CN103875140B - 具有相位匹配光学元件的高功率半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种半导体激光器，包括耦合到喇叭形功率放大器的单模半导体激光器，设备包括内部或外部光学元件，其通过相位匹配来增强设备的喇叭形部的弯曲波前。通过借助相位匹配增强弯曲波前，即使在高输出功率下，设备也不易受到热和增益-折射率耦合扰动，从而导致较高的束质量。示例性的相位匹配光学元件包括集成到喇叭形放大器部的光栅；腔内外置二元光学元件；和腔内外置圆柱形弯曲光学元件。

Description

具有相位匹配光学元件的高功率半导体激光器
技术领域
本发明总体上涉及半导体激光器，更具体地，涉及喇叭形半导体激光器设计，其同时以侧向上的有限束损失实现高输出功率。
背景技术
半导体激光器可以利用任意各种不同设计方案，所选的设计方案通常由预期应用的要求来决定。遗憾地，常常难以找到满足所有特定应用的要求的设备设计，因为诸如输出功率的一个设备特性常常会影响另一个设备特性，例如束质量。例如，脊形波导（RW）激光器提供接近衍射限制的束质量，但仅能够实现大约1瓦的输出功率。相反地，大面积激光器能够达到高输出功率，在20瓦数量级上，但会遭受较差束质量的问题。
近来研究的作为实现高输出功率和可接受的束质量的手段的一个方案是使用具有功率放大器的主振荡器（MOPA）。在此类系统中，来自单模激光器的输出注入到功率放大器中。这两个组件可以是分离的，或者组合到单个设备，后一方案消除了与前一方案相关联的许多对准困难。
图1和2示出集成在单一衬底的传统喇叭形半导体激光器，这个结构利用两个分离的电触点。图1提供了透视图，而图2提供了相同设备100的顶视图。半导体激光器100由两个组件组成；单模脊形波导（RW）激光器101，其在一端耦合到高功率喇叭形部103。RW101可以是增益导引结构，或者是折射率导引结构。RW101的未耦合的刻面105通常涂覆有高反射率（HR）涂层。可替换地，RW101可以利用分布式布拉格反射器（DBR）或分布式反馈（DFB）区，在此情况下，表面105涂覆有抗反射（AR）涂层。区103的外喇叭形边缘107通常涂覆有AR涂层。
迄今为止，具有100μm孔径的高功率大面积激光器局限在大约10-15瓦的功率，束质量因数M2在横向上为1，在侧向上为15（大约17mm-mrad的束参数积（BPP））。最近，利用图1和2中所示的设计的锥形激光器显示出比非锥形大面积激光器更高的束质量，在连续（CW）操作中实现了在高达约5瓦输出功率情况下的1.2的束传播率M2。然而，在较高输出功率时，侧向的束质量开始降低。这个降低是由于光学反馈及随后的增益-折射率耦合所引起的相前失真。另外，在高输出功率时，此类激光器中的束质量降低由热梯度引起的折射率变化所导致。
因此，需要一种用于在利用锥形设计的半导体激光器中在高输出功率的情况下减小束质量降低的方法。本发明的设备结构实现了这些目标。
发明内容
提供了一种半导体激光器，包括耦合到喇叭形功率放大器的单模（SM）半导体激光器部，设备包括光学元件，被配置为通过相位匹配来增强喇叭形部的输出束的弯曲波前。在一个结构中，光学元件包括集成到设备的喇叭形部中的弯曲光栅，在此，对应于弯曲光栅的曲率与喇叭形部的输出束的弯曲波前的相位和曲率匹配。在可替换的结构中，光学元件包括腔内光学元件，其在SM半导体激光器和喇叭形部的外部，并包括二元光学元件，二元光学元件与喇叭形部的输出束的弯曲波前相位匹配。在再另一个可替换的结构中，光学元件包括腔内光学元件，其在SM半导体激光器和喇叭形部的外部，并包括圆柱形弯曲光学元件，圆柱形弯曲光学元件的曲率与喇叭形部的输出束的弯曲波前的相位和曲率匹配。在使用外部光学元件来增强喇叭形部的输出束的波前的这些结构中，优选地将快轴准直透镜插入喇叭形部的输出表面与外部光学元件之间。在使用外部光学元件来增强喇叭形部的输出束的波前的这些结构中，可以用部分反射宽带涂层来涂覆光学元件的输出面。
