ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
Đ
Ạ
I H
Ọ
C QU
Ố
C GIA HÀ N
Ộ
I
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Ngoan NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP
DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO LASER BÁN
DẪN CÔNG SUẤT CAO
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SỸ
2.1 Tìm hiểu về nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao 17
2.1.1 Một vài yếu tố ảnh hưởng tới nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn 17
2.1.2 Nguồn xung và nguồn một chiều cấp dòng cho laser bán dẫn. 19
2.2 Tìm hiểu về bộ điều khiển nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao 23
2.2.1 Bộ làm lạnh pin nhiệt điện peltier 23
2.2.2 Bộ điều khiển nhiệt độ cho pin peltier 26
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO NGUỒN CẤP DÒNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
CHO LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 28
3.1 Thiết kế chế tạo nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn công suất cao 28
3.1.1 Yêu cầu của nguồn phát xung cấp dòng cho laser bán dẫn 28
3.1.2 Mạch nguyên lý và hoạt động của mạch nguồn phát xung 29
3.2 Thiết kế chế tạo nguồn cấp dòng một chiều cho laser bán dẫn công suất cao 32
3.2.1 Cơ sở thiết kế mạch nguồn cấp dòng một chiều 32
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch nguồn cấp dòng một chiều 33
3.2.3 Kiểm tra tính ổn định của nguồn dòng liên tục cấp nguồn cho laser bán dẫn 36
3.3 Thiết kế, chế tạo bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao. 39
3.3.1 Mạch nguyên lý và thiết kế tổng thể của mạch điện điều khiển cấp dòng cho pin
Peltier 39
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển cấp dòng cho pin Peltier 40
3.3.3 Quá trình căn chỉnh chế độ làm việc của hệ ổn định nhiệt độ 48 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
3.3.4 Thiết kế chế tạo và lắp ráp bộ đế ổn định nhiệt độ trên cơ sở pin nhiệt điện Peltier
và cảm biến nhiệt độ bán dẫn. 49
3.3.5 Kết quả khảo sát tính ổn định của bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn. 51
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT
CAO 57
4.1 Nghiên cứu đặc trưng công suất quang – dòng bơm (P- I) 57
DBR Distributed Bragg Reflector
DFB Distributed FeedBack
ESD Electro Static Discharge
FB Fabry Perot
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
MQW Multi Quantum Well
Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LD Laser Diode
LED Light Emitting Diode
LiDAR Light Detection And Ranging
NTC Negative Temperature Coeficient
RF Radio Frequency
PWM Pulse Width Modulation
QW Quantum Well
SQW Single Quantum Well
TEC Thermo Electric Cooler
TTL Transistor Transitor Logic
VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
1
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
MỞ ĐẦU
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là thiết bị tạo
ra chùm ánh sáng có cường độ mạnh có tính đơn sắc, kết hợp và có tính chuẩn trực
cao. Bước sóng (màu sắc) của ánh sáng laser là cực kỳ thuần khiết (đơn sắc) khi được
so sánh với những nguồn sáng khác, và tất cả photon (lượng tử) tạo nên chùm laser có
mối quan hệ về pha cố định (tính kết hợp). Ánh sáng từ một laser điển hình có tính
phân kỳ thấp, có thể đi qua một khoảng cách lớn hoặc có thể được tập trung tới một
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
Bên cạnh đó, yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của laser bán dẫn
như tính chất quang điện, tính tin cậy, hiệu suất và thời gian sống của linh kiện. Do đó
để đảm bảo ổn định nhiệt độ cho laser hoạt động, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế và
chế tạo bộ ổn định nhiệt độ dựa trên cơ chế làm lạnh nhiệt điện sử dụng pin peltier.
Cũng như nguồn dòng, trên thế giới có rất nhiều những sản phẩm thương mại của bộ
ổn định nhiệt độ cho laser. Nhưng với điều kiện trong nước, một thiết bị ổn định nhiệt
độ cho laser bán dẫn công suất cao với giá thành rẻ là rất cần thiết.
Trong luận văn này, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn xung,
nguồn dòng và bộ ổn định nhiệt độ bằng pin Peltier. Trên cơ sở các thiết bị chế tạo
được, chúng tôi khảo sát một vài đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao
phục vụ cho việc nghiên cứu laser bán dẫn cũng như nhằm mục đích ứng dụng laser
bán dẫn công suất cao trong thực tế.
