Luận văn Nghiên cứu tính chất quang điện và phổ của laser bán dẫn công suất cao dfb 780 nano mét phụ thuộc độ dài buồng cộng hưởng

NG Bảng 2.1: Giá trị độ rộng vạch phổ tương ứng tại các mức cường độ tương đối từ hàm dạng Voigt ............................................................. 9  Bảng 3.1: Laser bán dẫn DFB 780 nm sử dụng trong luận văn. ....... 10  Bảng 3.2: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm. ........................................................... 11  Bảng 3.3: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm. .............................................................. 12  iii  DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả các điện tử trong bán dẫn vùng cấm thẳng Vùng dẫn cách vùng hóa trị một khe năng lượng Eg .......... 2  Hình 1. 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn ......................................................................................................... 2  Hình 1.9: Sơ đồ của một ống dẫn sóng ba lớp: cấu trúc cơ bản của laser bán dẫn. ........................................................................................ 3  Hình 1.11: Cấu Hình của laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot. .......................................................................................... 4  Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố theo chiều ngang Ix.. ........................................................... 4  Hình 1.13: Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn ......................................................................................... 5  Hình 1.14: Đặc trưng I-V của một laser .............................................. 5  Hình 1.16: Phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới ngưỡng (a), gần ngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d). .............. 6  Hình 2.1: Mô Hình cấu trúc laser DFB 780. ....................................... 7  Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ thí nghiệm khảo sát đặc trưng quang điện ở chế độ liên tục. ............................................................................ 8  Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ của laser bán dẫn công suất cao. ......................................................................................................... 8  Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ của laser. ...................................................................................................... 9  Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs về tần số ν  trong hệ đo self-delayed-heterodyne. .................................................... 9  Hình 3.1: Đặc trưng PUI của laser L1501 ở nhiệt độ 25oC .............. 11  iv  Hình 3.4: Đặc trưng PUI của laser L3001 ở nhiệt độ 25oC .............. 12  Hình 3.7: Phổ laser L1501 tại công suất quang 100 mW. ................. 13  Hình 3.8: Bản đồ phổ của laser L1501 với bước thay đổi dòng là 10 mA. ....................................................................................................... 