基于楔形微透鏡補償半導體激光陣列指向偏差

孟 嬌,曹銀花,秦文斌,劉友強,李 景,郭照師,蘭 天,關嬌陽,潘建宇,王智勇

(北京工業大學 材料與制造學部先進半導體光電技術研究所,北京 100124)

1 引 言

半導體激光陣列(Laser Diode Array,LDA)由多個發光單元沿結平面緊密線性排列組成[1]。LDA發光單元的光束指向性偏差主要來源有兩個:LDA在封裝過程中普遍存在的“Smile”效應導致各發光單元的光束指向性不一致[2]；LDA的光束發散角大,在光束準直過程中,準直微透鏡的安裝誤差造成發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)。通常用光參數積(Beam Parameters Product,BPP)來評價半導體激光器的光束質量,BPP是光束的光斑寬度d0和發散角θ的乘積[4]。LDA的光束指向角增大光束的光斑寬度和發散角,必然導致BPP的數值增大,顯著劣化快軸光束質量[5-6]。LDA具有電光轉換效率高、壽命長、可靠性高等優點[7-10],但光束質量較差成為限制其發展應用的重要因素[11]。因此,在實際應用中,需要通過技術手段改善光束質量以滿足使用要求。2016年,Fabio等人[12]利用全自動設備安裝FAC使其精確對準發光單元,實現快慢軸兩個方向上的指向誤差小于0.1 mrad。2018年,Gabriel等人[12]針對LDA的“Smile”效應提出了利用光束變換系統和包含19個凹凸柱透鏡的望遠鏡陣列補償指向角的方法,通過調整凹面頂點的偏心位置補償光束指向性,光纖耦合效率為85.4 %,提高了22.8 %。

本文重點研究LDA發光單元的光束指向性偏差對光束質量的影響,通過楔形微透鏡陣列來補償發光單元的光束指向性偏差。為了降低加工難度和成本,利用分類補償的方法,改善LDA的快軸光束質量,將單bar光束耦合進芯徑200 μm、NA=0.2光纖。

2 指向角的測量

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

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

圖1 LDA模塊的結構

“Smile”效應使得發光單元在X方向上存在微米級的位移[16],導致光束經過FAC后在X-Z面引入發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旋轉光束后,光束指向性分布在Y-Z平面上。光束指向性偏差會對光斑寬度和發散角產生影響,必然顯著影響快軸光束質量,但對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

本文設計了測量各個發光單元的光束指向角的光學系統,實驗裝置由LDA、狹縫板和CCD組成,如圖3所示。通過移動狹縫板位置逐個測量LDA發光單元的光束指向,利用CCD依次捕獲19個發光單元光束的光斑中心。

圖3 光束指向角的實驗裝置圖

如圖4所示,以第一個發光單元的光束指向為基準,得到LDA的光束指向分布圖。下橫坐標表示發光單元的初始位置,上橫坐標表示發光單元的測量位置,縱坐標為傳輸距離,19條不同顏色的線代表19個發光單元的光束指向。測量和計算結果表明,第2～13個發光單元的光束指向角在0～0.6 mrad,第14～19個發光單元光束的指向角為1～2 mrad。

圖4 發光單元光束的指向分布圖

3 楔形微透鏡陣列的設計

為了補償LDA發光單元的光束指向角,根據光束指向角測量數據設計了楔形微透鏡陣列(Wedge-shaped Microlens-Array,WMA)。楔形微透鏡補償光束的原理如圖5所示。

圖5 楔形微透鏡補償光束的原理圖

ABED為楔形微透鏡,折射率為n,α是ABED鏡片的其中一個底角,β是∠BED的補角,光束經過鏡片發生兩次折射,當α=β時,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,其幾何關系有:

θ0=90°-α

(1)

如圖中灰線所示,LDA發光單元的光束存在指向角δ,β的角度隨著指向角變化,實現補償光束指向角的作用。根據折射定律和幾何關系有:

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)

根據公式(3)(6)有:

nsinθ3=cos(α+γ)

(8)

