2.1.1. Phương pháp và kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser bán dẫn vùng 670nm
Chúng tôi sử dụng laser bán dẫn công suất cao dạng taper phát ở vùng bƣớc sóng 670 nm. Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn đƣợc chế tạo bằng công nghệ epitaxy pha hơi lắng đọng thành phần kim loại, hữu cơ MOVPE (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy). Các lớp vật liệu bán dẫn của cấu trúc laser mô tả nhƣ trên hình 2.1. Lớp tích cực của chip laser là một giếng lƣợng tử đơn GaInP nằm giữa các lớp dẫn sóng AlGaInP. Lớp vỏ (cladding) phần pha tạp loại n sử dụng vật liệu AlInP, trong khi phần pha tạp loại p lại sử dụng vật liệu AlGaAs. Lớp vỏ AlGaAs này có ƣu điểm là giúp tăng nồng độ hạt tải và cho phép thay thế tạp kẽm (Zn) loại
p bằng tạp các bon (C) với nồng độ pha tạp cao hơn. Cấu trúc epitaxy này của chip
laser bán dẫn 670 nm đƣợc nuôi trên đế đơn tinh thể GaAs, dạng phiến có đƣờng kính 3, 4 inh. Phiến chứa cấu trúc laser này sẽ đƣợc đƣa vào công đoạn xử lý (quang khắc, ăn mòn) để tạo cấu trúc hình học của lase. Sau khi các laser đã hình thành cấu trúc hình học trên phiến. Phiến bán dẫn có cấu trúc laser này phủ kim loại lên cả hai mặt làm điện cực (Ni/Ge/Au – Ti/Pt/Au) phiến này cắt thành các thanh rộng bằng chiều dài buồng cộng hƣởng của lase, sau đó các thanh phủ lớp chống phản xạ tạo gƣơng cho mặt trƣớc và sau của lase. Các thanh cắt thành chíp lase đơn trƣớc khi đƣa vào đóng gói laser sẽ mô tả ở mục 2.1.2
Hình 2.1. Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn 670 nm
2.1.2. Phương pháp và kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser công suất cao 670 nm
Chíp laser diode đƣợc hàn lên một đế đồng vừa để định vị vị trí của chíp laser vừa để tản nhiệt cho nó. Chíp laser đƣợc hàn ở giữa đế đồng sao cho mặt phát bức xạ của chíp phải nằm sát mép và song song với mặt thẳng đứng của đế để tránh
Mặt tiếp xúc Phần dẫn sóng Miền tích cực Phần dẫn sóng Đế Lớp vỏ
bị ảnh hƣởng của cạnh đế lên bức xạ laser. Đế kim loại đƣợc chế tạo từ đồng đỏ, bề mặt đƣợc mài và đánh bóng, sau đó đƣợc phủ bằng một lớp In bằng phƣơng pháp bốc bay chân không. Chíp laser diode đƣợc hàn ở giữa tấm đồng, nhƣng một mặt buồng cộng hƣởng phải song song với mặt đứng của tấm đồng và phải nằm sát mép của tấm đồng để tránh bị ảnh hƣởng của cạnh tấm đồng lên chùm laser. Bên cạnh chíp laser diode là một tấm cách điện (có thể là Si có điện trở lớn hoặc Si tan cách điện) một mặt đƣợc hàn xống tấm đồng mặt kia đƣợc phủ công tắc vàng. Trên công tắc này có các dây vàng ɸ = 25µm đƣợc hàn với laser diode bằng công nghệ hàn ép nhiệt. Đầu kia của dây vàng hàn lên mặt tấm cách điện, đã có phủ một lớp vàng dùng làm điện cực phụ cũng với công nghệ hàn tƣơng tự. Trên tấm điện cực phụ có hàn phiến điện cực nối ra điện cực ngoài nhƣ hình 2.2.
