CN110226268A - 双结光纤耦合激光二极管及相关方法 - Google Patents

双结光纤耦合激光二极管及相关方法 Download PDF

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Abstract

激光二极管装置具有第一波导层，该第一波导层包括与具有第二增益区域的第二波导层串联连接的增益区域。隧道结位于第一和第二引导层之间。单个准直器位于从第一和第二波导层发射的激光束的输出路径中。来自单个准直器的光束可以耦合到光纤中。

Description

双结光纤耦合激光二极管及相关方法
技术领域
本发明一般涉及激光二极管，更具体地涉及双结光纤耦合激光二极管及相关方法。
背景技术
激光二极管在宽光谱范围内提供廉价、可靠的高亮度光功率源。许多应用要求光耦合到光纤中以将光从光源传输到目标应用。来自激光二极管，特别是来自边缘发射激光二极管的发射由于像散性、非常高的椭圆纵横比和难以控制发射光的相位前沿而固有地难以耦合到光纤中。
一些专利和出版物已经涉及改进耦合边缘发射激光二极管的能力。例如，参见美国专利号5,212,706A、5,202,706、5,6799,963A、6,535,541和8,848,753。例如，一些专利描述了在边缘发射激光二极管中使用隧道结以通过在单个外延结构中结合多个发射器来增加激光二极管的堆叠密度。还描述了使用具有多个单独光束的边缘发射器，每个光束以不同波长发射激光。该方法可以实现非常紧凑的垂直堆叠以及来自单个芯片的多个波长的发射。
由于难以在p型MOCVD生长的GaN中激活Mg受体，边缘发射的短波长III族氮化物基激光二极管面临着独特的挑战。已经描述了该挑战的解决方案，其中使用隧道结以及多个外延生长步骤来改善掺杂Mg的氮化物的活化。
空间组合技术可用于将来自多个激光二极管的发射耦合到单个光纤中。空间组合通常需要对准多个光学组件，例如透镜、反射器和棱镜。US8848753B2描述了一种技术，其使用空间组合技术改善紧凑形状因子中的耦合，以降低对安装基板上的机械公差的灵敏度，同时通过棱镜的仔细光学对准以将光耦合到光纤中来补偿机械失调(mechanicalmisalignment)。
图1是根据现有技术，表示现有技术的边缘发射激光二极管1的示意图。激光二极管1包括电触点10，用于在重掺杂的p型盖层13处将电流注入外延层12中。电流流过p型盖层13，进入顶部p掺杂的包覆层14，包覆层14具有比相邻的引导层15，17更低的光学折射率。电流通过引导层15进入有源层16，引起负责受激发射的光学增益垫，从而进行激光操作。引导层15，17通常是未掺杂的或轻掺杂的，并形成薄层，该薄层沿着激光腔的长度引导光功率。有源层16或增益介质提供负责受激发射并因此产生激光的光学增益。从底部触点21注入的载流子(电子)同样地穿过基板20、缓冲层19、下包覆层18，并进入有源区。激光发射机制可以容易地理解为载流子通过受激发射的重组从一种类型，例如“空穴”转换为另一种类型“电子”。缓冲层19通常生长在基板20的顶部，以便改善激光的晶体质量并降低杂质浓度。
激光二极管1的有效操作要求光功率限制在垂直和横向尺寸上。垂直引导可以通过将有源层和引导层15,16,17夹在折射率低于引导层15,17的包覆层14,18之间来实现。横向引导或光学限制是由注入的载流子(即增益波导)的横向限制以及脊22的形状而引起的。因此，横向波导通过脊22的形状直接与电流注入相关联。
垂直波导的总厚度可以由引导层和有源层15，16和17的厚度限定。该厚度由激光二极管操作和性能的冲突要求之间的适当折衷决定。激光二极管1的总串联电阻必须保持尽可能低，因为欧姆损耗是激光二极管1内部的主要加热源，这降低了性能并且是限制最大发射光功率的主要因素。通过增加包覆层14,18中的导电率并通过在这些层中加入少量杂质(掺杂剂)来降低电阻。由于在p-n界面附近不发生欧姆损耗，因此引导层15,17在引导/包覆层界面附近名义上是未掺杂的(本征的)或仅轻微掺杂，因为该区域中的载流子传输是由载流子密度梯度(扩散)驱动而不是通过电场(漂移)。
