THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CƯỜNG SUẤT CAO SỬ DỤNG MÁY PHÁT XUNG DÂNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN

http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN MỤC LỤC OBO OK S CO M MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 1.1 Khái niệm LASER DIODE công suất cao 1.2 Một số cấu trúc LASER DIODE công suất cao 1.2.1 LASER ma trận (MATRIX) 1.2.2 LASER buồng cộng hưởng rộng LOC 1.2.3 LASER DIODE dạng mảng (thanh) 1.3 Công nghệ chế tạo LASER DIODE dạng mảng 1.3.1 Xử lý cửa số tiếp xúc 1.3.2 Cấy ghép ION 1.3.3 Xử lý lớp cách điện 1.3.4 Xử lý cấu trúc MESA 1.3.5 Phủ kim loại 1.3.6 Tổ hợp LASER mảng công suất cao 1.3.7 Kỹ thuật phủ mặt gương 1.3.7.1 Nguyên tắc 1.3.7.2 Thụ động hóa mặt tách CHIP LASER 1.4 Các thông số đặc trưng chất lượng chùm tia 1.4.1 Thông số khuyeech đại hạt tải cảm ứng chiết suất khúc xạ KIL 1.4.2 Mật độ cơng suất bão hịa 1.4.3 Độ sáng, tỷ số STREHL thông số M 1.4.3.1 Độ sáng 1.4.3.2 Tỷ số STREHL 1.4.3.3 Thông số M 1.5 Một số tính chất đặc biệt LASER DIODEcơng suất cao 1.5.1 Đặc trưng cơng suất phụ thuộc vào dịng bơm 1.5.2 Sự phụ thuộc dòng ngưỡng vào nhiệt độ http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 1.5.3 Sự uốn cong đường đặc trưng (P-I) nhiệt 1.5.4 Hoạt động đa mốt 1.5.5 Sự phá hủy phẩm chất quang học KIL OBO OKS CO M 1.5.6 Tuổi thọ LASER DIODE công suất cao CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo nguồn phát xung ngắn, dòng cao để nuôi cho LASER DIODE công suất cao 2.2 Các chip LASER DIODE công suất cao sử dụng nghiên cứu 2.3 Đầu thu THU PHOTODIODE 2.4 Hệ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng công suất P-I LASER DIODE công suất cao chế độ xung 2.5 Hệ thí nghiệm khảo sát uốn cong đặc trưng công suất gây nhiệt 2.6 Hệ thí nghiệm đo P-I LASER DIODE cơng suất cao sử dụng máy phát xung dòng cao, độ rộng xung ngắn CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYEÁN MỞ ĐẦU Lasers viết tắt từ chữ đầu tiếng Anh (Light KIL OBO OKS CO M Amplification by Stimulated Emission of Radiation), khuếch đại xạ cưỡng ánh sáng để tạo chùm tia có cường độ lớn, có tính định hướng cao Lasers phát minh mang tính đột phá kỷ 20, phát minh kỳ diệu làm nức lũng cỏc nhà khoa học mà cũn kớch thớch quan tõm tỡm hiểu nhiều người kỷ nguyên công nghệ cao Kể từ đời lần (Laser rubi) năm 1960 Maiman phát minh, đến nhiều loại laser nghiên cứu, phát triển đưa vào ứng dụng thực tiễn lĩnh vực khoa học, đời sống y học, thông tin quang sợi, điều khiển đo xa laser, đo cắt xác cơng nghiệp v.v Cùng với đời nhiều loại laser khác, laser diode bán dẫn Robert Hall công bố lần năm 1962 Nó sử dụng liên kết p-n bán dẫn GaAs, phát chế độ mode xung nhiệt độ thấp 77 K , bước sóng đỉnh 842 nm, độ rộng phổ cỡ 1.5nm, mật độ dũng bơm ngưỡng tới J th ≈ 85000 A / cm , có tần số lớn gấp 109 lần tần số radio gấp 105 lần tần số vi sóng Đến đầu năm 1963 thỡ cỏc loại laser bỏn dẫn cải tiến cách sử dụng lớp bán dẫn kẹp hai lớp bán dẫn vỏ, gọi bán dẫn cấu trúc dị thể, lớp bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác với độ rộng vùng cấm hai lớp vỏ Loại laser chia làm hai loại: chuyển tiếp dị thể đơn chuyển tiếp dị thể kép, tuỳ thuộc vào miền tích cực bao quanh hay hai loại lớp vỏ Với cấu trúc dị thể, số mạng lớp tích cực lớp vỏ phải khác khơng đáng kể (có cấu trúc tương tự nhau) Trên sở vật liệu bán dẫn GaAs cấu trúc dị thể, đến năm 1969 thỡ Charles Kao Geoger Hockhan chế tạo laser bán dẫn có hoạt động chế độ xung nhiệt độ phũng, mật độ dũng bơm ngưỡng giảm xuống J th ≈ 8000 A / cm , giỏ trị dũng ngưỡng giảm xuống cũn 1.600 A / cm vào năm 1970 đến năm 1975 thỡ cũn cỡ 500 A / cm Để giảm mật độ dũng ngưỡng xuống giá trị trên, người ta chế tạo laser có vật liệu lớp tích cực AlGaAs http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN với độ dày ~ 0.1µm có cấu