a) Laser dị thể vựi ghộp kờnh phẳng b) Laser dị thể strip
I b [mA]
b [mA] 100 200 300 115o 95o 45o 20o 35o Pra [mw] 25
Hỡnh 3.18 Đặc trưng cụng suất ra phụ thuộc vào dũng kớch thớch ở cỏc nhiờtk độ khỏc nhau của LD dải dị thể vựi
g(λ) λ λ0 λ1 …..λm-1 λm Độ rộng phổ Hỡnh 3.19 Độ rụng phổ của Laser bỏn dẫn .
ly truyền dẫn xa ta cần phải sử dụng cỏc nguồn quang, đặc biệt là Laser cú độ rộng hẹp. Trong khi đú cụng nghệ bỏn dẫn ngày càng phỏt triển, cú khả năng tạo ra cỏc phần tử nguồn quang mới với nhiều ứng dụng tiến bộ hơn trước rất nhiều. Cỏc nguồn quang này cú thể đỏp ứng được cả yờu cầu đối với cỏc hệ thống thụng tin quang như WDM. Do vậy hiện nay khụng sử dụng cỏc nguồn quang đa mode mà chuyển sang sử dụng cỏc nguồn quang đơn mode, cụ thể là cỏc Laser đơn mode. Cỏc Laser này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn. Để làm được cỏc mode này thỡ cú nhiều phương phỏp khỏc nhau và ta cú nhiều cấu trỳc Laser khỏc nhau. Ta lần lượt xột cỏc Laser sau.
3.2.3.1 Laser hồi tiếp phõn bố (DFB) và Laser phản hồi phõn bố (DBR)
Laser DFB và DBR sẽ cho ta cơ chế triệt cỏc mode bờn (nhờ sử dụng cỏc mặt bờn một cỏch hợp lý) và chỉ để lại một mode dọc chớnh duy nhất nờn đó và đang được ứng dụng rất rộng rói trong truyền dẫn WDM với cỏc hệ thống IM/DD.
Về nguyờn lý, cỏc Laser này sử dụng nguyờn lý phản xạ Bragg (như đó nờu ở phần trờn).
Đối với Laser DFB, khi cú dũng điện vào Laser, trong hộp cú phức hợp điện tử - lỗ trống bức xạ ra năng lượng tương ứng với quang tử, những quang tử này bị một sợi lưới quang trong bề mặt lớp cú nguồn phản xạ, dạng phản xạ Bragg, chỉ khỏc là trong sự phản hồi Bragg của Laser DFB cú gúc θ = π/2 do đú chu kỳ cỏch tử sẽ là :
A=
2
n
mλ
. Đõy là điều kiện phõn bố phản hồi. Thụng thường m =1, khi đú λn = 2A được gọi là bước súng Bragg. Cỏc tớn hiệu cú bước súng thỏa món cụng thức trờn mới được phản xạ mạnh và khuếch đại đủ lớn. Cỏc bước súng khỏc khụng thỏa món cụng thức sẽ bị dập vào khụng phỏt xạ được, coi như bị loại. Thường thỡ trong loại Laser này, cỏc mode bờn bị triệt khoảng 30-40dB so với mode chớnh.
Đối với Laser DBR, đặc điểm căn bản cũng giống Laser DFB, chỉ cú một số điểm khỏc biệt cần lưu ý đú là : Vật liệu chế tạo của DBR là khú khăn hơn Laser DFB vỡ nú khụng nhất thiết đũi hỏi sự ghộp cụng suất giữa cỏc vựng thụ động và tớch cực. Thứ hai đặc tớnh phụ thuộc nhiệt độ thỡ khỏc nhau, khi nhiệt độ tăng thỡ
trong DBR cú sự chuyển đổi từ mode này qua mode khỏc cũn với Laser DFB thỡ thể hiện đặc tớnh ổn định nhiệt độ trong một dải rộng.
Về cấu trỳc cỏc Laser này cú dạng như hỡnh 3.20 sau.
Về căn bản kết cấu Laser DRB và DFB khỏc nhau, dự cựng dựa vào nguyờn lý hoạt động là cỏch tử Bragg. Chỗ khỏc nhau về cấu trỳc của hai loại Laser này là DBR cú kết cấu lưới phản xạ nằm ngoài hốc cộng hưởng. Với sự khỏc biệt này, ở DBR phần điều khiển hốc cộng hưởng Laser và phần điều khiển tần số theo nguyờn lý Bragg là hoàn toàn độc lập.
