Để giảm dòng ngưỡng Ith đòi hỏi phải nâng cao tỷ lệ phát xạ kích thích cũng như nâng cao hiệu suất của hốc cộng hưởng. Điều đầu tiên người ta có thể làm là giới hạn điện tử và lỗ trống trong một dải hẹp xung quanh lớp chuyển tiếp. Việc thu hẹp vùng tích cực này cho phép chỉ với một dòng nhỏ nhưng cũng có thể tạo ra được mật độ hạt tải cần thiết để thiết lập nghịch đảo mật độ. Tiếp đến, người ta có thể tạo ra một ống dẫn sóng điện môi xung quanh vùng khuếch đại quang nhằm mục đích tăng mật độ photon và do đó tăng xác suất phát xạ kích thích. Bằng cách này, người ta có thể giảm thiểu suy hao photon khi đi ra khỏi hốc cộng hưởng. Hay nói cách khác, cần phải tạo ra hai cơ chế: giam hạt tải (carrier confinement) và giam photon (photon confinement). Cả hai cơ chế này đều có thể thực hiện được khi sử dụng cấu trúc di thể.
Hình 2.6 mô tả cấu trúc di thể kép, DH, (double heterostructure) dựa trên hai lớp chuyển tiếp giữa các vật liệu bán dẫn khác nhau có vùng cấm (bandgap) khác nhau. Các chất bán dẫn được sử dụng là: AlGaAs với Eg ≈ 2 eV, GaAs với Eg ≈ 1,4 eV. Lớp tích cực, nơi hình thành phát xạ laser, là lớp bán dẫn p-GaAs mỏng, thường có độ dày cỡ 0,1- 0,2 µm. Cả hai lớp p-GaAs và p-AlGaAs đều được pha nhiều tạp chất loại p và suy thoái tại mức EF trong vùng hóa trị.
Hình 2.6: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép
a) Cấu trúc với hai lớp chuyển tiếp nằm giữa hai chất bán dẫn (GaAs và AlGaAs) có vùng cấm khác nhau;
b) Giản đồ vùng năng lượng khi có thiên áp thuận mức cao. Tái hợp hạt tải xảy ra trong lớp tích cực – lớp p-GaAs;
c) Vật liệu với vùng cấm cao hơn có chiết suất thấp hơn; d) Lớp AlGaAs giam giữ quang.
Khi có thiện áp thuận ở mức cao, mức Ec của lớp n-AlGaAs di chuyển bên trên mức Ec của lớp p-GaAs, dẫn đến việc nhiều điện tử trong vùng CB của lớp n- AlGaAs được bơm vào lớp p-GaAs (hình 2.6b). Tuy nhiên, các điện tử này bị giam giữ trong vùng CB của lớp p-GaAs vì có hàng rào ΔEc giữa lớp p-GaAs và lớp p- AlGaAs do sự thay đổi vùng cấm (bỏ qua sự thay đổi nhỏ ΔEv). Vì lớp p-GaAs là một lớp mỏng nên mật độ điện tử được bơm trong lớp p-GaAs tăng lên nhanh chóng thậm chí chỉ cần tăng dòng thuận một cách vừa phải. Điều này sẽ làm giảm dòng ngưỡng cần thiết để tạo ra nghịch đảo mật độ. Hay nói một cách khác, chỉ cần một dòng thuận vừa phải, chúng ta cũng có thể bơm đủ số lượng điện tử vào vùng CB của lớp p-GaAs để có mật độ điện tử cần thiết, đảm bảo cho nghịch đảo mật độ.
Vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng hơn thường có chiết suất thấp hơn. AlGaAs có chiết suất thấp hơn so với GaAs. Sự thay đổi chiết suất chính là đặc
trong vùng tích cực của hốc cộng hưởng quang và do đó, giảm tổn thất photon, tăng mật độ photon (hình 2.6d). Tăng mật độ photon sẽ làm tăng tốc độ phát xạ kích thích. Do vậy, cả hai vấn đề tăng hạt tải và giam giữ quang học sẽ làm giảm mật độ dòng ngưỡng.
Hình 2.7 mô tả một cấu trúc dị thể kép điển hình. Các lớp pha tạp được mọc mần trên đế tinh thể mà trong trường hợp này là lớp n-GaAs.
Hình 2.7: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép điển hình
Cấu trúc dị thể kép trên bao gồm một lớp đầu tiên trên nằm trên đế, lớp n- AlGaAs, lớp tích cực p-GaAs và lớp p-AlGaAs. Ngoài ra còn được bổ sung thêm một lớp p-GaAs.
