CN105703217A - 多喇叭形激光振荡器波导 - Google Patents

多喇叭形激光振荡器波导 Download PDF

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Abstract

一种宽域半导体二极管激光器件，包括一个多喇叭形振荡器波导，所述多喇叭形振荡器波导包括多个组件喇叭形振荡器波导，每个组件喇叭形振荡器波导包括一个多模高反射器面、一个与所述高反射器面间隔开的部分反射器面、以及一个在所述多模高反射器面和所述部分反射器面之间延伸且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n:1，其中n＞1，且其中所述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。

Description

多喇叭形激光振荡器波导
相关申请的交叉引用
此申请要求享有2014年10月10日提交的且题为“MultipleFlaredLaserOscillatorWaveguide”的第62/062,146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。
此申请还涉及2013年4月9日提交的且题为“FlaredLaserOscillatorWaveguide”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“FlaredLaserOscillatorWaveguide”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“DiodeLaserPackageswithFlaredLaserOscillatorWaveguides”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。
背景
1.技术领域
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
多模激光二极管(也被称为宽域激光器(broadarealaser，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。
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n型层、p型层以及n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型量子阱)存在于波导层中，与周围的p掺杂包覆层和n掺杂包覆层(claddinglayer)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。
常规边发射(edge-emitting)法布里-珀罗(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(endfacet)限定高反射器和部分反射器(partialreflector)，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——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。
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
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叭形振荡器波导(componentflaredoscillatorwaveguide)的多喇叭形振荡器波导(multipleflaredoscillatorwaveguide)，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n:1，其中n＞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，通过使电泵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(higherordermode)被防止耦合回到该激光器内。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。
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泵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。
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，光纤耦合或直接泵浦。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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叭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。