Luận văn gồm có 4 chương :
Chương 1: Trình bày những khái niệm cơ bản về laser bán dẫn và các đặc
trưng cơ bản của laser bán dẫn.
Chương 2: Tìm hiểu về nguồn phát xung và nguồn cấp dòng một chiều cho
laser bán dẫn, cơ chế làm việc của pin lạnh peltier cũng như tìm hiểu về mạch điều
khiển nhiệt độ cho pin peltier
Chương 3: Trình bày các bước nghiên cứu thiết kế chế tạo nguồn cấp dòng và
bộ ổn định nhiệt độ cho laser bán dẫn công suất cao
Chương 4: Sử dụng các thiết bị chế tạo được vào một vài hệ thí nghiệm khảo
sát một vài đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn công suất cao .
bức xạ trong các bán dẫn vùng cấm thẳng cao hơn nhiều so với bán dẫn vùng cấm xiên
(khi đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị nằm trên cùng hoặc khác giá trị véc tơ sóng
trong không gian véc tơ sóng). Vì vậy, các laser bán dẫn thường được chế tạo trên cơ
sở các bán dẫn vùng cấm thẳng loại A
3
B
5
như
GaAs, InP,…với độ rộng vùng cấm của
bán dẫn ở lớp tích cực của chíp laser ta có các bước sóng phát laser khác nhau.
Ánh
sáng (hay photon) phát ra trong laser bán dẫn liên quan tới bức xạ bờ vùng nên có
bước sóng tuỳ thuộc vào độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, được xác định như sau
[1,2,5]:
=
ℎ
↔
(
)
=
1.240
()
(1.1)
>
−
>
với
à
là mức Fecmi của điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống
trong vùng hóa trị tương ứng.
Sự đảo mật độ tích lũy trong các chất bán dẫn xảy ra ở vùng lân cận bờ vùng
đạt được nhờ kích thích các điện tử bằng bơm quang hay tiêm dòng 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 cưỡng bức.
Hệ số khuếch đại công suất quang g trên một đơn vị độ dài được định nghĩa
[1,2] : =
(1.2)
Hình 1.1: 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 1,3
m.
với I là cường độ ánh sáng trên một đơn vị diện tích. Người ta có thể tính toán g với
= E
2
- E
1
= h
là năng lượng photon.
Khi có ánh sáng chiếu tới vật liệu vùng tích cực, cả hai quá trình bức xạ cưỡng bức và
hấp thụ có thể xảy ra đồng thời nên tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức thực sẽ là hiệu
của tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức và tốc độ hấp thụ. Trên cơ sở tính toán tốc độ
hấp thụ R
12,abs
, tốc độ tái hợp bức xạ cưỡng bức R
21,stim
giữa hai mức năng lượng E
1
và
E
2
trong chất bán dẫn ta có sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại quang g vào tốc độ tái
hợp bức xạ cưỡng bức thực
(
=
,
−
,
có sự khuếch đại. Khi mật độ hạt tải bơm vào tăng lên, g có giá trị dương, đường cong
khuếch đại mở rộng, tăng lên về biên độ và đỉnh phổ khuếch đại dịch về phía năng
lượng cao (bước sóng ngắn hơn). Khi tăng mật độ hạt tải bơm vào sự bắt đầu xuất hiện
của độ khuếch đại dịch về phía năng lượng photon thấp hơn do sự giảm năng lượng
vùng cấm E
g
khi mật độ hạt tải tăng. Nửa âm của trục tung tương ứng với hệ số hấp thụ
vì hệ số hấp thụ công suất quang α(h
) và hệ số khuếch đại công suất quang g(h
)
được liên hệ với nhau như sau: α(h
)= - g(h
). Ta cũng thấy trên hình 1.1 hệ số
khuếch đại quang tăng nhanh trong chất bán dẫn một khi sự đảo mật độ tích lũy hạt tải
được thực hiện. Vì có độ khuếch đại quang cao như vậy nên các laser bán dẫn có thể
được chế tạo với kích thước vật lý rất ngắn (dưới 1 mm). Contour khuếch đại như trên
hình 1.1sẽ liên quan đến vùng xuất hiện các mode sóng dọc trong bức xạ cưỡng bức
của laser bán dẫn loại buồng cộng hưởng Fabry-Perot hay nói cách khác, các mode
sóng dọc (phụ thuộc vào bước sóng) phát ra sẽ nằm trong vùng của contour khuếch
đại.
