Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu, chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Hoàng Thị Kim Khuyên

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN

CÔNG SUẤT LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------

Hoàng Thị Kim Khuyên

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN

CÔNG SUẤT LỚN

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử

Mã số: 60440105

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TUẤN ANH

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận văn thạc sĩ, cho phép tôi được chân thành cảm ơn

thầy giáo TS. Nguyễn Tuấn Anh, công tác tại Viện Ứng dụng Công nghệ, đã tận tình

hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đỗ Trung Kiên, cô giáo TS. Đặng

Thị Thanh Thủy cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã

giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình học tập và làm luận văn của tôi.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn bộ các thầy, cô trong khoa Vật lý,

truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã cho tôi những kiến thức quý báu

trong thời gian học tập tại truờng.

Tôi xin kính cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá

trình làm luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học và

Công nghệ đã tạo điều kiện về trang thiết bị để tôi hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, tháng 12 năm 2014

Học viên cao học

HOÀNG THỊ KIM KHUYÊN

MỤC LỤC

U MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

Chương 1: .................................................................................................................... 3

TỔNG QUAN ............................................................................................................. 4

1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 4

1.2. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 5

Chương 2: .................................................................................................................... 9

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................................. 9

2.1. Phát xạ kích thích và khuếch đại ánh sáng ................................................... 9

2.2. Tổng quan về laser bán dẫn ........................................................................ 10

2.2.1. Chuyển tiếp pn và laser đơn chuyển tiếp ................................................. 10

2.2.2. Laser dị chuyển tiếp ................................................................................. 14

2.3. Một số phương pháp điều chế laser bán dẫn .............................................. 17

2.3.1. Điều chế trực tiếp .................................................................................... 18

2.3.2. Điều chế gián tiếp .................................................................................... 22

2.4. Làm mát laser bán dẫn bằng phương pháp sử dụng Peltier Cooler ........... 26

Chương 3: .................................................................................................................. 29

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO ...................... 29

3.1. Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W .............................................................. 29

3.1.1. Tổng quan về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao .. 29

3.1.2. Một số yêu cầu về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn .................. 30

3.1.3. Chế tạo mô đun laser bán dẫn ................................................................. 32

3.2. Xác định thông số kỹ thuật của mô đun laser bán dẫn 4W ........................ 37

3.2.1. Xác định đường đặc trưng P-I ................................................................. 38

3.2.2. Xác định đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ................ 40

3.2.3. Xác định phổ của mô đun laser bán dẫn 4W ........................................... 42

3.2.4. Xác định phổ năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W ....................... 44

3.2.5. Xác định độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W ................ 45

3.3. Chế tạo nguồn nuôi laser bán dẫn công suất cao ....................................... 46

3.3.1. Một số dạng nguồn dòng DC thông dụng ................................................ 46

3.3.2. Thiết kế chế tạo mạch điều chế mô đun laser bán dẫn ............................ 51

3.4. Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler ................................................... 56

3.5. Chế tạo bộ điều chế xung ........................................................................... 60

3.5.1. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................ 60

3.5.2. Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động ........................................... 61

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 65

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Absorption Hấp thụ

Asymetry Độ bất đối xứng

Bandgap Vùng cấm

Broad Area LD Laser bán dẫn bề mặt phát xạ rộng

Carrier confinement Giam hạt tải

CB Vùng dẫn

Die bounding Hàn chíp

Direct Modulations Điều chế trực tiếp

Divergence Angle Góc phân kỳ

Double heterostructure Cấu trúc dị thể kép

Electro-absorption modulator Điều chế hấp thụ điện tử

Electro-optic modulator Điều chế quang điện tử

External Modulations Điều chế gián tiếp

Hệ số suy giảm Extinction Ratio

Đế tỏa nhiệt Heat Sink

Homojunction LD Laser bán dẫn đơn chuyển tiếp

Dòng ngưỡng Ith

Laser Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích

Laser thanh Laser Bar

Laser khối Laser Stack

LOC Laser hốc cộng hưởng rộng

Micro-Channel Coolers Bộ làm mát vi kênh

P-I Đường đặc trưng công suất quang – dòng điện

Peltier Cooler Pin lạnh

Photon confinement Giam photon

Population inversion Nghịch đảo mật độ

Pulse Modulations Điều chế xung

Relaxation Oscillations Dao động suy giảm

Stimulated Emission Phát xạ kích thích

Sub-mount Đế phụ

Tapered Laser Laser cấu trúc vuốt thon

The depletion region Vùng nghèo điện tử

V-I Đường đặc trưng điện áp – dòng điện

VB Vùng hóa trị

Wire bounding Hàn dây vàng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số của chíp laser bán dẫn 8W ........................................................ 33

Bảng 3.2: Chế độ làm việc của thiết bị hàn chíp ....................................................... 34

Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của công suất quang vào dòng bơm ................................... 38

Bảng 3.4: Mối liên hệ giữa điện áp nuôi và dòng bơm ............................................. 41

Bảng 3.5: Mối liên hệ giữa công suất quang và bước sóng làm việc ....................... 43

Bảng 3.6: Độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W ................................ 45

Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của IRFP260N ............................................................ 52

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tải lên mức tín hiệu điều chế ........................................... 55

Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật của Peltier Cooler ....................................................... 56

Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh ......................... 59

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp ............................................................................... 4

Hình 1.2: Cấu trúc laser thanh ..................................................................................... 5

Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa trên AlGaAs ..................................................... 5

Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của hệ laser bán dẫn công suất cao .................................. 6

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào dòng bơm ............................ 7

Hình 2.1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích ......................... 9

Hình 2.2: Giản đồ chuyển tiếp pn ............................................................................. 10

Hình 2.3: Giản đồ mật độ trang thái .......................................................................... 11

Hình 2.4: Cấu trúc của laser đơn chuyển tiếp GaAs ................................................. 13

Hình 2.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào nguồn nuôi ........................ 14

Hình 2.6: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép ....................................................... 15

Hình 2.7: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép điển hình ....................................... 16

Hình 2.8: Mô tả phương pháp bơm quang học ......................................................... 17

Hình 2.9: Điều chế trực tiếp chùm tia laser bán dẫn ................................................. 18

Hình 2.10: Điều chế trực tiếp dòng nuôi laser bán dẫn ............................................. 18

Hình 2.11: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn

điều chế dòng trực tiếp khi dòng bơm gần với dòng ngưỡng ................................... 21

Hình 2.12: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn

điều chế dòng trực tiếp khi tăng dòng bơm. .............................................................. 22

Hình 2.13: Điều chế gián tiếp chùm tia laser bán dẫn .............................................. 22

Hình 2.14: Sự phụ thuộc của hấp thụ vào điện áp của bộ điều chế hấp thụ điện tử . 23

Hình 2.15: Nguyên tắc hoạt động của bộ điều chế Mach - Zehnder ........................ 25

Hình 2.16: Cấu trúc của bộ Peltier Cooler: ............................................................... 27

Hình 3. 1: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ chíp đơn ........................ 29

Hình 3. 2: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ thanh laser .................... 30

Hình 3. 3: Sự phụ thuộc của bước sóng laser vào vật liệu chế tạo ........................... 33

Hình 3. 4: Kiểm tra chíp dưới kính hiển vi ............................................................... 33

Hình 3. 5: Thiết bị hàn chíp 7372E – Westbond ....................................................... 34

Hình 3. 6: Một số hình ảnh trong quá trình gắn chíp lên đế ..................................... 35

Hình 3. 7: Thiết bị hàn dây vàng 7476D – Westbond............................................... 35

Hình 3. 8: Một số hình ảnh trong quá trình hàn dây vàng ........................................ 36

Hình 3. 9: Cấu hình tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang ................................ 36

Hình 3. 10: Hình ảnh thực tế trong quá trình tích hợp sợi quang ............................. 37

Hình 3. 11: Hệ đo đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W .................... 38

Hình 3. 12: Đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W .............................. 40

Hình 3. 13: Hệ đo đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ................... 40

Hình 3. 14: Đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ............................. 42

Hình 3. 15: Xác định bước sóng trung tâm ............................................................... 42

Hình 3. 16: Hệ đo bước sóng làm việc của mô đun laser bán dẫn 4W ..................... 43

Hình 3. 17: Phổ của mô đun laser bán dẫn 4W ......................................................... 44

Hình 3. 18: Phân bố năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W ............................... 44

Hình 3. 19: Ảnh phân bố năng lượng 2D, 3D của mô đun laser bán dẫn 4W .......... 45

Hình 3. 20: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng dòng ............................................... 47

Hình 3. 21: Sơ đồ nguồn dòng Widlar ...................................................................... 48

Hình 3. 22: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng điện áp ........................................... 49

Hình 3. 23: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng điện áp có tải tiếp đất .................... 50

Hình 3. 24: Sơ đồ nguyên lý nguồn dòng nuôi laser bán dẫn công suất cao ............ 51

Hình 3. 25: Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn công suất cao ................................ 52

Hình 3. 26: Sơ đồ kiểm tra, đánh giá chất lượng nguồn dòng nuôi laser bán dẫn .... 53

Hình 3. 27: Xác định dòng nuôi mô đun laser bán dẫn ............................................. 53

Hình 3. 28: Thông số kỹ thuật của xung vuông điều chế laser bán dẫn ................... 54

Hình 3. 29: Ảnh hưởng của trở tải lên mức tín hiệu điều chế ................................... 56

Hình 3. 30: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển cấp dòng cho Peltier Cooler ................. 57

Hình 3. 31: Bộ điều khiển cấp dòng cho Peltier Cooler ........................................... 58

Hình 3. 32: Hình ảnh thực tế trong quá trình điều khiển nhiệt độ ............................ 59

Hình 3. 33: Sự phụ thuộc giữa điện áp so sánh và nhiệt độ điều khiển .................... 59

Hình 3. 34: LM555 trong chế độ dao động có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ ....... 61

Hình 3. 35: Hình ảnh thực tế của mạch dao động 10 kHz ........................................ 61

Hình 3. 36: Dạng xung và thông số kỹ thuật của dao động 10 kHz ......................... 62

MỞ ĐẦU

Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – thiết bị

khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích, là một trong những phát minh mang

tính đột phá trong thế kỷ 20. Nhờ những đặc tính nội trội như tính định hướng cao,

tính đơn sắc và cường độ bức xạ lớn, ngày nay, ứng dụng laser đã trở nên phổ biến.

Chúng ta có thể tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi

lĩnh vực của xã hội hiện đại như lĩnh vực y tế (phẫu thuật mắt, điều trị bệnh, vật lý

trị liệu, chăm sóc sắc đẹp,…), trong công nghiệp (cắt, khắc, gia công vật liệu,…),

trong truyền thông (thông tin quang sợi, dẫn đường, đo xa bằng laser,…),… Laser

được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20.

Laser bán dẫn được Robert Hall công bố lần đầu năm 1962, hoạt động dựa trên chuyển tiếp pn trong bán dẫn GaAs, phát ra mode xung tại nhiệt độ thấp 770K,

bước sóng trung tâm là 842 nm với độ rộng phổ cỡ 1,5 nm. Mật độ ngưỡng bơm J ~ 85000 A/cm2.

Đến năm 1963, các hệ laser bán dẫn được cải tiến thêm một bước nhờ sử

dụng cấu trúc dị thể. Một trong những tiêu chí ưu tiên hàng đầu trong quá trình chế

tạo các hệ laser bán dẫn là giảm thiểu dòng ngưỡng.

Năm 1969, Charles Kao và Geoger Hockhan đã chế tạo thành công hệ laser

bán dẫn trên cơ sở vật liệu GaAs, hoạt động trong chế độ xung tại nhiệt độ phòng với mật độ ngưỡng bơm thấp Jng ~ 8000 A/cm2.

Đến năm 1970, người ta đã chế tạo ra các hệ laser bán dẫn có dòng ngưỡng thấp cỡ 1600 A/cm2 và đến năm 1975, dòng ngưỡng chỉ còn 500 A/cm2. Các hệ laser

có dòng ngưỡng thấp này được chế tạo trên vật liệu AlGaAs với độ dày ~ 0,1μm,

cấu trúc dị thể kép.

Theo phương pháp truyền thống, laser bán dẫn được chế tạo dựa trên lớp

chuyển tiếp pn, chỉ có thể cho công suất lối ra cỡ vài mW.

Để nâng cao công suất phát, người ta đã phát triển laser bán dẫn bề mặt phát

xạ rộng (Broad Area Laser Diodes) và hiện nay công suất lối ra có thể lên đến hàng

chục W.

Hơn nữa, để nâng cao công suất, người ta đã tích hợp nhiều phần tử laser bán

dẫn (thường từ 10 đến 20 phần tử) trên một đế bán dẫn có kích thước cỡ 10000 x 600

x 120 µm. Linh kiện này được gọi là laser thanh (laser bar). Hiệu suất chuyển đổi

điện – quang trong các laser thanh thường vào khoảng 50 – 60%. Hiện nay, một số

hãng trên thế giới đã giới thiệu laser thanh có công suất lên đến hàng trăm W.

Ngoài ra, người ta còn tích hợp nhiều laser thanh với nhau, tạo thành laser

khối (laser stack), cho phép công suất lên đến vài trăm W.

Laser bán dẫn công suất cao có lợi thế hơn nhiều hệ laser khác ở chỗ: (i) Hiệu

suất chuyển đổi quang điện cao hơn; (ii) Thời gian sống cao hơn (thường vào

khoảng 10.000 giờ); (iii) Kích thước gọn nhẹ hơn; Yêu cầu về nguồn cấp và hệ

thống làm lạnh đơn giản hơn; Độ tin cậy cao hơn; (iv) Ngưỡng bơm thấp (cỡ vài

trăm mA); (v) Cho phép phát xạ trên nhiều dải sóng; (vi) Dễ điều chế; (vii) Cho

phép hoạt động ở cả chế độ xung lẫn chế độ phát xạ liên tục.

Trong thời gian qua, việc ứng dụng laser đã được triển khai rộng khắp trên

toàn quốc, đặc biệt trong lĩnh vực y tế và công nghiệp. Trong y tế, phổ biến là các

thiết bị laser bán dẫn công suất thấp dùng cho thẩm mỹ, nội soi, quang

châm,…Trong công nghiệp, phổ biến là các thiết bị laser khí. Tuy nhiên, với lợi thế

vốn có, laser bán dẫn công suất cao đang dần khẳng định vai trò của mình và đang

trở thành xu thế trong tương lai gần.

Luận văn “Nghiên cứu chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn” trình bày quá

trình nghiên cứu, chế tạo hệ laser bán dẫn công suất 4 W, bước sóng trung tâm 940

nm, bao gồm công nghệ chế tạo mô đun laser từ chíp đơn (single chip), chế tạo

nguồn nuôi laser và các mạch điều khiển công suất laser, điều khiển nhiệt độ.

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 - Tổng quan: điểm qua một số xu hướng chế tạo hệ laser bán dẫn

công suất cao hiện nay và trình bày tóm lược những nôi dụng chính sẽ thực hiện

trong luận văn.

Chương 2 – Cơ sở lý thuyết: trình bày một số cơ sở lý thuyết về laser bán

dẫn, nguyên lý cơ bản bơm laser bán dẫn, một số phương pháp điều chế laser bán

dẫn, phương pháp điều khiển nhiệt độ.

Chương 3 – Thiết kế chế tạo hệ laser bán dẫn công suất cao và đo đạc thực

nghiệm: trình bày quá trình chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W, chế tạo nguồn dòng

20A, chế tạo nguồn điều khiển Peltier, điều khiển laser bán dẫn, trình bày một số

kết quả đo đạc bao gồm phổ của mô đun laser đã chế tạo, phân bố năng lượng, chất

lượng chùm tia, các đường đặc trưng P-I, I-V,…

Kết luận: trình bày tóm lược những nội dung đã thực hiện được và những

vấn đề tồn đọng cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện.

Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung

Trong các ứng dụng laser, các hệ laser bán dẫn công suất cao, với ưu điểm

nổi trội là kích thước gọn nhẹ, hiệu suất cao, điện năng tiêu thụ thấp, ngày càng

chiếm thị phần lớn trong các hệ laser hiện nay. Theo dự báo 2014 của 30 công ty

hàng đầu trong lĩnh vực ứng dụng laser, doanh thu của công nghiệp laser đạt gần 10

tỷ USD, trong đó, doanh thu của laser bán dẫn chiếm 48% thị phần [10].

Để tạo ra hệ laser bán dẫn công suất cao, hiện này người ta đi theo các

hướng chủ yếu gồm: chế tạo hệ laser từ chíp đơn (single chip), chế tạo hệ laser từ

laser thanh (laser bar), laser khối (laser stack), laser mảng (matrix) và chế tạo hệ

laser hốc cộng hưởng rộng LOC (large optical cavity).

Theo hướng chế tạo từ chíp đơn, hai cấu trúc hình học chủ yếu được sử dụng

trong quá trình chế tạo laser công suất cao là cấu trúc dải rộng BA (Broad Area) và

cấu trúc vuốt thon (Tapered) [5, 9, 11, 14].

Cấu trúc của loại laser này được mô tả trên hình 1.1.

a) Cấu trúc của laser dải rộng b) Cấu trúc của laser vuốt thon

Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp

Mặc dù công suất quang lối ra của hai loại laser này tương đương nhau

nhưng chùm tia lối ra của laser vuốt thon có độ đồng nhất cao hơn laser cấu trúc dải

rộng.

Theo hướng chế tạo laser thanh, người ta tích hợp nhiều laser đơn thành

mảng một chiều, sao cho các mode được kết hợp lại với nhau để tạo ra công suất

cao [9] (hình 1.2).

Hình 1.2: Cấu trúc laser thanh

Theo hướng chế tạo laser mảng, người ta tạo ra các lớp tích cực nằm sát

nhau. Các lớp tích cực này bức xạ riêng rẽ với các mối quan hệ về pha. Công suất

ra sẽ được tăng cường trong trường hợp đồng pha. Nhờ khả năng kết hợp về pha,

người ta đã tạo ra được những chùm laser dải hẹp, công suất cao. Vật liệu chế tạo

các laser mảng hiện nay chủ yếu là InGaAsP [14].

Theo hướng chế tạo laser hốc cộng hưởng rộng, công suất laser phụ thuộc

vào số lượng photon thoát ra khỏi hốc cộng hưởng. Công suất laser tăng lên khi

tăng kích thước hốc cộng hưởng hoặc tăng chiều dài vùng tích cực (tăng độ khuếch

đại).

Laser hốc công hưởng dựa trên cấu trúc di thể kép gồm ba lớp p-p-n được

mô tả trên hình 1.3 [1].

Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa trên AlGaAs

1.2. Đặt vấn đề

Nhờ những tiến bộ trong công nghệ chế tạo, hiện nay, laser bán dẫn công

suất cao đã trở nên khá phổ biến. Tuy nhiên, tại nước ta, việc nghiên cứu chế tạo

các hệ laser bán dẫn công suất cao mới chỉ là bắt đầu và chủ yếu tập trung tại một số

viện nghiên cứu và trường đại học lớn trong nước.

Hình 1.4 mô tả cấu hình cơ bản của một hệ laser bán dẫn công suất cao.

Mô đun laser bán dẫn

Thermistor

Monitoring Photodiode

ùm lase lối ra

Tiền khuếch đại

Khối nguồn

Hệ thống làm mát

Khối điều khiển Peltier

Khối điều chế tín hiệu

Điều khiển công suất laser

Tín hiệu điều chế

Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của hệ laser bán dẫn công suất cao

Mô đun laser bán dẫn công suất cao thường được chế tạo từ laser thanh, laser

khối hoặc từ chíp đơn. Chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao là một công việc

tốn nhiều công sức, thời gian. Tính phức tạp của công việc thể hiện ở chỗ không

những phải đảm bảo xử lý được sự thay đổi nhiệt, tính đồng nhất về mặt cơ khí, tích

hợp về phần điện, khắc phục được ứng suất phát sinh trong quá trình hàn dây vàng

mà còn phải đảm bảo tích hợp chính xác về mặt quang học giữa bề mặt phát xạ của chíp laser (có kích thước cỡ vài µm2) và sợi quang lối ra. Chính vì vậy, giá thành

của một mô đun laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc nhiều vào công việc đóng

gói mô đun (module packaging), thậm trí chiếm đến 80% giá thành sản phẩm.

Đóng gói mô đun laser bán dẫn yêu cầu những thiết bị chuyên dụng, phòng sạch

tiêu chuẩn, kỹ năng và kinh nghiệm trong việc hàn chíp, hàn dây vàng, căn chỉnh

quang học, tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang,…. Do vậy, tại nước ta, công

việc đóng gói mô đun laser bán dẫn hiện nay mới chỉ tập trung tại một số Viện đầu

ngành.

Trong quá trình chế tạo mô đun laser bán dẫn, trong nhiều trường hợp, người

ta tích hợp thêm một photodiode giám sát (monitoring photodiode) và một cảm biến

nhiệt (thermistor) bên trong mô đun laser. Photodiode giám sát được sử dụng vào

mục đích giám sát công suất phát xạ laser, trong khi cảm biến nhiệt hỗ trợ giám sát,

ổn định nhiệt độ của mô đun laser trong quá trình laser hoạt động.

Việc ổn định nhiệt độ làm việc và ổn định công suất phát xạ của laser bán

dẫn công suất cao đóng một vai trò quan trọng trong quá trình laser hoạt động.

Vì chíp laser bán dẫn chỉ hoạt động một cách hiệu quả khi nhiệt độ của chíp

nằm trong giới hạn nhất định. Việc nhiệt độ của chíp bị tăng cao trong quá trình

phát xạ laser rất có thể dẫn đến phá hủy chíp laser. Để ổn định nhiệt độ của mô đun

laser bán dẫn, người ta thường sử dụng Peltier Cooler dựa trên hiệu ứng Peltier. Khi

tấm Peltier được cấp dòng một chiều phù hợp, hai bề mặt của tấm sẽ xuất hiện hiện

tượng chênh lệch nhiệt độ. Một mặt sẽ trở nên lạnh trong khi mặt còn lại bị đốt

nóng. Nhờ hiệu ứng này, thông qua việc cấp dòng một chiều cho tấm Peltier, mô

đun laser bán dẫn có thể hoạt động trong một khoảng nhiệt độ đặt trước. Công việc

này được thực hiện nhờ khối điều khiển Peltier. Thăng giáng về nhiệt độ trong quá

trình laser làm việc được nhận biết nhờ cảm biến nhiệt độ. Những thăng giáng này

được đưa về khối điều khiển Peltier. Khi nhiệt độ của mô đun laser tăng lên, Peltier

sẽ được cấp nguồn để làm mát mô đun laser và ngược lại, khi nhiệt độ mô đun laser

giảm đi, Peltier sẽ được cấp nguồn theo chiều ngược lại và làm tăng nhiệt độ của

mô đun laser. Kết quả là mô đun laser được giữ ổn định ở một nhiệt độ đặt trước.

Khi laser bán dẫn hoạt động trong vùng phát xạ kích thích (Stimulated

emission), một thay đổi nhỏ về dòng bơm (dòng DC cấp cho laser bán dẫn) cũng

gây ảnh hưởng lớn đến công suất quang lối ra (hình 1.5). Do vậy, nếu không kiểm

soát được công suất phát xạ của laser bán dẫn, rất có thể công suất phát xạ của laser

bán dẫn tăng cao, làm nóng và dẫn đến phá hủy chíp laser.

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào dòng bơm

Để kiểm soát công suất phát xạ của mô đun laser bán dẫn, chúng ta cần giữ

ổn định điểm làm việc của mô đun laser. Công việc này sẽ do khối điều khiển công

suất laser thực hiện. Thăng giáng của dòng bơm được phản hồi về bộ điều khiển

công suất laser thông qua mạch hồi tiếp, nhờ đó, giữ được công suất phát xạ của

laser không thay đổi trong suất quá trình mô đun laser hoạt động.

Bên cạnh các hệ thống ổn định nhiệt độ, ổn định điểm làm việc của mô đun

laser, người ta còn bố trí thêm hệ thống làm mát với vai trò tản nhiệt cho mô đun

laser bán dẫn. Có hai hệ thống làm mát thường được sử dụng hiện nay là làm mát

bằng nước và làm mát bằng đối lưu luồng khí. Trong luận văn này, chúng tôi sử

dụng phương pháp làm mát bằng đối lưu luồng khí thông qua hệ thống quạt.

Trong các ứng dụng laser hiện nay, laser bán dẫn thường được sử dụng ở hai

chế độ: chế độ làm việc liên tục và chế độ xung. Trong chế độ làm việc liên tục, mô

đun laser bán dẫn sẽ phát ra chùm tia liên tục. Trong chế độ xung, chùm tia lối ra

của mô đun laser bán dẫn sẽ bị điều chế bởi tín hiệu điều chế bên ngoài thông qua

khối điều chế tín hiệu. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ trình bày cả hai phương

pháp trên.

Một cách tổng quát, để xây dựng hệ laser bán dẫn công suất cao, luận văn tập

trung trình bày 04 nôi dụng chính gồm:

1. Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W;

2. Chế tạo nguồn dòng 20A cấp cho laser bán dẫn;

3. Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler;

4. Chế tạo nguồn xung vuông, cho phép mô đun laser bán dẫn làm việc trong

hai chế độ: chế độ liên tục và chế độ xung.

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1. Phát xạ kích thích và khuếch đại ánh sáng

Trong chất bán dẫn, khi bị kích thích, điện tử ở mức năng lượng thấp sẽ có xu

hướng nhảy lên mức năng lượng cao hơn E2 nhờ hấp thụ photon có năng lượng hv =

E2 – E1 (hình 2.1a). Quá trình này được gọi là hấp thụ (Absorption) [12].

Hình 2.1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích

Điện tử ở mức năng lượng E2 luôn có xu hướng nhảy về mức năng lượng thấp

hơn, còn trống và phát xạ một photon. Có thể xảy ra hai trường hợp: (i) điện tử nhảy

về mức năng lượng thấp một cách tự phát (hình 2.1b) hoặc nhảy về mức năng lượng

thấp khi bị tác động bởi một photon khác (hình 2.1c).

Trong trường hợp thứ nhất, điện tử nhảy từ mức E2 xuống mức E1 và phát xạ

một photon có năng lượng hv = E2 – E1 một cách ngẫu nhiên. Khi đó, việc chuyển

mức năng lượng là tự phát. Hiện tượng này được gọi là phát xạ tự phát.

Trong trường hợp thứ hai, điện tử ở mức năng lượng E2 được kích thích bởi

một photon tới có năng lượng hv = E2 – E1 để nhảy xuống mức năng lượng E1. Khi

đó, photon được phát xạ sẽ cùng pha với photon tới, cùng hướng với photon tới,

cùng mặt phẳng phân cực với photon tới và có năng lượng hv = E2 – E1 giống như

năng lượng của photon tới. Hiện tượng này được gọi là phát xạ kích thích

(Stimulated emission).

Phát xạ kích thích là cơ sở cho việc khuếch đại ánh sáng vì rằng một photon

tới sẽ có hai photon cùng pha được phát xạ.

Từ hình 2.1c chúng ta thấy, để có khuếch đại ánh sáng, chúng ta phải đảm

bảo rằng điện tử nằm ở mức năng lượng E2 chiếm đa số. Trạng thái khi mà điện tử

nằm ở mức năng lượng E2 nhiều hơn điện tử nằm ở mức E1 được gọi là trạng thái

nghịch đảo mật độ (population inversion).

1.2. Tổng quan về laser bán dẫn

2.2.1. Chuyển tiếp pn và laser đơn chuyển tiếp

Nếu chúng ta có bán dẫn loại p và loại n của cùng một loại vật liệu bán dẫn

tiếp xúc với nhau chúng ta sẽ được một chuyển tiếp pn đồng chất (hình 2.2).

Thông qua quá trình pha tạp chất, mức Fermi bên phía chất bán dẫn loại p

(EFp) nằm trong vùng hóa trị (VB) và mức Fermi bên phía chất bán dẫn loại n

(EFn) nằm trong vùng dẫn (CB).

a) b)

Hình 2.2: Giản đồ chuyển tiếp pn

a) Khi không có thiên áp;

b) Khi có thiên áp phù hợp để có nghịch đảo mật độ, tạo ra phát xạ kích thích

Khi chưa có thiên áp, các mức năng lượng dưới mức Fermi đều bị các điện

tử chiếm giữ (hình 2.2a). Khi đó, mức Fermi là liên tục trong lớp chuyển tiếp, EFp

= EFn. Vùng nghèo điện tử (The depletion region) trong chuyển tiếp pn rất hẹp và

tồn tại một điện áp V0 bên trong chất bán dẫn. Hàng rào thế eV0 ngăn cản điện tử

trong vùng dẫn CB của lớp bán dẫn n+ khuếch tán sang vùng dẫn CB của lớp bán

dẫn p+. Tương tự, hàng rào thế cũng ngăn cản lỗ trống khuếch tán từ lớp bán dẫn

p+ sang lớp bán dẫn n+.

Khi đặt một điện áp lên hai lớp bán dẫn (khi có thiên áp), mức Fermi sẽ thay

đổi. ΔEF = eV. Giả sử chuyển tiếp pn được phân cực thuận bởi điện áp V sao cho

eV > Eg (hình 2.2b). Khi đó, sự khác nhau giữa các mức EFn và EFp sẽ là eV. Điện

áp đặt vào này sẽ hạ thấp hàng rào thế đến mức gần bằng zero. Điều đó có nghĩa là

điện tử sẽ chạy sang vùng nghèo điện tử, qua lớp bán dẫn p+, tạo thành dòng qua

diode. Tương tự, hàng rào thế của lỗ trống giữa lớp bán dẫn p+ và lớp bán dẫn n+

cũng bị hạ thấp. Kết quả là điện tử từ lớp n+ và lỗ trống từ p+ sẽ chạy vào lớp

nghèo điện tử, làm cho lớp này không còn nghèo điện tử nữa.

Để minh họa, chúng ta sẽ biểu diễn quá trình trên bằng giản đồ vùng năng

lượng với EFn – EFp = eV > Eg. Trong vùng này, điện tử trong vùng dẫn có mức

năng lượng gần với Ec sẽ nhiều hơn điện tử trong vùng hóa trị có mức năng lượng

gần Ev (hình 2.3a - Giản đồ mật độ trạng thái). Nói một cách khác, có sự nghịch

đảo mật độ giữa các mức năng lượng gần Ec và các mức gần Ev xung quanh lớp

chuyển tiếp.

a) b)

Hình 2.3: Giản đồ mật độ trang thái

a) Mật độ trạng thái và phân bố năng lượng của điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn,

vùng hóa trị khi T = 0 và được phân cực thuận với EFn – EFp > Eg. Lỗ trống trong

vùng VB ở trạng thái trống;

b) Sự phụ thuộc giữa hệ số khuếch đại và năng lượng photon

Vùng có nghịch đảo mật độ này là một lớp chạy dọc theo lớp chuyển tiếp.

Nó được gọi là lớp nghịch đảo (inversion layer) hay vùng tích cực.

Một photon tới có năng lượng Ec – Ev không thể kích thích được điện tử nhảy

từ mức năng lượng Ev lên Ec vì rằng hầu như không có điện tử nào nằm gần mức Ev.

Tuy nhiên, có thể kích thích một điện tử nhảy từ mức Ec xuống mức Ev (hình 2.2b).

Hay nói cách khác, photon tới kích thích sự tái hợp trực tiếp.

