Nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn các dòng và bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao

Chương 2: Tìm hiểu về nguồn phát xung và nguồn cấp dòng một chiều cho laser bán dẫn, cơ chế làm việc của pin lạnh peltier cũng như tìm hiểu về mạch điều khiển nhiệt độ cho pin peltier Ch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Ngoan

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN

DẪN CÔNG SUẤT CAO

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ DOÃN MIÊN

Hà Nội – 2011

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN – MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 3

1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser bán dẫn 3

1.2 Một số đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn 11

1.2.1 Đặc trưng dòng bơm – công suất quang của laser bán dẫn 11

1.2.2 Đặc trưng dòng - thế ( I-V) 12

1.2.3 Đặc trưng phân bố không gian trường xa 13

1.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các đặc trưng laser bán dẫn 14

1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng P-I 14

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất quang điện 15

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 17

2.1 Tìm hiểu về nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao 17

2.1.1 Một vài yếu tố ảnh hưởng tới nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn 17

2.1.2 Nguồn xung và nguồn một chiều cấp dòng cho laser bán dẫn 19

2.2 Tìm hiểu về bộ điều khiển nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao 23

2.2.1 Bộ làm lạnh pin nhiệt điện peltier 23

2.2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ cho pin peltier 26

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 28

3.1 Thiết kế chế tạo nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao 28

3.1.1 Yêu cầu của nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn 28

3.1.2 Mạch nguyên lý và hoạt động của mạch nguồn phát xung 29

3.2 Thiết kế chế tạo nguồn cấp dòng một chiều cho laser bán dẫn công suất cao 32

3.2.1 Cơ sở thiết kế mạch nguồn cấp dòng một chiều 32

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch nguồn cấp dòng một chiều 33

3.2.3 Kiểm tra tính ổn định của nguồn dòng liên tục cấp nguồn cho laser bán dẫn 36

3.3 Thiết kế, chế tạo bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao 39

3.3.1 Mạch nguyên lý và thiết kế tổng thể của mạch điện điều khiển cấp dòng cho pin Peltier 39

3.3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển cấp dòng cho pin Peltier 40

3.3.3 Quá trình căn chỉnh chế độ làm việc của hệ ổn định nhiệt độ 48

3.3.4 Thiết kế chế tạo và lắp ráp bộ đế ổn định nhiệt độ trên cơ sở pin nhiệt điện Peltier

và cảm biến nhiệt độ bán dẫn 49

3.3.5 Kết quả khảo sát tính ổn định của bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn 51

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 57

4.1 Nghiên cứu đặc trưng công suất quang – dòng bơm (P- I) 57

4.2 Nghiên cứu đặc trưng dòng – thế (I-V) 60

4.3 Nghiên cứu đặc trưng phân bố trường xa 62

KẾT LUẬN 66

Các bài báo đã công bố Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Ký hiệu viết tắt

BA Broad Area

BH Buried Heterostructure

BNC British Naval Connector

DBR Distributed Bragg Reflector

DFB Distributed FeedBack

ESD Electro Static Discharge

FB Fabry Perot

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MQW Multi Quantum Well

Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LD Laser Diode

LED Light Emitting Diode

LiDAR Light Detection And Ranging

NTC Negative Temperature Coeficient

RF Radio Frequency

PWM Pulse Width Modulation

QW Quantum Well

SQW Single Quantum Well

TEC Thermo Electric Cooler

TTL Transistor Transitor Logic

VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser

MỞ ĐẦU

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là thiết bị tạo

ra chùm ánh sáng có cường độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp và có tính chuẩn trực cao Bước sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là cực kỳ thuần khiết (đơn sắc) khi được

so sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lượng tử) tạo nên chùm laser có mối quan hệ về pha cố định (tính kết hợp) Ánh sáng từ một laser điển hình có tính phân kỳ thấp, có thể đi qua một khoảng cách lớn hoặc có thể được tập trung tới một điểm sáng rất nhỏ với cường độ sáng rất lớn Do có những tính chất quí báu này, laser được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống

Nguyên lý hoạt động cơ bản của laser được phát minh bởi Charles Townes và Arthur Schalow từ phòng thí nghiệm Bell Telephone năm 1958, và laser thực tế đầu tiên dựa trên tinh thể ruby hồng được chứng minh năm 1960 bởi Theodor Maiman tại phòng nghiên cứu Hughes Từ thời điểm đó, có rất nhiều loại laser khác nhau được phát minh, nhưng chỉ có số ít được đưa vào những ứng dụng thực tế trong khoa học, công nghiệp, thương mại, và quân sự Laser diode bán dẫn được công bố đầu tiên vào năm 1962 bởi Robert Hall Kể từ đó đến nay, trải qua nhiều giai đoạn phát triển, các tính năng kỹ thuật của laser diode không ngừng được hoàn thiện Từ chỗ ban đầu là các laser đơn chuyển tiếp có dòng ngưỡng phát laser cao, chỉ hoạt động được 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 lượng

tử (MQW) với dòng ngưỡng phát laser thấp (đối với laser công suất thấp), có thể hoạt động được ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn Với các loại vật liệu bán dẫn khác nhau người ta có thể chế tạo các loại laser bán dẫn với bước sóng phát nằm trong cả dải từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại (390 – 2000 nm) 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 như trong đời sống hàng ngày

Laser bán dẫn có điện trở động nhỏ, chỉ một sự thay đổi nhỏ trong điện thế đặt vào sẽ có một sự thay đổi rất lớn trong dòng qua laser Do vậy nguồn nuôi laser thường là nguồn dòng Nguồn dòng nuôi laser phải cấp dòng ổn định và giảm thiểu tối

đa tác động của xung tức thời (transient) Có rất nhiều nguồn dòng thương mại đã được chế tạo với nhiều tính năng được tích hợp nhưng giá thành vẫn còn khá cao Do

đó, trong khuôn khổ đề tài luận văn chúng tôi nghiên cứu thiết kế và chế tạo nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao phù hợp với mục đích sử dụng và có giá thành thấp phù hợp với điều kiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng như các ứng dụng trong thực tế

Bên cạnh đó, yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của laser bán dẫn như tính chất quang điện, tính tin cậy, hiệu suất và thời gian sống của linh kiện Do đó

để đảm bảo ổn định nhiệt độ cho laser hoạt động, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ ổn định nhiệt độ dựa trên cơ chế làm lạnh nhiệt điện sử dụng pin peltier Cũng như nguồn dòng, trên thế giới có rất nhiều những sản phẩm thương mại của bộ

ổn định nhiệt độ cho laser Nhưng với điều kiện trong nước, một thiết bị ổn định nhiệt

độ cho laser bán dẫn công suất cao với giá thành rẻ là rất cần thiết

Trong luận văn này, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn xung, nguồn dòng và bộ ổn định nhiệt độ bằng pin Peltier Trên cơ sở các thiết bị chế tạo được, chúng tôi khảo sát một vài đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao phục vụ cho việc nghiên cứu laser bán dẫn cũng như nhằm mục đích ứng dụng laser bán dẫn công suất cao trong thực tế

Luận văn gồm có 4 chương :

Chương 1: Trình bày những khái niệm cơ bản về laser bán dẫn và các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn

Chương 2: Tìm hiểu về nguồn phát xung và nguồn cấp dòng một chiều cho laser bán dẫn, cơ chế làm việc của pin lạnh peltier cũng như tìm hiểu về mạch điều khiển nhiệt độ cho pin peltier

Chương 3: Trình bày các bước nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn cấp dòng và

bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao

Chương 4: Sử dụng các thiết bị chế tạo được vào một vài hệ thí nghiệm khảo sát một vài đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao

CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN – MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ

BẢN

1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser bán dẫn

Trong chất bán dẫn các chuyển mức của điện tử từ các trạng thái năng lượng thấp (E1) trong vùng hóa trị (Ev) lên trạng thái năng lượng cao (E2) trong vùng dẫn (Ec) nằm cách nhau một khoảng bằng năng lượng vùng cấm Eg gọi là sự kích thích Sau một thời gian tồn tại ở trạng thái năng lượng cao các điện tử quay về trạng thái năng lượng thấp Chuyển mức của điện tử từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp là quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống, có hai loại tái hợp là tái hợp bức xạ và tái hợp không bức xạ Tái hợp bức xạ phát ra các photon ánh sáng, tái hợp không bức xạ phát ra các phonon dao động mạng tinh thể Trong trường hợp chuyển mức của điện tử từ đáy vùng dẫn xuống đỉnh vùng hoá trị, xác xuất chuyển dời bức xạ trong các bán dẫn vùng cấm thẳng cao hơn nhiều so với bán dẫn vùng cấm xiên (khi đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị nằm trên cùng hoặc khác giá trị véc tơ sóng trong không gian véc tơ sóng) Vì vậy, các laser bán dẫn thường được chế tạo trên cơ

sở các bán dẫn vùng cấm thẳng loại A3B5 nhưGaAs, InP,…với độ rộng vùng cấm của bán dẫn ở lớp tích cực của chíp laser ta có các bước sóng phát laser khác nhau Ánh sáng (hay photon) phát ra trong laser bán dẫn liên quan tới bức xạ bờ vùng nên có bước sóng tuỳ thuộc vào độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, được xác định như sau [1,2,5]:

=ℎ ↔ ( ) = 1.240

( ) (1.1)

