基于楔形微透鏡補(bǔ)償半導(dǎo)體激光陣列指向偏差

孟 嬌,曹銀花,秦文斌,劉友強(qiáng),李 景,郭照師,蘭 天,關(guān)嬌陽,潘建宇,王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部先進(jìn)半導(dǎo)體光電技術(shù)研究所,北京 100124)

1 引 言

半導(dǎo)體激光陣列(Laser Diode Array,LDA)由多個(gè)發(fā)光單元沿結(jié)平面緊密線性排列組成[1]。LDA發(fā)光單元的光束指向性偏差主要來源有兩個(gè):LDA在封裝過程中普遍存在的“Smile”效應(yīng)導(dǎo)致各發(fā)光單元的光束指向性不一致[2]；LDA的光束發(fā)散角大,在光束準(zhǔn)直過程中,準(zhǔn)直微透鏡的安裝誤差造成發(fā)光單元的光束指向性偏差[3](指向性偏差的大小稱為指向角)。通常用光參數(shù)積(Beam Parameters Product,BPP)來評(píng)價(jià)半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量,BPP是光束的光斑寬度d0和發(fā)散角θ的乘積[4]。LDA的光束指向角增大光束的光斑寬度和發(fā)散角,必然導(dǎo)致BPP的數(shù)值增大,顯著劣化快軸光束質(zhì)量[5-6]。LDA具有電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[7-10],但光束質(zhì)量較差成為限制其發(fā)展應(yīng)用的重要因素[11]。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,需要通過技術(shù)手段改善光束質(zhì)量以滿足使用要求。2016年,Fabio等人[12]利用全自動(dòng)設(shè)備安裝FAC使其精確對(duì)準(zhǔn)發(fā)光單元,實(shí)現(xiàn)快慢軸兩個(gè)方向上的指向誤差小于0.1 mrad。2018年,Gabriel等人[12]針對(duì)LDA的“Smile”效應(yīng)提出了利用光束變換系統(tǒng)和包含19個(gè)凹凸柱透鏡的望遠(yuǎn)鏡陣列補(bǔ)償指向角的方法,通過調(diào)整凹面頂點(diǎn)的偏心位置補(bǔ)償光束指向性,光纖耦合效率為85.4 %,提高了22.8 %。

本文重點(diǎn)研究LDA發(fā)光單元的光束指向性偏差對(duì)光束質(zhì)量的影響,通過楔形微透鏡陣列來補(bǔ)償發(fā)光單元的光束指向性偏差。為了降低加工難度和成本,利用分類補(bǔ)償?shù)姆椒?改善LDA的快軸光束質(zhì)量,將單bar光束耦合進(jìn)芯徑200 μm、NA=0.2光纖。

2 指向角的測(cè)量

本文選用的LDA是包含19個(gè)發(fā)光單元的cm-bar,發(fā)光單元間距為500 μm。由于LDA的光束是像散光束,快慢軸方向的發(fā)散角不一致,需分別用快軸準(zhǔn)直鏡(Fast axis collimator,FAC)和慢軸準(zhǔn)直鏡(Slow axis collimator,SAC)對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直[13-14]。

LDA在快慢軸方向的光束質(zhì)量相差懸殊,如圖1所示,通常先用FAC壓縮快軸發(fā)散角,然后再經(jīng)過光束轉(zhuǎn)換透鏡(Beam Transformation System,BTS)將光束旋轉(zhuǎn)90°,轉(zhuǎn)換快慢軸光場(chǎng)分布空間位置[15],SAC就可以用一個(gè)柱面鏡替代微透鏡陣列準(zhǔn)直慢軸光束,能夠提高準(zhǔn)直效果,均衡快慢軸的光束質(zhì)量。

圖1 LDA模塊的結(jié)構(gòu)

“Smile”效應(yīng)使得發(fā)光單元在X方向上存在微米級(jí)的位移[16],導(dǎo)致光束經(jīng)過FAC后在X-Z面引入發(fā)光單元的光束指向性偏差,如圖2所示。此外,FAC的安裝誤差增大了光束指向性偏差,BTS旋轉(zhuǎn)光束后,光束指向性分布在Y-Z平面上。光束指向性偏差會(huì)對(duì)光斑寬度和發(fā)散角產(chǎn)生影響,必然顯著影響快軸光束質(zhì)量,但對(duì)慢軸方向基本無影響[17]。

