CN115249940A - 多波长激光二极管 - Google Patents

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V.罗辛
J.J.莫尔海德
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Abstract

在一些实施方式中，光学设备(例如，单片主振荡器功率放大器(MOPA)二极管)可以包括第一端面；一个或多个前光栅；放大器结构，终止于第二端面；和振荡器阵列，耦合到第一端面和一个或多个前光栅，其中所述振荡器阵列包括被配置成生成多个种子光束的多个单模振荡器，以及其中多个单模振荡器耦合到放大器结构中，使得多个单模振荡器将多个种子光束传输通过一个或多个前光栅并进入放大器结构中。

Description

多波长激光二极管
技术领域
本公开总体上涉及多波长激光二极管和单片主振荡器功率放大器(MOPA)二极管芯片，其包括耦合到一个放大器区域中的多个光栅锁定单模振荡器，使得光栅锁定单模振荡器产生重叠的种子光束(seed beam)，该种子光束有效且均匀地从放大器提取增益，同时减少或消除发射端面上的成丝(filamentation)。
背景技术
术语主振荡器功率放大器(MOPA)指的是一种激光器配置，其包括配置成产生高相干光束的主振荡器(例如，单频激光器)和配置成在保持主振荡器的主要特性的同时增加输出功率的光放大器。一种特殊的情况是主振荡器光纤放大器(MOFA)，其中功率放大器是光纤设备。在其他情况下，MOPA可以包括固态块体激光器(solid-state bulk laser)和块体放大器(bulk amplifier)，或者可调谐外腔二极管激光器和半导体光放大器。虽然MOPA配置通常比直接产生所需输出功率的激光器更复杂，但是MOPA设计可以更容易地达到所需性能(例如，在线宽、波长调谐范围、光束质量和/或脉冲持续时间方面)，因为各种性能方面与高功率的产生是不相关。此外，将现有激光技术与现有放大器(或放大器链)相结合可能比开发具有更高输出功率的新激光器更简单和/或更具成本效益。然而，MOPA设计也带来了各种挑战，例如更高的激光噪声和/或对背反射的敏感性。
发明内容
在一些实施方式中，单片光学设备包括:第一端面；一个或多个前光栅；放大器结构，终止于第二端面；和振荡器阵列，耦合到第一端面和一个或多个前光栅，其中所述振荡器阵列包括被配置成生成多个种子光束的多个单模振荡器，以及其中多个单模振荡器耦合到放大器结构中，使得多个单模振荡器将多个种子光束传输通过一个或多个前光栅并进入放大器结构中。
在一些实施方式中，光学组件，包括:光学设备，包括多个光栅锁定单模振荡器，所述多个光栅锁定单模振荡器被配置成将具有不同波长的多个种子光束传输到共享放大器结构中，其中多个种子光束在共享放大器结构内扩展，以形成由光学设备发射的啁啾光；色散元件，在激光二极管和光纤之间的光路中；和一个或多个准直透镜，将啁啾光耦合到色散元件，其中具有不同波长的多个种子光束以不同的入射角照射到色散元件上，并且其中色散元件被布置成以相应的角度传输多个种子光束，这使得多个种子光束在进入光纤的输出光束中重叠。
在一些实施方式中，封装结构，包括:沿高度方向交错的至少一行多个光学设备，其中所述多个光学设备各自包括:终止于发射端面的放大器结构；包括多个振荡器的振荡器阵列；和光栅阵列，包括将多个振荡器耦合到放大器结构中的一个或多个光栅，使得多个振荡器将多个种子光束传输通过一个或多个光栅并进入到放大器结构中；和波长光束组合器，被布置成接收由多个激光二极管发射的多个光束，并将在输出光束将多个光束对准。
附图说明
图1是说明扩张主振荡器功率放大器(MOPA)二极管示例的示意图。
图2A-2C是与单片MOPA二极管芯片的一个或多个示例性实施例相关的图，该芯片包括耦合到共享放大器区域中的多个光栅锁定的单模振荡器。
图3A-3C是与单片MOPA二极管芯片的一个或多个示例性实施例相关的图，该单片MOPA二极管芯片包括耦合到具有喇叭形几何形状的共享放大器区域中的多个光栅锁定的单模振荡器。
图4-6是说明单片MOPA二极管芯片的一个或多个示例性实施例的图，该芯片包括耦合到放大器区域中的多个光栅锁定的单模振荡器。
图7是示出多芯片封装结构的示例的图。
图8是示出使用单片MOPA二极管芯片的波长光束组合器(WBC)配置的示例性实施例的图，该单片MOPA二极管芯片包括耦合到共享放大器区域中的多个光栅锁定的单模振荡器。
图9A-9B是示出了多芯片封装结构的一个或多个示例性实施例的图，该多芯片封装结构包括具有布置在一个或多个芯片组中的多个单片MOPA二极管芯片的WBC配置。
具体实施方式
示例性实施例的以下具体实施方式参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
低成本、高效率、高亮度、976纳米(nm)锁定的多模泵浦可用于泵浦千瓦(kW)光纤激光器。例如，在976纳米的窄吸收带上对掺镱(Yb)的光纤进行泵浦可能是有用的，因为与在920-960纳米对宽吸收进行泵浦相比，存在大约高四倍的吸收并且光子效率更高。然而，在实践中很少在976纳米的窄吸收带上对掺镱光纤进行泵浦，因为传统的非锁定多模泵浦的发射光谱对于976纳米的吸收带来说太宽。