Tuy nhiên, trong môi trường 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 như tái hợp
Auger, v.v…. Khi sự khuếch đại quang bù trừ được các mất mát quang mới xảy ra dao
động laser. Vì vậy, nếu chỉ có khuếch đại quang sẽ chưa đủ cho hoạt động laser mà
phải có thêm một điều kiện cần thiết khác là phản hồi quang, điều này sẽ làm bộ
6
ngưỡng gọi là dòng ngưỡng phát laser. Nói chung, dòng ngưỡng phát laser cũng gần
với dòng ngưỡng để đạt được sự đảo mật độ trạng thái. Sự cân bằng giữa độ khuếch
đại và độ mất mát đựơc biểu diễn như sau [1,2,5]:
int int
1 2
1 1
ln
2
mir
g
L R R
(1.5)
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 gương laser
mir
với R
1
,R
2
là độ phản xạ của hai mặt gương, L là độ dài buồng cộng hưởng (độ dài chíp laser giữa
hai mặt gương).
Như trên đã nói, laser bán dẫn có thể được bơm cả bằng quang và tiêm (hay
thuận bằng một điện thế bên ngoài hàng
rào thế năng của chuyển tiếp sẽ giảm đi.
Sự giảm này dẫn tới sự khuếch tán của các
điện tử và lỗ trống qua lớp chuyển tiếp.
Trong các chuyển tiếp p-n đơn hay chuyển
tiếp đồng nhất (vật liệu bán dẫn nằm ở hai
phía của chuyển tiếp đều là như nhau) sự
tái hợp của điện tử và lỗ trống xảy ra trên
cả một vùng tương đối rộng (~1 10 m)
được xác định bởi độ dài khuếch tán của
điện tử và lỗ trống và các hạt tải không
được giam giữ ở vùng lân cận ngay sát
chuyển tiếp nên rất khó đạt được mật độ
hạt tải cao. Vấn đề về giam giữ hạt tải này
có thể giải quyết bằng cách đưa vào một
lớp mỏng nằm kẹp giữa các lớp loại n và loại p với điều kiện độ rộng vùng cấm của
lớp này phải nhỏ hơn so với các lớp loại n và p xung quanh. Lớp ở giữa này có thể có
pha tạp và cũng có thể không cần pha tạp, tuỳ phụ thuộc vào thiết kế của linh kiện. Vai
trò của lớp này là nhằm giam giữ ở bên trong nó những hạt tải được tiêm vào dưới tác
dụng của thiên áp thuận. Sự giam giữ hạt tải xảy 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 (cùng
hằng số mạng) nhưng khác nhau về độ rộng vùng cấm. Chuyển tiếp như vậy gọi là
chuyển tiếp dị thể và các linh kiện dựa trên cơ sở đó có cấu trúc dị thể kép. Do độ dầy
của lớp kẹp ở giữa có thể điều chỉnh được (thông thường ~ 0,1-1 m) nên mật độ hạt
tải cao có thể thực hiện được tại một dòng tiêm (hay bơm) nào đó. Hình 1.2 cho thấy
giản đồ năng lượng của cấu trúc dị thể kép khi không có và có thiên áp thuận.
Hình 1.2
:
Sơ đồ năng lượng của cấu
cường độ ánh sáng trong laser cấu
trúc dị chuyển tiếp kép
AlGaAs/GaAs khi phân cực thuận. Ở đây điện tử được tiêm vào vùng tích cực từ phía
bán dẫn loại n và lỗ trống được tiêm vào từ phía bán dẫn loại p. Tại vùng tích cực, hạt
tải được giam giữ nhờ các rào thế của chuyển tiếp do độ rộng vùng cấm của lớp tích
cực GaAs (E
g
1,42 eV) nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của các lớp vỏ AlGaAs (E
g
2
eV). Để dễ đạt được điều kiện đảo mật độ tích lũy hạt tải, các lớp vỏ loại p và loại n ở
hai phía lớp tích cực trong cấu trúc laser bán dẫn được pha tạp mạnh và trở thành bán
dẫn suy biến. Lớp tích cực mỏng nằm kẹp giữa các lớp vỏ thường không pha tạp để
tránh sự mất mát quang trên các tâm tạp làm giảm hiệu suất phát quang, tuy nhiên cho
các mục đích đặc biệt, khi cần có thời gian sống của hạt tải nhỏ để tăng tốc độ hoạt
động của laser người ta có thể pha tạp ở lớp này. Lớp tích cực có thể có chiết suất cao
hơn các lớp xung quanh từ vài phần nghìn tới vài phần trăm nên ánh sáng laser được
giam giữ trong vùng tích cực, tuy nhiên, một phần ánh sáng nằm trong các lớp vỏ.
