[发明专利]用分布布拉格反射(DBR)激光器进行波长调制的方法和器件

说明书

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。