體布拉格光柵外腔紅光半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)研究

劉榮戰(zhàn)， 薄報(bào)學(xué)， 么 娜， 徐雨萌， 高 欣

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130022)

1 引 言

激光顯示能夠真實(shí)地再現(xiàn)客觀世界的多姿多彩，成為繼黑白顯示、彩色顯示、數(shù)字顯示后的第四代顯示技術(shù)。因其具有色域范圍廣、壽命長、能耗低的特點(diǎn)，也被稱為“人類視覺史上的革命”[1]。激光顯示可以覆蓋90%的色域，色彩飽和度是普通顯示設(shè)備的百倍以上[2-3]。目前，激光顯示所需要的紅色、綠色、藍(lán)色激光器的輸出功率以及亮度仍然處于較低水平[4]，并逐漸發(fā)展到了半導(dǎo)體激光器的時(shí)代。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅光半導(dǎo)體激光器都做了許多研究工作，日本三菱公司研制了出射波長為638 nm的紅光半導(dǎo)體激光器，最高功率達(dá)到6 W[5-6]。德國FBH研究所研制了632 nm和633 nm半導(dǎo)體激光器，其中632 nm未鍍膜功率可超過1 W[7-8]。山東華光光電子股份有限公司報(bào)道了640 nm和660 nm紅光半導(dǎo)體激光器[9-10]。目前對(duì)于激光顯示所需要的光源的設(shè)計(jì)要求是：要有較高輸出功率的同時(shí)窄化光譜帶寬并保持波長的穩(wěn)定性，使其有更好更穩(wěn)定的色彩飽和度。分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)和分布布拉格反射式半導(dǎo)體激光器(DBR-LD)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了窄帶寬工作。然而，由于制作工藝復(fù)雜，芯片上集成光柵的制作仍然具有很大的困難。體布拉格光柵(VBG)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活的優(yōu)點(diǎn)[11]，可用于模式鎖定以及降低頻譜帶寬。本文設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的體布拉格光柵外腔紅光半導(dǎo)體激光器，通過對(duì)體光柵位置距離的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件工作特性的改善。

2 紅光外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)

2.1 體光柵外腔鎖模原理

一般半導(dǎo)體激光器的輸出線寬較大，且中心波長容易受到溫度等外界其他因素的影響，因而制約了半導(dǎo)體激光器的使用范圍。

體光柵可以將特定波長的光反饋回半導(dǎo)體激光芯片有源區(qū)，反饋光影響到有源區(qū)內(nèi)的模式競(jìng)爭(zhēng)，使該波長的光損耗降低，有利于在有源區(qū)內(nèi)與其他波長競(jìng)爭(zhēng)，并可以優(yōu)先達(dá)到閾值輸出激光，使得器件只輸出該單一波長模式的光束，從而實(shí)現(xiàn)體光柵外腔對(duì)波長模式的鎖定[12]。

圖1 VBG鎖模原理圖

體光柵衍射波長由布拉格衍射方程確定[13-14]：

(1)

其中θ是入射到VBG的角度，λ是反饋光波長，Λ是VBG周期，n是VBG 的平均折射率?？梢钥闯?，當(dāng)光束以滿足布拉格條件的角度入射體光柵時(shí)，只有一個(gè)波長的光會(huì)被反饋回芯片有源區(qū)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

激光器芯片采用山東華光光電子股份有限公司提供的寬條形InGaAlP紅光半導(dǎo)體激光器(LD),發(fā)光區(qū)寬度為100 μm。經(jīng)COS封裝測(cè)試，發(fā)射峰值波長在635 nm左右,連續(xù)輸出功率可達(dá)1 W以上，波長溫漂系數(shù)約為0.18 nm/℃。FAC為快軸準(zhǔn)直柱透鏡，采用LIMO公司的非球面柱透鏡，SAC為慢軸準(zhǔn)直柱透鏡，采用Thorlabs公司的球面柱透鏡。所使用的窄帶光反射型體光柵衍射效率分別為10%、20%兩種，部分光束經(jīng)過準(zhǔn)直后由體光柵反射重新進(jìn)入激光器芯片得到反饋放大。體光柵的反射帶寬約為0.7 nm，鎖模波長穩(wěn)定在634 nm左右。由于體光柵溫度穩(wěn)定性很好，使得外腔半導(dǎo)體激光器可以穩(wěn)定輸出鎖定波長的激光光束。