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。
图8A-图8C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。
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。
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。
图11A-图11C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(modediscriminating)的横截面俯视图。
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12B示出了分布式布拉格反射(DBR)配置。
图13-图17示出了根据所公开的技术的多个方面的多喇叭形激光振荡器波导实施方案。
图18是关于980nm常规BAL、单喇叭形激光振荡器波导以及多喇叭形激光振荡器波导的最大功率相对于BPP的曲线图。
图19是关于980nm常规BAL、单喇叭形激光振荡器波导以及多喇叭形激光振荡器波导的最大亮度相对于BPP的曲线图。
图20是关于915nm常规BAL、单喇叭形激光振荡器波导以及多喇叭形激光振荡器波导的最大功率相对于BPP的曲线图。
图21是关于915nm常规BAL、单喇叭形激光振荡器波导以及多喇叭形激光振荡器波导的最大亮度相对于BPP的曲线图。
具体实施方式
参考图1，示出了根据所公开的技术的一个方面的宽域喇叭形激光振荡器波导(FLOW)器件(总体指定为10)的第一实施方案的立体图。器件10包括用于电泵浦的电流注入区12，区12具有在高反射背面14和部分反射正面16之间延伸的梯形形状。器件10可以具有如图1中所描绘的、形成折射率-导引区的脊形或台面形结构18，或图1中所描绘的形状18可以是增益-导引。器件10被配置用于将激光光束20自其正面16发射出来。当光束20从器件10的正面16发射时，在该器件10的正面16上形成光束斑点21。脊形结构(尤其是其有源部分)可以部分地由多种不同的常规半导体材料制成，所述多种不同的常规半导体材料通常通过常规半导体沉积工艺生长成多层。示例性材料包括GaAs、AlGaAs、InGaAsP、InGaAs、InP、III&V族中的其他元素以及其多种组合。合适的沉积工艺可以包括CVD、MOCVD以及MBE。
另外参考图2，在脊形结构18中示出了由层状半导体材料形成的有源区22。有源区22被设置在光学谐振器24内、形成光学谐振器24的一部分或限定光学谐振器24，在光学谐振器24内光可以沿光轴26振荡以被放大。谐振器24包括上述背面14和正面16以及相对侧28、30。在一些实施例中，谐振器24还包括相对的上表面32和下表面34，该上表面和下表面与器件10中的电流注入区12共同延伸。可以出于不同目的(诸如，最后用途应用、制造要求或最佳要求)选择谐振器24的长度。合适的长度可以包括1mm或更小、3mm、5mm、10mm或更大，或其其他变体。高反射背面14具有比部分反射正面16的宽度‘A’更窄的宽度‘a’。在本文的具体实施例中，面14、16都具有高度多模的宽度。因此，对于约1μm(例如，976nm)的光学波长，背面14可以具有低至近似10μm的最小宽度‘a’，但该最小宽度‘a’优选地是约30μm至75μm，且本文中还讨论了其他实施例。其他波长也是可能的，这导致不同的宽度、长度或其他尺度。用于高反射背面14的合适的反射率包括99％或更大的反射率，但可以根据需要选择较低的反射率。部分反射正面16耦合光学谐振器24的光输出，且具有通常与常规宽带形二极管激光器相关联的较大宽度。例如，用于正面16的合适的宽度‘A’包括25μm、50μm、75μm、150μm或更大。面14、16的厚度以及光学谐振器24的其余部分的厚度通常是一致的，且与光学波长在相同的数量级上。对于约1μm的光学波长，带的厚度通常在几个微米的数量级上。例如，一个这样的器件可以包括0.75μm的n包覆、其中嵌入量子阱的1.5μm的波导、1μm的p波导、以及0.1μm的高掺杂接触层。厚度的变化也是可能的。根据器件10的期望的输出特性，用于部分反射正面16的典型的反射率包括在0.05％和15％之间，但可以根据需要选择或调整该反射率。
还示出了从图2中的光学谐振器24的正面16发射的代表性光束20。光束20横穿快轴36高度发散，且横穿慢轴38具有相对慢的散度。由于谐振器24的小厚度，光束20横穿快轴36高度发散。由于谐振器24的相对大的最小宽度‘a’，光束20横穿慢轴38缓慢发散。准直和重导光学器件(未示出)可以被安置在发射的光束20的路径中，以准直和引导光束20用于随后的应用，诸如，将光束20与其他二极管激光光束组合用于耦合到光纤或增益介质内。