除了不能很好地匹配976纳米的镱泵浦之外，当芯片被缩放到更高的功率时，传统的非锁定泵浦受到不利的亮度缩放的限制。不良的缩放源于各种因素，包括光束倾向于分裂成分布在发射端面(emission facet)上的多个尖锐的空间峰值(例如，在所谓的“成丝”现象中)。此外，因为最大芯片工作功率通常受到端面上峰值强度的限制(例如，灾难性的光学损伤阈值)，所以芯片工作功率受到峰值强度的限制，而不是受到孔上总平均功率的限制。此外，如果通过增加发射器宽度(例如，在100-200微米(μm)的范围内)来按比例增加芯片工作功率，那么芯片亮度将以不利的速率下降。例如，增加的发射器面积增加了近场尺寸，并且由于增加的宽度增加了发射器的热透镜强度，远场尺寸也增加。即使功率按比例增加，这些和/或其他因素也可能显著降低芯片亮度。
现有的波长锁定多模泵浦虽然通常对窄波长激光泵浦有效，但对于kW光纤激光器市场来说成本相对较高。这些泵浦可以使用外部体积布拉格光栅(external volume Bragggrating：VBG)用于波长锁定，以及偏振光束组合器(PBC)用于亮度增强，这两者都增加了显著的部件成本以及大约5-10％的光学损耗，从而显著增加了每瓦的成本。此外，由VBG耦合回二极管芯片用于锁定的光功率增加了端面负载，并且要求芯片在比非锁定泵浦更低的功率水平下工作。因此，例如，尽管传统的非锁定泵浦的额定功率约为200瓦(W)，但相当的锁定泵浦的每单位成本更高，且额定功率可能仅为150瓦，因此每瓦泵浦功率的成本高得多。即使考虑到锁定波长的好处，这种泵浦对于kW应用来说也不具有成本效益，因此没有得到广泛的接受或使用。
另一种现有的波长锁定技术使用写在多模二极管上的光栅。然而，传统的光栅设计带来了各种挑战，包括需要一种改进的外延设计，其效率和可靠性不如非锁定芯片中使用的外延设计。额外的设计挑战包括光栅反射率对光栅形状的高灵敏度、窄的处理窗口以及仅产生均匀光栅间距的限制，这排除了提供性能优势的非均匀光栅设计。因此，使用写在多模二极管上的光栅的现有技术对于kW应用也不具有成本效益。此外，两种类型的波长锁定泵浦都受到与传统非锁定泵浦相同的功率缩放限制。
图1示出了扩张(flared)主振荡器功率放大器(MOPA)二极管(或半导体激光器)的示例100，其可以用作另一种波长锁定二极管设计。如图1所示，扩张MOPA二极管包括主振荡器110、一个或多个片上光栅(on-chip grating)112、114和扩张放大器120。如图1所示，主振荡器110可以是由两个光栅112、114限定的单模振荡器，或者在某些情况下，光栅112可以由高反射率涂层代替。主振荡器110可以产生光束，该光束通过中心光栅114耦合到扩张放大器120的泵浦增益区域122中，在那里光束被允许扩展到比在纯单模振荡器中可持续的尺寸更大的尺寸。例如，泵浦增益区域122具有扩张几何形状(例如，“喇叭状张开”)，由此泵浦增益区域122在输入端(例如，靠近中心光栅114)具有基本上匹配主振荡器110的输出宽度的第一宽度，并且在输出端具有明显宽于第一宽度的第二宽度。典型地，扩张放大器120的泵浦增益区域122中的宽度增加匹配或仅略大于主振荡器110发射的光束的发散度。扩张放大器120的输出可以通过输出端面130，输出端面130可以具有抗反射(AR)涂层。一般来说，图1所示的扩张MOPA二极管可以产生标称接近单模的输出，因此比上述多模锁定二极管具有更好的光束质量。然而，光束通常由于放大器的热透镜以及不均匀放大和散光而有些失真。其他问题包括放大器面积以及输出功率低于多模二极管，并且效率较低，因为放大器增益不是均匀饱和的，无法实现最佳提取。因此，需要一种低成本、高效率、高亮度、波长锁定的多模泵浦。
本文描述的一些实施方式涉及单片二极管芯片设计，其包括耦合到一个放大器区域中的多个光栅锁定的单模振荡器。在一些实施方式中，单片二极管芯片包括具有至少两个单模种子振荡器(seed oscillator)的振荡器阵列。例如，在一些实施方式中，振荡器阵列可以包括五到三十个单模种子振荡器，可以包括一百个或更多个单模种子振荡器，或者可以包括另一合适数量的单模种子振荡器。在一些实施方式中，单模种子振荡器可以包括在第一(例如，后)芯片端面(chip facet)处或附近的高反射率(HR)涂层或光栅，以及在振荡器阵列的另一端处或附近的一个或多个光栅。额外地或替代地，单片二极管芯片可以包括在振荡器阵列的大部分或全部上延伸的单个光栅，如在分布式反馈激光器中。在任一种情况下，振荡器阵列中的振荡器都被配置成将种子光束传输到共享的宽面积放大器结构中，该结构以涂覆有低反射率涂层(例如，超抗反射(UAR)涂层)的第二(例如，前)芯片端面终止。当种子光束进入放大器并迅速开始重叠时，来自振荡器的种子光束可能发散。例如，当种子光束进入放大器时，每个相应的种子光束可以发散并与一个或多个相邻的光束重叠。以这种方式，种子光束可以共同地完全且均匀地填充放大器区域(例如，种子光束占据的聚集区域覆盖了放大器的整个区域)。此外，因为各种种子光束在进入放大器时可能迅速发散并彼此重叠，所以放大器区域可以在横向方向上具有更均匀的光学轮廓和/或可以提供更均匀的近场。在一些实施方式中，光栅可以具有不同的间距，使得例如输出波长被横向啁啾，这使得能够使用波长光束组合(WBC)来增强单片二极管芯片的亮度。此外，使用WBC能够在不牺牲亮度的情况下实现单片二极管芯片的功率缩放，这可以带来显著的成本节约优势。
