1.2.1. Cấu trỳc giếng lượng tử
Trong cấu trỳc dị thể kộp, độ dày trung bỡnh của cỏc lớp tớch cực là
nm
d �50�300 kết quả là thừa số giam giữ quang trong dải từ 10-70%. Mật độ trạng thỏi điện tử D(E) tăng tỉ lệ với căn của năng lượng (D(E)� E�Eg ) [6]. Nếu độ dày của miền tớch cực bị hẹp lại xuống cũn 5-10nm, hàm súng trong giếng lượng tử được lượng tử húa theo hướng thẳng đứng x, kết quả là ta cú cỏc mức năng lượng của điện tử là giỏn đoạn. Trường hợp này, mật độ trạng thỏi điện tử D(E) tăng nhảy bậc theo cỏc mức năng lượng trong giếng lượng tử. Như vậy, mật độ trạng thỏi gần với mức năng lượng thấp nhất trong giếng lượng tử là cao hơn nhiều so với mật độ trạng thỏi ở biờn của vựng năng lượng trong vật liệu khối. Mật độ cỏc hạt tải điện ở mức năng lượng E là tớch mật độ trạng thỏi D(E) và xỏc xuất bị chiếm giữ bởi điện tử fc(E,T) hoặc lỗ trống �1� fv�E,T��, cỏc xỏc suất này giảm theo hàm mũ (theo (1.15)). Vậy sự phõn bố hạt tải cho cấu trỳc laser giếng lượng tử cú giỏ trị lớn nhất lớn hơn và độ rộng vựng năng lượng nhỏ hơn.
Hỡnh 1.11: Phổ khuếch đại vật liệu g� ��0 của đơn giếng lượng tử Ga0.8In0.2As cú độ dày 8nm trong vật liệu khối ở mật độ hạt tải khỏc nhau N=2-6.1018 cm-3. Do mật độ trạng thỏi D(E) trong giếng lượng tử cao, điểm cực đại của đường cong khuếch đại gần như khụng
dịch theo bước súng. Tại mật độ điện tử cao hơn, cỏc chuyển mức gõy bởi vựng con thứ hai của giếng lượng tử đúng gúp vào sự khuếch đại (tạo ra cực đại thứ hai) [8] Do thể tớch vựng tớch cực của laser giếng lượng tử nhỏ, dũng ngưỡng thấp cú thể đạt được. Hơn nữa hệ số khuếch đại vật liệu cao hơn và sự dịch phổ của đường cong khuếch đại do hiệu ứng điền đầy là nhỏ hơn nhiều, bởi vỡ mật độ hạt tải cao hơn và phõn bố năng lượng của nú hẹp hơn. Tuy nhiờn, ưu điểm chớnh của cấu trỳc giếng lượng tử là khả năng tạo ra biến dạng trục kộp cơ học dạng nộn hoặc kộo căng. Theo cỏch này dải bước súng của vật liệu cụ thể cú thể được mở rộng vớ dụ sự tham gia của In thay cho Ga trong màng mỏng GaAs cấu trỳc giếng lượng tử gõy ra sự biến dạng nộn và cú bước súng thay đổi từ 870nm của cấu trỳc khối lờn tới 1100 nm. Điều này được minh họa bởi đường cong sự khuếch đại phổ của giếng lượng tử Ga0.8In0.2AS dày 8nm trong hỡnh 1.11 so với đường cong sự khuếch đại của vật liệu khối chỉ ra trong hỡnh 1.6. Sự tạo ra cấu trỳc giếng lượng tử mỏng và biến dạng của nú phải dưới một giỏ trị giới hạn. Bờn trờn giỏ trị này một số lượng lớn của bẫy điện tử sinh ra dẫn đến sự tỏi hợp khụng bức xạ. Trong cấu trỳc giếng lượng tử biến dạng nộn, vựng lỗ trống nặng và nhẹ được tỏch ra và khối lượng hiệu dụng của cỏc lỗ trống này trong vựng húa trị giảm xuống. Khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống là cú thể so sỏnh được dẫn đến sự đảo mật độ trạng thỏi hiệu quả hơn trong cỏc giếng lượng tử. Đặc biệt đối với cỏc laser giếng lượng tử biến
Vỡ cỏc giếng lượng tử là rất mỏng nờn sự giam giữ mốt quang là yếu. Điều này cú thể khắc phục bằng những cấu trỳc giam giữ dị thể riờng rẽ SCH, ở đú sự giam giữ quang được tạo ra bởi một cấu trỳc dẫn súng riờng rẽ. Hai vớ dụ của những cấu trỳc này được chỉ ra trong hỡnh 1.12, nếu cấu trỳc dẫn súng bao gồm một sự phõn bố hệ số phản xạ thay đổi từ từ thỡ cấu trỳc đú được gọi là GRINSCH.
