Nghiên cứu chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Thị Kim Khuyên NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Thị Kim Khuyên NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT LỚN Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN TUẤN ANH Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Trong trình làm luận văn thạc sĩ, cho phép chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Tuấn Anh, công tác Viện Ứng dụng Cơng nghệ, tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đỗ Trung Kiên, cô giáo TS Đặng Thị Thanh Thủy thầy, cô giáo môn Vật lý Vô tuyến Điện tử giúp đỡ nhiệt tình trình học tập làm luận văn tơi Tơi xin chân thành cảm ơn tồn thầy, cô khoa Vật lý, truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN cho kiến thức quý báu thời gian học tập truờng Tơi xin kính cảm ơn gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học Công nghệ tạo điều kiện trang thiết bị để tơi hồn thành luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên cao học HOÀNG THỊ KIM KHUYÊN MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 U Chương 1: TỔNG QUAN .4 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Đặt vấn đề .5 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phát xạ kích thích khuếch đại ánh sáng 2.2 Tổng quan laser bán dẫn 10 2.2.1 Chuyển tiếp pn laser đơn chuyển tiếp 10 2.2.2 Laser dị chuyển tiếp 14 2.3 Một số phương pháp điều chế laser bán dẫn 17 2.3.1 Điều chế trực tiếp 18 2.3.2 Điều chế gián tiếp 22 2.4 Làm mát laser bán dẫn phương pháp sử dụng Peltier Cooler 26 Chương 3: 29 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 29 3.1 Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W 29 3.1.1 Tổng quan công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao 29 3.1.2 Một số yêu cầu công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn 30 3.1.3 Chế tạo mô đun laser bán dẫn 32 3.2 Xác định thông số kỹ thuật mô đun laser bán dẫn 4W 37 3.2.1 Xác định đường đặc trưng P-I 38 3.2.2 Xác định đường đặc trưng V-I mô đun laser bán dẫn 4W 40 3.2.3 Xác định phổ mô đun laser bán dẫn 4W 42 3.2.4 Xác định phổ lượng mô đun laser bán dẫn 4W .44 3.2.5 Xác định độ phân kỳ chùm tia mô đun laser bán dẫn 4W 45 3.3 Chế tạo nguồn nuôi laser bán dẫn công suất cao .46 3.3.1 Một số dạng nguồn dịng DC thơng dụng 46 3.3.2 Thiết kế chế tạo mạch điều chế mô đun laser bán dẫn 51 3.4 Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler 56 3.5 Chế tạo điều chế xung 60 3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 60 3.5.2 Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động 61 KẾT LUẬN .63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Absorption Hấp thụ Asymetry Độ bất đối xứng Bandgap Vùng cấm Broad Area LD Laser bán dẫn bề mặt phát xạ rộng Carrier confinement Giam hạt tải CB Vùng dẫn Die bounding Hàn chíp Direct Modulations Điều chế trực tiếp Divergence Angle Góc phân kỳ Double heterostructure Cấu trúc dị thể kép Electro-absorption modulator Điều chế hấp thụ điện tử Electro-optic modulator Điều chế quang điện tử External Modulations Điều chế gián tiếp Extinction Ratio Hệ số suy giảm Heat Sink Đế tỏa nhiệt Homojunction LD Laser bán dẫn đơn chuyển tiếp Ith Dòng ngưỡng Laser Khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích Laser Bar Laser Laser Stack Laser khối LOC Laser hốc cộng hưởng rộng Micro-Channel Coolers Bộ làm mát vi kênh P-I Đường đặc trưng cơng suất quang – dịng điện Peltier Cooler Pin lạnh Photon confinement Giam photon Population inversion Nghịch đảo mật độ Pulse Modulations Điều chế xung Relaxation Oscillations Dao động suy giảm Stimulated Emission Phát xạ kích thích Sub-mount Đế phụ Tapered Laser Laser cấu trúc vuốt thon The depletion region Vùng nghèo điện tử V-I Đường đặc trưng điện áp – dịng điện VB Vùng hóa trị Wire bounding Hàn dây vàng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Thơng số chíp laser bán dẫn 8W 33 Bảng 3.2: Chế độ làm việc thiết bị hàn chíp .34 Bảng 3.3: Sự phụ thuộc cơng suất quang vào dịng bơm 38 Bảng 3.4: Mối liên hệ điện áp ni dịng bơm .41 Bảng 3.5: Mối liên hệ công suất quang bước sóng làm việc .43 Bảng 3.6: Độ phân kỳ chùm tia mô đun laser bán dẫn 4W 45 Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật IRFP260N 52 Bảng 3.8: Ảnh hưởng tải lên mức tín hiệu điều chế 55 Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật Peltier Cooler .56 Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh 59 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp .4 Hình 1.2: Cấu trúc laser Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa AlGaAs Hình 1.4: Cấu hình hệ laser bán dẫn công suất cao Hình 1.5: Sự phụ thuộc cơng suất quang lối vào dịng bơm Hình 2.1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ kích thích Hình 2.2: Giản đồ chuyển tiếp pn .10 Hình 2.3: Giản đồ mật độ trang thái 11 Hình 2.4: Cấu trúc laser đơn chuyển tiếp GaAs 13 Hình 2.5: Sự phụ thuộc cơng suất quang lối vào nguồn ni 14 Hình 2.6: Cấu trúc laser bán dẫn di thể kép .15 Hình 2.7: Cấu trúc laser bán dẫn di thể kép điển hình .16 Hình 2.8: Mơ tả phương pháp bơm quang học 17 Hình 2.9: Điều chế trực tiếp chùm tia laser bán dẫn 18 Hình 2.10: Điều chế trực tiếp dịng ni laser bán dẫn 18 Hình 2.11: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số phổ lối laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp dòng bơm gần với dòng ngưỡng 21 Hình 2.12: Dạng tín hiệu mơ phỏng, chirp tần số phổ lối laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp tăng dòng bơm .22 Hình 2.13: Điều chế gián tiếp chùm tia laser bán dẫn 22 Hình 2.14: Sự phụ thuộc hấp thụ vào điện áp điều chế hấp thụ điện tử 23 Hình 2.15: Nguyên tắc hoạt động điều chế Mach - Zehnder 25 Hình 2.16: Cấu trúc Peltier Cooler: .27 Hình 1: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn chế tạo từ chíp đơn 29 Hình 2: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn chế tạo từ laser 30 Hình 3: Sự phụ thuộc bước sóng laser vào vật liệu chế tạo 33 Hình 4: Kiểm tra chíp kính hiển vi .33 Hình 5: Thiết bị hàn chíp 7372E – Westbond .34 Hình 6: Một số hình ảnh trình gắn chíp lên đế .35 Hình 7: Thiết bị hàn dây vàng 7476D – Westbond .35 Hình 8: Một số hình ảnh trình hàn dây vàng 36 Hình 9: Cấu hình tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang 36 Hình 10: Hình ảnh thực tế q trình tích hợp sợi quang .37 Hình 11: Hệ đo đường đặc trưng P-I mô đun laser bán dẫn 4W 38 Hình 12: Đường đặc trưng P-I mô đun laser bán dẫn 4W 40 Hình 13: Hệ đo đường đặc trưng V-I mơ đun laser bán dẫn 4W 