Tuy vậy, cũng cần lưu ý rằng, trong trường hợp dịng 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 còn 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 hoá 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 hợp có thể hoạt động ở chế độ sóng liên tục (CW) tại nhiệt độ 300 K với những ưu điểm trên trong truyền thơng quang (ví dụ như truyền dẫn tương tự). Tuy nhiên việc tạo ra laser tiêm DH dựa trên hoạt động CW, thực sự cần thiết để cung cấp sự giam sóng mang và quang hiệu quả hơn, điều này dẫn đến viêc đưa vào các cấu hình laser DH dạng vạch. Trước khi đề cập đến cấu trúc này, ta coi laser tiêm bán dẫn như một nguồn quang.
3.4.1 Hiệu suất
Có rất nhiều cách để xác định hiệu suất hoạt động của laser bán dẫn. Một cách xác định đó là định nghĩa hiệu suất lượng tử ngoài vi phân ηD. ηD là tỷ lệ giữa sự biến thiên tỷ lệ photon đầu ra với sự biến thiên của số điện tử tiêm vào. Nếu Pe là công suất quang phát ra từ thiết bị, I là dòng photon, e là độ lớn của một điện tử, và hf là năng lượng photon, khi đó:
( )g e e D dI E dP e dI hf dP ≈ = / / η (3.6)
Ở đây Eg là năng lượng dải cấm. Chú ý rằng từ ηD có thể đo được tốc độ biến đổi công suất quang đầu ra phụ thuộc vào dịng. Vì vậy xác định được độ dốc của đặc trưng đầu ra trong miền phát ánh sáng. Vì vậy ηD đơi khi được hiểu nhự hiệu suất lượng tự dốc. Đối với laser bán dẫn CW thường có hiệu suất là 40%-60%. Có thể thay bằng hiệu suất lượng tử trong ηi của laser bán dẫn, được định nghĩa là số photon sinh ra trong hốc laser trên số điện tử tiêm vào thường có giá trị khá lớn từ 50 – 100%. Có liên quan tới hiệu suất lượng tử ngồi theo biểu thức:
( ) ( ) + = 2 1 / 1 ln / 2 1 1 r r L i D η α η (3.7)
Ở đây α là hệ số suy hao của hốc laser.
L là độ dài của hốc laser.
r1, r2 là các chỉ số phản xạ của gương ở hai bên.
Một hệ số khác là hiệu suất tổng (hiệu suất lượng tử ngoài) ηT được định nghĩa như sau:
ηT = = g c c IE P e I hf P ≈ / / (3.8)
Như vậy, cơng suất phát Pe sẽ thay đổi tuyến tính khi dịng tiêm I lớn hơn dịng ngưỡng Ith, khi đó:
≈ − Ith
D
T η 1
η (3.9)
Tổng số photon đầu ra Tổng số electron tiêm vào
Đối với dịng tiêm cao (ví dụ I=5Ith) khi đó ηT ~ ηD, ngược lại đối với dòng nhỏ (I ~ 2Ith) hiệu suất tổng là thấp hơn và vào khoảng 15 – 25%.
Hiệu suất cơng suất ngồi của thiết bị (hoặc hiệu suất thiết bị) ηep là hiệu suất chuyển đổi từ đầu vào điện tới đầu ra quang được xác định:
= ×100= ×100% IV P P Pc e cp η (3.10)
Ở đây P=IV là công suất đầu vào điện dc. Sử dụng ηT ta được: ×100% = V Eg T cp η η (3.11) 3.4.2 Cấu trúc dạng vạch
Cấu trúc laser DH tạo ra sự giam quang trong khoang theo chiều dọc thông qua bước nhảy chỉ số khúc xạ tại các mặt tiếp giáp pha tạp, nhưng để laser hoạt động cần giữ cố định chiều ngang của thiết bị. Trạng thái này làm cho các mặt của khoang dễ dàng được định hình bằng cách làm ráp các biên của thiết bị để hạn chế sự phát xạ không mong muốn theo các hướng này và hạn chế số các mode ngang. Hình 3.19 cho thấy cấu trúc laser DH miền rộng. Tuy nhiên, miền phát xạ rộng tạo ra một vài vấn đề như sự hạ nhiệt trở nên khó khăn, sự phát ánh sáng từ các sợi nhỏ vào miền tích cực tương đối phức tạp và dạng ánh sáng đầu ra khơng phù hợp để ghép vào các sợi quang hình trục.