13  Hình 3.11: Bản đồ phổ của laser L3001 phụ thuộc dòng bơm. ......... 14  Hình 3.14:  Độ rộng phổ của laser L1501 buồng cộng hưởng 1,5 mm (chấm tròn đỏ) và laser L3001 buồng cộng hưởng 3 mm (chấm vuông xanh) phụ thuộc công suất. ....................................................... 15  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt  Tiếng anh  Tiếng việt  DBR    Phân bố phản xạ Bragg.  DFB laser  Distributed feedback laser  Laser phản hồi phân bố.  FWHM  Full Width at Half Maximum  Toàn độ rộng ở nửa cực đại  LASER  Light Amplification by  Stimulated Emission of  Radiation  Khuếch đại ánh sáng bằng phát  xạ cưỡng bức.  LEDs  Light – Emitting Diodes  Đi ốt phát quang.  RW  Ridge Waveguide  Ống dẫn sóng gò.  UV  Ultra Violet  Tia cực tím  1  MỞ ĐẦU   Laser  có  trong  rất  nhiều  ứng  dụng  trong  đời  sống  cũng  như  trong  nghiên  cứu như ghi dữ  liệu,  máy  in  laser,  máy quét mã vạch,  truyền dẫn  thông  tin, gia  công vật liệu, y tế, phẫu thuật thẩm mỹ. Trong quân đội laser được dùng để đánh  dấu,  đo  khoảng  cách  và  tốc  độ  của  mục  tiêu.  Trong  giải  trí  laser  được  sử  dụng  trong các sân khấu như hòa âm ánh sáng. Laser phát xạ ở bước sóng 780 nm do đó  cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong quang phổ phân giải cao,  làm lạnh bằng laser, đo lường quang học Tuy  nhiên  với  các  laser  hiện  nay  như  các  laser  rắn  hoặc  khí  có  nhân  tần  hoặc laser buồng cộng hưởng ngoài việc đưa vào ứng dụng trong các lĩnh vực  này gặp khó khăn do kích thước, trọng lượng còn khá lớn, cơ cấu phức tạp. Với những thách thức trên, laser bán dẫn công suất cao phản hồi phân bố  (Distributed feedback laser: DFB laser) là một lựa chọn thay thế hoàn hảo do kích  thước gọn nhỏ, hiệu suất quang điện cao, độ tin cậy cao.    Do  đó đề tài được chọn: “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN VÀ PHỔ CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB 780 NANO MÉT PHỤ THUỘC ĐỘ DÀI BUỒNG CỘNG HƯỞNG”   Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong ba chương của luận văn như sau:   Chương 1: Các nguyên lý cơ bản của laser bán dẫn và tính chất quang điện và phổ  của laser bán dẫn công suất cao DFB  Chương 2: Phương pháp, kỹ thuật thực nghiệm để đo và tính toán các thông số cơ  bản của laser bán dẫn.  Chương 3: Các đặc trưng và tính toán các thông số của laser công suất cao và kết  luận.  Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO DFB 1.1. Laser bán dẫn – nguyên lý cơ bản [13] 1.1.1. Cơ chế hấp thụ và phát xạ trong laser bán dẫn   Laser rắn và laser khí  thông thường có các mức năng lượng biểu diễn bởi  các vạch hẹp là các mức năng lượng của các nguyên tử riêng biệt. Trong bán dẫn,  các mức năng lượng được mở rộng thành vùng năng lượng do sự chồng phủ của  các quỹ đạo nguyên tử. Với bán dẫn không pha tạp và khi không có bất kỳ sự kích  2  thích từ bên ngoài nào, ở nhiệt độ T = 0 K, vùng năng lượng trên cùng được gọi là  vùng  dẫn  và  trống  hoàn  toàn,  vùng  năng  lượng  bên  dưới  vùng  dẫn  được  gọi  là  vùng hóa trị và được lấp đầy hoàn toàn bởi các điện tử. Vùng dẫn và vùng hóa trị  cách nhau một khe năng lượng có giá trị Eg = 0,5-2,5eV cho vật liệu bán dẫn làm  laser.  