(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu một số đặc trưng cơ bản của taper laser diode công suất cao vùng 670nm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA
TAPER LASER DIODE CƠNG SUẤT CAO VÙNG 670nm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN – 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA
TAPER LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VÙNG 670nm

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Quốc Tiến

THÁI NGUYÊN - 2018

Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan dƣới đây là khóa luận tốt nghiệp của riêng tôi, dƣới sự
hƣớng dẫn của TS Trần Quốc Tiến - Phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu
- Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam. Tất cả những kết quả và số liệu
trong khóa luận này là trung thực và có đƣợc từ những nghiên cứu mà tơi đã thực
hiện trong q trình làm luận văn tại phịng Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu
- Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam.
Ngƣời làm luận văn

Nguyễn Minh Tuấn


Lời cảm ơn
Cuốn luận văn này đƣợc hoàn thành trong q trình tơi làm việc tại phịng
Laser bán dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ
Việt Nam.
Lời đầu tiên tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trần Quốc Tiến, ngƣời đã
hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Trong suốt q trình thực hiện luận văn, thầy
ln hƣớng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp tơi hồn thành luận văn một cách tốt nhất.
Tôi xin chân trọng cảm ơn các anh chị tại phòng Laser bán dẫn - Viện Khoa
học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đã luôn động viên,
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi khi thực hiện luận văn này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, các thầy các cô
trong khoa Vật lí - Cơng nghệ, cán bộ phịng Đào tạo trƣờng Đại học Khoa học Đại học Thái Nguyên, đã cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý giá
cững nhƣ sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập và
nghiên cứu.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Trƣờng THPT Triệu
Quang Phục, anh chị em đồng nghiệp nơi tôi công tác, đã giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi cho tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những ngƣời đã ln

bên tơi, động viên và khích lệ tơi trong q trình thực hiện đề tài nghiên cứu của
mình.
Thái Nguyên, ngày 12 tháng 5 năm 2018

Nguyễn Minh Tuấn


MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT.....................................................................................

i

DANH MỤC HÌNH............................................................................................. ii
DANH MỤC BẢNG........................................................................................... iii
MỞ ĐẦU.............................................................................................................

1

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT
CAO PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ.................................................................... 3
1.1. Các vấn đề cơ bản về laser bán dẫn.............................................................. 3
1.1.1. Sự phát xạ và hấp thụ trong bán dẫn...................................................

3

1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn........................... 5
1.1.3. Khuếch đại quang và ngƣỡng phát laser.............................................. 8
1.1.4. Laser bán dẫn dị thể và laser giếng lƣợng tử....................................... 11
1.2. Laser bán dẫn công suất cao......................................................................... 13
1.2.1. Laser bán dẫn buồng cộng hƣởng rộng (LOC).................................... 13

1.2.2. Đặc điểm của laser bán dẫn hoạt động ở chế độ công suất cao.......... 13
1.3. Các đặc trƣng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao................................. 14
1.3.1. Đặc trƣng quang điện......................................................................... 14
1.3.2. Đặc trƣng phổ phát xạ......................................................................... 15
1.3.3. Đặc trƣng tính chất chùm tia............................................................... 17
CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM...................................................... 19
2.1. Laser bán dẫn taper cơng suất cao phát bức xạ vùng sóng 670 nm............. 19
2.1.1. Phƣơng pháp và kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser bán
dẫn vùng 670nm................................................................................................... 19
2.1.2. Phƣơng pháp và kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser công suất cao
670 nm................................................................................................................. 19
2.1.3. Các thông số kỹ thuật chính của laser taper đƣợc nghiên cứu........... 21
2.2. Hệ ổn định và điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công suất
cao ...................................................................................................................... 22
2.2.1. Nguồn nuôi và điều khiển pin Peltier................................................. 22
2.2.2. Hệ pin nhiệt điện và đế tỏa nhiệt cho laser công suất cao.................. 23
2.3. Phƣơng pháp đo đặc trƣng quang điện của laser bán dẫn công suất cao..... 25
2.3.1. Đặc trƣng I-V...................................................................................... 25
2.3.2. Đặc trƣng P-I...................................................................................... 26
2.4. Kỹ thuật đo phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao............................. 26


2.5. Phƣơng pháp khảo sát tính chất chùm tia của laser taper............................. 27
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VÀ
THẢO LUẬN...................................................................................................... 30
3.1. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
bƣớc sóng 670 nm................................................................................................ 30
3.1.1. Đặc trƣng dịng thế (I-V).................................................................... 30
3.1.2. Đặc trƣng cơng suất phát xạ phụ thuộc dịng bơm (P-I)..................... 31
3.1.3. Hiệu suất độ dốc và hiệu suất biến đổi điện quang............................ 33

3.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ lên các đặc trƣng quang
điện....................................................................................................................... 34
3.2. Tính chất phổ phát xạ của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
670nm.............................................................................................................................. 36
3.2.1. Phổ phát xạ của laser.......................................................................... 36
3.2.2. Sự phụ thuộc vào dòng bơm của phổ phát xạ..................................... 37
3.2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ phát xạ........................................ 38
3.3. Tính chất chùm tia của laser bán dẫn công suất cao taper phát tại vùng
670 nm................................................................................................................. 39
3.3.1. Phân bố trƣờng xa của chùm tia.......................................................... 39
3.3.2. Độ rộng cổ chùm và tính tốn hằng số truyền M2 .............................. 41
3.4. Phân tích kết quả khảo sát đặc trƣng của laser bán dẫn công suất cao taper
phát tại vùng 670 nm và đánh giá về khả năng ứng dụng làm nguồn bơm trong
hệ laser rắn Cr3+ ................................................................................................... 43
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO:.................................................................................. 47


i
DANH MỤC VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
BA

TIẾNG ANH
Broad-Area

TIẾNG VIỆT
Dải rộng
Công suất cao

CSC
DFB

Distributed FeedBack

Phản xạ hồi tiếp

MQW

Multi Quantum Well

Đa giếng lƣợng tử

LOC

Large Optical Cavity

Buồng cộng hƣởng rộng

LED

Light Emitting Diode

Ánh sáng phát ra từ diode

Separate-Confinement

Dị chuyển tiếp giam giữ

Heterostructure

tách biệt

Thermoelectric Cooler

Bộ làm lạnh nhiệt điện

SCH
TEC


ii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Các q trình quang cơ bản của vật chất.............................................. 3
Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận..........................

5

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo(a), giản đồ năng lượng(b), phân bố chiết suất(c), và
ánh sáng(d) của laser diode dị thể kép..................................................................