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

表1 19個楔形微透鏡的補償角

如圖6所示,根據楔形微透鏡補償角的數據設計相應的WMA。19個楔形微透鏡沿發光單元排列方向依次疊加,分別與相對應的發光單元相匹配,光束透過WMA時發生不同程度的偏折以補償發光單元的光束指向角。

圖6 WMA補償光束指向的光路圖

從表1數據可以看出,LDA的“Smile”效應導致光束指向角呈連續變化趨勢,而且考慮到WMA在實際應用中的加工難度和成本,我們可以采用分類補償的方法將具有相近指向角的發光單元分為一類,用同一補償角的楔形微透鏡補償,表2是光束指向角分類情況。

表2 發光單元光束指向角的分類情況

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

圖7 WMA分類補償光束指向的光路圖

4 光纖耦合系統的設計與實驗

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

圖8 LDA的光纖耦合系統

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

表3 模擬計算結果

對于理想的LDA,經過聚焦鏡后束腰直徑為153 μm,快軸發散角為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中的光斑寬度數據均以CCD 中86.5 %環圍能量為標準選取,計算得到的BPP也是86.5 % 環圍能量下的BPP,由于BPP與光纖入射條件的計算方法不一致,耦合效率達不到100 %。

在LDA的光纖耦合系統模型中引入表1中測量的光束指向角,得到實際LDA的聚焦光斑如圖9(a)所示,束腰直徑為166 μm,曲線擬合結果如圖9(b)所示,快軸發散角為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發光單元的光束指向角使BPP的數值增大了11.7 %,光纖耦合效率降低了13.5 %。因此,發光單元的光束指向角會明顯劣化LDA的快軸光束質量,降低光纖耦合效率。

圖9 實際LDA光源的模擬焦斑和曲線擬合圖

將表1中WMA的補償角數據帶入模型中,利用補償實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,快軸發散角為368 mrad,BPP為58.14 mm·mrad,光纖耦合效率為95.6 %。與不經過WMA的實際光源相比,BPP的數值減小了9.5 %,光纖耦合效率提高了10.4 %,LDA的快軸光束質量和光纖耦合效率得到了顯著的提高。

圖10 WMA補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分類補償LDA發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,快軸發散角為373 mrad,BPP為60.38 mm·mrad,光纖耦合效率為91.5 %。WM分類補償光束指向角也可以顯著提高LDA的快軸光束質量和光纖耦合效率,并且WM的設計大大降低了制造工藝的難度,在工業應用中具有可實施性。

圖11 WM分類補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WM分類補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償光束指向性,搭建了半導體激光陣列的光纖耦合系統。快軸方向的光斑寬度為9.5 mm,由表1中光束指向角數據將所有發光單元分為三組,分別包含第1～7個、第8～13個和第14～19個發光單元。如圖12(a)所示,第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ個楔形透鏡片的寬度分別為3.5 mm、3 mm和3 mm,且補償角分別為0.8 mrad、0 mrad和2 mrad,分別補償三組發光單元的光束指向角。實驗裝置如圖12(b)所示,將三片楔形透鏡用紫外膠膠固并放置在機械工裝里,楔形透鏡組將補償bar條發光單元的光束指向性。

圖12 楔形透鏡組的示意圖和實驗裝置圖

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

圖13 楔形透鏡組補償前后的光斑圖

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

5 結 論

本文通過測量半導體激光陣列的發光單元的光束指向角,設計了一組楔形微透鏡陣列以補償光束指向角,改善光束質量,將單bar光束耦合進芯徑200 μm、NA=0.2的光纖中,光纖耦合效率達到95.6 %,提高了10.4 %。考慮到該技術在實際應用中的工藝難度和成本問題,采用WM分類補償的方法,光纖耦合效率能夠達到91.5 %。為了進一步降低實驗過程中的工藝難度,采用由三片楔形透鏡組成的透鏡組對發光單元光束進行分類補償,測量得到的光纖耦合效率為90.4 %,比補償光束指向性之前的耦合效率提高了約7 %。