基于外腔反馈二极管线阵列的smile效应测量方法

2017-10-10曹银花刘友强许商瑞秦文斌邱运涛曾小迪王智勇

发光学报 2017年10期

关键词：柱面测量法激光器

李景，曹银花，刘友强，许商瑞，秦文斌，邱运涛，姚磊，曾小迪，王智勇

(北京工业大学激光工程研究院，北京 100124)

基于外腔反馈二极管线阵列的smile效应测量方法

李景，曹银花*，刘友强，许商瑞，秦文斌，邱运涛，姚磊，曾小迪，王智勇

(北京工业大学激光工程研究院，北京 100124)

采用外建激光谐振腔，在低于原芯片阈值的电流激励下对LDA的每个发光点进行单独测量，从而分析整个半导体激光阵列(LDA)的smile效应。实验中利用镀膜反射率大于半导体前腔面的外腔镜形成外腔半导体激光器。在外腔中插入曲面平行于p-n结的柱面镜，使只在光轴上的发光点与外腔镜形成外腔激光器，降低该发光点的激光阈值，从而使其在正常的阈值以下的电流激励下输出激光，在平行于p-n结的方向移动柱面镜，可以逐个对半导体激光器中的发光点进行选择测量，从而获得LDA smile效应的测量值。测量中的低电流激励产生的热量对芯片寿命没有影响，对LDA的发光点的单个测量也避免了其他发光点对CCD的影响。

半导体激光器；外腔反馈； smile效应

Abstract: The smile effect was measured in the process of semiconductor laser packaging using the external cavity mirror of which the reflectance was greater than the front cavity surface of the semiconductor to form external cavity semiconductor laser. In measurement, the cylindrical lens was inserted in the external cavity. The external laser cavity was only formed between the outer mirror and the single light emitting point in the cylindrical lens light axis. The laser threshold of the light emitting point was reduced to output laser under the excitation current less than the normal threshold value. The light emitting point of the diode laser was selected one by one by moving the cylinder lens, so the smile effect was measured by summarizing all beam position. The low current is no harmful effects on the diode laser bar, and the influence of the other emitters on CCD is avoided by measuring single emitter.

Keywords: diode laser； external cavity feedback； smile effect

1 引言

半导体激光器以重量轻、体积小、光电转化率高、具有便携性等优点，在工业应用中扮演越来越重要的角色。但在半导体激光封装中，热应力引起半导体激光阵列(LDA)中各个发光单元在垂直于p-n 结方向发生位移，使阵列中各个发光单元不在一条直线上,这种现象被称为smile效应[1]。通常5 μm的smile效应能引起2倍光束质量的降低[2]。由于“smile”效应的存在，使得LDA快轴光束的准直变得复杂[3]。smile效应会增加快轴准直后激光的光斑大小，整体的光束质量变差[4]；也会影响器件寿命与发光的偏振性[5]，对半导体激光器在泵浦固体激光、光纤耦合和外腔线宽窄化等方面的应用产生不利影响。再则，封装后的激光器不同的smile效应在应用中随温度也会发生不同变化[6]，从而在实际应用中存在不稳定因素。因此，在LDA芯片焊接过程中对smile效应的测量与控制是十分必要的。

目前常用光学方法测量LDA的smile效应，例如近场扫描光学显微镜法[7]、干涉成像法[8]、LDA放大成像法[8]和探针扫描测量法[9]等。本文基于外腔反馈镜建立谐振腔，降低激光阈值，在对半导体激光芯片用金丝球焊对芯片负电极进行键合前，采用接触式方法电流激励，对芯片的smile效应进行了测量。

2 理论分析

假设激励电流和空间增益因子为线性关系，阈值电流[10]可表示为

Ith=A(2∂l-2lnr1-2lnReff)，

(1)