6

Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) và điện trường
(photon) 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 ..........................................

7

Hình 1.5: Một sóng đứng có m = 7 trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot với
chiều dài buồng cộng hưởng L............................................................................... 8
Hình 1.6: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính.....

9

cho các mật độ hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP........................

9

Hình 1.7: Đặc trưng I-V của laser bán dẫn........................................................... 15
Hình 1.8: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm của laser bán dẫn cơng
suất cao.................................................................................................................. ...........
15
Hình 2.1: Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn 670 nm................................. 19
19
Hình 2.2: Mơ hình chíp laser được hàn trên đế đồng........................................... 20
20
Hình 2.3 : Cấu trúc Taper, với L1 là độ dài phần tạo dao động, L2 chiều dải của
Taper, w1 độ rộng vùng tạo dao động.......................................................................21
Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper................................................... 21
Hình 2.5: Nguồn ni laser ITC4005.................................................................... 23
23
Hình 2.6: Pin nhiệt điện......................................................................................... 23
Hình 2.7: Hệ thống làm lạnh bằng thiết bị nhiệt điên Peltier............................... 24
24
Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp đo đặc trưng I-V của Laser................................... 26
26
Hình 2.9: Sơ đồ đo phổ của laser.......................................................................... 27

27
Hình 2.10: Máy phân tích phổ quang Advantest Q8384 OSA............................... 27
Hình 2.11: Phương pháp đo độ rộng cổ chùm tia, sử dụng kỹ thuật quét khe
hẹp.......................................................................................................................... 28
Hình 2.12: Dịch chuyển khe để đo phân bố mật độ cơng suất.............................. 28
Hình 2.13: Sơ đồ minh họa phương pháp đo phân bố trường xa......................... 29
Hình 2.14: Minh họa các thông số cơ bản của chùm tia....................................... 29
29


Hình 3.1: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 30.................................................... 30
30
Hình 3.2: Đặc trưng I-V của laser taper φ = 40.................................................... . 31
Hình 3.3: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm của laser taper 3 o............. .......
32
Hình 3.4: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm của laser taper 40.............. 34
33
Hình 3.5: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dòng bơm ở các nhiệt độ khác nhau
của laser taper 3o................................................................................................... ...........
34
Hình 3.6: Đặc trưng cơng suất phụ thuộc dịng bơm ở các nhiệt độ khác nhau
của laser taper 4o................................................................................................... ..........
35
Hình 3.7:Phổ quang của laser bán dẫn tại các giá trị khác nhau........................ ...........
36
Hình 3.8: Phổ quang của laser taper 40 tại các giá trị dòng hoạt động khác
nhau, nhiệt độ hoạt động 25oC.............................................................................. 37
Hình 3.9: Phổ quang của laser taper 40 tại dòng hoạt động 600 mA với các giá
trị nhiệt độ hoạt động khác nhau........................................................................... 38
Hình 3.10: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o................................... 39

Hình 3.11: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o theo hướng song
song với chuyển tiếp ở các dòng bơm khác nhau................................................. 40
Hình 3.12: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 3o tại các nhiệt độ khác
nhau........................................................................................................................ 40
Hình 3.13: Phân bố trường xa của laser cấu trúc taper 4o................................... 41
Hình 3.14: Phân bố cường độ cơng suất theo vị trí cổ chùm................................ 42


iii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Giá trị giới hạn của laser taper ...............................................................
21
Bảng 2.2: Thông số hoạt động tối ưu của laser taper..............................................
21
Bảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser teper ở 250C.................................................
22
Bảng 3.1: Dòng ngưỡng phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 30.................... 34
Bảng 3.2: Hiệu suất độ dốc phụ thuộc theo nhiệt độ của LD taper 4o ...................
36
Bảng 3.3: Các giá trị đỉnh phổ theo dòng hoạt động của laser taper 40............. 37
Bảng 3.4: Sự phụ thuộc đỉnh phổ theo nhiệt độ của laser cấu trúc taper 4o....... 39
Bảng 3.5: Các thông số chùm của laser taper cấu trúc 3o và 4o ........................ 42


MỞ ĐẦU
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là thiết bị
tạo ra chùm ánh sáng có cƣờng độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp và có tính chuẩn
trực cao. Bƣớc sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là ánh sáng đơn sắc khi đƣợc so
sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lƣợng tử) tạo nên chùm laser có
mối quan hệ về pha cố định (tính kết hợp cao). Ánh sáng laser có tính phân kỳ thấp,

có thể đi qua một khoảng cách lớn hoặc có thể đƣợc tập trung tới một điểm sáng rất
nhỏ với cƣờng độ sáng rất lớn. Do có những tính chất quí báu này, laser đƣợc sử
dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Từ khi laser diode bán dẫn đƣợc công bố đầu tiên vào năm 1962. Kể từ đó
đến nay, trải qua nhiều giai đoạn phát triển, các tính năng kỹ thuật của laser diode
khơng ngừng đƣợc hoàn thiện. Từ chỗ ban đầu là các laser đơn chuyển tiếp có dịng
ngƣỡng phát laser cao, chỉ hoạt động đƣợc ở nhiệt độ thấp và công suất quang lối ra
nhỏ (khoảng mW) ở vùng hồng ngoại gần. Đến nay laser bán dẫn dựa trên cơ sở dị
chuyển tiếp kép dạng vật liệu khối hay đa giếng lƣợng tử (MQW) với dịng ngƣỡng
phát laser thấp (đối với laser cơng suất thấp), có thể hoạt động đƣợc ở nhiệt độ
phịng hoặc cao hơn. Với các loại vật liệu bán dẫn khác nhau ngƣời ta có thể chế
tạo các loại laser bán dẫn với bƣớc sóng phát nằm trong cả dải từ vùng tử ngoại
đến hồng ngoại có cơng suất phát từ µW đến hàng chục W cho đơn chíp laser.
Laser bán dẫn công suất cao ra đời đem lại nhiều ứng dụng thiết thực trong y tế,
công nghiệp, an ninh quốc phòng, cũng nhƣ trong đời sống hàng ngày.
Đặc biệt Laser bán dẫn ổn định bƣớc sóng vùng đỏ với cơng suất cao, phổ
hẹp, chất lƣợng chùm tia tốt có rất nhiều ứng dụng nhƣ: sử dụng trong quang phổ
Raman [18], phổ nguyên tử [11], làm nguồn bơm cho các laser rắn Cr:LiSAF [16],
phát hòa ba bậc hai (SHG) tạo ra bức xạ UV [10]
Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu một số tính chất vật lý quan trọng
nhất đối với laser bán dẫn công suất cao phát ở vùng sóng ánh sáng đỏ nhằm mục
đích nghiên cứu, tìm hiểu về laser cũng nhƣ phục vụ cho các mục đích ứng dụng
khác nhau. Đặc trƣng đƣợc quan tâm nhất của laser diode cơng suất cao phát ở
vùng sóng 670nm là cơng suất phát phụ thuộc dịng bơm và các tính chất của chùm
tia. Đối với các laser đƣợc chế tạo với các lớp epitaxy nhƣ nhau. Laser cấu trúc
taper và thƣờng có dịng ngƣỡng hoạt động lớn, tuy nhiên chất lƣợng của chùm tia
của laser taper là rất tốt.
1