在本发明的一个方面中，可以用高反射率涂层（例如至少90%）涂覆SM半导体激光器部的后刻面。在另一个方案中，可以用抗反射（AR）涂层涂覆喇叭形部的前刻面，和/或将其相对于法向倾斜角度θ，角度θ大于或等于临界角θcritical，其对应于抑制来自前刻面的反射进入喇叭形部中所需的角度。在另一个方案中，设备的输出耦合器可以包括以部分反射宽带涂层涂覆的光学元件；可替换地，可以包括波长选择表面光栅；可替换地，可以包括波长选择体布拉格光栅。SM半导体激光器部可以被配置为分布式反馈（DFB）激光器或者分布式布拉格反射器（DBR）激光器。在另一个方案中，SM半导体激光器部可以具有在3μm到7.5μm之间的宽度，喇叭形部可以具有在2毫米到10毫米之间的长度。喇叭形部的有源区可以包括量子阱增益介质或量子点增益介质。Ti-肖特基接触层可以位于喇叭形区的电流注入区外部，以衰减传播束，并急剧减小来自侧面的反射，以避免束质量降低。
参考说明书的其余部分和附图可以获得对本发明的特性和优点的进一步的理解。
附图说明
图1提供了根据现有技术的具有两个分离电触点的喇叭形半导体激光器的示意图；
图2提供了图1的喇叭形半导体激光器的顶视图，这个视图显示了脊形波导和高功率喇叭形部；
图3示出了根据本发明实施例的喇叭形半导体激光器，例如图1和2所示的激光器，包括一体集成到设备中的相位匹配弯曲光栅；
图4示出了类似于图3所示的喇叭形半导体激光器，其中，相位匹配弯曲光栅仅占用一部分喇叭形功率放大器部；
图5提供了诸如图3和4中所示的喇叭形半导体激光器的纵向截面图，其中，使前刻面倾斜以抑制反射回到平面波导中；
图6提供了诸如图1和2所示的激光器的喇叭形半导体激光器的顶视图，包括插入到激光器的输出刻面与输出耦合器之间的相位匹配二元光学元件；
图7提供了诸如图1和2所示的激光器的喇叭形半导体激光器的顶视图，包括插入到激光器的输出刻面与输出耦合器之间的相位匹配二元光学元件；
图8示意性地示出了可与本发明一起使用的分流器，使得单一电流源能够驱动脊形波导和高功率喇叭形部；
图9提供了可与本发明一起使用的喇叭形高功率半导体激光器的示例性垂直外延层结构；
图10示出了类似于图3所示的本发明的实施例，具有扩展的吸收器区；以及
图11示出了类似于图10所示的本发明的实施例，其中吸收器区被进一步扩展。
具体实施方式
根据本发明，通过在不稳定谐振器中提供专门设计的弯曲波前而改进锥形，即喇叭形，半导体激光器的束质量。发明人发现利用在设备的喇叭形部中的弯曲波前，即使在高输出功率时，例如大于5瓦，设备也变得不易受到热和增益-折射率耦合的扰动的影响。因此，本发明在系统中引入了相位匹配特征，以使得波前曲率决定由时间空间混乱引入到谐振器中的线状物，从而避免束质量降低。
图3示出了基于图1和2所示的MOPA结构的本发明的优选实施例，其中，单模RW激光器301驱动增益或折射率导引喇叭形功率放大器部303。在这个实施例中，集成到设备300的喇叭形部303中的是弯曲光栅305。将这个弯曲光栅定义为折射率的调制，其是周期性的，具有∧(x,y)=mλ/2neff的周期，其中，m是光栅的阶数，λ是布拉格波长，neff是光模的有效折射率。∧(x,y)定义了图2中定义的x和y平面中的光栅间距函数。这个间距最通用的函数由到光栅的曲率半径定义。这个函数的原点位于划分RW和喇叭形放大器的垂直线与图2中的纵向（y方向）上使设备对称分叉的线相交的点。光栅305的曲率被配置为通过选择在双多项式函数R(x,y)中所需数量的项来匹配通过功率放大器303传播的束的相位和曲率。发明人发现弯曲光栅303不仅有助于按照光栅的曲率所确定的保持均匀的波前，而且有助于排除任何线状物并避免自聚焦。
应理解，弯曲光栅305没必要占用喇叭形功率放大器部303的整个长度。在图4中示出了这个结构，其中，弯曲光栅401位于喇叭形功率放大器部303的输入端。弯曲光栅401的实际长度取决于单模RW激光器301的具体波导设计，以及喇叭形功率放大器部303的长度和侧向波导设计。通常选择光栅的长度L以使得光栅耦合常数k与光栅长度的乘积，即k×L的值在0.01到2.0的范围内。
为了抑制来自表面307的刻面反馈，优选地，利用AR涂层涂覆前刻面307。可替换地，或者优选地结合AR涂层，喇叭形部的前刻面可以在外延生长方向上倾斜。在这个实施例中，激光器结构在衬底上生长，其取向为与主生长轴成角度，以使得切开的刻面相对于波传播方向倾斜。通过倾斜前刻面，使任何残留的反射R偏离刻面并偏离波导，如图5所示的。在设备500中，将前刻面501倾斜角度θ，其大于θcritical，其中，θcritical是抑制反馈（即反射R）回到平面光学波导503中所需的临界角。如前提及的，优选地，以AR涂覆刻面501，以进一步抑制反射回到波导中。
