Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn có cấu trúc gồm 3 chương trình bày các nguyên lý cơ bản của laser bán dẫn và tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB; phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính toán các thông số cơ bản của laser bán dẫn; các đặc trưng và tính toán các thông số của laser công suất cao và kết luận.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN HỮU THÀNH NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN VÀ PHỔ CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB 780 NANO MÉT PHỤ THUỘC ĐỘ DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN – 2018
Công trình được hoàn thành tại phòng Laser và kĩ thuật ánh sáng, bộ môn Quang học và Quang điện tử, Viện Vật lý Kĩ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội và phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1: Phạm Hồng Minh Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Hảo Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:………………………………………………………….. Vào hồi...... giờ...... ngày....... tháng........ năm 20... Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên Và thư viện trường Đại học Khoa Học, khoa Vật lí & Công nghệ.
MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................. i DANH MỤC BẢNG ............................................................................. ii DANH MỤC HÌNH............................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................... iv MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB ............................................................................................. 1 1.1. Laser bán dẫn – nguyên lý cơ bản . ................................................ 1 1.1.1. Cơ chế hấp thụ và phát xạ trong laser bán dẫn. .......................... 1 1.1.2. Các thành phần cơ bản của laser bán dẫn .................................... 3 1.1.3. Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng ...................................... 3 1.1.4. Dẫn sóng và buồng cộng hưởng. ................................................. 3 1.2. Laser bán dẫn công suất cao DFB .................................................. 4 1.3. Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB ......... 5 1.3.1. Đặc trưng quang điện .................................................................. 5 1.3.2. Đặc trưng phổ quang phụ thuộc dòng bơm. ............................... 6 1.3.3. Độ rộng vạch phổ của laser DFB ................................................ 6 Chương II. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ....................................... 7 2.1. Công nghệ chế tạo laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nm sử dụng trong nghiện cứu . ......................................................................... 7 2.1.1. Công nghệ tạo các lớp epitaxy và chế tạo cách tử trong laser DFB công suất cao vùng sóng 780 nm. ................................................. 7 2.1.2. Chế tạo thành laser bán dẫn DFB ống dẫn sóng gò và kim loại hóa. ......................................................................................................... 7 i
2.1.3. Phủ lớp phản xạ. .......................................................................... 7 2.1.4. Đóng vỏ. ...................................................................................... 7 2.2. Phương pháp đo đặc trưng của laser bán dẫn công suất cao. ......... 7 2.2.1. Đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng . .................................. 7 2.2.2. Hệ đo đặc trưng phổcủa laser bán dẫn công suất cao DFB phát vùng sóng 780 nm. ................................................................................. 