b. Hốc cộng hưởng của laser sợi quang
Để tạo ra một hốc cộng hưởng laser với những sợi quang, cần một số gương phản xạ để hình thành một hốc cộng hưởng tuyến tính, hay là tạo nên một nguồn sáng laser chiếu trong sợi quang được nắn thành vòng tròn. Nhiều loại gương phản xạ khác nhau được dùng trong hốc cộng hưởng laser sợi quang tuyến tính.
Hình 3.7 Một laser đáp ứng cực nhanh sử dụng sợi EDF
Trong những thí nghiệm đơn giản, những gương điện mơi bình thường có
thể được dùng để làm cho ánh sáng phát ra từ đầu cuối sợi quang phản xạ vng góc, như được chỉ ra ở hình 3.7. Nhưng phương pháp này tỏ ra ít bền vững nên nó ít sử dụng trong thực tế.
Sự phản xạ Fresnel từ một mặt cuối sợi quang thường là đủ cho bộ nối đầu
ra của một laser sợi quang như hình 3.7.
Cịn có thể lưu lại những lớp phủ điện môi một cách trực tiếp lên những
đầu cuối sợi quang, thường là sử dụng một số phương pháp bay hơi. Những lớp phủ như vậy có thể dùng để nhận ra những tính phản xạ trong một phạm vi rộng.
Đối với những sản phẩm thiên về tính thương mại, thường sử dụng cách tử
thấy một laser phản hồi phân bố (DBR laser) với hai sợi cách tử nhưng nó lại là laser hồi tiếp phân bố với một cách tử trong sợi bơm pha dịch chuyển ở giữa.
Hình 3.8 laser sợi quang DBR với độ rộng phổ hẹp
Điều tốt hơn trong khả năng điều chỉnh nguồn chuẩn phát ra trong sợi với
một thấu kính và phản xạ lại trong gương điện mơi (hình 3.9). Mật độ phản xạ của gương sẽ giảm đáng kể do diện tích chùm ánh sáng quá rộng. Tuy nhiên một điều chỉnh nhẹ có thể làm giảm đáng kể độ phản xạ đó, cũng có thể khắc phục bằng cách dùng phản xạ Fresnel cuối sợi quang đưa vào bộ lọc.
Hình 3.9 Đầu ra khi nguồn quang đi quang thấu kính và gương
Cường độ trên gương phản xạ sau đó được giảm đi rất lớn bởi vì phạm vi
tia lớn hơn nhiều. Tuy nhiên, sự lệch đồng chỉnh khơng đáng kể có thể gây ra sự tổn hao phản xạ đáng kể, và sự phản xạ Fresnel thêm vào ở đầu cuối sợi quang có thể tạo ra những hiệu ứng lọc và những thứ giống thế. Những hiệu ứng sau cùng có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng những đầu cuối sợi quang tách góc, tuy nhiên nó tạo ra những mất mát cực hướng phụ thuộc.
Một phương pháp chọn khác là tạo dạng một gương vịng sợi quang như
hình 3.10, dựa vào một bộ ghép sợi quang và vài đoạn sợi quang thụ động.
Hầu hết những laser sợi quang được kích thích bởi một hay một vài laser diot ghép sợi quang. Ánh sáng kích thích có thể được ghép một cách trực tiếp vào lõi.
Những laser sợi quang công suất cao
Trong khi những laser sợi quang đầu tiên chỉ có thể tạo ra một vài mW cơng suất đầu ra, giờ đây đã có những laser sợi quang cơng suất lớn với cơng suất đầu ra là hàng trăm W, thậm chí vài kW từ một sợi quang đơn. Điện thế này phát sinh ra do một hệ số mặt trên toàn khối cao và hiệu ứng dẫn.
Những laser sợi quang chuyển đổi tăng dần
Hình 3.11 Mức Tm3+ trong sợi ZBLAN
Sử dụng laser sợi quang là phù hợp nhất để thực hiện laser chuyển đổi tăng dần, vì những laser này thường phải tác dụng một cách tương đối lên sự chuyển tiếp laser đòi hỏi những cường độ kích thích cao. Trong một laser sợi quang, những cường độ kích thích cao như thế có thể được duy trì dễ dàng trên độ dài, để hiệu suất khuếch đại có thể thực hiện được thường làm cho nó dễ tác dụng lên những mức có hệ số khuếch đại thấp.