在另一个实施例中，将腔内外部相位匹配光学元件用于保持平滑的波前，并实现改进的束质量。图6示出了基于图1和2所示的设备的实施例，其包括相位匹配二元光学元件601。如本领域技术人员已知的，在二元光学元件中通常使用集成电路制造技术，将表面起伏结构蚀刻到光学元件的衬底中。在本应用中，二元光学元件601被配置为提供与设备输出的波前的相位匹配，从而提供增强喇叭形功率放大器部的弯曲波前所必需的期望反馈。
图7示出图6所示系统的变型，这个实施例以圆柱形弯曲光学元件701代替二元光学元件601。元件701的曲率与锥形功率放大器部的波前相匹配，从而反馈在喇叭形部中产生的波前，并使得设备不易受到热和增益折射率耦合的扰动的影响。
优选并如所示的，在设备600和700中，将快轴准直透镜603插入输出表面605与相位匹配光学元件之间。优选地AR涂覆表面605，以减小刻面反馈。可替换地，如上所述，表面605可以相对于波传播方向倾斜，或者倾斜并AR涂覆。
输出耦合器607可以采取部分反射宽带涂层的形式，其涂覆到相位匹配光学元件，例如元件601和701，或者涂覆到分离光学元件。输出耦合器607还可以包括波长选择部分反射元件，例如表面光栅或体布拉格光栅（VBG）。如果将波长选择元件用作输出耦合器，优选地，将中心波长选择为相对于工作条件下的增益谱的峰谐振或蓝移，从而在放大器部中实现高微分增益和低α参数。这可以通过蓝移RW部来实现，其借助无杂质空位扩散或杂质诱导空位扩散，或通过使用调谐的分布式反馈（DFB）或分布式布拉格反射器（DBR）。
在上述实施例中，以高反射率涂层涂覆RW振荡器的后刻面309，通常具有至少90%的反射率。可替换地，可以用AR涂层涂覆这些结构的后刻面309，DBR可以用作空腔的后镜。
根据本发明，可以以各种方式来配置耦合到设备的喇叭形部的单模半导体激光器。例如，单模激光器可以是RW振荡器，被配置为分布式反馈（DFB）激光器或者分布式布拉格（DBR）激光器。RW部的设计很大程度上确定了整个设备的特性。因而优选地，RW振荡器仅支持基本导模，同时抑制在锥形部中产生的高阶模。优选地，借助干法蚀刻来制造RW，以便使散射损耗最小。蚀刻表面以绝缘体覆盖，其具有朝向p++层的触点，以便将电流注入到RW中。取决于垂直结构，RWG的宽度将在3μm到7.5μm之间改变。选择RW部的长度以有效地抑制高阶模。用于单模激光器的其他结构包括但不限于，掩埋RW激光器、反谐振反射光学波导（ARROW）激光器和简化ARROW（S-ARROW）激光器。
在本发明的典型结构中，喇叭形功率放大器的长度在2到10毫米的数量级。通常，选择这个区域的长度以实现所需的输出功率。较长的设备由于较低的刻面功率密度以及较低的热阻而具有较宽的输出孔径的优点。
如前所述，根据本发明，分离的电触点用于设备的RW和喇叭形部，从而实现两个部分的分离控制。在优选实施例中，注入到RW部801中的电流在0.1A到3A的范围中，同时将在3A到50A范围中的较高电流用于喇叭形部803中。为了避免使用两个分离的电流供应，可以使用诸如图8所示的单一电流源805和分流器电路807。注意，在所示分流器电路807中，RFlared和RRW分别对应于喇叭形部和脊形波导部的串联电阻，Rs809对应于用于在喇叭形部和RWG部之间划分电流的电阻器。这个分流器可以通过沉积额外的导电材料例如TiN，来实现，以在RW部中获得所需的电阻。
应理解，如上所述，与本发明一起使用的喇叭形半导体激光器可以以多种方式来配置，并可以基于各种不同材料系统，利用多种组成和层厚度，这取决于预期的发射波长。但总体上，所有实施例都利用喇叭形半导体激光器，其中，有源区由量子阱或量子点增益介质组成，具有单个或多个量子阱或量子点层。极低的光学限制因子是优选的，以便实现非常低的模态增益外延结构。
图9提供了示例性结构，优选地使用金属-有机气相外延生长技术来制造。有源层901中的增益介质嵌入在波导层903与905之间，每一个波导层相对较厚。由于这个设计，前刻面处的功率密度被减小，从而使得能够实现较高的光学输出功率。另外，减小的垂直远场角实现了以对束成形适度的数值孔径来应用光学元件。分别以p-和n-覆层907和909以及高掺杂的p++GaAs接触层911来完成这个结构。优选地，在电流注入区，即区域311的任一侧的喇叭形部中形成Ti-肖特基接触层的图案，以便吸收杂散反射光，并进一步抑制线状物的干扰、放大和产生。应理解，这个吸收器区311可以比图3、4、6和7中所示的进一步扩展。例如，图10和11示出了基于图3所示的结构的实施例，其中扩展了吸收器区，即图10中的区域1001和图11中的区域1101。应理解，扩展的吸收器区也可以与图3、6和7所示的实施例一起使用。
