Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH CỦA VCSEL
DÙNG PHẦN MỀM ATLAS

MỤC LỤ


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH..........................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................................................................vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................................viii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.............................................................................................1
1.1.

Giới thiệu chung

1

1.1.1.

Linh kiện bán dẫn..........................................................................................................1

1.1.2.

Laser...............................................................................................................................1

1.1.3.

Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL).........................................................2

1.2.

Mục đích của đề tài

2

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ VCSEL..............................................................................................3
2.1.

Giới thiệu chung về linh kiện bán dẫn

3

2.1.1.

Mối nối PN khi không phân cực....................................................................................3

2.1.2.

Mối nối PN khi phân cực thuận....................................................................................4

2.1.3.

Mối nối PN khi phân cực nghịch...................................................................................5

2.2.

Tìm hiểu sơ lược về Laser

5

2.2.1.

Lịch sử của Laser...........................................................................................................5

2.2.2.

Các khái niệm vật lý cơ bản trong Laser.......................................................................6

2.2.3.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser....................................................................7

2.2.4.

Đặc tính của laser..........................................................................................................9

2.2.5.

Công suất của laser và hệ thống vật liệu cấu tạo nên laser........................................10

2.2.6.

Một số ứng dụng quan trọng của Laser......................................................................13

2.3.

VCSEL

16

2.3.1.

Sơ lược về lịch sử.........................................................................................................16

2.3.2.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động...................................................................................17

2.3.3.

Đặc tính kĩ thuật...........................................................................................................17

2.3.4.

Ứng dụng......................................................................................................................23

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ATLAS.....................................................................26
3.1

Giới thiệu

26

3.2

Cấu trúc lệnh

27

3.2.1

Mesh.............................................................................................................................27

3.2.2

Region...........................................................................................................................28

3.2.3

Material........................................................................................................................28

3.2.4

Electrode.......................................................................................................................28

3.2.5

Chỉ định mô hình vật lý................................................................................................29

3.3

Mô phỏng

30

3.3.1

Xác định lưới (chia lưới)..............................................................................................31

3.3.2

Xác định khu vực.........................................................................................................32

3.3.3

Chỉ định điện cực.........................................................................................................33

3.3.4

Chọn mô hình tính toán...............................................................................................34

3.3.5

Chỉ định các tham số vật liệu.......................................................................................35

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ.........................................................................................36
4.1.

Ảnh hưởng của số lớp tới nhiệt độ tỏa ra bên trong của VCSEL.

36

4.2.

Ảnh hưởng của số lớp đến đặc tính điện của VCSEL.

38

4.4.

Tổng kết.

42

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................................................43
5.1

Kết luận

43

5.2

Hướng phát triển

44

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................................45
PHỤ LỤC.............................................................................................................................................46


DANH MỤC CÁC HÌNH Ả
Hình 2 - 1: Bán dẫn PN không phân cực [1]...........................................................................................3
Hình 2 - 2: Bán dẫn PN phân cực thuận.................................................................................................4
Hình 2 - 3: Bán dẫn PN phân cực nghịch................................................................................................5
Hình 2 - 4: Phát xạ tự phát.......................................................................................................................6
Hình 2 - 5: Phát xạ cảm ứng.....................................................................................................................7
Hình 2 - 6: Cấu tạo bộ phát Laser [5]......................................................................................................8
Hình 2 - 7: Hình ảnh bước sóng của các loại laser [7].........................................................................11

