THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
MỤC LỤC

OBO
OK S
.CO
M

MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
1.1. Khái niệm LASER DIODE công suất cao

1.2. Một số cấu trúc LASER DIODE công suất cao
1.2.1. LASER ma trận (MATRIX)

1.2.2. LASER buồng cộng hưởng rộng LOC
1.2.3. LASER DIODE dạng mảng (thanh)

1.3. Công nghệ chế tạo LASER DIODE dạng mảng
1.3.1. Xử lý cửa số tiếp xúc
1.3.2. Cấy ghép ION

1.3.3. Xử lý lớp cách điện

1.3.4. Xử lý cấu trúc MESA
1.3.5. Phủ kim loại

1.3.6. Tổ hợp LASER mảng công suất cao
1.3.7. Kỹ thuật phủ mặt gương
1.3.7.1. Nguyên tắc

1.3.7.2. Thụ động hóa mặt tách CHIP LASER

1.4. Các thông số đặc trưng chất lượng chùm tia

1.4.1. Thông số khuyeech đại hạt tải cảm ứng và chiết suất khúc xạ

KIL

1.4.2. Mật độ công suất bão hòa

1.4.3. Độ sáng, tỷ số STREHL và thông số M 2
1.4.3.1. Độ sáng

1.4.3.2. Tỷ số STREHL
1.4.3.3. Thông số M 2

1.5. Một số tính chất đặc biệt của LASER DIODEcông suất cao
1.5.1. Đặc trưng công suất phụ thuộc vào dòng bơm
1.5.2. Sự phụ thuộc dòng ngưỡng vào nhiệt độ
3



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
1.5.3. Sự uốn cong đường đặc trưng (P-I) do nhiệt
1.5.4. Hoạt động đa mốt
1.5.5. Sự phá hủy phẩm chất quang học

KIL

OBO
OKS
.CO
M

1.5.6. Tuổi thọ của LASER DIODE công suất cao
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 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 trưng 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

4



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
MỞ ĐẦU

Lasers được viết tắt từ những chữ cái đầu trong tiếng Anh (Light

KIL
OBO
OKS
.CO
M

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 lũng cỏc nhà khoa học mà cũn kớch
thớch sự quan tõm tỡm 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 đó 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 77 0 K , bước sóng ra đỉnh
842 nm, độ rộng phổ cỡ 1.5nm, mật độ dũng bơm ngưỡng tới J th ≈ 85000 A / cm 2 ,
có tần số lớn hơn gấp 109 lần tần số radio và gấp 105 lần tần số của vi sóng.
Đến đầu năm 1963 thỡ cỏc loại laser bỏn dẫn đó 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
thỡ Charles Kao và Geoger Hockhan chế tạo được laser bán dẫn có hoạt động
trong chế độ xung tại nhiệt độ phũng, mật độ dũng bơm ngưỡng đó giảm xuống
J th ≈ 8000 A / cm 2 , giỏ trị dũng ngưỡng này giảm xuống chỉ cũn 1.600 A / cm 2 vào

năm 1970 và đến năm 1975 thỡ chỉ cũn cỡ 500 A / cm 2 . Để giảm mật độ dũng
ngưỡng xuống giá trị trên, người ta chế tạo laser có vật liệu lớp tích cực AlGaAs
5



THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
vi dy ~ 0.1àm cú cu trỳc d th kộp. S khỏc nhau v rng vựng cm
gia lp tớch cc v cỏc lp v giỳp cho vic giam gi tt hn cỏc mt quang
hc, hot ng nh mt dn súng in mụi. Nhng chớnh s giam gi ny lm

KIL
OBO
OKS
.CO
M

gim ỏng k hao tn ni, gõy ra s m rng mt trong cc vng lừn cn.
Mt trong nhng mc tiờu quan trng ca laser diode ú l nõng cao cụng
sut laser ra ng thi gim rng xung nh nht cú th nhm nõng cao cht
lng chựm tia v ng dng sõu hn trong cuc sng cng nh khoa hc. Mc
tiờu ny luụn luụn c duy tr v m rng pht trin k t khi nỳ ra i.
Vy ti sao chng ta cn phi ch to laser diode cng sut cao?
u nhng nm 1990 ỏnh du bc t phỏ trong cụng ngh laser bỏn
dn khi ln u tiờn ch to thnh cụng cỏc thanh laser kớch thc 1cm ì 0.06cm

