Nghiên cứu các tính chất quang điện và đánh giá độ tin cậy của modul laser bán dẫn sợi quang bước sóng đỏ dùng trong thiết bị quang trị liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Đỗ Đức Hưng

Nghiên cứu các tính chất quang điện và đánh giá
độ tin cậy của modul laser bán dẫn sợi quang
bước sóng đỏ dùng trong thiết bị quang trị liệu

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Thanh Phương

Hà Nội – Năm 2017


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.
LỜI CAM ĐOAN.
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu.
Danh mục bảng.
Danh mục hình.
Mở đầu………………………………………………………………………………....1
Chương 1.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT………………………………………………..3
1.1 Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn………………………………………….3
1.1.1 Sự hấp thụ và sự phát xạ trong laser bán dẫn…………………………………...3
1.1.2 Các thành phần cơ bản của laser……………………………………………………..7
1.1.3 Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng…………………………………………9
1.2 Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn. ……………………………………...12
1.2.1 Đặc trưng công suất quang và thế phụ thuộc vào dòng bơm……………………12
1.2.2 Phổ quang của laser bán dẫn……………………………………………………16

1.2.2.1 Phổ quang phụ thuộc dòng bơm……………………………………………….16
1.2.2.2Phổ quang phụ thuộc nhiệt độ………………………………………………….17
1.3 Các cơ chế giảm độ phẩm chất của laser bán dẫn……………………………..18
1.3.1 Suy giảm theo vị trí………………………………………………………………….….19
1.3.2 Các chế độ già hóa cơ bản………………………………………………………20
1.4 Laser bán dẫn ứng dụng trong y tế……………………………………………..21
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM……………………………………………………..24
2.1 Cấu tạo laser bán dẫn vùng bước sóng 650nm và 780nm……………………..24
2.1.1 Cấu tạo laser bán dẫn vùng bước sóng 650nm………………………………...24
2.1.2 Cấu tạo laser bán dẫn vùng 780nm....................................................................25
2.2

Quy trình chế tạo modul laser…………………………………………….….26

2.2.1 Linh kiện cho chế tạo modul……………………………………………………..26


2.2.2 Chuẩn bị linh kiện………………………………………………………………..30
2.2.3 Ghép bức xạ laser vào sợi quang và định vị………………………………….….30
2.2.4 Đóng vỏ modul…………………………………………………………………...31
2.3 Các phương pháp khảo sát đặc trưng của laser………………………………..31
2.3.1 Phương pháp khảo sát đặc trưng cơng suất-điện áp-dịng điện…………………31
2.3.2 Phương pháp khảo sát đặc trưng phổ laser bán dẫn……………………………33
2.4. Quy trình già hóa…………………………………………………………….….34
Chương 3: CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………….………………………...36
3.1. Laser – modul laser vùng sóng 650nm……………………….…………….…..36
3.1.1 Đặc trưng vật lý cơ bản của laser vùng 650nm……………….…………….…..36
3.1.1.1. Đặc trưng công suất quang, thế, nhiệt độ phụ thuộc vào dòng bơm….……...36
3.1.1.2. Đặc trưng phổ laser vùng 650 nm phụ thuộc vào nhiệt độ, dịng bơm…….…41
3.1.2 Khảo sát q trình ghép nối laser bán dẫn vùng 650 nm với sợi quang để chế

tạo modul laser……………………………………………………………………….43
3.1.3 Đặc trưng vật lý cơ bản của modul laser vùng 650 nm……………………...45
3.1.3.1 Đặc trưng công suất quang, thế, nhiệt độ phụ thuộc vào dòng bơm………….45
3.1.3.2 Đặc trưng phổ phụ thuộc vào dòng bơm tại cùng một nhiệt độ đối với modul
laser vùng 650 nm……………………………………………………………………..50
3.1.4 Hiệu suât ghép nối của module laser bán dẫn 650nm……………………….53
3.2. Laser – modul laser vùng sóng 780 nm………………………………………...56
3.2.1 Đặc trưng vật lý cơ bản của laser vùng 780 nm……………………………...56
3.2.1.1. Đặc trưng công suất quang, thế phụ thuộc vào dòng bơm…………………...55
3.2.1.2. Đặc trưng phổ laser vùng 780 nm phụ thuộc vào dòng bơm, nhiệt độ……….61
3.2.2 Khảo sát quá trình ghép nối laser bán dẫn vùng 780 nm với sợi quang để
chế tạo modul laser. ……………………………………………………………..…..63
3.2.3 Đặc trưng vật lý cơ bản của modul laser vùng 780 nm………………..….…65
3.2.3.1 Đặc trưng công suất quang, thế phụ thuộc vào dòng bơm……………….…...65


3.2.3.2 Đặc trưng phổ quang của module laser vùng sóng 780nm……………….….69
3.2.4 Hiệu suất ghép nối module laser bán dẫn 780 nm…………………………..71
3.3. Già hóa modul laser 650 nm và 780 nm………………………………….……76
Kết luận………………………………………………………………………………81
Bài báo công bố
Tài liệu tham khảo.