Đặc trƣng cơng suất phụ thuộc dịng bơm đƣợc đo tại các giá trị nhiệt độ
khác nhau từ đó tính đƣợc nhiệt độ đặc trƣng của laser cấu trúc loại này. Sự phân
bố mật độ công suất đƣợc đo tại các giá trị dòng khác nhau, nhiệt độ hoạt động
khác nhau. Hiệu suất ghép nối bức xạ laser với sợi quang đƣợc tính từ sự phân bố
mật độ cơng suất của laser. Các đặc trƣng phổ quang, độ rộng cổ chùm tia đƣợc
khảo sát nhằm mục đích tính tốn hệ số truyền chùm tia M2.`
Việc nghiên cứu các tính chất đặc trƣng cơ bản nhƣ là P-U-I, đặc trƣng phổ,
phân bố trƣờng xa, độ rộng cổ chùm, hệ số truyền chùm M 2 của laser bán dẫn taper
có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng, đặc biệt là thiết kế quang cho các mục đích
sử dụng khác nhau: Các tính chất đặc trƣng của laser đƣợc đo đạc, tính tốn đối với
laser bán dẫn cấu cấu trúc taper có góc mở 3o hoặc 4o. Các kết quả nghiên cứu đƣợc
trình bày trong ba chƣơng của luận văn nhƣ sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về các laser bán dẫn công suất cao phát xạ vùng sóng
đỏ.
Chƣơng 2. Kỹ thuật thực nghiệm.
Chƣơng 3. Kết quả khảo sát các đặc trƣng cơ bản và thảo luận.

2


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO
PHÁT XẠ VÙNG SÁNG ĐỎ
1.1. Các vấn đề cơ bản về laser bán dẫn
1.1.1. Sự phát xạ và hấp thụ trong bán dẫn
Trong điều kiện bình thƣờng, hầu hết các loại vật liệu đều hấp thụ ánh sáng
nhiều hơn là phát xạ. Hình 1.1 mơ tả một q trình hấp thụ ánh sáng, trong đó E 1 và
E2 tƣơng ứng với mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích của các
ngun tử trong mơi trƣờng hấp thụ. Nếu một photon có năng lƣợng h với  là tần
số của ánh sáng đến đúng bằng với độ lệch năng lƣợng E g = E2 – E1 thì năng lƣợng
của photon sẽ bị hấp thụ bởi nguyên tử, kết quả là nguyên tử đang ở trạng thái mức

năng lƣợng nền sẽ đƣợc chuyển lên trạng thái mức năng lƣợng kích thích. Ánh
sáng tới bị suy hao đi do quá trình hấp thụ.
Thơng thƣờng, các ngun tử tồn tại bền vững hơn ở mức năng lƣợng nền,
khi tồn tại ở các mức năng lƣợng cao hơn sẽ có xu hƣớng chuyển về mức năng
lƣợng thấp hơn sau một khoảng thời gian nhất định. Vì thế, khi nguyên tử ở mức
năng lƣợng kích thích chuyển về mức năng lƣợng nền sẽ giải phóng năng lƣợng
hay phát xạ ánh sáng. Q trình phát xạ này phân làm hai loại cơ bản là q trình
phát xạ tự phát và phát xạ kích thích nhƣ mơ tả trong hình 1.1. Trong trƣờng hợp
phát xạ tự phát, các photon đƣợc phát xạ có hƣớng và pha là ngẫu nhiên. Trong
trƣờng hợp phát xạ kích thích, tại thời điểm nguyên tử đang ở mức năng lƣợng kích
thích có một photon khác đi đến làm tác nhân kích thích nguyên tử này chuyển từ
trạng thái kích về trạng thái nền và phát xạ photon ánh sáng cùng pha cùng tần số
với ánh sáng kích thích. Q trình này có thể đƣợc sử dụng để khuếch đại bức xạ
quang. Tất cả các laser, bao gồm cả các laser bán dẫn phát xạ đều dựa trên quá
trình phát xạ kích thích, và ánh sáng phát xạ của laser đƣợc gọi là ánh sáng kết hợp.

Hình 1.1 Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn
3


Xét mơ hình hệ thống ngun tử đơn giản gồm hai mức năng lƣợng tƣơng
tác trong trƣờng điện từ nhƣ mơ tả trong hình 1.1. Nếu N1 và N2 lần lƣợt là mật độ
nguyên tử ở mức năng lƣợng nền và mức năng lƣợng kích thích và ρem() là mật độ
phổ của năng lƣợng điện từ, thì biểu thức tƣơng ứng của tốc độ phát xạ tự phát, tốc
độ phát xạ kích thích và tốc độ hấp thụ có thể đƣợc mô tả nhƣ sau
Rspom = AN1, Rstim = BN2 ρem , Rabs = B’N1 ρem ,

(1.1)

với A, B và B’ là các hằng số. Trong điều kiện cân bằng nhiệt, mật độ các hạt

nguyên tử đƣợc phân bố theo quá trình Boltzmann,
N2 / N1 = exp( - Eg / kBT) = exp( -hkBT)

(1.2)

với kB là hằng số Bolztmann và T là nhiệt độ tuyệt đối. Bởi vì N1 và N2 không đổi
theo thời gian trong điều kiện cân bằng nhiệt nên tốc độ chuyển mức là bằng nhau
AN2 + BN2 ρem = B’ N1 ρem

(1.3)

Thay (1.2) vào (1.3), hàm mật độ phổ ρem trở thành
ρem =

A/ B
( B ' / B ) exp( h / k BT )  1

(1.4)

Trong điều kiện cân bằng nhiệt, 𝜌𝑒𝑚 là đồng nhất với mật độ phổ của phát xạ

blackbody đƣa ra bởi công thức Plank
8h 3 / c 3
ρem = exp(h / k BT )  1

(1.5)

