Bài thuyết trình Laser diode

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài thuyết trình Laser diode giới thiệu chung, bức xạ tự phát và bức xạ kích thích, cấu trúc laser diode, dưới ngưỡng và trên ngưỡng laser, các cấu trúc cao cấp - cấu trúc điện tử và đo hốc cộng hưởng. Với các bạn chuyên ngành Vật lý thì đây là tài liệu hữu ích.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài thuyết trình Laser diode

Nội dung 1. Giới thiệu 2. Bức xạ tự phát và bức xạ kích thích 3. Cấu trúc laser diode 4. Dưới ngưỡng và trên ngưỡng laser 5. Các cấu trúc cao cấp : cấu trúc điện tử 6. Cấu trúc cao cấp : đo hốc cộng hưởng
1. Giới thiệu LED Ñoä roän g phoå k BT Hiệu suất bị giới hạn bởi bức xạ tự phát Hình 1: Sơ đồ mô tả cách Cải tiến thức cải tiến LED bằng việc sử dụng hốc Dùng một hốc quang Dùng bức xạ kích quang học học để tăng cường bức thích để tăng cường → LASER xạ của những trạng thái tốc độ tái hợp photon nhất định electron – lỗ trống LASER DIODE
2. Bức xa tự phát và bức xạ kích thích Vùng dẫn Hình 2a: bức xạ tự phát : ban đầu không E g   có photon, cặp e-h tái hợp photon. Vùng hóa trị Hình 2b: bức xạ kích thích : photon kích thích, cặp e-h tái hợp photon photon.   Toác ñoä böùc xaï kích thích : Wemst () Wem ().nph () (1)
3. Cấu trúc laser diode Hình 3a: Sơ đồ hốc cộng hưởng Fabry-Perot. Hình 3b: Các mode cộng hưởng. Hình 3c: Phụ thuộc của hệ số giam giữ quang học vào hằng số điện môi.
q Böôùc soùn g cuûa mode coän g höôûn g thoûa maõn : L  (2) 2 qZ ; L : chiều dài hốc  : bước sóng ánh sáng trrong vật chất 0 0 : bước sóng ánh sáng trong chân không  (3) nr nr : chiết suât của hốc  Khoaûn g caùch giöõa caùc mode döøn g : k  (4) L Soùn g quang bò giôùi haïn theo truïc z  phöông trình Helmholtz : d 2 Fk ( z )   ( z ) 2 2 2  2  k  Fk( z)  0 (5) d z  c  F : hàm sóng ;  (z) : hằng số điện môi  2 F ( z ) dz Heä soá giam giöõ quang hoïc :  vung hoat tinh (6)  F (z) 2 dz
Doøn g photon lieân heä vôùi soùn g ñieän töø xuyeân qua baùn daãn : I ph  I ph o exp( x ) (7) : hệ số hấp thu ( > 0) I ֠ph : dòng photon tại x = 0 Hệ số có ích : g = hệ số phát xạ - hệ số hấp thu  g ( ) f e ( E e ). f h ( E h )  1  f e ( E e ) 1  f h ( E h )    f e ( E e )  f h ( E h )  1 (9) e h f , f : xs chiếm đóng của electron và lỗ trống E e vaø E h lieân heä vôùi naên g löôïn g photon (trong c/m thaún g) : mr* E  EC  * (    E g ) e me mr* E  Ev  * (   E g ) h (8) mh  I ph  I ph o exp  g (  ) x  (10)
