Nghiên cứu chế tạo hệ laser bán dẫn công suất lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Hoàng Thị Kim Khuyên

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN
CÔNG SUẤT LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Hoàng Thị Kim Khuyên

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN
CƠNG SUẤT LỚN

Chun ngành: Vật lý vơ tuyến và điện tử
Mã số: 60440105

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TUẤN ANH

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm luận văn thạc sĩ, cho phép tôi được chân thành cảm ơn
thầy giáo TS. Nguyễn Tuấn Anh, công tác tại Viện Ứng dụng Công nghệ, đã tận tình
hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đỗ Trung Kiên, cô giáo TS. Đặng
Thị Thanh Thủy cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã
giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình học tập và làm luận văn của tôi.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tồn bộ các thầy, cơ trong khoa Vật lý,
truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã cho tôi những kiến thức quý báu
trong thời gian học tập tại truờng.
Tơi xin kính cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tơi trong q
trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học và
Công nghệ đã tạo điều kiện về trang thiết bị để tơi hồn thành luận văn này.
Hà Nội, tháng 12 năm 2014
Học viên cao học

HOÀNG THỊ KIM KHUYÊN


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
U

Chương 1: ....................................................................................................................3
TỔNG QUAN .............................................................................................................4
1.1.

Giới thiệu chung ...........................................................................................4

1.2.

Đặt vấn đề .....................................................................................................5

Chương 2: ....................................................................................................................9
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................9
2.1.

Phát xạ kích thích và khuếch đại ánh sáng ...................................................9

2.2.

Tổng quan về laser bán dẫn ........................................................................10

2.2.1. Chuyển tiếp pn và laser đơn chuyển tiếp .................................................10
2.2.2. Laser dị chuyển tiếp .................................................................................14
2.3.

Một số phương pháp điều chế laser bán dẫn ..............................................17

2.3.1. Điều chế trực tiếp ....................................................................................18
2.3.2. Điều chế gián tiếp ....................................................................................22
2.4.

Làm mát laser bán dẫn bằng phương pháp sử dụng Peltier Cooler ...........26

Chương 3: ..................................................................................................................29
THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO ......................29

3.1.

Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W..............................................................29

3.1.1. Tổng quan về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao ..29
3.1.2. Một số yêu cầu về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn ..................30
3.1.3. Chế tạo mô đun laser bán dẫn .................................................................32
3.2.

Xác định thông số kỹ thuật của mô đun laser bán dẫn 4W ........................37

3.2.1. Xác định đường đặc trưng P-I .................................................................38
3.2.2. Xác định đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ................40
3.2.3. Xác định phổ của mô đun laser bán dẫn 4W ...........................................42
3.2.4. Xác định phổ năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W .......................44
3.2.5. Xác định độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W ................45
3.3.

Chế tạo nguồn nuôi laser bán dẫn công suất cao .......................................46


3.3.1. Một số dạng nguồn dịng DC thơng dụng................................................46
3.3.2. Thiết kế chế tạo mạch điều chế mô đun laser bán dẫn ............................51
3.4.

Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler ...................................................56

3.5.

Chế tạo bộ điều chế xung ...........................................................................60

3.5.1. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................60
3.5.2. Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động ...........................................61
KẾT LUẬN ...............................................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................65


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Absorption

Hấp thụ

Asymetry

Độ bất đối xứng

Bandgap

Vùng cấm

Broad Area LD

Laser bán dẫn bề mặt phát xạ rộng

Carrier confinement

Giam hạt tải

CB

Vùng dẫn

Die bounding

Hàn chíp

Direct Modulations

Điều chế trực tiếp

Divergence Angle

Góc phân kỳ

Double heterostructure

Cấu trúc dị thể kép

Electro-absorption modulator

Điều chế hấp thụ điện tử

Electro-optic modulator

Điều chế quang điện tử

External Modulations

Điều chế gián tiếp

Extinction Ratio

Hệ số suy giảm

Heat Sink

Đế tỏa nhiệt

Homojunction LD

Laser bán dẫn đơn chuyển tiếp

Ith

Dòng ngưỡng

Laser

Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích

Laser Bar

Laser thanh

Laser Stack

Laser khối

LOC

Laser hốc cộng hưởng rộng

Micro-Channel Coolers

Bộ làm mát vi kênh

P-I

Đường đặc trưng cơng suất quang – dịng điện

Peltier Cooler

Pin lạnh

Photon confinement

Giam photon

Population inversion

Nghịch đảo mật độ

Pulse Modulations

Điều chế xung


Relaxation Oscillations

Dao động suy giảm

Stimulated Emission

Phát xạ kích thích

Sub-mount

Đế phụ

Tapered Laser

Laser cấu trúc vuốt thon

The depletion region

Vùng nghèo điện tử

V-I

Đường đặc trưng điện áp – dịng điện

VB

Vùng hóa trị

Wire bounding

Hàn dây vàng

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thơng số của chíp laser bán dẫn 8W ........................................................33
Bảng 3.2: Chế độ làm việc của thiết bị hàn chíp.......................................................34
Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của cơng suất quang vào dòng bơm ...................................38
Bảng 3.4: Mối liên hệ giữa điện áp ni và dịng bơm .............................................41
Bảng 3.5: Mối liên hệ giữa cơng suất quang và bước sóng làm việc .......................43
Bảng 3.6: Độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W ................................45
Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của IRFP260N ............................................................52
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tải lên mức tín hiệu điều chế ...........................................55
Bảng 3.9: Thơng số kỹ thuật của Peltier Cooler .......................................................56
Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh .........................59