Hình 3.19 Laser tiêm DH GaAs/AlGaAs
Để khắc phục các vấn đề này cũng như làm giảm dòng ngưỡng yêu cầu, các cấu trúc laser phải có miền tích cực khơng mở rộng về phía các biên của thiết bị. Một kỹ thuật chung mở rộng cho cấu trúc dạng viền là tạo ra sự giam quang theo chiều ngang. Cấu trúc của laser DH vạch tiếp xúc chỉ ra trong hình 3.20, ở đây khi dịng cao chạy qua thiết bị, miền tích cực là bên trong vạch. Thơng thường vạch được hình thành bằng cách tạo ra vùng điệc trở cao ở mặt này hoặc mặt kia. Điều này có thể thực hiện bằng các kỹ thuật như bắn phá proton hoặc cách ly bằng oxít. Vì vậy vạch được hiểu như một cơ chế hướng dẫn khắc phục được những vấn đề chính của thiết bị miền rộng. Tuy nhiên, mặc dù bề rộng vùng tích cực được giảm nhưng ánh sáng đầu ra vẫn không đạt được sự chuẩn mực do sự phát xạ đẳng hướng từ miền tích cực nhỏ và sự nhiểu xạ bên trong cấu trúc. Đầu ra quang và mẫu phát xạ
trường rộng được minh hoạ trong hình 3.20. Góc phân kỳ chùm quang là 450 trên
mặt phẳng vng góc với mặt phẳng tiếp giáp và 90 trên mặt phẳng tiếp giáp. Tuy
Hình 3.20 Laser tiêm DH GaAs/AlGaAs vạch
Thiết bị tiếp xúc vạch cũng tạo ra hoạt động đơn mode ngang với cơ chế hướng dẫn cân bằng, trong khi đó thiết bị miền rộng lại cho phép hoạt động đa mode theo hướng dọc. Nói chung các cấu trúc laser dạng vạch đã được nghiên cứu tỉ mỉ với độ rộng vạch từ 2 – 65 μm, và cấu trúc dạng vạch DH đã được sử dụng phổ biến trong truyền thông sợi quang.
3.5 VCSEL laser 3.5.1 Giới thiệu chung 3.5.1 Giới thiệu chung
VCSEL là laser với cấu trúc cơ bản gồm một lớp vật liệu tích cực được xếp kẹp giữa các lớp bán dẫn khác. Nó khác với laser phát xạ cạnh ở chổ VCSEL phát xạ ánh sáng theo phương vng góc với bề mặt xếp lớp, tức là phản xạ theo phương thẳng đứng nếu coi phương phát xạ cạnh thông thường là nằm ngang.
Ưu điểm của việc phát xạ theo phương thẳng đứng thì rất nhiều nhưng ưu điểm nổi bật nhất là khả năng tương thích rất lớn về mặt kích thước của loại laser này với các linh liện thiết bị khác nhờ vào kích thích bề mặt phát xạ nhỏ của nó. Ngồi ra VCSEL có thể kiểm tra, kiểm định chất lượng các đặc tính ngay trên các ngăn lớp trước khi tiến hành cắt chẻ. Như vậy, so với việc chế tạo laser phát xạ cạnh, VCSEL đã giúp tránh khỏi các bước tiền kiểm định đắt đỏ. Điều này sẽ khiến cho việc chế tạo nó có thể diễn ra hồn tồn tự động và số lượng thành phẩm được
kiểm tra có thể lên đến hàng chục ngàn chiếc trong một giờ giúp cho giá thành sản phẩm sẽ giảm xuống đáng kể.
3.5.2 Đặc tính kỹ thuật
Mặc dù về bản chất cấu tạo thì VCSEL vẫn phải tạo ra được một hộp cộng hưởng bên trong nó và các gương phản xạ để có thể phát ra ánh sáng laser. Tuy nhiên, cấu trúc của VCSEL vẫn có những điểm rất khác biệt so với laser phát cạnh thông thường. Hộp cộng hưởng của laser phát xạ cạnh thường có chiều dài cỡ milimét trong khi đó kích thước này của VCSEL điển hình chỉ khoảng 20- 30 nanomet (tức là ngắn hơn cỡ 100 ngàn lần).