I ph  I ph o exp  g (  ) x  Ñk laser hoaït ñoän g : * I ph   g  0  f e ( E e )  f h ( E h )  1 (11) e  2 1 Khi ñoù : g (  )  a. p cv N cv (  )  f ( E )  f ( E )  1  2 e e h h (12) m0 cnr  0  2 Chuù yù :  f e  0  f h  g (  )   (  )  f , f  0,5 : xs chieám ñoùn g khoân g tuaân theo TK boltzmann e h  gaàn ñuùn g J oyce - Dixon cho möùc F ermi :  n 1 n   p 1 p  EFn  EC  k BT  ln   (14) E Fp  EV  k BT ln N   (15)  NC 8 NC   V 8 N V  N C , NV : mật độ trạng thái vùng dẫn và hóa trị Möùc bôm thaáp : ( f e  f h )  1  g < 0  g ( )  f ( ) Möùc bôm  : ( f e  f h )   g > 0 (10.6) & (10.12)  Cavity gain  g( )  (10.16)
Ñk laser hoaït ñoän g : * g  0  Cavity gain  g (  ) * Cavity gain   loss  loss Photon bị hấp thu bởi vùng vỏ bọc và tiếp xúc của laser (phụ thuộc sự kích thích và độ hụt của chất liệu) Photon thoát khỏi hốc laser (do sự phản xạ và truyền qua hốc)
r2 , t2 r1 , t1 F0 F1 F3 F4 F2 F6 F5 F7 F8 F9 F10 Hình 3d : Đường truyền của một sóng ánh sáng qua hốc quang G oïi r : h eä soá ph aûn xaï taïi ph aân caùc h baùn daãn - kh oân g kh í t : h eä soá tr uyeàn qua taïi ph aân caùc h baùn daãn - kh oân g kh í A: h eä soá kh uyeác h ñaïi T a co ù : F1  t 2 F0 ; F2  r F0 ; F3  AF0 2 F4  t F ; F  rF ; F  AF5 1 3 5 1 3 6 t1t2 A  Ftrans  F4  F10  ...  F 1  A r1 2 2 0  rt t A 2  Fref  F2  F7  ...   r2  11 2 2 2  0 F (10.17)  1  A r1 
t1t2 A  r1t1t2 A 2  Ftrans  F ; Fref   r2   F0 1  A r1 2 2 0  1  A2 r12   g   vôùi A  exp  tot  ik  L  (10.18)  2   trong ñoù : g tot  g   loss Ñk : Ftrans , Fref  0 khi F0 = 0  A2 r12  1 (10.19) (10.18) & (10.19)  exp(g tot L )  r12 1  g tot  th   ln r12 (10.20) L 1   g th   loss  ln R ( R = r1 2 ) (10.21) L
4. BÊN DƯỚI VÀ BÊN TRÊN NGƯỠNG LASER Phát xạ tự phát Phát xạ kích thích Bên dưới ngưỡng  Điều kiện ngưỡng: là điều kiện Bên trên ngưỡng khi độ khuếch đại của hệ cộng hưởng vượt qua lượng hao phí của hệ cộng hưởng. 1 ln R tra p g á s h n Á g (  )   loss  L Jth J Mật độ dòng bơm Hình 4.1: Ánh sáng phát ra là một hàm của mật độ dòng bơm trong laser bán dẫn. Bên trên ngưỡng, phát xạ kích thích vượt trội.
4.1 Bên dưới ngưỡng : e-h in bands Gain Spectrum Light Emission Cavity Resonant Modes (a): Bên dưới ngưỡng. Độ lợi thấp hơn mất mát, ánh sáng phát ra có J  J th Cavity loss kBT bề rộng như của LED. -- - - in a G _+ + + + 0 iy s e tIn o h P (a) Hình 4.2 I ph = (1 - mất mát)(số tái hợp e- h trên một đơn vị thời gian) I I ph  (1  loss ) (4.1) e Với : Iph : dòng photon phát ra I : dòng bơm laser  loss : mất mát photon
4.2 Tại ngưỡng :  Độ thay đổi mật độ photon = Phát xạ kích thích + Phát xạ tự phát - Độ mất mát do hệ cộng hưởng. (4.2) dS m c   g (n2 D , Em )   c  S m   Rsp (n2 D ) dt nr Sm: số photon trên một đơn vị diện tích trong mode m n2D : mật độ hạt tải. Em : năng lượng của mode m nr : Chiết suất của môi trường. β : Hệ số phát xạ tự phát (đặc trưng cho sự phân bố của các photon phát xạ tự phát, được phát ta trong mode ta xét).