Khi có photon ánh sáng với năng lượng h  ≥ E g chiếu 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 lượng

thấp trong vùng hóa trị lên trạng thái năng lượng 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 bước sóng, pha và hướng lan truyền khác nhau) gọi là phát xạ tự phát Phát xạ cưỡng bức là quá trình mà trong đó ánh sáng chiếu tới gây ra sự phát xạ cưỡng bức (hay cảm ứng) của điện tử ở trạng thái kích thích Ánh sáng phát ra có cùng bước sóng, pha, phân cực và hướng lan truyền với ánh sáng chiếu tới Vì vậy ánh sáng sinh ra bởi phát xạ cưỡng bức có tính đơn sắc, kết hợp

và định hướng cao Trong bức xạ cưỡng bức có hai photon sinh ra: một là photon ánh sáng chiếu tới và một là photon sinh ra do bức xạ cưỡng bức Hai photon này lại tiếp tục kích thích hay cảm ứng các cặp điện tử khác tái hợp sinh ra bức xạ cưỡng bức với các photon giống như vậy Quá trình như vậy xảy ra tiếp tục trong môi trường khuếch

đại, ánh sáng chiếu tới được khuếch đại bởi bức xạ cưỡng bức và ta có sự khuếch đại quang

Trong điều kiện cân bằng nhiệt, số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng cao Vì vậy khi có ánh sáng chiếu tới chỉ có sự hấp thụ xảy ra Để có được sự khuếch đại quang ta cần phải làm cho số điện tử ở trạng thái năng lượng cao nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp Điều kiện này gọi là sự đảo mật độ tích lũy Điều kiện đảo mật độ tích lũy hạt tải là − >

− > với à là mức Fecmi của điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị tương ứng

Sự đảo mật độ tích lũy trong các chất bán dẫn xảy ra ở vùng lân cận bờ vùng đạt được 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 cưỡng bức

Hệ số khuếch đại công suất quang g trên một đơn vị độ dài được định nghĩa

[1,2] : = (1.2)

Hình 1.1: 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 1,3 m

với I là cường độ ánh sáng trên một đơn vị diện tích Người ta có thể tính toán g với lưu ý là g tỉ lệ với hiệu giữa tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức và tốc độ hấp thụ giữa hai mức năng lượng E 1 và E 2 Cường độ ánh sáng bức xạ do chuyển mức quang học

giữa mức kích thích E 2 và mức cơ bản E 1 được định nghĩa là = ( ), với 

là tốc độ nhóm,  pht (E 21 ) là mật độ photon và E 21 = E 2 - E 1 = h  là năng lượng photon

Khi có ánh sáng chiếu tới vật liệu vùng tích cực, cả hai quá trình bức xạ cưỡng bức và hấp thụ có thể xảy ra đồng thời nên tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức thực sẽ là hiệu của tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức và tốc độ hấp thụ Trên cơ sở tính toán tốc độ

hấp thụ R 12,abs , tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức R 21,stim giữa hai mức năng lượng E 1 và

E 2 trong chất bán dẫn ta có sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại quang g vào tốc độ tái

hợp bức xạ cưỡng bức thực ( = , − , ) [1,2,5]:

= ( ) (1.3) Nghĩa là tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức thực càng lớn ta có hệ số khuếch đại quang càng lớn So sánh với lý thuyết bức xạ của vật đen tuyệt đối (các hệ số Einstein) kết hợp sử dụng thuyết nhiễu loạn phụ thuộc vào thời gian trong cơ lượng tử có thể

tính hệ số khuếch đại công suất quang g phụ thuộc vào năng lượng photon h  nghĩa là phụ thuộc vào bước sóng khuếch đại được chọn và mật độ hạt tải tiêm vào Việc tính

toán cũng như biểu thức g(h  ) nhận được nói chung là phức tạp Hình 1.1 là sự phụ

thuộc của hệ số khuếch đại g vào năng lượng photon h  cho các mật độ hạt tải tiêm vào khác nhau được tính toán cho vùng tích cực InGaAsP 1,3 m [2] Khi mật độ hạt tải bơm vào yếu (1x1018 cm3), g < 0, chưa xảy ra sự đảo mật độ tích lũy hạt tải và chưa

có sự khuếch đại Khi mật độ hạt tải bơm vào tăng lên, g có giá trị dương, đường cong

khuếch đại mở rộng, tăng lên về biên độ và đỉnh phổ khuếch đại dịch về phía năng lượng cao (bước sóng ngắn hơn) Khi tăng mật độ hạt tải bơm vào sự bắt đầu xuất hiện của độ khuếch đại dịch về phía năng lượng photon thấp hơn do sự giảm năng lượng

vùng cấm E g khi mật độ hạt tải tăng Nửa âm của trục tung tương ứng với hệ số hấp thụ

vì hệ số hấp thụ công suất quang α(h  ) và hệ số khuếch đại công suất quang g(h  )

được liên hệ với nhau như sau: α(h  )= - g(h  ) Ta cũng thấy trên hình 1.1 hệ số

khuếch đại quang tăng nhanh trong chất bán dẫn một khi sự đảo mật độ tích lũy hạt tải được thực hiện Vì có độ khuếch đại quang cao như vậy nên các laser bán dẫn có thể được chế tạo với kích thước vật lý rất ngắn (dưới 1 mm) Contour khuếch đại như trên hình 1.1sẽ liên quan đến vùng xuất hiện các mode sóng dọc trong bức xạ cưỡng bức của laser bán dẫn loại buồng cộng hưởng Fabry-Perot hay nói cách khác, các mode sóng dọc (phụ thuộc vào bước sóng) phát ra sẽ nằm trong vùng của contour khuếch đại

Tuy nhiên, trong môi trường 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 như tái hợp Auger, v.v… Khi sự khuếch đại quang bù trừ được các mất mát quang mới xảy ra dao động laser Vì vậy, nếu chỉ có khuếch đại quang sẽ chưa 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 được 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 được thực hiện bằng cách đặt môi trường khuếch đại giữa các gương phản xạ tạo thành buồng cộng hưởng quang hay còn gọi là buồng cộng hưởng Fabry-Perot (FP) Trong trường hợp laser bán dẫn, các gương phản xạ ngoại là không cần thiết vì các bề mặt bổ tinh thể laser có tác dụng như các gương phản xạ với độ phản xạ [1,2,5]:

= ( − 1+ 1) (1.4)

với n là chiết suất của môi trường khuếch đại Thông thường, 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 được thực hiện bởi cách tử trên cơ sở thay đổi tuần hoàn chiết suất ở gần vùng tích cực

Khái niệm ngưỡng phát laser có thể hiểu là một phần các photon sinh ra bởi bức

xạ cưỡng bức sẽ bị mất đi do sự mất mát trong buồng cộng hưởng và cần phải được bổ sung liên tục Nếu độ khuếch đại quang không đủ lớn để bù trừ được sự mất mát trong buồng cộng hưởng sẽ không tạo ra được được mật độ photon cần thiết Như vậy, một giá trị độ khuếch đại tối thiểu là cần thiết cho hoạt động laser, giá trị này thực hiện được chỉ khi laser được bơm trên mức ngưỡng Dòng điện bơm cần thiết để đạt được ngưỡng gọi là dòng ngưỡng phát laser Nói chung, dòng ngưỡng phát laser cũng gần với dòng ngưỡng để đạt được sự đảo mật độ trạng thái Sự cân bằng giữa độ khuếch đại và độ mất mát đựơc biểu diễn như sau [1,2,5]:

1 2

ln 2

cơ sở chuyển tiếp p-n Để tạo ra được bán dẫn loại n hay loại p người ta thực hiện pha tạp với các tạp chất phù hợp Trong trường hợp bán dẫn loại n mật độ điện tử trong chất bán dẫn lớn hơn mật độ lỗ trống và ngược lại cho bán dẫn loại p (nếu không có pha tạp thì bán dẫn đó được coi là sạch và thường được gọi là bán dẫn thuần) Mức Fermi sẽ dịch chuyển đến vùng dẫn khi mà nồng độ pha tạp tăng Đối với bán dẫn thuần (không pha tạp) thì mức Fermi sẽ nằm ở giữa vùng cấm Nếu trường hợp pha tạp

rất mạnh bán dẫn loại n thì mức Fermi cho điện tử Efc sẽ nằm sâu trong vùng dẫn (Efc

> Ec) Trong trường hợp như vậy người ta có bán dẫn suy biến loại n

Tương tự đối với mức Fermi cho lỗ trống Efv bị dịch chuyển vào vùng hoá trị đối với bán dẫn loại p và mức Fermi sẽ nằm sâu trong vùng đó khi pha tạp mạnh Trong điều kiện cân bằng nhiệt thì mức Fermi phải là một đường thẳng liên tục xuyên qua chuyển tiếp p-n Để dễ dàng đạt được trạng thái đảo mật độ tích lũy khi tiêm dòng vào laser bán dẫn hay nói cách khác, để có được dòng ngưỡng phát laser thấp, người ta thường pha tạp mạnh để có được bán dẫn suy biến trong vùng chuyển tiếp p-n của các laser bán dẫn

Khi chuyển tiếp p-n được phân cực

thuận bằng một điện thế bên ngoài hàng

rào thế năng của chuyển tiếp sẽ giảm đi

Sự giảm này dẫn tới sự khuếch tán của các

điện tử và lỗ trống qua lớp chuyển tiếp

Trong các chuyển tiếp p-n đơn hay chuyển

tiếp đồng nhất (vật liệu bán dẫn nằm ở hai

phía của chuyển tiếp đều là như nhau) sự

tái hợp của điện tử và lỗ trống xảy ra trên

cả một vùng tương đối rộng (~1 10 m)