图2A-2C是涉及单片MOPA二极管芯片200的一个或多个示例性实施例的图，其包括耦合到共享放大器结构220中的多个光栅锁定的单模振荡器210。如图2A所示，单模振荡器210可以包括：具有在第一端面处或附近的后光栅(未示出)和/或HR涂层230的第一(例如，后)端面；共享放大器结构220，其终止于具有UAR涂层250(或另一种合适的低反射率涂层)的第二(例如，发射或输出)端面；振荡器阵列，其包括耦合到第一端面的多个单模振荡器210；以及一个或多个前光栅240，其位于多个单模振荡器210和共享放大器结构220之间的接口处(例如，以向单模振荡器210提供反馈)。例如，在图2A中，在每个相应的单模振荡器210和共享放大器结构220之间的接口处设置多个光栅240，共享放大器结构220在图2A中具有非扩张的几何形状。或者，在一些实施方式中，单个光栅240可以在振荡器阵列中的所有或大部分振荡器210上延伸，如在分布式反馈激光器中。
在一些实施方式中，如本文所述，振荡器阵列中的单模振荡器210可以被配置成生成多个种子光束，并且多个单模振荡器210可以通过光栅240将多个种子光束传输到放大器结构220中。例如，振荡器阵列通常可以包括N个单模振荡器210，其中N是值大于或等于二(2)的整数。因此，N个单模振荡器210可以产生N个种子光束，该种子光束在图2A中显示为编号为1到N的细光束。在一些实施方式中，N个单模振荡器210都可以为共享款面积放大器结构220播种，由此单模振荡器210发射的种子光束可以随着种子光束进入放大器结构而发散。例如，因为放大器结构220具有比单个单模振荡器210更宽的宽度，所以种子光束在进入放大器结构220时可能发散(例如扩展)，并且可能迅速开始重叠。例如，当种子光束进入放大器时，每个相应的种子光束可以发散并与一个或多个相邻的光束重叠。以这种方式，因为各种种子光束在进入放大器结构220时可以迅速发散并彼此重叠，所以种子光束可以共同地完全且均匀地填充放大器区域，并且放大器区域可以在横向方向上具有更均匀的光学轮廓和/或可以提供更均匀的近场。例如，由各种单模振荡器210发射的种子波束可以具有均匀的波束宽度，使得每个种子波束在放大器结构220内占据相同的面积，并且所有种子波束占据的总面积可以覆盖放大器结构220的整个面积。此外，在图2中，放大器结构220具有非扩张的几何形状(例如，在输入端和输出端具有相同的宽度)，由此向放大器结构220的边缘扩展的种子光束的一部分或者被截断(例如，如同在增益引导的多模二极管中那样)或者被反射回波导的中心(例如，如同在折射率引导的多模二极管中那样)。
在一些实施方式中，图2A所示的单片MOPA二极管芯片200的设计提供了优于现有技术的各种优点。例如，由于来自多个单模振荡器210的更大的总种子功率，以及由于来自单模振荡器210的重叠扩展光束的更大的均匀性，重叠种子光束可以比具有单个种子的传统扩张MOPA更有效地从放大器结构220提取增益。此外，因为种子光束彼此不相干(这可以通过在目标带内写入具有不同波长的光栅来实现，例如分布在973nm到979nm之间)，所以每个种子光束作为平滑的单模光束独立地传播通过放大器结构220，并且整个放大器结构220(特别是在发射端面上)的总功率可以保持高度均匀并且没有成丝。例如，图2B示出了曲线图260，示出了单片MOPA二极管芯片200减少或消除了成丝现象。例如，在图2B中，曲线262示出了来自传统多模发射器的典型成丝光束的面横向强度分布，其中光束包括分布在发射端面上的多个尖锐的空间峰值。相反，曲线264示出了单片MOPA二极管芯片200的面横向强度分布，其包括基本上没有跨越发射端面的空间峰值的稳定强度。
在一些实施方式中，如上所述，多个单模振荡器210可以通过光栅240将各自的种子光束(或“细光束”)传输到放大器结构220中。此外，为了确保种子光束彼此不相干，使得种子光束独立地传播通过放大器结构220，并且发射端面上的总功率高度均匀并且没有成丝，种子光束可以与目标带内的光栅间距图案相关联，并且光栅240可以用目标带内不同的对应波长写入。例如，在一些实施方式中，目标带可以包括分布在973nm到979nm之间的波长，其中，具有最低数值折射率(例如，1、2、…N)的种子光束可具有最低波长，且具有最高折射率的种子光束可具有最高波长，反之亦然。此外，具有中间折射率的种子光束的波长可以根据光栅间距图案在目标带内确定。例如，在一些实施方式中，第一光栅间距图案可以与横向均匀的间距变化相关联，或者第二光栅间距图案可以与最大可能的间距变化相关联，同时所有间距将细光束泵浦波长保持在目标范围内(例如，976nm±3nm)。通常，第一光栅间距图案(具有横向均匀的间距变化)可用于横向均匀的颜色啁啾，第二光栅间距图案(具有相邻种子光束之间最大可能的间距变化)可用于更独立的种子泵浦，从而更大程度地减少成丝。
例如，图2C示出了显示用于不同种子光束(或细光束)的泵浦波长的示例图270。特别地，曲线270示出了第一光栅间距图案的第一曲线272，其具有横向均匀的间距变化，这对于横向均匀的颜色啁啾是有用的。此外，曲线270示出了第二光栅间距图案的第二曲线274，其具有最大可能的间距变化，同时所有间距保持976nm±3nm范围内的细光束泵浦波长，这对于非相干泵浦是有用的。由于成丝减少，单片MOPA二极管芯片200可以以比传统发射器更高的总功率工作，而不会达到灾难性的光学损伤强度阈值。