So sánh hai biểu thức (1.4) và (1.5) rút ra đƣợc mối quan hệ sau
A = (8πhc3)B; B’ = B

(1.6)

Hai kết luận quan trọng có thể đƣợc rút ra qua các biểu thức từ (1.1) đến
(1.6). Thứ nhất, Rspon có thể vƣợt quá cả Rstim và Rabs nếu 𝑘𝐵𝑇 > h𝜐, tức là trong

điều kiện nhiệt độ cao. Thứ hai, đối với phát xạ trong vùng nhìn thấy hoặc vùng

hồng ngoại (h𝜐 ~1𝑒𝑉), quá trình phát xạ tự phát thƣờng chiếm ƣu thế hơn phát xạ
kích thích trong điều kiện cân bằng nhiệt ở nhiệt độ phịng (𝑘𝐵𝑇 ≈ 25 𝑚𝑒𝑉) bởi vì
Rstim
= [exp(h𝜐/kBT) – 1]-1 << 1
Rspon

(1.7)

Vì vậy, tất cả laser phải hoạt động ở điều kiện cách xa cân bằng nhiệt bằng
cách sử dụng quá trình bơm cho laser bằng một nguồn năng lƣợng bên ngồi.
Thậm chí đối với một hệ ngun tử đƣợc bơm năng lƣợng ngồi, q trình
phát xạ kích thích cũng có thể khơng phải là q trình chiếm ƣu thế vì phải cạnh
tranh với quá trình hấp thụ của nguyên tử. Rstim có thể vƣợt quá Rabs chỉ khi nào có
N2 > N1. Điều kiện này đƣợc gọi là điều kiện đảo lộn mật độ, và nó khơng bao giờ
4


xảy ra trong điều kiện cân bằng nhiệt. Điều kiện đảo lộn mật độ là tiên quyết đối
với hoạt động của laser. Trong các hệ nguyên tử, điều này đạt đƣợc bằng cách sử
dụng các cơ chế bơm 3 hay 4 mức sao cho nguồn năng lƣợng bên ngoài làm
chuyển mật độ hạt ở mức nền lên các mức cao hơn.
Mặc dù q trình bơm cũng có thể đƣợc cung cấp bằng sự kích thích quang
của các cặp điện tử lỗ trống, một ƣu 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 đƣợc phân
cực thuận nhƣ trong hình 1.2. Vì lý do này, laser bán dẫn đƣợc bơm bằng điện cũng
đƣợc gọi là laser diode.
Tất cả các laser diode bán dẫn sử dụng cấu trúc dị thể kép phân cực thuận để
đạt đƣợc sự đảo mật độ hạt tải một cách dễ dàng. Trong dạng cấu trúc này, một lớp
bán dẫn không pha tạp với vùng cấm thẳng đƣợc kẹp giữa vật liệu pha tạp loại n và
loại p với chiết suất cao hơn.

Hình 1.2: Chuyển tiếp cấu trúc dị thể kép được phân cực thuận
Để thu đƣợc mật độ photon cao trong laser bán dẫn, dẫn sóng quang đƣợc
tạo ra để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện. Hơn nữa, một
buồng cộng hƣởng quang, hầu hết là Fabry-Perot, đƣợc sử dụng để tăng mật độ
photon trong buồng cộng hƣởng. Một laser bán dẫn có thể dùng nhƣ một bộ dao
động quang bao gồm một môi trƣờng khuếch đại và một buồng cộng hƣởng để tạo
ra sự khuếch đại hồi tiếp.
1.1.2. Cấu trúc dị thể và các thành phần của laser bán dẫn
Trong lớp chuyển tiếp p - n các hạt tải điện không đƣợc giam giữ tại vùng
5


lân cận lớp chuyển tiếp, vì vậy rất khó để tạo ra mật độ hạt tải điện cao, laser bán
dẫn dựa trên đơn chuyển tiếp p - n vì vậy dịng ngƣỡng thuận I th rất lớn. Để cải
thiện tính chất phát xạ của laser bán dẫn, ngƣời ta sử dụng cấu trúc dị thể kép.
Vấn đề giam giữ hạt tải điện đƣợc giải quyết bằn cách đƣa vào một lớp
màng mỏng nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại n và p xung quanh (hình 1.3). Sơ
đồ cấu tạo của laser bán dẫn dị thể chuyển tiếp kép AlGaAs/GaAs nhƣ trình bày
hình a, b, c, d

Hình 1.3: Sơ đồcấu tạo(a), giản đồ năng lượng(b), phân bố chiết suất(c) và phân
bố mật độ photon (d) của laser diode dị thể kép.

Vai trò của lớp này là giam giữ ở bên trong nó những hạt tải điện đƣợc tiêm
vào dƣới tác dụng của điện áp thuận. Sự giam giữ hạt tải điện xẩy ra là kết quả của
sự gián đoạn trong độ rộng vùng cấm ở vùng chuyển tiếp giữa hai bán dẫn có cùng
cấu trúc tinh thể nhƣng khác nhau về độ rộng vùng cấm. Chuyển tiếp nhƣ vậy gọi
là chuyển tiếp dị thể và các linh kiện dựa trên cơ sở đó có câu trúc dị thể kép.
Sử dụng cấu trúc chuyển tiếp p - n dị thể kép cho các nguồn sáng bán dẫn có
hai lợi ích. Thứ nhất, hạt tải sẽ đƣợc giam giữ trong lớp nằm giữa lớp p và lớp n,
lớp ở giữa này gọi là lớp tích cực vì ở đó điện tử và lỗ trống sẽ dễ dàng tái hợp và
sinh ra ánh sáng. Thứ hai, do có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn nên lớp tích cực có
chiết suất lớn hơn so với các lớp loại p và n xung quanh. Vì vậy, lớp tích cực hoạt
động nhƣ dẫn sóng điện mơi và cấu trúc dị thể giam giữ đƣợc các photon phát ra
nhờ tính chất này.
Laser bán dẫn đƣợc cấu thành từ các thành phần cơ bản dƣới đây:
 Môi trƣờng tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích.
 Cấu trúc dẫn sóng quang để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh
kiện.
6


 Buồng cộng hƣởng tạo ra sự hồi tiếp quang.
Môi trƣờng dẫn sóng quang điện mơi bao gồm một lớp lõi với hệ số phản xạ
cao đƣợc đặt trong bên trong vật liệu vỏ với hệ số phản xạ thấp hơn. Hình 1.4 minh
họa sự dẫn sóng quang cho laser cấu trúc dị thể kép. Lớp tích cực với độ rộng vùng
cấm

Eg ,

chiết suất

nf

và độ dày d đƣợc kẹp giữa các 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 lớp lõi d

của miền dẫn sóng là đủ nhỏ, chỉ có mode cơ bản với phân bố trƣờng dạng Gauss
có thể truyền trong dẫn sóng. Sóng quang chạy theo hƣớng của dẫn sóng có chiết
suất hiệu dụng neff nằm giữa chiết suất của lớp lõi và lớp vỏ ( ncl

 neff  n f

). Hình

1.4 chỉ ra cấu trúc lớp tạo ra sự giam giữ hạt tải và sóng quang.

