Một trong những hạn chế của laser bán dẫn công suất cao là tuổi thọ, nó có mối quan hệ mật thiết với công suất ra quang học. Chẳng hạn, một laser diode có thể cho công suất rất cao nhưng lại tắt lịm trong vài giờ sau đó, nhưng nếu công suất ra thấp hơn thì thời gian sống có thể lên tới vài nghìn giờ
Thời gian sống của laser bán dẫn là một yếu tố quan trọng để xác định cách thức thiết kế ban đầu. Thời gian sống của laser bán dẫn nói chung và của bán dẫn công suất cao nói riêng được xác định bằng: mất mát nhiệt, ứng suất nhiệt, mật độ dòng điện và mật độ công suất tại mặt tách tinh thể. Tất cả các thông số này phụ thuộc vào cấu trúc dẫn sóng, cấu hình cộng hưởng, trở nhiệt và được điều chỉnh thiết kế phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể.
CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
Để khảo sát một số tính chất đặc biệt của laser diode công suất cao, chúng tôi sử dụng một số thiết bị sau:
• Máy phát xung xung ngắn, dòng cao tự nghiên cứu và thử nghiệm để nuôi cho laser diode công suất cao và máy phát xung do Phòng laser bán dẫn chế tạo sẵn.
• Các chip laser diode công suất cao sử dụng trong nghiên cứu.
• Đầu thu photodiode để thu bức xạ laser và chuyển thành tín hiệu điện đưa vào dao động ký.
• Dao động ký hai kênh để hiển thị xung nuôi và xung tín hiệu từ đầu thu.
• Bộ ổn định và điều khiển nhiệt độ (cùng Pin Peltier và Sensor cảm biến nhiệt đi kèm).
• Kính suy giảm trung tính.
2.1 CHẾ TẠO NGUỒN PHÁT XUNG NGẮN, DÒNG CAO ĐỂ NUÔI CHO LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO.
Trên cơ sở thiết kế mạch phát xung của Phòng laser bán dẫn- Viện khoa học vật liệu- VKH&CNVN, cùng sự giúp đỡ của cán bộ trong phòng tôi đã lắp giáp và thử nghiệm thành công máy phát xung ngắn, dòng cao để nuôi cho laser diode công suất cao. Lý do ta phải sử dụng nguồn nuôi này là vì đối với laser diode công suất cao có ngưỡng phát lớn hơn rất nhiều laser diode thường (cỡ hàng trăm mA) nên cần dòng nuôi cao, đồng thời độ rộng xung nhỏ và tần số lặp lại thưa (nghỉ nhiều, làm việc ít) để bảo đảm chip laser diode công suất cao hoạt động tốt nhất (Pin Peltier toả nhiệt kịp thời). Sử dụng máy phát xung như vậy có tác dụng làm giảm nhiệt lượng sinh ra do dòng kích lên chip laser và ảnh hưởng của nhiệt lên sự thăng giáng công suất laser (công suất ổn định hơn). Để kéo dài tuổi thọ và giảm ảnh huởng nhiệt đối với chip laser diode công suất cao, trong quá trình nghiên cứu người ta thường sử dụng dòng xung nuôi lớn hơn nhiều lần ngưỡng phát.