8 2.2.3. Kỹ thuật đo độ rộng vạch phổ của laser bán dẫn DFB ............... 8 Chương III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................... 10 3.1. Phân loại laser bán dẫn DFB 780 nm. .......................................... 10 3.2. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng ............................................................... 10 3.3. Tính chất phổ của laser bán dẫn công suất cao biến đổi theo chiều dài buồng cộng hưởng ............................................................... 12 3.4. Tối ưu hoá độ rộng vạch phổ của laser theo chiều dài buồng cộng hưởng. ......................................................................................... 15 KẾT LUẬN ......................................................................................... 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 18 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Giá trị độ rộng vạch phổ tương ứng tại các mức cường độ tương đối từ hàm dạng Voigt ............................................................. 9 Bảng 3.1: Laser bán dẫn DFB 780 nm sử dụng trong luận văn. ....... 10 Bảng 3.2: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm. ........................................................... 11 Bảng 3.3: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm. .............................................................. 12 ii
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả các điện tử trong bán dẫn vùng cấm thẳng Vùng dẫn cách vùng hóa trị một khe năng lượng Eg .......... 2 Hình 1. 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn ......................................................................................................... 2 Hình 1.9: Sơ đồ của một ống dẫn sóng ba lớp: cấu trúc cơ bản của laser bán dẫn. ........................................................................................ 3 Hình 1.11: Cấu Hình của laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot. .......................................................................................... 4 Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố theo chiều ngang Ix.. ........................................................... 4 Hình 1.13: Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn ......................................................................................... 5 Hình 1.14: Đặc trưng I-V của một laser .............................................. 5 Hình 1.16: Phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới ngưỡng (a), gần ngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d). .............. 6 Hình 2.1: Mô Hình cấu trúc laser DFB 780. ....................................... 7 Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ thí nghiệm khảo sát đặc trưng quang điện ở chế độ liên tục. ............................................................................ 8 Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ của laser bán dẫn công suất cao. ......................................................................................................... 8 Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ của laser. ...................................................................................................... 9 Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs về tần số ν trong hệ đo self-delayed-heterodyne. .................................................... 9 Hình 3.1: Đặc trưng PUI của laser L1501 ở nhiệt độ 25oC .............. 11 iii