Hình 2 - 8: Bước sóng của một số loại vật liệu bán dẫn nhóm III liên kết nhóm V.........................12
Hình 2 - 9: Laser cường độ mạnh dùng cắt vật liệu rất chính xác và nhanh chóng.[4]..................14
Hình 2 - 10: Đĩa CD [6]...........................................................................................................................15
Hình 2 - 11: Cấu tạo buồng phát VCSEL [3]........................................................................................18
Hình 2 - 12: Phản xạ và truyền tải cường độ ánh sáng  tại giao diện của hai vật liệu với các chỉ
số chiết suất thực khác n0 và n1 đối với tỷ lệ bình thường.................................................................20
Hình 2 - 13: Phản xạ và truyền dẫn cho cường độ ánh sáng tại một hệ thống ba lớp cho tỷ lệ bình
thường. Không phải tất cả các tia sáng có thể được hiển thị..............................................................21
Hình 2 - 14: Sơ đồ bố trí các cấu trúc Bragg (DBR) phân bố trên bề mặt và có không khí trên
đỉnh. a Tất cả các cặp gương DBR đều giống nhau; b nhiều hơn hai chỉ số khúc xạ khác nhau
được sử dụng trong ngăn xếp DBR, và thêm một λ / 2-lớp không hoạt động quang được thêm
vào..............................................................................................................................................................23
Hình 2 - 15: Chuột quang không dây [9].............................................................................................24Y
Hình 3 - 1: Giao diện chính của chương trình (DeckBuild)................................................................26
Hình 3 - 2: Cấu trúc VCSEL 6 lớp.........................................................................................................33
Hình 4 - 1: Sự khác nhau giữa 4 lớp và 6 lớp.......................................................................................36
Hình 4 - 2: Sự khác nhau giữa 6 lớp và 8 lớp.......................................................................................37
Hình 4 - 3: Sự khác nhau về tính chất điện..........................................................................................38
Hình 4 - 4: Cường độ điện trường trong cấu trúc VCSEL.................................................................39
Hình 4 - 5: Biểu đồ năng lượng..............................................................................................................40
Hình 4 - 6: Tỉ lệ tái tổ hợp kích thích....................................................................................................41


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4 - 1: Kết quả về tính chất quang và điện của VCSEL.............................................................42


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Al

Aluminium

As

Arsenide


VCSEL

Vertical Cavity Surface Emitting Laser

DBR

Distributed Bragg reflector

Ga

Gallium

In

Indium

P

Phosphide

Si

Silic

HCG

High contrast gratings (Rào chắn có độ tương phản cao)

HCS

Hard Clad Silica (Lớp phủ Silic thô)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/51

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.

Giới thiệu chung

1.1.1. Linh kiện bán dẫn
Thế kỷ 21, là thế kỷ của công nghệ hiện đại. Hiện nay trên thế giới trong cuộc
sống của con người hiện tại luôn đi kèm với công nghệ, ví dụ như: điện thoại, máy
tính, máy móc, các thiết bị phục vụ sinh hoạt và sản xuất… Mà tất cả những thứ được
nêu trên đều có ít hay nhiều linh kiện bán dẫn làm linh kiện trong thiết kế của nó. Vậy
linh kiện bán dẫn là gì và có tác dụng ra sao trong các thiết bị thông minh ngày này ta
sẽ tìm hiểu ở chương 2 của để tài. Một trong những hướng phát triển quan trọng của
linh kiện bán dẫn hiện nay đó là các linh kiện quang điện tử gồm laser, LED,
photodiode và pin mặt trời, trong đó laser có tầm quan trọng to lớn đối với việc nghiên
cứu của các nhà khoa học nhằm ứng dụng vào các lĩnh vực cuộc sống như y tế, khoa
học, công nghệ, viễn thông và quân sự… Đối với laser thì các linh kiện bán dẫn có cấu
tạo từ các vật liệu khác nhau thì sẽ tạo nên các loại laser có bước sóng của ánh sáng

phát ra khác nhau. Mà mỗi bước sóng mà ánh sáng laser phát ra sẽ được ứng dụng vào
mỗi mục đích khác nhau, nên linh kiện bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc chế
tạo nên các loại laser khác nhau.
1.1.2. Laser
Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được tạo ra khi có sự thay
đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử, quá trình này xảy ra mà không cần có
bất cứ sự can thiệp nào từ bên ngoài. Tuy nhiên, ánh sáng nhân tạo xảy ra và tồn tại chỉ
khi nguyên tử hay phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị kích thích
phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Tính chất đặc biệt của ánh sáng laser

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/51

khiến cho kĩ thuật laser trở thành một cộng cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời
sống hàng ngày, như viễn thông, giải trí, sản xuất và y khoa.

1.1.3. Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)
VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) là laser phát xạ mặt với bộ
cộng hưởng thẳng đứng đã được biết đếnphát triển từ lâu, được ứng dụng trong lĩnh
vực truyền thông dữ liệu. Tuy nhiên những đặc tính phát xạ đặc biệt của nó không chỉ
dừng lại ở những ứng dụng này mà còn được mở rộng ra những ứng dụng có tiềm năng
khác như chuột quang trong máy tính và đồng hồ nguyên tử hay cảm biến... VCSEL là
loại laser cho phép nhà sản xuất kiểm định chất lượng trước khi cắt chẻ và kèm theo đó
là việc dễ dàng thay đổi thông số theo yêu cầu sản xuất.
1.2.

