Kỹ thuật thông tin quang 1 Phần 6

Một sóng ánh sáng phát xạ trong lớp tích cực có thể tồn tại và được khuếch đại trong hốc cộng hưởng khi thỏa điều kiện về pha của sóng ánh sáng. Khi đó, sóng ánh sáng phải hình thành nên sóng đứng giữa hai mặt phản xạ của hốc cộng hưởng (hình 3.18.c).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kỹ thuật thông tin quang 1 Phần 6 Chương 3 Bộ phát quang Một sóng ánh sáng phát xạ trong lớp tích cực có thể tồn tại và được khuếch đại trong hốc cộng hưởng khi thỏa điều kiện về pha của sóng ánh sáng. Khi đó, sóng ánh sáng phải hình thành nên sóng đứng giữa hai mặt phản xạ của hốc cộng hưởng (hình 3.18.c). Hay nói cách khác là xảy ra cộng hưởng của sóng ánh sáng. Các sóng đứng này chỉ tồn tại tại các tần số mà khoảng cách giữa hai mặt phản xạ bằng bội số của nữa bước sóng [3]: L = q.(2n/λ) (3.10) Trong đó, λ là bước sóng ánh sáng, n là chiết suất của lớp tích cực, q là số nguyên (q = 1,2,3, …) Hay nói cách khác, sóng ánh sáng có thể tồn tại và khuếch đại được trong hốc cộng hưởng của laser Fabry-Perot có bước sóng: λ = q.(2n/L) (3.11) Các bước sóng này không liên tục nhau và được xác định bởi số nguyên q. Mỗi một bước sóng này tạo nên một mode sóng do laser phát ra với khoảng cách giữa hai mode sóng kề nhau: Δλ = 2n/L (3.12) 3.3.3- Độ khuếch đại quang Xét một sóng ánh sáng phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng như hình 3.19. L ôù phaû xạ p n L ôù phaû xạ p n coù soá haû xaïR1 heä p n coù soá haû xaïR2 heä p n Lôù tích cöï (active layer) p c R2R1P(2L) R1 (1-R1)P(2L) R1P(2L) (1-R1)P(L) R1P(L) P(0) P(L) P(z) = P(0) exp[(g-α)z] z 0 L Hình 3.19. Công suất của ánh sáng khi lan truyền và phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng Fabry-Perot Trong quá trình lan truyền trong hốc cộng hưởng, năng lượng của sóng ánh sáng chịu những ảnh hưởng như sau: - Suy hao xảy ra trong hốc cộng hưởng do hiện tượng hấp thụ photon, hiện tưởng tán xạ ánh sáng…, được biểu diễn bởi hệ số suy hao α - Độ lợi trong hốc cộng hưởng do hiện tượng phát xạ kích thích, được biểu diễn bởi hệ số khuếch đại g - Suy hao xảy ra tại hai mặt phản xạ có hệ số phản xạ R1 và R2 (R1, R2 Chương 3 Bộ phát quang P’(0) = R1.R2.P(2L) = P(0).R1.R2.e(g-α).2L (3.13) Điều kiện để một sóng ánh sáng được khuếch đại trong hốc cộng hưởng là: độ lợi khuếch đại phải lớn hơn tổng các suy hao khi sóng ánh sáng thực hiện một chu kỳ phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ. Nói cách khác, cộng suất ánh sáng xét tại một điểm nào đó trong hốc cộng hưởng sau khi ánh sáng thực hiện một chu kỳ phản xạ qua lại trong hốc cộng hưởng phải lớn công suất ánh sáng trước khi truyền. P’(0) ≥ P(0) (3.14) R1.R2.e(g-α).2L ≥ 1 (3.15) g ≥ α + (1/2L).ln(1/R1.R2) (3.16) Như vậy, điều kiện để ánh sáng được khuếch đại trong quá trình lan truyền và phản xạ qua lại giữa hai hốc cộng hưởng là độ lợi do phát xạ kích thích phải lớn hơn so với độ suy hao do hấp thụ. Điều này có nghĩa là, số photon được tạo ra do phát xạ kích thích (và phát xạ tự phát) phải nhiều hơn số photon bị hấp thụ: Nspontaneous + Nstimulated > Nabsorption (3.17) Trong đó, Nabsorption là số photon bị hấp thụ, Nspontaneous và Nstimulated là số photon được tạo ra do các hiện tượng phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Điều kiện (3.17) có thể đạt được khi số điện tử ở trạng thái năng lượng cao N2 (nằm ở vùng dẫn), phải nhiều hơn số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp N1 (nằm ở vùng hóa trị). Điều kiện này được gọi là trạng thái nghịch đảo mật độ (population inversion) vì ở điều kiện bình thường (ở trạng thái cân bằng về nhiệt), mật độ của các điện tử tại các mức năng lượng khác nhau được phân bố theo hàm phân bố Boltzmann (số điện tử ở trạng thái năng lượng thấp N1 luôn cao hơn so với số điện tử ở trạng thái năng lượng cao N2). Do vậy, để có thể đạt được trạng thái nghịch đảo mật độ cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài đủ lớn để làm tăng số điện tử ở trạng thái năng lượng cao. Quá trình này được gọi là quá trình “bơm” (pumping). Tùy theo loại vật liệu chế tạo nguồn quang hay khuếch đại quang, có nhiều phương pháp bơm khác nhau như dùng ánh sáng, trường sóng vô tuyến tần số cao, dòng điện …Đối với laser bán dẫn, nguồn bơm này được cung cấp dưới dạng dòng điện. Dòng điện cung cấp cho laser càng lớn thì số điện tử ở vùng dẫn càng nhiều. Dòng điện tối thiểu để đạt được trạng thái nghịch đảo nồng độ, điều kiện để có thể xảy ra quá trình khuếch đại ánh sáng, được gọi là dòng ngưỡng. Giá trị của dòng ngưỡng phụ thuộc vào tính chất khuếch đại và suy ...