phỏt ra cụng sut trờn 20W, thi gian sng c 10.000 gi, m ra kh nng ng
dng to ln trong khoa hc ng dng. Quỏ trnh tip theo ch yu tp chung
vo vic ci tin laser bn dn trn c s nn GaAs, to ra nn cú mt phn
x thp bng cỏc quỏ trnh epitaxy ca cc lp AlGaInAs v GaInAsP trn nn
GaAs. Cc li th ca laser bn dn cng sut cao: So vi vi ốn bm hoc khớ
tớch in cho vic to ra ỏnh sỏng kt hp, nh kớch thc nh gn, hiu sut
chuyn i in quang cao hn, ngun cp v lm lnh n gin, tin cy cao
hn. Kớch thc nh gn nờn chim u th hn so vi laser rn v laser khớ do
s cng knh v bt tin. Dng bm ngng thp (ch c vi trm mA), di súng
ng dng rng, d iu ch, hot ng t ch xung tn s thp n cao, c
ch xung v ch liờn tc. Nú l thit b khụng th thiu trong thụng tin cỏp
quang, cho phộp truyn thụng tin i khong cỏch rt ln vi tc siờu cao. Mt
khỏc, laser diode úng vai tr nh chic cha kho m ra rt nhiu ng dng, t
nhng sn phm thng thng phc v cho mc ớch dõn s n nhng ng
dng cho mc ớch quõn s. i vi mt s ng dng thụng thng ca laser
diode nh: mỏy scan, mỏy in, bỳt ch laser, u c a compact v trong thng
tin cp quang th cng sut ch c vi mW. Nhng i vi mt lot ng dng
khỏc th cng sut cn ti c t vi Watts ti hng ngn Watts tu theo ng
dng nh: o xa laser phỏt hin khong cỏch mc tiờu, ngun chiu sỏng trong
6



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
ống nhũm nhỡn 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

KIL
OBO

OKS
.CO
M

biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn.

7



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO

KHÁI NIỆM LASER DIODE CễNG SUẤT CAO

KIL
OBO
OKS
.CO
M

1.1

Đó hơn 40 năm kể từ khi laser bán dẫn phun ra đời, rất nhiều nghiên cứu
đó 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
trỡ cụng 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 rừ ràng giữa laser diode thường và laser
diode công suất cao, nó phụ thuộc vào loại laser và ứng dụng cho mục đích gỡ
mà nú 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 thỡ 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 hóy 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 thỡ hiệu hiệu suất lờn đến trên 60% [2].

8



THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Thi gian sng c trng ca cỏc ốn khong 1000 gi nh hn thi gian
sng ca laser diode cụng sut cao hn 10.000 gi.
Cụng sut quang hc ca cỏc ốn bm cho cỏc h laser diode cụng sut

KIL

OBO
OKS
.CO
M

cao cn ti c vi kW. thc hin mt cụng sut tng t vi cỏc laser
diode th chng ta ch cn s dng khong 100 thanh diode cng sut cao.
Laser diode cụng sut cao c s dng lm ngun bm cho h laser rn
cho hiu sut rt cao v bc súng bm ca laser diode cú th phự hp
chớnh xỏc vi bc súng hp th ca tinh th c kớch thớch. Cn nu s
dng cc loi ốn bm th do ph thuc vo cc dch chuyn in t ca
cỏc nguyờn t kớch thớch nờn cỏc bc súng ny ch ph thuc bn cht,
cỏc giỏ tr c nh khớ bm vo, v th cc dch chuyn cỳ th tt hoc
khng tt, mang li hiu sut km hn rt nhiu.

Vn mang tớnh cnh tranh quyt nh l giỏ c ca ton b h thng
mỏy phỏt laser. i vi cỏc h laser diode cụng sut cao th vn ny
ch yu c xỏc nh bi giỏ ca cỏc laser diode thnh phn (laser diode
thụng thng). V th, cc n lc ch yu c tp chung vo cụng ngh
bỏn dn tỏi ch, chớnh v vy laser diode cng sut cao c xem nh l
cụng ngh n gin nht, dn n giỏ c cnh tranh hn so vi cỏc loi
laser khỏc.