Mục đích của đề tài

Với những ưu điểm của VCSEL như trên, trong đề tài này nhằm tìm hiểu sâu hơn
về VCSEL em sẽ:
 Tìm hiểu về cấu trúc, nguyên lý, tính chất và ứng dụng của VCSEL.
 Tìm hiểu phần mềm mô phỏng ATLAS.
 Phân tích các đặc tính của VCSEL thông qua việc thay đổi các thông số về cấu
trúc và vật liệu của VCSEL trong quá trình mô phỏng bằng phần mềm ATLAS.
Các đặc tính ở đây mà ta quan tâm đó là đặc tính về quang, nhiệt và điện của
VCSEL. Sự thay đổi của cấu trúc VCSEL sẽ thay đổi các đặc tính này như thế
nào. Từ đó rút ra nhận xét và kết luận về đặc tính của VCSEL.

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/51

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ VCSEL
2.1. Giới thiệu chung về linh kiện bán dẫn
Linh kiện bán dẫn hay các phần tử bán dẫn là các linh kiện điện tử được sử dụng
nhằm khai thác tính chất điện tử của các vật liệu bán dẫn ví dụ như: silic, germani hay
gallium arsenide… cũng như các chất bán dẫn hữu cơ.
Linh kiện bán dẫn ở trang trạng thái rắn (solid state) được sử dụng để dẫn
truyền điện tử (solid state), trái ngược với các trạng thái truyền điện tử phát xạ
nhiệt hay khí trong chân không cao như ở các đèn điện tử chân không. Vì thế linh kiện
bán dẫn đã thay thế các linh kiện ion nhiệt trong hầu hết các ứng dụng. Các linh kiện
bán dẫn được sản xuất ở cả hai dạng là linh kiện rời và mạch tích hợp (IC). Trong IC có
ít nhất là hai cho đến hàng tỷ linh kiện, được gia công và kết nối với nhau trên một nền
bán dẫn duy nhất là tấm wafer. Linh kiện bán dẫn được hình thành cơ bản dựa trên mối
PN, vậy ta sẽ tìm hiểu sơ qua về loại mối nối này.

2.1.1. Mối nối PN khi không phân cực

Hình 2 - 1: Bán dẫn PN không phân cực [1]

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/51

Dựa vào hình trên ta có thể hình dung như sau: loại P là loại bán dẫn bao gồm
các lỗ trống là (hạt mang điện tích dương) là chủ yếu, còn loại N là bán dẫn bao gồm
các điện tích electron là (hạt mang điện tích âm) chiếm đa số. Ở trạng thái không phân
cực thì các electron và lỗ trống sẽ hút lấy nhau và trở nên bão hòa điện tích tạo nên một
vùng trung hòa điện tích. Vùng trung hòa hay còn gọi là vùng nghèo vì ở vùng này
không còn các điện tích tự do nữa vì các điện tích âm và dương tạo thành điện thế gọi
là điện áp tiếp xúc và điện áp này gây cản trở sự lưu thông của dòng điện.
2.1.2. Mối nối PN khi phân cực thuận

Hình 2 - 2: Bán dẫn PN phân cực thuận
Trạng thái phân cực thuận là trạng thái mà khi đó ở hai đầu tiếp xúc của mối nối
P-N được đặt vào một điện áp đạt ngưỡng nhất định (Si là 0.7, Ge là 0.3) thì vùng trung
hòa (vùng hiếm) bị thu hẹp lại và cân bằng với điện áp được cấp dẫn đến linh kiện sẽ
dẫn điện.

