Biến điệu bước sóng laser bán đẫn DBR bằng dòng bơm

Mức năng lợng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong bán dẫn loại p 1.2 Chuyển tiếp p-n 1.2.1 Lớp chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng Cấu tạo cơ bản của các nguồn quang là các lớp chuy

Mục lục

Trang

Mở đầu 2

Chơng 1 Laser bán dẫn 4

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

1.1.1 Chất bán dẫn tinh khiết 4

1.1.2 Chất bán dẫn pha tạp 6

1.2 Chuyển tiếp p - n 8

1.2.1 Lớp chuyển tiếp p - n ở trạng thái cân bằng 8

1.2.2 Lớp chuyển tiếp p - n phân cực thuận

11 1.2.3 Lớp chuyển tiếp p - n dị thể 14

1.3 Laser bán dẫn 18

1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn 18

1.3.2 Một số đặc trng của diode laser 20

1.3.3 Một số diode laser đơn mode thông dụng 25

1.4 Kết luận 29

Chơng 2 ứng dụng laser bán dẫn trong quang phổ hấp thụ 30

2.1 Phơng pháp quang phổ hấp thụ thông thờng 30

2.2 Phơng pháp quang phổ hấp thụ lọc lựa 31

2.3 Laser bán dẫn có bớc sóng thay đổi 34

2.3.1 Thay đổi bớc sóng theo nhiệt độ 34

2.3.2 Thay đổi bớc sóng bằng buồng cộng hởng 35

2.3.3 Thay đổi bớc sóng laser DBR bằng dòng bơm 36

2.4 Kết luận 38

Chơng 3 Biến điệu bớc sóng bức xạ laser bán dẫn DBR ba ngăn 39

3.1 Cơ sở biến điệu tần số laser bằng dòng bơm 39

3.2 Bộ phát dao động hình sin dùng hệ tự dao động 42

3.3 Bộ tự dao động thạch anh dùng diode tunnel 44

3.4 Tính toán giá trị các linh kiện cho mạch dao động 47

3.5 Kết luận 53

Kết luận chung 54

Tài liệu tham khảo 55

mở đầu

Ngày nay, ánh sáng laser đã có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau nh: quân sự, thông tin, công nghệ chế tạo, vật lý học Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngày càng xuất hiện nhiều loại laser với những đặc tính u việt Trong số các loại laser đó, laser diode bán dẫn đóng

một vai trò quan trọng vì những lợi thế nổi bật của nó nh: kích thớc nhỏ gọn,

rẻ tiền, có thể biến điệu tần số và bớc sóng phát Do đó trong nhiều ứng dụngvai trò của laser bán dẫn là không thể thay thế đợc, đặc biệt là ứng dụng trongthông tin quang và quang phổ hấp thụ

Tuy nhiên trong quang phổ hấp thụ, khi sử dụng laser bán dẫn có bớcsóng thay đổi, không thể nâng cao đợc độ chính xác của phép đo vì công suấtlaser thấp và độ nhạy của đầu thu thấp Điều này có thể khắc phục đợc nếu sửdụng phơng pháp quang phổ lọc lựa khi sử dụng laser bán dẫn có biến điệu b-

ớc sóng

Việc biến điệu bớc sóng có thể thực hiện bằng nhiều phơng pháp khácnhau nh, thay đổi có chu kỳ nhiệt độ hoạt chất, thay đổi tính chất của buồngcộng hởng hay là thay đổi dòng bơm Tuy nhiên hai phơng pháp đầu là kháphức tạp và khó thực hiện Muốn thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ trong mộtvùng nhiệt độ nhỏ là không chính xác, và công nghệ hiện nay cha thể đáp ứng.Hoặc nếu thay đổi phẩm chất của buồng cộng hởng bằng cơ khí nh thay đổi

độ dài buồng cộng hởng hoặc quay cách tử sẽ không chính xác do độ rung cơtrong quá trình thao tác Chỉ duy nhất phơng pháp thứ ba là khả thi hơn cả vìviệc biến điệu dòng nuôi có thể thực hiện dễ dàng bằng các mạch điện đơngiản

Nh vậy, để có đợc laser bán dẫn biến điệu bớc sóng ứng dụng trongquang phổ hấp thụ lọc lựa, ta có thể sử dụng phơng pháp biến điệu nguồnnuôi Với các phân tích trên, mục tiêu của luận văn là nghiên cứu xây dựngmạch biến điệu dòng nuôi cho laser bán dẫn DBR, một loại laser có bớc sóngthay đổi hiện đại và rất thông dụng hiện nay

Để đạt đợc mục đích trên, luận văn sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về vật liệubán dẫn, laser bán dẫn, ứng dụng của nó trong quang phổ hấp thụ lọc lựa vàcuối cùng xây dựng phơng pháp biến điệu bớc sóng cho laser bán dẫn DBRbằng nguồn nuôi

Toàn bộ nội dung của luận văn đợc trình bày trong ba chơng sau:

Chơng 1: Trình bày cơ sở lý thuyết về vật liệu bán dẫn, laser bán dẫn và các

đặc tính của laser bán dẫn

Chơng 2: Trình bày ứng dụng của laser bán dẫn có bớc sóng thay đổi trong

phơng pháp quang phổ hấp thụ lọc lựa

Chơng 3: Trình bày phơng pháp biến điệu bớc sóng laser bán dẫn bằng dòng bơm

Ch¬ng 1

laser b¸n dÉn

1.1 ChÊt b¸n dÉn vµ c¸c tÝnh chÊt cña chÊt b¸n dÉn 1.1.1 ChÊt b¸n dÉn tinh khiÕt

Trong chất bán dẫn tinh khiết, cấu trúc mức năng lợng gồm ba phần:vùng hóa trị, vùng dẫn và vùng cấm (Hình 1) ở độ không tuyệt đối trongvùng dẫn không có các hạt mang điện nên chất bán dẫn không dẫn điện Khinhiệt độ mạng tinh thể tăng, một số electron nhận thêm năng lợng bổ sung,chúng có thể vợt qua vùng cấm, và chiếm các mức năng lợng trong vùng dẫn.Các electron sau khi chuyển lên vùng dẫn sẽ để lại các lỗ trống trong vùnghoá trị Quá trình trên tạo ra các cặp electron lỗ trống trong vùng dẫn và vùnghoá trị, tức là nó tạo ra các hạt dẫn trong mạng tinh thể chất bán dẫn Và chấtbán dẫn có khả năng dẫn điện.

Xác suất tìm thấy electron có mức năng lợng E trong chất bán dẫn tuântheo hàm phân bố Fermi - Dirac[14]

1 )

E ( F

mức năng lợng trong bán dẫn tinh khiết

Từ phơng trình (1.1) rõ ràng khi nhiệt độ T tăng, xác suất tìm thấyelectron trong vùng dẫn tăng lên Ngợc lại khi nhiệt độ giảm tới độ không

Năng l ợng

Phân bố electron tự do

tuyệt đối thì xác suất tìm thấy electron trong vùng dẫn hầu nh bằng không.Nồng độ electron tự do trong vùng dẫn đợc xác định bằng công thức[14]:

E ( F ).

E ( S

n , (1.2)

2 / 3 2

h

m 2 4 ) E

C , (1.3) trong đó

2 / 3 2

e C

h

KT m 2 2

Tơng tự đối với các lỗ trống trong vùng hoá trị ta cũng có

v , (1.4)trong đó

2 / 3 2

p v

h

KT m 2 2

Trong chất bán dẫn tinh khiết nồng độ electron trong vùng dẫn n bằng nồng

E E exp

F

N

N ln 2

KT 2

n p

m h

KT 2

2 / 3

Từ (1.7) ta thấy, trong chất bán dẫn, nồng độ hạt dẫn hiệu dụng chỉ phụthuộc vào bề rộng của vùng cấm và nhiệt độ, nó không phụ thuộc vào sự cómặt của tạp chất Nếu nhiệt độ không đổi thì ni là đại lợng không đổi nên khipha tạp chất nếu tăng n thì p giảm và ngợc lại

1.1.2 Bán dẫn pha tạp

Khi cho tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn tinh khiết, bán dẫn đó trởthành bán dẫn pha tạp Có hai loại bán dẫn pha tạp là bán dẫn loại p nếu ở lớpngoài cùng của nguyên tử tạp chất có ít hơn một electron so với bán dẫn Vàbán dẫn loại n nếu nguyên tử tạp chất có nhiều hơn một electron ở lớp ngoàicùng so với bán dẫn

Các nguyên tử pha tạp trong bán dẫn loại n gọi là các donor (chất cho).Các donor có một electron không liên kết chặt với mạng tinh thể, nó có thểchuyển động tự do và tham gia vào quá trình dẫn điện Nồng độ pha tạp củabán dẫn loại n là N d đợc xác định tơng tự nh bán dẫn tinh khiết.

N ln KT E

E (1.9)Tơng tự nh vậy, trong bán dẫn p mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng gópmột lỗ trống trong vùng hoá trị Các nguyên tử tạp chất loại này đợc gọi làacceptor (chất nhận) Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại p là Na đợc xác định

Fp

N

N ln KT E

E (1.11)Theo biểu thức (1.9) và (1.11) thì bán dẫn pha tạp loại n có mức năng l-ợng Fermi tăng dần tới gần đáy của vùng dẫn khi nồng độ pha tạp Nd tăng,ngợc lại mức năng lợng Fermi trong bán dẫn loại p lại giảm dần tới đỉnh vùnghoá trị khi nồng độ pha tạp N a tăng Phân bố electron và lỗ trống đợc biểu

Hình 3a Mức năng lợng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn

trong bán dẫn loại n

Hình 3b Mức năng lợng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn

trong bán dẫn loại p

1.2 Chuyển tiếp p-n

1.2.1 Lớp chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng

Cấu tạo cơ bản của các nguồn quang là các lớp chuyển tiếp bán dẫn p-n.Chuyển tiếp p-n hình thành từ hai loại chất bán dẫn và nếu chúng có độ rộngvùng cấm nh nhau thì đợc gọi là chuyển tiếp đơn thể, ngợc lại đợc gọi làchuyển tiếp dị thể

