Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu một số đặc trưng cơ bản của Taper laser diode công suất cao vùng 670nm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu một số tính chất vật lý quan trọng nhất đối với laser bán dẫn công suất cao phát ở vùng sóng ánh sáng đỏ nhằm mục đích nghiên cứu, tìm hiểu về laser cũng như phục vụ cho các mục đích ứng dụng khác nhau. Đặc trưng được quan tâm nhất của laser diode công suất cao phát ở vùng sóng 670nm là công suất phát phụ thuộc dòng bơm và các tính chất của chùm tia.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu một số đặc trưng cơ bản của Taper laser diode công suất cao vùng 670nm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN – 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Quốc Tiến THÁI NGUYÊN - 2018
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan dƣới đây là khóa luận tốt nghiệp của riêng tôi, dƣới sự hƣớng dẫn của TS Trần Quốc Tiến - Phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam. Tất cả những kết quả và số liệu trong khóa luận này là trung thực và có đƣợc từ những nghiên cứu mà tôi đã thực hiện trong quá trình làm luận văn tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam. Ngƣời làm luận văn Nguyễn Minh Tuấn
Lời cảm ơn Cuốn luận văn này đƣợc hoàn thành trong quá trình tôi làm việc tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam. Lời đầu tiên tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Quốc Tiến, ngƣời đã hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy luôn hƣớng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp tôi hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Tôi xin chân trọng cảm ơn các anh chị tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi khi thực hiện luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, các thầy các cô trong khoa Vật lí - Công nghệ, cán bộ phòng Đào tạo trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, đã cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý giá cững nhƣ sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trƣờng THPT Triệu Quang Phục, anh chị em đồng nghiệp nơi tôi công tác, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những ngƣời đã luôn bên tôi, động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Thái Nguyên, ngày 12 tháng 5 năm 2018 Nguyễn Minh Tuấn
MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT..................................................................................... i DANH MỤC HÌNH............................................................................................. ii DANH MỤC BẢNG........................................................................................... iii MỞ ĐẦU............................................................................................................. 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ.................................................................... 3 1.1. Các vấn đề cơ bản về laser bán dẫn.............................................................. 3 1.1.1. Sự phát xạ và hấp thụ trong bán dẫn................................................... 3 1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn........................... 5 1.1.3. Khuếch đại quang và ngƣỡng phát laser.............................................. 8 1.1.4. Laser bán dẫn dị thể và laser giếng lƣợng tử....................................... 11 1.2. Laser bán dẫn công suất cao......................................................................... 13 1.2.1. Laser bán dẫn buồng cộng hƣởng rộng (LOC).................................... 