Hình 1.4: Sự giam giữ của các hạt tải điện (điện tử, lỗ trống) và điện trường
(photon) 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 của mode
quang cơ bản chạy dọc theo hướng z
Trong laser giếng lƣợng tử, các cấu trúc giam giữ tách biệt là cần thiết, ở đó
các hạt tải đƣợc giam giữ trong các giếng lƣợng tử và sóng quang đƣợc giam giữ
trong một cấu trúc dẫn sóng điện mơi tách biệt. Buồng cộng hƣởng Fabry-Perot
thƣờng đƣợc sử dụng cho các laser bán dẫn công suất cao. Hình 1.5 chỉ ra buồng
cộng hƣởng loại này bao gồm hai gƣơng cách nhau một khoảng L, vật liệu tích cực
laser có chiết suất hiệu dụng neff. Khoảng cách giữa hai mốt dọc là 0 2neff với  0

là bƣớc sóng trong chân khơng.
7


Buồng cộng hƣởng tạo ra sự hồi tiếp khi một sóng đứng sinh ra
Lm

0
2neff

,

m  1, 2, 3,...

(1.8)

m là số nguyên và là số bậc của mốt dọc, 0 là bƣớc sóng trong chân khơng. Các
laser dùng cho hệ thống viễn thơng có các dạng buồng cộng hƣởng quang khác nhƣ
buồng cộng hƣởng phản hồi phân bố (DFB) hoặc phân bố phản xạ Bragg DBR,
[1,2].

Hình 1.5: Một sóng đứng có m = 7 trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot
với chiều dài buồng cộng hưởng L
Nhƣ trên đã nói, sự giam giữ quang và hạt tải theo hƣớng vng góc với mặt
phẳng lớp tích cực (hƣớng thẳng đứng) là cần thiết. Để thu đƣợc hoạt động đơn
mode theo cả hai hƣớng vuông góc phƣơng truyền sóng, sự giam giữ ngang song
song với lớp tích cực là cần thiết. Có hai cơ chế giam giữ quang theo chiều ngang
này: sự giam giữ dòng trong các laser bán dẫn dẫn hƣớng (hay dẫn sóng) khuếch
đại (gain-guided) ví dụ nhƣ trong các laser dải hình học hoặc sự giam giữ quang
ngang tạo ra bởi sự dẫn sóng chiết suất (index-guided) nhƣ trong laser chuyển tiếp

dị thể vùi.
1.1.3. Khuếch đại quang và ngưỡng phát laser
Khi có photon ánh sáng với năng lƣợng h ≥ Egchiếu vào chất bán dẫn có
thể xảy ra sự hấp thụ. Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử chuyển từ trạng thái
năng lƣợng thấp trong vùng hóa trị lên trạng thái năng lƣợng cao trong vùng dẫn.
Sau đó, điện tử ở vùng dẫn có thể tái hợp với lỗ trống ở vùng hoá trị sau một thời
gian sống nhất định và phát ra photon một cách ngẫu nhiên (có bƣớc sóng, pha và
hƣớng lan truyền khác nhau) gọi là phát xạ tự phát. Phát xạ cƣỡng bức là quá trình
mà trong đó ánh sáng chiếu tới gây ra sự phát xạ cƣỡng bức (hay cảm ứng) của điện
tử ở trạng thái kích thích. Ánh sáng phát ra có cùng bƣớc sóng, pha, phân cực và
8


hƣớng lan truyền với ánh sáng chiếu tới. Vì vậy ánh sáng sinh ra bởi phát xạ cƣỡng
bức có tính đơn sắc, kết hợp và định hƣớng cao. Trong bức xạ cƣỡng bức có hai
photon sinh ra: một là photon ánh sáng chiếu tới và một là photon sinh ra do bức xạ
cƣỡng bức. Hai photon này lại tiếp tục kích thích hay cảm ứng các cặp điện tử khác
tái hợp sinh ra bức xạ cƣỡng bức với các photon giống nhƣ vậy. Quá trình nhƣ vậy
xảy ra tiếp tục trong môi trƣờng khuếch đại, ánh sáng chiếu tới đƣợc khuếch đại
bởi bức xạ cƣỡng bức và ta có sự khuếch đại quang.
Để có đƣợc sự khuếch đại quang ta cần phải làm cho số điện tử ở trạng thái
năng lƣợng cao nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lƣợng thấp. Điều kiện này
gọi là sự đảo mật độ tích lũy.
Sự đảo mật độ tích lũy trong các chất bán dẫn xảy ra ở vùng lân cận bờ vùng
đạt đƣợc nhờ kích thích các điện tử bằng bơm quang hay tiêm dịng điện, khi đó có
nhiều điện tử ở đáy vùng dẫn và nhiều lỗ trống ở đỉnh vùng hoá trị. Các bộ dao
động laser sử dụng một phần phát xạ tự phát làm ánh sáng chiếu tới và khuếch đại
ánh sáng này nhờ phát xạ cƣỡng bức.

Hình 1.6: Độ khuếch đại quang phụ thuộc vào năng lượng photon được tính

cho các mật độ hạt tải khác nhau tiêm vào lớp tích cực InGaAsP.
Tốc độ tái hợp bức xạ cƣỡng bức thực càng lớn ta có hệ số khuếch đại quang
càng lớn. Có thể tính hệ số khuếch đại công suất quang g phụ thuộc vào năng lƣợng
photon h nghĩa là phụ thuộc vào bƣớc sóng khuếch đại đƣợc chọn và mật độ hạt
tải tiêm vào. Hình 1.6 là sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại g vào năng lƣợng
photon h cho các mật độ hạt tải tiêm vào khác nhau đƣợc tính tốn cho vùng tích
cực InGaAsP 1,3 m . Khi mật độ hạt tải bơm vào yếu (1x1018 cm3), g < 0, chƣa
9


