Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tính toán thông số quang học cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn sử dụng phương pháp fit hàm dựa trên cơ sở hàm Green đối với phổ khuếch đại của laser bán dẫn công suất cao DFB 780nm. Sử dụng kết quả thực nghiêm đo phổ khuếch đại của các laser chúng tôi đã tiến hành tính toán và xác định các thông số cơ bản của các laser này. Đưa ra các phản hồi giúp cho việc chế tạo laser phù hợp yêu cầu sử dụng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tính toán thông số quang học cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN ĐÌNH DŨNG TÍNH TOÁN THÔNG SỐ QUANG HỌC CƠ BẢN CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN ĐÌNH DŨNG TÍNH TOÁN THÔNG SỐ QUANG HỌC CƠ BẢN CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phƣơng 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 Nguyễn Thanh Phƣơng - Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà Nội. 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 và Kỹ thuật ánh sáng, bộ môn Quang học và Quang điện tử, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội và phòng Laser bán dẫn- Viện Khoa học Vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người làm luận văn Nguyễn Đình Dũng
Lời cảm ơn Cuốn luận văn này được hoàn thành trong quá trình tôi làm việc tại phòng Laser và Kỹ thuật ánh sáng, bộ môn Quang học và Quang điện tử, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội và 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. Nguyễn Thanh Phƣơng, người đã hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, Cô luôn hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp tôi hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Tôi xin trân trọng cảm ơn các anh chị tại 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 cũng 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 Nguyễn Trung Ngạn, 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 10 tháng 5 năm 2018 Người làm luận văn. Nguyễn Đình Dũng
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... i DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................. .....................................ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.............................................................................. iii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1 Chương 1. Laser bán dẫn công suất cao DFB ...................................................................... 2 1.1. Cấu trúc giếng lượng tử [5]....................................................................................... 2 1.2. Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng .................................................................... 4 1.3. Dẫn sóng và buồng cộng hưởng ................................................................................ 7 1.4. Cấu trúc laser bán dẫn công suất cao ...................................................................... 10 1.5. Hệ số kết hợp mode trong laser bán dẫn DFB ......................................................... 11 1.6. Dải dừng trong laser DFB ....................................................................................... 13 Chương 2. Cơ sở phương pháp tính toán các thông số cơ bản của laser bán dẫn DFB ....... 17 2.1. Đo đặc trưng công suất, xác định dòng ngưỡng của laser DFB ............................... 17 2.2. Đo phổ khuếch đại của laser bán dẫn công suất cao DFB ....................................... 