Luận văn Nghiên cứu, chế tạo hệ Laser bán dẫn công suất lớn

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu, chế tạo hệ Laser bán dẫn công suất lớn

1. 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
2. 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 và điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TUẤN ANH Hà Nội – 2014
3. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận văn thạc sĩ, cho phép tôi được chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Tuấn Anh, công tác tại Viện Ứng dụng Công nghệ, đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đỗ Trung Kiên, cô giáo TS. Đặng Thị Thanh Thủy cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình học tập và làm luận văn của tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn bộ các thầy, cô trong khoa Vật lý, truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN đã cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian học tập tại truờng. Tôi xin kính cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Ứng dụng Công nghệ - Bộ Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện về trang thiết bị để tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên cao học HOÀNG THỊ KIM KHUYÊN
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦUU ..................................................................................................................... 1 Chương 1: .................................................................................................................... 3 TỔNG QUAN ............................................................................................................. 4 1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 4 1.2. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 5 Chương 2: .................................................................................................................... 9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................................. 9 2.1. Phát xạ kích thích và khuếch đại ánh sáng ................................................... 9 2.2. Tổng quan về laser bán dẫn ........................................................................ 10 2.2.1. Chuyển tiếp pn và 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 bằng 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 về công nghệ chế tạo mô đun laser bán dẫn công suất cao .. 29 3.1.2. Một số yêu cầu về 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 của 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 của mô đun laser bán dẫn 4W ................ 40 3.2.3. Xác định phổ của mô đun laser bán dẫn 4W ........................................... 42 3.2.4. Xác định phổ năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W ....................... 44 3.2.5. Xác định độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W ................ 45 3.3. Chế tạo nguồn nuôi laser bán dẫn công suất cao ....................................... 46
5. 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 bộ 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
6. 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 bằng phát xạ kích thích Laser Bar Laser thanh 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
7. 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
8. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Thông số của chíp laser bán dẫn 8W ........................................................ 33 Bảng 3.2: Chế độ làm việc của thiết bị hàn chíp ....................................................... 34 Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của công suất quang vào dòng bơm ................................... 38 Bảng 3.4: Mối liên hệ giữa điện áp nuôi và dòng bơm ............................................. 41 Bảng 3.5: Mối liên hệ giữa công suất quang và bước sóng làm việc ....................... 43 Bảng 3.6: Độ phân kỳ chùm tia của mô đun laser bán dẫn 4W ................................ 45 Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của IRFP260N ............................................................ 52 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tải lên mức tín hiệu điều chế ........................................... 55 Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật của Peltier Cooler ....................................................... 56 Bảng 3.10: Nhiệt độ điều khiển thay đổi theo mức điện áp so sánh ......................... 59
9. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc laser đơn chíp ............................................................................... 4 Hình 1.2: Cấu trúc laser thanh ..................................................................................... 5 Hình 1.3: Laser hốc cộng hưởng dựa trên AlGaAs ..................................................... 5 Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của hệ laser bán dẫn công suất cao .................................. 6 Hình 1.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào dòng bơm ............................ 7 Hình 2.1: Hiện tượng hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích ......................... 9 Hình 2.2: Giản đồ chuyển tiếp pn ............................................................................. 10 Hình 2.3: Giản đồ mật độ trang thái .......................................................................... 11 Hình 2.4: Cấu trúc của laser đơn chuyển tiếp GaAs ................................................. 13 Hình 2.5: Sự phụ thuộc của công suất quang lối ra vào nguồn nuôi ........................ 14 Hình 2.6: Cấu trúc của laser bán dẫn di thể kép ....................................................... 15 Hình 2.7: Cấu trúc của 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 và phổ tại lối ra của laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp khi dòng bơm gần với dòng ngưỡng ................................... 21 Hình 2.12: Dạng tín hiệu mô phỏng, chirp tần số và phổ tại lối ra của laser bán dẫn điều chế dòng trực tiếp khi tăng dòng bơm. .............................................................. 22 Hình 2.13: Điều chế gián tiếp chùm tia laser bán dẫn .............................................. 22 Hình 2.14: Sự phụ thuộc của hấp thụ vào điện áp của bộ điều chế hấp thụ điện tử . 23 Hình 2.15: Nguyên tắc hoạt động của bộ điều chế Mach - Zehnder ........................ 25
10. Hình 2.16: Cấu trúc của bộ Peltier Cooler: ............................................................... 27 Hình 3. 1: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ chíp đơn ........................ 29 Hình 3. 2: Cấu trúc mô đun laser bán dẫn được chế tạo từ thanh laser .................... 30 Hình 3. 3: Sự phụ thuộc của bước sóng laser vào vật liệu chế tạo ........................... 33 Hình 3. 4: Kiểm tra chíp dưới kính hiển vi ............................................................... 33 Hình 3. 5: Thiết bị hàn chíp 7372E – Westbond ....................................................... 34 Hình 3. 6: Một số hình ảnh trong quá trình gắn chíp lên đế ..................................... 35 Hình 3. 7: Thiết bị hàn dây vàng 7476D – Westbond............................................... 35 Hình 3. 8: Một số hình ảnh trong quá trình hàn dây vàng ........................................ 36 Hình 3. 9: Cấu hình tích hợp chíp laser bán dẫn với sợi quang ................................ 36 Hình 3. 10: Hình ảnh thực tế trong quá trình tích hợp sợi quang ............................. 37 Hình 3. 11: Hệ đo đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W .................... 38 Hình 3. 12: Đường đặc trưng P-I của mô đun laser bán dẫn 4W .............................. 40 Hình 3. 13: Hệ đo đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ................... 40 Hình 3. 14: Đường đặc trưng V-I của mô đun laser bán dẫn 4W ............................. 42 Hình 3. 15: Xác định bước sóng trung tâm ............................................................... 42 Hình 3. 16: Hệ đo bước sóng làm việc của mô đun laser bán dẫn 4W ..................... 43 Hình 3. 17: Phổ của mô đun laser bán dẫn 4W ......................................................... 44 Hình 3. 18: Phân bố năng lượng của mô đun laser bán dẫn 4W ............................... 44 Hình 3. 19: Ảnh phân bố năng lượng 2D, 3D của mô đun laser bán dẫn 4W .......... 45 Hình 3. 20: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng dòng ............................................... 47 Hình 3. 21: Sơ đồ nguồn dòng Widlar ...................................................................... 48 Hình 3. 22: Sơ đồ nguồn dòng điều khiển bằng điện áp ........................................... 49