xảy ra sự đảo mật độ tích lũy hạt tải và chƣa có sự khuếch đại. Khi mật độ hạt tải
bơm vào tăng lên, g có giá trị dƣơng, đƣờng cong khuếch đại mở rộng, tăng lên về
biên độ và đỉnh phổ khuếch đại dịch về phía năng lƣợng cao (bƣớc sóng ngắn hơn).
Khi tăng mật độ hạt tải bơm vào sự bắt đầu xuất hiện của độ khuếch đại dịch về phía
năng lƣợng photon thấp hơn do sự giảm năng lƣợng vùng cấm Eg khi mật độ hạt tải
tăng. Nửa âm của trục tung tƣơng ứng với hệ số hấpthụ vì hệ số hấp thụ cơng suất
quang α(h ) và hệ số khuếch đại công suất quang g(h ) đƣợc liên hệ với nhau nhƣ
sau: α(h )= - g(h ). Ta cũng thấy trên hình 1.6 hệ số khuếch đại quang tăng nhanh
trong chất bán dẫn một khi sự đảo mật độ tích lũy hạt tải đƣợc thực hiện. Vì có độ
khuếch đại quang cao nhƣ vậy nên các laser bán dẫn có thể đƣợc chế tạo với kích
thƣớc vật lý rất ngắn (dƣới 1 mm). Contour khuếch đại nhƣ trên hình 1.6 sẽ liên quan
đến vùng xuất hiện các mode sóng dọc trong bức xạ cƣỡng bức của laser bán dẫn
loại buồng cộng hƣởng Fabry-Perot hay nói cách khác, các mode sóng dọc (phụ
thuộc vào bƣớc sóng) phát ra sẽ nằm trong vùng khuếch đại.
Tuy nhiên, trong môi trƣờng khuếch đại cũng xảy ra sự mất mát quang do sự
hấp thụ trên bề mặt, hấp thụ trên các tâm tạp, hấp thụ bởi các hạt tải tự do nhƣ tái
hợp Auger, v.v… Khi sự khuếch đại quang bù trừ đƣợc các mất mát quang mới xảy
ra dao động laser. Vì vậy, nếu chỉ có khuếch đại quang sẽ chƣa đủ cho hoạt động
laser mà phải có thêm một điều kiện cần thiết khác là phản hồi quang, điều này sẽ
làm bộ khuếch đại trở thành bộ dao động. Nghĩa là để có đƣợc dao động laser (hay

bộ dao động quang với tần số dao động rất cao, f ~ 1014-15 Hz) độ khuếch đại quang
cần phải bằng độ mất mát quang trong vùng tích cực. Sự phản hồi quang đƣợc thực
hiện bằng cách đặt môi trƣờng khuếch đại giữa các gƣơng phản xạ tạo thành buồng
cộng hƣởng quang hay còn gọi là buồng cộng hƣởng Fabry-Perot (FP). Trong
trƣờng hợp laser bán dẫn, các gƣơng phản xạ ngoại là khơng cần thiết vì các bề mặt
bổ tinh thể laser có tác dụng nhƣ các gƣơng phản xạ với độ phản xạ :

( 1.9)
Với n là chiết suất của môi trƣờng khuếch đại. Thông thƣờng, n = 3,5 cho
các chất bán dẫn vùng cấm hẹp dẫn tới độ khuếch đại R ~ 30%. Trong các laser đơn
tần (phản hồi phân bố DFB hay phản hồi phản xạ Bragg DBR) phản hồi quang
đƣợc thực hiện bởi cách tử trên cơ sở thay đổi tuần hồn chiết suất ở gần vùng tích
cực.
Khái niệm ngƣỡng phát laser có thể hiểu là một phần các photon sinh ra bởi
10


bức xạ cƣỡng bức sẽ bị mất đi do sự mất mát trong buồng cộng hƣởng và cần phải
đƣợc bổ sung liên tục. Nếu độ khuếch đại quang không đủ lớn để bù trừ đƣợc sự
mất mát trong buồng cộng hƣởng thì sẽ khơng tạo ra đƣợc đƣợc mật độ photon cần
thiết. Nhƣ vậy, một giá trị độ khuếch đại tối thiểu là cần thiết cho hoạt động laser,
giá trị này thực hiện đƣợc chỉ khi laser đƣợc bơm trên mức ngƣỡng. Dòng điện
bơm cần thiết để đạt đƣợc ngƣỡng gọi là dịng ngƣỡng phát laser. Nói chung, dịng
ngƣỡng phát laser cũng gần với dòng ngƣỡng để đạt đƣợc sự đảo mật độ trạng thái.
Sự cân bằng giữa độ khuếch đại và độ mất mát đựơc biểu diễn nhƣ sau:

( 1.10)
Vế bên phải bao gồm mất mát nội int với các cơ chế đã nói ở trên, trong đó
vai trị chính là mất mát do hấp thụ hạt tải tự do,và mất mát do gƣơng laser mir với
R1, R2 là độ phản xạ của hai mặt gƣơng, L là độ dài buồng cộng hƣởng (độ dài chíp

laser giữa hai mặt gƣơng).
1.1.4. Laser bán dẫn dị thể và laser giếng lượng tử
Laser diode chuyển tiếp đồng thể(homojiunction) phát quang của lớp chuyển
tiếp p-n đơn đƣợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn tinh thể đơn. Loại laser này có hiệu
suất thấp, mật độ dòng ngƣỡng ở nhiệt độ phòng rất cao (Jth = 105 A/cm2) do đó
chiều dày của miền hoạt chất (d

1µm) và kích thƣớc chiều rộng tƣơng đối lớn,

chùm laser bị mở rộng đáng kể đi vào miềm p và n, ở đó đƣợc hấp thụ rất mạnh, vì
vậy laser chuyển tiếp đồng thể phát ở chế độ liên tục thƣờng ở nhệt độ nitơ lỏng.
Để giảm dòng ngƣỡng và tăng hiệu suất của laser diode, ngƣời ta sử dụng các lớp
vật lệu khác nhau tại lớp chuyển tiếp, đây gọi là lớp chuyển tiếp dị thể
(heterojunction). Chuyển tiếp dị thể đƣợc hình thành giữa hai lớp bán dẫn có có
khe năng lƣợng khác nhau, vật liệu thƣờng dùng là GaAs và AlGaAs. Chuyển tiếp
dị thể kép là dạng phổ biến nhất, nơi mà lớp hoạt chất của bán dẫn có bề dày 50300 nm đƣợc đặt vào giữa hai hai lớp phủ của bán dẫn khác. Ở nhiệt độ phịng,
laser diode chuyển tiếp dị thể có mật độ dòng ngƣỡng giảm hai bậc (Jth = 103
A/cm2) so với laser chuyển tiếp đồng thể tƣớng ứng, nên tại nhệt độ này laser
chuyển tiếp dị thể có thể hoạt động ở chế độ liên tục.
So sánh với chuyển tiếp đồng thể, chuyển tiếp dị thể có ba ƣu điểm:
- Lớp phủ, chẳng hạn AlGaAs có khe năng lƣợng rộng hơn GaAs, vì thế tại
vùng trụng tâm xảy ra sự tái hợp nhều hơn.
11


- Miền hoạt chất có chiều cao hơn các vùng xung quanh nên ánh sáng phát ra
có độ tập chung cao, làm tăng hiệu quả của bức xạ cƣỡng bức; đây là điều kiện gian
giữ quang học.
- Bức xạ laser chỉ bị hấp thụ yếu ở những vùng lân cận, do vậy sự mất mát
xảy ra là cực tiểu.