光束参数乘积(BPP)和光束亮度是激光泵浦和器件10的其他应用所典型考虑的特性。光束参数乘积是光束质量的测量，且通过光束的散度角与光束腰半径的乘积给出。最小光束参数乘积是许多应用所期望的。在典型的宽带形二极管结构中，慢轴BPP随着由远场散度角的增大所造成的注入电流的增大而增大，当二极管被驱动到较高的输出功率时导致不期望的光束特性。光束亮度是二极管性能的测量，且通过光束功率和BPP的商数给出。较高的亮度是许多激光应用且尤其是较高的功率应用(像光纤激光器中的亮度转换)所期望的。更一般而言，当将光光学地耦合到光纤内时，亮度也是一个考虑。亮度典型是近似平的，或作为用于常规宽域激光二极管的输出电流的函数略微增大。
例如，图3中示出了关于从四个常规宽域激光二极管发射的光束的慢轴的BPP-电流关系40，所述常规宽域激光二极管沿其长度具有150μm的恒定宽度(即，‘a’＝‘A’)。关系40示出在8amps处BPP为近似6mm-mrad，其稳定上升到20amps处的10mm-mrad。相对比，示出了关于三个示例器件10的BPP-电流关系42，器件10具有尺度‘a’为30μm的高反射背面14以及尺度‘A’为150μm的部分反射输出正面16，且振荡器宽度在其间恒定的线性改变。关于三个示例喇叭形器件10的光束的BPP在8amps处一直到近似16amps为近似4mm-mrad，在16amps处BPP稳定上升到20amps处的6mm-mrad。因此，与常规宽域激光二极管相比，在二极管激光器件运行范围的一部分或全部上根据所公开的技术的多个方面的器件10可操作以实现增强的BPP性能。在一些实施例中，且还与输入电流有关，相比于常规宽域激光二极管，器件10可以提供10％、20％或甚至50％或更大的BPP中的改善。
除BPP中的显著改善之外，根据所公开的技术的多个方面的器件10的亮度也可以以意想不到的方式经历显著增益。例如，在图4中示出了关于从上文参考图3描述的四个常规宽域激光二极管发射的光束的慢轴的亮度-电流关系44。关系44示出从8amps到20amps亮度在近似1.2W/mm-mrad到1.8W/mm-mrad的范围内。相对比，示出了关于上文参考图3描述的三个示例器件10的亮度-电流关系46。三个示例喇叭形器件10的光束的亮度在8amps处为近似2W/mm-mrad，该亮度在14amps处增加到3W/mm-mrad以上，且在20amps处减少到近似2.4W/mm-mrad。因此，与常规宽域激光二极管相比，在二极管激光器件运行范围的一部分或全部上且对于相似的孔径尺寸，根据所公开的技术的多个方面的器件10可操作以实现增强的亮度性能。在一些实施例中，且还与输入电流有关，与常规宽域激光二极管相比，器件10可以提供10％、20％、50％或甚至100％或更大的亮度的改善。
BPP和亮度的显著改善可以部分归因于由器件10发射的光束的近场性能。图5是横穿由器件10发射的光束的慢轴的、在值为1/e2的标准化强度分布处的全宽关于范围从2瓦特到14瓦特的不同选定功率水平的曲线图，所述器件10具有参考图3和图4描述的尺度。可以看到，与150μm宽域激光器49相比，随着功率增大，对于喇叭形激光振荡器波导二极管48，光束的宽度一致小20％或更多，且更快速地减小。此外，另外参考图6，喇叭形激光振荡器波导器件的慢轴远场散度50在1/e2值处的全宽处在约8度开始，且从阈值到14瓦特保持几乎恒定。对于此相同运行功率范围，75μmBAL器件的慢轴远场散度51从2瓦特处在1/e2值处的全宽处的8度非线性地增大到14瓦特处在1/e2值处的全宽处的18度以上。相比于常规器件，改善BPP归因于：与BAL相比，在发射的光束20中看到较少量的远场光圈(bloom)以及较窄的近场分布。近场光圈的减小可能与在喇叭形正面16处光束20的增大的光强度相关联，且由于由锥形背面14引起的导引和模剥离，其有效宽度变窄。因此，输出光束20通常横穿小于正面16的整个宽度‘A’、在斑点21中从正面16发射。
通过选择HR背面14为具有比PR正面16更窄的宽度(即，a＜A)，横向模控制被引入到器件10内。此外，HR背面14(其与PR正面16相对)被选定以具有较窄的宽度，因为在面14处反射的较高阶模以一角度被衍射，使得该较高阶模不向后传播到器件10的电泵浦区内。因此，与具有相同的PR输出面16宽度‘A’的常规直的宽域激光二极管相比，使较少的横向光学模在器件10内横穿慢轴传播。因此，当较少的模光(modelight)通过谐振器24传播回来时，在其内形成热波导，该热波导沿谐振器24的长度延伸且具有的宽度更接近较窄的高反射背面14的宽度‘a’。当光束退出正面16时，相应的较窄的热波导将光束20的有效斑点尺寸限制到显著更窄的斑点21。显著更窄的斑点21例如可以窄5％、20％、50％或更大，且典型地取决于器件10的输入电流，如图5中例示的。较少热导引的模光发射作为光束20，该光束20比具有类似退出孔径宽度的常规宽域激光二极管具有更高的慢轴亮度。如将在下文中看到的，由于由背面14孔径引入的横向模控制，器件10的总电流注入面积可以被优化以降低其热阻和电阻，从而改善性能。此外，通过使光学谐振器24和电流注入区12的形状呈喇叭形，总电泵浦面积是不损害慢轴BPP的加大的面积，从而提高器件10的总体热阻和串联电阻。因此，与具有相等输出孔径尺寸的常规宽域二极管激光器相比，器件10实现较高的峰效率，而在相同亮度下产生较高输出功率，如图7中例示的。由于输出光束20的尺寸不由泵浦输出孔径宽度确定，因此器件10的有效面积可以更大，从而器件10的串联电阻可以相称地更低。