 Độ thay đổi mật độ hạt tải theo thời gian = số hạt ban đầu - số hạt tham gia tái hợp tự phát - số hạt tham gia tái hợp kích thích. (4.3) dn2 D J rad c dt  e  Rsp (n2 D )  nr  g ( n m 2D , Em ) S m Jrad : Mật độ dòng bức xạ. Xét trong trạng thái dừng và tại điều kiện ngưỡng ta có:  Rsp (n2 D )nr (4.4) Sm  c  gth  g (n2 D , Em ) 
e-h in bands Gain Spectrum Light Emission Cavity Resonant Modes (a): Bên dưới ngưỡng. Độ lợi thấp hơn mất mát, ánh sáng phát ra có bề rộng như của LED. J  J th Cavity loss kBT -- - - in a G _+ + + + 0 iy s e tIn o h P (a) (b): Tại ngưỡng Laser. Một vài mode sẽ trội hơn trong quang phổ phát xạ -- - - -- - iGainn a G J  J th _+ + + ++ 0 + iy s e tIn o h P (b) Hình 4.2
● Mật độ dòng ngưỡng của phần bức xạ: (4.5) e nth dlas e nth (2 D ) J r (th)   r r nth : Mật độ hạt tải tại giá trị ngưỡng dlas : Bề dày vùng hoạt động nth (2D) : Mật độ hạt tải theo diện tích r : Thời gian bức xạ.
● Mật Sự độ táidòng hợpngưỡng khôngcủa bứcphần xạ:bức xạ: (4.5) e nth dlas e nth (2 D ) - Sai hỏng của bán dẫn. (th)  J rAuger. - Tái hợp  r r nth : Mật độ hạt tải tại giá trị ngưỡng dlas : Bề dày vùng hoạt động nth (2D) : Mật độ hạt tải theo diện tích  r : Thời gian bức xạ. ● Mật độ dòng ngưỡng của phần không bức xạ: (4.6) J eF n d nr 3 las F : Hệ số Auger ● Mật độ dòng ngưỡng tổng: Hình 4.3 e nRth (2 D ) Fn 3 3 (4.7) J th  Auger  e F nth d las r
4.3 Bên trên ngưỡng : Khi J  J th độ rộng vạch phổ giảm do tác động của BCH và khuếch đại những mode đạt đến mức ngưỡng, đồng thời bỏ qua các mode khác. Mật độ dòng bơm Mật độ photon của (A/cm2) mode đỉnh (cm -2) 10,0 Jth 5600 6,0 X 109 5,0 Jth 2800 6,0 X 109 2,0 Jth 1120 5,6 X 108 1,5 Jth 840 2,1 x 108 1,0 Jth 560 2,4 x 106 0,8 Jth 448 3,6 x 104 0,792 0,796 0,800 0,804 Bước sóng Laser (μm) Hình 4.4: Quang phổ lối ra của laser phụ thuộc mật độ dòng bơm
e-h in bands Gain Spectrum Light Emission Cavity Resonant Modes (a): Bên dưới ngưỡng. Độ lợi thấp hơn mất mát, ánh sáng phát ra có bề rộng như của LED. J  J th Cavity loss kBT -- - - in a G _+ + + + 0 iy s e tIn o h P (a) (b): Tại ngưỡng Laser. Một vài mode sẽ trội hơn trong quang phổ phát xạ -- - - -- - Gain J  J th _+ + + ++ 0 + iy s e tIn o h P (b) Dominant Mode (c): Bên trên ngưỡng. Phát xạ kích thích vượt trội phát xạ tự J  J th -- - - -- - in a G phát. Một mode trội sẽ kiểm soát _+ + + + ++ 0 iy s e tIn o h P ánh sáng phát xạ. (c) Hình 4.2