3.2.2 Diode laser bán dẫn
3.2.2.2 Tần số cộng h−ởng
Trong phân tích ở phần 3.2.2.1 trên đây, ta hãy chú ý tới biểu thức (3-9) khi xem xét các tần số cộng h−ởng của laser. Biểu thức (3-9) tồn tại khi
2βL=2πm (3-13) với m lμ một số nguyên. Sử dụng β = 2πn/λ lμ hằng số lan truyền ta có:
f c Ln n
m L 2
2
/ =
= λ (3-14)
ở đây c = fλ.
Vì trong tất cả các laser, độ khuếch đại lμ một hμm của tần số (hoặc bước sóng, vì c = fλ ) cho nên sẽ có một dải các tần số (hoặc b−ớc sóng) ở biểu thức (3-14). Mỗi một tần số sẽ tương ứng với một mode của dao động laser. Tùy thuộc vμo cấu trúc của laser, bất kỳ một số các tần số nμo cũng có thể thỏa mãn các biểu thức (3-8) vμ (3-9). Nh− vậy sẽ có một số laser gọi lμ đơn mode vμ một số laser lμ đa mode. Quan hệ giữa độ khuếch đại vμ tần số có thể được giả định dưới dạng Gaussian sau:
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡ −
−
= 20 2
2 ) exp (
) 0 ( )
( σ
λ λ g λ
g (3-15)
với λ0 lμ bước sóng tại tâm của phổ, σ lμ độ rộng phổ khuếch đại, vμ độ khuếch đại lớn nhất g(0) sẽ tỉ lệ với nghịch đảo tích lũy.
Bây giờ ta hãy xem xét tới tần số hoặc b−ớc sóng, khoảng cách giữa các mode của một laser đa mode. ở đây chúng ta chỉ xét đối với các mode dọc. Tuy nhiên cần chú ý rằng,
đối với từng mode dọc có thể có vμi mode ngang xuất hiện do sự phản xạ của sóng lan truyền ở các bên của hốc cộng h−ởng. Để tìm khoảng cách tần số, hãy xét hai mode kế tiếp của các tần số f m-1 vμ f m với các số nguyên m-1 vμ m. Từ biểu thức (3-14) ta có:
−1= 2 fm−1 c
m Ln vμ fm
c m 2Ln
= (3-16) Trừ hai biểu thức nμy cho nhau ta thu đ−ợc:
( ) f
c f Ln
c f Ln
m
m − = Δ
= 2 − 2
1 1 (3-17)
Từ đây ta có khoảng cách tần số nh− sau:
Ln f c
= 2
Δ (3-18) Cũng từ đây có thể thấy đ−ợc khoảng cách b−ớc sóng Δλ thông qua mối quan hệ Δf/f = Δλ/λ, ta thu đ−ợc:
Ln 2
λ2
λ=
Δ (3-19)
Vì vậy từ các biểu thức (3-15) vμ (3-19) đã cho, phổ đầu ra của laser đa mode tuân theo đồ thị khuếch đại phụ thuộc vμo tần số đ−ợc vẽ nh− trong hình 3.14. ở đây số các mode, chiều cao của chúng vμ khoảng cách của chúng phụ thuộc vμo cấu trúc của laser.
Hình 3.14. Phổ đặc tr−ng của diode laser GaAlAs/GaAs.
822 824 826 828
λ0
Δλ
Dạng đầu ra Gaussian
B−íc sãng (nm)
3.2.2.3 Cấu trúc của diode Laser vμ các mẫu bức xạ
Từ khi xuất hiện các cấu trúc diode laser dùng cho thông tin quang sợi, tới nay đã có rất nhiều các phương pháp thử nghiệm để nhằm đưa ra các mẫu cấu trúc có hiệu quả. Mức
độ thμnh công của các phương pháp có khác nhau nhưng nhìn chung đều cùng một mục
đích lμ lμm hạn chế các mode bên để có đ−ợc quá trình phát laser ổn định, đảm bảo dòng ngưỡng tương đối nhỏ. Hình 3.15 giới thiệu ba phương pháp giam (hạn chế) quang điển hình nhất được dùng để định biên ánh sáng laser theo hướng bên. Cấu trúc thứ nhất được mô tả nh− ở hình 3.15a có một dải điện cực với độ rộng nhỏ hơn 8 μm đ−ợc đặt dọc theo chiều dμi của diode laser. Sự phun các điện tử vμ lỗ trống vμo thiết bị lμm thay đổi trực tiếp chỉ số chiết suất của lớp tích cực ở d−ới dải. Loại cấu trúc nμy th−ờng đ−ợc gọi lμ laser điều khiển khuếch đại (GGL-Gain Guided Laser). Mặc dù các loại laser nμy có thể phát ra các công suất quang v−ợt trên 100 mW, nh−ng chúng rất không ổn định vμ có thể có tính Astigmatic cao, trong hình xuất hiện hai đỉnh của chùm sáng.