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp ...............................................................................4
Hình 1.2: Cấu trúc laser thanh.....................................................................................5
Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa trên AlGaAs.....................................................5
Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của hệ laser bán dẫn công suất cao ..................................6
Hình 1.5: Sự phụ thuộc của cơng suất quang lối ra vào dịng bơm ............................7
Hình 2.1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích .........................9
Hình 2.2: Giản đồ chuyển tiếp pn .............................................................................10
Hình 2.3: Giản đồ mật độ trang thái..........................................................................11
Hình 2.4: Cấu trúc của laser đơn chuyển tiếp GaAs .................................................13
Hình 2.5: Sự phụ thuộc của cơng suất quang lối ra vào nguồn ni ........................14
Hình 2.6: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép .......................................................15
Hình 2.7: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép điển hình .......................................16
Hình 2.8: Mơ tả phương pháp bơm quang học .........................................................17
Hình 2.9: Điều chế trực tiếp chùm tia laser bán dẫn .................................................18
Hình 2.10: Điều chế trực tiếp dịng ni laser bán dẫn.............................................18
Hình 2.11: Dạng tín hiệu mơ phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn

điều chế dòng trực tiếp khi dòng bơm gần với dòng ngưỡng ...................................21
Hình 2.12: Dạng tín hiệu mơ phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn
điều chế dịng trực tiếp khi tăng dịng bơm...............................................................22
Hình 2.13: Điều chế gián tiếp chùm tia laser bán dẫn ..............................................22
Hình 2.14: Sự phụ thuộc của hấp thụ vào điện áp của bộ điều chế hấp thụ điện tử .23
Hình 2.15: Nguyên tắc hoạt động của bộ điều chế Mach - Zehnder ........................25


Hình 2.16: Cấu trúc của bộ Peltier Cooler: ...............................................................27
Hình 3. 1: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ chíp đơn ........................29
Hình 3. 2: Cấu trúc mơ đun laser bán dẫn được chế tạo từ thanh laser ....................30
Hình 3. 3: Sự phụ thuộc của bước sóng laser vào vật liệu chế tạo ...........................33
Hình 3. 4: Kiểm tra chíp dưới kính hiển vi ...............................................................33
Hình 3. 5: Thiết bị hàn chíp 7372E – Westbond.......................................................34
Hình 3. 6: Một số hình ảnh trong q trình gắn chíp lên đế .....................................35
Hình 3. 7: Thiết bị hàn dây vàng 7476D – Westbond...............................................35
Hình 3. 8: Một số hình ảnh trong quá trình hàn dây vàng ........................................36
Hình 3. 9: Cấu hình tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang ................................36
Hình 3. 10: Hình ảnh thực tế trong q trình tích hợp sợi quang .............................37
Hình 3. 11: Hệ đo đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W ....................38
Hình 3. 12: Đường đặc trưng P-I của mơ đun laser bán dẫn 4W ..............................40
Hình 3. 13: Hệ đo đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ...................40
Hình 3. 14: Đường đặc trưng V-I của mơ đun laser bán dẫn 4W .............................42
Hình 3. 15: Xác định bước sóng trung tâm ...............................................................42
Hình 3. 16: Hệ đo bước sóng làm việc của mơ đun laser bán dẫn 4W .....................43
Hình 3. 17: Phổ của mơ đun laser bán dẫn 4W .........................................................44
Hình 3. 18: Phân bố năng lượng của mơ đun laser bán dẫn 4W ...............................44
Hình 3. 19: Ảnh phân bố năng lượng 2D, 3D của mơ đun laser bán dẫn 4W ..........45
Hình 3. 20: Sơ đồ nguồn dịng điều khiển bằng dịng...............................................47
Hình 3. 21: Sơ đồ nguồn dịng Widlar ......................................................................48

Hình 3. 22: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng điện áp ...........................................49