19 2.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp tính toán các thông số cơ bản của laser bán dẫn DFB .............................................................................................................................. 21 Chương 3. Tính toán các thông số quang học cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB phát xạ vùng 780 nm......................................................................................................... 25 3.1. Kết quả đo đạc laser DFB 780 nm .......................................................................... 25 3.1.1. Đặc trưng công suất của laser DFB 780 nm .................................................... 25 3.1.2. Phổ khuếch đại của laser DFB 780 nm ............................................................ 30 3.2. Chương trình tính toán (chương trình fit) ................................................................ 34 3.3. Kết quả tính toán cho laser DFB phát xạ vùng 780 nm. .......................................... 38 KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO. ................................................................................................ 44
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................. i Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt QW Quantum Well Giếng lượng tử BCH Buồng cộng hưởng
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................... ii Bảng 3.1. Tổng hợp kết quả đo của các laser nhóm 1 ....................................................... 28 Bảng 3.2. Tổng hợp kết quả đo của các laser nhóm 2 ....................................................... 30 Bảng 3.3. Các thông số nhập vào chương trình đối với laser101 ...................................... 35 Bẳng 3.4. Các giá trị biên của các thông số ...................................................................... 36 Bảng 3.5. Kết quả chương trình “fit” với laser101 ........................................................... 36 Bảng 3.6. Các thông số quan trọng của laser bán dẫn DFB nhóm 1 từ chương trình tính toán................................................................................................................................... 40 Bảng 3.7. Các thông số quan trọng của laser bán dẫn DFB nhóm 2 từ chương trình tính toán................................................................................................................................... 42
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................... iii Hình 1.1. Mật độ trạng thái của bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử (đường liền nét) và bán dẫn cấu trúc khối (đường đứt nét). [21] .............................................................................. 2 Hình 1.2.Phân bố khe năng lượng và mức năng lượng tương ứng của GaAsP-QW được nhúng trong các lớp sóng dẫn sóng AlGaAs. ....................................................................... 3 Hình 1. 3. Phổ khuếch đại quang của vật liệu bán dẫn khối GaAs ở mật độ hạt tải N=2- 6x1018 cm-3 [9] .................................................................................................................... 5 Hình 1.4. Sơ đồ của một ống dẫn sóng ba lớp: cấu trúc cơ bản của laser bán dẫn. ............. 7 Hình 1. 5.Dẫn sóng ngang trong laser. [30]........................................................................ 8 Hình 1. 