1.2

MT S CU TRC LASER DIODE CNG SUT CAO

1.2.1 LASER MA TRN (MATRIX)
Khi nim


Laser ma trn l mt trong nhng cu trỳc c s dng hiu qu trong
vic nõng cao cụng sut ca laser diode. Cu trỳc ca laser ma trn c b trớ
bao gm nhiu lp tớch cc nm sỏt nhau, mi lp tớch cc ny bc x riờng r
9



THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
v to thnh mi quan h v pha gia chỳng. C th l hp pha hoc ngc pha,
nu hp pha th cng sut ra tng hp c tng cng v kt hp, cn nu
ngc pha th cng sut ra b trit tiu. Kt qu to thnh chm bc x hp, cỳ

KIL
OBO
OKS
.CO
M

tnh kt hp cao. Cu trc laser ma trn c nghiờn cu nhiu hin nay s
dng h vt liu InGaAsP.

Cu trỳc laser ma trn c chia thnh hai nhúm: laser ma trn ch s
khuch i v laser ch s chit sut yu (cu trỳc dn súng), s khỏc nhau ca
hai loi l do mode cụng tua dc theo mt phng chuyn tip c xỏc nh
bng ch s khuch i v ch s chit sut yu. Hnh 1.1 minh ho hai cu trc
laser ma trn trn:

lp in mi

~1.3àm (InGaAsP)


p-InP

p-InP

~1.3àm (InGaAsP)

n-InP

(lp tch cc)



a/

p-InP

~1.3àm (InGaAsP)

n-InP

(lp tch cc)

~1.03àm (InGaAsP)

b/

10




THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Hnh 1.1: S cu trỳc laser ma trn trờn c s vt liu InGaAsP
a/ Cu trỳc laser diode ma trn ch s khuch i.

KIL
OBO
OKS
.CO
M

b/ Cu trc laser diode ma trn ch s chit sut yu.
Trong ú laser ma trn ch s khuch i l mt laser di in mụi, cỏc khe in
mụi (SiO2) v khng gian gia cỏc tõm c chn sao cú s chng chp ca cỏc
mt dao ng t cỏc bc x lõn cn. Laser ma trn ch s chit sut yu cú th s
dng cu trỳc dn súng nh. Cỏc hng khụng gian gia cỏc bc x c
khuch i lc la thụng qua s chng chp ca cỏc mt dao ng. S chng
chp ny chng t s liờn kt cn thit cho chn pha. i vi laser ma trn
InGaAsP phỏt trong vựng 1.3àm hot ng ch xung cú th cho cụng sut
ra ti 800mW.

1.2.2 LASER BUNG CNG HNG RNG LOC
(LARGE OPTICAL CAVITY)
Khi nim

Hiu mt cỏch n gin nht, cú c cụng sut cao hn, ta cú th tng
th tớch ca bung cng hng hay tng chiu di vựng hot cht (tc l tng
chiu di khuch i), dn n tng mt photon i ra, tc l cụng sut bc x
tng. Laser bung cng hng rng da trờn cu trỳc d th kộp gm ba lp
chun p-p-n (hnh 1.2), cỳ hai kiu cu trc l cu trc i xng v cu trỳc

phn xng, trong ú cu trỳc phn xng d to c laser n mt dc hn l
cu trỳc i xng. Laser LOC bao gm cu trỳc d th vựi v cu trỳc d th kộp,
trong ú cu trỳc d th kộp cho cụng sut quang ra cao hn (c 100mW ch
liờn tc).

p

p (lp tch cc)
11



THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
n

KIL
OBO
OKS
.CO
M

Hnh 1.2: Cu trc d th kp 3 lp chun

Trong cu trc ny, vng lừn cn ca lp tch cc th s ti hp v
cng hng xy ra c lp, cỏc mt ngang lan truyn qua lp bỏn dn loi n s ớt
mt mỏt hn. i vi loi bung cng hng ny, nu ch to bung cng
hng ln hn vựng tỏi hp th kch thc vt sỏng u ra ln hn, ng thi
cụng sut li ra cng gim. Laser LOC cú hai c im lu ý l: nng ht ti
d gia lp tch cc v ng dn (v) ln hn so vi cu trỳc d th chun v cú
s suy gim chit sut trong vựng tỏi hp do mt tp chung ht ti cao gõy

mt n nh kớch thc vt sỏng ra.