Trong hầu hết các trường hợp, thủy tinh ôxit silic không phù hợp để chuyển đổi tăng dần những laser sợi quang, bởi vì phương pháp chuyển đổi tăng dần địi hỏi thời gian sống tương đối dài của những cấp độ điện tử trung gian, và thời gian sống như vậy thường rất nhỏ ở những sợi quang ơxit silic vì năng lượng phonon tương đối lớn của thủy tinh ơxit silic. Vì thế, hầu hết là sử dụng những sợi quang florua kim loại nặng như ZBLAN có năng lượng phonon thấp.
Những laser sợi quang chuyển đổi tăng dần phổ biến nhất được dựa trên những sợi quang bơm Thulium để tạo ra ánh sáng xanh như trong hình 3.11, những
laser bơm Praseodymium cho đầu ra màu đỏ, cam, xanh lá hay xanh lam, và những laser bơm Erbium xanh lục.
Những laser sợi quang với độ rộng vạch phổ hẹp
Những laser sợi quang có thể được xây dựng nên để vận hành trên một kiểu dọc đơn với độ rộng vạch phổ hẹp vài kHz hay thậm chí dưới 1kHz. Để đạt được sự vận hành đơn tần số dài kỳ ổn định mà khơng có những địi hỏi q mức liên quan đến tính ổn định nhiệt độ, thường phải giữ hốc cộng hưởng laser tương đối ngắn, dù một hốc cộng hưởng dài hơn về nguyên tắc sẽ phát ra nhiểu pha nhỏ hơn và vì lẽ đó mà độ rộng vạch phổ bé hơn. Những đầu cuối sợi quang có cách tử sợi quang Bragg băng thơng hẹp thường chọn một kiểu hốc cộng hưởng đơn. Cơng suất đầu ra điển hình là vài mW đến vài chục mW, mặc dù những laser sợi quang đơn tần số có năng lượng đầu ra xấp xỉ 1W.
Ta xét là laser phản hồi phân bố (DFB laser), mà toàn bộ hốc cộng hưởng laser bị nén lại trong một cách tử sợi quang Bragg với sự dịch chuyển pha ở giữa. Ở đây, hốc cộng hưởng khá ngắn, để có thể dàn xếp cơng suất đầu ra và độ rộng phổ, nhưng sự vận hành đơn tần số lại rất ổn định.
Những laser sợi quang chuyển mạch Q
Với những phương pháp chuyển mạch Q tích cực hay thụ động khác nhau, những laser sợi quang có thể được dùng để tạo ra những xung có thời khoảng xung điển hình từ vài chục đến vài trăm nanosecond. Năng lượng xung có thể đạt được với những sợi quang có kiểu vùng rộng có thể là vài mJ, trong trường hợp cực hạn là vài chục mJ, và về bản chất bị giới hạn bởi năng lượng bão hòa và bởi ngưỡng làm hại. Vì những laser sợi quang có hốc cộng hưởng tương đối dài một cách đặc trưng nên những thời khoảng xung có xu hướng dài hơn.
3.3 Laser bẫy lượng tử 3.3.1 Nguyên lí bẫy lượng tử 3.3.1 Nguyên lí bẫy lượng tử
Laser bẫy lượng tử có kết cấu tương tự như laser có kết cấu hai chất khác nhau, chỉ khác là độ dày của phần có nguồn rất mỏng. Chiều dày của lớp có nguồn trong laser có kết cấu hai chất khác nhau, thường là 0.1∼ 0.2 µm, trong khi chiều dày
tương ứng của laser bẫy lượng tử chỉ là vài chục o
Α. Phân tích lý thuyết chỉ rõ: Khi
chiều dày của phần có nguồn cực nhỏ thì dải năng lượng của hai bên dải có nguồn sẽ có hiện tượng khơng liên tục, tức là xuất hiện đột biến ở dải dẫn và dải hóa trị trên mặt giao tiếp hai chất khác nhau của phần có nguồn, từ đó phần có nguồn hẹp tạo ra bẫy thế năng cho điện tử trong dải dẫn và lỗ trống trong giải hóa trị.
Dưới đây là những phân tích về mặt tốn học để cho thấy cơ sở ngun lí của bẫy lượng tử.
Vì có một lớp tích cực rất mỏng (cỡ 50 o
Α), laser bẫy lượng tử có các mức
năng lượng rời rạc (hình 3.13). Trên thực tế thì độ dày của lớp tích cực của QW nằm
xung quanh giá trị 100 o
Α.
Theo cơ chế lượng tử thì các mức năng lượng rời rạc được viết ra như sau: Với các electron trong vùng dẫn:
e c ic m i d h E E 2 2 8 + = , i = 1, 2, 3… (3.2)
Với các lỗ trống trong vùng hoá trị:
e v jh m i d h E E 2 2 8 + = , j = 1, 2, 3… (3.3)
Trong đó: d là độ dày của lớp tích cực
me và mh và khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trống i, j là các số nguyên
+ + = ∆ h e g j i m j m i d h E E 2 2 2 2 , 8 (3.4) với Eg là độ rộng vùng cấm.