6. Cấu hình của laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot. ............... 9 Hình 1. 7.Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố theo chiều ngang Ix. ........................................................................................................................... 10 Hình 1. 8. Sơ đồ mặt cắt ngang của laser bán dẫn DFB; a) Laser bán dẫn DFB ghép mode thuần; b) Laser bán dẫn DFB ghép mode hỗn hợp; c) Laser bán dẫn DFB ghép mode khuếch đại thuần; d) Laser bán dẫn DFB ghép mode mất mát thuần . [36]....................... 12 Hình 1. 9.Khuếch đại ngưỡng dao động và dịch chuyển bước sóng dao động bước sóng của một laser DFB ghép mode thuần. [36] .............................................................................. 14 Hình 1. 10. Cách tử dịch pha λ / 4 [36] ............................................................................. 14 Hình 1. 11. Khuếch đại ngưỡng dao động và dịch chuyển bước sóng dao động của một laser bán dẫn DFB kết hợp mode thuần, dịch pha λ / 4. [36] ............................................ 15 Hình 1. 12.Sơ đồ mặt cắt ngang (trái) và phổ khuếch đại tương ứng (phải) của một laser bán dẫn DFB có và không có sự dịch pha. [30] ................................................................ 16 Hình 1. 13.Khuếch đại ngưỡng dao động và dịch chuyển bước sóng dao động của một laser bán dẫn DFB ghép mode khuếch đại. [36] ........................................................................ 16 Hình 2. 1.Hệ đo đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng bơm. 18 Hình 2. 2. Đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng bơm của laser DFB 780 nm tại 25 oC 18 Hình 2.3. Phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới ngưỡng (a), gần ngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d). 19 Hình 2.4. Sơ đồ đo phổ. 20 Hình 2.5. Quang phổ khuếch đại của laser DFB 780 nm tại dòng bơm 34 mA: 21
Hình 3.1. Đặc trưng công suất và thế phụ thuộc dòng bơm của laser101 25 Hình 3.2. Đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng bơm của laser102 (a), laser103 (b) 26 Hình 3.3.Đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng bơm của Laser104 (c), Laser105 (d). 27 Hình 3.4. Đặc trưng công suất và thế phụ thuộc dòng bơm của laser201 28 Hình 3.5. Đặc trưng công suất và thế phụ thuộc dòng bơm của laser202(a), laser203(b). 29 Hình 3.6. Phổ khuếch đại của laser101 tại dòng bơm I = 36 mA. 30 Hình 3.7. Phổ khuếch đại của laser102 tại I = 36 mA (a), Laser103 tại I = 33 mA (b) 31 Hình 3.8. Phổ khuếch đại của Laser104 tại I = 38 mA (a), Laser105 tại I = 35 mA (b) 32 Hình 3 9. Phổ khuếch đại của laser201 tại I = 33 mA 33 Hình 3.10. Phổ khuếch đại của laser202 tại I = 36 mA (a), laser203 tại I = 34 mA (b) 33 Hình 3.11. Chương trình “spe and fit” 34 Hình 3.12. Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) và tính toán (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại của laser101. 37 Hình 3.13. Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) và tính toán (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại của laser102 (a), laser103 (b). 38 Hình 3.14. Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) và tính toán (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại của laser104 (a), laser105 (b). 39 Hình 3.15. Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) và tính toán (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại của laser201. 40 Hình 3.16. Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) và tính toán (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại của laser202 (a), và laser203 (b) 41