其中Reff=(r2+r3)/(1+r2r3)，r1、r2、r3分别为半导体激光器的后腔面、前腔面和外腔面的反射率，A为常数。

由此可知当r3不为0时，即外腔存在的情况下，由外腔和芯片后腔面组成的谐振腔的阈值电流会小。

在半导体巴条激光器的激光光路中放置垂直于光路平面的反馈镜，可以使每个发光点都与反馈镜形成谐振腔，从而统一降低每个发光点的阈值。在外置反馈镜与芯片后腔面组成的谐振腔中插入柱面镜，柱面镜的曲面方向平行于半导体芯片的p-n方向。只有在柱面镜光轴上面的发光点的激光通过镜片后方向不会发生偏折，入射于平面反馈镜的激光可再次反射入芯片内；而偏离柱面镜光轴方向的发光点的激光经过反馈镜后不能再次进入芯片内，不会形成反馈，阈值不会改变。

3 结果与讨论

实验采用前腔面镀膜反射率为1%的未封装完毕的半导体激光芯片。芯片激光阈值电流为9 A，中心波长为976 nm。分别用直接测量法和外腔反馈测量法对半导体激光巴条进行测量。

外腔反馈测量法：对未进行负电极金丝键合封装的半导体激光芯片，采用铜电极接触式方法激励芯片出光，激光阈值为9.2 A。建立外腔，分别在激光芯片前放置快轴准直镜1、光束旋转单元(BTS)[11]和快轴准直镜2。激光经快轴准直镜(FAC)使每个发光点的激光束在快轴方向上准直，经光束旋转单元，激光的快、慢轴互换，然后在快轴方向再次对激光进行准直，后经过柱面镜和反馈镜(图1)。反馈镜的反射率为10%，激光阈值电流从9.2 A降为6.0 A。为观察激光的近场光斑，在外腔镜后先后放置横向柱面镜和竖直柱面镜，如图2所示。具体实验见图3左，观察到的光斑见图3右。

为保证能逐个观察发光点，在外谐振腔内加入柱面镜，使只有在柱面镜光轴上的发光点形成稳定腔，破坏其他发光点的激光谐振(图4)。具体实验见图5左，观察到的光斑见图5右。

外腔半导体激光器的阈值为6.0 A，低于半导体激光器的本征阈值9.2 A，有效地减少了半导体激光芯片内热损耗对激光芯片的损坏，并在接触式激励下可采用小电流，避免了在大电流下接触不良端的电阻过大导致发热的情况。

图1 线陈列半导体激光器外腔示图

图2 线陈列半导体激光器外腔测量近场光斑示图

图3 线陈列半导体激光器外腔测量近场光斑实验图

图4 外腔中插入柱面镜选择发光点

图5 线陈列外腔半导体激光器选择性单点发光实验

采用6.45 μm/pixel 的CCD 相机接收每个发光点的激光，垂直于光轴左右移动柱面镜，对每个发光点的位置进行记录，测量相对于基准线的差。阈值电流为9 A，在电流11 A的激励下进行测量。smile效应大小为0.7 μm，如图6所示。

直接测量是把芯片采用倒装形式焊在微通道热沉上，安置负电极并通过金丝球焊机对芯片电极进行键合、封装，然后通过ficontec AL设备进行测量。此时激励电流由百十根金线注入芯片。每个发光点的激光束经快轴准直镜(FAC)在快轴方向上准直，经过光束整形单元，然后在快轴方向再次进行准直。直接测量的smile效应如图7所示。

运用matlab数学软件取图7的灰度值，分析每个光斑的质心的相对位置，进而分析smile效应，计算所得smile效应值为0.639 7，具体如图8所示。

图6 外腔反馈法测量smile效应

图7 直接测量smile效应

图8 直接测量法计算所得smile效应

Fig.8 Calculated smile effect based on measured directly date

4 结论

采用直接测量法和外腔反馈测量法分别对半导体激光巴条进行了smile效应的测量。两种方法测量的smile效应所表象的应力形态基本一致，smile效应值相差不大，但对于个别发光点的相对位置的偏差较大，外腔测量精度有待提高。但外腔反馈测量法在不需要负极电极用金线键合的情况下，采用接触式电流激励，减少了生产中的工序，避免了负极键合芯片对时间和物料的浪费，在大批量生产中可以节约成本，同时在低于阈值电流的激励下，接触式电流激励对芯片的性能和寿命不会造成影响。

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