Các cấu trúc có tính ổn định cao hơn thể hiện ở hình 3.15b vμ 3.15c. ở đây các cấu trúc
được cấu tạo theo hướng bên. Sự thay đổi chỉ số chiết suất thực của các vật liệu khác nhau trong các cấu trúc nμy sẽ điều khiển các mode bên trong laser. Vì vậy các thiết bị nμy
đ−ợc gọi lμ các laser điều khiển chiết suất (IGL-Index guided Laser). Nếu nh− laser điều khiển chiết suất riêng chỉ cho mode ngang cơ bản hoặc mode dọc cơ bản thì đ−ợc gọi lμ laser đơn mode . Nh− vậy thiết bị sẽ phát chùm tia đơn, hoμn toμn chuẩn trực với một mặt cắt có dạng đ−ờng cong Gaussian hình chuông.
Hình 3.15. Ba cấu trúc cơ bản để giam sóng quang theo hướng bên.
Các Laser điều khiển chiết suất có thể có cả cấu trúc giam sóng chiết suất d−ơng hoặc giam sóng chiết suất âm. Trong cấu trúc giam sóng chiết suất d−ơng, vùng trung tâm có
Vùng tích cực
Vùng chiết suÊt thÊp
Vùng chiết suÊtcao Dải kim loại
Vùng chiết suÊt cao
Cổng phát
Cường độ quang
a) b) c)
Dòng hạt mang
00 100 -100
00 200
-200 -100 00 100
ánh sáng
Suy hao
chỉ số chiết suất cao hơn vùng ngoμi. Vì vậy toμn bộ ánh sáng đ−ợc dẫn do phản xạ tại ranh giới điện môi, tựa nh− tiếp giáp vỏ - lõi trong sợi dẫn quang nh− hình 3.15b. Bằng cách chọn thích hợp chỉ số chiết suất vμ độ rộng của vùng chiết suất cao hơn thì có thể tạo ra đ−ợc thiết bị chỉ hoạt động hỗ trợ chỉ cho một mode bên cơ bản. Còn ở cấu trúc giam sóng chiết suất âm, vùng tâm của lớp tích cực có chỉ số chiết suất thấp hơn vùng xung quanh. Tại vùng bên, một phần ánh sáng đ−ợc phản xạ vμ phần còn lại đ−ợc khúc xạ vμo trong vật liệu ở xung quanh vμ sẽ bị suy hao ở đây. Suy hao bức xạ nμy xuất hiện trong mẫu bức xạ tr−ờng xa lμ các búp bên hẹp nh− chỉ ra ở hình 3.15c. Vì các mode cơ bản trong cấu trúc nμy có suy hao bức xạ nhỏ hơn các mode khác, cho nên nó phát đầu tiên.
Trong hai cấu trúc nμy thì laser chiết suất d−ơng đ−ợc sử dụng thông dụng hơn. Nhìn chung, các laser điều khiển chiết suất có bốn cấu trúc cơ bản. Cấu trúc dị thể chôn (BH - Buried Heterostructure) đ−ợc mô tả nh− hình 3.16, có khắc một dải mêza hẹp (rộng 1 đến 2 μm) trong chất bán dẫn cấu trúc dị thể kép. Mêza đ−ợc gắn vμo vật liệu có cấu trúc mạng t−ơng hợp loại n, có điện trở suất cao, dải cấm phù hợp vμ chỉ số chiết suất thấp.
