CHƯƠNG 3 : BỘ PHÁT QUANG
3.5. Các nguồn Laser bán dẫn đơn mode
3.5.1. Laser hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Laser)
Cấu trúc của laser DFB được biểu diễn trên hình 3.28.a. Quá trình cộng hưởng và chọn lọctần số xảy ra trong laser DFB được thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser. Sóng ánh sánh phát xạ trong laser lan truyền dọc theo vùng tích cực và phản xạ tại mỗi đoạn dốc của cách tử. Điều kiện để sự phản xạ và cộng hưởng cóthể xảy ra làbước sóng ánh sáng phảithỏa điều kiện Bragg [1]:
λB = 2.Λ.neff (3.22)
Trong đó, Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, neff = n.sinθ với n là chiết suất của cách tử, θ là góc phản xạ của ánh sáng (hình 3.28.b) Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra trong vùng tích cực phản xạ nhiều lần tại cách tử (khác với laser FP chỉ phản xạ tại hai mặt phản xạcủa hốc cộng hưởng). Tạimỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lượng ánh sáng bị phản xạ. Tổng hợp năng lượng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser đượcphản xạ có bước sóng thỏa điều kiện Bragg. Kết quả là, laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng có bước sóng λB thỏa điều kiện Bragg (khác với laser FP có nhiều bước sóng ánh sáng thỏa điều kiện phản xạ trong hốc cộng hưởng). Vì vậy, DFB laser chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp so với laser FP. Với đặc điểm như vậy, laser DFB đã và đang được sử dụng trong các hệthống thông tin quang có cự ly truyền dẫn dài và tốcđộ bit truyền cao.
Hình 3.28. (a) Cấu trúc của laser DFB; (b). Phản xạ tại cách tử Bragg
3.5.2. Laser phản xạ Bragg phân bố DBR (Distributed Bragg Reflector Laser)
Cấu tạo của laser DBR cũng ứng dụng cấu trúc cách tử Bragg như laser DFB. Tuy nhiên, trong laser DBR, cách tử Bragg không được đặt bên cạnh, dọc theo lớp tích cực như laser DFB. Thay vào đó, cách tử Bragg được đặt ở hai đầu vùng tích cực, đóng vai trò như gương phản xạ của hốc cộng hưởng như trong laser FP. Ưu điểm của cấu trúc này là chỉ có một bước sóng thỏa điều Bragg mới có thể phản xạ lại và cộng hưởng trong vùng tích cực thay vì nhiều bước sóng nhưlaser FP. Kết quả là, phổ của laser DBR chỉ có một mode sóng với độ rộng phổ hẹp.
Hình 3.29. Cấu trúc của laser DBR
3.5.3. Laser bán dẫn hốc cộng hưởng ghép (Coupled Cavity Semiconductor Laser)
Trong laser hốc cộng hưởng ghép, hoạt động phát xạ ánh sáng đơn mode được thực hiệnbằng cách đưa ánh sáng tới một hốc cộnghưởng ngoài (hình 3.30.a). Phần ánh sáng phản xạ được đưa ngược trở về hốc cộng hưởng của laser. Sự hồi tiếp từ hốc cộng hưởng ngoài không phải lúc nào cũng cùng pha với trường quang bên trong hốc cộng hưởng laser bởi vì có sự dịch pha xảy ra tại hốccộng hưởng ngoài. Sự hồi tiếp cùng pha xảy ra chỉ với những mode laser có bước sóng trùng với một trong các mode dài (longitudinal mode) của hốc cộng hưởng ngoài. Vì vậy, hệ số phản xạ của mặt phản xạ laser đối diện với hốc cộng hưởng ngoài trở nên phụ thuộc vào bước sóng với giảnđồ suy hao như hình 3.30.b. Mode dọc nào có bước sóng gần nhất với độ lợi đỉnh và suy hao thấp nhất của hốc cộng hưởng trở thành mode chính của laser.
Hình 3.30. (a) Laser hốc cộng hưởng ngoài (External Cavity LASER), (b) hệ
số phản xạ phụ thuộc bước sóng, (c) phổ của LASER
Hình 3.30. và 3.31. trình bày cấu trúc của 2 loại hốc cộng hưởng ghép bao gồm: laser hốc cộng hưởng ngoài (external cavity laser) và laser hốc cộng hưởng cắt (Cleaved – Cavity LASER).
Hình 3.31. Laser hốc cộng hưởng ngoài (External Cavity LASER)
Laser hốc cộng hưởng ngoài được tạo ra bằng cách đặt một cách tử phản xạ ở một phía của hốc cộng hưởng laser. Để có thể ghép ánh sáng từ hốc cộng hưởng lasertới cách tử, độ phảnxạ của mặt phản xạ laser đối diện với cách tử được làm giảm đi bằng một lớp chốngphản xạ. Loại laser này được quan tâm nhiều bởi vì khả năng thay đổi bước sóng của nó. Bước sóng của SLMmode được chọn lọc bởi cơ cấu hốc cộng hưởng ghép có thể thay đổi một khoảng rộng (khoảng 50nm) bằng cách xoay cách tử. Khả năng thay đổi bước sóng này được sử dụng trong hệ thống thông tin quang WDM. Tuy nhiên, do cấu trúc của loại laser này không nguyên khối (cấu tạo bao gồm hai phần tách biệt nhau) nên khó có thể tạo ra sự ổn định cho nguồn quang khi sử dụng trongbộ phát quang.
Hình 3.32. LASER hốc cộng hưởng cắt (Cleaved - Cavity LASER)
Laser hốc cộng hưởng cắt được tạo ra bằng cách cắt đôi một laser bán dẫn đa mode sao cho laser được chia thành hai phần có chiều dài bằng nhau và cách nhau bởi một khoảng không khí hẹp (khoảng 1μm). Độ phản xạ của mặt cắt (~30%) cho phép việc ghép ánh sáng giữa hai phần này miễn sao khoảng cách giữa hai phần không quá rộng. Loại laser này cũng có thể thay đổi bước sóng trong khoảng 20nm bằng cách thay đổi dòng điện cung cấp cho một đoạn hốc cộng hưởng hoạt động giống như bộ điều khiển mode. Tuy nhiên, các bước sóng chuyển đổi không liên tục, bước nhảy giữa hai mode cách nhau khoảng 2nm.