trúc dị thể kép Sự khác độ rộng vùng cấm lớp tích cực lớp vỏ giúp cho việc giam giữ tốt mốt quang học, hoạt động dẫn sóng điện mơi Nhưng giam giữ làm KIL OBO OKS CO M giảm đáng kể hao tổn nội, gây mở rộng mốt cỏc vựng lõn cận Một mục tiêu quan trọng laser diode nâng cao cơng suất laser đồng thời giảm độ rộng xung nhỏ nhằm nâng cao chất lượng chùm tia ứng dụng sâu sống khoa học Mục tiêu luôn trỡ mở rộng phỏt triển kể từ nú đời Vậy chỳng ta cần phải chế tạo laser diode cụng suất cao? Đầu năm 1990 đánh dấu bước đột phá công nghệ laser bán dẫn lần chế tạo thành cơng laser kích thước 1cm × 0.06cm phát công suất 20W, thời gian sống cỡ 10.000 giờ, mở khả ứng dụng to lớn khoa học ứng dụng Quá trỡnh chủ yếu tập chung vào việc cải tiến laser bỏn dẫn trờn sở GaAs, tạo có mật độ phản xạ thấp trỡnh epitaxy cỏc lớp AlGaInAs GaInAsP trờn GaAs Cỏc lợi laser bỏn dẫn cụng suất cao: So với với đèn bơm khí tích điện cho việc tạo ánh sáng kết hợp, kích thức nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi điện quang cao hơn, nguồn cấp làm lạnh đơn giản, độ tin cậy cao Kích thước nhỏ gọn nên chiếm ưu so với laser rắn laser khí cồng kềnh bất tiện Dũng bơm ngưỡng thấp (chỉ cỡ vài trăm mA), dải sóng ứng dụng rộng, dễ điều chế, hoạt động từ chế độ xung tần số thấp đến cao, chế độ xung chế độ liên tục Nó thiết bị khơng thể thiếu thông tin cáp quang, cho phép truyền thông tin khoảng cách lớn với tốc độ siêu cao Mặt khác, laser diode đóng vai trũ chỡa khoỏ mở nhiều ứng dụng, từ sản phẩm thụng thường phục vụ cho mục đích dân đến ứng dụng cho mục đích quân Đối với số ứng dụng thông thường laser diode như: máy scan, máy in, bút laser, đầu đọc đĩa compact thụng tin cỏp quang thỡ cụng suất cỡ vài mW Nhưng loạt ứng dụng khác thỡ cụng suất cần tới cỡ từ vài Watts tới hàng ngàn Watts tuỳ theo ứng dụng như: đo xa laser phát khoảng cách mục tiêu, nguồn chiếu sáng http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYEÁN ống nhũm nhỡn đêm, y tế (châm cứu, cắt khối u, thẩm mỹ, trị ung thư…), xác định xon khí, lỏng khí quyển.v.v Trong luận văn chúng tơi tiến hành nghiên cứu số tính chất đặt KIL OBO OKS CO M biệt laser diode công suất cao với cấu trúc mảng chế độ xung ngắn http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CƠNG SUẤT CAO KHÁI NIỆM LASER DIODE CễNG SUẤT CAO KIL OBO OKS CO M 1.1 Đó 40 năm kể từ laser bán dẫn phun đời, nhiều nghiên cứu thực nhằm nâng cao cơng suất mở rộng vùng bước sóng phát Với lợi nhỏ gọn, hiệu suất cao thời gian sống lớn, laser diode có khả thay phần lớn laser khác ứng dụng khoa học trở thành cầu nối hệ điện tử thông tin liên lạc Phần lớn ứng dụng nhằm trỡ cụng suất chất lượng chùm tia theo thời gian Trong chương xem xét số cấu trúc laser diode công suất cao công nghệ sử dụng cho việc chế tạo laser diode cơng suất cao laser dạng mảng (thanh) Sau nghiên cứu số thông số đặc trưng cho chất lượng chùm tia laser thông số ảnh hưởng đến cơng suất phát Trong thực tế khơng có qui định rừ ràng laser diode thường laser diode cơng suất cao, phụ thuộc vào loại laser ứng dụng cho mục đích gỡ mà nú thiết kế cho phù hợp Nói chung, loại laser tần số đơn, laser đơn mốt liên tục có cơng suất 50mW trở lên laser đa mốt dải rộng, mảng laser có tần số 50mW trở lên thỡ gọi laser diode công suất cao Mặc dù laser diode phát cơng suất đỉnh lên tới vài kW chế độ xung, lượng xung bị giới hạn nhỏ nhiều so với loại laser rắn khác thời gian sống hạt tải diode ngắn (cỡ vài ns) Để hiểu cần thiết phải chế tạo laser diode cơng suất cao hóy đưa lợi ích mà laser bán dẫn cơng suất cao mang lại sử dụng chúng ứng dụng thực tiễn [17]: • Hiệu suất chuyển đổi điện quang đèn khoảng 50% [1] mang lại tiêu chuẩn cho laser diode công suất cao Trong sử sụng laser diode thỡ hiệu hiệu suất lờn đến 60% [2] http://kilobooks.com THÖ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN • Thời gian sống đặc trưng đèn khoảng 1000 nhỏ thời gian sống laser diode công suất cao 10.000 • Cơng suất quang học đèn bơm cho hệ laser diode công suất KIL OBO OKS CO M cao cần tới cỡ vài kW Để thực công suất tương tự với laser diode thỡ chỳng ta cần sử dụng khoảng 100 diode cụng suất cao • Laser diode cơng suất cao sử dụng làm nguồn bơm cho hệ laser rắn cho hiệu suất cao vỡ bước sóng bơm laser diode phù hợp xác với bước sóng hấp thụ tinh thể kích thích Cũn sử dụng cỏc loại đèn bơm thỡ phụ thuộc vào cỏc dịch chuyển điện tử nguyên tử kích thích nên bước sóng phụ thuộc chất, giá trị cố định khí bơm vào, vỡ cỏc dịch chuyển cú thể tốt khụng tốt, mang lại hiệu suất kộm nhiều • Vấn đề mang tính cạnh tranh định giá toàn hệ thống máy phát laser Đối với hệ laser diode công suất cao thỡ vấn đề chủ yếu xác định bới giá laser diode thành phần (laser diode thông thường) Vỡ thế, cỏc nỗ lực chủ yếu tập chung vào cơng nghệ bán dẫn tái chế, vỡ laser diode cụng suất cao xem công nghệ đơn giản nhất, dẫn đến giá cạnh tranh so với loại laser khác 1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CễNG SUẤT CAO 1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX) Khỏi niệm Laser ma trận cấu trúc sử dụng hiệu việc nâng cao công suất laser diode Cấu trúc laser ma trận bố trí bao gồm nhiều lớp tích cực nằm sát nhau, lớp tích cực xạ riêng rẽ http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN tạo thành mối quan hệ pha chúng Cụ thể hợp pha ngược pha, hợp pha thỡ cụng suất tổng hợp tăng cường kết hợp, cũn ngược pha thỡ cụng suất bị triệt tiờu Kết tạo thành chựm xạ hẹp, cú KIL OBO OKS CO M tớnh kết hợp cao Cấu trỳc laser ma trận nghiên cứu nhiều sử dụng hệ vật liệu InGaAsP Cấu trúc laser ma trận chia thành hai nhóm: laser ma trận số khuếch đại laser số chiết suất yếu (cấu trúc dẫn sóng), khác hai loại mode công tua dọc theo mặt phẳng chuyển tiếp xác định số khuếch đại số chiết suất yếu Hỡnh 1.1 minh hoạ hai cấu trỳc laser ma trận trờn: lớp điện mụi λ ~1.3µm (InGaAsP) p-InP p-InP λ ~1.3µm (InGaAsP) n-InP (lớp tớch cực) đế a/ p-InP λ ~1.3µm (InGaAsP) n-InP (lớp tớch cực) λ ~1.03µm (InGaAsP) b/ 10 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Hỡnh 1.1: Sơ đồ cấu trúc laser ma trận sở vật liệu InGaAsP a/ Cấu trúc laser diode ma trận số khuếch đại KIL OBO OKS CO M b/ Cấu trỳc laser diode ma trận số chiết suất yếu Trong laser ma trận số khuếch đại laser dải điện môi, khe điện môi (SiO2) khụng gian tâm chọn có chồng chập mốt dao động từ xạ lân cận Laser ma trận số chiết suất yếu sử dụng cấu trúc dẫn sóng đỉnh Các hướng khơng gian xạ khuếch đại lọc lựa thông qua chồng chập mốt dao động Sự chồng chập chứng tỏ liên kết cần thiết cho chặn pha Đối với laser ma trận InGaAsP phát vùng 1.3µm hoạt động chế độ xung cho cơng suất tới 800mW 1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC (LARGE OPTICAL CAVITY) Khỏi niệm Hiểu cách đơn giản nhất, để có cơng suất cao hơn, ta tăng thể tích buồng cộng hưởng hay tăng chiều dài vùng hoạt chất (tức tăng chiều dài khuếch đại), dẫn đến tăng mật độ photon ra, tức công suất xạ tăng Laser buồng cộng hưởng rộng dựa cấu trúc dị thể kép gồm ba lớp “chuẩn” p-p-n (hỡnh 1.2), cú hai kiểu cấu trỳc cấu trỳc đối xứng cấu trúc phản xứng, cấu trúc phản xứng dễ tạo laser đơn mốt dọc cấu trúc đối xứng Laser LOC bao gồm cấu trúc dị thể vùi cấu trúc dị thể kép, cấu trúc dị thể kép cho công suất quang cao (cỡ 100mW chế độ liên tục) p p (lớp tớch cực) 11 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN n KIL OBO OKS CO M Hỡnh 1.2: Cấu trỳc dị thể kộp lớp “chuẩn” Trong cấu trỳc này, vựng lõn cận lớp tớch cực thỡ tỏi hợp cộng hưởng xảy độc lập, mốt ngang lan truyền qua lớp bán dẫn loại n mát Đối với loại buồng cộng hưởng này, chế tạo buồng cộng hưởng lớn vùng tái hợp thỡ kớch thước vết sáng đầu lớn hơn, đồng thời công suất lối giảm