Hình 1.1: Cấu trúc vùng E(k) cuả các điện tử trong bán dẫn vùng cấm thẳng. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một khe năng lượng Eg.   Với  một  mức  năng  lượng  photon  cố  định   chỉ  có  hai  mức  năng  lượng  riêng biệt E1kvà E2kvì sự chuyển mức chỉ có thể xảy ra ở cùng véc tơ sóng k như trong Hình 1.1. Trong bán dẫn có ba dạng của bức xạ vùng – vùng được minh  họa trong Hình 1.2.   Hình 1. 2: Sự chuyển mức phát xạ vùng – vùng trong vật liệu bán dẫn -  Sự  hấp  thụ,  cũng  được  gọi  là  hấp  thụ  kích  thích,  là  quá  trình  thứ  nhất   minh họa trong Hình 1.2. Một photon được hấp thụ và một cặp điện tử - lỗ trống  được phát sinh.   - Quá trình thứ hai được gọi là phát xạ tự phát.    - Quá trình thứ ba là phát xạ cưỡng bức - cảm ứng. Một sự tái hợp của cặp  điện tử - lỗ trống được kích thích bởi một photon và một photon thứ hai được sinh  3  ra đồng thời có cùng hướng và pha như photon thứ nhất (cảm ứng). Quá trình này  có thể được sử dụng để khuếch đại bức xạ quang, vì các photon được phát ra hoàn  toàn giống photon kích thích về tần số, pha, phân cực và hướng, kết quả là ta có  phát xạ có tính kết hợp. Nguồn ánh sáng dựa trên quá trình phát xạ này cùng với  thành  phần  phản  hồi  quang  (ví  dụ  buồng  cộng  hưởng  Fabry-Perot)  được  gọi  là  laser, viết tắt của “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. 1.1.2. Các thành phần cơ bản của laser bán dẫn Laser bán dẫn phải được cấu thành từ các thành phần không thể thiếu dưới đây:   Một môi trường tạo ra sự khuếch đại quang bởi phát xạ kích thích.     Một dẫn sóng quang để giam giữ các photon trong miền tích cực của linh kiện.   Một buồng cộng hưởng tạo ra sự hồi tiếp quang.   Sự giam giữ dòng bơm vào, các hạt tải và các photon theo chiều ngang cần thiết  cho hoạt động đơn mode ngang (mode không gian) cơ bản.  1.1.3. Khuếch đại quang và điều kiện ngưỡng   Trong laser bán dẫn sự khuếch đại quang đạt được trong vật liệu lớp tích cực.  Trong trường hợp này, sự tăng theo hàm mũ của cường độ sóng quang có thể được  diễn  tả bởi một giá  trị âm của tương ứng với hệ số khuếch đại quang g .  Trong dẫn sóng quang, chỉ một phần cường độ của mốt quang nằm trong vùng tích  cực mà thông thường nằm ở trong lõi của dẫn sóng quang.   1.1.4. Dẫn sóng và buồng cộng hưởng [13]   Laser bán dẫn hoạt động đòi hỏi một điều kiện quan trọng, cụ thể là dẫn  sóng của sóng quang học trong miền tích cực. Đơn giản là theo hướng thẳng đứng,  dẫn sóng dựa trên tổng số phản xạ nội của sóng quang tại hai giao diện theo luật  của Snell, xem Hình 1.9.  Hình 1.9: Sơ đồ của một ống dẫn sóng ba lớp. [13]   Điều kiện cuối cùng được đề cập liên quan tới dao động laser là điều kiện  buồng  cộng  hưởng.  Hầu  như  tất  cả  các  buồng  cộng  hưởng  laze  bán  dẫn  có  thể  4  được  xem  như  buồng  cộng  hưởng  Fabry-Perot.  