圖2 X-Z和Y-Z平面上的光束指向角

本文設(shè)計(jì)了測(cè)量各個(gè)發(fā)光單元的光束指向角的光學(xué)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)裝置由LDA、狹縫板和CCD組成,如圖3所示。通過移動(dòng)狹縫板位置逐個(gè)測(cè)量LDA發(fā)光單元的光束指向,利用CCD依次捕獲19個(gè)發(fā)光單元光束的光斑中心。

圖3 光束指向角的實(shí)驗(yàn)裝置圖

如圖4所示,以第一個(gè)發(fā)光單元的光束指向?yàn)榛鶞?zhǔn),得到LDA的光束指向分布圖。下橫坐標(biāo)表示發(fā)光單元的初始位置,上橫坐標(biāo)表示發(fā)光單元的測(cè)量位置,縱坐標(biāo)為傳輸距離,19條不同顏色的線代表19個(gè)發(fā)光單元的光束指向。測(cè)量和計(jì)算結(jié)果表明,第2～13個(gè)發(fā)光單元的光束指向角在0～0.6 mrad,第14～19個(gè)發(fā)光單元光束的指向角為1～2 mrad。

圖4 發(fā)光單元光束的指向分布圖

3 楔形微透鏡陣列的設(shè)計(jì)

為了補(bǔ)償LDA發(fā)光單元的光束指向角,根據(jù)光束指向角測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了楔形微透鏡陣列(Wedge-shaped Microlens-Array,WMA)。楔形微透鏡補(bǔ)償光束的原理如圖5所示。

圖5 楔形微透鏡補(bǔ)償光束的原理圖

ABED為楔形微透鏡,折射率為n,α是ABED鏡片的其中一個(gè)底角,β是∠BED的補(bǔ)角,光束經(jīng)過鏡片發(fā)生兩次折射,當(dāng)α=β時(shí),出射光平行于入射光,如圖中黑線所示,θ0是水平入射光線的入射角,其幾何關(guān)系有:

θ0=90°-α

(1)

如圖中灰線所示,LDA發(fā)光單元的光束存在指向角δ,β的角度隨著指向角變化,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償光束指向角的作用。根據(jù)折射定律和幾何關(guān)系有:

sinθ1=nsinθ2

(2)

nsinθ3=sinθ4

(3)

θ1=θ0+δ

(4)

θ2=θ3+γ

(5)

θ4=90°-β

(6)

其中,θ1、θ2分別是棱鏡入射面的入射角與折射角；θ3、θ4分別是棱鏡出射面的入射角與折射角；γ為楔形微透鏡的補(bǔ)償角,且有γ=β-α,隨著光束指向角而變化。將公式(1)、(4)、(5)代入(2)中:

cos(α-δ)=nsin(θ3+γ)

(7)

根據(jù)公式(3)(6)有:

nsinθ3=cos(α+γ)

(8)

其中,α=61°48′,n=1.57。若已知發(fā)光單元的光束指向角δ,由公式(7)、(8)聯(lián)立就可以獲得19個(gè)楔形微透鏡的補(bǔ)償角γ,如表1所示。

表1 19個(gè)楔形微透鏡的補(bǔ)償角

如圖6所示,根據(jù)楔形微透鏡補(bǔ)償角的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的WMA。19個(gè)楔形微透鏡沿發(fā)光單元排列方向依次疊加,分別與相對(duì)應(yīng)的發(fā)光單元相匹配,光束透過WMA時(shí)發(fā)生不同程度的偏折以補(bǔ)償發(fā)光單元的光束指向角。

