bài giảng môn học quang điện tử và quang điện, chương 9 pdf

Chương 9: Hốc cộng hưởng tạo bởi các gương
đầu cuối
-Điều kiện cộng hưởng: hành trình qua hốc 2L = số nguyên lần bước
sóng
2L =
M
λ
→
Có rất nhiều tần số laser được phép, cách nhau các khoảng
∆f
= c/2L,
g
ọi là các mode hốc cộng hưởng (cavity modes)
→ Người thiết kế laser phải tối ưu hoá thiết kế cho tần số mong muốn
nhờ việc điều khiển hỗn hợp khí, các đặc trưng kích thích và phản xạ của
h
ốc và có thể dùng bộ lọc, hoặc tăng khoảng cách giữa các gương (tăng
L).
- Trong th
ực tế chỉ có những chuyển mức năng lượng với thời
gian sống tương đối lớn mới có thể tạo ra các vạch phổ có thể sử
dụng được.
-N
ăng lượng laesr khả dụng nhận được khi độ lợi của hốc được điều
chỉnh để chọn 1 trong các vạch laser khã dĩ. Với laser khí, do sự mở rộng
doppler, chiều dài của hốc sẽ xác định số cộng hưởng hốc chứa trong 1
vạch phổ. Độ lợi đầu ra của laser lúc này sẽ là tích của độ lợi vạch phổ
mở rộng với cavity modes. Phát xạ đồng thời này được gọi là
longitudinal modes.
-Ngoài ra, h
ốc laser có thể tạo ra một số modes không gian hay

TEM modes. Trong th
ực tế, mode mong muốn là TEM
00,
là tia đơn với
phân bố năng lượng theo phân bố Gauss.
c) Kích thuớc vệt laser
-Bức xạ laser có thể ở dạng liên tục (continuous_wave laser) hoặc
dạng xung
(pulsed laser).
- B
ức xạ laser có thể được hội tụ thành vệt nhỏ để tăng mật độ dòng
quang.
- Kích th
ước vệt laser có thể được hội tụ là hàm của đường kính
chùm laser:
D = (16/3)(λF/πD
0
)
v
ới F: tiêu cự của thấu kính
D
0
: độ rộng chùm laser tính từ điểm có cường độ 13.5% cường độ
cực đại.
- Công suất chùm laser có thể bị giảm bởi 1 miệng tròn có đường
kính nh
ỏ
hơn đường kính ch
ùm laser .Tỷ số dòng truyền qua /
dòng t

ới là:
Φ
e
/Φ
i
= 1 – exp(-
2D
2
/w
2
), v
ới D: đường kính
miệng tròn
w: đường kính chùm tia tới, được xác định như D
0
.
§3.3 LASER BÁN DẪN
1/
Gi
ớ
i
thiệu
* Các cấu phần cơ bản:
- Photon source: tái h
ợp điện tử lỗ trống phát sinh photon.
-
Feedback: Các photon được đưa ngược lại vào miền tái hợp nhờ
phản xạ để
tạo ra phát xạ kích thích
- Energy source: dòng tiêm h

ạt tải, cung cấp công suất
* Chuyển mức năng lượng xảy ra giữa vùng dẫn và vùng hoá trị
* Bán dẫn vùng cấm thẳng (direct bandgap): cực đại vùng hoá trị và cực
ti
ểu
vùng dẫn ở cùng 1 giá trị xung
lượng
→
điện tử chuyển từ cực tiểu vùng dẫn về
cực
đại vùng hoá trị mà không thay đổi xung lượng → trao đổi năng lượng
giữa các điện tử và các photon feedback xảy ra dễ hơn vì không cần trao
đổi xung lượng. Các vật liệu: GaAs, InAs.
* Bán dẫn vùng cấm xiên: cực đại và cực tiểu các vùng không cùng giá
tr
ị xung
lượng
→
để xảy ra hấp thụ hay phát xạ photon thì sự chênh lệch xung lượng
giữa
trạng thái đầu và cuối phải được trao đổi với dao động mạng
tinh thể
→
sự trao đổi
năng lượng giữa điện tử và Photon phải qua quá trình 2
b
ước
→
không thích hợp
cho

c
ơ chế laser feedback (tương tự với tình huống một mạch có độ lợi vòng
quá th
ấp, không đủ để duy trì dao động). Các vật liệu: Si, Ge,GaP có
vùng cấm xiên.
26
* Trạng thái đảo lộn mật độ: đa số các mức năng lượng được phép gần
đáy vùng dẫn bị chiế
m bởi e- và đa số các trạng thái được phép gần đỉnh
vùng hoá trị bị trống e- hay bị chiếm bởi lỗ trống.
- Các điện tử chuyển mức từ vùng dẫn về vùng hoá trị có thể do tái
h
ợp tự
phát hoặc do phát xạ kích thích
- Công su
ất ngoài cung cấp có tác dụng thay thế các điện tử trong
vùng d
ẫn
- Ở chế độ dòng thấp: quá trình tái hợp tự phát chiếm ưu thế tương tự
LED
- Khi dòng t
ăng, số điện tử được tiêm vào miền tái hợp của chuyển
tiếp PN
tăngÆ tă
ng số photon phát xạ
-Cơ thể phản xạ feed back hầu hết số photon này vào chuyển tiếp.
Khi đó dòng tiêm điện tử chủ yếu dùng thay thế các điện tử thay đổi
trạng thái do phát xạ kich thích. Chuyển tiếp bắt đầu phát xạ 1 khoảng
bước sóng rất hẹp bức xạ laser.
-Dòng ng

