Khảo sát ảnh hưởng của dòng bơm trong ngăn hấp thụ lên các đặc trưng xung phát của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn

Một số vấn đề cơ sở của chất bán dẫn và laser bán dẫn phản hồi phân bố Trong chương này chúng tôi trình bày về các khái niệm, một số tính chấtchung và đặc trưng của các loại chẩt bán dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-LÊ THị PHƯƠNG THảO

KHảO SáT ảNH Hởng của dòng bơm

trong ngăn hấp thụ lên các đặc trng xung phát

của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn

Luận văn thạc sĩ vật lí

VINH 2010

Lê thị phơng thảo

KHảO SáT ảNH Hởng của dòng bơm

trong ngăn hấp thụ lên các đặc trng xung phát

của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn

MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển rấtmạnh trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Trong các hệ thốngthông tin quang, các nguồn phát sóng mang là một trong những linh kiện quantrọng nhất Các nguồn phát sóng là các laser bán dẫn thông thường có độ rộngphổ lớn, điều này ảnh hưởng đến chất lượng và tốc độ truyền dẫn thông tin do

sự suy hao tán sắc vật liệu trong sợi quang Hơn nữa, do yêu cầu về tốc độtruyền dẫn, dung lượng và giá thành nên các thiết bị mới như bộ ghép kênhtheo bước sóng (wavelength division multiplexting - WDM), bộ ghép kênh theothời gian (time division multiplexting - TDM), bộ điều khiển chuyển đổi tần số(frequency shift keying - FSK), … phải được đưa vào sử dụng trong hệ thốngthông tin quang Để đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, công nghệ truyền dẫnquang cần có các nguồn laser phát đơn mode, có cường độ lớn, dòng ngưỡngthấp và dễ dàng điều biến trong một vùng phổ rộng [1-3]

Hiện nay, để hạn chế các quá trình đa mode, một cơ chế lựa chọn tần sốphát trong laser bán dẫn đã được sử dụng là cơ chế phản hồi phân bố - phản xạBragg Do giới hạn của điều kiện Bragg nên laser chỉ phát ra với một bướcsóng duy nhất, phù hợp với hệ thống thông tin quang đường dài Với các ưuđiểm rõ nét như trên, các laser bán dẫn phản hồi phân bố (Distributed FeedBack

- DFB laser) đã được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu cả về

lí thuyết và thực nghiệm [4,5]

Bắt đầu từ các DFB laser một ngăn, các laser DFB hai, ba hay nhiềungăn hơn đã được tập trung nghiên cứu Các kết quả khảo sát cho thấy cáckhoảng giá trị khác nhau của các tham số động học laser, chẳng hạn dòng bơm,

hệ số giam, chiết suất hiệu dụng, đã có ảnh hưởng lớn đến các đặc trưng củaxung laser phát như cường độ hay bước sóng phát [2-6] Như vậy bằng cáchđiều khiển các tham số động học laser, chúng ta có thể điều chỉnh một hay

cũng như công nghệ của các laser bán dẫn phản hồi phân bố DFB, trong luận

văn này chúng tôi đặt vấn đề “Khảo sát ảnh hưởng của dòng bơm trong ngăn

hấp thụ lên các đặc trưng xung phát của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn”.

Mục đích nghiên cứu của luận văn là nhằm khảo sát các đặc trưng củamode sóng laser phát phụ thuộc vào giá trị dòng điều khiển trong ngăn hấp thụcũng như ảnh hưởng của hệ số chiết suất hiệu dụng trong các ngăn laser lên cácmode phát; Từ đó rút ra giá trị các tham số động học laser phù hợp, giới thiệu,định hướng cho thực nghiệm chế tạo các laser DFB hai ngăn ứng dụng trongcông nghệ truyền dẫn thông tin quang

Với mục đích nghiên cứu như trên, ngoài phần mở đầu và kết luận, kếtcấu nội dung của luận văn được chia thành các phần chính như sau:

Chương I Một số vấn đề cơ sở của chất bán dẫn và laser bán dẫn phản hồi phân bố

Trong chương này chúng tôi trình bày về các khái niệm, một số tính chấtchung và đặc trưng của các loại chẩt bán dẫn thường gặp; những hiện tượngthường xảy ra trong tiếp giáp p - n của các vật liệu bán dẫn thuần hay pha tạp

Phần hai của chương trình bày cơ sở lý thuyết về cơ chế phản hồi phân

bố, dẫn ra mô hình laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn

Chương II Khảo sát ảnh hưởng của dòng bơm trong ngăn hấp thụ lên bước sóng phát của laser DFB hai ngăn.

Phần đầu chương dẫn ra hệ phương trình tốc độ cho laser bán dẫn phảnhồi phân bố hai ngăn theo mô hình mô tả ở chương I Chúng tôi đã giải bằng số

hệ phương trình động học này và khảo sát sự biến đổi các đặc trưng của xung

laser phát trong hoạt động không dừng khi dòng bơm trong ngăn hấp thụ thayđổi.

Phần kết luận chung nêu lên một số kết quả đạt được trong quá trìnhnghiên cứu đề tài có ý nghĩa ứng dụng trong thông tin quang

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

lí, Trường đại học Vinh Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài, tác giảxin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo – TS Nguyễn Văn Phú, thầy

đã đặt bài toán, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo để hoàn thành luận văn này Tôi xinbày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS TS Đào Xuân Hợi, TS Đoàn HoàiSơn, các thầy đã có những góp ý, chỉ bảo quý báu để luận văn được hoàn thiệnhơn Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Vật lí, khoađào tạo Sau đại học, các phòng ban chức năng Trường đại học Vinh, đã giảngdạy, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Trong quá trình nghiên cứu và trình bày, tuy đã rất nỗ lực và cố gắngnhưng chắc chắn không tránh khỏi nhiều thiếu sót, do vậy chúng tôi rất mongnhận được những ý kíến đóng góp của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để

có thể hoàn thiện hơn nữa các kết quả nghiên cứu của mình

CHƯƠNG I MỘT sè VẤN ĐỀ CƠ SỞ CỦA CHẤT BÁN DẪN

VÀ LASER BÁN DẪN PHẢN HỒI PHÂN bè

I Khái niệm, tính chất chung chất bán dẫn

1 Khái niệm

Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện.Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫnđiện ở nhiệt độ phòng

Theo quan điểm của lí thuyết vùng, các chất bán dẫn là các chất có vùngcấm hẹp, cụ thể là bề rộng của vùng cấm không quá 2 - 3 eV, vùng này có thểđược khắc phục nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài

Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định Ở không độ tuyệtđối (0K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ởvùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, các

điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (k B T với k B là hằng số Boltzmann)nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ởvùng hóa trị Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận đượcnăng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chấtrắn trở thành dẫn điện Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn

sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ(hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ) Một cách gần đúng, có thể viết sựphụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

với: R0 là hằng số, ΔE g là độ rộng vùng cấm

Tính chất và dấu hiệu quan trọng nhất của các chất bán dẫn là sự phụthuộc các tính chất điện vào các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, độ chiếusáng, áp suất hay tính chất của các trường ngoài Ngoài ra, chỉ cần một lượngnhỏ tạp chất trong chất bán dẫn cũng gây ra độ dẫn điện đáng kể

3 Phân loại chất bán dẫn

Dựa vào mật độ electron và mật độ lỗ trống trong chất bán dẫn, người ta

có thề phân loại chúng thành chất bán dẫn thuần, bán dẫn pha tạp Trong chấtbán dẫn thuần, mật độ electron bằng mật độ lỗ trống và có giá trị nhỏ Nếutrong chất bán dẫn có lẫn một lượng nhỏ nguyên tố khác thì đó là bán dẫn phatạp Nếu tạp chất làm cho số electron tự do tăng lên, mật độ electron lớn hơnnhiều so với mật độ lỗ trống thì ta có bán dẫn loại n Nếu tạp chất làm cho số lỗtrống tăng lên, mật độ lỗ trống lớn hơn nhiều so với mật độ electron thì ta cóbán dẫn loại p Cụ thể chúng ta đi vào nghiên cứu từng loại bán dẫn như sau:

3.1 Chất bán dẫn thuần

Ở nhiệt độ thấp, trong tinh thể bán dẫn thuần hoàn toàn trống các điện tử,hầu hết các điện tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện.Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên, một số điện tử bị kích thích bởi nănglượng nhiệt, nếu năng lượng đủ lớn để các electron vượt qua được vùng cấm,chúng sẽ chiếm một số mức năng lượng trong vùng dẫn Các điện tử sau khidịch chuyển lên vùng dẫn đồng thời cũng để lại các lỗ trống tương ứng trongvùng hóa trị, tức là tạo ra các hạt dẫn trong mạng tinh thể chất bán dẫn, chúngtạo ra khả năng dẫn điện của chất bán dẫn.

Nồng độ điện tử trong bán dẫn theo năng lượng được phân bố theo phân

bố Fermi - Dirac:

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

là mức năng lượng khi F( ) = 0,5 gọi là mức năng lượng Fermi

Như 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 Ngượclại khi nhiệt độ giảm dần tới không thì xác suất điện tử trong vùng dẫn hầu nhưbằng không

Nồng độ điện tử tự do n trong vùng dẫn được xác định theo công thức:

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

lượng E C và hầu như không tồn tại ở các mức năng lượng cao, nên ta có thể tínhmột cách gần đúng:

trong đó: = 2(2 .2 )3/2

h

T k

E E N

p

B

v f

Với và m p là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống

Các electron trong vùng hóa trị được kích thích bởi nhiệt độ sẽ dịchchuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống tướng ứng trong vùng hóa trị Do

vậy trong chất bán dẫn thuần, nồng độ electron trong vùng dẫn n phải bằng

nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị Khi đó:

E E N

T k

E E N

B

v f v

B

f c

Hay:    c

v g

N kT E

2

Trong đó là độ rộng vùng cấm của bán dẫn

Do nên Như vậy trong bán dẫn thuần có thể coi mứcnăng lượng 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 trưng cho nồng độ hạt dẫn n và p thì:

Tóm lại, trong chất bán dẫn thuần, nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độhạt dẫn hiệu dụng luôn không đổi và không phụ thuộc vào nhưng lại phụthuộc độ rộng vùng cấm của bán dẫn

3.2 Bán dẫn pha tạp

Bằng cách thêm các nguyên tử tạp chất vào một bán dẫn, chúng ta có thểđiều khiển được số lượng lỗ trống và điện tử tham gia vào quá trình dẫn điệntrong chất bán dẫn, từ đó thay đổi khả năng dẫn điện của chất bán dẫn Nếu tạpchất 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 (negative) Nếu tạp chất làm cho số lỗ

trống tăng lên, mật độ lỗ trống nhiều hơn so với mật độ electron thì ta có bán

dẫn loại p (positive).

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

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

điện Tương tự như thế, trong bán dẫn loại p, mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng

góp một lỗ trống trong vùng hóa trị

đỉnh của vùng hóa trị khi nồng độ pha tạp N a tăng Hình vẽ 1.3 mô tả hai bán

dẫn loại p và loại n.

Khi đã có được hai chất bán dẫn là p và n, nếu ghép hai chất bán dẫn sát

nhau ta nhận được một tiếp giáp p – n Tiếp giáp p - n có đặc điểm: Tại bề mặttiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn n khuyếch tán sang vùng bán dẫn p

để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp ion trung hoà về điện, lớp ion này tạothành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu kĩ hơn về tiếp giáp p - n.