được xác định bởi độ dài khuếch tán của

điện tử và lỗ trống và các hạt tải không

được giam giữ ở vùng lân cận ngay sát

chuyển tiếp nên rất khó đạt được mật độ

hạt tải cao Vấn đề về giam giữ hạt tải này

có thể giải quyết bằng cách đưa vào một

lớp mỏng nằm kẹp giữa các lớp loại n và loại p với điều kiện độ rộng vùng cấm của lớp này phải nhỏ hơn so với các lớp loại n và p xung quanh Lớp ở giữa này có thể có pha tạp và cũng có thể không cần pha tạp, tuỳ phụ thuộc vào thiết kế của linh kiện Vai trò của lớp này là nhằm giam giữ ở bên trong nó những hạt tải được tiêm vào dưới tác dụng của thiên áp thuận Sự giam giữ hạt tải xảy 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 (cùng hằng số mạng) nhưng khác nhau về độ rộng vùng cấm Chuyển tiếp như vậy gọi là chuyển tiếp dị thể và các linh kiện dựa trên cơ sở đó có cấu trúc dị thể kép Do độ dầy của lớp kẹp ở giữa có thể điều chỉnh được (thông thường ~ 0,1-1 m) nên mật độ hạt tải cao có thể thực hiện được tại một dòng tiêm (hay bơm) nào đó Hình 1.2 cho thấy giản đồ năng lượng của cấu trúc dị thể kép khi không có và có thiên áp thuận

Hình 1.2 : Sơ đồ năng lượng của cấu

trúc dị thể kép : a) Trong trạng thái cân băng nhiệt ; b) Khi phân cực thuận

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo (a), giản đồ năng lượng (b), phân bố chiết suất (c) và ánh sáng (d) của LD dị chuyển tiếp kép AlGaAs/GaAs

Sử dụng cấu trúc chuyển tiếp p-n dị thể kép cho các nguồn sáng bán dẫn sẽ có hai lợi ích Như đã nói tới ở trên, sự khác nhau về độ rộng độ rộng vùng cấm giữa hai chất bán dẫn giúp cho việc giam giữ các hạt tải trong lớp nằm giữa các lớp p và n Lớp

ở giữa này còn được gọi là lớp tích cực vì ánh sáng sinh ra ở đó là do kết quả của sự tái hợp của điện tử và lỗ trống Do

có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn nên

lớp tích cực cũng có chiết suất lớn

hơn một ít so với các lớp loại p và n

xung quanh Sự khác nhau về chiết

suất này làm cho lớp tích cực hoạt

động như dẫn sóng điên môi và số

mốt sóng quang (mốt ngang hay mốt

không gian) trong đó có thể kiểm

soát được bằng cách điều chỉnh độ

dày lớp tích cực Như vậy, cấu trúc

dị thể giam giữ được các photon ánh

sáng phát ra trong lớp tích cực do

tính chất dẫn sóng điện môi này

Hình 1.3 trình bày giản đồ

năng lượng, phân bố chiết suất và

cường độ ánh sáng trong laser cấu

trúc dị chuyển tiếp kép

AlGaAs/GaAs khi phân cực thuận Ở đây điện tử được tiêm vào vùng tích cực từ phía

bán dẫn loại n và lỗ trống được tiêm vào từ phía bán dẫn loại p Tại vùng tích cực, hạt

tải được giam giữ nhờ các rào thế của chuyển tiếp do độ rộng vùng cấm của lớp tích

cực GaAs (E g  1,42 eV) nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của các lớp vỏ AlGaAs (E g  2

eV) Để dễ đạt được điều kiện đảo mật độ tích lũy hạt tải, các lớp vỏ loại p và loại n ở

hai phía lớp tích cực trong cấu trúc laser bán dẫn được pha tạp mạnh và trở thành bán dẫn suy biến Lớp tích cực mỏng nằm kẹp giữa các lớp vỏ thường không pha tạp để tránh sự mất mát quang trên các tâm tạp làm giảm hiệu suất phát quang, tuy nhiên cho các mục đích đặc biệt, khi cần có thời gian sống của hạt tải nhỏ để tăng tốc độ hoạt động của laser người ta có thể pha tạp ở lớp này Lớp tích cực có thể có chiết suất cao hơn các lớp xung quanh từ vài phần nghìn tới vài phần trăm nên ánh sáng laser được giam giữ trong vùng tích cực, tuy nhiên, một phần ánh sáng nằm trong các lớp vỏ

Cấu tạo điển hình của một linh kiện phát quang bán dẫn dị chuyển tiếp kép được thường gồm bốn lớp màng mỏng từ vài phần mười m đến vài m được phủ lên trên đế bán dẫn (substrate) bằng kỹ thuật epitaxi nhằm làm cho sự sai khác về hằng số

mạng tinh thể giữa các lớp là ít nhất (dưới 0,1%) Như trên hình 1.4 là cấu trúc điển hình của laser chuyển tiếp dị thể dải (stripe) hình học hay điện cực dải Ta thấy có các lớp giam giữ hay lớp đệm (confining layer) loại n và p, lớp tích cực (active layer) và lớp pha tạp mạnh p+ để tăng tiếp xúc omic (contacting layer) Dòng điện tiêm cho laser được giới hạn theo chiều ngang bởi dải điện cực kim loại nằm giữa hai dải điện môi cách điện (oxide isolator) Ánh sáng laser phát vì vậy được giới hạn ở vùng nhỏ theo chiều ngang của lớp tích cực Nếu không có hai dải điện môi này, lớp điện cực kim loại được phủ lên toàn bộ diện tích mặt phía trên của chíp laser và ta có laser diện rộng Khi đó ánh sáng laser được phát dọc theo toàn bộ chiều ngang cạnh chíp laser và gồm nhiều mốt không gian

Các cấu trúc dị thể nhóm III-V được sử dụng làm lớp tích cực và bước sóng bức xạ tương ứng như sau:

bước sóng phát khác nhau (từ 630 nm đến 850 nm) và InxGa1-xAsyP1-y trên để InP với x

và y thay đổi ta có thể có các bước sóng 1310 nm (In0,75Ga0,25As0,5P0,5) và 1550 nm

Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripe

contact laser diode

L W

Cleaved reflecting surface Elliptical

laser beam

© 1999 S.O Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

Hình 1.4: Cấu trúc của laser chuyển tiếp dị thể

dải hình học

(In0,63Ga0,37As0,8P0,2) Ngoài ra còn có các loại laser bán dẫn trên cơ sở các loại vật liệu khác như GaInAlP/GaAs (=0,63÷0,67m), laser siêu mạng có lớp ứng suất InGaAs/GaAs (=0,98 m), InGaN/ GaN (=390÷440 nm) Laser diode vùng hồng ngoại xa (=3÷34 m) trên cơ sở Pb1-XSeX trên đế PbTe và các vật liệu khác đang được nghiên cứu Các nghiên cứu chế tạo các laser phát ở vùng nhìn thấy với vật liệu không chứa nhôm Al cũng được thực hiện nhằm tránh Al là vật liệu dễ bị oxy hóa nhằm tăng tuổi thọ laser

Có nhiều loại cấu trúc laser diode khác nhau như laser diện rộng, laser dải hình học, laser chuyển tiếp dị thể vùi, laser dạng gò (messa), laser phát mặt v.v Ngoài việc giam giữ hạt tải theo chiều vuông góc với chuyển tiếp p-n do các rào thế (như trên hình 1.3 b), sự giam giữ hạt tải theo chiều song song với chuyển tiếp p-n cũng rất quan trọng nhằm tăng hiệu suất phát quang của laser bán dẫn như cho laser dải hình học ở trên Tùy thuộc vào cấu trúc laser sử dụng mà người ta chia ra làm hai loại chính là laser dẫn hướng độ khuếch đại (gain-guided) và laser dẫn hướng chiết suất (index-guided) Trong đó, dẫn sóng cho bức xạ tự phát theo hướng song song với chuyển tiếp p-n được thực hiện bởi độ khuếch đại quang (do sự giam giữ mật độ hạt tải trong một vùng giới hạn như trên hình 1.4) hay do chiết suất của vật liệu ở tâm vùng tích cực cao hơn các vùng xung quanh theo hướng song song với lớp chuyển tiếp Sự giam giữ ánh sáng trong vùng tích cực theo hướng vuông góc với chuyển tiếp p-n được thực hiện bởi lớp tích cực có chiết suất cao hơn các lớp vỏ như trên hình 1.3 Tuy nhiên, do là dẫn sóng điện môi nên một phần sóng quang lan truyền ra các lớp vỏ ( hình 1.3d) và ta

có hệ số nhốt quang a(tỉ lệ giữa phần ánh sáng bên trong lớp tích cực trên toàn bộ ánh sáng lan truyền cả trong lớp tích cực và các lớp vỏ) Các loại laser dẫn hướng chiết suất (ví dụ loại laser chuyển tiếp dị thể vùi BH, laser gò) thường có dòng ngưỡng phát laser thấp, công suất quang lối ra cao hơn laser dẫn hướng độ khuếch đại (laser dải hình học)

Laser giếng lượng tử (QW) là các laser bán dẫn có lớp tích cực với cấu trúc giếng lượng tử, có các laser với giếng lượng tử đơn(SQW) và đa giếng lượng tử (MQW) Các laser giếng lượng tử có nhiều tính chất tuyệt vời như dòng ngưỡng thấp, hiệu suất lượng tử vi phân cao, tốc độ biến điệu cao, chirp thấp và độ bán rộng phổ nhỏ

Cấu trúc tổng thể của laser giếng lượng tử cũng giống như các loại laser bán dẫn khối nói trên, nghĩa là gồm các lớp epitaxi phủ trên đế bán dẫn Lớp tích cực khác

ở chỗ gồm một hay nhiều lớp epitaxi có độ dày vài nm tới ~ 10 nm tạo nên cấu trúc giếng lượng tử Cấu trúc đơn giếng lượng tử dẫn tới làm giảm hệ số nhốt quang trong vùng tích cựcdo độ dày lớp tích cực giảm nên dòng ngưỡng phát laser tăng Để có giá trị a lớn các cấu trúc giếng lượng tử được phát triển với cấu trúc đa giếng lượng tử MQW, khi đó hệ số nhốt quang  tăng lên do có nhiều lớp giếng lượng tử ở vùng

giam giữ quang Vì vậy, đa phần các laser bán dẫn hiện nay được chế tạo là các laser

đa giếng lượng tử

Ngoài các laser phát cạnh phổ biến, người ta cũng thiết kế chế tạo các loại laser phát mặt (VCSEL), nghĩa là ánh sáng laser được phát ra từ bề mặt phía trên của chíp laser với cấu trúc khối hay giếng lượng tử Như đã nhắc tới ở trên, các laser đơn tần DFB, DBR với các cấu trúc cách tử gần vùng tích cực cũng được thiết kế chế tạo

Các laser bán dẫn công suất cao với công suất quang lối ra từ vài trăm mW cho tới vài W cho đơn chip laser có nguyên lý hoạt động tương tự như nêu trên Tuy nhiên,

để có thể hoạt động ở chế độ dòng bơm lớn, mật độ công suất quang lối ra cao, độ dày vùng tích cực thường lớn (~1µm) so với độ dày vùng tích cực rất nhỏ của laser bán dẫn công suất thấp (~0,2 ÷ 0,3 µm) Đồng thời độ rộng vùng phát xạ hay vùng tích cực thường lớn ( ~ 60 ÷ 200 µm) Vì vậy, dòng ngưỡng phát laser cũng như dòng hoạt động của laser bán dẫn công suất cao lớn ( vài trăm mA tới vài A cho đơn chip laser) Các mặt gương của chip laser diode công suất cao có thể được phủ lớp chống phản xạ

ở một mặt hoặc cả hai mặt (một mặt có độ phản xạ cao và một mặt có độ phản xạ thấp) Các laser bán dẫn công suất cao có cấu trúc diện rộng BA hoặc cấu trúc dẫn sóng gò hoặc các cấu trúc đặc biệt khác nhằm mục đích tăng công suất quang lối ra hoặc cải thiện chất lượng chùm tia laser Các laser bán dẫn công suất cao được đặc biệt chú trọng về vấn đề tản nhiệt, thông thường chúng được hàn lên đế tản nhiệt dưới dạng cực dương nối vỏ (p-down) để tản nhiệt tốt hơn Các yêu cầu về dòng hoạt động cũng như vấn đề tản nhiệt ngặt nghèo hơn nhiều so với laser bán dẫn công suất thấp để đảm bảo độ ổn định hoạt động cũng như tuổi thọ của laser

1.2 Một số đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn

1.2.1 Đặc trưng dòng bơm – công suất quang của laser bán dẫn

Đặc trưng công suất quang dòng

bơm là đặc trưng quan trọng nhất của

laser bán dẫn , đây là đặc trưng phi

tuyến và gồm có hai phần: phần biểu thị

cho bức xạ tự phát (hay huỳnh quang) ở

bên dưới dòng ngưỡng phát laser I th và

phần phát laser khi dòng bơm ở trên

ngưỡng phát Khi tăng dòng bơm đến

một giá trị nào đó, mật độ hạt tải bơm

vào vùng tích cực của laser đạt đến giá

trị ngưỡng n th dẫn tới trạng thái đảo mật

độ tích lũy hạt tải và bức xạ laser xảy ra

Hình 1.5: Đặc trưng công suất quang -

dòng bơm (P-I) của laser bán dẫn

Giá trị dòng bơm này là ngưỡng phát laser I th Đối với dòng bơm trên ngưỡng phát

laser mật độ hạt tải có giá trị không đổi và bằng mật độ hạt tải ngưỡng n th Từ đặc trưng P-I, người ta có thể xác định hiệu suất độ dốc ∆

∆ Nếu dòng ngưỡng phát laser thấp (vài mA), độ dốc đặc trưng lớn và dòng bơm làm laser bị bão hoà cao nghĩa là laser có chất lượng tốt

Nếu biểu diễn hiệu suất lượng tử nội ( xác suất tái hợp bức xạ của hạt tải tiêm vào vùng tích cực) là ηi, ta có thể viết công thức cho công suất quang sinh ra bởi bức

xạ cưỡng bức bên trong buồng cộng hưởng của laser như sau [9]:

= ℎ (1.6) Một phần công suất quang này bị tiêu tán do các mất mát nội trong buồng cộng hưởng của laser (α),phần còn lại thoát ra khỏi buồng cộng hưởng sau khi chịu sự mất mát do gương là (1/L)ln(1/R) Như vậy, ta có thể viết công suất quang lối ra của laser như sau [9]:

=( − ) ∗ ∗ ℎ

∗

1

ln (1)+ 1 ln (1)

(1.7)

Trong đó: : dòng ngưỡng phát laser

: hệ số mất mát nội

: điện tích của một điện tử

: hệ số phản xạ của mặt buồng cộng hưởng

: chiều dài buồng cộng hưởng

Từ công thức (1.7) ta có hiệu suất lượng tử ngoại của laser:

Từ đặc trưng trên ta xác định được sụt thế thuận trên chuyển tiếp VF

1.2.3 Đặc trưng phân bố không gian trường xa

Do lớp tích cực của laser diode bán dẫn có kích thước nhỏ và tính chất hai mặt phản xạ ở hai mặt gương buồng cộng hưởng quang, do đó không tạo ra được sự hội tụ Điều đó dẫn tới laser bán dẫn có độ phân kì của chùm tia ra lớn hơn so với các loại laser khác Dạng chùm ra của laser bán dẫn là không đối xứng, điều này xuất phát từ tính chất không đối xứng của kích thước lớp tích cực (độ dày d=0,1~0,3 μm, độ rộng w=3~5 μm, từ đó ta có w>>d) Phân bố không gian trường gần và trường xa tạo nên cấu trúc mode ngang của laser bán dẫn

Khi đặt màn chắn sát mặt laser (phân bố trường gần) ta sẽ thu được vệt sáng

mà cường độ sáng của nó biểu thị mật độ của chùm ra Số lượng vệt sáng và sự sắp xếp vị trí không gian vết sáng tùy thuộc vào kích thước miền tích cực và công suất quang ra

Trong thực tế, người ta chú ý

hơn tới phân bố không gian trường xa

(phân bố ở khoảng cách rất lớn so với

kích thước vùng tích cực) đường biểu

diễn phân bố không gian trường xa

là đuờng cong của công suất quang ra

và nó phụ thuộc vào góc Khi công

suất bức xạ thay đổi, đường biểu diễn

phân bố không gian trường xa sẽ thay

đổi theo

Ta có các công thức tính góc

phân kỳ theo hai chiều vuông góc và

Hình 1.6: Đặc trưng I-V của laser bán dẫn

Hình 1.7: Sơ đồ trường xa và trường gần

của laser

song song với lớp tích cực:

= ; = (1.9) Với : bước sóng phát laser

d: bề dày lớp tích cực

w: bề rộng lớp tích cực

và : là các góc được biểu diễn trong hình 1.7

1.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các đặc trưng laser bán dẫn

Làm lạnh hay làm mát là quá trình kỹ thuật giữ cho nguồn nhiệt (laser bán dẫn) tại một nhiệt độ mong muốn Tiến trình làm mát thực hiện loại bỏ phần nhiệt lượng được tạo ra do lượng công suất điện Pel duy trì hoạt động của laser bán dẫn không được chuyển đổi thành công suất quang Popt, mà chuyển đổi thành công suất nhiệt

Pth=Pel - Popt

Điện trở nhiệt Rth của một vùng cần loại bỏ nhiệt hay tản nhiệt (nguồn nhiệt + vùng nhiệt) được định nghĩa như là sự khác biệt nhiệt độ giữa điểm nóng nhất và điểm lạnh nhật trong vùng này mà được tạo ra bởi 1W của công suất nhiệt [3]:

= ∆ (1.10)

Nhiệt của laser bán dẫn chủ yếu được tạo ra trong lớp tích cực – vùng tạo ra và dẫn hướng ánh sáng trong dẫn sóng của bộ phát laser Điểm nóng nhất trong một laser bán dẫn được định vị tại điểm giao nhau của ống dẫn sóng và mặt trước, điểm lạnh nhất trong laser bán dẫn được định vị ở vị trí nào đó tại biên của luồng nhiệt- ví dụ, tại lối vào của nước trong trường hợp được làm lạnh bằng nước

Nhiệt độ của laser bán dẫn ảnh hướng tới tính chất điện quang như hiệu suất và tính tin cậy Để hiểu rõ hơn chúng ta sẽ tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ trong những tính chất của laser bán dẫn

1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng P-I

Đối với laser bán dẫn, khi nhiệt độ tăng, mật độ dòng ngưỡng Jth tăng và hiệu suất lượng tử vi phân ngoại giảm như trên hình 1.8:

Sự phụ thuộc của mật độ dòng ngưỡng Jth vào nhiệt độ được xác định bởi [8] :

= exp (1.11)

Với Jth0 là hệ số, Tj nhiệt độ trong vùng tích cực hay là nhiệt độ chuyển tiếp p-n,

T0 là nhiệt độ đặc trưng T0 lớn dẫn tới dJth/dTj nhỏ nghĩa là laser tốt hơn Tuy nhiên cũng cần thận trọng khi đánh giá laser theo T0 vì khi Jth lớn hơn dẫn tới J0 lớn hơn trong khi dJth/dTj = hằng số Vì vậy, khi các laser có cùng Jth ở tại một nhiệt độ thì T0mới đánh giá đúng chất lượng laser Việc tăng Jth khi Tj tăng gây ra bởi sự mở rộng phổ khuếch đại và sự tràn của hạt tải bên trên các rào thế dị chất Để giảm sự tràn này cần tăng rào thế ∆Eg giữa lớp tích cực và các lớp vỏ xung quanh ∆Eg cần lớn hơn 0,3eV Hiệu suất ήd giảm khi Tj tăng do nồng độ hạt tải ngưỡng ήth tăng theo Jth làm tăng sự hấp thụ hạt tải tự do Trong các laser InGaAsP/InP (λ=1,3μm) T0 ~70K (trong dải 250C -650C) T0 nhỏ hơn với laser AlGaAs/GaAs vì do sự tràn qua rào thế mạnh hơn do khối lượng hiệu dụng của hạt tải điện tử nhẹ hơn và do các tái hợp không bức

xạ gây ra bởi các quá trình Auger và sự hấp thụ ở vùng hóa trị

Sự phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ của laser bán dẫn là một nhược điểm lớn của

nó Điều này làm hạn chế hoạt động trong các ứng dụng cụ thể Vì vậy điểm quan trọng là phải ổn định được nhiệt độ làm việc của nó trong sự biến đổi nhiệt độ

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất quang điện

Tính chất của chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, do vậy các thông số thuộc tính của laser bán dẫn như dòng ngưỡng Ith và hiệu suất độ dốc Cách hoạt động theo nhiệt độ của chúng như công thức 1.11 có thể được biểu diễn lại bởi mối quan hệ của dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc theo hàm mũ như sau [3]:

( + Δ ) = ( ) (1.12)

Và ( + Δ ) = ( ) (1.13)

Hình 1.8: Đặc trưng P-I của hai loại laser bán dẫn với hai nhiệt

độ đặc trưng T 0 khác nhau

Khi T0 là nhiệt độ đặc trưng của dòng ngưỡng và T1 là nhiệt độ đặc trưng của

hiệu suất độ dốc.Tăng nhiệt độ laser bán dẫn để tăng dòng ngưỡng của nó và giảm

hiệu suất độ dốc Kết quả, công suất quang lối ra [3]:

( ) = ( ) − ( ) (1.14)

sẽ giảm và bởi vậy hiệu suất điện quang cũng sẽ giảm

= (1.15) Nếu quyết định tăng dòng điện để công suất điện lối vào duy trì công suất

quang lối ra ban đầu thì hiệu suất điện quang sẽ giữ tại một mức thấp hơn Bảng 1.1

đưa ra tính toán ví dụ cho những thông số laser tại nhiệt độ T và T+Δ sử dụng Ith =

Bảng 1.1:Sự ảnh hưởng của nhiệt độ tăng trong thông số laser

Tóm lại, dựa trên những giá trị được đề cập ở trên, sự tăng nhiệt độ Δ <

tạo ra sự mất mát công suất quang lối ra gần như tuyến tính là 1W với 4K

Như vậy, trong chương này chúng tôi trình bày những khái niệm cơ bản và

những đặc trưng quan trọng của laser bán dẫn Đồng thời, ta cũng thấy sự phụ thuộc

vào nhiệt độ của một số thông số của laser bán dẫn là rõ ràng, từ đó nhu cầu thiết kế

chế tạo nguồn cấp dòng và bộ ổn định nhiệt độ cho linh kiện là thực sự cần thiết

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO

2.1 Tìm hiểu về nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao

Như chương 1 chúng ta đã trình bày, laser bán dẫn là một thiết bị bán dẫn có thể phát ra ánh sáng Nguyên lý làm việc của laser dựa trên phát xạ kích thích của điện

tử Đặc trưng chính của laser bán dẫn là sự phụ thuộc giữa dòng bơm vào laser ILD và mật độ ánh sáng lối ra LLD Đường cong này được chỉ ra trên hình 2.1

Ta có thể quan sát trên hình 2.1, có 3 phần trong đường cong L/I Trong điều kiện làm việc thông thường, phần thứ 2 (phát xạ kích thích) thường được sử dụng Đó

là đường tuyến tính và thỏa mãn nhiều yêu cầu ứng dụng

Laser bán dẫn có điện trở động nhỏ (vài mΩ) Điều này dẫn tới một thực tế rằng khi có một sự thay đổi nhỏ trong điện thế đặt vào, sẽ có một sự thay đổi rất lớn trong dòng qua laser Vì điều này, nguồn điện đặt vào laser phụ thuộc chủ yếu vào dòng qua laser trong khi điện áp gần như là không đổi Do vậy, nguồn cấp cho laser thường là nguồn dòng là nguồn lấy dòng điện làm chuẩn, điện áp phụ thuộc vào tải Chúng ta phải xem xét một vài yếu tố của nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn trước khi

chọn một nguồn cấp dòng laser trong từng ứng dụng cụ thể [6]

2.1.1 Một vài yếu tố ảnh hưởng tới nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn

nguồn công suất có điện áp ra phù hợp Nguồn thế, điển hình là nguồn công suất phù hợp, được thiết kế để tạo một điện áp dốc tốt tại thời điểm khởi động, cho phép dòng điều chỉnh theo yêu cầu của tải Tuy nhiên, điểm hoạt động của hầu hết laser bán dẫn được đặc trưng bởi trở kháng vi phân thấp (dV/dI), sự thay đổi nhỏ trong điện áp gây

ra sự thay đổi lớn trong dòng điều khiển Do đó, sử dụng nguồn thế thông thường dẫn đến sự ổn định công suất kém và tăng nguy cơ quá dòng điều khiển tới đi ốt Cho nên, người sử dụng phải làm dốc thoai thoải cho điện áp nguồn công suất để tránh dòng đỉnh có thể gây nguy hiểm cho laser

Ngược lại, một nguồn dòng giữ cho dòng luôn ổn định trong khi điều chỉnh điện áp ra bù cho sự thay đổi trong trở kháng tải, điều đó cho phép điều khiển công suất trên một miền trở kháng rộng và cung cấp một sự ổn định tương đối cao, dễ dàng

sử dụng, và an toàn trong điều khiển laser bán dẫn

Giá thành cao của linh kiện laser bán dẫn công suất cao cũng làm cho sự bảo vệ linh kiện là sự xem xét chính trong việc chọn lựa nguồn dòng Bảo vệ linh kiện liên quan tới ba phần: bảo vệ xung tức thời (transient protection), điều khiển dòng lối ra giới hạn và giám sát nhiệt độ [6]

b Bảo vệ xung tức thời

Để tránh sự phóng điện tĩnh (ESD) – một bộ điều khiển laser bán dẫn phải giữ

sự kết nối đầu ra tại cùng một điện thế ở chế độ làm việc khi nguồn dòng tắt để làm nhỏ nhất khả năng nguy hiểm ESD Thông thường người ta sử dụng một rơle trên lối

ra của nguồn nuôi được đóng lại làm ngắn mạch các điện cực của laser bán dẫn khi nguồn dòng tắt

Đồng thời, cần đảm bảo nguồn dòng không gây ra xung tức thời khi lối ra được nối với linh kiện laser tại thời điểm bật nguồn Một nguồn dòng nên có dòng lối ra có

độ dốc thoai thoải tới mức mong muốn nghĩa là tăng dần từ 0 đến mức giá trị dòng mong muốn trong một thời gian nhất định , để tránh xung tức thời khi nguồn được bật

Thêm vào đó, thiết bị đo nên cung cấp một phương pháp để khử xung tức thời kết hợp từ tầng nguồn đầu vào AC Điều này liên quan đến tính chất của các biến thế

hạ áp, các cuộn cảm, thường được dùng với bộ lọc nguồn đầu vào phù hợp [4]

c Giới hạn nhiệt độ và công suất

Sự thay đổi đột ngột trong trở kháng của mạch dẫn đến sự thay đổi trong điện

áp điều khiển từ nguồn dòng Bởi vậy một nguồn điều khiển mà cho phép người sử dụng thiết lập dòng giới hạn trên dòng lối ra đã chọn sẽ giảm cơ hội của điều khiển thiết bị quá dòng ngẫu nhiên Thiết bị đo thông thường thực hiện sự bảo vệ này bởi hoặc ngắt lối ra hoặc kiểm soát lối ra tới giới hạn do người sử dụng thiết lập khi dòng hoặc thế đạt tới giá trị giới hạn

Khả năng giám sát bằng cảm biến nhiệt độ cho phép người sử dụng thiết lập một nhiệt độ giới hạn mà ở đó công suất lối ra cấp cho laser bán dẫn được tự động tắt tại giới hạn nhiệt độ đã thiết lập

