Khảo sát ảnh hưởng của một vài tham số lên động học phát của laser bán dẫn ingaasp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN THỊ THANH TÂM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT VÀI THAM SỐ LÊN ĐỘNG HỌC PHÁT CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/InP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Vinh, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN THỊ THANH TÂM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT VÀI THAM SỐ LÊN ĐỘNG HỌC PHÁT CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/InP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Chuyên nghành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Phú NGHỆ AN, 2016 i LỜI CẢM ƠN Luận văn hồn thành mơn Quang học - Quang phổ khoa Vật lý & Công nghệ, Trường đại học Vinh tháng 5/2016 Trong suốt trình kể từ lúc nhận đề tài kết thúc, nhận quan tâm, hướng dẫn, bảo tận tình thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Phú Qua xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý & Công nghệ, Phịng Sau đại học Trung tâm thơng tin - Thư viện Nguyễn Thúc , Trường Đại học Vinh tạo điều kiện, giúp đỡ trình học tập thực luận văn Tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Trong q trình nghiên cứu trình bày, tơi nỗ lực cố gắng tránh khỏi nhiều thiếu sót Do vậy, chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp q thầy bạn đồng nghiệp để hoàn thiện kết nghiên cứu Nghệ An, tháng 05 năm 2016 Tác giả Trần Thị Thanh Tâm ii MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu đề tài 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Dự kiến đóng góp đề tài 6.1 Về lí luận: 6.2 Về ứng dụng: Dự kiến cấu trúc luận văn Chương TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ LASER BÁN DẪN 1 Chất bán dẫn 1.1.1 Khái niệm số tính chất 1.1.2 Các chất bán dẫn .8 1.1.3 Lớp tiếp xúc p-n 13 1.1.4 Chất bán dẫn InGaAsP 14 1.2 Laser bán dẫn 15 1.2.1.Cấu tạo laser bán dẫn 15 1.2.2 Các phương pháp kích thích laser bán dẫn 17 1.3 Laser bán dẫn InGaAsP/InP 18 Kết luận chương 20 iii Chương 2.KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT VÀI THAM SỐLÊN ĐỘNG HỌC PHÁT CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/InP 21 2.1 Quá trình phát xung laser bán dẫn InGaAsP/ InP 21 2.1.1 Hệ phương trình tốc độ 21 2.1.2 Các tham số laser bán dẫn InGaAsP/InP 23 2.2 Ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/InP 24 2.2.1 Ảnh hưởng cường độ dòng điện bơm I0 24 2.2.2 Ảnh hưởng hệ số giam hãm mode 30 2.2.3 Ảnh hưởng thể tích vùng hoạt chất 34 Kết luận chương 38 KẾT LUẬN CHUNG 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 Giản đồ vùng lượng chất bán dẫn [1] Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể Si [6] Hình 1.3 Tinh thể Ge với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ [6] Hình 1.4 Mức lượng phân bố hạt dẫn theo mức lượng bán dẫn [5] 10 Hình 1.5 Mạng tinh thể Sillic với nguyên tử Photpho hóa trị [6] 11 Hình 1.6 Mạng tinh thể Sillic với nguyên tử In hóa trị [6] 11 Hình 1.7 Mức lượng Fermi phân bố mật độ phần tử tải 12 vật liệu pha tạp a) bán dẫn loại n; b) bán dẫn loại p [4] 12 Hình 1.8 Lớp tiếp xúc p - n [6] 13 Hình 1.9 Cấu tạo Laser bán dẫn [8] 15 Hình 1.10 Hoạt chất laser InGaAsP/InP [6] 19 Hình 