Nghiên cứu chất lượng chùm tia Laser bán dẫn công suất cao cấu trúc giếng lượng tử và module laser phát ở bước sóng 670 nm : Luận văn ThS. Vật liệu và Linh kiện Nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TỐNG QUANG CÔNG NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 670 nm LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TỐNG QUANG CÔNG NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ VÀ MODULE LASER PHÁT Ở BƯỚC SÓNG 670 nm Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nanô Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Vũ Doãn Miên Hà nội -2011 Mục lục Danh mục từ viết tắt i Danh mục bảng ii Danh mục hình iii MỞ ĐẦU Chương - NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA LASER DIODE VÀ TÍNH CHẤT CHÙM TIA 1.1 Nguyên lý hoạt laser diode 1.1.1 Sự phát xạ hấp thụ chất bán dẫn 1.1.2 Các thành phần laser bán dẫn 10 1.1.3 Khuếch đại quang điều kiện ngưỡng 13 1.1.4 Sự giam giữ quang ngang 17 1.2 Cấu trúc laser diode công suất cao 19 1.2.1 Cấu trúc giếng lượng tử 19 1.2.2 Khái niệm buồng cộng hưởng quang rộng (Large Optical Cavity) 21 1.3 Tính chất chùm tia laser diode 24 1.3.1 Một số nguyên lý đánh giá thông số chất lượng chùm tia 24 1.3.2 Sự phân bố mật độ công suất 25 1.3.3 Phân bố trường xa 25 1.3.4 Phân loại chùm tia 25 Chương - KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 27 2.1 Laser bán dẫn công suất cao 670nm 27 2.1.1 Laser bán dẫn cấu trúc dải rộng (Broad Area) dùng nghiên cứu 27 2.1.2 Laser bán dẫn cấu trúc Taper 28 2.2 Phương pháp đo đặc trưng Laser bán dẫn công suất cao 29 2.2.1 Đặc trưng I-V , P-I 29 2.2.2 Đặc trưng phổ 30 2.2.3 Đặc trưng Phân bố trường xa 30 2.3 Kỹ thuật ghép nối module laser 670nm với sợi quang đa mốt 31 2.4 Phương pháp đo hệ số M2 33 2.4.1 Phương pháp khe hẹp (slit method) 33 2.4.2 Thừa số truyền chùm M2 34 Chương - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Các đặc trưng của laser bán dẫn BA laser bán dẫn Taper 35 3.1.1 Đặc trưng I-V laser bán dẫn công suất cao 670 nm 35 3.1.2 Đặc trưng Cơng suất quang phụ thuộc dịng bơm 36 3.1.3 Phổ quang laser bán dẫn 670nm 39 3.1.4 Phân bố trường xa 44 3.2 Hiệu suất ghép nối Laser 670 nm với sợi quang đa mốt 48 3.3 Chất lượng chùm tia laser 670nm 51 3.3.1 3.3.2 Độ rộng cổ chùm (beam waist) 51 Thừa số truyền chùm M2 51 KẾT LUẬN 53 Các báo công bố .55 Tài liệu tham khảo 56 i Danh mục từ viết tắt BA Broad area Dải rộng CCD Charge-coupled Devices CCD CSC Công suất cao GRINSCH Graded-index separate-confinement Heterostructure Dị chuyển tiếp giam giữ tách biệt có chiết suất biến đổi từ từ HMG High Modal Gain Hệ số khuếch đại mode cao LD Laser Diode Laser Diode LED Light Emitting Diode LED LMG Low Modal Gain Hệ số khuếch đại mode thấp LOC Large Optical Cavity Buồng cộng hưởng rộng QWs Quantum Well Giếng lượng tử SCH Separate-Confinement Heterostructure Dị chuyển tiếp giam giữ tách biệt TEC Thermoelectric Cooler Bộ làm lạnh nhiệt điện ii Danh mục bảng Bảng 3.1: Dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ LD Taper o 37 Bảng 3.2: Dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ LD Taper o 38 Bảng 3.3: Dòng ngưỡng hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ LD