多喇叭形激光振荡器波导的制作方法
【专利说明】多喇叭形激光振荡器波导
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]此申请要求享有2014年10月10日提交的且题为“Multiple Flared LaserOs c i 11 a tor Wa ve gu i de”的第6 2/06 2，146号美国临时申请的权益，该美国临时申请以引用的方式纳入本文。
[0003]此申请还涉及2013年4月9日提交的且题为“Flared Laser OscillatorWaveguide”的第61/810，261号美国临时专利申请、2013年8月27日提交的且题为“FlaredLaser Oscillator Waveguide”的第14/011,661号美国专利申请、以及2014年4月9日提交的且题为 “D1de Laser Packages with Flared Laser Oscillator Waveguides，，的第14/249，276号美国专利申请，所述美国临时专利申请和美国专利申请以引用的方式纳入本文。
[0004]背景
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技术领域
[0005]此公开内容总体涉及半导体二极管激光器。更具体而言，本公开内容涉及喇叭形(flared)激光振荡器波导。
2.
【背景技术】
[0006]多模激光二极管(也被称为宽域激光器(broadarea laser，BAL))具有如下属性:当以较高电流驱动它们以生成较高功率时，它们的慢轴光束参数乘积(BPP)和它们的慢轴亮度(功率+ BPP)逐渐降低。可以通过减小发射极宽度来提高BAL中的亮度;然而，最大亮度发生时的电流也以逐渐降低的电流值出现。因此，最大亮度时的最大输出功率也下降。为了功率缩放(power-scaling)应用和减小生产二极管激光器的每瓦特成本，非常期望每个发射极在较高输出功率下具有较高亮度。
[0007]半导体二极管激光器是通过在具有一定晶格常数的合适的衬底上生长多层半导体材料形成的，所述晶格常数允许对产生期望的发射波长的材料进行选择。典型的半导体激光器包括η型层、P型层以及η型层和P型层之间的无掺杂的有源层，使得当二极管正向偏置时，电子和空穴在有源区层内复合以产生光。该有源层(量子阱、量子线或量子点、II型量子讲)存在于波导层中，与周围的P掺杂包覆层和η掺杂包覆层(cladding layer)相比，该波导层具有较高的折射率。从该有源层生成的光被限制在波导的平面内。
[0008]常规边发射(edge-emitting)法布里-?罗(Fabry-Perot)宽域激光二极管被布置为矩形增益-导引(gain-guided)或折射率-导引(index-guided)半导体结构。波导的相对的端面(end facet)限定高反射器和部分反射器(partial ref lector)，以提供反馈用于光在谐振器内的振荡。多层半导体激光二极管结构延伸激光器的长度，且具有用于延伸至相对侧表面的电注入的宽的宽度，其也延伸了激光器的长度。多层半导体材料通常被布置成使得激光器沿激光器的生长方向以单模运行，且此方向被定义为快轴方向。由于半导体激光器沿快轴方向以单模运行，因此激光二极管在此方向上的亮度不能够被进一步提高一一这就是所谓的衍射受限。多层半导体激光器结构的顶表面和底表面之间的距离因此提供较小的端面尺度(即，带的厚度)，该尺度典型地在微米数量级上。另一方面，多层激光器结构的宽度提供较大的端面尺度，即，带的宽度典型地在数十微米到数百微米的数量级上。因为带的宽度远大于光的波长，所以沿波导的光轴传播的光场的横向属性是沿较长的带尺度高度多模的，且相应的轴被描述为慢轴。
[0009]已经描述了横穿(across)慢轴具有单模结构特性的二极管激光器脊形波导结构，该二极管激光器脊形波导结构可能适合于期望单模性能的较低功率。例如，在Osinki等人的6，014，396中公开了一种具有双喇叭形结构的喇叭形半导体光电器件。常规脊形波导结构的其他实施例可以在第7，623，555号和第6，798，815号美国专利中找到。这些器件在两个方向上都具有单模光束质量，但是这样的性能是以受限的输出功率为代价的。然而，缩放到较高功率同时维持较高的亮度的问题在二极管激光器领域(尤其是器件在横穿慢轴是高度多模的情况下)持续提出挑战，因此仍需要与其相关联的改善。
【发明内容】