Vùng mà ở đó có nghịch đảo mật độ và do vậy có phát xạ kích thích lớn hơn

hấp thụ. Hay nói một cách khác, vùng tích cực sẽ cho phép khuếch đại ánh sáng vì

photon tới có xu hướng kích thích phát xạ hơn là hấp thụ. Hệ số khuếch đại phụ

thuộc vào năng lượng photon (và do vậy, phụ thuộc vào bước sóng).

Ở nhiệt độ thấp (T ≈ 0K), các trạng thái giữa mức Ec và EFn được lấp đầy

bởi điện tử và các trạng thái giữa mức EFp và Ev là trống. Photon có năng lượng lớn

hơn Eg nhưng nhỏ hơn EFn – EFp sẽ kích thích phát xạ trong khi photon có năng

lượng lớn hơn EFn – EFp có xu hướng hấp thụ. Hình 2.3b mô tả sự phụ thuộc của

hệ số khuếch đại quang và hấp thụ vào năng lượng photon tại nhiệt độ thấp (T ≈

0K). Khi tăng nhiệt độ, hàm Fermi-Dirac mở rộng phân bố năng lượng của điện tử

trong vùng CB lên trên mức EFn và lỗ trống xuống dưới mức EFp trong vùng VB.

Kết quả là sẽ làm giảm hệ số khuếch đại quang. Hệ số khuếch đại quang phụ thuộc

vào EFn – EFp, tức là phụ thuộc vào thiên áp hay nói cách khác, phụ thuộc vào

dòng điện nuôi diode.

Nhờ tiêm (injection) hạt tải vào lớp chuyển tiếp khi cấp thiên áp thuận một

cách phù hợp, chúng ta có thể tạo ra nghịch đảo mật đô giữa các mức năng lượng

gần mức Ec và gần mức Ev. Hay nói cách khác, cơ chế bơm (pumping) này dựa

trên việc cấp dòng thuận cho diode từ một nguồn bên ngoài.

Để có dao động laser, ngoài việc tạo ra nghịch đảo mật độ, chúng ta còn cần

phải có hốc cộng hưởng quang (optical cavity) với vai trò là bộ cộng hưởng quang

(optical resonator) để tạo ra bức xạ kết hợp. Hình 2.4 mô tả cấu trúc của một laser

bán dẫn đơn chuyển tiếp (homojunction laser diode).

Hình 2.4: Cấu trúc của laser đơn chuyển tiếp GaAs

Trong laser bán dẫn đơn chuyển tiếp, người ta làm nhẵn các mặt tinh thể để

tạo ra bề mặt phản xạ, qua đó hình thành hốc cộng hưởng quang. Photon được phản

xạ trong các mặt đã được làm nhẵn này, kích thích tạo ra nhiều photon có cùng tần

số. Bước sóng của bức xạ được hình thành trong hốc cộng hưởng phụ thuộc vào độ

dài của hốc cộng hưởng, L.

Các mode trong hốc cộng hưởng quang được tính theo công thức sau:

λ n 2

(2.1)

trong đó, m là số nguyên, n là chiết suất của chất bán dẫn và λ là bước sóng.

Các bức xạ thỏa mãn được điều kiện (2.1) đều là tần số cộng hưởng.

Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại quang vào bước sóng bức xạ có thể được

xác định từ phân bố năng lượng của điện tử trong vùng CB và lỗ trống trong vùng

VB xung quanh lớp chuyển tiếp (hình 2.3). Phổ lối ra của laser bán dẫn phụ thuộc

vào tính chất của hốc cộng hưởng và mối liên hệ giữa hệ số khuếch đại quang với

bước sóng.

Hơn nữa, chỉ có thể có bức xạ laser khi hệ số khuếch đại quang khắc phục

được những mất mát trong hốc cộng hưởng. Điều này chỉ có thể đạt được khi dòng

bơm, I, vượt trên giá trị ngưỡng Ith. Dưới mức Ith, ánh sáng phát ra chỉ là phát xạ tự

phát giống như phát xạ của LED và không có phát xạ kích thích (hình 2.5).

Hình 2.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào nguồn nuôi

2.2.2. Laser dị chuyển tiếp

Để giảm dòng ngưỡng Ith đòi hỏi phải nâng cao tỷ lệ phát xạ kích thích cũng

như nâng cao hiệu suất của hốc cộng hưởng. Điều đầu tiên người ta có thể làm là

giới hạn điện tử và lỗ trống trong một dải hẹp xung quanh lớp chuyển tiếp. Việc thu

hẹp vùng tích cực này cho phép chỉ với một dòng nhỏ nhưng cũng có thể tạo ra

được mật độ hạt tải cần thiết để thiết lập nghịch đảo mật độ. Tiếp đến, người ta có

thể tạo ra một ống dẫn sóng điện môi xung quanh vùng khuếch đại quang nhằm

mục đích tăng mật độ photon và do đó tăng xác suất phát xạ kích thích. Bằng cách

này, người ta có thể giảm thiểu suy hao photon khi đi ra khỏi hốc cộng hưởng. Hay

nói cách khác, cần phải tạo ra hai cơ chế: giam hạt tải (carrier confinement) và giam

photon (photon confinement). Cả hai cơ chế này đều có thể thực hiện được khi sử

dụng cấu trúc di thể.

Hình 2.6 mô tả cấu trúc di thể kép, DH, (double heterostructure) dựa trên hai

lớp chuyển tiếp giữa các vật liệu bán dẫn khác nhau có vùng cấm (bandgap) khác

nhau. Các chất bán dẫn được sử dụng là: AlGaAs với Eg ≈ 2 eV, GaAs với Eg ≈ 1,4

eV. Lớp tích cực, nơi hình thành phát xạ laser, là lớp bán dẫn p-GaAs mỏng, thường

có độ dày cỡ 0,1- 0,2 µm. Cả hai lớp p-GaAs và p-AlGaAs đều được pha nhiều tạp

chất loại p và suy thoái tại mức EF trong vùng hóa trị.

Hình 2.6: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép

a) Cấu trúc với hai lớp chuyển tiếp nằm giữa hai chất bán dẫn (GaAs và

AlGaAs) có vùng cấm khác nhau;

b) Giản đồ vùng năng lượng khi có thiên áp thuận mức cao. Tái hợp hạt tải xảy

ra trong lớp tích cực – lớp p-GaAs;

c) Vật liệu với vùng cấm cao hơn có chiết suất thấp hơn;

d) Lớp AlGaAs giam giữ quang.

Khi có thiện áp thuận ở mức cao, mức Ec của lớp n-AlGaAs di chuyển bên

trên mức Ec của lớp p-GaAs, dẫn đến việc nhiều điện tử trong vùng CB của lớp n-

AlGaAs được bơm vào lớp p-GaAs (hình 2.6b). Tuy nhiên, các điện tử này bị giam

giữ trong vùng CB của lớp p-GaAs vì có hàng rào ΔEc giữa lớp p-GaAs và lớp p-

AlGaAs do sự thay đổi vùng cấm (bỏ qua sự thay đổi nhỏ ΔEv). Vì lớp p-GaAs là

một lớp mỏng nên mật độ điện tử được bơm trong lớp p-GaAs tăng lên nhanh

chóng thậm chí chỉ cần tăng dòng thuận một cách vừa phải. Điều này sẽ làm giảm

dòng ngưỡng cần thiết để tạo ra nghịch đảo mật độ. Hay nói một cách khác, chỉ cần

một dòng thuận vừa phải, chúng ta cũng có thể bơm đủ số lượng điện tử vào vùng

CB của lớp p-GaAs để có mật độ điện tử cần thiết, đảm bảo cho nghịch đảo mật độ.

Vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng hơn thường có chiết suất thấp hơn.

AlGaAs có chiết suất thấp hơn so với GaAs. Sự thay đổi chiết suất chính là đặc

điểm của ống dẫn sóng quang điện môi (hình 2.6c). Nó cho phép giam giữ photon

trong vùng tích cực của hốc cộng hưởng quang và do đó, giảm tổn thất photon, tăng

mật độ photon (hình 2.6d). Tăng mật độ photon sẽ làm tăng tốc độ phát xạ kích

thích. Do vậy, cả hai vấn đề tăng hạt tải và giam giữ quang học sẽ làm giảm mật độ

dòng ngưỡng.

Hình 2.7 mô tả một cấu trúc dị thể kép điển hình. Các lớp pha tạp được mọc

mần trên đế tinh thể mà trong trường hợp này là lớp n-GaAs.

Hình 2.7: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép điển hình

Cấu trúc dị thể kép trên bao gồm một lớp đầu tiên trên nằm trên đế, lớp n-

AlGaAs, lớp tích cực p-GaAs và lớp p-AlGaAs. Ngoài ra còn được bổ sung thêm

một lớp p-GaAs.

Chúng ta có thể thấy, các điện cực được tiếp xúc với vật liệu bán dẫn GaAs

nhiều hơn AlGaAs. Lựa chọn này cho phép tiếp xúc được tốt hơn. Các lớp p và n-

AlGaAs cung cấp hạt tải và tạo cơ chế giam giữ quang theo phương thẳng đứng nhờ

tiếp xúc di thể của lớp p-GaAs. Trong cấu trúc trên, lớp tích cực là lớp p-GaAs.

Điều này có nghĩa là phát xạ laser nằm trong khoảng 870 - 900 nm tùy thuộc vào

mức độ pha tạp. Lớp tích cực cũng có thể là AlyGa1-yAs, cho phép phát xạ tại nhiều

bước sóng khác nhau.

Lợi thế của cấu trúc di thể AlGaAs/GaAs là ít bị khuyết tật giữa hai cấu trúc

tinh thể và do đó, có thể bỏ qua ứng suất phát sinh trong linh kiện. Các khuyết tật

này luôn tồn tại và là các đối tượng gây ra tái hợp không phát xạ và do đó làm giảm

tốc độ bức xạ.

1.3. Một số phương pháp điều chế laser bán dẫn

Ánh sáng và dòng điện là hai cơ chế kích thích được chọn của đa số laser

bán dẫn. Ánh sáng hoặc các điện tử sẽ cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích

các điện tử nhảy lên các mức năng lượng cao. Phương pháp bơm bằng dòng điện

đã được mô tả trong mục 2.2.1.

Phương pháp bơm bằng ánh sáng (bơm quang học) cũng hay được sử dụng

trong nhiều ứng dụng laser bán dẫn (hình 2.8).

Hình 2.8: Mô tả phương pháp bơm quang học

h Δ>ν

Theo phương pháp này, người ta dùng một nguồn ánh sáng kích thích có

. cường độ lớn để bơm [7]. Năng lượng của photon phải thỏa mãn điều kiện

Ví dụ, với laser GaAs, người ta thường dùng nguồn bơm là laser. Phương pháp này

có nhược điểm lớn nhất là nguồn bơm phải có cường độ rất lớn.

Ngoài việc bị tác động bởi các phương pháp bơm năng lượng, phát xạ laser

còn chịu tác động của các phương pháp điều chế chùm tia laser. Một cách tổng quát,

phát xạ laser có thể hoạt động theo hai cơ chế: phát xạ liên tục và phát xạ không liên

tục hay còn gọi là điều chế xung (Pulse Modulations). Trong trường hợp phát xạ

liên tục, nguồn bơm laser sẽ được cấp một cách liên tục, do đó, chùm tia laser lối ra

là liên tục. Trong trường hợp điều chế xung, nguồn bơm laser là nguồn xung. Do

đó, chùm tia lối ra sẽ bị điều chế theo tín hiệu xung.

Trong các ứng dụng laser bán dẫn hiện nay, phương pháp điều chế xung

thường được sử dụng nhiều hơn cả. Do vậy, trong các mục tiếp theo, chúng tôi sẽ

phân tích sâu hơn phương pháp điều chế này.

Hiện nay, người ta thường chia các phương pháp điều chế xung chùm tia

laser thành hai loại: điều chế trực tiếp (Direct Modulations) và điều chế gián tiếp

(External Modulations) [2].

2.3.1. Điều chế trực tiếp

Cơ chế hoạt động của phương pháp này được mô tả trên hình 2.9.

Hình 2.9: Điều chế trực tiếp chùm tia laser bán dẫn

Theo phương pháp này, tín hiệu điện điều chế được đưa trực tiếp đến chíp

laser bán dẫn, trực tiếp điều khiển dòng nuôi laser bán dẫn. Do vậy, công suất của

chùm laser bán dẫn sẽ thay đổi theo tín hiệu điện điều chế. Một cách lý tưởng, chùm

tia laser chỉ được phát xạ khi tín hiệu điều chế ở mức cao và chùm laser sẽ không

được phát xạ khi tín hiệu điều chế ở mức thấp.

Công suất quang lối ra của laser bán dẫn phụ thuộc vào dòng bơm và tuân

theo hàm truyền đạt được mô tả trên hình 2.10.

Hình 2.10: Điều chế trực tiếp dòng nuôi laser bán dẫn

Khi dòng bơm nhỏ, nếu không tính đến phát xạ tự phát thì sẽ không có tín

hiệu ánh sáng nào được phát xạ.

Khi dòng bơm đạt mức trên ngưỡng Ith thì xuất hiện nghịch đảo mật độ. Khi

đó, công suất lối ra của laser sẽ tăng tuyến tính theo chiều tăng của dòng điện cho

đến khi xuất hiện hiện tượng bão hòa. Như vậy, chúng ta có thể chuyển từ miền

điện tử thành miền quang. Nếu tín hiệu điện là số liệu cần truyền đạt thì chúng ta sẽ

• Độ trễ khi bật nguồn:

có tín hiệu quang lối ra hoàn toàn tương ứng với tín hiệu điện điều chế.

Về mặt nguyên tắc, chúng ta có thể cấp dòng bơm laser dưới mức ngưỡng để

tạo ra mức thấp và tăng dòng bơm trên mức ngưỡng để tạo mức cao. Khi đó, laser

sẽ chuyển trạng thái từ trạng thái không xuất hiện bức xạ sang trạng thái xuất hiện

nghịch đảo mật độ. Tuy nhiên, việc tạo ra nghịch đảo mật độ đạt được là do bơm

hạt tải vào cấu trúc tinh thể nên cần một khoảng thời gian để mật độ hạt tải đạt mức

trên ngưỡng. Kết quả là, phát xạ sẽ bị trễ một khoảng thời gian td khi tăng dòng

bơm. Thời gian này thường được gọi là thời gian trễ khi bật nguồn. Chúng được

ln(

)

=τ c

(2.2)

I I

− −

tính theo công thức sau:

trong đó, I1 và I0 là dòng bơm lần lượt tương ứng với mức tín hiệu cao và mức tín

hiệu thấp; τc là thời gian sống của hạt tải (cỡ vài nano giây).

• Hệ số suy giảm:

Chúng ta thấy rằng khi áp dụng phương pháp điều chế trực tiếp ở tốc độ cao,

dòng nuôi laser bán dẫn phải được đặt trên mức ngưỡng nhằm tránh ảnh hưởng của

độ trễ khi bật máy. Trong trường hợp này, chíp laser luôn phát xạ nhưng công suất

quang lối ra sẽ ở hai mức khác nhau: P1 và P0. Như vậy, chúng ta không thể thiết

lập trạng thái suy hao hoàn toàn được (là trạng thái laser không phát xạ khi tín hiệu

điều chế ở mức thấp). Mức độ suy hao này thường được biểu diễn bởi hệ số suy

ER =

P 1 0 P

giảm ER (Extinction Ratio). Hệ số này được tính theo công thức sau:

(2.3)

trong đó, P1 và P0 lần lượt là công suất quang lối ra ở mức tín hiệu điều chế cao và

mức tín hiệu điều chế thấp.

