Điều chế diode laser ở tần số cao

3.2.2 Diode laser bán dẫn

3.2.2.5 Điều chế diode laser ở tần số cao

Hiện nay có hai phương pháp điều chế các diode laser nhằm thay đổi công suất quang

đầu ra lμ điều chế xung dùng cho các hệ thống thông tin quang truyền dẫn số vμ điều chế biên độ dùng cho các hệ thống thông tin truyền dẫn tín hiệu analog.

Một trong những −u điểm có ý nghĩa nhất của laser bán dẫn lμ, nó có thể đ−ợc điều chế trực tiếp nhờ thay đổi dòng cấp cho laser. Vì diode laser có thời gian đáp ứng nhanh cho nên cho phép thực hiện điều chế ở tần số rất cao. Tần số điều chế bị giới hạn bởi hai cơ

chế khác nhau. Trước hết phải kể đến giới hạn điện tử do các phần tử tạp ký sinh. Điều nμy th−ờng đ−ợc nói tới ở những điện trở nối tiếp vμ điện dung song song có trong dây dẫn kim loại. Cơ chế thứ hai cơ bản hơn có liên quan tới đặc tính động của laser, nảy sinh ra tần số cộng h−ởng trong dải GHz. Tần số nμy tỷ lệ với căn bậc hai công suất đầu ra.

Hằng số tỷ lệ phụ thuộc vμo số các tham số trong nội tại laser vμ có thể đ−ợc cải thiện trong thiết kế laser. Khi sử dụng diode laser cho các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, tần số điều chế có thể không lớn hơn tần số dao động tích thoát của trường laser. Giao động tích thoát phụ thuộc vμo cả thời gian sống tự phát τSP vμ thời gian sống photon τph, đây lμ các tham số lμm giới hạn tốc độ điều biến của laser. Về lý thuyết, dao động tích thoát xảy ra xấp xỉ tại:

2 / 1 2

/

1 1

) (

1 2

1 ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ −

=

ph th

sp I

f I

τ

π τ (3-22)

với τSP vμo khoảng 1 ns vμ τph khoảng 2 ps đối với laser dμi 300 μm, thì lúc mμ dòng phun lớn gấp hai dòng ng−ỡng Ith, tần số điều chế lớn nhất khoảng vμi GHz.

Dải động laser cũng có thể chịu ảnh hưởng từ các hiệu ứng quang phi tuyến, điều nμy

đặc biệt quan trọng khi diode laser phát công suất cao. Quá trình nμy đã đựơc xác minh rất rõ rμng trong các thực nghiệm đã được tiến hμnh, nhưng mức độ ảnh hưởng vμ tính chính xác ở đây ch−a đ−ợc hoμn toμn khẳng định.

3.2.2.6 Các ảnh hưởng nhiệt độ

Yếu tố quan trong để xem xét khả năng sử dụng diode laser lμ sự phụ thuộc vμo nhiệt

độ của dòng ng−ỡng Ith(T). Dòng ng−ỡng nμy sẽ tăng theo nhiệt độ trong tất cả các loại laser bán dẫn do nhiều các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ rắc rối gây ra. Tính phức tạp của nhiều các yếu tố nμy tạo ra một sự khó khăn trong quá trình hình thμnh một biểu thức

minh bạch rõ rμng. Tuy vậy sự thay đổi của Ith theo nhiệt độ cũng có thể đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình rút ra từ kinh nghiệm nh− sau:

⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

0 0exp )

( T

I T T

Ith (3-23)

với T0 lμ giá trị của độ nhạy nhiệt độ tương đối vμ I0 lμ một hằng số. Đối với diode laser GaAlAs có cấu hình dải thông thường thì T0 thường có giá trị tiêu biểu từ 1200C đến 1650C trong lân cận nhiệt độ phòng. Đặc tính liên hệ giữa công suất quang đầu ra vμ dòng

điều khiển gọi lμ đặc tính P-I lμ đường cong đặc trưng cho đặc tính phát của diode laser, vì nó không những chỉ ra mức ng−ỡng mμ còn biểu thị dòng cần thiết phải sử dụng để thu

được một lượng công suất quang nhất định. Hình 3.22 mô tả đường cong P-I của một laser InGaAsP bước sóng 1,3 μm được khai thác tại dải nhiệt độ 10 ữ1300C. Tại nhiệt độ phòng, dòng ng−ỡng vμo khoảng 20 mA vμ laser có thể phát ra công suất 10 mW tại dòng

điều khiển lμ 100 mA. Nhìn chung, đặc tính laser bị xuống cấp nhanh ở nhiệt độ cao, do

đó việc tạo ra nhiệt độ thấp phù hợp cho laser hoạt động lμ một vấn đề rất cần thiết.

