I Vu điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang
3.2.3.Cấu trúc dị chất
3. Diode phát quang, khuếch đại laser và diode laser (LD)
3.2.3.Cấu trúc dị chất
Để có thể giữ các hạt tải ở trong một miền tích cực có độ dày nhỏ hơn độ dày khuếch tán của chúng, ta có thể sử dụng chuyển tiếp với cấu trúc dị chất. Dụng cụ này có thể giữ đợc tia sáng trong một miền tích cực có chiều dài nhỏ hơn bớc sóng của nó. Sau đây ta xét một số nội dung cơ bản cấu trúc dị chất:
3.2.3.1. Đặc điểm của khuếch đại laser có cấu trúc dị chất kép
Một tiếp giáp PN chế tạo từ một vật liệu hợp chất bán dẫn với hai loại dẫn p và n sẽ tạo nên một tiếp giáp PN đơn.
Thí dụ: Tiếp giáp PN Si, tiếp giáp PN GaAs… Khi tiếp giáp PN chế tạo từ hai vật liệu hợp chất bán dẫn có vùng cấm khác nhau sẽ tạo ra tiếp giáp dị chất.
Tiếp giáp PN dị chất kép có thể là cấu trúc PN-N hay NN-P ở đó 3 lớp bán dẫn thông thờng có độ lớn vùng cấm khác nhau tạo nên chuyển tiếp PN cấu trúc dị chất kép.
Hình 2.18: Cấu trúc của tiếp giáp dị chất, giản đồ vùng năng lợng và hệ số chiết suất n là làm vị trí của cấu trúc dị chất bán dẫn
3.2.3.2. Sự giam hạt tải và giam photon trong cấu trúc dị chất kép
Trên hình vẽ (2.19). Chúng ta có thể nhìn thấy cấu trúc của hai loại tiếp giáp PN phát ra ánh sáng (có thể là cấu trúc của LED hoặc LD). Hình (2.19a) mô
ợng khi phân cực thuận, giá trị chiết suất theo không gian của các lớp và mật độ ánh sáng phát ra. ánh sáng phát ra trong một diện tích không gian rộng, không tập trung. Nếu cấu trúc này sử dụng trong laser thì ánh sáng này bao gồm rất nhiều mode. Hình (2.19.b) biểu thị cấu trúc tiếp giáp PN dị chất kép. Hệ số chiết suất trong miền này cũng rất lớn so với hai miền bên cạnh. Hạt tải điện tập trung trong một miền hẹp nh thế này nên mật độ có thể rất cao.
Mặt khác, vì có chiết suất lớn nên khi các hạt tải tái hợp phát ra photon, các photon này lọt ra hai miền bên cạnh, ta nói các photon bị giam trong miền tích cực này cho đến khi có đủ độ lớn thì chúng phát ra ngoài. ánh sáng phát ra trong một thể tích hẹp nên rất mạnh và sắc nét. Ngời ta đa vào khái niệm hệ số giam ánh sáng theo định nghĩa, đó là tỷ số mật độ ánh sáng trong miền tích cực trên tổng số mật độ ánh sáng có trong miền tích cực và ở ngoài miền tích cực.
Hệ số giam ánh sáng đợc cho bởi biểu thức sau:
Γ≅1−exp(−C∆nd) (2.32)
trong đó C là hằng số, ∆n là hiệu suất giữa miền tích cực và miền ngoài bao quanh, d là chiều dài miền tích cực. Trong trờng hợp cấu trúc dị chất kép thì Γ≈1.
Trong cấu trúc dị chất kép những hàng rào thế dị chất ở hai phía lớp chuyển tiếp PN tạo một giếng thế năng, giếng thế năng này sẽ hạn chế hạt tải thiếu số khuếch tán ra ngoài. ánh sáng đợc khuếch đại cũng có thể đợc giam trong miền tích cực nếu nh chiết suất của hai miền này lớn hơn đáng kể so với miền xung quanh. Cấu trúc nh thế này có tác dụng nh một ống dẫn sóng ánh sáng.
Hình 2.19: So sánh một số đặc tính của cấu trúc tiếp giáp PN đơn (a) và cấu trúc PP-N dị chất kép (b). Hàng trên cùng là cấu trúc linh kiện, sau đó là giản đồ năng lợng, hệ số chiết suất dọc theo các lớp và độ rộng ánh sáng phát ra
Cấu trúc dị chất kép (Double Hetrojunction) gồm 3 lớp làm từ vật liệu khác nhau, nhng gần nhau về mạng tinh thể. Hình (2.17) biểu thị cấu trúc này:
Lớp 1: Loại p, có Eg1, n1. Lớp 2 : Loại p-, có Eg2, n2. Lớp 3: Loại n, có Eg3, n3.
Các vật liệu đợc chọn sao cho Eg1,Eg3 > Eg2 để có thể giam hạt tải, giá trị n2 > n1và n3 để giam ánh sáng. Lớp quang hoạt (lớp) đợc làm rất mỏng (0,1
ữ 0,2)àm, nhằm làm giảm thiểu mật độ dòng JT và làm tăng hệ số khuếch đại
p
Những u điểm chính của cấu trúc dị chất kép là:
- Khuếch đại tăng vì độ dày lớp tích cực giảm, các hạt tải thiểu số đã đợc phun vào bị giam trong miền tích cực mỏng giữa 2 rào thế cản trở sự khuếch tán sang các lớp xung quanh.
- Khuếch đại tăng vì ánh sáng bị giam trong lớp quang hoạt là do chiết suất của lớp này lớn hơn. Môi trờng miền tích cực có tác dạng nh một ống dẫn sóng.
- Sự mất mát giảm vì lớp 1 và lớp 3 không thể hấp thụ photon do vùng cấm của chúng lớn hơn năng lợng photon: hν = Eg2< Eg1, Eg3.
Thí dụ: Khuếch đại laser diode cấu trúc dị chất kép AlGaAs/ GaAs các lớp xung quanh (1 và 3) đợc chế tạo từ AlxGa1-xAs với Eg > 1,34eV và chiết suất n < 3,6 ( từ 5 ữ 10%). Khuếch đại này làm việc trong vùng bớc sóng từ (0.82 ữ 0,88)àm nếu sử dụng AlGaAs hợp thức với x = 0,35 - 0,5.