VBG具有良好的波長選擇特性和角度選擇特性，因此由VBG衍射后的光束主要受入射光的發(fā)散角和光譜線寬特性的影響[15-16]。如圖2所示，我們?cè)O(shè)計(jì)了快軸準(zhǔn)直-體光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)(FAC-VBG)和快慢軸準(zhǔn)直-體光柵外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)(FAC-SAC-VBG)。在實(shí)驗(yàn)中，將通過改變體光柵與光源的位置距離，來分析體光柵的鎖模特性以及鎖模質(zhì)量，研究體光柵外腔對(duì)紅光半導(dǎo)體激光器功率和發(fā)散角的影響。

圖2 紅光外腔半導(dǎo)體激光器示意圖。(a)FAC-VBG結(jié)構(gòu)；(b)FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)。

Fig.2 Red external cavity semiconductor lasers. (a) FAC-VBG structure. (b) FAC-SAC-VBG structure.

3 分析與討論

3.1 FAC-VBG結(jié)構(gòu)

體光柵外腔結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要作用就是對(duì)輸出光譜特性的改善。圖3分別為紅光半導(dǎo)體激光器在14 ℃自由出射時(shí)的光譜、功率以及慢軸方向的遠(yuǎn)場(chǎng)特性測(cè)試結(jié)果。

從圖3(a)可知，隨著工作電流的增加，自由出射紅光半導(dǎo)體激光器的輸出光譜峰值波長明顯變長，其峰值波長隨工作電流的增加率約為1.4 nm/A。這主要是因?yàn)殡S著工作電流的增加，器件的熱功率也隨之增加，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的禁帶寬度變小[17]，波長發(fā)生紅移。自由出射時(shí)激光器的光譜半峰全寬也較大，且隨著工作電流的增加略有增加，一般約為1～2 nm，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器增益譜較寬，且大功率寬條激光器缺乏有效的縱模選擇機(jī)制。從圖3(b)中可看出，隨著工作電流的增加，自由出射紅光半導(dǎo)體激光器的輸出功率線性增大，在1.4 A電流下輸出功率可以達(dá)到1.2 W。

圖3 14 ℃自由出射時(shí)紅光半導(dǎo)體激光器在不同電流條件下的光譜特性(a)、P-I特性(b)和慢軸遠(yuǎn)場(chǎng)特性(c)。

Fig.3 Spectral characteristics(a)，P-Icharacteristics(b) and slow axis far-field characteristics(c) of red laser diodes under different current conditions at 14 ℃ free emission.

為了研究體光柵外腔紅光半導(dǎo)體激光器的光譜特性，對(duì)FAC-VBG結(jié)構(gòu)下的紅光半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了光譜測(cè)試分析，圖4為14 ℃不同電流條件下FAC-VBG結(jié)構(gòu)的光譜特性。由圖4可知，F(xiàn)AC-VBG結(jié)構(gòu)明顯改善了其出射光的光譜特性，激光器光譜寬度明顯變窄約為0.7 nm，且隨工作電流的增加幾乎沒有明顯變化。與此同時(shí)，體光柵外腔紅光半導(dǎo)體激光器的峰值波長準(zhǔn)確地鎖定在體光柵的反射波長上，且隨工作電流的增加其峰值波長的增加率約為0.1 nm/A，峰值波長穩(wěn)定性增加14倍，圖5也顯示了相同的結(jié)論。由此可知在鎖模狀態(tài)下，體光柵衍射效率的高低對(duì)峰值波長隨電流的增加量的影響較小。由圖4(a)、(b)、(c)可知，隨著FAC與VBG距離的增加，光譜鎖定的效果逐漸變差，這是因?yàn)轶w光柵具有一定的角度選擇性，而不同階數(shù)的遠(yuǎn)場(chǎng)橫模對(duì)應(yīng)的光束發(fā)散角并不相同，其中基橫模光束發(fā)散角最小，高階橫模隨著橫模序數(shù)的增加，發(fā)散角越來越大[18]。不同階數(shù)的橫模以不同的角度入射至體光

圖4 FAC-VBG結(jié)構(gòu)中VBG(20%衍射效率)與FAC距離分別為0.1 mm(a)、1 mm(b)和3 mm(c)時(shí)的光譜特性。

Fig.4 Spectral characteristics of the VBG(20% diffraction efficiency) laser with different FAC-VBG distance in the FAC-VBG structure. (a) 0.1 mm. (b) 1 mm. (c) 3 mm.

