CN104185932B - 用于多波长dbr激光器的发热元件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种多波长分布式布拉格反射(DBR)半导体激光器，其中DBR发热元件被放置在该DBR部分中的波导上方并且定义一交错温度分布，该分布生成多个不同的反射峰，这些反射峰对应于与该温度分布有关的依赖于不同温度的布拉格波长。被放置在该DBR部分中的波导上方的DBR发热元件的相邻发热元件对是沿光传播轴方向间隔的，所间隔的距离等于或大于激光器芯片厚度b，以最小化该交错温度分布的不同温度区域之间的热串扰的影响。

Description

用于多波长DBR激光器的发热元件
本申请根据美国35U.S.C.§120要求2011年11月9日提交的美国申请序列号13/292,385的优先权的权益，本申请依赖该申请的内容且该申请的内容通过引用全部结合至此。
技术领域
本发明涉及多波长分布式布拉格反射(DBR)激光器的技术领域。
背景技术
本公开涉及以多波长发射为特征的半导体激光器，并且，更特别地，涉及多波长分布式布拉格反射(DBR)激光器。本公开的概念将在各种使用多波长激光器的领域享有广泛的适用性。
发明内容
本公开针对可以操作以在时间上同时产生数个波长的多波长DBR激光器。由于它们的许多重要应用，多波长激光器已经吸引了相当多的关注，(这些应用)包括，但不限于，它们被用于大功率、散斑减少的合成绿色激光器。大功率多波长半导体DBR激光器还可能由于在各种领域的其它现有的以及尚有待开发的应用而具有吸引力，诸如光学通信、光学测量、数据处理、以及遥感。大功率多波长半导体DBR激光器还能用于微波信号的光子产生，可用于光纤无线电通信网络、宽带无线接入、雷达、以及传感器网络的领域。
多波长激光器的另一个重要应用是太赫兹(THz)波的产生，对于光谱学、成像、通信、信号处理、以及量子信息领域是令人感兴趣的。由于它们往往是紧凑、相对低成本、以及高度可靠，双波长二极管激光器是THz波的产生的好的候选。双波长激光器的一些其它应用包括用于超高速光学通信以及信号处理的孤子脉冲序列产生、用于距离测量的外差干涉、以及光学传感。
根据本公开的一个实施例，提供了一种多波长分布式布拉格反射(DBR)半导体激光器。DBR发热元件被放置在DBR部分中的波导上方，并且沿光传播轴以内光栅间距d而连续地间隔开，以在该DBR部分中定义一个或多个热有源光栅部分，并在该DBR部分中定义一个或多个热无源光栅部分。该热有源光栅部分定义了随温度变化的布拉格波长，其为该热有源光栅部分的光栅周期的函数。该热无源光栅部分定义了随温度变化的布拉格波长，其为该热无源光栅部分的光栅周期的函数。内光栅间距d与激光器芯片厚度b是大约同样的数量级。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种多波长分布式布拉格反射(DBR)半导体激光器，其中DBR发热元件被放置在DBR部分中的波导上方，并且定义一交错温度分布，该分布产生多个不同的反射峰，这些峰对应于与该温度分布有关的依赖于不同温度的布拉格波长。被放置在该DBR部分中的波导上方的DBR发热元件的相邻发热元件对是沿光传播轴方向间隔开的，间隔开的距离等于或大于激光器芯片厚度b，以最小化该交错温度分布的不同温度区域之间的热串扰的影响。
附图说明
连同以下附图一起阅读，可以对以下对于本公开具体实施例的详细描述得到最佳的理解，其中相同装置由相同参考数字表示，其中：
图1是根据本公开的一种多波长分布式布拉格反射(DBR)激光器的示意图；并且
图2-5示出了可选的发热元件配置，供根据本公开的DBR激光器中使用。
具体实施方式
在图1中示意性示出了根据本公开的一种多波长DBR激光器10的通用结构，并且不是必然按比例绘制的。在图1中，该DBR激光器10包括定义光传播轴的波导20、波长选择性DBR部分30、多个DBR发热元件35、增益部分40、可选的无源相位部分50、以及激光器衬底60。该波导20通常在该激光器10的前、后面12、14之间延伸。典型地，如果该DBR激光器在脉冲模式下操作，则不使用无源相位部分50。