Buồng  cộng  hưởng  Fabry-Perot  bao gồm hai gương được song song với nhau. Đối với laser bán dẫn để hai gương  song song dựa trên việc tách các mặt của tinh thể bán dẫn một cách hợp lý. Các  mặt của laser bán dẫn được phủ với độ phản xạ cao ở phía sau và với độ phản xạ  thấp ở mặt trước sao cho phù hợp với tỉ lệ công suất hiệu dụng của hệ laser. Cấu  hình của một laser bán dẫn được dựa trên buồng cộng hưởng Fabry-Perot được thể  hiện trong Hình 1.11.  Hình 1.11: Cấu hình của laser bán dẫn sử dụng buồng cộng hưởng Fabry-Perot.  1.2. Laser bán dẫn công suất cao DFB   Trọng tâm của phần này nêu một số đặc điểm cơ bản của laser DFB (laser  phản hồi phân bố) bằng việc đưa vào buổng cộng hưởng một cách tử lọc lựa bước  sóng. Trong  laser  DFB  phản hồi quang không được  bố  trí  ở  các  mặt  gương mà  được phân bố trong suốt chiều dài buồng cộng hưởng. Do có cách tử trong buồng  cộng hưởng đã làm thay đổi cơ chế lọc lựa mode. Hình 1.12 cho thấy cấu trúc điển  hình của một laser bán dẫn DFB với một cách tử Bragg nằm ngoài vùng tích cực.  Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc laser DFB tích hợp cách tử Bragg, cường độ phân bố theo chiều ngang Ix. [17]    Phản hồi quang xảy ra dựa trên nguyên lý nhiễu xạ Bragg, khi kết hợp các  sóng truyền theo hai hướng từ phía trước và phía sau. Cơ chế chọn lọc mode dọc  tuân theo điều kiện Bragg.  5  1.3.Các đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao DFB 1.3.1. Đặc trưng quang điện a. Đặc trưng công suất bức xạ phụ thuộc dòng bơm (P –I) Đặc  trưng  công  suất  quang  –  dòng  bơm  (P-I)  của  laser  biểu  diễn  sự  phụ  thuộc vào dòng bơm của công suất quang lối ra. Thông qua đường đặc trưng này  ta có thể xác định được nhiều thông số cũng như các tính chất quan trọng của laser  và  module  laser  :  dòng  ngưỡng,  hiệu  suất  độ  dốc  hay  hiệu  suất  biến  đổi  quang  điện đồng thời làm sáng tỏ một số vấn đề về công nghệ chế tạo. Hình1.13 mô tả  đặc trưng công suất quang đầu ra của laser bán dẫn phụ thuộc dòng bơm.  Hình 1.13: Đặc trưng công suất quang phụ thuộc dòng bơm của laser bán dẫn b. Đặc trưng dòng thế ( I –V)   Đặc  trưng  dòng  thế  (I-V)  là  đường  biểu  diễn  mối  quan hệ  giữa dòng điện  kích chạy qua laser bán dẫn và điện thế đặt trên chuyển tiếp. Từ Hình 1.14 ta thấy  với dòng kích rất nhỏ, điện thế tăng rất nhanh và khi đạt đến mức điện thế phân  cực thuận đặt  trên chuyển tiếp laser thì  tốc độ tăng của thế so với dòng giảm đi.  Điều này chứng tỏ điện trở laser là phi tuyến và nó phụ thuộc vào dòng kích. Khi  chưa có điện áp phân cực thì điện trở laser rất lớn. Còn khi đã đạt tới điện áp phân  cực thuận thì điện trở của laser bán dẫn giảm xuống còn rất nhỏ.  Hình 1.14: Đặc trưng I-V của một laser Vf 6  c. Hiệu suất biến đổi điện quang Hiệu suất biến đổi điện quang ηc là một trong các đặc trưng quan trọng của  laser bán dẫn, cho biết hiệu suất biến đổi công suất điện đầu vào biến đổi  thành  công suất quang ở đầu ra. Hiệu suất biến đổi điện quang phụ thuộc vào nhiều yếu  tố trong đó có phụ thuộc vào công suất và chiều dài buồng cộng hưởng. Có thể đạt  được công suất đầu ra như nhau trong laser bán dẫn với các chiều dài buồng cộng  hưởng khác nhau nhưng hiệu suất biến đổi sẽ khác nhau.  1.3.2.Đặc trưng phổ quang phụ thuộc dòng bơm.   