参考图7，示出了具有30μm到150μm喇叭形电流注入配置的器件10和具有75μm的恒定宽度的常规BAL的输出光功率和电光功率转换效率(PCE)作为输入电流的函数的曲线图，两个器件都具有5mm的腔长度。75μmBAL的输出光功率52执行得类似于喇叭形器件10的输出光功率53，或比喇叭形器件10的输出光功率53略微较差。75μmBAL的PCE(指定为54)描绘得类似于喇叭形器件10的PCE(指定为55)，或比喇叭形器件10的PCE略微较差。
参考图8A-图8C，示出了根据所公开的技术的FLOW器件的替代实施方案的电流注入区的若干个实施例。特别参考图8A，示出了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一个替代实施方案的电流注入区56的梯形周界的俯视图。电流注入区56具有用于高反射背面58的较窄的宽度、用于部分反射正面60的较大的宽度，以及在面58和面60之间延伸的分段的平的相对侧表面62、64。电流注入区56包括多个不同宽度的喇叭形区66，但是每个喇叭形区66都比高反射背面58更宽。在图8B中，示出了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另一个替代实施方案的向内弯曲的电流注入区68的周界的俯视图。电流注入区68具有用于高反射背面70的较窄的宽度、用于部分反射正面72的较大的宽度，以及在面70和面72之间延伸的一对平滑的喇叭形侧表面74、76。在图8C中，示出了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另一个替代实施方案的向外弯曲的电流注入区78的周界的俯视图。电流注入区78具有用于高反射背面80的较窄的宽度、用于部分反射正面82的较大的宽度、且在面80和面82之间延伸的一对平滑的喇叭形侧表面84、86。关于区56、68、78描述的形状的多个组合也是可能的。
现在参考图9A-9C，示出了电流注入区的附加实施例，所述电流注入区类似于图8A-图8C中示出的区且用类似的数字指示。因此，在图9A中，示出了喇叭形激光振荡器波导器件的一个替代实施方案的电流注入区88的俯视图，区88与具有多个喇叭形区66的电流注入区56类似到这样的程度：区88也包括多个喇叭形区66。区88还包括从区56的各自的相对较窄的端区和较宽的端区66延伸的较窄的端矩形部分90和较宽的端矩形部分92。较窄的端矩形部分90延伸一预定距离，该预定距离允许例如通过沿裂开平面(cleavingplane)96裂开而形成具有一个良好限定的孔径的高反射背面94。因为矩形部分90具有与裂开平面94平行的恒定宽度，裂开平面94的位置的变化不会影响背面94的选定宽度。较宽的端矩形部分92延伸一预定距离，该预定距离允许例如通过沿裂开平面100裂开而形成也具有一个良好限定的孔径的部分反射正面98。在图9B中，电流注入区102具有在较窄的端矩形延伸部104和较宽的端矩形延伸部106之间延伸的一个向内弯曲的中间部分。矩形延伸部104、106延伸预定距离，所述预定距离允许在裂开平面112处形成高反射背面108以及在裂开平面114处形成高反射正面110，以便将形成的面108、110设置有良好限定的孔径。在图9C中，电流注入区116具有在较窄的端矩形延伸部118和较宽的端矩形延伸部120之间延伸的一个向外弯曲的中间部分。矩形延伸部118、120延伸预定距离，所述预定距离允许在裂开平面126处形成高反射背面122以及在裂开平面128处形成高反射正面124，以便将裂开的面122、124设置有良好限定的孔径。
关于图9A-图9C中所描述的实施方案，可以以多种方式结合多个分段和弯曲的形状，且可以为器件的电流注入区的一端或两端添加或限定矩形延伸部。矩形延伸部分在制造时通过提供关于背面的孔径和正面的孔径的可预测性会是有利的。裂开平面可以与相应的矩形延伸部分的限定的暴露端共面或近似共面，或替代地裂开平面可以是如图9A-图9C中所描绘的沿矩形延伸部分的预定长度、距限定的暴露端一距离。因此，虽然在裂开平面的精确位置中可以允许误差，但是面的良好限定的宽度被维持。此外，裂开平面和从而形成的相应的面不必垂直于电流注入区或其允许角度裂开的光轴等。
根据所公开的技术的喇叭形激光振荡器波导器件的多个实施例可以是增益-导引的或折射率-导引的，其可以以不同方式实施，尽管本文中所描述的方法不意在穷举。例如，在增益-导引设计中，可以根据图8A-图9C中所描述的俯视图电流注入区周界界定p触点(p-contact)。该p触点的图案是通过在喇叭形激光振荡器波导器件10的一个或多个电介质层中做出一个开口形成的。然后沉积一个p触点以形成如上文中所描述的图案。替代地，可以在不需要触点的位置(即，在电流注入区周界的外部)将所沉积的p++掺杂的触点层蚀刻掉，以便限定一个电流阻断肖特基势垒。一种制造折射率-导引设计的合适的方法包括将所沉积的半导体材料向下蚀刻掉一预定距离，诸如，0.5μm、1μm、2μm，或根据器件10的结构所选定的另一个厚度。通过将电流注入面积外部的半导体材料蚀刻掉，在蚀刻步骤时在横向(慢轴)方向上引入折射率对比(indexcontrast)。