Ngoài việc giám sát nhiệt độ của laser, cũng nên giám sát nhiệt độ ở bên trong của nguồn nuôi laser Sự thông gió kém của nguồn nuôi có thể gây ra tải nhiệt quá mức, điều này có thể làm thành phần bên trong nguồn nuôi trở nên quá nóng, gây nguy hiểm cho nguồn nuôi và ảnh hưởng tới độ chính xác của dòng ra lối ra

Người sử dụng cần chú ý không chọn một nguồn cấp dòng mà cung cấp công suất lối ra nhiều hơn đáng kể so với yêu cầu được đòi hỏi thực tế Những thông số như dòng lối ra, độ chính xác điểm đặt, nhiễu, khử xung tức thời và độ chính xác thước đo dòng thường tỉ lệ với công suất lối ra lớn nhất Bởi vậy, cần chắc chắn rằng nguồn cấp dòng được lựa chọn phù hợp với yêu cầu về độ chính xác cũng như với yêu cầu về công suất lối ra [4]

2.1.2 Nguồn xung và nguồn một chiều cấp dòng cho laser bán dẫn

a Nguồn xung

Với những ưu điểm như thể tích nhỏ, hiệu quả cao, thời gian sử dụng dài và giá thành thấp, laser diode xung được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như laser viễn thông, laser radar, chụp ảnh tốc độ cao, laser đo khoảng cách và hệ thống ảnh 3 chiều… Để nhận được xung quang cực ngắn với chất lượng cao, laser bán dẫn cần được điều khiển bởi xung điện cực hẹp Ảnh hưởng của nguồn điều khiển Laser bán dẫn trên đặc trưng quang lối ra là khá quan trọng Trong những năm gần đây, tập trung vào các khía cạnh của điều khiển tốc độ cao, dòng xung đỉnh cao, độ ổn định cao, nhiều mạch được phát triển trong công nghệ điều khiển laser đặc biệt là trong nguồn dòng xung có đỉnh cao và hẹp Transistor MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) là loại linh kiện điều khiển công suất bằng điện áp, MOSFET có nhiều đặc điểm như trở kháng đầu vào cao, dòng điều khiển thấp, điện áp chịu đựng cao, dòng làm việc đỉnh cao, công suất lối ra cao, tốc độ chuyển mạch nhanh và không

có hiện tưởng đánh thủng thứ hai Trong phần này, chúng tôi sẽ đưa ra một mạch phát xung tham khảo sử dụng MOSFET công suất [7] Trên cơ sở đó chúng tôi sẽ thiết kế một mạch phát xung phù hợp với điều kiện cụ thể của từng ứng dụng

Sơ đồ khối của mạch nguồn xung cơ bản dựa trên MOSFET công suất được chỉ

ra trên hình 2.2 Nguồn xung gồm một mạch xung trigơ, bộ tạo dạng xung, mạch điều khiển công suất, bộ biến đổi DC-DC Mạch xung trigơ tạo ra dạng sóng hình chữ nhật với tần số điều chỉnh được Bộ tạo dạng xung biến đổi dạng sóng hình chữ nhật thành xung hẹp với độ rộng xung cỡ ns Mạch điều khiển công suất khuếch đại tín hiệu điện

áp của xung hẹp tới dòng xung có đỉnh cao và tốc độ cao điều khiển laser bán dẫn

phát ra xung ánh sáng Ta có thể thấy rằng tần số của dòng xung điều khiển laser bán dẫn thuộc trách nhiệm của mạch xung trigơ, độ rộng xung được điều khiển bởi bộ tạo dạng xung và biên độ dòng được điều chỉnh trong mạch điều khiển công suất Bộ biến đổi DC-DC cung cấp điện áp 1 chiều cấp cho từng thành phần trong mạch [7]

Hình 2.2: Sơ đồ logic của nguồn xung

Mạch nguyên lý của nguồn phát xung sử dụng MOSFET công suất được thể

hiện trên hình 2.3

Hình 2.3:Mạch nguyên lý của nguồn xung sử dụng MOSFET công suất

Tương đương với sơ đồ logic của nguồn xung thì bộ định thời 555 đóng vai trò

là mạch xung trigơ tạo dạng sóng hình chữ nhật có thể điều chỉnh được nhờ thay đổi giá trị của điện trở R1 và tụ C2 IC SN74123N đóng vai trò bộ tạo dạng xung vứi độ rộng xung phụ thuộc vào điện trở R2 và tụ C3.Vcc1 và Vcc2 được tạo ra nhờ bộ biến đối DC-DC và 2 MOSFET công suất đóng vai trò điều khiển công suất trong mạch tạo ra dòng xung có đỉnh cao và tốc độ cao điều khiển laser bán dẫn

b Nguồn dòng một chiều

Một nguồn dòng lý tưởng có dòng lối ra không đổi, tuyến tính, không nhiễu và

có độ chính xác cao Trong thực tế có rất nhiều loại nguồn dòng khác nhau Nguồn dòng điện trở, nguồn dòng tích cực (sử dụng các thiết bị tích cực như transistor),

nguồn dòng RF(radio frequency), nguồn dòng DC(direct current) và nguồn dòng AC(Alternating Current) Mỗi loại sử dụng một cơ chế khác nhau để tạo ra và duy trì một dòng điện

Nguồn dòng điện trở có thể được xem là loại nguồn dòng đơn giản nhất Chúng bao gồm một điện trở ghép nối tiếp với một nguồn thế Dòng được tạo ra từ hệ thống này là tương đương với biên độ của thế, được chia ra bởi trở kháng của điện trở Nguồn dòng điện trở thông thường thì không hiệu quả vì một lượng công suất rất lớn

bị mất trong mỗi điện trở Vì thế nguồn dòng tích cực đã thay thế một thành phần khác cho điện trở Các thành phần khác này thường là transistor hoặc đèn điện tử chân không bởi vì chúng có thể đóng vai trò như nguồn dòng khi được cung cấp năng lượng Bởi việc thay thế những phần này cho điện trở, hệ thống sẽ không mất một lượng công suất tiêu tán

Trên thực tế có thể dễ dàng tạo một nguồn dòng bằng cách sử dụng transistor Một mạch nguồn dòng đơn giản sử dụng transistor đơn

giản được chỉ ra trên hình 2.4 Mạch hoạt động đơn giản

là khi ta đặt một điện thế VB tới cực base của transistor

với VB>0.6V và khi đó transistor sẽ thông và điện thế tại

cực emitter của transistor sẽ là VE=VB-0,6V[10] Do đó,

dòng emitter qua điện trở RE sẽ là:

= = − 0,6 (2.1)

Ta có IE ≅ nên IC= , không phụ thuộc vào VC

miễn là transistor không bão hòa (VC>VE + 0,2V)

Điện áp ở cực base của transistor có thể được cấp

bằng một vài cách Hình 2.5 là hai nguồn dòng đơn giản

sử dụng diode zener và LED để tạo một điện áp cấp vào cực base của transistor giúp tạo một dòng không đổi qua tải

Hình 2.4: Nguồn dòng đơn giản

sử dụng transistor

a) b)

Hình 2.5: Mạch nguồn dòng sử transistor đơn giản với điện áp tại cực base

được cấp bằng những cách khác nhau: sử dụng diode zener (a), sử dụng

LED(b)

Trong hình 2.5a, một bộ ổn định điện áp zener (R1 và DZ1) điều khiển một dòng tới cực emitter của transistor Q1, cực emitter được nối với một điện trở không đổi R2 để cảm nhận dòng tải Tải bên ngoài của nguồn dòng được kết nối tới cực collector của Q1 nên dòng qua tải và dòng qua điện trở R2 là gần bằng nhau Transistor Q1 điều chỉnh dòng lối ra bởi vậy điện áp rơi trên điện trở không đổi R2 gần bằng với điện áp rơi gần như không đổi trên diode zener DZ1 Do đó, dòng lối ra gần như không đổi thậm chí điện trở tải hoặc điện áp thay đổi Hoạt động của mạch hình 2.5 a như sau: khi diode zener được phân cực ngược thì có một điện áp rơi không đổi trên dòng không đáng kể chạy qua nó Do đó, miễn là dòng zener (IZ) là trên một mức nào đó (gọi là dòng giữ), điện áp trên diode zener (VZ) là hằng số Điện trở R1 cấp dòng zener và dòng qua cực base (IB) của transistor Q1 Điện áp zener không đổi được đặt trên cực base của Q1 và điện trở R2 Do đó điện áp điện áp trên R2(VR2) là

VZ – VBE Dòng emitter của Q1 cũng là dòng qua điện trở R2 và ta có [12]:

= = = (2.2)

VZ và VBE đều là hằng số, R2 không đồi, nên IR2 không đổi và IR2 ~Iload Ta có thể thay thế diode zener bằng một diode bất kỳ nào khác, ví dụ như LED1 trong hình 2.5b Tương tự ta có điện áp rơi trên LED (VD) không đổi và ta có [12]:

= = = (2.3) Các nguồn dòng đơn giản sử dụng transistor đã được trình bày ở trên là dòng lối

ra không thể được điều chỉnh theo mong muốn Để tạo một nguồn dòng có dòng lối ra

có thể điều chỉnh được ta có thể thêm vào mạch một vòng phản hồi từ chuyển tiếp baser – emitter của transistor về lối vào của một khuếch đại thuật toán Lối vào còn lại của khuếch đại thuật toán có thể thay đổi điện áp vào bằng một biến trở Ta có thể xem

xét trên hình 2.6 Đây là loại nguồn dòng khá phổ biến trong các ứng dụng do tính chính xác và khả năng điều chỉnh được Trong ứng dụng của mình, chúng tôi cần thiết

kế một nguồn dòng có khả năng điều chỉnh được, có độ ổn định và chính xác cao Chúng tôi đã nghiên cứu và thiết kế nguồn dòng nuôi laser dựa trên nguồn dòng cơ bản trên hình 2.6

Hình 2.6: Nguồn dòng sử dụng khuếch đại thuật toán có thể điều chỉnh dòng lối ra

2.2 Tìm hiểu về bộ điều khiển nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao

Như chúng ta đã xem xét trong chương 1, nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn tới các đặc trưng, hiệu suất và thời gian sống của laser Để laser hoạt động ổn định, đảm bảo hiệu suất và sử dụng lâu dài, ta phải đảm bảo cho laser hoạt động ở một nhiệt độ ổn định Chính vì vậy bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn là rất cần thiết Có rất nhiều phương pháp ổn định nhiệt độ cho laser hoạt động Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày về bộ ổn định nhiệt độ sử dụng peltier-làm mát nhiệt điện TEC (thermo-electric cooling)

2.2.1 Bộ làm lạnh pin nhiệt điện peltier

Bởi vì hệ thống làm lạnh nhiệt điện thường được so sánh với một hệ thống truyền thống, cách tốt nhất để chỉ ra sự khác biệt trong hai phương pháp làm lạnh là

mô tả hệ thống của chúng

Một hệ thống làm lạnh truyền thống chứa đựng 3 phần cơ bản : máy bay hơi, máy nén và bình ngưng Máy bay hơi hoặc phần làm lạnh là phần mà chất làm lạnh điều áp được cho phép dãn nở, sôi và bay hơi Trong suốt sự thay đổi trạng thái từ lỏng sang khí này, năng lương (nhiệt) được hấp thu Máy nén đóng vai trò như bơm chất làm lạnh và tái nén khí thành chất lỏng Bình ngưng đẩy nhiệt hấp thụ tại máy bay hơi cộng với nhiệt đã tạo ra trong suốt quá trình nén ra môi trường xung quanh

Thiết bị nhiệt điện có những phần tương tự Tại mặt tiếp giáp lạnh, năng lượng (nhiệt) được hấp thu bởi điện tử khi chúng chuyển từ mức năng lượng thấp trong thành

phần bán dẫn loại p tới một mức năng lượng cao hơn trong thành phần bán dẫn loại n Nguồn nuôi cho pin lạnh cấp một năng lượng để chuyển rời điện từ qua hệ thống Tại tiếp giáp nóng, năng lượng được tiêu tán trên tấm tỏa nhiệt khi điện tử chuyển rời từ thành phần có mức năng lượng cao (loại n) tới thành phần có mức năng lượng thấp (loại p) Bộ làm lạnh nhiệt điện cũng là sự bơm nhiệt: bơm nhiệt ở trạng thái rắn, bơm nhiệt mà không di chuyển những phần chất lỏng hoặc khí

Một cách tương tự thường được sử dụng để giúp hiểu một hệ thống làm lạnh TEC là một cặp nhiệt điện tiêu chuẩn được sử dụng để đo nhiệt độ Cặp nhiệt điện của loại này được làm bằng cách kết nối hai dây kim loại khác nhau, điển hình là đồng/ constantan, theo cách này hai tiếp giáp được tạo thành Một tiếp giáp được giữ tại nhiệt độ tham chiếu, trong khi tiếp giáp còn lại được gắn tới vật được đo Hệ thống được sử dụng khi hở mạch tại một điểm nào đó và điện áp sinh ra được đo Ngược lại,

ta tưởng tượng có một năng lượng điện được đặt vào một cặp tiếp giáp trên cố định làm cho một tiếp giáp trở nên lạnh trong khi tiếp giáp còn lại trở nên nóng [11]

Hình 2.7: Mặt cắt của bộ làm lạnh nhiệt điện điển hình

Cặp làm lạnh nhiệt điện (Hình 2.7) được làm từ hai thành phần bán dẫn, cơ bản

là Bismuth Telluride, được pha tạp mạnh để tạo ra hoặc là thừa điện tử (loại n) hoặc là thiếu điện tử (loại p) Nhiệt hấp thu tại mặt lạnh được bơm tới mặt nóng tại một tốc độ tương ứng với dòng qua mạch và số cặp nhiệt điện

Như vậy, thiết bị làm lạnh nhiệt điện là dựa trên hiệu ứng Peltier, mà sự chênh lệch nhiệt độ Δ được tạo ra giữa những bề mặt của những vật liệu khác nhau cấu thành nên một pin Peltier khi một dòng điện Imax chạy qua chúng Thêm vào đó, nếu tồn tại một vật tỏa nhiệt đặt trên mặt lạnh của pin Peltier có công suất nhiệt Pth, công

suất nhiệt này sẽ được chuyển tới mặt nóng của pin Peltier Quá trình này kèm theo sự giảm chênh lệch nhiệt độ tới Δ < Δ Kết hợp n pin Peltier bằng cách kết nối chúng nối tiếp về điện và song song về nhiệt, ta sẽ thu được một module peltier hoặc

bộ làm lạnh nhiệt điện (TEC), module peltier này có thể truyền công suất nhiệt nhiều hơn n lần so với pin peltier đơn tại cùng một chênh lệch nhiệt độ Điều kiện Δ = 0 tại dòng hoạt động của pin Peltier I=Imax được định nghĩa là công suất nhiệt lớn nhất

Pth,max mà có thể được hấp thụ tại mặt lạnh của module peltier

Ngược lại với chất dẫn nhiệt tự nhiên, hướng của dòng nhiệt bên ngoài qua module Peltier là song song với gradien nhiệt được tạo ra trong điều kiện Pth<Pth,max Trong điều kiện này hoạt động thuận lợi này của TEC, trở kháng nhiệt của module Peltier là âm[3]:

, = −Δ (2.4)

Do đó, việc đưa thêm vào module Peltier trong đường dẫn nhiệt của một hệ thống dẫn lạnh, trở kháng nhiệt có thể được giảm xuống đáng kể Ví dụ của một hệ thống làm lạnh tăng cường như trên hình 2.8 Mặc dù nhiệt độ xung quang là 30oC, laser có thể vẫn hoạt động tại 55oC Nếu không có sự hỗ trợ của TEC, nhiệt độ xung quanh phải thấp hơn 10oC Một thuận lợi thứ hai của một TEC là nó có thể điều chỉnh được Cảm biến nhiệt độ ghi lại nhiệt độ của laser diode trên đế tản nhiệt, giá trị điện thế trên cảm biến có thể được sử dụng như tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển nhằm điều chỉnh dòng qua pin Peltier để thiết lập nhiệt độ laser mong muốn

Hình 2.8: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điên Peltier

Sự chênh lệch nhiệt độ đạt được giữa mặt nóng và mặt lạnh của Peltier module

có thể được xác định từ các thông số của linh kiện TEC với dạng tổng quát như sau [3]:

f, g là hàm của I/Imax phụ thuộc vào hệ số chất lượng nhiệt điện bên trong Ví dụ, tại I=Imax thì f=0 và g=1 Trong khi sự chênh lệch nhiệt độ được cố định cho mỗi cấu hình

bộ làm lạnh TEC cho sẵn, thì nhiệt độ của mặt nóng TH và mặt lạnh Tc là không cố định Những nhiệt độ này phụ thuộc rất nhạy vào trở kháng nhiệt mặt nóng của hệ thống, bởi vì tại mặt nóng của module Peltier cả công suất nhiệt Pth của laser diode và công suất điện toàn bộ PPe của TEC cần được tiêu tán

Vì công suất nhiệt có thể vận chuyển hay tiêu tán lớn nhất Pth,max tỉ lệ thuận với

số module Peltier N và điện trở nhiệt mặt nóng giảm xuống khoảng 1/N nên công suất nhiệt lớn của laser có thể được tiêu tán bằng cách tăng số module Peltier Trên hình 2.8 là cấu trúc của một bộ ổn định nhiệt độ sử dụng module peltier với sự thông gió hỗ trợ bằng quạt điện Nhiệt độ và điện trở nhiệt của từng phần bộ ổn định nhiệt độ cũng được chỉ ra trên hình vẽ [3]

2.2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ cho pin peltier

Bộ điều khiển nhiệt độ TEC là rất quan trọng để đảm bảo một nhiệt độ ổn định cho laser bán dẫn công suất cao hoạt động Có rất nhiều hãng điện tử nổi tiếng trên thế giới đã đưa ra các sản phẩm về bộ điều khiển TEC có độ chính xác và độ ổn định cao

Ở phần này, chúng tôi xin trình bày một trong số nhiều phương pháp chế tạo bộ điều khiển nhiệt độ TEC

Điện trở có hệ số nhiệt âm NTC (negative temperature coeficient) là linh kiện cảm biến nhiệt độ có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng Khi được sử dụng trong bộ điều khiển nhiệt độ không đổi, một NTC có thể cung cấp độ nhạy cao thậm chí khi được phân cực tại điện áp rất thấp

Để cho phép đáp ứng tới bất kì sự biến đổi nào của điện áp nguồn nuôi, thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ phải bao gồm 2 đường hồi tiếp song song (hình 2.9) Một bản gốm phẳng của TEC được đặt gần tiếp xúc nhiệt với đối tượng (trong trường hợp này là laser bán dẫn), và một mặt gốm khác cho phép nhiệt truyền tới môi trường xung quang Sự truyền nhiệt này không nên bị cản trở và nếu cần thiết (khi gặp mức công suất nhiệt cao) nó cần được hỗ trợ bởi một quạt gió Bởi vì sự rò rỉ nhiệt tại một mức

liên tục nào đó là không thể tránh khỏi, một lượng công suất điện tương ứng là cần thiết để bù cho sự rò rỉ để tạo trạng thái cân bằng [13]