圖6 WMA補(bǔ)償光束指向的光路圖

從表1數(shù)據(jù)可以看出,LDA的“Smile”效應(yīng)導(dǎo)致光束指向角呈連續(xù)變化趨勢(shì),而且考慮到WMA在實(shí)際應(yīng)用中的加工難度和成本,我們可以采用分類補(bǔ)償?shù)姆椒▽⒕哂邢嘟赶蚪堑陌l(fā)光單元分為一類,用同一補(bǔ)償角的楔形微透鏡補(bǔ)償,表2是光束指向角分類情況。

表2 發(fā)光單元光束指向角的分類情況

光束指向角在0.6 mrad以下的發(fā)光單元無需補(bǔ)償,如第1～2、8～13個(gè)發(fā)光單元的光束不作補(bǔ)償；第3～7、14～16、17～19個(gè)發(fā)光單元的光束分別用補(bǔ)償角為0.8 mrad、1.4 mrad、和2.2 mrad的楔形微透鏡補(bǔ)償。圖7是分類楔形微透鏡補(bǔ)償發(fā)光單元光束指向角的光路圖。由圖中可以看出,經(jīng)過WMA補(bǔ)償之后,所有發(fā)光單元的光束指向一致性明顯改善。

圖7 WMA分類補(bǔ)償光束指向的光路圖

4 光纖耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

本文將單bar光束耦合進(jìn)芯徑200 μm、NA=0.2的光纖中,利用ZEMAX軟件建立了LDA的光纖耦合系統(tǒng)模型。如圖8所示,光束依次經(jīng)過FAC、BTS、WMA和SAC后,利用25 mm聚焦鏡將光束耦合進(jìn)光纖并獲得聚焦光斑。

圖8 LDA的光纖耦合系統(tǒng)

通過測(cè)量焦點(diǎn)前后光斑寬度,利用曲線擬合的方法可以獲得激光束的發(fā)散角[18-19],通過公式計(jì)算得到LDA的光束質(zhì)量和耦合效率。表3是LDA在不同情況下的模擬計(jì)算結(jié)果。

表3 模擬計(jì)算結(jié)果

對(duì)于理想的LDA,經(jīng)過聚焦鏡后束腰直徑為153 μm,快軸發(fā)散角為376 mrad,BPP為57.53 mm·mrad,光纖耦合效率為98.7 %。按照芯徑200 μm、NA=0.2的光纖入射條件,光纖的BPP為80 mm·mrad,但表3中的光斑寬度數(shù)據(jù)均以CCD 中86.5 %環(huán)圍能量為標(biāo)準(zhǔn)選取,計(jì)算得到的BPP也是86.5 % 環(huán)圍能量下的BPP,由于BPP與光纖入射條件的計(jì)算方法不一致,耦合效率達(dá)不到100 %。

在LDA的光纖耦合系統(tǒng)模型中引入表1中測(cè)量的光束指向角,得到實(shí)際LDA的聚焦光斑如圖9(a)所示,束腰直徑為166 μm,曲線擬合結(jié)果如圖9(b)所示,快軸發(fā)散角為387 mrad,最終得到BPP為64.24 mm·mrad,光纖耦合效率為85.2 %。由分析可知,LDA發(fā)光單元的光束指向角使BPP的數(shù)值增大了11.7 %,光纖耦合效率降低了13.5 %。因此,發(fā)光單元的光束指向角會(huì)明顯劣化LDA的快軸光束質(zhì)量,降低光纖耦合效率。

圖9 實(shí)際LDA光源的模擬焦斑和曲線擬合圖

將表1中WMA的補(bǔ)償角數(shù)據(jù)帶入模型中,利用補(bǔ)償實(shí)際光源的光束指向角后,聚焦光斑如圖10(a)所示,束腰直徑為158 μm,擬合曲線如圖10(b)所示,快軸發(fā)散角為368 mrad,BPP為58.14 mm·mrad,光纖耦合效率為95.6 %。與不經(jīng)過WMA的實(shí)際光源相比,BPP的數(shù)值減小了9.5 %,光纖耦合效率提高了10.4 %,LDA的快軸光束質(zhì)量和光纖耦合效率得到了顯著的提高。