40 Hình 14: Đường đặc trưng V-I mô đun laser bán dẫn 4W .42 Hình 15: Xác định bước sóng trung tâm .42 Hình 16: Hệ đo bước sóng làm việc mơ đun laser bán dẫn 4W .43 Hình 17: Phổ mơ đun laser bán dẫn 4W 44 Hình 18: Phân bố lượng mô đun laser bán dẫn 4W .44 Hình 19: Ảnh phân bố lượng 2D, 3D mơ đun laser bán dẫn 4W 45 Hình 20: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển dòng .47 Hình 21: Sơ đồ nguồn dòng Widlar 48 Hình 22: Sơ đồ nguồn dịng điều khiển điện áp 49 Vcc − Vin R VL ( Max) = Vin IL = RL ( Max) = R (3.18) ⎛ Vcc ⎞ ⎜⎜ − 1⎟⎟ ⎝ Vin ⎠ I L ( Max) = β I SC 3.3.2 Thiết kế chế tạo mạch điều chế mơ đun laser bán dẫn • Chế tạo bo mạch: Sơ đồ nguyên lý mạch mơ tả hình 3.24 Hình 24: Sơ đồ ngun lý nguồn dịng ni laser bán dẫn cơng suất cao Đây sơ đồ nguồn dòng điều khiển điện áp Xung vuông từ lối IC1, sau qua tầng khuếch đại, chỉnh sửa dạng xung gồm IC2, IC3, IC4, Q1 Q2, đưa đến cổng Transitor trường Q3, Q4, Q5, Q6 Dịng tải (dịng ni laser bán dẫn) dịng cực nguồn transitor cơng suất Dịng tỷ lệ với Vin Điện áp Vin điều chỉnh nhờ biến trở VR1 Do R13 vậy, điều chỉnh dịng ni laser bán dẫn nhờ điều chỉnh biến trở VR1 51 Các transitor trường sử dụng IRFP260N hãng International Rectifier có thơng số kỹ thuật mơ tả bảng 3.7 Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật IRFP260N Thông số Ký hiệu Min Typ Max Đơn vị Dòng Source liên tục IS - - 50 A Dòng Source xung ISM - - 200 A Điện áp phân cực thuận VSD - - 1,3 V Thời gian phục hồi Trr - 268 402 ns Trong sơ đồ trên, chúng tơi cịn bố trí thêm mạch phản hồi thơng qua khuếch đại thuật tốn IC5 Nhờ đó, nguồn dịng ni laser bán dẫn giữ ổn định Khuếch đại thuật toán sử dụng LM358 hãng Motorola Hình ảnh bo mạch mơ tả hình 3.25 Hình 25: Nguồn dịng DC ni laser bán dẫn cơng suất cao • Kiểm tra bo mạch: Sau chế tạo xong bo mạch, tiến hành đánh giá, kiểm tra chất lượng bo mạch theo sơ đồ mơ tả hình 3.26 52 Vcc Multimeter Lối Vin Tải Nguồn dịng Hình 26: Sơ đồ kiểm tra, đánh giá chất lượng nguồn dòng ni laser bán dẫn Dịng qua tải thay đổi nhờ điều chỉnh biến trở VR1 sơ đồ mơ tả hình 3.24 Dịng điện qua tải xác định đồng hồ vạn SanWa PC510A (hình 3.27) Hình 27: Xác định dịng ni mơ đun laser bán dẫn Do mô đun laser bán đẫn làm việc hai chế độ: chế độ liên tục chế độ xung nên khảo sát nguồn dòng tương ứng với hai chế độ Trong chế độ liên tục, điều chỉnh chiết áp cho dòng điện qua tải thay đổi theo bước 200 mA theo dõi độ ổn định dòng điện khoảng 15 phút cho lần đo Sau khảo sát thấy, nguồn dòng cho phép làm việc với dòng tối đa 20A, độ ổn định trung bình ± 5mA Trong chế độ xung, tín hiệu tải đo oscilloscope TDS 3032C 53 Hãng Tektronix Để đánh giá mức độ thay đổi xung trước sau có tải, đo thông số kỹ thuật tín hiệu xung trước đưa đến mạch điều chế laser tín hiệu có tải (hình 3.28) a) b) Hình 28: Thơng số kỹ thuật xung vuông điều chế laser bán dẫn a) Thông số kỹ thuật tín hiệu xung chưa bị điều chế b) Thơng số kỹ thuật tín hiệu xung sau điều chế Nhìn vào hình 3.28 thấy, độ rộng sườn xung thay đổi sau điều chế laser bán dẫn Nếu trước điều chế, độ rộng sườn lên sườn xuống 89,15 ns 28,92 ns sau điều chế, độ rộng sườn xung tương ứng 54 μs 5,3 μs Có thay đổi chủ yếu sử dụng khuếch đại thuật toán LM358 nên tần số làm việc 10kHz nằm đoạn xuống đáp ứng tần