在图10中示出了描绘多喇叭形激光振荡器波导器件10的三维优化曲线130，所述多喇叭形激光振荡器波导器件10具有恒定改变的电流注入区宽度(诸如，图1-图2中所描绘的)，但是背面宽度与正面宽度的比率不同。电流和慢轴亮度也是曲线130的轴，以使得能够理解对于指定的亮度范围或注入电流范围的相应的优化设计。因此，在一些实施例中，根据优化的面宽度比率(facetwidthratio)来选择背面的宽度和正面的宽度。
图11A-图11C例示了根据所公开的技术的多个方面的喇叭形激光振荡器波导器件的附加实施方案的横截面俯视图。在图11A中，示出了在具有宽度‘a’的高反射背面134和具有宽度‘A’的部分反射正面136之间延伸的喇叭形电流注入区132。一对散射元件138被相对地安置在电流注入区132中，且在背面134和正面136之间延伸。散射元件138每个均具有相对于正面136的宽度‘A’所选定的宽度，使得正面136的、不具有与其相关联的散射元件138的部分140具有较小的宽度‘g’。
背面宽度‘a’和所述部分的宽度‘g’之间存在差也是可能的，如在图11B和图11C中示出的替代实施方案中例示的。在图11B中，喇叭形电流注入区142也具有相应的宽度为‘a’的背面144和相应的宽度为‘A’的正面146。电流注入区142包括在背面144和正面之间延伸的横向散射元件148，该横向散射元件148限定正面146的宽度为‘g’且在其界面处不存在散射元件148的部分150。此外，散射元件148包括在背面144和正面146之间延伸的宽度(在此内部弯曲轮廓)的非线性变化。
在图11C中，喇叭形电流注入区152也具有相应的宽度为‘a’的背面154和相应的宽度为‘A’的正面156。一对散射元件158被相对地安置在电流注入区152中，且从正面146沿电流注入区152的长度延伸一预定距离。此外，散射元件158每个均具有相对于正面156的宽度‘A’所选定的宽度，使得正面156的、不具有与其相关联的散射元件158的部分160具有较小的宽度‘g’。鉴于此公开内容本领域技术人员应理解，图11A-图11C中所描述的散射元件的不同的变化和组合是可能的，包括本文中所描述的所公开的技术的其他方面的纳入。
多个散射图案(诸如，散射元件138、148)被限定在所公开的技术的喇叭形激光振荡器波导器件中，以引入在其中传播的激光的较高阶模的损耗，从而改善光束输出。虽然描述了不同的几何学实施例，但是散射图案一般可以被配置成与激光的模内容重叠，以实现较高阶模抑制。散射图案可以以多种方式形成，以在选定的图案化面积内实现模剥离(mode-stripping)效果，所述模剥离效果包括非共振光栅、形成包括具有折射率对比特征的微结构或形成二阶光栅。
现在参考图12A-图12B，示出了根据所公开的技术的多个方面的喇叭形激光振荡器波导器件的多个附加的实施方案。在图12A中，示出了被配置成波长稳定的喇叭形激光振荡器波导器件的电流注入区200的横截面俯视图。电流注入区200包括具有宽度‘a’的较窄的高反射背面202和具有宽度‘A’的部分反射正面204。分布式反馈光栅206被设置在喇叭形电流注入区200内，以在背面202和正面204之间延伸。随着分布式反馈光栅206在面202和面204之间延伸，其可以具有变化的宽度。此外，光栅206可以在部分反射正面204处具有宽度‘d’以限定光栅端部分208，光栅端部分208不必具有与高反射背面202相同的宽度‘a’。
虽然在常规分布式反馈半导体激光二极管器件中，光栅在正面处的宽度典型地与正面的宽度共同延伸，且该光栅的面积与二极管的泵浦面积共同延伸，但是在根据所公开的技术的器件中，光栅206的宽度‘d’可以被选择成与正面204的宽度‘A’相同或优选地比正面204的宽度‘A’更窄。在一些实施例中，光栅206的宽度沿区200的长度变化。由于光栅206具有比区200的全部更小的面积，因此在该光栅中由缺陷引入的总散射损耗被减小，导致提高的运行效率。
在图12B中，示出了也被配置成波长稳定的喇叭形振荡器波导器件的电流注入区210的横截面俯视图。区210包括具有宽度‘a’的较窄的高反射背面212和具有宽度‘A’的部分反射正面214。分布式布拉格反射器光栅216被设置在区210中的高反射背面212处。光栅216在背面212处延伸背面212的宽度‘a’，沿该器件的纵轴延伸长度‘Lgrt’，且在区210内部延伸宽度‘d’。如可以从图12B看到的，宽度‘d’不必等于‘a’。在大多数情况下，d＞a且宽度‘d’可以在Lgrt结束的位置处一直伸展到泵浦区的横向尺度。在一些实施例中，在运行期间用电流电泵浦光栅216的面积。分布式布拉格反射器光栅216的长度被选择以提供高反射率(＞90％)。
多喇叭形激光振荡器波导
