體布拉格光柵外腔紅光半導體激光器實驗研究

劉榮戰， 薄報學， 么 娜， 徐雨萌， 高 欣

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022)

1 引 言

激光顯示能夠真實地再現客觀世界的多姿多彩，成為繼黑白顯示、彩色顯示、數字顯示后的第四代顯示技術。因其具有色域范圍廣、壽命長、能耗低的特點，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備的百倍以上[2-3]。目前，激光顯示所需要的紅色、綠色、藍色激光器的輸出功率以及亮度仍然處于較低水平[4]，并逐漸發展到了半導體激光器的時代。

近年來，國內外學者對紅光半導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的紅光半導體激光器，最高功率達到6 W[5-6]。德國FBH研究所研制了632 nm和633 nm半導體激光器，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道了640 nm和660 nm紅光半導體激光器[9-10]。目前對于激光顯示所需要的光源的設計要求是：要有較高輸出功率的同時窄化光譜帶寬并保持波長的穩定性，使其有更好更穩定的色彩飽和度。分布反饋半導體激光器(DFB-LD)和分布布拉格反射式半導體激光器(DBR-LD)已經實現了窄帶寬工作。然而，由于制作工藝復雜，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、結構簡單、使用靈活的優點[11]，可用于模式鎖定以及降低頻譜帶寬。本文設計了兩種不同結構的體布拉格光柵外腔紅光半導體激光器，通過對體光柵位置距離的控制，實現對器件工作特性的改善。

2 紅光外腔半導體激光器結構

2.1 體光柵外腔鎖模原理

一般半導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體激光芯片有源區，反饋光影響到有源區內的模式競爭，使該波長的光損耗降低，有利于在有源區內與其他波長競爭，并可以優先達到閾值輸出激光，使得器件只輸出該單一波長模式的光束，從而實現體光柵外腔對波長模式的鎖定[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。可以看出，當光束以滿足布拉格條件的角度入射體光柵時，只有一個波長的光會被反饋回芯片有源區。

2.2 實驗裝置結構參數

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紅光半導體激光器(LD),發光區寬度為100 μm。經COS封裝測試，發射峰值波長在635 nm左右,連續輸出功率可達1 W以上，波長溫漂系數約為0.18 nm/℃。FAC為快軸準直柱透鏡，采用LIMO公司的非球面柱透鏡，SAC為慢軸準直柱透鏡，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，部分光束經過準直后由體光柵反射重新進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，鎖模波長穩定在634 nm左右。由于體光柵溫度穩定性很好，使得外腔半導體激光器可以穩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散角和光譜線寬特性的影響[15-16]。如圖2所示，我們設計了快軸準直-體光柵外腔半導體激光器結構(FAC-VBG)和快慢軸準直-體光柵外腔半導體激光器結構(FAC-SAC-VBG)。在實驗中，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量，研究體光柵外腔對紅光半導體激光器功率和發散角的影響。

圖2 紅光外腔半導體激光器示意圖。(a)FAC-VBG結構；(b)FAC-SAC-VBG結構。

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結構

體光柵外腔結構的一個重要作用就是對輸出光譜特性的改善。圖3分別為紅光半導體激光器在14 ℃自由出射時的光譜、功率以及慢軸方向的遠場特性測試結果。

從圖3(a)可知，隨著工作電流的增加，自由出射紅光半導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。這主要是因為隨著工作電流的增加，器件的熱功率也隨之增加，導致半導體材料的禁帶寬度變小[17]，波長發生紅移。自由出射時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，這是因為半導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到1.2 W。

圖3 14 ℃自由出射時紅光半導體激光器在不同電流條件下的光譜特性(a)、P-I特性(b)和慢軸遠場特性(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體激光器的光譜特性，對FAC-VBG結構下的紅光半導體激光器進行了光譜測試分析，圖4為14 ℃不同電流條件下FAC-VBG結構的光譜特性。由圖4可知，FAC-VBG結構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，體光柵外腔紅光半導體激光器的峰值波長準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，峰值波長穩定性增加14倍，圖5也顯示了相同的結論。由此可知在鎖模狀態下，體光柵衍射效率的高低對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，這是因為體光柵具有一定的角度選擇性，而不同階數的遠場橫模對應的光束發散角并不相同，其中基橫模光束發散角最小，高階橫模隨著橫模序數的增加，發散角越來越大[18]。不同階數的橫模以不同的角度入射至體光

圖4 FAC-VBG結構中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結構中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，而這部分能量或是損耗掉了或是直接出射，結果導致鎖模效果變差，并且當FAC與VBG距離越大時，這種現象越明顯。