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn với đến TS.Nguyễn Thanh Phương, người
đã hướng dẫn tơi hồn thành luận văn này. Người thầy đã tạo điệu kiện, động viên, chỉ
bảo tận tình cho tơi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi xin cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi
tập trung học tập và nghiên cứu trong thời gian thực hiện luận văn.

Tôi trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Quốc Tiến cùng tập thể cán bộ
phòng laser bán dẫn Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, đã chia sẻ
kinh nghiệm quý báu, tạo điều kiện, động viên, khích lệ trong suốt thời gian tơi học tập
và nghiên cứu tại viện.
Trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại bộ môn Quang học - Quang điện tử,
Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và phòng laser bán dẫn Viện
Khoa Học Vật Liệu thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. Tôi luôn
nhận được sự giúp đỡ trong công việc cũng như sự đoàn kết trong cuộc sống của các cơ
chú anh chị em làm việc tại phịng cùng các bạn sinh viên học tập nghiên cứu tại đây.
Tôi xin ghi nhận tình cảm quý báu, chân thành từ các cô chú anh chị em đã dành cho
tôi.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã ủng hộ động viên tinh thần giúp tơi
hồn thành luận văn.

Hà Nôi, tháng 9 năm 2017

Tác giả
Đỗ Đức Hưng


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
TS.Nguyễn Thanh Phương. Các số liệu và kết quả trong luận án là hồn tồn trung
thực và chưa từng được cơng bố trong bất cứ cơng trình nào.

Tác giả luận án

Đỗ Đức Hưng

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu.
LD 650 nm: laser bán dẫn vùng 650 nm.
MD 650 nm: modul laser bán dẫn vùng 650 nm.
LD 780 nm: laser bán dẫn vùng 780 nm.
MD 780 nm: modul laser bán dẫn vùng 780 nm.
CMOD: hiện tượng phá hủy mặt gương xảy ra đột ngột.
FDA: cục quản lý dược và thực phẩm Hoa Kỳ.
ATP: nguồn năng lượng cần thiết cho các tế bào hoạt động.


Danh mục bảng.
Bảng 3.1 Giá trị dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc của laser 650 nm tại nhiệt độ
250C……………………………………………………………………………………38
Bảng 3.2 Hiệu suất độ biến đổi điện quang laser 650 nm tại nhiệt độ 250C…………..38
Bảng 3.3 Điện trở nối tiếp và thế của laser bán dẫn vùng 650 nm với dịng 80 mA…39
Bảng 3.4 Độ dịch bước sóng trung tâm theo dòng bơm tại nhiệt độ 250C……………42
Bảng 3.5 Giá trị dòng ngưỡng, hiệu suất độ dốc modul laser 650 nm tại nhiệt độ
250C……………………………………………………………………………………47
Bảng 3.6 Hiệu suất biến đổi điện quang của modul laser vùng 650 nm………………47
Bảng 3.7 Điện trở nối tiếp của các module laser bán dẫn vùng 650 nm tại dịng 80
mA……………………………………………………………………………………..48
Bảng 3.8 Dịch chuyển bước sóng trung tâm modul theo dòng bơm tại nhiệt độ
250C……………………………………………………………………………………51
Bảng 3.9: Hiệu suất ghép nối của 4 module laser bán dẫn 650 nm

tại dòng

80mA…………………………………………………………………………………..54
Bảng 3.10 Giá trị dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc của laser 780 nm……………….57
Bảng 3.11 Hiệu suất biến đổi điện quang của laser vùng 780 nm……………………58

Bảng 3.12. Điện trở nối tiếp của laser 780 nm tại tại dòng bơm 80 mA……………...59
Bảng 3.13 Độ dịch bước sóng trung tâm theo dòng bơm tại nhiệt độ 250C…………..61
Bảng 3.14: Giá trị dòng ngưỡng và hiệu suất độ dốc của 3 module laser 780 nm……66
Bảng 3.15 Hiệu suất biến đổi điện quang của modul laser vùng 780 nm……………..67
Bảng 3.16. Điện trở nối tiếp của modul laser 780 nm tại tại dòng bơm 80 mA………67
Bảng 3.17 Giá trị đỉnh phổ thuộc dòng bơm

module laser 780nm tại nhiệt độ

250C……………………………………………………………………………………70


Danh mục hình.
Hình 1.1: Giản đồ cấu trúc vùng dẫn E(k) với các điện tử trong bán dẫn vùng cấm
thẳng. Khe năng lượng Eg khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị………………..4
Hình 1.2: Giản đồ chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn…………...5
Hình 1.3: Cấu trúc laser khi phân cực thuận với chuyển tiếp p-n………………………6
Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện và điện trường sử dụng cấu trúc dị thể kép
theo trục thẳng đứng x của laser bán dẫn phát cạnh. Sơ đồ vùng năng lượng E(x) với
vùng dẫn và vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) của dẫn sóng điện môi (giữa),
sự phân bố điện trường  (x) của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z………...8
Hình 1.5: Giản đồ phổ khuếch đại quang của vật liệu bán dẫn khối GaAs ở mật độ hạt
tải N=2-6x1018 cm-3 …………………………………………………………………...10
Hình 1.6:Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dịng bơm của laser bán dẫn………...13
Hình 1.7: Đặc trưng I-V của một laser………………………………………………...14
Hình 1.8: Đường không liền nét là hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc dòng bơm
laser bán dẫn phát xạ vùng 940nm…………………………………………………….15
Hình 1.9: Giản đồ hiển thị phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới ngưỡng
(a), gần ngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d)……………………………………16
Hình 1.10: Phổ quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn vùng 940nm đo tại nhiệt

