Đang tải... (xem toàn văn)
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 hưởngNghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởngNghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởngNghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởngNghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởngNghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởngNghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởngNghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởngNghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởngNghiên 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 NGUN – 2018 Cơng trình được hồn thành tại phòng Laser và kĩ thuật ánh sáng, bộ mơn 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 Cơng 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 Ngun Và thư viện trường Đại học Khoa Học, khoa Vật lí & Cơng 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 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. Cơng nghệ tạo các lớp epitaxy và chế tạo cách tử trong laser DFB cơng 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 cơng suất cao. . 7 2.2.1. Đặc trưng cơng suất, thế phụ thuộc dòng . 7 2.2.2. Hệ đo đặc trưng phổcủa laser bán dẫn cơng 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 cơng 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 mức cường độ tương đối từ hàm dạng Voigt 9 Bảng 3.1: Laser bán dẫn DFB 780 nm sử dụng luận văn. . 10 Bảng 3.2: Các thông số từ đặc trưng PUI laser có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm. 11 Bảng 3.3: Các thông số từ đặc trưng PUI laser có chiều dài buồng cộng hưởng mm. 12 ii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả điện tử bán dẫn vùng cấm thẳng Vùng dẫn cách vùng hóa trị khe lượng Eg 2 Hình 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng vật liệu bán dẫn . 2 Hình 1.9: Sơ đồ ống dẫn sóng ba lớp: cấu trúc laser bán dẫn. 3 Hình 1.11: Cấu Hình 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 cơng suất quang phụ thuộc dòng bơm laser bán dẫn . 5 Hình 1.14: Đặc trưng I-V laser 5 Hình 1.16: Phổ quang laser bán dẫn giá trị ngưỡng (a), gần ngưỡng (b,c) ngưỡng phát laser(d). 6 Hình 2.1: Mơ Hình cấu trúc laser DFB 780. . 7 Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thí nghiệm khảo sát đặc trưng quang điện chế độ liên tục. 8 Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ laser bán dẫn công suất cao. . 8 Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ laser. 9 Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs tần số ν hệ đo self-delayed-heterodyne. 9 Hình 3.1: Đặc trưng PUI laser L1501 nhiệt độ 25oC 11 iii Hình 3.4: Đặc trưng PUI laser L3001 nhiệt độ 25oC 12 Hình 3.7: Phổ laser L1501 cơng suất quang 100 mW. . 13 Hình 3.8: Bản đồ phổ laser L1501 với bước thay đổi dòng 10 mA. . 13 Hình 3.11: Bản đồ phổ laser L3001 phụ thuộc dòng bơm. . 14 Hình 3.14: Độ rộng phổ laser L1501 buồng cộng hưởng 1,5 mm (chấm tròn đỏ) laser L3001 buồng cộng hưởng 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 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. 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 ngồi… 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 cơng suất cao phản hồi phân bố (Distributed feedback laser: DFB laser) là một lựa chọn thay thế hồn 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 ngun lý cơ bản của laser bán dẫn và tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn cơng suất cao DFB Chương 2: Phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính tốn các thơng số cơ bản của laser bán dẫn. Chương 3: Các đặc trưng và tính tốn các thơng số của laser