13 1.2.2. Đặc điểm của laser bán dẫn hoạt động ở chế độ công suất cao.......... 13 1.3. Các đặc trƣng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao................................. 14 1.3.1. Đặc trƣng quang điện......................................................................... 14 .14 1.3.2. Đặc trƣng phổ phát xạ......................................................................... 15 .15 1.3.3. Đặc trƣng tính chất chùm tia............................................................... 17 16 CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM...................................................... 19 19 2.1. Laser bán dẫn taper công suất cao phát bức xạ vùng sóng 670 nm............. 19 19 2.1.1. Phƣơng pháp và kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser bán dẫn vùng 670nm................................................................................................... 19 19 2.1.2. Phƣơng pháp và kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser công suất cao 670 nm................................................................................................................. 19 .................19 2.1.3. Các thông số kỹ thuật chính của laser taper đƣợc nghiên cứu........... 21 21 2.2. Hệ ổn định và điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công suất cao ...................................................................................................................... 22 2.2.1. Nguồn nuôi và điều khiển pin Peltier................................................. 22 22 2.2.2. Hệ pin nhiệt điện và đế tỏa nhiệt cho laser công suất cao.................. 23 23 2.3. Phƣơng pháp đo đặc trƣng quang điện của laser bán dẫn công suất cao..... 25 25 2.3.1. Đặc trƣng I-V...................................................................................... 25 25 2.3.2. Đặc trƣng P-I...................................................................................... 26 26 2.4. Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao............................. 26 26
2.5. Phƣơng pháp khảo sát tính chất chùm tia của laser taper............................. 27 28 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VÀ THẢO LUẬN...................................................................................................... 30 3.1. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng bƣớc sóng 670 nm................................................................................................ 30 31 3.1.1. Đặc trƣng dòng thế (I-V).................................................................... 30 30 3.1.2. Đặc trƣng công suất phát xạ phụ thuộc dòng bơm (P-I)..................... 31 31 3.1.3. Hiệu suất độ dốc và hiệu suất biến đổi điện quang............................ 33 33 3.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ lên các đặc trƣng quang điện....................................................................................................................... 34 3.2. Tính chất phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670nm.............................................................................................................................. 36 36 3.2.1. Phổ phát xạ của laser.......................................................................... 36 36 3.2.2. Sự phụ thuộc vào dòng bơm của phổ phát xạ..................................... 37 38 3.2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ phát xạ........................................ 38 39 3.3. Tính chất chùm tia của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670 nm................................................................................................................. 39 3.3.1. Phân bố trƣờng xa của chùm tia.......................................................... 39 3.3.2. Độ rộng cổ chùm và tính toán hằng số truyền M2 .............................. 41 3.4. Phân tích kết quả khảo sát đặc trƣng của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng 670 nm và đánh giá về khả năng ứng dụng làm nguồn bơm trong hệ laser rắn Cr3+ ................................................................................................... 43 KẾT LUẬN.......................................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO:.................................................................................. 47