độ 25oC………………………………………………………………………………...17
Hình1.11: Phổ quang phụ thuộc nhiệt độ của laser bán dẫn tại dịng bơm 200mA…...18
Hình 1.12 chế độ suy giảm của laser bán dẫn…………………………………………20
Hình 2.1 : Cấu trúc các lớp của laser bán dẫn vùng sóng 650 nm…………………….24
Hình 2.2 Cấu trúc các lớp của laser bán dẫn vùng sóng 780 nm……………………...25
Hình 2.3 laser bán dẫn loại TO5………………………………………………………25
Hình 2.4 Cấu trúc sợi quang…………………………………………………………..26
Hình 2.5 Linh kiện cơ khí……………………………………………………………..26
Hình 2.6 Bản vẽ chi tiết đế tản nhiệt dùng làm modul. ……………………………….27


Hình 2.7 Bản vẽ chi tiết đĩa định vị sợi quang………………………………………...27
Hình 2.8 bản vẽ chi tiết vỏ làm modul………………………………………………...28
Hình 2.9 Đóng vỏ modul……………………………………………………………...30
Hình 2.10 Hệ đo PUI…………………………………………………………………..31
Hình 2.11 Hệ đo phổ laser……………………………………………………………..32
Hình 2.12 Hệ già hóa modul laser……………………………………………………..33
Hình 2.13 modul laser…………………………………………………………………34
Hình 3.1 Đặc trưng PUI phụ thuộc vào dịng bơm LD 650 nm 01……………………36
Hình 3.2 Đặc trưng PUI phụ thuộc vào dịng bơm LD 650 nm 02……………………36
Hình 3.3 Đặc trưng PUI phụ thuộc vào dịng bơm LD 650 nm 03……………………37
Hình 3.4 Đặc trưng PUI phụ thuộc vào dòng bơm LD 650 nm 04……………………37
Hình 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ lên cơng suất laser LD 650 nm 01……………………..49
Hình 3.6 Đặc trưng của phổ LD 650 nm 01 phụ thuộc vào dòng bơm ……………….41
Hình 3.7 Sự dịch phổ LD 650 nm 01 phụ thuộc dịng bơm theo nhiệt độ…………….41
Hình 3.8 Mơ phỏng q trình dịch chuyển sợi quang theo chiều ox,oy,oz……………42
Hình 3.9 Cơng suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OX………….43
Hình 3.10 cơng suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OY…………43
Hình 3.11 Cơng suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OZ…………44
Hình 3.12 Đặc trưngPUI của MD 650 nm 01 phụ thuộc vào dịng bơm……………...45

Hình 3.13 Đặc trưng PUI cuả MD 650 nm 02 phụ thuộc vào dịng bơm……………..45
Hình 3.14 Đặc trưng PUI của MD 650 nm 03 phụ thuộc vào dòng bơm……………..46
Hình 3.15 Đặc trưng PUI của MD 650 nm 04 phụ thuộc vào dịng bơm……………..46
Hình 3.16 Ảnh hưởng nhiệt độ lên cơng suất modul laser MD 650 nm 01…………...49
Hình 3.17: Phổ quang của module laser MD 650 nm 01……………………………...50
Hình 3.18 Sự dịch phổ MD 650 nm 01 phụ thuộc dòng bơm theo nhiệt độ…………..51
Hình 3.19: Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dòng bơm LD 650 nm 01 và MD 650
nm 01…………………………………………………………………………………..52