số Do vậy, độ rộng sườn lên sườn xuống bị tăng lên đáng kể Lý thứ hai ảnh hưởng mạch điều chế gồm transitor trường tải Để khắc phục hạn chế này, thay LM358 khuếch đại thuật tốn khác có tần số cắt cao Để đánh ảnh hưởng tải tín hiệu điều chế, khảo sát trường hợp thay đổi tải với mức tín hiệu điều chế khác Tại mức tín hiệu điều chế Vp-p, tải thay đổi giá trị R1 = 1,00 Ω, R2 = 0,33 Ω, R3 = 0,17 Ω, R4 = 0,11 Ω, R5 = 0,08 Ω R6 = 0,06 Ω (các giá trị điện trở xác lập từ việc mắc song song trở Ω 0,33 Ω với nhau) Bảng 3.8 liệt kê kết đo đạc Bảng 3.8: Ảnh hưởng tải lên mức tín hiệu điều chế R Vp-p = 10 V Vp-p = V Vp-p = V R1 Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 0,64 V Mức thấp: 0,64 V Mức thấp: 0,56 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 1,24 V Mức thấp: 1,26 V Mức thấp: 1,50 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 1,78 V Mức thấp: 1,84V Mức thấp: 2,50 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,12 V Mức thấp: 2,14 V Mức thấp: 2,94 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,26 V Mức thấp: 2,30 V Mức thấp: 3,16 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức cao: 4,80 V Mức thấp: 2,38 V Mức thấp: 2,42 V Mức thấp: 3,32 V R2 R3 R4 R5 R6 Nhìn vào bảng 3.8 thấy, thay đổi giá trị trở tải mức tín hiệu điều chế điện áp mức cao khơng đổi có giá trị xấp sỉ 55 mức nguồn nuôi laser bán dẫn (điện áp nuôi laser bán dẫn VDC) Trong đó, điện áp mức thấp thay đổi nhiều theo giá trị tải mức tín hiệu điều chế lối vào Ảnh hưởng thể qua hình 3.39 ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI LÊN MỨC TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ Điện áp mức thấp (Voltage) 3.50 3.00 2.50 V = 10V 2.00 V = 8V 1.50 V = 6V 1.00 0.50 0.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Trở tải (Ohm) Hình 29: Ảnh hưởng trở tải lên mức tín hiệu điều chế Nhìn vào hình 3.29 nhận thấy mức tín hiệu điều chế cao mức thấp tín hiệu thay đổi theo trở tải Ngoài ra, mức thấp ổn định theo mức tín hiệu điều chế trở tải lớn 3.4 Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều tới hoạt động laser bán dẫn Để đảm bảo laser bán dẫn hoạt động tốt việc làm mát cho laser trình laser hoạt động việc quan trọng Để làm mát, sử dụng Peltier kết hợp với sensor nhiệt Mặt lạnh Peltier tiếp xúc với mô đun laser Loại Peltier sử dụng có thơng số kỹ thuật mơ tả bảng 3.9 Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật Peltier Cooler Thơng số Giá trị Điện áp lớn Dịng nuôi Công suất làm mát Chênh lệch nhiệt độ Đơn vị 7,5 V – 12 A 10 – 50 W 67 Diện tích bề mặt 20 x 40 56 C mm Loại sensor nhiệt sử dụng sensor nhiệt NTC có điện trở 10k 250C Hình 3.30 mơ tả sơ đồ ngun lý nguồn điều khiển Peltier Hình 30: Sơ đồ nguyên lý điều khiển cấp dòng cho Peltier Cooler Trong trình làm việc, nhiệt độ mơ đun laser thay đổi Sự thay đổi nhiệt độ mô đun laser sensor nhiệt nhận biết Điện áp sensor nhiệt thay đổi, làm thay đổi điện áp điều khiển MOSFET công suất Trong sơ đồ trên, sử dụng 04 MOSFET công suất, mắc thành 02 cặp: Q4 Q7; Q5 Q6 cho Q4 Q7 thơng Q5 Q6 cấm ngược lại Nhờ đó, dịng qua Peltier đổi chiều tùy thuộc vào điện áp điều khiển Emiter Q1 Giả sử trình hoạt động, nhiệt độ mô đun laser tăng lên, làm cho điện áp lối khuếch đại thuật toán điện áp Emiter Q1 