圖5 FAC-VBG結(jié)構(gòu)中VBG(10%衍射效率)與FAC距離分別為0.1 mm(a)、1 mm(b)和3 mm(c)時(shí)的光譜特性。

Fig.5 Spectral characteristics of the VBG(10% diffraction efficiency) laser with different FAC-VBG distance in the FAC-VBG structure. (a) 0.1 mm. (b) 1 mm. (c) 3 mm.

柵，而一些高階橫模不滿足體光柵的角度選擇條件，沒有有效地反饋回芯片有源區(qū)，而這部分能量或是損耗掉了或是直接出射，結(jié)果導(dǎo)致鎖模效果變差，并且當(dāng)FAC與VBG距離越大時(shí)，這種現(xiàn)象越明顯。

圖5為14 ℃不同電流低衍射效率VBG條件下FAC-VBG結(jié)構(gòu)的鎖模光譜特性。可以看出，使用具有較低衍射效率的體光柵，光譜鎖定的質(zhì)量較差，使用低衍射效率的體光柵只能將少量光反饋回激光器的有源區(qū)，這就大大增加了外腔鎖模的不穩(wěn)定性，隨著工作電流的增大，光譜也逐漸開始展寬，不再處于完全鎖定狀態(tài)。

圖6是在14 ℃外腔鎖模條件下的慢軸發(fā)散角特性。與自由出射時(shí)相比，F(xiàn)AC-VBG外腔結(jié)構(gòu)下的半導(dǎo)體激光器會(huì)對(duì)慢軸方向發(fā)散角有小幅度的改善，主要原因是不同階數(shù)的橫模發(fā)散角不同，因此不同階數(shù)的橫模以不同角度入射體光柵后所對(duì)應(yīng)的衍射損耗也不同，階數(shù)越高的橫模衍射效率越差，損耗越大。由于所采用的激光器芯片為100 μm的寬條結(jié)構(gòu)，其慢軸方向?yàn)楦唠A模工作，因此VBG外腔結(jié)構(gòu)中芯片的部分側(cè)向高階橫模會(huì)受到抑制，導(dǎo)致慢軸方向發(fā)散角變小。

圖6 FAC-VBG結(jié)構(gòu)激光器慢軸發(fā)散角與工作電流的關(guān)系。(a)20%衍射效率體光柵;(b)10%衍射效率體光柵。VBG與FAC距離分別為0.1，1，3 mm。

Fig.6 Relationship between the slow axis divergence angle and operating current of the FAC-VBG structure lasers. (a) 20% diffraction efficiency VBG. (b) 10% diffraction efficiency VBG.The distance between VBG and FAC is 0.1， 1， 3 mm, respectively.

圖7為14 ℃不同電流條件下的FAC-VBG結(jié)構(gòu)激光器輸出功率特性曲線，可以看出FAC-VBG結(jié)構(gòu)在閾值電流以上能夠保持良好穩(wěn)定的線性功率輸出，斜率效率達(dá)到1.3 W/A。與自由出射條件下相比，斜率效率有所下降，閾值電流也略有降低。斜率效率下降的主要原因是體光柵的反饋光不能全部反饋回半導(dǎo)體激光器有源區(qū)中，造成一定量的反饋光能損失；而對(duì)于經(jīng)VBG反饋回激光器波導(dǎo)內(nèi)的光能量，也會(huì)由于激光器的波導(dǎo)損耗產(chǎn)生部分光損耗。

圖7 FAC-VBG結(jié)構(gòu)下的P-I特性及實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖(插圖)

Fig.7P-Icharacteristics of FAC-VBG laser and the experimental setup(inset)

3.2 FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步改善體光柵外腔光譜鎖模質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)采用快慢軸準(zhǔn)直后再進(jìn)行體光柵外腔反饋(FAC-SAC-VBG)。

圖8為14 ℃不同電流條件下FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)的光譜特性，F(xiàn)AC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善了出射光的光譜特性，在該結(jié)構(gòu)下激光器的鎖模質(zhì)量得到提升，當(dāng)VBG與SAC距離逐漸增大時(shí)，鎖模光譜依然穩(wěn)定，在1.4 A大電流條件下沒有出現(xiàn)光譜展寬，并且光譜寬度相比于FAC-VBG結(jié)構(gòu)有較小的改善。這是因?yàn)榧す馄髟诼S方向進(jìn)行準(zhǔn)直后，慢軸方向發(fā)散角得到了有效控制，光束以小于自由出射狀態(tài)下的慢軸發(fā)散角度入射體光柵，光束發(fā)散角滿足體光柵角度選擇特性要求，從而可以實(shí)現(xiàn)更高效的外腔反饋，因此提高了鎖模質(zhì)量。與圖4相比較，F(xiàn)AC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)鎖模光譜比FAC-VBG結(jié)構(gòu)鎖模光譜穩(wěn)定性明顯變好。