3.3.1 Tiếp giáp p - n đơn thể không phân cực

Trong tiếp giáp đơn thể không phân cực, lỗ trống được 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 hướng khuyếch tán theo chiều gradient nồng độ phân bốcủa chúng Khi điện tử và lỗ trống vượt qua tiếp giáp chúng lại trở thành hạtthiểu số và tái hợp với hạt đa số làm giảm nồng độ trong vùng khuyếch tán.Vùng khuyếch tán còn gọi là vùng nghèo vì trong vùng này nồng độ hạt dẫnnhỏ hơn rất nhiều so với nồng độ hạt đa số điện tử và lỗ trống ban đầu Như

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

Hình 1.4 Tiếp giáp 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 trường Điện tử trong bán dẫn n của tiếp giáp sau khi khuyếch tán qua tiếp giáp để lại lỗ trống mang điện tích dương do đó vùng nghèo trong bán dẫn n của tiếp giáp p - n lại mang điện tích dương Tương tự như thế, lỗ trống sau khi khuyếch tán qua tiếp giáp, tái hợp để lại trong bán dẫn p những điện tích âm Vì vậy vùng nghèo trong bán dẫn p lại mang điện tích âm Quá trình khuyếch tán và để lại các nguyên tử mang điện tích, sẽ tạo ra một điện trường nội có hướng từ n

sang p; Chính điện trường này lại hạn chế sự khuyếch tán các hạt đa số, đồng

thời tăng cường dòng trôi theo chiều ngược với dòng khuyếch tán

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

, trong đó: và n là độ linh động của điện tử

Tương tự, dòng trôi của lỗ trống đi vào bán dẫn n là:

, trong đó và p là độ linh động của lỗ trống

Như vậy dòng trôi của điện tử và lỗ trống đều phụ thuộc vào cường độđiện trường của tiếp giáp

Trong khi dòng trôi của các hạt dẫn phụ thuộc vào cường độ điện trườngthì dòng khuyếch tán các hạt đa số qua tiếp giáp lại phụ thuộc vào gradientnồng độ của chúng Dòng khuyếch tán các của các lỗ trống trong bán dẫn loại nlà: và của điện tử trong bán dẫn loại p là:

Trong đó: D p , D n lần lượt là hệ số khuyếch 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 khuyếch tán bằng nhau nhưng cóchiều ngược nhau J ndrif + J pdrif = 0

Lấy tích phân theo ngưỡng của hai vế của biểu thức (1.12) với

là giới hạn điện áp trên vùng nghèo và n p < n < n n là giới hạn nồng độ điện tử.Nếu là rào thế của tiếp giáp p - n thì ta có:

(1.13)Khi và và

thì:

(1.14)

(1.15)

Từ biểu thức trên ta nhận được 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 độ phatạp dẫn đến điện thế rào cũng tăng lên

Nồng độ hạt dẫn biến thiên dọc theo chiều dài của vùng nghèo và ta có thểxác định cụ thể quy luật biến đổi của chúng từ các điều kiện bờ của vùng

nghèo trong bán dẫn loại n:

(1.17)Như vậy dọc theo vùng nghèo, nồng độ hạt dẫn giảm dần từ giá trị lớn

nhất N d và N a đến n p và n n

3.3.2 Tiếp giáp p - n phân cực thuận

Như ở trên đã xét, khi không đặt điện áp ngoài lên tiếp giáp p - n, tổng các

dòng khuyếch tán và dòng trôi qua tiếp giáp bằng không, tức là không có dòngchảy qua tiếp giáp và vùng nghèo xuất hiện trong phạm tái hợp của các hạt dẫn.Nếu chúng ta đặt điện áp dương vào vùng bán dẫn loại P và điện áp âmvào vùng bán dẫn loại N thì dưới tác dụng của điện trường, trạng thái cân bằnggiữa 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

được tính bởi:

= (1.19)

Thay các biểu thức (1.16) và (1.17) vào (1.18), (1.19), ta có:

(1.20)

