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 sử dụng cấu trúc Mach-Zehmder, chúng ta có thể biến đổi điều chế pha thành điều chế cường độ sáng.
Chiết suất của một số vật liệu có thể thay đổi nhờ tác động một trường điện bên ngoài thông qua hiệu ứng quang điện tử tuyến tính (linear electro-optic effect).
Sự dịch chuyển pha khi một chùm sáng có bước sóng λ truyền trong môi trường có chiết suất n trên đoạn đường L được xác định bởi công thức sau:
nL
λ π
φ = 2 (2.6)
Do vậy, người ta có thể áp dụng mối liên hệ trên để điều chế pha. Khi đặt một điện áp phù hợp vào vật liệu, chiết suất của vật liệu đó sẽ thay đổi, dẫn đến dịch chuyển pha khi chùm sáng lan truyền trong ống dẫn sóng. Tuy nhiên, trong thông tin quang người ta thường sử dụng các bộ điều chế cường độ sáng hơn. Để làm điều này, người ta chuyển đổi điều chế pha nhờ hiệu ứng quang điện tử thành điều chế cường độ sáng sử dụng cấu trúc giao thoa (hình 2.15).
Hình 2.15: Nguyên tắc hoạt động của bộ điều chế Mach - Zehnder
Phương pháp này dựa trên giao thoa kế Mach – Zehnder bao gồm một tấm vật liệu quang điện tử tại một nhánh. Trong thực tế, bộ giao thoa này được chế tạo nhờ quá trình khắc tạo ống dẫn sóng bên trong tinh thể quang điện tử, thường là LiNbO3. Giả thiết rằng tỷ lệ chia và cộng công suất giữa lối ra và lối vào của giao thoa kế Mach – Zehnder là ½ thì công suất tại lối ra của giao thoa kế phụ thuộc vào độ dịch pha Δφ =φ(t)−φ0 khi tia sáng truyền theo nhánh trên và nhánh dưới của cấu trúc trên và được tính theo công thức:
2
cos2 Δφ
= IN
OUT P
P 2.7)
Độ dịch pha theo nhánh trên của bộ điều chế phụ thuộc vào chiết suất của nó, đại lượng mà bản thân nó phụ thuộc vào điện trường bên ngoài đặt vào nhờ hiệu ứng quang điện tử. Nếu ta đặt một điện áp là hàm của thời gian V(t) vào nhánh trên của ống dẫn sóng thì chiết suất của nó sẽ là một hàm phụ thuộc vào thời gian và hệ số truyền đạt của giao thoa kế Mach – Zehnder cũng là hàm phụ thuộc vào thời gian. Nếu có một sóng ánh sáng liên tục đưa đến lối vào của bộ điều chế thì công suất lối ra sẽ bị điều chế theo mức tín hiệu điện V(t). Độ lớn của độ dịch chuyển pha tạo ra do đặt điện áp ngoài phụ thuộc vào nhiều thông số bao gồm lựa chọn vật liệu quang điện tử, bản chất và mức độ tương tác của tinh thể với điện trường bên ngoài cũng như mức độ phân cực của ống dẫn sóng, kích thước hình dạng của ống dẫn sóng. Trong nhiều trường hợp, dựa trên việc thiết kế phù hợp, người ta có thể tạo ra được bộ điều chế điện áp nửa sóng Vπ (half-wave voltage). Khi đặt điện áp Vπlên
hai cực của ống dẫn sóng, nhờ tác động của điện áp đặt vào, pha của sóng ánh sáng sẽ bị dịch chuyển một góc có độ lớn bằng π.
Độ dịch pha do điện áp Φ(t) có thể được tính theo công thức sau: π π φ V t V t) ( ) ( = (2.8)
Từ các phương trình trên, ta có thể tính được hàm truyền đạt Pout/Pin của bộ điều chế như là một hàm của điện áp đặt vào.
Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng nếu sử dụng cấu hình giao thoa kế như mô tả trên hình 2.15 thì tín hiệu quang được điều chế sẽ có hiện tượng chirping. Chúng ta có thể giải quyết vấn đề này nhờ sử dụng hai tín hiệu điều chế đặt vào hai nhánh của bộ điều chế quang điện. Nếu một nhánh được điều chế bởi điện áp tương ứng với số liệu cần truyền dẫn d(t) trong khi nhánh thứ hai được điều khiển bởi điện áp tương ứng với số liệu đảo d(t) thì chirp sẽ bị suy hao. Bộ điều chế Mach – Zehnder thường được sử dụng theo cách này và kỹ thuật sử dụng này thường được gọi là điều chế đẩy kéo (push – pull modulations).
Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi đã sử dụng phương pháp điều chế trực tiếp dòng bơm laser bán dẫn.
