1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser bán dẫn – Tài liệu text
3
CHƯƠNG 1: LASER BÁN DẪN – MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ
BẢN
1.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của laser bán dẫn
Trong chất bán dẫn các chuyển mức của điện tử từ các trạng thái năng lượng
thấp (E1) trong vùng hóa trị (Ev) lên trạng thái năng lượng cao (E2) trong vùng dẫn (Ec)
nằm cách nhau một khoảng bằng năng lượng vùng cấm Eg gọi là sự kích thích. Sau
một thời gian tồn tại ở trạng thái năng lượng cao các điện tử quay về trạng thái năng
lượng thấp. Chuyển mức của điện tử từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái
năng lượng thấp là quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống, có hai loại tái hợp là tái
hợp bức xạ và tái hợp không bức xạ. Tái hợp bức xạ phát ra các photon ánh sáng, tái
hợp không bức xạ phát ra các phonon dao động mạng tinh thể. Trong trường hợp
chuyển mức của điện tử từ đáy vùng dẫn xuống đỉnh vùng hoá trị, xác xuất chuyển dời
bức xạ trong các bán dẫn vùng cấm thẳng cao hơn nhiều so với bán dẫn vùng cấm xiên
(khi đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị nằm trên cùng hoặc khác giá trị véc tơ sóng
trong không gian véc tơ sóng). Vì vậy, các laser bán dẫn thường được chế tạo trên cơ
sở các bán dẫn vùng cấm thẳng loại A3B5 như GaAs, InP,…với độ rộng vùng cấm của
bán dẫn ở lớp tích cực của chíp laser ta có các bước sóng phát laser khác nhau. Ánh
sáng (hay photon) phát ra trong laser bán dẫn liên quan tới bức xạ bờ vùng nên có
bước sóng tuỳ thuộc vào độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, được xác định như sau
[1,2,5]:
=
ℎ
↔ (
)=
1.240
(1.1)
( )
Khi có photon ánh sáng với năng lượng h ≥ Eg chiếu vào chất bán dẫn có thể
xảy ra sự hấp thụ. Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng
thấp trong vùng hóa trị lên trạng thái năng lượng cao trong vùng dẫn. Sau đó, điện tử ở
vùng dẫn có thể tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị sau một thời gian sống nhất định và
phát ra photon một cách ngẫu nhiên (có bước sóng, pha và hướng lan truyền khác
nhau) gọi là phát xạ tự phát. Phát xạ cưỡng bức là quá trình mà trong đó ánh sáng
chiếu tới gây ra sự phát xạ cưỡng bức (hay cảm ứng) của điện tử ở trạng thái kích
thích. Ánh sáng phát ra có cùng bước sóng, pha, phân cực và hướng lan truyền với ánh
sáng chiếu tới. Vì vậy ánh sáng sinh ra bởi phát xạ cưỡng bức có tính đơn sắc, kết hợp
và định hướng cao. Trong bức xạ cưỡng bức có hai photon sinh ra: một là photon ánh
sáng chiếu tới và một là photon sinh ra do bức xạ cưỡng bức. Hai photon này lại tiếp
tục kích thích hay cảm ứng các cặp điện tử khác tái hợp sinh ra bức xạ cưỡng bức với
các photon giống như vậy. Quá trình như vậy xảy ra tiếp tục trong môi trường khuếch
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Thị Ngoan
4
đại, ánh sáng chiếu tới được khuếch đại bởi bức xạ cưỡng bức và ta có sự khuếch đại
quang.
Trong điều kiện cân bằng nhiệt, số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp nhiều
hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng cao. Vì vậy khi có ánh sáng chiếu tới chỉ có sự
hấp thụ xảy ra. Để có được sự khuếch đại quang ta cần phải làm cho số điện tử ở trạng
thái năng lượng cao nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp. Điều kiện này
gọi là sự đảo mật độ tích lũy. Điều kiện đảo mật độ tích lũy hạt tải là
−
>
− >
với
à
là mức Fecmi của điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống
trong vùng hóa trị tương ứng.
Sự đảo mật độ tích lũy trong các chất bán dẫn xảy ra ở vùng lân cận bờ vùng
đạt được nhờ kích thích các điện tử bằng bơm quang hay tiêm dòng điện, khi đó có
nhiều điện tử ở đáy vùng dẫn và nhiều lỗ trống ở đỉnh vùng hoá trị. Các bộ dao động
laser sử dụng một phần phát xạ tự phát làm ánh sáng chiếu tới và khuếch đại ánh sáng
này nhờ phát xạ cưỡng bức.
Hệ số khuếch đại công suất quang g trên một đơn vị độ dài được định nghĩa
[1,2] :
=
(1.2)
Hình 1.1: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính cho các mật độ
hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP 1,3 m.
với I là cường độ ánh sáng trên một đơn vị diện tích. Người ta có thể tính toán g với
lưu ý là g tỉ lệ với hiệu giữa tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức và tốc độ hấp thụ giữa
hai mức năng lượng E1 và E2. Cường độ ánh sáng bức xạ do chuyển mức quang học
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Thị Ngoan
5
giữa mức kích thích E2 và mức cơ bản E1 được định nghĩa là =
(
), với
là tốc độ nhóm, pht(E21) là mật độ photon và E21 = E2 – E1= h là năng lượng photon.
Khi có ánh sáng chiếu tới vật liệu vùng tích cực, cả hai quá trình bức xạ cưỡng bức và
hấp thụ có thể xảy ra đồng thời nên tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức thực sẽ là hiệu
của tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức và tốc độ hấp thụ. Trên cơ sở tính toán tốc độ
hấp thụ R12,abs, tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức R21,stim giữa hai mức năng lượng E1 và
E2 trong chất bán dẫn ta có sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại quang g vào tốc độ tái
hợp bức xạ cưỡng bức thực
(
=
−
) [1,2,5]:
,
,
=
(
)(1.3)
Nghĩa là tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức thực càng lớn ta có hệ số khuếch đại
quang càng lớn. So sánh với lý thuyết bức xạ của vật đen tuyệt đối (các hệ số Einstein)
kết hợp sử dụng thuyết nhiễu loạn phụ thuộc vào thời gian trong cơ lượng tử có thể
tính hệ số khuếch đại công suất quang g phụ thuộc vào năng lượng photon h nghĩa là
phụ thuộc vào bước sóng khuếch đại được chọn và mật độ hạt tải tiêm vào. Việc tính
toán cũng như biểu thức g(h) nhận được nói chung là phức tạp. Hình 1.1 là sự phụ
thuộc của hệ số khuếch đại g vào năng lượng photon h cho các mật độ hạt tải tiêm
vào khác nhau được tính toán cho vùng tích cực InGaAsP 1,3 m [2]. Khi mật độ hạt
tải bơm vào yếu (1×1018 cm3), g < 0, chưa xảy ra sự đảo mật độ tích lũy hạt tải và chưa có sự khuếch đại. Khi mật độ hạt tải bơm vào tăng lên, g có giá trị dương, đường cong khuếch đại mở rộng, tăng lên về biên độ và đỉnh phổ khuếch đại dịch về phía năng lượng cao (bước sóng ngắn hơn). Khi tăng mật độ hạt tải bơm vào sự bắt đầu xuất hiện của độ khuếch đại dịch về phía năng lượng photon thấp hơn do sự giảm năng lượng vùng cấm Eg khi mật độ hạt tải tăng. Nửa âm của trục tung tương ứng với hệ số hấp thụ vì hệ số hấp thụ công suất quang α(h) và hệ số khuếch đại công suất quang g(h) được liên hệ với nhau như sau: α(h)= – g(h). Ta cũng thấy trên hình 1.1 hệ số khuếch đại quang tăng nhanh trong chất bán dẫn một khi sự đảo mật độ tích lũy hạt tải được thực hiện. Vì có độ khuếch đại quang cao như vậy nên các laser bán dẫn có thể được chế tạo với kích thước vật lý rất ngắn (dưới 1 mm). Contour khuếch đại như trên hình 1.1sẽ liên quan đến vùng xuất hiện các mode sóng dọc trong bức xạ cưỡng bức của laser bán dẫn loại buồng cộng hưởng Fabry-Perot hay nói cách khác, các mode sóng dọc (phụ thuộc vào bước sóng) phát ra sẽ nằm trong vùng của contour khuếch đại. Tuy nhiên, trong môi trường khuếch đại cũng xảy ra sự mất mát quang do sự hấp thụ trên bề mặt, hấp thụ trên các tâm tạp, hấp thụ bởi các hạt tải tự do như tái hợp Auger, v.v…. Khi sự khuếch đại quang bù trừ được các mất mát quang mới xảy ra dao động laser. Vì vậy, nếu chỉ có khuếch đại quang sẽ chưa đủ cho hoạt động laser mà phải có thêm một điều kiện cần thiết khác là phản hồi quang, điều này sẽ làm bộ Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan 6 khuếch đại trở thành bộ dao động. Nghĩa là để có được dao động laser (hay bộ dao động quang với tần số dao động rất cao, f ~ 1014-15 Hz) độ khuếch đại quang cần phải bằng độ mất mát quang trong vùng tích cực. Sự phản hồi quang được thực hiện bằng cách đặt môi trường khuếch đại giữa các gương phản xạ tạo thành buồng cộng hưởng quang hay còn gọi là buồng cộng hưởng Fabry-Perot (FP). Trong trường hợp laser bán dẫn, các gương phản xạ ngoại là không cần thiết vì các bề mặt bổ tinh thể laser có tác dụng như các gương phản xạ với độ phản xạ [1,2,5]: =( −1 ) (1.4) +1 với n là chiết suất của môi trường khuếch đại. Thông thường, n = 3,5 cho các chất bán dẫn vùng cấm hẹp dẫn tới độ khuếch đại R ~ 30%. Trong các laser đơn tần (phản hồi phân bố DFB hay phản hồi phản xạ Bragg DBR) phản hồi quang được thực hiện bởi cách tử trên cơ sở thay đổi tuần hoàn chiết suất ở gần vùng tích cực. Khái niệm ngưỡng phát laser có thể hiểu là một phần các photon sinh ra bởi bức xạ cưỡng bức sẽ bị mất đi do sự mất mát trong buồng cộng hưởng và cần phải được bổ sung liên tục. Nếu độ khuếch đại quang không đủ lớn để bù trừ được sự mất mát trong buồng cộng hưởng sẽ không tạo ra được được mật độ photon cần thiết. Như vậy, một giá trị độ khuếch đại tối thiểu là cần thiết cho hoạt động laser, giá trị này thực hiện được chỉ khi laser được bơm trên mức ngưỡng. Dòng điện bơm cần thiết để đạt được ngưỡng gọi là dòng ngưỡng phát laser. Nói chung, dòng ngưỡng phát laser cũng gần với dòng ngưỡng để đạt được sự đảo mật độ trạng thái. Sự cân bằng giữa độ khuếch đại và độ mất mát đựơc biểu diễn như sau [1,2,5]: g int mir int 1 1 ln 2 L R1 R2 (1.5) Vế bên phải bao gồm mất mát nội int với các cơ chế đã nói ở trên, trong đó vai trò chính là mất mát do hấp thụ hạt tải tự do,và mất mát do gương laser mir với R1,R2 là độ phản xạ của hai mặt gương, L là độ dài buồng cộng hưởng (độ dài chíp laser giữa hai mặt gương). Như trên đã nói, laser bán dẫn có thể được bơm cả bằng quang và tiêm (hay bơm) bằng dòng điện. Tuy nhiên, hiệu suất bơm quang thấp và thường khó thực hiện nên hiện nay các laser bán dẫn thương mại đều được bơm bằng điện và có cấu trúc trên cơ sở chuyển tiếp p-n. Để tạo ra được bán dẫn loại n hay loại p người ta thực hiện pha tạp với các tạp chất phù hợp. Trong trường hợp bán dẫn loại n mật độ điện tử trong chất bán dẫn lớn hơn mật độ lỗ trống và ngược lại cho bán dẫn loại p (nếu không có pha tạp thì bán dẫn đó được coi là sạch và thường được gọi là bán dẫn thuần). Mức Fermi sẽ dịch chuyển đến vùng dẫn khi mà nồng độ pha tạp tăng. Đối với bán dẫn thuần (không pha tạp) thì mức Fermi sẽ nằm ở giữa vùng cấm. Nếu trường hợp pha tạp Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan 7 rất mạnh bán dẫn loại n thì mức Fermi cho điện tử Efc sẽ nằm sâu trong vùng dẫn (Efc > Ec). Trong trường hợp như vậy người ta có bán dẫn suy biến loại n.
Tương tự đối với mức Fermi cho lỗ trống Efv bị dịch chuyển vào vùng hoá trị
đối với bán dẫn loại p và mức Fermi sẽ nằm sâu trong vùng đó khi pha tạp mạnh.
Trong điều kiện cân bằng nhiệt thì mức Fermi phải là một đường thẳng liên tục xuyên
qua chuyển tiếp p-n. Để dễ dàng đạt được trạng thái đảo mật độ tích lũy khi tiêm dòng
vào laser bán dẫn hay nói cách khác, để có được dòng ngưỡng phát laser thấp, người ta
thường pha tạp mạnh để có được bán dẫn suy biến trong vùng chuyển tiếp p-n của các
laser bán dẫn.
Khi chuyển tiếp p-n được phân cực
thuận bằng một điện thế bên ngoài hàng
rào thế năng của chuyển tiếp sẽ giảm đi.
Sự giảm này dẫn tới sự khuếch tán của các
điện tử và lỗ trống qua lớp chuyển tiếp.
Trong các chuyển tiếp p-n đơn hay chuyển
tiếp đồng nhất (vật liệu bán dẫn nằm ở hai
phía của chuyển tiếp đều là như nhau) sự
tái hợp của điện tử và lỗ trống xảy ra trên
cả một vùng tương đối rộng (~1 10 m)
được xác định bởi độ dài khuếch tán của
điện tử và lỗ trống và các hạt tải không
được giam giữ ở vùng lân cận ngay sát
Hình 1.2 : Sơ đồ năng lượng của cấu
chuyển tiếp nên rất khó đạt được mật độ
trúc dị thể kép : a) Trong trạng thái cân
hạt tải cao. Vấn đề về giam giữ hạt tải này
băng nhiệt ; b) Khi phân cực thuận.
có thể giải quyết bằng cách đưa vào một
lớp mỏng nằm kẹp giữa các lớp loại n và loại p với điều kiện độ rộng vùng cấm của
lớp này phải nhỏ hơn so với các lớp loại n và p xung quanh. Lớp ở giữa này có thể có
pha tạp và cũng có thể không cần pha tạp, tuỳ phụ thuộc vào thiết kế của linh kiện. Vai
trò của lớp này là nhằm giam giữ ở bên trong nó những hạt tải được tiêm vào dưới tác
dụng của thiên áp thuận. Sự giam giữ hạt tải xảy ra là kết quả của sự gián đoạn trong
độ rộng vùng cấm ở vùng chuyển tiếp giữa hai bán dẫn có cùng cấu trúc tinh thể (cùng
hằng số mạng) nhưng khác nhau về độ rộng vùng cấm. Chuyển tiếp như vậy gọi là
chuyển tiếp dị thể và các linh kiện dựa trên cơ sở đó có cấu trúc dị thể kép. Do độ dầy
của lớp kẹp ở giữa có thể điều chỉnh được (thông thường ~ 0,1-1 m) nên mật độ hạt
tải cao có thể thực hiện được tại một dòng tiêm (hay bơm) nào đó. Hình 1.2 cho thấy
giản đồ năng lượng của cấu trúc dị thể kép khi không có và có thiên áp thuận.
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Thị Ngoan
8
Sử dụng cấu trúc chuyển tiếp p-n dị thể kép cho các nguồn sáng bán dẫn sẽ có
hai lợi ích. Như đã nói tới ở trên, sự khác nhau về độ rộng độ rộng vùng cấm giữa hai
chất bán dẫn giúp cho việc giam giữ các hạt tải trong lớp nằm giữa các lớp p và n. Lớp
ở giữa này còn được gọi là lớp tích cực vì ánh sáng sinh ra ở đó là do kết quả của sự
tái hợp của điện tử và lỗ trống. Do
có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn nên
lớp tích cực cũng có chiết suất lớn
hơn một ít so với các lớp loại p và n
xung quanh. Sự khác nhau về chiết
suất này làm cho lớp tích cực hoạt
động như dẫn sóng điên môi và số
mốt sóng quang (mốt ngang hay mốt
không gian) trong đó có thể kiểm
soát được bằng cách điều chỉnh độ
dày lớp tích cực. Như vậy, cấu trúc
dị thể giam giữ được các photon ánh
sáng phát ra trong lớp tích cực do
tính chất dẫn sóng điện môi này.
Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo (a), giản đồ năng
Hình 1.3 trình bày giản đồ
lượng (b), phân bố chiết suất (c) và ánh sáng
năng lượng, phân bố chiết suất và
(d) của LD dị chuyển tiếp kép AlGaAs/GaAs
cường độ ánh sáng trong laser cấu
trúc
dị
chuyển
tiếp
kép
AlGaAs/GaAs khi phân cực thuận. Ở đây điện tử được tiêm vào vùng tích cực từ phía
bán dẫn loại n và lỗ trống được tiêm vào từ phía bán dẫn loại p. Tại vùng tích cực, hạt
tải được giam giữ nhờ các rào thế của chuyển tiếp do độ rộng vùng cấm của lớp tích
cực GaAs (Eg 1,42 eV) nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của các lớp vỏ AlGaAs (Eg 2
eV). Để dễ đạt được điều kiện đảo mật độ tích lũy hạt tải, các lớp vỏ loại p và loại n ở
hai phía lớp tích cực trong cấu trúc laser bán dẫn được pha tạp mạnh và trở thành bán
dẫn suy biến. Lớp tích cực mỏng nằm kẹp giữa các lớp vỏ thường không pha tạp để
tránh sự mất mát quang trên các tâm tạp làm giảm hiệu suất phát quang, tuy nhiên cho
các mục đích đặc biệt, khi cần có thời gian sống của hạt tải nhỏ để tăng tốc độ hoạt
động của laser người ta có thể pha tạp ở lớp này. Lớp tích cực có thể có chiết suất cao
hơn các lớp xung quanh từ vài phần nghìn tới vài phần trăm nên ánh sáng laser được
giam giữ trong vùng tích cực, tuy nhiên, một phần ánh sáng nằm trong các lớp vỏ.
Luận văn thạc sỹ
Nguyễn Thị Ngoan
9
Cấu tạo điển hình của một linh kiện phát quang bán dẫn dị chuyển tiếp kép
được thường gồm bốn lớp màng mỏng từ vài phần mười m đến vài m được phủ lên
trên đế bán dẫn (substrate) bằng kỹ thuật epitaxi nhằm làm cho sự sai khác về hằng số
Cleaved reflecting surface
mạng tinh thể giữa các lớp là ít
W
nhất (dưới 0,1%). Như trên hình
1.4 là cấu trúc điển hình của laser
L
Stripe electrode
Oxide insulator
chuyển tiếp dị thể dải (stripe) hình
p-GaAs (Contacting layer)
p-Al Ga As (Confining layer)
học hay điện cực dải. Ta thấy có
p-GaAs (Active layer)
n-Al Ga As (Confining layer)
2
1
3
Substrate
các lớp giam giữ hay lớp đệm
Current
n-GaAs (Substrate)
paths
Substrate
Electrode
(confining layer) loại n và p, lớp
Elliptical
Cleaved reflecting surface
tích cực (active layer) và lớp pha
laser
Active region where J > J .
beam
(Emission region)
tạp mạnh p+ để tăng tiếp xúc omic
Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripe
(contacting layer). Dòng điện tiêm
contact 1.4: Cấu
Hình laser diode trúc của laser chuyển tiếp dị thể
cho laser được giới hạn theo chiều
© 1999 S.O.
dải hìnhKasap,Optoelectronics(Prentice Hall)
học
ngang bởi dải điện cực kim loại
nằm giữa hai dải điện môi cách
điện (oxide isolator). Ánh sáng laser phát vì vậy được giới hạn ở vùng nhỏ theo chiều
ngang của lớp tích cực. Nếu không có hai dải điện môi này, lớp điện cực kim loại được
phủ lên toàn bộ diện tích mặt phía trên của chíp laser và ta có laser diện rộng. Khi đó
ánh sáng laser được phát dọc theo toàn bộ chiều ngang cạnh chíp laser và gồm nhiều
mốt không gian.
x
1-x
x
1-x
th
Các cấu trúc dị thể nhóm III-V được sử dụng làm lớp tích cực và bước sóng bức xạ
tương ứng như sau:
–
InGaP/AlInP (=584 nm)
–
GaInP/InGaAlP ( = 670 nm)
–
AlGaAs/GaAs (= 750 – 870 nm)
–
InGaAs/GaAs (=960 – 980 nm, 1064 nm)
–
InGaAsP/InGaP(=720 – 810 nm)
–
InGaAsP/InP (=1100 – 1600 nm)
–
InGaAlAs /AlGaAs (=810 nm)
–
InGaAlP / InGaP (=665 nm)
Các Laser bán dẫn đang được ứng dụng phổ biến ở vùng nhìn thấy hiện nay
thường là loại vật liệu GaxAl1-xAs trên đế GaAs có x thay đổi (0 < x < 0,37) để có các bước sóng phát khác nhau (từ 630 nm đến 850 nm) và InxGa1-xAsyP1-y trên để InP với x và y thay đổi ta có thể có các bước sóng 1310 nm (In0,75Ga0,25As0,5P0,5) và 1550 nm Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan 10 (In0,63Ga0,37As0,8P0,2). Ngoài ra còn có các loại laser bán dẫn trên cơ sở các loại vật liệu khác như GaInAlP/GaAs (=0,63÷0,67m), laser siêu mạng có lớp ứng suất InGaAs/GaAs (=0,98 m), InGaN/ GaN (=390÷440 nm). Laser diode vùng hồng ngoại xa (=3÷34 m) trên cơ sở Pb1-XSeX trên đế PbTe và các vật liệu khác đang được nghiên cứu. Các nghiên cứu chế tạo các laser phát ở vùng nhìn thấy với vật liệu không chứa nhôm Al cũng được thực hiện nhằm tránh Al là vật liệu dễ bị oxy hóa nhằm tăng tuổi thọ laser. Có nhiều loại cấu trúc laser diode khác nhau như laser diện rộng, laser dải hình học, laser chuyển tiếp dị thể vùi, laser dạng gò (messa), laser phát mặt v.v. Ngoài việc giam giữ hạt tải theo chiều vuông góc với chuyển tiếp p-n do các rào thế (như trên hình 1.3 b), sự giam giữ hạt tải theo chiều song song với chuyển tiếp p-n cũng rất quan trọng nhằm tăng hiệu suất phát quang của laser bán dẫn như cho laser dải hình học ở trên. Tùy thuộc vào cấu trúc laser sử dụng mà người ta chia ra làm hai loại chính là laser dẫn hướng độ khuếch đại (gain-guided) và laser dẫn hướng chiết suất (indexguided). Trong đó, dẫn sóng cho bức xạ tự phát theo hướng song song với chuyển tiếp p-n được thực hiện bởi độ khuếch đại quang (do sự giam giữ mật độ hạt tải trong một vùng giới hạn như trên hình 1.4) hay do chiết suất của vật liệu ở tâm vùng tích cực cao hơn các vùng xung quanh theo hướng song song với lớp chuyển tiếp. Sự giam giữ ánh sáng trong vùng tích cực theo hướng vuông góc với chuyển tiếp p-n được thực hiện bởi lớp tích cực có chiết suất cao hơn các lớp vỏ như trên hình 1.3. Tuy nhiên, do là dẫn sóng điện môi nên một phần sóng quang lan truyền ra các lớp vỏ ( hình 1.3d) và ta có hệ số nhốt quang a (tỉ lệ giữa phần ánh sáng bên trong lớp tích cực trên toàn bộ ánh sáng lan truyền cả trong lớp tích cực và các lớp vỏ). Các loại laser dẫn hướng chiết suất (ví dụ loại laser chuyển tiếp dị thể vùi BH, laser gò) thường có dòng ngưỡng phát laser thấp, công suất quang lối ra cao hơn laser dẫn hướng độ khuếch đại (laser dải hình học). Laser giếng lượng tử (QW) là các laser bán dẫn có lớp tích cực với cấu trúc giếng lượng tử, có các laser với giếng lượng tử đơn(SQW) và đa giếng lượng tử (MQW). Các laser giếng lượng tử có nhiều tính chất tuyệt vời như dòng ngưỡng thấp, hiệu suất lượng tử vi phân cao, tốc độ biến điệu cao, chirp thấp và độ bán rộng phổ nhỏ. Cấu trúc tổng thể của laser giếng lượng tử cũng giống như các loại laser bán dẫn khối nói trên, nghĩa là gồm các lớp epitaxi phủ trên đế bán dẫn. Lớp tích cực khác ở chỗ gồm một hay nhiều lớp epitaxi có độ dày vài nm tới ~ 10 nm tạo nên cấu trúc giếng lượng tử. Cấu trúc đơn giếng lượng tử dẫn tới làm giảm hệ số nhốt quang trong vùng tích cực do độ dày lớp tích cực giảm nên dòng ngưỡng phát laser tăng. Để có giá trị a lớn các cấu trúc giếng lượng tử được phát triển. với cấu trúc đa giếng lượng tử MQW, khi đó hệ số nhốt quang a tăng lên do có nhiều lớp giếng lượng tử ở vùng Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan 11 giam giữ quang. Vì vậy, đa phần các laser bán dẫn hiện nay được chế tạo là các laser đa giếng lượng tử. Ngoài các laser phát cạnh phổ biến, người ta cũng thiết kế chế tạo các loại laser phát mặt (VCSEL), nghĩa là ánh sáng laser được phát ra từ bề mặt phía trên của chíp laser với cấu trúc khối hay giếng lượng tử. Như đã nhắc tới ở trên, các laser đơn tần DFB, DBR với các cấu trúc cách tử gần vùng tích cực cũng được thiết kế chế tạo. Các laser bán dẫn công suất cao với công suất quang lối ra từ vài trăm mW cho tới vài W cho đơn chip laser có nguyên lý hoạt động tương tự như nêu trên. Tuy nhiên, để có thể hoạt động ở chế độ dòng bơm lớn, mật độ công suất quang lối ra cao, độ dày vùng tích cực thường lớn (~1µm) so với độ dày vùng tích cực rất nhỏ của laser bán dẫn công suất thấp (~0,2 ÷ 0,3 µm). Đồng thời độ rộng vùng phát xạ hay vùng tích cực thường lớn ( ~ 60 ÷ 200 µm). Vì vậy, dòng ngưỡng phát laser cũng như dòng hoạt động của laser bán dẫn công suất cao lớn ( vài trăm mA tới vài A cho đơn chip laser). Các mặt gương của chip laser diode công suất cao có thể được phủ lớp chống phản xạ ở một mặt hoặc cả hai mặt (một mặt có độ phản xạ cao và một mặt có độ phản xạ thấp). Các laser bán dẫn công suất cao có cấu trúc diện rộng BA hoặc cấu trúc dẫn sóng gò hoặc các cấu trúc đặc biệt khác nhằm mục đích tăng công suất quang lối ra hoặc cải thiện chất lượng chùm tia laser. Các laser bán dẫn công suất cao được đặc biệt chú trọng về vấn đề tản nhiệt, thông thường chúng được hàn lên đế tản nhiệt dưới dạng cực dương nối vỏ (p-down) để tản nhiệt tốt hơn. Các yêu cầu về dòng hoạt động cũng như vấn đề tản nhiệt ngặt nghèo hơn nhiều so với laser bán dẫn công suất thấp để đảm bảo độ ổn định hoạt động cũng như tuổi thọ của laser. 1.2 Một số đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn 1.2.1. Đặc trưng dòng bơm – công suất quang của laser bán dẫn Đặc trưng công suất quang dòng bơm là đặc trưng quan trọng nhất của laser bán dẫn, đây là đặc trưng phi tuyến và gồm có hai phần: phần biểu thị cho bức xạ tự phát (hay huỳnh quang) ở bên dưới dòng ngưỡng phát laser Ith và phần phát laser khi dòng bơm ở trên ngưỡng phát. Khi tăng dòng bơm đến một giá trị nào đó, mật độ hạt tải bơm vào vùng tích cực của laser đạt đến giá trị ngưỡng nth dẫn tới trạng thái đảo mật độ tích lũy hạt tải và bức xạ laser xảy ra. Luận văn thạc sỹ Vùng P bão hoà P I Ith I Hình 1.5: Đặc trưng công suất quang dòng bơm (P-I) của laser bán dẫn Nguyễn Thị Ngoan 12 Giá trị dòng bơm này là ngưỡng phát laser Ith. Đối với dòng bơm trên ngưỡng phát laser mật độ hạt tải có giá trị không đổi và bằng mật độ hạt tải ngưỡng nth. Từ đặc trưng P-I, người ta có thể xác định hiệu suất độ dốc ∆ ∆ . Nếu dòng ngưỡng phát laser thấp (vài mA), độ dốc đặc trưng lớn và dòng bơm làm laser bị bão hoà cao nghĩa là laser có chất lượng tốt. Nếu biểu diễn hiệu suất lượng tử nội ( xác suất tái hợp bức xạ của hạt tải tiêm vào vùng tích cực) là ηi, ta có thể viết công thức cho công suất quang sinh ra bởi bức xạ cưỡng bức bên trong buồng cộng hưởng của laser như sau [9]: = ℎ (1.6) Một phần công suất quang này bị tiêu tán do các mất mát nội trong buồng cộng hưởng của laser (α), phần còn lại thoát ra khỏi buồng cộng hưởng sau khi chịu sự mất mát do gương là (1/L)ln(1/R). Như vậy, ta có thể viết công suất quang lối ra của laser như sau [9]: = ( − )∗ 1 ∗ℎ ∗ + Trong đó: 1 ln( ) 1 1 (1.7) ln( ) : dòng ngưỡng phát laser : hệ số mất mát nội : điện tích của một điện tử : hệ số phản xạ của mặt buồng cộng hưởng : chiều dài buồng cộng hưởng Từ công thức (1.7) ta có hiệu suất lượng tử ngoại của laser: = ln 1 + 1 (1.8) 1.2.2 Đặc trưng dòng – thế ( I-V) Đặc trưng dòng thế I -V là đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện bơm chạy qua laser diode và điện thế đặt trên chuyển tiếp. Với dòng bơm rất nhỏ, điện thế tăng rất nhanh và khi đạt đến mức điện thế phân cực thuận đặt trên chuyển tiếp laser thì tốc độ tăng của thế so với dòng giảm đi. Điều này chứng tỏ điện trở laser là phi tuyến và nó phụ thuộc vào dòng bơm. Khi chưa có điện áp phân cực thì điện trở laser rất lớn. Còn khi đã đạt tới điện áp phân cực thuận thì điện trở của laser diode giảm xuống còn rất nhỏ. Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
Source: https://dvn.com.vn
Category: Điện Tử