相比于常规BAL，用上文所描述的喇叭形激光振荡器波导在二极管激光器性能上获得了相当大的改善。具体而言，在多个BPP下对慢轴亮度的改善允许用合适的喇叭形激光振荡器波导大规模替代高亮度二极管激光器的可能性。例如，在常规BAL中，通常理解的是，可以通过减小发射极宽度来提高亮度。然而，最大亮度出现时的二极管电流变得较低，这导致在最大亮度时较低的最大输出功率。喇叭形激光振荡器波导的上述实施方案实现了改善的慢轴亮度和BPP。由于二极管激光器的多种应用要求以减小的每瓦特成本进行功率缩放，因此由喇叭形激光振荡器波导提供的当前性能改善和特征非常有利。
意外地发现了对喇叭形激光振荡器波导构架的另一些增强，其实现相比于常规BAL的另一些改善。根据这样的增强的一个方面，现在参考图13，其公开了多喇叭形激光振荡器波导器件300的一个实施方案。器件300包括一对组件喇叭形激光振荡器波导302a、302b，所述组件喇叭形激光振荡器波导302a、302b每个均具有宽度为wa、wb的高反射器304a、304b，宽度为Wa、Wb的部分反射器306a、306b，以及在每个相对的部分反射器-高反射器对之间延伸的喇叭形电流注入区308a、308b。正如本文中所描述的其他喇叭形激光振荡器波导实施方案，对于每个组件喇叭形激光振荡器波导，部分反射器宽度W比高反射器宽度w更大使得W/w的比率大于1。构件波导302a、302b彼此邻近定位以形成双喇叭形形状，其中一个部分反射器306a的一端毗连邻近的部分反射器306b的相对的一端。
在多喇叭形振荡器波导300的一个实施例中，高反射器宽度wa、wb每个均是35μm且部分反射器宽度Wa、Wb每个均是75μm。当将模型化性能与具有70μm的高反射器宽度和150μm的部分反射器宽度的单喇叭形振荡器波导相比时，发现对于相同的BPP，多喇叭形振荡器波导300提供了较高的亮度。为了将二极管激光光束光纤耦合到常规105μm的0.5NA光纤内，可能需要约5mm-mrad的最大BPP。用单喇叭形激光振荡器波导可以实现5mm的腔长度、约2.9W/mm-mard的亮度以及14.7W的输出功率，然而用具有两个组件喇叭形激光振荡器波导的多喇叭形激光振荡器波导可以实现约4.0W/mm-mard的亮度和20.2的输出功率。因此，在5mm-mrad的BPP下，相比于单喇叭形振荡器波导，多喇叭形振荡器波导300可以实现多于30％的亮度增加，其中单喇叭形振荡器波导自身相比于常规BAL实现性能改善。因此，多喇叭形振荡器波导的实施方案(包括波导300)可以被配置以对于给定的BPP提供增加的最大亮度和最大功率。
除提供上述优点之外，多喇叭形激光振荡器波导构架允许在任何BPP下维持最大亮度的可能性。换言之，用具有相等高反射器宽度和部分反射器宽度的常规BAL，随着用于较大发射极宽度的BPP增大，在增大的BPP时可实现的亮度减少。图18-图21描绘了多喇叭形振荡器波导相比于常规非喇叭形BAL的一些性能改善。在图18-图21中，单喇叭形激光振荡器波导被指定为1x，具有两个组件喇叭形激光振荡器波导的多喇叭形激光振荡器波导被指定为2x，具有三个组件喇叭形激光振荡器波导的多喇叭形激光振荡器波导被指定为3x，具有四个组件喇叭形激光振荡器波导的多喇叭形激光振荡器波导被指定为4x，具有五个组件喇叭形激光振荡器波导的多喇叭形激光振荡器波导被指定为5x，且常规宽域激光器被指定为BAL。图18和图19示出在980nm下发射的波导的模型化性能，而图20和图21示出在915nm下发射的波导的模型化性能。图18和图20标绘了最大二极管激光器输出功率相对于BPP的曲线图且图19和图21标绘了最大二极管激光器亮度相对于BPP的曲线图。如可以从所述曲线图中看到的，在相当大的运行功率范围上，单喇叭形激光振荡器波导的性能总体优于常规BAL。此外，在整个运行功率范围上，与常规BAL以及许多单喇叭形激光振荡器波导相比，包括两个、三个、四个或五个组件喇叭形激光振荡器波导的所有多喇叭形激光振荡器波导展现了优秀的性能。
这样的改善允许以多种方式实现宽域二极管激光器领域迄今为止不可实现的功率缩放。通过将组件喇叭形激光振荡器波导设置成紧密靠近，输出功率可以被缩放而不损害BPP。如可以在图20和图22中看到的，由于由较大发射极宽度BAL的散度角的非线性增大造成的随着BPP增大最大亮度下降，因此不能够使常规BAL彼此紧密靠近以用于功率缩放。对于常规BAL，在较高BPP下亮度的下降可归因于当发射极宽度增大时，慢轴散度快速上升。因此，当常规BAL激光器的BPP增大时，不能够维持亮度。此外，典型地在邻近的常规BAL之间需要一个间隙，用于折射率-导引光束，这用增大的填充因数引入附加BPP。组件喇叭形激光振荡器波导允许高反射背面之间的一个间隙同时维持毗连或非常靠近正面。当使二极管紧靠在一起时，它们的热效应增大，但是在与电流注入区的喇叭形相关联的组件喇叭形激光振荡器波导之间形成的间隙提供一种减轻上述效应的方法。换言之，背面的较低宽度创建了插入邻近的组件喇叭形激光振荡器波导之间的间隙(以及定制间隙的形状)的机会，这在不接受较差BAL性能的情况下在常规BAL中是不可能的。