Sơ đồ nguyên lý của máy phát xung ngắn, dòng cao (hình 2.1):
Nguyên lý hoạt động của máy phát xung có thể được mô tả như sau: Điện thế +5V được sử để nuôi cho ba IC (IC 555, IC 74LS123 và IC 74LS07). IC 555 tạo ra xung vuông có tần số lặp thay đổi được nhờ biến trở Rv1 và tụ C3, sau đó xung từ chân 3 của IC 555 được đưa vào chân 10 của IC 74LS123, IC này có tác dụng tăng hoặc giảm độ rộng xung nhờ biến trở Rv2 và tụ C4. Xung vuông được lấy ra từ chân 5 của IC 74LS123 được đưa vào chân 1 và chân 3 của IC 74LS07 và đi ra từ chân 2 và chân 4 của IC này (IC 74LS07 là mạch hở collector), nó có tác dụng thay đổi dòng cấp cho laser thông qua thay đổi thế lối vào (của nguồn công suất) bộ khuếch đại dòng tiếp theo. Thế cấp cho nguồn công suất (tầng khuếch đại) cỡ +40V (ở đây chúng tôi sử dụng nguồn thế một chiều có sẵn để thử) được sử dụng để nuôi cho ba Transitor khuếch đại (C2383, 2N2219A, 2T909b). Transitor khuếch đại dòng C2383 (hoặc có thể C828) cùng với biến trở Rv3 có tác dụng thay đổi biên độ xung nuôi. Hai transitor 2N2219A và 2T909b (do Nga sản xuất) có tác dụng khuếch đại dòng để đưa tín hiệu xung vuông kích thích nuôi cho chip laser. Lưu ý, điện trở R5=240Ω (nối lên Emitter
của C2383), RL=3.3Ω (trở chặn bảo vệ laser) phải sử dụng trở công suất do dòng điện ở đây khá cao nên toả nhiệt rất mạnh. Ngoài ra ở vị trí mỗi triết áp ta lắp nối tiếp một điện trở có tác dụng hạn chế dòng, cụ thể ở đây R2=220 Ω (nối tiếp Rv1), R3=560 Ω
(nối tiếp với Rv2) và R4=2.2kΩ (nối tiếp Rv3). Tại đầu vào nguồn cấp một chiều ta đều sử dụng cặp tụ hoá song song với tụ gốm cho nối đất để lọc tín hiệu phản hồi do mạch điện gây ra.
V s + 4 0 V R L R V 3 +C 6 R V 2 C 5 T 2 C 8 2 8 R 1 C 2 U 5 B 7 4 L S 0 7 3 4 D 1 L A S E R + 5 V C 4 U 1 N E 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T RS T VC C GN D C V T R G T H R D S C H G R 3 R 2 R V 1 R 4 R 5 + C 8 C 7 C 3 7 4 L S 1 2 3 9 1 0 11 5 12 6 7 A B CL R Q Q C R / C U 3 A 7 4 L S 0 7 1 2 + C 1 T 1 Trong đó: C1=100µF;C2=10000pF;C3=1000pF;C4=22pF;C5=100000pF;C6=1000µF; Rv1(B100K);Rv2(B50K);Rv3(B100K)
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát xung ngắn, dòng cao để nuôi cho chip laser diode công suất cao trong thí nghiệm.
Trên cơ sở mạch nguyên lý trên, chúng tôi thiết kế mạch in bằng phần mềm Protel, sau đó sử dụng giấy dán bìa để in mạch và để mặt in lên trên tấm bakelit có phủ đồng, tiếp theo dùng bàn là nóng là lên mặt sau của giấy ta được mạch in trên tấm bakelit. Sau đó đưa tấm bảng đã được in vào dung dịch ăn mòn FeCl3 , sau khi cho ăn mòn khoảng 10 phút ta lấy ra rồi được rửa bằng dung dịch axeton, tiếp theo ta quét 1 lớp nhựa thông lên mặt in để mạch in được chắc chắn. Cuối cùng ta tiến hành khoan lỗ cho chân cắm linh kiện và cắm linh kiện được nêu ở trên.
Sau khi cắm linh kiện và thử nghiệm máy phát xung (hình 2.2) có thể hoạt động với tần số thay đổi từ f= 1kHz tới 14.5kHz, độ rộng xung có thể đạt tới 50ns, dòng xung vuông ổn định có thể lên tới hơn 8(A).