Laser LOC có hai đặc điểm lưu ý là: nồng độ hạt tải dũ lớp tớch cực ống dẫn (vỏ) lớn so với cấu trúc dị thể chuẩn có suy giảm chiết suất vùng tái hợp mật độ tập chung hạt tải cao gây ổn định kích thước vết sáng Cấu trúc [3] áp dụng khái niệm buồng cộng hưởng rộng (LOC) với dẫn sóng mở rộng cho bước sóng 808nm, cấu trúc sử dụng lừi ống dẫn súng cú bề dày 1.2µm bao gồm Al 0.6 Ga0.4 As lớp vỏ với hợp chất Al0.6 Ga0.4 As (hỡnh 1.3) Một cấu trỳc dẫn súng tối ưu cho laser diode công suất cao LOC cần thoả yờu cầu sau [17]: - Khả giam hóm cao để giảm dũng ngưỡng - Bề rộng trường gần phải đủ lớn để giảm tải trọng bề mặt - Bề rộng trường gần phải đủ nhỏ để giảm bề dày tổng cộng lớp ghép, tức trở nhiệt trở hệ thống - Bề rộng trường gần phải đủ lớn để độ phân kỳ theo chiều dọc nhỏ - Mất mỏt tỏn xạ thấp - Mất mỏt hấp thụ hạt tải tự nhỏ - Mức pha tạp cao để giảm trở hệ thống - Hàng chắn hạt tải đủ cao để giam hóm điện tử tốt - Hàng lớp khác đủ nhỏ để đạt qua diode thấp GaAs (lớp tiếp giỏp) 12 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYEÁN CHƯƠNG : KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM KIL OBO OKS CO M Để khảo sát số tính chất đặc biệt laser diode công suất cao, sử dụng số thiết bị sau: • Mỏy phỏt xung xung ngắn, dũng cao tự nghiờn cứu thử nghiệm để nuôi cho laser diode công suất cao máy phát xung Phũng laser bỏn dẫn chế tạo sẵn • Cỏc chip laser diode cụng suất cao sử dụng nghiờn cứu • Đầu thu photodiode để thu xạ laser chuyển thành tín hiệu điện đưa vào dao động ký • Dao động ký hai kênh để hiển thị xung ni xung tín hiệu từ đầu thu • Bộ ổn định điều khiển nhiệt độ (cùng Pin Peltier Sensor cảm biến nhiệt kèm) • Kớnh suy giảm trung tớnh 2.1 CHẾ TẠO NGUỒN PHÁT XUNG NGẮN, DềNG CAO ĐỂ NUÔI CHO LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Trên sở thiết kế mạch phát xung Phũng laser bỏn dẫn- Viện khoa học vật liệu- VKH&CNVN, giúp đỡ cán phũng tụi lắp giỏp thử nghiệm thành cụng mỏy phỏt xung ngắn, dũng cao để nuôi cho laser diode công suất cao Lý ta phải sử dụng nguồn nuôi vỡ laser diode cơng suất cao có ngưỡng phát lớn nhiều laser diode thường (cỡ hàng trăm mA) nên cần dũng nuụi cao, đồng thời độ rộng xung nhỏ tần số lặp lại thưa (nghỉ nhiều, làm việc ít) để bảo đảm chip laser diode công suất cao hoạt động tốt (Pin Peltier toả nhiệt kịp thời) Sử dụng máy phát xung có tác dụng làm giảm nhiệt lượng sinh dũng kớch lờn chip laser ảnh hưởng nhiệt lên thăng giáng công suất laser (công suất ổn định hơn) Để kéo dài 39 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN tuổi thọ giảm ảnh huởng nhiệt chip laser diode công suất cao, quỏ trỡnh nghiờn cứu người ta thường sử dụng dũng xung nuụi lớn nhiều lần ngưỡng phát KIL OBO OKS CO M Sơ đồ nguyên lý mỏy phỏt xung ngắn, dũng cao (hỡnh 2.1): Nguyờn lý hoạt động máy phát xung mô tả sau: Điện +5V sử để nuôi cho ba IC (IC 555, IC 74LS123 IC 74LS07) IC 555 tạo xung vng có tần số lặp thay đổi nhờ biến trở Rv1 tụ C3, sau xung từ chân IC 555 đưa vào chân 10 IC 74LS123, IC có tác dụng tăng giảm độ rộng xung nhờ biến trở Rv2 tụ C4 Xung vuông lấy từ chân IC 74LS123 đưa vào chân chân IC 74LS07 từ chân chân IC (IC 74LS07 mạch hở collector), có tác dụng thay đổi dũng cấp cho laser thụng qua thay đổi lối vào (của nguồn công suất) khuếch đại dũng Thế cấp cho nguồn cụng suất (tầng khuếch đại) cỡ +40V (ở sử dụng nguồn chiều có sẵn để thử) sử dụng để nuôi cho ba Transitor khuếch đại (C2383, 2N2219A, 2T909b) Transitor khuếch đại dũng C2383 (hoặc cú thể C828) cựng với biến trở Rv3 có tác dụng thay đổi biên độ xung nuôi Hai transitor 2N2219A 2T909b (do Nga sản xuất) có tác dụng khuếch đại dũng để đưa tín hiệu xung vng kích thích ni cho chip laser Lưu ý, điện trở R5=240Ω (nối lờn Emitter C2383), RL=3.3Ω (trở chặn bảo vệ laser) phải sử dụng trở cụng suất dũng điện cao nên toả nhiệt mạnh Ngoài vị trí triết