Hình 3.4: Đặc trưng PUI của laser L3001 ở nhiệt độ 25oC .............. 12 Hình 3.7: Phổ laser L1501 tại công suất quang 100 mW. ................. 13 Hình 3.8: Bản đồ phổ của laser L1501 với bước thay đổi dòng là 10 mA. ....................................................................................................... 13 Hình 3.11: Bản đồ phổ của laser L3001 phụ thuộc dòng bơm. ......... 14 Hình 3.14: Độ rộng phổ của laser L1501 buồng cộng hưởng 1,5 mm (chấm tròn đỏ) và laser L3001 buồng cộng hưởng 3 mm (chấm vuông xanh) phụ thuộc công suất. ....................................................... 15 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt DBR Phân bố phản xạ Bragg. DFB laser Distributed feedback laser Laser phản hồi phân bố. FWHM Full Width at Half Maximum Toàn độ rộng ở nửa cực đại Light Amplification by Khuếch đại ánh sáng bằng phát LASER Stimulated Emission of xạ cưỡng bức. Radiation LEDs Light – Emitting Diodes Đi ốt phát quang. RW Ridge Waveguide Ống dẫn sóng gò. UV Ultra Violet Tia cực tím iv
MỞ ĐẦU Laser có trong rất nhiều ứng dụng trong đời sống cũng như trong nghiên cứu như ghi dữ liệu, máy in laser, máy quét mã vạch, truyền dẫn thông tin, gia công vật liệu, y tế, phẫu thuật thẩm mỹ. Trong quân đội laser được dùng để đánh dấu, đo khoảng cách và tốc độ của mục tiêu. Trong giải trí laser được sử dụng trong các sân khấu như hòa âm ánh sáng. Laser phát xạ ở bước sóng 780 nm do đó cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong quang phổ phân giải cao, làm lạnh bằng laser, đo lường quang học… Tuy nhiên với các laser hiện nay như các laser rắn hoặc khí có nhân tần hoặc laser buồng cộng hưởng ngoài… việc đưa vào ứng dụng trong các lĩnh vực này gặp khó khăn do kích thước, trọng lượng còn khá lớn, cơ cấu phức tạp. Với những thách thức trên, laser bán dẫn công suất cao phản hồi phân bố (Distributed feedback laser: DFB laser) là một lựa chọn thay thế hoàn hảo do kích thước gọn nhỏ, hiệu suất quang điện cao, độ tin cậy cao. Do đó đề tài được chọn: “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN VÀ PHỔ CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB 780 NANO MÉT PHỤ THUỘC ĐỘ DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG” Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong ba chương của luận văn như sau: Chương 1: Các nguyên lý cơ bản của laser bán dẫn và tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB Chương 2: Phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính toán các thông số cơ bản của laser bán dẫn. Chương 3: Các đặc trưng và tính toán các thông số của laser công suất cao và kết luận. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB 1.1. Laser bán dẫn – nguyên lý cơ bản [13] 1.1.1. Cơ chế hấp thụ và phát xạ trong laser bán dẫn Laser rắn và laser khí thông thường có các mức năng lượng biểu diễn bởi các vạch hẹp là các mức năng lượng của các nguyên tử riêng biệt. Trong bán dẫn, các mức năng lượng được mở rộng thành vùng năng lượng do sự chồng phủ của các quỹ đạo nguyên tử. Với bán dẫn không pha tạp và khi không có bất kỳ sự kích 1
thích từ bên ngoài nào, ở nhiệt độ T = 0 K, vùng năng lượng trên cùng được gọi là vùng dẫn và trống hoàn toàn, vùng năng lượng bên dưới vùng dẫn được gọi là vùng hóa trị và được lấp đầy hoàn toàn bởi các điện tử. Vùng dẫn và vùng hóa trị cách nhau một khe năng lượng có giá trị Eg = 0,5-2,5eV cho vật liệu bán dẫn làm laser. Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả các điện tử trong bán dẫn vùng cấm thẳng. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một khe năng lượng Eg. Với một mức năng lượng photon cố định  chỉ có hai mức năng lượng riêng biệt E1kvà E2kvì sự chuyển mức chỉ có thể xảy ra ở cùng véc tơ sóng k như trong Hình 1.1. Trong bán dẫn có ba dạng của bức xạ vùng – vùng được minh họa trong Hình 1.2. Hình 1. 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn - Sự hấp thụ, cũng được gọi là hấp thụ kích thích, là quá trình thứ nhất minh họa trong Hình 1.2. Một photon được hấp thụ và một cặp điện tử - lỗ trống được phát sinh. - Quá trình thứ hai được gọi là phát xạ tự phát. - Quá trình thứ ba là phát xạ cưỡng bức - cảm ứng. Một sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống được kích thích bởi một photon và một photon thứ hai được sinh 2