[0010]所公开的技术的实施方案通过在宽域半导体二极管激光器技术中提供创新来满足前述需要，所述创新包括提供一种具有多个组件喇机形振荡器波导(component flaredoscillator wavegui de)的多喇机形振荡器波导(mul t ip I e flared oscillatorwaveguide)，每个组件喇叭形振荡器波导包括一个多模高反射器面、一个与该高反射器面间隔开的部分反射器面、以及一个在该多模高反射器面和该部分反射器面之间延伸和变宽的喇叭形电流注入区，其中部分反射器面宽度与高反射器面宽度的比率是η:1，其中η>1，其中该多喇叭形振荡器波导的组件喇叭形振荡器波导被布置成行，使得邻近定位的组件喇叭形振荡器波导的喇叭形电流注入区的部分彼此重叠，或使得邻近定位的组件喇叭形振荡器波导的喇叭形电流注入区的部分彼此靠近且彼此之间的距离的数量级为由组件喇叭形振荡器波导发射的光的波长。相比于具有矩形几何结构的常规BAL激光器，喇叭形振荡器波导展现了改善的性能，且通过提供重叠或紧密靠近的多个喇叭形振荡器波导，可以获得附加的性能益处。对于喇叭形振荡器波导，通过使电栗浦带的宽度朝向高反射器面变窄，具有较高散度角的较高阶模(higher order mode)被防止親合回到该激光器内。因此，与具有相同宽度的部分反射器的矩形几何结构的器件相比，该激光器的慢轴散度更小。
[0011]此外，在喇叭形电流注入区内传播的光可以形成一个热波导，该热波导更接近较窄的高反射器侧的宽度，这引起在该部分反射面处输出的光束具有比部分反射器面宽度显著更窄的光束宽度的。因此，与常规BAL器件相比，对于喇叭形激光振荡器波导(FLOW)器件，光束参数乘积BPP(慢轴近场宽度乘以慢轴散度)更小。由于近场比部分反射器侧处的物理宽度更小，因此在不牺牲BPP的前提下可以将FLOW器件设计成具有与常规BAL相比更大的总面积。由喇叭形电流注入区的喇叭形提供的加大的总栗浦面积用来减小器件中的热阻和串联电阻，这导致较高的电光功率转换效率。相比于常规BAL器件，这在给定的运行电流下导致较高的输出功率。较高的功率和较低的BPP导致慢轴中增大的光束亮度。
[0012]除了应用到宽域二极管激光器以外，该FLOW概念还可以例如被应用到其他类型的基于半导体的法布里-珀罗激光器，诸如，量子级联激光器(QCL)、间带量子级联激光器(IQL)。具有喇叭形激光振荡器波导的宽域二极管激光器还可以特别用在激光二极管模块中，所述激光二极管模块可以被配置用于多种应用，诸如，光纤耦合或直接栗浦。
[0013]从下面参考附图进行的详细描述，前述以及其他目的、特征和优点将会变得更明显，附图未必按比例绘制且出于例示性目的，附图可以包括放大的特征或尺度。
【附图说明】
[0014]图1是根据所公开的技术的一个方面的喇叭形激光振荡器波导器件的立体图。
[0015]图2是根据所公开的技术的一个方面的喇叭形激光振荡器波导器件的光学谐振器的立体图。
[0016]图3是关于常规宽域二极管激光器件和根据所公开的技术的多个方面的喇叭形激光振荡器波导二极管激光器件的慢轴(SA)光束参数乘积(BPP)的图表。
[0017]图4是关于常规宽域二极管激光器件和根据所公开的技术的多个方面的喇叭形激光振荡器波导二极管激光器件的慢轴(SA)亮度的图表。
[0018]图5是示出与宽域激光器相比，关于从根据所公开的技术的多个方面的喇叭形激光振荡器波导二极管激光器件发射的光束的近场光束宽度收缩(shrink)作为运行功率的函数。
[0019]图6是示出关于从常规宽域二极管激光器件和根据所公开的技术的多个方面的喇口八形激光振荡器波导二极管激光器件发射的光束的远场光束散度作为运行功率的函数。
[0020]图7是示出关于所公开的技术的喇叭形激光振荡器波导器件和常规宽域激光二极管的光学功率(功率)以及电光功率转换效率(效率)与电流的关系曲线的图表。
[0021]图8A-图SC示出了关于根据所公开的技术的多个方面的三个替代电流注入区的横截面俯视图。
[0022]图9A-图9C示出了关于根据所公开的技术的多个方面的三个替代电流注入区的横截面俯视图。
[0023]图10是示出了根据所公开的技术的一个方面的、对于不同的面宽度比率的电流和亮度的三维图表。
[0024]图1lA-图1lC示出关于根据所公开的技术的多个方面的三个替代电流注入区和附加的较高阶模鉴别(mode discriminating)的横截面俯视图。
[0025]图12A-图12B示出了根据所公开的技术的多个方面的两个替代电流注入区和波长稳定光栅的横截面俯视图。图12A示出了分布式反馈(DFB)配置并且图