Hình 1.16 mô tả cụ thể phổ quang của một laser bán dẫn Fabry-Perot dẫn  sóng gò ở các giá trị trên và dưới ngưỡng phát laser. Tại các giá trị dòng khác  nhau, phổ quang của laser bán dẫn sẽ có dạng khác  nhau. Bước sóng nm  Bước sóng nm  Bước sóng nm  Bước sóng nm  Hình 1.16: Phổ quang của một laser bán dẫn tại các giá trị dưới ngưỡng (a), gầnngưỡng (b,c) và trên ngưỡng phát laser(d).      - Ở dưới giá trị dòng ngưỡng I << Ith (Hình 1.16a): là vùng laser phát  bức xạ huỳnh quang;      - Gần giá trị dòng ngưỡng I ~ Ith (Hình 1.16b và 1.16c): laser phát siêu huỳnh quang là vùng cạnh tranh giữa bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức     - Trên giá trị dòng ngưỡng I >> Ith (Hình 1.16d): là vùng phát laser;  công suất quang đầu ra tăng tuyến tính với dòng cung cấp;  1.3.3. Độ rộng vạch phổ của laser DFB [13] 7  Chương II. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Công nghệ chế tạo laser bán dẫn công suất cao DFB 780 nm sử dụng trong nghiện cứu [13]   Trong phần này, chúng ta sẽ mô tả một số điểm quan trọng của dây chuyền  công nghệ là cơ sở để chế tạo các laser bán dẫn DFB công suất cao với cấu trúc  ống dẫn sóng gò (RW). Laser nghiên cứu  trong khóa  luận này đòi hỏi các bước  chế tạo sau đây, cụ thế là:   1) Tạo các lớp epitaxy trên nền tinh thể để tạo cấu trúc laser,   2) Xử lí các tấm vật liệu để bắt đầu chế tạo cách tử vào cấu trúc laser bằng quang  khắc(chiều tia UV),   3) Tạo laser ống dẫn sóng gò và kim loại hóa và cuối cùng,   4) Đóng vỏ cho laser.     Dây chuyền công nghệ chế tạo của laser bán dẫn DFB công suất cao chế tạo  chủ yếu là tuân theo các bước trên. Tuy nhiện, việc thực hiện chế tạo cách tử nội  đòi hỏi  một  quá  trình  liên  tục. Sau  bước  cuối  cùng,  cấu  trúc Hình  học  của  một  laser bán dẫn DFB công suất cao có dạng như trong Hình 2.1.  Hình 2.1: Mô Hình cấu trúc laser DFB 780 nm. 2.1.1. Công nghệ tạo các lớp epitaxy và chế tạo cách tử trong laser DFB công suất cao vùng sóng 780 nm 2.1.2. Chế tạo thành laser bán dẫn DFB ống dẫn sóng gò và kim loại hóa 2.1.3. Phủ lớp phản xạ 2.1.4. Đóng vỏ 2.2. Phương pháp đo đặc trưng của laser bán dẫn công suất cao 2.2.1. Đặc trưng công suất, thế phụ thuộc dòng a) Đặc trưng P – I 8  Chúng tôi sử dụng hệ thí nghiệm với các thành phần được mô tả như ở Hình  2.6 để đo công suất phụ thuộc dòng bơm của laser 780 nm phát ở chế độ liên tục.  Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ thí nghiệm khảo sát đặc trưng quang điện ở chế độ liên tục.  b) Đặc trưng I – V   Đặc trưng I – V là đường biểu điện sự phụ thuộc của hiệu điện thế đặt trên  chuyển tiếp laser vào dòng bơm chạy qua nó. Sơ đồ của hệ đo I – V được thể hiện  trên Hình 2.6.   2.2.2. Hệ đo đặc trưng phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB phát vùng sóng 780 nm   Cấu trúc phổ của laser bán dẫn DFB 780 nm được chúng tôi nghiện cứu và  phân tích bằng hệ đo được mô tả theo sơ đồ Hình 2.10.  Hình 2.10: Hệ đo đặc trưng phát xạ của laser bán dẫn công suất cao. 2.2.3. Kỹ thuật đo độ rộng vạch phổ của laser bán dẫn DFB [13] Hệ đo độ rộng vạch phổ của laser được mô tả như Hình 2.12.   