ra đồng thời có cùng hướng và pha như photon thứ nhất (cảm ứng). Quá trình này có thể được sử dụng để khuếch đại bức xạ quang, vì các photon được phát ra hoàn toàn giống photon kích thích về tần số, pha, phân cực và hướng, kết quả là ta có phát xạ có tính kết hợp. Nguồn ánh sáng dựa trên quá trình phát xạ này cùng với thành phần phản hồi quang (ví dụ buồng cộng hưởng Fabry-Perot) được gọi là laser, viết tắt của “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. 1.1.2. Các thành phần cơ bản của laser bán dẫn Laser bán dẫn phải được cấu thành từ các thành phần không thể thiếu dưới đây:  Một môi trường tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích.  Một dẫn sóng quang để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện.  Một buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp quang.  Sự giam giữ dòng bơm vào, các hạt tải và các photon theo chiều ngang cần thiết cho hoạt động đơn mode ngang (mode không gian) cơ bản. 1.1.3. Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng Trong laser bán dẫn sự khuếch đại quang đạt được trong vật liệu lớp tích cực. Trong trường hợp này, sự tăng theo hàm mũ của cường độ sóng quang có thể được diễn tả bởi một giá trị âm của tương ứng với hệ số khuếch đại quang g . Trong dẫn sóng quang, chỉ một phần cường độ của mốt quang nằm trong vùng tích cực mà thông thường nằm ở trong lõi của dẫn sóng quang. 1.1.4. Dẫn sóng và buồng cộng hưởng [13] Laser bán dẫn hoạt động đòi hỏi một điều kiện quan trọng, cụ thể là dẫn sóng của sóng quang học trong miền tích cực. Đơn giản là theo hướng thẳng đứng, dẫn sóng dựa trên tổng số phản xạ nội của sóng quang tại hai giao diện theo luật của Snell, xem Hình 1.9. Hình 1.9: Sơ đồ của một ống dẫn sóng ba lớp. [13] Điều kiện cuối cùng được đề cập liên quan tới dao động laser là điều kiện buồng cộng hưởng. Hầu như tất cả các buồng cộng hưởng laze bán dẫn có thể 3
được xem như buồng cộng hưởng Fabry-Perot. Buồng cộng hưởng Fabry-Perot bao gồm hai gương được song song với nhau. Đối với laser bán dẫn để hai gương song song dựa trên việc tách các mặt của tinh thể bán dẫn một cách hợp lý. Các mặt của laser bán dẫn được phủ với độ phản xạ cao ở phía sau và với độ phản xạ thấp ở mặt trước sao cho phù hợp với tỉ lệ công suất hiệu dụng của hệ laser. Cấu hình của một laser bán dẫn được dựa trên buồng cộng hưởng Fabry-Perot được thể hiện trong Hình 1.11. Hình 1.11: Cấu hình của laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot. 1.2. Laser bán dẫn công suất cao DFB Trọng tâm của phần này nêu một số đặc điểm cơ bản của laser DFB (laser phản hồi phân bố) bằng việc đưa vào buổng cộng hưởng một cách tử lọc lựa bước sóng. Trong laser DFB phản hồi quang không được bố trí ở các mặt gương mà được phân bố trong suốt chiều dài buồng cộng hưởng. Do có cách tử trong buồng cộng hưởng đã làm thay đổi cơ chế lọc lựa mode. Hình 1.12 cho thấy cấu trúc điển hình của một laser bán dẫn DFB với một cách tử Bragg nằm ngoài vùng tích cực. Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố theo chiều ngang Ix. [17] Phản hồi quang xảy ra dựa trên nguyên lý nhiễu xạ Bragg, khi kết hợp các sóng truyền theo hai hướng từ phía trước và phía sau. Cơ chế chọn lọc mode dọc tuân theo điều kiện Bragg. 4