Có thể thấy rằng d càng nhỏ thì khoảng cách các mức năng lượng i, j càng lớn và sự khác nhau của các khoảng cách này cũng càng lớn. Khi d đủ nhỏ thì thành phần thứ hai trong vế phải biểu thức 3.4 đủ lớn để có thể ảnh hưởng tới ∆Ei,j, nghĩa
là ta có thể điều chỉnh d để có được các bước sóng khác nhau ở đầu ra (hình 3.14).
3.3.2 Kết cấu một bẫy lượng tử và hoạt động
Laser có một bẫy lượng tử (SQW) có cấu trúc rất đơn giản, nó chỉ có vùng tích cực (một bẫy lượng tử). Trong đó lớp vỏ của loại laser này có thể là dạng chiết suất bậc (hình 3.15a) hoặc chiết suất giảm dần (hình 3.15b).
Loại laser này cho ta khả năng ổn nhiệt rất tốt, khả năng điều chế tần số cao, dòng ngưỡng thấp và hạn chế sự mở rộng phổ đường quang.
Tiếp giáp dị thể EC1 EC2 E V1 EV2 j i E , ∆ Độ dày lớp tích cực, d Dải dẫn Dải hố trị Các mức năng lượng rời rạc của electron Các mức năng lượng rời rạc của lỗ trống
Thật vậy, khả năng ổn nhiệt của nó thể hiện ra bằng sự phụ thuộc nhiệt độ ít hơn so với các loại laser thông thường. Biểu thức phụ thuộc nhiệt của dòng ngưỡng Ith như sau:
Ith = I0 eT/Tc (3.5)
Trong đó Tc là nhiệt độ đặc tính của laser, với loại laser F-P thì Tc có giá trị
khoảng 60oC cịn với laser SQW thì giá trị này vào cỡ 100oC.
Qua quan sát thực nghiệm người ta nhận thấy độ trải rộng đường phổ quang khi chịu sự điều chế chiết suất trong buồng cộng hưởng của SQW là nhỏ hơn so vơí các loại laser khác. Hiện tượng di tần (bước sóng bị thay đổi gần như tuyến tính theo
λd = 1,70 µm λd = 1,55 µm λd = 1,50 µm Giếng lượng tử In0,53Ga0,47As D = 100 nm D = 10 nm D =8 nm Đ ộ dị ch n ăn g lư ợn g - M eV 150 100 50 0 -50
Hình 3.14 Bước sóng đầu ra của QW được điều chỉnh theo độ dày lớp tích cực d
thời gian điều chế) của nó cũng thấp hơn hai lần so với các laser thơng thường (hình3.16)
a) b) Dải dẫn
Dải hố trị
Hình 3.15 Kết cấu laser một bẫy lượng tử có chiết suất bậc (a) và chiết suất giảm (b)
3.3.3 Kết cấu nhiều bẫy nhiều lượng tử và hoạt động
Mặc dù laser QW có sự phụ thuộc nhiệt độ thấp, độ mở rộng đường quang khi điều chế nhỏ nhưng sự giam hạt tải cũng như giam quang là rất kém vì nó có lớp tích cực q mỏng. Để khắc phục điều này, người ta đưa ra kết cấu laser nhiều bẫy lượng tử (MQW). Như minh hoạ trên hình 3.17, loại laser này có rất nhiều vùng tích cực được sắp xếp đan xen nhau giữa các lớp vỏ, các lớp vỏ bấy giờ được coi như các vách ngăn và có thể là dạng vách ngăn có chiết suất giảm dần (hình 3.17a) hoặc nhảy
0 20 40 60 1.5 1.0 0.5 Đ ộ di tầ n (1 0 -1 0 m) Dòng điều chế (mA) QW
LASER thông thường
Tuy vậy, cũng cần lưu ý rằng, trong trường hợp dòng bơm thấp (nhưng vẫn vượt qua ngưỡng phát laser) thì QW lại có ưu thế hơn so với MQW. Trong trường hợp dịng bơm lớn hơn thì MQW mới bộc lộ những ưu điểm của mình. Sở dĩ có điều này là vì sự phụ thuộc của tăng ích vào mật độ hạt tải bơm vào laser khơng tuyến tính. Thật vậy, giả sử rằng mật độ hạt tải được bơm vào laser QW là ∆n và đạt được
tăng ích đỉnh là Γ, khi đó mật độ hạt tải đó được bơm vào MQW sẽ phân phối cho
các giếng lượng tử là ∆n/N và tăng ích mỗi bẫy lượng tử đạt được là ξΓ/N. Cuối
cùng thu được tăng ích đỉnh tổng cộng là ξΓ. Trong đó hệ số ξ có thể là lớn hơn 1 hay nhỏ hơn 1, tuỳ thuộc vào điều kiện hoạt động của laser (khi dòng bơm cịn thấp thì ξ nhận giá trị nhỏ hơn 1).