Hình 2.2: Mô hình chíp laser được hàn trên đế đồng
Tất cả các quy trình hàn: Hàn đế laser lên đế tản nhiệt, hàn đế tản nhiệt vào vỏ, hàn điện cực laser và đóng vỏ laser đều đƣợc thực hiện trong môi trƣờng sạch. Với điều kiện này, các lớp vật liệu không bị oxi hóa khi hàn ở nhệt độ cao (ở 1800
) đảm bảo sự kết dính giữa các linh kiện cần hàn, đảm bảo sự tản nhiệt cho laser và tăng tuổi thọ cho linh kiện.
Tất cả các chíp laser trƣớc khi đƣa vào đóng vỏ qua các khâu kiểm tra sau: - Độ sạch của hai mặt buồng cộng hƣởng (trƣớc và sau).
- Đo điện trở thuận Rth.
- Đo điện trở nghịch Rng thƣờng thì giá trị này phải có Rng vô cùng lớn. Cấu trúc hình học của chip laser bán dẫn cấu tạo nhƣ mô tả trên hình 2.3 chip có độ dài tổng cộng 2 mm, trong đó, phần dẫn sóng chiết suất dạng gò (ridge- wave guide) có độ dài 0,75 mm và phần taper khuếch đại quang có độ dài 1,25 mm. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hai loại laser taper với góc mở của taper () là 3o và 4o. Chíp laser Dây vàng Tấm cách điện Đế đồng
Hình 2.3 : Cấu trúc taper, với L1 là độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải của taper, w1 độ rộng vùng tạo dao động
Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper
2.1.3. Các thông số kỹ thuật chính của laser taper được nghiên cứu
Cấu trúc hình học của chip laser bán dẫn cấu tạo nhƣ mô tả trên Hình 2.3: chip có độ dài tổng cộng 2 mm, trong đó, phần dẫn sóng chiết suất dạng gò (ridge- wave guide) có độ dài 0,75 mm và phần taper khuếch đại quang có độ dài 1,25 mm. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hai loại laser taper với góc mở của taper () là 3o
và 4o. Mặt trƣớc laser (mặt phát) đƣợc phủ lớp chống phản xạ với hệ số phản xạ Rf ~ 1%, mặt sau laser đƣợc phủ màng phản xạ cao với hệ số phản xạ Rf ~ 95%. Công suất của laser này từ 0,5W cho đến 1W.
Ví dụ thông số kỹ thuật của laser teper
Bảng 2.1: Giá trị giới hạn của laser taper
Tham số Ký hiệu Đơn vị min max
Dòng thuận IF A 1,2
Thế ngƣợc VR V 0
Công suất ra Popt W 0.6
Bảng 2.2: Thông số hoạt động tối ƣu của laser taper
Tham số Ký hiệu Đơn vị min max
Nhiệt độ TC 0C 5 40
Dòng thuận IF A 1.0
Công suất ra Popt W 0.5
Bảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser Teper ở 250C
Tham số Ký hiệu Đơn vị min typ max
Bƣớc sóng trung tâm λC nm 665 670 675
Độ rộng đạt đƣợc ∆λ nm 3
Hệ số biến đổi bƣớc sóng dλ/dT nm/K 0,25
Công suất ra với dòng 1A Popt W 0,5
2.2. Hệ ổn định và điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công suất cao cao
Nhiệt độ có ảnh hƣởng rất lớn tới các đặc trƣng, hiệu suất và thời gian sống của laser. Để laser hoạt động ổn định, đảm bảo hiệu suất và sử dụng lâu dài, ta phải đảm bảo cho laser hoạt động ở một nhiệt độ ổn định. Chính vì vậy bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn là rất cần thiết. Có rất nhiều phƣơng pháp ổn định nhiệt độ cho laser hoạt động. Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày về bộ ổn định nhiệt độ sử dụng peltier-làm mát nhiệt điện TEC (thermo-electric cooling)