• Độ rộng dải:

Độ rộng dải điều chế theo phương pháp điều chế trực tiếp được xác định theo

2/1

)

f Δ

≈

− e

IG 3 ( N b 2 4 π

⎡ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ ⎦

công thức:

(2.4)

trong đó, GN là thông số liên quan đến sự phụ thuộc của tốc độ phát xạ kích thích

vào số lượng hạt tải; Ib và Ith lần lượt là dòng bias và ngưỡng; e là điện tích hạt tải.

Độ rộng dải điều chế cao tương ứng với tốc độ làm việc cao, do đó, nó tương

ứng với trường hợp dòng bias cao. Tuy nhiên chúng ta cũng cần lưu ý rằng độ rộng

dải điều chế theo cách mô tả ở trên chỉ áp dụng trong trường hợp tín hiệu điều chế

nhỏ (tín hiệu điện sin động và có giá trị dòng điện đỉnh – đỉnh nhỏ hơn Ib – Ith). Tuy

vậy, công thức trên cũng cung cấp nhiều thông tin có giá trị cho trường hợp tín hiệu

điều chế lớn.

• Dao động suy giảm (relaxation oscillations):

Khi laser được cấp dòng trong một thời gian ngắn ví dụ như trong thời gian

chuyển đổi từ mức cao xuống mức thấp và ngược lại, cường độ chùm tia laser lối ra

sẽ trở thành các dao động tắt dần (damped). Các dao động này được gọi là dao động

suy giảm (relaxation 0scillations). Hai thông số là tần số dao động và tốc độ suy

giảm phụ thuộc vào công suất laser, tức là phụ thuộc vào dòng bơm. Bản chất vật lý

của hiện tượng này chính là tác động qua lại giữa các hạt tải bơm laser và các

photon được phát xạ. Chúng ta có thể thấy tần số dao động suy giảm và tốc độ suy

giảm tăng khi tăng dòng bơm. Hình 2.11 dưới đây mô tả các dao động này khi dòng

bơm gần với dòng ngưỡng.

Hình 2.11: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn

điều chế dòng trực tiếp khi dòng bơm gần với dòng ngưỡng

• Chirp tần số:

Khi laser làm việc trong chế độ điều chế trực tiếp, một sự thay đổi dòng bơm

sẽ dẫn đến sự thay đổi mật độ hạt tải. Điều này dẫn đến sự thay đổi chiết suất của

vật liệu bán dẫn. Vì rằng bước sóng phát xạ được xác định bởi điều kiện phản xạ

trong hốc cộng hưởng – yếu tố mà bản thân nó cũng phụ thuộc vào chiết suất. Kết

quả là, khi laser làm việc trong chế độ điều chế trực tiếp, hiện tượng chirp tần số sẽ

xuất hiện. Hiện tượng này ảnh hưởng đến ứng dụng của laser trong việc truyền dẫn

thông tin tốc độ cao.

Như vậy, khi dòng bơm laser gần với dòng ngưỡng, hiện tượng dao động suy

giảm sẽ xuất hiện đối với cả mức tín hiệu cao lẫn mức tín hiệu thấp. Khi tăng dòng

bơm, mức độ biến dạng xung sẽ ít hơn so với trường hợp dòng bơm thấp (hình

2.12).

Hình 2.12: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn

điều chế dòng trực tiếp khi tăng dòng bơm.

2.3.2. Điều chế gián tiếp

Cơ chế hoạt động của phương pháp điều chế gián tiếp được mô tả trong hình

2.13 dưới đây.

Hình 2.13: Điều chế gián tiếp chùm tia laser bán dẫn

Theo phương pháp này, chíp laser bán dẫn được cấp dòng không đổi, do đó,

laser bán dẫn làm việc ở chế độ liên tục CW (Continuous Wave). Để điều chế chùm

tia laser, người ta sử dụng thêm một bộ chuyển mạch điều chế (Expernal

Modulator) để điều khiển chùm laser “bật” và “tắt” theo tín hiệu điện điều chế. Khi

đó, chùm tia laser sẽ được truyền qua tương ứng với mức cao của tín hiệu điện điều

chế và sẽ bị chặn lại khi tín hiệu điện điều chế ở mức thấp.

Hiện nay, người ta đã chế tạo được một số loại bộ chuyển mạch điều chế

khác nhau và một trong những điều quan trọng đối với bộ điều chế này là tốc độ

chuyển mạch giữa hai trạng thái “đóng” và “mở” phải đủ lớn để phù hợp với việc

chuyển đổi trạng thái giữa mức cao và mức thấp của tín hiệu điện.

Có hai phương pháp điều chế ngoài thường được sử dụng hiện nay, đặc biệt

trong thông tin quang là phương pháp điều chế hấp thụ điện tử và phương pháp điều

chế quang điện tử.

• Phương pháp điều chế hấp thụ điện tử:

Phương pháp này dựa trên việc điều chế sự hấp thụ của vật liệu bán dẫn khi

có một điện trường ngoài tác động vào. Do vậy, phương pháp này được gọi là điều

chế hấp thụ điện tử (Electro-absorption modulator).

Bộ điều chế theo phương pháp điều chế hấp thụ điện tử dựa trên một thực tế

là độ rộng vùng dẫn hiệu dụng Eg của chất bán dẫn giảm khi có điện áp bên ngoài

đặt vào hai cực. Kết quả là, nếu tần số v của ánh sáng tới được lựa chọn sao cho

năng lượng của nó E = hv nhỏ hơn độ rộng vùng dẫn khi không có điện áp bên

ngoài đặt vào thì vật liệu đó sẽ trở nên trong suốt. Mặt khác, khi có điện áp bên

ngoài đặt vào, độ rộng vùng dẫn hiệu dụng sẽ giảm đi có nghĩa là ánh sáng đó sẽ bị

vật liệu hấp thụ khi E > Eg. Do vậy, nếu lựa chọn bước sóng phù hợp để sao cho có

sự thay đổi lớn về mức độ hấp thụ khi có điện áp đặt vào thì chúng ta có thể tạo ra

được bộ điều chế quang được điều khiển bởi tín hiệu điện. Trên hình 2.14 biểu diễn

sự phụ thuộc của hấp thụ vào điện áp của một bộ điều chế hấp thụ điện tử.

a) b)

Hình 2.14: Sự phụ thuộc của hấp thụ vào điện áp của bộ điều chế hấp thụ điện tử

a) Hấp thụ của vật liệu bán dẫn phụ thuộc vào bước sóng và điện áp đặt vào;

b) Suy hao của bộ điều chế hấp thụ điện tử phụ thuộc vào điện áp đặt vào.

Hấp thụ và chiết suất của vật liệu bán dẫn liên hệ với nhau theo đẳng thức

∞+

) ( ω

' d ω

Kramers – Kronig:

∫

c π

' ) ( ωα Δ 2' 2 ωω −

nΔ

aΔ ; c là

2.5)

trong đó, là sự thay đổi chiết suất tương ứng với sự thay đổi hấp thụ

vận tốc ánh sáng trong chân không.

• Phương pháp điều chế quang điện tử:

Phương pháp này dựa trên sự thay đổi chiết suất của một số tinh thể dưới tác

động của điện trường ngoài. Phương pháp này được gọi là bộ điều chế quang điện

tử (Electro-optic modulator). Thực ra, khi thay đổi chiết suất, chúng ta không thể

điều chế được cường độ sáng. Tuy nhiên, khi sử dụng cấu trúc giao thoa, ví dụ như

sử dụng cấu trúc Mach-Zehmder, chúng ta có thể biến đổi điều chế pha thành điều

chế cường độ sáng.

Chiết suất của một số vật liệu có thể thay đổi nhờ tác động một trường điện

bên ngoài thông qua hiệu ứng quang điện tử tuyến tính (linear electro-optic effect).

Sự dịch chuyển pha khi một chùm sáng có bước sóng λ truyền trong môi

trường có chiết suất n trên đoạn đường L được xác định bởi công thức sau:

2 π λ

(2.6)

Do vậy, người ta có thể áp dụng mối liên hệ trên để điều chế pha. Khi đặt

một điện áp phù hợp vào vật liệu, chiết suất của vật liệu đó sẽ thay đổi, dẫn đến dịch

chuyển pha khi chùm sáng lan truyền trong ống dẫn sóng. Tuy nhiên, trong thông

tin quang người ta thường sử dụng các bộ điều chế cường độ sáng hơn. Để làm điều

này, người ta chuyển đổi điều chế pha nhờ hiệu ứng quang điện tử thành điều chế

cường độ sáng sử dụng cấu trúc giao thoa (hình 2.15).

Hình 2.15: Nguyên tắc hoạt động của bộ điều chế Mach - Zehnder

Phương pháp này dựa trên giao thoa kế Mach – Zehnder bao gồm một tấm

vật liệu quang điện tử tại một nhánh. Trong thực tế, bộ giao thoa này được chế tạo

nhờ quá trình khắc tạo ống dẫn sóng bên trong tinh thể quang điện tử, thường là

LiNbO3. Giả thiết rằng tỷ lệ chia và cộng công suất giữa lối ra và lối vào của giao

=Δ

−

thoa kế Mach – Zehnder là ½ thì công suất tại lối ra của giao thoa kế phụ thuộc vào

)( φφφ t 0

khi tia sáng truyền theo nhánh trên và nhánh dưới của cấu độ dịch pha

trúc trên và được tính theo công thức:

P OUT P

= IN

cos 2 φΔ 2

2.7)

Độ dịch pha theo nhánh trên của bộ điều chế phụ thuộc vào chiết suất của nó,

đại lượng mà bản thân nó phụ thuộc vào điện trường bên ngoài đặt vào nhờ hiệu

ứng quang điện tử. Nếu ta đặt một điện áp là hàm của thời gian V(t) vào nhánh trên

của ống dẫn sóng thì chiết suất của nó sẽ là một hàm phụ thuộc vào thời gian và hệ

số truyền đạt của giao thoa kế Mach – Zehnder cũng là hàm phụ thuộc vào thời

gian. Nếu có một sóng ánh sáng liên tục đưa đến lối vào của bộ điều chế thì công

suất lối ra sẽ bị điều chế theo mức tín hiệu điện V(t). Độ lớn của độ dịch chuyển pha

tạo ra do đặt điện áp ngoài phụ thuộc vào nhiều thông số bao gồm lựa chọn vật liệu

quang điện tử, bản chất và mức độ tương tác của tinh thể với điện trường bên ngoài

cũng như mức độ phân cực của ống dẫn sóng, kích thước hình dạng của ống dẫn

sóng. Trong nhiều trường hợp, dựa trên việc thiết kế phù hợp, người ta có thể tạo ra

được bộ điều chế điện áp nửa sóng Vπ (half-wave voltage). Khi đặt điện áp Vπ lên

hai cực của ống dẫn sóng, nhờ tác động của điện áp đặt vào, pha của sóng ánh sáng

sẽ bị dịch chuyển một góc có độ lớn bằng π.

)( = t πφ

Độ dịch pha do điện áp Φ(t) có thể được tính theo công thức sau:

)( tV V π

(2.8)

Từ các phương trình trên, ta có thể tính được hàm truyền đạt Pout/Pin của bộ

điều chế như là một hàm của điện áp đặt vào.

Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng nếu sử dụng cấu hình giao thoa kế

như mô tả trên hình 2.15 thì tín hiệu quang được điều chế sẽ có hiện tượng

chirping. Chúng ta có thể giải quyết vấn đề này nhờ sử dụng hai tín hiệu điều chế

đặt vào hai nhánh của bộ điều chế quang điện. Nếu một nhánh được điều chế bởi

)(td

điện áp tương ứng với số liệu cần truyền dẫn d(t) trong khi nhánh thứ hai được điều

thì chirp sẽ bị suy hao. Bộ điều khiển bởi điện áp tương ứng với số liệu đảo

chế Mach – Zehnder thường được sử dụng theo cách này và kỹ thuật sử dụng này

thường được gọi là điều chế đẩy kéo (push – pull modulations).

Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi đã sử dụng phương pháp điều chế trực

tiếp dòng bơm laser bán dẫn.

1.4. Làm mát laser bán dẫn bằng phương pháp sử dụng Peltier Cooler

Trong quá trình hoạt động, đặc biệt khi dòng bơm lớn, laser bán dẫn bị nóng

lên nhanh chóng. Do vậy, nếu không được tản nhiệt tốt, rất có thể laser bán dẫn sẽ

bị phá hủy do nhiệt. Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường áp dụng một số

phương pháp khác nhau như sử dụng dòng nước đối lưu, sử dụng hệ thống quạt làm

mát….., trong đó, phương pháp làm mát sử dụng Peltier Cooler thường được ưa

chuộng do chúng có nhiều ưu điểm như:

• Có tuổi thọ cao (thường là 200,000 giờ);

• Có kích thước nhỏ;

• Cho phép chế tạo theo nhiều hình dạng khác nhau;

• Khởi động nhanh, hiệu quả tức thì;

• Có thể tạo ra hiệu nhiệt độ rất lớn.

Peltier được gọi bằng nhiều tên khác nhau như bộ làm mát nhiệt điện

(Thermoelectric Cooler), Heater, Thermoelectric Heat Pump,…, được chế tạo dựa

trên vật liệu có bản chất hoạt động theo hiệu ứng nhiệt điện ngược (Reverse

Thermoelectric Effect), còn được gọi là hiệu ứng Peltier, do nhà khoa học người

Pháp Peltier tìm ra năm 1834.

Các bộ Peltier Cooler thường được sử dụng ở hai dạng:

• Thermoelectric Generator với chức năng làm mát: khi đặt một điện áp lên

Peltier, hai bề mặt Peltier sẽ có chênh lệch nhiệt độ;

• Seebeck Effect với chức năng sưởi nóng: khi một mặt được đốt nóng cao

hơn nhiệt độ của mặt còn lại. Khi đó, điện áp sẽ xuất hiện ở hai đầu Peltier.

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng Peltier với chức năng làm mát.

Hình 2.16 dưới đây mô tả cấu trúc của một bộ Peltier Cooler.

Hình 2.16: Cấu trúc của bộ Peltier Cooler:

a) Hình dạng bên ngoài của một bộ Peltier Cooler;

b) Cấu trúc bên trong của bộ Peltier Cooler;

c) Hiệu ứng Peltier khi được cấp nguồn nuôi.

Một tấm Peltier gồm một cặp bán dẫn loại p và n, được gắn với một điện cực

kim loại. Khi đặt một điện áp DC lên hai đầu tấm Peltier, một dòng điện được tạo

ra, đi từ chất bán dẫn n sang chất bán dẫn p. Khi đó, tại lớp bán dẫn p, dòng nhiệt sẽ

chạy ngược chiều với dòng điện, trong khi tại lớp bán dẫn n, dòng nhiệt chạy cùng

chiều với dòng điện. Do đó, nhiệt lượng được hấp thụ tại điện cực phía trên, tại nơi

mà dòng điện chạy từ lớp n sang lớp p. Kết quả là điện cực phía trên trở thành bộ

hấp thụ nhiệt.

)

NQ =

−

( αα − n p

IT c

TK ( h

T c

1 2

⎤ ⎥⎦

⎡ ⎢⎣ (

AL / )

(

AL / )

Tốc độ hấp thụ nhiệt Q có thể được tính như sau [17]:

(

LA /

)

(

LA /

)

ρ p λ p

ρ n λ n

(2.9)

trong đó, I là dòng dẫn; Th là nhiệt độ của bề mặt tản nhiệt; Tc là nhiệt độ của bề

mặt hấp thụ nhiệt; N là số lượng các cặp bán dẫn; αp và αn lần lượt là hệ số Seebeck

của bán dẫn p và n; L là chiều dài của lớp bán dẫn; A là tiết diện ngang của lớp bán

dẫn; ρp và ρn lần lượt là điện trở của chất bán dẫn p và n; λp và λn lần lượt là độ dẫn

nhiệt tương ứng của chất bán dẫn p và n.

