Thông tin tài liệu
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 hồn thành phịng Laser kĩ thuật ánh sáng, môn Quang học Quang điện tử, Viện Vật lý Kĩ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công 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 bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:………………………………………………………… Vào hồi ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận văn trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên 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 Chương TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB 1.1 Laser bán dẫn – nguyên lý 1.1.1 Cơ chế hấp thụ phát xạ laser bán dẫn 1.1.2 Các thành phần laser bán dẫn 1.1.3 Khuếch đại quang điều kiện ngưỡng 1.1.4 Dẫn sóng buồng cộng hưởng 1.2 Laser bán dẫn công suất cao DFB 1.3 Các đặc trưng laser bán dẫn công suất cao DFB .5 1.3.1 Đặc trưng quang điện 1.3.2 Đặc trưng phổ quang phụ thuộc dòng bơm 1.3.3 Độ rộng vạch phổ laser DFB 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 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 i 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 .7 2.2.1 Đặc trưng cơng suất, phụ thuộc dịng 2.2.2 Hệ đo đặc trưng phổcủa laser bán dẫn công suất cao DFB phát vùng sóng 780 nm 2.2.3 Kỹ thuật đo độ rộng vạch phổ 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 laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng 10 3.3 Tính chất phổ laser bán dẫn công suất cao biến đổi theo chiều dài buồng cộng hưởng 12 3.4 Tối ưu hoá độ rộng vạch phổ 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 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 Hình 1.9: Sơ đồ ống dẫn sóng ba lớp: cấu trúc laser bán dẫn Hình 1.11: Cấu Hình laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố theo chiều ngang Ix Hình 1.13: Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dịng bơm laser bán dẫn Hình 1.14: Đặc trưng I-V laser Hình 1.16: Phổ quang laser bán dẫn giá trị ngưỡng (a), gần ngưỡng (b,c) ngưỡng phát laser(d) Hình 2.1: Mơ Hình cấu trúc laser DFB 780 Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thí nghiệm khảo sát đặc trưng quang điện chế độ liên tục Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ laser bán dẫn công suất cao Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ laser Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs tần số ν hệ đo self-delayed-heterodyne o Hình 3.1: Đặc trưng PUI laser L1501 nhiệt độ 25 C .11 iii o Hình 3.4: Đặc trưng PUI laser L3001 nhiệt độ 25 C 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 DBR DFB laser FWHM LASER LEDs RW UV iv MỞ ĐẦU Laser có nhiều ứng dụng đời sống nghiên cứu ghi 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 dùng để đánh dấu, đo khoảng cách tốc độ mục tiêu Trong giải trí laser sử dụng sân khấu hòa âm ánh sáng Laser phát xạ bước sóng 780 nm ứng dụng nhiều lĩnh vực, đặc biệt quang phổ phân giải cao, làm lạnh laser, đo lường quang học… Tuy nhiên với laser laser rắn khí có nhân tần laser buồng cộng hưởng ngoài… việc đưa vào ứng dụng lĩnh vực gặp khó khăn kích thước, trọng lượng cịn lớn, cấu phức tạp Với thách thức trên, laser bán dẫn công suất cao phản hồi phân bố (Distributed feedback laser: DFB laser) lựa chọn thay hoàn hảo kích thước gọn nhỏ, hiệu suất quang điện cao, độ tin cậy cao Do đề tài 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 nghiên cứu trình bày ba chương luận văn sau: Chương 1: Các nguyên lý laser bán dẫn tính chất quang điện phổ laser bán dẫn công suất cao