một số tính chất đặc biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Đề tài:
MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE CÔNG
SUẤT CAO VỚI CẤU TRÚC MẢNG Ở CHẾ ĐỘ XUNG NGẮN
Học viên : Nguyễn Mạnh Thắng
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TSKH Vũ Văn Lực
Chuyên ngành: Quang Lượng Tử
HÀ NỘI - 2007
3
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT
CAO. 3
1.1 KHÁI NIỆM LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 4
1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX) 4
1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC 5
1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH) 6

1.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG 7
1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC 7
1.3.2 CẤY GHÉP ION 8
1.3.3 SỬ LÝ LỚP CÁCH ĐIỆN 9
1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA 11
1.3.5 PHỦ KIM LOẠI 12
1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO 13
1.3.7 KỸ THUẬT PHỦ MẶT GƯƠNG 14

1.3.7.1 NGUYÊN TẮC
1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HOÁ MẶT TÁCH CHIP LASER
1.4 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA 15
1.4.1 THÔNG SỐ KHUẾCH ĐẠI HẠT TẢI CẢM ỨNG
VÀ CHIẾT SUẤT KHÚC XẠ 15
1.4.2 MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT BÃO HOÀ 16
1.4.3 ĐỘ SÁNG, TỶ SỐ STREHL VÀ THÔNG SỐ
2
M
17
1.4.3.1 ĐỘ SÁNG 17
1.4.3.2 TỶ SỐ STREHL 18
1.4.3.3 THÔNG SỐ
2
M
18
1.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE 19
CÔNG SUẤT CAO
1.5.1 ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT PHỤ THUỘC VÀO DÒNG BƠM 19
1.5.2 SỰ PHỤ THUỘC DÒNG NGƯỠNG VÀO NHIỆT ĐỘ 20
1.5.3 SỰ UỐN CONG ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG (P-I) DO NHIỆT 20
1.5.4 HOẠT ĐỘNG ĐA MỐT 21
1.5.5 SỰ PHÁ HUỶ PHẨM CHẤT QUANG HỌC 22
1.5.6 TUỔI THỌ CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 22
4
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1 CHẾ TẠO NGUỒN PHÁT XUNG NGẮN, DÒNG CAO ĐỂ NUÔI CHO
LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
2.2 CÁC CHIP LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG TRONG
NGHIÊN CỨU

2.3 ĐẦU THU PHOTODIODE.
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.
2.5 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ UỐN CONG ĐẶC TRỪN CÔNG
SUẤT GÂY RA DO NHIỆT
2.6 HỆ THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ
DỤNG MÁY PHÁT XUNG DÒNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
5
MỞ ĐẦU
Lasers được viết tắt từ những chữ cái đầu trong tiếng Anh (Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation), đó là sự khuếch đại bức xạ cưỡng bức ánh sáng
để tạo ra chùm tia có cường độ lớn, có tính định hướng cao. Lasers là một trong những
phát minh mang tính đột phá của thế kỷ 20, phát minh kỳ diệu này không những làm
nức lòng các nhà khoa học mà còn kích thích sự quan tâm tìm hiểu của nhiều người
trong kỷ nguyên công nghệ cao. Kể từ khi ra đời lần đầu tiên (Laser rubi) năm 1960 do
Maiman phát minh, đến nay rất nhiều loại laser đã được nghiên cứu, phát triển và đưa
vào ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khoa học, đời sống như y học, thông tin
quang sợi, điều khiển và đo xa laser, đo cắt chính xác công nghiệp v.v
Cùng với sự ra đời nhiều loại laser khác, laser diode bán dẫn được Robert Hall
công bố lần đầu tiên năm 1962. Nó sử dụng liên kết p-n trong bán dẫn GaAs, phát ở
chế độ mode xung tại nhiệt độ rất thấp
K
0
77
, bước sóng ra đỉnh 842 nm, độ rộng phổ
cỡ 1.5nm, mật độ dòng bơm ngưỡng tới
2

/85000 cmAJ
th
≈
, có tần số lớn hơn gấp 109
lần tần số radio và gấp 105 lần tần số của vi sóng. Đến đầu năm 1963 thì các loại laser
bán dẫn đã được cải tiến hơn bằng cách sử dụng một lớp bán dẫn kẹp giữa hai lớp bán
dẫn vỏ, gọi là bán dẫn cấu trúc dị thể, lớp bán dẫn ở giữa có độ rộng vùng cấm khác
với độ rộng vùng cấm của hai lớp vỏ. Loại laser này được chia làm hai loại: chuyển
tiếp dị thể đơn và chuyển tiếp dị thể kép, tuỳ thuộc vào miền tích cực được bao quanh
bởi một hay hai loại lớp vỏ. Với cấu trúc dị thể, hằng số mạng của lớp tích cực và lớp
vỏ phải bằng nhau hoặc khác nhau không đáng kể (có cấu trúc tương tự nhau).
Trên cơ sở vật liệu bán dẫn GaAs cấu trúc dị thể, đến những năm 1969 thì
Charles Kao và Geoger Hockhan chế tạo được laser bán dẫn có hoạt động trong chế độ
xung tại nhiệt độ phòng, mật độ dòng bơm ngưỡng đã giảm xuống
2
/8000 cmAJ
th
≈
,
giá trị dòng ngưỡng này giảm xuống chỉ còn
2
/600.1 cmA
vào năm 1970 và đến năm
1975 thì chỉ còn cỡ
2
/500 cmA
. Để giảm mật độ dòng ngưỡng xuống giá trị trên, người
ta chế tạo laser có vật liệu lớp tích cực AlGaAs với độ dày
m
µ