2.2.1. Nguồn nuôi và điều khiển pin Peltier
Nguồn sử dụng trong hệ đo là nguồn Thorlabs ITC4005. Đây là thiết bị vừa cấp đƣợc dòng cho laser và có hệ thống điều khiển dòng cho peltier. Phần cấp dòng cho laser có công suất 50W, điện áp cao nhất 10V, dòng bơm tối đa 5A. Bƣớc chia nhỏ nhất 1mA với sai số 1%. Bên cạnh đó thiết bị còn làm việc đƣợc ở 2 chế độ liên tục và xung. Ở chế độ xung cho phép điều khiển độ rộng xung từ 1 đến 100%, tần số từ 1 đến 1MHz. Phần cấp dòng của thiết bị tƣơng thích với tất cả các laser bán dẫn và các cấu hình photodiode giám sát có chế độ dòng điện liên tục (constant current) hoặc công suất không đổi (constant power). Thiết bị có chế độ chống quá áp, quá dòng, chống ngƣợc cực nên rất an toàn khi sử dụng với laser bán dẫn. Phần điều khiển nhiệt độ của thiết bị tƣơng thích với hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến, và thích nghi với các tải nhiệt khác nhau thông qua bộ điều khiển PID kỹ thuật số. Nó cung cấp chức năng tự động điều chỉnh PID hoặc điều khiển riêng các thông số P, I và D. Ổn định nhiệt độ với sai lệch 0,002°C trong khoảng thời gian 24 giờ. Hình 2.5 là nguồn Thorlabs ITC4005
Hình 2.5: Nguồn nuôi laser ITC4005.
2.2.2. Hệ pin nhiệt điện và đế tỏa nhiệt cho laser công suất cao
Nguyên tắc hoạt động của hệ pin nhiệt điện nhƣ sau:
- Tại mặt tiếp giáp lạnh, năng lƣợng (nhiệt) đƣợc hấp thu bởi điện tử khi chúng chuyển từ mức năng lƣợng thấp trong thành phần bán dẫn loại p tới một mức năng lƣợng cao hơn trong thành phần bán dẫn loại n.
- Nguồn nuôi cho pin lạnh cấp một năng lƣợng để chuyển rời điện từ qua hệ thống. - Tại mặt tiếp giáp nóng, năng lƣợng đƣợc tiêu tán trên tấm tỏa nhiệt khi điện tử chuyển rời từ thành phần có mức năng lƣợng cao (loại n) tới thành phần có mức năng lƣợng thấp (loại p).
Hình 2.6: Pin nhiệt điện Peltier
Nguyên tắc đo nhiệt độ một hệ thống làm lạnh TEC sử dụng một cặp nhiệt điện tiêu chuẩn. Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau về bản chất hóa học và đƣợc hàn với nhau ở hai đầu, điển hình là đồng - constantan, theo cách này hai tiếp giáp đƣợc tạo thành. Một tiếp giáp đƣợc giữ tại nhiệt độ tham chiếu, trong khi tiếp giáp còn lại đƣợc gắn tới vật đƣợc đo. Hệ thống đƣợc sử dụng khi hở mạch tại một điểm nào đó và điện áp sinh ra đƣợc đo. Ngƣợc lại, ta tƣởng tƣợng có một
năng lƣợng điện đƣợc đặt vào một cặp tiếp giáp trên cố định làm cho một tiếp giáp trở nên lạnh trong khi tiếp giáp còn lại trở nên nóng.
Pin nhiệt điện (hình 2.6) đƣợc làm từ hai thành phần bán dẫn, cơ bản là Bismuth Telluride, đƣợc pha tạp mạnh để tạo ra hoặc là thừa điện tử (loại n) hoặc là thiếu điện tử (loại p). Nhiệt hấp thu tại mặt lạnh đƣợc bơm tới mặt nóng tại một tốc độ tƣơng ứng với dòng qua mạch và số cặp nhiệt điện.