DFB Chương 2: Phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm để đo tính tốn thông số laser bán dẫn Chương 3: Các đặc trưng tính tốn thơng số laser công suất cao 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 laser khí thơng thường có mức lượng biểu diễn vạch hẹp mức lượng nguyên tử riêng biệt Trong bán dẫn, mức lượng mở rộng thành vùng lượng chồng phủ quỹ đạo nguyên tử Với bán dẫn không pha tạp khơng có kích thích từ bên ngồi nào, nhiệt độ T = K, vùng lượng gọi vùng dẫn trống hoàn toàn, vùng lượng bên vùng dẫn gọi vùng hóa trị lấp đầy hoàn toàn điện tử Vùng dẫn vùng hóa trị cách khe lượng có giá trị E g = 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 mức lượng photon cố định chỉ có hai mức lượng riêng biệt E1kvà E2kvì chuyển mức xảy véc tơ sóng k Hình 1.1 Trong bán dẫn có ba dạng xạ vùng – vùng minh họa Hình 1.2 Hình 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng vật liệu bán dẫn - Sự hấp thụ, gọi hấp thụ kích thích, q trình thứ minh họa Hình 1.2 Một photon hấp thụ cặp điện tử - lỗ trống phát sinh - Quá trình thứ hai gọi phát xạ tự phát Quá trình thứ ba phát xạ cưỡng - cảm ứng Một tái hợp cặp điện tử - lỗ trống kích thích photon photon thứ hai sinh đồng thời có hướng pha photon thứ (cảm ứng) Q trình sử dụng để khuếch đại xạ quang, photon phát hồn tồn giống photon kích thích tần số, pha, phân cực hướng, kết ta có phát xạ có tính kết hợp Nguồn ánh sáng dựa trình phát xạ với thành phần phản hồi quang (ví dụ buồng cộng hưởng Fabry-Perot) gọi laser, viết tắt “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 1.1.2 Các thành phần laser bán dẫn Laser bán dẫn phải cấu thành từ thành phần thiếu đây: Một môi trường tạo khuếch đại quang phát xạ kích thích Một dẫn sóng quang để giam giữ photon miền tích cực linh kiện Một buồng cộng hưởng tạo hồi tiếp quang Sự giam giữ dòng bơm vào, hạt tải photon theo chiều ngang cần thiết cho hoạt động đơn mode ngang (mode không gian) 1.1.3 Khuếch đại quang điều kiện ngưỡng Trong laser bán dẫn khuếch đại quang đạt vật liệu lớp tích cực Trong trường hợp này, tăng theo hàm mũ cường độ sóng quang diễn tả giá trị âm tương ứng với hệ số khuếch đại quang g Trong dẫn sóng quang, phần cường độ mốt quang nằm vùng tích cực mà thơng thường nằm lõi dẫn sóng quang 1.1.4 Dẫn sóng buồng cộng hưởng [13] Laser bán dẫn hoạt động đòi hỏi điều kiện quan trọng, cụ thể dẫn sóng sóng quang học miền tích cực Đơn giản theo hướng thẳng đứng, dẫn sóng dựa tổng số phản xạ nội sóng quang hai giao diện theo luật Snell, xem Hình 1.9 Hình 1.9: Sơ đồ ống dẫn sóng ba lớp [13] Điều kiện cuối đề cập liên quan tới dao động laser điều kiện buồng cộng hưởng Hầu tất buồng cộng hưởng laze bán dẫn xem buồng cộng hưởng Fabry-Perot Buồng cộng hưởng Fabry-Perot bao gồm hai gương song song với Đối với laser bán dẫn để hai gương song song dựa việc tách mặt tinh thể bán dẫn cách hợp lý Các mặt laser bán dẫn phủ với độ phản xạ cao phía sau với độ phản xạ thấp mặt trước cho phù hợp với tỉ lệ công suất hiệu dụng hệ laser Cấu hình laser bán dẫn dựa buồng cộng hưởng Fabry-Perot thể 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 phần nêu số đặc điểm laser DFB (laser phản hồi phân bố) việc đưa vào buổng cộng hưởng cách tử lọc lựa bước sóng Trong laser DFB phản hồi quang khơng bố trí mặt gương mà phân bố suốt chiều dài buồng cộng hưởng Do có cách tử buồng cộng hưởng làm thay đổi chế lọc lựa mode Hình 1.12 cho thấy cấu trúc điển hình laser bán dẫn DFB với 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 