I Vu điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang
3.2.2.Quá trình bơm
3. Diode phát quang, khuếch đại laser và diode laser (LD)
3.2.2.Quá trình bơm
3.2.2.1. Bơm quang học
bán dẫn hấp thụ, sinh ra các cặp hạt tải e - h. Các e và h đợc sinh ra sẽ chuyển dịch về đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hoá trị. Nếu thời gian hồi phục bên trong vùng ngắn hơn nhiều so với thời gian hồi phục giữa các vùng - vùng, thì sẽ tạo ra đảo độ c trú, tạo ra điều kiện phát ra ánh sáng kết hợp.
Hình 2.16: Phơng pháp bơm quang học cho khuếch đại laser bán dẫn 3.2.2.2. Bơm bằng dòng điện
Quá trình bơm này thờng đợc dùng để phun cặp e - h vào lớp chuyển tiếp PN pha tạp mạnh. Khi bơm dòng điện các mức chuẩn Fermi sẽ cách nhau xa hơn, sao cho đảo đợc độ c trú mạnh xảy ra sự khuếch đại ánh sáng trong dải năng lợng Eg < hν < Efc - Efν . ở trong toàn miền tích cực chiều dài l của miền quang hạt trong vùng chuyển tiếp là một thông số quan trọng, về cơ bản nó đợc xác định bởi chiều dài khuếch tán của hạt tải thiểu số ở cả 2 phía của lớp chuyển tiếp.
Giá trị của miền quang hoạt l trong laser chế tạo từ InGaAsP có độ lớn cỡ 1 đến 3àm. Nếu có một dòng điện có cờng độ là i đi qua diện tích A =
Wd, với W và d là chiều rộng và chiều dài của dụng cụ và thể tích V = lA. Khi đó tốc độ phun hạt tải trong trạng thái dừng sẽ là:
n
∆ =τR=elAiτ =elτ J (2.29)
Vì nồng độ hạt tải đợc phun vào tỷ lệ thuận với mật độ dòng điện phun, nên biểu thức (2.29) có thể viết nh sau:
− = 1 J J T α γp (2.30)
trong đó JT là mật độ dòng ngỡng, tại đây chất bán dẫn bắt đầu chuyển hẳn sang trạng thái trong suốt. JT có giá trị:
JT = ∆ T r i n el τ η (2.31)
Sơ đồ bơm bằng dòng điện và γp phụ thuộc vào J đợc trình bày trên hình (2.17).
Trờng hợp bơm dòng điện trong khuếch đại laser cũng giống nh trong LED, tuy nhiên ta cần lu ý rằng cấu trúc của LED không cho phép khuếch đại và dao động trong vùng tích cực.
Hình 2.17: Dạng hình học của khuếch đại laser bán dẫn bơm bằng dòng điện (a), và sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại quang cực đại vào hàm của dòng điện (b)
- Khi J = 0 thì hệ số khuếch đại có giá trị γp= - α và nó trở thành hệ số suy giảm. - Khi J = JT thì γ = 0 vật liệu bắt đầu là trong suốt, lúc này không có khuếch đại
và không làm yếu ánh sáng. ánh sáng chỉ đợc khuếch đại khi J > JT. Chú ý là JT tỷ lệ thuận với độ dày l của lớp chuyển tiếp.
Muốn giảm JT phải làm sao cho chiều dài l của lớp quang hoạt thật mỏng. Đây là vấn đề quan trọng khi thiết kế bộ khuếch đại và các laser bán dẫn. Muốn chế tạo đợc các lớp quan hoạt thật mỏng cần phải sử dụng khoa học công nghệ tiên tiến cao.
3.2.2.3. Những vấn đề cấp thiết thúc đẩy việc chế tạo cấu trúc dị chất
Trong phần phân tích ở trên chúng ta đã nhận thấy, nếu độ dày l của miền tích cực giảm từ 2àm xuống 0,1àm thì mật độ dòng Jt sẽ giảm rất nhiều
lần, giảm 20 lần. Vì thế đợc bơm vào giảm, nên bộ khuếch đại này có thể làm việc với mật độ dòng phun thấp hơn nhiều. Tuy nhiên, vì độ dài khuếch tán của điện tử và lỗ trống trong InGaAs vào cỡ một vài àm, nên các hạt tải sẽ có xu h-
ớng khuếch tán ra phía ngoài miền có thể tích nhỏ hơn. Vấn đề đặt ra là có cách nào có thể giữ các hạt tải ở trong một miền tích cực có độ dày nhỏ hơn độ dài khuếch tán của chúng không?. Điều này có thể đạt đợc bằng cách sử dụng chuyển tiếp với cấu trúc dị chất. Các dụng cụ này cũng có thể giữ đợc tia sáng trong miền tích cực có chiều dày nhỏ hơn bớc sóng của nó. Đặc điểm đó sẽ làm cho dụng cụ có nhiều u điểm quan trọng khác. Tuy nhiên điều quan trọng hơn trong vấn đề này là khi giảm giá trị dòng ngỡng thì sẽ rất tiện lợi, đứng về mặt tiêu thụ năng l- ợng, giải quyết nguồn năng lợng cung cấp bằng pin và tiếp đó có thể tích hợp các bộ khuếch đại hay laser vào trong các mạch tích hợp.