Cu trỳc u tiờn [3] ỏp dng khỏi nim bung cng hng rng (LOC) vi
dn súng m rng cho bc súng 808nm, cu trỳc ny s dng li ng dn sỳng
cỳ b dy 1.2àm bao gm Al 0.6 Ga0.4 As v mt lp v vi hp cht ca Al0.6 Ga0.4 As
(hnh 1.3). Mt cu trc dn sỳng ti u cho laser diode cụng sut cao LOC cn
tho mún yu cu sau [17]:

- Kh nng giam húm cao gim dng ngng

- B rng trng gn phi ln gim ti trng b mt
- B rng trng gn phi nh gim b dy tng cng ca cỏc lp
ghộp, tc l tr nhit v tr h thng.

- B rng trng gn phi ln phõn k theo chiu dc nh.
- Mt mt tn x thp.

- Mt mt do hp th ht ti t do nh.

- Mc pha tp cao gim tr h thng.

- Hng do chn ht ti cao giam húm in t tt hn
-

Hng do gia cỏc lp khỏc nhau nh t th qua diode thp
GaAs (lp tip gip)

12




THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
Al 0.7 Ga 0.3 As ( vỏ) 1500nm

Al 0.65Ga 0.35 As (dẫn súng) 500nm

KIL
OBO
OKS
.CO
M

Cấu trúc giếng lượng tử
(InGaAsP,GaAsP,InGaAlAs)

Al 0.65Ga 0.35 As (dẫn súng) 500nm

Al 0.7 Ga 0.3 As ( vỏ) 1500nm

GaAs (đế)

Hỡnh 1.3: Sơ đồ các lớp dọc liên tiếp của chip laser diode với cấu trúc dẫn sóng
LOC AlGaAs.

1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH)
Khỏi 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 (hỡnh vẽ 1.4). Sự

liờn quan về pha giữa cỏc mốt ghộp nối cú ảnh hưởng quyết định đối với công
suất ra và là điều kiện quan trọng của linh kiện trong hệ thụng tin quang.

Hỡnh 1.4: Cấu trỳc của laser diode mảng cụng suất cao
13



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN

Trong laser thanh, để hạn chế số mốt người ta đưa ra giải pháp bằng cách

KIL
OBO
OKS
.CO
M

sử dụng mô hỡnh cặp thanh hỡnh chữ Y như hỡnh 1.5.

Nguyờn lý hoạt động của cấu trúc được mô tả trên hỡnh vẽ 1.5b. Cỏc mốt
từ hai nhỏnh cú chung một gốc hỡnh 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 hỡnh b1, cũn hai thành phần ngược pha sẽ bị triệt tiêu và
công suất mất đi như hỡnh b2. Cụng 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

a/

2

b/

Hỡnh 1.5: a/ Cặp mảng dạng chữ Y.

b/Mụ hỡnh cho nguyờn lý hoạt động của laser dạngthanh.

14



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
1.3 CễNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG

KIL
OBO
OKS
.CO
M

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, cũn dẫn súng bờn đạt được
bằng kỹ thuật khắc mũn mesa (kỹ thuật khắc dốc) trong trường hợp dẫn sóng
chiết suất, hoặc bằng phương pháp hỡnh học tiếp xỳc 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 thỡ nú 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 trỡnh 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 quỏ trỡnh 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 trỳc và quỏ trỡnh phủ kim loại tiếp xỳc 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 Lí CỬA SỔ TIẾP XÚC

Cấu trúc laser diode ống dẫn khuếch đại đơn giản nhất dựa trên việc phun
dũng 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 dũng điện lan tỏa trên bề mặt tiếp xúc. Dựa vào cửa sổ tiếp xúc này,

15



THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN

dng in c phun vo bờn trong vựng hot cht. Ngoi vựng ca s tip xỳc
ny th b mt bn dn phi c cỏch in hon ton.
Cỏch in c gii quyt bng cỏch gim mnh tớnh dn in ca lp

KIL
OBO
OKS
.CO
M

tip xỳc bỏn dn pha tp mnh gõy ra do s ghộp ni hoc ta cú th cỏch in
lp cht in mụi gia lp tip xỳc bỏn dn v lp ph kim loi [4,5].
1.3.2 CY GHP ION

Hiu qu cỏch in ca vic cy ion ph thuc vo vic to ra cỏc l trng
trong bỏn dn. Cỏc l trng ny bt gi cỏc ht ti t do trong cỏc lp bỏn dn,
iu ny lm gim tớnh dn in v tng in tr ca cỏc lp.

ch to cỏc cu trỳc laser diode a mt th cn cỳ s cch in ca cỏc
lp bỏn dn pha tp mnh (lp tip xỳc v lp v gn lp tip xỳc). Vựng ny
cú th c cỏch in bng cỏch cy ion nụng vi nng lng thp. sõu
trung bnh v dy ca lp cỏch in c xỏc nh bng loi ion v nng
lng c cy, lng cy ny xỏc nh s l trng v cỏch in.
S phỏ hu rt d xy ra nu t lp c cy trong vựng cng trng
quang hc mnh, nú to nờn nhng im ban u gõy gia tng sai hng, dn n
suy bin cỏc c tớnh ca laser diode v cui cựng lm hng thit b. Chớnh v
vy, trỏnh sp t ng cy thng hng vi hng chớnh ca tinh th (gúc phi
ln hn 7 ). iu ny gõy ra do hiu ng lp kờnh, khi ú cỏc ion c cy s
i vo gia cỏc dúy nguyn t trong mng tinh th, lc ú õm xuyờn gp 10
ln so vi trng hp khi khụng xy ra hiu ng lp kờnh. Cụng ngh ch to

laser diode dn súng khuch i vi s giỳp ca phng phỏp cy ion c
minh ho trờn hnh 1.6.
bc 1

16



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN

bước 2

KIL
OBO
OKS
.CO
M

Mặt nạ trở suất cho phủ kim loại

Phủ kim loại

bước 3

Cấy ion cỏch điện

bước 4

Phủ kim loại


Cấu trỳc cuối cựng

Hỡnh 1.6 Qui trỡnh 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
dũng điện. Phủ mặt nạ để cấu trúc kim loại mỏng là phương pháp mặt nạ phóng
17



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
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.

KIL
OBO
OKS
.CO
M

Để cách điện ta chỉ chọn vùng bán dẫn bên ngồi cửa sổ tiếp xúc (cửa sổ
tiếp xúc ngồi) 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

Cơng nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại với lớp bên cách điện
bằng một lớp điện mơi được mơ tả trong hỡnh 1.7. Cỏc lớp điện mơi thơng
thường được sử dụng như rào chắn dũng điện trong cấu trúc laser diode với
GaAs chứa SiO2, SiNx hoặc Al2O3. Cơng nghệ sử lý lớp điện mơi tuỳ thuộc vào

lớp điện mơi được sử dụng và kỹ thuật kết tủa (kết tủa hơi hố học, bức xạ hoặc
bay hơi chùm điện tử).

bước 1

18




bước 2

bước 3

KIL
OBO
OKS
.CO
M

THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN

19



THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN
Hnh 1.8: S cụng ngh ch to laser diode dn súng khuch i phng.
Dng in c giam gi bng ca s tip xỳc, c xỏc nh bng lp cỏch
in pha tp mnh GaAs . Cỏch tt nht s lý lp cỏch in t iu kin tip


KIL
OBO
OKS
.CO
M

xỳc l s dng phng phỏp mt n phúng. Lp cỏch in c ngng t
nhit thp khi s dng quỏ trnh phỳng.
1.3.4 S Lớ CU TRC MESA

Mt cu trỳc cựng loi khỏc cng c s dng cho vic giam gi inquang ú l cu trỳc dn súng chit sut. Trong cu trỳc ny, mt phn bờn
ngoi lp bỏn dn c giam gi bng vt liu khỏc cú chit sut thp hn.
Trng hp n gin nht l lp tip xỳc v lp v c khc mn. Cu trc
mesa c lm rt nh c 3-5 àm sao cho ng dn sỳng ngoi ch cú mt ngoi
n c to ra d rng. V th, cu trc ny thng c s dng cho laser
diode mt c bn. i vi cu trỳc phc tp hn, th min khc mn bn ngoi
vng giam gi c lp y bng bỏn dn khỏc loi do ln cy ghộp th hai.
Laser diode vi cu trỳc mesa cho cụng sut cao c ch ra trờn hnh
1.9, l mt trng hp c bit ca ng dn súng nh, b rng mt ngoi c 60200 àm. Tnh chnh xc ca k thut khc mn c s dng nghiờn cu
im dng ti sõu chớnh xỏc b gim i khi so sỏnh vi laser ng dn súng
nh. u im chớnh ca cu trỳc mesa l kh nng giam gi v xỏc nh dng
in cc tt, ngoi ra cn cỳ kh nng giam gi quang hc tt hn mt chỳt
laser ng dn súng nh. Kt qu mt dng ngng gim, b rng cỏc nh
nh di 100 àm.
bc 1

20





bước 2

bước 3

bước 4

KIL
OBO
OKS
.CO
M

THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN

Hỡnh 1.9 Sơ đồ qui trỡnh cụng nghệ mesa cho việc chế tạo laser diode cấu trỳc
dẫn súng “gần” chiết suất. Mặt nạ trở suất được sử dụng như là mặt nạ khắc
21



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
mũn bao gồm trở suất dương(khắc mũn hoỏ học ướt) hoặc trở suất âm (cho quá
trỡnh khắc mũn khụ). Sau đó mặt nạ có thể được sử dụng cho cấu trúc cách điện

KIL
OBO
OKS
.CO

M

Công nghệ chế tạo laser diode cấu trúc mesa được minh hoạ theo các
bước trên hỡnh 1.9. Cú thể sử dụng khắc mũn khụ hoặc ướt, phương pháp này
đó được áp dụng sử lý với dung sai tương đối lớn. Quá trỡnh khắc mũn cũn tạo
ra cỏc cỏc 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 xỳc ohmic
cho phộp dũng 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.

.

Hỡnh 1.10: Ảnh quột 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, thỡ hầu hết kim loại được đặt tiếp xúc ngay sát với bề

22



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
mặt sẽ cho kết quả tiếp xúc ohmic mà khụng cần pha trộn, mức pha tạp cần thiết
tối thiểu là 1019 cm −3

Để tạo tiếp xúc ohmic trên các đế này, chúng ta phải phủ lớp mỏng kim loại

KIL
OBO
OKS
.CO
M

sau đó pha trộn một cách thích hợp với GaAs. Trong suốt q trỡnh pha trộn tại
nhiệt độ được giữ thấp và làm lạnh liên tiếp. Trong tất cả các hệ đó được sử
dụng, thỡ hệ dựa trờn Au (vàng)-Ge (Giec ma ni) là hiệu quả nhất, Au-Ge được
pha trộn theo tỷ lệ hố 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 CễNG SUẤT CAO

Một trong những phương pháp phổ biến nhất để tạo cơng suất ra lớn từ
laser diode đó là tăng bề rộng của vùng phát. Tuy nhiên, nếu bề rộng của phát
đơn mốt tăng thỡ sẽ gây gia tăng rất mạnh tính khơng ổn định mốt ngồi. Điều
này có nghĩa rằng cơng suất quang học sẽ khơng phân bố đồng nhất dọc theo
mặt phát, hay cũn gọi là cỏc khe núng, gõy giảm độ phẩm chất của laser diode.
Thực tế, cơng suất phát của các đỉnh mốt đơn khơng thể tăng với các bề rộng
đỉnh vượt qua 200µm. Hiện nay, các laser diode phát đỉnh đơn có bề rộng phát
dưới 300µm.

Phương pháp thực tế để tăng cơng 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 cơng suất vừa phải, sao cho chúng khơng dẫn

đến suy giảm độ phẩm chất của mặt phát. Cộng tất cả cơng suất của những
nguồn phát thành phần, cơng suất ra có thể lên tới 100W [7], thời gian sống
khoảng 10000 giờ, chiều dài buồng cộng hưởng là 600µm -1000µm, chiều dài
của thanh laser là 10mm, khoảng cỏch nguồn phỏt thành phần khoảng 50µm 200µm. Trờn hỡnh 1.11 minh hoạ cho laser mảng.

23




KIL
OBO
OKS
.CO
M

THệ VIEN ẹIEN Tệ TRệẽC TUYEN

Hnh 1.11: S mt phn ca laser mng, bao gm cỏc ngun phỏt n riờng
l quang-in. Mi ngun phỏt cú mt cu trỳc mesa, chiu di ca thanh
khong 10mm, chiu di bung cng hng trong khong t 600-1000àm.
Do cụng ngh s lý cỏc ngun phỏt n mt thnh phn v laser mng l
ging nhau, nờn vic ch to laser thanh ch cn thay i cỏch b trớ lp mt n.
Tuy nhiờn, i hi nhiu yu cu c bit trong vic s lý cng ngh laser thanh
gừy ra do s tch hp s lng ln cỏc ngun phỏt thnh phn trong thanh
diode. Mi bc s lý phi a ra mt mc tin cy rt cao do khuyt im ca
mt ngun phỏt (nh hng nhit hoc dng in) thnh phn cng cỳ th l
nguyn nhừn gừy ra li ca ton b thanh diode.

Mt vn khỏc cú th phỏt sinh t vic t hp ca quỏ nhiu cỏc ngun

phỏt thnh phn m rng dn n cỏc lp dn súng ging nhau gõy xut hin cỏc
gi mt. Cỏc mt ny cú hng truyn vuụng gúc vi cỏc mt cng hng thụng
thng, gõy gim hiu sut ton phn ca mng. Cú hai cỏch kh gi mt:
Cch th nht l khc mn to thnh cc khe song song vi cc bung
cng hng bờn trong cỏc ngun phỏt thnh phn.

Cch th hai l s dng cu trc mesa, cỏch ny khụng cn k thut i
kốm cho vic trit tiờu gi mt .

1.3.7 K THUT PH MT GNG
1.3.7.1

NGUYN TC
24



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Một trong những khía cạnh cốt yếu của cơng nghệ bán dẫn cơng suất cao là
tạo ra được các gương ra bền tại các mặt tách của tinh thể. Năng lượng nhiệt

KIL
OBO
OKS
.CO
M

sinh ra được tập chung trong một thể tích nhỏ và mật độ cơng suất dễ ràng tiến
tới bậc cỡ 10 MW / cm 2 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 hố các bề mặt được tách.

• Phủ lớp phản xạ có đặc tính theo mong muốn.

Quỏ trỡnh này phải thoả món 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 món thời gian
sống của thiết bị hàng nghỡn giờ.

Thứ ba là cơng nghệ phải phù hợp cho sản xuất khối lượng lớn, giá thành
rẻ.

1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HỐ MẶT TÁCH CHIP LASER

Trờn hỡnh 1.12 chỉ ra chu trỡnh phản hồi tại cỏc mặt tỏch của laser diode dẫn
đến phá huỷ bề mặt, kết quả là hỏng linh kiện.

Ngun nhân hấp thụ ban đầu tại các mặt tách là do các tâm sâu (trạng thái bề
mặt) được nhân lên do sự ơxi hố 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 khơng
bức xạ tại vùng mặt tách. Hiện tượng tái hợp bề mặt khơng 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

25



THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
độ dũng tại mặt tỏch do độ rộng vùng cấm giảm [8]. Nếu như năng lượng hấp
thụ đủ lớn, thỡ quỏ trỡnh 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

KIL
OBO
OKS
.CO
M

phỏ hỏng mặt tỏch do nhiệt:

• Giảm hấp thụ ỏnh sỏng tới tại mặt tỏch [9,10]
• Giảm tốc độ tái hợp bề mặt [11,12,13,14]
• Giảm mật độ dũng tại bề mặt [15]
Hấp thụ ỏnh sỏng tại mặt tỏch

Tạo cặp điện tử- lỗ trống

Phỏ vỡ liờn kết

ễxi hoỏ bề mặt

Tỏi kết hợp khụng bức xạ


Sự nung núng

Giảm năng lượng vùng cấm

Vũng oxi hoỏ

Phỏ huỷ phẩm chất quang học (COD)

26

Vũng COD



THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Hỡnh 1.12: Sơ đồ các q trỡnh dẫn đến phá huỷ phẩm chất quang học của
các mặt

1.4

KIL
OBO
OKS
.CO
M

gương laser.
CÁC THƠNG 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 cơng suất cao như chiết suất khúc xạ và cảm ứng hạt tải,
mật độ cơng suất bóo hồ, độ sáng , tỷ số Strehl và thơng số M 2 [16]. Đây là các
thơng số quan trọng đánh giá khả năng hội tụ, tính kết hợp khơng 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
tốn học, sự tương tác giữa bức xạ và vật chất bộc lộ trong hằng số điện mơi
phức ε(ω) được viết như sau:
ε (ω ) = ε 0 (1 + χ (ω ))
χ (ω ) = X 0 + X (ω )
2
0

(1.1)

n = 1+ X 0

ε0: hằng số điện mơi trong khơng gian tự do
χ(ω): độ cảm mơi trường

Dựa vào các phương trỡnh sau:

X (ω ) = X r (ω ) + X i (ω )
k (ω 0 ) = ω 0 ( µ 0 ε (ω ))

{

1


2

{

= n0ω 0 / c 1 + X (ω 0 ) / 2n02

n(ω 0 ) = n0 1 + X r (ω 0 ) / 2n

2
0

}

(1.2)

}

X r & X i : đặc trưng cho sự tán sắc và khuếch đại (hoặc mất mát) tương tứng
27