Laser Fabry-Perot có nguyên lý hoạt động gần giống như buồng cộng hưởng được mô tá như trong hình 3.14, hai mặt bên của khối tỉnh thể được mài bóng và song song tuyệt đối tạo ra hai gương bán mờ với hệ số phân xạ R nhỏ hơn 100%. Sự phản xạ không hoàn toàn này xảy
104
ra trên bể mặt tỉnh thể bán dẫn tiếp giáp với không khí do hiệu ứng phản xạ Fresnel:
2
R= (23) (3-57)
n+l
Với n là chiết suất của môi trường khuéch dai. Néu nx3,5 thi hiéu suất phản xạ bể mặt vào khoảng 30%.
Vùng hoạt tính nắm giữa hai gương tạo ra cấu trúc buồng cộng hưởng quang, chỉ có sóng thỏa mãn điểu kiện cộng hưởng mới tạo thành sóng đứng và mới được khuếch đại lên. Do đó ánh sáng tạo ra là ánh sáng kết hợp và chỉ có sóng có bước sóng cộng hưởng mới đi ra khỏi buồng cộng hưởng với công suất đủ lớn. Có nghĩa là chỉ có sóng mà sau khi mỗi chu kỳ phản xạ thay đổi pha bằng bội của 2 mới tạo thành dao động. Vì một chu kỳ lan truyền sóng bị di pha tương đương với Ao=2kL trong đó k=2zn/^A là vector sóng của ánh sáng trong buồng cộng hưởng và L là chiều dài buồng cộng hưởng, ta có.
2kL=m2r hay An = - (3-58)
Véi m 1A sé nguyén, 2,, 1A budéc séng tuong duong véi mot mode đọc, nó phụ thuộc vào chiều đài của buồng cộng hưởng. Khoảng cách giữa các mode kể nhau:
2
BÀ =Âm -A, +1 An
noe 2nL (3-59)
trong đó : n, là chiết suất nhóm, khi L = 200 + 400um thì 6A = 0,5+lnm.
105
Chiều dai
Mặt bán mờ
- Hình 3.14. Buông cộng hưởng Fabry-Perot. Zz
Tại các mặt gương, ánh sáng tự phát được phản Xạ trở lại vùng hoạt tính tại đó chúng sẽ gây ra bức xạ kích thích và do đó ánh sáng được khuếch đại lên. Tuy nhiên trong BCH cũng có suy hao và đặc biệt là suy hao trong bán dẫn. Vì vậy muốn có được khuếch đại ánh sáng trong buồng cộng hưởng thì bức Xạ tự phát phải trội hơn suy hao.
Hiện nay, cấu trúc của hầu hết các diode Laser dùng trong thông tin quang đều là loại điode tiếp xúc sọc giống như cấu trúc của LED mà chúng ta đã xét trên kia. Cách giảm dong điện ngưỡng lụ dễ thấy nhất là rút ngắn chiêu rộng của vùng hoạt tính. Nếu vùng này được tạo bởi các sọc tiếp xúc, thì ta có thể giảm đồng điện ngưỡng I, bằng cách giảm chiều đài buồng cộng hưởng. Nhung do yêu cầu đối với độ khuếch đại, nên điều đó lại làm cho mật độ dong dién ngưỡng tăng.
Mật đệ đồng điện lớn sẽ gây khó khăn cho vấn đề tôa nhiệt. Chiều dai buồng cộng hưởng thông thường được giới hạn cỡ 150m. Do vậy để giảm đồng điện ngưỡng ta cần phải giảm bẻ rộng tiếp xúc.
Trong một phạm vi nhất định, bể rộng vùng hoạt tính được thiết lập bởi chiểu rộng của mặt tiếp xúc. Thực tế thì đòng điện ngưỡng không tỉ lệ với bể rộng sọc tiếp xúc nếu nó ngắn hơn 6km. Nguyên nhân là do dòng điện phun có xu hướng khuếch tán ra ngoài khi nó đi xuyên vào Laser. Về cơ bản, ta có vùng hoạt tính độc lập với bể rộng vùng tiếp xúc, vì vậy dòng điện ngưỡng của diode Laser tiếp xúc sọc thường không nhé hon 120 mA.
106
ie
Thời gian sống của bức xạ trong BCH Fabry-Perot được xác định : Tea,
I-R,R,
Tpcụ
trong đó : + G6 =n thời gian để ánh sáng truyền hết một chu trình trong BCH.
Dải thông của BCH có thể xác định đựa vào hệ số phẩm chất của
BCH tức là Avz=vạ/Q với Q = 10° thi Avyq,=IMHz.
Diode laser là một máy phát tự kích, cũng giống như các máy phát sóng điện từ thông thường, cần thỏa mãn hai điều kiện :
- Cần có một môi trường khuếch đại sóng điện từ.
- Cần thực hiện một hồi tiếp dưng.
Để có một môi trường khuếch đại trong điode Laser cần thực hiện nghịch đảo nồng độ bằng cách bơm dòng điện, tức là phân cực thuận cho diode Laser. Hệ số khuếch đại của Laser bán dẫn thường rất lớn và lớn nhất trong số các loại Laser. Còn để thỏa mãn điều kiện tự kích thì lại cần bơm điode Laser để đạt được mật độ dòng điện bằng hoặc lớn hơn giá trị ngưỡng. Điều này phụ thuộc vào hệ số phản xạ của gương Laser, tức là phụ thuộc vào điều kiện hồi tiếp dương của BCH.