如同那些熟悉DBR激光器的技术人员将领会到的，DBR激光器的DBR部分包括布拉格光栅，即以周期性结构基于布拉格反射的光反射设备。该DBR部分的周期性结构定义一随温度变化的布拉格波长λB。本公开涉及该DBR发热元件以及DBR部分30的细节。包括单组分或多组分芯以及相关波导层的波导20、增益及相位部分40、50以及前、后面12、14的防反射涂层的各自的结构可以从本领域现成的教义中获得。例如，注意到，应当为上述前面12提供反射率大于大约1％的涂层。该激光器10的波导20可包括单极量子级联芯的堆叠或单个量子级联芯。可选地，波导芯可包括使用带间跃迁以产生光子的双极配置，这与单极芯的内部子带跃迁相反。
该DBR部分30包括波长选择性光栅部分，定义了对应与温度有关的布拉格波长λB的给定的光栅周期Λ。如图1及图2所示意性示出的，该DBR发热元件35局限于该DBR部分30，并且包括交叉指型发热元件控制节点，被配置为用于在这些DBR加热元件35中的各个元件中的双向加热电流流动。该DBR发热元件35被放置在该DBR部分30中的波导20的上方，并且沿光传播轴以内光栅间距d连续地间隔开。用这种方式间隔，该DBR发热元件35在该DBR部分30中定义了热有源及热无源光栅部分。在图2中这些光栅部分用参考字符T1和T2描绘。注意到在此使用了术语“上方”论述示例，此时发热元件35形成于该DBR部分中，直接在该DBR部分上，在覆在该DBR部分上的中间层上，或在覆在该DBR部分上的中间层中。
该热有源光栅部分T1定义了一随温度变化的布拉格波长，其是温度以及相关DBR光栅周期的函数。类似地，该热无源光栅部分T2定义了另一随温度变化的布拉格波长，其是温度以及相关DBR光栅周期的函数。在操作中，流过该发热元件35(例如一重掺杂p型半导体接触层)的电流将对相关DBR光栅部分加热并且将提高下面的有源光栅部分T1的温度。这些温度提高能够用于控制该布拉格光栅的光谱移动至较长的波长。还预期到，如果提供追加的激光器冷却源，通过控制加到激光器的热量，该加热元件能够用于调节温度。相应地，该发热元件可被描述为一种还用于控制该布拉格光栅的光谱移动至较短的波长的手段。如果该发热元件35适当地间隔并分开，在该DBR部分30中的热有源及热无源光栅部分T1、T2中可产生热诱导布拉格波长移动的显著差异。该周期性加热建立了具有不同折射率的DBR光栅部分，其结果是DBR部分可以生成两个实质上相同幅度的反射峰。结果，可以实现双波长发射。
预期到，可以通过控制在该DBR部分30中的热密度来调节该激光二极管10产生的发射谱线之间的间隔。可通过改变对各个发热元件35提供电流的电压控制节点之间的距离，来调整每个发热元件35的电阻。也可通过改变该加热电流来调谐各自的发射谱线。所有上述调谐技术在合成绿色激光源的上下文中可能特别有用，此时可以使一IR DBR激光器的发射谱线与一非线性晶体或其它波长变换设备的转换效率峰相匹配。最后，注意到图2示出了该发热元件的极性，并且其余的附图仅为了示意性目的提出，并且可以翻转或调整以满足在此公开的技术的各种应用的需要。
图1和图2示出了包括波导20以及激光器衬底60的波长选择性DBR部分30的不同层用于定义了激光器芯片厚度b。在一些实施例中，内光栅间距d与激光器芯片厚度b是大约相同数量级。作为结果的结构可描述成定义了一交错温度分布，该分布产生多个不同的反射峰，这些峰对应与该温度分布有关的依赖于不同温度布拉格波长。发热元件35的相邻对是间隔开的，所间隔的距离等于或大于激光器芯片厚度b，以最小化该交错温度分布的不同温度区域之间的热串扰的影响。
在特定实施例中，该内光栅间距d至少与该激光器芯片厚度b一样大。图1和图2进一步示出该DBR发热元件35沿光传播轴以内光栅间隙g分隔，g可小于该激光器芯片厚度b以及内光栅间距d，例如，约为该激光器芯片厚度b的三分之二。在更多特定实施例中，该内光栅间隙g大约是该内光栅间距d的大约70％至大约75％。