如上所述，提供图2A-2C作为示例。其他示例可以与针对图2A-2C描述的不同。例如，图2A-2C中所示的部件的数量和布置被提供作为示例。实际上，可以有比图2A-2C所示更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图2A-2C中所示的两个或多个部件可以在单个部件内实现，或者图2A-2C中所示的单个部件可以实现为多个分布式部件。额外地或替代地，图2A-2C所示的一组部件可以执行被描述为由图2A-2C所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
图3A-3C是与单片MOPA二极管芯片300的一个或多个示例性实施例相关的图，该单片MOPA二极管芯片300包括耦合到具有扩张几何形状的共享放大器结构320中的多个光栅锁定的单模振荡器310。例如，如图3A所示，MOPA二极管芯片300可以具有与图2A所示的MOPA二极管芯片200相似的结构，包括：第一(例如，后)端面，其具有第一端面处或附近的光栅(未示出)和/或HR涂层330；共享放大器结构320，其终止于具有UAR涂层350(或另一种合适的低反射率涂层)的第二(例如，发射或输出)端面；振荡器阵列，其包括耦合到第一端面的多个单模振荡器310；以及光栅阵列，其包括将多个单模振荡器310耦合到共享放大器结构320中的一个或多个光栅340。然而，尽管MOPA二极管芯片200中的放大器结构220具有非扩张的几何形状(其导致在边缘处扩展的种子光束被截断或反射)，但是图3A中所示的MOPA二极管芯片300具有扩张的几何形状，其允许种子光束扩展而不会被扩张的放大器结构320的边缘截断或反射。
例如，如图3A所示，放大器结构320可以扩张，使得每个种子光束可以自由扩展通过放大器结构320，而没有横向反射和/或具有减少的截断。耦合到每个相应振荡器310的光栅340可以用不同的波长写入，并且波长可以从阵列一侧的最短波长单调且均匀地变化到另一侧的最长波长(例如，根据光栅间距图案，阵列是“空间啁啾的”，其示例如图2C所示)。图3A中描绘的波长范围(例如，从973纳米到979纳米)大致匹配镱中976纳米吸收带的宽度，因此近似代表用于泵浦镱的优选最大波长范围。最短和最长波长种子的扩展光束分别由附图标记360和362表示，中间光束可以分布在最短和最长波长种子的扩展光束之间。
以这种方式，由于扩张放大器结构320中的自由扩展，图3A所示的MOPA二极管芯片300具有这样的设计，该设计可以使每个种子光束在相应的单模振荡器310的末端保持虚拟单模源，由此可以在MOPA二极管芯片300的下游(例如，发射端面的下游)使用与振荡器阵列的空间啁啾光学匹配的衍射光栅(或类似的色散元件)，从而以波长光束组合(WBC)的形式将光束光学地重新定位在彼此的顶部。在理想的极限情况下，这种WBC设备可以具有覆盖许多波长的真正的空间单模输出，总功率等于或大于传统的多模发射器。作为单模发射器，与用于典型多模发射器的≥100微米相比，MOPA二极管芯片300可以具有几微米量级的有效发射面积。因此，MOPA二极管芯片300的亮度可以比传统的多模发射器高很多倍。此外，MOPA二极管芯片300可以通过向振荡器阵列添加振荡器310并增加发射宽度来进行功率缩放，而不会像传统多模发射器那样降低亮度。
图3B和图3C示出了基于对220微米宽的阵列中具有十五(15)个振荡器的设备进行模拟的曲线图370、380，其中放大器结构逐渐呈锥形(或扩张)到440微米。例如，如图3B所示，曲线图370包括第一曲线372和一组曲线374，第一曲线372表示由十五个振荡器产生的十五个种子光束的总输出强度，而曲线374表示每个单独种子光束的输出强度。此外，如图3C所示，曲线380表示每个单独种子光束的强度，这些种子光束被成像到虚拟腰部(virtualwaist)(例如，种子光束的宽度最窄的位置，通常在种子光束进入扩张放大器结构320的出发点(launch point))。图3B-3C中所示的强度包括热效应和增益饱和效应，并且种子光束在扩张放大器结构320的输出处很好地重叠，并且在虚拟腰部的图像处相当好地分离。
在一些情况下，在通过放大器结构320传输期间，由于诸如热透镜化效应、载流子密度变化和增益饱和等影响，可能存在一些光束失真、转向和/或光束位移。额外地或者可替换地，光栅波长可能不能被完美地控制。因此，在一些实施方式中，WBC可以被设计成显著提高MOPA二极管芯片300的亮度，而不是传统的多模发射器(例如，通过相对于实际发射器宽度将亮度加倍或者等效地将有效发射宽度减小两倍或更多倍)。此外，可以对MOPA二极管芯片300进行各种改进，以减轻光束退化并通常优化性能。
例如，在一些实施方式中，放大器结构320的电接触区域可以被图案化，以实现载流子注入的期望空间变化，从而实现光学增益。具体而言，如果光学增益在放大器结构320上横向均匀，则由于该位置处许多种子光束的重叠，输出端面处的总强度分布可能在中间处达到峰值。因此，在一些实施方式中，可以使用横向增益曲线(transverse gainprofile)，其中沿着放大器结构320的中心的增益相对于在放大器结构320的周边附近的增益减小，由此总功率的分布在整个放大器结构320和输出端面上保持大致平顶(flat-topped)。