9  Hình 2.12: Hệ đo seft-delayed-heterodyne đo độ rộng vạch phổ của laser.   Giả sử laser được đo có tần số νs , sau khi đi qua bộ tách tia, phân đi qua bộ  điều tần, tần số bị dịch chuyển đi một đoạn là (νs - ν).     Tần số trung tâm dịch chuyển về vị trí :   –                                 2.( ) 1IF s s         Hình 2.13: Cơ chế dịch chuyển tần số laser νs về tần số ν trong hệ đo self- delayed-heterodyne.  Bảng 2.1: Giá trị độ rộng vạch phổ tương ứng tại các mức cường độ tương đối từ hàm dạng Voigt. Cường độ tương đối -3dB  -10dB  -20dB  Giá trị tương ứng 2∆ν  9 (2∆ν)  99 (2∆ν)    Độ rộng ∆ν trong trường hợp này phụ thuộc vào thời gian trễ pha giữa hai  pha, hay nói cách khác phụ thuộc vào độ dài sợi quang Lc.  Δ 10  (2.3)gMIN cL        Trong đó g= c/ng  là vận  tốc nhóm của  tín hiệu  laser  truyền  trong sợi quang có  chiết  suất nhóm  ng. Như vậy  với  độ dài  sợi quang 2  km, phương  pháp  này  cho  phép xác định được độ rộng vạch phổ nhỏ nhất xấp xỉ 30 kHz.  Chương III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân loại laser bán dẫn DFB 780 nm Bảng 3.1: Laser bán dẫn DFB 780 nm sử dụng trong luận văn. Laser Rf Rr w (μm) L (mm) Nhóm 1 L1501 0,01% 95% 3,0 1,5 L1502 0,01% 95% 3,0 1,5 L1503 0,01% 95% 3,0 1,5 Nhóm 2 L3001 0.01% 95% 3,0 3,0 L3002 0.01% 95% 3,0 3,0 L3003 0.01% 95% 3,0 3,0 3.2. Tính chất quang điện của laser bán dẫn công suất cao phụ thuộc chiều dài buồng cộng hưởng Chúng tôi  tiến hành đo đạc công suất và thế phụ thuộc dòng bơm của tất cả  các laser ở nhiệt độ 25oC. Hình 3.1 là đặc trưng PUI của laser L1501. Laser được  cấp dòng bơm từ 0 mA đến 400 mA. Ngưỡng phát của laser Ith có giá trị 41 mA.  Trên dòng ngưỡng ta thấy công suất quang phát ra tương đối tuyến tính tăng đều  đến  238  mW  ở  400  mA  (đường  màu  xanh  trên  Hình  3.1).  Từ  đường  đặc  trưng  công suất ta tính được hiệu suất độ dốc từ ngưỡng đến 100 mW là η = 0,79 W/A .  Đường màu đỏ là thế rơi trên chuyển tiếp của laser tăng từ 1,6 V cho đến 2,3 V.  Hiệu suất biến đổi quang điện được thể hiện trên đường màu đen. Hiệu suất đạt giá  trị cao nhất là 30%.  11  0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 100 200 300 0 1 2 3 4 Dßng ®iÖn I (mA) H iÖ u s u Ê t b iÕ n ® æ i q u a n g ® iÖ n ( % ) C « n g s u Ê t P ( m W ) § iÖ n t h Õ U ( V ) T = 25°C I th = 41 mA I 100mW = 167 mA  = 0.79 W/A 0 10 20 30 40 Hình 3.1: Đặc trưng PUI của laser L1501 ở nhiệt độ 25oC Các thông số thu được từ đặc trưng PUI của các laser DFB 780 nm có chiều  dài buồng cộng hưởng 1,5 mm được tổng kết trên bảng 3.2.  Bảng 3.2: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài buồng cộng hưởng 1,5 mm. Dòng ngưỡng Ith (mA) Công suất cực đại @ 400 mA (mW) Hiệu suất độ dốc đến 100 mW (W/A) Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại (%) Laser L1501 41 238 0,79 30 Laser L1502 39 252 0,85 32 Laser L1503 38 265 0,85 33 Dòng ngưỡng của các laser nhóm 1 tương đối đồng đều, thay đổi từ 38 mA  đến 41 mA. Công suất cực đại tại 400 mA đạt được cao nhất ở laser L1503 là 265  mW, do đó laser này có hiệu suất độ dốc tính đến 100 mW cao nhất là 0,85. Các  laser 1,5 mm hiệu suất biến đổi quang điện cao nhất là 33%.   