CN101194401B

CN101194401B - 用分布布拉格反射(dbr)激光器进行波长调制的方法和器件

Info

Publication number: CN101194401B
Application number: CN2005800461134A
Authority: CN
Inventors: C·乍; M·H·胡
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: TW200644362A; CN101194401A; TWI302771B; WO2006060656A3; EP1817824A2; US7436871B2; KR20070092973A; EP1817824A4; US20060120416A1; WO2006060656A2; JP2008522445A

Abstract

本发明涉及一种将相位调制电流提供给半导体激光器从而控制光束波长的方法和系统。第一电流被接收到半导体激光器的增益部分中，第二电流被接收到半导体激光器的DBR部分中。第二电流是基于所需强度值进行相位调制的。输出光束是由半导体激光器基于接收到的第一电流和接收到的第二电流而产生的。

Description

用分布布拉格反射(DBR)激光器进行波长调制的方法和器件

技术领域

本发明一般涉及进行波长调制的方法和器件，尤其涉及控制到分布布拉格反射(DBR)半导体激光器的电流注入以便进行波长调制的方法和系统。

背景技术

激光应用于显示技术已有许多年了。在像计算机显示器、电视机等显示器中，各种颜色是通过红绿蓝三原色的叠加而产生的。这样，在基于激光的显示过程中，使用激光来提供三原色。各激光可以是在屏幕上进行光栅扫描的，或者可以是静止的并用于照亮图像(例如，含图像的电影胶片或空间光调制器)。当与常规电影院中所使用的白炽灯的亮度特征相比时，激光可提供卓越的亮度特征的能力使基于激光的投影仪内存在有效且效果很好的激光。

DBR半导体激光器可以用于基于激光的显示以及许多其它应用，因为它们可以提供有效的波长转换。例如，可以使用已调谐到二次谐波产生(SHG)器件(比如非线性晶体)的光谱中心的1060nm DBR半导体激光器将该DBR半导体激光器输出的波长转换成530nm的光束。这提供了低成本、小巧且有效的非线性绿光源。通常，对于涉及视频显示的技术而言，需要在基频约为50MHz且消光比约为40dB的情况下对用于产生绿光强度的光功率进行调制。消光比是高光功率水平和低光功率水平之比。为了实现这一点，高调制速度和更大的消光比的组合仍然是很难完成的任务。

为了获得基于DBR激光和二次谐波产生(SHG)且具有快速调制和大消光比的光源，一种方法是对DBR半导体激光器的输出波长进行快速调制。结果，DBR半导体激光光束迅速扫描过非线性SHG器件的窄光谱宽度从而产生必需的强度调制。例如，如果需要最大绿色功率，则DBR波长就调谐到非线性晶体的光谱中心，而如果10ns之后需要零绿色功率，则就把DBR波长调谐到非线性晶体的光谱宽度以外从而提供了暗图像。

图1A示意性地示出了常规DBR半导体激光器100和二次谐波产生(SHG)器件150。DBR半导体激光器100包括DBR部分110、相位部分120以及增益部分130。增益部分130在用连续波(CW)电流进行注入时产生了用于该激光器的连续光功率。注入到DBR部分110中的电流对该激光器输出的波长产生大的改变，而注入到相位部分120中的电流则对该激光器输出的光束波长产生小的改变。SHG器件150接收半导体激光器100产生的光束，转换后的波长(例如绿色)的输出强度取决于DBR激光器波长与SHG器件的光谱中心的对准情况。然后，SHG器件150输出的光束被引导至像显示屏这样的输出。

快速调谐DBR半导体激光器的输出波长的最简单方法是：将调制后的电流注入到DBR半导体激光器100的DBR部分和相位部分中，同时保持增益-部分电流连续且恒定。如图1B所示，在信号的每个比特周期内，视频信号可能需要其强度高达100％的绿光。比特周期宽度是系统频率的倒数，例如是光栅扫描的各像素在显示屏上的驻留时间。对于图1B所示的示例，100％强度是最明亮的可能信号，而0％是暗的。因此，如图1B所示，第一比特周期所需的视频强度是100％，对于第二比特周期该强度减小到0％，并且对于第三比特周期该强度增大到40％。

使用常规系统的情况下，注入到激光器的DBR部分110中的电流是基于各比特周期内所需强度进行调制的脉冲宽度。即，在一比特周期内电流为“导通”的持续时间正比于该比特周期内视频信号的强度(如图1B顶部的第一波形所示)。理想情况下，DBR半导体激光器的输出波长基于载流子导致的效应而发生移动，并且输出到SHG器件150(如图1B顶部的第二波形所示)。如图1B所示，SHG器件150基于接收到的光束输出了转换后的光束，该转换后的光束具有理想的用于显示的强度信号。然而，上述的简单方案忽略了将电流注入到激光器中所可能导致的不利的热效应。

通常，电流注入在DBR半导体激光器中产生了两个效应。首先，产生了载流子效应，这在该部分中提供了更多的载流子，从而增大了DBR部分或相位部分内的载流子密度并减小了折射率。结果，产生了波长更短的光束。电流注入还引起了热效应，这使半导体激光器的温度上升。高于零的电流使激光器的DBR部分和相位部分中的温度上升，由此增大了折射率，这往往会产生波长更长的光束。通过载流子效应和热效应的组合效应，产生了总的波长移动。对于实现大波长移动所需的大电流值而言，温度上升已足够严重到减小且有时候完全逆转载流子导致的波长移动。

图2示出了电流注入和所导致的温度上升可能对激光器运行产生的影响。具体来讲，图2示出了激光器作为在各电流脉冲宽度的末端处测得的DBR-部分电流脉冲宽度的函数而提供的波长移动。载流子效应所导致的波长移动约为-.6nm。这在该图的左下方示出，此处脉冲宽度约为150ns或更小。然而，当注入电流的脉冲宽度增大到超过150ns时，上述热效应开始而减小载流子效应的效果。事实上，如果电流脉冲变得足够长，则变得热效应完全抵消了载流子效应。

电流导致的热效应的另一个缺点是：它提供了缓慢的波长调制过程。与具有ns-载流子寿命的载流子效应相比，热效应(该效应使激光器的温度上升)具有μs-到ms-的特征时间。热效应的程度还取决于与激光器相关的电流振幅和散热条件。图2还示出了热效应的缓慢响应，因为对于小于150ns的脉冲宽度波长移动并不改变。缓慢的热效应导致不期望有的图形化效果，因为平均加热取决于脉冲宽度，因此取决于视频信号的图案。换句话说，在视频信号特定比特处的DBR半导体激光器波长取决于数据的先前比特的历史。

图1B还示出了激光器中温度上升所导致的不利效果。具体来讲，当注入电流被加到DBR半导体激光器100的DBR部分110上并且电流总是“导通”时，DBR温度像图1B中的DBR温度波形所示那样上升。结果，激光器提供给SHG器件150的实际DBR波长波形将失真，SHG器件150所产生的输出也将失真，并且在SHG器件150的输出处无法实现所需的原始视频信号强度。

发明内容

因此，需要这样一种器件，它能够使在将电流注入到DBR半导体激光器的DBR部分中时相关的热效应达到最小，同时还提供恰当的波长调制。

因此，根据本发明一典型实施方式，揭示了一种向半导体激光器提供相位调制电流的方法。半导体激光器的增益部分中接收到第一电流，而半导体激光器的DBR部分中接收到第二电流。第二电流是基于所需强度值进行相位调制的。输出光束是由半导体激光器基于接收到的第一电流和接收到的第二电流来产生的。

根据本发明另一个典型实施方式，揭示了一种将相位调制电流提供给半导体激光器从而控制该激光器所产生的光束的波长调制的系统。控制器获得所需的强度值，电流源将第一电流注入到半导体激光器的增益部分并将第二电流注入到半导体激光器的DBR部分。第二电流是基于所需强度值相对于第一电流进行相位调制的，并且该激光器产生输出光束，该输出光束具有基于第一电流和第二电流之间的相位差而调制过的波长。

附图说明

下文将参照附图描述本发明的上述和其它方面、特征和优点，其中在所有不同的附图中，相同的标号指代相同的部分：

图1A是常规3部分DBR半导体激光器和SHG器件的示意图；

图1B是示出了图1A的DBR半导体激光器的各种特征的表图；

图2示出了DBR半导体激光器遭遇电流注入热效应时作为DBR脉冲宽度的函数的波长移动；

图3示出了使用本发明的注入电流相位移动的典型视频显示系统；

图4A、4B和4C示出了与本发明的波长调制方案相关的特征；

图5示出了根据本发明增益部分电流和DBR部分电流之间的相位与DBR半导体激光器的光强的函数关系图；

图6示出了根据本发明的波长调制方法的流程图；

图7A、7B和7C示出了与本发明的波长调制方案有关的特征，其中非理想方波DBR部分载流子密度波形将DBR部分中的载流子寿命考虑到其中；以及

图8A、8B和8C示出了与本发明的波长调制方案有关的特征，其中因载流子寿命所导致的非理想方波具有小于50％的占空比增益部分电流。

具体实施方式

本发明的典型实施方式涉及一种能有效操作DBR半导体激光器并减小与半导体激光器相关的热效应的方法及其相关系统。尽管下文的具体实施方式描述了控制注入到DBR半导体激光器的各个部分中的各种电流的相位调制以便执行波长调制，但是本领域的技术人员应该理解，对于电流注入可能引起不利的热效应的任何半导体激光器应用而言这种系统和方法也是有利的。

另外，尽管本发明的DBR半导体激光器用在涉及视频信号处理和显示的应用中，但是该内容旨在涵盖一般涉及半导体激光器的本发明的任何适配体或变体。例如，本发明还可以用在像光学数据存储、图像再现、光通信和检测仪器等领域中。

在下文关于典型实施方式的详细描述中，参照了构成这些实施方式一部分的附图，并且在附图中通过解释说明示出了可以实践本发明的具体的典型实施方式。这些实施方式的描述已足够详细从而使本领域的技术人员能够实践本发明，并且应该理解可以使用其它实施方式并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下作出逻辑、机械和/或电学方面的改变。因此，下面的详细描述不具有限制意义。

根据本发明的典型实施方式，如图3所示，在视频显示系统中可以有效地使用到DBR半导体激光器的相位调制电流注入。视频系统300包括视频数据处理器310、控制器320、电流源330、DBR半导体激光器340、二次谐波产生(SHG)器件350以及显示器360。本领域的技术人员应该理解，尽管图3中只示出了一个DBR半导体激光器，但是可以使用大量的DBR半导体激光器(对应于不同的波长输出)并且以相似的方式进行控制从而提供用于显示的输出。

另外，尽管根据典型实施方式讨论了SHG器件350，但是还可以使用其它类型的波长选择器件来提供输出。例如，还可以使用无源滤光器。无源滤波器在提供具有一定强度的光束的同时并不转换来自激光器的输出波长。

视频数据处理器310接收视频信号并且处理用于显示的信号中所包含的信息。视频数据处理器310还可以包括其它已知的视频处理元件，比如视频转换器(未示出)，该视频转换器将普通类型的图片信号(比如视频、模拟RGB计算机图形等)转换成数字RGB数据。视频数据处理器310还可以通过已知方法确定与各比特周期内接收到的视频信号有关的视频强度信号。控制器320和电流源330可以使用该信号以便向DBR半导体激光器340输出的光束348提供波长调制。

控制器320例如可以是基于微处理器的控制器，它与存储器一起可以用于控制电流源330的相位调制。电流源330提供多个单独可控的电流I_DBR、I_P和I_G，具有提供输出电流的相位调制的具体能力。

DBR半导体激光器340是一种已知的半导体激光器，例如1060nm DBR半导体激光器。该DBR半导体激光器包括三个单独的部分：DBR部分342，相位部分344，以及增益部分346。通过将电流注入到DBR部分342中，便将DBR半导体激光器340所产生的输出光束348调谐到SHG器件350的光谱中心，SHG器件350用于将DBR半导体激光器340输出的波长转换成530nm，由此提供了一种可用于显示器360的低成本、小巧且有效的绿光光源355。二次谐波发生器350具有.1到.2nm的非常窄的带宽。因此，如果电流减小到零并且DBR半导体激光器输出波长返回到初始波长，则这种0.6nm的移动使光束移出SHG器件350的窄带宽，并由此减小或消除了来自SHG器件350的绿光输出光束355的强度。

或者，还可以将SHG器件设置成，如果电流减小到零并且激光输出返回到初始波长，则这种移动将使光束移至SHG器件350的带宽中从而增大来自SHG器件350的绿光输出光束355的强度或使该强度达到最大。

根据本发明，控制器320使用控制方案来有效地控制输入到激光器中的注入电流I_DBR、I_P和I_G，使得激光器所产生的光束具有不受热效应影响的波长移动。

图4A、4B和4C示出了根据本发明当电流被注入到半导体激光器340的增益部分346和DBR部分342中时电流和DBR载流子密度的理想特征。增益部分的“导通”部分对应于阈值电流之上的电流值，而增益部分的“截止”部分对应于略在阈值电流之下的电流值。该阈值电流处于产生激光的受激输出的那一点。因此，增益部分中的载流子密度几乎是恒定的。注意到，DBR部分的载流子密度波形具有理想的方波形状，其上升时间和下降时间都可以忽略，与DBR部分电流I_DBR相同。实际上，关于半导体激光器340的DBR部分342和相位部分346，载流子寿命是较慢的自发载流子寿命，并且有时候不能忽略，从而导致具有上升时间和下降时间的非理想方波DBR载流子密度波形。图7和8示出了这些非理想的波形，并且在下文予以讨论。然而，关于图4A、4B和4C，只示出了理想的DBR载流子密度波形和电流波形。

根据本发明，在基本视频频率下用50％占空比(即比特周期内电流处于“导通”状态的时间量)来调制增益部分电流和DBR部分电流。对于50％占空比的情况，时间平均热负载是恒定的，并且增益部分和DBR部分的温度在一个比特周期内是恒定的值，因此在许多比特周期内都是恒定的值。通过保持恒定的占空比，例如保持在50％，在时间上与激光器温度有关的任何不利的效应都消除了。

根据本发明，针对各比特周期，提供了所注入的DBR电流的相位移动。把DBR电流和增益电流之间的相位差(以度为单位)定义成φ＝δt/T*360，其中δt是DBR电流的上升沿和增益电流的上升沿之间的时间延迟，T是比特周期的持续时间。DBR电流和增益电流之间的相位差对应于接收到的视频信号的所需强度。图3的视频系统中所示的控制器330所使用的控制方案能够在每个比特周期内有效地控制增益部分电流和DBR部分电流之间的相位φ。控制器320在每个比特周期内执行相位控制，与先前的比特周期和随后的比特周期无关。

如图4A所示，由注入到DBR半导体激光器340的各部分中的相关电流I_G和I_DBR(具有完全一样的特征波形)引出了增益电流波形410和DBR载流子密度波形420。图4A所示的光谱图430示出了在一比特周期内由DBR半导体激光器产生的理想的光谱密度。根据本发明，该比特周期约为5ns到150ns以便避免一个比特周期内的温度变化。在每个比特周期都很小比如20ns的情况下，在比特周期内使用恒定占空比的脉冲电流确保平均加热是恒定的，从而使增益、DBR和相位这三部分都没有温度上升。

为了使DBR半导体激光器波长移动到λ₁(其中λ₁是SHG器件的光谱中心)，DBR部分电流和增益部分电流之间的相位差设为φ＝0(如图4A所示)。结果，在DBR部分电流和增益部分电流(以及DBR载流子密度)之间存在100％的重叠。光谱波形430示出了相应的光谱强度，并且在λ₁处光束强度达到最大。向SHG器件350施加调制光束。结果，从SHG器件350中输出的光束强度也达到最大强度。

如图4B所示，通过移动DBR注入电流(DBR载流子波形450中示出了90°移动)，在DBR部分电流和增益部分电流波形之间出现部分重叠，并且光功率分布在λ₁和λ₂之间。即，两个波形之间的相位差导致具有多个波长的频率谱。作为光功率在多个波长之间分布的结果(如光谱图460所示)，从SHG器件350中输出的光束的强度小于最大强度。换句话说，因为SHG器件350具有位于λ₁处的光谱中心，所以SHG器件350没有转换λ₂(驻留在SHG器件350的窄带宽之外)处的光功率，由此导致SHG器件输出的光束不太强烈。尽管没有示出，但是基于接收到的视频信号所需的视频信号强度便可以产生大量的其它波长。

如图4C所示，通过将DBR电流480和增益部分电流410之间的相位差设置为180°，在DBR部分电流和增益部分电流之间存在0％的重叠。光功率由此完全移至λ₂，像光谱图490所示那样。由此，当将所产生的光束348施加到SHG器件350时(其中λ₁是SHG器件的光谱中心)，从SHG器件350中输出的光束355的强度达到最小强度，因为λ₁处的DBR输出光束348的强度是可忽略的。

尽管参照图4A、4B和4C所示的典型实施方式仅示出了在λ₁是SHG器件的光谱中心时DBR半导体激光器操作过程，但是也有可能将非线性晶体的光谱中心对准到非移动的波长λ₂。如果λ₁是SHG器件的光谱中心，则相位φ的变化改变了λ₁处的DBR半导体激光器输出强度。在视频信号应用于φ的情况下，如视频信号所要求的那样，波长转换后的光功率是强度调制的。

图5揭示了一个更完整的图，该图示出了根据本发明的波长调制方案。该图具体示出了λ₁和λ₂处的强度与增益部分电流和DBR部分电流之间的相位的函数关系。本发明的控制器330可以采用该方案，从而控制到DBR半导体激光器的电流注入。例如，与所示的表图有关的数据可以被存储在与控制器有关的存储器中。当根据视频信号确定出所需强度时，控制器可以将所需相位差提供给用于电流注入和波长调制的电流源330。例如，如果λ₁是SHG器件的光谱中心，则从SHG到视频屏幕的输出光束强度(因此而是所需强度)是增益部分电流和DBR部分电流之间的相位的函数，这将与图5中λ₁的曲线具有相同的形状。

图4A、4B和4C所示的实施方式考虑到在一个比特周期内调节DBR部分电流脉冲的位置以便改变在增益部分电流脉冲和DBR部分电流脉冲之间的相位。然而，为了改变相对相位，有可能改变增益部分电流脉冲的位置或改变两个电流脉冲的位置。此外，上述示例仅考虑到用于大步幅波长调谐的增益部分电流和DBR部分电流。然而，通过将脉冲电流加到相位部分上并改变增益部分电流和相位部分电流之间的相位，也可以获得相似的结果。如上所述，用于相位部分的相位调制与DBR部分相同。因此，像相位部分所提供的那样，DBR半导体激光器可以以微小的步幅快速进行波长调制。

因此，根据本发明，在图6的流程图中提供了一种调制DBR半导体激光器波长输出的方法。在步骤610中，系统(图3所示的)接收并处理视频信号。在步骤620中，针对一个比特周期获取了与视频信号有关的所需光功率(视频强度)。在步骤630中，控制器320接收与接收到的视频信号有关的所需光功率，并且确定待加的合适的注入电流相位移动(例如，如图5所示的)。

在步骤640中，脉冲电流被注入到具有预定相位差的DBR半导体激光器的增益部分和DBR部分中。或者，如上所述，脉冲电流也可以被注入到具有预定相位差的DBR半导体激光器的相位部分和增益部分中。在步骤650中，DBR半导体激光器基于所需视频强度，产生了具有一定光功率的调制波长处的光束。在步骤660中，通过SHG器件350把光束转换成原色(例如绿色)，并且将所需的光功率提供给显示器360。

如果DBR部分载流子密度波形不是理想的方波并且具有大于零的下降时间或上升时间，如图7A、7B和7C所示，则λ₁处的光谱强度比理想的方波情形(参照图4A、4B和4C)扩展得更厉害。结果，减小了转换效率和消光比。为了提高消光比和光谱宽度，对于增益部分电流而言占空比可以进一步减小到小于50％，像图8A、8B和8C所示那样。注意到，关于图7A、7B和7C以及图8A、8B和8C，到DBR部分的注入电流I_DBR的特征分别与图4A、4B和4C中所示的到DBR部分的注入电流的特征相同。

本发明提供了若干个与常规系统相比突出的优点。通过使用本发明，在高频方波电流脉冲注入的情况下，增益部分、DBR部分和相位部分的结温度是恒定的。通过改变增益部分电流脉冲和DBR部分电流脉冲之间的相位或增益部分电流脉冲和相位部分电流脉冲之间的相位，在每个比特周期内，可以在没有热效应限制的情况下产生期望的载流子导致的波长移动。

尽管已结合视频信号处理中所用的3部分DBR半导体激光器对本发明进行了描述，但是DBR半导体激光器的其它变体也是可以使用的，比如采样光栅DBR(SG-DBR)激光器以及带后采样光栅反射的光栅辅助共轴耦合器(GCSR)激光器。

因此，很明显，根据本发明已提供了一种用于波长调制的方法和系统。尽管已结合大量的实施方式对本发明作了描述，但是对于可应用领域中的技术人员而言，很明显许多替换、修改和变体都是可能的。因此，本发明旨在涵盖所有这些落在本发明的精神和范围之内的替换、修改、等价方案和变体。

Claims

1.一种将相位调制电流提供给半导体激光器的方法，包括：

将第一电流接收到所述半导体激光器的增益部分中；

将第二电流接收到所述半导体激光器的DBR部分中，其中所述第二电流是基于所需波长强度分布而相对于第一电流进行相位调制的；以及

所述半导体激光器基于所接收到第一电流和所接收到的第二电流产生输出光束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电流保持恒定的占空比。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二电流保持恒定的占空比。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

在一器件处转换所述半导体激光器所产生的输出光束，以及具有因所述半导体激光器的波长调制而调制过的输出强度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述器件是确实改变所述半导体激光器输出光束波长的二次谐波产生器件。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述器件是不改变所述半导体激光器输出光束波长的无源滤光器。

7.一种将相位调制电流提供给半导体激光器从而控制所述激光器所产生的光束波长调制的系统，所述系统包括：

控制器，所述控制器获取所需的强度值并将它转换成相位差值；以及

电流源，所述电流源将第一电流注入到所述半导体激光器的增益部分并将第二电流注入到所述半导体激光器的DBR部分，其中所述第二电流是基于所述相位差值相对于所述第一电流而进行相位调制的，其中所述激光器产生输出光束，所述输出光束具有基于所述第一电流和所述第二电流之间的相位差而调制过的波长。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一电流保持恒定的占空比。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二电流保持恒定的占空比。

10.如权利要求7所述的系统，还包括：

转换器，所述转换器将所述半导体激光器所产生的且波长经所述半导体激光器调制的输出光束转换成其输出强度被调制过的光束。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述转换器是确实改变所述半导体激光器输出光束波长的二次谐波产生器件。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述转换器是不改变所述半导体激光器输出光束波长的无源滤光器。