在图18和图20中，分别关于发射980nm和915nm波长的光的不同的激光二极管标绘了最大功率相对于BPP的曲线图。关于常规矩形BAL的实线证明随着最大功率增大，BPP增大(即，较差的光束质量)，其典型地与增大的发射极宽度以及伴随的散度角的增大相关联。还示出了关于多个单喇叭形激光振荡器波长设计配置和多喇叭形激光振荡器波长设计配置的多个独立的点，其中不同的点代表包括部分反射器宽度与高反射器宽度的不同比率的设计特征的变化。如可以从所述曲线图看到的，在一系列BPP上，单flow二极管(singleflowdiode)设计具有相比于BAL设计的优秀的最大功率性能。示出了邻近的喇叭形激光振荡器波导的添加以实现相比于单喇叭形激光振荡器波导配置的显著改善。
在图19和图21中，分别关于发射980nm和915nm的光的不同的激光二极管标绘了最大亮度相对于BPP的曲线图。通过实线示出了常规BAL，作为用于比较的性能基线。如从所述曲线图看到的，对于常规BAL，预期的最大亮度性能随着BPP增大而减小，BPP的增大典型地与增大的发射极宽度以及伴随的散度角的增大相关联。用代表多种设计配置的若干单独的点示出了单喇叭形激光振荡器波导性能，上述多种设计配置包括部分反射器宽度与高反射器宽度的不同的比率。单喇叭形激光振荡器波导配置在约10mm-mradBPP以及更低的BPP下展现了优秀的最大亮度性能。如还可以从所述曲线图中看到的，可以通过多喇叭形激光振荡器波导提供亮度的进一步改善，在每一个BPP下多喇叭形激光振荡器波导可以比常规宽域设计更亮。
参考图14，示出了多喇叭形激光振荡器波导310的另一个实施方案，该多喇叭形激光振荡器波导310包括一对组件喇叭形激光振荡器波导312a、312b，所述组件喇叭形激光振荡器波导312a、312b每个均具有较窄的高反射背面314a、314b以及较宽的部分反射面316a、316b以在其间形成喇叭形电流注入区318a、318b。组件喇叭形激光振荡器波导邻近使得各自的喇叭形电流注入区318a、318b的部分在毗连边界319上重叠。在图15中，示出了多喇叭形激光振荡器波导320的一个实施例，该多喇叭形激光振荡器波导320包括一对组件喇叭形激光振荡器波导322a、322b，所述组件喇叭形激光振荡器波导322a、322b每个均具有较窄的高反射背面324a、324b和较宽的部分反射面326a、326b以在其间形成喇叭形电流注入区328a、328b。间隙329形成在喇叭形电流注入区328a、328b的最靠近的部分之间，所述最靠近的部分在此实施例中位于部分反射面326a、326b处。间隙329相对较小，使得组件喇叭形激光振荡器波导彼此紧密靠近。合意的距离典型地是在由各自的激光器发射的光的波长的数量级上。例如，对于发射915nm或980nm光的激光二极管，该距离可以小于几微米、小于一微米或在数十nm到数百nm的范围内。
参考图16，示出了多喇叭形激光振荡器波导330的另一个实施方案，多喇叭形激光振荡器波导330具有第一组件喇叭形激光振荡器波导332a和第二组件喇叭形激光振荡器波导332b。所述组件波导包括宽度为wa、wb的高反射背面334a、334b，高反射背面334a、334b比具有宽度Wa、Wb的部分反射正面336a、336b更窄。所述组件波导还包括电流注入区338a、338b，所述电流注入区338a、338b在背面和正面之间形成喇叭形，使得在距背面334的距离L1和距正面336的距离L2处喇叭形区的最大宽度比正面宽度Wa、Wb更宽。在一些实施例中，在距离L1处该喇叭形区宽度可以等于部分反射正面宽度W。如示出的，波导330具有其在一点处毗邻的邻近的电流注入区。在多个实施例中，邻近的组件波导332的区338可以由一个间隙分开或可以重叠。随着构成组件喇叭形激光振荡器波导的数目增大，热串扰可能影响光束质量。通过使邻近的组件喇叭形激光振荡器波导接触或在除部分发射器336之外的一个位置处紧密靠近，热串扰可以被最小化同时亮度被最大化。此外，波导330还可以允许选择一个最佳的近场宽度同时BPP保持不变。
图17示出具有第一、第二以及第三组件喇叭形激光振荡器波导342a、342b、342c的多喇叭形激光振荡器波导340的另一个实施例。波导340包括各自具有宽度wa、wb、wc的高反射器344a、344b、344c，所述高反射器344a、344b、344c比它们的具有宽度Wa、Wb、Wc的相应的部分反射输出耦合器346a、346b、346c更窄。宽度比率Wa/wa、Wb/wb、Wc/wc每个均大于1，然而未必彼此相等。另外，喇叭形电流注入区的侧与正面或背面之间的角不必相等或对称。在一些实施例中，可以使用四个或更多个组件喇叭形激光振荡器波导。正如单喇叭形激光振荡器波导的先前的实施例，组件喇叭形激光振荡器波导的喇叭形注入区的几何结构不必被线性成形，且可以包括能够被选择以提高输出性能的多种弯曲外形和形状。还可以使用多种其他元件(诸如，光栅或散射元件)，如上文关于单喇叭形激光振荡器波导实施方案所讨论的。
申请人认为从前述描述将能够理解所公开的技术以及其伴随的许多优点，并且将明了在不偏离所公开的技术的精神和范围的前提下或不牺牲其全部材料优点的前提下可以对其部分地进行多种改变，上文中所描述的多种形式仅仅是其示例性实施方案。

Claims (21)

1.一种宽域半导体二极管激光器件，包括：
一个多喇叭形振荡器波导，包括多个组件喇叭形振荡器波导，每个组件喇叭形振荡器波导包括一个多模高反射器面、一个与所述高反射器面间隔开的部分反射器面以及一个在所述多模高反射器面和所述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n:1，其中n＞1；