2.1: Mơ hình laser bán dẫn bơm dòng điện [6] 22 Hình 2.2 Đường đặc trưng dịng điện bơm - công suất phát [6] 23 Hình 2.3 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất I = I0=37,5mA 25 Hình 2.4 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 1,2I0 biến thiên mật độ photon phát hoạt chất 26 Hình 2.5 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 1,8I0 biến thiên mật độ photon phát hoạt chất 27 Hình 2.6 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 2,2I0 biến thiên mật độ photon phát hoạt chất 28 Hình 2.7 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 2,6I0 biến thiên mật độ photon phát hoạt chất 29 Hình 2.8 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,04 30 v Hình 2.9 Biến thiên mật độ hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,06 hạt tải biến thiên mật độ photon phát 31 Hình 2.10 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,09 32 Hình 2.11 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,12 33 Hình 2.12 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với thể tích vùng hoạt chất 34 V0 34 Hình 2.13 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với thể tích vùng hoạt chất V = 1,5V0 35 Hình 2.14 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với thể tích vùng hoạt chất V = 4V0 36 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong năm gần đây, khoa học cơng nghệ laser có bước phát triển to lớn Với tính chất đặc biệt tính kết hợp cao, tính đơn sắc, tính định hướng, mật độ cơng suất cao, thay đổi bước sóng,… Laser ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp, nông nghiệp, hàng không, y học Trong loại laser, laser bán dẫn với kích thước nhỏ, ngưỡng bơm thấp khả dễ điều chuyển bước sóng đặc trưng phổ, vậy, chế độ hoạt động, điều kiện phát, đặc trưng mode laser bán dẫn có nhiều khác biệt so với loại laser khác chẳng hạn laser rắn hay laser khí Động học laser bán dẫn InGaAsP/InP nghiên cứu rộng rãi giới, nước Vì luận văn đặt vấn đề: “Khảo sát ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/InP” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/InP Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu đề tài - Laser bán dẫn đặc trưng xung phát 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Cấu tạo laser bán dẫn; - Ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/InP Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu mặt vật lý công nghệ lĩnh vực: - Chất bán dẫn Laser bán dẫn InGaAsP/InP; - Hệ phương trình tốc độ; - Ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/InP Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với phương pháp số phần mềm MatLab Dự kiến đóng góp đề tài 6.1 Về lí luận: Nghiên cứu ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/InP 6.2 Về ứng dụng: Ứng dụng đào tạo, nghiên cứu khoa học Dự kiến cấu trúc luận văn Phần 1: MỞ ĐẦU Phần 2: NỘI DUNG Chương Tổng quan chất bán dẫn laser bán dẫn Chương Khảo sát ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/InP Chương TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ LASER BÁN DẪN Bán dẫn loại vật liệu dẫn điện Trong trình nghiên cứu khảo sát tính chất vật liệu bán dẫn ứng dụng nó, người ta đặc biệt quan tâm đến tính chất bật hữu ích vật liệu bán dẫn so với số