Vật liệu nμy lμ GaAlAs ở các laser bước sóng 800 nm đến 900 nm với GaAsP lμ lớp tích cực, vμ InP ở các laser có bước sóng 1300 nm đến 1600 nm với lớp tích cực InGaAsP.
Dựa vμo cấu trúc nμy, người ta thay đổi đôi chút để tạo ra các diode laser có đặc tính tốt hơn.
Hình 3.16. Các diode laser cấu trúc dị thể chôn b−ớc sóng ngắn 800 ữ 900 nm(a) vμ b−íc sãng dμi 1300 ÷1600 nm (b).
Cấu trúc khuếch tán có lựa chọn đ−ợc chỉ ra nh− hình 3.17a. ở đây, chất kích tạp hóa học, nh− lμ kẽm đối với laser GaAlAs vμ Catmi đối với laser InGaAsP, đ−ợc khuếch tán vμo lớp tích cực ngay ở dưới dải tiếp xúc kim loại. Chất kích tạp lμm thay đổi chỉ số chiết suất của lớp tích cực để tạo nên ống dẫn sóng giới hạn các mode bên. Trong cấu trúc độ dμy biến đổi như ở hình 3.17b thì người ta khắc thêm một ống dẫn sóng vμo lớp nền. Các lớp tinh thể sau đó được cấy lại vμo ống dẫn nμy nhờ sử dụng phương pháp epitaxy pha lỏng. Quá trình nμy sẽ lấp đầy vμo các nơi mỏng tạo ra sự thay đổi lμm tăng độ dμy các
Líp giam p-GaAlAs
Líp tiÕp xóc p-GaAlAs
n-GaAlAs
Líp giam
p-InP Líp tiÕp xóc
p-InP
Líp giam n-InP Lớp tiếp xúc d−ơng
vμ toả nhiệt
a) b)
SiO2 SiO2 SiO2 SiO2
Líp giam n-GaAlAs Líp tÝch
cùc p-GaAs
Líp nÒn n-GaAs
Líp tiÕp xóc ©m Líp tÝch cùc
InGaAsP n-InP n-InP
lớp tích cực vμ lớp giam. Kết quả lμ vùng dμy hơn sẽ tạo ra một dẫn sóng chiết suất d−ơng với vật liệu trong vùng dẫn có chiết suất cao hơn. Còn trong cấu trúc lớp cong thì mêza
đ−ợc khắc vμo lớp nền nh− ở hình 3.17c. Các lớp bán dẫn đ−ợc khắc vμo cấu trúc nμy nhờ phương pháp epitaxy pha hơi để lặp lại chính xác cấu trúc núi mặt bμn (tức lμ nhô lên nh−ng trên đỉnh lại phẳng). Lớp tích cực có độ dμy không thay đổi vμ bị uốn ở hai bên. Vì
sóng quang chạy theo đỉnh mặt phẳng của lớp meza trong vùng tích cực, cho nên phần dốc phía ngoμi có chiết suất thấp hơn sẽ giam đ−ợc ánh sáng dọc theo kênh dẫn bên đó.
Hình 3.17. Các cấu trúc giam sóng quang chiết suất d−ơng a) khuếch tán có lựa chọn, b) độ dμy thay đổi vμ, c) lớp cong.
Bên cạnh vấn đề trên, cũng cần phải có biện pháp giam chặt chẽ dòng điều khiển cho lớp tích cực. Hình 3.18 mô tả bốn ph−ơng pháp giam dòng cơ bản. Trong từng ph−ơng pháp, cấu trúc thiết bị sẽ chặn dòng ở cả hai phía của vùng phát tia laser. Điều nμy thực hiện đ−ợc lμ do các vùng có điện trở suất cao vμ do cả tiếp giáp pn đ−ợc phân cực ng−ợc, nó ngăn cản dòng chảy trong lúc thiết bị đ−ợc phân cực thuận d−ới các điều kiện chuẩn.
Đối với cấu trúc có lớp tích cực liên tục, dòng có thể đ−ợc giam cả ở phía trên vμ phía d−ới vùng phát.
