MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO VỚI CẤU TRÚC MẢNG Ở CHẾ ĐỘ XUNG NGẮN

ATRIX) 4 1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC 5 1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH) 6 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG 7 1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC 7 1.3.2 CẤY GHÉP ION 8 1.3.3 SỬ LÝ LỚP CÁCH ĐIỆN 9 1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA 11 1.3.5 PHỦ KIM LOẠI 12 1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO 13 1.3.7 KỸ THUẬT PHỦ MẶT GƯƠNG 14 1.3.7.1 NGUYÊN TẮC 1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HOÁ MẶT TÁCH CHIP LASER 1.4 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA 15 1.4.1 THÔNG SỐ KHUẾCH ĐẠI HẠT TẢI CẢM ỨNG VÀ CHIẾT SUẤT KHÚC XẠ 15 1.4.2 MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT BÃO HOÀ 16 1.4.3 ĐỘ SÁNG, TỶ SỐ STREHL VÀ THÔNG SỐ 17 1.4.3.1 ĐỘ SÁNG 17 1.4.3.2 TỶ SỐ STREHL 18 1.4.3.3 THÔNG SỐ 18 1.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE 19 CÔNG SUẤT CAO 1.5.1 ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT PHỤ THUỘC VÀO DÒNG BƠM 19 1.5.2 SỰ PHỤ THUỘC DÒNG NGƯỠNG VÀO NHIỆT ĐỘ 20 1.5.3 SỰ UỐN CONG ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG (P-I) DO NHIỆT 20 1.5.4 HOẠT ĐỘNG ĐA MỐT 21 1.5.5 SỰ PHÁ HUỶ PHẨM CHẤT QUANG HỌC 22 1.5.6 TUỔI THỌ CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 22 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 CHẾ TẠO NGUỒN PHÁT XUNG NGẮN, DÒNG CAO ĐỂ NUÔI CHO LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 2.2 CÁC CHIP LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 2.3 ĐẦU THU PHOTODIODE. 2.4 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Ở CHẾ ĐỘ XUNG. 2.5 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ UỐN CONG ĐẶC TRỪN CÔNG SUẤT GÂY RA DO NHIỆT 2.6 HỆ THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG MÁY PHÁT XUNG DÒNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO MỞ ĐẦU Lasers được viết tắt từ những chữ cái đầu trong tiếng Anh (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), đó là sự khuếch đại bức xạ cưỡng bức ánh sáng để tạo ra chùm tia có cường độ lớn, có tính định hướng cao. Lasers là một trong những phát minh mang tính đột phá của thế kỷ 20, phát minh kỳ diệu này không những làm nức lòng các nhà khoa học mà còn kích thích sự quan tâm tìm hiểu của nhiều người trong kỷ nguyên công nghệ cao. Kể từ khi ra đời lần đầu tiên (Laser rubi) năm 1960 do Maiman phát minh, đến nay rất nhiều loại laser đã được nghiên cứu, phát triển và đưa vào ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khoa học, đời sống như y học, thông tin quang sợi, điều khiển và đo xa laser, đo cắt chính xác công nghiệp..v.v.. Cùng với sự ra đời nhiều loại laser khác, laser diode bán dẫn được Robert Hall công bố lần đầu tiên năm 1962. Nó sử dụng liên kết p-n trong bán dẫn GaAs, phát ở chế độ mode xung tại nhiệt độ rất thấp , bước sóng ra đỉnh 842 nm, độ rộng phổ cỡ 1.5nm, mật độ dòng bơm ngưỡng tới , có tần số lớn hơn gấp 109 lần tần số radio và gấp 105 lần tần số của vi sóng. Đến đầu năm 1963 thì các loại laser bán dẫn đã được cải tiến hơn bằng cách sử dụng một lớp bán dẫn kẹp giữa hai lớp bán dẫn vỏ, gọi là bán dẫn cấu trúc dị thể, lớp bán dẫn ở giữa có độ rộng vùng cấm khác với độ rộng vùng cấm của hai lớp vỏ. Loại laser này được chia làm hai loại: chuyển tiếp dị thể đơn và chuyển tiếp dị thể kép, tuỳ thuộc vào miền tích cực được bao quanh bởi một hay hai loại lớp vỏ. Với cấu trúc dị thể, hằng số mạng của lớp tích cực và lớp vỏ phải bằng nhau hoặc khác nhau không đáng kể (có cấu trúc tương tự nhau). Trên cơ sở vật liệu bán dẫn GaAs cấu trúc dị thể, đến những năm 1969 thì Charles Kao và Geoger Hockhan chế tạo được laser bán dẫn có hoạt động trong chế độ xung tại nhiệt độ phòng, mật độ dòng bơm ngưỡng đã giảm xuống , giá trị dòng ngưỡng này giảm xuống chỉ còn vào năm 1970 và đến năm 1975 thì chỉ còn cỡ . Để giảm mật độ dòng ngưỡng xuống giá trị trên, người ta chế tạo laser có vật liệu lớp tích cực AlGaAs với độ dày có cấu trúc dị thể kép. Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm giữa lớp tích cực và các lớp vỏ giúp cho việc giam giữ tốt hơn các mốt quang học, hoạt động như một dẫn sóng điện môi. Nhưng chính sự giam giữ này làm giảm đáng kể hao tổn nội, gây ra sự mở rộng mốt trong các vùng lân cận. Một trong những mục tiêu quan trọng của laser diode đó là nâng cao công suất laser ra đồng thời giảm độ rộng xung nhỏ nhất có thể nhằm nâng cao chất lượng chùm tia và ứng dụng sâu hơn trong cuộc sống cũng như khoa học. Mục tiêu này luôn luôn được duy trì và mở rộng phát triển kể từ khi nó ra đời. Vậy tại sao chúng ta cần phải chế tạo laser diode công suất cao? Đầu những năm 1990 đánh dấu bước đột phá trong công nghệ laser bán dẫn khi lần đầu tiên chế tạo thành công các thanh laser kích thước phát ra công suất trên 20W, thời gian sống cỡ 10.000 giờ, mở ra khả năng ứng dụng to lớn trong khoa học ứng dụng. Quá trình tiếp theo chủ yếu tập chung vào việc cải tiến laser bán dẫn trên cơ sở nền GaAs, tạo ra nền có mật độ phản xạ thấp bằng các quá trình epitaxy của các lớp AlGaInAs và GaInAsP trên nền GaAs. Các lợi thế của laser bán dẫn công suất cao: So với với đèn bơm hoặc khí tích điện cho việc tạo ra ánh sáng kết hợp, như kích thức nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi điện quang cao hơn, nguồn cấp và làm lạnh đơn giản, độ tin cậy cao hơn. Kích thước nhỏ gọn nên chiếm ưu thế hơn so với laser rắn và laser khí do sự cồng kềnh và bất tiện. Dòng bơm ngưỡng thấp (chỉ cỡ vài trăm mA), dải sóng ứng dụng rộng, dễ điều chế, hoạt động từ chế độ xung tần số thấp đến cao, cả chế độ xung và chế độ liên tục. Nó là thiết bị không thể thiếu trong thông tin cáp quang, cho phép truyền thông tin đi khoảng cách rất lớn với tốc độ siêu cao. Mặt khác, laser diode đóng vai trò như chiếc chìa khoá mở ra rất nhiều ứng dụng, từ những sản phẩm thông thường phục vụ cho mục đích dân sự đến những ứng dụng cho mục đích quân sự. Đối với một số ứng dụng thông thường của laser diode như: máy scan, máy in, bút chỉ laser, đầu đọc đĩa compact và trong thông tin cáp quang thì công suất chỉ cỡ vài mW. Nhưng đối với một loạt ứng dụng khác thì công suất cần tới cỡ từ vài Watts tới hàng ngàn Watts tuỳ theo ứng dụng như: đo xa laser phát hiện khoảng cách mục tiêu, nguồn chiếu sáng trong ống nhòm nhìn đêm, trong y tế (châm cứu, cắt khối u, thẩm mỹ, trị ung thư…), xác định xon khí, lỏng trong khí quyển.v.v.. Trong luận văn này chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu một số tính chất đặt biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO KHÁI NIỆM LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Đã hơn 40 năm kể từ khi laser bán dẫn phun ra đời, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm nâng cao công suất và mở rộng vùng bước sóng phát. Với lợi thế nhỏ gọn, hiệu suất cao và thời gian sống lớn, laser diode có khả năng thay thế phần lớn các laser khác trong ứng dụng khoa học và trở thành cầu nối giữa các hệ điện tử và thông tin liên lạc. Phần lớn các ứng dụng đều nhằm duy trì công suất ra và chất lượng chùm tia theo thời gian. Trong chương này chúng ta sẽ xem xét một số cấu trúc laser diode công suất cao và công nghệ sử dụng cho việc chế tạo laser diode công suất cao laser dạng mảng (thanh). Sau đó là nghiên cứu một số thông số đặc trưng cho chất lượng chùm tia laser ra và những thông số ảnh hưởng đến công suất phát. Trong thực tế không có qui định rõ ràng giữa laser diode thường và laser diode công suất cao, nó phụ thuộc vào loại laser và ứng dụng cho mục đích gì mà nó được thiết kế cho phù hợp. Nói chung, đối với các loại laser tần số đơn, laser đơn mốt liên tục có công suất 50mW trở lên và các laser đa mốt dải rộng, mảng laser có tần số 50mW trở lên thì được gọi là laser diode công suất cao. Mặc dù các laser diode có thể phát ra công suất đỉnh lên tới vài kW ở chế độ xung, nhưng năng lượng xung bị giới hạn nhỏ hơn rất nhiều so với các loại laser rắn khác do thời gian sống của hạt tải diode ngắn (cỡ vài ns). Để hiểu được sự cần thiết phải chế tạo laser diode công suất cao chúng ta hãy đưa ra những lợi ích mà laser bán dẫn công suất cao mang lại khi sử dụng chúng trong ứng dụng thực tiễn [17]: Hiệu suất chuyển đổi điện quang của các đèn trong khoảng trên dưới 50% [1] mang lại tiêu chuẩn đầu tiên cho laser diode công suất cao. Trong khi hiện nay nếu sử sụng laser diode thì hiệu hiệu suất lên đến trên 60% [2]. Thời gian sống đặc trưng của các đèn khoảng 1000 giờ nhỏ hơn thời gian sống của laser diode công suất cao hơn 10.000 giờ. Công suất quang học của các đèn bơm cho các hệ laser diode công suất cao cần tới cỡ vài kW. Để thực hiện một công suất tương tự với các laser diode thì chúng ta chỉ cần sử dụng khoảng 100 thanh diode công suất cao. Laser diode công suất cao được sử dụng làm nguồn bơm cho hệ laser rắn cho hiệu suất rất cao vì bước sóng bơm của laser diode có thể phù hợp chính xác với bước sóng hấp thụ của tinh thể được kích thích. Còn nếu sử dụng các loại đèn bơm thì do phụ thuộc vào các dịch chuyển điện tử của các nguyên tử kích thích nên các bước sóng này chỉ phụ thuộc bản chất, các giá trị cố định khí bơm vào, vì thế các dịch chuyển có thể tốt hoặc không tốt, mang lại hiệu suất kém hơn rất nhiều. Vấn đề mang tính cạnh tranh quyết định là giá cả của toàn bộ hệ thống máy phát laser. Đối với các hệ laser diode công suất cao thì vấn đề này chủ yếu được xác định bới giá của các laser diode thành phần (laser diode thông thường). Vì thế, các nỗ lực chủ yếu được tập chung vào công nghệ bán dẫn tái chế, chính vì vậy laser diode công suất cao được xem như là công nghệ đơn giản nhất, dẫn đến giá cả cạnh tranh hơn so với các loại laser khác. MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO LASER MA TRẬN (MATRIX) Khái niệm Laser ma trận là một trong những cấu trúc được sử dụng hiệu quả trong việc nâng cao công suất của laser diode. Cấu trúc của laser ma trận được bố trí bao gồm nhiều lớp tích cực nằm sát nhau, mỗi lớp tích cực này bức xạ riêng rẽ và tạo thành mối quan hệ về pha giữa chúng. Cụ thể là hợp pha hoặc ngược pha, nếu hợp pha thì công suất ra tổng hợp được tăng cường và kết hợp, còn nếu ngược pha thì công suất ra bị triệt tiêu. Kết quả tạo thành chùm bức xạ hẹp, có tính kết hợp cao. Cấu trúc laser ma trận được nghiên cứu nhiều hiện nay sử dụng hệ vật liệu InGaAsP. Cấu trúc laser ma trận được chia thành hai nhóm: laser ma trận chỉ số khuếch đại và laser chỉ số chiết suất yếu (cấu trúc dẫn sóng), sự khác nhau của hai loại là do mode công tua dọc theo mặt phẳng chuyển tiếp được xác định bằng chỉ số khuếch đại và chỉ số chiết suất yếu. Hình 1.1 minh hoạ hai cấu trúc laser ma trận trên: n-InP p-InP p-InP lớp điện môi l ~1.3mm (InGaAsP) l ~1.3mm (InGaAsP) (lớp tích cực) đế a/ n-InP p-InP l ~1.3mm (InGaAsP) (lớp tích cực) l ~1.03mm (InGaAsP) b/ Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc laser ma trận trên cơ sở vật liệu InGaAsP a/ Cấu trúc laser diode ma trận chỉ số khuếch đại. b/ Cấu trúc laser diode ma trận chỉ số chiết suất yếu. Trong đó laser ma trận chỉ số khuếch đại là một laser dải điện môi, các khe điện môi (SiO2) và không gian giữa các tâm được chọn sao có sự chồng chập của các mốt dao động từ các bức xạ lân cận. Laser ma trận chỉ số chiết suất yếu có thể sử dụng cấu trúc dẫn sóng ở đỉnh. Các hướng không gian giữa các bức xạ được khuếch đại lọc lựa thông qua sự chồng chập của các mốt dao động. Sự chồng chập này chứng tỏ sự liên kết cần thiết cho chặn pha. Đối với laser ma trận InGaAsP phát trong vùng 1.3mm hoạt động ở chế độ xung có thể cho công suất ra tới 800mW. LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC (LARGE OPTICAL CAVITY) Khái niệm Hiểu một cách đơn giản nhất, để có được công suất cao hơn, ta có thể tăng thể tích của buồng cộng hưởng hay tăng chiều dài vùng hoạt chất (tức là tăng chiều dài khuếch đại), dẫn đến tăng mật độ photon đi ra, tức là công suất bức xạ tăng. Laser buồng cộng hưởng rộng dựa trên cấu trúc dị thể kép gồm ba lớp “chuẩn” p-p-n (hình 1.2), có hai kiểu cấu trúc là cấu trúc đối xứng và cấu trúc phản xứng, trong đó cấu trúc phản xứng dễ tạo được laser đơn mốt dọc hơn là cấu trúc đối xứng. Laser LOC bao gồm cấu trúc dị thể vùi và cấu trúc dị thể kép, trong đó cấu trúc dị thể kép cho công suất quang ra cao hơn (cỡ 100mW ở chế độ liên tục). p p (lớp tích cực) n Hình 1.2: Cấu trúc dị thể kép 3 lớp “chuẩn” Trong cấu trúc này, ở vùng lân cận của lớp tích cực thì sự tái hợp và cộng hưởng xảy ra độc lập, các mốt ngang lan truyền qua lớp bán dẫn loại n sẽ ít mất mát hơn. Đối với loại buồng cộng hưởng này, nếu chế tạo buồng cộng hưởng lớn hơn vùng tái hợp thì kích thước vết sáng đầu ra lớn hơn, đồng thời công suất lối ra cũng giảm. Laser LOC có hai đặc điểm lưu ý là: nồng độ hạt tải dò giữa lớp tích cực và ống dẫn (vỏ) lớn hơn so với cấu trúc dị thể chuẩn và có sự suy giảm chiết suất trong vùng tái hợp do mật độ tập chung hạt tải cao gây mất ổn định kích thước vết sáng ra. Cấu trúc đầu tiên [3] áp dụng khái niệm buồng cộng hưởng rộng (LOC) với dẫn sóng mở rộng cho bước sóng 808nm, cấu trúc này sử dụng lõi ống dẫn sóng có bề dày 1.2mm bao gồm và một lớp vỏ với hợp chất của (hình 1.3). Một cấu trúc dẫn sóng tối ưu cho laser diode công suất cao LOC cần thoả mãn yêu cầu sau [17]: Khả năng giam hãm cao để giảm dòng ngưỡng Bề rộng trường gần phải đủ lớn để giảm tải trọng bề mặt Bề rộng trường gần phải đủ nhỏ để giảm bề dày tổng cộng của các lớp ghép, tức là trở nhiệt và trở hệ thống. Bề rộng trường gần phải đủ lớn để độ phân kỳ theo chiều dọc nhỏ. Mất mát tán xạ thấp. Mất mát do hấp thụ hạt tải tự do nhỏ. Mức pha tạp cao để giảm trở hệ thống. Hàng dào chắn hạt tải đủ cao để giam hãm điện tử tốt hơn - Hàng dào giữa các lớp khác nhau đủ nhỏ để đạt thế qua diode thấp GaAs (lớp tiếp giáp) ( vỏ) 1500nm (dẫn sóng) 500nm Cấu trúc giếng lượng tử (InGaAsP,GaAsP,InGaAlAs) (dẫn sóng) 500nm ( vỏ) 1500nm GaAs (đế) Hình 1.3: Sơ đồ các lớp dọc liên tiếp của chip laser diode với cấu trúc dẫn sóng LOC AlGaAs. LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH) Khái niệm Laser mảng (hoặc thanh) là sự tổ hợp của nhiều laser riêng biệt, đặc điểm quan trọng của laser dạng thanh công suất cao là các ống đẫn sóng được đặt song song với nhau hoặc các ống dẫn được nối kề nhau như (hình vẽ 1.4). Sự liên quan về pha giữa các mốt ghép nối có ảnh hưởng quyết định đối với công suất ra và là điều kiện quan trọng của linh kiện trong hệ thông tin quang. Hình 1.4: Cấu trúc của laser diode mảng công suất cao Trong laser thanh, để hạn chế số mốt người ta đưa ra giải pháp bằng cách sử dụng mô hình cặp thanh hình chữ Y như hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc được mô tả trên hình vẽ 1.5b. Các mốt từ hai nhánh có chung một gốc hình chữ Y sẽ cộng pha với nhau theo mối quan hệ như sau: hai thành phần cùng pha sẽ được tăng cường, đồng thời tạo ra mốt công suất cao hơn như hình b1, còn hai thành phần ngược pha sẽ bị triệt tiêu và công suất mất đi như hình b2. Công suất nhận được từ laser diode dạng thanh là rất lớn, công suất ra có thể lên tới trên 70W, tuy nhiên lúc đó thời gian sống sẽ ngắn hơn khi laser hoạt động ở công suất thấp. pha vào pha ra 1 2 a/ b/ Hình 1.5: a/ Cặp mảng dạng chữ Y. b/Mô hình cho nguyên lý hoạt động của laser dạngthanh. 1.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG Có ba vấn đề cần giải quyết liên quan đến công nghệ chế tạo laser diode công suất cao dạng mảng [17]: Thứ nhất đó là thiết kế buồng cộng hưởng quang học cho dẫn sóng . Đối với dẫn sóng dọc được tạo bởi cấu trúc expitaxial, còn dẫn sóng bên đạt được bằng kỹ thuật khắc mòn mesa (kỹ thuật khắc dốc) trong trường hợp dẫn sóng chiết suất, hoặc bằng phương pháp hình học tiếp xúc trong trường hợp laser diode dẫn sóng khuếch đại. Thứ hai là các gương phải được tạo ra để buồng cộng hưởng được xác định. Đối với các laser diode công suất cao thì nó được chế tạo chủ yếu bằng cách tách các mặt tinh thể và phủ lớp chống phản xạ cho một mặt gương (mặt không phát laser). Quá trình gia công tương tự như công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn và cũng là yếu tố then chốt cho các laser diode phát bề mặt. Thứ ba là quá trình sử lý phải thực sự bảo đảm: tiếp xúc điện của nguồn cấp, số chíp laser diode điều khiển lớn, đồng thời tiêu tán nhiệt độ phải nhanh. Cấu trúc và quá trình phủ kim loại tiếp xúc sao cho năng lượng điện bơm vào phải đạt hiệu suất laser ra tối đa nhất, loại bỏ một cách hiệu quả nhiệt lượng hao phí do chip laser diode là các thiết bị rất nhỏ nên ảnh hưởng nhiệt của chúng là rất lớn. 1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC Cấu trúc laser diode ống dẫn khuếch đại đơn giản nhất dựa trên việc phun dòng điện bị giới hạn bên. Điều này được thực hiện thông qua cửa sổ tiếp xúc trên bề mặt bán dẫn bằng các lớp expitaxial, cửa sổ tiếp xúc này có tác dụng ngăn cản dòng điện lan tỏa trên bề mặt tiếp xúc. Dựa vào cửa sổ tiếp xúc này, dòng điện được phun vào bên trong vùng hoạt chất. Ngoài vùng cửa sổ tiếp xúc này thì bề mặt bán dẫn phải được cách điện hoàn toàn. Cách điện được giải quyết bằng cách giảm mạnh tính dẫn điện của lớp tiếp xúc bán dẫn pha tạp mạnh gây ra do sự ghép nối hoặc ta có thể cách điện lớp chất điện môi ở giữa lớp tiếp xúc bán dẫn và lớp phủ kim loại [4,5]. 1.3.2 CẤY GHÉP ION Hiệu quả cách điện của việc cấy ion phụ thuộc vào việc tạo ra các lỗ trống trong bán dẫn. Các lỗ trống này bắt giữ các hạt tải tự do trong các lớp bán dẫn, điều này làm giảm tính dẫn điện và tăng điện trở của các lớp. Để chế tạo các cấu trúc laser diode đa mốt thì cần có sự cách điện của các lớp bán dẫn pha tạp mạnh (lớp tiếp xúc và lớp vỏ gần lớp tiếp xúc). Vùng này có thể được cách điện bằng cách cấy ion nông với năng lượng thấp. Độ sâu trung bình và độ dày của lớp cách điện được xác định bằng loại ion và năng lượng được cấy, lượng cấy này xác định số lỗ trống và độ cách điện. Sự phá huỷ rất dễ xảy ra nếu đặt lớp được cấy trong vùng cường độ trường quang học mạnh, nó tạo nên những điểm ban đầu gây gia tăng sai hỏng, dẫn đến suy biến các đặc tính của laser diode và cuối cùng làm hỏng thiết bị. Chính vì vậy, tránh sắp đặt đường cấy thẳng hàng với hướng chính của tinh thể (góc phải lớn hơn 7 độ). Điều này gây ra do hiệu ứng lập kênh, khi đó các ion được cấy sẽ đi vào giữa các dãy nguyên tử trong mạng tinh thể, lúc đó độ đâm xuyên gấp 10 lần so với trường hợp khi không xảy ra hiệu ứng lập kênh. Công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại với sự giúp đỡ của phương pháp cấy ion được minh hoạ trên hình 1.6. bước 1 Mặt nạ trở suất cho phủ kim loại bước 2 Phủ kim loại bước 3 Cấy ion cách điện bước 4 Phủ kim loại Cấu trúc cuối cùng Hình 1.6 Qui trình công nghệ chế tạo laser diode dẫn khuếch đại phẳng. Dẫn khuếch đại được tạo ra bằng cách cách cấy ion cách điện (bước 3) để giam giữ dòng điện. Phủ mặt nạ để cấu trúc kim loại mỏng là phương pháp mặt nạ phóng nhằm ngăn cản sự đảo chiều trở suất. Để ngăn cản miền tiếp xúc trên lớp GaAs khỏi bị phá huỷ do cấy ghép ion cần độ dày lớp phủ hiệu dụng cỡ 70nm. Để cách điện ta chỉ chọn vùng bán dẫn bên ngoài cửa sổ tiếp xúc (cửa sổ tiếp xúc ngoài) đồng thời sử dụng phương pháp mặt nạ thích hợp để cấy ghép ion. Cấy ghép thường được sử lý ở nhiệt độ thấp, có thể sử dụng nhiều loại chất liệu mặt nạ khác nhau. 1.3.3 SỬ LÝ LỚP CÁCH ĐIỆN Công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại với lớp bên cách điện bằng một lớp điện môi được mô tả trong hình 1.7. Các lớp điện môi thông thường được sử dụng như rào chắn dòng điện trong cấu trúc laser diode với GaAs chứa SiO2, SiNx hoặc Al2O3. Công nghệ sử lý lớp điện môi tuỳ thuộc vào lớp điện môi được sử dụng và kỹ thuật kết tủa (kết tủa hơi hoá học, bức xạ hoặc bay hơi chùm điện tử). bước 1 bước 2 bước 3 Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại phẳng. Dòng điện được giam giữ bằng cửa sổ tiếp xúc, được xác định bằng lớp cách điện pha tạp mạnh GaAs . Cách tốt nhất để sử lý lớp cách điện từ điều kiện tiếp xúc là sử dụng phương pháp mặt nạ phóng. Lớp cách điện được ngưng tụ ở nhiệt độ thấp khi sử dụng quá trình phóng. 1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA Một cấu trúc cùng loại khác cũng được sử dụng cho việc giam giữ điện-quang đó là cấu trúc dẫn sóng chiết suất. Trong cấu trúc này, một phần bên ngoài lớp bán dẫn được giam giữ bằng vật liệu khác có chiết suất thấp hơn. Trường hợp đơn giản nhất là lớp tiếp xúc và lớp vỏ được khắc mòn. Cấu trúc mesa được làm rất nhỏ cỡ 3-5 mm sao cho ống dẫn sóng ngoài chỉ có mốt ngoài đơn được tạo ra dễ ràng. Vì thế, cấu trúc này thường được sử dụng cho laser diode mốt cơ bản. Đối với cấu trúc phức tạp hơn, thì miền khắc mòn bên ngoài vùng giam giữ được lấp đầy bằng bán dẫn khác loại do lần cấy ghép thứ hai. Laser diode với cấu trúc mesa cho công suất cao được chỉ ra trên hình 1.9, là một trường hợp đặc biệt của ống dẫn sóng đỉnh, bề rộng mặt ngoài cỡ 60-200 mm. Tính chính xác của kỹ thuật khắc mòn được sử dụng để nghiên cứu điểm dừng tại độ sâu chính xác bị giảm đi khi so sánh với laser ống dẫn sóng đỉnh. Ưu điểm chính của cấu trúc mesa là khả năng giam giữ và xác định dòng điện cực tốt, ngoài ra còn có khả năng giam giữ quang học tốt hơn một chút laser ống dẫn sóng đỉnh. Kết quả mật độ dòng ngưỡng giảm, bề rộng các đỉnh nhỏ dưới 100 mm. bước 1 bước 2 bước 3 bước 4 Hình 1.9 Sơ đồ qui trình công nghệ mesa cho việc chế tạo laser diode cấu trúc dẫn sóng “gần” chiết suất. Mặt nạ trở suất được sử dụng như là mặt nạ khắc mòn bao gồm trở suất dương(khắc mòn hoá học ướt) hoặc trở suất âm (cho quá trình khắc mòn khô). Sau đó mặt nạ có thể được sử dụng cho cấu trúc cách điện Công nghệ chế tạo laser diode cấu trúc mesa được minh hoạ theo các bước trên hình 1.9. Có thể sử dụng khắc mòn khô hoặc ướt, phương pháp này đã được áp dụng sử lý với dung sai tương đối lớn. Quá trình khắc mòn còn tạo ra các các tường bên, dễ ràng cho việc phủ kim loại. 1.3.5 PHỦ KIM LOẠI Mục đích của việc phủ các lớp p và n của laser diode là tạo ra tiếp xúc ohmic cho phép dòng điện chạy qua diode. Tiếp xúc có đặc tính tuyến tính I-V ổn định theo thời gian và nhiệt độ. Phân bố trở liên kết của diode càng nhỏ càng tốt, nói cách khác sự phủ kim loại là cở sở cho lượng nhiệt tản ra từ chíp laser. . Hình 1.10: Ảnh quét hiển vi điện tử của laser diode công suất cao với cấu trúc mesa được sử dụng cho việc giam giữ quang-điện. Tấm vàng được phủ lên giúp truyền nhiệt tốt từ chíp tới môi trường. Đối với laser diode công suất cao dựa trên nền GaAs cho bước sóng phát trong vùng từ 650nm tới 1100nm thường sử dụng lớp tiếp xúc chứa GaAs. Nếu lớp tiếp xúc pha tạp đủ mạnh, thì hầu hết kim loại được đặt tiếp xúc ngay sát với bề mặt sẽ cho kết quả tiếp xúc ohmic mà không cần pha trộn, mức pha tạp cần thiết tối thiểu là Để tạo tiếp xúc ohmic trên các đế này, chúng ta phải phủ lớp mỏng kim loại sau đó pha trộn một cách thích hợp với GaAs. Trong suốt quá trình pha trộn tại nhiệt độ được giữ thấp và làm lạnh liên tiếp. Trong tất cả các hệ đã được sử dụng, thì hệ dựa trên Au (vàng)-Ge (Giec ma ni) là hiệu quả nhất, Au-Ge được pha trộn theo tỷ lệ hoá học nhất định (chẳng hạn 88%Au, 12%Ge theo trọng lượng) [6]. Hốn hợp pha tạp này được kết tủa trên đế GaAs bằng cách bốc bay chùm điện tử. 1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO Một trong những phương pháp phổ biến nhất để tạo công suất ra lớn từ laser diode đó là tăng bề rộng của vùng phát. Tuy nhiên, nếu bề rộng của phát đơn mốt tăng thì sẽ gây gia tăng rất mạnh tính không ổn định mốt ngoài. Điều này có nghĩa rằng công suất quang học sẽ không phân bố đồng nhất dọc theo mặt phát, hay còn gọi là các khe nóng, gây giảm độ phẩm chất của laser diode. Thực tế, công suất phát của các đỉnh mốt đơn không thể tăng với các bề rộng đỉnh vượt qua 200mm. Hiện nay, các laser diode phát đỉnh đơn có bề rộng phát dưới 300mm. Phương pháp thực tế để tăng công suất ra là tổ hợp khối nhiều nguồn phát (khoảng 20-70 nguồn) vào bên trong một thanh laser diode. Các nguồn phát này được cách ly với nhau cả về mặt quang và mặt điện. Mỗi nguồn phát thành phần này sẽ được điều chỉnh ra với một công suất vừa phải, sao cho chúng không dẫn đến suy giảm độ phẩm chất của mặt phát. Cộng tất cả công suất của những nguồn phát thành phần, công suất ra có thể lên tới 100W [7], thời gian sống khoảng 10000 giờ, chiều dài buồng cộng hưởng là 600mm -1000mm, chiều dài của thanh laser là 10mm, khoảng cách nguồn phát thành phần khoảng 50mm -200mm. Trên hình 1.11 minh hoạ cho laser mảng. Hình 1.11: Sơ đồ một phần của laser mảng, bao gồm các nguồn phát đơn riêng lẻ quang-điện. Mỗi nguồn phát có một cấu trúc mesa, chiều dài của thanh khoảng 10mm, chiều dài buồng cộng hưởng trong khoảng từ 600-1000mm. Do công nghệ sử lý các nguồn phát đơn mốt thành phần và laser mảng là giống nhau, nên việc chế tạo laser thanh chỉ cần thay đổi cách bố trí lớp mặt nạ. Tuy nhiên, đòi hỏi nhiều yêu cầu đặc biệt trong việc sử lý công nghệ laser thanh gây ra do sự tích hợp số lượng lớn các nguồn phát thành phần trong thanh diode. Mỗi bước sử lý phải đưa ra một mức tin cậy rất cao do khuyết điểm của một nguồn phát (ảnh hưởng nhiệt hoặc dòng điện) thành phần cũng có thể là nguyên nhân gây ra lỗi của toàn bộ thanh diode. Một vấn đề khác có thể phát sinh từ việc tổ hợp của quá nhiều các nguồn phát thành phần mở rộng dẫn đến các lớp dẫn sóng giống nhau gây xuất hiện các giả mốt. Các mốt này có hướng truyền vuông góc với các mốt cộng hưởng thông thường, gây giảm hiệu suất toàn phần của mảng. Có hai cách để khử giả mốt: Cách thứ nhất là khắc mòn tạo thành các khe song song với các buồng cộng hưởng bên trong các nguồn phát thành phần. Cách thứ hai là sử dụng cấu trúc mesa, cách này không cần kỹ thuật đi kèm cho việc triệt tiêu giả mốt . 1.3.7 KỸ THUẬT PHỦ MẶT GƯƠNG NGUYÊN TẮC Một trong những khía cạnh cốt yếu của công nghệ bán dẫn công suất cao là tạo ra được các gương ra bền tại các mặt tách của tinh thể. Năng lượng nhiệt sinh ra được tập chung trong một thể tích nhỏ và mật độ công suất dễ ràng tiến tới bậc cỡ tại lối ra, giá trị này gần với ngưỡng phá huỷ của mặt tách. Các gương được tạo ra theo ba bước: Tách mặt được sử lý trong thanh laser. Thụ động hoá các bề mặt được tách. Phủ lớp phản xạ có đặc tính theo mong muốn. Quá trình này phải thoả mãn ba điều kiện chính như sau: Thứ nhất, hệ số phản xạ của gương mặt sau phải lớn hơn 90%, mặt gương trước từ 3-20%. Thứ hai, bề mặt phản xạ phải có độ bền cao để có thể thoả mãn thời gian sống của thiết bị hàng nghìn giờ. Thứ ba là công nghệ phải phù hợp cho sản xuất khối lượng lớn, giá thành rẻ. 1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HOÁ MẶT TÁCH CHIP LASER Trên hình 1.12 chỉ ra chu trình phản hồi tại các mặt tách của laser diode dẫn đến phá huỷ bề mặt, kết quả là hỏng linh kiện. Nguyên nhân hấp thụ ban đầu tại các mặt tách là do các tâm sâu (trạng thái bề mặt) được nhân lên do sự ôxi hoá của vật liệu bán dẫn tại giao diện bán dẫn-tấm cách điện. Sự hấp thụ của bức xạ cưỡng bức tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống tái hợp không bức xạ tại vùng mặt tách. Hiện tượng tái hợp bề mặt không bức xạ gây nóng mặt tách làm cho độ rộng vùng cấm giảm. Sự giảm độ rộng vùng cấm này làm gia tăng hấp thụ tại các mặt tách của chíp, hiệu ứng này sẽ được tăng cường bởi mật độ dòng tại mặt tách do độ rộng vùng cấm giảm [8]. Nếu như năng lượng hấp thụ đủ lớn, thì quá trình tự chống đỡ xảy ra dẫn đến phá hỏng do nhiệt của mặt tách. Sau đây là một vài phương pháp tiếp cận thường sử dụng nhằm hạn chế sự phá hỏng mặt tách do nhiệt: Giảm hấp thụ ánh sáng tới tại mặt tách [9,10] Giảm tốc độ tái hợp bề mặt [11,12,13,14] Giảm mật độ dòng tại bề mặt [15] Hấp thụ ánh sáng tại mặt tách Tạo cặp điện tử- lỗ trống Phá vỡ liên kết Ôxi hoá bề mặt Tái kết hợp không bức xạ Sự nung nóng Giảm năng lượng vùng cấm Vòng oxi hoá Phá huỷ phẩm chất quang học (COD) Vòng COD Hình 1.12: Sơ đồ các quá trình dẫn đến phá huỷ phẩm chất quang học của các mặt gương laser. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA LASER Phần này chúng ta sẽ đưa ra một số khái niệm xác định chất lượng của chùm tia laser diode công suất cao như chiết suất khúc xạ và cảm ứng hạt tải, mật độ công suất bão hoà, độ sáng , tỷ số Strehl và thông số [16]. Đây là các thông số quan trọng đánh giá khả năng hội tụ, tính kết hợp không gian..v.v. 1.4.1 KHUẾCH ĐẠI HẠT TẢI CẢM ỨNG VÀ CHIẾT SUẤT KHÚC XẠ Sự tương tác giữa ánh sáng và vật liệu bán dẫn là nền tảng của laser bán dẫn, sự tương tác này phức tạp hơn rất nhiều laser khí hoặc laser rắn. Về mặt toán học, sự tương tác giữa bức xạ và vật chất bộc lộ trong hằng số điện môi phức e(w) được viết như sau: (1.1) e0: hằng số điện môi trong không gian tự do c(w): độ cảm môi trường Dựa vào các phương trình sau: (1.2) : đặc trưng cho sự tán sắc và khuếch đại (hoặc mất mát) tương tứng Ta nhận được hằng số khuếch đại và thành phần ảo của chiết suất: (1.3) Nếu Xi>0 thì mô tả sự mất mát, Xi<0 mô tả sự sự khuếch đại. 1.4.2 MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT BÃO HOÀ Trong thực tế, tại những điểm cường độ quang học đóng góp các cực đại địa phương, thì mật độ hạt tải có cực tiểu địa phương, dẫn đến giảm hệ số khuếch đại và tăng chiết suất khúc xạ. Đây chính là đặc tính của tương tác phi tuyến giữa chùm laser và vật liệu bán dẫn để xác định chất lượng chùm tia. Tính phi tuyến quang học xuất hiện bằng cách đưa hằng số bão hoà khuếch đại vào chiết xuất khúc xạ hiệu dụng: (1.4) : là chiết suất phức tại mật độ hạt tải tương ứng với sự trong suốt quang học d : là giới hạn thay đổi nhỏ của thông số phản dẫn sóng G : Yếu tố đặc trưng cho khả năng giam giữ quang học theo phương ngang Hệ số khuếch đại xấp xỉ gần ngưỡng được tuyến tính hoá đơn giản như sau: (1.5) b: là hệ số khuếch đại vi phân J: Mật độ dòng điện J0 : Mật độ dòng trong suốt quang học tại tần số w0 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại và mật độ hạt tải vào cường độ trường được thể hiện trong việc giảm hệ số khuếch đại khi có mặt các photon: (1.6) Trong đó: P(x): Công suất quang học. Psat: Mật độ công suất bão hoà. : Hiệu suất lượng tử nội. q: Điện tích của điện tử. 1.4.3 ĐỘ SÁNG, TỶ SỐ STREHL VÀ THÔNG SỐ 1.4.3.1 ĐỘ SÁNG Độ sáng của nguồn được định nghĩa là công suất phát trong một đơn vị góc khối trên một đơn vị diện tích. Nguồn sáng càng sáng thì càng hội tụ tốt và truyền được khoảng cách càng xa. Độ sáng của nguồn được xác định như sau: (1.7) Ta thấy độ sáng tỷ lệ với công suất toàn phần chia cho bình phương bước sóng phát. Trong đó I :là độ sáng của nguồn P:Công suất toàn phần d: bề dày lớp hoạt chất w: bề rộng lớp hoạt chất : là các góc được biểu diễn trên hình 1.13 d w ._.