额外地或替代地，在一些实施方式中，光栅340附近的区域可以被设计成不被泵浦，使得光栅区域保持恒温，而MOPA二极管芯片300的其余部分被泵浦。通过这种方式，波长可以稳定，并且通过任何WBC光学设备的光束质量可以保持稳定，即使工作电流在低工作电流和全工作电流之间变化也是如此。在一些实施方式中，光栅波长可以被微调，使得阵列啁啾不是完全均匀的，以便预补偿或抵消由放大器结构320引起的任何横向光束偏移(例如，通过热透镜)。在一些实施方式中，振荡器310进入放大器结构320的出发点可以横向定位或以其他方式微调，以计入放大器结构320中的横向光束偏移，和/或可以纵向调谐，以计入放大器结构320中的透镜化效应(例如，透镜强度的变化)。在一些实施方式中，振荡器310进入放大器结构320的出发方向可以被微调，例如，通过弯曲振荡器310(尽管在后端面，振荡器310可以保持垂直)，以便抵消放大器结构320中的波束转向。总的来说，尽管这些改进是针对图3A所示的MOPA二极管芯片300描述的，但是相同或相似的改进可以应用于本文描述的单片MOPA二极管芯片的任何实施方式，并且对于WBC实施方式特别相关。
如上所述，图3A-3C被提供作为示例。其他示例可以与针对图3A-3C描述的不同。例如，图3A-3C中所示的部件的数量和布置被提供作为示例。实际上，与图3A-3C中所示的相比，可以有更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图3A-3C所示的两个或多个部件可以在单个部件内实现，或者图3A-3C所示的单个部件可以实现为多个分布式部件。额外地或替代地，图3A-3C所示的一组部件可以执行被描述为由图3A-3C所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
图4-6是说明单片MOPA二极管芯片400、500、600的一个或多个示例性实施例的图，每个芯片包括耦合到放大器区域中的多个光栅锁定的单模振荡器。
例如，如图4所示，MOPA二极管芯片400可以具有与上面进一步详细描述的MOPA二极管芯片200、300类似的结构，包括：第一(例如，后)端面，其具有HR涂层430和/或在第一端面处或附近的光栅(未示出)；共享放大器结构420，其终止于具有UAR涂层450(或另一种合适的低反射率涂层)的第二(例如，发射或输出)端面；振荡器阵列，其包括耦合到第一端面的多个单模振荡器410；以及光栅阵列，其包括将多个单模振荡器410耦合到共享放大器结构420中的一个或多个光栅440。然而，如图4所示，光栅440可以位于放大器结构420内，并且可以具有弯曲的几何形状，以将发散的种子光束聚焦回相应的波导中。以这种方式，单模振荡器410可以具有更长的有效长度，这可以增加来自每个单模振荡器310的相应种子功率，并使结构在光学上更加稳定。
在另一个示例中，如图5所示，MOPA二极管芯片500可以具有与上面进一步详细描述的MOPA二极管芯片200、300、400类似的结构，包括：第一(例如，后)端面，其具有HR涂层530和/或在第一端面处或附近的光栅(未示出)；共享放大器结构520，其终止于具有UAR涂层550(或另一种合适的低反射率涂层)的第二(例如，发射或输出)端面；振荡器阵列，其包括耦合到第一端面的多个单模振荡器510；以及光栅阵列，其具有将多个单模振荡器510耦合到共享放大器结构520中的一个或多个光栅540。此外，在图5中，MOPA二极管芯片500可以具有在中间被折叠的结构，使得振荡器510和光栅540嵌入放大器结构520内。这样，图5所示的MOPA二极管芯片500可以具有能够更有效地利用芯片面积的结构。在图5所示的设计中，单模振荡器510的一端由后端面的HR涂层530终止，在另一端由高反射光栅540终止。因为波导没有一直延伸到HR涂层530，所以振荡器510包括自由膨胀部分，并且当光束从HR涂层530返回时，不是所有的振荡器光束都被波导重新捕获。结果，振荡器510是不稳定的谐振器，并且来自振荡器510的输出耦合可以通过有多少信号逸出波导(并且继续对放大器结构520播种)来定义。
如本文所述，单片MOPA二极管芯片的一个或多个设计参数可以在不同的实施方式中变化。例如，单片MOPA二极管芯片可以使用非常短的振荡器(例如，0.5毫米长)和长的放大器结构(例如，5毫米长)来实现最大功率。在另一个示例中，该设备可以包括长振荡器，该长振荡器延伸芯片的大部分长度(例如，5毫米长)，具有非常短的共享放大器结构(例如，0.5毫米长)，其中每个种子光束仅与最近的一个或多个相邻种子光束重叠，以在输出端面形成相对均匀的功率分布。