Trong các laser dị thể kép, mode ngang cấp bậc cao nhất mμ có thể đ−ợc kích thích sẽ phụ thuộc vμo độ dμy ống dẫn sóng vμ sự chênh lệch chỉ số chiết suất tại ranh giới ống dẫn sóng. Nếu nh− sự chênh lệch chỉ số chiết suất đ−ợc giữ ở mức xấp xỉ 0,08 thì chỉ có mode ngang cơ bản sẽ lan truyền khi vùng tích cực mỏng hơn 1 μm. Khi thiết kế độ rộng vμ độ dμy của hốc quang, phải có một sự dung hòa giữa mật độ dòng điện vμ độ rộng chùm tia ở đầu ra. Các độ rộng bên hoặc ngang hẹp lại lμ do cả độ rộng vμ độ dμy của vùng tích cực lớn lên, nh−ng lúc nμy cũng lμm cho mật độ dòng ng−ỡng cũng phải lớn.
Hầu hết các cấu trúc ống dẫn sóng chiết suất d−ơng có cổng phát tia laser rộng 3 μm, cao 0,6 μm. Điều nμy rất có ý nghĩa vì có tới gần một nửa ánh sáng đ−ợc truyền trong các lớp giam. Nh− vậy các laser có thể hoạt động một cách đáng tin cậy với công suất đầu ra sóng liên tục CW (continous - wave) từ 3 đến 5 mW.
Để đạt được các mức công suất đầu ra cao hơn, cần phải tăng kích thước cổng phát tia laser theo chiều ngang cho tiếp giáp pn để ngăn các mặt gương khỏi bị xuống cấp tại các
b) c)
a) Kênh trong
chÊt nÒn
ChÊt nÒn
Khuếch tán Cổng phát
ChÊt nÒn
ChÊt nÒn
mức công suất liên tục cao. Để tăng kích th−ớc ngang thì phải tạo ra lớp tích cực rất mỏng nhằm để cho hầu hết năng l−ợng quang trải lan vμo các lớp hạn chế (vỏ), hãy tham khảo hình 3.19a. Bằng cách giảm độ dμy của lớp tích cực theo chuẩn hóa lμ từ 0,15 μm đến 0,05 μm thì gần như đã tăng kích thước ngang cổng phát tia laser được gấp đôi lμ từ 0,6
đến 1 μm. Các laser có lớp tích cực mỏng nμy gọi lμ TAL (Thin-Active-Layer) có thể hoạt
động tin cậy ở 20 đến 25 mW.
Hình 3.18. Bốn phương pháp cơ bản đạt được hạn chế dòng cho điốt laser
a) khuếch tán chất kích tạp, b) Cấy proton , c) Giam dải điện cực bên trong vμ d) gia tăng tiếp giáp pn phân cực ng−ợc.
Hình 3.19. Hai ph−ơng pháp lμm tăng kích th−ớc ngang điểm phát tia laser cho tiếp giáp pn.
p p
n n
Khuếch tán kẽm hoặc catmi
a) Khuếch tán −u tiên
Líp tÝch cùc
Ngang
Bên
Proton đ−ợc cấy
Khuếch tán −u tiên Cấy proton
b) CÊy proton
Dòng
Vùng phát
p p
n
n
n Meza
d) Gia tăng tiếp giáp phân cực ng−ợc c) Giam dải cực bên trong
Líp tÝch cùc
Kênh đ−ợc khắc
loại n loại p ChÊt nÒn
loại p
n p
Lớp vỏ loại p
Lớp vỏ loại n Mặt phát Cường độ
Dọc
Líp tÝch cùc
Cường độ
a) CÊu tróc líp tÝch cùc máng
Lớp vỏ loại p
Lớp vỏ loại n Mặt phát Cường độ
Dọc
Cộng h−ởng quang
Ngang
b) CÊu tróc hèc quang lín
Một ph−ơng pháp khác lμ tạo ra các laser có hốc quang lớn LOC (Large Optical Cavity), hoặc lớp bán dẫn vừa sát d−ới lớp tích cực nh− minh họa ở hình 3.19b. Vật liệu hốc có chỉ số chiết suất nằm ở giữa chỉ số chiết suất của lớp tích cực phía trên vμ chỉ số chiết suất của lớp vỏ loại n ở d−ới. Hầu hết ánh sáng đ−ợc truyền trong hốc quang rộng trong khi nhận đ−ợc tăng ích từ lớp tích cực phía trên. Cấu trúc nμy lμm tăng kích th−ớc chiều ngang cổng phát tới gần 1,5 μm. Với cùng độ rộng chùm tia thì cổng phát laser trong cấu trúc LOC sẽ rộng hơn cổng phát trong cấu trúc TAL từ 50 đến 70 phần trăm. ở tín hiệu 50 %, thiết bị LOC có thể hoạt động tin cậy ở 40 mW.