cơng suất cao và kết luận. Chương TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB 1.1 Laser bán dẫn – nguyên lý [13] 1.1.1 Cơ chế hấp thụ phát xạ laser bán dẫn Laser rắn và laser khí thơng thường có các mức năng lượng biểu diễn bởi các vạch hẹp là các mức năng lượng của các ngun 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 ngun tử. Với bán dẫn khơng pha tạp và khi khơng có bất kỳ sự kích 1 thích từ bên ngồi 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 hồn tồn 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 điện tử bán dẫn vùng cấm thẳng Vùng dẫn cách vùng hóa trị khe lượng Eg Với một mức năng lượng photon cố định chỉ có hai mức năng lượng riêng biệt E1kvà E2kvì 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 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng vật liệu bán dẫn - Sự hấp thụ, cũng được gọi là hấp thụ kích thích, là q trình thứ nhất minh họa trong Hình 1.2. Một photon được hấp thụ và một cặp điện tử - lỗ trống được phát sinh. - Q trình thứ hai được gọi là phát xạ tự phát. - Q 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). Q trình này có thể được sử dụng để khuếch đại bức xạ quang, vì các photon được phát ra hồn tồn 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 q 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 laser bán dẫn Laser bán dẫn phải được cấu thành từ các thành phần khơng thể thiếu dưới đây: Một mơi 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 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 thơng thường nằm ở trong lõi của dẫn sóng quang. 1.1.4 Dẫn sóng 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 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 cơng 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 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 khơng 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 ngồi 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 ngun 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 tn theo điều kiện Bragg. 4 1.3.Các đặc trưng laser bán dẫn công suất cao DFB 1.3.1 Đặc trưng quang điện a Đặc trưng cơng suất xạ phụ thuộc dòng bơm (P –I) Đặc trưng cơng suất quang – dòng bơm (P-I) của laser biểu diễn sự phụ thuộc vào dòng bơm của cơng suất quang lối ra. Thơng qua đường đặc trưng này ta có thể xác định được nhiều thơng 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 cơng nghệ chế tạo. Hình1.13 mơ tả đặc trưng cơng suất quang đầu ra của laser bán dẫn phụ thuộc dòng bơm. Hình 1.13: Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dòng bơm laser bán dẫn b Đặc trưng dòng ( 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 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 cơng suất và chiều dài buồng cộng hưởng. Có thể đạt được cơng 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 mơ 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 Bước sóng nm Bước sóng nm Bước sóng nm Bước sóng nm Hình 1.16: Phổ quang laser bán dẫn giá trị ngưỡng (a), gầnngưỡng (b,c) ngưỡng phát laser(d). - Ở dưới giá trị dòng ngưỡng I Ith (Hình 1.16d): là vùng phát laser; cơng suất quang đầu ra tăng tuyến tính với dòng cung cấp; 1.3.3 Độ rộng vạch phổ 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 nghiện cứu [13] Trong phần này, chúng ta sẽ mơ tả một số điểm quan trọng của dây chuyền cơng nghệ là cơ sở để chế tạo các laser bán dẫn DFB cơng 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 cơng nghệ chế tạo của laser bán dẫn DFB cơng suất cao chế tạo chủ yếu là tn 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 cơng suất cao có dạng như trong Hình 2.1. Hình 2.1: Mơ Hình cấu trúc laser DFB 780 nm 2.1.1 Công nghệ tạo lớp epitaxy chế tạo cách tử laser DFB cơng suất cao vùng sóng 780 nm 2.1.2 Chế tạo thành laser bán dẫn DFB ống dẫn sóng gò kim loại hóa 2.1.3 Phủ lớp phản xạ 2.1.4 Đóng vỏ 2.2 Phương pháp đo đặc trưng laser bán dẫn công suất cao 2.2.1 Đặc trưng công suất, phụ thuộc dòng a) Đặc trưng P – I 7 Chúng tơi sử dụng hệ thí nghiệm với các thành phần được mơ tả như ở Hình 2.6 để đo cơng suất phụ thuộc dòng bơm của laser 780 nm phát ở chế độ liên tục. Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thí nghiệm khảo sát đặc trưng quang điện 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 laser bán dẫn cơng suất cao DFB phát vùng sóng 780 nm Cấu trúc phổ của laser bán dẫn DFB 780 nm được chúng tơi nghiện cứu và phân tích bằng hệ đo được mơ tả theo sơ đồ Hình 2.10. Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ laser bán dẫn công suất cao 2.2.3 Kỹ thuật đo độ rộng vạch phổ laser bán dẫn DFB [13] Hệ đo độ rộng vạch phổ của laser được mơ tả như Hình 2.12. 8 Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ 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 : 2.1 IF s – ( s ) Δ Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs tần số ν hệ đo selfdelayed-heterodyne. Bảng 2.1: Giá trị độ rộng vạch phổ tương ứng mức cường độ tương đối từ hàm dạng Voigt Cường độ tương đối -3dB -10dB -20dB Giá trị tương ứng 2∆ν (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 MIN g Lc (2.3) 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 luận văn Nhóm Nhóm Laser Rf Rr w (μm) L (mm) L1501 0,01% 95% 3,0 1,5 L1502 0,01% 95% 3,0 1,5 L1503 0,01% 95% 3,0 1,5 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 laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng Chúng tơi tiến hành đo đạc cơng 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 cơng 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 cơng 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 40 30 T = 25°C Ith = 41 mA = 0.79 W/A 200 100 §iƯn thÕ U (V) C«ng suÊt P (mW) I100mW = 167 mA 0 50 100 150 200 250 300 350 400 20 10 HiƯu st biÕn ®ỉi quang ®iƯn (%) 300 Dßng ®iƯn I (mA) Hình 3.1: Đặc trưng PUI laser L1501 nhiệt độ 25oC Các thơng 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 thơng số từ đặc trưng PUI laser có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm Dòng ngưỡng Cơng suất Ith (mA) cực đại @ 400 mA Hiệu suất độ dốc đến 100 mW (W/A) Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại (%) (mW) 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. Cơng 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 cơng 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. Cơng 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%. T Ith = 25°C = 42 mA 40 = 75 W/A 200 100 §iƯn thÕ U (V) C«ng suÊt P (mW) P500m A = 274 mW 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 30 20 10 HiÖu suất biến đổi quang điện (%) 300 Dòng điện I (mA) Hình 3.4: Đặc trưng PUI laser L3001 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 thơng số từ đặc trưng PUI laser có chiều dài buồng cộng hưởng mm Dòng ngưỡng Cơng suất Ith (mA) cực đại @ 500 mA Hiệu suất độ dốc đến 100 mW (W/A) Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại (%) (mW) 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. Cơng 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 khơng thay đổi so với nhóm 1, trong khi hiệu suất độ dốc giảm. 12 3.3 Tính chất phổ 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 cơng 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. Cường độ tương đối (dB) -20 -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 cơng 