Hình 3.20: Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dịng bơm LD 650 nm 04 và MD 650
nm 04…………………………………………………………………………………..53
Hình 3.21: Hiệu suất ghép nối của modul Laser 650nm 01…………………………...53
Hình 3.22: Hiệu suất ghép nối của modul Laser 650nm 04………………………….54
Hình 3.23: Đặc trưng PUI laser LD 780 nm 01 phụ thuộc vào dịng bơm…………...56
Hình 3.24: Đặc trưng PUI laser LD 780 nm 02 phụ thuộc vào dịng bơm…………..56
Hình 3.25: Đặc trưng PUI laser LD 780 nm 03 phụ thuộc vào dòng bơm…………...57
Hình 3.26 Ảnh hưởng nhiệt độ lên cơng suất laser LD 780 nm 01……………………59
Hình 3.27 Đặc trưng phổ laser LD 780 nm 01 phụ thuộc vào dịng bơm……………..60
Hình 3.28 Sự dịch phổ LD 780 nm 01 phụ thuộc vào nhiệt độ, dịng bơm…………..61
Hình 3.29 cơng suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OX…………63
Hình 3.30 cơng suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OY…………63
Hình 3.31 cơng suất phụ thuộc vào sự dịch chuyển sợi quang theo trục OZ………….64
Hình 3.32 Đặc trưng cơng suất quang, điện áp và hiệu suất điện quang phụ thuộc dòng
bơm của module laser MD 780 nm 01 tại nhiệt độ 25oC……………………………...65
Hình 3.33 Đặc trưng cơng suất quang, điện áp và hiệu suất điện quang phụ thuộc dòng
bơm của module laser MD 780 nm 02 tại nhiệt độ 25oC……………………………...65
Hình 3.34 Đặc trưng công suất quang, điện áp và hiệu suất điện quang phụ thuộc dòng
bơm của module laser MD 780 nm 03 tại nhiệt độ 25oC……………………………...65
Hình 3.35 Ảnh hưởng nhiệt độ lên cơng suất modul laser 780nm….…………………68

Hình 3.36: Phổ quang của module laser MD 780nm 01………………………………69
Hình 3.37 Sự dịch phổ của MD 780 nm 01 phụ thuộc dòng bơm theo nhiệt độ…….69
Hình 3.38: Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dịng bơm của LD-MDm 780nm
01....................................................................................................................................71
Hình 3.39 Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dòng bơm của LD-MD 780 nm
02………………………………………………………………………………………72


Hình 3.40 Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dịng bơm của LD-MD 780 nm
03………………………………………………………………………………………72
Hình 3.41 Hiệu suất ghép nối laser bán dẫn 780 nm 01 với sợi quang………………..73
Hình 3.42 Hiệu suất ghép nối laser bán dẫn 780 nm 02 với sợi quang………………..74
Hình 3.43 Hiệu suất ghép nối laser bán dẫn 780 nm 03 với sợi quang………………..74
Hình 3.44: Cơng suất quang theo thời gian già hóa của MD 650 nm tại dịng 80 mA
nhiệt độ 250C…………………………………………………………………………..75
Hình 3.45 Cơng suất quang theo thời gian già hóa của MD 780 nm tại dòng 80 mA
nhiệt độ 250C……………………………………………………………………..........77


MỞ ĐẦU
Laser bán dẫn dựa trên lớp chuyển tiếp p-n. Chất bán dẫn được chế tạo lần đầu vào
năm 1962 và được phát triển mạnh mẽ đến tận ngày nay. Ngày nay, chất bán dẫn
chiếm phần lớn thị phần laser thương mại trên thế giới. Trên cơ sở các vật liệu bán dẫn
khác nhau người ta đã có thể chế tạo các loại laser bán dẫn với các bước sóng phát
trong một dải rộng từ vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần. Các loại laser bán dẫn được
chế tạo với cơng nghệ tiên tiến hiện nay có dịng ngưỡng thấp, công suất quang ra cao..
Hiện nay trên thế giới, các laser bán dẫn được ứng dụng hết sức rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như: thông tin quang, cảm biến quang, gia công vật liệu, nghiên cứu..., đặc
biệt trong y tế và chăm sóc sức khoẻ con người. Các laser bán dẫn công suất thấp được
sử dụng phổ biến trong trị liệu như châm cứu, hồi phục vết thương diện nhỏ.

Ở Việt Nam, các thiết bị laser trong lĩnh vực y tế nhập ngoại có giá thành cao như
thiết bị Laser Megasonic 681 (Tây ban nha) có một đầu phát laser 658 nm, công suất ra
40 mW hiện đang sử dụng ở Viện Bỏng Quốc gia có giá ~ 7000 USD, thiết bị Laser
diode Milon Lanta (Nga) một đầu phát có công suất ra tối đa ở đầu sợi quang 2,2 W (
= 660 nm) và 14 W ( = 940 nm) dùng cho trị liệu và phẫu thuật có giá ~ 15000
USD.… Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo thiết bị laser bán dẫn công suất thấp ở trong
nước với mục đích làm chủ cơng nghệ nhằm giảm giá thành, giúp việc bảo hành, bảo
trì thiết bị thuận tiện, kịp thời hơn đối với người sử dụng là vấn đề cần thiết, đáp ứng
nhu cầu ngày càng cao đối với các thiết bị laser y tế ở trong nước. Xuất phát từ thực
tiễn nêu trên, chúng tôi thấy rằng việc nghiên cứu và chế tạo các modul laser bán dẫn
công suất thấp ứng dụng điều trị trong vật lý trị liệu và phục hồi chức năng là cần thiết.
Trong giới hạn của luận văn với mục đính nghiên cứu và đánh giá độ tin cậy của modul
laser để thực hiện hóa việc chế tạo. Chúng tơi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu cho luận
văn: “ Nghiên cứu các tính chất quang điện và đánh giá độ tin cậy của modul laser
bán dẫn sợi quang bước sóng đỏ dùng trong thiết bị quang trị liệu”.