1.4. Làm mát laser bán dẫn bằng phương pháp sử dụng Peltier Cooler
Trong quá trình hoạt động, đặc biệt khi dòng bơm lớn, laser bán dẫn bị nóng lên nhanh chóng. Do vậy, nếu không được tản nhiệt tốt, rất có thể laser bán dẫn sẽ bị phá hủy do nhiệt. Để khắc phục nhược điểm này, người ta thường áp dụng một số phương pháp khác nhau như sử dụng dòng nước đối lưu, sử dụng hệ thống quạt làm mát….., trong đó, phương pháp làm mát sử dụng Peltier Cooler thường được ưa chuộng do chúng có nhiều ưu điểm như:
• Có tuổi thọ cao (thường là 200,000 giờ); • Có kích thước nhỏ;
• Cho phép chế tạo theo nhiều hình dạng khác nhau; • Khởi động nhanh, hiệu quả tức thì;
Peltier được gọi bằng nhiều tên khác nhau như bộ làm mát nhiệt điện (Thermoelectric Cooler), Heater, Thermoelectric Heat Pump,…, được chế tạo dựa trên vật liệu có bản chất hoạt động theo hiệu ứng nhiệt điện ngược (Reverse Thermoelectric Effect), còn được gọi là hiệu ứng Peltier, do nhà khoa học người Pháp Peltier tìm ra năm 1834.
Các bộ Peltier Cooler thường được sử dụng ở hai dạng:
• Thermoelectric Generator với chức năng làm mát: khi đặt một điện áp lên Peltier, hai bề mặt Peltier sẽ có chênh lệch nhiệt độ;
• Seebeck Effect với chức năng sưởi nóng: khi một mặt được đốt nóng cao hơn nhiệt độ của mặt còn lại. Khi đó, điện áp sẽ xuất hiện ở hai đầu Peltier. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng Peltier với chức năng làm mát. Hình 2.16 dưới đây mô tả cấu trúc của một bộ Peltier Cooler.
a) b)
c) Hình 2.16: Cấu trúc của bộ Peltier Cooler:
a) Hình dạng bên ngoài của một bộ Peltier Cooler; b) Cấu trúc bên trong của bộ Peltier Cooler; c) Hiệu ứng Peltier khi được cấp nguồn nuôi.
Một tấm Peltier gồm một cặp bán dẫn loại p và n, được gắn với một điện cực kim loại. Khi đặt một điện áp DC lên hai đầu tấm Peltier, một dòng điện được tạo ra, đi từ chất bán dẫn n sang chất bán dẫn p. Khi đó, tại lớp bán dẫn p, dòng nhiệt sẽ chạy ngược chiều với dòng điện, trong khi tại lớp bán dẫn n, dòng nhiệt chạy cùng chiều với dòng điện. Do đó, nhiệt lượng được hấp thụ tại điện cực phía trên, tại nơi mà dòng điện chạy từ lớp n sang lớp p. Kết quả là điện cực phía trên trở thành bộ hấp thụ nhiệt.
Tốc độ hấp thụ nhiệt Q có thể được tính như sau [17]:
) / ( ) / ( ) / ( ) / ( 2 1 ) ( ) ( 2 L A L A K A L A L R IR T T K IT N Q n p n p c h c n p λ λ ρ ρ α α + = + = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − − − = (2.9) trong đó, I là dòng dẫn; Th là nhiệt độ của bề mặt tản nhiệt; Tc là nhiệt độ của bề mặt hấp thụ nhiệt; N là số lượng các cặp bán dẫn; αp và αn lần lượt là hệ số Seebeck của bán dẫn p và n; L là chiều dài của lớp bán dẫn; A là tiết diện ngang của lớp bán dẫn; ρp và ρn lần lượt là điện trở của chất bán dẫn p và n; λp và λn lần lượt là độ dẫn nhiệt tương ứng của chất bán dẫn p và n.
Vì điện áp lối ra V có thể được biểu diễn dưới dạng:
V =N[(αp −αn)I(Th −Tc)+IR] (2.10) nên tổng công suất tiêu thụ W có thể biểu diễn như sau:
W =VI = NI[(αp −αn)I(Th −Tc)+IR] (2.11)
Để chế tạo những tấm Peltier, người ta thường sử dụng nhiều cặp bán dẫn n- p (ví dụ như BiTe được pha tạp chất Se hoặc các chất tương tự), và sắp xếp chúng trên hai bề mặt cách điện, được làm bằng nhôm, nitrit nhôm hoặc các vật liệu tương tự. Trên hai bề mặt này, người ta tạo ra các điện cực (hình 2.16b).
Trên hình 2.16b, chúng ta thấy, người ta đã sử dụng đế gốm trong quá trình chế tạo Peltier. Việc sử dụng đế gốm cho phép vừa đảm bảo tiếp xúc nhiệt tốt với đế tỏa nhiệt (heatsink) có hệ số dẫn điện cao, được chế tạo từ nhôm hoặc đồng, trong khi vẫn đảm bảo việc cách điện.