Hình 3.22. Đặc tính công suất quang phụ thuộc vμo dòng điều khiển thay đổi theo nhiệt độ.

Đối với điôt laser nh− ở hình 3.22 thì dòng ng−ỡng tăng với hệ số 1,4 giữa 20oC vμ 600C. Ngoμi ra, dòng ng−ỡng phát laser có thể lμm thay đổi tuổi thọ của laser, vì thế cần phải điều chỉnh mức dòng thiên áp DC. Điều nμy có thể thực hiện nhờ biện pháp phản hồi quang tự động, dùng các transistor cảm nhiệt. Phương pháp phản hồi quang thực hiện nhờ bộ tách sóng photo vừa nhạy cảm với sự thay đổi công suất quang đ−ợc phát từ laser, vừa tham gia vμo điều chỉnh một phần công suất đ−ợc ghép vμo sợi phát ra từ mặt phát laser.

10

8

6

4

2 0

0 50 100 150 200

Dòng điều khiển (mA)

Công suất quang (mW)

λ = 1,3 μm

100C 20

30 40

50 60 70 80

90 100 110 120 1300C

Bộ tách sóng photo sẽ so sánh công suất quang đầu ra với một mức tham khảo vμ tự động

điều chỉnh mức dòng định thiên để duy trì l−ợng ánh sáng đầu ra không đổi đối với mức tham khảo. Bộ tách sóng photo đ−ợc sử dụng ở đây phải có đặc tính ổn định trong thời gian dμi để duy trì giá trị không đổi trên một khoảng nhiệt độ rộng.

Một phương pháp chuẩn mực khác để ổn định công suất quang đầu ra của diode laser lμ sử dụng bộ phận lμm lạnh nhiệt điện có kích th−ớc nhỏ. Thiết bị nμy duy trì cho laser ở nhiệt độ không đổi vμ điều nμy lμm ổn định mức công suất đầu ra. Thông thường thì bộ lμm lạnh nhiệt điện đ−ợc liên kết với mạch tách sóng phản hồi.

3.2.2.7 Nhiễu trong nguồn phát Laser

Khi các diode laser đ−ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ cao, có một số đặc tính hoạt động khác của laser bắt đầu xuất hiện vμ tốc độ bít cμng cao thì

chúng cμng thể hiện rõ rμng vμ có thể gây ra nhiễu ở đầu ra bộ thu. Các hiện t−ợng nμy

đ−ợc gọi lμ nhiễu mode, nhiễu cạnh tranh mode vμ nhiễu phản xạ. Khi ánh sáng từ nguồn phát kết hợp dùng laser đ−ợc phát vμo sợi quang đa mode, sẽ có một số các mode lan truyền của sợi đựơc kích thích. Các mode nμy giữ lại tính kết hợp pha tương đối của chúng, mẫu phát xạ có trong sợi quang (tại bất kỳ điểm nμo dọc sợi) sẽ tạo nên dạng mẫu Speckle. Đây lμ kết quả của nhiễu cấu thμnh vμ nhiễu triệt tiêu giữa các mode lan truyền tại một mặt phẳng đã cho bất kỳ. Vì ánh sáng lan truyền dọc sợi, cho nên sự kết hợp của các suy hao phụ thuộc mode, thay đổi pha giữa các mode, vμ sự bất ổn định về phân bố năng lựơng trong các mode khác nhau sẽ lμm thay đổi nhiễu mode. Nhiễu mode xuất hiện khi có bất kỳ sự suy hao phụ thuộc mode nμo tồn tại trong tuyến truyền dẫn. Nhiễu đ−ợc phát ra khi mẫu speckle biến đổi về thời gian để thay đổi công suất quang đ−ợc phát đi qua phần tử tổn hao riêng biệt. Các nguồn phát băng hẹp có tính kết hợp cao, nh− các laser đơn mode, gây ra nhiễu mode lớn hơn các nguồn phát băng rộng. Các nguồn phát không kết hợp nh− LED không gây ra nhiễu mode.

