CN109155502B

CN109155502B - 高亮度相干多结二极管激光器

Info

Publication number: CN109155502B
Application number: CN201780026693.3A
Authority: CN
Inventors: 陈之纲; M·坎斯卡
Original assignee: Enai
Current assignee: Enai
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2037-04-04
Also published as: EP3440749A1; EP3440749B1; WO2017176791A1; CN109155502A; US10461505B2; US20170288370A1

Abstract

本发明公开了激光二极管((210)、(230))，该激光二极管((210)、(230))形成在具有合适厚度和折射率的层((212)、(228))的公共衬底(236)上，并且产生相干耦合的输出光束。可以定位相位掩模以在所述输出光束中的一个或多个中产生相位差，以产生共同的波前相位。相位校正光束以比非相干耦合的传统激光器减小的角度发散传播，并且相干耦合激光二极管可以提供更高的光束亮度、增强的光束参数积和耦合到光纤激光器中的掺杂光纤中的优异功率。

Description

高亮度相干多结二极管激光器

相关专利申请的交叉引用

本文要求2016年4月4日提交的美国临时申请62/318,136的优先权，该临时申请以引用方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及激光二极管。

背景技术

可以使用双极级联来提供半导体二极管激光器中每个芯片的功率标定，其中多个激光器在单个衬底上电串联地单片式外延生长，由隧道结(TJ)隔开。虽然N结双极级联激光器在理论上可以将输出功率较传统单结器件以因子N提高，但由于激光器结之间相对厚的间隔层，多结二极管激光器中的亮度通常低于单结二极管激光器中的亮度。例如，传统单结以及非相干双结885nm二极管激光器的理论快轴近场和远场强度示于图1A至图1B中，分别为曲线102,104和112,114。非相干双结二极管激光器(曲线114)的远场发散(参见图1B)与单结二极管激光器的远场发散基本上相同，因为双结中的光学模彼此不相干。然而，如图1A所示，由于在两个激光器结之间插入了间隔层来使TJ处的光学模态损耗最小化，沿生长方向(快轴)的近场尺寸远大于两倍单结二极管激光器的近场尺寸。即使在双结激光器中功率加倍之后，这也会导致较低的亮度。图1A至图1B中所示的特定885nm单结二极管激光器对于10W的输出功率具有34.4W/mm-mrad的快轴亮度，而非相干双结激光器对于20W的输出功率具有19.1W/mm-mrad的亮度。因此，虽然双极激光器级联可以提供增加的功率，但是这类设备表现出比单发射器激光二极管更低的亮度，因此在诸如泵浦光纤激光器的许多应用中不会较单发射器有所改善。

发明内容

本文所公开的改进多结二极管激光器中的亮度的一般性方法是通过减小结之间的间隔层厚度或降低折射率对比来使激光器结更靠近(至少“光学上更靠近”)。然而，激光器结越靠近，与有源激光器中的辐射产生相关联的倏逝波与隧道结重叠越多，这里的光学损耗通常较高，导致较低的功率和亮度。随着间隔物厚度进一步减小和/或波导层和间隔物包层之间的折射率对度变得足够低，来自不同激光器结的光学模变得相干耦合。因此，相干耦合增加了快轴亮度，并且抑制了隧道结处的性能损失，因为对于隧道结位置处的反对称模，存在零(或非常低)的光场强度。这样，可以产生反对称模，其提供更高的亮度和更低的损耗两者。

多发射器激光二极管包括位于内波导层和外波导层之间的与激射波长相关联的第一有源区和位于内波导层和外波导层之间的与激射波长相关联的第二有源区。第一有源区的内波导层和第二有源区的内波导层位于第一有源区和第二有源区之间。第一有源区和第二有源区的位置使得在第一有源区中传播的光束通过内波导层光学耦合到第二有源区。在一些示例中，与第一有源区和第二有源区相关联的内波导层中的至少一个具有使得第一有源区和第二有源区光学耦合的厚度。在另外的示例中，与第一有源区和第二有源区相关联的内波导层中具有使得第一有源区和第二有源区光学耦合的厚度。

在一些实施方案中，与第一有源区和第二有源区相关联的内波导层具有共同的厚度。在特定示例中，与第一有源区和第二有源区相关联的内波导层具有小于激射波长的4倍、3倍、2倍、1倍、0.5倍、0.2倍或0.1倍的组合厚度。在其他示例中，第一有源区和第二有源区的间隔小于激射波长的2倍、1倍、0.5倍、0.2倍或0.1倍。

根据一些示例，隧道结位于与第一有源区相关联的内波导层和与第二有源区相关联的内波导层之间。隧道结位于第一间隔层和第二间隔层之间，第一间隔层和第二间隔层分别位于与第一有源区相关联的内波导层和与第二有源区相关联的内波导层。在另外的示例中，与第一有源区相关联的内波导层和第一间隔层以及与第二有源区相关联的内波导层和第二间隔层中的至少一个之间的折射率差小于0.5、0.4、0.3、0.25、0.2、0.15、0.1或0.05。间隔更密的有源区可以更大的折射率差光学耦合，并且如果方便，可以选择合适的组合。在一些示例中，与第一有源区相关联的内波导层与第一间隔层之间的折射率差小于第一值，并且与第二有源区相关联的内波导层之间的折射率差具有不同于第一值的第二值。在一些实施方案中，第一间隔层和第二间隔层具有小于0.4λ的总厚度。

装置包括至少一个相干多结激光二极管，以及相对于该多结激光二极管定位的相位掩模，以便在由所述多结中的至少两个产生的光束之间产生相移。在一些示例中，相位掩模具有相位片段，使得相对相移为180度。在其他示例中，相干多结激光二极管是相干双结激光二极管。在另外的示例中，选择相干多结激光二极管以产生反对称模或对称模。

泵浦光纤激光器的方法包括从分别来自第一激光二极管和第二激光二极管的第一光束和第二光束的组合产生相干光束。调整至少第一光束或第二光束的波前相位，并将波前相位经调整的光束导向掺杂光纤，以在该掺杂光纤中产生光学增益。在一些情况下，调整相位以产生对称模或反对称模。

制造相干双发射器激光二极管的方法包括在衬底上的至少一个或多个层中限定第一激光二极管，并在第一激光二极管附近形成隧道结。第二激光二极管被限定在与隧道结相邻的至少一个或多个层中，其中第一激光二极管和第二激光二极管光学耦合，以便产生相干的第一激光束和第二激光束。在典型示例中，第一激光二极管和第二激光二极管基于与第一激光二极管和第二激光二极管相关联的有源区的间隔、隧道结厚度和折射率差中的至少一个而光学耦合。

下面参考附图来陈述本文所公开的技术的这些和其他特征及方面。

附图说明

图1A至图1B分别示出了对于传统单结激光二极管和非相干双结激光二极管，作为生长方向上的位置的函数的近场强度和作为角度的函数的快轴远场强度。

图2A示出了与双波导相干双结激光二极管相关联的外延层堆叠。

图2B示出了图2A的外延堆叠的作为沿生长方向的位置的函数的折射率。

图3A至图3B示出了对于诸如图2A至图2B所示的相干双结激光二极管的对称模和反对称模，作为生长方向上的位置的函数的近场强度和作为角度的函数的快轴远场强度。

图4示出了与相干三结激光二极管相关联的外延层堆叠。

图5示出了与相干多结激光二极管相关联的外延层堆叠。

图6示出了与不对称相干双结激光二极管相关联的外延层堆叠。

图7示出了一种相位掩模，其被定位成从反对称光束模式产生对称光束模式。

图8A至图8B示出了对于在由相位掩模处理之前和之后的相干双光束模式，作为角度的函数的远场幅度和作为位置的函数的近场幅度。

图9示出了一种相位掩模，其被定位成在多个相干光束模式之间产生相位差。

图10A至图10B和图10C至图10D分别示出了与对称光束模式和反对称光束模式相关联的近场强度和远场强度，其由类似于图2A的双结885nm二极管激光器产生，其中总间隔层厚度是图2A配置的两倍。

图11A至图11B和图11C至图11D分别示出了与对称光束模式和反对称光束模式相关联的近场强度和远场强度，其由类似于图2A的双结885nm二极管激光器产生，其中波导和间隔物包层之间的折射率差是图2A配置的两倍。

图12A至图12B和图12C至图12D分别示出了与对称光束模式和反对称光束模式相关联的近场强度和远场强度，其由类似于图2A的双结885nm二极管激光器产生，其中与图2A配置的波导层厚度比1:1相比，该二极管激光器的波导层厚度比为1.6。

图13示出了基于双异质结构激光二极管的代表性相干双发射器。

图14A示出了一种激光二极管组件，其中使用偏振复用形成基于相干多结发射器的两个光束堆叠，并且使用光束压缩器压缩这两个光束堆叠。

图14B至图14C示出了压缩之前和之后的光束堆叠。

图14D示出了代表性的阶梯式激光二极管安装座。

图15示出了用于沿平行轴引导来自多个相干多结发射器的准直光束的代表性组件。

图16示出了设计和制造相干多发射器激光二极管的代表性方法。

图17A示出了与单波导相干双结激光二极管相关联的外延层堆叠，其中在隧道结处未提供包层。

图17B示出了图17A的外延堆叠的作为沿生长方向的位置的函数的折射率。

图18A至图18B示出了对于诸如图17A至图17B所示的单波导相干双结激光二极管的对称模和反对称模，作为角度的函数的快轴远场强度和作为生长方向上的位置的函数的近场强度。

图19A至图19B示出了所制造的代表性980nm相干双结二极管激光器的测量的快轴远场强度。图19B示出了作为生长方向的函数的模拟近场相对强度。

图19C示出了对于条宽为95μm且腔长为3.8mm的代表性相干980nm双结二极管，作为驱动电流的函数的测量的输出功率、效率和电压。

图20示出了在所制造的第二980nm双结二极管激光器中的各种驱动电流下测量的快轴远场强度，该激光器的折射率对比比在图19A至图19C中使用的折射率对比大约0.06，显示了两个结之间的显著相干性损失。

图21A至图21B是表示对称双结976nm二极管激光器的作为近场位置和沿快轴的远场角的函数的快轴近场强度和快轴远场强度的曲线图。为了便于比较，还示出了具有相同结厚度的传统单结二极管激光器的近场强度和远场强度。

图22示出了使用位于近场或远场中并且方便地提供作为快轴或慢轴准直仪的一部分的相位补偿器将来自多个相干双结激光二极管(CDJLD)的光束耦合到光纤中。

图23A至图23B是表示对称双结976nm二极管激光器的作为近场位置和沿快轴的远场角的函数的快轴近场强度和快轴远场强度的曲线图。为了便于比较，还示出了具有相同结厚度的传统单结二极管激光器的近场强度和远场强度。

图24示出了包括相移部分的代表性快轴透镜。

图25示出了代表性相位板。

图26示出了代表性相位板。

图27示出了包括相移部分的代表性快轴透镜。

图28示出了代表性相位板。

图29示出了包括相移部分的代表性慢轴透镜。

具体实施方式

如在本申请和权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式的词语“一个”、“一种”和“该”包括复数形式。此外，术语“包括”表示“包含”。

在此描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。

尽管为了便于表示，以特定的先后顺序描述了某些公开的方法的操作，但是应该理解的是，除非在下文中通过特定语言要求特定的顺序，否则这种描述的方式包含重新安排。例如，顺序描述的操作在一些情况下可以被重新安排或同时执行。而且，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和装置可与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。此外，该描述有时使用术语诸如“产生”和“提供”来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高度抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施而有所不同，并且容易被本领域的普通技术人员识别。

本文提供的关于本公开的装置或方法的操作理论、科学原理或其他理论描述是出于更好理解的目的而提供的，并非旨在限制范围。所附权利要求书中的装置和方法不限于以这种操作理论描述的方式起作用的那些装置和方法。

在以下描述中，激光束或其他传播中的光辐射被称为沿一个或多个轴传播。如本文所用，此类轴指的是可以使用光学元件诸如棱镜或反射镜弯曲或折叠的线性轴。在一些示例中，光学元件诸如柱形透镜或球形透镜被称为居中或轴向，以指示具有引导穿过表面曲率中心的中心轴的透镜。在其他示例中，可以使用离轴透镜或透镜片段。光学表面可以具有抗反射或其他涂层，但是这些涂层从所公开的示例中省略。如果在大约1度、2度或5度内，则光束、表面和轴通常被称为平行的。

激光二极管通常从某个小平面发射激光辐射，该小平面在一个方向上比在正交方向上长得多，使得发射的激光辐射在平行于较长小平面维度的方向上具有较小的发散，并且在平行于较小小平面维度的方向上具有较大的发散。平行于并沿着较长小平面维度的轴被称为“慢轴”；并且平行于并沿着较小小平面维度的轴被称为“快轴”。在下面的示例中，通常描述关于快轴的模式耦合和模式。

激射波长是指激光二极管的实际发射波长。此外，由于实际发射波长随温度、驱动电流、激光腔长度而变化，如本文所用，激射波长也指激光二极管可发射的光谱带宽，或其上光学增益为至少峰值增益的50％、75％、80％、90％、95％或98％的光谱带宽。为了产生相干耦合，激光二极管具有共同的激射波长和/或增益带宽重叠。“有源区”通常是指激光二极管的产生光学增益的部分。在量子阱激光器中，量子阱层用作有源区，而在同质结、异质结构和双异质结构激光二极管中，有源区由具有不同带隙的材料之间的结限定。

在以下示例中，描述了所谓的量子阱激光器，其包括基于量子阱的有源区，但是可以使用其他有源区或激光二极管配置，诸如双异质结构激光器。在一些示例中，描述了所谓的分别限制异质结构(SCH)量子阱激光二极管，其中使用通常被称为波导或限制层的附加层。可以使用多量子阱有源区，并且这种量子阱可以由平面结构、量子点阵列或量子线限定。在典型示例中，多个激光二极管发射器由外延生长或以其他方式在衬底上限定，并且位于附近，使得每个有源区中的传播光学模耦合到在至少一个其他激光二极管中传播的光学模式。这种耦合沿着所谓的快轴提供，并且可以通过提供将有源区分离的足够薄或具有合适的折射率差的波导层或包层来获得。慢轴传播和激光二极管几何结构通常与传统的激光二极管结构保持相同。相干耦合可以由从一个有源区到另一个有源区的倏逝耦合产生。在许多实际示例中，有源区由隧道结分开，使得可以用单个驱动电流或电压来激励多个有源区。因为多个发射区中的光学模是光学耦合的，所以这种发射器在本文中称为相干多结激光二极管。

相干耦合可以通过将发射区定位在附近来实现，通常使发射区分开小于5λ、2λ、1λ、0.8λ、0.5λ、0.2λ或0.1λ，其中λ是发射激光束的自由空间波长或激射波长。为了获得这样的间距，限定耦合的激光二极管的各种层被制成足够小，至少那些位于发射区之间的层是这样。可以使用小于2λ、1λ、0.8λ、0.5λ、0.2λ、0.1λ、0.05λ或更小的层厚度。另外，可以调节层之间的折射率差以增强倏逝耦合。可以使用较小的折射率差，诸如小于0.5、0.4、0.3、0.2或0.1的差，并且可以组合厚度和折射率的变化以产生相干耦合。

在一些代表性的相干多结激光二极管中，发射区均匀间隔，而在其他示例中，发射区之间的间距是变化的。通过调节间距，可以产生具有优选光束轮廓的相干光束。在具有两个发射区的典型公开示例中，产生对称模中的发射，诸如最低阶模或具有中心最小值的反对称模。相干耦合在远场辐射图案中产生显著的效应，因为由组合发射区产生的相干发射基于组合发射区的尺寸而发散(即，衍射)。

根据所选材料，可以制造用于在宽波长范围内工作的相干多结激光二极管。例如，此类激光二极管可由InGaN、AlGaInP、GaAlAs、InGaAs、GaAsP、InGaAsP、InGaAsNSb、GaInAsSb制成，波长范围从至少约400nm(InGaN)到约3.4μm(GaInAsSb)。

在一些示例中，量子阱激光器包括基于高掺杂层的隧道结，其通常表现出光学损耗，使得由多个有源区之间的耦合产生的模式倾向于在与隧道结相关联的输出光束位置处具有相对最小值。因此，对于典型的相干双结激光二极管，输出模式具有中心最小值，并且通常不产生最低阶对称模。虽然这种模式有两个波瓣，但波瓣相位相差180度。在一些公开的示例中，提供了相位掩模或其他光学器件，其补偿该相位差，使得即使光束强度具有中心最小值，输出光束也具有恒定的相位前沿。

相干双结激光二极管

参考图2A，代表性的相干双结激光二极管200包括第一有源区221和第二有源区222。通常，选择第一有源区221和第二有源区222的组合物以在基本上重叠的光谱带上提供光学增益，并且在一些情况下，在几乎相同的光谱带上提供光学增益。然而，在其他示例中，选择不同的、独特的或广泛分离的频谱增益带宽。第一有源区221位于外p波导层208和内n波导层212之间；第二有源区222位于内p波导层228和外n波导层232之间。p覆层206与p波导区208接触，p盖层204将p覆层206和顶部触点202分开。第二有源层222位于形成在n衬底236上的n覆层234上。波导层208,212和第一有源区221形成第一激光二极管210；波导层228,232和第二有源区222形成第二激光二极管230。第二激光二极管230和第一激光二极管210由n间隔物覆层220、隧道结231和p间隔物覆层224分开。

相干双结激光二极管200的代表性层厚度在下表中提供。基于预期的波长或波长范围来选择材料和组合物，并且层厚度是根据预期的自由空间激射波长。

层描述	厚度(λ<sub>0</sub>)	折射率	掺杂
				p盖层			p掺杂
p覆层		3.1	p掺杂
				外p波导	1	3.4	p掺杂
有源区
				内n波导	1	3.4	n掺杂
n间隔物覆层	0.2	3.2	n掺杂
				隧道结
p间隔物覆层	0.2	3.2	p掺杂
				内p波导	1	3.4	p掺杂
有源区
				外n波导	1	3.4	n掺杂
n覆层		3.1	n掺杂
				n衬底			n掺杂

图3A至图3B示出了在诸如图2A所示的885nm相干双结二极管中的基本(对称)模(本文称为对称相干模或SCM)的模拟快轴近场强度和远场强度。远场发散比如图1B所示的单结和非相干双结激光二极管的远场发散减小约60％，而近场发散比如图1A所示的非相干双结激光二极管的近场发散减小约33％。在输出功率为20W时，相干双结二极管的快轴亮度为约70.6W/mm-mrad，即分别是885nm单结激光二极管和非相干双结激光二极管的2倍和3.7倍。图3A至图3B还示出了885nm相干双结二极管中的反对称相干模(ACM)的模拟快轴近场强度和远场强度。ACM具有关于光束中心基本上对称的强度分布，但是光束波瓣302,304具有相差180度的相位。这种模通常减少了由于在分隔两个激光二极管的隧道结处的吸收引起的光学损耗。尽管ACM的远场具有两个异相波瓣302,304，并且比对称模的远场宽得多，但它仍然略小于图1A至图1B中所示的单结和非相干双结的远场。在一个示例中，由相干双结激光器产生的反对称相干模的亮度是34.6W/mm-mrad，这与885nm单结的相当，并且比非相干双结设计大大改善。

相干三结和多结激光二极管

参考图4，三发射器堆叠400包括激光二极管410,420,430，每个激光二极管包括有源区和波导层。激光二极管410,420,430分别由隧道结415,425分隔。如图4所示，激光二极管410,420,430具有共同的构造，但是在其他示例中，一些或全部可以具有不同的有源区和波导层。另外，隧道结415,425可以相同或不同。隧道结或激光二极管层中的层差异可以作为不同的厚度、掺杂剂类型或掺杂浓度来提供。另外，有源区可以包括一个或多个量子阱层，并且二极管410,420,430中的每一个可以具有不同的有源区。间隔物或包层也可以变化。

图5示出了相干多发射器激光二极管500，其包括激光二极管510₁,510₂,...510_N，这些激光二极管由隧道结515₁,515₂,...515_N-1分隔，其中N是正整数。激光二极管510可以全部相同或不同，并且可以由具有相同或不同层组合物、厚度或掺杂的隧道结515分隔。

反对称相干双结激光二极管

参考图6，代表性的相干双结激光二极管600包括第一有源区610和第二有源区630。第一有源区610位于外p波导层611和比外p波导层611薄的内n波导层612之间；第二有源区630位于内p波导层631和具有基本上相同厚度的外n波导层632之间。在其他示例中，内p波导层631比外n波导层632薄。通常，独立地选择层厚度以提供光学耦合。第二有源区630和第一有源区610由n间隔物覆层614、隧道结615和p间隔物覆层616分隔。在图6的示例中，p间隔物覆层616比n间隔物覆层614薄。可以优选地调节一些或所有层厚度，并且图6仅示出了一个示例。

相位补偿

相干多结激光二极管通常产生在光束轮廓内具有一个或多个强度最小值的光学输出光束。这些最小值是由与耦合激光二极管的有源区域的隧道结相关联的光学损耗引起的，因为这些损耗倾向于排斥最低阶模。另外，与高阶模相关联的强度瓣也与相位差相关联。这种相位差可以用激光二极管外部的相位补偿器补偿，以便减少或消除相消干涉并导致减少光束发散。相位补偿器可以被放置在近场区域或远场区域中或中间区域中。例如，可以修改具有中心最小值的反对称模以将光束亮度增加到接近可以用对称的最低阶模实现的亮度的水平。参考图7，相干多结激光二极管700包括由隧道结和包层706分隔的第一激光二极管702和第二激光二极管704。第一激光二极管702和第二激光二极管704产生相应的光束712,714，这些光束被引导通过相位掩模730到达准直透镜733以产生组合光束734。相位掩模730包括被布置成在光束712,714之间引入额外的180度相移的第一区段731和第二区段732。在图7中，相位掩模730位于发射小平面附近或旁边，因此可被称为在近场中；在其他示例中，相位掩模可以被放置在另一位置，诸如在远场中。

利用如图7中所示的相位掩模，异相反对称模可以转换为同相对称模。参见图8B，将近场光束幅度绘制为增长方向的函数。以异相反对称模传播的光束包括异相的第一光束部分802和第二光束部分803。在相位补偿之后，光束以同相对称模传播，该同相对称模包括第一光束部分诸如未补偿的第一光束部分802，和第二光束部分804，第二光束部分对应于反对称模的第二光束部分803但是幅度符号改变，即具有180度的相位变化。该相位补偿将快轴光束发散大致减半，接近如图3A所示的对称相干模的发散，而不改变近场光束尺寸或形状。因此，可以产生优选的反对称相干模，避免隧道结损耗，同时仍然提供与对称相干模中可提供的功率和亮度相当的功率和亮度。

在参考图8B讨论的示例中，在相干双结激光二极管的小平面处或附近施加相位补偿。也可以通过将相位板安置在光束远场中来提供相位补偿。参考图8A中，远场光束幅度被绘制为角度的函数。以异相反对称模传播的光束包括异相的第一光束部分812和第二光束部分813。在相位补偿之后，光束以同相对称模传播，该同相对称模包括第一光束部分诸如未补偿的第一光束部分812，和第二光束部分814，第二光束部分对应于反对称模的第二光束部分803但是幅度符号改变，即具有180度的相位变化。

该方法可应用于有N个结的多结二极管激光器，其中N≥2。如图9所示，激光二极管902₁,902₂,...902_N(这些激光二极管由隧道结904₁,904₂,...904_N-1分隔)分别产生光束906₁,906₂,...906_N。定位相位掩模910以向光束906₁,906₂,...906_N提供选定相位(利用相应的掩模片段910₁,910₂,...910_N)。在这样的配置中，对于产生共同输出功率的N个发射器，可以获得N倍于单发射器亮度的输出光束亮度。在上面的示例中，相位掩模位于光束的近场区域中，但是如果是优选的，则也可以使相位掩模位于远场区域中。

模拟厚度和折射率对比

多结二极管激光器中不同结的激射模式之间的相干耦合可以增加输出光束亮度。这种多结激光二极管的设计参数包括与每个有源区相关联的波导光学厚度、有源区之间的间隔物包层光学厚度，以及波导和间隔物包层之间的折射率差。作为示例，在参考图2A至图3B描述的885nm双结设计中，如对称相干模具有3.57μm的近场光束宽度(e^-2)和18.3度的远场全宽(e^-2)，因此具有光束参数积BPP＝0.283mm-mrad。可以通过增益和波导选择来实现SCM中的激射，以改善ASM模式上的模态区分，或者通过ACM的外腔相位调制。在任一种情况下，可以通过两个激光器结的激射模式之间的耦合来保持相干性，并且优选地通过以一种单模式(对称模或反对称模，但不是两者)激射来保持相干性。

变化的(增加的)间隔层厚度的影响示于图10A至图10D中，其中绘制了具有与图2A的配置相比翻倍的间隔层厚度(约0.8μm厚)的相干双结885nm二极管激光器设计中的对称模和反对称模的模拟近场强度和远场强度。对称模和反对称模分别在两个激光器结中几乎完全分隔，这是由于其间的较厚的间隔物包层。实际上，两个激光器结的模式之间的相干耦合几乎消失，并且模式现在接近于在两个非相干激光器结中的模式。两者之间几乎没有模态区别，因此两种模式都会以相对相等的强度不相干地激射。因此，近场类似于图3A中的近场，但是远场发散增大不止一倍(BPP约0.7mm-mrad，也增大不止一倍)。

增大波导和间隔物包层之间的折射率差的影响示于图11A至图11D中，其中绘制了具有与图2A的配置相比翻倍的折射率差(即Δn约0.35)的相干双结885nm二极管激光器设计中的对称模和反对称模的模拟近场强度和远场强度。模式之间的相干耦合几乎完全消失，并且模式接近于由两个非相干激光器结产生的模式，导致更大的约0.7mm-mrad的BPP。

在另一个示例中，波导层的相对厚度可以变化，产生如图12A至12D所示的近场强度和远场强度变化。具体地讲，双结885nm二极管激光器可以在波导层之间具有1.6:1的厚度比。预期两种模式的类似非相干激射以及更大的BPP。注意，波导厚度的不平衡(由此的退相干)可能是无意的。例如，二极管激光器的掩埋结通常更热，因为它离散热器更远，因此其光学厚度更大。可以选择掩埋结的厚度以补偿这种退相干效应。因此，在相干多发射器中，多发射器中的一个或多个可被配置为提供热补偿以在运行期间保持足够平衡。

双异质结构器件

在另一个示例中，相干多发射器激光二极管形成为不具有量子阱的双异质结构器件。参考图13，相干多发射器激光二极管1300包括第一激光二极管1310和第二激光二极管1330，它们由相应的层1308至1309、1311至1312和1328至1329、1331-1332形成。激光二极管1310,1330可以由n间隔物覆层、隧道结和p间隔物覆层分隔，并且顶部触点1342可以位于第一激光二极管1310附近。

组合光束系统

来自多个相干多发射器激光二极管的光束可以以各种方式组合。参照图14A至图14D，参考右手xyz坐标系1480描述二极管激光器组件1400，其中z轴向上延伸出图14A的平面。二极管激光器组件1400包括多组相干多发射器激光二极管1402至1405，它们被设置成将相应的激光束发射到对应的相位掩模、反射器和快轴和慢轴准直仪1412至1415。例如，组1402的激光二极管沿x轴方向发射光束，然后光束由组1412的相应反射器重定向，以便沿y轴方向传播。在一些示例中，不使用相位掩模，而是使用来自多结器件的相干光束而无需额外的相位补偿。每个组的激光二极管沿z轴从相同组的其他激光二极管移位或偏移，并且相关的反射器定位成使得来自该组的激光束不被反射器阻挡。如图14D所示，该组激光二极管1402固定到阶梯式安装座1420，以提供合适的z轴偏移；针对其余的激光二极管组提供类似的安装座。为方便起见，示出了每个组的最底部激光二极管的光束传播轴1422至1425；每组其余的激光二极管的光束传播轴类似，但沿z轴移位。

来自该组激光二极管1402的激光束被引导至半波延迟器1430，然后在偏振分束器1432处与来自该组激光二极管1403的激光束组合，使得垂直堆叠的一组光束1436A(在图14B中示出)入射到可提供为一对柱透镜的光束压缩器1440。来自该组激光二极管1405的激光束被组1415的反射器引导至半波延迟器1434，然后与来自该组激光二极管1404的激光束(在偏振分束器1435处由组1414的反射器重定向)组合，使得垂直堆叠的一组光束1436A入射到光束压缩器1440。

图14B示出了入射到光束压缩器1440的堆叠光束1436A,1436B；图14C示出了离开光束压缩器1440的堆叠光束1456A,1456B，其中光束间隔和单独光束高度两者通过压缩比M＝H2/H1改变。在该示例中，使用基于柱透镜的光束压缩器，并且在z方向上但不在x方向上进行压缩。可以提供附加的压缩器用于在其他方向上进行压缩，或者可以使用具有球形表面的压缩器。

在其他示例中，相干多结发射器可以布置在沿单个轴的垂直堆叠中。参考图15，相干激光二极管子组件1503至1507由夹具1501固定到阶梯式基座1509。通常，相干激光二极管子组件1503至1507中的每一个包括用于控制光束发散的相位掩模和快轴透镜，两者通常都位于输出小平面处或附近。慢轴透镜1523至1526位于夹具1501处，以便相对于阶梯式基座1509固定；慢轴透镜1527固定到另外的透镜安装座1511，该透镜安装座也固定到阶梯式基座1509。当激活时，相干激光二极管产生相应的光束，这些光束沿y轴方向导向但沿z轴移位。光束可以组合并被引导到目标，例如对光纤激光系统的泵浦输入。

多发射器制造和设计

参考图16，代表性方法1600包括在1602处选择多个发射器和发射器间距。在一些情况下，发射器均匀间隔，而在其他情况下，相邻发射器的距离对于每个发射器是不同的。在1604处，选择激光器波导层折射率和厚度。对于量子阱激光器，在1606处，选择隧道结层厚度和折射率。在1607处，可评估所选择的折射率、厚度和间距以验证是否提供相干耦合。在1608处，通过例如外延生长或其他工艺形成层。在1610处，确定是否要制造额外的发射器，并且如果是，则处理返回到选择过程1604,1606。如果不是，则在1612处选择盖层和顶部接触层，并在1614处形成。因为量子阱厚度小，所以它通常不会减弱相干耦合，并且可以在对相干耦合几乎没有影响的情况下根据需要选择和形成。

单波导相干双发射器

参考图17A，单波导相干双发射器激光二极管1700包括由隧道结1720分隔并电耦合且位于衬底上的激光二极管1710,1730。激光二极管1710包括外波导层1708、有源区1711和可以接触隧道结1720的内波导层1712。激光二极管1730包括外波导层1732、有源区1731和可以接触隧道结1720的内波导层1728。p覆层1706与外波导层1708相邻，并且通过p盖层1702和顶部触点1701提供电接触。与图2A的设计相反，没有在隧道结处提供包层，并形成单个波导。

在图17B中，折射率作为位置的函数绘出，表明p覆层1706和n覆层1733之间提供了基本恒定的折射率。图18A至图18B示出了885nm相干单波导双结二极管中的对称和反对称模的模拟快轴近场强度和远场强度。这两种模对应于组合波导的第0阶模和第1阶模(为简单起见，假设隧道结具有与波导相同的折射率)。基本(对称)模的近场与双波导设计明显不同，即近场中没有两个波瓣，而反对称模(近场和远场)看起来基本相同。单波导设计的一个优点是消除了双波导设计中内包层在异质结界面处的电压缺陷。然而，通过选择内包层材料，使波导材料的带偏移小于外部包层材料的带偏移，也可以减轻双波导设计中的电压缺陷。

其他示例

本申请公开了反对称相干双结二极管激光器，其可在快轴中实现稳定的相干耦合，并保持先前非相干双结二极管中展示的高功率和高效率运作。光波导设计和带隙工程用于同时实现：a)多个结中光学模之间的强相干耦合；b)反对称(异相)相干模，其在TJ处具有最小场强，以在激光腔中实现最小固有损耗；以及c)大光腔设计，其具有高功率和高效率的性能。在一些示例中，通过选择TJ中的掺杂浓度、材料、掺杂剂和层厚度，TJ被配置为降低与TJ相关的光学损耗和低电串联电阻。尽管未在图中示出，但可提供脊波导相干多发射器，并且这种器件通常在慢轴上与具有相同发射器宽度的单发射器或非相干多发射器具有相同的多种模式。

图19A至图19C示出了所测得的基于单发射器激光二极管制造的代表性980nm相干双结二极管激光器的性能，所述单发射器激光二极管具有95μm的条宽(慢轴宽度)和3.8mm的腔长。如图19A所示，与单结设计中1.63μm的宽度相比，模拟近场具有约4.12μm的宽度。测得的远场强度(图19B)具有38.4°的发散角，而单结(未示出)的发散角为47.4°。因此，相干双结和单结980nm二极管激光器的快轴光束参数积(BPP)分别为0.68和0.33mm-mrad。反对称相干双结中的BPP虽然是单结中BPP的两倍，但相对于非相干双结发射器已有显著改进，并且可通过外部相位调制减少一半。随着功率翻倍，相干双结发射器的亮度是单结二极管亮度的两倍。如图19C所示，绘制了测得的输出功率、效率和电压与制造的980nm相干双结二极管激光器的驱动电流之间的关系图。图20示出了所制造的另一980nm相干双结二极管激光器的测量的快轴远场强度。波导和间隔物包层之间的折射率对比比图19A至图19C中相干双结二极管激光器中使用的配置高约0.06。从图20可以明显看出，这种折射率对比导致激光器结的模之间几乎完全失去相干性，因此测量的快轴发散与单个激光器结的相似。

对称模耦合

如上所述，来自相干双结二极管激光器(或通常是多结激光二极管)的光束可以组合，以利用例如偏振和波长多路复用产生更高的输出功率。此外，可以组合用于这种二极管激光器的移位光束。对于相干双结激光二极管，参考对称和反对称模描述光束组合比较方便。

来自相干双结976nm二极管激光器的对称模光束的快轴近场和远场强度如图21A至图21B所示。利用对称模光束可方便地提供单个快轴准直透镜(FAC)，其接收来自相干双结激光二极管的两个激光二极管面的光束。此外，可以为每个这样的激光二极管提供单个慢轴准直仪(SAC)，以便也在横向(慢轴)上进行准直。可以使用单个转向镜将相干组合光束引导至光纤耦合光学器件。与单结器件相比，具有相同远场光束扩展的相干双结激光二极管功率倍增，因此可以使用一半的激光二极管和相关的光学元件来实现相同的功率，而基本上相同的BPP与相同结厚度的非相干器件大致相同，且亮度是非相干器件的两倍。在一些情况下，适合于特定应用的光功率可以在具有一半的器件并且/或者没有波长或偏振复用的情况下获得。作为示例，一行六个相干双结激光二极管组件(1乘6配置)产生的功率与两行六个传统激光二极管组件(2乘6配置)基本相同。注意，图22示出了相干双结激光二极管(CDJLD)的1乘6布置2200。

与180度相位板的反对称模耦合

图23A至图23B所示为作为近场位置和沿快轴的远场角的函数的反对称模双结976nm二极管激光器的快轴近场强度和远场强度的代表性示例。虽然快轴近场具有相似的宽度，但是反对称模的快轴远场小于但非常接近非相干单结器件快轴远场的两倍。然而，如果允许一半光束通过π相移器以使光束同相，则远场降低至对称模的远场。这可以通过在一半的光束上插入相位板或在FAC透镜中一半的光束上实施相移来完成。这种单片相移器可以通过选择性地沉积一半光束的光学厚度或选择性蚀刻所需的π相移厚度来实现。光学系统的其余部分可以与对称模相同。

没有相移器的反对称模

在这种情况下，反对称模的快轴远场小于但接近非相干单结器件的两倍，使其小于但接近BPP的两倍。由于双结的功率加倍，器件的亮度等于或略高于传统的激光二极管。即使快轴BPP较高，反对称模的二极管激光器由于数量减少可在快轴中堆叠，使得总体快轴BPP与传统激光二极管阵列大致相同。

相位板和其他相移器

参考图24，快轴透镜(或其他透镜元件)2400包括透镜主体2402和凹陷区域2404。凹陷区域2404可具有足以为透过上部2406A和下部2406B的光束提供π相位差的深度。在一些示例中，凹陷区域填充有具有与透镜主体2402不同的折射率的材料，以产生所选择的相位差。在其他示例中，通过蚀刻形成该凹陷区域。在图27中所示的另一示例中，透镜2700包括透镜主体2702和相移层2704。相移层2704可通过例如电子束蒸发或其他工艺形成。另选地，可提供具有所选折射率的额外相移层2706，使得相移层2704、2706之间的相位差为π。在一些情况下，相移层2704、2706具有共同的厚度，并且可通过减薄相移层2704、2706中的一者或两者来选择相位差。在图27的示例中，透镜2700被示为位于近场中的快轴准直仪，并且通常为柱形透镜。应当注意，相移层和凹陷可设置在任何透镜表面上，例如透镜2400、2700的弯曲或平面表面。

参考图29，透镜2900包括透镜主体2902和位于透镜主体上的相移区域2904。相移区域2904可通过其他材料的沉积、蚀刻或其他工艺形成，并且可方便地位于透镜主体2902的任一表面上。在图29示例中，透镜2900被示为相对于图示的快轴和慢轴的慢轴准直仪。

参考图25，相位板2500包括主体2502和凹陷区域2504。凹陷区域2504可以具有足以为透过上部2506A和下部2506B的光束提供π相位差的深度。在一些示例中，凹陷区域填充有具有与主体2502不同的折射率的材料，以产生所选择的相位差。在图26中所示的另一示例中，相位板2600包括主体2602和位于主体2602上的相移层2604。相移层2604可通过例如电子束蒸发或其他工艺形成。如图28所示，诸如上文论述的两个相位板2802、2804可以相对于彼此定位，以产生合适的相位差。

相移器可以基于预期的应用和所需的波长由光学玻璃、塑料或其他透射材料制成。在其他示例中，可以使用反射相移装置，但是透射器件往往更方便。

虽然参考了众多示例描述了所公开的技术，但这些示例仅为说明性质而不应被视为限制本公开的范围。我们要求保护所附权利要求书所包含的所有内容。

Claims

1.一种多发射器激光二极管，包括：

第一有源区，所述第一有源区与激射波长相关联，并且位于第一内波导层和第一外波导层之间；

第二有源区，所述第二有源区与所述激射波长相关联，并且位于第二内波导层和第二外波导层之间，其中所述第一有源区的所述第一内波导层和所述第二有源区的所述第二内波导层位于所述第一有源区和所述第二有源区之间，并且所述第一有源区和所述第二有源区被定位成使得在所述第一有源区中传播的光束光学耦合到所述第二有源区；以及

相位掩模，相对于所述第一有源区和所述第二有源区设置，以在来自所述第一有源区和所述第二有源区的光束之间产生180度的相移，从而从非对称模产生对称模。

2.根据权利要求1所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层中的至少一个具有使得所述第一有源区和所述第二有源区光学耦合的厚度。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层具有使得所述第一有源区和所述第二有源区光学耦合的厚度。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层具有共同的厚度。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层具有小于所述激射波长的四倍的组合厚度。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层具有小于所述激射波长的组合厚度。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层具有小于所述激射波长的一半的组合厚度。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层具有小于所述激射波长的十分之一的组合厚度。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中所述第一有源区和所述第二有源区的间距小于所述激射波长的四倍。

10.根据权利要求9所述的多发射器激光二极管，其中所述第一有源区和所述第二有源区的所述间距小于所述激射波长。

11.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，还包括位于与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层之间的隧道结，所述隧道结位于第一间隔层和第二间隔层之间，所述第一间隔层和所述第二间隔层分别位于与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层处。

12.根据权利要求11所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和所述第一间隔层以及与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层和所述第二间隔层中的至少一个之间的折射率差小于0.5。

13.根据权利要求11所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和所述第一间隔层以及与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层和所述第二间隔层之间的折射率差小于0.3。

14.根据权利要求11所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和所述第一间隔层之间的折射率差小于0.2，并且与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层和所述第二间隔层之间的折射率差小于0.3。

15.根据权利要求11所述的多发射器激光二极管，其中所述第一间隔层和所述第二间隔层具有小于所述激射波长的四倍的总厚度。

16.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，还包括位于与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层之间的隧道结。

17.根据权利要求16所述的多发射器激光二极管，其中所述隧道结相邻于与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层。

18.根据权利要求16所述的多发射器激光二极管，与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层的折射率和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层的折射率相同。

19.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层限定公共波导。

20.根据权利要求1至2中任一项所述的多发射器激光二极管，其中与所述第一有源区相关联的所述第一内波导层和所述第一外波导层以及与所述第二有源区相关联的所述第二内波导层和所述第二外波导层限定公共波导。

21.一种用于激光准直的装置，包括：

至少一个如权利要求1所述的多发射器激光二极管；和

快轴准直仪，所述快轴准直仪被定位用于将输出光束沿快轴准直；和慢轴准直仪，所述慢轴准直仪被定位用于将输出光束沿慢轴准直。

22.根据权利要求21所述的装置，其中所述快轴准直仪位于所述多发射器激光二极管附近，并且包括相位补偿区域，所述相位补偿区域在光束部分之间产生180度相移，以便从非对称模产生对称模。

23.根据权利要求21所述的装置，其中所述慢轴准直仪位于光束远场中，并且包括相位补偿区域，所述相位补偿区域在光束部分之间产生180度相移，以便从非对称模产生对称模。

24.根据权利要求21所述的装置，其中所述相位掩模具有相位片段，使得所述相移为180度。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的装置，其中所述多发射器激光二极管是相干双结激光二极管。

26.根据权利要求21至24中任一项所述的装置，其中选择所述多发射器激光二极管以产生反对称模或对称模。

27.一种泵浦光纤激光器的方法，包括：

从来自根据权利要求1所述的多发射器激光二极管的第一光束和第二光束的组合产生相干光束；

调整至少所述第一光束或所述第二光束的波前相位；以及

将所述波前相位经调整的光束引导到掺杂光纤以在所述掺杂光纤中产生光学增益。

28.根据权利要求27所述的方法，其中调整所述波前相位以产生对称模或反对称模。

29.一种制造双发射器激光二极管的方法，包括：

在衬底上的至少一个或多个层中限定第一激光二极管；

在所述第一激光二极管之上形成隧道结；

在所述隧道结之上的至少一个或多个层中限定第二激光二极管，其中所述第一激光二极管和所述第二激光二极管光学耦合，以便产生相干的第一激光束和第二激光束，以及

利用相位掩模在来自所述第一激光二极管和所述第二激光二极管的光束之间产生180度的相移，从而从非对称模产生对称模。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一激光二极管和所述第二激光二极管基于与所述第一激光二极管和所述第二激光二极管相关联的有源区的间隔和折射率差中的至少一个而光学耦合。