9
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
Cấu tạo điển hình của một linh kiện phát quang bán dẫn dị chuyển tiếp kép
được thường gồm bốn lớp màng mỏng từ vài phần mười m đến vài m được phủ lên
trên đế bán dẫn (substrate) bằng kỹ thuật epitaxi nhằm làm cho sự sai khác về hằng số
mạng tinh thể giữa các lớp là ít
nhất (dưới 0,1%). Như trên hình
1.4 là cấu trúc điển hình của laser
chuyển tiếp dị thể dải (stripe) hình
học hay điện cực dải. Ta thấy có
x
Ga
1-x
As
y
P
1-y
trên để InP với x
và y thay đổi ta có thể có các bước sóng 1310 nm (In
0,75
Ga
0,25
As
0,5
P
0,5
) và 1550 nm
Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripe
contact laser diode
Oxide insulator
Stripe electrode
Substrate
Electrode
Active region where J > J
th
.
(Emission region)
p-GaAs (Contacting layer)
n-GaAs (Substrate)
p-GaAs (Active layer)
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
(In
0,63
Ga
0,37
As
0,8
P
0,2
). Ngoài ra còn có các loại laser bán dẫn trên cơ sở các loại vật liệu
khác như GaInAlP/GaAs (=0,63÷0,67m), laser siêu mạng có lớp ứng suất
InGaAs/GaAs (=0,98 m), InGaN/ GaN (=390÷440 nm). Laser diode vùng hồng
ngoại xa (=3÷34 m) trên cơ sở Pb
1-X
Se
X
trên đế PbTe và các vật liệu khác đang
được nghiên cứu. Các nghiên cứu chế tạo các laser phát ở vùng nhìn thấy với vật liệu
không chứa nhôm Al cũng được thực hiện nhằm tránh Al là vật liệu dễ bị oxy hóa
nhằm tăng tuổi thọ laser.
Có nhiều loại cấu trúc laser diode khác nhau như laser diện rộng, laser dải hình
học, laser chuyển tiếp dị thể vùi, laser dạng gò (messa), laser phát mặt v.v. Ngoài việc
giam giữ hạt tải theo chiều vuông góc với chuyển tiếp p-n do các rào thế (như trên
hình 1.3 b), sự giam giữ hạt tải theo chiều song song với chuyển tiếp p-n cũng rất quan
trọng nhằm tăng hiệu suất phát quang của laser bán dẫn như cho laser dải hình học ở
trên. Tùy thuộc vào cấu trúc laser sử dụng mà người ta chia ra làm hai loại chính là
laser dẫn hướng độ khuếch đại (gain-guided) và laser dẫn hướng chiết suất (index-
guided). Trong đó, dẫn sóng cho bức xạ tự phát theo hướng song song với chuyển tiếp
p-n được thực hiện bởi độ khuếch đại quang (do sự giam giữ mật độ hạt tải trong một
11
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
giam giữ quang. Vì vậy, đa phần các laser bán dẫn hiện nay được chế tạo là các laser
đa giếng lượng tử.
Ngoài các laser phát cạnh phổ biến, người ta cũng thiết kế chế tạo các loại laser
phát mặt (VCSEL), nghĩa là ánh sáng laser được phát ra từ bề mặt phía trên của chíp
laser với cấu trúc khối hay giếng lượng tử. Như đã nhắc tới ở trên, các laser đơn tần
DFB, DBR với các cấu trúc cách tử gần vùng tích cực cũng được thiết kế chế tạo.
