Khảo sát khả năng điều biến của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn

Lời cảm ơn Luận văn đợc hoàn thành dới sự hớng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Phú. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đối với ngời thầy hớng dẫn của mình - ngời đã đặt vấn đề, hớng dẫn và giúp đỡ tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn với thầy giáo TS. Vũ Ngọc Sáu, TS. Dơng Công Hiệp và các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lí và khoa đào tạo Sau đại học trờng Đại học Vinh, những ngời đã giúp tác giả tiếp thu đợc nhiều kiến thức bổ ích trong học tập cũng nh trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả Nguyễn Văn Thọ Trang Mục lục 1 Lời cảm ơn Mở đầu 1 Chơng I Tổng quan về laser bán dẫn và vật liệu bán dẫn. 3 1.1. Chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn 4 1.1.1. Chất bán dẫn thuần . 4 1.1.2. Bán dẫn pha tạp . 6 1.1.3. Tiếp giáp p n 8 1.1.3.1. Tiếp giáp p - n không đợc phân cực. 8 1.1.3.2. Tiếp giáp p - n đợc phân cực thuận 12 1.2. Laser bán dẫn 15 1.2.1. Cấu tạo hoạt chất và nguồn nuôi của laser bán dẫn . 15 1.2.2. Tạo nghịch đảo mật độ trong tiếp xúc p-n của laser bán dẫn 15 1.2.3. Các phơng pháp kích thích . 16 1.2.4. Nguyên tắc làm việc của laser bán dẫn 18 1.3. Kết luận . 18 Chơng II hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn dfb hai ngăn 19 2.1. Nguyên lý phản hồi phân bố trong các DFB laser 19 2.1.1. Quá trình phản xạ Bragg . 20 2.1.2. Mô hình sóng cho laser phản hồi phân bố 21 2.2. Laser bán dẫn phản hồi phân bố . 24 2.2.1. Mô hình laser bán dẫn DFB hai ngăn . 25 2. 3. Hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn DFB hai ngăn 26 2.4. Kết luận . 29 Chơng III Khảo sát quá trình điều biến xung phát trong laser bán dẫn DFB hai ngăn 30 2 3.1. Quá trình phát xung của laser bán dẫn DFB hai ngăn 30 3.1.1. Các điều kiện ban đầu. 30 3.1.2. Quá trình phát không dừng 31 3.2. Điều biến các đặc trng xung laser phát bằng các tham số động học 34 3.2.1. Điều biến xung laser phát bằng dòng điện bơm trong ngăn khuếch đại 34 3.3. Dịch chuyển bớc sóng laser phát bằng dòng bơm trong ngăn hấp thụ. 38 3.4. Điều biến xung laser phát bằng hàm số xung tín hiệu NRZ 41 3.4.1. Dạng xung tín hiệu NRZ (NonReturn to Zero) 41 3.4.2. Điều biến xung laser phát bằng xung tín hiệu NRZ . 42 3.4.2.1. Điều biến xung laser phát bằng biên độ xung tín hiệu NRZ 42 3.4.2.2. Điều biến xung laser phát bằng tần số xung tín hiệu NRZ 45 3.5. Kết luận . 46 Kết luận chung. 48 Tài liệu tham khảo . 49 Mở đầu Nh chúng ta đã biết, trong thông tin quang yêu cầu về tốc độ truyền dẫn, đòi hỏi sự điều biến một chiều trong miền GHz của sóng mang. Khi sử dụng laser với môi trờng hoạt là chất màu tán sắc, cờng độ bức xạ phát ra sẽ tăng lên nhng các mode lân cận sẽ hạn chế tốc độ truyền dẫn do sự suy hao tán sắc vật liệu trong sợi quang. Vì vậy ngay từ những thập kỷ 70 của thế kỷ 20, việc nghiên cứu chế tạo các nguồn phát quang với các bức xạ đơn mode trục dọc, có tốc độ điều biến cao đã đợc đặt ra. 3 Tuy nhiên với các laser sử dụng các hoạt chất nh khí hay rắn, các bức xạ thu đợc tuy có cờng độ lớn nhng độ mở rộng phổ lớn cùng với các quá trình đa mode làm cho các bức xạ này không thể áp dụng đợc trong công nghệ truyền dẫn quang. Với các laser bán dẫn thông thờng, mặc dù có nhiều u điểm nổi bật về c- ờng độ cao, dòng ngỡng thấp, thời gian hoạt động, . nhng cũng bị giới hạn ứng dụng truyền thông do quá trình đa mode. Để hạn chế