1.0~
có cấu trúc dị thể
kép. Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm giữa lớp tích cực và các lớp vỏ giúp cho việc
giam giữ tốt hơn các mốt quang học, hoạt động như một dẫn sóng điện môi. Nhưng
chính sự giam giữ này làm giảm đáng kể hao tổn nội, gây ra sự mở rộng mốt trong các
vùng lân cận.
Một trong những mục tiêu quan trọng của laser diode đó là nâng cao công suất
laser ra đồng thời giảm độ rộng xung nhỏ nhất có thể nhằm nâng cao chất lượng chùm
tia và ứng dụng sâu hơn trong cuộc sống cũng như khoa học. Mục tiêu này luôn luôn
được duy trì và mở rộng phát triển kể từ khi nó ra đời.
Vậy tại sao chúng ta cần phải chế tạo laser diode công suất cao?
Đầu những năm 1990 đánh dấu bước đột phá trong công nghệ laser bán dẫn khi
lần đầu tiên chế tạo thành công các thanh laser kích thước
cmcm 06.01
×
phát ra công
suất trên 20W, thời gian sống cỡ 10.000 giờ, mở ra khả năng ứng dụng to lớn trong
khoa học ứng dụng. Quá trình tiếp theo chủ yếu tập chung vào việc cải tiến laser bán
dẫn trên cơ sở nền GaAs, tạo ra nền có mật độ phản xạ thấp bằng các quá trình epitaxy
của các lớp AlGaInAs và GaInAsP trên nền GaAs. Các lợi thế của laser bán dẫn công
suất cao: So với với đèn bơm hoặc khí tích điện cho việc tạo ra ánh sáng kết hợp, như
kích thức nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi điện quang cao hơn, nguồn cấp và làm lạnh
đơn giản, độ tin cậy cao hơn. Kích thước nhỏ gọn nên chiếm ưu thế hơn so với laser
rắn và laser khí do sự cồng kềnh và bất tiện. Dòng bơm ngưỡng thấp (chỉ cỡ vài trăm
6
mA), dải sóng ứng dụng rộng, dễ điều chế, hoạt động từ chế độ xung tần số thấp đến
cao, cả chế độ xung và chế độ liên tục. Nó là thiết bị không thể thiếu trong thông tin
cáp quang, cho phép truyền thông tin đi khoảng cách rất lớn với tốc độ siêu cao. Mặt
khác, laser diode đóng vai trò như chiếc chìa khoá mở ra rất nhiều ứng dụng, từ những
sản phẩm thông thường phục vụ cho mục đích dân sự đến những ứng dụng cho mục

đích quân sự. Đối với một số ứng dụng thông thường của laser diode như: máy scan,
máy in, bút chỉ laser, đầu đọc đĩa compact và trong thông tin cáp quang thì công suất
chỉ cỡ vài mW. Nhưng đối với một loạt ứng dụng khác thì công suất cần tới cỡ từ vài
Watts tới hàng ngàn Watts tuỳ theo ứng dụng như: đo xa laser phát hiện khoảng cách
mục tiêu, nguồn chiếu sáng trong ống nhòm nhìn đêm, trong y tế (châm cứu, cắt khối
u, thẩm mỹ, trị ung thư…), xác định xon khí, lỏng trong khí quyển.v.v
Trong luận văn này chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu một số tính chất đặt biệt
của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn.

7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
1.1 KHÁI NIỆM LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
Đã hơn 40 năm kể từ khi laser bán dẫn phun ra đời, rất nhiều nghiên cứu đã
được thực hiện nhằm nâng cao công suất và mở rộng vùng bước sóng phát. Với lợi thế
nhỏ gọn, hiệu suất cao và thời gian sống lớn, laser diode có khả năng thay thế phần lớn
các laser khác trong ứng dụng khoa học và trở thành cầu nối giữa các hệ điện tử và
thông tin liên lạc. Phần lớn các ứng dụng đều nhằm duy trì công suất ra và chất lượng
chùm tia theo thời gian. Trong chương này chúng ta sẽ xem xét một số cấu trúc laser
diode công suất cao và công nghệ sử dụng cho việc chế tạo laser diode công suất cao
laser dạng mảng (thanh). Sau đó là nghiên cứu một số thông số đặc trưng cho chất
lượng chùm tia laser ra và những thông số ảnh hưởng đến công suất phát.
Trong thực tế không có qui định rõ ràng giữa laser diode thường và laser diode
công suất cao, nó phụ thuộc vào loại laser và ứng dụng cho mục đích gì mà nó được
thiết kế cho phù hợp. Nói chung, đối với các loại laser tần số đơn, laser đơn mốt liên
tục có công suất 50mW trở lên và các laser đa mốt dải rộng, mảng laser có tần số
50mW trở lên thì được gọi là laser diode công suất cao. Mặc dù các laser diode có thể
phát ra công suất đỉnh lên tới vài kW ở chế độ xung, nhưng năng lượng xung bị giới
hạn nhỏ hơn rất nhiều so với các loại laser rắn khác do thời gian sống của hạt tải diode
ngắn (cỡ vài ns). Để hiểu được sự cần thiết phải chế tạo laser diode công suất cao
chúng ta hãy đưa ra những lợi ích mà laser bán dẫn công suất cao mang lại khi sử dụng

chúng trong ứng dụng thực tiễn [17]:
• Hiệu suất chuyển đổi điện quang của các đèn trong khoảng trên dưới 50% [1]
mang lại tiêu chuẩn đầu tiên cho laser diode công suất cao. Trong khi hiện nay
nếu sử sụng laser diode thì hiệu hiệu suất lên đến trên 60% [2].
• Thời gian sống đặc trưng của các đèn khoảng 1000 giờ nhỏ hơn thời gian sống
của laser diode công suất cao hơn 10.000 giờ.
• Công suất quang học của các đèn bơm cho các hệ laser diode công suất cao cần
tới cỡ vài kW. Để thực hiện một công suất tương tự với các laser diode thì
chúng ta chỉ cần sử dụng khoảng 100 thanh diode công suất cao.
• Laser diode công suất cao được sử dụng làm nguồn bơm cho hệ laser rắn cho
hiệu suất rất cao vì bước sóng bơm của laser diode có thể phù hợp chính xác
với bước sóng hấp thụ của tinh thể được kích thích. Còn nếu sử dụng các loại
đèn bơm thì do phụ thuộc vào các dịch chuyển điện tử của các nguyên tử kích
thích nên các bước sóng này chỉ phụ thuộc bản chất, các giá trị cố định khí bơm
vào, vì thế các dịch chuyển có thể tốt hoặc không tốt, mang lại hiệu suất kém
hơn rất nhiều.
• Vấn đề mang tính cạnh tranh quyết định là giá cả của toàn bộ hệ thống máy
phát laser. Đối với các hệ laser diode công suất cao thì vấn đề này chủ yếu được
xác định bới giá của các laser diode thành phần (laser diode thông thường). Vì
thế, các nỗ lực chủ yếu được tập chung vào công nghệ bán dẫn tái chế, chính vì
vậy laser diode công suất cao được xem như là công nghệ đơn giản nhất, dẫn
đến giá cả cạnh tranh hơn so với các loại laser khác.
8
1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX)
Khái niệm
Laser ma trận là một trong những cấu trúc được sử dụng hiệu quả trong việc
nâng cao công suất của laser diode. Cấu trúc của laser ma trận được bố trí bao gồm
nhiều lớp tích cực nằm sát nhau, mỗi lớp tích cực này bức xạ riêng rẽ và tạo thành mối
quan hệ về pha giữa chúng. Cụ thể là hợp pha hoặc ngược pha, nếu hợp pha thì công