Đặc  trưng  công  suất  và  thế  phụ  thuộc  dòng  bơm  của  laser  có  buồng  cộng  hưởng dài 3 mm được thể hiện trên Hình 3.4. Dòng bơm được cung cấp tới 500  mA.  Laser  L3001  có dòng  ngưỡng  Ith  =  43  mA.  Công  suất  cực đại  tại  500  mA  12  dòng bơm là 274 mW. Hiệu suất độ dốc tính từ ngưỡng bơm đến 100 mW là 0,75  W/A. Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại của laser là 31%.  0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 100 200 300 0 1 2 3 4 Dßng ®iÖn I (mA) T = 25°C I th = 42 mA P 500mA = 274 mW  = 0.75 W/A H iÖ u s u Ê t b iÕ n ® æ i q u a n g ® iÖ n ( % ) C « n g s u Ê t P ( m W ) § iÖ n t h Õ U ( V ) 0 10 20 30 40 Hình 3.4: Đặc trưng PUI của laser L3001 ở nhiệt độ 25oC Từ kết quả đo đặc  trưng quang điện của các  laser có chiều dài buồng cộng  hưởng 3 mm, kết quả được tổng kết như bảng 3.3.  Bảng 3.3: Các thông số cơ bản từ đặc trưng PUI của laser có chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm. Dòng ngưỡng Ith (mA) Công suất cực đại @ 500 mA (mW) Hiệu suất độ dốc đến 100 mW (W/A) Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại (%) Laser L3001 42 274 0,75 32 Laser L3002 42 313 0,73 31 Laser L3003 45 301 0.68 29 Nhóm 2 cho thấy dòng ngưỡng tăng lên so với nhóm 1,  Ith thay đổi từ 42 mA  đến 45 mA. Công suất cực đại đạt được là 313 mW lớn hơn so với các laser nhóm  1. Hiệu suất biến đổi quang điện cực đại gần như không thay đổi so với nhóm 1,  trong khi hiệu suất độ dốc giảm.  13  3.3. Tính chất phổ của laser bán dẫn công suất cao biến đổi theo chiều dài buồng cộng hưởng Tiến hành khảo sát tính chất phổ của các laser ở nhiệt độ 25oC. Hình 3.7 là  phổ của laser L1501 tại công suất quang 100 mW. Từ Hình  ta thấy, đỉnh phổ nằm  tại bước sóng 783,3 nm. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu đạt 43 dBm.    782.5 783.0 783.5 784.0 784.5 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 C ­ ê n g ® é t ­ ¬ n g ® è i (d B ) B­íc sãng (nm) 43 dBm Hình 3.7: Phổ laser L1501 tại công suất quang 100 mW. Để khảo sát đầy đủ ảnh hưởng của chiều dài buồng cộng hưởng đến tính chất  phổ. Tất cả các laser được tiến hành đo bản đồ phổ bằng cách thay đổi dòng bơm  từ 50 mA đến 400 mA đối với các laser 1,5 mm và tới 500 mA với các laser 3 mm,  mỗi bước thay đổi 10 mA. Hình 3.8 là bản đồ phổ của laser L1501. Đường màu  vàng trên Hình 3.8 thể hiện bước sóng trung tâm của laser.   Hình 3.8: Bản đồ phổ của laser L1501 với bước thay đổi dòng là 10 mA. 14  Ta thấy, bước sóng của laser dịch từ 783,07 nm ở 50 mA tới 784,20 nm ở 400  mA. Bước sóng trung tâm dịch về phía bước sóng dài khi dòng bơm tăng là một  tính chất phổ biến của laser DFB. Tính chất này là do chu kỳ cách tử bị thay đổi  khi  thay  đổi  dòng  bơm  dẫn  đến  bước  sóng  trung  tâm  thay  đổi.  Bước  sóng  dịch  chuyển phụ  thuộc vào dòng bơm của  laser L1501 ∆λ/∆I = 0,0032 nm/mA. Trên  Hình  tại  vị  trí  dòng  bơm  từ  190  mA  sang  200  mA  ta  thấy  có  hiện  tượng  nhảy  mode. Hiện tượng này xảy ra do hệ số khuếch đại của các mode dọc tại trung tâm  chênh lệch nhau rất ít, do đó khi dòng bơm thay đổi thứ tự ưu tiên của các mode  thay đổi, dẫn đến hiện tượng nhảy mode.  