Khảo sát ảnh hưởng của dòng bơm trong ngăn hấp thụ lên các đặc trưng xung phát của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn

B GIO DC V O TO TRNG I HC VINH ------------------------ LÊ THị PHƯƠNG THảO KHảO SáT ảNH Hởng của dòng bơm trong ngăn hấp thụ lên các đặc trng xung phát của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn Luận văn thạc sĩ vật lí VINH 2010 B GIO DC V O TO TRNG I HC VINH -------------------- Lê thị phơng thảo KHảO SáT ảNH Hởng của dòng bơm trong ngăn hấp thụ lên các đặc trng xung phát của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn Chuyên ngành : Quang học Mã số 66.44.11.01 Luận văn thạc sĩ vật lí Ngời hớng dẫn khoa học Ts. nguyễn văn phú Vinh 2010 MỞ ĐẦU Như chúng ta đã biết, hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển rất mạnh trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Trong các hệ thống thông tin quang, các nguồn phát sóng mang là một trong những linh kiện quan trọng nhất. Các nguồn phát sóng là các laser bán dẫn thông thường có độ rộng phổ lớn, điều này ảnh hưởng đến chất lượng và tốc độ truyền dẫn thông tin do sự suy hao tán sắc vật liệu trong sợi quang. Hơn nữa, do yêu cầu về tốc độ truyền dẫn, dung lượng và giá thành nên các thiết bị mới như bộ ghép kênh theo bước sóng (wavelength division multiplexting - WDM), bộ ghép kênh theo thời gian (time division multiplexting - TDM), bộ điều khiển chuyển đổi tần số (frequency shift keying - FSK), … phải được đưa vào sử dụng trong hệ thống thông tin quang. Để đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, công nghệ truyền dẫn quang cần có các nguồn laser phát đơn mode, có cường độ lớn, dòng ngưỡng thấp và dễ dàng điều biến trong một vùng phổ rộng [1-3]. Hiện nay, để hạn chế các quá trình đa mode, một cơ chế lựa chọn tần số phát trong laser bán dẫn đã được sử dụng là cơ chế phản hồi phân bố - phản xạ Bragg. Do giới hạn của điều kiện Bragg nên laser chỉ phát ra với một bước sóng duy nhất, phù hợp với hệ thống thông tin quang đường dài. Với các ưu điểm rõ nét như trên, các laser bán dẫn phản hồi phân bố (Distributed FeedBack - DFB laser) đã được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu cả về lí thuyết và thực nghiệm [4,5]. Bắt đầu từ các DFB laser một ngăn, các laser DFB hai, ba hay nhiều ngăn hơn đã được tập trung nghiên cứu. Các kết quả khảo sát cho thấy các khoảng giá trị khác nhau của các tham số động học laser, chẳng hạn dòng bơm, hệ số giam, chiết suất hiệu dụng, . đã có ảnh hưởng lớn đến các đặc trưng của xung laser phát như cường độ hay bước sóng phát [2-6]. Như vậy bằng cách điều khiển các tham số động học laser, chúng ta có thể điều chỉnh một hay nhiều đặc trưng của xung laser phát. Điều này có ý nghĩa rất thiết thực khi ứng dụng các DFB laser trong hệ thống thông tin quang. Nhằm mục đích tìm hiểu và góp phần làm rõ, hoàn thiện về mặt vật lý cũng như công nghệ của các laser bán dẫn phản hồi phân bố DFB, trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề “Khảo sát ảnh hưởng của dòng bơm trong ngăn hấp thụ lên các đặc trưng xung phát của laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn”. Mục đích nghiên cứu của luận văn là nhằm khảo sát các đặc trưng của mode sóng laser phát phụ thuộc vào giá trị dòng điều khiển trong ngăn hấp thụ cũng như ảnh hưởng của hệ số chiết suất hiệu dụng trong các ngăn laser lên các mode phát; Từ đó rút ra giá trị các tham số động học laser phù hợp, giới thiệu, định hướng cho thực nghiệm chế tạo các laser DFB hai ngăn ứng dụng trong công nghệ truyền dẫn thông tin