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 laser L1501 với bước thay đổi dòng 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 khơng 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 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 hồn tồn phù hợp vì khoảng cách mode tỉ lệ nghịch với chiều dài buồng cộng hưởng trong các laser buồng cộng hưởng Fabry-Perot. Laser L3001 có độ dịch phổ của laser theo dòng bơm là ∆λ/∆I = 0,0023 nm/mA (Hình 3.11), trong khi laser L3002 là ∆λ/∆I = 0,0020 nm và laser L3003 là ∆λ/∆I = 0,0017 nm/mA. Nhìn chung các laser nhóm 1 tốc độ dịch chuyển bước sóng theo dòng bơm từ 0,0030 nm/mA tới 0,0032 nm/mA. Khi tăng chiều dài buồng cộng hưởng lên gấp đơi tốc độ dịch chuyển ∆λ/∆I thay đổi từ 0,0017 nm/mA đến 0,0023 nm/mA. Như vậy sự giảm tốc độ dịch chuyển bước sóng trung tâm có thể đạt được gần 2 lần nếu ta thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng từ 1,5 mm lên 3 mm. 3.4 Tối ưu hoá độ rộng vạch phổ laser theo chiều dài buồng cộng hưởng Để khảo sát kỹ hơn sự phụ thuộc của tính chất phổ vào chiều dài buồng cộng hưởng, các laser được tiến hành đo độ rộng vạch phổ phụ thuộc cơng suất quang. Phép đo được thực hiện trên hệ đo self-heterodyne tại phòng thí nghiệm Joint Lab LaserMetrology, Viện Ferdinand Braun, CHLB Đức. Độ rộng phổ được đo theo cơng suất quang từ 10 mW đến 200 mW với bước thay đổi là 10 mW. Hình 3.14 là độ rộng phổ thay đổi theo cơng suất quang của hai laser bán dẫn cơng suất cao DFB phát xạ vùng 780 nm. Độ rộng phổ của laser L1501 giảm từ 3962 kHz xuống khoảng 200 kHz khi cơng suất thay đổi từ 10 mW đến 200 mW được thể hiện ở Hình 3.14 bằng các chấm tròn màu đỏ. Thay đổi cơng suất tương tự thu được kết quả ứng với laser L3001 giảm từ 693 kHz tới 33 kHz (chấm vng xanh trên Hình 3.14). Hai đường liền nét là đường fit tuyến tính kết quả đo của hai laser. 15 Hình 3.14: Độ rộng phổ laser L1501 buồng cộng hưởng 1,5 mm (chấm tròn đỏ) laser L3001 buồng cộng hưởng mm (chấm vng xanh) phụ thuộc cơng suất. Độ rộng phổ đến 200 mW của cả hai laser giảm tương đối tuyến tính phù hợp với công thức Schawlow-Townes (1.32). Khi thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng, độ rộng vạch phổ giảm đáng kể. Tỉ lệ giảm từ 5,7 (@10 mW) đến 6,0 (@200 mW). 16 KẾT LUẬN Tính chất quang điện và tính chất phổ của laser bán dẫn cơng suất cao DFB phát xạ vùng bước sóng 780 nm đã được khảo sát. Hai nhóm laser có cấu trúc giống nhau về chiều rộng của chip laser là w = 3 μm, hệ số phản xạ mặt sau của laser Rr = 95%, mặt trước là Rf = 0,01%, được gắn trên phiến CuW, sau đó đóng vỏ C-mount. Nhóm 1 có chiều dài L = 1,5 mm và nhóm 2 chiều dài l = 3 mm. Đặc trưng quang điện cho thấy khi thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng từ 1.5 mm lên 3 mm dòng ngưỡng tăng nhẹ, Ith của nhóm 1 thay đổi từ 38 mA đến 41 mA trong khi nhóm 2 thay đổi từ 42 mA đến 45 mA. Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại gần như khơng thay đổi. Cơng suất cực đại đạt được là 313 mW lớn hơn so với các laser nhóm 1. Tính chất phổ của laser cũng thay đổi rõ rệt khi thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng. Khoảng cách nhảy mode thu hẹp tỉ lệ nghịch với chiều dài buồng cộng hưởng. Tốc độ dịch phổ ∆λ/∆I của nhóm 1 từ 0,0030 nm/mA tới 0,0032 nm/mA, trong khi nhóm 2 thay đổi từ 0,0017 nm/mA đến 0,0023 nm/mA. Như vậy sự giảm tốc độ dịch chuyển bước sóng trung tâm có thể đạt được gần 2 lần. Độ rộng phổ phụ thuộc cơng suất quang khi thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng giảm đáng kể. Tỉ lệ giảm từ 5,7 (@10 mW) đến 6,0 (@200 mW). Như vậy khi buồng cộng hưởng thay đổi từ 1,5 mm đến 3 mm, laser bán dẫn cơng suất cao DFB 780 nm đạt được các tính chất tối ưu hơn. 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G. P. Agrawal, “Semiconductor lasers”, Kluwer Academic Publishers, (1993). [2] M. C. Amann, J. Buus: Tunable Laser Diodes, Artech House, Boston, (1998). [3] M. J. Adams, A. G. Steventon, W. J. Devlin, I. D. Henning: Semiconductor Lasers for Long-Wavelength Optical-Fibre Communications Systems, IEE Materials and Devices Series, (1987). [4] A. Baliga, D. Trivedi and N. G. Anderson, “Tensile-strain effects in quantumwell and superlattice band structures”, Phys. Rev. B, 49, pp.10402, (1994). [5] F. Bachmann P. Loosen, R. Poprawe, High Power Diode Lasers, Springer, pp. 197-200, (2007) [6] O. Brox, J. Wiedmann, F. Scholz, F. Bugge, J. Fricke, A. Klehr, T. Laurent, P. Ressel, H. Wenzel, G. Erbert and G. Tränkle, “Integrated 1060nm MOPA pump source for high-power green light emitters in display technology”, Proc. of SPIE, Novel In-Plane Semiconductor Lasers VII, 6909, pp. 6091G-1, (2008). [7] R Diehl, High-Power diode laser, Topics Appl. Phys Springer, (2000). [8] P. Goldberg, P. W. Milonni, and B. Sundaram, “Theory of the fundamental laser linewidth”, Physical Review A, 44(3), pp. 1969, (1991). [9] P. Goldberg, P. W. Milonni, and B. Sundaram, “Theory of the fundamental laser linewidth II”, Physical Review A, 44(7), pp. 4556, (1991). [10] C. H. Henry, “Theory of the linewidth of semiconductor lasers”, IEEE Journ. Quant. Electr. QE-38(2), pp. 259, (1982). [11] A. Klehr, M. Braun F. Bugge, G. Erbert, J. Fricke, A. Knauer, P. Ressel, H. Wenzel and G. Tränkle, “High-power ridge-waveguide and broad-area lasers with a DFB resonator in the wavelength range 760-790nm”, Proceedings SPIE, Novel In-Plane Semiconductor Lasers IV, 5738, p. 416-424, (2005). [12] V. D. Mien, V. V. Luc, T. Q. Tien, P. V. Truong, T. Q. Cong, V. T. Nghiem, , N. C. Thanh, N. T. Ngoan, V.V. Parashchuk. Optical laser diode module preparation and characterization Proceeding of the 6th International Conference on Photonics and Applications, Hanoi, (2010). 18 [13] N. T. Phuong, Investigation of spectral characteristics of solitary diode lasers with integrated grating resonator, Berlin, (7), pp.7-11, (2010). [14] P. Ressel and G. Erbert, “Verfahren zur Passivierung der Spiegelflächen von Optischen Halbleiterbauelementen,” German Patent Application, (2002). [15] B. A. Saleh, “Fundamental of Photonics”, John Wiley & Sons, Inc, (1991). [16] A. L. Schawlow and C. H. Townes, “Infrared and Optical Masers”, Physical Review, 112(6), pp. 1940, (1958). [17] F. Traeger, “Springer Handbook of Lasers and Optics”, Springer (2007). [18] P. Unger, “Introduction to Power Diode Lasers”, R. Diehl (ed.), “High-Power Diode Lasers. Fundamentals, Technology, Applications”, Topics Appl. Phys. Springer Verlag Berlin Heidenberg, 78, pp. 1-54, (2000). [19] H. Wenzel, A. Klehr, M. Braun, F. Bugge, G. Erbert, J. Fricke, A. Knauer, P. Ressel, B. Sumpf, M. Weyers and G. Tränkle, “Design and realization of highpower DFB lasers”, SPIE Proceedings, Physics and Applications of Optoelectronic Devices, 5594, pp. 110, (2004). 19 ... 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: ... 1: Các ngun lý cơ bản của laser bán dẫn và tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn cơng suất cao DFB Chương 2: Phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính tốn các thơng số cơ bản của laser bán dẫn. ... hoá độ rộng vạch phổ laser theo chiều dài buồng cộng hưởng Để khảo sát kỹ hơn sự phụ thuộc của tính chất phổ vào chiều dài buồng cộng hưởng, các laser được tiến hành đo độ rộng vạch phổ phụ thuộc cơng suất quang.