Hình 2.2: Hình ảnh máy phát xung được hoàn thành
Thứ nhất chúng tôi sử dụng dây bọc kim hai lõi ngắn để nuôi cho laser, trong đó dây dương (vở BNC của chip laser) hàn lên lối ra Emitter của 2T909b, còn dây âm (lõi BNC) của chip laser hàn lên điện trở chặn RL=3.3Ω, vỏ bọc kim được nối đất của mạch. Chú ý, ta nên sử dụng loại dây này vì nó có thể hạn chế được nhiễu gây ra do chính dây này (dây này chỉ có vai trò trong gian giữa dòng nuôi và chip laser), nếu như sử dụng dây cắm hai đầu làm sẵn không bọc kim thì nhiễu mà nó gây ra khá lớn, rất khó thu được tín hiệu.
Thứ hai là đưa ra kênh Y của dao động ký xác định dòng chạy qua. Đối với mach làm sẵn RL =1Ω , đối với mạch tự lắp giáp có RL =3.3Ω .
Dòng cấp cho laser có thể được xác định trên kênh Y của dao động ký như sau: L R Y U I = (2.1) Trong đó:
UY: là điện áp rơi trên điện trở chăn RL
I là dòng nuôi cho laser diode công suất cao.
2.2 CÁC CHIP LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU.
Các chip laser diode công suất cao sử dụng trong nghiên cứu được chế tạo từ hợp chất bốn thành phần InGaAsP/InP trên cơ sở cấu trúc dị thể vùi. Cấu trúc này có ưu điểm là khả năng giam giữ hạt tải tốt và hệ số chặn quang cao. Các chip này có đặc điểm như sau: đây là cấu trúc laser diode công suất dạng mảng (thanh) có chiều dài buồng cộng hưởng lớn, có nhiều dải tích cực được tích hợp trên đó. Như đã trình bày ở chương 1, mỗi một dải tích cực là một nguồn phát laser thành phần, các nguồn này nằm sát nhau và tạo ra mối quan hệ về pha (hợp pha) và tạo ra được bức xạ laser tổng hợp có tính kết hợp cao, độ rộng chùm tia hẹp và công suất lớn hơn rất nhiều laser diode thường. Để nâng cao công suất bức xạ chùm tia người ta phủ một lớp chống phản xạ (~ 90%) ở mặt sau của buồng cộng hưởng (mặt tách không phát laser), khi đó laser chủ yếu được phát ở mặt còn lại (hình 2.3).
W mặt phủ lớp chống phản xạ bức xạ laser d l mặt phát laser D
Trong nghiên cứu này chúng tôi đã sử dụng 4 mẫu laser diode công suất cao dạng mảng, trong đó có một mẫu do Đức chế tạo, còn lại được chế tạo bởi Phòng Laser bán dẫn:
Mẫu thứ nhất ký hiệu No:607 Mẫu thứ hai ký hiệu No:707 Mẫu thứ ba ký hiệu No:807
Mẫu cuối cùng ký hiệu No:827. Mẫu này do Đức hàn, đây là mẫu chuẩn để chúng tôi đánh giá và so sánh chất lượng cũng như đặc trưng công suất của laser.
Dây vàng Chip laser Tấm cách điện Đế đồng a/ b/
Hình 2.4: a/Chip laser và tấm cách điện mạ vàng được hàn lên đế đồng
b/ Hình ảnh chụp một chip laser diode công suất cao
Chip laser diode công suất cao được gắn lên đế toả nhiệt bằng đồng, khi đó nhiệt sinh ra ở miền tích cực khi có dòng bơm sẽ được truyền xuống đế đồng và tản đi rất nhanh nhờ bộ ổn định và điều khiển nhiệt độ 06DTC101 TEC CONTROLLER của hãng Melles Griot . Chip laser được hàn ở giữa đế đồng sao cho mặt phát bức xạ của chip phải nằm sát mép và song song với mặt đứng của đế để tránh bị ảnh hưởng của cạnh đế lên bức xạ laser. Bên cạnh chip laser là một tấm cách điện (silic), một mặt của tấm được hàn xuống tấm đồng, mặt kia được phủ công tắc vàng. Trên công tắc vàng này được hàn dây vàng 50µm nối với chip laser diode, đồng thời một dây vàng khác cũng được hàn ra điện cực bên ngoài.Tấm này có nhiệm vụ chuyển tiếp công tắc để bảo vệ cho chip laser.