以实例说明，而非限制，预期到，当该波长选择性DBR部分30定义在大约0.5mm至大约0.52mm之间的DBR长度，该内光栅间距d将在大约148μm及大约150μm之间，而该内光栅间隙g将在大约104μm至大约110μm之间。
在一个实施例中，DBR交叉指型发热元件被整合在一半导体DBR激光器的DBR部分波导上方。该发热元件是分隔开的，所隔开的距离可以与该激光器芯片厚度相比或是更大。利用具有类似于图2所示出的四部分交叉指型发热配置的DBR激光器，已经实现了25℃在CW操作下的稳定的双波长发射。两个单波长峰在1059.5nm以及1060.89nm处，分隔开了1.39nm，具有大于44dB的边模抑制比。它们的强度之间差异小于1.2dB。该双波长发射在CW增益电流升到350mA时被观察到，具有的最高光学功率为200.3mW。在增益开关操作下，使用一叠加在一DC偏置电流上的426-MHz正弦信号，在50-250mA的宽DC偏置电流以及10-45℃的温度范围内，分别已经观察到了稳定的双波长发射。在250mA的DC偏置电流下，达到125.3mW的双波长平均输出功率。在从50到250mA的DC偏置电流范围内，两个光谱峰之间的强度差异小于0.75dB，并且在整个操作范围内保持大约1.35nm的对应波长分离。
对于DBR激光器的相同的0.5-mm长DBR部分上的交叉指型发热器的不同配置，已经执行了比较实验，并在表1中总结了实验结果：
表1.图2示出的发热元件配置比较示例。
*在500mA的增益电流下。
**在1-nm波长调谐下。
***在25℃以及100mA的增益电流下。
可以使用在重掺杂半导体接触层中有电流流动的交叉指型发热元件、或者以波导顶部之上的金属薄膜层为形式的交叉指型发热元件。如上面所提到的，图2示出了交叉指型发热元件控制节点，被配置为在这些DBR发热元件中的各个元件中有双向加热电流流动。在图2的实施例以及其他类似实施例中，预期到，与每个发热元件关联的发热元件控制节点可以配置成为多个独立发热元件电路，或者可在共同的发热元件电路中被并联地连接。参考图3，还预期到，这些DBR发热元件35可以配置为在这些DBR发热元件35中的各个元件中有单向加热电流流动。此外，参考图4，预期到，这些DBR发热元件35可被配置成为在单个发热元件电路中被串联连接的多个独立发热元件，或者可被配置成为多个独立发热元件电路。
最后，参考图5，预期到这些DBR发热元件35可配置成为多个独立发热元件组，被调整以生成两个热有源部分T1、T2和一个热无源光栅部分T3并且生成两个以上的波长。更具体地，在图5中，各个发热元件35被安排在两个独立发热元件组内。每个组的发热元件在一发热元件电路中被串联连接以定义多个独立发热元件电路，以能够生成热有源光栅部分T1、T2以及热无源光栅部分T3。
不管特定的发热元件及控制节点配置，预期到该热有源光栅部分以及热无源光栅部分可以埋在该DBR发热元件下方的半导体激光器的上层中。还预期到该热有源及热无源光栅部分的各自的光栅周期可大约相等或实质上不同。此外，预期到该热有源及热无源光栅部分的各自的光栅周期可相对于彼此同相或相对于彼此存在相移，而不离开本公开的范围。
注意到当在此使用术语如“优选地”、“一般地”、及“典型地”时，并非用于限制本请求保护的实施例的范围或暗示某一特征对于本请求保护的实施例的结构或功能是关键的、必要的或甚至是重要的。更确切地说，这些术语仅是为了确定本发明公开一个实施例的特定方面，或是强调可选择的或是附加的特征，这些特征可能可以也可能不可以用于本发明公开的特定实施例。
为了本公开的目的，注意到在此使用了术语“实质上”及“大约”以表示不确定的固有程度，这可能归因于任何定量比较、值、度量、，或其他表示。在此还使用术语“实质上”及“大约”以表示按数量表示的程度可能与规定参考值不同，但不会导致该正在讨论的主题基本功能的变化。