Hình 2.9: Bộ điều khiển nhiệt độ pin nhiệt điện

Để làm nhỏ nhất sự sai số liên quan tới sự chênh lệch cục bộ về nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ nên được đặt gần nhất với đối tượng Ở đây, nhiệt độ đo được và nhiệt độ mong muốn được so sánh bên trong một cầu Wheatstone Bộ khuếch đại A không chỉ khuếch đại tín hiệu sai lệch đầu vào mà còn cung cấp tần số, pha và sự hiểu chỉnh độ khuếch đại cần thiết để ổn định vòng kín bên ngoài Tại bất kì thời điểm nào, nó cấp cho vòng bên trong một giá trị của dòng qua TEC được yêu cầu để đạt được nhiệt độ phù hợp

Vòng bên trong điều chỉnh dòng trong TEC, dòng Imong muốn và dòng Iđo được được đưa vào bộ khuếch đại B Bộ khuếch đại B sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển bộ điều khiển

độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) trên cơ sở tín hiệu đầu vào Bộ điều khiển PWM là trái tim của cả hệ thống, trong mạch này sử dụng IC MAX1637 của hãng Maxim Tín hiệu lối ra là xung vuông có thể đổi độ rộng xung tùy thuộc vào tín hiệu đầu vào Tín hiệu DH và DL là hai tín hiệu lối ra của bộ PWM có cực tính ngược nhau được đưa tới mạch cầu công suất H Tín hiệu DH và DL điều khiển mạch cầu H

để tạo ra dòng một chiều chạy qua TEC Chiều dòng điện chạy qua TEC sẽ quyết định làm nóng hay làm lạnh đối tượng cần ổn định nhiệt độ

Như vậy, trong chương này chúng tôi đã tìm hiểu được những khái niệm cơ bản, những yếu tố ảnh hưởng tới nguồn cấp dòng và những mạch điện cơ sở của nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao Đồng thời, chúng tôi cũng đưa ra nguyên

lý làm việc cơ bản của pin nhiệt điện peltier và sơ đồ tổng quát của mạch điện điều khiển nhiệt độ pin peltier

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP DÒNG

VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN DẪN

CÔNG SUẤT CAO

3.1 Thiết kế chế tạo nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao

Như đã trình bày trong mục 2.1, nguồn phát xung có nhiều ưu điểm như giảm đáng kể lượng nhiệt tạo ra trong quá trình hoạt động của laser do hoạt động ở chế độ xung và thời gian sống của linh kiện cũng tăng lên đáng kể…Chế tạo nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn là rất cần thiết trong một số ứng dụng như sử dụng laser bán dẫn trong viễn thông, LIDAR, chụp ảnh tốc độ cao, đo khoảng cách…Để nhận được xung quang cực ngắn với chất lượng cao, laser bán dẫn cần được điều khiển bởi xung điện cực hẹp Ảnh hưởng của nguồn điều khiển hay nguồn xung nuôi laser bán dẫn lên đặc trưng quang lối ra là rất quan trọng Trong những năm gần đây,người ta tập trung vào các khía cạnh như điều khiển tốc độ cao, dòng xung đỉnh cao, độ ổn định cao, nhiều mạch điện tử được phát triển trong công nghệ điều khiển laser, đặc biệt là trong nguồn dòng xung có đỉnh cao và hẹp Chúng tôi đã nghiên cứu và thiết kế mạch nguồn cấp dòng xung khá đơn giản nhưng lại rất hiệu quả phục vụ cho việc đo một số thông số cơ bản của laser cũng như có thể sử dụng cho các ứng dụng đã nêu trên trong tương lai

3.1.1 Yêu cầu của nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn

Nguồn phát xung phải có các xung dòng có độ rộng xung nhỏ; tỉ số giữa thời gian làm việc và thời gian nghỉ cần phải nhỏ (tần số lặp lại của xung phải thưa); điều này nhằm đảm bảo nhiệt sinh ra trong quá trình đo đạc sẽ nhỏ dẫn tới ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt lên sự thăng giáng công suất bức xạ của laser bán dẫn là không đáng

kể

Để cấp dòng xung cho laser bán dẫn công suất cao, cường độ dòng xung cần đạt vài trăm mA trở lên Đối với đa số laser bán dẫn công suất cao cần dòng xung bơm trên 1A, vì vậy các máy phát xung thương mại không đáp ứng được nên cần thiết phải chế tạo máy phát xung ngắn có cường độ dòng lớn Tần số xung cần đủ thấp (1 KHz tới 10 KHz) để tránh việc chồng lấn xung khi sử dụng trong một số ứng dụng

3.1.2 Mạch nguyên lý và hoạt động của mạch nguồn phát xung

Hình 3.1 : Mạch nguyên lý của nguồn phát xung

Như đã trình bày trong chương 2 , để đáp ứng với những yêu cầu về nguồn nuôi xung cho laser bán dẫn, nguồn xung gồm mạch xung trigơ, bộ tạo dạng xung, mạch điều khiển công suất và bộ biến đổi DC-DC theo hình 2.2

Trong mạch nguyên lý ( hình 3.1) , IC 555 có tác dụng tạo ra xung vuông TTL,

có thể thay đổi tần số tùy ý bằng cách thay đổi giá trị của R1 , R2 và C1 Tần số và độ rộng xung được tính theo công thức [14]:

= 0.7 ∗ ( + 2 ) ∗ (3.1)

( + 2 ) ∗ (3.2) Lối ra tại chân 3 có dạng như hình dưới đây

Hình 3.2: Dạng xung lối ra tại chân 3 của IC 555

Ta có = m+ s ớ = 0.7 ∗ ( + ) ∗ à = 0.7 ∗ ∗

IC SN74LS123 là bộ đa hài có nhiệm vụ chia nhỏ xung vuông được tạo từ IC

555 thành các xung vuông có độ rộng xung nhỏ hơn Độ rộng xung này cũng có thể thay đổi được khi thay đổi các giá trị của biến trở R3 và tụ C2 nối với chân 6

IC SN74HC14 có tác dụng chỉnh dạng xung, giúp làm ngắn lại thời gian xung lên và xuống hay sườn lên và sườn xuống của xung ( r, f )

IC SN74LS07N là một mạch collector hở có tác dụng tạo một mức điện áp lớn giúp transistor switching của tầng tiếp theo mở nhanh hơn Thông qua việc thay đổi thế lối vào của bộ khuếch đại dòng tiếp theo, chúng ta có thể thay đổi được cường độ dòng cấp cho laser

Transistor 2N2219A có nhiệm vụ khuếch đại dòng và làm bộ đệm để đưa tín hiệu xung vuông kích thích nuôi cho laser và có thể cho dòng collector liên tục tới

800 mA Vì vậy, dòng xung nhận được có thể lớn hơn 1A

Máy phát xung được nuôi bởi nguồn một chiều 5V và 24V và được chế tạo dưới dạng mạch nguồn nuôi đi kèm Dưới đây là hình ảnh của nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn bao gồm cả nguồn nuôi một chiều

Hình 3.3 : Nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn

Máy phát xung trên cho phép thay đổi được tần số f= 1KHz tới 10 KHz và độ rộng xung = 120 tới 2 µs, dòng xung có thể thay đổi từ 0 mA tới 1 A Dạng xung đầu ra vuông, không có nền một chiều, biên độ xung dòng có độ ổn định cao Mức độ thăng giáng biên độ xung dòng đạt được là ± 0.1% Tuy nhiên, các phản hồi âm hay phản hồi dương phụ sinh ra cùng với xung dòng dùng để nuôi laser (phản hồi âm gây

ra xung ngược, phản hồi dương gây ra xung cùng chiều với xung tín hiệu hay còn gọi

là các xung tức thời (transient)) chưa được khắc phục triệt để Các xung tức thời này thường rất nhanh (độ rộng xung từ vài chục tới vài trăm ps), chủ yếu liên quan đến các phần tử cuộn cảm hoặc biến thế trong mạch nguồn nuôi hạ thế từ điện lưới 220V Muốn triệt tiêu các xung này cần có các mạch điện tử phức tạp Để khắc phục các xung tức thời này, chúng tôi sử dung acquy để nuôi cho mạch điện tử Chuẩn lối ra của máy phát xung là chốt cắm BNC bao gồm chốt cấp dòng nuôi cho laser diode, chốt đưa ra dao động kí để đo dòng chạy qua laser cũng như sử dụng cáp đồng trục 50Ω nối tới chân laser và dao động ký nhằm đảm bảo không bị méo xung Hình 3.4 mô tả dạng xung lối ra của máy phát xung cấp dòng cho laser diode thu được trên dao động

kí

Hình 3.4 : Dạng xung của máy phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn

Chúng tôi đã khảo sát và thấy rằng xung lối ra có sườn lên và sườn xuống nhỏ hơn 15 ns, không phụ thuộc vào độ rộng xung Chúng tôi cũng đã thử nghiệm đưa thêm một tầng khuếch đại dòng bằng transistor KTS07A8804 công suất tần số cao ở tầng lối ra của máy phát xung trên Xung lối ra với độ rộng xung là 120 ns có thể đạt đến biên độ xung là 2 A Máy phát xung này có thể cấp dòng xung cho laser bán dẫn công suất cao hơn Tuy nhiên, dạng xung không được hoàn toàn là vuông