Hình 3. 23: Sơ đồ nguồn dịng điều khiển bằng điện áp có tải tiếp đất ....................50
Hình 3. 24: Sơ đồ ngun lý nguồn dịng ni laser bán dẫn cơng suất cao ............51
Hình 3. 25: Nguồn dịng DC ni laser bán dẫn cơng suất cao ................................52
Hình 3. 26: Sơ đồ kiểm tra, đánh giá chất lượng nguồn dịng ni laser bán dẫn ....53
Hình 3. 27: Xác định dịng ni mơ đun laser bán dẫn.............................................53
Hình 3. 28: Thơng số kỹ thuật của xung vng điều chế laser bán dẫn ...................54
Hình 3. 29: Ảnh hưởng của trở tải lên mức tín hiệu điều chế ...................................56
Hình 3. 30: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển cấp dịng cho Peltier Cooler .................57
Hình 3. 31: Bộ điều khiển cấp dịng cho Peltier Cooler ...........................................58
Hình 3. 32: Hình ảnh thực tế trong quá trình điều khiển nhiệt độ ............................59
Hình 3. 33: Sự phụ thuộc giữa điện áp so sánh và nhiệt độ điều khiển ....................59
Hình 3. 34: LM555 trong chế độ dao động có độ rộng xung bằng 50% chu kỳ.......61
Hình 3. 35: Hình ảnh thực tế của mạch dao động 10 kHz ........................................61
Hình 3. 36: Dạng xung và thông số kỹ thuật của dao động 10 kHz .........................62


MỞ ĐẦU
Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – thiết bị
khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích, là một trong những phát minh mang
tính đột phá trong thế kỷ 20. Nhờ những đặc tính nội trội như tính định hướng cao,
tính đơn sắc và cường độ bức xạ lớn, ngày nay, ứng dụng laser đã trở nên phổ biến.
Chúng ta có thể tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi
lĩnh vực của xã hội hiện đại như lĩnh vực y tế (phẫu thuật mắt, điều trị bệnh, vật lý
trị liệu, chăm sóc sắc đẹp,…), trong cơng nghiệp (cắt, khắc, gia cơng vật liệu,…),
trong truyền thông (thông tin quang sợi, dẫn đường, đo xa bằng laser,…),… Laser
được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20.
Laser bán dẫn được Robert Hall công bố lần đầu năm 1962, hoạt động dựa

trên chuyển tiếp pn trong bán dẫn GaAs, phát ra mode xung tại nhiệt độ thấp 770K,
bước sóng trung tâm là 842 nm với độ rộng phổ cỡ 1,5 nm. Mật độ ngưỡng bơm J ~
85000 A/cm2.
Đến năm 1963, các hệ laser bán dẫn được cải tiến thêm một bước nhờ sử
dụng cấu trúc dị thể. Một trong những tiêu chí ưu tiên hàng đầu trong q trình chế
tạo các hệ laser bán dẫn là giảm thiểu dòng ngưỡng.
Năm 1969, Charles Kao và Geoger Hockhan đã chế tạo thành công hệ laser
bán dẫn trên cơ sở vật liệu GaAs, hoạt động trong chế độ xung tại nhiệt độ phòng với
mật độ ngưỡng bơm thấp Jng ~ 8000 A/cm2.
Đến năm 1970, người ta đã chế tạo ra các hệ laser bán dẫn có dịng ngưỡng
thấp cỡ 1600 A/cm2 và đến năm 1975, dòng ngưỡng chỉ còn 500 A/cm2. Các hệ laser
có dịng ngưỡng thấp này được chế tạo trên vật liệu AlGaAs với độ dày ~ 0,1μm,
cấu trúc dị thể kép.
Theo phương pháp truyền thống, laser bán dẫn được chế tạo dựa trên lớp
chuyển tiếp pn, chỉ có thể cho công suất lối ra cỡ vài mW.
Để nâng cao công suất phát, người ta đã phát triển laser bán dẫn bề mặt phát
xạ rộng (Broad Area Laser Diodes) và hiện nay cơng suất lối ra có thể lên đến hàng
chục W.
1


Hơn nữa, để nâng cao công suất, người ta đã tích hợp nhiều phần tử laser bán
dẫn (thường từ 10 đến 20 phần tử) trên một đế bán dẫn có kích thước cỡ 10000 x 600
x 120 µm. Linh kiện này được gọi là laser thanh (laser bar). Hiệu suất chuyển đổi
điện – quang trong các laser thanh thường vào khoảng 50 – 60%. Hiện nay, một số
hãng trên thế giới đã giới thiệu laser thanh có cơng suất lên đến hàng trăm W.
Ngồi ra, người ta cịn tích hợp nhiều laser thanh với nhau, tạo thành laser
khối (laser stack), cho phép công suất lên đến vài trăm W.
Laser bán dẫn cơng suất cao có lợi thế hơn nhiều hệ laser khác ở chỗ: (i) Hiệu
suất chuyển đổi quang điện cao hơn; (ii) Thời gian sống cao hơn (thường vào