ưỡng: bắt đầu quá trình laser,
+ ph
ụ thuộc vật liệu chế tạo diode laser
+ phụ thuộc mức pha tạp
+ dạng hình học của chuyển tiếp
+ nhiệt độ linh kiện (rất quan trọng )
* Homojunction: miền p và n cùng loại vật liệu, hoạt động ở dòng thuận
rất lớn
Æchỉ làm việc khi được làm lạnh với nitơ lỏng.
* Diode laser thực: có 1 hoặc 2 heterostructure (nhiều loại vật liệu)
s
ắp xếp theo kiểu pn luân phiên đổi loại vật liệu.
27
+ Ưu điểm có thể fine-tune các độ rộng vùng cấm Æđiều chỉnh các
đặc trưng phổ của laser. Vì các lớp vật liệu khác nhau rất mỏng và gần
nhau về các đặc trưng vật lý nên các đặc trưng điện của chúng sẽ tương
tác và thiết lập các dải vùng cấm xác định cho cấu trúc toàn bộ.
2) Đặc trương cơ
bản
- Các laser diode hoạt động ở chế độ dòng tiêm thường chế tạo từ
GaAs và
GaAlAs, ho
ạt động ở bước sóng dài 1180-1580 nm
-
Diode laser đơn thường có chế độ tunr-on trong khoảng 1,5 - 2,5 V
28
- Ở chế độ xung, thế phân cực thuận short-term trong khoảng 5 – 25
V
- M
ột số lưu ý trong đồ thị sự phụ thuộc của công suất bức xạ và thế

phân cực thuận vào dòng thuận của diode laser GaAlAs:
+ Nhiệt độ được giữ không đổi
+ Công suất bức xạ tăng nhẹ trong khoảng 0 Æ 18 mA
+ Trong kho
ảng này linh kiện hoạt động tương tự LED.
+ Trên 1,8 mA công suất bức xạ tăng vọt, diode hoạt động như
1 laser
+ Trong kho
ảng 20 Æ 30 mA công suất bức xạ tăng gần như
tuyến tính theo dòng với độ dốc được gọi là hiệu suất vi phân.
+ Dòng ngưỡng nhạy với nhiệt độ
I
th
= I
0
exp[(T – T
0
)/K], K là hằng số của linh
kiện.
- Laser diodes thường làm việc ở chế độ xung. Để thời gian
chuyển mạch nhanh và biên độ bức xạ lớn, các diode thường được phân
cực bởi 1dòng > dòng ngưỡng. Tín hiệu dòng xung là lượng gia tăng
của dòng cần thiết để đạt được mức công suất bức xạ xác định
+ Yêu cầu khi hoạt động:
- nhiệt độ của linh kiện phải được điều khiển
- ho
ặc dòng phân cực phải thay đổi được, đáp ứng với mỗi dòng
ng
ưỡng cho mỗi nhiệt độ làm việc.
+ Tuy nhiên, n

ếu dòng phân cực tăng Æ linh kiện nóng hơn Æ cần
dòng phân cực lớn hơn để đạt công suất mong muốn, do đó trang thái
làm việc ổn định cuối cùng thường ở nhiệt độ rất cao.
+ Độ sạch phổ và giá trị của bước sóng ưu thế phụ thuộc dòng qua diode
và nhi
ệt
29
độ làm việc. Khi dòng thay đổi, có 2 hiện tượng
xảy ra:
1-T
ại giá trị dòng thấp, gần dòng ngưỡng, phổ bức xạ bao gồm các
v
ạch phổ phân bố trong một vùng bước sóng do longitudinal mode và
c
ấu trúc vùng của bán dẫn.
30
2- Khi dòng tăng số vạch phổ giảm và tâm của phân bố bị
dịch về phía bước sóng dài hơn do đặc trưng feedback (tập
trung) và nhiệt độ tăng (dời bước sóng). Bước sóng trung tâm
có th
ể bị dịch từ 0,1Æ20 nm, tuỳ loại diode.
* Vấn đề nhiễu:
+ Modal noise: phát sinh do longitudinal mode
+ Reflection noise: do b
ức xạ bị phản xạ ngược vào kênh
laser t
ừ các mặt bên
* Ph
ổ laser: Được quan sát trong thời gian rất dài so với tốc
độ thay đổi

xảy ra trong diode. Có 2 cách giải thích phổ laser:
(1) Laser là bộ phát xạ đa mode: bức xạ đồng thời tất cả các
thành phần phổ, hiển thị với biên độ tương đối xác định.
(2) Laser là linh kiện đơn mode: bức xạ chỉ một bước sóng tại
một thời điểm cho trước bất kỳ. Các thành phần phổ quan sát thể
hiện sự tổng hợp của tất cả các bước sóng riêng rẽ mà diode bức
xạ trong quá trình quan sát. Biên độ của các thành phần phổ thể
hiện tần suất xảy ra của nó trong thời gian quan sát.
-Sự thay đổi bước sóng trong trường hợp (2) gọi là mode hop
(nh
ảy mode). Nhảy mode có thể gây rạ sự thay đổi biên độ ở đầu
ra của quan hệ do sự suy hao và vận
tốc truyền sóng khác nhau với các bước sóng khác nhau. Nhảy
mode là hiện tượng ngẫu nhiên và gây ra sự thay đổi ngẫu nhiên
c
ủa biên độ bức xạ và tạo ra nhiễu biên
độ.
31
-Trong trường hợp đa mode (1) các thành phần phổ luôn tồn
t
ại, nhưng công suất ấn định cho chúng có thể thay đổi theo thời
điể
m. Máy phân tích phổ chỉ ra biên độ trung bình theo thời gian
của các thành phần phổ. Đầu ra của quang hệ cũng thay đổi theo
thời gian