vật liệu khác Chính kể từ phát tận bây giờ, chất bán dẫn ngày ứng dụng rộng rãi phổ biến khoa học, công nghệ, đời sống Đặc biệt công nghệ laser 1 Chất bán dẫn 1.1.1 Khái niệm số tính chất Chất bán dẫn chất mà điều kiện định trở thành vật dẫn, điều kiện khác trở thành chất điện môi Chất bán dẫn vật liệu trung gian vật dẫn điện môi [1][4] Kim loại có điện trở suất bé cỡ 10-6 đến 10-4 .m Điện mơi có điện trở suất cỡ 10-10 đến 10-8 .m Giữa kim loại điện môi chất bán dẫn có điện trở suất từ 10 -3 đến 10-9 m Điện trở suất chất bán dẫn giảm mạnh nhiệt độ tăng Do nhiệt độ thấp, chất bán dẫn dẫn điện giống điện mơi cịn nhiệt độ cao chất bán dẫn dẫn điện tốt giống kim loại Tính chất điện bán dẫn phụ thuộc vào tạp chất có mặt tinh thể Chất bán dẫn đơn chất (Si, Ge, Se ), hợp chất hai hay nhiều nguyên tố (GaAs, GaSb, InSb, CH2O ) Độ dẫn điện chúng nằm khoảng  =10-8-104 [  cm]-1 Các chất bán dẫn vật rắn kết tinh có cấu trúc tinh thể Tinh thể bán dẫn bao gồm nhiều nguyên tử xếp theo quy luật định Lực liên kết tương hỗ khiến nguyên tử có vị trí xác định tinh thể Để nghiên cứu mơ hình vùng lượng tinh thể bán dẫn, cần biết 26 Khi ta thay đổi giá trị cường độ dòng bơm I = 1,2I0 thời gian khảo sát khoảng 25ns Từ hình 2.4 cho thấy, khoảng thời gian 4,401ns sau bơm, việc bổ sung phần tử tải nhờ bơm làm mật độ phân tử tải hạt tải độ laser thiên mật Biến thiên mật độ photon phát Carriers Biếndensity lever in high Photon density in activer region chúng laser tăng lên nhanh đạt cực đại giá trị 1,5.1024 hạt/cm3 24 x 10 1.5 0.5 0 0.5 1.5 Times -8 Thời gian (s) 21 2.5 x 10 x 10 X: 4.401e-009 Y: 2.278e+021 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.4 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 1,2I0 biến thiên mật độ photon phát hoạt chất Hình 2.4 cho thấy thời gian khởi phát laser trường hợp cỡ khoảng 4,4ns, thời gian xung đạt đỉnh 4,401ns với mật độ đạt tới 2,278.1021 hạt/cm-3 So sánh với trường hợp cường độ bơm ngưỡng, dòng bơm vượt ngưỡng thời gian khởi phát xung ngắn hơn, cường độ dao động laser số lượng xung dao động tăng lên Nếu ta tiếp tục tăng giá trị cường độ dòng bơm lên I = 1,8I 0, trình biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát vùng hoạt chất mô tả hình 2.5 Biến thiên mật độ hạt tải Biến thiên mật độ photon phát Carriers density in high laser lever Photon density in activer region 27 24 x 10 1.5 0.5 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 21 x 10 X: 3.64e-009 Y: 3.38e+021 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.5 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 1,8I0 biến thiên mật độ photon phát hoạt chất Hình 2.5 ta thấy, mật độ phần tử tải tăng nhanh vùng hoạt chất từ giá trị ban đầu đến 1,5.1024 cm-3 khoảng thời gian 3,64ns Hình 2.5 cịn mơ tả trình biến thiên dao động laser với cường độ dòng bơm tương ứng I = 1,8I0 Kết cho ta thấy thời gian khởi phát khoảng 3,5ns, thời gian xung đạt đỉnh xấp xỉ 3,64ns cường độ xung laser phát đạt đến 3,38.1021 hạt/cm3 Ta tiếp tục khảo sát trình biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với giá trị ngưỡng bơm Các hình vẽ 2.6, 2.7 mô tả biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát cường độ dòng điện bơm nhận giá trị I = 2,2I0 I = 2,6I0 24 x 10 1.5 