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/51

2.1.3. Mối nối PN khi phân cực nghịch

Hình 2 - 3: Bán dẫn PN phân cực nghịch
Ở trạng thái phân cực nghịch thì điện áp dương sẽ được đặt vào mối nối N sẽ có
xu hướng hút các electron dẫn đến vùng nghèo sẽ bị mở rộng và làm việc dẫn điện
không thể tiếp diễn.
2.2. Tìm hiểu sơ lược về Laser
Laser là từ được viết tắt của cụm từ “Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation” trong tiếng Anh hay trong tiếng Việt được dịch ra là “khuếch
đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng”. Về mặt cấu tạo, người ta chia laser ra làm 3 loại:
laser rắn, laser khí và laser bán dẫn. Đề tài nội dung chính là về VCSEL, là một loại
biến thể của laser bán dẫn vì vậy ta sẽ tìm hiểu về loại laser bán dẫn bên dưới.
2.2.1. Lịch sử của Laser
Laser phát triển mạnh vào những năm 1980 và bây giờ Laser phát triển rất
nhanh, được ứng dụng hều hết trong các lĩnh vực của cuộc sống. Năm 1916, sau khi
được bầu vào Viên Hàn lâm Khoa học Đức, A.Einstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/51

nêu thuyết: Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một
bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả
những photon (hạt ánh sáng) phát ra sẽ có cùng một bước sóng. Đó là một ý tưởng
khoa học, nhưng chưa có ai có thể chứng minh nên lý thuyết đó gần như bị quên lãng
trong nhiều năm.
Đến năm 1915 Dr. Charles Townes, giáo sư của trường Đại học Columbia đã

chú ý đến sự khuếch đại sóng cực ngắn. Sau đó ông thực hiện thí nghiệm Maser tức là
khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng. Maser là chữ viết tắc của từ : Microwave
Amplification by Stimulated Emisson of radiation trong tiếng Anh. Kết quả là ông đã
thành công sau khi tiêu tốn số tiền khá lớn cho thí nghiệm này. Cũng vào thời gian này,
ở một địa phương khác, hai nhà khoa học Xô Viết là N. Batsov và A. Prokhorov cũng
phát minh ra máy khếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý.
2.2.2. Các khái niệm vật lý cơ bản trong Laser
Có 2 loại phát xạ trong laser đó là:
 Phát xạ tự phát: là phát xạ xảy ra một cách ngẫu nhiên khi nguyên tử từ mức
năng lượng cao chuyển về mức năng lượng thấp như hình ….2- 4.

Hình 2 - 4: Phát xạ tự phát

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/51

 Phát xạ kích thích: là phát xạ xảy ra khi nguyên tử chuyển từ mức năng lượng
cao về mức năng lượng thấp do một photon kích thích như miêu tả trong hình
2 – 5 bên dưới.….

Hình 2 - 5: Phát xạ cảm ứng
 Việc phát xạ ánh sáng được diễn ra trong môi trường hoạt tính là môi trường bao
gồm các nguyên tử mà trong cấu trúc của chúng có sẵn các mức năng lượng bán
bền vững hoặc có khả năng tạo ra các mức năng lượng bán bền vững. Môi
trường hoạt tính có khả năng phát ra các bức xạ Laser.
2.2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser
 Cấu tạo

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/51

Hình 2 - 6: Cấu tạo bộ phát Laser [5]

Để tạo ra tia laser ta cần phải có đủ các điều kiện sau: Bộ phát Laser gồm các thành
phần sau:

1.Buồng kích thích.
2.Nguồn duy trì.
3.Gương phản xạ toàn phần.
4.Gương bán mạ.
5. Ánh sáng laser.
 Nguyên lý hoạt động.
Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao thì các electron của nguyên tử sẽ di
chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao từ đó tạo nên trạng thái đảo
nghịch mật độ của electron. Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên
xuống mức thấp từ đó giải phóng ra hạt ánh sáng hay còn gọi là Photon. Các hạt
photon này sẽ tỏa ra các hướng ngẫu nhiên từ một nguyên tử, trong quá trình di chuyển
thì hạt này sẽ va chạm vào các nguyên tử khác dẫn đến hiện tượng phát xạ cảm ứng,
sau đó các hạt photon mới sẽ được sinh ra có cùng tần số, cùng pha và bay cùng hướng