应理解，附图仅旨在示出而非限制本发明的范围，并且不应认为是按比例绘制的。
总体上依据帮助理解本发明的细节的方式说明了系统和方法。在一些实例中，没有详细地特别显示或说明公知的结构、材料和/或操作，以免使得本发明的方案模糊不清。在其他实例中，给出了具体细节以便提供对本发明的透彻理解。相关领域技术人员会认识到，在不脱离其精神或基本特性的情况下，本发明可以以其他特定形式来体现，例如适于特定系统或装置或情形或材料或组件。因此，本文的公开内容和说明旨在说明而非限制本发明范围。

Claims (15)

1.一种半导体激光器，包括：
单模半导体激光器部；
喇叭形功率放大器部，其中，来自所述单模半导体激光器部的单模输出注入到所述喇叭形功率放大器部中，并且其中，来自所述喇叭形功率放大器部的输出束包括弯曲波前；以及
弯曲光栅，被集成到所述喇叭形功率放大器部各处并且被配置为增强所述喇叭形功率放大器部的所述输出束的所述弯曲波前，其中，所述弯曲光栅占用所述喇叭形功率放大器部的整个长度，其中，对应于所述弯曲光栅的曲率与对应于所述喇叭形功率放大器部的所述输出束的所述弯曲波前的相位和曲率匹配。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，所述单模半导体激光器部进一步包括后刻面，所述后刻面涂覆有反射率为至少90％的高反射率涂层。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，所述喇叭形功率放大器部进一步包括涂覆有抗反射涂层的前刻面。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，所述喇叭形功率放大器部进一步包括前刻面，所述前刻面相对于所述半导体激光器的纵轴的法向倾斜角度θ，其中，所述角度θ大于或等于临界角θcritical，其中，临界角θcritical对应于抑制来自所述前刻面的反射进入到所述喇叭形功率放大器部中所需的角度。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器，其中，所述前刻面涂覆有抗反射涂层。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器，进一步包括涂覆有部分反射宽带涂层的输出耦合器。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器，进一步包括输出耦合器，所述输出耦合器包括波长选择表面光栅。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器，进一步包括输出耦合器，所述输出耦合器包括波长选择体布拉格光栅。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中，所述单模半导体激光器部被配置为分布式反馈激光器。
10.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中，所述单模半导体激光器部被配置为分布式布拉格反射器激光器。
11.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中，对应于所述单模半导体激光器部的宽度在3μm与7.5μm之间，并且其中，对应于所述喇叭形功率放大器部的长度在2毫米与10毫米之间。
12.根据权利要求1所述的半导体激光器，所述喇叭形功率放大器部包括有源区，所述有源区包括量子阱增益介质。
13.根据权利要求1所述的半导体激光器，所述喇叭形功率放大器部包括有源区，所述有源区包括量子点增益介质。
14.根据权利要求1所述的半导体激光器，所述喇叭形功率放大器部包括电流注入区、位于所述电流注入区的第一侧的包括第一钛层的第一肖特基接触部、以及位于所述电流注入区的第二侧的包括第二钛层的第二肖特基接触部。
15.根据权利要求14所述的半导体激光器，所述第一肖特基接触部还位于所述单模半导体激光器部的第一侧，并且所述第二肖特基接触部还位于所述单模半导体激光器部的第二侧。
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