Luận văn Nghiên cứu một số đặc trưng cơ bản của taper laser diode công suất cao vùng 670nm

o 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 dòng ngƣỡng phát laser. Nói chung, dòng 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: Vế bên phải bao gồm mất mát nội int với các cơ chế đã nói ở trên, trong đó vai trò 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 = 10 5 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 50- 300 nm đƣợc đặt vào giữa hai hai lớp phủ của bán dẫn khác. Ở nhiệt độ phòng, laser diode chuyển tiếp dị thể có mật độ dòng ngƣỡng giảm hai bậc (Jth = 10 3 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. ( 1.10) 12 - 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 mô 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 công nghệ nhƣng lại có ƣu điểm lớn là tiêu tán nhiệt tốt hơn, đặc biệt thích hợp cho các laser bán dẫn công 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 không biến dạng (phù hợp hằng số mạng). Các laser giếng lƣợng tử lớp biến dạng có một số ƣu 13 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 công suất cao. Thêm vào đó, bƣớc sóng phát xạ có thể xác định không 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 khuôn 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 toán 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 14 kiện tin cậy một số tính chất của laser phải tƣơng đƣơng với các linh kiện công suất thấp làm việc trong điều kiện dòng 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 công 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 quá 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 dòng điện kích chạy qua laser diode và hiệu điện thế trên chuyển tiếp. Từ hình vẽ ta thấy dòng 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 dòng giảm đi. Điều này chứng tỏ điện trở của laser là phi tuyến và nó phụ thuộc vào dòng kích. Khi chƣa có điện áp phân cực thì điện trở của laser diode giảm xuống rất nhỏ. Hình 1.7 .Đặc trưng I-V của laser bán dẫn V O VF I 15 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 dòng bơm nhƣ sau: (I - Ith) [ ] (1.11) Trong đó: 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 dòng ngƣỡng cố định và mất mát không đáng kể thì công suất laser phát ra trên ngƣỡng thay đổi gần nhƣ tuyến tính (hình). Đây là đặc tính của laser diode nói chung và laser công suất cao nói riêng. Hình 1.8. Đặc trưng công suất bức xạ phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn công 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/vf). Do độ dài buồng cộng hƣởng lớn hơn nhiều lần bƣớc sóng phát của laser nên laser sẽ ∆P ∆I Ith P 0 Dòng bơn I 16 phát nhiều mode dọc. Khoảng cách ∆ giữa các mode tỉ lệ nghịch với độ dài buồng cộng hƣởng L nên khi giảm độ dài buồng cộng hƣởng thì ta sẽ có laser đơn mode. Dƣới chế độ ngƣỡng, bức xạ phát ra là sự phát với độ rộng phổ cỡ 30 nm. Khi gần đến dòng ngƣỡng, phổ bức xạ laser hẹp đi đáng kể và bao gồm vài mode dọc. Trên dòng ngƣỡng, cùng với việc tăng vọt công suất phát do bắt đầu bức xạ laser, độ rộng phổ bức xạ thu hẹp hẳn lại. Các mode dọc gần với đỉnh của khuếch đại thì tăng về công suất, còn cƣờng độ các mode bên thì bão hòa. Một thông số quan trọng để mô tả sự đơn sắc (độ sạch phổ) của laser bán dẫn là tỉ số nén mode SMSR (side mode suppression ratio). Nó đƣợc xác định bởi tỉ số giữa công suất của mode chính và công suất của mode bên mạnh nhất. Nhiều ứng dụng thực tế đòi hỏi giá trị SMSR phải đủ lớn (lớn hơn 30dB). Ngày nay cơ chế phản hồi phân bố và cơ chế buồng cộng hƣởng kép đã đƣợc sử dụng để tăng giá trị SMSR và tạo ra các laser đơn mode dọc, điều này có ý nghĩa quan trọng trong hệ thông tin cáp quang. Mặt khác độ rộng phổ của laser đơn mode cũng đƣợc quan tâm trong các ứng dụng thực tế. Thậm chí ngay cả khi laser làm việc ở chế độ bơm đơn mode dọc, các thăng giáng lƣợng tử liên quan đến các quá trình bức xạ tự phát dẫn đến mở rộng vạch laser. Độ rộng thƣờng nằm trong khoản 10 ~ 100 MHz và giảm khi công suất laser tăng. Ngƣỡng phát laser đạt đƣợc khi hệ số khuếch đại của đơn mode dọc gần đỉnh đƣờng bao khuếch đại nhất và bằng hệ số mất mát. Mode ở gần đỉnh của phổ khuếch đại là mode trội nhất. Trong các điều kiện tiêu chuẩn, các mode khác sẽ không đạt đến ngƣỡng phát do khuếch đại của chúng luôn nhỏ hơn khuếch đại của mode chính. 1.3.3. Đặc trưng tính chất chùm tia Để đánh giá thông số và chất lƣợng chùm tia, công suất quang của chùm P và kích thƣớc của vết hội tụ là thông số quan trọng nhất của laser. Diện tích phân bố mật độ công suất có thể đƣợc tính qua độ rộng dx và dy của chùm [3]. yxddarea 4   (1.13) Độ rộng chùm hội tụ, 0xd , 0yd phụ thuộc vào khả năng hội tụ của chùm hay góc phân kỳ x và y của ánh sáng. Độ rộng của chùm có thể đƣợc đo sử dụng phƣơng pháp quét khe hẹp (slit method) hoặc phƣơng pháp phân tích ảnh sử dụng camera CCD (caustic method) [3]. 17 Bằng phƣơng pháp gần đúng ta nhận đƣợc thông số tích của chùm tia nhƣ sau: xxx dQ  0 4 1 (1.14) Thông số tích này không thay đổi khi chùm laser lan truyền qua một môi trƣờng quang học. Giá trị góc phân kỳ x bị giới hạn bởi khẩu độ số của hệ thống hội tụ quang. Nếu thông số tích và độ rộng nhỏ nhất của chùm đƣợc biết ta có thể tính góc phân kỳ theo công thức trên. Ngƣợc lại độ rộng chùm lớn nhất của chùm tia song song phụ thuộc vào khẩu độ số khi ra khỏi hệ thống quang. Góc phân kỳ nhỏ nhất x có thể tính theo công thức trên. Vậy thông số tích của chùm là thông số đánh giá khả năng hội tụ và song song của chùm tia. Trong các loại chùm, chùm Gauss có thông số tích nhỏ nhất ở cùng một bƣớc sóng. Ta chuẩn hóa thông số tích của một chùm tới thông số tích của một chùm Gauss ở cùng bƣớc sóng [20]. xx Gaussx x x d Q Q M  0 2 4  (1.15) Thông số tích chuẩn hóa đƣợc gọi là hệ số phẩm chất 2M của chùm tia. Trƣờng hợp lý tƣởng M2 = 1 ta có chất lƣợng chùm tia là tốt nhất. Các thông số tích của chùm tia theo hƣớng x và y, và công suất chùm đƣợc dùng để tính độ chói của chùm: 2222 00 2 16 yxyxyxyx MM P QQ P dd P B     (1.16) Với những chùm tia có độ rộng chùm tia nhỏ nhất 0xd , 0yd ở cùng vị trí trục z thì mật độ công suất trung bình khi hội tụ tỉ lệ với độ chói của chùm: yx yx B dd P area P  4 4 00   (1.17) Mật độ công suất đƣợc định nghĩa là công suất aP tác động lên vùng diện tích vô cùng nhỏ: a P aI a)0lim(  (1.18) Từ định nghĩa này ta thấy rõ ràng là mật độ công suất phụ thuộc vào sự định hƣớng của phần diện tích trong không gian. Phân bố công suất theo mặt phẳng vuông góc với trục chùm có thể đƣợc tính toán theo phân bố Wigner [4]. 