1


Mục tiêu của đề tài:


Nghiên cứu các tính chất quang điện của modul laser bán dẫn sợi quang.



Đánh giá độ tin cậy của modul laser bán dẫn sợi quang.

Nội dung nghiên cứu:


Khảo sát đặc trưng quang điện và đặc trưng phổ của laser bán dẫn vùng 650 nm

và 780 nm.


Ghép nối laser với sợi quang, chế tạo modul.



Khảo sát đặc trưng quang điện và đặc trưng phổ của modul laser bán dẫn vùng

650 nm và 780 nm.


So sánh, đánh giá hiệu suất ghép nối sợi quang.



Già hóa, đánh giá độ tin cậy của modul được chế tạo

Phương pháp nghiên cứu:
Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Các mẫu trong luận văn đều
là các mẫu được chế tạo và khảo sát tại Bộ môn Quang học và Quang điện tử, Viện Vật
lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội và phịng thí nghiệm laser bán dẫn, Viện Khoa
học Vật liệu, Viện Hàm Lâm và Khoa học Công nghệ Việt Nam.
Bố cục của luận văn gồm có các phần:
MỞ ĐẦU: Giới thiệu lý do chọn đề tài, đối tượng và mục đích nghiên cứu
Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.
Chương 2: THỰC NGHIỆM.

Chương 3: CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.
Tài liệu tham khảo.

2


Chương 1.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.
1.1

Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn.

Laser diode là một thiết bị quang điện hoạt động dưới điều kiện phát xạ kích thích.
Để tạo ra phát xạ laser cần có một mơi trường khuếch đại đồng thời giam giữ quang,
được biết đến như là miền tích cực của thiết bị. Miền tích cực của laser bán dẫn dựa
trên tiếp xúc của bán dẫn không pha tạp vùng cấm thẳng giữa lớp bán dẫn loại p có độ
rộng vùng cấm lớn và lớp bán dẫn loại n có chiết suất thấp. Ở đây hình thành một lớp
chuyển tiếp p-n với cấu trúc dị thể kép. Trong lớp chuyển tiếp p-n, sự giam giữ hạt tải
và giam giữ quang đã đạt được. Gần đây tất cả các laser bán dẫn cấu trúc dị thể kép
được thay thế bằng một cấu trúc giếng lượng tử, do có những ưu điểm vượt trội. Bên
cạnh môi trường khuếch đại, buồng cộng hưởng là một phần khơng thể thiếu của laser
nói chung. Trong phần này chúng tôi sẽ khái quát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
laser bán dẫn, các q trình sảy ra trong mơi trường khuếch đại. Từ đó, nghiên cứu các
đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn [1].
1.1.1 Sự hấp thụ và sự phát xạ trong laser bán dẫn.
Đối với những loại laser rắn và laser khí có các vạch năng lượng hẹp đó là các mức
năng lượng của của các nguyên tử riêng biệt. Vì sự chồng phủ các quỹ đạo năng lượng,
các mức năng lượng trong bán dẫn được mở rộng thành vùng năng lượng. Vùng năng
lượng được gọi là vùng dẫn khi trong bán dẫn khơng pha tạp khơng có sự kích thích từ
bên ngồi tại nhiệt độ T=00K, tại đó, được bỏ trống hồn tồn. Bên dưới vùng dẫn gọi
là vùng hóa trị được các điện tử lấp đầy hoàn toàn. Với vật liệu bán dẫn thì vùng dẫn

cách vùng hóa trị một khe năng lượng Eg = 0.5-2.5eV. Hạt tải điện tử trong vùng dẫn
và hạt tải lỗ trống trong vùng hóa trị góp phần vào q trình dẫn điện. Chúng ta có giản
đồ các mức năng lượng điện tử trong vùng dẫn Ec(k) và trong vùng hóa trị Ev(k) với k
là số sóng được biểu diễn [1]:
2k 2
E c (k )  E g 
,
2me

2k 2
Ev (k )  
.
2m h

3

(1.1)


Với =h/2π, h=6.625x 10-34 J.s hằng số Planck-Dirac; k: số sóng; me: khối lượng hiệu
dụng cho điện tử; mh: khối lượng hiệu dụng cho lỗ trống.

Hình 1.1: Giản đồ cấu trúc vùng dẫn E(k) với các điện tử trong bán dẫn vùng cấm
thẳng. Khe năng lượng Eg khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị [1].
Hình 1.1 là các chuyển mức năng lượng, các mức năng lượng là các mũi tên thẳng
đứng có năng lượng photon  . Mũi tên hướng lên trên cho sự phát sinh và mũi tên
hướng xuống thể hiện sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống. Khi ở trạng thái cân bằng nhiệt,
các hạt tải có chiều hướng chiếm giữ các trạng thái với năng lượng thấp nhất. Với các
điện tử này là các trạng thái ở đáy vùng dẫn và năng lượng tối thiểu của các lỗ trống
tích mang điện dương trên đỉnh của vùng hóa trị. Ở vị trí k=0 vùng cấm thẳng chính là

đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng bán dẫn. Đối với bán dẫn vùng cấm xiên ví dụ như Si,
Ge thì giá trị k tại đỉnh và đáy là khác nhau, chính vì vậy khi tái hợp vùng-vùng có thể
4


xảy ra và có sự tham gia của phonon hoặc tham gia các bẫy. Sự tham gia của nhiều hạt
có xác xuất rất nhỏ thường không bức xạ khi tái hợp. Do đó, các bán dẫn vùng cấm
xiên khơng phù hợp cho chế tạo laser bán dẫn [1] . Đối với trạng thái cân bằng nhiệt tại
nhiệt độ T, hàm Fermi f E, T  mơ tả trạng thái có xác xuất với năng lượng E bị điện tử
chiến giữ:

f E , T  

1
 E  EF
exp
 k BT

(1.2)


  1


Tại nhiệt độ T= 0 K, bên dưới mức năng lượng Fermi EF thì giá trị bằng 1 và bằng 0
với mức năng lượn cao hơn. Mức Fermi nằm giữa vùng bán dẫn và vùng hóa trị trong
trường hợp bán dẫn khơng pha tạp. Hàm Fermi nhịe trong dải EF  2k BT , kB
=8,617347 x 10-5 eV/K (hằng số Boltzmann).

ħɷ

Ec

Ec

ħɷ

Ev
Hấp thụ

Ev
Phát xạ tự phát

ħɷ

Ec
ħɷ

Ev
Phát xạ cưỡng bức

Hình 1.2: Giản đồ chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn [1].
Quá trình hấp thụ, điện tử nhận năng lượng chuyển từ trạng thái năng lượng thấp lên
trạng thái năng lượng cao. Quá trình phát xạ tự phát xảy ra khi điện tử ở vùng dẫn tái
hợp lỗ trống vùng hóa trị sau khoảng thời gian sống nhất định tại đó phát ra photon có
bước sóng, pha, hướng lan truyền khác nhau, ngẫu nhiên. Quá trình thứ ba là phát xạ
cưỡng bức. Sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống có sự kích thích một photon, tạo ra một
photon thứ hai có cùng hướng và pha với photon thứ nhất. Với khuếch đại quang quá

5

trình này có thể sử dụng, do các photon phát ra và photon kích thích giống nhau về tần
số, pha, phân cực, hướng, sự phát xạ có tính kết hợp là kết quả của quá trình này. Laser
bán dẫn hoạt động khi EFc – EFv >  > Eg với EFc và EFv là các mức năng lượng mức
năng lượng Fermi tương ứng cho hạt ở vùng dẫn và vùng hóa trị [3]. Trong trạng thái
này, gọi là trạng thái đảo, tốc độ phát xạ kích thích lớn hơn tốc độ hấp thụ. Hoạt động
laser yêu cầu một quá trình được gọi là bơm tạo thành một sự phân bố hạt tải giả cân
bằng trong vật liệu bán dẫn. Mặc dù q trình bơm cũng có thể được cung cấp bằng sự
kích thích quang của các cặp điện tử lỗ trống, một ưu điểm chính của laser bán dẫn so
với các loại laser khác là chúng có thể dễ dàng bơm bởi dòng điện khi diode bán dẫn
được phân cực thuận (hình 1.3). Vì lý do này, laser bán dẫn được bơm bằng điện cũng
được gọi là laser diode.

Hình 1.3: Cấu trúc laser khi phân cực thuận với chuyển tiếp p-n [1].
Laser bán dẫn sử dụng cấu trúc p-i-n dị thể kép phân cực thuận để đạt được sự đảo mật
độ. Cấu trúc này gồm một lớp bán dẫn không pha tạp vùng cấm thẳng chiết suất cao
được kẹp giữa các vật liệu pha tạp loại n – pha tạp loại p có chiết suất thấp hơn. Trong
laser bán dẫn để thu được mật độ photon cao, cấu trúc dẫn sóng quang được tạo ra để

6


giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện, bộ dao động quang gồm một
môi trường khuếch đại và một buồng cộng hưởng để tạo ra sự khuếch đại hồi tiếp.
1.1.2 Thành phần cơ bản của laser bán dẫn.
Laser bán dẫn gồm các thành phần cơ bản sau.


Môi trường khuếch đại tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích.



Cấu trúc dẫn sóng quang giam giữ các photon trong miền tích cực của linh
kiện.

 Buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp quang, lọc lựa bước sóng phát xạ.
 Sự giam giữ dịng bơm vào, các hạt tải và các photon theo chiều ngang cần thiết
cho hoạt động đơn mode ngang (mode không gian) cơ bản.