Phân bố hạt dẫn trong chuyển tiếp đơn thể không phân cực đợc biểu diễntrên hình 4 Lỗ trống đợc tập trung với nồng độ cao trong bán dẫn loại p, nơi

mà lỗ trống là hạt dẫn đa số, electron tập trung nhiều tại bán dẫn loại n nơielectron là hạt dẫn đa số

Do phân bố nồng độ không đồng đều ở hai bên của chuyển tiếp p-n nêncác hạt dẫn đa số electron và lỗ trống có xu hớng khuếch tán theo chiều gradnồng độ phân bố của chúng Khi electron và lỗ trống vợt qua lớp chuyển tiếpchúng lại trở thành hạt thiểu số và tái hợp với hạt đa số làm giảm nồng độ hạtdẫn trong miền khuếch tán

Hình 4 Chuyển tiếp p-n không phân cực; a) Chuyển tiếp p-n; b) Phân bố hạt dẫn; c) Phân bố điện tích; d) Biến thiên điện thế; e) Phân bố điện trờng;

f) Phân bố năng lợng.

Miền khuếch tán còn gọi là miền nghèo vì trong miền này nồng độ hạtdẫn nhỏ hơn rất nhiều so với nồng độ hạt đa số ban đầu Nh vậy miền nghèotồn tại ở cả hai bên chuyển tiếp p-n

Electron trong bán dẫn n của lớp chuyển tiếp sau khi khuếch tán qua lớpnày để lại nguyên tử mang điện tích dơng do đó miền nghèo trong bán dẫnloại n của chuyển tiếp p-n lại mang điện tích dơng Tơng tự lỗ trống sau khikhuếch tán qua lớp chuyển tiếp, tái hợp để lại trong bán dẫn p những nguyên

tử mang điện tích âm Quá trình khuếch tán để lại các nguyên tử mang điệntích và tạo ra một điện trờng nội hớng từ bán dẫn n sang bán dẫn p, chính điện

trờng này ngăn cản sự khuếch tán của các hạt đa số, đồng thời tăng cờng dòng

trôi theo chiều ngợc với dòng khuếch tán

Dòng trôi của electron đợc phóng vào bán dẫn p, và lỗ trống phóng vào

bán dẫn n là:

E nq

Nh vậy dòng trôi của electron và lỗ trống đều phụ thuộc vào cờng độ

điện trờng của lớp chuyển tiếp Trong khi dòng trôi của các hạt dẫn phụ thuộc

vào cờng độ điện trờng thì dòng khuếch tán của các hạt đa số qua tiếp giáp lại

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

trong bán dẫn loại n và của các electron trong bán dẫn loại p đợc tính theo

công thức

dx

qdp D

p pdiff   ;

dx

qdn D

Jndiff   n p , (1.13)trong đó D p , D nlà hệ số khuếch tán của lỗ trống và electron tơng ứng

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

chuyển tiếp bằng không, tức là dòng trôi và dòng khuếch tán bằng nhau, có

chiều ngợc nhau

0 J

Jdifff  drif  (1.14)Gọi U B  V n  V plà hiệu điện thế của chuyển tiếp p - n, từ điều kiện (1.14)

a d g

p

n n

n B

N N

N N ln q

KT q

E n

n ln

D

U (1.15) Biểu thức (1.15) cho ta biết mối quan hệ giữa rào thế của lớp chuyển tiếp

p - n với độ rộng vùng cấm, nhiệt độ, nồng độ pha tạp Nd, Na của bán dẫn

Từ các điều kiện bờ của miền nghèo, chúng ta có thể tính đợc nồng độ hạt dẫn

thiểu số ở bờ miền nghèo trong bán dẫn loại p và loại n nh sau:

a

n (1.17)

Nh vậy, từ (1.16) và (1.17) ta thấy dọc theo vùng nghèo nồng độ hạt dẫn

giảm dần từ giá trị lớn nhất Nd và Na đến np và pn

1.2.2 Lớp chuyển tiếp p - n phân cực thuận

Theo kết quả phân tích ở mục 1.2.1, khi không đặt điện áp ngoài lênchuyển tiếp p - n, tổng các dòng khuếch tán và dòng trôi qua chuyển tiếpbằng không, tức là không có dòng điện chạy qua chuyển tiếp, và miền nghèoxuất hiện trong phạm vi tái hợp của các hạt dẫn Nếu ta phân cực thuận chochuyển tiếp tức là đặt cực dơng của nguồn vào bán dẫn loại p và cực âm vàobán dẫn loại n thì trạng thái cân bằng dòng trôi và dòng khuếch tán bị phá vỡ,

do đó sẽ xuất hiện dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp Nếu U là điện ápngoài phân cực thuận thì điện áp đặt lên lớp chuyển tiếp sẽ là Ud  UB U.Nồng độ hạt dẫn thiểu số tại bờ của miền nghèo bây giờ đợc tính theo côngthức

qU exp N KT

qU exp N

d

d d

qU exp N KT

qU exp N

a

d a

,

n (1.19)Thay các biểu thức (1.16) và (1.17) vào hai biểu thức trên ta có:

p , n

n (1.21)

Nh vậy nồng độ hạt thiểu số tại bờ của chuyển tiếp phân cực thuận tỉ lệ với

điện áp phân cực theo quy luật hàm mũ Nguyên nhân chính dẫn đến nồng độhạt dẫn thiểu số tăng nhanh là do dòng khuếch tán của hạt đa số tăng nhanh