Chúng ta có thể thấy, các điện cực được tiếp xúc với vật liệu bán dẫn GaAs nhiều hơn AlGaAs. Lựa chọn này cho phép tiếp xúc được tốt hơn. Các lớp p và n- AlGaAs cung cấp hạt tải và tạo cơ chế giam giữ quang theo phương thẳng đứng nhờ tiếp xúc di thể của lớp p-GaAs. Trong cấu trúc trên, lớp tích cực là lớp p-GaAs. Điều này có nghĩa là phát xạ laser nằm trong khoảng 870 - 900 nm tùy thuộc vào mức độ pha tạp. Lớp tích cực cũng có thể là AlyGa1-yAs, cho phép phát xạ tại nhiều bước sóng khác nhau.
Lợi thế của cấu trúc di thể AlGaAs/GaAs là ít bị khuyết tật giữa hai cấu trúc tinh thể và do đó, có thể bỏ qua ứng suất phát sinh trong linh kiện. Các khuyết tật này luôn tồn tại và là các đối tượng gây ra tái hợp không phát xạ và do đó làm giảm tốc độ bức xạ.
1.3. Một số phương pháp điều chế laser bán dẫn
Ánh sáng và dòng điện là hai cơ chế kích thích được chọn của đa số laser bán dẫn. Ánh sáng hoặc các điện tử sẽ cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các điện tử nhảy lên các mức năng lượng cao. Phương pháp bơm bằng dòng điện đã được mô tả trong mục 2.2.1.
Phương pháp bơm bằng ánh sáng (bơm quang học) cũng hay được sử dụng trong nhiều ứng dụng laser bán dẫn (hình 2.8).
Hình 2.8: Mô tả phương pháp bơm quang học
Theo phương pháp này, người ta dùng một nguồn ánh sáng kích thích có cường độ lớn để bơm [7]. Năng lượng của photon phải thỏa mãn điều kiện hν >ΔE. Ví dụ, với laser GaAs, người ta thường dùng nguồn bơm là laser. Phương pháp này có nhược điểm lớn nhất là nguồn bơm phải có cường độ rất lớn.
Ngoài việc bị tác động bởi các phương pháp bơm năng lượng, phát xạ laser còn chịu tác động của các phương pháp điều chế chùm tia laser. Một cách tổng quát, phát xạ laser có thể hoạt động theo hai cơ chế: phát xạ liên tục và phát xạ không liên tục hay còn gọi là điều chế xung (Pulse Modulations). Trong trường hợp phát xạ liên tục, nguồn bơm laser sẽ được cấp một cách liên tục, do đó, chùm tia laser lối ra là liên tục. Trong trường hợp điều chế xung, nguồn bơm laser là nguồn xung. Do đó, chùm tia lối ra sẽ bị điều chế theo tín hiệu xung.
Trong các ứng dụng laser bán dẫn hiện nay, phương pháp điều chế xung thường được sử dụng nhiều hơn cả. Do vậy, trong các mục tiếp theo, chúng tôi sẽ phân tích sâu hơn phương pháp điều chế này.
Hiện nay, người ta thường chia các phương pháp điều chế xung chùm tia laser thành hai loại: điều chế trực tiếp (Direct Modulations) và điều chế gián tiếp (External Modulations) [2].
2.3.1. Điều chế trực tiếp
Cơ chế hoạt động của phương pháp này được mô tả trên hình 2.9.
Hình 2.9: Điều chế trực tiếp chùm tia laser bán dẫn
Theo phương pháp này, tín hiệu điện điều chế được đưa trực tiếp đến chíp laser bán dẫn, trực tiếp điều khiển dòng nuôi laser bán dẫn. Do vậy, công suất của chùm laser bán dẫn sẽ thay đổi theo tín hiệu điện điều chế. Một cách lý tưởng, chùm tia laser chỉ được phát xạ khi tín hiệu điều chế ở mức cao và chùm laser sẽ không được phát xạ khi tín hiệu điều chế ở mức thấp.
Công suất quang lối ra của laser bán dẫn phụ thuộc vào dòng bơm và tuân theo hàm truyền đạt được mô tả trên hình 2.10.
Hình 2.10: Điều chế trực tiếp dòng nuôi laser bán dẫn
Khi dòng bơm nhỏ, nếu không tính đến phát xạ tự phát thì sẽ không có tín hiệu ánh sáng nào được phát xạ.
Khi dòng bơm đạt mức trên ngưỡng Ith thì xuất hiện nghịch đảo mật độ. Khi đó, công suất lối ra của laser sẽ tăng tuyến tính theo chiều tăng của dòng điện cho
đến khi xuất hiện hiện tượng bão hòa. Như vậy, chúng ta có thể chuyển từ miền điện tử thành miền quang. Nếu tín hiệu điện là số liệu cần truyền đạt thì chúng ta sẽ có tín hiệu quang lối ra hoàn toàn tương ứng với tín hiệu điện điều chế.