Hỡnh 1.12: Cỏc cấu trỳc thẳng đứng khỏc nhau cho sự giam giữ riờng biệt của hạt tải điện và mốt quang. Đồ thị diễn tả năng lượng vựng cấm phụ thuộc vào vị trớ theo trục
thẳng đứng
1.2.2. Khỏi niệm buồng cộng hưởng quang rộng (Large Optical Cavity)
Cấu trỳc cỏc lớp và cỏc chiều của laser BA cụng suất cao và hỡnh dạng của chựm phỏt được chỉ ra trong hỡnh 1.12
Cấu trỳc dẫn súng của lớp lừi cú chiết suất cao hơn chiết suất của lớp vỏ. Miền tớch cực được tạo ra trong lớp lừi thường là một hoặc nhiều giếng lượng tử
Hệ số giam giữ cao để giảm dũng ngưỡng
Độ rộng trường gần lớn để giảm mật độ cụng suất bề mặt
Độ rộng trường gần nhỏ để giảm chiều dày tổng của lớp epitaxy, cũng như giảm nhiệt trở, điện trở.
Độ rộng trường gần lớn để đạt được sự phõn kỳ theo hướng thẳng đứng nhỏ. Suy hao quang do tỏn xạ thấp
Suy hao quang do hấp thụ hạt tải tự do thấp Mức pha tạp cao để giảm điện trở nối tiếp.
Hàng rào giam giữ hạt tải cao để đảm bảo sự giam giữ điện liờn quan tới hiệu suất nội và sự ổn định nhiệt là tối ưu.
Hàng rào thế thấp giữa cỏc lớp khỏc nhau để giảm thế rơi trờn chuyển tiếp
Hỡnh 1.13: Cấu trỳc laser cụng suất cao điển hỡnh
Hỡnh 1.13 chỉ ra cỏc dạng cấu trỳc dẫn súng khỏc nhau. Cấu trỳc dẫn súng điển hỡnh nằm ở giữa của hỡnh 1.14 tạo ra mật độ dũng ngưỡng nhỏ nhất. Sự chờnh lệch chiết suất giữa lớp lừi và lớp vỏ là tương đối lớn, độ dày của lớp lừi được tối ưu húa cho thừa số giam giữ lớn. Tuy nhiờn gúc phõn kỳ là lớn và sự phõn bố cường độ với một đỉnh lớn hơn tạo ra mật độ quang ở bề mặt lớn điều này dẫn đến cụng suất quang lối ra bị hạn chế. Khi sự giảm dũng ngưỡng của laser diode CSC khụng phải là vấn đề ưu tiờn, sự nghiờn cứu cỏc cấu trỳc dẫn súng khỏc cú nhiều hứa hẹn. Hai vớ dụ được chỉ ra bờn phớa trỏi và phải của cấu trỳc núi trờn ở hỡnh 1.14. Cả hai cấu trỳc này được đưa ra để thu được độ rộng mode quang lớn hơn. Cấu trỳc thứ nhất cú thừa số giam giữ quang tương đối cao, nhưng trường quang xuyờn sõu vào trong lớp vỏ. Cấu trỳc cũn lại tăng được độ rộng lừi và giảm chờnh lệch chiết suất giữa lớp lừi và lớp vỏ.
Sự tiếp cận sau cựng được bàn luận ở đõy, được gọi là LOC với lớp dẫn súng được mở rộng dẫn đến trường gần cú phõn bố xấp xỉ dạng gauss. Trong trường hợp
này thừa số giam giữ quang và mật độ cụng suất bề mặt là nhỏ nhất. Hơn nữa phõn bố cường độ cú dạng tự hơn, năng lượng được truyền trong lớp vỏ là rất nhỏ, bởi vậy lớp vỏ cú thể được pha tạp tương đối mạnh và được chế tạo cú kớch thước mỏng. Điều này dẫn đến nhiệt trở là nhỏ. Suy giảm thấp cho phộp chỳng ta chế tạo buồng cộng hưởng dài trong dải 2 mm mà vẫn giữ được hiệu suất ngoại cao. Sự phõn kỳ theo phương thẳng đứng là do sự chờnh lệch chiết suất giữa lớp vỏ và lớp dẫn súng. Một cấu trỳc dẫn súng khả thi phụ thuộc vào thành phần vật liệu và độ dày của cỏc lớp epitaxy tạo thành lớp dẫn súng cũng như cỏc lớp vỏ.
Hỡnh 1.14: Cấu trỳc dẫn súng thẳng đứng, và sự tớnh toỏn phõn bố cường độ trường gần cho laser bỏn dẫn
Laser BA là laser phỏt cạnh, vựng phỏt ở mặt trước cú hỡnh dải rộng. Do sự bất đối xứng của vựng phỏt, tớnh chất chựm theo hai hướng là khỏc nhau:
Độ lớn theo hướng thẳng đứng là đủ nhỏ cỡ một vài àm để tạo được sự dẫn đơn mốt. Do khẩu độ số nhỏ, sự phõn kỳ theo hướng này là tương đối nhanh nờn trục theo hướng này cũn được gọi là trục nhanh (fast axis).
kỳ theo hướng này là nhỏ hơn so với hướng thẳng đứng (thụng thường là 5-10o FWHM).