Các phần lý thuyết đã thảo luận ở trên đã gây cho ta sự chú ý tới các loại laser đơn mode, các laser mode dọc đơn. Tuy nhiên vẫn có rất nhiều các hệ thống thông tin quang sử dụng các loại laser đa mode Fabry-Perot thông th−ờng. Đối với loại laser nμy, các mode bên vẫn có thể mang một số l−ợng công suất nhất định. Nhiễu cạnh tranh mode có liên quan tới các mode dọc của diode laser. Đây lμ nhiễu nổi trội trong sợi đơn mode.

Nhìn chung, đầu ra diode laser có công suất khoảng từ 1 đến 10 mW vμ thường dao động với vμi mode dọc (laser Fabry- Perot), các vạch phổ cách nhau khoảng 1 nm nh− ở hình 3.23 [12]. Độ rộng phổ một nửa biên độ lớn nhất của đường bao trong trường hợp nμy thường lμ 2 đến 4 nm. Khi laser được điều biến thì phổ sẽ giãn rộng hơn. Các thực nghiệm

đo đạc công phu về phổ laser đã chỉ ra rằng, mặc dù tổng công suất quang đầu ra khá ổn

định nhưng công suất tại trường mode riêng rẽ sẽ thay đổi đáng kể. Hiện tượng nμy gọi lμ cạnh tranh mode, nó có hμm ý rất quan trọng. Khi tín hiệu ánh sáng từ laser đ−ợc phát vμo sợi với trễ nhóm phụ thuộc b−ớc sóng (tán sắc), cạnh tranh mode sẽ lμm xuất hiện nhiễu ở tín hiệu đầu ra. Nó đ−a vμo đặc tính hệ thống một nền tỷ lệ lỗi không phụ thuộc vμo công suất mμ không sao khắc phục đ−ợc. ở các hệ thống hoạt động với tốc độ cao

hơn vμi trăm Mbit/s trên sợi có suy hao thấp, hiện t−ợng nμy gây ra một hạn chế đáng kể khi thiết lập độ dμi tuyến.

Hình 3.23. Phổ của laser Fabry-Perot b−ớc sóng 1300nm.

Ngoμi ra, cũng cần lưu ý rằng, hiện tượng phản xạ nhỏ trở lại laser từ các vật gây ra phản xạ từ ngoμi (ví dụ nh− bộ nối quang-connector) có thể gây ra sự thay đổi đáng kể về

đặc tính cạnh tranh mode, vμ vì thế cũng lμm thay đổi đặc tính hệ thống. Nhiễu phản xạ có liên quan với méo tuyến tính đầu ra diode laser gây ra do một l−ợng ánh sáng bị phản xạ trở lại vμ đi vμo hốc cộng h−ởng laser từ các điểm nối sợi. Công suất phản xạ nμy ghép với các mode phát tia laser, do đó lμm cho pha của nó bị thay đổi. Điều nμy lμm nảy sinh phổ nhiễu điều biến có chu kỳ, nó đ−ợc đặt bên phía tần số thấp của nền nhiễu bản thân.

Tần số cơ bản của nhiễu nμy đ−ợc xác định nhờ trễ khứ hồi của ánh sáng từ laser tới điểm phản xạ vμ ng−ợc lại. Tùy theo thời gian khứ hồi, các phản xạ nμy có thể tạo ra các đỉnh nhiễu trong vùng tần số, nơi mμ các hệ thống truyền dẫn sợi quang hoạt động, thậm chí dù cho bản thân các laser không có nhiễu ở các tần số nμy [8]. Có thể giảm đ−ợc nhiễu phản xạ khi dùng các bộ cách ly quang giữa diode laser vμ sợi quang, hoặc sử dụng các loại chất lỏng có tác dụng dung hòa chỉ số chiết suất bơm vμo khe hở tại các điểm ghép nối sợi-sợi để loại trừ các phản xạ tại tiếp giáp sợi-không khí.