• Độ trễ khi bật nguồn:
Về mặt nguyên tắc, chúng ta có thể cấp dòng bơm laser dưới mức ngưỡng để tạo ra mức thấp và tăng dòng bơm trên mức ngưỡng để tạo mức cao. Khi đó, laser sẽ chuyển trạng thái từ trạng thái không xuất hiện bức xạ sang trạng thái xuất hiện nghịch đảo mật độ. Tuy nhiên, việc tạo ra nghịch đảo mật độ đạt được là do bơm hạt tải vào cấu trúc tinh thể nên cần một khoảng thời gian để mật độ hạt tải đạt mức trên ngưỡng. Kết quả là, phát xạ sẽ bị trễ một khoảng thời gian td khi tăng dòng bơm. Thời gian này thường được gọi là thời gian trễ khi bật nguồn. Chúng được tính theo công thức sau:
) ln( 1 0 1 th c d I I I I t − − =τ (2.2)
trong đó, I1 và I0 là dòng bơm lần lượt tương ứng với mức tín hiệu cao và mức tín hiệu thấp; τc là thời gian sống của hạt tải (cỡ vài nano giây).
• Hệ số suy giảm:
Chúng ta thấy rằng khi áp dụng phương pháp điều chế trực tiếp ở tốc độ cao, dòng nuôi laser bán dẫn phải được đặt trên mức ngưỡng nhằm tránh ảnh hưởng của độ trễ khi bật máy. Trong trường hợp này, chíp laser luôn phát xạ nhưng công suất quang lối ra sẽ ở hai mức khác nhau: P1 và P0. Như vậy, chúng ta không thể thiết lập trạng thái suy hao hoàn toàn được (là trạng thái laser không phát xạ khi tín hiệu điều chế ở mức thấp). Mức độ suy hao này thường được biểu diễn bởi hệ số suy giảm ER (Extinction Ratio). Hệ số này được tính theo công thức sau:
0 1 P P ER= (2.3) trong đó, P1 và P0 lần lượt là công suất quang lối ra ở mức tín hiệu điều chế cao và mức tín hiệu điều chế thấp.
• Độ rộng dải:
Độ rộng dải điều chế theo phương pháp điều chế trực tiếp được xác định theo công thức: 2 / 1 2 3 4 ) ( 3 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − ≈ Δ e I I G f N b th dB π (2.4)
trong đó, GN là thông số liên quan đến sự phụ thuộc của tốc độ phát xạ kích thích vào số lượng hạt tải; Ib và Ith lần lượt là dòng bias và ngưỡng; e là điện tích hạt tải.
Độ rộng dải điều chế cao tương ứng với tốc độ làm việc cao, do đó, nó tương ứng với trường hợp dòng bias cao. Tuy nhiên chúng ta cũng cần lưu ý rằng độ rộng dải điều chế theo cách mô tả ở trên chỉ áp dụng trong trường hợp tín hiệu điều chế nhỏ (tín hiệu điện sin động và có giá trị dòng điện đỉnh – đỉnh nhỏ hơn Ib – Ith). Tuy vậy, công thức trên cũng cung cấp nhiều thông tin có giá trị cho trường hợp tín hiệu điều chế lớn.
• Dao động suy giảm (relaxation oscillations):
Khi laser được cấp dòng trong một thời gian ngắn ví dụ như trong thời gian chuyển đổi từ mức cao xuống mức thấp và ngược lại, cường độ chùm tia laser lối ra sẽ trở thành các dao động tắt dần (damped). Các dao động này được gọi là dao động suy giảm (relaxation 0scillations). Hai thông số là tần số dao động và tốc độ suy giảm phụ thuộc vào công suất laser, tức là phụ thuộc vào dòng bơm. Bản chất vật lý của hiện tượng này chính là tác động qua lại giữa các hạt tải bơm laser và các photon được phát xạ. Chúng ta có thể thấy tần số dao động suy giảm và tốc độ suy giảm tăng khi tăng dòng bơm. Hình 2.11 dưới đây mô tả các dao động này khi dòng bơm gần với dòng ngưỡng.
Hình 2.11: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp khi dòng bơm gần với dòng ngưỡng
• Chirp tần số:
Khi laser làm việc trong chế độ điều chế trực tiếp, một sự thay đổi dòng bơm sẽ dẫn đến sự thay đổi mật độ hạt tải. Điều này dẫn đến sự thay đổi chiết suất của vật liệu bán dẫn. Vì rằng bước sóng phát xạ được xác định bởi điều kiện phản xạ trong hốc cộng hưởng – yếu tố mà bản thân nó cũng phụ thuộc vào chiết suất. Kết quả là, khi laser làm việc trong chế độ điều chế trực tiếp, hiện tượng chirp tần số sẽ xuất hiện. Hiện tượng này ảnh hưởng đến ứng dụng của laser trong việc truyền dẫn thông tin tốc độ cao.