因此，图6示出了单片MOPA二极管芯片600的示例设计，其使用在每个种子光束仅与最近的一个或多个种子光束重叠时提供的自由度，以在输出端面形成相对均匀的功率分布。如图6所示，MOPA二极管芯片可以包括：第一(例如，后)端面，其具有HR涂层630和/或在第一端面上或附近的光栅(未示出)；共享放大器结构620，其终止于具有UAR涂层650(或另一合适的低反射率涂层)的第二(例如，发射或输出)端面；振荡器阵列，其包括耦合到第一端面的多个单模振荡器610；以及光栅阵列，其包括将多个单模振荡器610耦合到共享放大器结构620中的一个或多个光栅640。此外，振荡器210可以延伸MOPA二极管芯片600的大部分长度，并且振荡器210可以各自独立地从后端面处的第一单模宽度(例如，在976nm的波长下为4微米)绝热地扩张到放大器结构620开始处的10-20μm数量级的宽度，这也将是短的，并且仅允许相邻种子的最小重叠达到对输出端面处的功率分布进行平滑所需的程度。以这种方式，绝热扩展的振荡器阵列可以减少放大器结构620中的输出发散和热透镜化效应，这显著提高了亮度，潜在地与由WBC实现的亮度增益相结合。此外，在一些实施方式中，片上光栅640可以是一阶或二阶的，并且可以通过任何合适的技术来制造，包括电子束光刻、纳米压印光刻和/或全息光刻等。
如上所述，提供图4-6作为示例。其他示例可以与参考图4-6描述的不同。例如，图4-6中所示的部件的数量和布置是作为示例提供的。实际上，与图4-6中所示的相比，可以有更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图4-6中所示的两个或多个部件可以在单个部件内实现，或者图4-6中所示的单个部件可以实现为多个分布式部件。此外，或者可选地，图4-6所示的一组部件可以执行被描述为由图4-6所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
图7是示出多芯片封装结构700的示例的图，该多芯片封装结构700可适用于如本文所述的单片MOPA二极管芯片的一个或多个实施方式。如图7所示，多芯片封装结构700可以包括十四(14)个发射器720，它们被布置在两个相对的、偏移的组(bank)701、702中，组701、702可以被安装在具有安装垫715的阶梯表面上，安装垫715提供对发射器720的电接触以及发射器720和支撑基座之间的热接触。每组七个的发射器720的高度从最高到最低、从左到右交错排列。来自每个芯片组701、702的七束光束通过各自的快轴准直器(fast axiscollimator)714，快轴准直器714在它们各自的快轴平面内准直所述光束，并且七束光束穿过相对的光束并从45°转向反射镜740反射，转向反射镜740将七束光束彼此堆叠(未示出)。例如，多芯片封装结构700包括两行711和712的光束准直反射器(BCR)726，其耦合到相应的发射器720并与其光学对准，其中每个BCR 726包括慢轴准直器(slow axis collimator：SAC)730，随后是转向反射镜740。两组堆叠光束在PBC 786处组合，随后使用耦合光学设备788(例如耦合透镜)聚焦到输出光纤799中。在一些实施方式中，使用横向啁啾MOPA芯片作为发射器720，WBC(例如，如图8所示)可以用于提高光束质量，例如，使得宽芯片(例如，200微米或更宽)能够有效地耦合到更小的输出光纤中，例如105μm或135μm(或更小)的芯光纤。
如上所述，图7是一个示例。其他示例可以与图7中描述的不同。例如，图7所示部件的数量和布置是作为示例提供的。实际上，与图7所示相比，可能有更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图7所示的两个或多个部件可以在单个部件内实现，或者图7所示的单个部件可以实现为多个分布式部件。额外地或可替换地，图7所示的一组部件可以执行被描述为由图7所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
图8是示出使用单片MOPA二极管芯片810的WBC配置的示例性实施例800的图，该单片MOPA二极管芯片810包括耦合到共享放大器区域中的多个光栅锁定的单模振荡器。例如，如本文所述，MOPA二极管芯片810可以具有与上文进一步详细描述的MOPA二极管芯片200、300、400、500、600中的任何一个或多个相同或相似的设计(和/或其任何合适的组合和/或变化)。如图8所示，来自MOPA二极管芯片810的啁啾光可以通过快轴准直器(FAC)透镜820和SAC透镜830耦合到色散元件840，在图8中显示为透射光栅。通常，啁啾光可以包括不同的颜色分量(例如，在图8中显示为覆盖波长范围的梯度，Δλ)。如图所示，啁啾光的每个不同颜色分量(以不同的虚线图案示出)可以以不同的入射角照射(例如撞击)到色散元件840上。利用合适的芯片设计、色散和SAC焦距，色散元件840以正确的角度透射每种颜色，使得输出光束彼此对准(例如，与色散元件840成θ0角)。对准的输出光束然后被准直透镜850聚焦到光纤860中。与现有的“闭环”WBC方法相反，图8所示的WBC配置可能不需要来自色散元件840的对振荡器的反馈，导致更高的效率和可靠性。在一些实施方式中，可以以类似于图7所示的多芯片封装结构700的方式安装多个MOPA二极管芯片810。
如上所述，图8是一个示例。其他示例可以与图8中描述的不同。例如，图8所示的部件的数量和布置是作为示例提供的。实际上，与图8所示相比，可能有更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图8所示的两个或多个部件可以在单个部件内实现，或者图8所示的单个部件可以实现为多个分布式部件。额外地或可替换地，图8所示的一组部件可以执行被描述为由图8所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