圖8 FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)中VBG(20%衍射效率)與SAC距離分別為0.1 mm(a)、1 mm(b)和3 mm(c)時(shí)的光譜特性。

Fig.8 Spectral characteristics of the VBG (20% diffraction efficiency) laser with different SAC-VBG distance in the FAC-SAC-VBG structure. (a) 0.1 mm. (b) 1 mm. (c) 3 mm.

圖9所示為14 ℃不同電流低衍射效率VBG條件下FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)的鎖模光譜特性。可以看出，即使采用低衍射效率的體光柵，F(xiàn)AC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)仍然可以保持良好的鎖模效果，說明對(duì)于體光柵外腔鎖模結(jié)構(gòu)來說，慢軸方向光束的發(fā)散角控制非常重要，在一定程度上可以改善鎖模質(zhì)量并提高穩(wěn)定性。

為研究FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)下的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角特性，在14 ℃外腔鎖模條件下對(duì)慢軸發(fā)散角進(jìn)行了測(cè)試分析。如圖10所示，慢軸準(zhǔn)直出射時(shí)的發(fā)散角與FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)外腔鎖模條件下的慢軸發(fā)散角相差不大，說明慢軸準(zhǔn)直透鏡將激光器光束發(fā)散角準(zhǔn)直到體光柵角度選擇特性的要求以內(nèi)，這就使得在FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)下，不僅具有理想的光譜特性，同時(shí)光束特性也得到改善。

圖9 FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)中VBG(10%衍射效率)與SAC距離分別為0.1 mm(a)、1 mm(b)和3 mm(c)時(shí)的光譜特性。

Fig.9 Spectral characteristics of the VBG (10% diffraction efficiency) laser with different SAC-VBG distance in the FAC-SAC-VBG structure. (a) 0.1 mm. (b) 1 mm. (c) 3 mm.

圖11為14 ℃不同電流條件下FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)輸出功率特性曲線，從P-I曲線中可以看出在FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)下斜率效率約為1 W/A。相比較自由出射條件和FAC-VBG結(jié)構(gòu)，斜率效率有所下降。斜率效率下降的主要原因除了反饋光不能全部反饋回器件有源區(qū)中，造成反饋光能損失，還有慢軸準(zhǔn)直透鏡的增加也造成了部分能量在準(zhǔn)直過程中的損失，并且FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了反饋光的強(qiáng)度，同時(shí)也帶來了較大的腔內(nèi)光吸收損耗，這些原因都導(dǎo)致斜率效率的下降。

圖10 FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)激光器慢軸發(fā)散角與工作電流關(guān)系。(a)20%衍射效率體光柵;(b)10%衍射效率體光柵。VBG與SAC距離分別為0.1，1，3 mm。

Fig.10 Relationship between the slow axis divergence angle and operating current of the FAC-SAC-VBG structure lasers. (a) 20% diffraction efficiency VBG. (b) 10% diffraction efficiency VBG. The distance between VBG and FAC is 0.1， 1， 3 mm, respectively.

圖11 FAC-SAC-VBG結(jié)構(gòu)下的P-I特性及實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖(插圖)

Fig.11P-Icharacteristics of FAC-SAC-VBG laser and the experimental setup(inset)

4 結(jié) 論

采用體光柵外腔元件設(shè)計(jì)并搭建了紅光外腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，分析了體光柵位置對(duì)鎖模光譜質(zhì)量、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角以及輸出功率的影響。實(shí)驗(yàn)采用FAC-VBG和FAC-SAC-VBG兩種體光柵外腔結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)下體光柵外腔的鎖模質(zhì)量以及遠(yuǎn)場(chǎng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)AC-SAC-VBG外腔結(jié)構(gòu)的鎖模質(zhì)量、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角均優(yōu)于FAC-VBG結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了體光柵外腔鎖模狀態(tài)下的穩(wěn)定輸出和高效率工作，光譜寬度達(dá)到0.7 nm左右，斜率效率可達(dá)到1 W/A，F(xiàn)AC-SAC-VBG外腔結(jié)構(gòu)下的最大輸出功率為1.06 W，慢軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為1.52°。