Laser bán dẫn tạo nên từ một chuyển tiếp p-n trong đó tạo nên giam giữ hạt
tải và giam giữ quang. Các hạt tải đƣợc giam giữ bởi cấu trúc dị thể (double
heterostructure – DH) và ngày nay hầu hết sử dụng cấu trúc dị thể giếng lƣợng tử
(quantum well – QW). Trong chuyển tiếp dị thể, bán dẫn loại p đƣợc kẹp giữa hai
lớp bán dẫn loại p và n của hai loại bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Hạt tải
bơm từ phía p sang phía n đƣợc giam trong lớp bán dẫn vùng cấm hẹp. Tại lớp bán
dẫn này, quá trình tái hợp bức xạ xảy ra. Độ rộng vùng cấm của bán dẫn khe hẹp
(vùng tích cực) này sẽ xác định bƣớc sóng phát xạ của laser. Để đạt đƣợc sự đảo
mật độ trạng thái cần thiết để phát bức xạ cƣỡng bức, mật độ hạt tải tự do trong
miền tích cực phải cao hay nói cách khác la phải đạt đến trạng thái suy biến. Điều
này có thể thực hiện đƣợc bằng cách làm mỏng lớp tích cực của bán dẫn vùng cấm
hẹp. Độ dày này thông thƣờng của các laser dị thể là nhỏ hơn 0,2 m. Cấu trúc dị
thể đƣợc xây dựng trên cơ sở các vật liệu có phải giam giữ trong lớp tích cực mỏng
nhất có thể và mật độ ánh sáng cần phải dƣới ngƣỡng phá hủy quang của vật liệu
tạo nên lớp tích cực. Vấn đề này đƣợc giải quyết bằng cách sử dụng cấu hình dị thể
giam giữ tách biệt (SCH). Cấu trúc này có lớp tích cực kẹp giữa hai lớp có độ rộng
vùng cấm cao hơn với chức năng giam giữ hạt tải (các lớp giam hạt tải – blocking
layers) và cả cấu trúc này đƣợc đặt giữa hai lớp vật liệu khác có chức năng giam
giữ quang (các lớp bọc ngoài – cladding layers) (xem hình vẽ trên). Các lớp giam
hạt tải là trong suốt với ánh sáng laser nó giúp giảm mất mát quang và mở rộng
trƣờng quang. Các lớp này đƣợc nuôi trên đế bán dẫn loại n theo trình tự mơ tả trên
hình vẽ trên. Chip laser sau khi chế tạo đƣợc hàn lên đế tỏa nhiệt cực dƣơng (cực
bán dẫn loại p) lên trên hoặc cực dƣơng xuống dƣới tƣơng ứng với hai cấu hình
dƣơng nối vỏ hoặc âm nối vỏ. Cấu hình dƣơng nối vỏ với cực bán dẫn p hàn tiếp
xúc đế tỏa nhiệt khó thực hiện hơn về mặt cơng nghệ nhƣng lại có ƣu điểm lớn là
tiêu tán nhiệt tốt hơn, đặc biệt thích hợp cho các laser bán dẫn cơng suất cao tích
hợp nhiều chip laser đơn. Hiện tại, các laser lớp tích cực cấu trúc giếng lƣợng tử
đƣợc sử dụng phổ biến. Các giếng lƣợng tử có thể là biến dạng hoặc khơng biến
dạng (phù hợp hằng số mạng). Các laser giếng lƣợng tử lớp biến dạng có một số ƣu
12

điểm trong các vấn đề làm giảm mật độ dòng ngƣỡng mà không làm tăng độ nhạy
với sự suy giảm chất lƣợng trong quá trình hoạt động của laser bán dẫn ở chế độ
cơng suất cao. Thêm vào đó, bƣớc sóng phát xạ có thể xác định khơng chỉ phụ
thuộc vào thành phần mà còn vào độ biến dạng và độ dày lớp giếng lƣợng tử. Điều
này cho phép điều chỉnh bƣớc sóng của bức xạ phát ra một cách chính xác cho các
ứng dụng đặc thù ví dụ nhƣ các laser giếng lƣợng tử biến dạng InGaAs/GaAs sử
dụng để bơm quang cho các khuếch đại quang sợi pha tạp erbium - Erbium doped
fiber optical amplifier (EDFA) với yêu cầu về bƣớc sóng phát xạ rất gần 670 nm để
kích thích chuyển dời liên quan đến erbium. Tuy nhiên cũng cần lƣu ý rằng độ rộng
của lớp giếng lƣợng tử cần phải nhỏ hơn độ dày tới hạn (critical thickness) cho hồi
phục đàn hồi, yếu tố giới hạn thành phần và độ rộng của lớp giếng lƣợng tử.
Bức xạ laser sinh ra trong miền tích cực cần đƣợc giới hạn trong khn khổ
của một ống dẫn sóng. Nhƣ đã trình bày ở trên trong laser bán dẫn có hai loại dẫn
sóng: dẫn sóng khuếch đại và dẫn sóng chiết suất. Phần lớn các cấu hình laser bán
dẫn hiện nay là dẫn sóng khuếch đại. Dẫn sóng khuếch đại hình thành bởi việc giới
hạn sự mở rộng ra hai bên của vùng tích cực nơi có sự bơm hạt tải. Các laser dẫn
sóng đƣợc sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công suất cao.
1.2. Laser bán dẫn công suất cao
1.2.1. Laser bán dẫn buồng cộng hưởng rộng (LOC)
Cấu trúc buồng cộng hƣởng rộng đƣợc gọi là LOC với lớp dẫn sóng đƣợc
mở rộng dẫn đến trƣờng gần có phân bố xấp xỉ dạng gauss. Trong trƣờng hợp này
thừa số giam giữ quang và mật độ công suất bề mặt là nhỏ nhất. Hơn nữa phân bố
cƣờng độ có dạng tù hơn, năng lƣợng đƣợc truyền trong lớp vỏ là rất nhỏ, bởi vậy
lớp vỏ có thể đƣợc pha tạp tƣơng đối mạnh và đƣợc chế tạo có kích thƣớc mỏng.
Điều này dẫn đến nhiệt trở là nhỏ. Suy giảm thấp cho phép chúng ta chế tạo buồng
cộng hƣởng dài trong dải 2 mm mà vẫn giữ đƣợc hiệu suất lƣợng tử ngoại cao. Sự
phân kỳ theo phƣơng thẳng đứng là do sự chênh lệch chiết suất giữa lớp vỏ và lớp
dẫn sóng. Một cấu trúc dẫn sóng xác định phụ thuộc vào thành phần vật liệu và độ