quang. Với mục đích nghiên cứu như trên, ngoài phần mở đầu và kết luận, kết cấu nội dung của luận văn được chia thành các phần chính như sau: Chương I. Một số vấn đề cơ sở của chất bán dẫn và laser bán dẫn phản hồi phân bố Trong chương này chúng tôi trình bày về các khái niệm, một số tính chất chung và đặc trưng của các loại chẩt bán dẫn thường gặp; những hiện tượng thường xảy ra trong tiếp giáp p - n của các vật liệu bán dẫn thuần hay pha tạp. Phần hai của chương trình bày cơ sở lý thuyết về cơ chế phản hồi phân bố, dẫn ra mô hình laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn. Chương II. Khảo sát ảnh hưởng của dòng bơm trong ngăn hấp thụ lên bước sóng phát của laser DFB hai ngăn. Phần đầu chương dẫn ra hệ phương trình tốc độ cho laser bán dẫn phản hồi phân bố hai ngăn theo mô hình mô tả ở chương I. Chúng tôi đã giải bằng số hệ phương trình động học này và khảo sát sự biến đổi các đặc trưng của xung laser phát trong hoạt động không dừng khi dòng bơm trong ngăn hấp thụ thay đổi. Phần kết luận chung nêu lên một số kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu đề tài có ý nghĩa ứng dụng trong thông tin quang. Luận văn được hoàn thành tại bộ môn quang học - Quang phổ khoa Vật lí, Trường đại học Vinh. Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo – TS. Nguyễn Văn Phú, thầy đã đặt bài toán, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo để hoàn thành luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS. TS. Đào Xuân Hợi, TS. Đoàn Hoài Sơn, các thầy đã có những góp ý, chỉ bảo quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Vật lí, khoa đào tạo Sau đại học, các phòng ban chức năng Trường đại học Vinh, đã giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Trong quá trình nghiên cứu và trình bày, tuy đã rất nỗ lực và cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi nhiều thiếu sót, do vậy chúng tôi rất mong nhận được những ý kíến đóng góp của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để có thể hoàn thiện hơn nữa các kết quả nghiên cứu của mình. 1 CHƯƠNG I. MỘT sè VẤN ĐỀ CƠ SỞ CỦA CHẤT BÁN DẪN VÀ LASER BÁN DẪN PHẢN HỒI PHÂN bè I. Khái niệm, tính chất chung chất bán dẫn 1. Khái niệm Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Theo quan điểm của lí thuyết vùng, các chất bán dẫn là các chất có vùng cấm hẹp, cụ thể là bề rộng của vùng cấm không quá 2 - 3 eV, vùng này có thể được khắc phục nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài. Hình 1.1 Phân bố các vùng trong chất bán dẫn. 2. Tính chất chung Các chất bán dẫn có tính dấn điện nằm trung gian giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện: + Điện trở suất: ρ = 10 - 6 - 10 8 Ωcm + Suất dẫn điện: σ = 10 - 4 - 10 6 Ωcm + Điện trở cách điện: r > 10 4 và có thể đạt tới 10 18 Ωcm. 2 Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối (0K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (k B .T với k B là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:         ∆ = Tk E RR B g 2 exp 0 với: R 0 là hằng số, ΔE g là độ rộng vùng cấm. 