Nhƣ vậy, thiết bị làm lạnh nhiệt điện là dựa trên hiệu ứng Peltier, mà sự chênh lệch nhiệt độ ΔTmasđƣợc tạo ra giữa những bề mặt của những vật liệu khác nhau cấu thành nên một pin Peltier khi một dòng điện Imax chạy qua chúng. Thêm vào đó, nếu tồn tại một vật tỏa nhiệt đặt trên mặt lạnh của pin Peltier có công suất nhiệt Pth, công suất nhiệt này sẽ đƣợc chuyển tới mặt nóng của pin Peltier. Quá trình này kèm theo sự giảm chênh lệch nhiệt độ tới ΔT < ΔTmas. Kết hợp n pin Peltier bằng cách kết nối chúng nối tiếp về điện và song song về nhiệt, ta sẽ thu đƣợc một module peltier hoặc bộ làm lạnh nhiệt điện (TEC), module Peltier này có thể truyền công suất nhiệt nhiều hơn n lần so với pin peltier đơn tại cùng một chênh lệch nhiệt độ. Điều kiện ΔT = 0 tại dòng hoạt động của pin Peltier I = Imax đƣợc định nghĩa là công suất nhiệt lớn nhất Pth,max mà có thể đƣợc hấp thụ tại mặt lạnh của module Peltier.
Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điện Peltier
Ngƣợc lại với chất dẫn nhiệt tự nhiên, hƣớng của dòng nhiệt bên ngoài qua module Peltier là song song với gradien nhiệt đƣợc tạo ra trong điều kiện
Pth< Pth,max. Trong điều kiện này hoạt động thuận lợi này của TEC, trở kháng nhiệt của module peltier là âm:
Do đó, việc đƣa thêm vào module Peltier trong đƣờng dẫn nhiệt của một hệ thống dẫn lạnh, trở kháng nhiệt có thể đƣợc giảm xuống đáng kể. Ví dụ của một hệ thống làm lạnh tăng cƣờng nhƣ trên hình 2.7. Mặc dù nhiệt độ xung là 30o
C, laser có thể vẫn hoạt động tại 55oC. Nếu không có sự hỗ trợ của TEC, nhiệt độ xung quanh phải thấp hơn 10oC. Một thuận lợi thứ hai của một TEC là nó có thể điều chỉnh đƣợc. Cảm biến nhiệt độ ghi lại nhiệt độ của laser diode trên đế tản nhiệt, giá trị điện thế trên cảm biến có thể đƣợc sử dụng nhƣ tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển nhằm điều chỉnh dòng qua pin Peltier để thiết lập nhiệt độ laser mong muốn.
Sự chênh lệch nhiệt độ đạt đƣợc giữa mặt nóng và mặt lạnh của Peltier module có thể đƣợc xác định từ các thông số của linh kiện TEC với dạng tổng quát nhƣ sau
f, g là hàm của I/Imax phụ thuộc vào hệ số chất lƣợng nhiệt điện bên trong. Ví dụ, tại I = Imax thì f = 0 và g = 1. Trong khi sự chênh lệch nhiệt độ đƣợc cố định cho mỗi cấu hình bộ làm lạnh TEC cho sẵn, thì nhiệt độ của mặt nóng TH và mặt lạnh Tc là không cố định. Những nhiệt độ này phụ thuộc rất nhạy vào trở kháng nhiệt mặt nóng của hệ thống, bởi vì tại mặt nóng của module Peltier cả công suất nhiệt Pth của laser diode và công suất điện toàn bộ PPe của TEC cần đƣợc tiêu tán.
Vì công suất nhiệt có thể vận chuyển hay tiêu tán lớn nhất Pth,max tỉ lệ thuận với số module Peltier N và điện trở nhiệt mặt nóng giảm xuống khoảng 1/N nên công suất nhiệt lớn của laser có thể đƣợc tiêu tán bằng cách tăng số module Peltier. Trên hình 2.7 là cấu trúc của một bộ ổn định nhiệt độ sử dụng module Peltier với sự thông gió hỗ trợ bằng quạt điện. Nhiệt độ và điện trở nhiệt của từng phần bộ ổn định nhiệt độ cũng đƣợc chỉ ra trên hình 2.7.