Ưu điểm của cỏc loại Laser DFB và DBR là :
• Dao động đơn mode dọc cú dải hẹp
• Tớnh ổn định của bước súng tốt 3.2.3.2 Laser với hốc cộng hưởng kộp
Một Laser cú hốc cộng hưởng kộp là Laser cú hai hốc cộng hưởng đặt liờn tục. Trong đú, hoặc cả hai hốc cộng hưởng đều là tớch cực hoặc một tớch cực một thụ động. như hỡnh 3.21.
Với loại cú một hốc cộng hưởng tớch cực và một hốc cộng hưởng thụ động (hỡnh 3.21a) thỡ hốc cộng hưởng thụ động là một Laser bỏn dẫn thụng thường khụng cú nguồn bơm gắn với hốc cộng hưởng ở bờn ngoài. Tức là hốc cộng hưởng sau chỉ đúng vai trũ chọn lọc bước súng mà khụng tạo sự khuếch đại. Giữa hai hốc cộng hưởng cú thể cú một đoạn sợi quang đúng vai trũ như thấu kớnh Grin để tăng mức kết hợp và trỏnh mất mỏt do tỏn xạ. Hướng dọc Phần phản xạ Vựng họat tớnh Điều khiển hốc
cộng hưởng Điều khiển
tần số
Phần phản xạ Bragg Vựng hoạt tớnh
Điều khiển hốc cộng hưởng
Với loại cú hai hốc cộng hưởng tớch cực, mỗi phần cú thể được bơm dũng riờng biệt và cú thể điều khiển linh hoạt hơn so với cấu trỳc trước. Vật liệu của hai hốc cộng hưởng thường là giống nhau. Cụng nghệ chế tạo loại Laser này thường dựng là kỹ thuật tỏch mặt nhằm tạo ra một Laser cú 4 mặt tỏch như 4 mặt gương đặt song song nhau với độ phản xạ chừng 32% và cho phộp mức ghộp nối hai hốc cộng hưởng tương đối hợp lý miễn là khoảng cỏch giữa chỳng khụng quỏ lớn (<5μs). Loại Laser đú cũn được gọi là Laser C3 (Cleaved Coupler Cavity).
Nguyờn lý hoạt động của cỏc Laser này là tạo ra một mode dọc dơn duy nhất. Bước súng theo mode mà cú thể vượt qua cả hai hốc cộng hưởng thỡ buộc phải thỏa
món điều kiện sau :
22 2 1 1 2 2 m n L m n L = = λ (3-6)
Trong đú : m1, m2 là hai số nguyờn
L1, L2 là chiều dài hai hốc cộng hưởng n là chiết suất hốc cộng hưởng
Lỳc này khoảng cỏch cỏc mode dọc sẽ là :
0 2 1 2nL m m λ = λ − λ + (3-7)
Khi đú m1 và m2 phải thỏa món điều kiện : L1/m1 = L2/m2 = L0
Như vậy, khi khoảng cỏch cỏc mode dọc là tương đối lớn thỡ chỉ cú một mode dọc là nhận được khuếch đại đủ lơn để bức xạ ra ngoài. Đú chớnh là mode dọc
Ánh sỏng ra LD Thấu kớnh Grin Gương phản xạ Lớp chống phản xạ Đế giữ thấu kớnh Đế
Hỡnh 3.21 Cấu trỳc Laser 2 hốc cộng hưởng
Dải tớch cực Đế tỏa nhiệt I1 I2 a) b)
trung tõm thỏa món điều kiện 3-7. Cỏc mode biờn cũn lại bị nộn ở mức 20-30 dB so với mode chớnh. Hỡnh 3-22 mụ tả điều này.
3.2.3.3 Laser giếng lượng tử
Giếng lượng tử (Quantum Well) cú kết cấu tương tự như Laser cú kết cấu 2 chất khỏc nhau, chỉ khỏc là độ dày của khu cú nguồn rất mỏng. Chiều dày cảu lớp cú nguồn trong Laser cú kết cấu 2 chất khỏc nhau thường là 0,1 – 0,2 μm, trong khi chiều dày tương ứng của giếng lượng tử chỉ là vài chục Αo . Phõn tớch lý thuyết chỉ
rừ : Khi chiều dày của khu cú nguồn cực nhỏ thỡ dải năng lượng của hai bờn khu cú nguồn sẽ cú hiện tượng khụng liờn tục, tức là xuất hiện đột biến ở dải dẫn và dải giỏ trị trờn mặt giao tiếp hai chất khỏc nhau của khu cú nguồn từ đú khu cú nguồn của dải hẹp tạo ra bẫy thế năng cho điện tử trong dải dẫn và khoảng trong băng giỏ trị.