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 9/51

với photon ban đầu. Hiện tượng này sẽ xảy ra theo phản ứng dây chuyền khuếch đại
ánh sáng. Các hạt photon tiếp tục di chuyển bên trong buồng kích thích, khi va chạm
vào mặt gương phản xạ thì nó sẽ quay trở lại và tiếp tục phản ứng dây chuyền. Khi các
hạt này di chuyển về phía gương bán mạ thì một phần ánh sáng thoát ra ngoài từ đó tạo
ra tia laser (được đánh số 5 trong hình 2-6).
2.2.4. Đặc tính của laser
 Độ đơn sắc cao
Laser là chùm ánh sáng mà các tia sáng của nó có mức chênh lệch bước sóng nhỏ
nhất, so với các chùm sáng đơn sắc khác. Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ
ánh sáng của chùm ánh sáng. Độ rộng của phổ quy định độ đơn sắc của chùm sáng và
dĩ nhiên là phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao. Trước khi có laser các
nhà vật lý đã tạo được các chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ 1nm đến
10nm, chùm ánh sáng này được sử dụng trong nghiên cứu khoa học. Trong khi đó mức
chênh lệch bước sóng của chùm ánh sáng laser có thể tới 0.,1 Ao. Tính chất này rất
quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức
sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này.
 Độ định hướng cao
Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những
tia vuông góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngôn ngữ vật
lý là góc mở giữa các tia là rất nhỏ). Nhờ vậy, laser có độ định hướng lý tưởng, có thể
chiếu đi rất xa, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ
trụ.
 Mật độ phổ (độ chói) rất cao

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 10/51

Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm sáng cho độ
rộng của phổ. Vì độ rộng của phổ laser rất nhỏ nên laser có độ tập trung các tia sáng rất
cao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồn sáng khác.
Ví dụ: laser có công suất thấp là laser He-Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần độ chói
của ánh sáng mặt trời. Những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng triệu lần
mặt trời.
2.2.5. Công suất của laser và hệ thống vật liệu cấu tạo nên laser
Tùy loại laser mà công suất phát ra khác nhau. Trong công nghiệp nặng như
khoan cắt vật liệu, hay chế tạo các loại vũ khí, khí tài quân sự thường sử dụng các loại
laser có công suất mạnh. Các loại laser sử dụng trong y học là những laser có công suất
thấp như laser He – Ne công suất chỉ khoảng từ 2mMW đến 10MmW.
Đối với chế tạo cấu trúc laser, ưu tiên hàng đầu cần được chú trong đó là phải
lựa chọn được một hệ thống vật liệu phù hợp. Tiêu chí quan trọng nhất là bước sóng,
việc lựa chọn laser sẽ được quyết định trước bởi nhu cầu sử dụng và ứng dụng mà
mình mong muốn. Ta nên chọn một các loại vật liệu có khả năng chuyển đổi bước sóng
laser dễ dàng và tốt hơn là nên có khả năng điều chỉnh laser một cách linh hoạt trong
các ứng dụng liên quan đến chuyển đổi bước sóng. Các tính năng quan trọng cần được
lưu ý là tính năng điện và quang học. Các đặc tính khác cũng cần lưu ý, ví như cách lựa
chọn vật liệu để có thể dễ dàng sản xuất thành laser, cũng rất quan trọng.

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/51

Hình 2 - 7: Hình ảnh bước sóng của các loại laser [7]

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/51

Dựa vào hình 2 - 7 ta thấy, các loại laser sẽ hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn
thấy được và hồng ngoại. Các chất bán dẫn làm từ các hợp kim của nhóm III và nhóm
V của bảng tuần hoàn rất thích hợp cho các ứng dụng quang điện. Chúng chủ yếu là dải
vùng cấm trực tiếp, dẫn đến tốc độ phát xạ tự phát cao hơn so với các chất bán dẫn
nhóm IV như Si và Ge với các dải cấm gián tiếp.

Hình 2 - 8: Bước sóng của một số loại vật liệu bán dẫn nhóm III liên kết nhóm V

Vật liệu AlxGa1-xAySb1-y: được sử dụng để tạo ra laser có bước sóng nằm trong
khoảng từ 2000nm đến 5000nm. Bước sóng của vật liệu được tính bằng công thức:

ở đây Eg là năng lượng phụ thuộc vào tỉ lệ các thành phần nguyên tố trong vật liệu mà
ta sử dụng (Eg  (x,y)). Chỉ số khúc xạ thấp và dải cấm năng lượng lớn đảm bảo rằng
mạng lưới AlGaAsSb kết hợp với GaSb cung cấp sự giam giữ điện tử làm cho nó trở
thành một sự lựa chọn tốt để chế tạo laser hoạt động ở vùng giữa hồng ngoại.
Vật liệu GamIn1-mAsnSb1-n: GaInAsSb là một hợp chất bậc bốn quan trọng để đạt
được cấu trúc vật liệu trong chế tạo laser bán dẫn ở vùng gần hồng ngoại. Nằm trênXây
dựng trên nền GaSb, nó có thể đạt được bước sóng từ khoảng 1.5 μm (GaSb) lên đến ít
nhất 3.,73 μm.
Hệ thống vật liệu In1-xGaxAsyP1-y thường được sử dụng để chế tạo các thiết bị
đồng hệ. Chúng bao gồm điốt laser, điốt quang, điốt Gunn và các bóng bán dẫn cơ cấu

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/51

tốc độ cao. Là vật liệu bậc bốn, với hai tham số phân số mol khác nhau, x và y, là cần
thiết để chỉ định bất kỳ sự kết hợp cụ thể nào. Điều này cho phép tạo ra một loạt các
tàinhiều vật liệu với và nhiều đặc tính phong phú của InGaAsP. Đặc biệt quan tâm đến
hệ thống này là các vật liệu được kết hợp phù hợp vớixây dựng trên nền vật liệu rẻ là
InP.
2.2.6. Một số ứng dụng quan trọng của Laser
 Trong y học:
Nghiên cứu ứng dụng laser trong y học cũng khá sớm từ những năm 1962–1963
của thế kỷ trước. Lúc đầu laser được dùng để điều trị bệnh bong võng mạc, từ đó laser
đã được sử dụng rộng rãi trong y khoa, ứng dụng laser trong chẩn đoán và điều trị từ đó
mở ra nhiều triển vọng trong chữa bệnh và làm đẹp cho con người.
Laser được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị có bước sóng nằm trong
khoảng từ 193 nm đến 10.6µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần, có
thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục.
Hiệu ứng quang đông (nhiệt) : bức xạ laser có năng lượng vừa đủ và được giải
phóng trong thời gian thích hợp thì có thể làm nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên khoảng
60-100°C. Khi đó tổ chức sinh học bị động kết dẫn đến hoại tử. Ứng dụng của hiệu ứng
nhiều trong lĩnh vực nhãn khoa, như : quang đông võng mạc, quang đông điều trị tân
mạch hắc mạc, quang đông phù điểm vàng,…
Hiệu ứng bay hơi tổ chức (nhiệt) : tương tự như hiệu ứng quang đông, nhiệt độ
vùng tổ chức tăng lên và khi đạt đến 300°C, thì các matrix rắn của tổ chức sinh học
nhận đủ năng lượng để bay hơi. Ứng dụng của hiệu ứng này trong phẫu thuật, chùm tia
được dùng như chiếc dao mổ tạo ra những vết cắt nhỏ, không đau, ít chảy máu, vô
trùng. Tiêu biểu là laser CO2, laser YAG,… biết với tên gọi là “dao mổ nhiệt”. Hiệu
ứng bóc lớp (quang cơ - phi nhiệt) : Chúng ta dùng các xung cực ngắn (ns-

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/51

nanosecond), công suất đỉnh cực cao, bước sóng vùng tử ngoại gần, chiếu vào tổ chức
sinh học. Bức xạ laser vùng tử ngoại chỉ bị các phần tử hữu cơ hấp thụ, khi năng lượng
hấp thụ đủ lớn, mạch hữu cơ bị đứt gãy, xảy ra các “vụ nổ” từ đó nước bị đẩy ra khỏi tổ
chức, cuối cùng tổ chức sinh học giống như bị “bóc từng lớp”. Laser excimer được ứng
dụng trong y học với tên gọi là “dao cắt lạnh”(phi nhiệt). Hai trong nhiều ứng dụng
quan trọng của laser excimer là phẫu thuật tạo hình tim mạch bằng laser chọc qua da và
điều trị tật khúc xạ của mắt. Bằng cách quét qua máu dự trữ trong các ngân hàng máu,
laser có thể diệt rất nhiều loại virus nguy hiểm như virus gây bệnh AIDS, sởi,
herpes…
 Trong công nghiệp
Sự kết hợp các pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành một điểm nhỏ có đường
kính khoảng bằng bước sóng (10-4cm). Như vậy laser 1W có thể hội tụ để có một
cường độ 108 W/cm2.. Chính năng lượng hội tụ cao như vậy nên dùng laser công suất
lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại với độ chính xác và tốc độ rất cao.