3.2.2.4 Diode laser đơn mode
Nhìn chung, các laser Fabry-Perot thông th−ờng sẽ cho phổ đa mode, chúng có thể dao
động ở mode dọc đơn nh−ng không ổn định khi lμm việc ở tốc độ cao. Để thực hiện xây dựng các hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông có tốc độ cao vμ cự ly truyền dẫn xa, ta cần phải sử dụng đến các loại diode laser có độ rộng phổ rất hẹp, đó lμ các laser
đơn mode. Các Laser nμy chỉ chứa mode dọc vμ mode ngang đơn. Để tạo ra Laser chỉ có một mode dọc thì phải giảm đ−ợc độ dμi L của hốc phát tia laser tới lúc khi mμ khoảng cách tần số Δf của các mode bên đã cho ở phương trình (3-18) lớn hơn độ rộng phổ laser,
điều nμy có nghĩa lμ chỉ có một mode dọc đơn rơi vμo băng tăng ích của thiết bị. Ví dụ nh− đối với hốc Fabry-Perot, toμn bộ các mode dọc gần nh− có suy hao ngang bằng vμ cách nhau vμo khoảng 1 nm [12] trong một hốc dμi 250 μm tại b−ớc sóng 1300 nm. Bằng cách giảm L từ 250 xuống 25 μm thì khoảng cách mode sẽ tăng từ 1 nm đến 10 nm. Tuy nhiên sẽ nảy sinh vấn đề rất khó điều khiển thiết bị có độ dμi nμy, mặt khác công suất phát của nó cũng lại giảm đi chỉ còn khoảng vμi miliwatt.
Từ vấn đề trên, một số cấu trúc khác đã đ−ợc phát triển, trong đó phải kể đến Laser phát mặt vμ các cấu trúc có hốc cộng h−ởng lựa chọn tần số. ở cấu trúc laser phát mặt SEL (Surface-Emitting Laser), độ dμy vùng tích cực nhỏ hơn 10 μm vμ nh− vậy nó giống nh− một hốc thẳng đứng ngắn. Cấu trúc nh− vậy sẽ giống nh− laser phát cạnh nh−ng sự bức xạ quang đ−ợc h−ớng về phía mặt nhờ các g−ơng 450 hoặc các bộ phản xạ Bragg phân bè cÊp hai.
Hình 3.20 mô tả ba cấu trúc laser sử dụng bộ phản xạ lựa chọn tần số. ở từng tr−ờng hợp, bộ phản xạ lựa chọn tần số lμ một cách tử nhăn, đó chính lμ lớp ống dẫn sóng thụ
động nằm kề với vùng tích cực. Sóng quang lan truyền song song với cách tử nμy. Hoạt
động của các laser nμy dựa theo nguyên lý bộ phản xạ cách tử pha Bragg phân tán. Về cơ
bản, các cách tử pha biểu thị lμ một vùng có chỉ số chiết suất thay đổi theo chu kỳ, điều
đó tạo ra hai sóng lan truyền phản ghép. Sự ghép sẽ lớn nhất đối với các bước sóng gần với b−ớc sóng Bragg λB, b−ớc sóng nμy có quan hệ với chu kỳ Λ của b−ớc nhăn (gọi lμ chu kỳ cách tử) nh− sau:
k ne
B
= 2 Λ
λ (3-20)
với ne lμ chỉ số chiết suất hiệu dụng của mode vμ k lμ cấp của cách tử. Các cách tử bậc đầu tiên (k =1) cho sự ghép mạnh nhất, nh−ng đôi khi cách tử bậc hai lại đ−ợc sử dụng, vì chu kỳ nhăn lớn hơn của nó tạo điều kiện dễ dμng trong chế tạo. Các laser dựa trên cấu trúc nμy cho đặc tính hoạt động mode dọc đơn khá tốt, ít nhạy cảm với nhiệt độ vμ dòng điều khiÓn.
