Laze bán dẫn phun công tác trong chế độ chỉ có một mot dọc và một mot ngang gọi là laze đơn mot.Laze đơn mot đựoc dùng trong hệ thống thông tin có tốc độ bít lớn khoảng cách xa,đặc biệt là trong hệ thống thông tin quang kết hợp.
Chúng ta đều biết trong phổ của laze FP tồn tại nhiều mot dọc.Để laze FP làm việc trong chế độ đơn mot thì người ta phải làm cho khoảng cách bước sóng giữa các mot sát nhau ∆λ lớn hơn độ rộng phổ khuyếch đại của nó 2- 4nm Giải pháp đơn giản là giảm chiều dài L của hộp cộng hưởng FP.Chẳng hạn với laze FP bình thường có L = 250 µm làm việc ở bước sóng λ=1,3µm.Nếu ta giảm L xuống còn
25 m
λ= µ thì đạt được ∆λ =10 nm và laze sẽ làm việc trong chế độ đơn mot dọc.Tuy nhiên do L giảm nhỏ làm cho công suất laze bị giới hạn nhỏ không đủ làm nguồn phát quang.
Người ta tìm giải pháp khác để tạo ra laze đơn mot bằng cách làm cho tiêu hao của hộp cộng hưởng là khác nhau đối với các mot dọc.Mot dọc nào có tiêu hao trong hộp cộng hưởng là khác nhau đối với các mot dọc.Mot dọc nào có cộng hưỏng nhỏ nhất cân bằng với hệ số khuyếch đại ngưỡng của laze sẽ trở thành mot chính chiếm ưu thế và là mot phát sáng của laze,trong khi đó các mot dọc khác có tiêu hao trong hộp cộng hưởng rất lớn và vượt hệ số khuyếch đại ngưỡng sẽ bị dập.Do đó laze bán dẫn sẽ công tác trong chế độ đơn mot dọc.
Hình 2.5. Đồ thị của hệ số tiêu hao và hệ số khuyếch đại của các mot dọc của laze.
Chất lượng của laze đơn mot dọc thường được đánh giá bởi đại lượng gọi là tỉ số dập mot viết tắt là MSR(mode -suppression ration)Nó được xác định bởi công thức: Công thức: (2.7) mm sm P MSR P = mm
P là công suất mot chính.
sm
P là công suất mot bên, mot phụ lớn nhất.Với laze đơn mot dọc tốt thì MSR phải lớn hơn 103.
Về mặt cấu trúc laze đơn mot dọc có 2 loại chính là loại phản hồi phân bố và loại hộp cộng hưởng liên kết.
a) Laze phản hồi phân bố (DFB).
Trong laze loại này sự phản hồi quang được thực hiện không phải ở hai gương hai đầu của hộp cộng hưởng mà được tiến hành trên cả chiều dài của hộp cộng hưởng (gọi là phản hồi phân bố distributed feedback).Để tạo ra sự phản hồi phân bố người ta tạo ta các bộ phản xạ cách tử có tính chọn lọc tần số gắn liền với lớp hoạt tính của laze.Đây là một lớp ống dẫn sóng làm từ vật liệu như lớp vỏ của cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép có cấu trúc gấp nếp làm cho chiết suất của nó biến đổi chu kỳ theo chiều dài.Sóng truyền dọc theo cách tử theo hai hướng ngược nhau sẽ liên kết với nhau theo tần số nhất định gọi là sự nhiễu xạ Brag theo điều kiện sau :
Điều kiện Brag :
(2.8) 2 e B n k λ = λ
Ở đâyλBlà bước sóng Brag ,ne là chiết suất hiệu dụng của lớp ống dẫn sóng làm cách tử λlà chu kỳ cách tử ,k là bậc nhiễu xạ Brag .Sự liên kết giữa các sóng truyền hai hướng ngược nhau là mạnh nhất đối với bậc nhất Brag k= 1.
Chẳng hạn như Laze đơn mot DFB công tác với bước sóngλB =1,55µm,k= 1 và
3, 4
e
n = thì theo (2.8) chu kỳ cách tửλ ≈235nm.
r
Hình 2.6. Vẽ cấu trúc tiết diện dọc của laze đơn mot DFB.
b) Laze đơn mot cộng hưởng liên kết.
Chế độ làm việc đơn mot của laze được thực hiện nhờ việc ghép ánh sáng của laze với hộp cộng hưởng ngoài.Do có sự phản xạ ánh sáng từ gương của hộp cộng hưởng ngoài quay trở lại hộp công hưởng laze làm cho hệ số phản xạ hiệu dụng của gương hướng về hộp cộng hưởng ngoài trở nên phụ thuộc vào bước sóngR( )λ .Điều
đó tạo ra sự tiêu hao của hộp cộng hưởng Laze thay đổi có chu kỳ theo bước sóng .Kết quả là mot dọc nào ở sát đỉnh hệ số khuyếch đại và có tiêu hao hộp cộng hưởng nhỏ nhất sẽ chiếm ưu thế và là mot phát sáng chính của laze.Nguyên tắc công tác đơn mot của laze cộng hưởng liên kết được giải thích qua giản đồ chọn lọc mot dọc vẽ ở hình (2.7)
Hình 2.7. Nguyên tắc công tác đơn mot của laze cộng hưởng liên kết.
Laze đơn mot ở hình 2.8 gọi là laze hộp cộng hưởng ngoài.Việc phản hồi và liên kết ánh sáng trong laze được thực hiện qua cách tử.Laze này có thể điều chỉ bước sóng phát trong khoảng khá rộng 50 240− nm khi quay cách tử ở góc khác nhau.
Laser diede
5 - 25 cm
Laze đơn mot ở hình 2.9 gọi là laze dạng chữ C.Sự liên kết ánh sáng giữa 2 hộp cộng hưởng qua khe không khí hẹp rộng cỡ1µm.Laze chữ C có thể điều chỉnh dòng
phun ở một trong hai đoạn của hộp cộng hưởng đóng vai trò như bộ điều khiển mot.
Laze đơn mot ở hình 2.10 gọi là laze phản xạ Brag phân bố nhiều đoạn.Nó gồm 3 đoạn gọi là đoạn hoạt tính ,đoạn phản xạ Brag và đoạn điều khiển pha.Mỗi đoạn được đặt trong một dòng phun độc lập về giá trị.Bước sóng phát của laze loại này có thể điều chỉnh liên tục trong khoảng 5-7 nm bằng cách điều chỉnh dòng phun trong ba đoạn. l l pha Brayg i a p b InGoAs/InGoAsP z = 0 z = l n lnP p lnP4 4
Tạp của laze bán dẫn đơn mot biểu hiện ở sự thăng giáng cường độ ,pha và tần sốcủa ánh sáng phát xạ khi dòng phun có giá trị không đổi.Nguyên nhân của sự thăng giáng trên là do bức xạ tự phát trong laze.Ánh sáng bức xạ tự phát có cường độ cũng như pha biến đổi một cách ngẫu nhiên được bổ xung vào ánh sáng bức xạ cưõng bức của Laze gây ra sự thăng giáng trên.Thăng giáng cường độ được đặc trưng bởi đại lượng gọi là tạp cường độ tương đối RIN (relative intensity noise).RIN làm hạn chế giá trị giá trị của tỉ số tín trên tạp của hệ thông tin.Tạp cường độ tương đối đựoc xác định như là mật độ phổ của sự thăng giáng công suất ra chuẩn hoá của Laze.Nó biểu thị bởi công thức :
(2.9) 2 ( ) 2 ( ) ( ) i P t RIN Cp e d P ωτ ω δ τ τ ∞ −∞ = = ∫
Ở đây Cp( )τ là hàm tự tương quan của laze nó có dạng:
( ) ( ). ( ) Cpτ ∞δP t δ t τ dt −∞ = ∫ + (2.11) ( ) ( ) P t P P t P δ = −
là thăng giáng công suất ra chuẩn hoá của laze,dấu <> chỉ lấy trung bình .Khi nghiên cứu định lượng RIN chỉ ra rằng : Ở tần số đã cho RIN biến đổi theo 3
1
p ở
công suất thấp và như 1
P ở mức công suất cao.Nó nâng cao gần tần số dao dộng phục hồi fph và giảm nhanh ở tần số f > fph.Đồng thời giá trị của RIN rất nhạy với
sóng phản xạ tại chỗ tiếp xúc giữa không khí và sợi hoặc tại các chỗ bất đồng nhất chiết suất của sợi quang.Vì vậy trong các hệ thống thông tin quang nhất là với hệ Coherent để khử sự phản xạ ta dùng bộ cách ly quang giữa laze và sợi quang.
Thăng giáng về pha của laze sẽ làm cho độ rộng đường phổ của nó có giá trị hữu hạn.Và người ta chỉ ra rằng độ rộng đường phổ của laze bán dẫn đơn mot nhân với công suất phát là đại lượng không đổi.Đối với đa số laze đơn mot DFB ở mức công suất dưới 10mw có độ rộng đường phổ nằm trong khoảng 10-100MHz.Khi làm việc với công suất ở trạng thái bão hoà trên 10mw thì độ rộng đường phổ nằm trong khoảng từ 1-10MHz.Một số laze đơn mot dùng lớp hoạt tính cấu tạo dạng giếng đa lượng tử MQW cho độ rộng đường phổ rất hẹp dưới 1MHz.