Như vậy nồng độ hạt thiểu số tại bờ của tiếp giáp phân cực thuận lại tỉ lệtheo hàm mũ với điện áp phân cực Một trong những nguyên nhân chính làmcho nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng nhanh là do dòng khuyếch tán của hạt đa sốtăng nhanh

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

dòng thành phần qua tiếp giáp chỉ là dòng khuyếch 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 tại bờ của vùng nghèo tới giá trị lớn nhất n p tại điểm tiếp xúc

Cũng như thế, trong bán dẫn n, nồng độ hạt thiểu số biến thiên từ giá trị nhỏ

nhất tại bờ vùng nghèo p n tới giá trị lớn nhất p’ n tại điểm tiếp xúc Dòngkhuyếch tán bây giờ có thể tính:

(1.22)

Trong đó: x p và x n là chiều rộng tương ứng của bán dẫn loại p và loại n.

Chiều rộng vùng nghèo ở hai bên tiếp giáp giảm đi đáng kể khi được 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) được viết lại dưới dạng:

(1.23)

Với

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

diode, tức là quá trình tái hợp giữa điện tử được 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 lượng các lỗ trống bị giảm đi trong quátrình tái hợp sẽ được bù bằng các hạt dẫn phóng từ lớp tiếp xúc ngoài, và do đóxuất hi ện điện trường dọc theo diode Mật độ dòng tại mọiđiểm được tạo nên bởi dòng khuyếch tán của hạt thiểu số hướng ra ngoài

và dòng trôi của các hạt đa số , có chiều ngược lại Tại mọi điểm trên bán

dẫn p, dòng tổng do các hạt tạo nên sẽ là một hằng số và được xác định bởi:

(1.24)

Trong hình 1.5 mô tả trạng thái dòng tại một điểm trong bán dẫn loại p Sự

tái hợp của các hạt dẫn được đặc trưng bởi thời gian sống của các hạt dẫn n, đó

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

đầu Do dòng qua vùng bán dẫn không đổi nên ta có Vì vậy:

(1.25)

Như vậy, lượng điện tích bị tiêu hao trong quá trình tái hợp trên một đơn

vị chiều dài dx sẽ là: (1.26)

Với A là tiết diện của tiếp giáp p – n

Lớp tiếp giáp ngoài của bán dẫn p sẽ bù lại phần điện tích cho quá trình

trên và do đó có nghĩa là:

(1.27)Dòng khuyếch tán bây giờ sẽ là:

Bán dẫn loại p

Hình 1.5 Mật độ dòng tại mỗi điểm của bán dẫn loại p khi phân cực

thuận cho tiếp giáp p – n.

Thay hai phương trình (1.27) và (1.28) vào phương trình (1.26) ta có: = 0 (1.29)

Để giải phương trình (1.29) ta cần sử dụng các điều kiện biên của bài toán.Tức là tại x = 0 và n = n p tại x = - x p và nếu coi bề rộng của vùng nghèo làrất nhỏ so với chiều dài của diode Phương trình (1.29) sẽ trở thành:

(1.30)

dx

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

giá trị ban đầu sau một quãng đường là: , đó chính là chiều dàikhuyếch tán của điện tử Hoàn toàn tương tự, đối với lỗ trống ta có:

Và chiều dài khuyếch tán của lỗ trống tương ứng là

Với những ưu việt của mình, vật liệu bán dẫn đợc sử dụng để chế tạo cácđiode phát quang, các laser bán dẫn có kích thước nhỏ, dòng ngưỡng thấp, côngsuất lớn và có nhiều ứng dụng rỗng rại trong khoa học kỹ thuật và đời sống.Phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về một loại laser bán dẫn hoạt động giữatrên cơ chế phản hồi phân bố

II Laser bán dẫn phản hồi phân bố

Trong những năm 80 của thế kỉ 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 được ứngdụng rộng rãi do những lợi thế về sự phát đơn mode, công suất tương đối cao

và khả năng điều biến trong một miền phổ hẹp [4], [5]