dày của các lớp epitaxy tạo thành lớp dẫn sóng cũng nhƣ các lớp vỏ và sự tính tốn
phân bố cƣờng độ trƣờng gần cho laser bán dẫn.
1.2.2. Đặc điểm của laser bán dẫn hoạt động ở chế độ công suất cao
Laser bán dẫn công suất cao đƣợc thiết kế chế tạo trên cơ sở một số cấu trúc.
Các cấu trúc này chủ yếu dựa trên cấu trúc giến lƣợng tử. Các laser bán dẫn công
suất cao hoạt động trong các điều kiện cƣờng độ làm việc cao; để tạo ra đƣợc linh
13


kiện tin cậy một số tính chất của laser phải tƣơng đƣơng với các linh kiện công suất
thấp làm việc trong điều kiện dịng bơm nhỏ hơn nhiều. Do đó các cấu trúc tối ƣu
cho phát xạ công suất cao phải thỏa mãn một số đòi hỏi. Những yêu cầu này bao
gồm: hệ số giam giữ quang học phải cao để giảm tối đa dòng ngƣỡng, độ rộng của
trƣờng gần phải lớn để giảm mật độ công suất quang tại bề mặt phát, độ rộng
trƣờng gần phải nhỏ để giảm độ dày tổng cộng của các lớp epitaxy, độ rộng trƣờng
gần phải lớn để giảm góc mở của chùm tia phát ra, mất mát tán xạ thấp và các mặt
tiếp xúc đƣợc nâng cao chất lƣợng, pha tạp cao để giảm điện trở nối tiếp, các hàng
rào thế giam giữ cao để đạt đƣợc giam giữ điện của hạt tải tối ƣu, các hàng rào thế
thấp để giảm điện thế rơi trên chuyển tiếp. Trong các yêu cầu nêu ra ở trên, có thể
thấy một số yêu cầu là mâu thuẫn nhau. Do đó thiết kế cấu trúc của laser bán dẫn
cơng suất cao cần phải tối ƣu hóa các yếu tố trên của laser. Đặc biệt cần chú ý tới
một số yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình già hóa linh kiện.
Một vấn đề quan trọng nữa ảnh hƣởng đến tính chất và q trình hoạt động
của laser là nhiệt trở của linh kiện. Nhiệt trở laser cao làm giảm công suất bức xạ
đồng thời tăng nhiệt độ làm việc tại miền tích cực, dẫn tới hậu quả là hiệu suất biến
đổi điện quang giảm tại nhiệt độ cao với các laser có nhiệt trở cao hơn.
1.3. Các đặc trƣng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao
1.3.1. Đặc trưng quang điện (I-V, P-I)


Đặc trƣng I-V.
Đặc trƣng I-V là đƣờng biểu diễn mối quan hệ giữa dịng điện kích chạy qua

laser diode và hiệu điện thế trên chuyển tiếp. Từ hình vẽ ta thấy dịng điện kích
kích rất nhỏ, điện thế tăng rất nhanh và khi đạt đến điện thế phân cực thuận trên
chuyển tiếp laser thì tốc độ tăng của thế so với dịng giảm đi. Điều này chứng tỏ
điện trở của laser là phi tuyến và nó phụ thuộc vào dịng kích. Khi chƣa có điện áp
phân cực thì điện trở của laser diode giảm xuống rất nhỏ.
V

VF

I

O

Hình 1.7 .Đặc trưng I-V của laser bán dẫn

14


Từ đặc trƣng trên ta xác định đƣợc sụt thế thuận trên chuyển tiếp VF.


Đặc trƣng của quang điện P – I.

Đặc trƣng công suất phát của laser phụ thuộc vào dịng bơm nhƣ sau:
]

(I - Ith) [

Trong đó:

(1.11)

R1, R2 : là hệ số phản xạ của hai gƣơng (mặt tách) của buồng cộng hƣởng.
Ith: mật độ dòng ngƣỡng của laser.
α : hệ số mất mát nội.
L: độ dài buồng cộng hƣởng.
: hiệu suất lƣợng tử nội (số hạt tải đƣợc tái hợp trên tổng số hạt tải đƣợc bơm
vào). Tại dịng ngƣỡng cố định và mất mát khơng đáng kể thì cơng suất laser phát
ra trên ngƣỡng thay đổi gần nhƣ tuyến tính (hình). Đây là đặc tính của laser diode
nói chung và laser cơng suất cao nói riêng.
P
∆P
∆I
0

Ith

Dịng bơn I

Hình 1.8. Đặc trưng cơng suất bức xạ phụ thuộc dịng bơm của laser bán dẫn cơng
suất cao.
1.3.2. Đặc trưng phổ phát xạ
Đây là đặc trƣng quan trọng vì trong nhiều ứng dụng, sự khống chế đƣợc
phổ của bực xạ laser phát ra là rất cần thiết. Đối với laser bán dẫn, độ rộng phổ của
bức xạ tƣơng đối rộng vì dịch chuyển xẩy ra giữa hai vùng năng lƣợng chứ không
phải giữa các mức năng lƣợng riêng biệt. Do dịch chuyển giữa các vùng này nên
trong laser bán dẫn có xu hƣớng mở rộng đồng nhất. Khoảng cách giữa các mode

cộng hƣởng gần nhau là:
(1.12)
Tuy nhiên phần nhiều các mode này nằm gọn trong một dải rộng B trong đó
hệ số khuếch đại vƣợt quá hệ số mất mát (số mode laser có thể có là M = b/v f). Do
độ dài buồng cộng hƣởng lớn hơn nhiều lần bƣớc sóng phát của laser nên laser sẽ
15