Hình 2 - 9: Laser cường độ mạnh dùng cắt vật liệu rất chính xác và nhanh chóng.[4]

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/51

 Trong khoa học:

Ánh sáng laser có tính định hướng nên chùm tia vẫn giữ được độ mảnh của nó
trong suốt quá trình lan truyền trên những khoảng cách rất lớn. Chùm laser có công
suất chỉ vài woát cũng dễ dàng vượt qua khoảng cách Trái Đất và Mặt Trăng (384.000
km) rồi bị bề mặt Mặt Trăng phản xạ lại Trái Đất. Một chùm Tia Laser ban đầu có kích
thước bằng cái bút chì thì khi lên Mặt Trăng nó có kích thước bằng một vòng tròn
đường kính vài km. Sự loe rộng này của chùm laser chỉ bằng 0.001% khoảng cách Trái
đất và Mặt Trăng.
Bằng cách đo thời gian đi và về của chùm tia laser các nhà thiên văn có thể
dựng bản đồ Mặt Trăng. Trong thập niên 70 các nhà du hành trong phi hành đoàn
Apollo đã để lại trên mặt Trăng các gương phản xạ đặt biệt có khả năng phản xạ chùm
laser. Ánh sáng phản xạ được các kính thiên văn quan sát trên mặt đất ghi lại. Bằng
cách này các nhà thiên văn có thể xác định quỹ đạo của Mặt Trăng với độ chính xác tới
vài xentimét. Đối với khoảng cách Trái Đất-Mặt Trăng thì độ chính xác tới một phần
mười tỉ. Bằng cách thực hiện các phép đo này từ các lục địa khác nhau các nhà thiên
văn có thể đo tốc độ trôi dạt của các mảng lục địa, vận tốc này là vài xentimét mỗi
năm.
 Trong đời sống (Ứng dụng laser để đọc đĩa CD và DVD)…

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/51

Hình 2 - 10: Đĩa CD [6]

Các đĩa CD (đĩa compact) và DVD (Digital Versatile Disc, đĩa số hoá đa dụng)
là một hệ quang học lưu giữ thông tin. Người ta dùng một chùm laser để ghi thông tin
lên một màng mỏng rất nhạy cảm với ánh sáng của đĩa, thông tin được mã số hoá bởi
các lỗ nhỏ trên đĩa. Để khắc những lỗ nhỏ này đưòng kính của chùm tia laser cũng phải

nhỏ bằng một micromét, chúng được khắc theo rảnh hình xoắn trôn ốc có thể dài đến
5km.
Đầu đọc là một chùm laser hồng ngoại, khi ánh sáng laser chiếu vào một lỗ, một
phần đi vào tới tận đáy lỗ và bị đáy này phản xạ, trong khi phần còn lại bị bề mặt xung
quanh lỗ phản xạ. Khi hai sóng ánh sáng kết hợp với nhau, chúng có thể cùng pha hoặc
ngược pha làm cường độ tăng hoặc giảm. Nếu ánh sáng tới không gặp lỗ sẽ không thay
đổi cường độ. Sự thay đổi hay không thay đổi của cường độ chùm laser sẽ được một
detector trong đầu CD đọc, và được chuyển hoá thành các chuỗi số 0 và 1, phản ánh
mã nhị phân được ghi trên đĩa. Thông tin sẽ được tái tạo lại gần hoàn hảo như các âm
thanh và hình ảnh.
2.3. VCSEL
VCSEL là từ viết tắt của cụm từ Vertical Cavity Surface Emitting Laser hay còn
gọi là Laser phát xạ mặt với buồng cộng hưởng thẳng đứng. Được biết đến từ lâu cho
các ứng dụng trong truyền thông dữ liệu nhưng những đặc tính phát xạ đặc biệt của nó
không chỉ dừng lại ở đó mà còn được mở rộng ra những ứng dụng tiềm năng khác như
chuột quang trong máy tính và đồng hồ nguyên tử, cảm biến…
2.3.1. Sơ lược về lịch sử

