李 景, 曹銀花, 劉友強(qiáng), 許商瑞, 秦文斌, 邱運(yùn)濤, 姚 磊, 曾小迪, 王智勇
(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院, 北京 100124)
基于外腔反饋二極管線陣列的smile效應(yīng)測(cè)量方法
李 景, 曹銀花*, 劉友強(qiáng), 許商瑞, 秦文斌, 邱運(yùn)濤, 姚 磊, 曾小迪, 王智勇
(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院, 北京 100124)
采用外建激光諧振腔,在低于原芯片閾值的電流激勵(lì)下對(duì)LDA的每個(gè)發(fā)光點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量,從而分析整個(gè)半導(dǎo)體激光陣列(LDA)的smile效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中利用鍍膜反射率大于半導(dǎo)體前腔面的外腔鏡形成外腔半導(dǎo)體激光器。在外腔中插入曲面平行于p-n結(jié)的柱面鏡,使只在光軸上的發(fā)光點(diǎn)與外腔鏡形成外腔激光器,降低該發(fā)光點(diǎn)的激光閾值,從而使其在正常的閾值以下的電流激勵(lì)下輸出激光,在平行于p-n結(jié)的方向移動(dòng)柱面鏡,可以逐個(gè)對(duì)半導(dǎo)體激光器中的發(fā)光點(diǎn)進(jìn)行選擇測(cè)量,從而獲得LDA smile效應(yīng)的測(cè)量值。測(cè)量中的低電流激勵(lì)產(chǎn)生的熱量對(duì)芯片壽命沒(méi)有影響,對(duì)LDA的發(fā)光點(diǎn)的單個(gè)測(cè)量也避免了其他發(fā)光點(diǎn)對(duì)CCD的影響。
半導(dǎo)體激光器; 外腔反饋; smile效應(yīng)
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
半導(dǎo)體激光器以重量輕、體積小、光電轉(zhuǎn)化率高、具有便攜性等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)應(yīng)用中扮演越來(lái)越重要的角色。但在半導(dǎo)體激光封裝中,熱應(yīng)力引起半導(dǎo)體激光陣列(LDA)中各個(gè)發(fā)光單元在垂直于p-n 結(jié)方向發(fā)生位移,使陣列中各個(gè)發(fā)光單元不在一條直線上,這種現(xiàn)象被稱為smile效應(yīng)[1]。通常5 μm的smile效應(yīng)能引起2倍光束質(zhì)量的降低[2]。由于“smile”效應(yīng)的存在,使得LDA快軸光束的準(zhǔn)直變得復(fù)雜[3]。smile效應(yīng)會(huì)增加快軸準(zhǔn)直后激光的光斑大小,整體的光束質(zhì)量變差[4];也會(huì)影響器件壽命與發(fā)光的偏振性[5],對(duì)半導(dǎo)體激光器在泵浦固體激光、光纖耦合和外腔線寬窄化等方面的應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。再則,封裝后的激光器不同的smile效應(yīng)在應(yīng)用中隨溫度也會(huì)發(fā)生不同變化[6],從而在實(shí)際應(yīng)用中存在不穩(wěn)定因素。因此,在LDA芯片焊接過(guò)程中對(duì)smile效應(yīng)的測(cè)量與控制是十分必要的。
目前常用光學(xué)方法測(cè)量LDA的smile效應(yīng),例如近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡法[7]、干涉成像法[8]、LDA放大成像法[8]和探針掃描測(cè)量法[9]等。本文基于外腔反饋鏡建立諧振腔,降低激光閾值,在對(duì)半導(dǎo)體激光芯片用金絲球焊對(duì)芯片負(fù)電極進(jìn)行鍵合前,采用接觸式方法電流激勵(lì),對(duì)芯片的smile效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量。
假設(shè)激勵(lì)電流和空間增益因子為線性關(guān)系,閾值電流[10]可表示為
Ith=A(2?l-2lnr1-2lnReff),
(1)
其中Reff=(r2+r3)/(1+r2r3),r1、r2、r3分別為半導(dǎo)體激光器的后腔面、前腔面和外腔面的反射率,A為常數(shù)。
由此可知當(dāng)r3不為0時(shí),即外腔存在的情況下,由外腔和芯片后腔面組成的諧振腔的閾值電流會(huì)小。
在半導(dǎo)體巴條激光器的激光光路中放置垂直于光路平面的反饋鏡,可以使每個(gè)發(fā)光點(diǎn)都與反饋鏡形成諧振腔,從而統(tǒng)一降低每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的閾值。在外置反饋鏡與芯片后腔面組成的諧振腔中插入柱面鏡,柱面鏡的曲面方向平行于半導(dǎo)體芯片的p-n方向。只有在柱面鏡光軸上面的發(fā)光點(diǎn)的激光通過(guò)鏡片后方向不會(huì)發(fā)生偏折,入射于平面反饋鏡的激光可再次反射入芯片內(nèi);而偏離柱面鏡光軸方向的發(fā)光點(diǎn)的激光經(jīng)過(guò)反饋鏡后不能再次進(jìn)入芯片內(nèi),不會(huì)形成反饋,閾值不會(huì)改變。
實(shí)驗(yàn)采用前腔面鍍膜反射率為1%的未封裝完畢的半導(dǎo)體激光芯片。芯片激光閾值電流為9 A,中心波長(zhǎng)為976 nm。分別用直接測(cè)量法和外腔反饋測(cè)量法對(duì)半導(dǎo)體激光巴條進(jìn)行測(cè)量。
