I Vu điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang
3.3.7.Các mode của laser diode
3. Diode phát quang, khuếch đại laser và diode laser (LD)
3.3.7.Các mode của laser diode
Sự bức xạ quang trong hốc cộng hởng của laser diode đã tạo nên một mẫu vạch trờng điện từ và đợc gọi là các mode của hốc cộng hởng. Các mode này có thể đợc phân chia thành hai tập hợp độc lập là các mode điện ngang (TE) và các mode trờng ngang (TM). Từng tập hợp mode có thể đợc mô tả dới dạng nửa hình sin dọc, ngang và bên của các trờng điện từ dọc các trục chính của hốc. Các mode dọc có liên quan tới tốc độ dài L của hốc và xác định cấu trúc của phổ tần số trong bức xạ quang đợc phát ra. Vì L lớn hơn nhiều so với bớc sóng phát tia laser có độ dài khoảng 1àm, cho nên nhiều mode dọc có thể tồn
tại. Các mode bên nằm ở trong mặt phẳng của tiếp giáp p-n. Các mode này phụ thuộc vào sự chế tạo vách bên và độ rộng của hốc, chúng xác định hình dạng mặt cắt bên của chùm tia laser. Các mode ngang có liên quan tới trờng điện từ và mặt cắt chùm tia nằm theo hớng vuông góc với mặt phẳng của chuyển tiếp p- n. Các mode này rất quan trọng vì chúng xác định các đặc tính của laser cũng nh mẫu bức xạ (sự phân bố góc công suất quang đầu ra) và mật độ dòng ngỡng vv…
Nhìn chung, các laser có hốc cộng hởng Fabry - Perot thông thờng sẽ cho phổ đa mode, chúng có thể dao động ở mode dọc đơn nhng không ổn định khi làm việc ở tốc độ cao. Muốn laser làm việc ở tốc độ cao mà truyền dẫn đợc cự ly xa thì ta cần sử dụng đến các loại laser diode có độ rộng phổ cực kỳ hẹp. Đó là các laser diode đơn mode. Các laser này chỉ chứa mode dọc và mode ngang đơn. Để tạo ra laser chỉ có một mode dọc thì phải giảm đợc độ dài L của hốc phát tia laser tới lúc khi mà khoảng cách tần số ∆f của các mode bên đã cho là
f
∆ = c/2Ln lớn hơn độ rộng phổ laser. Điều này có nghĩa là chỉ có một mode dọc đơn rơi vào băng tăng ích của thiết bị.
Ví dụ, nh đối với các hốc Fabry – Perot, toàn bộ các mode dọc gần nh có suy hao ngang bằng và cách nhau khoảng 1 nm trong hốc dài 250àm tại bớc
sóng 1300 nm. Bằng cách giảm L từ 250 xuống 25 àm thì khoảng cách mode
khiển thiết bị có độ dài này, mặt khác công suất phát của nó cũng lại giảm đi chỉ còn khoảng vài mW.
3.3.6. Lựa chọn mode và một số cấu trúc laser bán dẫn đặc trng
Xét trờng hợp laser diode phát một tần số:
Nh đã trình bày ở phần trên, laser phun bán dẫn có thể hoạt động ở một mode ngang với sự giảm các kích thớc mặt cắt của miền tích cực để nó hoạt động nh một bán dẫn sóng đơn mode. Phơng thức hoạt động tần số đơn có thể thực hiện bằng cách giảm chiều dài d của bộ dao động sao cho tần số nằm giữa những mode dọc vợt quá chiều rộng của môi trờng khuếch đại.
Các phơng pháp khác về hoạt động đơn mode bao gồm sử dụng các bộ cộng hởng có nhiều gơng. Laser diode có hộp cộng hởng kép có thể thực hiện bằng tách một khe (khoang) vuông góc với lớp tích cực đợc biểu thị trên hình (2.26). Cấu trúc này có hai khoang kết nối. Sóng đứng của laser cần thoả mãn các điều kiện tại các bề mặt của hai khoang.
Một phơng pháp hữu hiệu khác đó là các gơng với sự phản xạ lựa lọc tần số đợc chế tạo trong laser. Thí dụ nh các “cách tử” song song với mặt phẳng tiếp giáp nh trên hình (2.27). Cách tử là một cấu trúc lặp lại theo chu kì, cái đó chỉ phản xạ ánh sáng khi chu kì cách tử thoả mãn điều kiện là một số nguyên của nữa bớc sóng (
2
λ). Các phản xạ này đợc gọi là phản xạ Bragg và linh kiện có trúc này đợc gọi là LASER DBR (Distributed Bragg Grating Laser ).
a) b)
Hình 2.27: Cách tử nhiễu xạ ngoài hoạt động nh các gơng trong laser DBR (a) và laser phản hồi phân chia (b) (vẽ theo mặt cắt)
Hình 2.28: Cấu trúc và phổ laser phát của laser bán dẫn bình thờng (a) và laser DFB cho phổ phát ra rất hẹp (b)
Phơng pháp thay thế các cách tử trực tiếp cạnh lớp tích cực bằng cách sử dụng ống dẫn sóng ngay trên cấu trúc nh hình vẽ (2.28.b). Cách tử lúc đó hoạt động nh bộ phản xạ phân chia. Cấu trúc này đợc gọi là laser có cấu trúc phản hồi phân chia (Distri buted FecdBack laser – DFD laser). Loại laser này đợc sử dụng rất rộng rãi trong thông tin quang sợi dải ở dải sóng từ (1,3 ữ 1,55 )à
m.
Hình 2.29: Mô tả ba loại cấu trúc laser phổ biến với khoang cộng hởng Fabry- Perot : laser tiếp giáp đơn (a), laser tiếp giáp dị chất kép (DH) (b) và
Hình (2.29) mô tả ba loại cấu trúc laser phổ biến với khoang cộng hởng Fabry- Perot đặc trng. Có thể nói rằng với các cấu trúc khác nhau thì cờng độ và phổ laser phát ra cũng khác nhau.
Hình 2.30. Tổ hợp cấu hình cấu trúc laser (a) và các tín hiệu phát ra (b) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trên hình (2.30a), mô tả khái quát một tổ hợp cấu trúc gồm các laser, bộ lọc, các cách tử… Các lớp chắn ở đây chính là các lớp đợc cấy proton tạo miền điện trở cao chắn các tia sáng đi qua và hình (2.30b) là các tín hiệu laser phát ra tại các bớc sóng khác nhau.
Kết Luận
Việc nghiên cứu hiện tợng nguồn phát quang trong diode phát quang và diode laser bán dẫn đã đợc bắt đầu từ lâu nhng đến nay vẫn còn là vấn đề thời sự và còn nhiều khía cạnh cần đợc khai thác, các nghiên cứu này mở ra nhiều ứng dụng và quan trọng cho laser diode bán dẫn nh làm nguồn phát quang, khuếch đại laser, khoá quang học .... Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, chúng tôi rút ra một số kết luận sau:
- Đã đa ra đợc các nguyên lý truyền dẫn, các dạng cấu tạo khác nhau của sợi quang tuỳ thuộc vào sự phân bố chiết suất giữa lõi và vỏ.
- Đã đa ra các định nghĩa về công suất ra, phân bố phổ, phân bố không gian của ánh sáng phát ra từ LED và đa ra các biểu thức hiệu suất, độ nhạy và thời gian đáp ứng của LED.
- Dựa vào cấu trúc của laser thì ta có thể xác định đợc độ đơn sắc của chùm laser phát ra, tính toán đợc độ rộng khoảng cách giữa các mode.
- Công suất phát ra của diode laser phụ thuộc vào nhiệt độ là một nhợc điểm của laser diode, do đó để ổn định công suất cũng nh tần số của laser thì ta cần phải ổn định nhiệt độ làm việc của nó.
- Nghiên cứu phân bố không gian cho phép ta tìm hớng lắp ghép tối u và tìm đợc dòng điện kích để số mode ngang phát ra ổn định.
Tài liệu tham khảo
1. Nhập môn thông tin quang sợi: Hồ Quang Quý - Đinh Xuân Khoa - Đại
Học Vinh 2003.
2. Hệ thống thông tin quang: TS. Vũ Văn San. Tổng cục Bu chính viên
3. Hệ thống thông tin sợi quang. Phùng Văn Vận – Trần Hồng Quân, NXB KHKT – Hà nội 2002.
4. Vật lý laser và ứng dụng: Đinh Xuân Hoàng – Trịnh Đình Chiến, Đại
Học QGHN - Hà nội 1999.
5. Vật lý điện tử: Phùng Hồ – NXB KHKT - Hà nội 2000.
6. Tài liệu hớng dẫn thí nghiệm Quang phổ và VLNT - ĐHV 2001.
7. Kỹ thuật thông tin quang: Hoàng ứng Huyền - Hà nội 1993.
8. Vật liệu và linh kiện bán dẫn quang điện tử trong thông tin quang: Đào
Khắc An – NXB ĐHQG Hà nội.