2.3. Phƣơng pháp đo đặc trƣng quang điện của laser bán dẫn công suất cao
2.3.1. Đặc trưng I-V
Đặc trƣng I-V của laser đƣợc đo sử dụng các thiết bị chính dƣới đây: Để kiểm tra, đặt chế độ hoạt động của laser ta dùng nguồn Thorlabs ITC4005 dùng với dải dòng cấp 0 – 5A cho laser diode, ổn định dòng 0,1% ; dải cấp dòng cho pin Peltier (TEC) -15A ÷ +15A, độ ổn định nhiệt độ 0,20C. Dùng máy này nhằm đặt dòng ngƣỡng cho laser, bảo vệ laser khỏi hỏng laser bán dẫn khi là việc.
Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser.
Tín hiệu quang đƣợc đƣa đến đầu thu photodiode đặt ngay sau laser để thu toàn bộ bức xạ laser (hình 2.8), đầu thu nối với máy đo công suất. Máy đo công suất dùng máy đo công suất dải rộng Melles Griot 13 PEM001. Laser đƣợc cấp dòng liên tục, ổn định nhiệt độ bằng pin peltier. Chúng tôi sử dụng thí nghiệm với các thành phần đƣợc mô tả nhƣ hình 2.8 để đo đặc trƣng I-V của laser 670 nm phát ở chế độ liên tục.
2.3.2. Đặc trưng P-I
Đặc trƣng cơ bản nhất của laser bán dẫn nói chung và laser bán dẫn công suất cao nói riêng là đƣờng biểu diễn sự phụ thuộc của công suất bức xạ laser vào dòng bơm chạy qua lớp chuyển tiếp p-n (hay còn gọi là đƣờng đặc trƣng P-I). Thông số đặc trƣng này có thể xác định đƣợc nhiều thông số cũng nhƣ nhiều tính chất quan trọng của laser. Đƣờng đặc trƣng P-I cho chúng ta biết ngƣỡng phát của laser cũng nhƣ dòng bơm cần đặt vào chuyển tiếp p-n để có một công suất bức xạ nhất định.
Do đặc trƣng của từng loại laser mà chúng thực hiện đo đạc ở chế độ khác nhau là chế độ liên tục với laser phát bƣớc sóng 670 nm. Chúng tôi sử dụng thí nghiệm với các thành phần đƣợc mô tả nhƣ hình 2.8 để đo công suất dòng bơm của laser 670 nm phát ở chế độ liên tục.
2.4. Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao
Hình 2.9 sơ đồ đo phổ của laser. Nguồn cấp dòng bơm cho laser và cấp dòng cho bộ điều khiển peltier (TEC), thấu kính phi cầu có tiêu cự 8 mm hội tụ các bức
Máy đo công suất quang dải rộng
Melles Griot 13 PEM001
Laser
Nguồn nuôi Thorlabs ITC4005 Đầu thu
photodiod Laser đƣợc cố định trên pin
xạ laser vào sợi quang đƣa tới máy phân tích phổ quang spectrum analyzer Advantest Q8384 OSA (Hình 2.10) độ phân giải của máy 0,02 nm. Laser, thấu kính, và sợi quang đƣợc đặt trên một hệ thống bàn vi dịch chuyển để điều chỉnh thu tín hiệu phổ cao nhất.
Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ của laser
Hình 2.10: Máy phân tích phổ quang Advantest Q8384 OSA
2.5. Phƣơng pháp khảo sát tính chất chùm tia của laser taper
Phƣơng pháp khe hẹp (slit method)
Mục đích là tạo ra một khe hẹp đủ nhỏ để đo phân bố cƣờng độ của chùm theo vị