khoảng 10.000 giờ); (iii) Kích thước gọn nhẹ hơn; Yêu cầu về nguồn cấp và hệ
thống làm lạnh đơn giản hơn; Độ tin cậy cao hơn; (iv) Ngưỡng bơm thấp (cỡ vài
trăm mA); (v) Cho phép phát xạ trên nhiều dải sóng; (vi) Dễ điều chế; (vii) Cho
phép hoạt động ở cả chế độ xung lẫn chế độ phát xạ liên tục.
Trong thời gian qua, việc ứng dụng laser đã được triển khai rộng khắp trên
toàn quốc, đặc biệt trong lĩnh vực y tế và công nghiệp. Trong y tế, phổ biến là các
thiết bị laser bán dẫn công suất thấp dùng cho thẩm mỹ, nội soi, quang
châm,…Trong công nghiệp, phổ biến là các thiết bị laser khí. Tuy nhiên, với lợi thế
vốn có, laser bán dẫn cơng suất cao đang dần khẳng định vai trị của mình và đang
trở thành xu thế trong tương lai gần.
Luận văn “Nghiên cứu chế tạo hệ laser bán dẫn cơng suất lớn” trình bày q
trình nghiên cứu, chế tạo hệ laser bán dẫn cơng suất 4 W, bước sóng trung tâm 940
nm, bao gồm cơng nghệ chế tạo mơ đun laser từ chíp đơn (single chip), chế tạo
nguồn nuôi laser và các mạch điều khiển công suất laser, điều khiển nhiệt độ.
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1 - Tổng quan: điểm qua một số xu hướng chế tạo hệ laser bán dẫn
công suất cao hiện nay và trình bày tóm lược những nơi dụng chính sẽ thực hiện
trong luận văn.

2


Chương 2 – Cơ sở lý thuyết: trình bày một số cơ sở lý thuyết về laser bán
dẫn, nguyên lý cơ bản bơm laser bán dẫn, một số phương pháp điều chế laser bán
dẫn, phương pháp điều khiển nhiệt độ.
Chương 3 – Thiết kế chế tạo hệ laser bán dẫn cơng suất cao và đo đạc thực
nghiệm: trình bày q trình chế tạo mơ đun laser bán dẫn 4W, chế tạo nguồn dòng
20A, chế tạo nguồn điều khiển Peltier, điều khiển laser bán dẫn, trình bày một số
kết quả đo đạc bao gồm phổ của mô đun laser đã chế tạo, phân bố năng lượng, chất
lượng chùm tia, các đường đặc trưng P-I, I-V,…

Kết luận: trình bày tóm lược những nội dung đã thực hiện được và những
vấn đề tồn đọng cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện.

3


Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
Trong các ứng dụng laser, các hệ laser bán dẫn công suất cao, với ưu điểm
nổi trội là kích thước gọn nhẹ, hiệu suất cao, điện năng tiêu thụ thấp, ngày càng
chiếm thị phần lớn trong các hệ laser hiện nay. Theo dự báo 2014 của 30 công ty
hàng đầu trong lĩnh vực ứng dụng laser, doanh thu của công nghiệp laser đạt gần 10
tỷ USD, trong đó, doanh thu của laser bán dẫn chiếm 48% thị phần [10].
Để tạo ra hệ laser bán dẫn công suất cao, hiện này người ta đi theo các
hướng chủ yếu gồm: chế tạo hệ laser từ chíp đơn (single chip), chế tạo hệ laser từ
laser thanh (laser bar), laser khối (laser stack), laser mảng (matrix) và chế tạo hệ
laser hốc cộng hưởng rộng LOC (large optical cavity).
Theo hướng chế tạo từ chíp đơn, hai cấu trúc hình học chủ yếu được sử dụng
trong quá trình chế tạo laser công suất cao là cấu trúc dải rộng BA (Broad Area) và
cấu trúc vuốt thon (Tapered) [5, 9, 11, 14].
Cấu trúc của loại laser này được mơ tả trên hình 1.1.

a) Cấu trúc của laser dải rộng

b) Cấu trúc của laser vuốt thon

Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp
Mặc dù công suất quang lối ra của hai loại laser này tương đương nhau
nhưng chùm tia lối ra của laser vuốt thon có độ đồng nhất cao hơn laser cấu trúc dải

rộng.
4


Theo hướng chế tạo laser thanh, người ta tích hợp nhiều laser đơn thành
mảng một chiều, sao cho các mode được kết hợp lại với nhau để tạo ra công suất
cao [9] (hình 1.2).

Hình 1.2: Cấu trúc laser thanh
Theo hướng chế tạo laser mảng, người ta tạo ra các lớp tích cực nằm sát
nhau. Các lớp tích cực này bức xạ riêng rẽ với các mối quan hệ về pha. Công suất
ra sẽ được tăng cường trong trường hợp đồng pha. Nhờ khả năng kết hợp về pha,
người ta đã tạo ra được những chùm laser dải hẹp, công suất cao. Vật liệu chế tạo
các laser mảng hiện nay chủ yếu là InGaAsP [14].
Theo hướng chế tạo laser hốc cộng hưởng rộng, công suất laser phụ thuộc
vào số lượng photon thốt ra khỏi hốc cộng hưởng. Cơng suất laser tăng lên khi
tăng kích thước hốc cộng hưởng hoặc tăng chiều dài vùng tích cực (tăng độ khuếch
đại).
Laser hốc cơng hưởng dựa trên cấu trúc di thể kép gồm ba lớp p-p-n được
mơ tả trên hình 1.3 [1].

Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa trên AlGaAs
1.2. Đặt vấn đề
Nhờ những tiến bộ trong công nghệ chế tạo, hiện nay, laser bán dẫn công
suất cao đã trở nên khá phổ biến. Tuy nhiên, tại nước ta, việc nghiên cứu chế tạo
các hệ laser bán dẫn công suất cao mới chỉ là bắt đầu và chủ yếu tập trung tại một số
viện nghiên cứu và trường đại học lớn trong nước.
5

Hình 1.4 mơ tả cấu hình cơ bản của một hệ laser bán dẫn công suất cao.
Mô đun laser bán dẫn
Monitoring
Photodiode

Thermistor

Tín hiệu
điều chế

Khối
điều
chế
tín
hiệu

Hệ
thống
làm
mát

Tiền
khuếch
đại

Khối
điều
khiển
Peltier

Tiền
khuếch
đại

Chùm laser
lối ra

Điều
khiển
cơng
suất
laser

Khối
nguồn

Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của hệ laser bán dẫn công suất cao
Mô đun laser bán dẫn công suất cao thường được chế tạo từ laser thanh, laser
khối hoặc từ chíp đơn. Chế tạo mơ đun laser bán dẫn công suất cao là một công việc
tốn nhiều cơng sức, thời gian. Tính phức tạp của công việc thể hiện ở chỗ không
những phải đảm bảo xử lý được sự thay đổi nhiệt, tính đồng nhất về mặt cơ khí, tích
hợp về phần điện, khắc phục được ứng suất phát sinh trong quá trình hàn dây vàng
mà cịn phải đảm bảo tích hợp chính xác về mặt quang học giữa bề mặt phát xạ của
chíp laser (có kích thước cỡ vài µm2) và sợi quang lối ra. Chính vì vậy, giá thành
của một mơ đun laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc nhiều vào công việc đóng
gói mơ đun (module packaging), thậm trí chiếm đến 80% giá thành sản phẩm.
Đóng gói mơ đun laser bán dẫn yêu cầu những thiết bị chuyên dụng, phòng sạch
tiêu chuẩn, kỹ năng và kinh nghiệm trong việc hàn chíp, hàn dây vàng, căn chỉnh
quang học, tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang,…. Do vậy, tại nước ta, cơng
việc đóng gói mơ đun laser bán dẫn hiện nay mới chỉ tập trung tại một số Viện đầu

ngành.
Trong quá trình chế tạo mơ đun laser bán dẫn, trong nhiều trường hợp, người
ta tích hợp thêm một photodiode giám sát (monitoring photodiode) và một cảm biến
nhiệt (thermistor) bên trong mô đun laser. Photodiode giám sát được sử dụng vào
mục đích giám sát công suất phát xạ laser, trong khi cảm biến nhiệt hỗ trợ giám sát,
ổn định nhiệt độ của mơ đun laser trong q trình laser hoạt động.
6


Việc ổn định nhiệt độ làm việc và ổn định công suất phát xạ của laser bán
dẫn công suất cao đóng một vai trị quan trọng trong q trình laser hoạt động.
Vì chíp laser bán dẫn chỉ hoạt động một cách hiệu quả khi nhiệt độ của chíp
nằm trong giới hạn nhất định. Việc nhiệt độ của chíp bị tăng cao trong q trình
phát xạ laser rất có thể dẫn đến phá hủy chíp laser. Để ổn định nhiệt độ của mô đun
laser bán dẫn, người ta thường sử dụng Peltier Cooler dựa trên hiệu ứng Peltier. Khi
tấm Peltier được cấp dòng một chiều phù hợp, hai bề mặt của tấm sẽ xuất hiện hiện
tượng chênh lệch nhiệt độ. Một mặt sẽ trở nên lạnh trong khi mặt còn lại bị đốt
nóng. Nhờ hiệu ứng này, thơng qua việc cấp dịng một chiều cho tấm Peltier, mơ
đun laser bán dẫn có thể hoạt động trong một khoảng nhiệt độ đặt trước. Công việc
này được thực hiện nhờ khối điều khiển Peltier. Thăng giáng về nhiệt độ trong quá
trình laser làm việc được nhận biết nhờ cảm biến nhiệt độ. Những thăng giáng này
được đưa về khối điều khiển Peltier. Khi nhiệt độ của mô đun laser tăng lên, Peltier
sẽ được cấp nguồn để làm mát mô đun laser và ngược lại, khi nhiệt độ mô đun laser
giảm đi, Peltier sẽ được cấp nguồn theo chiều ngược lại và làm tăng nhiệt độ của
mô đun laser. Kết quả là mô đun laser được giữ ổn định ở một nhiệt độ đặt trước.
Khi laser bán dẫn hoạt động trong vùng phát xạ kích thích (Stimulated
emission), một thay đổi nhỏ về dịng bơm (dòng DC cấp cho laser bán dẫn) cũng
gây ảnh hưởng lớn đến cơng suất quang lối ra (hình 1.5). Do vậy, nếu khơng kiểm
sốt được cơng suất phát xạ của laser bán dẫn, rất có thể cơng suất phát xạ của laser
bán dẫn tăng cao, làm nóng và dẫn đến phá hủy chíp laser.