图9A-9B是示出多芯片封装结构900、950的一个或多个示例性实施例的图，多芯片封装结构900、950包括WBC配置，其中多个单片MOPA二极管芯片布置在一个或多个芯片组中。例如，图9A示出了具有与如图7所示的类似结构的多芯片封装结构900的示例，包括具有多个MOPA二极管的芯片组，这些MOPA二极管可以沿高度方向交错。然而，尽管图7中的多芯片封装结构700包括转向反射镜740，但是在图9A中，每个转向反射镜740由一个透射光栅(TG)代替(由图9A中的虚线表示)。在一些实施方式中，图7中的慢轴准直(SAC)透镜可以用作WBC的变换透镜(transform lens：TL)。在一些实施方式中，半波片(HWP)可以在TL之后，以获得更高的WBC效率，或者在一些实施方式中可以省略HWP。如图9A进一步所示，多芯片封装结构900可以包括一个或多个耦合透镜，例如耦合快轴准直(CFAC)透镜和耦合慢轴准直(CSAC)透镜，其可以用于将多个光束耦合到光纤中。尽管图9A中仅示出了一个芯片组，但是可以以与图7所示和上述类似的方式使用两个相对的偏移芯片组。可选地，图9B示出了示例性多芯片封装结构950，其中使用了一个或多个转向反射镜，并且由转向反射镜下游的单个共享透射光栅执行WBC。在一些实施方式中，可以使用一个芯片组或两个芯片组。如图9B所示，使用两个相对的组，并且在这种情况下，可以消除PBC，并且这两个组可以在透射光栅处空间组合。
如上所述，提供图9A-9B作为示例。其他示例可以与针对图9A-9B描述的不同。例如，图9A-9B中所示的部件的数量和布置被提供作为示例。实际上，可以有比图9A-9B所示更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同布置的部件。此外，图9A-9B所示的两个或多个部件可以在单个部件内实现，或者图9A-9B所示的单个部件可以实现为多个分布式部件。额外地或替代地，图9A-9B所示的一组部件可以执行被描述为由图9A-9B所示的另一组部件执行的一个或多个功能。
前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开进行修改和变化，或者可以从实现的实践中获得修改和变化。此外，本文描述的任何实现都可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实现不能被组合的理由。
如这里所使用的，根据上下文，满足阈值可以指大于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、小于或等于阈值、等于阈值、不等于阈值等的值。
即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各个方面的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各个方面的公开包括每个从属权利要求以及权利要求集中的每个其他权利要求。如这里所使用的，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及具有相同元素的倍数的任何组合(例如，a-a、a-a-a、a-a-b、a-a-c、a-b-b、a-c、b-b、b-b-c、b-b-c、c-c和c-c-c或任何其他排序的a,b,和c)。
除非明确描述，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目或相关和不相关项目的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用。当只打算一个项目时，使用短语“只有一个”或类似的语言。此外，如本文所用，术语“具有”、“包括”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”意在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包括在内，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。
此外，为了便于描述，这里可以使用空间上相对的术语，例如“下”、“下方”、“上”、“上方”等，来描述一个元件或特征与图中所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的方向之外，空间相关术语旨在包括使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同方向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且这里使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2021年4月26日提交的名称为“MULTI-WAVELENGTH LASER DIODE”的美国临时专利申请63/201,359的优先权。在先申请的公开内容被认为是本专利申请的一部分，并通过引用结合到本专利申请中。

Claims (20)

1.一种单片光学设备，包括:
第一端面；
一个或多个前光栅；
放大器结构，终止于第二端面；和
振荡器阵列，耦合到第一端面和一个或多个前光栅，
其中所述振荡器阵列包括被配置成生成多个种子光束的多个单模振荡器，以及
其中多个单模振荡器耦合到放大器结构中，使得多个单模振荡器将多个种子光束传输通过一个或多个前光栅并进入放大器结构中。
2.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中，在所述多个种子光束传输通过所述一个或多个前光栅并进入所述放大器结构之后，所述多个种子光束在所述放大器结构内扩展。
3.根据权利要求2所述的单片光学设备，其中所述放大器结构具有非扩张的几何形状，使得向所述放大器结构的边缘扩展的所述多个种子光束的一个或多个部分被截断或向所述放大器结构的中心反射。
4.根据权利要求2所述的单片光学设备，其中所述放大器结构具有扩张的几何形状，其允许所述多个种子光束在所述放大器结构内扩展。
5.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中所述多个单模振荡器与第一端面处或附近的高反射率涂层或后光栅相关联，并且其中所述第二端面包括低反射率涂层。
6.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中所述一个或多个前光栅被配置成根据光栅间距图案反射不同的波长。
7.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中所述放大器结构包括电接触区域，所述电接触区域根据横向增益曲线来配置，以在空间上改变放大器结构上的光学增益。
8.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中，所述多个单模振荡器在出发(射出？)点将所述多个种子光束传输到所述放大器结构中，所述出发点被定位成预先补偿所述放大器结构中的横向光束偏移或透镜化效应中的一个或多个。
9.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中，所述多个单模振荡器在基于放大器中的光束转向的出发方向上将多个种子光束传输到放大器结构中。
10.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中所述一个或多个前光栅位于所述放大器结构内，并且具有将所述多个种子光束反射回相应波导的几何形状。
11.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中所述多个单模振荡器和所述一个或多个前光栅嵌入在所述放大器结构内。
12.根据权利要求1所述的单片光学设备，其中所述多个单模振荡器沿着从所述第一端面到进入所述放大器结构的出发点的长度绝热地扩张。
13.一种光学组件，包括:
光学设备，包括多个光栅锁定单模振荡器，所述多个光栅锁定单模振荡器被配置成将具有不同波长的多个种子光束传输到共享放大器结构中，
其中多个种子光束在共享放大器结构内扩展，以形成由光学设备发射的啁啾光；
色散元件，在激光二极管和光纤之间的光路中；和
一个或多个准直透镜，将啁啾光耦合到色散元件，
其中具有不同波长的多个种子光束以不同的入射角照射到色散元件上，并且
其中色散元件被布置成以相应的角度传输多个种子光束，这使得多个种子光束在进入光纤的输出光束中重叠。
14.根据权利要求13所述的光学部件，进一步包括:
准直透镜，位于色散元件和光纤之间的光路中，其中准直透镜将输出光束聚焦到光纤中。
15.根据权利要求13所述的光学部件，其中所述色散元件与所述多个光栅锁定单模振荡器的空间啁啾光学地匹配。
16.根据权利要求13所述的光学部件，其中所述光学设备包括具有高反射率涂层的第一端面，并且其中所述啁啾光由所述光学设备经由具有低反射率涂层的第二端面发射。
17.一种封装结构，包括:
沿高度方向交错的至少一行多个光学设备，其中所述多个光学设备各自包括:
终止于发射端面的放大器结构；
包括多个振荡器的振荡器阵列；和
光栅阵列，包括将多个振荡器耦合到放大器结构中的一个或多个光栅，使得多个振荡器将多个种子光束传输通过一个或多个光栅并进入到放大器结构中；和
波长光束组合器，被布置成接收由多个激光二极管发射的多个光束，并在输出光束内将多个光束对准。
18.根据权利要求17所述的封装结构，其中所述波长光束组合器包括多个透射光栅和一个或多个准直透镜，所述多个透射光栅被布置成反射由所述多个光学设备发射的多个光束，所述一个或多个准直透镜被布置成在被所述多个透射光栅反射之后将所述多个光束组合在所述输出光束内。
19.根据权利要求17所述的封装结构，其中所述波长光束组合器包括多个转向反射镜和共享透射光栅，所述转向反射镜被布置成反射由所述多个光学设备发射的多个光束，所述共享透射光栅位于所述多个转向反射镜的下游，以在被所述多个转向反射镜反射之后将所述多个光束组合在所述输出光束内。
20.根据权利要求17所述的封装结构，其中所述至少一行多个光学设备包括彼此相对并且彼此偏移的第一行和第二行。
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