其中所述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。
2.根据权利要求1所述的器件，还包括一个或多个附加的多喇叭形振荡器波导，所述一个或多个附加的多喇叭形振荡器波导被布置成以条配置彼此间隔开的多喇叭形振荡器波导阵列。
3.根据权利要求1所述的器件，其中与单喇叭形振荡器波导相比，对于相同的光束参数乘积，从所述组件喇叭形振荡器波导的部分反射器发射的光束具有较大的亮度，所述单喇叭形振荡器波导具有等于所述组件喇叭形振荡器波导的部分反射器宽度的总和的部分反射器宽度，且具有等于所述组件喇叭形振荡器波导的高反射器宽度的总和的高反射器宽度。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述多喇叭形振荡器波导是折射率-导引的，或增益-导引的，或折射率-导引的与增益-导引的组合的。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述组件喇叭形振荡器波导的高反射器的宽度被选择成在约5μm到100μm的范围内。
6.根据权利要求1所述的器件，其中邻近的组件喇叭形振荡器波导的高反射器的宽度彼此不同。
7.根据权利要求1所述的器件，其中邻近的组件喇叭形振荡器波导的部分反射器的宽度彼此不同。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，对于所述组件喇叭形振荡器波导中的至少一个，至少一个组件喇叭形振荡器波导的一个喇叭形电流注入区的最大宽度比至少一个组件喇叭形振荡器波导的高反射器宽度的最大宽度更大。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述多喇叭形振荡器波导的不同的组件喇叭形振荡器波导发射不同选定波长的光。
10.根据权利要求1所述的器件，其中一个组件喇叭形振荡器的喇叭形电流注入区的形状与一个邻近的组件喇叭形振荡器波导的喇叭形电流注入区的形状不同。
11.根据权利要求1所述的器件，其中与具有相同的部分反射器宽度和等于所述部分反射器宽度的高反射器宽度的二极管激光器相比，对于所述多喇叭形振荡器波导，在任何给定的BPP下，输出光束的最大亮度和最大输出功率更大。
12.根据权利要求1所述的器件，其中所述喇叭形电流注入区包括端部分，所述端部分被安置在多模高反射器面或部分反射器面处，允许在所述端部分内形成一个裂开部，该裂开部为所述多模高反射器面或部分反射器面提供可预测的宽度。
13.根据权利要求1所述的器件，其中所述喇叭形电流注入区包括一个或多个喇叭形部，所述喇叭形部中的每个在宽度相对于长度上具有恒定改变。
14.根据权利要求1所述的器件，其中所述喇叭形电流注入区包括一个或多个喇叭形部，所述喇叭形部中的每个在宽度上相对于长度具有可变改变。
15.根据权利要求1所述的器件，还包括一个分布式反馈光栅，所述分布式反馈光栅设置在所述喇叭形电流注入区中的至少一个中且在相应的面之间延伸，所述分布式反馈光栅为所述器件提供波长稳定。
16.根据权利要求1所述的器件，还包括安置在高反射器面处的分布式布拉格反射器光栅，所述分布式布拉格反射器为所述器件提供波长稳定。
17.根据权利要求1所述的器件，还包括沿所述喇叭形电流注入区的一个横向侧或相对的横向侧设置的一个或多个散射元件，所述散射元件可操作以对在该散射元件内传播的光的较高阶模进行散射。
18.根据权利要求1所述的器件，其中所述喇叭形电流注入区传播光，使得在所述部分反射器面处输出的光束具有比所述部分反射器面宽度更窄的光束宽度和相应地更窄的慢轴散度。
19.根据权利要求18所述的器件，其中所述较窄的光束宽度和所述慢轴散度连同由所述喇叭形电流注入区的喇叭形提供的加大的总泵浦面积来减小热阻和串联电阻，且对于一个选定的器件输出功率导致光束输出的增大的光束亮度和较低的光束参数乘积。
20.一种多模多喇叭形激光振荡器波导，包括：
邻近布置成行的多个半导体增益体积，每个增益体积具有：一个多模高反射器和一个输出耦合器，被相对地设置且间隔开一个谐振器长度；相对地设置的顶侧和底侧，被间隔开一个谐振器高度；以及，相对地设置的第一喇叭形侧和第二喇叭形侧，被间隔开一个可变谐振器宽度，所述可变谐振器宽度为所述多模高反射器提供比所述输出耦合器更短的宽度。
21.一种多喇叭形激光振荡器波导，包括：
多个半导体增益体积，被布置成使得彼此重叠或彼此紧密靠近，每个半导体增益体积包括：
一个高反射器表面和一个相对的部分反射器表面，所述高反射器表面和所述相对的部分反射器表面彼此间隔开一个谐振器长度；以及
第一相对侧表面和第二相对侧表面，所述第一相对侧表面和所述第二相对侧表面间隔开一个谐振器宽度，其中所述相对侧表面的至少一部分间隔开一个可变的谐振器宽度，所述可变的谐振器宽度形成一个喇叭形振荡器区且为所述高反射器表面提供比所述部分反射器表面更短的宽度。
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