)

NV =

−

Vì điện áp lối ra V có thể được biểu diễn dưới dạng:

(2.10)

]IR

[ ( αα − p n

() TI h

T c

)

−

(2.11)

]IR

() TI h

T c

nên tổng công suất tiêu thụ W có thể biểu diễn như sau: [ ( αα − n

Để chế tạo những tấm Peltier, người ta thường sử dụng nhiều cặp bán dẫn n-

p (ví dụ như BiTe được pha tạp chất Se hoặc các chất tương tự), và sắp xếp chúng

trên hai bề mặt cách điện, được làm bằng nhôm, nitrit nhôm hoặc các vật liệu tương

tự. Trên hai bề mặt này, người ta tạo ra các điện cực (hình 2.16b).

Trên hình 2.16b, chúng ta thấy, người ta đã sử dụng đế gốm trong quá trình

chế tạo Peltier. Việc sử dụng đế gốm cho phép vừa đảm bảo tiếp xúc nhiệt tốt với đế

tỏa nhiệt (heatsink) có hệ số dẫn điện cao, được chế tạo từ nhôm hoặc đồng, trong

khi vẫn đảm bảo việc cách điện.

Điện cực thường là một tấm đồng có độ dày cỡ vài chục µm, được gắn với

lớp bán dẫn nhiệt điện bằng vât liệu hàn như Sn-Pb và Au-Sn.

Chương 3:

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO

3.1. Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W

3.1.1. Tổng quan về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao

Hiện nay, việc chế tạo laser bán dẫn công suất cao đang đi theo hai hướng chủ

yếu gồm: (i) Chế tạo mô đun laser bán dẫn từ thanh laser bán dẫn công suất cao [1]

và chế tạo mô đun laser bán dẫn từ chíp đơn [11].

• Chế tạo mô đun laser bán dẫn từ chíp đơn:

Mô đun laser bán dẫn công suất cao được chế tạo từ chíp đơn gồm các linh

kiện cơ bản là chíp laser bán dẫn và đế tỏa nhiệt (hình 3.1).

Hình 3. 1: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ chíp đơn

Chíp laser bán dẫn được gắn lên một đế phụ (sub-mount). Đế này lại tiếp tục

được gắn lên một đế tỏa nhiệt (heat sink). Trong quá trình hoạt động, chíp laser tỏa

ra nhiệt lượng lớn. Vì nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến công suất bức xạ cũng như bước

sóng và chất lượng chùm tia nên người ta luôn tìm cách giảm thiểu ảnh hưởng này.

Để đảm bảo quá trình truyền nhiệt từ chíp laser ra môi trường xung quanh, người ta

phủ một lớp keo dẫn nhiệt chuyên dụng như hợp chất Indium lên bề mặt tiếp xúc

giữa chíp laser và các đế.

Để kiểm soát nhiệt độ trong quá trình laser làm việc, người ta còn bố trí thêm

sensor nhiệt, photodiode giám sát và TEC. Ngoài ra, việc gắn chíp laser phải đảm

bảo bề mặt phát xạ được tích hợp quang tối ưu với sợi quang lối ra.

Ưu điểm của phương pháp này là công nghệ chế tạo đơn giản hơn so với công

nghệ chế tạo từ thanh laser, việc tích hợp quang lối ra cũng đơn giản hơn mà vẫn

đảm bảo chất lượng chùm tia nhưng điểm hạn chế lớn nhất của phương pháp này là

công suất quang lối ra không cao.

• Chế tạo mô đun laser bán dẫn từ laser thanh:

Một trong những ưu điểm của phương pháp chế tạo mô đun laser bán dẫn từ

laser thanh là ở chỗ chúng có thể cho công suất phát xạ cao dựa trên việc tích hợp

các chùm laser bán dẫn của các đầu phát laser (hình 3.2).

Hình 3. 2: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ thanh laser

Các hệ laser thanh hiện nay thường được làm mát bằng nước, sử dụng các vi

kênh MCC (Micro-Channel Coolers). Các hệ này cho phép công suất lối ra có thể

đạt 120 W với tuổi thọ trên 30000 giờ.

Thanh laser bán dẫn được gắn trên một đế. Đế này vừa có vai trò là tấm giữ

cố định thanh laser vừa có vai trò là một cực của mô đun lại vừa có vai trò là đế tỏa

nhiệt. Để đạt công suất lối ra cao hơn, người ta có thể tích hợp nhiều khối laser

thanh với nhau [15].

Ưu điểm của phương pháp này là công suất quang lối ra của thanh laser khá

cao. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải sử dụng hệ thống quang học phức tạp để chuẩn trực

chùm tia lối ra. Ngoài ra, phương pháp này còn đòi hỏi phải sử dụng đế tỏa nhiệt có

hiệu suất cao.

Trong khuôn khổ của luận văn, chúng tôi chỉ tập trung vào công nghệ chế tạo

mô đun laser bán dẫn từ chíp đơn.

3.1.2. Một số yêu cầu về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn

Một cách tổng quát, các công đoạn đóng gói mô đun laser bán dẫn công suất

cao gồm các bước sau: (i) Gắn chíp lên đế bằng công nghệ hàn chíp (die bounding);

(ii) Kết nối các điện cực của chíp laser bán dẫn bằng công nghệ hàn dây vàng (wire

bounding); (iii) Ghép nối với sợi quang để đưa công suất laser ra bên ngoài; (iv)

Đóng vỏ mô đun laser bán dẫn (packaging).

• Yêu cầu trong công nghệ hàn chíp:

Yêu cầu chủ yếu đối với công nghệ hàn chíp là không được tạo ra ứng suất

dẫn đến phá hủy chíp và phải đảm bảo tiếp xúc nhiệt, tiếp xúc điện tốt giữa chíp và

đế. Do vậy, trước khi gắn chíp, người ta phải làm sạch tiếp giáp giữa chíp và đế.

Ngoài ra, trong quá trình hàn chíp, nhiệt độ hàn phải phù hợp để không làm hỏng

chíp.

Hiện nay, người ta có thể hàn chíp lên đế theo hai công nghệ cơ bản là hàn

Eutectic và hàn Epoxy, trong đó, công nghệ hàn Epoxy thực chất là công nghệ gắn

chíp sử dụng keo Epoxy hoặc keo dán.

Theo công nghệ hàn Eutectic, thông thường người ta phủ một lớp vàng mỏng

lên diện tích cần hàn trên đế. Vật liệu hàn sẽ được phủ lên đế trước khi gắn chíp.

Nguồn nhiệt được cấp đến điểm hàn, làm nóng chảy vật liệu hàn.

Công nghệ hàn Epoxy thường được sử dụng cho các phần tử kim loại có kích

thước không lớn. Đế được phủ một lớp keo và được cấu kết sao cho vừa tạo ra mối

hàn với ứng suất bề mặt nằm trong giới hạn cho phép, vừa đảm bảo tiếp xúc điện,

tiếp xúc nhiệt tốt. Hiện nay, người ta thường sử dụng keo Epoxy siêu sạch, không

hòa tan do giá thành hạ, sức căng cơ khí nhỏ. Vật liệu sạch được chế tạo từ những

vật liệu có chứa ít ion hydro, đặc biệt là clo, natri và amoni. Vật liệu sạch cho phép

giảm thiểu hiện tượng ô xy hóa do hơi nước gây ra.

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng công nghệ hàn Epoxy.

• Yêu cầu trong công nghệ hàn dây vàng:

Yêu cầu chủ yếu trong công nghệ hàn dây vàng là vừa phải đảm bảo mối hàn

chắc chắn, vừa phải đảm bảo các dây vàng không bị dính, chạm, chập với nhau và

chạm, chập với các linh kiện khác.

Hiện nay, người ta thường tiến hành công việc hàn dây vàng theo ba phương

pháp gồm phương pháp ép nhiệt, phương pháp hàn nhiệt – siêu âm và phương pháp

hàn siêu âm.

Phương pháp ép nhiệt được thực hiện nhờ sử dụng nhiệt và lực ép để làm biến

dạng kim loại, qua đó, tạo thành mối hàn. Tham số chính của phương pháp này là

thời gian, nhiệt độ và lực hàn. Phương pháp này được thực hiện theo nguyên lý

nung chảy khuếch tán (vùng khuếch tán được hình thành theo dạng hàm số mũ của

nhiệt độ). Thông thường phương pháp ép nhiệt yêu cầu nhiệt độ cao (thường trên

300°C) và thời gian dài nên phương pháp này có thể làm hỏng những linh kiện có

độ nhạy cao. Hơn nữa, phương pháp này không hiệu quả khi bề mặt hàn bị bẩn. Do

vậy, hiện nay, phương pháp này ít được sử dụng [13].

Phương pháp hàn nhiệt – siêu âm được thực hiện nhờ sử dụng nguồn nhiệt,

lực hàn và năng lượng siêu âm để hàn. Nhiệt độ được cung cấp khi đặt mô đun trên

bếp nhiệt. Một số thiết bị hàn dây còn có bộ phận tạo nhiệt, nhờ đó, cải thiện chất

lượng mối hàn. Lực hàn được tạo ra nhờ ép đầu hàn vào dây vàng, tới vùng tiếp xúc

trên bề mặt đế. Năng lượng siêu âm được đưa tới đầu hàn trong khi chúng tiếp xúc

với dây vàng. Phương pháp hàn nhiệt – siêu âm thường được sử dụng để hàn dây

hoặc dải băng phủ vàng [16].

Phương pháp hàn siêu âm được thực hiện tại nhiệt độ phòng và là sự kết hợp

giữa lực hàn và năng lượng siêu âm. Áp lực được sử dụng trong phương pháp hàn

siêu âm. Phương pháp này thường được sử dụng để hàn dây vàng, dây nhôm trên

các bề mặt hàn phủ vàng, nhôm. Phương pháp này chiếm ưu thế trong công nghệ

hàn dây nhôm kích thước lớn để đóng gói các mô đun điện tử công suất cao [16].

Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi đã sử dụng phương pháp hàn nhiệt – siêu

âm.

3.1.3. Chế tạo mô đun laser bán dẫn

• Lựa chọn chíp laser bán dẫn:

Bước sóng làm việc của laser diode phụ thuộc vào vật liệu chế tạo [14]. Do

vậy, bước đầu tiên trong công nghệ chế tạo laser bán dẫn là phải lựa chọn loại chíp

laser phù hợp. Vật liệu chế tạo laser bán dẫn thường là vật liệu nhóm III đến nhóm

V. Sự phụ thuộc của bước sóng vào vật liệu được mô tả trên hình 3.3.

Hình 3. 3: Sự phụ thuộc của bước sóng laser vào vật liệu chế tạo

Trong luận văn này chúng tôi sử dụng chíp laser bán dẫn là loại GaAs với

thông số kỹ thuật được mô tả trong bảng 3.1.

Bảng 3.1: Thông số của chíp laser bán dẫn 8W

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Bước sóng trung tâm Nm 940 λ

Công suất quang lối ra 8W Popt

Độ rộng vùng phát xạ W 100 x 1 µm

Dòng ngưỡng 1A Ith

9.2 A Dòng làm việc tại Popt 8 W Iop

Điện áp làm việc 1.65 V Vop

• Kiểm tra chíp:

Trước khi chế tạo mô đun laser bán dẫn, chúng tôi đã kiểm tra chíp laser bán

dẫn dưới kính hiển vi nhằm loại bỏ những chíp bị rạn, nứt trong quá trình vận

chuyển (hình 3.4).

Hình 3. 4: Kiểm tra chíp dưới kính hiển vi

• Hàn chíp:

Để gắn chíp lên đế, chúng tôi đã sử dụng thiết bị hàn chíp 7372E của hãng

Westbond. Thiết bị được đặt ở chế độ hàn Epoxy (hình 3.5).

Hình 3. 5: Thiết bị hàn chíp 7372E – Westbond

Thiết bị hàn chíp 7372E cho phép đầu hàn xuống sâu các đế hàn có kích

thước lớn. Các thông số cài đặt chế độ hàn được lưu trong bộ nhớ của thiết bị và có

thể gọi lại được khi cần thiết. Có ba thông số cơ bản nhất, quan trọng nhất đối với

bất cứ thiết bị hàn chíp nào. Đó là lực hút chíp, áp lực đặt lên chíp và nhiệt độ hàn.

Bảng 3.2 dưới đây liệt kê những thông số cơ bản đã được cài đặt trong quá trình

hàn chíp.

Bảng 3.2: Chế độ làm việc của thiết bị hàn chíp

Thông số Đơn vị Giá trị trung bình Giá trị lớn nhất

Lực nhặt chíp g 10 200

Áp lực đặt lên chíp 20 250

Nhiệt độ hàn g 0C 120 250

Lực nhặt chíp là áp lực hút của đầu gắn chíp đặt lên linh kiện trong quá trình

nhặt chíp; Áp lực đặt lên chíp là lực mà đầu gắn chíp ép lên linh kiện trong quá

trình gắn chíp lên đế; Nhiệt độ hàn là nhiệt độ của bếp hàn, phù hợp với loại keo

Epoxy đã sử dụng để đảm bảo mối hàn là tốt nhất.

Quy trình gắn chíp lên đế đã được thực hiện theo các công đoạn sau:

+) Công đoạn 1 – chuẩn bị: Cố định đế gắn chíp trên bàn thao tác (work stage) và

đặt chíp lên bàn đặt chíp (die stage).

+) Công đoạn 2 - phủ lớp keo Epoxy: Keo Epoxy được nhỏ vào vị trí nơi cần gắn

chíp. Việc nhỏ keo phải đảm bảo keo không được chùm lên các cực và bề mặt phát

của chíp laser.

+) Công đoạn 3 – Định vị đế và chíp: Đế được định vị trước, sau đó mới định vị

chíp. Vị trí hàn đế cần được đặt chính xác để đảm bảo chíp bán dẫn có bề mặt phát

xạ vuông góc với bề mặt sợi quang và hướng về phía sợi quang lối ra.

+) Công đoạn 4 – Gắn chíp: Sau khi cố định đế xong, di chuyển đầu gắn chíp đến

vị trí của chíp và đặt một áp lực vừa phải (khoảng 20g) lên chíp. Quá trình gắn chíp

kết thúc sau khoảng 24 giờ kể từ thời điểm gắn keo.

Hình 3.6 mô tả một số hình ảnh trong quá trình gắn chíp thực tế.

Hình 3. 6: Một số hình ảnh trong quá trình gắn chíp lên đế

• Kỹ thuật hàn dây vàng:

Trong luận văn này, chúng tôi đã sử dụng thiết bị hàn dây vàng 7476D của

hãng Westbond (hình 3.7).

Hình 3. 7: Thiết bị hàn dây vàng 7476D – Westbond

Thiết bị cho phép hàn những chi tiết có kích thước nhỏ với độ chính xác cao.

Độ đồng đều và khả năng lặp lại trong quá trình hàn có thể dễ dàng đạt được nhờ

các vi tay máy theo các trục X-Y-Z. Ngoài ra, các chế độ hàn (với đầu hàn khác

nhau) có thể được lên chương trình và lưu trữ trong bộ nhớ. Chúng ta có thể gọi lại

các chế độ này khi cần thiết.

Chíp được sử dụng trong luận văn này là loại có lớp bán dẫn loại p nằm phía

dưới, tương ứng với cực “+”. Cực “+” được tiếp xúc tốt với đế tỏa nhiệt nhờ phủ

lớp keo chuyên dụng. Dây vàng kết nối với cực “-” (tương ứng với lớp bán dẫn n)

có đường kính 50 µm.

Các cực “+”, “-” được kết nối điện với các chân lối ra của mô đun laser bán

dẫn. Hình 3.8 mô tả một số hình ảnh trong quá trình hàn dây vàng.

Hình 3. 8: Một số hình ảnh trong quá trình hàn dây vàng

• Tích hợp với sợi quang lối ra:

Sau khi kết thúc quá trình hàn dây, mô đun laser được tích hợp với sợi quang

lối ra. Sợi quang được sử dụng trong luận văn này là loại đa mode, đường kính lõi

sợi 105µm. Sợi quang có một đầu được kết nối với connector lối ra, một đầu được

tích hợp với chíp laser.