1.3.Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB 1.3.1. Đặc trưng quang điện a. Đặc trưng công suất bức xạ phụ thuộc dòng bơm (P –I) Đặc trưng công suất quang – dòng bơm (P-I) của laser biểu diễn sự phụ thuộc vào dòng bơm của công suất quang lối ra. Thông qua đường đặc trưng này ta có thể xác định được nhiều thông số cũng như các tính chất quan trọng của laser và module laser : dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc hay hiệu suất biến đổi quang điện… đồng thời làm sáng tỏ một số vấn đề về công nghệ chế tạo. Hình1.13 mô tả đặc trưng công suất quang đầu ra của laser bán dẫn phụ thuộc dòng bơm. Hình 1.13: Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn b. Đặc trưng dòng thế ( I –V) Đặc trưng dòng thế (I-V) là đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện kích chạy qua laser bán dẫn và điện thế đặt trên chuyển tiếp. Từ Hình 1.14 ta thấy với dòng kích rất nhỏ, điện thế tăng rất nhanh và khi đạt đến mức điện thế phân cực thuận đặt trên chuyển tiếp laser thì tốc độ tăng của thế so với dòng giảm đi. Điều này chứng tỏ điện trở laser là phi tuyến và nó phụ thuộc vào dòng kích. Khi chưa có điện áp phân cực thì điện trở laser rất lớn. Còn khi đã đạt tới điện áp phân cực thuận thì điện trở của laser bán dẫn giảm xuống còn rất nhỏ. Vf Hình 1.14: Đặc trưng I-V của một laser 5
c. Hiệu suất biến đổi điện quang Hiệu suất biến đổi điện quang ηc là một trong các đặc trưng quan trọng của laser bán dẫn, cho biết hiệu suất biến đổi công suất điện đầu vào biến đổi thành công suất quang ở đầu ra. Hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có phụ thuộc vào công suất và chiều dài buồng cộng hưởng. Có thể đạt được công suất đầu ra như nhau trong laser bán dẫn với các chiều dài buồng cộng hưởng khác nhau nhưng hiệu suất biến đổi sẽ khác nhau. 1.3.2.Đặc trưng phổ quang phụ thuộc dòng bơm. Hình 1.16 mô tả cụ thể phổ quang của một laser bán dẫn Fabry-Perot dẫn sóng gò ở các giá trị trên và dưới ngưỡng phát laser. Tại các giá trị dòng khác nhau, phổ quang của laser bán dẫn sẽ có dạng khác nhau. Bước sóng nm Bước sóng nm Bước sóng nm Bước sóng nm Hình 1.16: Phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới ngưỡng (a), gầnngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d). - Ở dưới giá trị dòng ngưỡng I Ith (Hình 1.16d): là vùng phát laser; công suất quang đầu ra tăng tuyến tính với dòng cung cấp; 1.3.3. Độ rộng vạch phổ của laser DFB [13] 6
Chương II. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Công nghệ chế tạo laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nm sử dụng trong nghiện cứu [13] Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả một số điểm quan trọng của dây chuyền công nghệ là cơ sở để chế tạo các laser bán dẫn DFB công suất cao với cấu trúc ống dẫn sóng gò (RW). Laser nghiên cứu trong khóa luận này đòi hỏi các bước chế tạo sau đây, cụ thế là: 1) Tạo các lớp epitaxy trên nền tinh thể để tạo cấu trúc laser, 2) Xử lí các tấm vật liệu để bắt đầu chế tạo cách tử vào cấu trúc laser bằng quang khắc(chiều tia UV), 3) Tạo laser ống dẫn sóng gò và kim loại hóa và cuối cùng, 4) Đóng vỏ cho laser. Dây chuyền công nghệ chế tạo của laser bán dẫn DFB công suất cao chế tạo chủ yếu là tuân theo các bước trên. Tuy nhiện, việc thực hiện chế tạo cách tử nội đòi hỏi một quá trình liên tục. Sau bước cuối cùng, cấu trúc Hình học của một laser bán dẫn DFB công suất cao có dạng như trong Hình 2.1. Hình 2.1: Mô Hình cấu trúc laser DFB 780 nm. 2.1.1. Công nghệ tạo các lớp epitaxy và chế tạo cách tử trong laser DFB công suất cao vùng sóng 780 nm 2.1.2. Chế tạo thành laser bán dẫn DFB ống dẫn sóng gò và kim loại hóa 2.1.3. Phủ lớp phản xạ 2.1.4. Đóng vỏ 2.2. Phương pháp đo đặc trưng của laser bán dẫn công suất cao 2.2.1. Đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng a) Đặc trưng P – I 7