外腔反饋測(cè)量法:對(duì)未進(jìn)行負(fù)電極金絲鍵合封裝的半導(dǎo)體激光芯片,采用銅電極接觸式方法激勵(lì)芯片出光,激光閾值為9.2 A。建立外腔,分別在激光芯片前放置快軸準(zhǔn)直鏡1、光束旋轉(zhuǎn)單元(BTS)[11]和快軸準(zhǔn)直鏡2。激光經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡(FAC)使每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的激光束在快軸方向上準(zhǔn)直,經(jīng)光束旋轉(zhuǎn)單元,激光的快、慢軸互換,然后在快軸方向再次對(duì)激光進(jìn)行準(zhǔn)直,后經(jīng)過(guò)柱面鏡和反饋鏡(圖1)。反饋鏡的反射率為10%,激光閾值電流從9.2 A降為6.0 A。為觀察激光的近場(chǎng)光斑,在外腔鏡后先后放置橫向柱面鏡和豎直柱面鏡,如圖2所示。具體實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖3左,觀察到的光斑見(jiàn)圖3右。
為保證能逐個(gè)觀察發(fā)光點(diǎn),在外諧振腔內(nèi)加入柱面鏡,使只有在柱面鏡光軸上的發(fā)光點(diǎn)形成穩(wěn)定腔,破壞其他發(fā)光點(diǎn)的激光諧振(圖4)。具體實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖5左,觀察到的光斑見(jiàn)圖5右。
外腔半導(dǎo)體激光器的閾值為6.0 A,低于半導(dǎo)體激光器的本征閾值9.2 A,有效地減少了半導(dǎo)體激光芯片內(nèi)熱損耗對(duì)激光芯片的損壞,并在接觸式激勵(lì)下可采用小電流,避免了在大電流下接觸不良端的電阻過(guò)大導(dǎo)致發(fā)熱的情況。
圖1 線陳列半導(dǎo)體激光器外腔示圖
圖2 線陳列半導(dǎo)體激光器外腔測(cè)量近場(chǎng)光斑示圖
圖3 線陳列半導(dǎo)體激光器外腔測(cè)量近場(chǎng)光斑實(shí)驗(yàn)圖
圖4 外腔中插入柱面鏡選擇發(fā)光點(diǎn)
圖5 線陳列外腔半導(dǎo)體激光器選擇性單點(diǎn)發(fā)光實(shí)驗(yàn)
采用6.45 μm/pixel 的CCD 相機(jī)接收每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的激光,垂直于光軸左右移動(dòng)柱面鏡,對(duì)每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的位置進(jìn)行記錄,測(cè)量相對(duì)于基準(zhǔn)線的差。閾值電流為9 A,在電流11 A的激勵(lì)下進(jìn)行測(cè)量。smile效應(yīng)大小為0.7 μm,如圖6所示。
直接測(cè)量是把芯片采用倒裝形式焊在微通道熱沉上,安置負(fù)電極并通過(guò)金絲球焊機(jī)對(duì)芯片電極進(jìn)行鍵合、封裝,然后通過(guò)ficontec AL設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)激勵(lì)電流由百十根金線注入芯片。每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的激光束經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡(FAC)在快軸方向上準(zhǔn)直,經(jīng)過(guò)光束整形單元,然后在快軸方向再次進(jìn)行準(zhǔn)直。直接測(cè)量的smile效應(yīng)如圖7所示。
運(yùn)用matlab數(shù)學(xué)軟件取圖7的灰度值,分析每個(gè)光斑的質(zhì)心的相對(duì)位置,進(jìn)而分析smile效應(yīng),計(jì)算所得smile效應(yīng)值為0.639 7,具體如圖8所示。
圖6 外腔反饋法測(cè)量smile效應(yīng)
圖7 直接測(cè)量smile效應(yīng)
圖8 直接測(cè)量法計(jì)算所得smile效應(yīng)
Fig.8 Calculated smile effect based on measured directly date
采用直接測(cè)量法和外腔反饋測(cè)量法分別對(duì)半導(dǎo)體激光巴條進(jìn)行了smile效應(yīng)的測(cè)量。兩種方法測(cè)量的smile效應(yīng)所表象的應(yīng)力形態(tài)基本一致,smile效應(yīng)值相差不大,但對(duì)于個(gè)別發(fā)光點(diǎn)的相對(duì)位置的偏差較大,外腔測(cè)量精度有待提高。但外腔反饋測(cè)量法在不需要負(fù)極電極用金線鍵合的情況下,采用接觸式電流激勵(lì),減少了生產(chǎn)中的工序,避免了負(fù)極鍵合芯片對(duì)時(shí)間和物料的浪費(fèi),在大批量生產(chǎn)中可以節(jié)約成本,同時(shí)在低于閾值電流的激勵(lì)下,接觸式電流激勵(lì)對(duì)芯片的性能和壽命不會(huì)造成影響。
[1] 王祥鵬, 李再金, 劉云, 等. 半導(dǎo)體激光器列陣的smile效應(yīng)與封裝技術(shù) [J]. 光學(xué) 精密工程, 2010,18(3):552-557. WANG X P, LI Z J, LIU Y,etal.. Smile effect and package technique for diode laser arrays [J].Opt.PrecisionEng., 2010, 18(3):552-557. (in Chinese)
[2] WETTER N U. Three-fold effective brightness increase of laser diode bar emission by assessment and correction of diode array curvature [J].Opt.LaserTechnol., 2011, 33:181-187.
