Tính toán thông số quang học cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN ĐÌNH DŨNG TÍNH TỐN THƠNG SỐ QUANG HỌC CƠ BẢN CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN ĐÌNH DŨNG TÍNH TỐN THƠNG SỐ QUANG HỌC CƠ BẢN CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Ngƣời hƣớng dẫn: TS Nguyễn Thanh Phƣơng THÁI NGUYÊN - 2018 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp riêng tơi, hướng dẫn TS Nguyễn Thanh Phƣơng - Viện Vật lý Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà Nội Tất kết số liệu khóa luận trung thực có từ nghiên cứu mà thực trình làm luận văn phịng Laser Kỹ thuật ánh sáng, môn Quang học Quang điện tử, Viện Vật lý Kỹ 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 làm luận văn Nguyễn Đình Dũng Lời cảm ơn Cuốn luận văn hoàn thành trình tơi làm việc phịng Laser Kỹ thuật ánh sáng, môn Quang học Quang điện tử, Viện Vật lý Kỹ 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 Lời tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thanh Phƣơng, người hướng dẫn thực luận văn Trong suốt q trình thực luận văn, Cơ ln hướng dẫn bảo tận tình, giúp tơi hồn thành luận văn cách tốt Tôi xin trân trọng cảm ơn anh chị Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, thầy cô khoa Vật lí - Cơng nghệ, cán phịng Đào tạo trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, cho kiến thức, kinh nghiệm vô quý giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trường THPT Nguyễn Trung Ngạn, anh chị em đồng nghiệp nơi công tác, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình học tập nghiên cứu Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người ln bên tơi, động viên khích lệ tơi q trình thực đề tài nghiên cứu Thái Nguyên, ngày 10 tháng năm 2018 Người làm luận văn Nguyễn Đình Dũng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG .ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii MỞ ĐẦU Chương Laser bán dẫn công suất cao DFB 1.1 Cấu trúc giếng lượng tử [5] 1.2 Khuếch đại quang điều kiện ngưỡng 1.3 Dẫn sóng buồng cộng hưởng 1.4 Cấu trúc laser bán dẫn công suất cao 10 1.5 Hệ số kết hợp mode laser bán dẫn DFB 11 1.6 Dải dừng laser DFB 13 Chương Cơ sở phương pháp tính tốn thơng số laser bán dẫn DFB 17 2.1 Đo đặc trưng cơng suất, xác định dịng ngưỡng laser DFB 17 2.2 Đo phổ khuếch đại laser bán dẫn công suất cao DFB 19 2.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp tính tốn thơng số laser bán dẫn DFB 21 Chương Tính tốn thơng số quang học laser bán dẫn công suất cao DFB phát xạ vùng 780 nm 25 3.1 Kết đo đạc laser DFB 780 nm 25 3.1.1 Đặc trưng công suất laser DFB 780 nm 25 3.1.2 Phổ khuếch đại laser DFB 780 nm 30 3.2 Chương trình tính tốn (chương trình fit) 34 3.3 Kết tính tốn cho laser DFB phát xạ vùng 780 nm 38 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT i Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt QW Quantum Well Giếng lượng tử BCH Buồng cộng hưởng DANH MỤC CÁC BẢNG ii Bảng 3.1 Tổng hợp kết đo laser nhóm 28 Bảng 3.2 Tổng hợp kết đo laser nhóm 30 Bảng 3.3 Các thông số nhập vào chương trình laser101 35 Bẳng 3.4 Các giá trị biên thông số 36 Bảng 3.5 Kết chương trình “fit” với laser101 36 Bảng 3.6 Các thông số quan