圖10 WMA補(bǔ)償后的模擬焦斑和曲線擬合圖

按照表2中的分類方法,利用WM分類補(bǔ)償LDA發(fā)光單元的光束指向角,聚焦光斑如圖11(a)所示,束腰直徑為162 μm,擬合曲線如圖11(b)所示,快軸發(fā)散角為373 mrad,BPP為60.38 mm·mrad,光纖耦合效率為91.5 %。WM分類補(bǔ)償光束指向角也可以顯著提高LDA的快軸光束質(zhì)量和光纖耦合效率,并且WM的設(shè)計(jì)大大降低了制造工藝的難度,在工業(yè)應(yīng)用中具有可實(shí)施性。

圖11 WM分類補(bǔ)償后的模擬焦斑和曲線擬合圖

為了降低楔形微透鏡的工藝難度,依據(jù)WM分類補(bǔ)償光束指向性偏差的思想,利用三片楔形透鏡組成的楔形透鏡組補(bǔ)償光束指向性,搭建了半導(dǎo)體激光陣列的光纖耦合系統(tǒng)。快軸方向的光斑寬度為9.5 mm,由表1中光束指向角數(shù)據(jù)將所有發(fā)光單元分為三組,分別包含第1～7個(gè)、第8～13個(gè)和第14～19個(gè)發(fā)光單元。如圖12(a)所示,第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ個(gè)楔形透鏡片的寬度分別為3.5 mm、3 mm和3 mm,且補(bǔ)償角分別為0.8 mrad、0 mrad和2 mrad,分別補(bǔ)償三組發(fā)光單元的光束指向角。實(shí)驗(yàn)裝置如圖12(b)所示,將三片楔形透鏡用紫外膠膠固并放置在機(jī)械工裝里,楔形透鏡組將補(bǔ)償bar條發(fā)光單元的光束指向性。

圖12 楔形透鏡組的示意圖和實(shí)驗(yàn)裝置圖

利用CCD觀測(cè)bar條在經(jīng)過楔形透鏡組的光斑圖像。如圖13(a)是補(bǔ)償光束指向性前的光斑圖,圖中發(fā)光單元的光強(qiáng)分布不均勻,右側(cè)光斑亮度較強(qiáng)。圖13(b)是補(bǔ)償光束指向性后的光斑圖,光強(qiáng)分布較為均勻,中間亮度較強(qiáng)。

圖13 楔形透鏡組補(bǔ)償前后的光斑圖

Bar條光束經(jīng)過25 mm聚焦鏡后,在CCD上的焦點(diǎn)光斑如圖13(c)所示,右側(cè)亮度較為集中,與圖13(a)相符合。將其耦合進(jìn)芯徑200 μm、NA=0.2的光纖中,得到光纖耦合效率僅為83.6 %。由楔形透鏡組補(bǔ)償光束指向性的光斑經(jīng)過聚焦鏡后,得到的焦點(diǎn)光斑如圖13(d)所示,得到一個(gè)較為圓滑的長橢圓形焦斑,快軸方向的光斑直徑為164 μm,快軸發(fā)散角為376 mrad,BPP為61.67 mm·mrad。將補(bǔ)償光束指向性后的單bar光束耦合進(jìn)芯徑200 μm、NA=0.2的光纖中,得到光纖耦合效率為90.4 %,比補(bǔ)償前的耦合效率提高了約7 %。

5 結(jié) 論

本文通過測(cè)量半導(dǎo)體激光陣列的發(fā)光單元的光束指向角,設(shè)計(jì)了一組楔形微透鏡陣列以補(bǔ)償光束指向角,改善光束質(zhì)量,將單bar光束耦合進(jìn)芯徑200 μm、NA=0.2的光纖中,光纖耦合效率達(dá)到95.6 %,提高了10.4 %。考慮到該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的工藝難度和成本問題,采用WM分類補(bǔ)償?shù)姆椒?光纖耦合效率能夠達(dá)到91.5 %。為了進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)過程中的工藝難度,采用由三片楔形透鏡組成的透鏡組對(duì)發(fā)光單元光束進(jìn)行分類補(bǔ)償,測(cè)量得到的光纖耦合效率為90.4 %,比補(bǔ)償光束指向性之前的耦合效率提高了約7 %。