ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Thị Kim Khuyên NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Hoàng Thị Kim Khuyên NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT LỚN Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN TUẤN ANH Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Trong trình làm luận văn thạc sĩ, cho phép chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Tuấn Anh, công tác Viện Ứng dụng Công nghệ, tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đỗ Trung Kiên, cô giáo TS Đặng Thị Thanh Thủy thầy, cô giáo môn Vật lý Vô tuyến Điện tử giúp đỡ nhiệt tình trình học tập làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thầy, cô khoa Vật lý, truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN cho kiến thức quý báu thời gian học tập truờng Tôi xin kính cảm ơn gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học Công nghệ tạo điều kiện trang thiết bị để hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên cao học HOÀNG THỊ KIM KHUYÊN MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 U Chương 1: TỔNG QUAN .4 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Đặt vấn đề .5 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phát xạ kích thích khuếch đại ánh sáng 2.2 Tổng quan laser bán dẫn 10 2.2.1 Chuyển tiếp pn laser đơn chuyển tiếp 10 2.2.2 Laser dị chuyển tiếp 14 2.3 Một số phương pháp điều chế laser bán dẫn 17 2.3.1 Điều chế trực tiếp 18 2.3.2 Điều chế gián tiếp 22 2.4 Làm mát laser bán dẫn phương pháp sử dụng Peltier Cooler 26 Chương 3: 29 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT CAO 29 3.1 Chế tạo mô đun laser bán dẫn 4W 29 3.1.1 Tổng quan công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao 29 3.1.2 Một số yêu cầu công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn 30 3.1.3 Chế tạo mô đun laser bán dẫn 32 3.2 Xác định thông số kỹ thuật mô đun laser bán dẫn 4W 37 3.2.1 Xác định đường đặc trưng P-I 38 3.2.2 Xác định đường đặc trưng V-I mô đun laser bán dẫn 4W 40 3.2.3 Xác định phổ mô đun laser bán dẫn 4W 42 3.2.4 Xác định phổ lượng mô đun laser bán dẫn 4W .44 3.2.5 Xác định độ phân kỳ chùm tia mô đun laser bán dẫn 4W 45 3.3 Chế tạo nguồn nuôi laser bán dẫn công suất cao .46 3.3.1 Một số dạng nguồn dòng DC thông dụng 46 3.3.2 Thiết kế chế tạo mạch điều chế mô đun laser bán dẫn 51 3.4 Chế tạo nguồn điều khiển Peltier Cooler 56 3.5 Chế tạo điều chế xung 60 3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 60 3.5.2 Đo đạc, kiểm tra chất lượng xung dao động 61 KẾT LUẬN .63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Absorption Hấp thụ Asymetry Độ bất đối xứng Bandgap Vùng cấm Broad Area LD Laser bán dẫn bề mặt phát xạ rộng Carrier confinement Giam hạt tải CB Vùng dẫn Die bounding Hàn chíp Direct Modulations Điều chế trực tiếp Divergence Angle Góc phân kỳ Double heterostructure Cấu trúc dị thể kép Electro-absorption modulator Điều chế hấp thụ điện tử Electro-optic modulator Điều chế quang điện tử External Modulations Điều chế gián tiếp Extinction Ratio Hệ số suy giảm Heat Sink Đế tỏa nhiệt Homojunction LD Laser bán dẫn đơn chuyển tiếp Ith Dòng ngưỡng Laser Khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích Laser Bar Laser Laser Stack Laser khối LOC Laser hốc cộng hưởng rộng Micro-Channel Coolers Bộ làm mát vi kênh P-I Đường đặc trưng công suất quang – dòng điện Peltier Cooler Pin lạnh Photon confinement Giam photon Population inversion Nghịch đảo mật độ Pulse Modulations Điều chế xung Relaxation Oscillations Dao động suy giảm Stimulated Emission Phát xạ kích thích Sub-mount Đế phụ Tapered Laser Laser cấu trúc vuốt thon The depletion region Vùng nghèo điện tử V-I Đường đặc trưng điện áp – dòng điện VB Vùng hóa trị Wire bounding Hàn dây vàng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Thông số chíp laser bán dẫn 8W 33 Bảng 3.2: Chế độ làm việc thiết bị hàn chíp .34 Bảng 3.3: Sự phụ thuộc công suất quang vào dòng bơm 38 Bảng 3.4: Mối liên hệ điện áp nuôi dòng bơm .41 Bảng 3.5: Mối liên hệ công suất quang bước sóng làm việc .43 Bảng 3.6: Độ phân kỳ chùm tia mô đun laser bán dẫn 4W 45 Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật IRFP260N 52 Bảng 3.8: Ảnh hưởng tải lên mức tín hiệu điều chế 55 Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật Peltier Cooler .56 Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh 59 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp .4 Hình 1.2: Cấu trúc laser Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa AlGaAs Hình 1.4: Cấu hình hệ laser bán dẫn công suất cao Hình 1.5: Sự phụ thuộc công suất quang lối vào dòng bơm Hình 2.1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ kích thích Hình 2.2: Giản đồ chuyển tiếp pn .10 Hình 2.3: Giản đồ mật độ trang thái 11 Hình 2.4: Cấu trúc laser đơn chuyển tiếp GaAs 13 Hình 2.5: Sự phụ thuộc công suất quang lối vào nguồn nuôi 14 Hình 2.6: Cấu trúc laser bán dẫn di thể kép .15 Hình 2.7: Cấu trúc laser bán dẫn di thể kép điển hình .16 Hình 2.8: Mô tả phương pháp bơm quang học 17 Hình 2.9: Điều chế trực tiếp chùm tia laser bán dẫn 18 Hình 2.10: Điều chế trực tiếp dòng nuôi laser bán dẫn 18 Hình 2.11: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số phổ lối laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp dòng bơm gần với dòng ngưỡng 21 Hình 2.12: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số phổ lối laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp tăng dòng bơm .22 Hình 2.13: Điều chế gián tiếp chùm tia laser bán dẫn 22 Hình 2.14: Sự phụ thuộc hấp thụ vào điện áp điều chế hấp thụ điện tử 23 Hình 2.15: Nguyên tắc hoạt động điều chế Mach - Zehnder 25 Hình 2.16: Cấu trúc Peltier Cooler: .27 Hình 1: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn chế tạo từ chíp đơn 29 Hình 2: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn chế tạo từ laser 30 Hình 3: Sự phụ thuộc bước sóng laser vào vật liệu chế tạo 33 Hình 4: Kiểm tra chíp kính hiển vi .33 Hình 5: Thiết bị hàn chíp 7372E – Westbond .34 Hình 6: Một số hình ảnh trình gắn chíp lên đế .35 Hình 7: Thiết bị hàn dây vàng 7476D – Westbond .35 Hình 8: Một số hình ảnh trình hàn dây vàng 36 Hình 9: Cấu hình tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang 36 Hình 10: Hình ảnh thực tế trình tích hợp sợi quang .37 Hình 11: Hệ đo đường đặc trưng P-I mô đun laser bán dẫn 4W 38 Hình 12: Đường đặc trưng P-I mô đun laser bán dẫn 4W 40 Hình 13: Hệ đo đường đặc trưng V-I mô đun laser bán dẫn 4W 40 Hình 14: Đường đặc trưng V-I mô đun laser bán dẫn 4W .42 Hình 15: Xác định bước sóng trung tâm .42 Hình 16: Hệ đo bước sóng làm việc mô đun laser bán dẫn 4W .43 Hình 17: Phổ mô đun laser bán dẫn 4W 44 Hình 18: Phân bố lượng mô đun laser bán dẫn 4W .44 Hình 19: Ảnh phân bố lượng 2D, 3D mô đun laser bán dẫn 4W 45 Hình 20: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển dòng .47 Hình 21: Sơ đồ nguồn dòng Widlar 48 Hình 22: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển điện áp 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO C Hanke, L Korte, B Acklin, J Luft, S Grötsch, G Herrmann, Z Spika, M Marciano, B De Odorico, J Wilhelmi (1999), “Highly reliable 40 W-cwInGaAlAs/GaAs-808 nm laser bars”, SPIE, 3462, pp 47-53 Christophe Peucherer (2009), “Direct and External Modulation of Light”, DTU Photonik, Department of Photonics Engineering Technical University of Denmark Das P (1991), “Lasers and optical engineering”, New York Springer-Verlag D.Z Garbuzov, N.Y Antonishkis, A.D Bondarev, A.B Gulakov, S.N Zhigulin, N.I Katsavets, A.V Kochergin, E.V Rafailov (1991) “High power 0.8 µm InGaAsP-GaAs SCH DQW lasers”, IEEE, J Quantum Electron., 27 (6), pp 15311536 F Bachmann P Loosen, R Poprawe (2007), “High Power Diode Lasers”, Springer, 200, pp.197-200 H Blauvelt, S Margalit, and Yariv, Large optical cavity AlGaAs buried heterostructure window lasers, Califonia Institute of Technology, Pasadena, Califonia 91125, 1982 http://britneyspears.ac/physics/fplasers/fplasers.htm http://en.wikipedia.org http://www.fbh-berlin.com 10 http://www.industrial-lasers.com 11 http://www.laserfocusworld.com 12 http://www.ni.com/white-paper/14878/en 13 Lee R Levine (2001), “Wire Bonding Optoelectronics Packages,” Chip Scale Review 14 P Even, D Pureur (2002), “High power double clad fiber laser: a review”, Proc SPIE – Int, Soc Opt Eng., 4638, pp 1-12 15 R Diehl (2000), “High-Power diode laser”, Topics Appl Phys Springer 16 R Rodwell and D A Worrall (1985), “Quality Control in Ultrasonic Wire Bonding,” International Journal for Hybrid Microelectronics, Vol 8, No 2, pp.1-8 17 Uri Lachish (2014), "Thermoelectric Effects Peltier Seebeck and Thomson", Guma Science 65