các quá trình đa mode, một cơ chế lựa chọn tần số phát trong laser bán dẫn đã đợc sử dụng là cơ chế phản hồi phân bố - phản xạ Bragg. Do giới hạn của điều kiện Bragg nên bức xạ laser chỉ phát ra với một bớc sóng duy nhất, phù hợp với hệ thống thông tin quang đờng dài. Với những u điểm này, các laser bán dẫn phản hồi phân bố (Distributed FeedBack - DFB laser) đã đợc các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu cả về mặt lý thuyết cũng nh thực nghiệm [5], [8-13], [18-19]. Bắt đầu từ các laser DFB một ngăn, các laser DFB hai, ba hay nhiều ngăn hơn đã đợc tập trung nghiên cứu ở cả các chế độ phát dừng và phát xung. Các kết quả khảo sát cho thấy các thông số laser đã có ảnh hởng lớn đến các đặc tr- ng của xung laser phát [8, 9], [17], [19], và có thể điều biến các đặc trng của xung laser này bằng cách thay đổi phù hợp các thông số xung bơm hay xung quang tín hiệu khi sử dụng các DFB laser trong hệ thống thông tin quang [7], [11], [17]. Nhằm mục đích tìm hiểu và góp phần hoàn thiện về mặt vật lý cũng nh công nghệ của các laser bán dẫn phản hồi phân bố, trong luận văn này chúng tôi đã chọn đề tài: Khảo sát quá trình điều biến xung phát trong laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn làm hớng nghiên cứu chính. Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn đợc chia thành các chơng chính nh sau: Chơng I - Tổng quan về vật liệu và laser bán dẫn. Trong chơng này chúng tôi trình bày tổng quan về một số đặc trng của vật liệu, những khái niệm và những hiện tợng thờng xẩy ra trong tiếp giáp p-n của vật liệu bán dẫn thuần 4 hay pha tạp. Cũng trong chơng này, chúng tôi trình bày về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn. Chơng II - Hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn DFB hai ngăn. Nội dung của chơng trình bày những cơ sở của nguyên tắc lựa chọn bớc sóng trong các laser phản hồi phân bố. Từ đó trên cơ sở mô hình một laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn, chúng tôi dẫn ra hệ phơng trình tốc độ, giải thích rõ ý nghĩa Vật lý của các tham số động học có mặt trong hệ phơng trình. Chơng III - Khảo sát quá trình điều biến xung phát trong laser bán bẫn DFB hai ngăn. Trong chơng này chúng tôi giới thiệu các xung phát trong hoạt động không dừng và trình bày các phơng án điều biến các xung phát của laser bán dẫn DFB hai ngăn để có thể thu đợc các xung laser đơn sắc, xung ngắn áp dụng cho thông tin quang. Phần kết luận chung của luận văn nêu lên một số kết quả đạt đợc trong quá trình nghiên cứu đề tài. Luận văn đợc hoàn thành tại bộ môn Quang học - Quang phổ khoa Vật lý, Trờng đại học Vinh. Nội dung chính của luận văn đã đợc báo cáo tại Ceminar tổ Bộ môn và một phần kết quả nghiên cứu đã đợc công bố trong [9]. Chơng I - Tổng quan về vật liệu và laser bán dẫn Nh chúng ta đã biết, bức xạ laser có đợc nhờ năng lợng bơm thông qua hoạt chất đặt trong buồng cộng hởng và một số các quá trình khác xẩy ra trong đó. Thông thờng, năng lợng phải đi qua một chuỗi biến đổi mới chuyển thành bức xạ cỡng bức. Chẳng hạn, ở các laser đợc kích thích điện, điện năng trớc hết phải đợc chuyển sang động năng của các hạt tích điện trong trờng phóng điện, rồi các nguyên tử hoạt chất trong sự phóng điện đợc kích thích để phát bức xạ. Bức xạ không kết hợp này sẽ qua một loạt quá trình trong buồng cộng hởng mới đạt đợc khuếch đại và thành bức xạ laser. Với các laser đợc kích thích quang, quá trình diễn ra cũng phức tạp nh vậy. Tuy nhiên với laser bán