áp ta lắp nối tiếp điện trở có tác dụng hạn chế dũng, cụ thể R2=220 Ω (nối tiếp Rv1), R3=560 Ω (nối tiếp với Rv2) R4=2.2kΩ (nối tiếp Rv3) Tại đầu vào nguồn cấp chiều ta sử dụng cặp tụ hoá song song với tụ gốm cho nối đất để lọc tín hiệu phản hồi mạch điện gây 40 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN +5V RV1 Vs +40V RV2 R4 R2 + C7 C8 R3 11 U1 10 RV3 B R/C C THR TRG Q C5 C4 CV NE555 C3 74LS07 U3A + C6 R5 U5B Q A OUT 12 DSCHG GND R1 RST VC C C LR C1 KIL OBO OKS CO M + C2 C828 T1 T2 74LS123 74LS07 Trong đó: D1 LASER RL C1=100µF;C2=10000pF;C3=1000pF;C4=22pF;C5=100000pF;C6=1000µF; Rv1(B100K);Rv2(B50K);Rv3(B100K) Hỡnh 2.1: Sơ đồ nguyên lý mỏy phỏt xung ngắn, dũng cao để nuôi cho chip laser diode công suất cao thí nghiệm Trên sở mạch nguyên lý trờn, chỳng tụi thiết kế mạch in phần mềm Protel, sau sử dụng giấy dán bỡa để in mạch để mặt in lên bakelit có phủ đồng, dùng bàn nóng lên mặt sau giấy ta mạch in bakelit Sau đưa bảng in vào dung dịch ăn mũn FeCl3 , sau cho ăn mũn khoảng 10 phỳt ta lấy rửa dung dịch axeton, ta quét lớp nhựa thông lên mặt in để mạch in chắn Cuối ta tiến hành khoan lỗ cho chân cắm linh kiện cắm linh kiện nêu Sau cắm linh kiện thử nghiệm mỏy phỏt xung (hỡnh 2.2) cú thể hoạt động với tần số thay đổi từ f= 1kHz tới 14.5kHz, độ rộng xung đạt tới 50ns, dũng xung vuụng ổn định lên tới 8(A) 41 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Hỡnh 2.2: Hỡnh ảnh mỏy phỏt xung hoàn thành KIL OBO OKS CO M Lối mỏy phỏt xung bao gồm: Thứ chỳng tụi sử dụng dõy bọc kim hai lừi ngắn để nuôi cho laser, dây dương (vở BNC chip laser) hàn lên lối Emitter 2T909b, cũn dõy õm (lừi BNC) chip laser hàn lờn điện trở chặn RL=3.3Ω, vỏ bọc kim nối đất mạch Chỳ ý, ta nờn sử dụng loại dõy vỡ nú cú thể hạn chế nhiễu gây dây (dây có vai trũ gian dũng nuụi chip laser), sử dụng dây cắm hai đầu làm sẵn không bọc kim thỡ nhiễu mà nú gõy khỏ lớn, khú thu tín hiệu Thứ hai đưa kênh Y dao động ký xác định dũng chạy qua Đối với mach làm sẵn RL =1Ω , mạch tự lắp giáp có RL =3.3Ω Dũng cấp cho laser cú thể xác định kênh Y dao động ký sau: I= Trong đó: UY RL (2.1) UY: điện áp rơi điện trở chăn RL I dũng nuụi cho laser diode cụng suất cao 2.2 CÁC CHIP LASER DIODE CễNG SUẤT CAO SỬ DỤNG TRONG NGHIấN CỨU Các chip laser diode công suất cao sử dụng nghiên cứu chế tạo từ hợp chất bốn thành phần InGaAsP/InP sở cấu trúc dị thể vùi Cấu trúc có ưu điểm khả giam giữ hạt tải tốt hệ số chặn quang cao Các chip có đặc điểm sau: cấu trúc laser diode công suất dạng mảng (thanh) có chiều dài buồng cộng hưởng lớn, có nhiều dải tích cực tích hợp Như trỡnh bày chương 1, dải tích cực nguồn phát 42 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN laser thành phần, nguồn nằm sát tạo mối quan hệ pha (hợp pha) tạo xạ laser tổng hợp có tính kết hợp cao, độ rộng chùm tia hẹp công suất lớn nhiều laser diode thường Để nâng cao KIL OBO OKS CO M công suất xạ chùm tia người ta phủ lớp chống phản xạ (~ 90%) mặt sau buồng cộng hưởng (mặt tách không phát laser), laser chủ yếu phát mặt cũn lại (hỡnh 2.3) W mặt phủ lớp chống phản xạ d xạ laser mặt phỏt laser l D Hỡnh 2.3: Dạng kớch thước hỡnh học chip laser diode dạng mảng cụng suất cao Trong nghiên cứu sử dụng mẫu laser diode cụng suất cao dạng mảng, có mẫu Đức chế tạo, cũn lại chế tạo Phũng Laser bỏn dẫn: Mẫu thứ ký hiệu No:607 Mẫu thứ hai ký hiệu No:707 Mẫu thứ ba ký hiệu No:807 43 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Mẫu cuối cựng ký hiệu No:827 Mẫu Đức hàn, mẫu chuẩn để đánh giá so sánh chất lượng đặc trưng công suất KIL OBO OKS CO M laser Dõy vàng Chip laser Tấm cách điện Đế đồng a/ b/ Hỡnh 2.4: a/Chip laser cỏch điện mạ vàng hàn lên đế đồng b/ Hỡnh ảnh chụp chip laser diode cụng suất cao Chip laser diode công suất cao gắn lên đế toả nhiệt đồng, nhiệt sinh miền tích cực cú dũng bơm truyền xuống đế đồng tản