Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nano mét

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 phịng 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 phịng 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 gị 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 dịng .   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 dịng 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 dịng 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 gị.  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 hịa 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 cịn 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 E1kvà E2kvì 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 dịng 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 địi 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 dịng bơm (P –I) Đặc  trưng  cơng  suất  quang  –  dịng  bơm  (P-I)  của  laser  biểu  diễn  sự  phụ  thuộc vào dịng 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 dịng bơm.      Hình 1.13: Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dịng bơm laser bán dẫn b Đặc trưng dòng ( I –V)   Đặc  trưng  dòng  thế  (I-V)  là  đường  biểu  diễn  mối  quan  hệ  giữa  dịng  điện  kích chạy qua laser bán dẫn và điện thế đặt trên chuyển tiếp. Từ Hình 1.14 ta thấy  với dịng 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 dịng giảm đi.  Điều này chứng tỏ điện trở laser là phi tuyến và nó phụ thuộc vào dịng kích. Khi  chưa có điện áp phân cực thì điện trở laser rất lớn. Cịn khi đã đạt tới điện áp phân  cực thuận thì điện trở của laser bán dẫn giảm xuống cịn 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 dịng bơm   Hình 1.16 mơ tả cụ thể phổ quang của một laser bán dẫn Fabry-Perot dẫn  sóng gị ở các giá trị trên và dưới ngưỡng phát laser. Tại các giá trị dịng 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 dịng ngưỡng I  Ith (Hình 1.16d): là vùng phát laser;  cơng suất quang đầu ra tăng tuyến tính với dịng 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  gị  (RW).  Laser  nghiên  cứu  trong khóa  luận  này địi 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 gị 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  địi  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 gị 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 dịng 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 dịng 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 dịng bơm của tất cả  các laser ở nhiệt độ 25oC. Hình 3.1 là đặc trưng PUI của laser L1501. Laser được  cấp dịng bơm từ 0 mA đến 400 mA. Ngưỡng phát của laser Ith có giá trị 41 mA.  Trên dịng 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 Dịng 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 Dịng 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  dịng  bơm  của  laser  có  buồng  cộng  hưởng dài 3 mm được thể hiện trên Hình 3.4. Dịng bơm được cung cấp tới 500  mA.  Laser  L3001  có  dịng  ngưỡng  Ith  =  43  mA.  Cơng  suất  cực  đại  tại  500  mA  11    dịng 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 Dịng 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 dịng 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 dịng 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 dịng 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 dịng 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  dịng  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  dịng  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 dịng 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  dịng  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.  Dịng bơm từ 50 mA đến 500 mA.     Hình 3.11: Bản đồ phổ laser L3001 phụ thuộc dịng 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  dịng  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 dịng 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 phịng 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 trịn 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 dịng 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.  ... 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