[3] 潘飛, 堯舜, 賈冠男, 等. 半導(dǎo)體激光陣列“Smile”效應(yīng)下快軸準(zhǔn)直鏡的裝調(diào) [J]. 半導(dǎo)體光電, 2014, 35(1):35-38. PAN F, YAO S, JIA G N,etal.. “Smile” effect on fast axis collimator assembly for diode laser array [J].Semicond.Optoelectron., 2014, 35(1):35-38. (in Chinese)
[4] 郎超, 堯舜, 陳丙振, 等. 半導(dǎo)體激光器陣列的“Smile”效應(yīng)對(duì)光束質(zhì)量的影響 [J]. 中國(guó)激光, 2012, 39(5):33-37. LANG C, YAO S, CHEN B Z,etal.. “Smile” effect on the beam quality for diode laser arrays [J].Chin.J.Laser, 2012, 39(5):33-37. (in Chinese)
[5] SU Z P, LOU Q H, DONG J X,etal.. Beam quality improvement of laser diode array by using off-axis external cavity [J].Opt.Express, 2007, 15(19):11776-11780.
[6] 王淑娜, 張普, 熊玲玲, 等. 溫度對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器陣列“smile”的影響 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2016, 45(5):0514001. WANG S N, ZHANG P, XIONG L L,etal.. Influence of temperature on “smile” in high power diode laser bars [J].ActaPhoton.Sinica, 2016, 45(5):0514001. (in Chinese)
[7] HERZOG W D, UNLU M S, GODLAERG B B,etal.. Beam divergence and waist measurements of laser diodes by near-field scanning optical microscopy [J].Appl.Phys.Lett., 1997, 70(6):688-690.
[8] MART L, RAMOS J A, MART R A. Interferometric method for characterizing the smile of laser diode bars [J].Opt.Commun., 2007, 275:359-371.
[9] 賈冠男, 堯舜, 潘飛, 等. 探針掃描法快速測(cè)量半導(dǎo)體激光陣列Smile效應(yīng) [J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(12):3576-3579. JIA G N, YAO S, PAN F,etal.. Smile effect of laser diode arrays measured by stylus scan method [J].InfraredLaserEng., 2015, 44(12):3576-3579. (in Chinese)
[10] OLSSON A, TANG C. Coherent optical interference effects in external-cavity semiconductor lasers [J].IEEEJ.Quant.Elect., 1981, 17(8):1320-1323.
[11] TIMMERMANN A, MEINSCHIEN J, BRUNS P,etal.. Next generation high-brightness diode lasers offer new industrial applications [J].SPIE, 2008, 6876:1-12.
李景(1987-),男,山西長(zhǎng)治人,博士研究生,2011 年于山西大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事大功率半導(dǎo)體激光器的研究。
E-mail: leagurking@163.com曹銀花(1964-),女,吉林長(zhǎng)春人,博士,研究員,2005年于北京理工大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事大功率半導(dǎo)體激光器的研究。
E-mail: caoyh@bjut.edu.cn
SmileEffectMeasurementofLaserDiodeLineArraysBasedonExternalCavity
LI Jing, CAO Yin-hua*, LIU You-qiang, XU Shang-rui, QIN Wen-bin, QIU Yun-tao, YAO Lei, ZENG Xiao-di, WANG Zhi-yong
(InstituteofLaserEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:caoyh@bjut.edu.cn
TN31
A
10.3788/fgxb20173810.1302
1000-7032(2017)10-1302-05
2017-03-07;
2017-04-24