圖5為14 ℃不同電流低衍射效率VBG條件下FAC-VBG結構的鎖模光譜特性。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，這就大大增加了外腔鎖模的不穩定性，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。

圖6是在14 ℃外腔鎖模條件下的慢軸發散角特性。與自由出射時相比，FAC-VBG外腔結構下的半導體激光器會對慢軸方向發散角有小幅度的改善，主要原因是不同階數的橫模發散角不同，因此不同階數的橫模以不同角度入射體光柵后所對應的衍射損耗也不同，階數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的寬條結構，其慢軸方向為高階模工作，因此VBG外腔結構中芯片的部分側向高階橫模會受到抑制，導致慢軸方向發散角變小。

圖6 FAC-VBG結構激光器慢軸發散角與工作電流的關系。(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結構激光器輸出功率特性曲線，可以看出FAC-VBG結構在閾值電流以上能夠保持良好穩定的線性功率輸出，斜率效率達到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體激光器有源區中，造成一定量的反饋光能損失；而對于經VBG反饋回激光器波導內的光能量，也會由于激光器的波導損耗產生部分光損耗。

圖7 FAC-VBG結構下的P-I特性及實驗裝置結構圖(插圖)

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

3.2 FAC-SAC-VBG結構

為了進一步改善體光柵外腔光譜鎖模質量，實驗采用快慢軸準直后再進行體光柵外腔反饋(FAC-SAC-VBG)。

圖8為14 ℃不同電流條件下FAC-SAC-VBG結構的光譜特性，FAC-SAC-VBG結構進一步改善了出射光的光譜特性，在該結構下激光器的鎖模質量得到提升，當VBG與SAC距離逐漸增大時，鎖模光譜依然穩定，在1.4 A大電流條件下沒有出現光譜展寬，并且光譜寬度相比于FAC-VBG結構有較小的改善。這是因為激光器在慢軸方向進行準直后，慢軸方向發散角得到了有效控制，光束以小于自由出射狀態下的慢軸發散角度入射體光柵，光束發散角滿足體光柵角度選擇特性要求，從而可以實現更高效的外腔反饋，因此提高了鎖模質量。與圖4相比較，FAC-SAC-VBG結構鎖模光譜比FAC-VBG結構鎖模光譜穩定性明顯變好。

圖8 FAC-SAC-VBG結構中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結構的鎖模光譜特性。可以看出，即使采用低衍射效率的體光柵，FAC-SAC-VBG結構仍然可以保持良好的鎖模效果，說明對于體光柵外腔鎖模結構來說，慢軸方向光束的發散角控制非常重要，在一定程度上可以改善鎖模質量并提高穩定性。

為研究FAC-SAC-VBG結構下的遠場發散角特性，在14 ℃外腔鎖模條件下對慢軸發散角進行了測試分析。如圖10所示，慢軸準直出射時的發散角與FAC-SAC-VBG結構外腔鎖模條件下的慢軸發散角相差不大，說明慢軸準直透鏡將激光器光束發散角準直到體光柵角度選擇特性的要求以內，這就使得在FAC-SAC-VBG結構下，不僅具有理想的光譜特性，同時光束特性也得到改善。

圖9 FAC-SAC-VBG結構中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結構輸出功率特性曲線，從P-I曲線中可以看出在FAC-SAC-VBG結構下斜率效率約為1 W/A。相比較自由出射條件和FAC-VBG結構，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中，造成反饋光能損失，還有慢軸準直透鏡的增加也造成了部分能量在準直過程中的損失，并且FAC-SAC-VBG結構在一定程度上增加了反饋光的強度，同時也帶來了較大的腔內光吸收損耗，這些原因都導致斜率效率的下降。

圖10 FAC-SAC-VBG結構激光器慢軸發散角與工作電流關系。(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結構下的P-I特性及實驗裝置結構圖(插圖)

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

4 結 論

采用體光柵外腔元件設計并搭建了紅光外腔半導體激光器結構，分析了體光柵位置對鎖模光譜質量、遠場發散角以及輸出功率的影響。實驗采用FAC-VBG和FAC-SAC-VBG兩種體光柵外腔結構，對比分析了不同結構下體光柵外腔的鎖模質量以及遠場特性。實驗結果表明，FAC-SAC-VBG外腔結構的鎖模質量、遠場發散角均優于FAC-VBG結構，實現了體光柵外腔鎖模狀態下的穩定輸出和高效率工作，光譜寬度達到0.7 nm左右，斜率效率可達到1 W/A，FAC-SAC-VBG外腔結構下的最大輸出功率為1.06 W，慢軸遠場發散角為1.52°。