已经详细地、并且通过参考其具体实施例，描述了本公开的主题，注意到即使在某特定元件在每张发明描述附图中都被示出的情况下，在此公开的各种细节不应当被理解为暗示这些细节涉及的元件是在此描述的各个实施例的主要组件。更确切地说，应当将在此附加的权利要求作为本公开的范围，以及在此描述的各实施例对应范围的唯一表示。进一步地，很明显不离开本公开，可进行修改和变化。更具体地，虽然本公开的一些方面在此被认为是优选的或特别有利，可以预期的是本公开并非必须限于这些方面。
注意到下述权利要求中的一个或更多使用了术语“其特征在于”作为连接词。为了实施例的目的，注意到权利要求中引入该术语作为一开放式连接词，用于引入列举一系列结构特征，应当被解读为类似于更为通用的开放式序文术语“包括”。

Claims (20)

1.一种多波长分布式布拉格反射(DBR)半导体激光器，包括定义光传播轴的波导、波长选择性DBR部分、多个DBR发热元件、增益部分、以及激光器衬底，其特征在于：
所述波导的光传播轴在激光器的前、后面之间延伸，并且穿过所述激光器的DBR部分以及增益部分；
所述DBR发热元件被放置在所述DBR部分中的波导上方，并且沿所述光传播轴以内光栅间距d连续地间隔开，以在所述DBR部分中定义一个或多个热有源光栅部分并在所述DBR部分中定义一个或多个热无源光栅部分；
所述热有源光栅部分定义随温度变化的布拉格波长，其为所述热有源光栅部分的光栅周期的函数；
所述热无源光栅部分定义随温度变化的布拉格波长，其为所述热无源光栅部分的光栅周期的函数；
所述波导以及波长选择性DBR部分的激光器衬底用于定义所述激光器芯片厚度b；并且
所述内光栅间距d与所述激光器芯片厚度b是同样的数量级；
其中，多波长DBR半导体激光器被配置成同时发出多个波长；以及
其中，所述多个波长对应于热有源及热无源光栅部分的随温度变化的布拉格波长。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述内光栅间距d至少与所述激光器芯片厚度b一样大。
3.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述DBR发热元件沿所述光传播轴以内光栅间隙g分隔开，g小于所述激光器芯片厚度b以及所述内光栅间距d。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述DBR发热元件沿所述光传播轴以内光栅间隙g分隔开，g小于所述激光器芯片厚度b以及所述内光栅间距d。
5.如权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述内光栅间隙g是所述内光栅间距d的70％至75％。
6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：
所述DBR发热元件沿所述光传播轴以内光栅间隙g分隔开；
所述波长选择性DBR部分定义了在0.5mm至0.52mm之间的DBR长度；
所述内光栅间距d在148μm至150μm之间；并且
所述内光栅间隙g在104μm至110μm之间。
7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述DBR发热元件被局限于所述DBR部分。
8.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述DBR发热元件包括交叉指型发热元件控制节点，被配置用于在所述DBR发热元件的各个元件中的双向加热电流流动。
9.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述DBR发热元件包括发热元件控制节点，被配置用于在所述DBR发热元件的各个元件中的单向加热电流流动。
10.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述DBR发热元件包括发热元件控制节点，被配置成为多个独立发热元件电路。
11.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述DBR发热元件被配置成为在一个或多个发热元件电路中被并联连接的多个独立发热元件。