MỞ ĐẦU Laser bán dẫn công suất cao phản hồi phân bố đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng quang phổ phân giải cao [1, 2] do các ưu điểm như gọn nhỏ, công suất cao, độ rộng phổ hẹp. Các nghiên cứu gần đây cho thấy độ rộng phổ của DFB laser đạt mức hàng chục kHz [3]. Tuy nhiên, các tính chất quang của laser phụ thuộc chủ yếu vào các thông số quang học cơ bản của laser như chiều dài buồng cộng hưởng, hệ số ghép, hệ số phản xạ của gương ra, pha của trường quang trên bề mặt gương, chiết suất nhóm… Phần lớn các thông số này, đối với laser sau khi chế tạo khó có thể xác định từ các phương pháp trực tiếp [4]. Do đó việc nghiên cứu tính toán, xác định các thông số quang học cơ bản của laser công suất cao phản hồi phân bố để đo đạc đánh giá laser sau chế tạo là cần thiết. Do đó chúng tôi đã lựa chọn đề tài “TÍNH TOÁN THÔNG SỐ QUANG HỌC CƠ BẢN CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB” Sử dụng phương pháp fit hàm dựa trên cơ sở hàm Green đối với phổ khuếch đại của laser bán dẫn công suất cao DFB 780nm. Sử dụng kết quả thực nghiêm đo phổ khuếch đại của các laser chúng tôi đã tiến hành tính toán và xác định các thông số cơ bản của các laser này. Đưa ra các phản hồi giúp cho việc chế tạo laser phù hợp yêu cầu sử dụng. Luận văn gồm ba chương: Chương 1: Laser bán dẫn công suất cao DFB. Chương 2: Cơ sở phương pháp tính toán các thông số cơ bản của laser bán dẫn DFB. Chương 3: Tính toán các thông số quang học cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB phát xạ vùng 780 nm. 1
Chƣơng 1. Laser bán dẫn công suất cao DFB 1.1. Cấu trúc giếng lƣợng tử [5] Ngày nay, do sự phát triển của các phương pháp epitaxy, miền tích cực của laser bán dẫn được chế tạo dựa trên cấu trúc giếng lượng tử (QW). Giếng lượng tử là một giếng thế giam giữ hạt tải trong không gian hai chiều, những hạt tải này ban đầu có thể tự do di chuyển trong không gian ba chiều. Ảnh hưởng của sự giam giữ lượng tử diễn ra khi độ dày của QW trở nên tương đương với, hoặc nhỏ hơn, bước sóng de Broglie của các hạt tải (thông thường là các điện tử và lỗ trống), ví dụ, trong GaAs bước sóng de Broglie ~ 50 nm [6]. Trong QW, dải năng lượng phân chia thành các mức năng lượng gọi là "các dải năng lượng con", tức là, các hạt tải chỉ có thể có các giá trị năng lượng rời rạc vuông góc với giếng thế và song song với giếng. Chúng được tự do di chuyển. Độ dày QW thay đổi từ vài nanomet đến vài chục nanomet. Lớp QW này được bao quanh bởi vật liệu có khe năng lượng lớn hơn. Các hạt tải bơm vào có thể bị bắt ở một lớp rất mỏng QW do các hàng rào thế của vật liệu có khe năng lượng lớn hơn. Trong trường hợp này, mật độ các trạng thái điện tử phụ thuộc năng lượng D (E) tăng theo ở mức năng lượng điện tử của giếng lượng tử như thể hiện trong Hình 1.1. Do đó, mật độ các trạng thái gần với mức năng lượng thấp nhất trong một giếng lượng tử cao hơn rất nhiều so với mật độ ở rìa dải của vật liệu dạng khối. Mật độ của các hạt tải ở một năng lượng nhất định là sản phẩm của mật độ các trạng thái D (E) và xác suất bị chiếm bởi các điện tử fc (E, T) hoặc các lỗ trống 1 – fv (E, T), được giảm theo cấp số mũ và được gọi là các hàm Fermi [6]. Do đó, mật độ hạt tải đối với một cấu trúc laser giếng lượng tử có giá trị cực đại lớn hơn và độ rộng vùng năng lượng nhỏ hơn so với một cấu trúc dị thể khối (bulk-double heterostructure). Hình 1.1. Mật độ trạng thái của bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử (đường liền nét) và bán dẫn cấu trúc khối (đường đứt nét). [6] 2