0.5 0 0.5 1.5 ThờiTimes gian (s) Biến thiên mật độ photon phát Photon density in activer region Biến thiên mật độ hạt tải Carriers density in high laser lever 28 2.5 -8 x 10 21 x 10 X: 3.133e-009 Y: 4.475e+021 0 0.5 Thời gian (s) Times 1.5 2.5 -8 x 10 Hình 2.6 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 2,2I0 biến thiên mật độ photon phát hoạt chất Từ hình 2.6 ta nhận thấy, mật độ phần tử tải vùng hoạt chất tăng nhanh đạt giá trị 1,5.1024 hạt/cm-3 khoảng thời gian 3,133ns Khi giá trị cường độ dòng bơm vượt nhiều lần ngưỡng ta thấy trình bổ sung phần tử tải vùng hoạt chất tăng lên nhanh, mặt khác kích thích trình tái hợp để xạ laser phát ra, thời gian phát xạ diễn sớm dài hơn, kết mô cho ta thấy thời gian khởi phát laser 3,1ns thời gian để xung đạt đỉnh xấp xỉ 3,133ns cường độ xung laser phát đạt đến 4,475.1021 hạt/cm3 Biến thiên mật độ hạt tải Biến thiên mật độ photon phát Photon density in activer region Carriers density in high laser lever 29 24 x 10 1.5 0.5 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 21 10 x 10 X: 2.457e-009 Y: 6.75e+021 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.7 Biến thiên mật độ hạt tải với I = 2,6I0 biến thiên mật độ photon phát hoạt chất Nếu cường độ dòng bơm tăng lên giá trị I = 2,6I0 mật độ phần tử tải vùng hoạt chất tăng nhanh đạt giá trị 1,5.1024 hạt/cm3 khoảng thời gian 2,45ns sau bơm Khi cường độ dịng bơm cao thời gian khởi phát xung laser rút ngắn lại cường độ phát tăng lên Qua hình mơ tả 2.7 ta thấy thời gian khởi phát xung laser trường hợp khoảng 2,4ns thời gian để xung đạt đỉnh 2,457ns với cường độ phát đạt giá trị 6,75.1021 hạt/cm3 Từ kết nhận thấy biến thiên mật độ phần tử tải laser biến thiên mật độ photon phát hoạt chất phụ thuộc nhiều vào cường độ dòng bơm Khi cường độ dịng bơm ngang ngưỡng mật độ phần tử tải tăng, tốc độ tăng chậm tích lũy thấp chưa đủ để phát laser Khi cường độ dòng bơm tăng lên cao, tốc độ tăng độ tích lũy lớn, mật độ phần tử tải tăng nhanh khoảng thời 30 gian ngắn trình tái hợp diễn kèm theo phát xạ laser Đồng thời cường độ dòng bơm tăng lên cao, thời gian khởi phát ngắn lại cường độ phát xung laser tăng lên 2.2.2 Ảnh hưởng hệ số giam hãm mode Trong mục khảo sát ảnh hưởng hệ số giam hãm mode Quá trình phát đa mode laser bán dẫn phụ thuộc vào nhiều tham số laser, ngồi cường độ nguồn bơm hệ số giam hãm mode đóng vai trị quan trọng Trong nghiên cứu chúng tôi, giá trị hệ số giam a thay đổi, đặc trưng xung laser phát xác định đại lượng thời gian khởi phát (tính từ thời điểm bơm xung laser phát ra) mật độ photon phát (số photon phát cm3) Hình 2.8 mơ tả biến thiên mật độ phần tử tải mật độ photon phát 24 x 10 X: 7.923e-009 Y: 1.835e+024 1.5 0.5 Photon density in activer region Biến thiên mật độ photon phát Biến thiên mật độ hạt tải Carriers density in high laser lever vùng hoạt chất hệ số giam hãm mode nhận giá trị a  0,04 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 20 x 10 X: 7.956e-009 Y: 2.817e+020 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.8 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,04 31 Hình 2.8 cho ta thấy khoảng thời gian 5ns sau bơm tốc độ tăng hạt tải hoạt chất tương đối nhanh, đạt giá trị cực đại 1,835.1024hạt/cm3 sau bơm 7,923ns