Hình 1.5: Sự phụ thuộc của cơng suất quang lối ra vào dòng bơm

7


Để kiểm sốt cơng suất phát xạ của mơ đun laser bán dẫn, chúng ta cần giữ
ổn định điểm làm việc của mô đun laser. Công việc này sẽ do khối điều khiển công
suất laser thực hiện. Thăng giáng của dịng bơm được phản hồi về bộ điều khiển
cơng suất laser thơng qua mạch hồi tiếp, nhờ đó, giữ được công suất phát xạ của
laser không thay đổi trong suất q trình mơ đun laser hoạt động.
Bên cạnh các hệ thống ổn định nhiệt độ, ổn định điểm làm việc của mơ đun
laser, người ta cịn bố trí thêm hệ thống làm mát với vai trị tản nhiệt cho mơ đun
laser bán dẫn. Có hai hệ thống làm mát thường được sử dụng hiện nay là làm mát
bằng nước và làm mát bằng đối lưu luồng khí. Trong luận văn này, chúng tôi sử
dụng phương pháp làm mát bằng đối lưu luồng khí thơng qua hệ thống quạt.
Trong các ứng dụng laser hiện nay, laser bán dẫn thường được sử dụng ở hai
chế độ: chế độ làm việc liên tục và chế độ xung. Trong chế độ làm việc liên tục, mô
đun laser bán dẫn sẽ phát ra chùm tia liên tục. Trong chế độ xung, chùm tia lối ra
của mô đun laser bán dẫn sẽ bị điều chế bởi tín hiệu điều chế bên ngồi thơng qua
khối điều chế tín hiệu. Trong luận văn này, chúng tơi sẽ trình bày cả hai phương
pháp trên.
Một cách tổng quát, để xây dựng hệ laser bán dẫn công suất cao, luận văn tập
trung trình bày 04 nơi dụng chính gồm:
1. Chế tạo mơ đun laser bán dẫn 4W;
2. Chế tạo nguồn dịng 20A cấp cho laser bán dẫn;
3. Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler;
4. Chế tạo nguồn xung vuông, cho phép mô đun laser bán dẫn làm việc trong
hai chế độ: chế độ liên tục và chế độ xung.

8


Chương 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Phát xạ kích thích và khuếch đại ánh sáng
Trong chất bán dẫn, khi bị kích thích, điện tử ở mức năng lượng thấp sẽ có xu
hướng nhảy lên mức năng lượng cao hơn E2 nhờ hấp thụ photon có năng lượng hv =
E2 – E1 (hình 2.1a). Quá trình này được gọi là hấp thụ (Absorption) [12].

Hình 2.1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích
Điện tử ở mức năng lượng E2 ln có xu hướng nhảy về mức năng lượng thấp
hơn, cịn trống và phát xạ một photon. Có thể xảy ra hai trường hợp: (i) điện tử nhảy
về mức năng lượng thấp một cách tự phát (hình 2.1b) hoặc nhảy về mức năng lượng
thấp khi bị tác động bởi một photon khác (hình 2.1c).
Trong trường hợp thứ nhất, điện tử nhảy từ mức E2 xuống mức E1 và phát xạ
một photon có năng lượng hv = E2 – E1 một cách ngẫu nhiên. Khi đó, việc chuyển
mức năng lượng là tự phát. Hiện tượng này được gọi là phát xạ tự phát.
Trong trường hợp thứ hai, điện tử ở mức năng lượng E2 được kích thích bởi
một photon tới có năng lượng hv = E2 – E1 để nhảy xuống mức năng lượng E1. Khi
đó, photon được phát xạ sẽ cùng pha với photon tới, cùng hướng với photon tới,
cùng mặt phẳng phân cực với photon tới và có năng lượng hv = E2 – E1 giống như
năng lượng của photon tới. Hiện tượng này được gọi là phát xạ kích thích
(Stimulated emission).
Phát xạ kích thích là cơ sở cho việc khuếch đại ánh sáng vì rằng một photon
tới sẽ có hai photon cùng pha được phát xạ.
Từ hình 2.1c chúng ta thấy, để có khuếch đại ánh sáng, chúng ta phải đảm
bảo rằng điện tử nằm ở mức năng lượng E2 chiếm đa số. Trạng thái khi mà điện tử
9

nằm ở mức năng lượng E2 nhiều hơn điện tử nằm ở mức E1 được gọi là trạng thái
nghịch đảo mật độ (population inversion).
1.2. Tổng quan về laser bán dẫn
2.2.1. Chuyển tiếp pn và laser đơn chuyển tiếp
Nếu chúng ta có bán dẫn loại p và loại n của cùng một loại vật liệu bán dẫn
tiếp xúc với nhau chúng ta sẽ được một chuyển tiếp pn đồng chất (hình 2.2).
Thơng qua q trình pha tạp chất, mức Fermi bên phía chất bán dẫn loại p
(EFp) nằm trong vùng hóa trị (VB) và mức Fermi bên phía chất bán dẫn loại n
(EFn) nằm trong vùng dẫn (CB).

