Chương 1. Laser bán dẫn công suất cao DFB
1.6. Dải dừng trong laser DFB
Thứ nhất, khái niệm dải dừng của các laser bán dẫn DFB ghép mode thuần là cơ sở để hiểu về cơ chế tăng độ rộng vạch phổ. Đối với một laser bán dẫn DFB ghép mode thuần hệ số phản xạ bằng 0, dựa trên lý thuyết do Kogelnik và Shank [14] đưa ra, phương trình riêng ngưỡng trong mối quan hệ giữa hệ số ghép κ và chiều dài buồng cộng hưởng L có thể được viết như sau:
L sinh( j L ) L ( 1.15 )
trong đó γ là hằng số truyền phức có chứa hệ số khuếch đại g được xác định bởi biểu thức sau đây:
2
2 g
j ( 1. )
2 j 16
Với n( 0) / c ( 1.17 ) được xem như là tham số dịch tần số ω đến tần số Bragg ω0.
Phân tích chi tiết có thể tham khảo [13], [14], [15]. Hình 1.9 là kết quả cuối cùng với sự phụ thuộc của độ lệch chuẩn hóa ΔL của bước sóng dao động từ bước sóng Bragg và khuếch đại ngưỡng chuẩn hóa gL trên hệ số ghép chuẩn hóa. Nó cho thấy khuếch đại ngưỡng đối với một mode giảm khi tăng ΔL và độ lệch ΔL tăng khi κL tăng. Do sự phụ thuộc đáng kể của mode vào khuếch đại ngưỡng [15], dao động thực tế diễn ra ở các mode cơ bản m = 1 và m = -1. Mặc dù các mode này có bước sóng khác nhau nhưng biên độ khuếch đại là như nhau [13]. Trên thực tế, các dao động hai mode như vậy đã được quan sát bằng thực nghiệm.
14
Hình 1. 9. Khuếch đại ngưỡng dao động và dịch chuyển bước sóng dao động bước sóng của một laser DFB ghép mode thuần. [13]
Kết quả trên đã thu được với giả thiết hệ số phản xạ bề mặt bằng 0. Thực tế, phản xạ bề mặt có thể không bỏ qua, trừ khi các mặt được phủ lớp chống phản xạ. Bằng cách giảm phản xạ ở mặt trước và tăng phản xạ ở mặt sau của laser, công suất ra có thể được tăng cường, và dao động chế độ đơn có thể đạt được. Đối với các mặt phản xạ, điều kiện dao động bị ảnh hưởng bởi pha của phản xạ, thông số được xác định bởi vị trí của mặt gương liên quan đến pha cách tử [15]. Vì mặt gương được hình thành bằng cách tách mặt tinh thể, hầu như không thể kiểm soát chính xác vị trí của mặt để tối ưu hóa pha phản xạ, vì đòi hỏi độ chính xác quá trình tách tinh thể tới dưới m. Theo đó, một số laser được chế tạo dao động ở hai mode, và một số dao động dao động đơn mode. Do việc kiểm soát quá trình cắt chíp là rất khó, do đó bước sóng dao động và dòng ngưỡng của các laser bán dẫn trong cùng một dãy thay đổi đáng kể. Đây là nhược điểm nghiêm trọng nhất của laser bán dẫn DFB ghép mode thuần.
Hình 1. 10. Cách tử dịch pha λ / 4 [13]
khuếch đại ngƣỡnggL
Dịch chuyển từ điều kiện Bragg
Phản hồi phân bố
Vùng tích cực
15
Để loại bỏ các vấn đề tồn tại hai mode dao động trùng nhau bên ngoài bước sóng Bragg, cấu trúc cách tử nên được thay đổi để đáp ứng các điều kiện của bước sóng Bragg.
Từ điều kiện biên, để có dao động ở bước sóng Bragg, dịch pha giữa các mode bên trái và bên trái của cách tử, tức là một phần tư bước sóng quang học trong ống dẫn sóng (λ/4) phải được đáp ứng. Bằng cách sửa đổi cấu trúc DFB như mô tả trong Hình 1.10 thu được bước sóng Bragg tại ΔL = 0 như thể hiện trong hình 1.11.
Hình 1. 11. Khuếch đại ngưỡng dao động và dịch chuyển bước sóng dao động của một laser bán dẫn DFB kết hợp mode thuần, dịch pha λ / 4. [13]
Từ lý thuyết trên, khái niệm dải dừng có thể được đưa ra như sau. Đối với một laser bán dẫn DFB ghép mode thuần, tại thông số dịch chuyển chuẩn hóa ΔL = 0 (tương ứng với bước sóng Bragg), bằng việc phân tích hệ số truyền lan sóng phức cho thấy một sự truyền sóng trong vùng phổ giữa hai mode có bậc thấp nhất m = +1 và m = -1 như thể hiện trong hình 1.9 [15]. Điều này cũng tương tự như hiện tượng nổi tiếng trong cấu trúc tinh thể, nghĩa là sự truyền sóng trong các cấu trúc chiết suất thực tuần hoàn làm tăng dải dừng hoặc khe năng lượng. Dải dừng ở đây được xác định bởi khoảng cách giữa mode m = +1 và m = - 1 trong Hình 1.9. Phân bố mật độ quang phổ phát xạ laser DFB phụ thuộc ΔL thể hiện trong Hình 1.12. Trong dải dừng này, sóng suy giảm theo hàm mũ và do đó chỉ lan truyền trong một khoảng cách hữu hạn. Theo đó, một sóng tới bất kỳ được phản xạ có hiệu quả.
Việc truyền sóng chỉ xảy ra bên ngoài khe. Vì vậy, trong một cách tử có chiều dài hữu hạn, các sóng phân rã chỉ có xu hướng xảy ra gần những nơi mà tính tuần hoàn của cách tử bị
khuếch đại ngƣỡnggL
Dịch chuyển từ điều kiện Bragg
16
phá vỡ, chẳng hạn như ở biên. Các sóng bên ngoài dải dừng là các sóng lan truyền ít tương tác với cấu tuần hoàn của laser bán dẫn DFB. Chiều rộng của dải dừng là 2κ và có thể được xác định bằng thực nghiệm đo phổ khuếch đại (ASE) gần với ngưỡng của laser bán dẫn DFB.
Hình 1. 12. Sơ đồ mặt cắt ngang (trái) và phổ khuếch đại tương ứng (phải) của một laser bán dẫn DFB có và không có sự dịch pha. [12]
Bằng cách tăng khuếch đại trong ống dẫn sóng, sự suy giảm có thể được khắc phục.
Đối với cách tử ghép mode khuếch đại, không có dải tần số dừng xảy ra. Mặt khác, có một dải cấm có chiều rộng 2κ trong vector sóng. Các kết quả tính toán của laser bán dẫn DFB ghép mode khuếch đại được thể hiện trong Hình 1.13. Một ưu điểm nữa của laser DFB ghép mode khuếch đại là ít nhạy với pha của phản xạ gương [15].
Hình 1. 13.Khuếch đại ngưỡng dao động và dịch chuyển bước sóng dao động của một laser bán dẫn DFB ghép mode khuếch đại. [13]
Dịch chuyển từ điều kiện Bragg
khuếch đại ngƣỡnggL
17