Bên cạnh ta cịn thấy thời gian khởi phát laser trường hợp cỡ khoảng 7,923ns, thời gian để xung đạt giá trị cực đại 7,956ns với cường độ phát đạt 2,817.1020 hạt/ cm3 Các hình vẽ 2.9 - 2.11 mô tả biến thiên mật độ hạt tải dao động laser hoạt chất trường hợp hệ số giam hãm mode a  0,06 ; Biến thiên mật độ photon Biến thiên mật độ hạt tải phát Photon density in activer region Carriers density in high laser lever a  0,07 a  0,12 24 x 10 1.5 X: 6.003e-009 Y: 1.729e+024 0.5 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 20 10 x 10 X: 6.195e-009 Y: 7.438e+020 -5 0.5 Times Thời gian (s) 1.5 2.5 -8 x 10 Hình 2.9 Biến thiên mật độ hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,06 hạt tải biến thiên mật độ photon phát Từ hình vẽ 2.9 mơ tả q trình phát da mode laser với hệ số giam hãm a  0,06 Kết cho ta thấy tốc độ tăng hạt tải hoạt chất tăng nhanh, sau khoảng thời gian 6,003ns tốc độ tăng hạt tải đạt giá trị lớn 1,729.1024hạt/cm3 Đồng thời bên cạnh ta thấy thời gian khởi 32 phát laser trường hợp cỡ khoảng 6,003ns, thời gian để xung Biến thiên mật độ photon phát Biến thiên mật độ hạt tải Photon density in activer region Carriers density in high laser lever đạt giá trị cực đại 6,195ns với cường độ phát đạt 7,438.10 20 hạt/ cm3 24 x 10 1.5 X: 4.845e-009 Y: 1.532e+024 0.5 0 0.5 21 x 10 ThờiTimes gian (s) 1.5 2.5 -8 x 10 X: 4.774e-009 Y: 1.756e+021 1.5 0.5 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.10 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,09 Từ hình vẽ 2.10 ta nhận thấy, khoảng thời gian 4,845ns sau bơm với hệ số giam hãm a  0,09 , mật độ hạt tải hoạt chất tăng lên đạt giá trị cực đại 1,532.1024hạt /cm3 sau thời gian 4,845ns Mặt khác qua mô hình vẽ nhận thấy thời gian khởi phát laser trường hợp cỡ khoảng 4,7ns, thời gian để xung đạt đỉnh 4,774ns với cường độ phát đạt tới 1,756.1021 hạt/cm3 Nếu ta tiếp tục tăng hệ số giam hãm lên mật độ hạt tải hoạt chất tăng lên với khoảng thời gian ngắn Chẳng hạn trường hợp ta xét hệ số giam hãm a  0,12 Biến thiên mật độ hạt tải Biến thiên mật độ photon phát Carriers density in high laser lever Photon density in activer region 33 23 x 10 15 X: 4.173e-009 Y: 1.43e+024 10 0 0.5 21 x 10 1.5 Times Thời gian (s) X: 4.121e-009 Y: 2.816e+021 2.5 -8 x 10 0 0.5 1.5 Thời gian (s) Times 2.5 -8 x 10 Hình 2.11 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,12 Hình 2.11 mơ tả q trình biến thiên mật độ hạt tải biến thiên dao động laser hoạt chất với hệ số giam hãm a  0,12 Từ hình vẽ ta thấy hệ số giam hãm mode tăng lên cao mật độ hạt tải hoạt chất tăng nhanh khoảng thời gian 4,173ns mật độ hạt tải hoạt chất đạt giá trị 1,43.1024hạt/cm3 Qua hình vẽ cịn cho ta thấy thời gian khởi phát xung laser khoảng 4,1ns thời gian xung đạt cực đại khoảng 4,12ns với cường độ phát đạt giá trị 2,816.1021 hạt/cm3 Cỡ khoảng sau 17ns sau bơm laser phát dừng Từ kết cho ta thấy hệ số giam hãm mode có ảnh hưởng đáng kể đến trình phát xung laser hoạt chất Khi giá trị hệ số giam hãm mode tăng lên thời gian khởi phát laser rút ngắn lại cường độ phát tăng lên 34 2.2.3 Ảnh hưởng thể tích vùng hoạt chất Trong laser bán dẫn, thể tích vùng hoạt chất bé lại nơi chứa phần tử tải xẩy trình tái hợp để có xạ laser Vì khảo sát thay đổi thể tích