BA 39 Bảng 3.4: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động laser BA 41 Bảng 3.5: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động laser Taper o 43 Bảng 3.6: phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ laser cấu trúc Taper o .44 Bảng 3.7:Thông số kỹ thuật loại sợi quang đa mode sử dụng 48 Bảng 3.8: Các thông số chùm laser BA laser Taper cấu trúc o 4o .52 iii 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 Hình 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng vật liệu bán dẫn .6 Hình 1.3: Chuyển tiếp p-i-n cấu trúc dị thể kép phân cực thuận 10 Hình 1.4: Sự giam giữ hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) điện trường (photon) sử dụng cấu trúc dị thể kép theo trục thẳng đứng x laser bán dẫn phát cạnh Sơ đồ vùng lượng E(x) với vùng dẫn vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) dẫn sóng điện mơi (giữa), phân bố điện trường � ( x ) mode quang chạy dọc theo hướng z 12 Hình 1.5: sóng đứng có m=7 buồng cộng hưởng Fabry-Perot với chiều dài buồng cộng hưởng L .13 Hình 1.6: Phổ khuếch đại quang vật liệu bán dẫn khối GaAs mật độ hạt tải N=26x1018 cm-3 Ở lượng photon nhỏ lượng độ rộng vùng cấm GaAs (Eg=1.42 eV), vật liệu suốt Khuếch đại quang xảy lượng gần độ rộng vùng cấm, đỉnh đường cong khuếch đại dịch phía sóng ngắn mật độ hạt tải tăng hiệu ứng điền đầy vùng lượng Nếu lượng photon cao tượng hấp thụ xảy [9] 14 Hình 1.7: Phân bố cường độ quang J(x) theo hướng thẳng đứng x mode quang có dạng gần gauss cho laser phát cạnh với độ dày miền tích cực d 15 Hình 1.8: Cường độ sóng quang đường truyền buồng cộng hưởng Fabry Perot với chiều dài L hệ số phản xạ R1 R2 16 Hình 1.9: Ba dạng giam giữ ngang bản: giam giữ dòng, giam giữ quang giam giữ hạt tải 17 Hình 1.10: Các cấu trúc laser với dạng giam giữ khác 18 Hình 1.11: Phổ khuếch đại vật liệu g ��0 � đơn giếng lượng tử Ga0.8In0.2As có độ dày 8nm vật liệu khối mật độ hạt tải khác N=2-6.1018 cm-3 Do mật độ trạng thái D(E) giếng lượng tử cao, điểm cực đại đường cong khuếch đại gần khơng dịch theo bước sóng Tại mật độ điện tử cao hơn, chuyển mức gây vùng thứ hai giếng lượng tử đóng góp vào khuếch đại (tạo cực đại thứ hai) [8] .20 iv Hình 1.12: Các cấu trúc thẳng đứng khác cho giam giữ riêng biệt hạt tải điện mốt quang Đồ thị diễn tả lượng vùng cấm phụ thuộc vào vị trí theo trục thẳng đứng .21 Hình 1.13: Cấu trúc laser cơng suất cao điển hình 22 Hình 1.14: Cấu trúc dẫn sóng thẳng đứng, tính tốn phân bố cường độ trường gần cho laser bán dẫn 23 Hình 1.15: Phân bố mật độ cơng suất dạng chùm tia 26 Hình 2.1 : Cấu trúc lớp laser phát vùng sóng 670 nm 27 Hình 2.2 : Cấu trúc Taper, với L1 độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải Taper, w1 độ rộng vùng tạo dao động 28 Hình 2.3: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V-P Laser 29 Hình 2.4: Sơ đồ đo phổ laser 30 Hình 2.5: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa 31 Hình 2.10: Minh họa thơng số chùm tia 34 Hình 3.1: Đặc trưng I-V laser Taper FBHCO15761 35 Hình 3.2: Đặc trưng I-V laser BA FBHCO160033 36 Hình 3.3: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser Taper o 36 Hình 3.4: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser Taper o 38 Hình 3.5: Đặc trưng Cơng suất phụ thuộc dịng bơm LD BA FBHCO160033 .39 Hình 3.6: Phổ quang laser BA FBHCO160033 .40 giá trị dòng hoạt động khác 40 Hình 3.7: Phổ quang laser BA dòng hoạt động 800 mA với giá trị nhiệt độ hoạt động khác .41 Hình 3.8: Phổ quang laser Taper 4otại giá trị dòng hoạt động khác nhau, nhiệt độ hoạt động 25oC .42 Hình 3.9: Phổ quang laser Taper o dòng hoạt động 600 mA với giá trị nhiệt độ hoạt động khác 43 Hình 3.10: Độ rộng phổ laser Taper 44 Hình 3.11: Phân bố trường xa laser dải rộng (BA) FBHCO160033 45 a) Hướng song song với chuyển tiếp .45 v b) Hướng vng góc với chuyển tiếp 45 Hình 3.12: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 3o .45 Hình 3.13: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 3o nhiệt độ khác .46 Hình 3.14: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 4o .47 Hình 3.15: Phân bố trường xa module laser 48 Hình 3.16: a) Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm LD module LD 49 b) Sự phân bố thành phần công suất theo góc 49 Hình 3.17: Mơ chùm sáng laser ghép với sợi quang kích thước 400 �m, ứng với độ số khác laser cấu trúc Taper (a, b, c)và laser cấu trúc dải rộng (BA) (d, e, f) 50 Hình 3.18: Phân bố cường độ cơng suất theo vị trí cổ chùm 51 MỞ ĐẦU Trong năm gần laser bán dẫn công suất cao phát bước sóng khác vùng nhìn thấy hồng ngoại gần nghiên cứu nhiều phòng thí nghiệm quang tử giới triển khai ứng dụng nhiều lĩnh vực khác phục vụ nghiên cứu khoa học, cơng nghiệp, y tế an ninh quốc phịng Laser bán dẫn công suất cao cấu trúc giếng lượng tử phát vùng ánh sáng đỏ quan tâm nghiên cứu nhiều ứng dụng to lớn mà mang lại Ví dụ laser rắn (Cr:LiSAF) phát xung femto giây bơm laser bán dẫn phát vùng 650nm tới 740nm [5] Trong tương lai thị trường laser đỏ (630nm tới 640nm) phục vụ cho công nghệ trình chiếu lớn Một ứng dụng khác với tiềm to lớn thấy trước ứng dụng trị liệu y học [3,6] Các laser bán dẫn công suất cao chế tạo chủ yếu sở cấu trúc giếng lượng tử vùng tích cực (vùng xảy dao động laser) Vùng tích cực thường gồm nhiều lớp giếng lượng tử với độ dày khoảng vài tới vài chục nano mét Các cấu trúc laser bán dẫn vùng ánh sáng đỏ có khác độ rộng khe lượng (vùng cấm) vật liệu chế tạo giếng lượng tử (thông thường GaInP với độ dày từ ÷ 10 nm) độ rộng khe lượng vật liệu chế tạo lớp dẫn sóng (AlGaInP) Bởi chiều cao hàng rào thấp cho hạt tải miền tích cực Vật liệu ( Alx Ga1� x ) 0.5 In0.5 P sử dụng cho cấu trúc dẫn sóng, vật liệu với thành phần Al cao sử dụng cho lớp vỏ, nhiều trường hợp AlInP Các cấu trúc hình học sử dụng để chế tạo laser công suất cao vùng ánh sáng đỏ cấu trúc dải rộng BA (Broad Area) cấu trúc vuốt thon (taper) Trong luận văn này, chúng tơi nghiên cứu số tính chất vật lý quan trọng laser bán dẫn công suất cao phát vùng sóng ánh sáng đỏ nhằm mục đích nghiên cứu, tìm hiểu laser phục vụ cho mục đích ứng dụng khác Đặc trưng quan tâm laser diode công suất cao phát vùng sóng 670nm cơng suất phát phụ thuộc dịng bơm tính chất chùm tia Đối với laser chế tạo với lớp epitaxy nhau, laser bán dẫn cấu trúc BA có công suất phát lớn so với laser cấu trúc Taper thường có dịng ngưỡng hoạt động lớn Tuy nhiên chất