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 như nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất hay tính chất của các trường ngoài. Ngoài ra, chỉ cần một lượng nhỏ tạp chất trong chất bán dẫn cũng gây ra độ dẫn điện đáng kể. 3. Phân loại chất bán dẫn Dựa vào mật độ electron và mật độ lỗ trống trong chất bán dẫn, người ta có thề phân loại chúng thành chất bán dẫn thuần, bán dẫn pha tạp. Trong chất bán dẫn thuần, mật độ electron bằng mật độ lỗ trống và có giá trị nhỏ. Nếu trong chất bán dẫn có lẫn một lượng nhỏ nguyên tố khác thì đó là 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 chất làm cho số lỗ trống tăng lên, mật độ lỗ trống lớn hơn nhiều so với mật độ electron thì ta có bán dẫn loại p. Cụ thể chúng ta đi vào nghiên cứu từng loại bán dẫn như sau: 3.1. Chất bán dẫn thuần 3 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 không dẫn điện. Khi nhiệt độ mạng tinh thể tăng lên, một số điện tử bị kích thích bởi năng lượng nhiệt, nếu năng lượng đủ lớn để các electron vượt qua được vùng cấm, chúng sẽ chiếm một số mức năng lượng trong vùng dẫn. Các điện tử sau khi dịch chuyển lên vùng dẫn đồng thời cũng để lại các lỗ trống tương 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 điện tử trong bán dẫn theo năng lượng được phân bố theo phân bố Fermi - Dirac: F(E)         − + = Tk EE B f exp1 1 (1.1) Trong đó F(E) là xác suất tìm thấy điện tử ở mức có năng lượng E. f E là mức năng lượng khi F( f E ) = 0,5 gọi là mức năng lượng Fermi. Như 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. Ngược lại khi nhiệt độ giảm dần tới không thì xác suất điện tử trong vùng dẫn hầu như bằng không. Nồng độ điện tử tự do n trong vùng dẫn được xác định theo công thức: n = ∫ ∞ c E dEEFES )().( (1.2) Do nồng độ điện tử trong vùng dẫn tập trung chủ yếu gần mức có năng lượng E C và hầu như không tồn tại ở các mức năng lượng cao, nên ta có thể tính một cách gần đúng: n ≈ N         − − Tk EE N B fc c exp (1.3) 4 trong đó: c N = 2 2/3 . ) .2(2 h Tkm Be π ; m e là khối lượng điện tử; k B là hằng số Boltzmann, h là hằng số Planck. Hình 1.2 Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng trong bán dẫn thuần. Tương tự như trên, mật độ lỗ trống p tương ứng trong vùng hóa trị được xác định bởi:         − −≈ Tk EE Np B vf v exp (1.4) Với 2 2/3 ) 2(2 h Tkm N Bp v π = và m p là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống. Các electron trong vùng hóa trị được kích thích bởi nhiệt độ sẽ dịch chuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống tướng ứng trong vùng hóa trị. Do vậy trong chất bán dẫn thuần, nồng độ electron trong vùng dẫn n phải bằng nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị. Khi đó:         − −=         − − Tk EE N Tk EE N B vf v B fc c expexp (1.5) Hay:         += c v g f N NkT E E ln 22 (1.6) Trong đó g E là độ rộng vùng cấm của bán dẫn. 5 Do cv NN ≈ nên 2/ gf EE ≈ . Như vậy trong bán dẫn thuần có thể coi mức năng lượng 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 trưng cho nồng độ hạt dẫn n và p thì:         − −=                 − −         − −== Tk EE NN Tk EE N Tk EE Npnn B vc vc B vf v B fc ci 2 expexp.exp. 2/1 Vậy: ( )         −= Tk E mm h Tk n B g pe B i 2 exp ).2(2 4/3 2 2/3 π (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 f E nhưng lại phụ thuộc độ rộng vùng cấm của bán dẫn. 3.2. Bán dẫn pha tạp Bằng cách thêm các nguyên tử tạp chất vào một bán dẫn, chúng ta có thể điều khiển được số lượng lỗ trống và điện tử tham gia vào quá trình dẫn điện trong chất bán dẫn, từ đó thay đổi khả năng dẫn điện của chất 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 (negative). Nếu tạp chất làm cho số lỗ trống tăng lên, mật độ lỗ trống nhiều hơn so với mật độ electron thì ta có bán dẫn loại p (positive). Trong bán dẫn loại n, một điện tử của nguyên tử tạp chất không liên kết chặt chẽ với mạng tinh thể sẵn sàng di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Tương tự như thế, trong bán dẫn loại p, mỗi nguyên tử tạp chất cũng đóng góp một lỗ trống trong vùng hóa trị.