Khảo sát khả năng điều biến của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn

Để hạn chế các quá trình đa mode, một cơ chế lựa chọn tần số phát trong laser bán dẫn đã đợc sử dụng là cơ chế phản hồi phân bố - phản xạ Bragg.. Nhằm mục đích tìm hiểu và góp phần hoàn

Lời cảm ơn Luận văn đợc hoàn thành dới sự hớng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Văn Phú Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đối với ngời thầy hớng dẫn của mình - ngời đã đặt vấn đề, hớng dẫn và giúp đỡ tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn với thầy giáo TS Vũ Ngọc Sáu,

TS Dơng Công Hiệp và các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lí và khoa đào tạo Sau đại học trờng Đại học Vinh, những ngời đã giúp tác giả tiếp thu đợc nhiều kiến thức bổ ích trong học tập cũng nh trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

1.1 Chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn……… 4

1.1.1 Chất bán dẫn thuần………… 4

1.1.2 Bán dẫn pha tạp 6

1.1.3 Tiếp giáp p – n……… 8

1.1.3.1 Tiếp giáp p - n không đợc phân cực………. 8

1.1.3.2 Tiếp giáp p - n đợc phân cực thuận……… 12

1.2 Laser bán dẫn ……… 15

1.2.1 Cấu tạo hoạt chất và nguồn nuôi của laser bán dẫn 15

1.2.2 Tạo nghịch đảo mật độ trong tiếp xúc p-n của laser bán dẫn 15

1.2.3 Các phơng pháp kích thích………… 16

1.2.4 Nguyên tắc làm việc của laser bán dẫn……… 18

1.3 Kết luận ……… 18

Chơng II hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn dfb hai ngăn 19 2.1 Nguyên lý phản hồi phân bố trong các DFB laser…… 19

2.1.1 Quá trình phản xạ Bragg 20

2.1.2 Mô hình sóng cho laser phản hồi phân bố…… 21

2.2 Laser bán dẫn phản hồi phân bố ……… 24

2.2.1 Mô hình laser bán dẫn DFB hai ngăn……… 25

2 3 Hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn DFB hai ngăn 26 2.4 Kết luận ……… 29

Chơng III Khảo sát quá trình điều biến xung phát

trong laser bán dẫn DFB hai ngăn 30 3.1 Quá trình phát xung của laser bán dẫn DFB hai ngăn… 30 3.1.1 Các điều kiện ban đầu……… 30

3.1.2 Quá trình phát không dừng 31

3.2 Điều biến các đặc trng xung laser phát bằng các tham số động học……… 34

3.2.1 Điều biến xung laser phát bằng dòng điện bơm trong ngăn khuếch đại ……… 34

3.3 Dịch chuyển bớc sóng laser phát bằng dòng bơm trong ngăn hấp thụ……… 38 3.4 Điều biến xung laser phát bằng hàm số xung tín hiệu

41

3.4.1 Dạng xung tín hiệu NRZ (NonReturn to Zero)……… 41

3.4.2 Điều biến xung laser phát bằng xung tín hiệu NRZ… 42

3.4.2.1 Điều biến xung laser phát bằng biên độ xung tín hiệu NRZ……… 42

3.4.2.2 Điều biến xung laser phát bằng tần số xung tín hiệu NRZ……… 45

3.5 Kết luận……… 46

Kết luận chung……… 48

Tài liệu tham khảo……… 49

Mở đầu

Nh chúng ta đã biết, trong thông tin quang yêu cầu về tốc độ truyền dẫn, đòi hỏi sự điều biến một chiều trong miền GHz của sóng mang Khi sử dụng laser với môi trờng hoạt là chất màu tán sắc, cờng độ bức xạ phát ra sẽ tăng lên nhng các mode lân cận sẽ hạn chế tốc độ truyền dẫn do sự suy hao tán sắc vật liệu trong sợi quang Vì vậy ngay từ những thập kỷ 70 của thế kỷ

20, việc nghiên cứu chế tạo các nguồn phát quang với các bức xạ đơn mode trục dọc, có tốc độ điều biến cao đã đợc đặt ra

Tuy nhiên với các laser sử dụng các hoạt chất nh khí hay rắn, các bức xạ thu đợc tuy có cờng độ lớn nhng độ mở rộng phổ lớn cùng với các quá trình

đa mode làm cho các bức xạ này không thể áp dụng đợc trong công nghệ truyền dẫn quang

Với các laser bán dẫn thông thờng, mặc dù có nhiều u điểm nổi bật về cờng độ cao, dòng ngỡng thấp, thời gian hoạt động, nhng cũng bị giới hạn ứng dụng truyền thông do quá trình đa mode Để hạn chế các quá trình đa mode, một cơ chế lựa chọn tần số phát trong laser bán dẫn đã đợc sử dụng là cơ chế phản hồi phân bố - phản xạ Bragg Do giới hạn của điều kiện Bragg nên bức xạ laser chỉ phát ra với một bớc sóng duy nhất, phù hợp với hệ thống thông tin quang đờng dài Với những u điểm này, các laser bán dẫn phản hồi phân bố (Distributed FeedBack - DFB laser) đã đợc các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu cả về mặt lý thuyết cũng nh thực nghiệm [5], [8-13], [18-19]

Bắt đầu từ các laser DFB một ngăn, các laser DFB hai, ba hay nhiều

ngăn hơn đã đợc tập trung nghiên cứu ở cả các chế độ phát dừng và phát xung.Các kết quả khảo sát cho thấy các thông số laser đã có ảnh hởng lớn đến các

đặc trng của xung laser phát [8, 9], [17], [19], và có thể điều biến các đặc trngcủa xung laser này bằng cách thay đổi phù hợp các thông số xung bơm hayxung quang tín hiệu khi sử dụng các DFB laser trong hệ thống thông tin quang[7], [11], [17]

Nhằm mục đích tìm hiểu và góp phần hoàn thiện về mặt vật lý cũng nhcông nghệ của các laser bán dẫn phản hồi phân bố, trong luận văn này chúngtôi đã chọn đề tài: “Khảo sát quá trình điều biến xung phát trong laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn” làm hớng nghiên cứu chính.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn đợc chia thànhcác chơng chính nh sau:

Chơng I - Tổng quan về vật liệu và laser bán dẫn Trong chơng này

chúng tôi trình bày tổng quan về một số đặc trng của vật liệu, những kháiniệm và những hiện tợng thờng xẩy ra trong tiếp giáp p-n của vật liệu bán dẫnthuần hay pha tạp Cũng trong chơng này, chúng tôi trình bày về cấu tạo,nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn

Chơng II - Hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn DFB hai ngăn Nội

dung của chơng trình bày những cơ sở của nguyên tắc lựa chọn bớc sóng trongcác laser phản hồi phân bố Từ đó trên cơ sở mô hình một laser bán dẫn phảnhồi phân bố hai ngăn, chúng tôi dẫn ra hệ phơng trình tốc độ, giải thích rõ ýnghĩa Vật lý của các tham số động học có mặt trong hệ phơng trình

Chơng III - Khảo sát quá trình điều biến xung phát trong laser bán bẫn

DFB hai ngăn Trong chơng này chúng tôi giới thiệu các xung phát trong hoạt

động không dừng và trình bày các phơng án điều biến các xung phát của laserbán dẫn DFB hai ngăn để có thể thu đợc các xung laser đơn sắc, xung ngắn ápdụng cho thông tin quang

Phần kết luận chung của luận văn nêu lên một số kết quả đạt đợc trongquá trình nghiên cứu đề tài

Luận văn đợc hoàn thành tại bộ môn Quang học - Quang phổ khoa Vật

lý, Trờng đại học Vinh Nội dung chính của luận văn đã đợc báo cáo tạiCeminar tổ Bộ môn và một phần kết quả nghiên cứu đã đợc công bố trong [9]

Chơng I - Tổng quan về vật liệu và laser bán dẫn

Nh chúng ta đã biết, bức xạ laser có đợc nhờ năng lợng bơm thông qua

hoạt chất đặt trong buồng cộng hởng và một số các quá trình khác xẩy ratrong đó Thông thờng, năng lợng phải đi qua một chuỗi biến đổi mới chuyểnthành bức xạ cỡng bức Chẳng hạn, ở các laser đợc kích thích điện, điện năngtrớc hết phải đợc chuyển sang động năng của các hạt tích điện trong trờngphóng điện, rồi các nguyên tử hoạt chất trong sự phóng điện đợc kích thích đểphát bức xạ Bức xạ không kết hợp này sẽ qua một loạt quá trình trong buồngcộng hởng mới đạt đợc khuếch đại và thành bức xạ laser Với các laser đợckích thích quang, quá trình diễn ra cũng phức tạp nh vậy Tuy nhiên với laserbán dẫn, lại có sự chuyển trực tiếp điện năng sang năng lợng bức xạ kết hợp.

Sự chuyển hóa này xẩy ra trong các diode laser bán dẫn dạng phun ở đây sựkích thích là kết quả trực tiếp của công tạo nên bởi điện trờng đặt trên hạt tải

điện trong vật chất Quá trình phun hạt tải điện là quá trình rất hữu hiệu đốivới sự chuyển năng lợng điện sang năng lợng bức xạ cỡng bức Tất nhiên đâykhông phải là quá trình kích thích duy nhất trong bán dẫn vì thực tế các laserbán dẫn có thể họat động nhờ các phơng pháp kích thích khác nhau, chẳnghạn kích thích quang, hay bắn phá chùm điện tử, v.v [6]

Laser bán dẫn có phổ phát xạ rộng trong một khoảng nhất định Bằngphơng pháp thay đổi nhiệt độ, thay đổi dòng bơm, hoặc sử dụng buồng cộnghởng lọc lựa có thể thay đổi bớc sóng, mặt khác laser bán dẫn có kích thớcnhỏ dễ chế tạo và giá thành thấp nên nó đáp ứng đợc các yêu cầu cơ bản trongcông nghệ truyền dẫn quang

Các nguồn laser bán dẫn đều sử dụng các loại vật liệu bán dẫn với tiếp

giáp p-n để làm môi trờng họat, nên trong chơng này trớc hết chúng ta sẽ nghiên cứu một số tính chất chất bán dẫn và tiếp giáp p-n.

Theo quan điểm của lý thuyết vùng, các chất bán dẫn là các chất có bềrộng của vùng cấm không lớn hơn 2-3 eV Tính chất và dấu hiệu quan trọngnhất của các chất bán dẫn là sự phụ thuộc các tính chất điện vào các điều kiệnbên ngoài nh nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất hay tính chất của các trờngngoài Dấu hiệu chính thức, nhng không phải là quyết định, của việc xếp loạichất vào lớp các chất bán dẫn là độ dẫn điện

Trong chất bán dẫn thuần thì mật độ electron bằng mật độ lỗ trống và cógiá trị nhỏ Nếu trong chất bán dẫn có lẫn một lợng nhỏ nguyên tố khác thì đó

là chất bán dẫn pha tạp Nếu tạp chất làm cho số electron tự do tăng lên, mật

độ electron lớn hơn nhiều so với mật độ lỗ trống thì ta có bán dẫn loại n Nếu

tạp chất làm cho số lỗ trống tăng lên, mật độ lỗ trống lớn hơn nhiều mật độ

Nồng độ của điện tử trong bán dẫn theo năng lợng đợc phân bố theo phân

bố Fermi-Dirac:

1 ( )

1 exp f

F E

E E kT

Trong đó: F(E) là xác suất tìm thấy điện tử ở mức có năng lợng E

E f là mức năng lợng khi F(E f ) = 0,5 gọi là mức năng lợng Fermi

Nh vậy theo biểu thức (1.1) khi nhiệt độ T tăng thì xác suất phân bố

điện tử trong vùng dẫn tăng lên, tức là luôn xuất hiện điện tử trong vùng dẫn.Ngợc lại khi nhiệt độ giảm dần tới không thì xác suất xuất hiện điện tử trongvùng dẫn hầu nh bằng không

Do nồng độ điện tử trong vùng dẫn tập trung chủ yếu gần mức có năng

lợng E c và hầu nh không tồn tại ở các mức năng lợng cao, nên ta có thể tính

h



 ; m e là khối lợng điện tử; k là hằng số Boltzmann, h là hằng số Plăng.

h



 và m p là khối lợng hiệu dụng của lỗ trống.Các điện tử trong vùng hóa trị đợc kích thích bởi nhiệt độ sẽ dịchchuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống tơng ứng trong vùng hóa trị Do đó

trong chất bán dẫn thuần nồng độ điện tử trong vùng dẫn n phải bằng nồng độ

Trong đó E g là độ rộng vùng cấm của bán dẫn

Do N v  N c nên E f  E g /2 Nh vậy trong bán dẫn thuần có thể coi mức

năng lợng Fermi nằm ở giữa vùng dẫn và vùng hóa trị Nếu coi nồng độ hiệu

dụng hạt dẫn trong bán dẫn là n i đặc trng cho nồng độ hạt dẫn n và p thì:

Vậy  

3/ 2

3/ 4 2

Tóm lại, trong chất bán dẫn thuần, nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng

độ hạt dẫn hiệu dụng luôn không đổi và không phụ thuộc vào E f nhng lại phụthuộc độ rộng vùng cấm của bán dẫn

1.1.2 Bán dẫn pha tạp

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, ngời ta pha một lợng nhỏ cácnguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn Nếu tạp chất làm cho sốelectron tự do tăng lên, mật độ electron lớn hơn nhiều so với mật độ lỗ trống

thì ta có bán dẫn loại n Nếu tạp chất làm cho số lỗ trống tăng lên, mật độ lỗ trống lớn hơn nhiều mật độ electron thì ta có bán dẫn loại p

Trong bán dẫn loại n một điện tử của nguyên tử tạp chất không liên kết

chặt với mạng tinh thể sẵn sàng di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Tơng tự nh thế, trong bán dẫn loại p mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng góp

Phân bố tập trung hạt dẫn

Phân bố tập trung hạt dẫn

Trong tiếp giáp đơn thể không phân cực, lỗ trống đợc tập trung với mật

độ cao trong bán dẫn loại p và là hạt dẫn đa số, điện tử tập trung nhiều tại bán dẫn loại n và điện tử là hạt dẫn đa số.

Do phân bố nồng độ không đồng đều hai bên của tiếp giáp p - n nên

các hạt dẫn đa số có xu hớng khuếch tán theo chiều gradient nồng độ phân bốcủa chúng Khi điện tử và lỗ trống vợt qua tiếp giáp chúng lại trở thành hạtthiểu số và tái hợp với hạt đa số làm giảm nồng độ trong vùng khuếch tán.Vùng khuếch tán còn đợc gọi là vùng nghèo vì trong vùng này nồng độ hạtdẫn nhỏ hơn rất nhiều so với nồng độ hạt đa số điện tử và lỗ trống ban đầu

Nh vậy vùng nghèo tồn tại ở cả hai bên của lớp tiếp giáp p - n.

Vùng nghèo

n p

(a)

-W pd p

V p V

W nd

p p

n n

Hình 1.3. Tiếp xúc p-n thiên áp không: (a) tiếp giáp p - n; (b) phân bố hạt tải, (c) phân bố điện tích, (d) phân bố điện thế, (e) phân bố điện trờng.

Điện tử trong bán dẫn n của tiếp giáp sau khi khuếch tán qua tiếp giáp

để lại lỗ trống mang điện tích dơng do đó vùng nghèo trong bán dẫn n của tiếp giáp p - n lại mang điện tích dơng Cũng nh thế lỗ trống sau khi khuếch tán qua tiếp giáp, tái hợp để lại trong bán dẫn p những điện tích âm vì vậy vùng nghèo trong phần bán dẫn p lại mang điện tích âm Quá trình khuếch tán

và để lại các nguyên tử mang điện tích, sẽ tạo ra một điện trờng nội, hớng từ n sang p, chính điện trờng này lại hạn chế sự khuếch tán các hạt đa số, đồng

thời tăng cờng dòng trôi theo chiều ngợc với dòng khuếch tán

Dòng trôi của điện tử đợc phóng vào bán dẫn p là:

J ndrif = -nqn E, trong đó: dV

E dx

 và nlà độ linh động của điện tử

Tơng tự nh thế, dòng trôi của lỗ trống đi vào bán dẫn n là:

E dx

thuộc vào gradient nồng độ của chúng Dòng khuếch tán của các lỗ trống

trong bán dẫn loại n là:

qdp D

n ndiff  

và của điện tử trong bán dẫn loại p là:

p pdiff p

qdp

dx



trong đó: D p , D n lần lợt là hệ số khuếch tán của lỗ trống và điện tử

Khi không phân cực ngoài cho tiếp giáp p-n, tổng các dòng chảy qua

tiếp giáp bằng không tức là dòng trôi và dòng khuếch tán bằng nhau nhng cóchiều ngợc nhau

J diff + J drif = 0

p

qdn dV

n



 (1.12)

Lấy tích phân theo ngỡng của hai vế của biểu thức (1.12) với V p < V< V n là

giới hạn điện áp trên vùng nghèo và n p < n < n n là giới hạn nồng độ điện tử

Nếu V B = V n - V p là rào thế của tiếp giáp p - n thì ta có:

i

N N kT

Từ biểu thức trên ta có nhận đợc biểu thức xác định mối quan hệ giữa rào

thế của lớp tiếp giáp p - n và độ rộng giải cấm của bán dẫn cùng nhiệt độ làm việc, nồng độ pha tạp N d , N a của bán dẫn Rõ ràng sự tăng lên của nồng độpha tạp dẫn đến điện thế rào cũng tăng lên

Nồng độ hạt dẫn biến thiên dọc theo chiều dài của vùng nghèo và chúng

ta có thể xác định cụ thể quy luật biến đổi của chúng từ các điều kiện bờ của

vùng nghèo Tại vị trí x = - w dp từ (1.14) ta có:

2

ln d a B

i

N N qV

Tơng tự nh trên ta hoàn toàn có thể xác định đợc nồng độ hạt dẫn thiểu số

tại bờ vùng nghèo trong bán dẫn loại n:

1.1.3.2 Tiếp giáp p - n phân cực thuận

Trong phần trên ta đã xét, khi không đặt điện áp ngoài lên tiếp giáp p-n,

tổng các dòng khuếch tán và dòng trôi qua tiếp giáp bằng không tức là không

có dòng chảy qua tiếp giáp và vùng nghèo xuất hiện trong phạm vi tái hợp củacác hạt dẫn Nếu bây giờ phân cực thuận cho tiếp giáp tức đặt nguồn cung cấp

điện cho bán dẫn thì trạng thái cân bằng giữa dòng trôi và dòng kích thích bị

phá vỡ do đó sẽ xuất hiện dòng điện chạy qua tiếp giáp Nếu V là điện áp ngoài phân cực thuận thì điện áp đặt lên tiếp giáp sẽ là: V d = V B - V Nồng độ

hạt dẫn thiểu số tại bờ của vùng nghèo bây giờ đợc tính bởi:

Để tìm đợc biểu thức xác định dòng qua tiếp giáp p-n, ta giả sử các dòng

thành phần qua tiếp giáp chỉ là dòng khuếch tán của các hạt đa số mà không

tính đến sự tái hợp của chúng Hạt dẫn thiểu số tập trung trong bán dẫn p biến thiên từ n’p tại bờ của vùng nghèo tới giá trị lớn nhất n p tại điểm tiếp xúc

Cũng nh thế trong bán dẫn n nồng độ hạt thiểu số thay đổi từ giá trị nhỏ nhất tại bờ vùng nghèo p n tới giá trị lớn nhất pn’ tại điểm tiếp xúc Dòng khuếch tánbây giờ có thể tính:

trong đó: x p và x n là chiều rộng tơng ứng của bán dẫn loại p và loại n.

Chiều rộng vùng nghèo ở hai bên của tiếp giáp giảm đi đáng kể khi đợc

phân cực thuận, vì vậy trong biểu thức trên ta có thể bỏ qua w pd và w nd so với

x p và x n Khi đó biểu thức (1.22) đợc viết lại dạng:

Nếu xét đến ảnh hởng của tái hợp các hạt dẫn đến dòng điện chảy qua

diode, tức là quá trình tái hợp giữa điện tử đợc phóng vào bán dẫn loại p và tái

hợp với lỗ trống để duy trì trạng thái cân bằng nhiệt động thì dòng điện chảyqua tiếp giáp của diode sẽ thay đổi Số lợng các lỗ trống bị giảm đi trong quátrình tái hợp sẽ đợc bù bằng các hạt dẫn phóng từ lớp tiếp xúc ngoài, và do đóxuất hiện điện trờng dọc theo diode Mật độ dòng tại mọi điểm đợc tạo nên

bởi dòng khuếch tán của hạt thiểu số hớng ra ngoài J ndiff và dòng trôi của các

hạt đa số J pdrif , có chiều ngợc lại Tại mọi điểm trên bán dẫn p dòng tổng do

các hạt tạo nên sẽ là một hằng số và đợc xác định bởi:

J t = J ndiff + J pdrif (1.24)

Trong hình 1.4 mô tả trạng thái dòng tại một điểm trong bán dẫn loại p.

Sự tái hợp của các hạt dẫn đợc đặc trng bởi thời gian sống của hạt dẫn n, đó

chính là thời gian cần thiết để nồng độ hạt dẫn giảm xuống đi e lần so với giá

với A là tiết diện của tiết giáp p-n.

Lớp tiếp giáp ngoài của bán dẫn p sẽ bù lại phần điện tích cho quá trình trên và do đó Q = dI pdrif có nghĩa là:

Hình 1.4 Mật độ dòng tại mỗi điểm của bán dẫn loại p khi phân

cực thuận cho tiếp giáp p-n.

2 2



Để giải phơng trình (1.29) ta cần sử dụng các điều kiện biên của bài toán

Tức là n = n’p tai x = 0 và n = n p tại x = -x p và nếu coi bề rộng của vùngnghèo là rất nhỏ so với chiều dài của diode Phơng trình (1.29) sẽ trở thành:

Từ phơng trình (1.30), ta nhận thấy mật độ dòng trôi giảm đi e lần so với giá

trị ban đầu sau một quãng đờng là L n  D  n n , đó chính là chiều dài khuếchtán của điện tử Hoàn toàn tơng tự đối với lỗ trống ta có:

1.2.1 Cấu tạo của laser bán dẫn

Laser bán dẫn với môi trờng họat là chất bán dẫn đợc chế tạo trên cơ sở

tiếp giáp p-n đợc tạo bởi các bán dẫn pha tạp khác nhau GaAs, AlGaAs/GaAs

hay InGaAsP/InP có cấu trúc dị thể kép, hai mặt bên đợc đánh bóng tạo thànhbuồng cộng hởng quang học

Trong công nghệ hiện đại, hai mặt bên có thể đợc gắn hai gơng phản xạcực nhỏ Nhờ buồng cộng hởng này mà phổ phát của laser bán dẫn sẽ có tínhkết hợp, đơn sắc, chùm laser phát ra định hớng và do đó công suất phát lớnhơn nhiều so với các diode phát quang (Light Emision Diode - LED) Ngoài ranhằm mục đích thay đổi bớc sóng, buồng cộng hởng của laser bán dẫn có cấutrúc lọc lựa Đơn giản có thể sử dụng buồng cộng hởng lọc lựa ngoài nh: Cách

tử Littman hoặc cách tử Littrov Phức tạp hơn là buồng cộng hởng dùng cách

tử phản xạ Bragg trên cơ sở quá trình phản hồi phân bố [2]

1.2.2 Tạo nghịch đảo mật độ trong tiếp xúc p-n của laser bán dẫn

Trong laser bán dẫn các dịch chuyển của các hạt tải xẩy ra từ vùng dẫn

về vùng hóa trị Để xuất hiện nghịch đảo mật độ c trú phơng pháp đơn giảnnhất là tạo ra sự chênh lệch hạt tải ở hai phía tiếp xúc

Nếu nh do kết quả của việc đa dòng điện vào môi trờng họat theo chiềudẫn mà trong hai vùng dẫn và hóa trị xuất hiện một số lớn điện tử và lỗ trốngthì khi quay về trạng thái cân bằng các hạt tải sẽ đi theo hai con đờng:

1) Hạt tải sẽ mất năng lợng của mình đến giá trị kT sau khi va chạm với

lới Đây là quá trình làm lạnh hạt tải đến nhiệt độ lới Quá trình này xẩy ratrong thời gian 

Xuất hiện quá trình tái hợp giữa điện tử và lỗ trống và giải phóngmột năng lợng dới dạng bức xạ Quá trình này xẩy ra trong thời gian 

ghịch đảo mật độ c trú trong bán dẫn xẩy ra khi và năng

l-ợng phát xạ phải lớn hơn năng ll-ợng vùng cấm (hv > E g) Khi đó quá trình bơmcho laser bán dẫn phải làm sao cho các điều kiện nêu trên đợc thỏa mãn

Cần chú ý rằng cấu trúc các mức năng lợng trong chất bán dẫn có thể bịsuy biến (cùng một giá trị năng lợng ứng với các trạng thái điện tử khác nhau)

Do đó khi áp vào bán dẫn một điện trờng theo chiều thuận, thì cấu trúc năng ợng thay đổi Khi đó để mô tả một cách chính xác quá trình định c của điện tửcần đa ra hai hàm Fermi, mô tả hai mức giả Fermi ứng với hai vùng dẫn vàhóa trị

 Phơng pháp kích thích quang

Phơng pháp này khá phổ biến với chất bán dẫn có khả năng phát quang

Sự nghịch đảo độ tích luỹ thu đợc nhờ các dịch chuyển gián tiếp và do đó,

đồng thời với quá trình bức xạ photon còn có sự bức xạ phonon Theo phơngpháp này, vai trò quyết định là khả năng hấp thụ photon sóng ngắn sẽ dẫn tới

sự mất mát năng lợng lớn do sự tích thoát của các hạt tải trên các mức thấp,

còn sự hấp thụ photon sóng dài không dẫn đến sự khích thích và hiệu suất sẽthấp Ngoài ra với ánh sáng kích thích dải rộng còn gặp phải sự phản xạ ánhsáng tại bề mặt và cũng làm giảm hệ số hiệu dụng Trong thực tiễn, để tránhthiếu sót nói trên ngời ta sử dụng chính nguồn laser để kích thích nguồn laserbán dẫn và nh thế đã chuyển bức xạ laser từ vùng bớc sóng ngắn sang vùng b-

ớc sóng dài hơn

 Phơng pháp dùng chùm điện tử để kích thích

Phơng pháp này áp dụng cho bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng Để có

đợc nghịch đảo độ tích lũy ngời ta dùng chùm điện tử có năng lợng lớn bơmvào họat chất Tuy nhiên nhợc điểm của phơng pháp này là dễ tạo nên cáckhuyết tật trong bán dẫn và làm tăng các dịch chuyển không bức xạ

Trong phơng pháp này, một điện trờng ngoài sẽ đợc đặt vào bán dẫn và

tạo đợc dòng dịch chuyển p - n theo chiều thuận Điều này dẫn đến sự không

đòi hỏi điện trờng cao và laser có thể làm việc ở chế độ liên tục Hiệu suất củaphơng pháp này có thể đạt tới 70% Nội dung của phơng pháp này có thể hiểu

nh sau: khi hai chất bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, ở lớp tiếp xúc

sẽ có một hệu điện thế tiếp xúc, tơng ứng với hiệu các mức Fermi của thành

phần p và n Hiệu điện thế này ngăn cản sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống qua miền tiếp xúc p-n Tuy nhiên nếu hiệu điện thế đặt theo chiều

thuận, thế chắn bị giảm vì sự có mặt của các điện tích không gian, do đó làm

dễ dàng hơn sự dịch chuyển của điện tử và lỗ trống qua lớp tiếp xúc và tạo đợc

sự nghịch đảo độ tích luỹ [6]

1.2.4 Nguyên tắc làm việc của laser bán dẫn

Trên cơ sở có đợc sự nghịch đảo độ tích luỹ, laser bán dẫn có thể hoạt

động Nguyên tắc làm việc chung của laser bán dẫn là: sau khi nhờ kích thíchtrong bán dẫn đã có sự nghịch đảo độ tích luỹ thì sau một thời gian ngắn các

điện tử và lỗ trống sẽ chuyển động để tái hợp tạo ra bức xạ laser có cờng độlớn Nh trong laser bán dẫn, bức xạ laser có đợc nhờ sự tái hợp giữa các điện

tử và lỗ trống Do sự tái hợp xẩy ra trong vùng tơng đối lớn so với kích thớccác hạt tải nên độ rộng bức xạ cỡ  = 0.45 A0 Khi giảm nhiệt độ nói chung

 giảm và ngợc lại

Nắm đợc cơ chế kích thích cũng nh nguyên tắc làm việc của laser bándẫn chúng ta dễ dàng tìm hiểu đợc các đặc trng của bức xạ laser bán dẫn thu

dẫn loại n - với các điện tử là hạt tải đa số, bán dẫn loại p - với lỗ trống là hạt

dẫn đa số

Các laser với môi trờng hoạt là chất bán dẫn có thể hoạt động dựa trêncác cơ chế bơm khác nhau Tuy nhiên bức xạ laser bán dẫn có phổ phát xạ làlớn và đa mode Việc chọn lọc mode sóng phát của laser bán dẫn sẽ đợc trìnhbày trong nội dung tiếp theo của chơng

Chơng II - hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn

phản hồi phân bố hai ngăn

Trong những năm 80 của thế kỷ 20, cùng với sự phát triển của hệ thốngthông tin quang, các laser bán dẫn phản hồi phân bố (Distributed FeedBack -DFB laser) một ngăn đóng vai trò là các nguồn phát sóng mang và đợc ứngdụng rộng rãi do những lợi thế về sự phát đơn mode, công suất tơng đối cao vàkhả năng điều biến trong một miền phổ hẹp

Sự phát triển của hệ thống thông tin quang với yêu cầu về kích thớc,dung lợng, tốc độ truyền dẫn và giá thành hạ, cần thiết phải có các thiết bịmới nh là các bộ ghép kênh theo bớc sóng (wavelength division multiplexting

- WDM), bộ ghép kênh theo thời gian (time division multiplexting - TDM), bộ

điều biến chuyển đổi tần số (frequency shift keying - FSK) Trong các thiết bịnày, tốc độ chuyển đổi giữa các mode và khả năng điều khiển bớc sóng củacác DFB laser một ngăn là không đáp ứng đợc và làm hạn chế những u việtcủa hệ thống truyền dẫn quang

Vì vậy vấn đề đặt ra là cần phải có sự biến đổi về cấu trúc của các diođelaser Các cấu trúc mới đợc để xuất là sự ghép các diode laser độc lập thành

dạng liên kết hai, ba hay nhiều ngăn hơn hoạt động dới sự điều khiển bởinguồn bơm và cơ chế phản xạ Bragg Trên cơ sở này các laser phản xạ phân

bố Bragg DBR, các laser phản hồi phân bố DFB hai ngăn đã đợc nghiên cứucả về lý thuyết và thực nghiệm

Trong chơng này, chúng tôi trình bày nguyên tắc của quá trình lựa chọnbớc sóng bằng cơ chế phản xạ Bragg trong các laser DFB Từ mô hình mộtlaser DFB hai ngăn sử dụng vật liệu bán dẫn InGaAsP chúng tôi dẫn ra hệ ph-

ơng trình động học mô tả hoạt động của laser này

2.1 Nguyên lý phản hồi phân bố trong các DFB laser

Trong các laser phản hồi phân bố (laser DFB), quá trình phản hồi cácbức xạ laser không xảy ra ở hai mặt phản xạ của các gơng buồng cộng hởng,

mà đợc phản xạ và khuếch đại ở trong môi trờng hoạt chất do hiệu ứng phảnhồi phân bố Bragg Hiệu ứng này đợc tạo ra nhờ sự thay đổi có tính chất chu

kỳ trong không gian của các thông số môi trờng hoạt chất nh chiết suất, hệ sốkhuếch đại, hệ số giam hay các tham số động học laser khác Ưu điểm nổi bậtcủa các laser DFB là sự phát các xung laser có độ đơn sắc cao, độ mở rộngphổ hẹp và tần số lặp lại lớn Bên cạnh đó cơ chế phản hồi phân bố Bragg cóthể áp dụng cho nhiều loại môi trờng hoạt chất khác nhau nh môi trờng rắn,lỏng hay bán dẫn Để tìm hiểu cơ chế phản hồi phân bố Bragg trong các laser,chúng ta xét quá trình phản xạ Bragg xảy ra trên các mặt phản xạ nh sau:

2.1.1 Quá trình phản xạ Bragg

Xét chùm bức xạ đơn sắc, song song, chiếu đến các mặt phản xạ nh

hình vẽ 2.1 Giả sử khoảng cách giữa các mặt phản xạ bằng d và chùm tới làm

Hiệu quang trình của các tia phản xạ từ hai mặt kế tiếp nhau sẽ là :

2dn eff sin  = m; m = 1, 2, 3, …

ở đây m đợc gọi là bậc của phản xạ Bragg, neff là chiết suất hiệu dụng

của vật liệu ứng với bớc sóng  đợc lựa chọn

Điều kiện Bragg cho cực đại của phản xạ ứng với góc  = 900 và d = ,

với  là chu kỳ của cách tử Bragg sẽ là:

(2.2) Theo các điều kiện (2.1), (2.2), chỉ có các bức xạ có bớc sóng bằng b-

ớc sóng m mới đợc khuếch đại và trở thành bớc sóng đợc lựa chọn Nh vậy ở

một bậc Bragg xác định (chẳng hạn m = 3) bằng cách lựa chọn giá trị của chu

kỳ cách tử Bragg , chúng ta sẽ nhận đợc giá trị của bớc sóng  m phù hợp.