mức cao Kết cặp Q5 Q6 thông, cặp Q4 Q7 cấm Dòng điện qua Q6, qua Peltier qua Q5 Do mặt lạnh Peltier tiếp xúc tốt với mô đun laser nên nhiệt độ mơ đun laser giảm Ngược lại, lý đó, nhiệt độ mơ đun laser giảm đi, làm điện áp khuếch đại thuật toán mức thấp, dẫn đến cặp Q4 Q7 thơng, Q5 Q6 cấm Dịng điện Dịng điện qua Q4, qua Peltier qua Q7 Hay nói cách khác, dịng điện theo chiều ngược lại với lúc ban 57 đầu Do vậy, mặt lạnh trước lại trở thành mặt nóng Kết mơ đun laser làm ấm lên Hình 3.31 mơ tả hình ảnh bo mạch điều khiển cấp nguồn cho Peltier Cooler Hình 31: Bộ điều khiển cấp dịng cho Peltier Cooler Nhiệt độ làm việc mô đun laser thiết lập điều chỉnh biến trở VR1 Để kiểm tra trình hoạt động điều khiển cấp dịng cho Peltier Cooler, chúng tơi điều chỉnh biến trở VR1 để thay đổi điện áp so sánh, qua thay đổi ngưỡng nhiệt độ điều khiển Sensor nhiệt đặt mơi trường thay đổi nhiệt độ Tùy theo nhiệt độ môi trường, điều khiển tự động cấp nguồn theo hai chiều để trì mức nhiệt độ đặt trước Hình 3.32 biểu diễn số hình ảnh thực tế trình điều khiển nhiệt độ 58 Hình 3.32: Hình ảnh thực tế trình điều khiển nhiệt độ Bảng 3.10 liệt kê số kết đo Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh STT Điện áp Nhiệt độ STT Điện áp Nhiệt độ so sánh (V) điều khiển (0C) so sánh (V) điều khiển (0C) 1.80 45.00 2.80 25.00 2.00 40.00 3.10 20.00 2.20 35.00 3.40 15.00 2.50 30.00 3,7 10.00 Từ bảng số liệu 3.10, biểu diễn phụ thuộc điện áp so sánh nhiệt độ điều khiển sau (hình 3.33) Điện áp so sánh (Voltage) ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO ĐIỆN ÁP SO SÁNH 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 Nhiệt độ (0C) Hình 33: Sự phụ thuộc điện áp so sánh nhiệt độ điều khiển 59 3.5 Chế tạo điều chế xung Hiện thị trường có nhiều loại IC chuyên dụng cho phép điều chế xung PWM Trong luận văn này, sử dụng IC LM555 hãng Texas Instruments IC LM555 sử dụng rộng rãi lĩnh vực điều khiển Nó hoạt động nhiều chế độ khác như: • Chế độ tạo xung đơn (Monostable operation): IC tạo xung đơn nhờ mắc thêm trở, tụ bên ngồi; • Chế độ tạo dao động (Astable operation): IC tự động tạo xung triger tự tạo xung đa hài Độ rộng xung phụ thuộc vào trở, tụ mắc thêm bên ngồi; • Làm việc với vai trò chia tần (frequency divider): IC sử dụng chia tần số nhờ điều chỉnh độ dài chu kỳ xung; • Chế độ điều chế độ rộng xung (Pulse width modulation): Khi đó, IC làm việc chế độ xung đơn giữ nhịp xung điều chỉnh liên tục Độ rộng xung lối điều chế theo tín hiệu bên ngồi; • Chế độ điều chế vị trí xung (Pulse position modulation): IC đấu sơ đồ tạo dao động (astable) Tín hiệu điều chế đưa đến chân điều khiển điện áp IC Nhờ thay đổi điện áp thay đổi thời gian trễ, vị trí xung bị thay đổi theo; • Chế độ dao động với độ rộng xung 50% chu kỳ: IC tạo dao động có độ rộng xung 50% chu kỳ Độ rộng xung phụ thuộc vào điện trở, tụ điện mắc thêm bên 3.5.1 Sơ đồ nguyên lý Trong luận văn này, thiết kế IC LM555 hoạt động chế độ dao động với độ rộng xung 50% chu kỳ (hình 3.34) 60 Hình 34: LM555 chế độ dao động có độ rộng xung 50% chu kỳ Thời gian xung mức cao t1 tính theo cơng thức sau: t = 0,693.