Hình 1.2 là sơ đồ khe năng lượng của một cấu trúc laser bán dẫn thực tế hoạt động ở vùng bước sóng 780 nm. Lớp giếng lượng tử là vật liệu GaAsP. Giếng này đặt trong các rào cản của hợp kim AlGaAs với khe năng lượng rộng hơn nhưng gần như cùng một hằng số mạng với GaAs. Trong giếng lượng tử GaAsP, một số dải con thứ nhất được thể hiện trong Hình 1.2 và cho thấy nơi định xứ của các hạt tải. Hoạt động của laser dựa trên quá trình dịch chuyển quang học giữa hai dải con gần nhất (E lh1- Ehh2) như thể hiện trong Hình 1.2. Hình 1.2. Phân bố khe năng lượng và mức năng lượng tương ứng của GaAsP-QW được nhúng trong các lớp sóng dẫn sóng AlGaAs. Sử dụng cấu trúc giếng lượng tử cho vùng tích cực của laser bán dẫn có nhiều ưu điểm so với các cấu trúc dị thể [7]:  Thứ nhất, vì khe năng lượng các lớp bên ngoài cao hơn QW, chỉ có khu vực QW được bơm để tạo ra sự đảo mật độ tích lũy. Thể tích QW là rất nhỏ. Do đó, dòng ngưỡng giảm khoảng ba bậc so với laser bán dẫn cấu trúc khối điển hình.  Thứ hai, các hạt tải bị bắt hiệu dụng bởi hàng rào thế của QW, do đó không cần thiết phải pha tạp tại vùng gần với chuyển tiếp. Hiệu suất tái hợp bức xạ đạt trên 90% trong các linh kiện tiêu chuẩn hiện đại, với các linh kiện chất lượng vật liệu tốt nhất hiệu suất có thể đạt gần 100%. Hơn nữa, pha tạp thấp trong cấu trúc laser bán dẫn, dẫn đến mất mát nội thấp. Do đó, bằng cách sử dụng cấu trúc QW, độ dài vùng tích cực có thể tăng lên trong khi hiệu suất ngoài cao được duy trì, thông số thể hiện hiệu suất biến đổi quang điện . Việc giảm nhiệt và điện trở nối tiếp liên quan đến sự 3
tăng độ dài buồng cộng hưởng của laser bán dẫn cho phép laser bán dẫn có thể hoạt động ở công suất ra cao hơn.  Thứ ba, QW là lớp có độ dày khoảng 10nm. Những lớp mỏng như vậy không đòi hỏi một hằng số mạng hoàn toàn phù hợp với vật liệu dựa trên GaAs. Vì vậy, các thành phần vật liệu của lớp QW có thể thay đổi mà ít bị ảnh hưởng từ các hiệu ứng biến dạng. Bằng cách thay thế một phần Ga (thường là một vài phần trăm) bằng In, bước sóng hoạt động có thể được thay đổi từ 870 nm đến 1100 nm. Tương tự, sự thay thế nguyên tử As bằng nguyên tử P sẽ thay đổi bước sóng phát xạ laser xuống 730 nm. Sự tạo ra cấu trúc giếng lượng tử mỏng và biến dạng của nó phải dưới một giá trị giới hạn. Bên trên giá trị này một số lượng lớn của bẫy điện tử sinh ra dẫn đến sự tái hợp không bức xạ. Trong cấu trúc giếng lượng tử biến dạng nén, vùng lỗ trống nặng và nhẹ được tách ra và khối lượng hiệu dụng của các lỗ trống này trong vùng hóa trị giảm xuống. Sự thay đổi trong cấu trúc của dải dẫn đến sự giảm mật độ trạng thái ở biên của vùng hóa trị và giảm khối lượng hiệu dụng của các electron và lỗ trống. Điều này làm giảm mật độ dòng ngưỡng của cấu trúc giếng lượng tử biến dạng nén so cấu trúc không biến dạng [8,9] Do những ưu điểm này, các lớp QW biến dạng ngày nay được sử dụng để hình thành vùng hoạt động của hầu hết các cấu trúc laser bán dẫn [8]. 1.2. Khuếch đại quang và điều kiện ngƣỡng Khi đi qua một vật liệu hấp thụ theo hướng z, cường độ J của sóng quang phẳng giảm theo biểu thức: J(z)  J0 exp(  z ) (1.1) với J0 là cường độ ban đầu và α là hệ số hấp thụ. Trong laser bán dẫn sự khuếch đại quang đạt được trong vật liệu lớp tích cực. Trong trường hợp này, sự tăng theo hàm mũ của cường độ sóng quang có thể được diễn tả bởi một giá trị âm của  tương ứng với hệ số khuếch đại quang g = -. Chúng ta cần phân biệt giữa hệ số khuếch đại của vật liệu lớp tích cực, được gọi là hệ số khuếch đại vật liệu và hệ số khuếch đại mode quang thấp hơn đáng kể được gọi là hệ số khuếch đại mode gmod al 4