Các laser bán dẫn công suất cao với công suất quang lối ra từ vài trăm mW cho
tới vài W cho đơn chip laser có nguyên lý hoạt động tương tự như nêu trên. Tuy nhiên,
để có thể hoạt động ở chế độ dòng bơm lớn, mật độ công suất quang lối ra cao, độ dày
vùng tích cực thường lớn (~1µm) so với độ dày vùng tích cực rất nhỏ của laser bán
dẫn công suất thấp (~0,2 ÷ 0,3 µm). Đồng thời độ rộng vùng phát xạ hay vùng tích cực
thường lớn ( ~ 60 ÷ 200 µm). Vì vậy, dòng ngưỡng phát laser cũng như dòng hoạt
động của laser bán dẫn công suất cao lớn ( vài trăm mA tới vài A cho đơn chip laser).
Các mặt gương của chip laser diode công suất cao có thể được phủ lớp chống phản xạ
ở một mặt hoặc cả hai mặt (một mặt có độ phản xạ cao và một mặt có độ phản xạ
thấp). Các laser bán dẫn công suất cao có cấu trúc diện rộng BA hoặc cấu trúc dẫn
sóng gò hoặc các cấu trúc đặc biệt khác nhằm mục đích tăng công suất quang lối ra
hoặc cải thiện chất lượng chùm tia laser. Các laser bán dẫn công suất cao được đặc biệt
chú trọng về vấn đề tản nhiệt, thông thường chúng được hàn lên đế tản nhiệt dưới dạng
cực dương nối vỏ (p-down) để tản nhiệt tốt hơn. Các yêu cầu về dòng hoạt động cũng
như vấn đề tản nhiệt ngặt nghèo hơn nhiều so với laser bán dẫn công suất thấp để đảm
bảo độ ổn định hoạt động cũng như tuổi thọ của laser.
1.2 Một số đặc trưng cơ bản của laser bán dẫn
1.2.1. Đặc trưng dòng bơm – công suất quang của laser bán dẫn
Đặc trưng công suất quang dòng
Hình 1.5:
Đặc trưng công suất quang -
dòng bơm (P-I) của laser bán dẫn
12
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
Giá trị dòng bơm này là ngưỡng phát laser I
th
. Đối với dòng bơm trên ngưỡng phát
laser mật độ hạt tải có giá trị không đổi và bằng mật độ hạt tải ngưỡng n
th
. Từ đặc
trưng P-I, người ta có thể xác định hiệu suất độ dốc
∆
∆
. Nếu dòng ngưỡng phát laser
thấp (vài mA), độ dốc đặc trưng lớn và dòng bơm làm laser bị bão hoà cao nghĩa là
laser có chất lượng tốt.
Nếu biểu diễn hiệu suất lượng tử nội ( xác suất tái hợp bức xạ của hạt tải tiêm
vào vùng tích cực) là ηi, ta có thể viết công thức cho công suất quang sinh ra bởi bức
xạ cưỡng bức bên trong buồng cộng hưởng của laser như sau [9]:
=
)
(1.7)
Trong đó:
: dòng ngưỡng phát laser
: hệ số mất mát nội
: điện tích của một điện tử
: hệ số phản xạ của mặt buồng cộng hưởng
: chiều dài buồng cộng hưởng
Từ công thức (1.7) ta có hiệu suất lượng tử ngoại của laser:
=
ln
1
+ 1(1.8)
1.2.2 Đặc trưng dòng - thế ( I-V)
Đặc trưng dòng thế I -V là đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện bơm
chạy qua laser diode và điện thế đặt trên chuyển tiếp. Với dòng bơm 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 bơm. 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 diode giảm
đổi theo.
Ta có các công thức tính góc
phân kỳ theo hai chiều vuông góc và
Hình 1.6: Đặc trưng I-V của laser bán dẫn
Hình 1.7: Sơ đồ trường xa và trường gần
c
ủa laser
14
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
song song với lớp tích cực:
=
;
=
(1.9)
Với : bước sóng phát laser
d: bề dày lớp tích cực
w: bề rộng lớp tích cực
(1.10)
Nhiệt của laser bán dẫn chủ yếu được tạo ra trong lớp tích cực – vùng tạo ra và
dẫn hướng ánh sáng trong dẫn sóng của bộ phát laser. Điểm nóng nhất trong một laser
bán dẫn được định vị tại điểm giao nhau của ống dẫn sóng và mặt trước, điểm lạnh
nhất trong laser bán dẫn được định vị ở vị trí nào đó tại biên của luồng nhiệt- ví dụ, tại
lối vào của nước trong trường hợp được làm lạnh bằng nước.