18 yxyx ddyxDWyxyxyxI  ),,,(),,,(),(  (1.19) Công suất chùm là công suất theo mặt phẳng vuông góc với trục:  yxz ddzyxIP ),,( (1.20) Phân bố mật độ công suất cách xa nguồn phát chùm có thể đƣợc diễn tả bởi sự phân bố công suất của chùm theo góc. Nó đƣợc gọi là phân bố trƣờng xa. Phân bố trƣờng xa của chùm có thể đƣợc tính từ phân bố Wigner.  yxyxyxff ddyxWDI ),,,(),(  (1.21) Chùm tia đƣợc phân loại dựa trên sự truyền của độ rộng chùm qua các hệ thống quang đối xứng [19, 13,14, 15]. Một chùm tia với đƣờng bao phân bố mật độ công suất theo hƣớng x và hƣớng y, yx dd  , theo tất cả mặt phẳng ngang của đƣờng truyền đƣợc gọi là đối xứng (stigmatic). Một chùm có độ rộng chùm theo hƣớng x và hƣớng y không bằng nhau và hƣớng của trục chính không thay đổi theo phƣơng truyền trong không gian đƣợc gọi là astigmatic (loạn thị) đơn. Tất cả các dạng chùm khác đƣợc gọi là chùm tổng quát astigmatic, trong hầu hết các trƣờng hợp này chùm thay đổi trục của nó theo phƣơng truyền. 19 CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Laser bán dẫn taper công suất cao phát bức xạ vùng sóng 670 nm. 2.1.1. Phương pháp và kỹ thuật chế tạo cấu trúc, hình dạng chip laser bán dẫn vùng 670nm Chúng tôi sử dụng laser bán dẫn công suất cao dạng taper phát ở vùng bƣớc sóng 670 nm. Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn đƣợc chế tạo bằng công nghệ epitaxy pha hơi lắng đọng thành phần kim loại, hữu cơ MOVPE (Metalorganic Vapor Phase Epitaxy). Các lớp vật liệu bán dẫn của cấu trúc laser mô tả nhƣ trên hình 2.1. Lớp tích cực của chip laser là một giếng lƣợng tử đơn GaInP nằm giữa các lớp dẫn sóng AlGaInP. Lớp vỏ (cladding) phần pha tạp loại n sử dụng vật liệu AlInP, trong khi phần pha tạp loại p lại sử dụng vật liệu AlGaAs. Lớp vỏ AlGaAs này có ƣu điểm là giúp tăng nồng độ hạt tải và cho phép thay thế tạp kẽm (Zn) loại p bằng tạp các bon (C) với nồng độ pha tạp cao hơn. Cấu trúc epitaxy này của chip laser bán dẫn 670 nm đƣợc nuôi trên đế đơn tinh thể GaAs, dạng phiến có đƣờng kính 3, 4 inh. Phiến chứa cấu trúc laser này sẽ đƣợc đƣa vào công đoạn xử lý (quang khắc, ăn mòn) để tạo cấu trúc hình học của lase. Sau khi các laser đã hình thành cấu trúc hình học trên phiến. Phiến bán dẫn có cấu trúc laser này phủ kim loại lên cả hai mặt làm điện cực (Ni/Ge/Au – Ti/Pt/Au) phiến này cắt thành các thanh rộng bằng chiều dài buồng cộng hƣởng của lase, sau đó các thanh phủ lớp chống phản xạ tạo gƣơng cho mặt trƣớc và sau của lase. Các thanh cắt thành chíp lase đơn trƣớc khi đƣa vào đóng gói laser sẽ mô tả ở mục 2.1.2 Hình 2.1. Cấu trúc epitaxy của chip laser bán dẫn 670 nm 2.1.2. Phương pháp và kỹ thuật đóng gói, chế tạo mẫu laser công suất cao 670 nm Chíp laser diode đƣợc hàn lên một đế đồng vừa để định vị vị trí của chíp laser vừa để tản nhiệt cho nó. Chíp laser đƣợc hàn ở giữa đế đồng sao cho mặt phát bức xạ của chíp phải nằm sát mép và song song với mặt thẳng đứng của đế để tránh Mặt tiếp xúc Phần dẫn sóng Miền tích cực Phần dẫn sóng Đế Lớp vỏ 20 bị ảnh hƣởng của cạnh đế lên bức xạ laser. Đế kim loại đƣợc chế tạo từ đồng đỏ, bề mặt đƣợc mài và đánh bóng, sau đó đƣợc phủ bằng một lớp In bằng phƣơng pháp bốc bay chân không. Chíp laser diode đƣợc hàn ở giữa tấm đồng, nhƣng một mặt buồng cộng hƣởng phải