a)

b)
Hình 2.2: Giản đồ chuyển tiếp pn

a) Khi khơng có thiên áp;
b) Khi có thiên áp phù hợp để có nghịch đảo mật độ, tạo ra phát xạ kích thích
Khi chưa có thiên áp, các mức năng lượng dưới mức Fermi đều bị các điện
tử chiếm giữ (hình 2.2a). Khi đó, mức Fermi là liên tục trong lớp chuyển tiếp, EFp
= EFn. Vùng nghèo điện tử (The depletion region) trong chuyển tiếp pn rất hẹp và
tồn tại một điện áp V0 bên trong chất bán dẫn. Hàng rào thế eV0 ngăn cản điện tử
trong vùng dẫn CB của lớp bán dẫn n+ khuếch tán sang vùng dẫn CB của lớp bán
dẫn p+. Tương tự, hàng rào thế cũng ngăn cản lỗ trống khuếch tán từ lớp bán dẫn
p+ sang lớp bán dẫn n+.
Khi đặt một điện áp lên hai lớp bán dẫn (khi có thiên áp), mức Fermi sẽ thay
đổi. ΔEF = eV. Giả sử chuyển tiếp pn được phân cực thuận bởi điện áp V sao cho
10

eV > Eg (hình 2.2b). Khi đó, sự khác nhau giữa các mức EFn và EFp sẽ là eV. Điện
áp đặt vào này sẽ hạ thấp hàng rào thế đến mức gần bằng zero. Điều đó có nghĩa là
điện tử sẽ chạy sang vùng nghèo điện tử, qua lớp bán dẫn p+, tạo thành dòng qua
diode. Tương tự, hàng rào thế của lỗ trống giữa lớp bán dẫn p+ và lớp bán dẫn n+
cũng bị hạ thấp. Kết quả là điện tử từ lớp n+ và lỗ trống từ p+ sẽ chạy vào lớp
nghèo điện tử, làm cho lớp này khơng cịn nghèo điện tử nữa.
Để minh họa, chúng ta sẽ biểu diễn quá trình trên bằng giản đồ vùng năng
lượng với EFn – EFp = eV > Eg. Trong vùng này, điện tử trong vùng dẫn có mức
năng lượng gần với Ec sẽ nhiều hơn điện tử trong vùng hóa trị có mức năng lượng
gần Ev (hình 2.3a - Giản đồ mật độ trạng thái). Nói một cách khác, có sự nghịch
đảo mật độ giữa các mức năng lượng gần Ec và các mức gần Ev xung quanh lớp
chuyển tiếp.

a)

b)

Hình 2.3: Giản đồ mật độ trang thái
a) Mật độ trạng thái và phân bố năng lượng của điện tử và lỗ trống trong vùng dẫn,
vùng hóa trị khi T = 0 và được phân cực thuận với EFn – EFp > Eg. Lỗ trống trong
vùng VB ở trạng thái trống;
b) Sự phụ thuộc giữa hệ số khuếch đại và năng lượng photon
Vùng có nghịch đảo mật độ này là một lớp chạy dọc theo lớp chuyển tiếp.
Nó được gọi là lớp nghịch đảo (inversion layer) hay vùng tích cực.
Một photon tới có năng lượng Ec – Ev khơng thể kích thích được điện tử nhảy
từ mức năng lượng Ev lên Ec vì rằng hầu như khơng có điện tử nào nằm gần mức Ev.
11


Tuy nhiên, có thể kích thích một điện tử nhảy từ mức Ec xuống mức Ev (hình 2.2b).