dẫn, lại có sự 5 chuyển trực tiếp điện năng sang năng lợng bức xạ kết hợp. Sự chuyển hóa này xẩy ra trong các diode laser bán dẫn dạng phun. ở đây sự kích thích là kết quả trực tiếp của công tạo nên bởi điện trờng đặt trên hạt tải điện trong vật chất. Quá trình phun hạt tải điện là quá trình rất hữu hiệu đối với sự chuyển năng lợng điện sang năng lợng bức xạ cỡng bức. Tất nhiên đây không phải là quá trình kích thích duy nhất trong bán dẫn vì thực tế các laser bán dẫn có thể họat động nhờ các phơng pháp kích thích khác nhau, chẳng hạn kích thích quang, hay bắn phá chùm điện tử, .v.v. [6]. Laser bán dẫn có phổ phát xạ rộng trong một khoảng nhất định. Bằng ph- ơng pháp thay đổi nhiệt độ, thay đổi dòng bơm, hoặc sử dụng buồng cộng hởng lọc lựa có thể thay đổi bớc sóng, mặt khác laser bán dẫn có kích thớc nhỏ dễ chế tạo và giá thành thấp nên nó đáp ứng đợc các yêu cầu cơ bản trong công nghệ truyền dẫn quang. Các nguồn laser bán dẫn đều sử dụng các loại vật liệu bán dẫn với tiếp giáp p-n để làm môi trờng họat, nên trong chơng này trớc hết chúng ta sẽ nghiên cứu một số tính chất chất bán dẫn và tiếp giáp p-n. 1.1. Chất bán dẫn và tính chất của chất bán dẫn Theo quan điểm của lý thuyết vùng, các chất bán dẫn là các chất có bề rộng của vùng cấm không lớn hơn 2-3 eV. Tính chất và dấu hiệu quan trọng nhất của các chất bán dẫn là sự phụ thuộc các tính chất điện vào các điều kiện bên ngoài nh nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất hay tính chất của các trờng ngoài. Dấu hiệu chính thức, nhng không phải là quyết định, của việc xếp loại chất vào lớp các chất bán dẫn là độ dẫn điện. Trong chất bán dẫn thuần thì mật độ electron bằng mật độ lỗ trống và có giá trị nhỏ. Nếu trong chất bán dẫn có lẫn một lợng nhỏ nguyên tố khác thì đó là chất bán dẫn pha tạp. Nếu tạp chất làm cho số electron tự do tăng lên, mật độ electron lớn hơn nhiều so với mật độ lỗ trống thì ta có bán dẫn loại n. Nếu tạp 6 chất làm cho số lỗ trống tăng lên, mật độ lỗ trống lớn hơn nhiều mật độ electron thì ta có bán dẫn loại p. 1.1.1. Chất bán dẫn thuần ở nhiệt độ thấp trong tinh thể bán dẫn thuần hoàn toàn trống các điện tử, hầu hết các điện tử đều thuộc vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn là không dẫn điện. Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên, một số điện tử bị kích thích bởi năng lợng nhiệt và nếu năng lợng đủ lớn để điện tử vợt qua đợc vùng cấm, chúng sẽ chiếm một số mức năng lợng trong vùng dẫn. Các điện tử sau khi dịch chuyển lên vùng dẫn đồng thời cũng để lại các lỗ trống tơng ứng trong vùng hóa trị tức là tạo ra các hạt dẫn trong mạng tinh thể chất bán dẫn, chúng tạo ra khả năng dẫn điện của chất bán dẫn. Nồng độ của điện tử trong bán dẫn theo năng lợng đợc phân bố theo phân bố Fermi-Dirac: 1 ( ) 1 exp f F E E E kT = + ữ (1.1) Trong đó: F(E) là xác suất tìm thấy điện tử ở mức có năng lợng E. E f là mức năng lợng khi F(E f ) = 0,5 gọi là mức năng lợng Fermi. Nh vậy theo biểu thức (1.1) khi nhiệt độ T tăng thì xác suất phân bố điện tử trong vùng dẫn tăng lên, tức là luôn xuất hiện điện tử trong vùng dẫn. Ngợc lại khi nhiệt độ giảm dần tới không thì xác suất xuất hiện điện tử trong vùng dẫn hầu nh bằng không. Vùng dẫn Năng lợng E c Điện tử tự do E f Lỗ trống 7 E v Vùng hoá trị Hình 1.1 Mức năng lợng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng l- ợng trong bán dẫn thuần. Nồng độ điện tử tự do n trong vùng dẫn đợc xác định theo công thức: ( ). ( ) c E n S E F E dE = (1.2) Do nồng độ điện tử trong vùng dẫn tập trung chủ yếu gần mức có năng l- ợng E c và hầu nh không tồn tại ở các mức năng lợng cao, nên ta có thể tính một cách gần đúng: exp c f c E E n N kT ữ (1.3) trong đó: ( ) 3/ 2 2 2 2. . . e c m kT N h = ; m e là khối lợng điện tử; k là hằng số Boltzmann, h là hằng số Plăng. Tơng tự nh trên, mật độ lỗ trống p tơng ứng trong vùng hóa trị đợc xác định bởi: exp f v v E E p N kT ữ (1.4) với ( ) 3/ 2 2 2 2. . . p v m kT N h = và m p là khối lợng hiệu dụng của lỗ trống. Các điện tử trong vùng hóa trị đợc kích thích bởi nhiệt độ sẽ dịch chuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống tơng ứng trong vùng hóa trị. Do đó trong chất bán dẫn thuần nồng độ điện tử trong vùng dẫn n phải bằng nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị. exp c f c E E N kT ữ exp f v v E E N kT = ữ (1.5) 8 hay ln 2 2 g v f c E N kT E N = + ữ (1.6) Trong đó E g là độ rộng vùng cấm của bán dẫn. Do N v N c nên E f E g /2. Nh vậy trong bán dẫn thuần có thể coi mức năng lợng Fermi nằm ở giữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Nếu coi nồng độ hiệu dụng hạt dẫn trong bán dẫn là n i đặc trng cho nồng độ hạt dẫn n và p thì: 1/ 2 . exp . exp exp 2 c f f v c v i c v c v E E E E E E n n p N N N N kT kT kT = = = ữ ữ ữ Vậy ( ) ( ) 3/ 2 3/ 4 2 2 2 . exp 2 g i e p E kT n m m h kT = ữ (1.7) Tóm lại, trong chất bán dẫn thuần, nếu giữ nhiệt độ không đổi thì nồng độ hạt dẫn hiệu dụng luôn không đổi và không phụ thuộc vào E f nhng lại phụ thuộc độ rộng vùng cấm của bán dẫn. 1.1.2. Bán dẫn pha tạp Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, ngời ta pha một lợng nhỏ các nguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn. Nếu tạp chất làm cho số electron tự do tăng lên, mật độ electron lớn hơn nhiều so với mật độ lỗ trống thì ta có bán dẫn loại n. Nếu tạp chất làm cho số lỗ trống tăng lên, mật độ lỗ trống lớn hơn nhiều mật độ electron thì ta có bán dẫn loại p. Trong bán dẫn loại n một điện tử của nguyên tử tạp chất không liên kết chặt với mạng tinh thể sẵn sàng di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Tơng tự nh thế, trong bán dẫn loại p mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng góp một lỗ trống trong vùng hóa trị. 9 Vùng hóa trị Phân bố tập trung hạt dẫn E f E c E v Vùng dẫn a) b) Hình 1.2 Mức năng lợng Fermi và phân bố mật độ hạt tải trong vật liệu pha tạp. a) - Bán dẫn loại n; b) - Bán dẫn loại p. Nồng độ pha tạp của bán dẫn loại n là N d và loại p là N a xác định giá trị mức năng lợng Fermi theo các biểu thức: exp c fn d c E E n N N kT = = ữ (1.8) ln d fn c c N E E kT N = + ữ (1.9) exp fp v a v E E p N N kT = = ữ (1.10) ln a fp v v N E E kT N = ữ (1.11) Nh vậy theo biểu thức (1.9) và (1.11) thì bán dẫn pha tạp loại n có mức năng lợng Fermi tăng dần tiến tới đáy của giải dẫn khi nồng độ pha tạp N d tăng, ngợc lại mức năng lợng Fermi trong bán dẫn loại p lại giảm dần tới đỉnh vùng hóa trị khi nồng độ pha tạp N a tăng. Hình vẽ 1.2 mô tả hai bán dẫn loại p và loại n. Trong phần tiếp theo chúng ta tìm hiểu các đặc điểm nổi bật của tiếp giáp 10 Vùng dẫn Phân bố tập trung hạt dẫn Vùng hóa trị E f E c E v . dẫn phản hồi phân bố, trong luận văn này chúng tôi đã chọn đề tài: Khảo sát quá trình điều biến xung phát trong laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn. Laser bán dẫn phản hồi phân bố . 24 2.2.1. Mô hình laser bán dẫn DFB hai ngăn. 25 2. 3. Hệ phơng trình tốc độ của laser bán dẫn DFB hai