nhanh nhờ ổn định điều khiển nhiệt độ 06DTC101 TEC CONTROLLER hóng Melles Griot Chip laser hàn đế đồng cho mặt phát xạ chip phải nằm sát mép song song với mặt đứng đế để tránh bị ảnh hưởng cạnh đế lên xạ laser Bên cạnh chip laser cách điện (silic), mặt hàn xuống đồng, mặt phủ công tắc vàng Trên công tắc vàng hàn dây vàng 50µm nối 44 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN với chip laser diode, đồng thời dây vàng khác hàn điện cực bên ngoài.Tấm có nhiệm vụ chuyển tiếp cơng tắc để bảo vệ cho chip laser KIL OBO OKS CO M 2.3 ĐẦU THU PHOTODIODE 2.3.1 NGUYấN Lí HOẠT ĐỘNG Khi khảo sát đặc trưng công suất laser diode công suất cao chế độ xung nhanh, linh kiện sử dụng để thu xạ đầu thu photodiode mạch thu tín hiệu Photodiode có tác dụng chuyển xạ laser thành tín hiệu điện giúp ta đo đặc trưng xạ laser thông qua dao động ký Đầu thu photodiode vật liệu bán dẫn có cấu trúc p-n hoạt động dựa hiệu ứng quang điện nội sau: Khi chiếu xạ ánh sáng lên mặt đầu thu photodiode thỡ chỳng hấp thụ hầu hết miền nghèo hoá đồng thời sinh cặp điện tử- lỗ trống Dưới tác dụng điện trường mạnh thỡ cặp điện tử-lỗ trống hai phía ngược (điện tử chạy phía p cũn lỗ trống phớa n ) Kết sinh dũng điện mạch thu tỷ lệ với công suất xạ tới [18] , mô tả hỡnh sau: photon n p - + 45 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN KIL OBO OKS CO M Hỡnh 2.5: Sơ đồ hoạt động photodiode Trong thực tế, tuỳ thuộc vào ứng dụng cụ thể mà độ dày miền nghèo hoá sử dụng cụ thể Chẳng hạn đầu thu đồi hỏi tốc độ cao thỡ cần đầu thu photodiode có miền nghèo hố mỏng, hiệu suất lượng tử photodiode lại giảm số cặp hạt tải (điện tử-lỗ trống) giảm, điều khơng thích hợp cho xung sáng tốc độ thấp Do hai loại đầu thu tốc độ thấp (Photodiode PIN) tốc độ cao (Photodiode ADP) tồn Trong nghiên cứu sử dụng đầu thu photodiode loại PIN, loại đầu thu có thời gian đáp ứng xung nhanh cỡ 10ps, loại thu tốt tín hiệu từ xạ laser xung laser ta tới hàng chục ns 2.3.2 ĐẦU THU PHOTODIODE LOẠI PIN (p-i-n) Đây loại đầu thu sử dụng nhiều nghiên cứu ứng dụng Diode PIN cải tiến từ p-n, liên kết p-n kẹp bên lớp bán dẫn pha tạp gọi i (intrinsic) Kết độ rộng miền nghèo hoá tăng lên dẫn đến độ nhạy tốc độ làm việc tăng, đồng thời làm giảm tỷ số chiều dài khuếch tán chiều dài dịch chuyển linh liện dẫn đến dũng hạt tải lớn trỡnh dịch chuyển nhanh Đối với photodiode loại PIN thỡ quỏ trỡnh hấp thụ photon để tạo cặp điện tử-lỗ trống xảy bên lớp i Khi ta đặt thiên áp ngược vào hai đầu linh kiện thỡ cỏc hạt tải lớp i tách điện trường tiếp giáp, dẫn tới xuất dũng điện mạch ngoài, dũng tỷ lệ với số photon xạ tới (dũng quang điện) Sơ đồ cấu trúc hỡnh ảnh chụp photodiode PIN: 46 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN a/ b/ i n KIL OBO OKS CO M p Hỡnh 2.6: a/ Sơ đồ cấu trúc p-i-n photodiode đơn giản b/Hỡnh ảnh chụp photodiode PIN sử dụng nghiờn cứu Photodiode mắc vào mạch thu tín hiệu hỡnh 2.7: laser - + Cp1 Cp2 Cp3 +V - RT2 RT1 K ký Hỡnh 2.7: Sơ đồ mạch thu tín hiệu Hỡnh 2.8: Ảnh chụp thu tớn hiệu 47 Vào kờnh X dao động http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Trong đó: hồi KIL OBO OKS CO M Tụ hoỏ Cp1=10000pF;Cp2=100µF;Cp3=100µF cú tỏc dụng lọc thành phần phản RT1= 2.2 Ω;RT2= 50Ω Nếu khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng P-I laser diode công suất cao chế độ xung ta cần dùng V=+3V, Cp1=10000pF;Cp2=100µF RT1= 2.2 Ω Cụ thể, thớ nghiệm ta dựng cho mỏy phỏt xung làm sẵn Phũng laser bỏn dẫn Nếu khảo sát đặc trưng công suất P-I chế độ xung ngắn, dũng cao ta phải dựng nguồn cấp, điện dung trở tải lớn nhiễu hệ lớn :V=+9V;Cp1=10000pF; RT2= 50Ω Sử dụng cho mạch tự chế tạo Công tắc K để thay đổi trở lối ra, điện cung cấp cho mạch thu đặt ngược chiều với chuyển tiếp p-n Công suất xạ laser xác định kênh X dao động ký thụng qua trở tải RT ( RT1 RT2 ) P =κ Trong đó: UX RT (2.2) P công suất