Bề mặt phát xạ

Pin 1

Quá trình tích hợp sợi quang được thực hiện theo sơ đồ mô tả trên hình 3.9.

Chíp laser

Cực + Cực -

Thiết bị đo công suất quang

Pin 2

Bàn vi chỉnh

Sợi quang

Hình 3. 9: Cấu hình tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang

Sợi quang được đặt cố định trên bàn vi chỉnh sao cho đầu sợi quang, phía

tiếp xúc với chíp laser có thể di chuyển theo các trục x, y, z và có thể quay theo góc

nghiêng. Đầu kia sợi quang được đưa đến thiết bị đo công suất quang.

Trong quá trình điều chỉnh sợi quang, chùm laser lối ra sẽ được tích hợp vào

sợi quang nhiều hay ít tùy thuộc vào mức độ đồng trục quang học cũng như vị trí

của sợi quang. Công suất quang lối ra được ghi nhận bởi thiết bị đo công suất

quang. Vị trí tích hợp tốt nhất là vị trí có công suất đo đạt giá trị lớn nhất.

Hình 3.10 mô tả hình ảnh thực tế trong quá trình tích hợp sợi quang.

Hình 3. 10: Hình ảnh thực tế trong quá trình tích hợp sợi quang

• Đóng vỏ mô đun:

Đây là công đoạn cuối cùng của quá trình chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W.

Vỏ mô đun laser bán dẫn 4W gồm 02 nửa, trong đó, nửa dưới dùng để đặt chíp laser

bán dẫn, đế tỏa nhiệt và sợi quang lối ra.

Hai nửa của vỏ mô đun được hàn kín theo công nghệ hàn Epoxy. Một lớp

keo Epoxy chuyên dụng được phủ giữa hai nửa vỏ mô đun trước khi chúng được

gắn kết. Lớp keo sẽ liên kết hai nửa vỏ một cách chắc chắn sau 24 giờ.

3.2. Xác định thông số kỹ thuật của mô đun laser bán dẫn 4W

Chất lượng của mô đun laser bán dẫn thường được đánh giá thông qua các

đường đặc trưng. Những thông số đặc trưng của một mô đun laser bán dẫn gồm có:

• Dòng ngưỡng ITH [A]; Điện áp ngưỡng VTH [V];

• Công suất quang lối ra POPT [W];

• Điện áp hoạt động VOP [V];

• Bước sóng đỉnh Λ [nm];

• Độ rộng phổ Δλ [nm];

• Phổ năng lượng và chất lượng chùm tia.

số này sẽ được xác định thông qua phép đo các đường đặc Những thông số này sẽ được xác định thông qua phép đo các đường đặc

trưng P-I, V-I và đo phổ của mô đun laser. trưng P-I, V-I và đo phổ của mô đun laser.

3.2.1. Xác định đường đặc trưng P-I 3.2.1. Xác định đường đặc trưng P-I

Công suất phát của laser bán dẫn phụ thuộc vào dòng điện chạy qua chuyển Công suất phát của laser bán dẫn phụ thuộc vào dòng điện chạy qua chuyển

tiếp pn. Khi dòng bơm còn thấp, laser phát xạ tự phát. Công suất phát xạ tăng chậm tiếp pn. Khi dòng bơm còn thấp, laser phát xạ tự phát. Công suất phát xạ tăng chậm

theo dòng điện và ở mức thấp. Khi tăng dòng bơm, nồng độ hạt tải sẽ tăng lên. Khi theo dòng điện và ở mức thấp. Khi tăng dòng bơm, nồng độ hạt tải sẽ tăng lên. Khi

dòng bơm đạt ngưỡng Ith, nồng độ hạt tải sẽ vượt một ngưỡng nào đó và dao động dòng bơm đạt ngưỡng Ith, nồng độ hạt tải sẽ vượt một ngưỡng nào đó và dao động

laser bắt đầu xuất hiện, laser phát xạ ánh sáng với cường độ mạnh, tuyến tính theo laser bắt đầu xuất hiện, laser phát xạ ánh sáng với cường độ mạnh, tuyến tính theo

chiều tăng của dòng điện. Như vậy, nếu xác định được đường đặc trưng P-I mô tả chiều tăng của dòng điện. Như vậy, nếu xác định được đường đặc trưng P-I mô tả

mối liên hệ giữa công suất quang lối ra và dòng bơm, chúng ta có thể xác định được mối liên hệ giữa công suất quang lối ra và dòng bơm, chúng ta có thể xác định được

dòng ngưỡng. dòng ngưỡng.

Phép đo sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào dòng bơm được mô tả Phép đo sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào dòng bơm được mô tả

trên hình 3.11. trên hình 3.11.

Mô đun laser bán dẫn

Thiết bị đo công suất

Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn

Hình 3. 11: Hệ đo đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W Hình 3. 11: Hệ đo đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W

Để xác định đường đặc trưng P-I, chúng tôi đã thay đổi dòng nuôi theo từng Để xác định đường đặc trưng P-I, chúng tôi đã thay đổi dòng nuôi theo từng

bước 100 mA trong dải từ 0 mA đến 5,5 A. Các phép đo được thực hiện trong điều bước 100 mA trong dải từ 0 mA đến 5,5 A. Các phép đo được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại nhiệt độ 250C. Tại mỗi giá trị dòng nuôi, phép đo được kiện phòng thí nghiệm tại nhiệt độ 250C. Tại mỗi giá trị dòng nuôi, phép đo được

thực hiện 03 lần. Kết quả đo được xác định là giá trị trung bình của 03 lần đo. Các thực hiện 03 lần. Kết quả đo được xác định là giá trị trung bình của 03 lần đo. Các

kết quả đo đạc được liệt kê trong bảng 3.3. kết quả đo đạc được liệt kê trong bảng 3.3.

Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của công suất quang vào dòng bơm Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của công suất quang vào dòng bơm

Dòng (mA) Dòng (mA) Công suất trung Công suất trung Dòng Dòng Công suất trung Công suất trung

bình (mW) bình (mW) (mA) (mA) bình (mW) bình (mW)

100 0 2600 1952

200 12 2700 2063

300 2176 20 2800

400 2294 30 2900

500 2413 45 3000

600 2523 65 3100

700 2643 80 3200

800 2764 95 3300

900 2876 135 3400

1000 2995 213 3500

1100 3114 298 3600

1200 3226 398 3700

1300 3346 501 3800

1400 3458 608 3900

1500 3583 723 4000

1600 3697 841 4100

1700 3805 945 4200

1800 3927 1055 4300

1900 4054 1165 4400

2000 4175 1276 4500

2100 4298 1386 4600

2200 4412 1497 4700

2300 4535 1604 4800

2400 4676 1715 4900

2500 4793 1834 5000

Đường đặc trưng P-I của mô đun laser được xác định dựa trên bảng giá trị đo

sự phụ thuộc giữa công suất quang và dòng bơm.

Hình 3.12 mô tả đường đặc trưng P-I của mô đun laser 4W.

Đường đặc trưng P-I

6000

5000

4000

l

3000

2000

1000

W) m ( a r i ố g n a u q t ấ u s g n ô C

2000

4000

6000

Dòng nuôi (mA)

Hình 3. 12: Đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W

Từ hình 3.12, chúng ta thấy khi dòng nuôi là 5,5 A và tại bước sóng 940 nm,

công suất quang lối ra của mô đun laser có thể đạt tới 5 W trong chế độ làm việc liên

tục. Ngoài ra, từ bảng kết quả đo 3.3 và đường đặc trưng P-I, chúng ta cũng có thể

xác định được dòng ngưỡng. Dòng ngưỡng của mô đun laser bán dẫn 4W cỡ

khoảng 0,8 A.

3.2.2. Xác định đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W

Hệ đo đường đặc trưng V-I của mô đun 4W được xây dựng theo sơ đồ mô tả

trên hình 3.13.

Mô đun laser bán dẫn

+ -

Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn

Hình 3. 13: Hệ đo đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W

Cũng giống như trong trường hợp xác định đặc trưng P-I, nguồn dòng 560B

của hãng Newport cấp dòng cho mô đun laser. Điện áp giữa hai cực của laser bán

dẫn được xác định bởi đồng hồ vạn năng SanWa PC510A.

Các phép đo cũng được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm (tại 250C). Dòng điện được thay đổi theo từng bước 50 mA. Tại mỗi giá trị dòng bơm,

phép đo được thực hiện 03 lần. Kết quả đo là giá trị trung bình của 03 lần đo. Số

liệu đo đạc của mô đun được thống kê trong bảng 3.4.

Bảng 3.4: Mối liên hệ giữa điện áp nuôi và dòng bơm

Dòng điện Điện áp trung Dòng điện (mA) Điện áp trung

(mA) bình (mV) bình (mV)

0 0 750 1350

50 90 800 1440

100 180 850 1530

150 270 900 1600

200 360 950 1650

250 450 1000 1680

300 540 1050 1690

350 630 1100 1700

400 720 1150 1705

450 810 1200 1710

500 900 1250 1715

550 990 1300 1720

600 1080 1350 1725

650 1170 1400 1730

700 1260 1450 1735

Đường đặc trưng V-I (hình 3.14) của mô đun laser được xác định dựa trên

các kết quả đo đạc ghi được trong các bảng 3.4.

Đặc trưng V-I

2000

)

1500

V m

1000

500

( p á n ê i Đ

500

1000

1500

2000

Dòng điện (mA)

Hình 3. 14: Đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W

Điện áp hoạt động của mô đun laser 4W được xác định từ bảng kết quả đo

3.4 và đường đặc trưng 3.14. Điện áp hoạt động của mô đun 4W cỡ 1,74 V.

3.2.3. Xác định phổ của mô đun laser bán dẫn 4W

Để xác định bước sóng trung tâm và độ rộng phổ, chúng tôi đã xây dựng

phép đo như mô tả trên hình 3.15.

Mô đun laser bán dẫn

+ -

Thiết bị đo công suất quang

Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn

Hình 3. 15: Xác định bước sóng trung tâm

Công suất tương ứng với từng bước được ghi lại (hình 3.16).

Tương tự như trong phép đo đặc trưng P-I đã đề cập ở trên, nguồn dòng

560B, thiết bị đo công suất 1916C và đầu đo 818P của hãng Newport cũng được sử

dụng trong phép đo này. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa hai phép đo là ở chỗ, trong

phép đo này, thiết bị đo công suất quang 1916C được cài đặt ở chế độ “λ up” trong

cấu hình “λ up and λ down”. Khi đó, tần số được cài đặt trong phạm vi từ 930 nm

đến 950 nm với bước thay đổi 1 nm. Dòng nuôi được đặt là 5,5 A. Công suất quang

lối ra của mô đun laser tại mỗi tần số được ghi lại (hình 3.16).

Hình 3. 16: Hệ đo bước sóng làm việc của mô đun laser bán dẫn 4W Các phép đo phổ được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm (tại 250C).

Tại từng bước sóng đo, các phép đo được thực hiện 03 lần. Kết quả là giá trị trung

bình của 03 lần đo. Các kết quả đo đạc được liệt kê trong bảng 3.5.

Bảng 3.5: Mối liên hệ giữa công suất quang và bước sóng làm việc

Bước sóng (nm) Công suất TB (mW) Bước sóng (nm) Công suất TB (mW)

930 0 940 4256

931 12 941 4175

932 15 942 2815

933 35 943 547

934 150 944 213

935 355 945 75

936 785 946 25

937 1525 947 15

938 2632 948 16

939 3672 949 12

Đường đặc trưng phổ (hình 3.17) của mô đun laser được xác định dựa trên

các kết quả đo đạc ghi được trong bảng 3.5.

Công suất laser

4500

4000 3500

3000

W) m

2500 2000

1500

( t ấ u s g n ô C

1000 500

9 4 8

9 3 0

9 4 5

9 3 9

9 3 3

9 4 2 9 3 6 Bước sóng (nm)

Hình 3. 17: Phổ của mô đun laser bán dẫn 4W

Bước sóng đỉnh và độ rộng phổ của các mô đun laser bán dẫn 4W được xác

định dựa vào bảng 3.5 và hình 3.17. Các kết quả đo đạc cho thấy, tại dòng nuôi 5,5

A, mô đun laser bán dẫn phát xạ có bước sóng trung tâm là 940 nm và độ rộng phổ

FWHM là 5 nm.

3.2.4. Xác định phổ năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W

Để xác định chất lượng chùm tia, chúng tôi đã tiến hành đo phân bố

năng lượng của chùm laser lối ra. Phép đo được thực hiện trên thiết bị

Thorlabs Beam Analyzing BP 109 – IR. Thiết bị được đặt ở bước sóng 939 nm. Các

kết quả đo được mô tả trên hình 3.18.

Hình 3. 18: Phân bố năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W

Nhìn vào hình 3.18, chúng ta thấy phân bố năng lượng của mô đun 4W có

dạng Gauss. Do vậy, chúng ta có thể áp dụng các công thức tính toán của dạng

Gauss khi xác định chất lượng chùm tia.

Hình 3.19 là hình ảnh phân bố năng lượng 2D và 3D của chùm tia.

Hình 3. 19: Ảnh phân bố năng lượng 2D, 3D của mô đun laser bán dẫn 4W

3.2.5. Xác định độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W

Phát xạ của laser bán dẫn diễn ra trong lớp chuyển tiếp pn hẹp, do đó,

xuất hiện hiện tượng nhiễu xạ, dẫn đến sự phân kỳ chùm tia. Phân kỳ nửa góc

1 −

sin~

)

aλ / (

θ được xác định theo công thức sau [3]:

(3.1)

trong đó, a là độ rộ ng vùng tích cực và λ là bước sóng laser.

Do tiết diện của vùng tích cực không phải là hình tròn, phát xạ của

laser bị phân kỳ khi ra khỏi chíp laser theo hai hướng: phân kỳ nhanh theo

hướng vuông góc với bề mặt lớp chuyển tiếp pn (trục nhanh), và phân kỳ

chậm theo hướng song song (trục chậm). Kết quả là chùm tia laser có độ

phân kỳ khác nhau theo hai hướng vuông góc với nhau.

Trong phép đo này, chúng tôi đã xác định góc phân kỳ và độ bất đối

xứng của chùm tia trên thiết bị Thorlabs Beam Analyzing BP 109 – IR. Các kết

quả đo được thống kê trong bảng 3.6.

Bảng 3.6: Độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W

Như đã chỉ ra trong bảng 3.6, góc phân kỳ của chùm tia theo trục X và trục Y

vào khoảng 4 độ và độ bất đối xứng trung bình là 1,04. Điều này chứng tỏ góc phân

kỳ theo hai trục là gần giống nhau.

3.3. Chế tạo nguồn nuôi laser bán dẫn công suất cao

Công suất phát xạ laser phụ thuộc vào dòng bơm. Để điều khiển công suất

laser, chúng tôi đã thiết kế, chế tạo bo mạch điều khiển dòng nuôi mô đun laser

bán dẫn. Hay nói cách khác, trung luận văn này, chúng tôi đã sử dụng phương

pháp điều chế trực tiếp dòng nuôi laser bán dẫn (mục 2.3.1).

Mặt khác, trong thời gian mô đun laser bán dẫn hoạt động, rất có thể vì một lý

do nào đó, dòng nuôi laser thay đổi, làm ảnh hưởng lớn đến công suất phát xạ của

laser, thậm trí phá hủy chíp laser. Vì vậy, việc giữ ổn định dòng nuôi laser là hết

sức quan trọng.

Một cách tổng quát, yêu cầu đối với nguồn nuôi laser bán dẫn công suất cao

là vừa cho phép điều khiển dòng nuôi laser, vừa phải đảm bảo ổn định dòng bơm.