suất ra tổng hợp được tăng cường và kết hợp, còn nếu ngược pha thì công suất ra bị
triệt tiêu. Kết quả tạo thành chùm bức xạ hẹp, có tính kết hợp cao. Cấu trúc laser ma
trận được nghiên cứu nhiều hiện nay sử dụng hệ vật liệu InGaAsP.
Cấu trúc laser ma trận được chia thành hai nhóm: laser ma trận chỉ số khuếch
đại và laser chỉ số chiết suất yếu (cấu trúc dẫn sóng), sự khác nhau của hai loại là do
mode công tua dọc theo mặt phẳng chuyển tiếp được xác định bằng chỉ số khuếch đại
và chỉ số chiết suất yếu. Hình 1.1 minh hoạ hai cấu trúc laser ma trận trên:
lớp điện môi
λ ~1.3µm (InGaAsP)
λ ~1.3µm (InGaAsP)
(lớp tích cực)
đế
a/
λ ~1.3µm (InGaAsP)
(lớp tích cực)
λ ~1.03µm (InGaAsP)
b/
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc laser ma trận trên cơ sở vật liệu InGaAsP
a/ Cấu trúc laser diode ma trận chỉ số khuếch đại.
b/ Cấu trúc laser diode ma trận chỉ số chiết suất yếu.
Trong đó laser ma trận chỉ số khuếch đại là một laser dải điện môi, các khe điện môi
(SiO
2
) và không gian giữa các tâm được chọn sao có sự chồng chập của các mốt dao
động từ các bức xạ lân cận. Laser ma trận chỉ số chiết suất yếu có thể sử dụng cấu trúc
dẫn sóng ở đỉnh. Các hướng không gian giữa các bức xạ được khuếch đại lọc lựa
thông qua sự chồng chập của các mốt dao động. Sự chồng chập này chứng tỏ sự liên
9
n-InP
p-InP

p-InP
n-InP
p-InP
kết cần thiết cho chặn pha. Đối với laser ma trận InGaAsP phát trong vùng 1.3µm hoạt
động ở chế độ xung có thể cho công suất ra tới 800mW.
1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC
(LARGE OPTICAL CAVITY)
Khái niệm
Hiểu một cách đơn giản nhất, để có được công suất cao hơn, ta có thể tăng thể tích
của buồng cộng hưởng hay tăng chiều dài vùng hoạt chất (tức là tăng chiều dài khuếch
đại), dẫn đến tăng mật độ photon đi ra, tức là công suất bức xạ tăng. Laser buồng cộng
hưởng rộng dựa trên cấu trúc dị thể kép gồm ba lớp “chuẩn” p-p-n (hình 1.2), có hai
kiểu cấu trúc là cấu trúc đối xứng và cấu trúc phản xứng, trong đó cấu trúc phản xứng
dễ tạo được laser đơn mốt dọc hơn là cấu trúc đối xứng. Laser LOC bao gồm cấu trúc
dị thể vùi và cấu trúc dị thể kép, trong đó cấu trúc dị thể kép cho công suất quang ra
cao hơn (cỡ 100mW ở chế độ liên tục).
p
p (lớp tích cực)
n

Hình 1.2: Cấu trúc dị thể kép 3 lớp “chuẩn”
Trong cấu trúc này, ở vùng lân cận của lớp tích cực thì sự tái hợp và cộng
hưởng xảy ra độc lập, các mốt ngang lan truyền qua lớp bán dẫn loại n sẽ ít mất mát
hơn. Đối với loại buồng cộng hưởng này, nếu chế tạo buồng cộng hưởng lớn hơn vùng
tái hợp thì kích thước vết sáng đầu ra lớn hơn, đồng thời công suất lối ra cũng giảm.
Laser LOC có hai đặc điểm lưu ý là: nồng độ hạt tải dò giữa lớp tích cực và ống dẫn
(vỏ) lớn hơn so với cấu trúc dị thể chuẩn và có sự suy giảm chiết suất trong vùng tái
hợp do mật độ tập chung hạt tải cao gây mất ổn định kích thước vết sáng ra.
Cấu trúc đầu tiên [3] áp dụng khái niệm buồng cộng hưởng rộng (LOC) với dẫn
sóng mở rộng cho bước sóng 808nm, cấu trúc này sử dụng lõi ống dẫn sóng có bề dày

1.2µm bao gồm
AsGaAl
4.06.0
và một lớp vỏ với hợp chất của
AsGaAl
4.06.0
(hình 1.3).
Một cấu trúc dẫn sóng tối ưu cho laser diode công suất cao LOC cần thoả mãn yêu
cầu sau [17]:
- Khả năng giam hãm cao để giảm dòng ngưỡng
- Bề rộng trường gần phải đủ lớn để giảm tải trọng bề mặt
- Bề rộng trường gần phải đủ nhỏ để giảm bề dày tổng cộng của các lớp ghép, tức
là trở nhiệt và trở hệ thống.
- Bề rộng trường gần phải đủ lớn để độ phân kỳ theo chiều dọc nhỏ.
- Mất mát tán xạ thấp.
- Mất mát do hấp thụ hạt tải tự do nhỏ.
- Mức pha tạp cao để giảm trở hệ thống.
- Hàng dào chắn hạt tải đủ cao để giam hãm điện tử tốt hơn
- Hàng dào giữa các lớp khác nhau đủ nhỏ để đạt thế qua diode thấp
GaAs (lớp tiếp giáp)
10


AsGaAl
3.07.0
( vỏ) 1500nm


AsGaAl
35.065.0

(dẫn sóng) 500nm
Cấu trúc giếng lượng tử
(InGaAsP,GaAsP,InGaAlAs)

AsGaAl
35.065.0
(dẫn sóng) 500nm

AsGaAl
3.07.0
( vỏ) 1500nm
GaAs (đế)
Hình 1.3: Sơ đồ các lớp dọc liên tiếp của chip laser diode với cấu trúc dẫn sóng LOC
AlGaAs.
1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH)
Khái niệm
Laser mảng (hoặc thanh) là sự tổ hợp của nhiều laser riêng biệt, đặc điểm quan
trọng của laser dạng thanh công suất cao là các ống đẫn sóng được đặt song song với
nhau hoặc các ống dẫn được nối kề nhau như (hình vẽ 1.4). Sự liên quan về pha giữa
các mốt ghép nối có ảnh hưởng quyết định đối với công suất ra và là điều kiện quan
trọng của linh kiện trong hệ thông tin quang.

Hình 1.4: Cấu trúc của laser diode mảng công suất cao
Trong laser thanh, để hạn chế số mốt người ta đưa ra giải pháp bằng cách sử
dụng mô hình cặp thanh hình chữ Y như hình 1.5.
Nguyên lý hoạt động của cấu trúc được mô tả trên hình vẽ 1.5b. Các mốt từ hai
nhánh có chung một gốc hình chữ Y sẽ cộng pha với nhau theo mối quan hệ như sau:
hai thành phần cùng pha sẽ được tăng cường, đồng thời tạo ra mốt công suất cao hơn
như hình b1, còn hai thành phần ngược pha sẽ bị triệt tiêu và công suất mất đi như
hình b2. Công suất nhận được từ laser diode dạng thanh là rất lớn, công suất ra có thể

lên tới trên 70W, tuy nhiên lúc đó thời gian sống sẽ ngắn hơn khi laser hoạt động ở
công suất thấp.