3.4 Laser tiêm bán dẫn
Các thuộc tính phát quang của điốt có tiếp giáp P-N nghiêng đã được xem xét trong những phần trước. Phát xạ tự phát do sự kết hợp lại của các sóng mang tiêm vào là một đặc trưng trong laser tiêm bán dẫn (thường gọi đơn giản là laser tiêm), bằng cách tạo ra một hốc quang trong cấu trúc tinh thể để cung cấp sự hồi tiếp cho các photon. Điều này đem lại cho laser tiêm một vài những ưu điểm hơn các nguồn laser bán dẫn khác mà có thể được sử dụng trong truyền thơng quang Đó là:
a) Cường độ ánh sáng cao do tác động khuếch đại của phát xạ kích thích. Nói chung, các laser tiêm cung cấp cơng suất quang đầu ra cỡ mW.
b) Độ rộng tia hẹp vào khoảng 1nm hoặc nhỏ hơn hạn chế đến mức tối thiểu các tác động của tán sắc vật liệu. Dải dẫn Dải hố trị a) b) b) Dải dẫn Dải hố trị Vùng tích cực Lớp vỏ Vùng tích cực Lớp vỏ
Hình 3.17 Cấu trúc laser MQW với lớp vỏ có thể là chiết suất giảm dần (a) hoặc nhảy bậc (b)
c) Hiện tại, dải điều biến có thể lên tới GHz và chắc chắn sẽ được cải thiện trong tương lai.
d) Thời gian kết hợp được xem như là một thuộc tính cho phép tách heterodyne trong các hệ thống dung lượng cao, nhưng hiện tại chủ yếu sử dụng trong các hệ thống đơn mode.
e) Không gian kết hợp cho phép đầu ra hội tụ qua một thấu kính thành một tia có cường độ cao hơn so với phát xạ phân kì tán sắc. Điều này cho phép ghép công suất quang đầu ra vào sợi đạt được hiệu quả cao với cả các sợi có độ mở số (NA) thấp. Vùng khơng gian tương thích với sợi quang của các nguồn laser khác, không dễ đạt được với bộ phát khơng nhất qn và do đó hiệu quả ghép bị giảm tương đối.
Những ưu điểm này, cũng như khả năng tương thích của laser tiêm với các sợi quang dẫn đến những sự phát triển sớm của các thiết bị trong những năm 1960. Các laser tiêm đầu tiên dựa trên hốc Fabry – Perot cấu tạo từ GaAs, đó là chính là bán dẫn pha tạp với các thuộc tính phát sáng tại bước sóng nhất định cho các hệ thống thế hệ đầu. Cấu trúc cơ bản của thiết bị có lớp tiếp giáp đồng nhất chỉ ra trong hình 3.18, ở đây hai mặt của tinh thể hoạt động như các gương phản xạ để thúc đẩy q trình phát xạ kích thích trong hốc khi các điện tử được tiêm vào miền loại P. Tuy
nhiên, như đã đề cập đến, các thiết bị này có mật độ dịng ngưỡng cao (lớn hơn 104
A cm-2) do sự ngăn chặn độ hụt sóng mang của chúng và sự mở rộng các nguồn ánh
sáng phụ. Mật độ dòng cao được yêu cầu cho các thiết bị này khi hoạt động tại nhiệt độ 300 K phần lớn được sử dụng ở dạng xung để hạn chế nhiệt độ vùng tiếp giáp và vì vậy ngăn ngừa được những tác động có hại.
Sự ngăn chặn sóng mang được cải thiện và vì vậy mật độ dịng ngưỡng thấp
hơn (khoảng 10-3 A cm-2) có thể đạt được khi sử dụng các cấu trúc có vùng tiếp giáp
tạp. Laser tiêm có hai vùng tiếp giáp tạp được hình thành từ sự pha trộn III-V dạng lưới tạo ra sự giam sóng mang và quang trên các dải tiếp giáp P-N làm nâng cao tối đa hiệu suất của laser tiêm. Điều này cho phép các thiết bị này với sự hạ nhiệt phù