Chúng tôi sử dụng hệ thí nghiệm với các thành phần được mô tả như ở Hình 2.6 để đo công suất phụ thuộc dòng bơm của laser 780 nm phát ở chế độ liên tục. Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ thí nghiệm khảo sát đặc trưng quang điện ở chế độ liên tục. b) Đặc trưng I – V Đặc trưng I – V là đường biểu điện sự phụ thuộc của hiệu điện thế đặt trên chuyển tiếp laser vào dòng bơm chạy qua nó. Sơ đồ của hệ đo I – V được thể hiện trên Hình 2.6. 2.2.2. Hệ đo đặc trưng phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB phát vùng sóng 780 nm Cấu trúc phổ của laser bán dẫn DFB 780 nm được chúng tôi nghiện cứu và phân tích bằng hệ đo được mô tả theo sơ đồ Hình 2.10. Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ của laser bán dẫn công suất cao. 2.2.3. Kỹ thuật đo độ rộng vạch phổ của laser bán dẫn DFB [13] Hệ đo độ rộng vạch phổ của laser được mô tả như Hình 2.12. 8
Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ của laser. Giả sử laser được đo có tần số νs , sau khi đi qua bộ tách tia, phân đi qua bộ điều tần, tần số bị dịch chuyển đi một đoạn là (νs - ν). Tần số trung tâm dịch chuyển về vị trí :  IF   s – ( s   )    2.1  Δ  Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs về tần số ν trong hệ đo self- delayed-heterodyne. Bảng 2.1: Giá trị độ rộng vạch phổ tương ứng tại các mức cường độ tương đối từ hàm dạng Voigt. Cường độ tương -3dB -10dB -20dB đối Giá trị tương ứng 2∆ν 9 (2∆ν) 99 (2∆ν) Độ rộng ∆ν trong trường hợp này phụ thuộc vào thời gian trễ pha giữa hai pha, hay nói cách khác phụ thuộc vào độ dài sợi quang Lc. 9
g  MIN  (2.3)  Lc Trong đó g= c/ng là vận tốc nhóm của tín hiệu laser truyền trong sợi quang có chiết suất nhóm ng. Như vậy với độ dài sợi quang 2 km, phương pháp này cho phép xác định được độ rộng vạch phổ nhỏ nhất xấp xỉ 30 kHz. Chương III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân loại laser bán dẫn DFB 780 nm Bảng 3.1: Laser bán dẫn DFB 780 nm sử dụng trong luận văn. Laser Rf Rr w (μm) L (mm) Nhóm 1 L1501 0,01% 95% 3,0 1,5 L1502 0,01% 95% 3,0 1,5 L1503 0,01% 95% 3,0 1,5 Nhóm 2 L3001 0.01% 95% 3,0 3,0 L3002 0.01% 95% 3,0 3,0 L3003 0.01% 95% 3,0 3,0 3.2. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng Chúng tôi tiến hành đo đạc công suất và thế phụ thuộc dòng bơm của tất cả các laser ở nhiệt độ 25oC. Hình 3.1 là đặc trưng PUI của laser L1501. Laser được cấp dòng bơm từ 0 mA đến 400 mA. Ngưỡng phát của laser Ith có giá trị 41 mA. Trên dòng ngưỡng ta thấy công suất quang phát ra tương đối tuyến tính tăng đều đến 238 mW ở 400 mA (đường màu xanh trên Hình 3.1). Từ đường đặc trưng công suất ta tính được hiệu suất độ dốc từ ngưỡng đến 100 mW là η = 0,79 W/A . Đường màu đỏ là thế rơi trên chuyển tiếp của laser tăng từ 1,6 V cho đến 2,3 V. Hiệu suất biến đổi quang điện được thể hiện trên đường màu đen. Hiệu suất đạt giá trị cao nhất là 30%. 10
300 4 40 T = 25°C Ith = 41 mA HiÖu suÊt biÕn ®æi quang ®iÖn (%) I100mW = 167 mA  = 0.79 W/A 3 30 C«ng suÊt P (mW) 200 §iÖn thÕ U (V) 2 20 100 1 10 0 0 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Dßng ®iÖn I (mA) Hình 3.1: Đặc trưng PUI của laser L1501 ở nhiệt độ 25oC Các thông số thu được từ đặc trưng PUI của các laser DFB 780 nm có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm được tổng kết trên bảng 3.2. Bảng 3.2: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm. Dòng ngưỡng Công suất Hiệu suất độ Hiệu suất Ith (mA) cực đại @ 400 dốc đến 100 biến đổi mA mW (W/A) quang điện (mW) cực đại (%) Laser L1501 41 238 0,79 30 Laser L1502 39 252 0,85 32 Laser L1503 38 265 0,85 33 Dòng ngưỡng của các laser nhóm 1 tương đối đồng đều, thay đổi từ 38 mA đến 41 mA. Công suất cực đại tại 400 mA đạt được cao nhất ở laser L1503 là 265 mW, do đó laser này có hiệu suất độ dốc tính đến 100 mW cao nhất là 0,85. Các laser 1,5 mm hiệu suất biến đổi quang điện cao nhất là 33%. Đặc trưng công suất và thế phụ thuộc dòng bơm của laser có buồng cộng hưởng dài 3 mm được thể hiện trên Hình 3.4. Dòng bơm được cung cấp tới 500 mA. Laser L3001 có dòng ngưỡng Ith = 43 mA. Công suất cực đại tại 500 mA 11