Trong mục này, chúng tôi sẽ trình bày thiết kế, chế tạo nguồn dòng 20 A nuôi laser

bán dẫn 4 W đã chế tạo được.

3.3.1. Một số dạng nguồn dòng DC thông dụng

Có hai dạng nguồn dòng DC cơ bản thường được sử dụng hiện nay là nguồn

dòng DC điều khiển bằng dòng và nguồn dòng DC điều khiển bằng áp.

• Nguồn dòng DC điều khiển bằng dòng:

Hình 3.20 mô tả sơ đồ của một nguồn dòng điều khiển bằng dòng.

Hình 3. 20: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng dòng

Nguồn dòng tham khảo IREF được đưa tới transitor Q2 (Q2 được đấu như một

diode). Điện áp rơi trên Q2 điều khiển transitor Q1.

Để đơn giản, hai transitor Q1 và Q2 được lựa chọn có cùng hệ số khuếch đại

dòng (còn được gọi là độ lợi dòng điện) β. Dòng colector của Q2 khi đó sẽ là:

β +

(3.2)

trong đó, IE2 là dòng emitter của Q2.

Dòng đi qua ba zơ của Q2 sẽ là :

I C 2 β

1 + β

(3.3)

Mặt khác, do chúng ta đã chọn Q1 và Q2 có thông số kỹ thuật tương đương

nhau nên dòng IB2 cũng bằng dòng IB1 và IE2 cũng bằng dòng IE1.

Để đơn giản, chúng ta ký hiệu IE1 = IE2 = IE (hình 3.20). Dòng lối ra Iout (cũng

chính là dòng colector của Q1) sẽ là :

OUT

= 11

β +

(3.4)

2 β+

. Dòng đi qua ba zơ hai transitor Q1 và Q2 bằng

Như vậy, dòng tham khảo IREF (là tổng dòng đi qua Q2 và ba zơ Q1) sẽ là :

REF

β +

2 + β

2 + β 1 + β

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

(3.5)

Nhược điểm của mạch này là ở chỗ điện trở tương đương của nguồn, RTH, bị

≈

giới hạn bởi điện trở nội r0 của transitor. Có nghĩa là :

r = 0

V I

REF

(3.6)

trong đó, VA là điện áp rơi trên transitor.

Hay nói cách khác, RTH không lớn trong khi đó, với nguồn dòng, chúng ta

luôn mong muốn có trở nguồn đủ lớn để thăng giáng của điện trở tải không làm

dòng qua tải thay đổi.

Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường sử dụng nguồn dòng Widlar

(hình 3.21).

Hình 3. 21: Sơ đồ nguồn dòng Widlar

Giả thiết hai transitor Q1 và Q2 có thông số kỹ thuật như nhau. Chúng ta hãy

−

xét mạch vòng nối ba zơ và emitter của Q1 và Q2. Ta có :

RI E 2 2

(3.7)

Với dòng phân cực thuận giữa ba zơ và emitter, ta có thể xác định được dòng

/ BE V T

−

khuếch tán qua lớp chuyển tiếp giữa emitter và ba zơ như sau [18, 19]:

( eI 0

(3.8)

trong đó, I0 là hằng số đặc trưng cho vật liệu chế tạo và quá trình pha tạp; VBE là

điện áp giữa ba zơ và emitter; VT là điện áp nhiệt (thermal voltage).

Điện áp phân cực thuận VBE vào khoảng 0,6 V, trong khi VT vào khoảng 26

mV tại nhiệt độ phòng. Nên chúng ta có gần đúng:

/ BE V T

V eI 0=

(3.9)

Thông thường β của transitor khá lớn nên IE ≈ IC. Do vậy, ta có:

V T

I I

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝

Từ (3.7) và (3.10), chúng ta có:

(3.11)

V T

RI E 2 2

I C I

⎞ −⎟⎟ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝

(3.10)

Do chúng ta chọn Q1 và Q2 có thông số kỹ thuật như nhau, có nghĩa là I0, β,

≈

VT bằng nhau nên ta có:

V T

RI E 2 2

RI C 2 2

I I

⎞ =⎟⎟ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝

(3.12)

R 2

V T I

I I

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝

(3.13)

− R 1

trong đó, với VCC là điện áp nguồn nuôi.

Như vậy, khi cho trước dòng tham khảo IC1 nào đó, tại một dòng tải lối ra IC2

mong muốn, chúng ta có thể xác định được điện trở R2.

• Nguồn dòng DC điều khiển bằng áp:

Hình 3.22 dưới đây mô tả sơ đồ một nguồn dòng được điều khiển bằng điện

áp thông dụng.

Hình 3. 22: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng điện áp

Từ hình 3.22, chúng ta dễ dàng nhận thấy:

L =

V in R

(3.14)

Hay nói cách khác, khi chọn R một giá trị không đổi, dòng tải IL không phụ

thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp lối vào Vin.

Max

(

−

VL đạt giá trị lớn nhất có thể là:

V in

(3.15)

(

)

Max R

( Max V in

Chúng ta cũng có thể xác định được điện trở tải RL lớn nhất như sau:

(

)

Max

−

V cc V in

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

(3.16)

(

)

V in

(

Max

)

Dòng tải đạt giá trị lớn nhất là:

Max R

(3.17)

Trên sơ đồ trên hình 3.22, tải không tiếp đất. Trong trường hợp cần mạch có

tải tiếp đất, người ta thiết kế theo sơ đồ mô tả trên hình 3.23.

Hình 3. 23: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng điện áp có tải tiếp đất

Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy:

V in

Max

(

− R ) =

V in

Max

(

)

−

V cc V in

⎞ ⎟⎟ ⎠

Max

(

)

⎛ ⎜⎜ ⎝ I . β=

(3.18)

3.3.2. Thiết kế chế tạo mạch điều chế mô đun laser bán dẫn

• Chế tạo bo mạch:

Sơ đồ nguyên lý của mạch được mô tả trên hình 3.24

Hình 3. 24: Sơ đồ nguyên lý nguồn dòng nuôi laser bán dẫn công suất cao

Đây là sơ đồ nguồn dòng được điều khiển bởi điện áp. Xung vuông từ lối ra

của IC1, sau khi qua các tầng khuếch đại, chỉnh sửa dạng xung gồm IC2, IC3, IC4,

Q1 và Q2, sẽ được đưa đến các cổng của Transitor trường Q3, Q4, Q5, Q6. Dòng

Dòng này tỷ lệ với tải (dòng nuôi laser bán dẫn) là dòng cực nguồn của các transitor công suất này. Vin . Điện áp Vin có thể điều chỉnh được nhờ biến trở VR1. Do 13R

vậy, chúng ta có thể điều chỉnh được dòng nuôi laser bán dẫn nhờ điều chỉnh biến

trở VR1.

Các transitor trường được sử dụng là IRFP260N của hãng International

Rectifier có thông số kỹ thuật chính được mô tả trong bảng 3.7.

Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của IRFP260N

Thông số Ký hiệu Min Typ. Max Đơn vị

Dòng Source liên tục - - 50 A IS

Dòng Source xung - - 200 A ISM

Điện áp phân cực thuận - - 1,3 V VSD

Thời gian phục hồi - 268 402 ns Trr

Trong sơ đồ trên, chúng tôi còn bố trí thêm một mạch phản hồi thông qua

khuếch đại thuật toán IC5. Nhờ đó, nguồn dòng nuôi laser bán dẫn được giữ ổn

định. Khuếch đại thuật toán đã sử dụng là LM358 của hãng Motorola.

Hình ảnh của bo mạch được mô tả trên hình 3.25.

Hình 3. 25: Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn công suất cao

• Kiểm tra bo mạch:

Sau khi chế tạo xong bo mạch, chúng tôi đã tiến hành đánh giá, kiểm tra

chất lượng bo mạch theo sơ đồ mô tả trong hình 3.26.

Vcc

Multimeter

guồn dòng

Tải Lối ra Vin

Hình 3. 26: Sơ đồ kiểm tra, đánh giá chất lượng nguồn dòng nuôi laser bán dẫn

Dòng qua tải có thể thay đổi được nhờ điều chỉnh biến trở VR1 trong sơ đồ

mô tả trên hình 3.24.

Dòng điện qua tải được xác định bởi đồng hồ vạn năng SanWa PC510A

(hình 3.27).

Hình 3. 27: Xác định dòng nuôi mô đun laser bán dẫn

Do mô đun laser bán đẫn có thể làm việc trong hai chế độ: chế độ liên tục và

chế độ xung nên chúng tôi đã khảo sát nguồn dòng tương ứng với hai chế độ này.

Trong chế độ liên tục, chúng tôi đã điều chỉnh chiết áp sao cho dòng điện

qua tải thay đổi theo từng bước 200 mA và theo dõi độ ổn định của dòng điện trong

khoảng 15 phút cho mỗi lần đo. Sau khi khảo sát chúng tôi thấy, nguồn dòng cho

phép làm việc với dòng tối đa 20A, độ ổn định trung bình là ± 5mA.

Trong chế độ xung, tín hiệu trên tải được đo bằng oscilloscope TDS 3032C

của Hãng Tektronix. Để đánh giá mức độ thay đổi xung trước và sau khi có tải,

chúng tôi đã đo thông số kỹ thuật của tín hiệu xung trước khi đưa đến mạch điều

chế laser và tín hiệu khi có tải (hình 3.28).

Hình 3. 28: Thông số kỹ thuật của xung vuông điều chế laser bán dẫn

a) Thông số kỹ thuật của tín hiệu xung khi chưa bị điều chế

b) Thông số kỹ thuật của tín hiệu xung sau khi điều chế

Nhìn vào hình 3.28 chúng ta thấy, độ rộng sườn xung đã thay đổi sau khi

điều chế laser bán dẫn. Nếu trước khi điều chế, độ rộng sườn lên và sườn xuống lần

lượt là 89,15 ns và 28,92 ns thì sau khi điều chế, độ rộng sườn xung tương ứng sẽ

là 5 μs và 5,3 μs. Có sự thay đổi này chủ yếu là do chúng ta đã sử dụng khuếch đại

thuật toán LM358 nên tần số làm việc 10kHz nằm trên đoạn đi xuống của đáp ứng

tần số. Do vậy, độ rộng của cả sườn lên và sườn xuống đã bị tăng lên đáng kể. Lý

do thứ hai là ảnh hưởng của mạch điều chế gồm các transitor trường và tải. Để

khắc phục hạn chế này, chúng ta có thể thay thế LM358 bằng khuếch đại thuật toán

khác có tần số cắt cao hơn.

Để đánh ảnh hưởng của tải đối với tín hiệu điều chế, chúng tôi đã khảo sát

các trường hợp khi thay đổi tải với các mức tín hiệu điều chế khác nhau. Tại mỗi

mức tín hiệu điều chế Vp-p, tải lần lượt thay đổi các giá trị R1 = 1,00 Ω, R2 = 0,33

Ω, R3 = 0,17 Ω, R4 = 0,11 Ω, R5 = 0,08 Ω và R6 = 0,06 Ω (các giá trị điện trở này

được xác lập từ việc mắc song song các trở 1 Ω và 0,33 Ω với nhau). Bảng 3.8 liệt

kê các kết quả đo đạc.

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tải lên mức tín hiệu điều chế

R Vp-p = 10 V Vp-p = 8 V Vp-p = 6 V

R1 Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V

Mức thấp: 0,64 V Mức thấp: 0,64 V Mức thấp: 0,56 V

R2 Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V

Mức thấp: 1,24 V Mức thấp: 1,26 V Mức thấp: 1,50 V

R3 Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V

Mức thấp: 1,78 V Mức thấp: 1,84V Mức thấp: 2,50 V

R4 Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V

Mức thấp: 2,12 V Mức thấp: 2,14 V Mức thấp: 2,94 V

R5 Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V

Mức thấp: 2,26 V Mức thấp: 2,30 V Mức thấp: 3,16 V

R6 Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V

Mức thấp: 2,38 V Mức thấp: 2,42 V Mức thấp: 3,32 V

Nhìn vào bảng 3.8 chúng ta thấy, mặc dù thay đổi giá trị của trở tải hoặc

mức tín hiệu điều chế nhưng điện áp mức cao vẫn không đổi và có giá trị xấp sỉ

mức nguồn nuôi laser bán dẫn (điện áp nuôi laser bán dẫn là 5 VDC). Trong khi đó,

điện áp mức thấp thay đổi nhiều theo giá trị của tải và mức tín hiệu điều chế lối

vào. Ảnh hưởng trên được thể hiện qua hình 3.39.

ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI LÊN MỨC TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ

3.50

3.00

) e g a t l

2.50

o V

(

V = 10V

2.00

V = 8V

1.50

V = 6V

1.00

p ấ h t c ứ m p á

0.50

n ệ i Đ

0.00

0.2

0.4

0.6

0.8

1.2

Trở tải (Ohm)

Hình 3. 29: Ảnh hưởng của trở tải lên mức tín hiệu điều chế

Nhìn vào hình 3.29 chúng ta nhận thấy khi mức tín hiệu điều chế càng cao

thì mức thấp của tín hiệu càng thay đổi theo trở tải. Ngoài ra, mức thấp càng ổn

định theo mức tín hiệu điều chế khi trở tải càng lớn.

3.4. Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler

Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều tới hoạt động của laser bán dẫn. Để đảm bảo

laser bán dẫn có thể hoạt động tốt thì việc làm mát cho laser trong quá trình

laser hoạt động là một việc quan trọng. Để làm mát, chúng tôi đã sử dụng Peltier

kết hợp với sensor nhiệt. Mặt lạnh của Peltier tiếp xúc với mô đun laser. Loại

Peltier chúng tôi sử dụng có thông số kỹ thuật được mô tả trong bảng 3.9.

Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật của Peltier Cooler

Thông số Giá trị Đơn vị

Điện áp lớn nhất 7,5 V

Dòng nuôi 2 – 12 A

Công suất làm mát 10 – 50

Chênh lệch nhiệt độ 67 W 0C

Diện tích bề mặt 20 x 40 mm

Loại sensor nhiệt đã sử dụng là sensor nhiệt NTC có điện trở là 10k ở 250C.

Hình 3.30 mô tả sơ đồ nguyên lý của nguồn điều khiển Peltier.

Hình 3. 30: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển cấp dòng cho Peltier Cooler

Trong quá trình làm việc, nhiệt độ của mô đun laser có thể thay đổi. Sự thay

đổi nhiệt độ của mô đun laser được sensor nhiệt nhận biết. Điện áp trên sensor nhiệt

thay đổi, làm thay đổi điện áp điều khiển các MOSFET công suất. Trong sơ đồ trên,

chúng tôi sử dụng 04 MOSFET công suất, được mắc thành 02 cặp: Q4 và Q7; Q5

và Q6 sao cho khi Q4 và Q7 thông thì Q5 và Q6 cấm và ngược lại. Nhờ đó, dòng đi

qua Peltier sẽ đổi chiều tùy thuộc vào điện áp điều khiển trên Emiter của Q1.

Giả sử trong quá trình hoạt động, nhiệt độ của mô đun laser tăng lên, làm cho

điện áp lối ra của các bộ khuếch đại thuật toán và điện áp Emiter của Q1 ở mức cao.

Kết quả là cặp Q5 và Q6 thông, cặp Q4 và Q7 cấm. Dòng điện sẽ đi qua Q6, qua

Peltier và qua Q5. Do mặt lạnh của Peltier được tiếp xúc tốt với mô đun laser nên

nhiệt độ của mô đun laser giảm đi. Ngược lại, nếu vì một lý do nào đó, nhiệt độ của

mô đun laser giảm đi, làm điện áp của các bộ khuếch đại thuật toán ở mức thấp, dẫn

đến cặp Q4 và Q7 thông, Q5 và Q6 cấm. Dòng điện Dòng điện sẽ đi qua Q4, qua

Peltier và qua Q7. Hay nói cách khác, dòng điện đi theo chiều ngược lại với lúc ban

đầu. Do vậy, mặt lạnh trước kia lại trở thành mặt nóng. Kết quả là mô đun laser

được làm ấm lên.