2.3 ĐẦU THU PHOTODIODE 2.3.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Khi khảo sát đặc trưng công suất của laser diode công suất cao ở chế độ xung nhanh, linh kiện được sử dụng để thu bức xạ là chiếc đầu thu photodiode và mạch thu tín hiệu. Photodiode có tác dụng chuyển bức xạ laser thành tín hiệu điện giúp ta có thể đo được các đặc trưng của bức xạ laser thông qua dao động ký. Đầu thu photodiode cũng là vật liệu bán dẫn có cấu trúc p-n hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện nội như sau: Khi
chiếu bức xạ ánh sáng lên mặt đầu thu photodiode thì chúng được hấp thụ hầu hết trong miền nghèo hoá đồng thời sinh ra các cặp điện tử- lỗ trống. Dưới tác dụng của điện trường mạnh thì cặp điện tử-lỗ trống này cuốn về hai phía ngược nhau (điện tử chạy về phía p còn lỗ trống về phía n ). Kết quả là sinh ra một dòng điện ở mạch thu tỷ lệ với công suất bức xạ tới [18] , được mô tả dưới hình sau:
photon
n p
- +
Hình 2.5: Sơ đồ hoạt động của photodiode
Trong thực tế, tuỳ thuộc vào ứng dụng cụ thể mà độ dày miền nghèo hoá được sử dụng cụ thể. Chẳng hạn đối với những đầu thu đồi hỏi tốc độ cao thì cần đầu thu photodiode có miền nghèo hoá mỏng, nhưng khi đó hiệu suất lượng tử của photodiode lại giảm do số cặp hạt tải (điện tử-lỗ trống) giảm, điều này không thích hợp cho xung sáng tốc độ thấp. Do vậy cả hai loại đầu thu tốc độ thấp (Photodiode PIN) và tốc độ cao (Photodiode ADP) đều cùng tồn tại. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng đầu thu photodiode loại PIN, đây là loại đầu thu có thời gian đáp ứng xung nhanh cỡ 10ps, loại này có thể thu được tốt tín hiệu từ bức xạ laser do xung laser của ta tới hàng chục ns.
2.3.2 ĐẦU THU PHOTODIODE LOẠI PIN (p-i-n)
Đây là loại đầu thu được sử dụng nhiều nhất trong nghiên cứu cũng như trong ứng dụng. Diode PIN được cải tiến từ p-n, liên kết p-n được kẹp bên trong một lớp bán dẫn pha tạp rất ít gọi là i (intrinsic). Kết quả là độ rộng miền nghèo hoá tăng lên dẫn đến độ nhạy và tốc độ làm việc cũng tăng, đồng thời làm giảm tỷ số giữa chiều dài khuếch tán và chiều dài dịch chuyển của linh liện dẫn đến dòng hạt tải lớn hơn bởi quá trình dịch chuyển nhanh hơn. Đối với photodiode loại PIN thì quá trình hấp thụ photon để tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống xảy ra bên trong lớp i. Khi ta đặt một thiên áp ngược vào hai đầu của linh kiện thì các hạt tải trong lớp i được tách ra bởi điện trường tiếp giáp, dẫn tới xuất hiện dòng điện ở mạch ngoài, dòng này tỷ lệ với số photon bức xạ tới (dòng quang điện). Sơ đồ cấu trúc và hình ảnh chụp photodiode PIN:
a/ b/
Hình 2.6: a/ Sơ đồ cấu trúc p-i-n photodiode đơn giản
b/Hình ảnh chụp photodiode PIN sử dụng trong nghiên cứu
Photodiode được mắc vào mạch thu tín hiệu như hình 2.7: laser - Cp1 Cp2 Cp3 + + V - RT1 RT2 Vào kênh X K dao động ký
Hình 2.7: Sơ đồ mạch thu tín hiệu Hình 2.8: Ảnh chụp bộ thu tín hiệu Trong đó:
Tụ hoá Cp1=10000pF;Cp2=100µF;Cp3=100µF có tác dụng lọc thành phần phản hồi. RT1= 2.2 Ω;RT2= 50Ω.