7


Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện và điện trường sử dụng cấu trúc dị thể kép
theo trục thẳng đứng x của laser bán dẫn phát cạnh. Sơ đồ vùng năng lượng E(x) với
vùng dẫn và vùng hóa trị (trên), phân bố chiết suất n(x) của dẫn sóng điện mơi (giữa),
sự phân bố điện trường  (x) của mode quang cơ bản chạy dọc theo hướng z [1].
Môi trường khuếch đại tạo ra khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích gồm lớp tích cực
là bán dẫn vùng cấm thẳng không pha tạp đưa vào giữa lớp bán dẫn pha tạp loại p và
loại n có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Khi lớp chuyển tiếp p-n-i phân cực thuận các điện
tử và lỗ trống vào miền tích cực lúc này phát xạ kích thích có thể xảy ra. Với cấu trúc
dị thể kép giúp đảm bảo cho việc giam giữ các hạt tải được tốt hơn. Cấu trúc dẫn sóng

8


quang bao gồm một lớp lõi, hệ số phản xạ cao được đặt trong vật liệu có hệ số phản xạ
thấp hơn. Hình 1.4 ta thấy lớp tích cực gồm độ rộng vùng cấm Eg , chiết suất n f và độ
dày d được đặt giữa lớp vỏ với độ rộng vùng cấm Eg,cl và chiết suất ncl. Nếu độ chênh
lệch chiết suất n  n f  ncl và độ dày lõi d của miền dẫn sóng đủ nhỏ, chỉ có mode cơ

bản có thể truyền trong dẫn sóng. Sóng quang chạy theo hướng của dẫn sóng có chiết
suất hiệu dụng neff giữa chiết suất lớp lõi và lớp vỏ ( ncl  neff  n f ). Buồng cộng hưởng
tạo ra sự hồi tiếp quang khi một sóng đứng được sinh ra giữa hai gương.

Lm

0
2neff

,

m  1, 2, 3,...

(1.3)

Với L là khoảng cách giữa hai gương, neff là chiết suất hiệu dụng, 0 là bước sóng trong
chân khơng, m là số nguyên và là số bậc của mốt dọc. Sự giam giữ dòng bơm vào, các
hạt tải và các photon theo chiều ngang cần thiết cho hoạt động đơn mode ngang (mode
không gian) cơ bản với cơ chế sau: sự giam giữ dòng trong laser bán dẫn dẫn sóng
khuếch đại, sự giam giữ ngang tạo ra bởi sự dẫn hướng (hay dẫn sóng) chiết suất như
trong laser chuyển tiếp dị thể vùi.
1.1.3 Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng.
Sóng quang phẳng giảm theo hàm mũ khi đi qua một vật liệu hấp thụ theo hướng z,
cường độ J :

J z   J 0 exp  z  ,

(1.4)

J 0 là cường độ ban đầu và  là hệ số hấp thụ. Đối với laser bán dẫn sự khuếch đại

quang đạt được trong vật liệu lớp tích cực . Với trường hợp này, cường độ sóng quang
tăng theo hàm mũ được diễn tả bởi giá trị âm của α tương ứng với hệ số khuếch đại
quang g = -α. Chúng ta phân biệt hệ số khuếch đại của vật liệu tích cực với hệ số
khuếch đại mode quang. Hệ số khuếch đại quang này thấp hơn đáng kể gọi là hệ số
khuếch đại mode gmod al

9


Hình 1.5: Giản đồ phổ khuếch đại quang của vật liệu bán dẫn khối GaAs ở
mật độ hạt tải N=2-6x1018 cm-3 [5]
Hình 1.5 cho chúng ta thấy khuếch đại vật liệu GaAs tại nhiệt độ phòng cho mật độ
hạt tải N khác nhau. Hệ số khuếch đại max tại vị trí mức năng lượng photon cao hơn
một chút so với năng lượng vùng cấm. Hệ số khuếch đại mode g mod al và hệ số khuếch
đại vật liệu g có mối liên hệ được xác định bằng hệ số giam giữ  . Hệ số giam giữ này
phụ thuộc vào sự chồng phủ mode quang với vùng khuếch đại hay vùng tích cực của
laser. J(x) chính là cường độ quang của mode quang cơ bản trong laser cấu trúc dị thể
với độ dày miềm tích cực d, Từ đó, ta có:
d 2

g modal  g ,

 J x dx

 J x dx
d / 2


(1.5)



Với lớp tích cực có độ dày từ 50-300nm trong cấu trúc dị thể, giá trị của hệ số giam
giữ  là 10%-70%. Nếu thu được hệ số giam giữ cỡ một vài phần trăm thì lớp tích cực
gồm giếng lượng tử có độ dày trung bình 10nm. Mode lan truyền dọc theo dẫn sóng
quang thì hệ số hấp thụ cường độ quang  tách thành hai phần, phần thứ nhất diễn tả

10


sự hấp thụ mode thuần hay hấp thụ nội  i , phần thứ hai diễn tả hệ số khuếch đại mode
g modal  g phụ thuộc vào cường độ mà hạt tải được tiêm vào.

   i  g

(1.6)