Để tìm đợc biểu thức xác định dòng qua chuyển tiếp p - n, ta giả thiếtrằng các dòng thành phần qua chuyển tiếp chỉ là dòng khuếch tán của các hạt

đa số mà không tính đến sự tái hợp của chúng Hạt dẫn thiểu số tập trungtrong bán dẫn p biến thiên từ ,

p

n tại bờ của miền nghèo tới giá trị lớn nhất np

tại điểm tiếp xúc Tơng tự trong bán dẫn n nồng độ hạt thiểu số thay đổi từ giátrị nhỏ nhất tại bờ miền nghèo pn tới giá trị lớn nhất ,

pd p

p

' p n p

n

W x

p p q D W

x

n n q D dx

dp q D dx

dn q

Chiều rộng miền nghèo ở hai bên của chuyển tiếp giảm đi đáng kể khiphân cực thuận, vì vậy trong biểu thức trên ta có thể bỏ qua Wpd và Wnd so với

p p q D x

n n q D

n n

' n p p

p

' p

p n

qp D x

qn D J

Hình 5 Giản đồ năng lợng của chuyển tiếp p - n phân cực thuận

Nh vậy, dòng chảy qua chuyển tiếp hay diode có dạng nh biểu thức(1.23) nếu bỏ qua hiện tợng tái hợp của các hạt dẫn

Nếu xét đến ảnh hởng của sự tái hợp các hạt dẫn đến dòng điện chảy quadiode, tức là quá trình tái hợp giữa electron đợc phóng vào bán dẫn loại p và lỗtrống trong đó, để duy trì trạng thái cân bằng nhiệt thì dòng điện chảy quachuyển tiếp 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 nênbởi dòng khuếch tán của hạt thiểu số hớng ra ngoài Jndiff và dòng trôi của cáchạt đa số Jpdrif , có chiều ngợc lại Tại mọi điểm trên bán dẫn p dòng tổng docác hạt tạo nên sẽ là một hằng số và đợc xác định bởi

Jt=Jndiff + Jpdrif (1.24)

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 e lần so với giátrị ban đầu Do dòng qua vùng bán dẫn p là không đổi nên ta có thể viết

0 J dx

d

dx

d J

dx

d

pdrif ndiff   (1.25)

Vậy, điện tích bị tiêu hao trong quá trình tái hợp trên một đơn vị dx sẽ là

Adx n n q Q

Lớp chuyển tiếp của bán dẫn p sẽ bù lại điện tích cho qúa trình trên và do

đó Q = dIpdrif có nghĩa là

n

p pdrif

n

p pdrif

n n q J

dx

d Adx

n n q dI

ndiff

dx

n d qD dx

dn qD dx

d J

n d D

n

p 2

' p p

D

x exp n n n x

n (1.30)

Từ phơng trình (1.30), ta nhận thấy mật độ dòng trôi giảm đi e lần so vớigiá trị ban đầu sau một khoảng Ln Dnn , đó chính là chiều dài khuếch táncủa electron Hoàn toàn tơng tự ta có thể tìm đợc chiều dài khuếch tán của lỗtrống Lp với

' n n

D

x exp p p p x

Hình 6a Giản đồ năng lợng của chuyển tiếp dị thể đơn ở trạng thái cân bằng

Hình 6b Giản đồ năng lợng của chuyển tiếp dị thể phân cực thuận

Chuyển tiếp p-n dị thể gồm chuyển tiếp dị thể đơn (chỉ có một lớp

chuyển tiếp), và chuyển tiếp dị thể kép (gồm hai lớp chuyển tiếp trở lên) Để

đơn giản trớc hết ta xét loại chuyển tiếp dị thể đơn

Giả sử ta có một bán dẫn loại p, và một bán dẫn loại n có năng l ợngvùng cấm lần lợt là Eg1 và Eg2 (với Eg1> Eg2) Khi cho chúng tiếp xúc với nhau

Khoảng cách

Hình 7 a) Giản đồ năng lợng của chuyển tiếp dị thể kép

b) Phân bố chiết suất phân cực thuận.

Để tập trung đợc một số lợng lớn các lỗ trống và electron trong vùng hoạttính, trong các diode laser ta phải sử dụng lớp chuyển tiếp dị thể kép Sau đây

ta sẽ xét loại chuyển tiếp này và sẽ thấy đợc những u điểm của nó so vớichuyển tiếp dị thể đơn

Để có đợc một chuyển tiếp dị thể kép, ta phải có ba mẫu bán dẫn có các

độ rộng vùng cấm khác nhau Eg1, Eg2, Eg3 Trong đó hai mẫu bán dẫn cùng loại

n và một mẫu thuộc loại p (hoặc ngợc lại) Cấu trúc và sơ đồ năng lợng củamột chuyển tiếp dị thể kép đợc cho trên hình 7

Từ giản đồ năng lợng ta thấy: Hàng rào thế mỗi bên của vùng hoạt tính

sẽ ngăn cản các hạt đa số di chuyển, vì vậy, dới điện áp phân cực thuận, sẽ cómột số lợng lớn các hạt đa số đợc phun vào vùng hoạt tính và bị giam ở đó.Tái hợp của các hạt đa số sẽ diễn ra trong lớp hoạt tính kích thớc nhỏ vì thếdiode có hiệu suất phát quang cao Một u điểm nữa của cấu trúc chuyển tiếp dịthể kép là chiết suất trong vùng hoạt tính cao hơn các vùng xung quanh, nên

ánh sáng phát ra là một chùm tia hẹp có độ tập trung cao giống nh trong sợiquang

1.3 Laser bán dẫn

1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn

Laser bán dẫn có nguyên tắc hoạt động dựa trên những đặc điểm của lớpchuyển tiếp p-n đã đợc trình bày ở phần trớc Một laser bán dẫn chuyển tiếp p-

n phân cực thuận đợc mô tả nh hình 8

Loại NLoại P

Khoảng cách

Năng l ợng

Chiết suất

ở trạng thái cân bằng nhiệt (cha có sự đảo lộn mật độ hạt) thì lớp hoạttính của chuyển tiếp p-n cũng ở trạng thái cân bằng Khi có sự phun hạt mang

điện vào lớp tích cực thì sự cân bằng tại đây bị phá vỡ Dòng điện phân cựcthuận chạy qua chuyển tiếp p-n làm cho các electron chuyển từ mức năng lợngthấp lên mức năng lợng cao trong thời gian cực bé sau đó lại quay về nơi nó đã

đi và quá trình này phát sinh ra photon Nh vậy, dòng điện phân cực thuận đãlàm cho electron từ mức cơ bản lên mức năng lợng kích thích trong laser bándẫn (bơm electron) Nếu dòng bơm đủ lớn trong bán dẫn sẽ xảy ra hiện tợng

đảo lộn mật độ cao, tức là phân bố electron ở vùng dẫn lớn hơn vùng hoá trị,lúc này bức xạ cỡng bức xảy ra Để tạo ra laser thì phải có sự phun hạt tải quavùng hoạt tính đồng thời với việc tạo ra buồng cộng hởng nhằm phản hồi côngsuất ánh sáng để đạt đến sự cảm ứng của bức xạ Trong laser bán dẫn, ngời tathờng dùng buồng cộng hởng Fabry-Perot (đợc mô tả trên hình 9)

Hình.9 Cấu trúc buồng cộng hởng Fabry-Perot

Cấu trúc này gồm hai gơng song song, tại đó photon đợc phản xạ qua lạinhiều lần Tại buồng cộng hởng thì chỉ có một mode cộng hởng tồn tại và cácphoton chỉ có một lợng phát ra bên ngoài Các mặt gơng thu đợc bằng cách bẻtinh thể theo các trục của nó hoặc đánh bóng, sự khác biệt về chiết suất giữamôi trờng trong suốt và môi trờng bên ngoài làm cho các mặt bẻ đóng vai trò

nh các mặt phản xạ Vùng hoạt tính nằm giữa hai gơng tạo ra cấu trúc buồngcộng hởng quang, chỉ có sóng thoả mãn điều kiện cộng hởng mới tạo thànhsóng dừng và mới đợc khuếch đại lên Do đó ánh sáng tạo ra là ánh sáng kếthợp và chỉ có sóng có bớc sóng cộng hởng mới đi ra khỏi buồng cộng hởngvới công suất đủ lớn Có nghĩa là chỉ có sóng mà sau khi mỗi chu kỳ phản xạthay đổi pha bằng bội của 2  mới tạo thành dao động Vì một chu kỳ lantruyền sóng bị lệch pha tơng đơng với    2 kL trong đó k  2  n / là véc tơsóng của ánh sáng trong buồng cộng hởng và L là chiều dài buồng cộng hởng,

ta có:



 m 2 kL

m

nL 2

m 

 (1.32)Với m là số nguyên, mlà bớc sóng tơng đơng với một mode dọc, nó phụthuộc vào chiều dài của buồng cộng hởng Các mặt khác của buồng cộng hởng

đợc để nhám cho các photon phát xạ qua các mặt này không phản xạ trở lạilàm ảnh hởng tới hiệu suất phát laser

Mục đích của việc tạo ra buồng cộng hởng cho miền hoạt tính củachuyển tiếp p-n là để duy trì hoạt động của laser bán dẫn và cung cấp năng l -ợng liên tục (dới dạng dòng điện) để bù lại các mất mát năng lợng gây ra bởisuy giảm photon trong buồng cộng hởng

Vì phần lớn công suất điện đợc đa vào laser bán dẫn bị biến thành nhiệtnăng nên để kéo dài tuổi thọ diode laser ta cần phải toả nhiệt cho nó thật tốt.Ngời ta cũng cố gắng chế tạo những laser bán dẫn có ngỡng mật độ dòng thấp

Để đạt đợc những yêu cầu nói trên, laser bán dẫn cần đợc cấu tạo với cấu trúcnhiều lớp phức tạp

Nh vậy, cấu trúc của laser bán dẫn gồm ba phần chính: phần tử khuếch

đại, phần tử lọc sóng và bộ phận phản hồi (hai bộ phận sau đợc hình thành bởibuồng cộng hởng Fabry-Perot và bên trong nó là một môi trờng hoạt tính) Và

sự dao động của laser trong môi trờng hoạt tính đợc khuếch đại, độ khuếch đạiphải lớn hơn sự suy giảm

1.3.2 Một số đặc trng của diode laser

1.3.2.1 Ngỡng phát của laser

Nh đã trình bày trong phần trớc, điều kiện quyết định cho laser hoạt động

là có sự đảo mật độ hạt và sự khuếch đại trong buồng cộng hởng phải vợt qua

đợc sự suy hao trong đó Vì vậy, dòng bơm hạt tải vào vùng hoạt tính phải đạt

đến một ngỡng nào đó để có thể xảy ra hiện tợng phát laser gọi là dòng bơmngỡng Ith nhng thông thờng để đặc trng cho điều kiện ngỡng phát laser ngời tadùng đại lợng mật độ dòng bơm ngỡng Jth ở giá trị dòng bơm nhỏ hơn dòngbơm Ith thì laser chỉ có quá trình tái hợp bức xạ tự phát và khi đó laser hoạt

động nh một diode phát quang Nguồn laser phát ra ổn định khi dòng bơm vàolớn hơn dòng ngỡng Giá trị thực sự đặc trng cho ngỡng phát laser là mật độdòng ngỡng Nó đợc xác định bằng công thức sau [1]:

r th

R R

1 ln L 2

1 8

2

f qd

J , (1.33)trong đó q là điện tích của electron; d là chiều dài vùng hoạt tính;  là hệ sốsuy hao công suất quang trên một đơn vị dài; L là chiều dài buồng cộng hởng;

R1, R2 là hệ số phản xạ của hai gơng

Từ công thức (1.33) ta thấy rằng Jth tỉ lệ với bề rộng vùng hoạt tính Côngthức (1.33) có độ chính xác khá cao khi diode laser hoạt động ở nhiệt độ thấp.Khi nhiệt độ tăng thì Jth phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, và ta có thể tính gần

hf I q

D P

t là thời gian tái hợp bức xạ

Khi laser hoạt động trên mức ngỡng, thì công suất phát quang sẽ là[1]

hf q

I I

P  th

 (1.36)

0 1 2 3 4 5 6 7

Công suất quang (mW)

50 100 150 200 250 300 350 400 Dòng bơm (mA)

Bức xạ tự phát

Bức xạ kích thích

Hình 10 biểu diễn sự biến thiên của công suất ra theo dòng điện đối với

một diode laser phát quang ở bớc sóng 850nm Hình vẽ này cho thấy, ở trên

điểm ngỡng diode laser mới hoạt động nh một laser Ta cũng biết rằng côngsuất ra sẽ bão hoà khi dòng điện đủ lớn Bởi vì dòng điện có cờng độ cao sẽlàm nóng diode, điều này làm giảm hiệu suất nghịch đảo

Đờng đặc trng công suất phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tănglên thì dòng ngỡng tăng theo và công suất ra ở một dòng cố định giảm đi nêncác đờng đặc trng công suất bị dịch về phía phải Điều này có thể giải thích

nh sau:

- Khi nhiệt độ tăng, trong vùng hoạt tính lúc này xuất hiện hiệu ứngAuger, nghĩa là có một phần hạt tải không đóng góp vào việc phát photon mà

nó lại truyền cho dao động mạng tinh thể

- Hiện tợng rò hạt tải ở vùng hoạt tính (do hạt tải phân bố ở vùng năng lợng cao đi ra khỏi vùng hoạt tính)

Ngoài ra nhiệt độ tăng cũng làm cho tần số bức xạ thay đổi Nh vậy, sựphụ thuộc công suất phát ra vào nhiệt độ là một nhợc điểm của laser điode Do

đó để ổn định công suất cũng nh tần số của laser, ta cần phải ổn định nhiệt độ

1.3.2.3 Đặc trng phổ bức xạ

Trong diode laser chỉ một số sóng ánh sáng có bớc sóng nhất định mới

có thể lan truyền đợc trong buồng cộng hởng Điều kiện để lan truyền ánhsáng là sóng phản xạ và sóng tới phải đồng pha với nhau Từ đó ta suy ra đợccông thức xác định những bớc sóng đợc khuếch đại trong buồng cộng hởng[1]

L

N

n 2

0 

 , (1.37)

trong đó N là số tự nhiên, L là chiều dài buồng cộng hởng

Mỗi bớc sóng đó gọi là một mode dọc hay đơn giản là mode Tập hợp

đỉnh của các mode này tạo thành đờng bao phổ bức xạ của diode laser Từ(1.37) ta sẽ tìm đợc khoảng cách về mặt tần số giữa hai mode liên tiếp nhau.Phổ bức xạ của laser phụ thuộc rất nhiều vào dòng bơm Khi laser hoạt động ởchế độ dới ngỡng, bức xạ tự phát chiếm u thế và do đó độ rộng vạch phổ giốngvới diode phát quang Tuy nhiên, nếu diode laser hoạt động ở chế độ lớn hơnchế độ ngỡng thì độ rộng vạch phổ sẽ giảm xuống Vạch phổ hẹp lại do tác

động của buồng cộng hởng và khuếch đại theo hàm mũ những mode đạt tớimức ngỡng, đồng thời bỏ qua tất cả những mode khác Hệ số khuếch đại trongbuồng cộng hởng đợc xác định bằng công thức[1]

0 k

i ph

b n n C 1 G

trong đó  phlà thời gian sống của laser kích thích trong buồng cộng hởng; C,

b là các hằng số tỉ lệ; , 0 là tần số đợc khuếch đại và tần số trung tâm; ni, nk

là nồng độ electron trong vùng dẫn và trong vùng hoá trị

Khi diode laser hoạt động dới mức ngỡng thì thành phần trong ngoặc{C(ni-nk)+b( - 0)2} này rất nhỏ, vì vậy tất cả các mode truyền dẫn đợckhuếch đại nh nhau Nếu tăng dòng điện phân cực diode lên thì hệ số khuếch

đại tăng Tuy nhiên mode có bớc sóng gần với bớc sóng trung tâm hơn cả sẽ

đợc khuếch đại nhiều nhất Hiện tợng này đợc biểu diễn trên hình 11 Nh vậy,

có thể thấy rằng, khi diode laser hoạt động trên mức ngỡng thì độ rộng vạchphổ sẽ hẹp hơn so với diode phát quang

Trong thực tế, các mode bên cạnh gần với mode cơ bản cũng đợc khuếch

đại đáng kể, do đó đầu ra bao gồm một số mode phụ thuộc vào đờng congkhuếch đại Tập hợp các mode này cho ta một đờng bao của vạch phổ và cóthể tính gần đúng đờng bao này bằng phân bố Gauss:

2 exp g

trong đó  là độ rộng vạch phổ của bức xạ laser

Hình 11 a) Các mode trong laser bán dẫn; b) Đờng bao vạch phổ khi laser

hoạt động dới mức ngỡng; c) Đờng bao vạch phổ khi laser hoạt động trên mức

ngỡng; d) Phổ bức xạ.

Kết quả trên cùng với phổ vạch làm cho phổ bức xạ có dạng nh hình 11d

Nếu diode laser hoạt động với dòng điện cao hơn rất nhiều so với mức ngỡng,

thì đờng bao khuếch đại có thể dịch đi một chút để một trong những mode gần

với bớc sóng trung tâm chiếm u thế Hiệu ứng này gọi là mode - hopping và

nó làm gãy đờng đặc tính công suất - dòng điện Nếu điều chế laser bằng cách

biến đổi dòng điện điều khiển, mode - hopping sẽ làm thay đổi tần số hoạt

động

Bên cạnh các mode dọc, còn có các mode ngang và các mode bên Các

mode này có xu hớng làm cho chùm tia ra phân kì mạnh Trạng thái lý tởng

chỉ có một trong các mode ngang cơ bản và mode bên của nó tồn tại (điều này

sẽ làm cho chùm sáng ra song song và có đờng kính ngang nhỏ)

1.3.3 Một số laser diode đơn mode thông dụng



P ánh sáng ra

0,5 0

1

độ rộng vạch phổ



độ rộng vạch phổ0

Sự bức xạ photon trong buồng cộng hởng của laser diode đã tạo nên mộtmẫu vạch trờng điện từ và đợc gọi là các mode của buồng cộng hởng Cácmode này có thể đợc phân chia thành hai tập hợp độc lập là các mode điệnngang (TE) và các mode trờng ngang (TM) Các mode dọc có liên quan đến

độ dài L của buồng cộng hởng và xác định cấu trúc cơ bản của phổ tần số bứcxạ quang đợc phát ra

Nhìn chung, các laser thông thờng sẽ cho phổ đa mode, ngoài modechính trong nguồn phát quang còn các mode khác Để có đợc laser đơn modephải đạt tỷ lệ nén biên độ giữa mode chính và các mode bên rất lớn, khi đótrong nguồn quang hầu nh chỉ còn tồn tại một mode dọc chính Laer cókhoảng cách giữa các mode dọc khoảng 1nm nhỏ hơn rất nhiều so với đờngcong khuếch đại, do đó công suất của các mode sẽ rất khác nhau, trong khi đósuy hao truyền dẫn giữa các mode lại không đáng kể Tỷ số nén mode bên đợc

đa ra để xác định chế độ hoạt động của laser, nó đợc xác định bằng tỷ số côngsuất của mode chính có công suất P0 và mode cạnh mode chính có công suất

P1 Tỷ số nén mode bên SMSR (side mode suppression ratio) của laser đơnmode đợc xác định bởi

2

G

L tp

n

0 1

R

P 1 P

 là khoảng cách giữa các mode dọc liên tiếp

Để laser hoạt động đợc ở chế độ đơn mode thì tỷ số SMSR phải lớn và có

độ ổn định cao, nghĩa là phải giảm chiều dài buồng cộng hởng Nhng do yêucầu đối với độ khuếch đại nên điều đó lại làm cho mật độ dòng điện ngỡngtăng Mật độ dòng điện lớn sẽ gây khó khăn cho vấn đề toả nhiệt Do vậy đểgiảm dòng điện ngỡng ta cần phải giảm bề rộng vùng hoạt tính Để thực hiện

điều này, ngời ta thờng sử dụng các cấu trúc sau đây

1.3.3.1 Diode laser cấu trúc dị thể vùi trên cơ sở InGaAsP/InP

Để tăng khả năng nhốt hạt tải và giảm dòng ngỡng của laser, ngời ta đãchế tạo ra laser ống dẫn chiết suất hay còn gọi là laser cấu trúc dị thể vùi Vìlớp hoạt tính đợc bao quanh bởi các lớp khác có chiết suất nhỏ hơn tạo ra mộtống dẫn quang nằm chôn sâu trong diode Lớp hoạt tính InGaAsP loại pkhông có bề rộng bằng bề rộng mặt đế, mà thu gọn thành một giải hẹp nằm

sâu trong các lớp khác là InP loại n và InP loại p Nh vậy laser cấu trúc dị thểvùi có khả năng giam photon theo cả ba chiều vì có cấu trúc dị thể theo cả bachiều và giam hạt tải theo cả phơng vuông góc với phơng của dòng điện Vìvậy, dòng ngỡng của laser có cẩu trúc này thấp hơn nhiều so với laser bán dẫnthờng, có tính dị thể theo hai chiều Mặt khác lớp hoạt tính rất nhỏ (cở từ 3-5

m) nên bức xạ laser phát ra là đơn mode không gian (Hình 12)

Laser cấu trúc dị thể vùi đợc cấu tạo trên cơ sở vật liệu InGaAsP/InP cóvùng hoạt tính là bán dẫn loại p-InGaAsP đợc bao bọc bởi các lớp hạn chế n-InP và lớp che phủ p-InP có bề rộng vùng cấm lớn hơn tạo ra một ống dẫnquang

ống dẫn quang này có chiết suất lớn hơn lớp vỏ nên laser thờng hoạt

động ở chế độ đơn mode Mặt khác các hạt tải đợc bơm vào vùng hoạt tính, do

đó dòng điện không bị rò ra ngoài Vì thế dòng ngỡng của laser loại này rấtthấp chỉ cỡ 30mA

1.3.3.2 Diode laser hồi tiếp phân tán braag DFB (Distributed Feedb ack Braag)

Nguyên lý hoạt động của laser DFB là sử dụng hiện tợng phản xạ Braggvào mục đích nén các mode bên và chọn lọc tần số Trong thiết bị này buồngcộng hởng Fabry - Perot đợc thay thế bằng cách tử nhiễu xạ (Hình 13)

Sóng quang lan truyền song song với cách tử, do cách tử có cấu trúc tuầnhoàn chu kỳ tạo hiện tợng giao thoa giữa hai sóng ghép lan truyền ngợc nhau

Để hiện tợng giao thoa sóng xảy ra thì sau một chu kỳ của cách tử, pha củasóng phải thay đổi 2m, trong đó m là số nguyên, đợc gọi là bậc nhiễu xạBragg tức là

p-InGaAsP

p-InP

p-InPp-InP

InAu-Zn

In

Au-Ge-Ni

Hình.12 Cấu trúc diode laser dị thể vùi

n-InPn-InP

n-InP

2 m

2   

B eff n 2





, (1.41)trong đó neff là chiết suất hiệu dụng của mode (neff  3,4 đối với bớc sóng 1,55

m InGaAsP laser);  là chu kỳ cách tử (hệ số 2 xuất hiện trong biểu thứctrên vì ánh sáng phải phản xạ hai lần để trùng pha với sóng tới)

Nếu điều kiện (1.41) không thoả mãn thì ánh sáng tán xạ từ cách tử sẽgiao thoa triệt tiêu lẫn nhau, kết quả là sóng không thể lan truyền đi đợc Khi

m = 1 thì bớc sóng B đợc gọi là bớc sóng Bragg bậc một và: B  2neff Công thức (1.41) là trờng hợp đặc biệt của định luật Bragg và nếu m bằngmột đơn vị thì sóng đợc gọi là thoả mãn điều kiện Bragg thứ hai Thực tế thìkhi m = 2, chu kỳ cách tử tăng lên và dễ chế tạo hơn Lu ý rằng cách tử khôngnằm trong lớp hoạt tính Nguyên nhân là do cách tử nằm trong lớp hoạt tính sẽgây ra sự chuyển vị bề mặt và điều này sẽ làm tăng tỉ lệ tái hợp không bức xạ

1.3.3.3 Diode laser phản xạ phân tán Braag DBR (Ditributed Braag Reflector)

Diode laser DBR là một dạng biến thể của laser DFB Không giống nhcông nghệ đợc sử dụng trong laser DFB, trong laser DBR các cách tử chiềudài ngắn đóng vai trò bộ phản xạ chọn lọc tần số, thay thế cho buồng cộng h-ởng Fabry - Perot (hình 14) Cấu trúc cách tử nằm ở hai bên vùng hoạt tính cótác dụng nh hai gơng phản xạ với các bớc sóng thoả mãn điều kiện phản xạ

Nh vậy sẽ có nhiều mode trong vùng hoạt tính, nhng chỉ có một bớc sóng đợcphản xạ trở lại và đợc khuếch đại

Hình.13 Cấu trúc diode laser DFB

Vùng hoạt tính

p

n