Hình 3.31 mô tả hình ảnh bo mạch điều khiển cấp nguồn cho Peltier Cooler.

Hình 3. 31: Bộ điều khiển cấp dòng cho Peltier Cooler

Nhiệt độ làm việc của mô đun laser được thiết lập khi điều chỉnh biến trở

VR1.

Để kiểm tra quá trình hoạt động của bộ điều khiển cấp dòng cho Peltier

Cooler, chúng tôi đã điều chỉnh biến trở VR1 để thay đổi điện áp so sánh, qua đó

thay đổi ngưỡng nhiệt độ điều khiển. Sensor nhiệt được đặt trong môi trường có thể

thay đổi nhiệt độ. Tùy theo nhiệt độ môi trường, bộ điều khiển sẽ tự động cấp

nguồn theo hai chiều để duy trì mức nhiệt độ đặt trước.

Hình 3.32 biểu diễn một số hình ảnh thực tế trong quá trình điều khiển nhiệt

độ.

Hình 3.32: Hình ảnh thực tế trong quá trình điều khiển nhiệt độ

Bảng 3.10 dưới đây liệt kê một số kết quả đo được.

Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh

STT

Điện áp

STT

Điện áp

so sánh (V)

Nhiệt độ điều khiển (0C)

so sánh (V)

Nhiệt độ điều khiển (0C)

1.80

45.00

2.80

25.00

2.00

40.00

3.10

20.00

2.20

35.00

3.40

15.00

2.50

30.00

3,7

10.00

Từ bảng số liệu 3.10, chúng ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc giữa điện áp so

sánh và nhiệt độ điều khiển như sau (hình 3.33)

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO ĐIỆN ÁP SO SÁNH

4.00

3.50

) e g a t l

3.00

o V

(

2.50

2.00

h n á s

1.50

o s

1.00

p á

0.50

n ệ i Đ

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

Nhiệt độ (0C)

Hình 3. 33: Sự phụ thuộc giữa điện áp so sánh và nhiệt độ điều khiển

3.5. Chế tạo bộ điều chế xung

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại IC chuyên dụng cho phép điều chế

xung PWM. Trong luận văn này, chúng tôi đã sử dụng IC LM555 của hãng Texas

Instruments. IC LM555 được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển. Nó có thể

hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau như:

• Chế độ tạo xung đơn (Monostable operation): IC tạo ra những xung đơn nhờ

mắc thêm trở, tụ bên ngoài;

• Chế độ tạo dao động (Astable operation): IC tự động tạo xung triger và tự tạo

xung đa hài. Độ rộng xung phụ thuộc vào trở, tụ mắc thêm bên ngoài;

• Làm việc với vai trò bộ chia tần (frequency divider): IC được sử dụng như

một bộ chia tần số nhờ điều chỉnh độ dài chu kỳ xung;

• Chế độ điều chế độ rộng xung (Pulse width modulation): Khi đó, IC làm việc

trong chế độ xung đơn và được giữ nhịp bởi một xung có thể điều chỉnh liên

tục. Độ rộng của xung lối ra sẽ được điều chế theo tín hiệu bên ngoài;

• Chế độ điều chế vị trí xung (Pulse position modulation): IC được đấu như

trong sơ đồ tạo dao động (astable). Tín hiệu điều chế được đưa đến chân điều

khiển điện áp của IC. Nhờ thay đổi điện áp và do đó thay đổi thời gian trễ, vị

trí xung cũng bị thay đổi theo;

• Chế độ dao động với độ rộng xung 50% chu kỳ: IC tạo dao động có độ rộng

xung bằng 50% chu kỳ. Độ rộng xung phụ thuộc vào các điện trở, tụ điện mắc

thêm bên ngoài.

3.5.1. Sơ đồ nguyên lý

Trong luận văn này, chúng tôi đã thiết kế IC LM555 hoạt động trong chế độ

dao động với độ rộng xung 50% chu kỳ (hình 3.34).

Hình 3. 34: LM555 trong chế độ dao động có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ

693

Thời gian xung ở mức cao t1 được tính theo công thức sau:

2 =

A ). CR

(3.19)

−

ln.

Thời gian xung ở mức thấp t2 được tính theo công thức sau:

) ( /

[ (

. RR A

] ) CR B

R 2

B R

R R

2 −

⎡ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ ⎦

(3.20)

Chu kỳ dao động được tính theo công thức sau:

t += 1

(3.31)

Tần số dao động sẽ là:

1 T

(3.32)

Để tạo dao động tần số 10 kHz, chúng tôi đã lựa chọn các linh kiện với giá

trị như sau : RA = 30kΩ, RB = 20 kΩ, C = 100nF.

3.5.2. Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động

Hình ảnh thực tế của mạch dao động được mô tả trên hình 3.34.

Hình 3. 35: Hình ảnh thực tế của mạch dao động 10 kHz

Sau khi chế tạo xong, chúng tôi đã tiến hành đo đạc các thông số kỹ thuật

của mạch dao động.

Mạch được cấp điện áp 12VDC. Dạng tín hiệu được quan sát trên

oscilloscope. Hình 3.36 mô tả một số kết quả đo đạc được hiển thị trên màn hình.

Hình 3. 36: Dạng xung và thông số kỹ thuật của dao động 10 kHz

Các thông số kỹ thuật được hiển thị trên màn hình của oscilloscope cho thấy

tần số dao động là 10kHz, xung có dạng xung vuông với độ rộng xung là 50%, thời

gian sườn lên và sườn xuống lần lượt là 89,15 ns và 28,92 ns.

KẾT LUẬN

Ngày nay, laser bán dẫn công suất cao đã được ứng dụng rộng khắp trên thế

giới nhờ có nhiều đặc điểm nổi trội hơn so với nhiều hệ laser khác như hiệu suất

chuyển đổi quang điện cao hơn; tuổi thọ cao hơn; kích thước gọn nhẹ hơn; yêu cầu

về hệ thống làm mát đơn giản hơn; có ngưỡng dòng bơm thấp; có thể phát xạ trên

nhiều dải sóng; dễ điều chế; cho phép hoạt động ở cả chế độ xung lẫn chế độ phát xạ

liên tục, trong khi đó, vẫn đảm bảo độ tin cậy và chất lượng chùm tia.

Tại Việt Nam, laser bán dẫn cũng ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong

lĩnh vực truyền thông (thông tin quang sợi, dẫn đường, đo xa bằng laser,…), trong

lĩnh vực y tế (thẩm mỹ, nội soi, quang châm, vật lý trị liệu, chăm sóc sắc đẹp,…),

trong lĩnh vực công nghiệp (khắc, gia công vật liệu,…),….

Mặc dù công nghệ chế tạo chíp laser bán dẫn công suất cao đã đạt nhiều

thành tựu trong thời gian qua nhưng nhìn chung, công đoạn gia công mô đun laser

bán dẫn công suất cao vẫn luôn là vấn đề thời sự.

Bên cạnh đó, để đảm bảo điều kiện cần thiết cho laser bán dẫn công suất cao

hoạt động bình thường, việc duy trì nguồn bơm có dòng DC lớn, có độ tin cậy cao,

việc giữ ổn định điểm làm việc và duy trì nhiệt độ làm việc trong khoảng cho phép

là nhiệm vụ bắt buộc.

Trong luận văn này, chúng tôi đã chế tạo được 01 mô đun laser bán dẫn công

suất cao; thiết kế, chế tạo nguồn cấp dòng cho mô đun laser bán dẫn; thiết kế, chế

tạo mạch phát xung, cho phép laser bán dẫn làm việc ở hai chế độ phát xạ liên tục

và điều chế và thiết kế chế tạo mạch điều khiển và ổn định nhiệt độ làm việc của mô

đun laser bán dẫn. Sau đây là một số kết quả chính đã đạt được:

• Tìm hiểu một cách tổng quan về laser bán dẫn và công nghệ chế tạo laser bán

dẫn công suất cao;

• Tìm hiểu về các cơ chế điều chế trực tiếp và điều chế gián tiếp laser bán dẫn;

• Chế tạo 01 mô đun laser bán dẫn công suất cao từ chíp đơn với các công nghệ

đã sử dụng gồm công nghệ hàn chíp, công nghệ hàn dây vàng, công nghệ

đóng vỏ mô đun trong môi trường sạch, kỹ thuật căn chỉnh và ghép nối với

sợi quang đa mốt;

• Thiết kế, chế tạo mạch phát xung vuông có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ,

tần số 10kHz, có thể diều chỉnh được biên độ xung từ 0,5 V đến 4,5 V;

• Thiết kế, chế tạo nguồn dòng DC cho phép thay đổi dòng trong phạm vi từ 0

A đến 20 A với bước thay đổi là 200 mA, độ ổn định trung bình là ± 5mA;

• Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển Peltier Cooler để ổn định nhiệt độ hoạt động

của mô đun laser bán dẫn. Bộ điều khiển sử dụng sensor nhiệt NTC có điện trở là 10k ở 250C. Dòng DC tối đa cho phép là 12 A. Khoảng nhiệt độ điều khiển là 150C đến 300C;

• Xác định một số đường đặc trưng của mô đun laser bán dẫn gồm: đặc trưng P-

I, đặc trưng V-I; đo phổ, phân bố năng lượng và chất lượng chùm tia. Các

thông số kỹ thuật chính của mô đun laser là: Công suất quang lối ra (POPT) ~ 4

W; Dòng điện ngưỡng (ITH) ~ 0,9 A; Điện áp hoạt động (VOP) ~ 1,74 V; Bước

sóng đỉnh (Λ) 940 nm; Độ rộng phổ FWHM (Δλ) ~ 5 nm; Góc phân kỳ chùm

tia theo trục X ~ 3,16, trục Y ~ 3,75; Độ bất đối xứng chùm tia ~ 1,04;

Một cách tổng quát, trong khuôn khổ đề tài luận văn, chúng tôi đã hoàn thành

các nội dung nghiên cứu như đã đặt ra ban đầu. Chúng tôi đã xây dựng được 01 hệ

laser bán dẫn công suất cao bao gồm mô đun laser bán dẫn công suất cao và hệ

thống cấp nguồn, hệ thống điều khiển nhiệt độ, hệ thống làm mát.

Tuy nhiên, để hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường thực tế, chúng tôi

còn phải tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện ví dụ như đánh giá tuổi thọ của mô đun

laser bán dẫn, đánh giá tính lặp lại trong công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn,

đánh giá độ ổn định của toàn hệ thống khi hoạt động ở mức phát xạ công suất cao

trong thời gian dài, đánh giá ảnh hưởng nhiệt lên quá trình hoạt động của hệ thống.

Những công việc này sẽ được chúng tôi tiếp tục thực hiện trong thời gian tới

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. C. Hanke, L. Korte, B. Acklin, J. Luft, S. Grötsch, G. Herrmann, Z. Spika, M.

Marciano, B. De Odorico, J. Wilhelmi (1999), “Highly reliable 40 W-cw-

InGaAlAs/GaAs-808 nm laser bars”, SPIE, 3462, pp. 47-53.

2. Christophe Peucherer (2009), “Direct and External Modulation of Light”, DTU

Photonik, Department of Photonics Engineering Technical University of Denmark.

3. Das P. (1991), “Lasers and optical engineering”, New York Springer-Verlag.

4. D.Z. Garbuzov, N.Y. Antonishkis, A.D. Bondarev, A.B. Gulakov, S.N. Zhigulin,

N.I. Katsavets, A.V. Kochergin, E.V. Rafailov (1991) “High power 0.8 µm

InGaAsP-GaAs SCH DQW lasers”, IEEE, J. Quantum Electron., 27 (6), pp. 1531-

1536.

5. F. Bachmann P. Loosen, R. Poprawe (2007), “High Power Diode Lasers”,

Springer, 200, pp.197-200.

6. H Blauvelt, S. Margalit, and Yariv, Large optical cavity AlGaAs buried

heterostructure window lasers, Califonia Institute of Technology, Pasadena,

Califonia 91125, 1982

7. http://britneyspears.ac/physics/fplasers/fplasers.htm

8. http://en.wikipedia.org

9. http://www.fbh-berlin.com

10. http://www.industrial-lasers.com

11. http://www.laserfocusworld.com

12. http://www.ni.com/white-paper/14878/en

13. Lee R. Levine (2001), “Wire Bonding Optoelectronics Packages,” Chip Scale

Review.

14. P. Even, D. Pureur (2002), “High power double clad fiber laser: a review”,

Proc. SPIE – Int, Soc. Opt. Eng., 4638, pp. 1-12.

15. R. Diehl (2000), “High-Power diode laser”, Topics Appl. Phys. Springer.

16. R. Rodwell and D. A. Worrall (1985), “Quality Control in Ultrasonic Wire

Bonding,” International Journal for Hybrid Microelectronics, Vol. 8, No. 2, pp.1-8.

17. Uri Lachish (2014), "Thermoelectric Effects Peltier Seebeck and Thomson",

Guma Science.

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu, chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn

Hoàng Thị Kim Khuyên

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN

CÔNG SUẤT LỚN

Hà Nội – 2014

Hoàng Thị Kim Khuyên

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN

CÔNG SUẤT LỚN

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

Chương 1:

TỔNG QUAN

Mô đun laser bán dẫn

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

∫

]IR

[ ( αα − p n

]IR

Chương 3:

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO

Chíp laser

Thiết bị đo công suất quang

Mô đun laser bán dẫn

Thiết bị đo công suất

Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn

Đường đặc trưng P-I

l

W) m ( a r i ố g n a u q t ấ u s g n ô C

Dòng nuôi (mA)

Mô đun laser bán dẫn

Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn

Đặc trưng V-I

)

V m

( p á n ê i Đ

Dòng điện (mA)

Mô đun laser bán dẫn

Thiết bị đo công suất quang

Nguồn dòng DC nuôi laser bán dẫn

W) m

( t ấ u s g n ô C

9 4 2 9 3 6 Bước sóng (nm)

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tải lên mức tín hiệu điều chế

ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI LÊN MỨC TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ

) e g a t l

o V

(

p ấ h t c ứ m p á

n ệ i Đ

Trở tải (Ohm)

STT

Điện áp

STT

Điện áp

so sánh (V)

Nhiệt độ điều khiển (0C)

so sánh (V)

Nhiệt độ điều khiển (0C)

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO ĐIỆN ÁP SO SÁNH

) e g a t l

o V

(

h n á s

o s

p á

n ệ i Đ

Nhiệt độ (0C)

Có thể bạn quan tâm

Luận văn Thạc sĩ: Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, từ của vật liệu multiferroic Ba₀.₇Ca₀.₃TiO₃/ NiFe₂O₄

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu vật liệu biến hóa dạng chuỗi một chiều chế tạo từ kim loại đồng trên đế FR-4 hoạt động tại tần số MHz ứng dụng trong truyền năng lượng không dây

Luận văn Thạc sĩ: Đánh giá khả năng tác động tới môi trường biển của việc xả nước thải từ sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima sử dụng công cụ ERICA

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng mô hình đầu dò nơtron và gamma sử dụng nhấp nháy EJ-276 ghép nối với mảng nhân quang silicon

Luận văn Thạc sĩ: Đánh giá khả năng ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đến sức khỏe cư dân khu vực mỏ đất hiếm Đông Pao, xã Bản Hon, huyện Tam Đường, tỉnh Lai Châu

Luận văn Thạc sĩ: Sử dụng phương pháp nhiễu xạ neutron khảo sát cấu trúc tinh thể và pha trật tự từ trong vật liệu Pr2FeCrO6

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu phân lập, xác định cấu trúc và hoạt tính ức chế NO của các hợp chất thứ cấp từ chủng vi nấm biển Aspergillus sp. CL251