Hình 1. 3. Phổ khuếch đại quang của vật liệu bán dẫn khối GaAs ở mật độ hạt tải N=2- 6x1018 cm-3 [16] Trong hình 1.3, sự khuếch đại vật liệu của GaAs ở nhiệt độ phòng được vẽ cho các mật độ hạt tải N khác nhau. Hệ số khuếch đại lớn nhất đạt được ở mức năng lượng photon cao hơn một chút so với năng lượng vùng cấm. Mối liên hệ giữa hệ số khuếch đại mode gmod al và hệ số khuếch đại vật liệu g được xác định bởi hệ số giam giữ Γ. Hệ số này phụ thuộc vào sự chồng phủ của mode quang với vùng khuếch đại (vùng tích cực) của laser. Với J(x) là cường độ quang của mốt quang cơ bản trong laser phát cạnh cấu trúc dị thể có độ dày miền tích cực d, ta có: gmod al   g ( 1.2 ) d / 2  J( x )dx   d / 2  ( 1.3 )  J( x )dx  Trong cấu trúc dị thể với độ dày lớp tích cực từ 50-300 nm, hệ số giam giữ Γ có giá trị từ 10 - 70%. Nếu lớp tích cực bao gồm một giếng lượng tử với độ dày trung bình 10nm sẽ thu được thừa số giam giữ cỡ một vài phần trăm. 5
Với mode lan truyền dọc theo dẫn sóng quang, hệ số hấp thụ cường độ quang  thường được tách thành hai phần, một phần diễn tả sự hấp thụ mode thuần hay hấp thụ nội i , phần kia diễn tả hệ số khuếch đại mode g mod al   g phụ thuộc vào cường độ của hạt tải tiêm vào.   i   gmat (1.4 ) Sự hấp thụ mode nội gây ra bởi sự tán xạ của mode quang ở các vị trí sai hỏng (khuyết tật) hoặc bề mặt gồ ghề và bởi sự hấp thụ hạt tải tự do. Trong đó sự tán xạ là rất thấp cho laser bán dẫn với chất lượng nuôi tinh thể tốt, sự hấp thụ hạt tải tự do là không thể tránh được vì phần mode quang vượt ra ngoài miền vỏ pha tạp loại n và pha tạp loại p. Khi sự khuếch đại mode  g lớn hơn mất mát mode thuần i mode quang truyền được khuếch đại. Trong linh kiện laser, dẫn sóng quang được kết hợp với buồng cộng hưởng Fabry- Perot có hai gương phản xạ R1 và R2 . Một phần cường độ quang thoát ra ngoài buồng cộng hưởng ở mặt gương và tạo thành chùm laser ra, cường độ Jrt của mode quang sau một chu trình vòng quanh trong buồng cộng hưởng là [10]. J rt  J0 R1 R2 exp  2(  gmat  i )L ( 1.5 ) Sự phát laser xảy ra khi sự khuếch đại của mode sóng quang bù trừ được sự hấp thụ nội và mất mát ở gương cho một chu kì vòng quanh BCH. Hệ số khuếch đại nhỏ nhất g ở đó linh kiện bắt đầu hoạt động phát laser gọi là hệ số khuếch đại ngưỡng gth. Trong trường hợp này cường độ Jrt sau một chu kì vòng quanh BCH lại có giá trị ban đầu J0. J rt  J0 . (1.6 ) Vì thế, ta có: 1  R1R2 exp  2(  gmat  i )L ( 1.7 ) 1  1   gth   i    i   m . ( 1.8 ) và 2L  R1 R2  6
Ở ngưỡng laser sự khuếch đại mode  gth là tổng của hai số hạng trong (1.8), sự hấp thụ nội i và mất mát ở gương mirror. Sự mất mát ở gương phụ thuộc vào chiều dài buồng cộng hưởng và các hệ số phản xạ gương R1 và R2 . 1.3. Dẫn sóng và buồng cộng hƣởng Laser bán dẫn hoạt động đòi hỏi một điều kiện quan trọng, cụ thể là dẫn sóng của sóng quang học trong miền tích cực. Mô tả đơn giản, theo hướng thẳng đứng, dẫn sóng dựa trên tổng số phản xạ nội của sóng quang tại hai giao diện tuân theo định luật của Snell, xem hình 1.4 Hình 1.4. Sơ đồ của một ống dẫn sóng ba lớp: cấu trúc cơ bản của laser bán dẫn. Hình 1.4 là một ống dẫn sóng điện môi ba lớp gồm một màng được nhúng giữa hai lớp đệm. Bởi vì một QW đơn quá mỏng để tạo ra một ống dẫn sóng hiệu quả, một số lớp mỏng bao gồm nhiều QW và các rào thế có thể được mọc để tạo thành lớp tích cực này. Số lượng các lớp tạo nên lớp tích cực phụ thuộc vào thiết kế của từng laser bán dẫn. Chiết suất của các lớp này dẫn đến một chiết suất nf cho toàn bộ màng. Các chiết suất của lớp vỏ bọc nc1 và nc2 thấp hơn chiết suất nf, miền tích cực có chiết suất cao nhất và khe năng lượng thấp nhất, do đó cấu trúc này cung cấp dẫn sóng. Loại cấu trúc này được thiết kế là các cấu trúc dị thể giam giữ phân tách. Dẫn sóng dọc tăng cường hệ số giam giữ Γ đáng kể dẫn đến giảm mật độ dòng ngưỡng. Một lợi ích khác của cấu trúc dẫn sóng dọc là bắt buộc các bức xạ mode ngang đơn theo hướng dọc. Thông thường, độ dày lớp dẫn sóng dọc dao động từ vài trăm nanomet đến vài micromet. 7
So với dẫn sóng dọc được xác định bởi hệ thống lớp epitaxy, việc tối ưu hóa hướng dẫn sóng ngang theo tiếp giáp p-n là một thách thức. Dẫn sóng ngang có thể đạt được tương tự như dẫn sóng dọc được mô tả ở trên. Lớp tích cực, theo hướng ngang, cũng được kẹp giữa hai lớp chiết suất thấp hơn. Cấu trúc này do đó được gọi là index-guide hoặc dị thể vùi. Cấu trúc này đòi hỏi một quá trình chế tạo phức tạp. Do đó, trên thực tế thiết kế phổ biến là một cấu trúc gain-guide dựa vào việc xác định một cửa sổ dòng bơm ngang. Chiều rộng của miền tích cực theo hướng ngang phụ thuộc vào sự trải rộng của dòng bơm theo hướng đó. Sóng quang học chỉ được khuếch đại trong vùng bơm. Quá trình khuếch đại lúc này như dẫn sóng ngang trong khi laser hoạt động. Sự giam giữ ngang được mô tả trong hình 1.5, trong đó khoảng cách mở giữa hai tấm cách điện sẽ xác định cửa sổ ngang cho dòng bơm. Tiếp xúc loại p Cách điện Lớp tích cực Tiếp xúc loại n Hình 1. 5.Dẫn sóng ngang trong laser. [12]. Để laser hoạt động đơn mode ngang, chiều rộng của cửa sổ dòng bơm chỉ nên khoảng vài micromet [11]. Đối với laser bán dẫn công suất cao, dòng bơm lớn, cấu trúc dẫn sóng gò (rigde-waveguide: RW) thường được sử dụng để laser hoạt động đơn mode ngang. Điều kiện cuối cùng được đề cập liên quan tới dao động laser là điều kiện buồng cộng hưởng. Hầu như tất cả các buồng cộng hưởng laser bán dẫn có thể được xem như buồng cộng hưởng Fabry-Perot. Buồng cộng hưởng Fabry-Perot bao gồm hai gương được song song song song với nhau. Đối với laser bán dẫn để hai gương song song dựa trên việc tách các mặt của tinh thể bán dẫn một cách hợp lý. Các mặt của laser bán dẫn được phủ với độ phản xạ cao ở phía sau và với độ phản xạ thấp ở mặt trước sao cho phù hợp với tỉ lệ công 8
suất hiệu dụng của hệ laser. Cấu hình của một laser bán dẫn được dựa trên buồng cộng hưởng Fabry-Perot được thể hiện trong hình 1.6. Gương Lớp đệm Gương trước Rr sau Rf Lớp dẫn sóng Lớp đệm Miền tích cực QW Chiều dài buồng cộng hưởng Hình 1. 6. Cấu hình của laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot. Sóng quang học di chuyển qua lại dọc theo buồng cộng hưởng dựa trên sự phản xạ ở mặt gương. Buồng cộng hưởng quang có nhiều tần số cộng hưởng được gọi là các mode dọc. Mỗi mode tương ứng với sóng đứng với các nút ở các mặt. Điều kiện sóng đứng được thỏa mãn khi độ dài của bộ cộng hưởng L tương đương với một số nguyên của một nửa bước sóng trung tâm λ0 : L  m( 0 / 2neff ) 1.9  trong đó m là một số nguyên; neff là chiết suất hiệu dụng bên trong ống dẫn sóng. Khoảng cách các sóng này được cho bởi [10]:    20 / 2ng L ( 1.10 ) Trong đó: neff neff ng  neff   .  neff   . ( 1.11)   được gọi là chiết suất hiệu dụng nhóm ng = c / υg với υg là vận tốc nhóm của các mode quang học. Laser bán dẫn Fabry-Perot thường hoạt động ở chế độ đa mode dọc xung quanh đỉnh khuếch đại. 9
1.4. Cấu trúc laser bán dẫn công suất cao Trong phần trước một số khái niệm cơ bản về laser bán dẫn đã được giới thiệu. Trọng tâm của phần này nêu một số đặc điểm cơ bản của laser DFB (laser phản hồi phân bố ) bằng việc đưa vào buồng cộng hưởng một cách tử lọc lựa bước sóng. Trong laser DFB phản hồi quang không được bố trí ở các mặt gương mà được phân bố trong suốt chiều dài buồng cộng hưởng. Do có cách tử trong buồng cộng hưởng đã làm thay đổi cơ chế lọc lựa mode. Hình1.7 cho thấy cấu trúc điển hình của một laser bán dẫn DFB với một cách tử Bragg nằm ngoài vùng tích cực. Hình 1. 7. Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố theo chiều ngang Ix. Phản hồi quang xảy ra dựa trên nguyên lý nhiễu xạ Bragg, khi xảy ra kết hợp các sóng truyền theo hai hướng từ phía trước và phía sau. Cơ chế chọn lọc mode dọc tuân theo điều kiện Bragg, tương tác chỉ xảy ra với các bước sóng λB thỏa mãn: mB  ( 1.12 ) 2neff Trong đó Λ là chu kỳ cách tử Bragg, neff là chiết suất hiệu dụng của vật liệu, m là bậc của cách tử Bragg. Sự kết hợp giữa các sóng chuyển tiếp và ngược lại là mạnh nhất đối với nhiễu xạ Bragg bậc 1 (m = 1). Tuy nhiên với một laser DFB hoạt động ở bước sóng λB = 0,78 μm, Λ khoảng 235 nm nếu chúng ta sử dụng m = 2 và neff = 3,3 trong phương trình (1.12). Những cách tử này có thể được tạo thành bằng cách sử dụng một kỹ thuật holography (holographic). 10
1.5. Hệ số kết hợp mode trong laser bán dẫn DFB Hệ số ghép mode của cách tử có dạng hình chữ nhật κ có thể mô tả như sau:  2n   sin  m D    j    i  j g ( 1.13 )   2  m ở đây κi bao gồm tất cả các đóng góp từ nhiễu loạn chiết suất trong khi κg bao gồm tất cả các đóng góp liên quan đến thay đổi khuếch đại [13]. Δn độ thay đổi của chiết suất, Δα: độ thay đổi của khuếch đại. Hệ số ghép mode liên quan đến bậc của nhiễu xạ Bragg (m) hình dạng, độ sâu và chu kỳ của cách tử (Λ). Hệ số D được cho bởi tỷ số Λ 1/Λ (Λ1 là độ rộng mô của cách tử). Để đạt được hệ số ghép mode cực đại, với nhiễu xạ bậc 1, D = 0,5; nhiễu xạ bậc 2, D = 0,25 hoặc 0,75. Tùy thuộc vào tính chất của hệ số ghép mode laser bán dẫn DFB được phân làm 3 nhóm khác nhau: ghép mode thuần (index-coupled), ghép mode hỗn hợp (mixedcoupled), ghép mode khuếch đại hoặc mất mát (gain- or loss-coupled). Hình1.8 cho thấy các sơ đồ giản đơn giản của các cấu trúc laser bán dẫn DFB Thực tế đa số các laser bán dẫn DFB thuộc nhóm ghép mode thuần. Hệ số ghép mode trong trường hợp này chỉ phụ thuộc sự thay đổi chiết suất. Một kết cấu đơn lớp của cách tử được chế tạo bên trên hoặc bên dưới lớp tích cực. Hầu hết sự tái hợp hạt tải bị giam giữ dọc theo lớp tích cực, nên độ lớn của khuếch đại không bị ảnh hưởng, do đó hệ số κg = 0. Hệ số ghép mode khi đó chỉ còn phần thực: 2n sin( m D )  ( 1.14 )  m Nếu lớp cách tử được tạo phía trên bên trong miền tích cực (hình 1.8) laser bán dẫn DFB sẽ thể hiện đặc trưng ghép mode hỗn hợp. Do sự biến thiên của chiết suất dọc theo cách tử gây ra κi . Như minh họa trong Hình. 1.8b, bề dày lớp tích cực trở thành một hàm tuần hoàn theo chiều dọc, và do đó là hàm tuần hoàn của hệ số giam giữ quang. Như vậy, sự biến thiên tuần hoàn của hệ số giam giữ quang làm thay đổi biên độ khuếch đại theo chiều dọc vì vậy gây ra hệ số κg. 11