i DANH MỤC VIẾT TẮT VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT BA Broad-Area Dải rộng CSC Công suất cao DFB Distributed FeedBack Phản xạ hồi tiếp MQW Multi Quantum Well Đa giếng lƣợng tử LOC Large Optical Cavity Buồng cộng hƣởng rộng LED Light Emitting Diode Ánh sáng phát ra từ diode Separate-Confinement Dị chuyển tiếp giam giữ SCH Heterostructure tách biệt TEC Thermoelectric Cooler Bộ làm lạnh nhiệt điện
ii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các quá trình quang cơ bản của vật chất.............................................. 3 Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận.......................... 5 Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo(a), giản đồ năng lượng(b), phân bố chiết suất(c), và ánh sáng(d) của laser diode dị thể kép.................................................................. 6 Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) và điện trường (photon) sử dụng cấu trúc dị thể kép theo trục thẳng đứng x của laser bán dẫn phát cạnh. Sơ đồ vùng năng lượng E(x) với vùng dẫn và vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) của dẫn sóng điện môi (giữa), sự phân bố điện trường  (x ) của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z .......................................... 7 Hình 1.5: Một sóng đứng có m = 7 trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot với chiều dài buồng cộng hưởng L............................................................................... 8 Hình 1.6: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính..... 9 cho các mật độ hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP........................ 9 Hình 1.7: Đặc trưng I-V của laser bán dẫn........................................................... 15 Hình 1.8: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn công suất cao.................................................................................................................. ....................... 15 Hình 2.1: Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn 670 nm................................. 19 19 Hình 2.2: Mô hình chíp laser được hàn trên đế đồng........................................... 20 20 Hình 2.3 : Cấu trúc Taper, với L1 là độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải của Taper, w1 độ rộng vùng tạo dao động.......................................................................21 21 Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper................................................... 21 Hình 2.5: Nguồn nuôi laser ITC4005.................................................................... 23 23 Hình 2.6: Pin nhiệt điện......................................................................................... 23 Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điên Peltier............................... 24 24 Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser................................... 26 26 Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ của laser.......................................................................... 27 27 Hình 2.10: Máy phân tích phổ quang Advantest Q8384 OSA............................... 27 Hình 2.11: Phương pháp đo độ rộng cổ chùm tia, sử dụng kỹ thuật quét khe hẹp.......................................................................................................................... 28 Hình 2.12: Dịch chuyển khe để đo phân bố mật độ công suất.............................. 28 Hình 2.13: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa......................... 29 Hình 2.14: Minh họa các thông số cơ bản của chùm tia....................................... 29 29