11
pha vào
pha ra
1 2
a/ b/
Hình 1.5: a/ Cặp mảng dạng chữ Y.
b/Mô hình cho nguyên lý hoạt động của laser dạngthanh.
1.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG
Có ba vấn đề cần giải quyết liên quan đến công nghệ chế tạo laser diode công suất cao
dạng mảng [17]:
Thứ nhất đó là thiết kế buồng cộng hưởng quang học cho dẫn sóng . Đối với
dẫn sóng dọc được tạo bởi cấu trúc expitaxial, còn dẫn sóng bên đạt được bằng kỹ
thuật khắc mòn mesa (kỹ thuật khắc dốc) trong trường hợp dẫn sóng chiết suất, hoặc
bằng phương pháp hình học tiếp xúc trong trường hợp laser diode dẫn sóng khuếch
đại.
Thứ hai là các gương phải được tạo ra để buồng cộng hưởng được xác định.
Đối với các laser diode công suất cao thì nó được chế tạo chủ yếu bằng cách tách các
mặt tinh thể và phủ lớp chống phản xạ cho một mặt gương (mặt không phát laser). Quá
trình gia công tương tự như công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn và cũng là yếu tố then
chốt cho các laser diode phát bề mặt.
Thứ ba là quá trình sử lý phải thực sự bảo đảm: tiếp xúc điện của nguồn cấp, số
chíp laser diode điều khiển lớn, đồng thời tiêu tán nhiệt độ phải nhanh. Cấu trúc và quá
trình phủ kim loại tiếp xúc sao cho năng lượng điện bơm vào phải đạt hiệu suất laser ra
tối đa nhất, loại bỏ một cách hiệu quả nhiệt lượng hao phí do chip laser diode là các
thiết bị rất nhỏ nên ảnh hưởng nhiệt của chúng là rất lớn.
1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC
Cấu trúc laser diode ống dẫn khuếch đại đơn giản nhất dựa trên việc phun dòng

điện bị giới hạn bên. Điều này được thực hiện thông qua cửa sổ tiếp xúc trên bề mặt
bán dẫn bằng các lớp expitaxial, cửa sổ tiếp xúc này có tác dụng ngăn cản dòng điện
lan tỏa trên bề mặt tiếp xúc. Dựa vào cửa sổ tiếp xúc này, dòng điện được phun vào
bên trong vùng hoạt chất. Ngoài vùng cửa sổ tiếp xúc này thì bề mặt bán dẫn phải
được cách điện hoàn toàn.
12
Cách điện được giải quyết bằng cách giảm mạnh tính dẫn điện của lớp tiếp xúc
bán dẫn pha tạp mạnh gây ra do sự ghép nối hoặc ta có thể cách điện lớp chất điện môi
ở giữa lớp tiếp xúc bán dẫn và lớp phủ kim loại [4,5].
1.3.2 CẤY GHÉP ION
Hiệu quả cách điện của việc cấy ion phụ thuộc vào việc tạo ra các lỗ trống trong
bán dẫn. Các lỗ trống này bắt giữ các hạt tải tự do trong các lớp bán dẫn, điều này làm
giảm tính dẫn điện và tăng điện trở của các lớp.
Để chế tạo các cấu trúc laser diode đa mốt thì cần có sự cách điện của các lớp bán
dẫn pha tạp mạnh (lớp tiếp xúc và lớp vỏ gần lớp tiếp xúc). Vùng này có thể được
cách điện bằng cách cấy ion nông với năng lượng thấp. Độ sâu trung bình và độ dày
của lớp cách điện được xác định bằng loại ion và năng lượng được cấy, lượng cấy này
xác định số lỗ trống và độ cách điện.
Sự phá huỷ rất dễ xảy ra nếu đặt lớp được cấy trong vùng cường độ trường quang
học mạnh, nó tạo nên những điểm ban đầu gây gia tăng sai hỏng, dẫn đến suy biến các
đặc tính của laser diode và cuối cùng làm hỏng thiết bị. Chính vì vậy, tránh sắp đặt
đường cấy thẳng hàng với hướng chính của tinh thể (góc phải lớn hơn 7 độ). Điều này
gây ra do hiệu ứng lập kênh, khi đó các ion được cấy sẽ đi vào giữa các dãy nguyên tử
trong mạng tinh thể, lúc đó độ đâm xuyên gấp 10 lần so với trường hợp khi không xảy
ra hiệu ứng lập kênh. Công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại với sự giúp
đỡ của phương pháp cấy ion được minh hoạ trên hình 1.6.
bước 1
bước 2
bước 3
13

Mặt nạ trở suất cho phủ kim loại
Phủ kim loại
bước 4
Hình 1.6 Qui trình công nghệ chế tạo laser diode dẫn khuếch đại phẳng. Dẫn khuếch
đại được tạo ra bằng cách cách cấy ion cách điện (bước 3) để giam giữ dòng điện.
Phủ mặt nạ để cấu trúc kim loại mỏng là phương pháp mặt nạ phóng nhằm ngăn cản
sự đảo chiều trở suất. Để ngăn cản miền tiếp xúc trên lớp GaAs khỏi bị phá huỷ do
cấy ghép ion cần độ dày lớp phủ hiệu dụng cỡ 70nm.
Để cách điện ta chỉ chọn vùng bán dẫn bên ngoài cửa sổ tiếp xúc (cửa sổ tiếp
xúc ngoài) đồng thời sử dụng phương pháp mặt nạ thích hợp để cấy ghép ion. Cấy
ghép thường được sử lý ở nhiệt độ thấp, có thể sử dụng nhiều loại chất liệu mặt nạ
khác nhau.

1.3.3 SỬ LÝ LỚP CÁCH ĐIỆN
Công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại với lớp bên cách điện bằng
một lớp điện môi được mô tả trong hình 1.7. Các lớp điện môi thông thường được sử
dụng như rào chắn dòng điện trong cấu trúc laser diode với GaAs chứa SiO
2
, SiN
x
hoặc Al
2
O
3
. Công nghệ sử lý lớp điện môi tuỳ thuộc vào lớp điện môi được sử dụng và
kỹ thuật kết tủa (kết tủa hơi hoá học, bức xạ hoặc bay hơi chùm điện tử).
14
Cấy ion cách điện
Phủ kim loại
Cấu trúc cuối cùng

bước 1
bước 2
bước 3
Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại phẳng. Dòng
điện được giam giữ bằng cửa sổ tiếp xúc, được xác định bằng lớp cách điện pha tạp
mạnh GaAs . Cách tốt nhất để sử lý lớp cách điện từ điều kiện tiếp xúc là sử dụng
phương pháp mặt nạ phóng. Lớp cách điện được ngưng tụ ở nhiệt độ thấp khi sử dụng
quá trình phóng.
15