图2是根据现有技术的图1的边缘发射激光二极管1的示意图，以及相应的的折射率和光强度的曲线图。具体地，图2的表2示出了沿激光二极管1的生长方向41的折射率25和光强度26，例如示出了沿着电流方向(与生长方向41对齐)的光强度26的分布，其中p型接触点位于激光二极管1的左侧。光强度26和导电包覆层14,18之间的重叠导致由于自由载流子吸收而导致的损耗。因此，通过尽可能远离光学模式移动掺杂来减轻自由载流子吸收。然而，使掺杂剂阻挡层进一步远离本征区域最终导致串联电阻增加。掺杂剂阻挡层与波导中心的最佳距离由P-I-N二极管结构的耗尽宽度确定。反过来，耗尽宽度是半导体材料的固有特性。因此，垂直波导中光的光强度分布由该基本材料特性所决定。
图3是图1的边缘发射激光二极管1的示意图，图1示出了根据现有技术的激光刻面40处的激光二极管1的光强度。图3示出了相对于图1-2讨论的基本问题的结果。具体地，激光刻面40处的光强度分布的宽度在垂直方向44上比在横向方向45上小得多。从激光二极管1发射的光在电流方向上快速地发散，与激光二极管1的垂直方向44对齐，而横向45的发散小得多。由于电流和光波导之间的固有联系，高功率激光二极管1在激光刻面处表现出非常高的纵横比椭圆近场强度。发射的光也是强烈的像散，这进一步使发射的激光耦合到光学介质中的任务复杂化。垂直于电流方向的轴，例如与横向45对齐，被称为慢轴，并且光学近场可以是大约100微米或更宽，而沿着快轴例如与垂直方向44对齐的光学近场的宽度取决于发射波长，大约为几微米或更小。来自激光的远场发散43也在图3中示出，图3示出了沿慢轴和快轴的光学近场与光学远场的尺寸之间的关系。
可以看出，来自激光二极管1的最终发射因此是椭圆形和像散的，这对于许多应用来说不是最佳的。举例来说，常规的激光二极管1最初需要许多组件来校准激光发射，并且需要额外的组件来聚焦激光发射以用于特定应用。另外，就组件或材料成本以及与制造相关的处理时间而言，激光二极管1的制造成本可能很高。常规技术的另一个缺点是，对于给定的输出功率，激光二极管的前刻面上的光密度集中在垂直方向上，这增加了由于光学镜损坏而导致失效的可能性。
因此，迄今为止，该行业还存在解决上述缺陷和不足的需求。
发明内容
本发明的实施方式提供了一种用于激光二极管装置的系统和方法。简而言之，在架构中，激光二极管装置的一个实施方式尤其可以如下实现。单个外延结构中的第一波导与第二波导串联连接。隧道结位于第一和第二波导之间。单个准直器位于从第一和第二波导发射的激光束的输出路径中。
在该装置的一个方面，单个准直器的光输出被引导到光纤中。
在该装置的另一个方面，校正光学组件位于单个准直器和光纤之间，其中校正光学组件接收单个准直器的光学输出，并且校正光学组件的光学输出被引导到光纤中，其中校正光学组件包括：第二准直器、校正光学设备和聚焦镜头。
在该装置的又一个方面，单个准直器是快轴准直器，第二准直器是慢轴准直器。
在该装置的另一个方面，第一和第二波导中的至少一个还包括：第一和第二包覆层；位于第一和第二包覆层之间的第一和第二引导层以及位于第一和第二引导层之间的有源层。
在该装置的另一个方面，隧道结还包括彼此接触定位的第一和第二重掺杂层。
在该装置的这个方面，第一和第二重掺杂层中的每一个的厚度尺寸基本上在10-40nm之间。
在该装置的这个方面，第一重掺杂层还包括n++层，第二重掺杂层还包括p++掺杂层。
在该装置的这个方面，第一波导的n型包覆层定位成与n++层接触，第二波导的p型包覆层定位成与p++层接触。
本发明还可以视为提供光纤耦合的激光二极管设备。简而言之，在架构中，该设备的一个实施方式尤其可以如下实现。第一引导层连接到单个外延结构中的第二引导层，其中第一引导层和第二引导层中的每一个具有有源层。隧道结位于第一和第二引导层之间，其中隧道结由两个彼此接触定位的薄的重掺杂层形成。公共垂直波导由第一和第二引导层的有源层共享，其中公共垂直波导由接触两个薄的重掺杂层中的一个的第一引导层以及定位成接触两个薄的重掺杂层中的另一个的第二引导层而形成。
在该设备的一个方面，第一和第二引导层中的每一个的有源层还包括量子阱有源层。
在该设备的另一个方面，隧道结的两个薄的重掺杂层还包括n++层和p++层，其中第一引导层是n引导层，第二引导层是p引导层。
在该设备的另一方面，所述第一引导层还包括未掺杂的引导层和邻近所述n++层定位的n引导层，其中所述n引导层接触所述n++层，并且其中所述第二引导层还包括未掺杂的引导层和p引导层，其中p引导层接触p++层。
在该设备的又一个方面，第一和第二引导层的n引导层和p引导层分别具有等于或大于第一和第二引导层的未掺杂引导层的光学折射率的光学折射率。
本发明还可以视为提供将来自边缘发射激光二极管的光输出耦合到光纤中的方法。在这方面，这种方法的一个实施方式尤其可以通过以下步骤广泛地概括：通过在单个外延结构中将第一引导层连接到第二引导层来形成光纤耦合的激光二极管设备，其中隧道结位于第一和第二引导层之间；将第一和第二引导层的光输出发射到单个准直器中；以及将来自单个准直器的光输出发射到光纤中。
在该方法的另一个方面，利用位于单个准直器和光纤之间的校正光学组件来校正单个准直器的光学输出，其中校正光学组件包括：第二准直器、校正光学设备和聚焦镜头。
在该方法的另一个方面，隧道结在第一和第二引导层之间由两个彼此接触的薄的重掺杂层形成。
在该方法的又一个方面，第一和第二引导层的有源层共享公共垂直波导，所述公共垂直波导由与两个薄的重掺杂层中的一个接触的第一引导层以及定位成与两个薄的重掺杂层中的另一个接触的第二引导层而形成。
在该方法的另一方面，第一引导层还包括未掺杂的引导层和邻近n++层定位的n引导层，其中n引导层接触n++层，并且其中第二引导层还包括未掺杂的引导层和p引导层，其中p引导层接触p++层。
在该方法的又一个方面，第一和第二引导层的n引导层和p引导层分别具有等于或大于第一和第二引导层的未掺杂的引导层的光学折射率的光学折射率。
在本发明的又一方面，可以通过在靠近隧道结的深度处将离子注入横向波导的任一侧来将有源区域的横向增益分布与横向波导的增益分布相匹配。
通过研究以下附图和详细描述，本发明的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得显而易见。旨在将所有这些附加系统、方法、特征和优点包括在本说明书内、本发明的范围内，以及由所附的权利要求进行保护。
参考以下附图可以更好地理解本发明的许多方面。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地说明本发明的原理上。此外，在附图中，相同的附图标记表示几个视图中的相应部分。
附图简要说明
图1是根据现有技术的代表现有技术的边缘发射激光二极管的示意图。
图2是根据现有技术的图1的边缘发射激光二极管的示意图和相应的折射率和光强度的曲线图。
图3是根据现有技术的图1的边缘发射激光二极管的示意图，示出了的激光刻面处激光二极管的光强度。
图4是根据本发明的第一示例性实施方式的耦合激光二极管装置的示意图。
图5是根据本发明的第一示例性实施方式的与光学组件一起使用的耦合激光二极管装置的示意图。
图6是根据本发明的第二示例性实施方式的光纤耦合激光二极管设备的示意图。
图7是根据本发明的第二示例性实施方式的图6的光纤耦合激光二极管设备的示意图和相应的折射率和光强度的曲线图。
图8是根据本发明的第二示例性实施方式，相对于常规激光二极管和图6中的光纤耦合激光二极管设备的驱动电流的光功率的曲线图。
图9是根据本发明的第三示例性实施方式的图6的光纤耦合激光二极管的示意图，其中掺杂剂被钝化以限制横向电流流动。
图10是示出根据本发明的第四示例性实施方式的将来自边缘发射激光二极管的光输出耦合到光纤中的方法的流程图。
图11是示出根据本发明的第四示例性实施方式的将来自边缘发射激光二极管的光输出耦合到光纤中的方法的流程图。
具体实施方式
