Laser bán dẫn phát ra ánh sáng thông qua phát xạ kích thích. Chúng không chỉ có công suất phát quang cao (∼100 mW), mà còn có những lợi thế khác liên quan đến bản chất kết hợp của ánh sáng phát ra như hiệu suất ghép quang cao (∼50%), độ rộng phổ hẹp cho phép truyền dẫn ở tốc độ bit cao (∼10 Gb/s). Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng laser bán dẫn làm nguồn quang vì hiệu suất vượt trội hơn rất nhiều so với đèn LED. Trong phần này, các đặc tính của laser bán dẫn được mô tả từ quan điểm ứng dụng của chúng trong các hệ thống ánh sáng.
4.1 Độ khuếch đại quang
Độ khuếch đại quang là yêu cầu quan trọng nhất để laser bán dẫn hoạt động vì nó mô tả sự khuếch đại quang học trong vật liệu bán dẫn. Như đã đề cập đến trong phần 2.1 phát xạ kích thích chỉ có thể chiếm ưu thế nếu điều kiện đảo ngược mật độ được thỏa mãn. Laser InGaAsP với bước sóng 1,3µm có hệ số khuếch đại g<0 khi mật độ hạt tải bơm N=1x1018 cm-3. Khi N tăng lên, hệ số khuếch đại g cũng tăng dần lên giá trị dương theo N. Khi N > 1.5×1018 cm-3, hệ số khuếch đại thay đổi tuyến tính với N. Giá trị cực đại của gp cũng tăng theo N, cùng với sự dịch chuyển của cực đại về phía năng lượng photon cao hơn. Sự phụ thuộc tuyến tính của g vào N có thể tính bằng công thức thực nghiệm:
gp(N) = σg(N −NT ) (4.1) Trong đó:
NT: giá trị của mật độ hạt tải khi môi trường hoạt tính trở lên trong suốt với bước sóng phát.
σg : tiết diện khuếch đại, hay gọi là khuếch đại vi phân.
Thông thường giá trị NT và σg đối với laser InGaAsP thường trong khoảng 1.0 -1.5×1018 cm-3 và 2 - 3×10-16 cm2. Các laser bán dẫn có giá trị σg lớn hơn thường hoạt động tốt hơn, vì cùng một mức tăng có thể được thực hiện ở mật độ sóng mang thấp
hơn hoặc ở dòng được bơm thấp hơn. Trong các laser bán dẫn giếng lượng tử, σg
thường lớn hơn khoảng hai lần.
4.2 Phản hồi và ngưỡng laser
Phản hồi quang là điều kiện bắt buộc để laser hoạt động. Trong hầu hết các laser, phản hồi quang được cung cấp bằng cách đặt môi trường khuếch đại bên trong khoang cộng hưởng Fabry – Perot (FP) được hình thành bằng cách sử dụng hai gương. Trong trường hợp laser bán dẫn, không cần phải có gương ngoài vì hai mặt cắt laser hoạt động như gương có độ phản xạ được tính bằng công thức:
Rm = (4.2)
Trong đó, n là chiết suất của môi trường khuếch đại. Thông thường chiết suất n=3,5 do đó độ phản xạ trên bề mặt tinh thể Rm≈30%. Hình 4.1 cho thấy cấu trúc cơ bản của laser bán dẫn và khoang FP của nó.
Hình 4.1 Cấu trúc của laser bán dẫn và khoang cộng hưởng Faby-Perot của nó
Nguồn: (Govind P. Agrawal, Fiber-Optic Communications Systems, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc, page 95)
Khái niệm về ngưỡng laser có thể được hiểu là một phần photon nhất định được tạo ra bởi phát xạ kích thích bị mất do suy hao của khoang và cần phải được bổ sung liên tục. Vì thế để đảm bảo có photon ánh sáng phát ra ngoài khoang cộng hưởng thì độ khuếch đại quang phải bù lại được với hệ số suy hao trong khoang, tức là hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra phải đủ lớn. Đây chính là điều kiện ngưỡng của laser. Để đảm bảo được điều này laser phải được bơm tối thiểu ở một mức nhất định. Giá trị dòng bơm cần thiết để đạt được ngưỡng laser được gọi là dòng ngưỡng.
4.3 Cấu trúc của laser bán dẫn
Cấu trúc đơn giản nhất của laser bán dẫn dị thể thường có lớp tích rất mỏng (~ 0,1µm) được kẹp giữa hai lớp bọc là bán dẫn loại p và bán dẫn loại loại n với độ rộng vùng cấm lớn hơn vùng cấm của chất hoạt tính. Các laser như vậy được gọi là laser
bán dẫn diện rộng (broad-area) vì dòng điện được đưa vào một khu vực tương đối rộng bao phủ toàn bộ chiều rộng của chip laser. Tuy nhiên chúng hiếm khi được sử dụng do chúng không có cơ chế giam cầm ánh sáng và dòng ngưỡng tương đối cao.
Laser bán dẫn dẫn sóng – khuếch đại (gain-guided) giải quyết vấn đề giam cầm ánh sáng bằng cách hạn chế bơm dòng điện trên một dải hẹp. Laser như vậy còn được gọi là laser bán dẫn cấu trúc hình sọc (stripe geometry semiconductor laser). Khuyết điểm của laser này là kích thước chùm sáng phát ra không ổn định khi công suất phát tăng, vì vây laser loại này ít được sử dụng trong hệ thống thông tin quang.
Laser dẫn sóng – chiết suất (index-guided) khắc phục khuyết điểm của laser bán dẫn dẫn sóng do nó chặn quang theo chiều ngang trong vùng hoạt tính bằng cách pha tạp các chất có chiết suất nhỏ hơn vào vùng hoạt tính. Laser dẫn sóng - chiết suất được phân thành hai loại là laser dẫn sóng - chiết suất yếu và laser dẫn sóng - chiết suất mạnh. Các thông số về quang của laser này rất tốt và đa số các hệ thống thông tin hiện nay sử dụng loại laser này.