Hình 3.20. Các cấu trúc laser sử dụng cách tử hốc cộng h−ởng lựa chọn tần số.
Vùng bơm (tích cực) Γ
ChÊt nÒn Líp dÉn n-GaAlAs
Líp giam p-GaAlAs Líp dÉn sãng thụ động p-GaAlAs Líp tÝch cùc p-GaAs Líp giam n-GaAlAs
a) Laser phản hồi phân bố DFB
Vùng bơm
ChÊt nÒn Líp dÉn n-GaAlAs Líp giam p-GaAlAs
Líp dÉn sãng thụ động p-GaAlAs Líp tÝch cùc p-GaAs Líp giam n-GaAlAs Vùng
thụ động
Vùng thụ động
Lớp phản xạ Bragg
b) Laser phản xạ phân bố Bragg DBR
c) Laser phản xạ phân bố DR
Vùng tích cực Γ
ChÊt nÒn Líp dÉn n-GaAlAs
Líp giam p-GaAlAs Líp dÉn sãng thụ động p-GaAlAs Líp tÝch cùc p-GaAs Líp giam n-GaAlAs Vùng thụ động
Trong loại laser phản hồi phân bố (DFB- Distributed-Feedback), cách tử để chọn bước sóng bao phủ toμn bộ vùng tích cực. Hình 3.21 lμ các mode dμi của laser DFB lý t−ởng, các mode nμy được đặt đối xứng nhau qua λB ở bước sóng λ được cho như sau:
) 2 ( 1 2
2
+
±
= m
L ne e
B B
λ λ
λ (3-21)
ở đây, m = 0,1,2... lμ cấp mode vμ Le lμ bước sóng cách tử hiệu dụng. Biên độ của các mode phát laser cấp cao hơn bị giảm một cách đáng kể so với biên độ bậc 0. Mode cấp
đầu tiên (m =1) thường có biên độ giảm hơn 30 dB so với biên độ của mode cấp 0 (m=0).
Cách tử của laser DFB đ−ợc khắc vμo một trong các lớp để tạo ra chỉ số chiết suất thay
đổi theo chu kỳ. Nhìn chung người ta tránh khắc cách tử trực tiếp vμo lớp tích cực vì nó có thể lμm tăng mức độ tái hợp không bức xạ. Về mặt lý thuyết, laser DFB có lớp chống phản xạ ở hai đầu -hai mode bậc 0 ở hai bên của bước sóng Bragg có hệ số khuếch đại giống nhau vμ nếu cấu trúc hoμn toμn đối xứng thì hai đỉnh nμy đồng thời đ−ợc phát. Nh−
vậy để laser lμm việc ở chế độ đơn mode, đặc tính cộng hưởng lμ không đối xứng. Muốn vậy có thể dịch cách tử đi khoảng 1/4 hoặc đơn giản hơn lμ sử dụng lớp vỏ phản xạ cao ở một đầu vμ đầu kia lμ lớp chống phản xạ [27].
Đối với laser phản xạ phân bố Bragg DBR (Distributed-Bragg Reflector), các cách tử
được đặt ở các đầu của các lớp tích cực của laser để thay thế cho các gương được dùng trong hốc cộng h−ởng Fabry-Perot (hình 3.20b). Còn laser phản xạ phân tán DR (Distributed-Reflector) gồm có các bộ phản xạ phân tán tích cực vμ thụ động (Hình 3.20c). Cấu trúc nμy cải thiện đ−ợc các đặc tính phát laser của laser DFB vμ DBR thông thường, hoạt động có hiệu quả cao, công suất đầu ra lớn.
Hình 3.21. Phổ đầu ra đ−ợc phân bố đối xứng qua λB trong laser DFB lý t−ởng.
m = 2 m = 1 m = 0 m = 0 m = 1 m = 2
B−íc sãng
Biên độ t−ơng đối >30 dB
λB λ2B 2neLe