3.2.2.8 Xem xét độ tin cậy của nguồn phát

Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã vμ đang đ−ợc sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông. Trong tương lai, thông tin quang sẽ còn lμ mũi đột phá trong việc hiện đại hóa các mạng viễn thông vμ vì vậy đòi hỏi các hệ thống nμy phải có tính ổn định cao. Một trong những yếu tố quan trọng nhất để ổn định các đặc tính của hệ thống thông tin quang lμ độ tin cậy của nguồn phát. Độ tin cậy của các LED vμ LD cấu trúc dị thể kép đựơc quan tâm nhiều nhất trong hệ thống thông tin quang. Kỹ thuật chế tạo vμ các điều kiện khai thác thiết bị đều có ảnh hưởng tới tuổi thọ của các nguồn phát nμy. Cần phải hiểu

đ−ợc tầm quan trọng của các quan hệ giữa các đặc tính hoạt động, các cơ chế xuống cấp vμ các yêu cầu độ tin cậy về hệ thống của các nguồn phát quang.

Hiện nay, các phép đo kiểm tra về tuổi thọ của các nguồn phát đã đ−ợc tiến hμnh ở cả

trong điều kiện nhiệt độ phòng vμ nhiệt độ cao để xác định nhanh về quá trình xuống cấp

1,3μm

1,296μm 1,304μm

của chúng. Cho tới nay rất khó có thể tìm đựơc phương pháp chuẩn nμo để xác định tuổi thọ của nguồn phát. Có hai kỹ thuật thông dụng nhất để duy trì tính ổn định của công suất phát ra lμ tăng dòng định thiên một cách tự động hoặc giữ cho dòng không đổi vμ điều chỉnh công suất quang đầu ra. ở tr−ờng hợp đầu, thời điểm kết thúc tuổi thọ của thiết bị phát đựơc coi lμ lúc nguồn không còn phát ra công suất tại giá trị dòng lớn nhất đối với chế độ hoạt động liên tục (CW- Continuous-Wave). Trong trường hợp thứ hai, tuổi thọ sẽ

đ−ợc xác định bằng thời gian để công suất quang đầu ra giảm đi 3 dB.

Sự xuống cấp nguồn phát có thể đựơc chia lμm ba loại: phá hủy bên trong, xuống cấp dải tiếp xúc (đối với cả LED vμ LD) vμ phá hủy bề mặt của LD.

Nhân tố hạn chế tuổi thọ của LED vμ LD lμ sự xuống cấp bên trong. Hiệu ứng nμy tăng lên do những khuyết tật tinh thể lan lấn vμo trong vùng tích cực của nguồn phát.

Những khiếm khuyết nμy lμm giảm hiệu suất l−ợng tử bên trong vμ lμm tăng tính hấp thụ quang. Đối với các nguồn phát chất l−ợng cao, tuổi thọ bám theo sự suy giảm bên trong chậm, công suất quang P giảm theo hμm mũ sau:

P=P0 exp(−t/τm) (3-24) ở đây P0 lμ công suất quang ban đầu tại thời điểm t = 0 vμ τm lμ hằng số thời gian cho quá

trình xuống cấp. Vì tuổi thọ trong thời gian khai thác phụ thuộc vμo cả mật độ dòng J vμ nhiệt độ tiếp giáp T, cho nên sự xuống cấp có thể tăng nhanh do sự tăng của một trong các tham số nμy. Theo thực nghiệm, thời gian khai thác (tuổi thọ) τS có thể coi nh− phụ thuộc vμo mật độ dòng J thông qua mối quan hệ sau:

τS =αJ−n (3-25) với 1,5 ≤ n ≤ 2. Ví dụ nếu tăng gấp đôi mật độ dòng thì tuổi thọ giảm đi 3 đến 4 lần. Vì

tốc độ xuống cấp của nguồn phát tăng theo nhiệt độ, cho nên theo biểu thức dạng Arrhenius viÕt nh− sau:

⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

T k K E

B A

S exp

τ (3-26)

ở đây EA lμ năng l−ợng hoạt động đặc tr−ng cho tuổi thọ τS, kB lμ hằng số Boltzmann, T lμ nhiệt độ tuyệt đối tại đó τS đựơc xác định vμ K lμ một hằng số. Trong quá trình hình thμnh biểu thức có một số yếu tố cạnh tranh tham gia vμo quá trình xuống cấp, do đó rất khó dự