dựa nguyên lý nhiễu xạ Bragg, kết hợp sóng truyền theo hai hướng từ phía trước phía sau Cơ chế chọn lọc mode dọc tuân theo điều kiện Bragg c Hiệu suất biến đổi điện quang Hiệu suất biến đổi điện quang ηc đặc trưng quan trọng laser bán dẫn, cho biết hiệu suất biến đổi công suất điện đầu vào biến đổi thành công suất quang đầu Hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố có phụ thuộc vào cơng suất chiều dài buồng cộng hưởng Có thể đạt công suất đầu laser bán dẫn với chiều dài buồng cộng hưởng khác hiệu suất biến đổi khác 1.3.2.Đặc trưng phổ quang phụ thuộc dịng bơm Hình 1.16 mơ tả cụ thể phổ quang laser bán dẫn Fabry-Perot dẫn sóng gị giá trị ngưỡng phát laser Tại giá trị dòng khác nhau, phổ quang laser bán dẫn có dạng khác 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 giá trị dòng ngưỡng I > Ith (Hình 1.16d): vùng phát laser; cơng suất quang đầu tăng tuyến tính với dịng cung cấp; 1.3.3 Độ rộng vạch phổ laser DFB [13] 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, mô tả số điểm quan trọng dây chuyền công nghệ sở để chế tạo laser bán dẫn DFB công suất cao với cấu trúc ống dẫn sóng gị (RW) Laser nghiên cứu khóa luận đòi hỏi bước chế tạo sau đây, cụ là: 1) Tạo lớp epitaxy tinh thể để tạo cấu trúc laser, 2) Xử lí vật liệu để bắt đầu chế tạo cách tử vào cấu trúc laser quang khắc(chiều tia UV), 3) Tạo laser ống dẫn sóng gị kim loại hóa cuối cùng, 4) Đóng vỏ cho laser Dây chuyền công nghệ chế tạo laser bán dẫn DFB công suất cao chế tạo chủ yếu tuân theo bước Tuy nhiện, việc thực chế tạo cách tử nội địi hỏi q trình liên tục Sau bước cuối cùng, cấu trúc Hình học laser bán dẫn DFB cơng suất cao có dạng 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 công 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 dịng a) Đặc trưng P – I Chúng tơi sử dụng hệ thí nghiệm với thành phần mơ tả Hình 2.6 để đo cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser 780 nm phát 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 đường biểu điện phụ thuộc hiệu điện đặt chuyển tiếp laser vào dịng bơm chạy qua Sơ đồ hệ đo I – V thể 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 laser bán dẫn DFB 780 nm chúng tơi nghiện cứu phân tích hệ đo 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 laser mô tả Hình 2.12 Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ laser Giả sử laser đo có tần số νs , sau qua tách tia, phân qua điều tần, tần số bị dịch chuyển đoạn (νs - ν) Tần số trung tâm dịch chuyển vị trí : IF s – ( s ) 2.1 Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs tần số ν hệ đo self-delayedheterodyne Bảng 2.1: Giá trị độ rộng vạch phổ tương ứng mức cường độ tương đối từ hàm dạng Voigt Cường độ tương đối Giá trị tương ứng Độ rộng ∆ν trường hợp phụ thuộc vào thời gian trễ pha hai pha, hay nói cách khác phụ thuộc vào độ dài sợi quang Lc MIN g Lc (2.3) Trong g= c/ng vận tốc nhóm tín hiệu laser truyền sợi quang có chiết suất nhóm ng Như với độ dài sợi quang km, phương pháp cho phép xác định độ rộng vạch phổ nhỏ 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 3.2 Tính chất quang điện laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng Chúng tiến hành đo đạc công suất phụ thuộc dòng bơm tất laser nhiệt độ 25oC Hình 3.1 đặc trưng PUI laser L1501 Laser cấp dòng bơm từ mA đến 400 mA Ngưỡng phát laser I th có giá trị 41 mA Trên dịng ngưỡng ta thấy cơng suất quang phát tương đối tuyến tính tăng đến 238 mW 400 mA (đường màu xanh Hình 3.1) Từ đường đặc trưng cơng suất ta tính hiệu suất độ dốc từ ngưỡng đến 100 mW η = 0,79 W/A Đường màu đỏ rơi chuyển tiếp laser tăng từ 1,6 V 2,3 V Hiệu suất biến đổi quang điện thể đường màu đen Hiệu suất đạt giá trị cao 30% 10 T = 25°C I C«ngstP(mW) I 100mW Hình 3.1: Đặc trưng PUI laser L1501 nhiệt độ 25oC Các thông số thu từ đặc trưng PUI laser DFB 780 nm có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm tổng kết bảng 3.2 Bảng 3.2: Các thông số từ đặc trưng PUI laser có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm Laser L1501 Laser L1502 Laser L1503 Dịng ngưỡng laser nhóm tương đối đồng đều, thay đổi từ 38 mA đến 41 mA Công suất cực đại 400 mA đạt cao laser L1503 265 mW, laser có hiệu suất độ dốc tính đến 100 mW cao 0,85 Các laser 1,5 mm hiệu suất biến đổi quang điện cao 33% Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm laser có buồng cộng hưởng dài mm thể Hình 3.4 Dịng bơm cung cấp tới 500 mA Laser L3001 có dịng ngưỡng Ith = 43 mA Công suất cực đại 500 mA 11 dòng bơm 274 mW Hiệu suất độ dốc tính từ ngưỡng bơm đến 100 mW 0,75 W/A Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại laser 31% 300 T I th P 500m A C«ng suÊt P (mW) 200 100 0 Hình 3.4: Đặc trưng PUI laser L3001 nhiệt độ 25oC Từ kết đo đặc trưng quang điện laser có chiều dài buồng cộng hưởng mm, kết tổng kết bảng 3.3 Bảng 3.3: Các thông số từ đặc trưng PUI laser có chiều dài buồng cộng hưởng mm Laser L3001 Laser L3002 Laser L3003 Nhóm cho thấy dịng ngưỡng tăng lên so với nhóm 1, I th thay đổi từ 42 mA đến 45 mA Công suất cực đại đạt 313 mW lớn so với laser nhóm Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại gần khơng thay đổi so với nhóm 1, hiệu suất độ dốc giảm 12 50 3.3 Tính chất phổ laser bán dẫn cơng suất cao biến đổi theo chiều dài buồng cộng hưởng Tiến hành khảo sát tính chất phổ laser nhiệt độ 25 oC Hình 3.7 phổ laser L1501 cơng suất quang 100 mW Từ Hình ta thấy, đỉnh phổ nằm bước sóng 783,3 nm Tỉ số tín hiệu nhiễu đạt 43 dBm -20 Cêng ®é tơng đối (dB) -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 công suất quang 100 mW Để khảo sát đầy đủ ảnh hưởng chiều dài buồng cộng hưởng đến tính chất phổ Tất laser tiến hành đo đồ phổ cách thay đổi dòng bơm từ 50 mA đến 400 mA laser 1,5 mm tới 500 mA với laser mm, bước thay đổi 10 mA Hình 3.8 đồ phổ laser L1501 Đường màu vàng Hình 3.8 thể bước sóng trung tâm laser Hình 3.8: Bản đồ phổ laser L1501 với bước thay đổi dòng 10 mA 13 Ta thấy, bước sóng laser dịch từ 783,07 nm 50 mA tới 784,20 nm 400 mA Bước sóng trung tâm dịch phía bước sóng dài dịng bơm tăng tính chất phổ biến laser DFB Tính chất chu kỳ cách tử bị thay đổi thay đổi dòng bơm dẫn đến bước sóng trung tâm thay đổi Bước sóng dịch chuyển phụ thuộc vào dòng bơm laser L1501 ∆λ/∆I = 0,0032 nm/mA Trên Hình vị trí dịng bơm từ 190 mA sang 200 mA ta thấy có tượng nhảy mode Hiện tượng xảy hệ số khuếch đại mode dọc trung tâm chênh lệch ít, dịng bơm thay đổi thứ tự ưu tiên mode thay đổi, dẫn đến tượng nhảy mode Trong dịch chuyển bước sóng laser L1503 ∆λ/∆I = 0,0030 nm/mA Hiện tượng nhảy mode vị trí chuyển dòng bơm từ 150 mA đến 160 mA Như tính chất phổ laser nhóm khơng khác nhiều, thể tính đồng laser loại Tính chất phổ laser nhóm có chiều dài buồng cộng hưởng mm khảo sát Hình 3.11, với điều kiện đo đạc giống nhóm 25 oC Dịng bơm từ 50 mA đến 500 mA Hình 3.11: Bản đồ phổ laser L3001 phụ thuộc dịng bơm Nhóm với chiều dài buồng cộng hưởng mm, tượng nhảy mode xảy khoảng cách mode nhỏ so với laser thuộc nhóm Điều 14 hồn tồn phù hợp khoảng cách mode tỉ lệ nghịch với chiều dài buồng cộng hưởng laser buồng cộng hưởng Fabry-Perot Laser L3001 có độ dịch phổ laser theo dòng bơm ∆λ/∆I = 0,0023 nm/mA (Hình 3.11), laser L3002 ∆λ/∆I = 0,0020 nm laser L3003 ∆λ/∆I = 0,0017 nm/mA Nhìn chung laser nhóm 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 đôi tốc độ dịch chuyển ∆λ/∆I thay đổi từ 0,0017 nm/mA đến 0,0023 nm/mA Như giảm tốc độ dịch chuyển bước sóng trung tâm đạt gần lần ta thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng từ 1,5 mm lên mm 3.4 Tối ưu hoá độ rộng vạch phổ laser theo chiều dài buồng cộng hưởng Để khảo sát kỹ phụ thuộc tính chất phổ vào chiều dài buồng cộng hưởng, laser tiến hành đo độ rộng vạch phổ phụ thuộc công suất quang Phép đo thực hệ đo self-heterodyne phịng thí nghiệm Joint Lab LaserMetrology, Viện Ferdinand Braun, CHLB Đức Độ rộng phổ đo theo công suất quang từ 10 mW đến 200 mW với bước thay đổi 10 mW Hình 3.14 độ rộng phổ thay đổi theo cơng suất quang hai laser bán dẫn công suất cao DFB phát xạ vùng 780 nm Độ rộng phổ laser L1501 giảm từ 3962 kHz xuống khoảng 200 kHz công suất thay đổi từ 10 mW đến 200 mW thể Hình 3.14 chấm trịn màu đỏ Thay đổi cơng suất tương tự thu kết ứng với laser L3001 giảm từ 693 kHz tới 33 kHz (chấm vng xanh Hình 3.14) Hai đường liền nét đường fit tuyến tính kết đo 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 vuông xanh) phụ thuộc công suất Độ rộng phổ đến 200 mW hai laser giảm tương đối tuyến tính phù hợp với cơng 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 tính chất phổ laser bán dẫn cơng suất cao DFB phát xạ vùng bước sóng 780 nm khảo sát Hai nhóm laser có cấu trúc giống chiều rộng chip laser w = μm, hệ số phản xạ mặt sau laser R r = 95%, mặt trước R f = 0,01%, gắn phiến CuW, sau đóng vỏ C-mount Nhóm có chiều dài L = 1,5 mm nhóm chiều dài l = mm Đặc trưng quang điện cho thấy thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng từ 1.5 mm lên mm dịng ngưỡng tăng nhẹ, I th nhóm thay đổi từ 38 mA đến 41 mA nhóm thay đổi từ 42 mA đến 45 mA Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại gần không thay đổi Công suất cực đại đạt 313 mW lớn so với laser nhóm Tính chất phổ laser thay đổi rõ rệt 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 nhóm từ 0,0030 nm/mA tới 0,0032 nm/mA, nhóm thay đổi từ 0,0017 nm/mA đến 0,0023 nm/mA Như giảm tốc độ dịch chuyển bước sóng trung tâm đạt gần lần Độ rộng phổ phụ thuộc công suất quang thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng giảm đáng kể Tỉ lệ giảm từ 5,7 (@10 mW) đến 6,0 (@200 mW) Như buồng cộng hưởng thay đổi từ 1,5 mm đến mm, laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nm đạt tính chất tối ưu 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 th preparation and characterization Proceeding of the 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] (1991) B A Saleh, “Fundamental of Photonics”, John Wiley & Sons, Inc, [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.), “HighPower 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 ... cậy cao Do đề tài 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 nghiên cứu trình bày ba chương luận văn... QUẢ VÀ THẢO LUẬN 10 3.1 Phân loại laser bán dẫn DFB 780 nm 10 3.2 Tính chất quang điện laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng 10 3.3 Tính chất. .. Hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố có phụ thuộc vào công suất chiều dài buồng cộng hưởng Có thể đạt cơng suất đầu laser bán dẫn với chiều dài buồng cộng hưởng khác hiệu suất
Ngày đăng: 08/06/2021, 12:42
Xem thêm:
