体布拉格光栅外腔红光半导体激光器实验研究

刘荣战， 薄报学， 么 娜， 徐雨萌， 高 欣

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022)

1 引 言

激光显示能够真实地再现客观世界的多姿多彩，成为继黑白显示、彩色显示、数字显示后的第四代显示技术。因其具有色域范围广、寿命长、能耗低的特点，也被称为“人类视觉史上的革命”[1]。激光显示可以覆盖90%的色域，色彩饱和度是普通显示设备的百倍以上[2-3]。目前，激光显示所需要的红色、绿色、蓝色激光器的输出功率以及亮度仍然处于较低水平[4]，并逐渐发展到了半导体激光器的时代。

近年来，国内外学者对红光半导体激光器都做了许多研究工作，日本三菱公司研制了出射波长为638 nm的红光半导体激光器，最高功率达到6 W[5-6]。德国FBH研究所研制了632 nm和633 nm半导体激光器，其中632 nm未镀膜功率可超过1 W[7-8]。山东华光光电子股份有限公司报道了640 nm和660 nm红光半导体激光器[9-10]。目前对于激光显示所需要的光源的设计要求是：要有较高输出功率的同时窄化光谱带宽并保持波长的稳定性，使其有更好更稳定的色彩饱和度。分布反馈半导体激光器(DFB-LD)和分布布拉格反射式半导体激光器(DBR-LD)已经实现了窄带宽工作。然而，由于制作工艺复杂，芯片上集成光栅的制作仍然具有很大的困难。体布拉格光栅(VBG)具有体积小、结构简单、使用灵活的优点[11]，可用于模式锁定以及降低频谱带宽。本文设计了两种不同结构的体布拉格光栅外腔红光半导体激光器，通过对体光栅位置距离的控制，实现对器件工作特性的改善。

2 红光外腔半导体激光器结构

2.1 体光栅外腔锁模原理

一般半导体激光器的输出线宽较大，且中心波长容易受到温度等外界其他因素的影响，因而制约了半导体激光器的使用范围。

体光栅可以将特定波长的光反馈回半导体激光芯片有源区，反馈光影响到有源区内的模式竞争，使该波长的光损耗降低，有利于在有源区内与其他波长竞争，并可以优先达到阈值输出激光，使得器件只输出该单一波长模式的光束，从而实现体光栅外腔对波长模式的锁定[12]。

图1 VBG锁模原理图

体光栅衍射波长由布拉格衍射方程确定[13-14]：

(1)

其中θ是入射到VBG的角度，λ是反馈光波长，Λ是VBG周期，n是VBG 的平均折射率。可以看出，当光束以满足布拉格条件的角度入射体光栅时，只有一个波长的光会被反馈回芯片有源区。

2.2 实验装置结构参数

激光器芯片采用山东华光光电子股份有限公司提供的宽条形InGaAlP红光半导体激光器(LD),发光区宽度为100 μm。经COS封装测试，发射峰值波长在635 nm左右,连续输出功率可达1 W以上，波长温漂系数约为0.18 nm/℃。FAC为快轴准直柱透镜，采用LIMO公司的非球面柱透镜，SAC为慢轴准直柱透镜，采用Thorlabs公司的球面柱透镜。所使用的窄带光反射型体光栅衍射效率分别为10%、20%两种，部分光束经过准直后由体光栅反射重新进入激光器芯片得到反馈放大。体光栅的反射带宽约为0.7 nm，锁模波长稳定在634 nm左右。由于体光栅温度稳定性很好，使得外腔半导体激光器可以稳定输出锁定波长的激光光束。

VBG具有良好的波长选择特性和角度选择特性，因此由VBG衍射后的光束主要受入射光的发散角和光谱线宽特性的影响[15-16]。如图2所示，我们设计了快轴准直-体光栅外腔半导体激光器结构(FAC-VBG)和快慢轴准直-体光栅外腔半导体激光器结构(FAC-SAC-VBG)。在实验中，将通过改变体光栅与光源的位置距离，来分析体光栅的锁模特性以及锁模质量，研究体光栅外腔对红光半导体激光器功率和发散角的影响。

图2 红光外腔半导体激光器示意图。(a)FAC-VBG结构；(b)FAC-SAC-VBG结构。

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

3 分析与讨论

3.1 FAC-VBG结构

体光栅外腔结构的一个重要作用就是对输出光谱特性的改善。图3分别为红光半导体激光器在14 ℃自由出射时的光谱、功率以及慢轴方向的远场特性测试结果。

从图3(a)可知，随着工作电流的增加，自由出射红光半导体激光器的输出光谱峰值波长明显变长，其峰值波长随工作电流的增加率约为1.4 nm/A。这主要是因为随着工作电流的增加，器件的热功率也随之增加，导致半导体材料的禁带宽度变小[17]，波长发生红移。自由出射时激光器的光谱半峰全宽也较大，且随着工作电流的增加略有增加，一般约为1～2 nm，这是因为半导体激光器增益谱较宽，且大功率宽条激光器缺乏有效的纵模选择机制。从图3(b)中可看出，随着工作电流的增加，自由出射红光半导体激光器的输出功率线性增大，在1.4 A电流下输出功率可以达到1.2 W。

图3 14 ℃自由出射时红光半导体激光器在不同电流条件下的光谱特性(a)、P-I特性(b)和慢轴远场特性(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.

为了研究体光栅外腔红光半导体激光器的光谱特性，对FAC-VBG结构下的红光半导体激光器进行了光谱测试分析，图4为14 ℃不同电流条件下FAC-VBG结构的光谱特性。由图4可知，FAC-VBG结构明显改善了其出射光的光谱特性，激光器光谱宽度明显变窄约为0.7 nm，且随工作电流的增加几乎没有明显变化。与此同时，体光栅外腔红光半导体激光器的峰值波长准确地锁定在体光栅的反射波长上，且随工作电流的增加其峰值波长的增加率约为0.1 nm/A，峰值波长稳定性增加14倍，图5也显示了相同的结论。由此可知在锁模状态下，体光栅衍射效率的高低对峰值波长随电流的增加量的影响较小。由图4(a)、(b)、(c)可知，随着FAC与VBG距离的增加，光谱锁定的效果逐渐变差，这是因为体光栅具有一定的角度选择性，而不同阶数的远场横模对应的光束发散角并不相同，其中基横模光束发散角最小，高阶横模随着横模序数的增加，发散角越来越大[18]。不同阶数的横模以不同的角度入射至体光

图4 FAC-VBG结构中VBG(20%衍射效率)与FAC距离分别为0.1 mm(a)、1 mm(b)和3 mm(c)时的光谱特性。

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.

图5 FAC-VBG结构中VBG(10%衍射效率)与FAC距离分别为0.1 mm(a)、1 mm(b)和3 mm(c)时的光谱特性。

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.

栅，而一些高阶横模不满足体光栅的角度选择条件，没有有效地反馈回芯片有源区，而这部分能量或是损耗掉了或是直接出射，结果导致锁模效果变差，并且当FAC与VBG距离越大时，这种现象越明显。

图5为14 ℃不同电流低衍射效率VBG条件下FAC-VBG结构的锁模光谱特性。可以看出，使用具有较低衍射效率的体光栅，光谱锁定的质量较差，使用低衍射效率的体光栅只能将少量光反馈回激光器的有源区，这就大大增加了外腔锁模的不稳定性，随着工作电流的增大，光谱也逐渐开始展宽，不再处于完全锁定状态。

图6是在14 ℃外腔锁模条件下的慢轴发散角特性。与自由出射时相比，FAC-VBG外腔结构下的半导体激光器会对慢轴方向发散角有小幅度的改善，主要原因是不同阶数的横模发散角不同，因此不同阶数的横模以不同角度入射体光栅后所对应的衍射损耗也不同，阶数越高的横模衍射效率越差，损耗越大。由于所采用的激光器芯片为100 μm的宽条结构，其慢轴方向为高阶模工作，因此VBG外腔结构中芯片的部分侧向高阶横模会受到抑制，导致慢轴方向发散角变小。

图6 FAC-VBG结构激光器慢轴发散角与工作电流的关系。(a)20%衍射效率体光栅;(b)10%衍射效率体光栅。VBG与FAC距离分别为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.

图7为14 ℃不同电流条件下的FAC-VBG结构激光器输出功率特性曲线，可以看出FAC-VBG结构在阈值电流以上能够保持良好稳定的线性功率输出，斜率效率达到1.3 W/A。与自由出射条件下相比，斜率效率有所下降，阈值电流也略有降低。斜率效率下降的主要原因是体光栅的反馈光不能全部反馈回半导体激光器有源区中，造成一定量的反馈光能损失；而对于经VBG反馈回激光器波导内的光能量，也会由于激光器的波导损耗产生部分光损耗。

图7 FAC-VBG结构下的P-I特性及实验装置结构图(插图)

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

3.2 FAC-SAC-VBG结构

为了进一步改善体光栅外腔光谱锁模质量，实验采用快慢轴准直后再进行体光栅外腔反馈(FAC-SAC-VBG)。

图8为14 ℃不同电流条件下FAC-SAC-VBG结构的光谱特性，FAC-SAC-VBG结构进一步改善了出射光的光谱特性，在该结构下激光器的锁模质量得到提升，当VBG与SAC距离逐渐增大时，锁模光谱依然稳定，在1.4 A大电流条件下没有出现光谱展宽，并且光谱宽度相比于FAC-VBG结构有较小的改善。这是因为激光器在慢轴方向进行准直后，慢轴方向发散角得到了有效控制，光束以小于自由出射状态下的慢轴发散角度入射体光栅，光束发散角满足体光栅角度选择特性要求，从而可以实现更高效的外腔反馈，因此提高了锁模质量。与图4相比较，FAC-SAC-VBG结构锁模光谱比FAC-VBG结构锁模光谱稳定性明显变好。

图8 FAC-SAC-VBG结构中VBG(20%衍射效率)与SAC距离分别为0.1 mm(a)、1 mm(b)和3 mm(c)时的光谱特性。

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.

图9所示为14 ℃不同电流低衍射效率VBG条件下FAC-SAC-VBG结构的锁模光谱特性。可以看出，即使采用低衍射效率的体光栅，FAC-SAC-VBG结构仍然可以保持良好的锁模效果，说明对于体光栅外腔锁模结构来说，慢轴方向光束的发散角控制非常重要，在一定程度上可以改善锁模质量并提高稳定性。

为研究FAC-SAC-VBG结构下的远场发散角特性，在14 ℃外腔锁模条件下对慢轴发散角进行了测试分析。如图10所示，慢轴准直出射时的发散角与FAC-SAC-VBG结构外腔锁模条件下的慢轴发散角相差不大，说明慢轴准直透镜将激光器光束发散角准直到体光栅角度选择特性的要求以内，这就使得在FAC-SAC-VBG结构下，不仅具有理想的光谱特性，同时光束特性也得到改善。

图9 FAC-SAC-VBG结构中VBG(10%衍射效率)与SAC距离分别为0.1 mm(a)、1 mm(b)和3 mm(c)时的光谱特性。

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.

图11为14 ℃不同电流条件下FAC-SAC-VBG结构输出功率特性曲线，从P-I曲线中可以看出在FAC-SAC-VBG结构下斜率效率约为1 W/A。相比较自由出射条件和FAC-VBG结构，斜率效率有所下降。斜率效率下降的主要原因除了反馈光不能全部反馈回器件有源区中，造成反馈光能损失，还有慢轴准直透镜的增加也造成了部分能量在准直过程中的损失，并且FAC-SAC-VBG结构在一定程度上增加了反馈光的强度，同时也带来了较大的腔内光吸收损耗，这些原因都导致斜率效率的下降。

图10 FAC-SAC-VBG结构激光器慢轴发散角与工作电流关系。(a)20%衍射效率体光栅;(b)10%衍射效率体光栅。VBG与SAC距离分别为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.

图11 FAC-SAC-VBG结构下的P-I特性及实验装置结构图(插图)

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

4 结 论

采用体光栅外腔元件设计并搭建了红光外腔半导体激光器结构，分析了体光栅位置对锁模光谱质量、远场发散角以及输出功率的影响。实验采用FAC-VBG和FAC-SAC-VBG两种体光栅外腔结构，对比分析了不同结构下体光栅外腔的锁模质量以及远场特性。实验结果表明，FAC-SAC-VBG外腔结构的锁模质量、远场发散角均优于FAC-VBG结构，实现了体光栅外腔锁模状态下的稳定输出和高效率工作，光谱宽度达到0.7 nm左右，斜率效率可达到1 W/A，FAC-SAC-VBG外腔结构下的最大输出功率为1.06 W，慢轴远场发散角为1.52°。