1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA
Một cấu trúc cùng loại khác cũng được sử dụng cho việc giam giữ điện-quang đó
là cấu trúc dẫn sóng chiết suất. Trong cấu trúc này, một phần bên ngoài lớp bán dẫn
được giam giữ bằng vật liệu khác có chiết suất thấp hơn. Trường hợp đơn giản nhất là
lớp tiếp xúc và lớp vỏ được khắc mòn. Cấu trúc mesa được làm rất nhỏ cỡ 3-5 µm sao
cho ống dẫn sóng ngoài chỉ có mốt ngoài đơn được tạo ra dễ ràng. Vì thế, cấu trúc này
thường được sử dụng cho laser diode mốt cơ bản. Đối với cấu trúc phức tạp hơn, thì
miền khắc mòn bên ngoài vùng giam giữ được lấp đầy bằng bán dẫn khác loại do lần
cấy ghép thứ hai.
Laser diode với cấu trúc mesa cho công suất cao được chỉ ra trên hình 1.9, là
một trường hợp đặc biệt của ống dẫn sóng đỉnh, bề rộng mặt ngoài cỡ 60-200 µm.
Tính chính xác của kỹ thuật khắc mòn được sử dụng để nghiên cứu điểm dừng tại độ
sâu chính xác bị giảm đi khi so sánh với laser ống dẫn sóng đỉnh. Ưu điểm chính của
cấu trúc mesa là khả năng giam giữ và xác định dòng điện cực tốt, ngoài ra còn có khả
năng giam giữ quang học tốt hơn một chút laser ống dẫn sóng đỉnh. Kết quả mật độ
dòng ngưỡng giảm, bề rộng các đỉnh nhỏ dưới 100 µm.
bước 1
bước 2
bước 3
bước 4

16
Hình 1.9 Sơ đồ qui trình công nghệ mesa cho việc chế tạo laser diode cấu trúc dẫn
sóng “gần” chiết suất. Mặt nạ trở suất được sử dụng như là mặt nạ khắc mòn bao
gồm trở suất dương(khắc mòn hoá học ướt) hoặc trở suất âm (cho quá trình khắc mòn
khô). Sau đó mặt nạ có thể được sử dụng cho cấu trúc cách điện
Công nghệ chế tạo laser diode cấu trúc mesa được minh hoạ theo các bước trên
hình 1.9. Có thể sử dụng khắc mòn khô hoặc ướt, phương pháp này đã được áp dụng
sử lý với dung sai tương đối lớn. Quá trình khắc mòn còn tạo ra các các tường bên, dễ
ràng cho việc phủ kim loại.
1.3.5 PHỦ KIM LOẠI
Mục đích của việc phủ các lớp p và n của laser diode là tạo ra tiếp xúc ohmic cho
phép dòng điện chạy qua diode. Tiếp xúc có đặc tính tuyến tính I-V ổn định theo thời
gian và nhiệt độ. Phân bố trở liên kết của diode càng nhỏ càng tốt, nói cách khác sự
phủ kim loại là cở sở cho lượng nhiệt tản ra từ chíp laser.
.
Hình 1.10: Ảnh quét hiển vi điện tử của laser diode công suất cao với cấu trúc
mesa được sử dụng cho việc giam giữ quang-điện. Tấm vàng được phủ lên giúp truyền
nhiệt tốt từ chíp tới môi trường.
17
Đối với laser diode công suất cao dựa trên nền GaAs cho bước sóng phát trong vùng
từ 650nm tới 1100nm thường sử dụng lớp tiếp xúc chứa GaAs. Nếu lớp tiếp xúc pha
tạp đủ mạnh, thì hầu hết kim loại được đặt tiếp xúc ngay sát với bề mặt sẽ cho kết quả
tiếp xúc ohmic mà không cần pha trộn, mức pha tạp cần thiết tối thiểu là
319
10
−
cm
Để tạo tiếp xúc ohmic trên các đế này, chúng ta phải phủ lớp mỏng kim loại sau đó
pha trộn một cách thích hợp với GaAs. Trong suốt quá trình pha trộn tại nhiệt độ được
giữ thấp và làm lạnh liên tiếp. Trong tất cả các hệ đã được sử dụng, thì hệ dựa trên Au

(vàng)-Ge (Giec ma ni) là hiệu quả nhất, Au-Ge được pha trộn theo tỷ lệ hoá học nhất
định (chẳng hạn 88%Au, 12%Ge theo trọng lượng) [6]. Hốn hợp pha tạp này được kết
tủa trên đế GaAs bằng cách bốc bay chùm điện tử.
1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO
Một trong những phương pháp phổ biến nhất để tạo công suất ra lớn từ laser
diode đó là tăng bề rộng của vùng phát. Tuy nhiên, nếu bề rộng của phát đơn mốt tăng
thì sẽ gây gia tăng rất mạnh tính không ổn định mốt ngoài. Điều này có nghĩa rằng
công suất quang học sẽ không phân bố đồng nhất dọc theo mặt phát, hay còn gọi là các
khe nóng, gây giảm độ phẩm chất của laser diode. Thực tế, công suất phát của các đỉnh
mốt đơn không thể tăng với các bề rộng đỉnh vượt qua 200µm. Hiện nay, các laser
diode phát đỉnh đơn có bề rộng phát dưới 300µm.
Phương pháp thực tế để tăng công suất ra là tổ hợp khối nhiều nguồn phát
(khoảng 20-70 nguồn) vào bên trong một thanh laser diode. Các nguồn phát này được
cách ly với nhau cả về mặt quang và mặt điện. Mỗi nguồn phát thành phần này sẽ
được điều chỉnh ra với một công suất vừa phải, sao cho chúng không dẫn đến suy giảm
độ phẩm chất của mặt phát. Cộng tất cả công suất của những nguồn phát thành phần,
công suất ra có thể lên tới 100W [7], thời gian sống khoảng 10000 giờ, chiều dài
buồng cộng hưởng là 600µm -1000µm, chiều dài của thanh laser là 10mm, khoảng
cách nguồn phát thành phần khoảng 50µm -200µm. Trên hình 1.11 minh hoạ cho laser
mảng.
Hình 1.11: Sơ đồ một phần của laser mảng, bao gồm các nguồn phát đơn riêng lẻ
quang-điện. Mỗi nguồn phát có một cấu trúc mesa, chiều dài của thanh khoảng
10mm, chiều dài buồng cộng hưởng trong khoảng từ 600-1000
µ
m.
Do công nghệ sử lý các nguồn phát đơn mốt thành phần và laser mảng là giống
nhau, nên việc chế tạo laser thanh chỉ cần thay đổi cách bố trí lớp mặt nạ. Tuy nhiên,
đòi hỏi nhiều yêu cầu đặc biệt trong việc sử lý công nghệ laser thanh gây ra do sự tích
hợp số lượng lớn các nguồn phát thành phần trong thanh diode. Mỗi bước sử lý phải
18