Nhiệt độ của laser bán dẫn ảnh hướng tới tính chất điện quang như hiệu suất và
tính tin cậy. Để hiểu rõ hơn chúng ta sẽ tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ trong những
tính chất của laser bán dẫn
1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc trưng P-I
Đối với laser bán dẫn, khi nhiệt độ tăng, mật độ dòng ngưỡng J
th
tăng và hiệu
suất lượng tử vi phân ngoại giảm như trên hình 1.8:
Sự phụ thuộc của mật độ dòng ngưỡng J
th
vào nhiệt độ được xác định bởi [8] :
=
exp
(1.11)
15
th
ở tại một nhiệt độ thì T
0
mới đánh giá đúng chất lượng laser. Việc tăng J
th
khi T
j
tăng gây ra bởi sự mở rộng
phổ khuếch đại và sự tràn của hạt tải bên trên các rào thế dị chất. Để giảm sự tràn này
cần tăng rào thế ∆Eg giữa lớp tích cực và các lớp vỏ xung quanh. ∆Eg cần lớn hơn
0,3eV. Hiệu suất ή
d
giảm khi T
j
tăng do nồng độ hạt tải ngưỡng ή
th
tăng theo J
th
làm
tăng sự hấp thụ hạt tải tự do. Trong các laser InGaAsP/InP (λ=1,3μm) T
0
~70K (trong
dải 25
0
C -65
0
C). T
0
nhỏ hơn với laser AlGaAs/GaAs vì do sự tràn qua rào thế mạnh
(
+Δ
)
=
(
)
(1.13)
Hình 1.8: Đặc trưng P-I của hai loại laser bán dẫn với hai nhiệt
độ đặc trưng T
0
khác nhau
16
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
Khi T
0
là nhiệt độ đặc trưng của dòng ngưỡng và T
1
là nhiệt độ đặc trưng của
hiệu suất độ dốc.Tăng nhiệt độ laser bán dẫn để tăng dòng ngưỡng của nó và giảm
đưa ra tính toán ví dụ cho những thông số laser tại nhiệt độ T và T+Δ sử dụng I
th
=
15A,
= 1.11/, T
0
=120K, T
1
= 500K và Δ= 10
Nhiệt độ Dòng hoạt động,
I(A)
Công suất quang lối
ra, P
out
(W)
Hiệu suất điện
quang,
(
%
)
T 60.0 50.0 46.8
T+10K 60.0 47.6 44.6
T+10K 62.2 50.0 44.9
Bảng 1.1:Sự ảnh hưởng của nhiệt độ tăng trong thông số laser
Tóm lại, dựa trên những giá trị được đề cập ở trên, sự tăng nhiệt độ Δ<
là đường tuyến tính và thỏa mãn nhiều yêu cầu ứng dụng.
Laser bán dẫn có điện trở động nhỏ (vài mΩ). Điều này dẫn tới một thực tế
rằng khi có một sự thay đổi nhỏ trong điện thế đặt vào, sẽ có một sự thay đổi rất lớn
trong dòng qua laser. Vì điều này, nguồn điện đặt vào laser phụ thuộc chủ yếu vào
dòng qua laser trong khi điện áp gần như là không đổi. Do vậy, nguồn cấp cho laser
thường là nguồn dòng là nguồn lấy dòng điện làm chuẩn, điện áp phụ thuộc vào tải.
Chúng ta phải xem xét một vài yếu tố của nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn trước khi
chọn một nguồn cấp dòng laser trong từng ứng dụng cụ thể [6].
2.1.1 Một vài yếu tố ảnh hưởng tới nguồn cấp dòng cho laser bán dẫn
a. Điện áp so với dòng
Laser bán dẫn là thiết bị được điều khiển dòng với sự thay đổi của trở kháng tải
phụ thuộc và dòng điều khiển. Mặc dù thực tế, chúng thường được điều khiển với
Hình 2.1: Đường cong L/I của laser diode
18
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Thị Ngoan
nguồn công suất có điện áp ra phù hợp. Nguồn thế, điển hình là nguồn công suất phù
hợp, được thiết kế để tạo một điện áp dốc tốt tại thời điểm khởi động, cho phép dòng
điều chỉnh theo yêu cầu của tải. Tuy nhiên, điểm hoạt động của hầu hết laser bán dẫn
được đặc trưng bởi trở kháng vi phân thấp (dV/dI), sự thay đổi nhỏ trong điện áp gây
ra sự thay đổi lớn trong dòng điều khiển. Do đó, sử dụng nguồn thế thông thường dẫn
đến sự ổn định công suất kém và tăng nguy cơ quá dòng điều khiển tới đi ốt. Cho nên,
người sử dụng phải làm dốc thoai thoải cho điện áp nguồn công suất để tránh dòng
đỉnh có thể gây nguy hiểm cho laser.