trọng laser bán dẫn DFB nhóm từ chương trình tính tốn 40 Bảng 3.7 Các thông số quan trọng laser bán dẫn DFB nhóm từ chương trình tính tốn 42 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii Hình 1.1 Mật độ trạng thái bán dẫn cấu trúc giếng lượng tử (đường liền nét) bán dẫn cấu trúc khối (đường đứt nét) [21] Hình 1.2.Phân bố khe lượng mức lượng tương ứng GaAsP-QW nhúng lớp sóng dẫn sóng AlGaAs Hình Phổ khuếch đại quang vật liệu bán dẫn khối GaAs mật độ hạt tải N=26x1018 cm-3 [9] Hình 1.4 Sơ đồ ống dẫn sóng ba lớp: cấu trúc laser bán dẫn Hình 5.Dẫn sóng ngang laser [30] Hình Cấu hình laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot Hình 7.Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố theo chiều ngang Ix 10 Hình Sơ đồ mặt cắt ngang laser bán dẫn DFB; a) Laser bán dẫn DFB ghép mode thuần; b) Laser bán dẫn DFB ghép mode hỗn hợp; c) Laser bán dẫn DFB ghép mode khuếch đại thuần; d) Laser bán dẫn DFB ghép mode mát [36] 12 Hình 9.Khuếch đại ngưỡng dao động dịch chuyển bước sóng dao động bước sóng laser DFB ghép mode [36] 14 Hình 10 Cách tử dịch pha λ / [36] 14 Hình 11 Khuếch đại ngưỡng dao động dịch chuyển bước sóng dao động laser bán dẫn DFB kết hợp mode thuần, dịch pha λ / [36] 15 Hình 12.Sơ đồ mặt cắt ngang (trái) phổ khuếch đại tương ứng (phải) laser bán dẫn DFB có khơng có dịch pha [30] 16 Hình 13.Khuếch đại ngưỡng dao động dịch chuyển bước sóng dao động laser bán dẫn DFB ghép mode khuếch đại [36] 16 Hình 1.Hệ đo đặc trưng cơng suất, phụ thuộc dịng bơm 18 Hình 2 Đặc trưng cơng suất, phụ thuộc dòng bơm laser DFB 780 nm 25 oC 18 Hình 2.3 Phổ quang laser bán dẫn giá trị ngưỡng (a), gần ngưỡng (b,c) ngưỡng phát laser(d) 19 Hình 2.4 Sơ đồ đo phổ 20 Hình 2.5 Quang phổ khuếch đại laser DFB 780 nm dòng bơm 34 mA: 21 Hình 3.1 Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm laser101 25 Hình 3.2 Đặc trưng cơng suất, phụ thuộc dịng bơm laser102 (a), laser103 (b) 26 Hình 3.3.Đặc trưng cơng suất, phụ thuộc dịng bơm Laser104 (c), Laser105 (d) 27 Hình 3.4 Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm laser201 28 Hình 3.5 Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm laser202(a), laser203(b) 29 Hình 3.6 Phổ khuếch đại laser101 dịng bơm I = 36 mA 30 Hình 3.7 Phổ khuếch đại laser102 I = 36 mA (a), Laser103 I = 33 mA (b) 31 Hình 3.8 Phổ khuếch đại Laser104 I = 38 mA (a), Laser105 I = 35 mA (b) 32 Hình Phổ khuếch đại laser201 I = 33 mA 33 Hình 3.10 Phổ khuếch đại laser202 I = 36 mA (a), laser203 I = 34 mA (b) 33 Hình 3.11 Chương trình “spe and fit” 34 Hình 3.12 Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) tính tốn (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại laser101 37 Hình 3.13 Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) tính tốn (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại laser102 (a), laser103 (b) 38 Hình 3.14 Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) tính tốn (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại laser104 (a), laser105 (b) 39 Hình 3.15 Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) tính tốn (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại laser201 40 Hình 3.16 Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) tính tốn (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại laser202 (a), laser203 (b) 41 MỞ ĐẦU Laser bán dẫn công suất cao phản hồi phân bố đóng vai trị quan trọng ứng dụng quang phổ phân giải cao [1, 2] ưu điểm gọn nhỏ, công suất cao, độ rộng phổ hẹp Các nghiên cứu gần cho thấy độ rộng phổ DFB laser đạt mức hàng chục kHz [3] Tuy nhiên, tính chất quang laser phụ thuộc chủ yếu vào thông số quang học laser chiều dài buồng cộng hưởng, hệ số ghép, hệ số phản xạ gương ra, pha trường quang bề mặt gương, chiết suất nhóm… Phần lớn thông số này, laser sau chế tạo khó xác định từ phương pháp trực tiếp [4] Do việc nghiên cứu tính tốn, xác định thơng số quang học laser công suất cao phản hồi phân bố để đo đạc đánh giá laser sau chế tạo cần thiết Do chúng tơi lựa chọn đề tài “TÍNH TỐN THƠNG SỐ QUANG HỌC CƠ BẢN CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB” Sử dụng phương pháp fit hàm dựa sở hàm Green phổ khuếch đại laser bán dẫn công suất cao DFB 780nm Sử dụng kết thực nghiêm đo phổ khuếch đại laser tiến hành tính tốn xác định thơng số laser Đưa phản hồi giúp cho việc chế tạo laser phù hợp yêu cầu sử dụng Luận văn gồm ba chương: Chương 1: Laser bán dẫn công suất cao DFB Chương 2: Cơ sở phương pháp tính tốn thơng số laser bán dẫn DFB Chương 3: Tính tốn thơng số quang học laser bán dẫn công suất cao DFB phát xạ vùng 780 nm -20 R0 phi0 phiL akappa(1) gp(1) gind(1) dind(1) fsp(1) C-êng ®é t-ơng đối / dB thực nghiệm Đ-ờng fit -25 2.2931E-04 1.0000E-04 1.0000E-01 -9.2600E-02 -1.0000E+00 0.0000E+00 1.3980E+00 5.0000E-01 1.5000E+00 2.029E+02 0.0000E+00 3.0000E+02 1.0281E+03 0.0000E+00 2.0000E+03 3.9943E+00 3.1000E+00 4.1000E+00 -5.1118E-05 -2.0000E-04 2.0000E-04 3.0188E-01 1.0000E-02 1.0000E+01 -30 -35 -40 779.9 780.0 780.1 780.2 B-íc sãng / nm a) -20 R0 phi0 phiL akappa(1) gp(1) gind(1) dind(1) fsp(1) thực nghiệm Đ-ờng fit C-ờng độ t-ơng đối / dB -25 1.0389E-04 1.0000E-04 1.0000E-01 -8.4170E-01 -1.0000E+00 0.0000E+00 6.3837E-01 0.0000E+00 1.0000E+00 1.9847E+02 0.0000E+00 3.0000E+02 1.2863E+03 0.0000E+00 2.0000E+03 3.9542E+00 3.1000E+00 4.1000E+00 -1.0390E-04 -2.0000E-04 2.0000E-04 1.6447E-01 1.0000E-02 1.0000E+01 -30 -35 -40 780.0 780.1 780.2 780.3 780.4 B-íc sãng / nm b) Hình 3.16 Đường thực nghiệm (màu xanh nét đứt) tính tốn (màu đỏ liền nét) phổ khuếch đại laser202 (a), laser203 (b) 41 Bảng 3.7 Các thông số quan trọng laser bán dẫn DFB nhóm từ chương trình tính tốn Hệ số phản xạ mặt trước R0 Pha mặt phản xạ trước 0 (2) Pha mặt phản xạ sau L (2) Hệ số ghép  Chiết suất nhóm Laser201 1,00x10-4 -0,46 0,00 1,84 3,94 Laser202 2,29x10-4 -0,09 1,39 2,03 3,99 Laser203 1,04x10-4 -0,84 0,64 1,98 3,95 (cm-1) Từ bảng 3.7 ta thấy: hệ số phản xạ mặt trước laser nhóm R0 xấp xỉ 10-4 , hệ số ghép mode xấp xỉ 2cm-1, chiết suất nhóm thay đổi từ 3,94 đến 3,99 Tương tự nhóm 1, pha mặt phản xạ trước sau thay đổi laser Như phương pháp sử dụng phương trình fit từ phổ khuếch đại, thông số laser nhóm nhóm xác định So sánh với thông số chế tạo đưa đầu chương ta thấy sau: hệ số phản xạ gương mặt trước nhóm đạt yêu cầu với Ro < 0,01% Hệ số ghép nhóm xấp xỉ cm-1, có laser Laser104 hệ số ghép cao (1.34 cm-1), 80% số mẫu thực nghiệm nhóm có kết yêu cầu chế tạo Hệ số ghép nhóm xấp xỉ cm-1 Chiết suất nhóm nhóm thay đổi từ 3,64 đến 4,03, tính tốn chế tạo 3,9 Như cần điều chỉnh thành phần vật liệu trình chế tạo cho chiết suất thực tế phù hợp Nhóm 2, chiết suất nhóm xấp xỉ 3,9, chế tạo đạt yêu cầu đặt Với laser ta xác định pha phản xạ gương mặt trước sau cách xác 42 KẾT LUẬN Laser bán dẫn cơng suất cao DFB 780 nm thuộc nhóm có hệ số ghép cm-1 cm-1 khảo sát đặc trưng quang điện xác định dòng ngưỡng Trên sở phổ khuếch đại hai nhóm đo nhiệt độ 25 0C Bằng phương pháp fit hàm dựa hàm Green, thông số laser xác định sau: - Nhóm 1: Có hệ số phản xạ mặt trước R0 xấp xỉ 10-4, hệ số ghép mode xấp xỉ 1cm-1, chiết suất nhóm thay đổi từ 3,64 đến 4,03 Pha mặt phản xạ trước phản xạ sau thay đổi từ laser sang laser khác - Nhóm 2: Có hệ số phản xạ mặt trước laser nhóm R0 xấp xỉ 10-4 , hệ số ghép mode xấp xỉ cm-1, chiết suất nhóm thay đổi từ 3,94 đến 3,99 Tương tự nhóm 1, pha mặt phản xạ trước sau thay đổi laser Như vậy, với phương pháp hồn tồn xác định thông số laser bán dẫn công suất cao DFB mà xác định phương pháp đo trực tiếp Với kết nhìn lại so sánh với thơng số tính tốn chế tạo đưa ta biết việc chế tạo đạt yêu cầu hay chưa Hay nói cách khác ta đưa thơng số xác, đặc trưng cho cấu tạo laser để cung cấp cho người sử dụng 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Kraft,A Deninger, C Trueck, J Fortagh, F Lison, and C Zimmermann, Laser Phys Lett 02(02), pp 71, 2004 [10] P Unger, “Introduction to Power Diode Lasers”, R Diehl (ed.), “High-Power Diode Lasers Fundamentals, Technology, Applications”, Topics Appl Phys 78, pp 1-54, Springer Verlag Berlin Heidenberg 2000 [11] G P Agrawal, “Semiconductor lasers”, Kluwer Academic Publishers, 1993 [12] F Traeger, “Springer Handbook of Lasers and Optics”, Springer 2007 [13] H Ghafouri-Shiraz, “Distributed Feedback Laser Diodes and Optical Tunable Filters”, John Wiley and Sons, Inc., 2003 [14] H Kogelnik, C V Shank, “Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers”, J Appl Phys., 43(5), May 1972 [15] T Suhara, “Semiconductor Laser Fundamentals” Marcel Dekker, Inc., 2004 [16] V D Mien, V V Luc, T Q Tien, P V Truong, T Q Cong, V T Nghiem, , N [17] H Wenzel, “Green’s Function Based Simulation of the Optical Spectrum of Multisection Lasers”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol 9, No 3, pp 865, 2003 [2] T Kunii, Y Matsui, Opt Quant Electron., 24, pp 719, 1992 [3] T.-P Nguyen, M Schiemangk, S Spießberger, H Wenzel, A Wicht, A Peters, G Erbert, G Tränkle, Appl Phys B, 108, pp 767–771, 2012 [4] R Schatz, E Berglind, and L Gillner, IEEE Photon Technol Lett., 6(10), pp 1182, 1994 [5] N T Phuong, (2010), Investigation of spectral characteristics of solitary diode lasers with integrated grating resonator, Berlin, (7), pp.7-11 [6] Bahaa E A Saleh and M C Teich, “Fundamentals of Photonics”, John Wiley & Sons, Inc., 1991 [7] F Bachman, P Loosen, R Poprawe (ed.), “High-Power Diode Lasers Technology and Applications (Topics in Applied Physics)”, Springer Verlag Berlin Heidenberg 2007 [8] M Weyers, A Bhattacharya, F Bugge, and A Knauer, “Epitaxy of High-Power Diode Laser Structures“, R Diehl (ed.), “High-Power Diode Lasers Fundamentals, Technology, Applications”, Topics Appl Phys 78, pp 83-200, Springer Verlag Berlin Heidenberg 2000 [9] L A Coldren, S W Corzine, “Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits”, John Wiley & Sons, Inc., 1995 C Thanh, N T Ngoan, V.V Parashchuk (2010), “Optical laser diode module preparation and characterization”, Proceeding of the th International Conference on Photonics and Applications, Hanoi Oct 8th – 11th 44 BIÊN BẢN HỌP H I ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ 45 46 47 48 49 50 51 52 53 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC C NG HÒA Xà H I CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BÁO CÁO GIẢI TRÌNH CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ, tên học viên: NGUYỄN ĐÌNH DŨNG Ngày sinh: 21/10/1983 Nơi sinh: Hồng Quang – Ân Thi – Hƣng Yên Là tác giả đề tài luận văn: “TÍNH TỐN THƠNG SỐ QUANG HỌC CƠ BẢN CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB” Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Phƣơng Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 Căn nội dung biên họp Hội đồng đánh giá luận văn ngày 09 tháng năm 2018 nhận xét phản biện, học viên nghiên cứu nội dung yêu cầu kết luận Hội đồng, đối chiếu với nội dung luận văn, học viên xin giải trình chi tiết nội dung sau: Những nội dung luận văn Hội đồng đề nghị chỉnh sửa: Luận văn cịn có lỗi trình bày, in ấn, tả, thống số từ ngữ chuyên ngành Việt hóa số hình thích, chỉnh số hình mờ Chương trình bày cịn lủng củng Phân tích sâu chi tiết kết luận văn Thống cách viết tài liệu tham khảo Thiếu kết luận cho chương Những nội dung luận văn đƣợc chỉnh sửa: Đã sửa lỗi in ấn, lỗi tả, đơn vị, thống số từ ngữ chuyên ngành Đã việt hóa số hình thích chỉnh lại số hình Đã sửa chữa lỗi trình bày lủng củng chương Đã phân tích sâu chi tiết kết tính tốn thu luận văn Đã thống cách viết lài liệu tham khảo theo quy định Các mục trình bày chương phần riêng, khơng thiết có kết luận cho chương, cần kết luận chung cho luận văn Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với nội dung trên, theo góp ý Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Thái Nguyên, ngày 19 tháng năm 2018 Trƣởng khoa Vật lý Công nghệ Cán hƣớng dẫn 54 Học viên ÁC NHẬN CỦA NGƢỜI HƢ NG DẪN …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… …………………………… …………………………………………………………………………………………………… ÁC NHẬN CỦA TRƢỞNG KHOA VẬT L VÀ CÔNG NGHỆ …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… …………………………… ……………………………………………………………………………… ………………… 55 ... chương: Chương 1: Laser bán dẫn công suất cao DFB Chương 2: Cơ sở phương pháp tính tốn thơng số laser bán dẫn DFB Chương 3: Tính tốn thông số quang học laser bán dẫn công suất cao DFB phát xạ vùng... dẫn công suất cao DFB 19 2.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp tính tốn thông số laser bán dẫn DFB 21 Chương Tính tốn thông số quang học laser bán dẫn công suất cao DFB phát xạ vùng... mặt cắt ngang laser bán dẫn DFB; a) Laser bán dẫn DFB ghép mode thuần; b) Laser bán dẫn DFB ghép mode hỗn hợp; c) Laser bán dẫn DFB ghép mode khuếch đại thuần; d) Laser bán dẫn DFB ghép mode