Hình 3.1: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 30.................................................... 30 30 Hình 3.2: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 40.................................................... .31 31 Hình 3.3: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 3 o............. ..........33 32 Hình 3.4: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm của laser taper 40.............. 34 33 Hình 3.5: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau của laser taper 3o................................................................................................... ............35 34 Hình 3.6: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau của laser taper 4o................................................................................................... .......... 35 36 Hình 3.7:Phổ quang của laser bán dẫn tại các giá trị khác nhau........................ ............ 36 36 Hình 3.8: Phổ quang của laser taper 40 tại các giá trị dòng hoạt động khác nhau, nhiệt độ hoạt động 25oC.............................................................................. 37 Hình 3.9: Phổ quang của laser taper 40 tại dòng hoạt động 600 mA với các giá trị nhiệt độ hoạt động khác nhau........................................................................... 38 Hình 3.10: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o................................... 39 Hình 3.11: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o theo hướng song song với chuyển tiếp ở các dòng bơm khác nhau................................................. 40 Hình 3.12: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o tại các nhiệt độ khác nhau........................................................................................................................ 40 Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 4o................................... 41 Hình 3.14: Phân bố cường độ công suất theo vị trí cổ chùm................................ 42
iii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Giá trị giới hạn của laser taper ............................................................... 2121 Bảng 2.2: Thông số hoạt động tối ưu của laser taper.............................................. 2122 Bảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser teper ở 250C................................................. 2222 Bảng 3.1: Dòng ngưỡng phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 30.................... 34 Bảng 3.2: Hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 4o ................... 3637 Bảng 3.3: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser taper 40............. 37 Bảng 3.4: Sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc taper 4o....... 39 Bảng 3.5: Các thông số chùm của laser taper cấu trúc 3o và 4o ........................ 42
MỞ ĐẦU Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là thiết bị tạo ra chùm ánh sáng có cƣờng độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp và có tính chuẩn trực cao. Bƣớc sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là ánh sáng đơn sắc khi đƣợc so sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lƣợng tử) tạo nên chùm laser có mối quan hệ về pha cố định (tính kết hợp cao). Ánh sáng laser có tính phân kỳ thấp, có thể đi qua một khoảng cách lớn hoặc có thể đƣợc tập trung tới một điểm sáng rất nhỏ với cƣờng độ sáng rất lớn. Do có những tính chất quí báu này, laser đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Từ khi laser diode bán dẫn đƣợc công bố đầu tiên vào năm 1962. Kể từ đó đến nay, trải qua nhiều giai đoạn phát triển, các tính năng kỹ thuật của laser diode không ngừng đƣợc hoàn thiện. Từ chỗ ban đầu là các laser đơn chuyển tiếp có dòng ngƣỡng phát laser cao, chỉ hoạt động đƣợc ở nhiệt độ thấp và công suất quang lối ra nhỏ (khoảng mW) ở vùng hồng ngoại gần. Đến nay laser bán dẫn dựa trên cơ sở dị chuyển tiếp kép dạng vật liệu khối hay đa giếng lƣợng tử (MQW) với dòng ngƣỡng phát laser thấp (đối với laser công suất thấp), có thể hoạt động đƣợc ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn. Với các loại vật liệu bán dẫn khác nhau ngƣời ta có thể chế tạo các loại laser bán dẫn với bƣớc sóng phát nằm trong cả dải từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại có công suất phát từ µW đến hàng chục W cho đơn chíp laser. Laser bán dẫn công suất cao ra đời đem lại nhiều ứng dụng thiết thực trong y tế, công nghiệp, an ninh quốc phòng, cũng nhƣ trong đời sống hàng ngày. Đặc biệt Laser bán dẫn ổn định bƣớc sóng vùng đỏ với công suất cao, phổ hẹp, chất lƣợng chùm tia tốt có rất nhiều ứng dụng nhƣ: sử dụng trong quang phổ Raman [18], phổ nguyên tử [11], làm nguồn bơm cho các laser rắn Cr:LiSAF [16], phát hòa ba bậc hai (SHG) tạo ra bức xạ UV [10] Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu một số tính chất vật lý quan trọng nhất đối với laser bán dẫn công suất cao phát ở vùng sóng ánh sáng đỏ nhằm mục đích nghiên cứu, tìm hiểu về laser cũng nhƣ phục vụ cho các mục đích ứng dụng khác nhau. Đặc trƣng đƣợc quan tâm nhất của laser diode công suất cao phát ở vùng sóng 670nm là công suất phát phụ thuộc dòng bơm và các tính chất của chùm tia. Đối với các laser đƣợc chế tạo với các lớp epitaxy nhƣ nhau. Laser cấu trúc taper và thƣờng có dòng ngƣỡng hoạt động lớn, tuy nhiên chất lƣợng của chùm tia của laser taper là rất tốt. 1
Đặc trƣng công suất phụ thuộc dòng bơm đƣợc đo tại các giá trị nhiệt độ khác nhau từ đó tính đƣợc nhiệt độ đặc trƣng của laser cấu trúc loại này. Sự phân bố mật độ công suất đƣợc đo tại các giá trị dòng khác nhau, nhiệt độ hoạt động khác nhau. Hiệu suất ghép nối bức xạ laser với sợi quang đƣợc tính từ sự phân bố mật độ công suất của laser. Các đặc trƣng phổ quang, độ rộng cổ chùm tia đƣợc khảo sát nhằm mục đích tính toán hệ số truyền chùm tia M2.` Việc nghiên cứu các tính chất đặc trƣng cơ bản nhƣ là P-U-I, đặc trƣng phổ, phân bố trƣờng xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M 2 của laser bán dẫn taper có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng, đặc biệt là thiết kế quang cho các mục đích sử dụng khác nhau: Các tính chất đặc trƣng của laser đƣợc đo đạc, tính toán đối với laser bán dẫn cấu cấu trúc taper có góc mở 3o hoặc 4o. Các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong ba chƣơng của luận văn nhƣ sau: Chƣơng 1. Tổng quan về các laser bán dẫn công suất cao phát xạ vùng sóng đỏ. Chƣơng 2. Kỹ thuật thực nghiệm. Chƣơng 3. Kết quả khảo sát các đặc trƣng cơ bản và thảo luận. 2
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ 1.1. Các vấn đề cơ bản về laser bán dẫn 1.1.1. Sự phát xạ và hấp thụ trong bán dẫn Trong điều kiện bình thƣờng, hầu hết các loại vật liệu đều hấp thụ ánh sáng nhiều hơn là phát xạ. Hình 1.1 mô tả một quá trình hấp thụ ánh sáng, trong đó E 1 và E2 tƣơng ứng với mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích của các nguyên tử trong môi trƣờng hấp thụ. Nếu một photon có năng lƣợng h với  là tần số của ánh sáng đến đúng bằng với độ lệch năng lƣợng E g = E2 – E1 thì năng lƣợng của photon sẽ bị hấp thụ bởi nguyên tử, kết quả là nguyên tử đang ở trạng thái mức năng lƣợng nền sẽ đƣợc chuyển lên trạng thái mức năng lƣợng kích thích. Ánh sáng tới bị suy hao đi do quá trình hấp thụ. Thông thƣờng, các nguyên tử tồn tại bền vững hơn ở mức năng lƣợng nền, khi tồn tại ở các mức năng lƣợng cao hơn sẽ có xu hƣớng chuyển về mức năng lƣợng thấp hơn sau một khoảng thời gian nhất định. Vì thế, khi nguyên tử ở mức năng lƣợng kích thích chuyển về mức năng lƣợng nền sẽ giải phóng năng lƣợng hay phát xạ ánh sáng. Quá trình phát xạ này phân làm hai loại cơ bản là quá trình phát xạ tự phát và phát xạ kích thích nhƣ mô tả trong hình 1.1. Trong trƣờng hợp phát xạ tự phát, các photon đƣợc phát xạ có hƣớng và pha là ngẫu nhiên. Trong trƣờng hợp phát xạ kích thích, tại thời điểm nguyên tử đang ở mức năng lƣợng kích thích có một photon khác đi đến làm tác nhân kích thích nguyên tử này chuyển từ trạng thái kích về trạng thái nền và phát xạ photon ánh sáng cùng pha cùng tần số với ánh sáng kích thích. Quá trình này có thể đƣợc sử dụng để khuếch đại bức xạ quang. Tất cả các laser, bao gồm cả các laser bán dẫn phát xạ đều dựa trên quá trình phát xạ kích thích, và ánh sáng phát xạ của laser đƣợc gọi là ánh sáng kết hợp. Hình 1.1 Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn 3
Xét mô hình hệ thống nguyên tử đơn giản gồm hai mức năng lƣợng tƣơng tác trong trƣờng điện từ nhƣ mô tả trong hình 1.1. Nếu N1 và N2 lần lƣợt là mật độ nguyên tử ở mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích và ρem() là mật độ phổ của năng lƣợng điện từ, thì biểu thức tƣơng ứng của tốc độ phát xạ tự phát, tốc độ phát xạ kích thích và tốc độ hấp thụ có thể đƣợc mô tả nhƣ sau Rspom = AN1, Rstim = BN2 ρem , Rabs = B’N1 ρem , (1.1) với A, B và B’ là các hằng số. Trong điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ các hạt nguyên tử đƣợc phân bố theo quá trình Boltzmann, N2 / N1 = exp( - Eg / kBT) = exp( -hkBT) (1.2) với kB là hằng số Bolztmann và T là nhiệt độ tuyệt đối. Bởi vì N1 và N2 không đổi theo thời gian trong điều kiện cân bằng nhiệt nên tốc độ chuyển mức là bằng nhau AN2 + BN2 ρem = B’ N1 ρem (1.3) Thay (1.2) vào (1.3), hàm mật độ phổ ρem trở thành ρem = A/ B (1.4) ( B ' / B ) exp( h / k BT )  1 Trong điều kiện cân bằng nhiệt, 𝜌𝑒𝑚 là đồng nhất với mật độ phổ của phát xạ blackbody đƣa ra bởi công thức Plank 8h 3 / c 3 ρem = exp(h / k BT )  1 (1.5) So sánh hai biểu thức (1.4) và (1.5) rút ra đƣợc mối quan hệ sau A = (8πhc3)B; B’ = B (1.6) Hai kết luận quan trọng có thể đƣợc rút ra qua các biểu thức từ (1.1) đến (1.6). Thứ nhất, Rspon có thể vƣợt quá cả Rstim và Rabs nếu 𝑘𝐵𝑇 > h𝜐, tức là trong điều kiện nhiệt độ cao. Thứ hai, đối với phát xạ trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại (h𝜐 ~1𝑒𝑉), quá trình phát xạ tự phát thƣờng chiếm ƣu thế hơn phát xạ kích thích trong điều kiện cân bằng nhiệt ở nhiệt độ phòng (𝑘𝐵𝑇 ≈ 25 𝑚𝑒𝑉) bởi vì Rstim = [exp(h𝜐/kBT) – 1]-1 N1. Điều kiện này đƣợc gọi là điều kiện đảo lộn mật độ, và nó không bao giờ 4
xảy ra trong điều kiện cân bằng nhiệt. Điều kiện đảo lộn mật độ là tiên quyết đối với hoạt động của laser. Trong các hệ nguyên tử, điều này đạt đƣợc bằng cách sử dụng các cơ chế bơm 3 hay 4 mức sao cho nguồn năng lƣợng bên ngoài làm chuyển mật độ hạt ở mức nền lên các mức cao hơn. Mặc dù quá trình bơm cũng có thể đƣợc cung cấp bằng sự kích thích quang của các cặp điện tử lỗ trống, một ƣu điểm chính của laser bán dẫn so với các loại laser khác là chúng có thể dễ dàng bơm bởi dòng điện khi diode bán dẫn đƣợc phân cực thuận nhƣ trong hình 1.2. Vì lý do này, laser bán dẫn đƣợc bơm bằng điện cũng đƣợc gọi là laser diode. Tất cả các laser diode bán dẫn sử dụng cấu trúc dị thể kép phân cực thuận để đạt đƣợc sự đảo mật độ hạt tải một cách dễ dàng. Trong dạng cấu trúc này, một lớp bán dẫn không pha tạp với vùng cấm thẳng đƣợc kẹp giữa vật liệu pha tạp loại n và loại p với chiết suất cao hơn. Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận Để thu đƣợc mật độ photon cao trong laser bán dẫn, dẫn sóng quang đƣợc tạo ra để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện. Hơn nữa, một buồng cộng hƣởng quang, hầu hết là Fabry-Perot, đƣợc sử dụng để tăng mật độ photon trong buồng cộng hƣởng. Một laser bán dẫn có thể dùng nhƣ một bộ dao động quang bao gồm một môi trƣờng khuếch đại và một buồng cộng hƣởng để tạo ra sự khuếch đại hồi tiếp. 1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn Trong lớp chuyển tiếp p - n các hạt tải điện không đƣợc giam giữ tại vùng 5
lân cận lớp chuyển tiếp, vì vậy rất khó để tạo ra mật độ hạt tải điện cao, laser bán dẫn dựa trên đơn chuyển tiếp p - n vì vậy dòng ngƣỡng thuận I th rất lớn. Để cải thiện tính chất phát xạ của laser bán dẫn, ngƣời ta sử dụng cấu trúc dị thể kép. Vấn đề giam giữ hạt tải điện đƣợc giải quyết bằn cách đƣa vào một lớp màng mỏng nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n và p xung quanh (hình 1.3). Sơ đồ cấu tạo của laser bán dẫn dị thể chuyển tiếp kép AlGaAs/GaAs nhƣ trình bày hình a, b, c, d Hình 1.3: Sơ đồcấu tạo(a), giản đồ năng lượng(b), phân bố chiết suất(c) và phân bố mật độ photon (d) của laser diode dị thể kép. Vai trò của lớp này là giam giữ ở bên trong nó những hạt tải điện đƣợc tiêm vào dƣới tác dụng của điện áp thuận. Sự giam giữ hạt tải điện xẩy ra là kết quả của sự gián đoạn trong độ rộng vùng cấm ở vùng chuyển tiếp giữa hai bán dẫn có cùng cấu trúc tinh thể nhƣng khác nhau về độ rộng vùng cấm. Chuyển tiếp nhƣ vậy gọi là chuyển tiếp dị thể và các linh kiện dựa trên cơ sở đó có câu trúc dị thể kép. Sử dụng cấu trúc chuyển tiếp p - n dị thể kép cho các nguồn sáng bán dẫn có hai lợi ích. Thứ nhất, hạt tải sẽ đƣợc giam giữ trong lớp nằm giữa lớp p và lớp n, lớp ở giữa này gọi là lớp tích cực vì ở đó điện tử và lỗ trống sẽ dễ dàng tái hợp và sinh ra ánh sáng. Thứ hai, do có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn nên lớp tích cực có chiết suất lớn hơn so với các lớp loại p và n xung quanh. Vì vậy, lớp tích cực hoạt động nhƣ dẫn sóng điện môi và cấu trúc dị thể giam giữ đƣợc các photon phát ra nhờ tính chất này. Laser bán dẫn đƣợc cấu thành từ các thành phần cơ bản dƣới đây:  Môi trƣờng tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích.  Cấu trúc dẫn sóng quang để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện. 6
 Buồng cộng hƣởng tạo ra sự hồi tiếp quang. Môi trƣờng dẫn sóng quang điện môi bao gồm một lớp lõi với hệ số phản xạ cao đƣợc đặt trong bên trong vật liệu vỏ với hệ số phản xạ thấp hơn. Hình 1.4 minh họa sự dẫn sóng quang cho laser cấu trúc dị thể kép. Lớp tích cực với độ rộng vùng cấm Eg , chiết suất nf và độ dày d đƣợc kẹp giữa các lớp vỏ với độ rộng vùng cấm Eg,cl và chiết suất ncl. Nếu độ chênh lệch chiết suất n  n f  ncl và độ dày lớp lõi d của miền dẫn sóng là đủ nhỏ, chỉ có mode cơ bản với phân bố trƣờng dạng Gauss có thể truyền trong dẫn sóng. Sóng quang chạy theo hƣớng của dẫn sóng có chiết suất hiệu dụng neff nằm giữa chiết suất của lớp lõi và lớp vỏ ( ncl  neff  n f ). Hình 1.4 chỉ ra cấu trúc lớp tạo ra sự giam giữ hạt tải và sóng quang. Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) và điện trường (photon) sử dụng cấu trúc dị thể kép theo trục thẳng đứng x của laser bán dẫn phát cạnh. Sơ đồ vùng năng lượng E(x) với vùng dẫn và vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) của dẫn sóng điện môi (giữa), sự phân bố điện trường của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z Trong laser giếng lƣợng tử, các cấu trúc giam giữ tách biệt là cần thiết, ở đó các hạt tải đƣợc giam giữ trong các giếng lƣợng tử và sóng quang đƣợc giam giữ trong một cấu trúc dẫn sóng điện môi tách biệt. Buồng cộng hƣởng Fabry-Perot thƣờng đƣợc sử dụng cho các laser bán dẫn công suất cao. Hình 1.5 chỉ ra buồng cộng hƣởng loại này bao gồm hai gƣơng cách nhau một khoảng L, vật liệu tích cực laser có chiết suất hiệu dụng neff. Khoảng cách giữa hai mốt dọc là 0 2neff với  0 là bƣớc sóng trong chân không. 7
Buồng cộng hƣởng tạo ra sự hồi tiếp khi một sóng đứng sinh ra 0 Lm , m  1, 2, 3,... (1.8) 2neff m là số nguyên và là số bậc của mốt dọc, 0 là bƣớc sóng trong chân không. Các laser dùng cho hệ thống viễn thông có các dạng buồng cộng hƣởng quang khác nhƣ buồng cộng hƣởng phản hồi phân bố (DFB) hoặc phân bố phản xạ Bragg DBR, [1,2]. Hình 1.5: Một sóng đứng có m = 7 trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot với chiều dài buồng cộng hưởng L Nhƣ trên đã nói, sự giam giữ quang và hạt tải theo hƣớng vuông góc với mặt phẳng lớp tích cực (hƣớng thẳng đứng) là cần thiết. Để thu đƣợc hoạt động đơn mode theo cả hai hƣớng vuông góc phƣơng truyền sóng, sự giam giữ ngang song song với lớp tích cực là cần thiết. Có hai cơ chế giam giữ quang theo chiều ngang này: sự giam giữ dòng trong các laser bán dẫn dẫn hƣớng (hay dẫn sóng) khuếch đại (gain-guided) ví dụ nhƣ trong các laser dải hình học hoặc sự giam giữ quang ngang tạo ra bởi sự dẫn sóng chiết suất (index-guided) nhƣ trong laser chuyển tiếp dị thể vùi. 1.1.3. Khuếch đại quang và ngưỡng phát laser Khi có photon ánh sáng với năng lƣợng h ≥ Egchiếu vào chất bán dẫn có thể xảy ra sự hấp thụ. Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lƣợng thấp trong vùng hóa trị lên trạng thái năng lƣợng cao trong vùng dẫn. Sau đó, điện tử ở vùng dẫn có thể tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị sau một thời gian sống nhất định và phát ra photon một cách ngẫu nhiên (có bƣớc sóng, pha và hƣớng lan truyền khác nhau) gọi là phát xạ tự phát. Phát xạ cƣỡng bức là quá trình mà trong đó ánh sáng chiếu tới gây ra sự phát xạ cƣỡng bức (hay cảm ứng) của điện tử ở trạng thái kích thích. Ánh sáng phát ra có cùng bƣớc sóng, pha, phân cực và 8
hƣớng lan truyền với ánh sáng chiếu tới. Vì vậy ánh sáng sinh ra bởi phát xạ cƣỡng bức có tính đơn sắc, kết hợp và định hƣớng cao. Trong bức xạ cƣỡng bức có hai photon sinh ra: một là photon ánh sáng chiếu tới và một là photon sinh ra do bức xạ cƣỡng bức. Hai photon này lại tiếp tục kích thích hay cảm ứng các cặp điện tử khác tái hợp sinh ra bức xạ cƣỡng bức với các photon giống nhƣ vậy. Quá trình nhƣ vậy xảy ra tiếp tục trong môi trƣờng khuếch đại, ánh sáng chiếu tới đƣợc khuếch đại bởi bức xạ cƣỡng bức và ta có sự khuếch đại quang. Để có đƣợc sự khuếch đại quang ta cần phải làm cho số điện tử ở trạng thái năng lƣợng cao nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lƣợng thấp. Điều kiện này gọi là sự đảo mật độ tích lũy. Sự đảo mật độ tích lũy trong các chất bán dẫn xảy ra ở vùng lân cận bờ vùng đạt đƣợc nhờ kích thích các điện tử bằng bơm quang hay tiêm dòng điện, khi đó có nhiều điện tử ở đáy vùng dẫn và nhiều lỗ trống ở đỉnh vùng hoá trị. Các bộ dao động laser sử dụng một phần phát xạ tự phát làm ánh sáng chiếu tới và khuếch đại ánh sáng này nhờ phát xạ cƣỡng bức. Hình 1.6: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính cho các mật độ hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP. Tốc độ tái hợp bức xạ cƣỡng bức thực càng lớn ta có hệ số khuếch đại quang càng lớn. Có thể tính hệ số khuếch đại công suất quang g phụ thuộc vào năng lƣợng photon h nghĩa là phụ thuộc vào bƣớc sóng khuếch đại đƣợc chọn và mật độ hạt tải tiêm vào. Hình 1.6 là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại g vào năng lƣợng photon h cho các mật độ hạt tải tiêm vào khác nhau đƣợc tính toán cho vùng tích cực InGaAsP 1,3 m . Khi mật độ hạt tải bơm vào yếu (1x1018 cm3), g < 0, chƣa 9
xảy ra sự đảo mật độ tích lũy hạt tải và chƣa có sự khuếch đại. Khi mật độ hạt tải bơm vào tăng lên, g có giá trị dƣơng, đƣờng cong khuếch đại mở rộng, tăng lên về biên độ và đỉnh phổ khuếch đại dịch về phía năng lƣợng cao (bƣớc sóng ngắn hơn). Khi tăng mật độ hạt tải bơm vào sự bắt đầu xuất hiện của độ khuếch đại dịch về phía năng lƣợng photon thấp hơn do sự giảm năng lƣợng vùng cấm Eg khi mật độ hạt tải tăng. Nửa âm của trục tung tƣơng ứng với hệ số hấpthụ vì hệ số hấp thụ công suất quang α(h ) và hệ số khuếch đại công suất quang g(h ) đƣợc liên hệ với nhau nhƣ sau: α(h )= - g(h ). Ta cũng thấy trên hình 1.6 hệ số khuếch đại quang tăng nhanh trong chất bán dẫn một khi sự đảo mật độ tích lũy hạt tải đƣợc thực hiện. Vì có độ khuếch đại quang cao nhƣ vậy nên các laser bán dẫn có thể đƣợc chế tạo với kích thƣớc vật lý rất ngắn (dƣới 1 mm). Contour khuếch đại nhƣ trên hình 1.6 sẽ liên quan đến vùng xuất hiện các mode sóng dọc trong bức xạ cƣỡng bức của laser bán dẫn loại buồng cộng hƣởng Fabry-Perot hay nói cách khác, các mode sóng dọc (phụ thuộc vào bƣớc sóng) phát ra sẽ nằm trong vùng khuếch đại. Tuy nhiên, trong môi trƣờng khuếch đại cũng xảy ra sự mất mát quang do sự hấp thụ trên bề mặt, hấp thụ trên các tâm tạp, hấp thụ bởi các hạt tải tự do nhƣ tái hợp Auger, v.v… Khi sự khuếch đại quang bù trừ đƣợc các mất mát quang mới xảy ra dao động laser. Vì vậy, nếu chỉ có khuếch đại quang sẽ chƣa đủ cho hoạt động laser mà phải có thêm một điều kiện cần thiết khác là phản hồi quang, điều này sẽ làm bộ khuếch đại trở thành bộ dao động. Nghĩa là để có đƣợc dao động laser (hay bộ dao động quang với tần số dao động rất cao, f ~ 1014-15 Hz) độ khuếch đại quang cần phải bằng độ mất mát quang trong vùng tích cực. Sự phản hồi quang đƣợc thực hiện bằng cách đặt môi trƣờng khuếch đại giữa các gƣơng phản xạ tạo thành buồng cộng hƣởng quang hay còn gọi là buồng cộng hƣởng Fabry-Perot (FP). Trong trƣờng hợp laser bán dẫn, các gƣơng phản xạ ngoại là không cần thiết vì các bề mặt bổ tinh thể laser có tác dụng nhƣ các gƣơng phản xạ với độ phản xạ : ( 1.9) Với n là chiết suất của môi trƣờng khuếch đại. Thông thƣờng, n = 3,5 cho các chất bán dẫn vùng cấm hẹp dẫn tới độ khuếch đại R ~ 30%. Trong các laser đơn tần (phản hồi phân bố DFB hay phản hồi phản xạ Bragg DBR) phản hồi quang đƣợc thực hiện bởi cách tử trên cơ sở thay đổi tuần hoàn chiết suất ở gần vùng tích cực. Khái niệm ngƣỡng phát laser có thể hiểu là một phần các photon sinh ra bởi 10