Trong  khi  đó  dịch  chuyển  bước  sóng  của  laser  L1503  là  ∆λ/∆I  =  0,0030  nm/mA. Hiện  tượng nhảy mode  tại vị  trí chuyển dòng bơm  từ 150 mA đến 160  mA.   Như vậy tính chất phổ của các laser trong nhóm 1 không khác nhau nhiều, thể  hiện tính đồng đều của các laser cùng loại.   Tính chất phổ của các  laser nhóm 2 có chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm  được khảo sát trên Hình 3.11,...  với điều kiện đo đạc giống như nhóm 1 ở 25oC.  Dòng bơm từ 50 mA đến 500 mA.   Hình 3.11: Bản đồ phổ của laser L3001 phụ thuộc dòng bơm. Nhóm 2 với chiều dài buồng cộng hưởng 3 mm, hiện tượng nhảy mode vẫn  xảy  ra  nhưng  khoảng  cách  mode  nhỏ  hơn  so  với  laser  thuộc  nhóm  1.  Điều  này  15  hoàn  toàn phù hợp vì  khoảng  cách  mode  tỉ  lệ nghịch với  chiều dài buồng  cộng  hưởng trong các laser buồng cộng hưởng Fabry-Perot.   Laser  L3001  có  độ  dịch  phổ  của  laser  theo  dòng  bơm  là  ∆λ/∆I  =  0,0023  nm/mA (Hình 3.11), trong khi laser L3002 là ∆λ/∆I = 0,0020 nm và laser L3003 là  ∆λ/∆I = 0,0017 nm/mA.  Nhìn chung các laser nhóm 1 tốc độ dịch chuyển bước sóng theo dòng bơm  từ 0,0030 nm/mA tới 0,0032 nm/mA. Khi  tăng chiều dài buồng cộng hưởng  lên  gấp đôi tốc độ dịch chuyển ∆λ/∆I thay đổi từ 0,0017 nm/mA đến 0,0023 nm/mA.  Như vậy sự giảm tốc độ dịch chuyển bước sóng trung tâm có thể đạt được gần 2  lần nếu ta thay đổi chiều dài buồng cộng hưởng từ 1,5 mm lên 3 mm.  3.4. Tối ưu hoá độ rộng vạch phổ của laser theo chiều dài buồng cộng hưởng Để khảo sát kỹ hơn sự phụ thuộc của tính chất phổ vào chiều dài buồng cộng  hưởng, các laser được tiến hành đo độ rộng vạch phổ phụ thuộc công suất quang.  Phép đo được thực hiện trên hệ đo self-heterodyne tại phòng thí nghiệm Joint Lab  LaserMetrology, Viện Ferdinand Braun, CHLB Đức. Độ  rộng phổ được đo  theo  công suất quang từ 10 mW đến 200 mW với bước thay đổi là 10 mW.   Hình 3.14 là độ rộng phổ thay đổi theo công suất quang của hai laser bán dẫn  công suất cao DFB phát xạ vùng 780 nm. Độ rộng phổ của laser L1501 giảm từ  3962 kHz xuống khoảng 200 kHz khi công suất thay đổi từ 10 mW đến 200 mW  được thể hiện ở Hình 3.14 bằng các chấm tròn màu đỏ. Thay đổi công suất tương  tự thu được kết quả ứng với laser L3001 giảm từ 693 kHz tới 33 kHz (chấm vuông  xanh trên Hình 3.14). Hai đường liền nét là đường fit tuyến tính kết quả đo của hai  laser.   16  Hình 3.14: Độ rộng phổ của laser L1501 buồng cộng hưởng 1,5 mm (chấm tròn đỏ) và laser L3001 buồng cộng hưởng 3 mm (chấm vuông xanh) phụ thuộc công suất.  Độ rộng phổ đến 200 mW của cả hai laser giảm tương đối tuyến tính phù hợp  với  công  thức  Schawlow-Townes  (1.32).  Khi  thay  đổi  chiều  dài  buồng  cộng  hưởng,  độ  rộng  vạch  phổ  giảm  đáng  kể.  Tỉ  lệ  giảm  từ  5,7  (@10  mW)  đến  6,0  (@200 mW).   17  KẾT LUẬN Tính chất quang điện và tính chất phổ của laser bán dẫn công suất cao DFB  phát xạ vùng bước sóng 780 nm đã được khảo sát.   Hai nhóm laser có cấu trúc giống nhau về chiều rộng của chip laser l