Ngược lại, một nguồn dòng giữ cho dòng luôn ổn định trong khi điều chỉnh
điện áp ra bù cho sự thay đổi trong trở kháng tải, điều đó cho phép điều khiển công
suất trên một miền trở kháng rộng và cung cấp một sự ổn định tương đối cao, dễ dàng
sử dụng, và an toàn trong điều khiển laser bán dẫn.
tại giới hạn nhiệt độ đã thiết lập.
Ngoài việc giám sát nhiệt độ của laser, cũng nên giám sát nhiệt độ ở bên trong
của nguồn nuôi laser. Sự thông gió kém của nguồn nuôi có thể gây ra tải nhiệt quá
mức, điều này có thể làm thành phần bên trong nguồn nuôi trở nên quá nóng, gây nguy
hiểm cho nguồn nuôi và ảnh hưởng tới độ chính xác của dòng ra lối ra.
Người sử dụng cần chú ý không chọn một nguồn cấp dòng mà cung cấp công
suất lối ra nhiều hơn đáng kể so với yêu cầu được đòi hỏi thực tế. Những thông số như
dòng lối ra, độ chính xác điểm đặt, nhiễu, khử xung tức thời và độ chính xác thước đo
dòng thường tỉ lệ với công suất lối ra lớn nhất. Bởi vậy, cần chắc chắn rằng nguồn cấp
dòng được lựa chọn phù hợp với yêu cầu về độ chính xác cũng như với yêu cầu về
công suất lối ra [4].
2.1.2 Nguồn xung và nguồn một chiều cấp dòng cho laser bán dẫn.
a. Nguồn xung
Với những ưu điểm như thể tích nhỏ, hiệu quả cao, thời gian sử dụng dài và giá
thành thấp, laser diode xung được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như laser
viễn thông, laser radar, chụp ảnh tốc độ cao, laser đo khoảng cách và hệ thống ảnh 3
chiều…. Để nhận được xung quang cực ngắn với chất lượng cao, laser bán dẫn cần
được điều khiển bởi xung điện cực hẹp. Ảnh hưởng của nguồn điều khiển Laser bán
dẫn trên đặc trưng quang lối ra là khá quan trọng. Trong những năm gần đây, tập trung
vào các khía cạnh của điều khiển tốc độ cao, dòng xung đỉnh cao, độ ổn định cao,
nhiều mạch được phát triển trong công nghệ điều khiển laser đặc biệt là trong nguồn
dòng xung có đỉnh cao và hẹp. Transistor MOSFET (metal-oxide-semiconductor field
effect transistor) là loại linh kiện điều khiển công suất bằng điện áp, MOSFET có
nhiều đặc điểm như trở kháng đầu vào cao, dòng điều khiển thấp, điện áp chịu đựng
cao, dòng làm việc đỉnh cao, công suất lối ra cao, tốc độ chuyển mạch nhanh và không
có hiện tưởng đánh thủng thứ hai. Trong phần này, chúng tôi sẽ đưa ra một mạch phát
xung tham khảo sử dụng MOSFET công suất [7]. Trên cơ sở đó chúng tôi sẽ thiết kế
một mạch phát xung phù hợp với điều kiện cụ thể của từng ứng dụng.
Sơ đồ khối của mạch nguồn xung cơ bản dựa trên MOSFET công suất được chỉ
.V
cc1
và V
cc2
được tạo ra nhờ bộ biến đối
DC-DC và 2 MOSFET công suất đóng vai trò điều khiển công suất trong mạch tạo ra
dòng xung có đỉnh cao và tốc độ cao điều khiển laser bán dẫn.
b. Nguồn dòng một chiều
Một nguồn dòng lý tưởng có dòng lối ra không đổi, tuyến tính, không nhiễu và
có độ chính xác cao. Trong thực tế có rất nhiều loại nguồn dòng khác nhau. Nguồn
dòng điện trở, nguồn dòng tích cực (sử dụng các thiết bị tích cực như transistor),
Copyright: Tài liệu đại học ©