Nh nội dung đợc trình bày ở các mục tiếp theo của chơng, nguyên tắc lựachọn bớc sóng dựa trên cơ chế phản hồi phân bố Bragg đợc nghiên cứu rộngrãi cả về mặt lý thuyết và ứng dụng thực nghiệm để chế tạo ra các laser đơnsắc, xung ngắn

2.1.2 Mô hình sóng cho laser phản hồi phân bố

Quá trình hình thành và khuếch đại dao động laser xảy ra trong môi ờng có các đặc trng biến đổi theo chu kỳ nh đợc mô tả nh trên hình 2.2 Trongmô hình này, cách tử Bragg gồm một dãy các gơng bán mạ sắp xếp song songvới chu kỳ  trong môi trờng Phơng trình lan truyền sóng trong môi trờng

tr-theo phơng của trục z có dạng

0 2 2

ở đây E là biên độ trờng tổng hợp trong môi trờng, phụ thuộc vào các phơng

của trục x và y

Hình 2.2 Mô tả quá trình khuếch đại trong cơ chế phản hồi phân bố.

Sự thay đổi của chiết suất và hệ số khuếch đại theo phơng của trục z đợc

LaserLaser



biểu diễn theo các công thức:

(z)=  0 + 1cos (20 z) (2.5)

Trong các công thức này n 0, 0 là giá trị trung bình của chiết suất và hệ

số khuếch đại; n 1, 1 là phần biến đổi theo không gian của chiết suất và hệ sốkhuếch đại của môi trờng hoạt Hệ số  = 2/ đợc gọi là hằng số truyền.Gọi  là tần số laser phát, 0 là tần số Bragg, ở điều kiện Bragg ta có: 0 =

n0 /c = nKhi đó bớc sóng của bức xạ laser phát  /c

0 chính là bớc sóng Bragg vàphần biến đổi theo không gian của hệ số khuếch đại và chiết suất là rất nhỏ.Nghĩa là ta có:

phải có biên độ tơng ứng là R(z), S(z) và viết lại trờng điện trong môi trờng

hoạt có dạng

E z ( )  R z ( ) exp(  i z 0 )  S z exp i z ( ) ( 0 ) (2.9)Với điều kiện (2.6) biên độ của các sóng biến đổi chậm, khi đó từ (2.9) và(2.3) chúng ta nhận đợc cặp phơng trình sóng kết hợp có dạng:

Trong đó hệ số  đợc định nghĩa theo công thức:

 =  -  0 = n(  -  0 )/c (2.11)

Hệ số này xác định độ chênh lệch giữa tần số laser  với tần số Bragg 0 Khi

điều kiện Bragg thỏa mãn thì  = 0

Điều kiện biên sẽ là: R(-L/2) = S(L/2) = 0 (2.12)

với L là chiều dài của ngăn laser

Hệ các phơng trình (2.10a), (2.10b) với điều kiện (2.12) mô tả quá trìnhlan truyền sóng trong cấu trúc phản hồi phân bố với sự có mặt của sự khuếch

đại và sự biến đổi có tính chất chu kỳ của chiết suất môi trờng hoạt tính

Điều kiện pha thu đợc từ kết quả giải hệ (2.10) với điều kiên biên (2.12)

i r

ảo của điện trờng tổng hợp trong môi trờng

Điều kiện pha (2.13) đúng với mọi tần số gần với tần số Bragg và đúngvới mọi loại laser sử dụng nguyên lý phản hồi phân bố DFB

Từ các phơng trình sóng kết hợp (2.10) và điều kiện biên (2.12), sựphân tích của phép giải cho phép ta nhận đợc các phơng trình trị riêng mànghiệm của nó mô tả một bức xạ đơn sắc có ngỡng đỉnh nhất định trong miềnbớc sóng phù hợp Tuy nhiên sự biến đổi một cách có chủ định hay không chủ

định các tham số động học của laser DFB dọc theo chiều dài ngăn dẫn tới việcphải giải bằng số các cặp phơng trình sóng để thu đợc các mode của laserDFB

2.2 Laser bán dẫn phản hồi phân bố

Trong cấu trúc của diode laser bán dẫn sử dụng phơng pháp phản hồiphân bố, các cách tử Bragg đợc chế tạo bằng cách làm “nhăn” lớp vật liệu đặtsát môi trờng hoạt tính (hình 2.3)

Hỡnh 2.3 Sơ đồ tổng quỏt của laser bỏn dẫn phản hồi phõn bố

Trong cấu trúc này lớp cách tử nhăn không nằm trong lớp hoạt tính nhằmmục đích là tránh các chuyển vị bề mặt dẫn đến sự tăng tỷ lệ tái hợp khôngbức xạ, đồng thời đợc sử dụng nh là lớp dẫn sóng quang Kết quả của sự biến

Lớp p

Lớp n Vựng hoạt

tớnh Cỏch tử