Điện cực thường là một tấm đồng có độ dày cỡ vài chục µm, được gắn với lớp bán dẫn nhiệt điện bằng vât liệu hàn như Sn-Pb và Au-Sn.
Chương 3:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO
3.1. Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W
3.1.1. Tổng quan về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao
Hiện nay, việc chế tạo laser bán dẫn công suất cao đang đi theo hai hướng chủ yếu gồm: (i) Chế tạo mô đun laser bán dẫn từ thanh laser bán dẫn công suất cao [1] và chế tạo mô đun laser bán dẫn từ chíp đơn [11].
• Chế tạo mô đun laser bán dẫn từ chíp đơn:
Mô đun laser bán dẫn công suất cao được chế tạo từ chíp đơn gồm các linh kiện cơ bản là chíp laser bán dẫn và đế tỏa nhiệt (hình 3.1).
Hình 3. 1: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ chíp đơn
Chíp laser bán dẫn được gắn lên một đế phụ (sub-mount). Đế này lại tiếp tục được gắn lên một đế tỏa nhiệt (heat sink). Trong quá trình hoạt động, chíp laser tỏa ra nhiệt lượng lớn. Vì nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến công suất bức xạ cũng như bước sóng và chất lượng chùm tia nên người ta luôn tìm cách giảm thiểu ảnh hưởng này. Để đảm bảo quá trình truyền nhiệt từ chíp laser ra môi trường xung quanh, người ta phủ một lớp keo dẫn nhiệt chuyên dụng như hợp chất Indium lên bề mặt tiếp xúc giữa chíp laser và các đế.
Để kiểm soát nhiệt độ trong quá trình laser làm việc, người ta còn bố trí thêm sensor nhiệt, photodiode giám sát và TEC. Ngoài ra, việc gắn chíp laser phải đảm bảo bề mặt phát xạ được tích hợp quang tối ưu với sợi quang lối ra.
Ưu điểm của phương pháp này là công nghệ chế tạo đơn giản hơn so với công nghệ chế tạo từ thanh laser, việc tích hợp quang lối ra cũng đơn giản hơn mà vẫn
đảm bảo chất lượng chùm tia nhưng điểm hạn chế lớn nhất của phương pháp này là công suất quang lối ra không cao.
• Chế tạo mô đun laser bán dẫn từ laser thanh:
Một trong những ưu điểm của phương pháp chế tạo mô đun laser bán dẫn từ laser thanh là ở chỗ chúng có thể cho công suất phát xạ cao dựa trên việc tích hợp các chùm laser bán dẫn của các đầu phát laser (hình 3.2).
Hình 3. 2: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ thanh laser
Các hệ laser thanh hiện nay thường được làm mát bằng nước, sử dụng các vi kênh MCC (Micro-Channel Coolers). Các hệ này cho phép công suất lối ra có thể đạt 120 W với tuổi thọ trên 30000 giờ.
Thanh laser bán dẫn được gắn trên một đế. Đế này vừa có vai trò là tấm giữ cố định thanh laser vừa có vai trò là một cực của mô đun lại vừa có vai trò là đế tỏa nhiệt. Để đạt công suất lối ra cao hơn, người ta có thể tích hợp nhiều khối laser thanh với nhau [15].
Ưu điểm của phương pháp này là công suất quang lối ra của thanh laser khá cao. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải sử dụng hệ thống quang học phức tạp để chuẩn trực chùm tia lối ra. Ngoài ra, phương pháp này còn đòi hỏi phải sử dụng đế tỏa nhiệt có hiệu suất cao.
Trong khuôn khổ của luận văn, chúng tôi chỉ tập trung vào công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn từ chíp đơn.
3.1.2. Một số yêu cầu về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn
(ii) Kết nối các điện cực của chíp laser bán dẫn bằng công nghệ hàn dây vàng (wire bounding); (iii) Ghép nối với sợi quang để đưa công suất laser ra bên ngoài; (iv) Đóng vỏ mô đun laser bán dẫn (packaging).
• Yêu cầu trong công nghệ hàn chíp:
Yêu cầu chủ yếu đối với công nghệ hàn chíp là không được tạo ra ứng suất dẫn đến phá hủy chíp và phải đảm bảo tiếp xúc nhiệt, tiếp xúc điện tốt giữa chíp và đế. Do vậy, trước khi gắn chíp, người ta phải làm sạch tiếp giáp giữa chíp và đế. Ngoài ra, trong quá trình hàn chíp, nhiệt độ hàn phải phù hợp để không làm hỏng chíp.
Hiện nay, người ta có thể hàn chíp lên đế theo hai công nghệ cơ bản là hàn Eutectic và hàn Epoxy, trong đó, công nghệ hàn Epoxy thực chất là công nghệ gắn chíp sử dụng keo Epoxy hoặc keo dán.