đưa ra một mức tin cậy rất cao do khuyết điểm của một nguồn phát (ảnh hưởng nhiệt
hoặc dòng điện) thành phần cũng có thể là nguyên nhân gây ra lỗi của toàn bộ thanh
diode.
Một vấn đề khác có thể phát sinh từ việc tổ hợp của quá nhiều các nguồn phát
thành phần mở rộng dẫn đến các lớp dẫn sóng giống nhau gây xuất hiện các giả mốt.
Các mốt này có hướng truyền vuông góc với các mốt cộng hưởng thông thường, gây
giảm hiệu suất toàn phần của mảng. Có hai cách để khử giả mốt:
Cách thứ nhất là khắc mòn tạo thành các khe song song với các buồng cộng
hưởng bên trong các nguồn phát thành phần.
Cách thứ hai là sử dụng cấu trúc mesa, cách này không cần kỹ thuật đi kèm
cho việc triệt tiêu giả mốt .
1.3.7 KỸ THUẬT PHỦ MẶT GƯƠNG
1.3.7.1 NGUYÊN TẮC
Một trong những khía cạnh cốt yếu của công nghệ bán dẫn công suất cao là tạo ra
được các gương ra bền tại các mặt tách của tinh thể. Năng lượng nhiệt sinh ra được tập
chung trong một thể tích nhỏ và mật độ công suất dễ ràng tiến tới bậc cỡ
2
/10 cmMW

tại lối ra, giá trị này gần với ngưỡng phá huỷ của mặt tách. Các gương được tạo ra theo
ba bước:
• Tách mặt được sử lý trong thanh laser.
• Thụ động hoá các bề mặt được tách.
• Phủ lớp phản xạ có đặc tính theo mong muốn.
Quá trình này phải thoả mãn ba điều kiện chính như sau:
Thứ nhất, hệ số phản xạ của gương mặt sau phải lớn hơn 90%, mặt gương trước
từ 3-20%.
Thứ hai, bề mặt phản xạ phải có độ bền cao để có thể thoả mãn thời gian sống
của thiết bị hàng nghìn giờ.
Thứ ba là công nghệ phải phù hợp cho sản xuất khối lượng lớn, giá thành rẻ.

1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HOÁ MẶT TÁCH CHIP LASER
Trên hình 1.12 chỉ ra chu trình phản hồi tại các mặt tách của laser diode dẫn đến phá
huỷ bề mặt, kết quả là hỏng linh kiện.
Nguyên nhân hấp thụ ban đầu tại các mặt tách là do các tâm sâu (trạng thái bề mặt)
được nhân lên do sự ôxi hoá của vật liệu bán dẫn tại giao diện bán dẫn-tấm cách điện.
Sự hấp thụ của bức xạ cưỡng bức tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống tái hợp không bức xạ
tại vùng mặt tách. Hiện tượng tái hợp bề mặt không bức xạ gây nóng mặt tách làm cho
độ rộng vùng cấm giảm. Sự giảm độ rộng vùng cấm này làm gia tăng hấp thụ tại các
mặt tách của chíp, hiệu ứng này sẽ được tăng cường bởi mật độ dòng tại mặt tách do
độ rộng vùng cấm giảm [8]. Nếu như năng lượng hấp thụ đủ lớn, thì quá trình tự chống
đỡ xảy ra dẫn đến phá hỏng do nhiệt của mặt tách. Sau đây là một vài phương pháp
tiếp cận thường sử dụng nhằm hạn chế sự phá hỏng mặt tách do nhiệt:
19
• Giảm hấp thụ ánh sáng tới tại mặt tách [9,10]
• Giảm tốc độ tái hợp bề mặt [11,12,13,14]
• Giảm mật độ dòng tại bề mặt [15]
Hấp thụ ánh sáng tại mặt tách
Tạo cặp điện tử- lỗ trống Phá vỡ liên kết
Ôxi hoá bề mặt
Tái kết hợp không bức xạ
Sự nung nóng
Giảm năng lượng vùng cấm
Vòng oxi hoá
Phá huỷ phẩm chất quang học (COD) Vòng COD

Hình 1.12: Sơ đồ các quá trình dẫn đến phá huỷ phẩm chất quang học của các mặt
gương laser.

1.4 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG CHÙM
TIA LASER

Phần này chúng ta sẽ đưa ra một số khái niệm xác định chất lượng của chùm tia
laser diode công suất cao như chiết suất khúc xạ và cảm ứng hạt tải, mật độ công suất
bão hoà, độ sáng , tỷ số Strehl và thông số
2
M
[16]. Đây là các thông số quan trọng
đánh giá khả năng hội tụ, tính kết hợp không gian v.v.
1.4.1 KHUẾCH ĐẠI HẠT TẢI CẢM ỨNG VÀ CHIẾT SUẤT KHÚC XẠ
Sự tương tác giữa ánh sáng và vật liệu bán dẫn là nền tảng của laser bán dẫn, sự
tương tác này phức tạp hơn rất nhiều laser khí hoặc laser rắn. Về mặt toán học, sự
tương tác giữa bức xạ và vật chất bộc lộ trong hằng số điện môi phức ε(ω) được viết
như sau:

( )
( ) ( )
0
2
0
0
0
1
)1()(
Xn
XX
+=
+=
+=
ωωχ
ωχεωε
(1.1)

20
ε
0
: hằng số điện môi trong không gian tự do
χ(ω): độ cảm môi trường
Dựa vào các phương trình sau:

{ }
( )
{ }
2
0000
2
0000
2
1
000
2/)(1
2/)(1/))(()(
)()()(
nXnn
nXcnk
XXX
r
ir
ωω
ωωωεµωω
ωωω
+=
+==

+=
(1.2)
ir
XX &
: đặc trưng cho sự tán sắc và khuếch đại (hoặc mất mát) tương tứng
Ta nhận được hằng số khuếch đại và thành phần ảo của chiết suất:

( )
( )
0000
0
0000
2/2/)()Im(
2
/)(
kgnXn
k
nXkg
i
i
ωω
λ
π
ωω
−==
=
−=
(1.3)
Nếu X
i

>0 thì mô tả sự mất mát, X
i
<0 mô tả sự sự khuếch đại.
1.4.2 MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT BÃO HOÀ
Trong thực tế, tại những điểm cường độ quang học đóng góp các cực đại địa
phương, thì mật độ hạt tải có cực tiểu địa phương, dẫn đến giảm hệ số khuếch đại và
tăng chiết suất khúc xạ. Đây chính là đặc tính của tương tác phi tuyến giữa chùm laser
và vật liệu bán dẫn để xác định chất lượng chùm tia.
Tính phi tuyến quang học xuất hiện bằng cách đưa hằng số bão hoà khuếch đại
( )
2
0
, Egg
ω
=
vào chiết xuất khúc xạ hiệu dụng:
( ) ( )
0000,0
2/)()( kginn
effeff
ωδωω
Γ+−=
(1.4)
0,eff
n
: là chiết suất phức tại mật độ hạt tải tương ứng với sự trong suốt quang học
δ : là giới hạn thay đổi nhỏ của thông số phản dẫn sóng
Γ : Yếu tố đặc trưng cho khả năng giam giữ quang học theo phương ngang
Hệ số khuếch đại xấp xỉ gần ngưỡng được tuyến tính hoá đơn giản như sau:
( )