vùng hoạt chất đánh giá khả tích lũy mật độ số hạt thay đổi đặc trưng dao động laser phát thể tích hoạt chất Trong mục chúng tơi chọn giá trị thể tích vùng hoạt chất ban đầu V0 = 26,25m3, V = 1,5V0 V = 4V0 để khảo sát Giá trị tham số động học khác giữ nguyên Hình vẽ 2.12 mơ tả q trình biến thiên mật độ hạt tải xuất dao động laser hoạt chất ứng với trường hợp thể tích vùng hoạt chất V = Biến thiên mật độ hạt tải Biến thiên mật độ photon phát Carriers density in high laser lever Photon density in activer region 26,25m3 24 x 10 1.5 X: 4.41e-009 Y: 1.489e+024 0.5 0 0.5 1.5 ThờiTimes gian (s) 2.5 -8 x 10 21 x 10 X: 4.401e-009 Y: 2.278e+021 0 0.5 Thời gian (s) Times 1.5 2.5 -8 x 10 Hình 2.12 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với thể tích vùng hoạt chất V0 = W×h×L = 26,25m3 35 Từ hình vẽ nhận thấy trước thời điểm 4,401ns nghịch đảo độ tích lũy thiết lập hoạt chất với tốc độ tăng hạt tải tương đối nhanh Tại thời điểm 4,401ns nghịch đảo độ tích lũy đạt đến cực đại, tác dụng dịng bơm làm chúng tái hợp phát dao động laser Mật độ photton phát cực đại xung có giá trị 2,278.1021 hạt/ cm3 Từ hình vẽ nhận thấy trình phát dao động laser xẩy khoảng 10ns Hình vẽ 2.13 biểu diễn biến thiên mật độ hạt tải mật độ photon Biến thiên mật độ hạt tải Biến thiên mật độ photon phát Carriers density in high laser lever Photon density in activer region phát trường hợp thể tích vùng hoạt chất có giá trị V = 1,5V0 24 x 10 1.5 X: 4.45e-009 Y: 1.475e+024 0.5 0 0.5 Thời gian (s) Times 1.5 2.5 -8 x 10 21 x 10 X: 4.401e-009 Y: 2.278e+021 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.13 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với thể tích vùng hoạt chất V = 1,5V0 Qua hình vẽ 2.14 ta thấy thể tích vùng hoạt chất có giá trị V = 1,5V0 khoảng thời gian 4,45ns đầu tốc độ tăng hạt tải hoạt chất tương đối nhanh trường hợp đầu, sau khoảng thời gian tốc độ tăng hạt tải đạt giá trị 1,475.1024hạt/cm3 36 Ngồi cịn cho ta thấy thời gian khởi phát laser trường hợp 4,4ns, thời gian để xung đạt giá trị cực đại 4,401ns với cường độ phát đạt 2,278.1021 hạt/cm3 Biến thiên mật độ hạt tải Biến thiên mật độ photon phát Carriers density in high laser lever Photon density in activer region Trường hợp thể tích vùng hoạt chất có giá trị V = 4V0 24 x 10 1.5 X: 4.343e-009 Y: 1.527e+024 0.5 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 21 x 10 X: 4.401e-009 Y: 2.278e+021 0 0.5 1.5 Times Thời gian (s) 2.5 -8 x 10 Hình 2.14 Biến thiên mật độ hạt tải biến thiên mật độ photon phát hoạt chất với thể tích vùng hoạt chất V = 4V0 Từ hình vẽ 2.14 ta thấy thể tích vùng hoạt chất có giá trị V = 4V0 khoảng thời gian 4,34ns sau bơm mật độ hạt tải hoạt chất tăng nhanh, đạt giá trị 1,527.1024hạt/cm3 Ngồi cịn cho ta thấy thời gian khởi phát laser trường hợp 4,343ns, thời gian để xung đạt giá trị cực đại 4,401ns với mật độ photon phát đạt 2,278.1021 hạt/cm-3 Qua kết ta nhận thấy thể tích vùng hoạt chất ảnh hưởng khơng đáng kể đến trình phát xung laser mật độ hạt tải 37 hoạt chất tăng song tăng khơng đáng kể thể tích vùng hoạt chất tăng lên Đồng thời ta thấy thời gian khởi phát thời gian để xung đạt đỉnh không chênh lệch nhiều với giá trị cường độ phát tương đối ổn định đạt ngưỡng 2,278.1021 hạt/cm-3 