Như vậy, khi dòng bơm laser gần với dòng ngưỡng, hiện tượng dao động suy giảm sẽ xuất hiện đối với cả mức tín hiệu cao lẫn mức tín hiệu thấp. Khi tăng dòng bơm, mức độ biến dạng xung sẽ ít hơn so với trường hợp dòng bơm thấp (hình 2.12).
Hình 2.12: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp khi tăng dòng bơm.
2.3.2. Điều chế gián tiếp
Cơ chế hoạt động của phương pháp điều chế gián tiếp được mô tả trong hình 2.13 dưới đây.
Hình 2.13: Điều chế gián tiếp chùm tia laser bán dẫn
Theo phương pháp này, chíp laser bán dẫn được cấp dòng không đổi, do đó, laser bán dẫn làm việc ở chế độ liên tục CW (Continuous Wave). Để điều chế chùm tia laser, người ta sử dụng thêm một bộ chuyển mạch điều chế (Expernal Modulator) để điều khiển chùm laser “bật” và “tắt” theo tín hiệu điện điều chế. Khi đó, chùm tia laser sẽ được truyền qua tương ứng với mức cao của tín hiệu điện điều chế và sẽ bị chặn lại khi tín hiệu điện điều chế ở mức thấp.
Hiện nay, người ta đã chế tạo được một số loại bộ chuyển mạch điều chế khác nhau và một trong những điều quan trọng đối với bộ điều chế này là tốc độ chuyển mạch giữa hai trạng thái “đóng” và “mở” phải đủ lớn để phù hợp với việc chuyển đổi trạng thái giữa mức cao và mức thấp của tín hiệu điện.
Có hai phương pháp điều chế ngoài thường được sử dụng hiện nay, đặc biệt trong thông tin quang là phương pháp điều chế hấp thụ điện tử và phương pháp điều chế quang điện tử.
• Phương pháp điều chế hấp thụ điện tử:
Phương pháp này dựa trên việc điều chế sự hấp thụ của vật liệu bán dẫn khi có một điện trường ngoài tác động vào. Do vậy, phương pháp này được gọi là điều chế hấp thụ điện tử (Electro-absorption modulator).
Bộ điều chế theo phương pháp điều chế hấp thụ điện tử dựa trên một thực tế là độ rộng vùng dẫn hiệu dụng Eg của chất bán dẫn giảm khi có điện áp bên ngoài đặt vào hai cực. Kết quả là, nếu tần số v của ánh sáng tới được lựa chọn sao cho năng lượng của nó E = hv nhỏ hơn độ rộng vùng dẫn khi không có điện áp bên ngoài đặt vào thì vật liệu đó sẽ trở nên trong suốt. Mặt khác, khi có điện áp bên ngoài đặt vào, độ rộng vùng dẫn hiệu dụng sẽ giảm đi có nghĩa là ánh sáng đó sẽ bị vật liệu hấp thụ khi E > Eg. Do vậy, nếu lựa chọn bước sóng phù hợp để sao cho có sự thay đổi lớn về mức độ hấp thụ khi có điện áp đặt vào thì chúng ta có thể tạo ra được bộ điều chế quang được điều khiển bởi tín hiệu điện. Trên hình 2.14 biểu diễn sự phụ thuộc của hấp thụ vào điện áp của một bộ điều chế hấp thụ điện tử.
a) Hấp thụ của vật liệu bán dẫn phụ thuộc vào bước sóng và điện áp đặt vào; b) Suy hao của bộ điều chế hấp thụ điện tử phụ thuộc vào điện áp đặt vào.
Hấp thụ và chiết suất của vật liệu bán dẫn liên hệ với nhau theo đẳng thức Kramers – Kronig: ∫+∞ Δ − = Δ 0 ' 2 2 ' ') ( ) ( ω ω ω ω α π ω c d n 2.5) trong đó, Δn là sự thay đổi chiết suất tương ứng với sự thay đổi hấp thụ Δa; c là vận tốc ánh sáng trong chân không.
• Phương pháp điều chế quang điện tử:
Phương pháp này dựa trên sự thay đổi chiết suất của một số tinh thể dưới tác động của điện trường ngoài. Phương pháp này được gọi là bộ điều chế quang điện tử (Electro-optic modulator). Thực ra, khi thay đổi chiết suất, chúng ta không thể điều chế được cường độ sáng. Tuy nhiên, khi sử dụng cấu trúc giao thoa, ví dụ như