Hay nói cách khác, photon tới kích thích sự tái hợp trực tiếp.
Vùng mà ở đó có nghịch đảo mật độ và do vậy có phát xạ kích thích lớn hơn
hấp thụ. Hay nói một cách khác, vùng tích cực sẽ cho phép khuếch đại ánh sáng vì
photon tới có xu hướng kích thích phát xạ hơn là hấp thụ. Hệ số khuếch đại phụ
thuộc vào năng lượng photon (và do vậy, phụ thuộc vào bước sóng).
Ở nhiệt độ thấp (T ≈ 0K), các trạng thái giữa mức Ec và EFn được lấp đầy
bởi điện tử và các trạng thái giữa mức EFp và Ev là trống. Photon có năng lượng lớn
hơn Eg nhưng nhỏ hơn EFn – EFp sẽ kích thích phát xạ trong khi photon có năng
lượng lớn hơn EFn – EFp có xu hướng hấp thụ. Hình 2.3b mơ tả sự phụ thuộc của
hệ số khuếch đại quang và hấp thụ vào năng lượng photon tại nhiệt độ thấp (T ≈
0K). Khi tăng nhiệt độ, hàm Fermi-Dirac mở rộng phân bố năng lượng của điện tử
trong vùng CB lên trên mức EFn và lỗ trống xuống dưới mức EFp trong vùng VB.
Kết quả là sẽ làm giảm hệ số khuếch đại quang. Hệ số khuếch đại quang phụ thuộc
vào EFn – EFp, tức là phụ thuộc vào thiên áp hay nói cách khác, phụ thuộc vào
dịng điện ni diode.
Nhờ tiêm (injection) hạt tải vào lớp chuyển tiếp khi cấp thiên áp thuận một
cách phù hợp, chúng ta có thể tạo ra nghịch đảo mật đô giữa các mức năng lượng
gần mức Ec và gần mức Ev. Hay nói cách khác, cơ chế bơm (pumping) này dựa
trên việc cấp dòng thuận cho diode từ một nguồn bên ngồi.
Để có dao động laser, ngoài việc tạo ra nghịch đảo mật độ, chúng ta cịn cần
phải có hốc cộng hưởng quang (optical cavity) với vai trò là bộ cộng hưởng quang
(optical resonator) để tạo ra bức xạ kết hợp. Hình 2.4 mơ tả cấu trúc của một laser
bán dẫn đơn chuyển tiếp (homojunction laser diode).

12


Hình 2.4: Cấu trúc của laser đơn chuyển tiếp GaAs
Trong laser bán dẫn đơn chuyển tiếp, người ta làm nhẵn các mặt tinh thể để
tạo ra bề mặt phản xạ, qua đó hình thành hốc cộng hưởng quang. Photon được phản

xạ trong các mặt đã được làm nhẵn này, kích thích tạo ra nhiều photon có cùng tần
số. Bước sóng của bức xạ được hình thành trong hốc cộng hưởng phụ thuộc vào độ
dài của hốc cộng hưởng, L.
Các mode trong hốc cộng hưởng quang được tính theo cơng thức sau:
m

λ
2n

=L

(2.1)

trong đó, m là số nguyên, n là chiết suất của chất bán dẫn và λ là bước sóng.
Các bức xạ thỏa mãn được điều kiện (2.1) đều là tần số cộng hưởng.
Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại quang vào bước sóng bức xạ có thể được
xác định từ phân bố năng lượng của điện tử trong vùng CB và lỗ trống trong vùng
VB xung quanh lớp chuyển tiếp (hình 2.3). Phổ lối ra của laser bán dẫn phụ thuộc
vào tính chất của hốc cộng hưởng và mối liên hệ giữa hệ số khuếch đại quang với
bước sóng.
Hơn nữa, chỉ có thể có bức xạ laser khi hệ số khuếch đại quang khắc phục
được những mất mát trong hốc cộng hưởng. Điều này chỉ có thể đạt được khi dòng
bơm, I, vượt trên giá trị ngưỡng Ith. Dưới mức Ith, ánh sáng phát ra chỉ là phát xạ tự
phát giống như phát xạ của LED và khơng có phát xạ kích thích (hình 2.5).

13


Hình 2.5: Sự phụ thuộc của cơng suất quang lối ra vào nguồn ni
2.2.2. Laser dị chuyển tiếp

Để giảm dịng ngưỡng Ith đòi hỏi phải nâng cao tỷ lệ phát xạ kích thích cũng
như nâng cao hiệu suất của hốc cộng hưởng. Điều đầu tiên người ta có thể làm là
giới hạn điện tử và lỗ trống trong một dải hẹp xung quanh lớp chuyển tiếp. Việc thu
hẹp vùng tích cực này cho phép chỉ với một dòng nhỏ nhưng cũng có thể tạo ra
được mật độ hạt tải cần thiết để thiết lập nghịch đảo mật độ. Tiếp đến, người ta có
thể tạo ra một ống dẫn sóng điện mơi xung quanh vùng khuếch đại quang nhằm
mục đích tăng mật độ photon và do đó tăng xác suất phát xạ kích thích. Bằng cách
này, người ta có thể giảm thiểu suy hao photon khi đi ra khỏi hốc cộng hưởng. Hay
nói cách khác, cần phải tạo ra hai cơ chế: giam hạt tải (carrier confinement) và giam
photon (photon confinement). Cả hai cơ chế này đều có thể thực hiện được khi sử
dụng cấu trúc di thể.
Hình 2.6 mơ tả cấu trúc di thể kép, DH, (double heterostructure) dựa trên hai
lớp chuyển tiếp giữa các vật liệu bán dẫn khác nhau có vùng cấm (bandgap) khác
nhau. Các chất bán dẫn được sử dụng là: AlGaAs với Eg ≈ 2 eV, GaAs với Eg ≈ 1,4
eV. Lớp tích cực, nơi hình thành phát xạ laser, là lớp bán dẫn p-GaAs mỏng, thường
có độ dày cỡ 0,1- 0,2 µm. Cả hai lớp p-GaAs và p-AlGaAs đều được pha nhiều tạp
chất loại p và suy thối tại mức EF trong vùng hóa trị.

14