( R A ).C (3.19) Thời gian xung mức thấp t2 tính theo cơng thức sau: ⎡ R − 2RA ⎤ t = [(R A RB ) / (R A + RB )]C ln ⎢ B ⎥ ⎣ RB − R A ⎦ (3.20) Chu kỳ dao động tính theo cơng thức sau: T = t1 + t (3.31) T (3.32) Tần số dao động là: f = Để tạo dao động tần số 10 kHz, lựa chọn linh kiện với giá trị sau : RA = 30kΩ, RB = 20 kΩ, C = 100nF 3.5.2 Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động Hình ảnh thực tế mạch dao động mơ tả hình 3.34 Hình 35: Hình ảnh thực tế mạch dao động 10 kHz 61 Sau chế tạo xong, tiến hành đo đạc thông số kỹ thuật mạch dao động Mạch cấp điện áp 12VDC Dạng tín hiệu quan sát oscilloscope Hình 3.36 mơ tả số kết đo đạc hiển thị hình Hình 36: Dạng xung thông số kỹ thuật dao động 10 kHz Các thông số kỹ thuật hiển thị hình oscilloscope cho thấy tần số dao động 10kHz, xung có dạng xung vng với độ rộng xung 50%, thời gian sườn lên sườn xuống 89,15 ns 28,92 ns 62 KẾT LUẬN Ngày nay, laser bán dẫn công suất cao ứng dụng rộng khắp giới nhờ có nhiều đặc điểm trội so với nhiều hệ laser khác hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn; tuổi thọ cao hơn; kích thước gọn nhẹ hơn; yêu cầu hệ thống làm mát đơn giản hơn; có ngưỡng dịng bơm thấp; phát xạ nhiều dải sóng; dễ điều chế; cho phép hoạt động chế độ xung lẫn chế độ phát xạ liên tục, đó, đảm bảo độ tin cậy chất lượng chùm tia Tại Việt Nam, laser bán dẫn ngày trở nên phổ biến, đặc biệt lĩnh vực truyền thông (thông tin quang sợi, dẫn đường, đo xa laser,…), lĩnh vực y tế (thẩm mỹ, nội soi, quang châm, vật lý trị liệu, chăm sóc sắc đẹp,…), lĩnh vực cơng nghiệp (khắc, gia công vật liệu,…),… Mặc dù công nghệ chế tạo chíp laser bán dẫn cơng suất cao đạt nhiều thành tựu thời gian qua nhìn chung, công đoạn gia công mô đun laser bán dẫn công suất cao vấn đề thời Bên cạnh đó, để đảm bảo điều kiện cần thiết cho laser bán dẫn cơng suất cao hoạt động bình thường, việc trì nguồn bơm có dịng DC lớn, có độ tin cậy cao, việc giữ ổn định điểm làm việc trì nhiệt độ làm việc khoảng cho phép nhiệm vụ bắt buộc Trong luận văn này, chế tạo 01 mô đun laser bán dẫn công suất cao; thiết kế, chế tạo nguồn cấp dịng cho mơ đun laser bán dẫn; thiết kế, chế tạo mạch phát xung, cho phép laser bán dẫn làm việc hai chế độ phát xạ liên tục điều chế thiết kế chế tạo mạch điều khiển ổn định nhiệt độ làm việc mô đun laser bán dẫn Sau số kết đạt được: • Tìm hiểu cách tổng quan laser bán dẫn công nghệ chế tạo laser bán dẫn cơng suất cao; • Tìm hiểu chế điều chế trực tiếp điều chế gián tiếp laser bán dẫn; • Chế tạo 01 mô đun laser bán dẫn công suất cao từ chíp đơn với cơng nghệ sử dụng gồm cơng nghệ hàn chíp, cơng nghệ hàn dây vàng, cơng nghệ 63 đóng vỏ mơ đun mơi trường sạch, kỹ thuật chỉnh ghép nối với sợi quang đa mốt; • Thiết kế, chế tạo mạch phát xung vng có độ rộng xung 50% chu kỳ, tần số 10kHz, diều chỉnh biên độ xung từ 0,5 V đến 4,5 V; • Thiết kế, chế tạo nguồn dòng DC cho phép thay đổi dòng phạm vi từ A đến 20 A với bước thay đổi 200 mA, độ ổn định trung bình ± 5mA; • Thiết kế, chế tạo điều khiển Peltier Cooler để ổn định nhiệt độ hoạt động mô đun laser bán dẫn Bộ điều khiển sử dụng sensor nhiệt NTC có điện trở 10k 250C Dòng DC tối đa cho phép 12 A Khoảng nhiệt độ điều khiển 150C đến 300C; • Xác định số đường đặc trưng mô đun laser bán dẫn gồm: đặc trưng PI, đặc trưng V-I; đo phổ, phân bố lượng chất lượng chùm tia Các thơng số kỹ thuật mơ đun laser là: Công suất quang lối (POPT) ~ W; Dòng điện ngưỡng (ITH) ~ 0,9 A; Điện áp hoạt động (VOP) ~ 1,74 V; Bước sóng đỉnh (Λ) 940 nm; Độ rộng phổ FWHM (Δλ) ~ nm; Góc phân kỳ chùm tia theo trục X ~ 3,16, trục Y ~ 3,75; Độ bất đối xứng chùm tia ~ 1,04; Một cách tổng quát, khuôn khổ đề tài luận văn, chúng tơi hồn thành nội dung nghiên cứu đặt ban đầu Chúng xây dựng 01 hệ laser bán dẫn công suất cao bao gồm mô đun laser bán dẫn công suất cao hệ thống cấp nguồn, hệ thống điều khiển nhiệt độ, hệ thống làm mát Tuy nhiên, để hệ thống hoạt động ổn định môi trường thực tế, chúng tơi cịn phải tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện ví dụ đánh giá tuổi thọ mơ đun laser bán dẫn, đánh giá tính lặp lại công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn, đánh giá độ ổn định toàn hệ thống hoạt động mức phát xạ công suất cao thời gian dài, đánh giá ảnh hưởng nhiệt lên trình hoạt động hệ thống Những cơng việc tiếp tục thực thời gian tới 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO C Hanke, L Korte, B Acklin, J Luft, S Grötsch, G Herrmann, Z Spika, M Marciano, B De Odorico, J Wilhelmi (1999), “Highly reliable 40 W-cwInGaAlAs/GaAs-808 nm laser bars”, SPIE, 3462, pp 47-53 Christophe Peucherer (2009), “Direct and External Modulation of Light”, DTU Photonik, Department of Photonics Engineering Technical University of Denmark Das P (1991), “Lasers and optical engineering”, New York Springer-Verlag D.Z Garbuzov, N.Y Antonishkis, A.D Bondarev, A.B Gulakov, S.N Zhigulin, N.I Katsavets, A.V Kochergin, E.V Rafailov (1991) “High power 0.8 µm InGaAsP-GaAs SCH DQW lasers”, IEEE, J Quantum Electron., 27 (6), pp 15311536 F Bachmann P Loosen, R Poprawe (2007), “High Power Diode Lasers”, Springer, 200, pp.197-200 H Blauvelt, S Margalit, and Yariv, Large optical cavity AlGaAs buried heterostructure window lasers, Califonia Institute of Technology, Pasadena, Califonia 91125, 1982 http://britneyspears.ac/physics/fplasers/fplasers.htm http://en.wikipedia.org http://www.fbh-berlin.com 10 http://www.industrial-lasers.com 11 http://www.laserfocusworld.com 12 http://www.ni.com/white-paper/14878/en 13 Lee R Levine (2001), “Wire Bonding Optoelectronics Packages,” Chip Scale Review 14 P Even, D Pureur (2002), “High power double clad fiber laser: a review”, Proc SPIE – Int, Soc Opt Eng., 4638, pp 1-12 15 R Diehl (2000), “High-Power diode laser”, Topics Appl Phys Springer 16 R Rodwell and D A Worrall (1985), “Quality Control in Ultrasonic Wire Bonding,” International Journal for Hybrid Microelectronics, Vol 8, No 2, pp.1-8 17 Uri Lachish (2014), "Thermoelectric Effects Peltier Seebeck and Thomson", Guma Science 65 ... CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CƠNG SUẤT CAO 3.1 Chế tạo mơ đun laser bán dẫn 4W 3.1.1 Tổng quan công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao Hiện nay, việc chế tạo laser bán dẫn công suất cao... (i) Chế tạo mô đun laser bán dẫn từ laser bán dẫn công suất cao [1] chế tạo mô đun laser bán dẫn từ chíp đơn [11] • Chế tạo mơ đun laser bán dẫn từ chíp đơn: Mơ đun laser bán dẫn công suất cao chế. .. 1.4: Cấu hình hệ laser bán dẫn công suất cao Mô đun laser bán dẫn công suất cao thường chế tạo từ laser thanh, laser khối từ chíp đơn Chế tạo mơ đun laser bán dẫn công suất cao công việc tốn