạnh của Peltier module có thể được xác định từ các thông số của linh kiện TEC với dạng tổng quát như sau

f, g là hàm của I/Imax phụ thuộc vào hệ số chất lượng nhiệt điện bên trong Ví dụ, tại

I = Imax thì f = 0 và g = 1 Trong khi sự chênh lệch nhiệt độ được cố định cho mỗi cấu hình bộ làm lạnh TEC cho sẵn, thì nhiệt độ của mặt nóng TH và mặt lạnh Tc là không cố định Những nhiệt độ này phụ thuộc rất nhạy vào trở kháng nhiệt mặt nóng của hệ thống, bởi vì tại mặt nóng của module Peltier cả công suất nhiệt Pth

của laser diode và công suất điện toàn bộ PPe của TEC cần được tiêu tán

Vì công suất nhiệt có thể vận chuyển hay tiêu tán lớn nhất Pth,max tỉ lệ thuận với số module Peltier N và điện trở nhiệt mặt nóng giảm xuống khoảng 1/N nên công suất nhiệt lớn của laser có thể được tiêu tán bằng cách tăng số module Peltier Trên hình 2.7 là cấu trúc của một bộ ổn định nhiệt độ sử dụng module Peltier với

sự thông gió hỗ trợ bằng quạt điện Nhiệt độ và điện trở nhiệt của từng phần bộ ổn định nhiệt độ cũng được chỉ ra trên hình 2.7

2.3 Phương pháp đo đặc trưng quang điện của laser bán dẫn công suất cao

2.3.1 Đặc trưng I-V

Đặc trưng I-V của laser được đo sử dụng các thiết bị chính dưới đây: Để kiểm tra, đặt chế độ hoạt động của laser ta dùng nguồn Thorlabs ITC4005 dùng với dải dòng cấp 0 – 5A cho laser diode, ổn định dòng  0,1% ; dải cấp dòng cho pin Peltier (TEC) -15A ÷ +15A, độ ổn định nhiệt độ  0,20C Dùng máy này nhằm đặt dòng ngưỡng cho laser, bảo vệ laser khỏi hỏng laser bán dẫn khi là việc

2.2

Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser

Tín hiệu quang được đưa đến đầu thu photodiode đặt ngay sau laser để thu toàn bộ bức xạ laser (hình 2.8), đầu thu nối với máy đo công suất Máy đo công suất dùng máy đo công suất dải rộng Melles Griot 13 PEM001 Laser được cấp dòng liên tục, ổn định nhiệt độ bằng pin peltier Chúng tôi sử dụng thí nghiệm với các thành phần được mô tả như hình 2.8 để đo đặc trưng I-V của laser 670 nm phát

ở chế độ liên tục

2.3.2 Đặc trưng P-I

Đặc trưng cơ bản nhất của laser bán dẫn nói chung và laser bán dẫn công suất cao nói riêng là đường biểu diễn sự phụ thuộc của công suất bức xạ laser vào dòng bơm chạy qua lớp chuyển tiếp p-n (hay còn gọi là đường đặc trưng P-I) Thông số đặc trưng này có thể xác định được nhiều thông số cũng như nhiều tính chất quan trọng của laser Đường đặc trưng P-I cho chúng ta biết ngưỡng phát của laser cũng như dòng bơm cần đặt vào chuyển tiếp p-n để có một công suất bức xạ nhất định

Do đặc trưng của từng loại laser mà chúng thực hiện đo đạc ở chế độ khác nhau là chế độ liên tục với laser phát bước sóng 670 nm Chúng tôi sử dụng thí nghiệm với các thành phần được mô tả như hình 2.8 để đo công suất dòng bơm của laser 670 nm phát ở chế độ liên tục

2.4 Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao

Hình 2.9 sơ đồ đo phổ của laser Nguồn cấp dòng bơm cho laser và cấp dòng cho bộ điều khiển peltier (TEC), thấu kính phi cầu có tiêu cự 8 mm hội tụ các bức

Máy đo công suất quang

dải rộng

Laser

Nguồn nuôi Thorlabs ITC4005

Đầu thu photodiod Laser được cố định trên pin

Peltier