song song với mặt đứng của tấm đồng và phải nằm sát mép của tấm đồng để tránh bị ảnh hƣởng của cạnh tấm đồng lên chùm laser. Bên cạnh chíp laser diode là một tấm cách điện (có thể là Si có điện trở lớn hoặc Si tan cách điện) một mặt đƣợc hàn xống tấm đồng mặt kia đƣợc phủ công tắc vàng. Trên công tắc này có các dây vàng ɸ = 25µm đƣợc hàn với laser diode bằng công nghệ hàn ép nhiệt. Đầu kia của dây vàng hàn lên mặt tấm cách điện, đã có phủ một lớp vàng dùng làm điện cực phụ cũng với công nghệ hàn tƣơng tự. Trên tấm điện cực phụ có hàn phiến điện cực nối ra điện cực ngoài nhƣ hình 2.2. Hình 2.2: Mô hình chíp laser được hàn trên đế đồng Tất cả các quy trình hàn: Hàn đế laser lên đế tản nhiệt, hàn đế tản nhiệt vào vỏ, hàn điện cực laser và đóng vỏ laser đều đƣợc thực hiện trong môi trƣờng sạch. Với điều kiện này, các lớp vật liệu không bị oxi hóa khi hàn ở nhệt độ cao (ở 1800) đảm bảo sự kết dính giữa các linh kiện cần hàn, đảm bảo sự tản nhiệt cho laser và tăng tuổi thọ cho linh kiện. Tất cả các chíp laser trƣớc khi đƣa vào đóng vỏ qua các khâu kiểm tra sau: - Độ sạch của hai mặt buồng cộng hƣởng (trƣớc và sau). - Đo điện trở thuận Rth. - Đo điện trở nghịch Rng thƣờng thì giá trị này phải có Rng vô cùng lớn. Cấu trúc hình học của chip laser bán dẫn cấu tạo nhƣ mô tả trên hình 2.3 chip có độ dài tổng cộng 2 mm, trong đó, phần dẫn sóng chiết suất dạng gò (ridge- wave guide) có độ dài 0,75 mm và phần taper khuếch đại quang có độ dài 1,25 mm. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hai loại laser taper với góc mở của taper () là 3o và 4o. Chíp laser Dây vàng Tấm cách điện Đế đồng 21 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 Hình 2.4 : Một số cấu hình đóng gói laser taper 2.1.3. Các thông số kỹ thuật chính của laser taper được nghiên cứu Cấu trúc hình học của chip laser bán dẫn cấu tạo nhƣ mô tả trên Hình 2.3: chip có độ dài tổng cộng 2 mm, trong đó, phần dẫn sóng chiết suất dạng gò (ridge- wave guide) có độ dài 0,75 mm và phần taper khuếch đại quang có độ dài 1,25 mm. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng hai loại laser taper với góc mở của taper () là 3o và 4o. Mặt trƣớc laser (mặt phát) đƣợc phủ lớp chống phản xạ với hệ số phản xạ Rf ~ 1%, mặt sau laser đƣợc phủ màng phản xạ cao với hệ số phản xạ Rf ~ 95%. Công suất của laser này từ 0,5W cho đến 1W. Ví dụ thông số kỹ thuật của laser teper Bảng 2.1: Giá trị giới hạn của laser taper Tham số Ký hiệu Đơn vị min max Dòng thuận IF A 1,2 Thế ngƣợc VR V 0 Công suất ra Popt W 0.6 Bảng 2.2: Thông số hoạt động tối ƣu của laser taper Tham số Ký hiệu Đơn vị min max Nhiệt độ TC 0C 5 40 Dòng thuận IF A 1.0 Công suất ra Popt W 0.5 Ánh sáng laser 22 Bảng 2.3: thông số kỹ thuật của laser Teper ở 250C Tham số Ký hiệu Đơn vị min typ max Bƣớc sóng trung tâm λC nm 665 670 675 Độ rộng đạt đƣợc ∆λ nm 3 Hệ số biến đổi bƣớc sóng dλ/dT nm/K 0,25 Công suất ra với dòng 1A Popt W 0,5 2.2. Hệ ổn định và điều khiển nhiệt độ làm việc cho laser bán dẫn công suất cao Nhiệt độ có ảnh hƣởng rất lớn tới các đặc trƣng, hiệu suất và thời gian sống của laser. Để laser hoạt động ổn định, đảm bảo hiệu suất và sử dụng lâu dài, ta phải đảm bảo cho laser hoạt động ở một nhiệt độ ổn định. Chính vì vậy bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn là rất cần thiết. Có rất nhiều phƣơng pháp ổn định nhiệt độ cho laser hoạt động. Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày về bộ ổn định nhiệt độ sử dụng peltier-làm mát nhiệt điện TEC (thermo-electric cooling) 2.2.1. Nguồn nuôi và điều khiển pin Peltier Nguồn sử dụng trong hệ đo là nguồn Thorlabs ITC4005. Đây là thiết bị vừa cấp đƣợc dòng cho laser và có hệ thống điều khiển dòng cho peltier. Phần cấp dòng cho laser có công suất 50W, điện áp cao nhất 10V, dòng bơm tối đa 5A. Bƣớc chia nhỏ nhất 1mA với sai số 1%. Bên cạnh đó thiết bị còn làm việc đƣợc ở 2 chế độ liên tục và xung. Ở chế độ xung cho phép điều khiển độ rộng xung từ 1 đến 100%, tần số từ 1 đến 1MHz. Phần cấp dòng của thiết bị tƣơng thích với tất cả các laser bán dẫn và các cấu hình photodiode giám sát có chế độ dòng điện liên tục (constant current) hoặc công suất không đổi (constant power). Thiết bị có chế độ chống quá áp, quá dòng, chống ngƣợc cực nên rất an toàn khi sử dụng với laser bán dẫn. Phần điều khiển nhiệt độ của thiết bị tƣơng thích với hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến, và thích nghi với các tải nhiệt khác nhau thông qua bộ điều khiển PID kỹ thuật số. Nó cung cấp chức năng tự động điều chỉnh PID hoặc điều khiển riêng các thông số P, I và D. Ổn định nhiệt độ với sai lệch 0,002°C trong khoảng thời gian 24 giờ. Hình 2.5 là nguồn Thorlabs ITC4005 23 Hình 2.5: Nguồn nuôi laser ITC4005. 2.2.2. Hệ pin nhiệt điện và đế tỏa nhiệt cho laser công suất cao Nguyên tắc hoạt động của hệ pin nhiệt điện nhƣ sau: - Tại mặt tiếp giáp lạnh, năng lƣợng (nhiệt) đƣợc hấp thu bởi điện tử khi chúng chuyển từ mức năng lƣợng thấp trong thành phần bán dẫn loại p tới một mức năng lƣợng cao hơn trong thành phần bán dẫn loại n. - Nguồn nuôi cho pin lạnh cấp một năng lƣợng để chuyển rời điện từ qua hệ thống. - Tại mặt tiếp giáp nóng, năng lƣợng đƣợc tiêu tán trên tấm tỏa nhiệt khi điện tử chuyển rời từ thành phần có mức năng lƣợng cao (loại n) tới thành phần có mức năng lƣợng thấp (loại p). Hình 2.6: Pin nhiệt điện Peltier Nguyên tắc đo nhiệt độ một hệ thống làm lạnh TEC sử dụng một cặp nhiệt điện tiêu chuẩn. Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau về bản chất hóa học và đƣợc hàn với nhau ở hai đầu, điển hình là đồng - constantan, theo cách này hai tiếp giáp đƣợc tạo thành. Một tiếp giáp đƣợc giữ tại nhiệt độ tham chiếu, trong khi tiếp giáp còn lại đƣợc gắn tới vật đƣợc đo. Hệ thống đƣợc sử dụng khi hở mạch tại một điểm nào đó và điện áp sinh ra đƣợc đo. Ngƣợc lại, ta tƣởng tƣợng có một 24 năng lƣợng điện đƣợc đặt vào một cặp tiếp giáp trên cố định làm cho một tiếp giáp trở nên lạnh trong khi tiếp giáp còn lại trở nên nóng. Pin nhiệt điện (hình 2.6) đƣợc làm từ hai thành phần bán dẫn, cơ bản là Bismuth Telluride, đƣợc pha tạp mạnh để tạo ra hoặc là thừa điện tử (loại n) hoặc là thiếu điện tử (loại p). Nhiệt hấp thu tại mặt lạnh đƣợc bơm tới mặt nóng tại một tốc độ tƣơng ứng với dòng qua mạch và số cặp nhiệt điện. Nhƣ vậy, thiết bị làm lạnh nhiệt điện là dựa trên hiệu ứng Peltier, mà sự chênh lệch nhiệt độ ΔTmas đƣợc tạo ra giữa những bề mặt của những vật liệu khác nhau cấu thành nên một pin Peltier khi một dòng điện Imax chạy qua chúng. Thêm vào đó, nếu tồn tại một vật tỏ