Ở các vị trí sai hỏng hay khuyết tật thì sự hấp thụ các mode nội gây ra bởi sự tán xạ
của mode quang hoặc trên bề mặt bởi sự hấp thụ hạt tải tự do. Sự tán xạ rất thấp cho
laser bán dẫn đảm bảo chất lượng nuôi tinh thể tốt, không thể tránh được sự hấp thụ
các hạt tải tự do vì phần mode quang vượt ra ngồi miền vỏ pha tạp loại n và pha tạp
loại p. Mode quang truyền được khuếch đại khi sự khuếch đại mode g lớn hơn mất
mát mode thuần  i .
Dẫn sóng quang được kết hợp với buồng cộng hưởng Fabry-Perot có hai gương
phản xạ R1 và R2 trong linh kiện laser bán dẫn. Một phần thốt ra ngồi buồng ở mặt
gương là cường độ quang và tạo thành chùm laser ở đầu ra, cường độ J rt của mode
quang là [2]:
J rt  J 0 R1 R2 exp2g   i L

(1.7)

Lase phát khi khuếch đại quang bù trừ được sự hấp thu nội và mất mát tại gương. Với g
là hệ số khuếch đại nhỏ nhất mà tại đó linh kiện bắt đầu phát laser, nó được gọi là hệ
số khuếch đại ngưỡng g th . Với trường hợp này thì cường độ J rt sau một chu kì trong
buồng cộng hưởng lại có giá trị ban đầu J 0 .
J rt  J 0 ,

(1.8)

1  R1 R2 exp2g th   i L ,

(1.9)

g th   i 

1  1 
   i   m irror .
ln 
2 L  R1 R2 

(1.10)

Tại ngưỡng laser khuếch đại tổng cộng mode g th căn bằng với sự mất mát. Trong đó,
 i là sự hấp thụ nội, mất mát ở gương  mirror . Chiều dài buồng cộng hưởng L và các hệ

số phản xạ gương R1 và R2 quyết định đến sự mất mát của gương.
1.2 Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn.

11

1.2.1 Đặc trưng công suất quang và thế phụ thuộc vào dịng bơm.
a)Đặc trưng cơng suất bức xạ phụ thuộc dịng bơm (P –I).
Đặc trưng cơng suất quang của laser bán dẫn thể hiện sự phụ thuộc vào dịng bơm
cơng suất quang ra. Qua đường đặc trưng này ta có thể xác định được thơng số và tính
chất quan trọng của laser, module laser đó là thơng số về điện trở nối tiếp của laser,
thông số về hiệu suất độ dốc hay hiệu suất ghép nối... từ đó, làm sáng tỏ một số vấn đề
về cơng nghệ chế tạo.
Khi dịng điện có trị số nhỏ kích thích cho laser bán dẫn, thì laser sẽ hoạt động ở chế
độ phát xạ tự phát. Vì vây, cơng suất quang rất thấp. Nếu kích thích với dịng điện lớn,
laser bán dẫn sẽ phát xạ ở chế độ kích thích, đồng thởi cơng suất phát quang sẽ tăng
nhanh theo dịng kích thích.
b)Sự phụ thuộc của đặc trưng (P –I) vào nhiệt độ.
Đặc trưng công suất quang của laser bán dẫn phụ thuộc vào dòng bơm tại các giá trị
nhiệt độ khác nhau ( Hình 1.6).

Cơng suất mW
Dịng điện mA
Hình 1.6:Đặc trưng cơng suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn [5].

12


- Ta thấy khi tăng nhiệt độ hoạt động của laser bán dẫn, dòng ngưỡng của laser tăng
theo quy luật hàm mũ :

(1.11)
Ith(T) là giá tị dòng ngưỡng tại nhiệt độ T, Io là giá trị dòng ngưỡng tại nhiệt độ đặc
trưng To.

- Nhiệt độ hoạt động của laser bán dẫn tăng, hiệu suất độ dốc laser bán dẫn giảm, do
giảm hiệu suất lượng tử nội, sự hấp thụ hải tải tự do tăng. Hiệu suất độ dốc được tính
thơng qua biểu thức:
slope 

P
I

(1.12)

Với ∆P là độ chênh lệch công suất quang khi thay đổi dòng bơm lượng ∆I.
-Nhược điểm của laser bán dẫn chính là phụ thuộc vào nhiệt độ. Nó hạn chế hoạt động
của laser trong các thiết bị. Vì thế chúng ta cần phải ổn định được nhiệt độ hoạt động
của laser và module laser bán dẫn.
c) Đặc trưng dòng thế ( I –V).
Đặc trưng I-V là đường thể hiện mối quan hệ dòng điện chạy qua laser bán dẫn và
điện thế đặt trên chuyển tiếp. Hình 1.7 cho ta thấy tại dịng kích rất nhỏ, điện thế tăng
rất nhanh khi đạt đến mức điện thế phân cực thuận đặt trên chuyển tiếp. Lúc này, tốc
độ tăng của thế so với dịng giảm đi. Từ đó, chứng tỏ điện trở của laser là phi tuyến, nó
phụ thuộc vào dịng bơm. Khi điện áp chưa phân cực thì điện trở laser rất lớn. Khi đạt
trạng thái điện áp phân cực thuận thì điện trở laser bán dẫn giảm xuống rất nhỏ.

13