38 Kết luận chương Trong chương chúng tơi cách giải hệ phương trình tốc độ mô tả hoạt động laser bán dẫn InGaAsP/InP chúng tơi mơ tả q trình động học phát xung laser nghiên cứu ảnh hưởng vài tham số lên trình phát xung Trong chương chúng tơi khảo sát ảnh hưởng ba tham số động học lên trình phát xung cường độ dịng bơm, hệ số giam hãm mode, thể tích vùng hoạt chất Kết khảo sát cho ta thấy rằng, điều khiển thay đổi cường độ dòng điện bơm, hệ số giam hãm mode thể tích vùng hoạt chất mật độ phần tử tải, mật độ photon mode phát thay đổi Chính tăng lên cường độ bơm, hệ số giam hãm mode bổ sung phần tử tải đồng thời kích thích trình dịch chuyển tái hợp dẫn đến phát dao động laser, thể tích vùng hoạt chất ảnh hưởng không đáng kể 39 KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn khảo sát ảnh hưởng tham số động học lên xung phát laser bán dẫn InGaAsP/InP Các nội dung luận văn tóm tắt sau: Đã trình bày cách tổng quan khái niệm, đặc điểm tính chất chất bán dẫn, loại chất bán dẫn laser bán dẫn, laser bán dẫn loại InGaAsP/InP Đã dẫn hệ phương trình tốc độ mô tả hoạt động laser bán dẫn với hoạt chất InGaAsP bơm điện InP Trên sở số liệu thực nghiệm laser bán dẫn sử dụng hoạt chất InGaAsP khảo sát tham số cường độ dòng điện bơm, hệ số giam hãm mode thể tích vùng hoạt chất lên trình phát xung laser bán dẫn InGaAsP/InP Các kết khảo sát cho thấy ảnh hưởng tham số đến biến thiên mật độ phần tử tải hoạt chất thu dao động laser phát với đặc trưng thời gian khởi phát, cường độ xung phụ thuộc vào cường độ dòng điện bơm, hệ số giam hãm mode, thể tích vùng hoạt chất ảnh hưởng khơng đáng kể 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Khắc An (2002), Vật liệu linh kiện quang tử ứng dụng thông tin quang, NXB ĐHQG Hà Nội [2] Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến (2005), Vật lý laser ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [3] Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2008), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục [4] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2008), Vật liệu bán dẫn, NXB Khoa học kĩ thuật [5] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [6] Farhan Rana, Semiconductor Optoelectronics, Cornell University, USA [7] Peter W Milonni, Joseph H Eberly (2009), Laser Physics, Wiley [8] Orizio Svelto (2010), Principles of Lasers, Springer [9] Subhash Chandra Singh, Haibo Zeng, Chunlei Guo, and Weiping Cai (2012), Lasers: Fundamentals, Types, and Operations, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA [10] En.wikipedia.org/wiki/Laser_diode ... tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/ InP 21 Chương KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT VÀI THAM SỐ LÊN ĐỘNG HỌC PHÁT CỦA LASER BÁN DẪN InGaAsP/ InP Laser bán dẫn khác với loại laser khác laser. .. quan chất bán dẫn laser bán dẫn Chương Khảo sát ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/ InP 3 Chương TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ LASER BÁN DẪN Bán dẫn loại vật liệu dẫn điện... văn đặt vấn đề: ? ?Khảo sát ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/ InP” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng vài tham số lên động học phát laser bán dẫn InGaAsP/ InP Đối