đoán đựơc EA. Năng lượng hoạt động cho sự xuống cấp của laser thường được lấy trong dải từ 0,3 đến 1,0 eV (trong thực tế tính toán thường lμ lấy 0,7 eV). Tuy nhiên, giá trị nμy còn có những thay đổi vì số liệu thống kê phải cần có thời gian dμi ở các nhiệt độ khác nhau. Từ biểu thức (3-25) vμ (3-26) chỉ ra rằng, để tăng tuổi thọ của nguồn phát quang thì

tốt nhất lμ để cho thiết bị nμy lμm việc ở dòng vμ nhiệt độ thấp. Ví dụ nh− công suất phát quang của các LED loại InGaAsP nh− lμ một hμm của thời gian đối với nhiệt độ đựơc chỉ ra ở hình 3.24. ở nhiệt độ dưới 1200C thì công suất đầu ra được duy trì hầu như không đổi

ở toμn bộ thời gian lμm việc 15000 giờ (1,7 năm). ở các nhiệt độ cao hơn, công suất ra sẽ giảm theo thời gian, ví dụ ở 2300C công suất ra bị mất đi một nửa giá trị ban đầu (giảm 3dB) sau khi hoạt động 3000 giờ (4 tháng 3 ngμy).

Cơ chế xuống cấp thứ hai có liên quan tới chế tạo lμ dải tiếp xúc bị xấu đi. Trong các LED vμ LD, điện trở nhiệt của dải tiếp xúc giữa tinh thể ''chip'' nguồn phát vμ bộ tản nhiệt tăng theo thời gian. Hiệu ứng nμy nh− một hμm của chất hμn từng dùng để liên kết tinh thể với bộ tản nhiệt. Sự tăng điện trở nhiệt sẽ lμm tăng nhiệt độ tiếp giáp đối với dòng lμm việc cố định. Nh− vậy sẽ dẫn tới giảm công suất quang đầu ra. Tuy nhiên, nếu thiết kế cẩn thận vμ thực hiện qui trình liên kết chất l−ợng cao thì sẽ giảm đ−ợc các hiện t−ợng gây ra sự xuống cấp dải tiếp xúc.

Hình 3.24. Công suất đầu ra lμ một hμm của thời gian hoạt động đối với 5 mức nhiệt độ, P0 lμ công suất quang ban đầu.

Sự phá hủy bề mặt lμ một vấn đề xuống cấp trong LD. Bề mặt bị phá hủy sẽ lμm giảm sự phản xạ của g−ơng laser vμ tăng sự tái kết hợp hạt mang không bức xạ tại các mặt laser. Có hai hình thức phá hủy mặt vμ th−ờng đ−ợc gọi lμ sự xuống cấp tai biến bề mặt vμ sói mòn bề mặt. Xuống cấp tai biến bề mặt lμ sự phá hủy cơ học các mặt, khi LD phát ra mật độ công suất quang cao, sau thời gian ngắn thì hiện t−ợng nμy nảy sinh. Điều nμy gây ra sự giảm phản xạ bề mặt rất lớn, từ đó lμm tăng dòng ng−ỡng vμ giảm hiệu ứng l−ợng tử. Nguyên nhân cơ bản của sự xuống cấp nμy vẫn ch−a đ−ợc xác định, nh−ng nó nh− một hμm của mật độ công suất vμ độ dμi xung.

Sói mòn bề mặt lμ sự xuống cấp từ từ, nó xảy ra trong một khoảng thời gian dμi hơn sự xuống cấp tai biến bề mặt. Nó lμm giảm sự phản xạ của g−ơng vμ lμm tăng sự tái kết hợp không bức xạ, nó lμm chậm đi hiệu ứng l−ợng tử bên trong vμ tăng dòng ng−ỡng phát. Có thể lμ giảm sự sói mòn bề mặt bằng cách đặt một bộ lọc mμng mỏng Al2O3 dμy nửa bước

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 230độC 200độC 170độC 120độC 20độC

Thời gian hoạt động t (giờ)

Đầu ra quang t−ơng đối P/P0