quang thu UX điện áp rơi trở tải RT κ hệ số đặc trưng cho loại đầu thu photodiode (trường hợp κ=1 ) 2.4 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Ở CHẾ ĐỘ XUNG Trong chương khảo sỏt cỏch định tính ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng P-I, cụ thể ảnh hưởng lên dũng bơm ngưỡng phát laser 48 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Chip laser diode cụng suất cao (2) Kớnh suy hao trung tớnh (3) KIL OBO OKS CO M Mỏy phỏt xung (1) Bộ ổn định điều khiển nhiệt độ (8) Sensor cảm biến nhiệt (7) Pin Peltier (6) Dao động ký KIKUSUI (5) Kờnh Y Bộ đầu thu photodiode PIN (4) Kờnh X Hỡnh 2.9 : Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng P-I laser diode công suất cao chế độ xung Trong hệ đo sử dụng máy phát xung vuông (1) chế tạo sẵn Phũng laser bỏn dẫn cú tần số thay đổi 9.9 kHz, cho hoạt động hai mức có độ rộng xung 1µs 5µs, dũng xung vuụng thay đổi từ tới (A) Máy phát xung cấp cho laser diode công suất cao (2) hoạt động Chip laser (2) đặt dẫn nhiệt cách điện Pin Pentier (6), nên cách điện thay đổi nhiệt độ làm thay đổi nhiệt độ chip laser (2) Sự thay đổi Sensor (7) cảm nhận truyền đến cho ổn định điều khiển nhiệt độ TEC CONTROLLER (8) Bộ (8) có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu truyền từ Sensor (7) đồng thời điều chỉnh dũng điện cấp cho Pin Pentier (6) để cách điện (nhiệt độ chip laser) đạt đến nhiệt độ mà ta đặt trước Xung laser cho qua kính suy giảm trung tính 34 lần hóng Melles Griot (3), kớnh cú đặc 49 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN điểm số lần suy hao khơng phụ thuộc vào bước sóng qua Lý sử dụng kớnh suy giảm trung tớnh vỡ cụng suõt xạ laser cao tới hàng W, cụng suất bóo hồ đầu thu photodiode gần 100mW Sau qua kính suy KIL OBO OKS CO M giảm xạ tiếp tục cho qua photodiode PIN (4) chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu cho vào kênh X dao động ký KIKUSUI (5), dựa vào tớn hiệu ta cú thể tớnh cơng suất xạ laser diode Trong thí nghiệm này, chúng tơi sử dụng hộp xốp cỏch nhiệt cắt thích hợp để cách nhiệt hệ chip laser-Sensor-Pin Pentier với mơi trường ngồi nhằm ổn nhiệt tốt hơn, nhiệt độ thay đổi từ 20 C − 50 C Tại nhiệt độ cố định, thay đổi dũng nuụi ta nhận đường đặc trưng công suất tương ứng (trỡnh bày chương 3) Khi thay đổi nhiệt độ làm dũng ngưỡng công suất phát laser thay đổi (theo công thức 1.17 chương 1) Sự thay đổi xác định qua kênh tín hiệu X dao động ký (5) Thớ nghiệm thực chip khác mang kí hiệu: No:607; No:707; No:807 No:827.Cường độ dũng nuôi I công suất xạ laser P tính theo cơng thức (2.1) (2.2) Kết thảo luận chương Ảnh chụp máy ảnh Cannon hệ thí nghiệm: Hỡnh 2.10: Ảnh chụp sơ đồ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng công suất P-I laser diode cơng suất cao chế độ xung 2.5 HỆ THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG MÁY PHÁT XUNG DềNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN Hệ thí nghiệm đo phụ thuộc cơng suất xạ laser vào dũng bơm chế độ xung ngắn, dũng cao nhiệt độ T = 26 C 50 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Chip laser diode cụng suất cao (2) Dao động ký KIKUSUI Đầu thu photodiode PIN (3) KIL OBO OKS CO M Mỏy phỏt xung ngắn (1) (4) Kờnh Y Kờnh X Hỡnh 2.11: Sơ đồ khối khảo sát đặc trưng công suất P-I chế độ xung ngắn, dũng cao Hỡnh 2.12: Ảnh chụp sơ đồ khảo sát công suất xạ laser diode công suất cao phụ thuộc dũng bơm chế độ xung ngắn, dũng cao Trong hệ thí nghiệm sử dụng máy phát (1) xung tự lắp giáp thử nghiệm, máy phát xung trỡnh bày mục 2.1 Nú cú tần số lặp lại thay đổi từ 1kHz tới 14.4kHz, độ rộng xung đạt τ = 50ns dũng xung vuụng cú thể lờn tới 8(A) Máy phát xung ngắn, dũng cao (1) cấp dũng cho chip laser (2) (mang ký hiệu No: 827) Đức chế tạo, chip laser diode công suất cao dạng mảng có chất lượng tốt dùng để làm mẫu chuẩn phục vụ nghiên cứu, đồng thời