0
JJg −Γ=
β
(1.5)
β: là hệ số khuếch đại vi phân
J: Mật độ dòng điện
J
0
: Mật độ dòng trong suốt quang học tại tần số ω
0
Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại và mật độ hạt tải vào cường độ trường được
thể hiện trong việc giảm hệ số khuếch đại khi có mặt các photon:
21

( ) ( )( )
β
η
λ
β
Γ
=
+−Γ=
int
0
.
/1
q
hc
P
PxPJJg

sat
sat
(1.6)
Trong đó:
P(x): Công suất quang học.
P
sat
: Mật độ công suất bão hoà.

int
η
: Hiệu suất lượng tử nội.
q: Điện tích của điện tử.
1.4.3 ĐỘ SÁNG, TỶ SỐ STREHL VÀ THÔNG SỐ
2
M
1.4.3.1 ĐỘ SÁNG
Độ sáng của nguồn được định nghĩa là công suất phát trong một đơn vị góc
khối trên một đơn vị diện tích. Nguồn sáng càng sáng thì càng hội tụ tốt và truyền
được khoảng cách càng xa. Độ sáng của nguồn được xác định như sau:
dw
P
dw
P
I
yx
yx
λ
θ
λ

θ
λ
θθ
==
==
;
2
(1.7)
Ta thấy độ sáng tỷ lệ với công suất toàn phần chia cho bình phương bước sóng
phát. Trong đó I :là độ sáng của nguồn
P:Công suất toàn phần
d: bề dày lớp hoạt chất
w: bề rộng lớp hoạt chất

yx
θθ
&
: là các góc được biểu diễn trên hình 1.13
d
w


y
θ
Mẫu trường gần
x
θ
Mẫu trường xa
Hình 1.13: Sơ đồ của chip laser xác định mẫu trường xa và trường gần
22

1.4.3.2 TỶ SỐ STREHL
Tỷ số Strehl được định nghĩa như là phép đo định lượng hiệu suất của chùm tia
laser. Ta đã biết cường độ trường xa I(x,y,z) của một laser tỷ lệ thuận với bình phương
chuyển đổi Fourier của biên độ trường gần E(x,y).

( ) { }
( )
2
2
2
exp),(
1
),,( ydxdyyxx
z
i
yxE
z
zyxI
′′′
+
′
−
′′′
=
∫∫
λ
π
λ
(1.8)
Tỷ số Strehl của chùm laser tỷ lệ thuận với cường độ trường xa trên trục

I(0,0,z), ta thấy rằng chùm lý tưởng có S= 1(thực tế S<1). Cường độ trường trên trục
của khẩu độ được chiếu sáng đồng nhất:
( )
22
2
1
),0,0( AK
z
zI
u
λ
=
(1.9)
K: là biên độ trường không đổi khi qua một khẩu độ được chiếu sáng đồng nhất
A: là diện tích của nó.
Tỷ số Strehl được xác định như sau:
( )
2
),(
1
),0,0(/),0,0(S ydxdyxE
PA
zIzI
u
′′′′′
==
∫∫
(1.10)
Trong một nguồn sáng, E(x,y) không phải là một hằng số qua khẩu độ truyền,
do đó tỷ số Strehl được giảm từ 1 do sự phân bố biên độ trường gần và phân bố pha.

Có nhiều phương pháp để xác định tỷ số Strehl như: công suất qua một khe được giới
hạn nhiễu xạ, tích phân mẫu trường xa qua góc nhiễu xạ được giới hạn, công suất được
liên kết trong một sợi quang đơn mốt.
1.4.3.3 THÔNG SỐ
2
M
Một phép đo định lượng khác xác định chất lượng chùm tia đã được đưa ra gần
đây bởi Siegman đó là yếu tố
2
M
. Đại lượng này nói lên mối liên hệ phân kỳ của
chùm laser thực trong trường xa với kích thước eo của trường gần và có một giá trị
giới hạn đơn vị cho trường hợp lý tưởng của một chùm Gaussian. Đối với các chùm
thực bất kỳ, biến số
x
σ
của công tua cường độ được tiêu chuẩn hoá I(x, y, z):
( ) ( )
dxdyzyxIxxz
x
),,(
2
2
∫∫
−=
σ
(1.11)
x
: là vị trí có nghĩa theo hướng x. Nếu I(x,y,z) là một chùm Gaussian, thì độ rộng khe
Gaussian có thể được xác định theo biến của nó như sau:

( )
)(2 zz
x
σϖ
=
(1.12)
Độ rộng khe của một chùm thực bất kỳ:
( )
)(2 zzW
x
σ
=
(1.13)
23
Nếu như eo của chùm tia (kích thước nhỏ nhất) tại z=z
0
, thì
)(2
00
zW
x
σ
=
. Để đơn giản
ta viết
0000
2W;2
x
σσϖ
==

Khai triển kích thước chùm dạng Gaussian:
( )
2
0
2
2
2
0
42
0
2
)(
W
zzMWzW
π
λ
−+=
(1.14)
Trong đó:
1;4
2
00
2
>= MM
sx
σπσ

Đối với chùm Gaussian
πσσπϖσ
4/1

2
1
0000
=→=
xss
Vì thế
2
M
=1 cho chùm dạng Gaussian,
2
M
>1 cho các loại chùm khác.Để nhận được
2
M
chúng ta xét phép xấp xỉ trường xa
( )
22
00
/W
λπ
≥− zz
:
( )
0
0
2
)( zz
W
MzW −=
π

λ
(1.15)
Chúng ta có thể giải thích
2
M
như là số lần giới hạn nhiễu xạ của sự phân kỳ chùm
tia.Vì thế hình thức luận
2
M
đưa ra cách xác định chính xác chất lượng chùm tia mà
có thể được sử dụng để đặc trưng cho các tính chùm laser như: sự biến dạng, hoạt
động đa mốt và tính kết hợp không gian theo một số đơn giản.
1.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE
CÔNG SUẤT CAO
Laser bán dẫn khác với các hệ laser khác, thay vì mật độ nghịch đảo là điều
kiện cần thiết để tiến đến ngưỡng laser, mà bơm dòng điện vào trong vùng hoạt chất.
Trái ngược với laser rắn, laser màu và laser khí sử dụng nguồn bơm quang học như
đèn plash hoặc các loại laser khác. Công suất ra của laser được đặc trưng bởi đường
cong P-I phụ thuộc dòng nuôi. Sau đây chúng tôi đưa ra một số đặc trưng công suất ra
của laser bán dẫn công suất cao [16]:
1.5.1 ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT PHỤ THUỘC VÀO DÒNG BƠM
Đặc trưng công suất phát laser diode phụ thuộc vào dòng bơm được cho như sau
(Yariv, 1985):