Sự phát triển của hệ thống thông tin quang với yêu cầu về kích thước,dung lượng, tốc độ truyền dẫn và giá thành hạ Do đó, cần thiết phải có các thiết bị mới như các bộ ghép kênh theo bước sóng (wavelength divisionmultiplexting – WDM), bộ ghép kênh theo thời gian (time divisionmultiplexting – TDM), bộ điều biến chuyển đổi tần số (frequency shift keying –FSK) Trong các thiết bị này, tốc độ chuyển đổi giữa các mode và khả năngđiều khiển bước sóng của các DFB laser một ngăn là không thể đáp ứng được

và làm hạn chế những ưu việt của hệ thống truyền dẫn quang [7], [8]

Vì vậy, vấn đề đặt ra là cần phải có sự biến đổi về cấu trúc của các diodelaser Các cấu trúc mới được đề xuất là sự ghép các diode laser độc lập thànhdạng liên kết hai, ba hoặc nhiều ngăn hơn hoạt động dưới sự điều khiển của

nguồn bơm và cơ chế phản xạ Bragg Trên cơ sở này, laser phản hồi phân bốDFB hai ngăn đã được nghiên cứu và cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm [4]-[8].

Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ trình bày về nguyên tắc phản hồi phân

bố cũng như nguyên tắc của các laser bán dẫn hoạt động dựa trên cơ chế đó

1 Cơ chế phản hồi phân bố

Trong các laser bán dẫn phản hồi phân bố (laser DFB), quá trình phảnhồi các bức xạ laser không xảy ra ở hai mặt phản xạ của các gương buồng cộnghưởng, mà được phản xạ và khuếch đại ở trong môi trường hoạt chất do hiệuứng phản hồi phân bố Bragg dùng để nén các mode bên và chọn lọc tần số Ởđây, các gương phản xạ sẽ được thay thế bởi các cách tử nhiễu xạ có tính tuầnhoàn theo không gian Hiệu ứng này được tạo ra nhờ sự thay đổi có tính chấtchu kỳ trong không gian của các thông số môi trường hoạt chất như chiết suất,

hệ số khuếch đại, hệ số giam hay các tham số động học laser khác Ưu điểm nổibật của laser DFB là sự phát xung laser có độ đơn sắc cao, độ mở rộng phổ hẹp

và tần số lặp lại lớn Bên cạnh đó, cơ chế phản phản hồi phân bố Bragg có thể

áp dụng cho nhiều loại môi trường hoạt chất khác nhau như môi trường rắn,lỏng hay bán dẫn Để tìm hiểu cơ chế phản hồi phân bố Bragg trong các laser,chúng ta khảo sát quá trình phản xạ Bragg xảy ra trên các bề mặt phản xạ nhưsau:

Một chùm bức xạ đơn sắc song song, chiếu đến các mặt phản xạ như

hình vẽ 1.6 Giả sử khoảng cách giữa các mặt phản xạ bằng d và chùm tia tới

hợp với mặt phản xạ một góc  (hình 1.6a)

(1.6a) (1.6b)

Hình 1.6 Sơ đồ giải thích hiện tượng phản xạ Bragg trên các mặt phản xạ.

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

2dn eff sin = m 

Ở đây m = 1, 2, 3, được gọi là bậc của phản xạ Bragg, n eff là chiết suất hiệudụng của của vật liệu ứng với bước sóng  được 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 (hình 1.6b) sẽ là:

Như vậy ở một bậc Bragg xác định (chẳng hạn m = 2) bằng cách lựa chọn giá

trị của chu kỳ cách tử Bragg , chúng ta sẽ nhận được giá trị của bước sóng mphù hîp Những sóng không thỏa mãn (1.31) sẽ bị triệt tiêu

Như vậy, nếu một laser hoạt động dựa trên nguyên tắc lựa chọn bướcsóng theo cơ chế phản hồi phân bố Bragg có thể tạo ra được các bức xạ đơn