rơi trở chặn laser máy phát đưa tới kênh Y dao động ký (4) Bức xạ từ laser (2) cho qua đầu thu photodiode (3), tín hiệu từ photodiode (3) truyền kênh X dao động ký (4) Kết thảo luận chương 51 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN KIL OBO OKS CO M TÀI LIỆU THAM KHẢO W Koechner: Solid-state Laser Engineering, 4th edn., Springer Ser Opt Sci.1 (Springer, Berlin, Heidelberg 1996) p.302 D Botez, L.J.Mawst, A Bhattacharya, J Li, T.F.Kuech, V.P.Iakolev, G.I.Suruceanu, A.Caliman, A.V.Syru: 6% CW wallplag efficiency from Al-free 0.98µm emitting diode lassers, Elevtron.Lett 32, 2012-2013 (1996) D.Z Gabusov, J.Abales, N.A Morris, P.D Gardner, A.R Triano, M.G Harvey, D.B Gilbert, J.C Colly: High power separate confinement heterostructure AlGaAs/GaAs laser diodộ ưith broadened waveguide, SPIE Prodoc 268, 2(1996) C.Lin: Optoelectric Technology and Ligthwave Communications Systems (Van Nostrand Reinhold, New York 1989) O Wada: Optoelectric intergration: Physics, Technology and Applications (Klwer Academic, Dordrect 1994) R.Williams: Morden GaAs Processing Techniques, 2nd edn (Artech House, London 1990) F.Daiminger, S.Heinemann, M.Toivonen, H.Asonen: 100W CW AL808nm linear bars arrays, CLEO 97 Tech Dig Ser 11, 482-483 (1997) W.C.Tsang, H.J.Ronsen, P.Vettiger, D.J.Webb: Evidence for currentdensity- induced heating of AlGaAs single quantum well laser facets, Appl.Phys.Lett.59, 1005-1007 (1991) A Valster, A T Meney, J R Downer, D A Faux, A R Adams, A A Brouwer, A J Corbijn: Strain-overcompensated GaInO-AIGaInP quantum well laser structures for improved reliability at high-output powers, IEEEJ Sel Topics Quantum Electron 3,180-187 (1997) 52 http://kilobooks.com THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 10 M Watanabe, K tani, K Takahashi, K Sasaki, H Nakatsu M Hosoda, S Matsui, O Yamamoto, S Yamamoto: Fundamantal-transverse-mode high-power AlGaInP laser diode with windows grown on facets, IEEE J KIL OBO OKS CO M Sel Topics Quantum Electron 1, 728-733 (1995) 11 L W Tu, E F Schubert, M Hong, G J Zydik Meyer: In-vacuum cleaving and coating of semiconductor laser facets using thin silicon and a dielectric, J Appl Phys 80, 6448 (1996) 12 V N Bessolov, M V Lebedev, B V Tsarenko, Yu M Shernyakov: Increase in the degree of catastrophic optical degradation of InGaAs/ AlGaAs (977 nm) laser diondes after sulfidization in solution based on isopropyl alcohol, Tech Phys Lett 21, 561-562 (1995) 13 A J Howard, C I H Ashby, J A Lott, R P Schneider, R F Corless: Electrochemical sulful passivation of visible (670 nm) AlGaInP lasers, J Vac Sci Technol A 12, 1063-1067 (1994) 14 P Tihany, D R Scifrec, R S Bauer: Reactive outdiffusion of contaminants from (AlGa) As laser facets, Appl Phys Lett 42, 313-315 (1983) 15 M.Ohkubo,T.Ijichi,A.Iketani,T.Kikuta:Aluminium-free InGaAs/GaAs/InGaAsP /InGaP GRIBSCH SL-SQW lasers at 0.98 µm,Elec-tron Lett 28, 11491150 (1992) 16 David G.Mehuys High power semiconductor Lasers 17 Gotz Erbert, Arthur Barwolff, Jurgen Sebastian, and Jens Tomm Highpower Broad- Area Diode Lasers and Laser Bars 18 B.E.A Saleh, M.C Teich Fundamentals of Photonics Part 17.3, Chapter 17 53 ... công suất P-I LASER DIODE công suất cao chế độ xung 2.5 Hệ thí nghiệm khảo sát uốn cong đặc trưng công suất gây nhiệt 2.6 Hệ thí nghiệm đo P-I LASER DIODE cơng suất cao sử dụng máy phát xung. .. LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG MÁY PHÁT XUNG DềNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN Hệ thí nghiệm đo phụ thuộc công suất xạ laser vào dũng bơm chế độ xung ngắn, dũng cao nhiệt độ T = 26 C 50 http://kilobooks.com... hệ thí nghiệm: Hỡnh 2.10: Ảnh chụp sơ đồ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng công suất P-I laser diode công suất cao chế độ xung 2.5 HỆ THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT