I Vu điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang
3.3.2.Ngỡng phát của laser
3. Diode phát quang, khuếch đại laser và diode laser (LD)
3.3.2.Ngỡng phát của laser
Nh đã trình bày ở trên, thì điều kiện tiên quyết cho laser hoạt động là có sự đảo lộn mật độ hạt và sự khuếch đại trong buồng cộng hởng phải vợt qua đợc sự suy hao trong đó. Vì vậy, dòng bơm hạt tải vào buồng tích cực phải đạt đến một ngỡng nào đó để có thể xẩy ra hiện tợng phát laser gọi là dòng bơm ng- ỡng Ith nhng thông thờng để đặc trng cho điều kiện ngỡng phát laser ngời ta dùng đại lợng mật độ dòng ngỡng Jth. ở giá trị dòng bơm nhỏ dòng bơm Ith thì laser chỉ có quá trình tái hợp bức xạ tự phát và khi đó laser hoạt động nh một diode phát quang (LED). Nguồn laser phát ra ổn định khi dòng bơm vào lớn hơn dòng ngỡng. Giá trị thực sự đặc trng cho ngỡng phát laser là mật độ dòng
Jth = T JT α α α + (2.32) trong đó: α : Hệ số hấp thụ cân bằng nhiệt α T : Hệ số suy giảm JT = T r i las n ed ∆ τ
η : Mật độ dòng ngỡng “trong suốt” của bán dẫn.
r
τ : Thời gian sống của tái hợp điện tử – lỗ trống ηi : Hiệu suất lợng tử nội
T
n
∆ : Nồng độ hạt tải dlas : Bề dày vùng tích cực
Tại đó thì JT là mật độ dòng ngỡng trong suốt của bán dẫn đợc hiểu là trong bán dẫn sự hấp thụ photon đã đạt tới sự bão hoà (là ranh giới giữa bức xạ tự phát và bức xạ cỡng bức), ta có thể định nghĩa. Dòng ngỡng của laser là dòng điện mà bên trên đó sự phun hạt tải đạt tới mức tạo ra phân bố đảo và c- ờng độ quang học chỉ mới đủ để duy trì bức xạ kích thích. Mật độ dòng ngỡng là thông số đặc trng cho mọi laser có tính chất tốt hơn.
Trong thực tế, dòng bơm ngỡng của laser bán dẫn phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ của laser bán dẫn. Tuy nhiên do sự phụ thuộc của dòng ngỡng vào nhiệt độ rất phức tạp nên việc xây dựng một biểu thức biểu diễn mối quan hệ của dòng ngỡng (I) và nhiệt độ (T) một cách chính xác là vô cùng khó khăn, ở mỗi giá trị nhiệt độ khác nhau. Thực nghiệm đã rút ra đợc công thức biểu diễn sự phụ thuộc ấy của laser.
I ( ) = ( ) −0 1 2 1 2 exp T T T T I T th th (2.33)
trong đó Ith(T1) là các giá trị dòng ngỡng ở nhiệt độ T1, T0 là nhiệt độ đặc trng của laser diode (phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo laser và là hằng số). Vì ∆ nT và α phụ thuộc vào nhiệt độ, nên JT và tần số tại đó có sự khuếch đại cũng phụ thuộc nhiệt độ. Nh vậy để laser có dòng ngỡng ổn định thì ta phải ổn định nhiệt độ làm việc của nó.
Đặc trng công suất của laser bán dẫn chính là đờng cong biểu hiện sự phụ thuộc của công suất bức xạ vào dòng bơm chạy qua lớp chuyển tiếp p - n của laser diode. Khi dòng bơm đạt đến một giá trị ngỡng thì dao động laser bắt đầu và công suất quang ra bắt đầu tăng nhanh. Ta có thể xác định dòng ngỡng laser bằng cách cho cắt trục hoành tại một điểm. Đó chính là dòng ngỡng của laser diode.
Hình 2.21: Đặc trng công suất bức xạ phụ thuộc dòng bơm nhiệt độ
Đặc trng công suất (P-I) là một đặc trng cơ bản nhất của laser diode. Từ đây, ta có thể xác định đợc nhiều thông số cũng nh nhiều tính chất quan trọng của từng laser diode. Mỗi laser diode cho một đờng đặc trng khác nhau (do tính chất đặc điểm cấu tạo và điều kiện hoạt động quy định).
Đờng đặc trng công suất (P-I) bao gồm hai vùng tuyến tính: vùng thứ nhất tơng ứng với dòng bơm I nhỏ và vùng thứ hai là ứng với dòng bơm lớn. Nhìn vào hình vẽ biễu diễn P-I này ta tìm ra đợc dòng ngỡng bằng cách xác định nh trên. Dới ngỡng phát laser thì các laser diode chỉ phát ra huỳnh quang và hoạt động nh một LED do đó công suất ra tăng chậm (vùng thứ nhất I) mặc dù thay đổi dòng bơm tơng đối lớn. Khi qua ngỡng phát của laser thì công suất quang phát ra tăng đột ngột và sự tăng công suất phụ thuộc tăng dòng bơm vào đợc biễu diễn bằng công thức:
Pout = d (I Ith IL) q h ∆ − − 2 .η γ (2.34) trong đó: q : Điện tích electron
ηd : Hiệu suất lợng tử vi phân
hγ: Năng lợng sinh ra trong buồng cộng hởng
I : Dòng bơm qua lớp p – n
Ith : Dòng ngỡng của laser
∆IL: Lợng tăng dòng rò theo dòng bơm
Nh vậy, nếu ta tăng dòng kích một lợng ∆I thì công suất ra trong trờng hợp dới ngỡng nhỏ hơn nhiều so với trờng hợp qua ngỡng. Tính chất tuyến tính của đờng đặc trng công suất ở đoạn trên ngỡng là điều kiện cần thiết để bảo đảm việc biến đổi tín hiệu điện cần truyền thành tín hiệu quang một cách trung thực.
Hình 2.22: Đặc trng công suất phụ thuộc nhiệt độ
Đờng đặc trng P-I của laser diode phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Với cùng một laser diode, nhng ở từng nhiệt độ cụ thể khác nhau ta thu đợc các đ- ờng đặc trng tơng ứng khác nhau. Khi nhiệt độ tăng lên thì dòng ngỡng tăng theo và công suất ra ở một dòng cố định giảm đi nên các đờng đặc trng công
- Khi nhiệt độ tăng thì trong vùng tích cực lúc này xuất hiện hiệu ứng Auger, có một phần hạt tải không đóng góp vào việc phát Photon mà nó lại truyền cho dao động mạng tinh thể.
- Hiện tợng rò hạt tải ở vùng tích cực (do hạt tải phân bổ ở vùng năng l- ợng cao đi ra khỏi vùng tích cực vào lớp vỏ).
Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng cũng làm cho tần số bức xạ thay đổi. E2 giảm, lúc này hạt có năng lợng nhỏ nên tần số bức xạ bị giảm. Nhìn chung thì sự phụ thuộc công suất phát ra 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 (có thể điều chỉnh nhiệt độ bằng pin Peltier).
3.3.4: Đặc trng I - V (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đặc trng I-V là đờng nói lên sự phụ thuộc của điện thế rơi trên đờng chuyển tiếp p-n của laser bán dẫn vào dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp này. Hình vẽ (2.23) là một ví dụ về đờng đặc trng I-V của một laser diode.
Hình 2.23: Đặc trng I-V của laser
Nhìn vào hình trên ta có thể thấy rằng điện thế tăng rất nhanh với dòng kích nhỏ và khi đạt tới mức điện thế phân cực thuận rơi trên lớp chuyển tiếp p-n của laser diode thì tốc độ tăng của thế so với dòng bơm bị giảm đi do đó ta có thể thấy rằng điện trở của laser là phi tuyến phụ thuộc vào điện thế phân cực thuận đặt vào lớp chuyển tiếp p-n của laser.
Khi cha có điện áp phân cực thì điện trở của laser diode rất lớn còn khi đã đạt tới điện áp phân cực thuận thì điện trở của laser diode giảm xuống còn rất nhỏ. Khi dòng bơm đạt đến ngỡng phát laser thì điện thế rơi trên p-n chuyển tiếp sẽ bị bão hoà, tức là dòng tăng mà thế cố định. Đối với laser dải hình học đặc trng I-V cho bởi công thức:
− = exp 1 nkT qVd I I S (2.35) trong đó: Vd: Thế trên diode IS: Dòng bão hoà N: Hệ số lý tởng K: Hằng số Boltzmam T: Nhiệt độ tuyệt đối.
3.3.5. Đặc trng phổ bức xạ của laser diode
Đặc trng phổ của laser diode cũng là một đặc trng cơ bản. Trong thực tế ngời ta quan tâm đến phổ bớc sóng của một laser phát ra. Thông thờng các laser diode phát ra đợc các bức xạ có bớc sóng từ vùng gần tử ngoại cho đến vùng hồng ngoại xa và thờng dao động đến vài mode dọc (đối với các laser cấu trúc Fabry- Perot). Phổ bớc sóng của một laser bán dẫn cho biết đợc tỷ lệ cờng độ giữa các dao động dọc này. Dựa vào cấu trúc phổ của laser thì ta có thể xác định đợc độ đơn sắc của chùm laser phát ra, tính toán đợc độ rộng phổ, khoảng cách giữa các mode dọc.
Trên cơ sở đó thì ta tính toán đợc tốc độ truyền tối đa của tín hiệu thông qua laser diode đấy phát ra nhằm thiết kế một hệ thống thông tin quang tối u.
Dạng và cấu trúc của phổ laser bán dẫn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nh chiều dài buồng cộng hởng.
Hình vẽ 2.24: Quang phổ của laser chế tạo trên cơ sở vật liệu GaAlAs/GaAs
Dòng điện bơm vào lớp tiếp giáp p - n của laser; nhiệt độ làm việc (khi nhiệt độ hoạt động của laser tăng thì phổ bức xạ của nó sẽ bị dịch chuyển về b- ớc sóng dài còn khi tăng dòng bơm cho laser thì độ rộng phổ bức xạ sẽ thu hẹp lại đồng thời phổ cũng bị dịch chuyển về phía bớc sóng ngắn) với khoảng cách giữa hai mode dọc ∆λ thì độ rộng phổ là B thì số mode dọc trong một laser diode sẽ là : M = ∆Bλ. Khi đó tần số của mode thứ m đợc tính:
r m m=γ0 + ∆ γ với L c r 2 = ∆ . (2.36) Trong các laser bán dẫn, do chiều dài của buồng cộng hởng nhỏ hơn nhiều so với các loại laser khác nhng nó vẫn lớn hơn bớc sóng của laser rất nhiều. Vì vậy, theo các tính toán trên ta thấy các laser diode thờng phát nhiều mode dọc và khoảng cách giữa các mode cạnh nhau là tơng đối lớn.
Nhìn vào công thức: r cL
2
=
∆ thì ta thấy laser diode sẽ phát ra đa mode hay đơn mode tuỳ thuộc vào L (chiều dài buồng cộng hởng).Tuy nhiên, do quá trình bức xạ tự phát liên quan đến mức thăng giáng lợng tử nên ngay cả khi laser làm việc ở chế độ đơn mode dọc thì vẫn có sự mở rộng phổ.
Tóm lại: Cấu trúc phổ do laser phát ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên vấn đề ổn định mode laser diode phát ra và tăng độ đơn sắc của phổ là rất cần thiết bởi vì đối với laser diode trong module quang học thì tốc độ truyền và sự ổn định của phần phát trong hệ thông tin quang phụ thuộc nhiều vào mode laser. Nếu các mode laser càng ổn định và độ đơn sắc càng cao thì hệ thông tin truyền dẫn sẽ càng tin cậy và có tốc độ truyền cao.
3.3.6. Phân bố không gian
Trong quá trình chế tạo mode laser và chế tạo các bộ khuếch đại quang sử dụng chip laser diode bán dẫn thì một vấn đề rất đợc quan tâm đó là phân bố không gian trờng gần và không gian trờng xa của bức xạ laser. Nghiên cứu về phân bố không gian của bức xạ laser từ đó có thể tìm đợc phơng pháp ghép nối giữa chip laser (nguồn phát) vào sợi quang (đờng truyền) đạt hiệu suất cao nhất. Phân bố không gian trờng gần và trờng xa cho thấy cấu trúc mode ngang của laser và tuỳ thuộc vào cấu trúc của vùng tích cực, bức xạ laser có thể có đa mode hoặc đơn mode không gian.
Phân bố không gian trờng gần cho ta dạng cụ thể của mặt cắt chùm ra. Nếu đặt màn chắn sát bề mặt laser ta sẽ thu đợc các vết sáng mà cờng độ sáng của nó biểu thị mật độ chùm ra nhiều hay ít. Số lợng các vết sáng và sự sắp xếp vị trí không gian của các vết sang tuỳ thuộc vào kích thớc miền tích cực và công suất quang ra của laser diode. Trong thực tế, ngời ta hay quan tâm đến phân bố không gian trờng xa.
Phân bố không gian trờng xa là phân bố không gian xét ở khoảng cách lớn hơn nhiều lần so với kích thớc lớp tích cực. Đờng phân bố không gian trờng xa còn là đờng cong công suất phụ thuộc vào góc. Phân bố trờng xa sẽ cho biết độ mở góc của chùm tia laser theo hớng song song và vuông góc với lớp chuyển tiếp p – n, ngoài ra còn cho biết đợc sự phân bố bức xạ của laser diode theo góc.
Cấu trúc mode của laser với công suất phát lớn (dòng kích lớn) thì ổn định và rõ ràng hơn so với dòng kích nhỏ. Các công thức sau cho phép tính góc phân kì theo hớng vuông góc và song song với lớp tích cực.
θ⊥ = W 0 λ ; θ// = l à λ (2.37)
trong đóλ0 là bớc sóng phát của laser (àm). W bề rộng lớp tích cực (àm), l
là chiều dài lớp tích cực (àm).
Hình 2.25: Dạng chùm bức xạ laser diode (a) và phân bố công suất theo góc ứng với các giá trị công suất khác nhau sao cho trờng hợp song song
(b) và vuông góc (c) với chuyển tiếp p “ n
Nh vậy phân bố không gian của bức xạ laser phụ thuộc vào kích thớc miền tích cực. Với các laser diode có chiều dài (l) và chiều rộng (W) của tích cực bé thì góc mở của chùm bức xạ laser sẽ càng lớn. Ngoài ra, phân bố không gian còn phụ thuộc vào bớc sóng phát trung tâmλ0 của laser nên nếu công suất bức xạ của laser thay đổi khi dòng bơm cho laser thay đổi hoặc nhiệt độ của laser thay đổi thì phân bố không gian của bức xạ thay đổi theo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhìn chung thì phân bố không gian trờng gần và trờng xa đều phụ thuộc vào cấu trúc mode ngang của laser. Đờng biểu diễn phân bố không gian gần có dạng phân bố Gauss với laser diode phát đơn mode ngang và dạng Hermit – Gauss với các laser phát đa mode ngang. Nghiên cứu phân bố không gian cho phép tìm hớng lắp ghép tối u và tìm đợc dòng điện kích để số mode ngang
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