VCSEL được biết đến trên thị trường thương mại từ những năm 90 và nó đã
được dùng như giải pháp thay thế cho các thế hệ laser phát xạ cạnh thông thường trong
truyền thông dữ liệu bằng sợi quang ở khoảng cách ngắn. Và nhanh chóng sau đó, đến
cuối thập niên 90, sự phát triền mạnh mẽ trong sản xuất và nhu cầu đáp ứng sự bùng nổ

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/51

thông tin internet vào thời điểm đó đã khiến cho VCSEL hầu như hoàn toàn chiếm chỗ

Laser phát xạ cạnh trên thị trường.
2.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

VCSEL cũng là một dạng laser với cấu trúc cơ bản gồm các lớp vật liệu tích cực
được xếp kẹp giữa các lớp bán dẫn khác. Tuy nhiên, khác với các laser phát xạ cạnh,
VCSEL phát xạ ánh sáng theo phương vuông góc với bề mặt xếp lớp, tức là phát xạ
theo phương thẳng đứng nếu coi phương phát xạ của các laser phát xạ cạnh thông
thường là nằm ngang (song song với các xếp lớp).
Ưu điểm của việc phát xạ theo phương thẳng đứng thì rất nhiều. Có thể kể ra
đây ưu điểm nổi bật nhất là khả năng tương thích rất lớn về mặt kích thước của loại
laser này với các linh kiện, thiết bị khác nhờ vào kích thước bề mặt phát xạ nhỏ của nó.
Ngoài ra, VCSEL có thể được kiểm tra, kiểm định chất lượng các đặc tính ngay trên
các xếp lớp (tâm wafer) trước khi tiến hành cắt chẻ (cleaving) thành các linh kiện riêng
lẻ. Như vậy, so với việc chế tạo laser phát xạ cạnh, VCSEL đã giúp tránh khỏi các bước
tiền kiểm định đắt đỏ (vì thông thường, để kiểm định laser phát xạ cạnh, công đoạn cắt
chẻ phải được làm trước, sau đó tiến hành các bước xếp lớp và gắn kết thêm để kiểm
tra đặc tính). Điều này sẽ khiến cho việc sản xuất VCSEL có thể diễn ra hoàn toàn tự
động và số lượng thành phẩm được kiểm tra có thể lên đến hàng chục nghìn chiếc
trong một giờ kéo theo giá thành sản phẩm hạ thấp không chỉ đối với nhà sản xuất mà
còn với cả người tiêu dùng.
2.3.3. Đặc tính kĩ thuật

Mặc dù xét về bản chất cấu tạo, VCSEL vẫn phải tạo ra đượcbao gồmôm một
hộp cộng hưởng bên trong nó và các gương phản xạ để có thể phát xạ ra ánh sáng laser.
Tuy nhiên, cấu trúc của VCSEL vẫn có những điểm rất khác biệt so với laser phát xạ
cạnh thông thường. Hộp cộng hưởng (môi trường có tăng ích) của laser phát xạ cạnh

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/51

thường có chiều dài cỡ milimet trong khi đó kích thước này của VCSEL điển hình chỉ
khoảng 20-30 nanomet (ngắn hơn cỡ 100 nghìn lần).
Vì kích thước hộp cổng hưởng ngắn nên buộc VCSEL phải có độ phản xạ cao ở
các gương phản xạ. Thay vì độ phản xạ 30% như với laser phát xạ cạnh GaAs thông
thường, VCSEL yêu cầu độ phản xạ của gương phải đạt tới 99,8%. Đồng thời các
gương này không được có tính hấp thụ mà thay vào đó là độ truyền qua tốt để tránh
việc bị quá nóng. Chính yêu cầu khắt khe về đặc tính của các gương (có độ phản xạ cao
đồng thời độ truyền qua cũng phải tốt) khiến cho việc sản xuất đại trà VCSEL gặp
không ít khó khăn. Và giải pháp được lựa chọn là cho tích hợp một cách tử Bragg
(được cấu tạo từ các lớp vật liệu như AlGaAs có chiết suất luân phiên cao thấp) vào
trong VCSEL.

Hình 2 - 11: Cấu tạo buồng phát VCSEL [3]

Nhờ vào sự kết hợp của các gương phản xạ cao và kích thước hộp cộng hưởng
nhỏ khiến cho ngưỡng phát xạ laser sẽ thấp đi. Điều này đồng nghĩa với việc VCSEL

Mô phỏng đặc tính của VCSEL dùng phần mềm ATLAS