Laser cú một giếng lượng tử (SQW- Single Quantum Well) cú cấu trỳc đơn giản, nú chỉ cú vựng tớch cực. Trong đú lớp vỏ của loại Laser này cú thể là dạng chiết suất bậc (hỡnh 3.23a) và chiết suất giảm dần (hỡnh3.23b).Loại Laser này cho ta khả năng ổn định nhiết tốt, khả năng điều chế tần số cao, dũng ngưỡng thấp và
Hỡnh 3.22 Nguyờn lý của Laser cú hộp cộng hưởng kộp
Mode dọc của hộp cộng hưởng thứ 1
Bước súng
Bước súng
Bước súng Tăng ớch tối thiểu
Tăng ớch
Mode dọc của hộp cộng hưởng thứ 2
Dải dẫn
a) b)
Hỡnh 3.23 Kết cấu Laser một bẫy lượng tử cú chiết suất bậc (a) và chiết suất giảm dần (b)
hạn chế sự mở rộng phổ đường quang. Tuy nhiờn sự giam hạt tải cũng như giam quang là rất kộm vỡ nú cú lớp tớch cực quỏ mỏng. Để khắc phục điều này, cú kết cấu Laser nhiều giếng lượng tử (MQW) như hỡnh 3.24. Loại Laser này cú rất nhiều vựng tớch cực được sắp xếp đan xen nhau giữa cỏc lớp vỏ, cỏc lớp vỏ bấy giờ được coi như cỏc vỏch ngăn và cú thể là dạng vỏch ngăn cú chiết suất giảm dần hoặc nhảy bậc. Với cấu trỳc này, MQW cho phộp sự giam dũng cũng như giam quang tốt hơn, dũng ngưỡng nhỏ hơn.
3.2.3.4 Laser bỏn dẫn cú thể điều chỉnh được
Cú một phương phỏp điốu chỉnh bước súng trờn phạm vi rộng là mạ trờn mặt cắt theo hứong sau của khoang cộng hưởng Laser một màng chống phản xạ (AR). Sau đú, đặt ở ngoài một bộ lọc cú thể điều chỉnh. Loại kết cấu này gọi là Laser bỏn dẫn cú thể điều chỉnh ở ngoài khoang cộng hưởng.
Ở mặt cắt phớa sau LD mạ một lớp màng tăng thấu. Nhờ đú, ỏnh sỏng được chiều qua thấu kớnh biến thành tớn hiệu quang song song đi tới lưới quang. Tại đõy, lưới quang sẽ đúng vai trũ là gương phản xạ kiờm bộ lọc băng hẹp. Lưới quang quay cú thể điều chỉnh tho bước súng kớch quang. Điều chỉnh vị trớ dưới quang theo chiều dọc cú thể chỉnh tinh bước súng kớch quang.
Dải dẫn Dải húa trị a) b) Dải dẫn Dải húa trị Vựng tớch cực Lớp vỏ Vựng tớch cực Lớp vỏ
Hỡnh 3.24 Cấu trỳc Laser MQW với lớp vỏ cú thể là chiết suất giảm dần (a) và chiết suất nhảy bậc (b)
Ưu điểm chớnh của Laser điều chỉnh bước súng ở ngoài khoang cộng hưởng là
bề rộng đường phổ rất hẹp. Đú là do cú sự kộo dài khoang dao động, làm tăng
chiều dài hữu hiệu của khoang.
Khuyết điểm của Laser bỏn dẫn điều khiển ngoài khoang là tốc độ điốu chỉnh thấp, thể tớch tương đối lớn, ổn định về mặt cơ học khụng cao. Để khắc phục những khuyết điểm trờn, hiện nay đó đề xuất ra một kết cấu mới là Laser bỏn dẫn MAGIC (Multistripe Array Gratting Integrated Cavity). Nú khụng giống như kếtcấu cũ gồm LD và lưới quang cơ động mà là lưới quang cố định và bố trớ thành hai dóy LD tớch hợp hai chiều như hỡnh 3.26. Trong dóy, mỗi một thanh cú nguồn đều cú thể tỡm thấy địa chỉ độc lập và kớch phỏt ra một bước súng nhất định. Lưới quang chỉ chọn phối ghộp một bước súng nào đú đưa vào thành trung tõm.