Vì hộp cộng hưởng ngắn nên VCSEL phải có độ phản xạ cao ở các gương phản xạ. Thay vì độ phản xạ 30% như các laser phát xạ cạnh thơng thường mà nó phải đạt tới 99.8% đồng thời các gương này khơng được có tính hấp thụ mà thay vào đó phải là độ truyền qua tốt để tránh việc bị quá nóng.
Chính yêu cầu khắt khe về đặc tính của gương khiến việc sản xuất đại trà gặp khơng ít khó khăn nhưng đặc điểm hộp cộng hưởng ngắn lại làm tăng thêm nhiều ưu điểm trong đặc tính phát xạ của laser này đó là sự ổn định cao của mode phát xạ dơn mode. Trường phát xạ đơn mode của nó thương có tính đối xứng cao, phân bố phát
Lớp trung gian Phát ra tia laser Đỉnh mặt phản xạ Đế mặt phản xạ
xạ gần giống dạng gauss, khơng méo dạng. Vì vậy mà VCSEL phát xạ đơn mode không yêu cầu các hệ chỉnh sửa phức tạp như laser phát xạ cạnh.
KẾT LUẬN
Đồ án tốt nghiệp “một số nguồn quang mới” đã được trình bày trong ba chương, đề cập đến một số vấn đề sau:
• Trình bày về các khái niêm cơ bản của vật lý bán dẫn, tiếp giáp P-N, các vùng
năng lượng hay quá trình hấp thụ, phát xạ cũng như trạng thái đảo mật độ trong chất bán dẫn. Đây chính là cơ sỡ để tìm hiểu về nguồn quang.
• Tìm hiểu sơ đồ khối, tính chất, đặc điễm của điốt phát quang (LED) và laser.
Đây là hai nguồn quang đơn giản và cơ bản nhất trong thơng tin quang.
• Tìm hiểu về các nguồn quang trong mới, đáp ứng những ứng dụng đa dạng
khác nhau trong mạng viễn thông như nguồn quang điều hưởng được (tunable-laser), nguồn quang đáp ứng nhanh (ultrafast-laser) và một số nguồn quang quan trọng khác. Đây là những nguồn quang rất quan trọng trong viễn thông, đặc biệt trong mạng WDM.
Tuy các loại nguồn quang có sơ đồ khối như nhau nhưng mỗi loại lại có những cấu trúc cụ thể và ngày càng phong phú, đa dạng và được rất nhiều phòng thí ngiệm trên thế giới nghiên cứu chế cho nên nội dung đồ án chưa thể trình bày hết được các loại nguồn quang hiện có. Và cũng do những hạn chế về thời gian và trình độ nên những tính tốn chi tiết cho các loại nguồn quang đã giới thiệu ở trên em chưa trình bày hết được. Hướng phát triển tiếp theo của đồ án là đưa ra những tính tốn đầy đủ cho các tham số của các loại nguồn quang này.
Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cơ và các bạn để em có thể hồn thiện hơn nữa đồ án này.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn cô giáo Ngô Thu Trang và các thầy cô giáo trong bộ môn thông tin quang cũng như trong khoa viễn thơng I đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt q trình hồn thành đồ án này.
Qua đây, em cũng xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cơ giáo trong học viện đã tận tình giảng dạy em trong suốt thời gian em học tập ở học viện.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đào Khắc An, Vật liệu và linh kiện bán dẫn quang điện tử trong thông tin quang, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Hà Nội, 2003
2. TS.Vũ Van San, Hệ thống thông tin quang, tập 1, Nhà xuất bản bưu điện, Hà Nội, 2003
3. TS.Vũ Van San, Hệ thống thông tin quang, tập 2, Nhà xuất bản bưu điện, HàNội, 2003 Nội, 2003
4. G.P.Agrawal, N.K.Dutta, Semiconductor Laser, Van Nostrand Rennold, 2nd 5. Http://lw.pennnet.com
6. Http://findarticles.com 7. Http://vi.wikipedia.org
8. Http://www.rp-photonics.com 9. Http://en.wikipedia.org