( )





























+









−=
21
21
1
ln2
11
ln
RR
l
RR
IIP
thiout
α
η
(1.16)
Trong đó
R
1
&R
2
: là hệ số phản xạ hai gương (mặt tách) của buồng cộng hưởng
I
th
: Mật độ dòng ngưỡng laser.
24
α : Hệ số mất mát
i
η

: Hiệu suất lượng tử nội ( số hạt tải được tái hợp trên tổng số hạt tải được phun vào)
Như vậy tại dòng ngưỡng cố định và mất mát không đáng kể thì công suất laser thay
đổi gần như tuyến tính theo hàm số bậc nhất. Đây cũng là đặc tính chung của laser
diode nói chung và laser diode công suất cao nói riêng.
P
0
I
Hình 1.14: Đặc trưng công suất phụ thuộc dòng bơm
1.5.2 SỰ PHỤ THUỘC DÒNG BƠM NGƯỠNG VÀO NHIỆT ĐỘ
Một hiệu ứng quan trọng của sự tăng nhiệt độ trong miền hoạt hoạt chất đó là sự ảnh
hưởng lên dòng ngưỡng laser . Nói chung, dòng ngưỡng tăng theo sự gia tăng nhiệt độ
vùng hoạt chất, có nghĩa là giảm công suất phát. Cơ chế chính cho sự tăng dòng
ngưỡng là sự suy giảm hệ số khuếch đại tại tần số bất kỳ
0
ω
, tại mật độ dòng cố định.
Các hạt tải tích điện cư chú trên các vùng dẫn và vùng hoá trị tương ứng với các trạng
thái Fermi-Dirac: tại nhiệt độ hữu hạn bất kỳ, sự phân bố hạt tải mở rộng lên mức trên
của các dải. Khi nhiệt độ tăng, làm gia tăng mật độ cư chú trên các mức cao hơn, điều
này làm giảm công suất phát bước sóng laser. Sự ảnh hưởng của tăng nhiệt độ lên
dòng ngưỡng phụ thuộc vào cấu trúc xác định và chất lượng buồng cộng hưởng của
laser diode được xét. Công thức mô tả sự phụ thuộc của dòng ngưỡng vào nhiệt độ :

( ) ( )









∆
=∆+
0
exp
T
T
TITTI
thth
(1.17)
Trong đó:
I
th
(T): là dòng ngưỡng tại nhiệt độ T
I
th
(T+∆T): là dòng ngưỡng tại nhiệt độ T+∆T
T
0
: là nhiệt độ đặc trưng cho laser
Từ công thức (1.17) ta thấy rằng khi nhiệt độ của chíp laser tăng thì dòng bơm
ngưỡng cho laser cũng tăng theo.
1.5.3 SỰ UỐN CONG ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG (P-I) DO NHIỆT
Sự uốn theo nhiệt độ như được vẽ trên hình 1.15, đồ thị nêu ra sự giảm chậm dần
của hiệu suất gây ra do tăng dòng bơm, dẫn đến làm tăng dòng tiếp xúc ohmic (mất
dòng ở mức cao). Tăng tiếp xúc ohmic làm hạn chế sự tăng nhiệt độ của miền hoạt
chất, điều này gây suy giảm hiệu suất. Kết thúc dẫn đến trạng thái bão hoà và giảm
25
công suất đầu ra quang học cùng với sự tăng dòng. Nguyên nhân chủ yếu của suy giảm

quang học sau khi bão hoà là do các hạt tải đi ra ngoài miền tích cực nên không thể
đóng góp bức xạ kết hợp. Khi nhiệt độ tăng nhanh thì hệ số khuếch đại giảm tại mật độ
dòng cố định. Cuối cùng công suất ra quang học giảm dần về 0, cũng tương tự như
hoạt động đa mốt thì đây là quá trình thuận nghịch.

P
uốn cong do nhiệt
I
Hình 1.15: Sự uốn cong đặc trưng công suất (P-I) gây ra do nhiệt
1.5.4 HOẠT ĐỘNG ĐA MỐT
Hoạt động đa mốt là sự sắp đặt các mốt không gian bậc cao gây ra sự biến dạng
mẫu bức xạ trường xa của laser. Hoạt động này luôn đi kèm sự biến đổi không liên tục
của công suất ra “kink” trong đường cong công suất. “Kink” là cơ chế giới hạn công
suất phổ biến nhất trong các laser đơn mốt. Hiện tượng này làm tăng dao động đồng
thời của hai hoặc nhiều hơn các mốt không gian, là các nhiễu loạn của chiết suất ống
dẫn sóng hoặc của công tua khuếch đại gây ra do sự không đồng nhất trong mật độ hạt
tải địa phương hoặc nhiệt độ. Đối với hầu hết các loại laser diode công suất cao thì
thường suất hiện nhiều “kink” (hình 1.16).
P


Kink

0 I
th
I
Hình 1.16: Hiện tượng “kink” trong laser diode công suất cao
1.5.5 SỰ PHÁ HUỶ PHẨM CHẤT QUANG HỌC
26
Sự phá huỷ phẩm chất quang học được minh hoạ trên hình 1.17 là quá trình phá

huỷ không thuận nghịch của các mặt gương phản xạ gây ra do mật độ công suất quang
học cao. Khi công suất quang lớn, sẽ xảy ra nóng chảy cục bộ những gương này, điều
đó được giải thích như sau: để công suất ra lớn thì cần phải phun dòng điện lớn vào
miền tích cực. Khi dòng phun lớn, sẽ làm tăng sự tái hợp của các cặp điện tử- lỗ trống,
dẫn đến làm tăng tâm tái hợp bề mặt tại mặt tách tinh thể, sự suy giảm của các hạt tải
tích điện liên kết gây ra vùng hoạt chất gần mặt tách trở nên hấp thụ bước sóng laser,
kết quả là nhiệt độ ở miền tích cực tăng lên. Tại một số thông lượng quang học tới hạn,
nhiệt đủ để gây ra sự co trong khe dải địa phương dẫn đến sự gia tăng hấp thụ quang
học. Khi nhiệt độ tiến tới điểm nóng chảy của vật liệu thì bề mặt tách bị phá huỷ, sự
giảm đột ngột của hệ số phản xạ gây ra laser ra bị phá huỷ không thuận nghịch (COD).
P
COD
0
I
Hình 1.17: Sự phá huỷ phẩm chất quang học không thuận nghịch
1.5.6 TUỔI THỌ CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
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.
27