lượng chùm tia laser Taper tốt so với laser cấu trúc BA Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm đo giá trị nhiệt độ khác từ tính nhiệt độ đặc trưng 43 Bảng 3.5: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động laser Taper o Dòng (mA) 400 500 600 700 750 800 850 900 Đỉnh phổ 670,48 671,13 671,28 671,43 671,49 671,79 670,99 671,03 (nm) Hình 3.8 phổ quang laser Taper cấu trúc o dòng bơm khác Khi dòng hoạt động tăng phổ quang laser có xu hướng mở rộng độ rộng, đỉnh phổ thay đổi từ 670,4 đến 671,5 nm dòng thay đổi từ 400 đến 900 mA Ta thấy dòng hoạt động thấp độ rộng phổ khuếch đại (< 2nm), hẹp so với laser BA điều giải thích cấu trúc Taper có phần gị dẫn sóng hẹp rộng 7,5 �m có chức lọc mode xiên Tuy nhiên giá trị dòng hoạt động cao 700 mA phổ quang của laser mở rộng đáng kể so với giá trị dòng bên Tại dòng bơm ta bắt đầu quan sát thấy tượng gãy khúc (kink) đặc trưng P-I Điều giải thích khơng đồng chiết suất dòng bơm xảy tượng kink nói o 30 C o 25 C o 20 C 670 671 672 Wavelength, nm Hình 3.9: Phổ quang laser Taper 4o dòng hoạt động 600 mA với giá trị nhiệt độ hoạt động khác 44 Hình 3.9 phổ quang laser Taper với dòng bơm cố định (I= 600 mA) giá trị nhiệt độ hoạt động khác Ta thấy đỉnh phổ thay đổi khoảng 670,2 đến 672.5 nm nhiệt độ thay đổi từ 20 đến 35 oC Đỉnh phổ có xu hướng dịch phía sóng dài với ngun nhân giải thích phần cho trường hợp laser BA Độ dịch phổ trung bình 0.12 nm/oC Bảng 3.6: phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ laser cấu trúc Taper 4o Nhiệt độ 20 25 30 35 Đỉnh phổ (nm) 670,48 671,25 671,71 672,54 §é réng phỉ �� (1/e ), nm 400 600 800 1000 Dòng hoạt động, mA Hình 3.10: Độ rộng phổ laser Taper Hình 3.10 biểu diễn độ rộng phổ laser Taper mức cường độ phổ 1/e2 cường độ phổ cực đại theo dòng hoạt động Ta thấy dòng tăng độ rộng phổ tăng theo, với dòng đủ lớn độ rộng phổ tăng đáng kể Điều giải thích hiệu ứng điền đầy hạt tải gây 3.1.4 Phân bố trường xa a Phân bố trường xa laser BA Phân bố trường xa laser đo theo hai hướng song song vng góc với chuyển tiếp 45 o I = 900mA, T=25 C o 1.0 1.0 0.8 0.8 Công suất tương đối Công suất tương đối I = 600 mA, T=25 C 0.6 0.4 0.4 0.2 �(1/e ) 0.2 0.6 �(1/e ) 2 0.0 -40 -30 -20 -10 0.0 -10 -8 -6 -4 -2 10 10 20 30 40 Gãc (®é) b) Gãc (®é) a) Hình 3.11: Phân bố trường xa laser dải rộng (BA) FBHCO160033 a) Hướng song song với chuyển tiếp b) Hướng vng góc với chuyển tiếp Hình 3.11 phân bố trường xa laser BA dòng hoạt động 900 mA nhiệt độ 25oC Độ rộng góc vị trí 1/e2 theo hướng song song 11o, độ rộng góc theo hướng vng góc 52,8o b Phân bố trường xa laser Taper o I = 700 mA, T=25 C o o I = 700 mA, T=25 C I = 700 mA, T=25 C 40 C­êng ®é tương đối 1.0 1.0 35 0.8 0.8 0.6 0.6 I=600 mA I=700mA I=800mA 30 25 20 0.4 0.4 0.2 0.2 15 10 0.0 -40 -20 Gãc (®é) a) 20 40 0.0 -10 -8 -6 -4 -2 10 -10 -8 -6 -4 -2 Gãc (®é) b) Hình 3.12: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 3o Gãc (®é) c) 10 46 a) Hướng vng góc với chuyển tiếp b) Hướng song song với chuyển tiếp c) Hướng song song với chuyển tiếp dịng khác Hình 3.12 phân bố trường xa laser Taper cấu trúc 3o dòng hoạt động 700 mA nhiệt độ 25oC Độ rộng góc vị trí 1/e2 theo hướng song song 8,1o, độ rộng góc theo hướng vng góc 50,6 o Khi tăng dòng hoạt động laser tới giá trị đủ lớn cấu trúc phân bố trường xa tạo thành hai đỉnh rõ rệt Điều giải thích không đồng cấu trúc vuốt thon (Taper) gây Ph©n bè tr­êng xa Tapered Laser FBHCO15761; I = 700 mA 50 T=20 40 50 50 T=25 T=30 40 30 30 30 20 20 20 10 10 10 0 Công suất tương đối 40 -8 -6 -4 -2 Gãc (®é) a) -8 -6 -4 -2 Gãc (®é) b) -8 -6 -4 -2 Gãc (®é) c) Hình 3.13: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 3o nhiệt độ khác Hình 3.13 phân bố trường xa laser cấu trúc Taper giá trị nhiệt độ 20, 25 30oC Ta thấy hình dạng phân bố tương tự nhau, không bị ảnh hưởng nhiều nhiệt độ 47 o I = 700 mA, T=25 C 1.0 80 ��� � 70 0.8 C«ng suÊt tương đối Công suất tương đối 60 50 40 30 20 0.6 0.4 0.2 10 -10 -8 -6 -4 -2 Gãc (®é) a) 10 0.0 -40 -20 20 40 60 Gãc (®é) b) Hình 3.14: Phân bố trường xa laser cấu trúc Taper 4o a) Hướng song song với chuyển tiếp dịng khác b) Hướng vng góc với chuyển tiếp Hình 3.14 phân bố trường xa laser Taper cấu trúc 4o dòng hoạt động 700 mA nhiệt độ 25oC Độ rộng góc vị trí 1/e2 theo hướng song song 6,9o, độ rộng góc theo hướng vng góc 54o Khi tăng dịng hoạt động laser tới giá trị đủ lớn ta thấy dạng phân bố trường xa tạo thành hai đỉnh rõ rệt c Phân bố mật độ công suất module laser Phân bố mật độ công suất đầu module laser đo tương tự với laser Hình 3.15 góc phân kỳ cơng suất 1/e2 30o Cơng suất quang vùng góc nhỏ (± 10o) không Sự không đồng có nguyên nhân cấu trúc đa mốt ngang chùm tia laser sau qua sợi quang đa mốt 48 Ph©n bè tr­êng xa module Laser, Công suất tương đối 1.0 0.5 0.0 -20 -10 10 20 Gãc (®é) Hình 3.15: Phân bố trường xa module laser 3.2 Hiệu suất ghép nối Laser 670 nm với sợi quang đa mốt Bảng 3.7:Thông số kỹ thuật loại sợi quang đa mode sử dụng � max Loại Đường kính lõi, 2r Khẩu độ số NA Sợi 62.5 �m 62,5 ± 3�m 0,275 ± 0.015 16 Sợi 200 �m 200 ± �m 0,275 ± 0.02 16 Sợi 400 �m 400 ± �m 0,48 ± 0.03 28.5 Từ thông số kỹ thuật sợi quang đặc trưng phân bố trường xa laser, chúng tơi tính tốn hiệu suất ghép nối xạ laser vào sợi quang theo công thức: � � � �� // ; với � � : hiệu suất ghép nối theo hướng vuông góc với chuyển tiếp � // : hiệu suất ghép nối theo hướng song song với chuyển tiếp 49 Ở � // � , góc phân bố theo hướng song song nhỏ so với độ sợi quang nên toàn xạ theo hướng ghép vào sợi quang cách dễ dàng Bởi vậy, � � � � Dựa vào đặc trưng phân bố trường xa ta tính tỉ lệ xạ ghép tối đa vào sợi quang hình 3.16 b TØ lƯ c«ng suất tính theo góc phân bố Theo hướng vuông góc víi chun tiÕp 1000 1.0 800 0.8 TØ lƯ c«ng suÊt, P�/Ptotal C«ng suÊt quang, mW LD module LD 600 400 200 0.6 0.4 0.2 0.0 0 500 1000 Dòng hoạt động, mA a) 1500 10 15 20 25 30 35 Gãc � (®é) b) Hình 3.16: a) Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm LD module LD b) Sự phân bố thành phần cơng suất theo góc Hình 3.16a đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser module laser chế tạo với hiệu suất ghép nối xấp xỉ 70% Hình 3.16b xấp xỉ phân bố thành phần cơng suất theo góc laser bán dẫn công suất cao thường Ta thấy rằng: - Với sợi đa mốt kích thước lõi 62,5 �m, độ số 0,275 hiệu suất ghép lớn cỡ 75% Hiệu suất đạt khoảng cách ghép sợi quang chíp laser d