为了克服常规技术的缺陷，本发明提供了利用边缘发射激光二极管的外延层内的隧道结来增加从激光二极管或激光二极管棒耦合到单个光纤的功率的装置和方法，其对用于准直和聚焦光的外部光学元件有宽松要求。串联隧道结通常用于太阳能电池中，由此通过提供堆叠多个p-n结以收集入射太阳能的装置，隧道结能够提高光能转换为电能的效率。根据本发明，可以设计通过导电镜从接触表面之一发射光的激光二极管，称为垂直腔表面发射激光器(VCSEL’s)，以得益于隧道结。隧道结提供了一种方法，通过该方法可以将多个增益区域合并到单个腔中以增加相干功率。虽然增加的光纤耦合功率对于许多应用是有利的，但是本文公开的新颖结构和方法产生了其他不太明显的优点。在一个示例中，隧道结可以包括在两个P-I-N半导体二极管之间的薄的重掺杂的p+-和n++层，以减少沿着快轴的二极管的发散，例如，在边缘发射激光二极管内的电流流动方向上，以提高光纤耦合效率，降低光纤耦合激光二极管的成本。
本发明可能具有的一个益处是使用较少的光学组件来将功率耦合到光纤中。另外，当光发射更对称时，可以减少与光学对准相关的部件成本和处理时间，如本文进一步详细讨论的。当需要更少的组件来校准和聚焦来自激光二极管的发射时，可靠性也得到改善。对于给定的输出功率，激光二极管的前刻面上的光密度减小，因为光功率沿着垂直(外延生长)方向在更大的区域上扩展。因此减少了由于光学镜损坏导致的失效概率。
另外，本发明可用于显著增加沿快轴的激光刻面处的光强度的宽度，从而减少快轴发散，同时光学损耗的增加最小。在一些示例中，相对于常规的激光二极管，发射的光束的亮度可以几乎加倍。
图4是根据本发明的第一示例性实施方式的激光二极管装置100的示意图。具体而言，图4示出了具有两个波导的激光二极管装置100的等距视图和相应的横截面视图，其中相应的增益(有源)层135,141在单个外延结构131中串联连接，其中隧道结138夹在两个波导之间。这里，存在两个(或更多个)非耦合或非相干操作的波导。一个波导，即顶部波导包括重掺杂p型盖层132、p型覆层133、顶部波导层134、发生光学增益的顶部有源区域或层135、顶部波导中的底部引导层136和用于顶部波导的底部n型包覆层137。另一个波导，即底部波导包括p型包覆层139、顶部引导层140、用于光学增益的底部有源区或层141、底部波导142、底部n型包覆层。隧道结138位于顶部和底部波导之间，使得它与顶部波导的底部n型包覆层137和底部波导的p型包覆层139接触。激光二极管装置100还包括缓冲层144和基板145。基板144、底部触点121、顶部触点110和脊122可以类似于常规的边缘发射激光二极管，如相对于图1所描述的。
位于两个波导之间的隧道结138使电流能够从波导中的n型包覆层137流入底部波导的p型包覆层139。当通过隧穿反向偏置时，隧道结138传导电流。图4描绘了具有n型包覆层137和p型包覆层139的隧道结138的放大视图。可以看出，隧道结138可以由非常薄的重掺杂的n++层138a和相邻的非常薄的重掺杂p++层138b形成。两个薄的重掺杂层138a，138b定位成彼此接触，并且每个可以具有大约10-40nm的厚度。
由于激光二极管装置100的两个波导串联连接，所以发射的光功率可以是单个发射器的两倍。两个波导的电压降大约是单个发射器的两倍。应注意，附加波导和隧道结也可用于形成具有多个波导和隧道结的单个发射器。
激光二极管装置100的一个益处是两个波导彼此之间的位置比各自在单独的晶片上生长时可能的位置更近，这允许使用共同的光学组件将来自两个二极管的光功率耦合到光纤中，从而减少组装工作量和部件成本。图5是根据本发明的第一示例性实施方式的与光学组件一起使用的激光二极管装置100的示意图。特别地，图5示出了用于单个发射器或用于由在相同外延结构中垂直堆叠的多个发射器组成的棒的光学组件。如图所示，激光二极管装置100将激光束151,1S2发射到第一准直器153中，第一准直器153可以是单个快轴准直器。描绘了两条激光束151,152，对应于具有两个波导或二极管的激光二极管装置100，但是附加的激光束可以通过附加的波导或二极管发射，这可以根据设计而变化。第一准直器153可以位于由波导发射的激光束151,152的输出路径中，使得激光束151,152可以仅使用单个准直器153进行准直。与常规的耦合二极管阵列相比，本发明的激光二极管装置100可以仅使用单个准直器153来初始校准激光束151，152,常规的耦合二极管阵列在波导之间具有较大的间隔距离，因此需要多个准直器或其它光学设备来处理从波导发射的激光束。
第一准直器153的光输出可以发射到光纤157中，光纤157可以将光能引导到任何期望的位置。可以使用校正光学组件154进一步细化第一准直器153的光学输出，校正光学组件154可以包括各种光学组件。当使用时，校正光学组件154可以位于单个准直器153和光纤157之间，并接收单个准直器153的光学输出，处理光能，并将其输出到光纤157。校正光学组件154，例如可以包括附加准直器155，例如慢轴准直器，以及其它校正光学设备。附加准直器155的输出可以指向聚焦透镜156。可以在慢轴准直器155和聚焦透镜156之间插入附加的校正装置，但是为清楚起见在图5中未示出。然后用聚焦透镜156将校正的准直光束聚焦到光纤157中。这种设计的一个优点是需要更少的组件将两倍的光功率耦合到光纤中。这些优点适用于任何可以使用普通慢轴光学器件的发射器或棒。
图6是根据本发明的第二示例性实施方式的光纤耦合激光二极管设备200的示意图。具体而言，图6示出了具有两个引导层的光纤耦合激光二极管设备200的等距视图和相应的横截面视图，其中相应的增益(有源)层235,241连接在单个外延结构231中，隧道结238夹在单个波导中的两个有源层235,241之间。光纤耦合激光二极管设备200可以类似于相对于图4描述的激光二极管装置100，并且可以包括相对于图4-5描述的任何组件和功能。
如图6所示，光纤耦合激光二极管设备200具有一个波导，其特征在于由两个激光二极管结构形成的单个发射器，两个激光二极管结构例如是顶部和底部二极管，每个分别具有有源层235,241和引导层。顶部二极管结构包括重掺杂p型盖层232、用于顶部二极管的p型覆层233、用于顶部二极管的顶部波导层234、其中发生光学增益的顶部有源区域或层235、顶部激光二极管中的底部引导层236和顶部激光二极管中的底部n型引导层237。另一个激光二极管结构，即底部二极管包括用于底部二极管的p型引导层239、用于底部二极管的顶部引导层240、用于光学增益的底部有源区域或层241、用于底部二极管的底部引导层242、用于底部二极管的底部n型包覆层243。
图6中所示的光纤耦合激光二极管结构类似于图4中的外延结构的非耦合波导，但有一些重要的修改。图4的上部激光二极管的下部包覆层137和下部激光二极管的上部包覆层139由用于底部发射器的底部n型引导层237和p型引导层239代替，每个引导层由与用于每个波导的有源层相邻的引导层相似或甚至稍大的光学折射率的材料形成，与有源层相邻的引导层即分别是底部引导层236和顶部引导层240。
如图所示，隧道结238位于顶部和底部二极管之间，使得它与顶部激光二极管的底部n型引导层237和底部激光二极管的p型引导层239接触。光纤耦合激光二极管设备200还包括缓冲层244和基板245。基板244、底部触点221、顶部触点210和脊222可以类似于图4中所描述的。位于两个激光二极管之间的隧道结238使得电流能够从顶部激光二极管中的n型引导层237流入底部激光二极管的p型引导层239。图6描绘了具有n型引导层237和p型引导层239的隧道结238的放大视图。可以看出，隧道结238可以由非常薄的重掺杂的n++层238a和相邻的非常薄的重掺杂p++层238b形成。两个薄的重掺杂层238a，238b定位成彼此接触，并且每个可以具有大约10-40nm的厚度。
光纤耦合激光二极管设备200的该实施方式实现了亮度增加，同时减小了快轴发散。增加的亮度至少部分地归因于波导是光纤耦合的事实，使得它们相干地发出激光。较慢的快轴发散对快轴准直器施加较不严格的限制，而增加的亮度导致是对于给定光纤数值孔径和激光二极管驱动电流的光纤耦合功率的几乎两倍。在该实施方式中，两个有源层235，241可以共享共同的垂直波导并且相干地操作，意味着来自两个有源层235,241的受激发射导致在单一垂直光学模式中增加的光功率。应注意，选择层厚度和材料成分以获得所需的激光性能可能是重要的。例如，使用较长的腔可以实现非常高的功率。在这样的情况下，可以接受一些波导损耗，以通过将有源层进一步分开来改善亮度。有源层之间的较大间隔减小了模态增益，导致较高的阈值电流，但垂直模式将更宽，这减轻了不对称性，从而提高了光纤耦合效率。
图7是根据本发明的第二示例性实施方式的图6的光纤耦合激光二极管设备200的示意图和相应的折射率和光强度曲线图202。相对于图6-7，示出了用于沿着生长方向31的相干隧道结边缘发射激光二极管200的折射率分布271和快轴近场强度272。图7还示出了有源层235,241作为二极管中的两个量子阱有源层。这些量子阱有源层235,241可以包括一个或多个量子阱。隧道结238位于两个二极管的中间。
图7中描绘的许多特征可以与常规的边缘发射激光二极管的那些不同，因此示出了本发明的一些益处。例如，有源层235,241不像常规方式那样位于与光学模式272的峰值强度相同的位置。另外，产生隧道结237,238和239所需的重掺杂层位于波导的中间。因此，由于自由载流子吸收引起的光学损耗可能高于常规激光二极管的光学损耗，并且模态增益远小于如果有源层的增益与峰值光学强度对准将获得的模态增益。因此，需要更大的电流来引起激光发射。换句话说，用于给定接触面积和腔长度的阈值电流增加。这些缺点可以通过高驱动电流下增加的亮度来补偿，该高驱动电流是由更高的斜率效率、串联连接的p-n结的相干激光以及改进的光束参数引起的。后者是可能的，因为两个有源区235,241可以分开超过一微米。在层特性和厚度的设计时必须注意，以确保最低阶垂直光学模式具有比其它传播垂直模式更高的增益，因此激光开始时优先选择基本垂直模式。
图8是根据本发明的第二示例性实施方式，相对于常规激光二极管和图6中的光纤耦合激光二极管设备200的驱动电流的光功率的曲线图280。在图8的曲线图280中，代表性的曲线描绘了常规的边缘发射激光二极管的输出功率282，例如图1和2中所示的。还示出了相应的电压284。图8中还描绘了图6的光纤耦合激光二极管设备的输出功率286和电压288。从图6-8中可以看出，光纤耦合激光二极管设备200上的正向电压降288大约是常规单结发射器的电压284的两倍。而且，由于到目前为止所讨论的原因，光纤耦合激光二极管设备200的阈值电流高于常规激光二极管的阈值电流。关于光电转换总效率，光纤耦合激光二极管设备200可以不超过常规激光二极管。然而，因为发射是相干的，所以来自光纤耦合激光二极管设备200的亮度将显著更高，使得能够增加可耦合到多模光纤的总功率。类似于第一实施方式，对光学组件的限制也被放宽，因为在比两个等效堆叠激光器或激光棒更小的区域中以更低发散度发射更高功率。
图9是根据本发明的第三示例性实施方式的图6的光纤耦合激光二极管的示意图290，其中掺杂剂被钝化以限制横向电流流动。具体而言，如图9所示，注入离子275以在隧道结的重掺杂区域中的侧面之外，在相对于图6-7讨论的第一和第二引导层的有源层235,241之间钝化掺杂剂。注入的离子使掺杂剂杂质失活，导致局部电阻率增加。由于上量子阱和下量子阱的横向增益分布之间的不匹配，横向电流限制减少了光学损耗。因此，通过限制横向电流，可以使用离子注入来改善总增益和横向(慢轴)光束质量，这用于使底部有源区域241的横向增益分布与上有源区域235的横向增益分布相匹配。横向增益分布的匹配减小了由于增益分布和横向光学模式(多种模式)之间的不匹配导致的光学损失。离子注入可通过工业上使用的任何已知方法实现。图9进一步描绘了横向波导，其包括激光脊222和氧化物钝化211。金属p型接触可以形成与脊222中的顶部p型半导体的欧姆接触。如图所示，离子注入可以特别地指向波导的特定部分，包括在激光脊222的横向外侧的部分，使得离子注入不包括在顶部触点210的正下方和激光脊222的边缘之间。
图10是示出根据本发明的第四示例性实施方式的将来自边缘发射激光二极管的光输出耦合到光纤中的方法的流程图300。应当注意，流程图中的任何过程描述或方框应被理解为表示模块、段、代码部分或步骤，其包括用于在过程中实现特定逻辑功能的一个或多个指令，并且替代实施包括在本发明的范围内，其中可以不按所示或所讨论的顺序执行功能，包括基本上同时或以相反的顺序，这取决于所涉及的功能，正如本发明领域的技术人员所理解的那样。
如方框302所示，通过在单个外延结构中将第一引导层连接到第二引导层来形成耦合的激光二极管，其中隧道结位于第一和第二引导层之间。第一和第二引导层的光输出发射到单个准直器中(方框304)。单个准直器的光输出发射到光纤中(方框306)。
该方法可以进一步包括多个附加步骤，其可以包括相对于图4-9或图11公开的任何步骤、结构或功能。例如，可以利用位于单个准直器和光纤之间的校正光学组件校正来自单个准直器的光学输出，其中校正光学组件包括第二准直器、校正光学设备和聚焦透镜。隧道结可以在第一和第二引导层之间由两个彼此接触的薄的重掺杂层形成。第一和第二引导层的有源层可以共用由与两个薄的重掺杂层中的一个接触的第一引导层以及定位成与两个薄的重掺杂层中的另一个接触的第二引导层而形成的公共垂直波导。第一引导层可以包括未掺杂的引导层和邻近n++层定位的n引导层，其中n引导层接触n++层，并且其中第二引导层还包括未掺杂的引导层和p引导层，其中p引导层接触p++层。第一引导层和第二引导层的n引导层和p引导层分别可以具有等于或大于第一引导层和第二引导层的未掺杂引导层的光学折射率的光学折射率。
图11是示出根据本发明的第四示例性实施方式的将来自边缘发射激光二极管的光输出耦合到光纤中的方法的流程图310。应当注意，流程图中的任何过程描述或方框应被理解为表示模块、段、代码部分或步骤，其包括用于在过程中实现特定逻辑功能的一个或多个指令，并且替代实施包括在本发明的范围内，其中可以不按所示或所讨论的顺序执行功能，包括基本上同时或以相反的顺序，这取决于所涉及的功能，正如本发明领域的技术人员所理解的那样。
图11的方法提供了图10的方法的附加细节。例如，在图11中，该方法可以从多结激光二极管的外延生长开始，其包括在单个外延结构中将第一引导层连接到第二引导层，其中隧道结位于第一和第二引导层之间(方框312)。然后可以对多结激光二极管进行前端处理(方框314)，例如蚀刻、光刻或类似的处理技术。激光二极管的前和/或后刻面可以是镜面涂覆的(方框316)。将芯片回流焊并安装到载体上并粘合到其上(方框318)。快轴准直器被对准并安装(方框320)，并且慢轴准直器被对准并安装(方框322)。对准并安装聚焦透镜或多个聚焦透镜(方框324)。对准并安装光纤(方框326)。然后，首先将第一和第二引导层的光输出发射到快轴准直器中，然后通过慢轴准直器，然后通过一个或多个聚焦透镜，最后发射到光纤中(方框328)。
应该强调的是，本发明的上述实施方式，特别是任何“优选的”实施方式，仅仅是可能的实现示例，仅仅是为了清楚地理解本发明的原理而提出的。在基本上不背离本发明的精神和原理的情况下，可以对本发明的上述实施方式(多个实施方式)进行许多变化和修改。所有这些修改和变化旨在包括在本发明的范围内和本说明书中，并受所附权利要求的保护。

Claims (15)

1.一种激光二极管装置，包括：
在单个外延结构中与第二波导串联连接的第一波导；
隧道结，位于第一和第二波导之间；以及
单个准直器，位于从第一和第二波导发射的激光束的输出路径中。
2.根据权利要求1所述的激光二极管装置，其中单个准直器的光输出被引导到光纤中。
3.根据权利要求2所述的激光二极管装置，还包括位于单个准直器和光纤之间的校正光学组件，其中校正光学组件接收单个准直器的光学输出，并且校正光学组件的光学输出被引导到光纤中，其中校正光学组件包括：
第二准直器；
校正光学设备；和
聚焦镜头。
4.根据权利要求3所述的激光二极管装置，其中单个准直器是快轴准直器，并且第二准直器是慢轴准直器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光二极管装置，其中第一和第二波导中的至少一个还包括：