dòng bơm là 274 mW. Hiệu suất độ dốc tính từ ngưỡng bơm đến 100 mW là 0,75 W/A. Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại của laser là 31%. 300 4 T = 25°C Ith = 42 mA 40 HiÖu suÊt biÕn ®æi quang ®iÖn (%) P500m A = 274 mW  = 0 .75 W/A 3 C«ng suÊt P (mW) 200 30 §iÖn thÕ U (V) 2 20 100 1 10 0 0 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Dßng ®iÖn I (mA) Hình 3.4: Đặc trưng PUI của laser L3001 ở nhiệt độ 25oC Từ kết quả đo đặc trưng quang điện của các laser có chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm, kết quả được tổng kết như bảng 3.3. Bảng 3.3: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm. Dòng ngưỡng Công suất Hiệu suất độ Hiệu suất Ith (mA) cực đại @ 500 dốc đến 100 biến đổi mA mW (W/A) quang điện (mW) cực đại (%) Laser L3001 42 274 0,75 32 Laser L3002 42 313 0,73 31 Laser L3003 45 301 0.68 29 Nhóm 2 cho thấy dòng ngưỡng tăng lên so với nhóm 1, Ith thay đổi từ 42 mA đến 45 mA. Công suất cực đại đạt được là 313 mW lớn hơn so với các laser nhóm 1. Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại gần như không thay đổi so với nhóm 1, trong khi hiệu suất độ dốc giảm. 12
3.3. Tính chất phổ của laser bán dẫn công suất cao biến đổi theo chiều dài buồng cộng hưởng Tiến hành khảo sát tính chất phổ của các laser ở nhiệt độ 25oC. Hình 3.7 là phổ của laser L1501 tại công suất quang 100 mW. Từ Hình ta thấy, đỉnh phổ nằm tại bước sóng 783,3 nm. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đạt 43 dBm. -20 Cêng ®é t¬ng ®èi (dB) -30 -40 43 dBm -50 -60 -70 -80 782.5 783.0 783.5 784.0 784.5 Bíc sãng  (nm) Hình 3.7: Phổ laser L1501 tại công suất quang 100 mW. Để khảo sát đầy đủ ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng đến tính chất phổ. Tất cả các laser được tiến hành đo bản đồ phổ bằng cách thay đổi dòng bơm từ 50 mA đến 400 mA đối với các laser 1,5 mm và tới 500 mA với các laser 3 mm, mỗi bước thay đổi 10 mA. Hình 3.8 là bản đồ phổ của laser L1501. Đường màu vàng trên Hình 3.8 thể hiện bước sóng trung tâm của laser. Hình 3.8: Bản đồ phổ của laser L1501 với bước thay đổi dòng là 10 mA. 13
Ta thấy, bước sóng của laser dịch từ 783,07 nm ở 50 mA tới 784,20 nm ở 400 mA. Bước sóng trung tâm dịch về phía bước sóng dài khi dòng bơm tăng là một tính chất phổ biến của laser DFB. Tính chất này là do chu kỳ cách tử bị thay đổi khi thay đổi dòng bơm dẫn đến bước sóng trung tâm thay đổi. Bước sóng dịch chuyển phụ thuộc vào dòng bơm của laser L1501 ∆λ/∆I = 0,0032 nm/mA. Trên Hình tại vị trí dòng bơm từ 190 mA sang 200 mA ta thấy có hiện tượng nhảy mode. Hiện tượng này xảy ra do hệ số khuếch đại của các mode dọc tại trung tâm chênh lệch nhau rất ít, do đó khi dòng bơm thay đổi thứ tự ưu tiên của các mode thay đổi, dẫn đến hiện tượng nhảy mode. Trong khi đó dịch chuyển bước sóng của laser L1503 là ∆λ/∆I = 0,0030 nm/mA. Hiện tượng nhảy mode tại vị trí chuyển dòng bơm từ 150 mA đến 160 mA. Như vậy tính chất phổ của các laser trong nhóm 1 không khác nhau nhiều, thể hiện tính đồng đều của các laser cùng loại. Tính chất phổ của các laser nhóm 2 có chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm được khảo sát trên Hình 3.11,... với điều kiện đo đạc giống như nhóm 1 ở 25oC. Dòng bơm từ 50 mA đến 500 mA. Hình 3.11: Bản đồ phổ của laser L3001 phụ thuộc dòng bơm. Nhóm 2 với chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm, hiện tượng nhảy mode vẫn xảy ra nhưng khoảng cách mode nhỏ hơn so với laser thuộc nhóm 1. Điều này 14