12.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述DBR发热元件被配置成为在一个或多个发热元件电路中被串联连接的多个独立发热元件。
13.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：
所述DBR发热元件被配置成为多个独立发热元件组；并且
每个独立发热元件组中的各个发热元件在发热元件电路中被串联连接以定义多个独立发热元件电路。
14.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述热有源光栅部分以及所述热无源光栅部分被埋在所述DBR发热元件之下的激光器的上层中。
15.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述热有源及热无源光栅部分的各自的光栅周期相等。
16.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述热有源及热无源光栅部分的各自的光栅周期实质上不同。
17.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述热有源及热无源光栅部分的各自的光栅周期相对于彼此是同相的。
18.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述热有源及热无源光栅部分的各自的光栅周期相对于彼此存在相移。
19.一种多波长分布式布拉格反射(DBR)激光器，包括定义光传播轴的波导、波长选择性DBR部分、多个DBR发热元件、增益部分、以及激光器衬底，其特征在于：
所述波导的光传播轴在所述激光器的前、后面之间延伸，并且穿过所述激光器的DBR部分以及增益部分；
所述DBR发热元件被放置在所述DBR部分中的波导上方，并且沿所述光传播轴以内光栅间距d连续地间隔开，以在所述DBR部分中定义一个或多个热有源光栅部分，并在所述DBR部分中定义一个或多个热无源光栅部分；
所述热有源光栅部分定义随温度变化的布拉格波长，其为所述热有源光栅部分的光栅周期的函数；
所述热无源光栅部分定义随温度变化的布拉格波长，其为所述热无源光栅部分的光栅周期的函数；
所述热有源光栅部分以及所述热无源光栅部分被埋在所述DBR发热元件之下的激光器的上层中；
所述波导以及波长选择性DBR部分的激光器衬底用于定义所述激光器芯片厚度b；
所述内光栅间距d至少与所述激光器芯片厚度b一样大；
所述DBR发热元件沿所述光传播轴以内光栅间隙g分隔开，g小于所述激光器芯片厚度b以及所述内光栅间距d；
其中，多波长DBR激光器被配置成同时发出多个波长；以及
其中，所述多个波长对应于热有源和热无源光栅部分的随温度变化的布拉格波长。
20.一种多波长分布式布拉格反射(DBR)半导体激光器，包括定义光传播轴的波导、波长选择性DBR部分、多个DBR发热元件、增益部分、以及激光器衬底，其特征在于：
所述波导的光传播轴在所述激光器的前、后面之间延伸，并且穿过所述激光器的DBR部分以及增益部分；
所述DBR发热元件被放置在所述DBR部分中的波导上方，并且定义一交错温度分布，所述温度分布产生多个不同的反射峰，这些反射峰对应与所述温度分布有关的依赖于不同温度的布拉格波长；
所述波导以及波长选择性DBR部分的激光器衬底用于定义激光器芯片厚度b；并且
被放置在该DBR部分中的波导上方的DBR发热元件的相邻发热元件对是沿光传播轴方向间隔开的，所间隔的距离等于或大于激光器芯片厚度b，以最小化该交错温度分布的不同温度区域之间的热串扰的影响；
其中，多波长DBR半导体激光器被配置成同时发出多个波长；以及
其中，所述多个波长对应于与所述温度分布有关的依赖于温度的布拉格波长。
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