第一和第二包覆层；
位于第一和第二包覆层之间的第一和第二引导层；以及
位于第一和第二引导层之间的有源层。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的激光二极管装置，其中隧道结还包括彼此接触定位的第一和第二重掺杂层，并且可选地其中所述隧道结的第一和第二重掺杂层中的每一个的厚度尺寸基本上在10-40nm之间。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的激光二极管装置，其中隧道结还包括彼此接触定位的第一和第二重掺杂层，并且可选地其中所述隧道结的第一重掺杂层还包括n++层，并且所述隧道结的第二重掺杂层还包括p++掺杂层，其中第一波导的n型包覆层优选地定位成与n++层接触，第二波导的p型包覆层优选地定位成与p++层接触。
8.一种光纤耦合激光二极管设备，包括：
在单个外延结构中连接到第二引导层的第一引导层，第一引导层和第二引导层中的每一个具有有源层；
隧道结，位于第一和第二引导层之间，隧道结由两个彼此接触定位的薄的重掺杂层形成；以及
公共垂直波导，由第一和第二引导层的有源层共享，公共垂直波导由接触两个薄的重掺杂层中的一个的第一引导层以及定位成接触两个薄的重掺杂层中的另一个的第二引导层而形成。
9.根据权利要求8所述的光纤耦合激光二极管设备，其中第一和第二引导层中的每一个的有源层还包括量子阱有源层。
10.根据权利要求8所述的光纤耦合激光二极管设备，其中隧道结的两个薄的重掺杂层还包括n++层和p++层，其中第一引导层是n引导层，第二引导层是p引导层，
其中所述第一引导层优选地还包括未掺杂的引导层和邻近所述n++层定位的n引导层，其中所述n引导层接触所述n++层，并且其中所述第二引导层优选地还包括未掺杂的引导层和p引导层，其中p引导层接触p++层，并且进一步的，其中第一和第二引导层的n引导层和p引导层分别优选地具有等于或大于第一和第二引导层的未掺杂引导层的光学折射率的光学折射率。
11.一种将来自边缘发射激光二极管的光输出耦合到光纤中的方法，该方法包括：
通过在单个外延结构中将第一引导层连接到第二引导层来形成光纤耦合的激光二极管设备，其中隧道结位于第一和第二引导层之间；
将第一和第二引导层的光输出发射到单个准直器中；以及
将来自单个准直器的光输出发射到光纤中。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括利用位于单个准直器和光纤之间的校正光学组件来校正单个准直器的光学输出，其中校正光学组件包括：
第二准直器；
校正光学设备；以及
聚焦镜头。
13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括在第一和第二引导层之间由两个彼此接触定位的薄的重掺杂层形成隧道结，其中第一和第二引导层的有源层优选地共享公共垂直波导，所述公共垂直波导由与两个薄的重掺杂层中的一个接触的第一引导层以及定位成与两个薄的重掺杂层中的另一个接触的第二引导层而形成，并且可选地，还包括通过在靠近隧道结的深度处将离子注入横向波导的任一侧来将有源层的横向增益分布与横向波导的增益分布相匹配。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中第一引导层还包括未掺杂的引导层和邻近n++层定位的n引导层，其中n引导层接触n++层，并且其中第二引导层还包括未掺杂的引导层和p引导层，其中p引导层接触p++层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中第一和第二引导层的n引导层和p引导层分别具有等于或大于第一和第二引导层的未掺杂的引导层的光学折射率的光学折射率。
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