Nếu như khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng P-I của laser diode công suất cao ở chế độ xung ta chỉ cần dùng thế V=+3V, Cp1=10000pF;Cp2=100µF và RT1= 2.2 Ω. Cụ thể, trong thí nghiệm ta dùng cho máy phát xung làm sẵn của Phòng laser bán dẫn.
Nếu khảo sát đặc trưng công suất P-I ở chế độ xung ngắn, dòng cao ta phải dùng nguồn cấp, điện dung và trở tải lớn hơn do nhiễu đối với hệ này là rất lớn :V=+9V;Cp1=10000pF; RT2= 50Ω. Sử dụng cho mạch tự chế tạo
Công tắc K để thay đổi trở lối ra, điện thế cung cấp cho mạch thu được đặt ngược chiều với chuyển tiếp p-n.
Công suất bức xạ của laser được xác định trên kênh X của dao động ký thông qua trở tải RT ( RT1 hoặc RT2 ) RT X U P=κ (2.2) Trong đó:
P là công suất quang thu được UX là điện áp rơi trên trở tải RT.
2.4 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Ở CHẾ ĐỘ XUNG.
Trong chương 1 chúng ta đã khảo sát một cách định tính ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng P-I, cụ thể là ảnh hưởng lên dòng bơm ngưỡng phát laser.
Kênh Y Kênh X
Hình 2.9 : Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng P-I của laser diode công suất cao ở chế độ xung.
Trong hệ đo này chúng tôi sử dụng máy phát xung vuông (1) chế tạo sẵn tại Phòng laser bán dẫn có tần số thay đổi 9.9 kHz, cho hoạt động ở hai mức có độ rộng xung lần lượt là 1µs và 5µs, dòng xung vuông thay đổi từ 0 tới 3 (A). Máy phát xung cấp cho laser diode công suất cao (2) hoạt động. Chip laser (2) được đặt trên tấm dẫn nhiệt cách điện Pin Pentier (6), nên khi tấm cách điện này thay đổi nhiệt độ sẽ làm thay đổi nhiệt độ của chip laser (2). Sự thay đổi này được Sensor (7) cảm nhận và truyền đến cho bộ ổn định và điều khiển nhiệt độ TEC CONTROLLER (8). Bộ (8) này có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu truyền từ Sensor (7) đồng thời điều chỉnh dòng điện cấp cho Pin Pentier (6) để tấm cách điện này (nhiệt độ của chip laser) đạt đến nhiệt độ mà ta đặt trước. Xung laser được cho qua kính suy giảm trung tính 34 lần của hãng Melles Griot (3), kính này có đặc điểm là số lần suy hao không phụ thuộc vào bước sóng qua nó. Lý do sử dụng kính suy giảm trung tính là vì công suât bức xạ laser cao tới hàng W, trong khi công suất bão hoà đầu thu photodiode chỉ gần 100mW. Sau khi qua kính suy giảm bức xạ tiếp tục được cho qua photodiode PIN (4) và được chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được cho vào kênh X của dao động ký KIKUSUI (5), dựa vào tín hiệu này ta có thể tính được công suất bức xạ laser diode.
Trong thí nghiệm này, chúng tôi đã sử dụng hộp xốp cách nhiệt được cắt thích hợp để