CN1415128A - 具有发散区的半导体激光器单元 - Google Patents

Abstract

一种耦合到单模光纤的半导体脊形激光器，有一个带有窄平行区的脊、一个发散区，然后一个邻接输出小面的宽平行区。激光器的抽运区可以小于脊的整个区域并具有“T”形。较佳地，脊的深度约350到550nm，窄平行区的长度超过脊整个长度0.4倍。在输出处的宽平行区使激光器能够获得低热阻，产生低工作温度、激光腔的低功率密度和低象散性。

Description

具有发散区的半导体激光器单元

发明背景

本发明一般涉及半导体激光器装置，尤其涉及适合于不用另外校正光具耦合到单模光纤的大功率脊形激光器。

随着光通信的增长，半导体激光器成为电信系统的重要部件。这些激光器器件以相对大功率电平启动高质量光发射，尤是单横模发射。可以使用大功率单模半导体激光器作为泵激光器用于光纤放大器。

在标准半导体激光器中，有源区被嵌入在p-n结中。多层结构在有源区两侧产生高折射率区。于是，平行于各层的光传播可以在有源区引导。

已知脊形半导体激光器具有在激光器中与横向区域比较的增加垂直厚度的区域。通过改变各层的厚度(例如在选择的蚀刻)，可以获得折射率的横向调制，以便以得光引导段。具有较高厚度的区域(通常称脊)比横向区域有较高有效的折射率。折射率阶跃的范围取决于与横向区域有关的脊厚度。因为折射率的实部在脊上比在脊外高，光可以沿着脊引导。该引导机理称为折射率引导。

同样，电流可以通过沉积在p和n侧上的金属接点注入到有源区中。因为光增益作为载流子浓度函数而增加，增益在接点以下的区域高于外面区域，激光会在高增益区域传播。该引导机理称为增益引导。在脊形激光器中，将折射率引导和增益引导二者用作引导机理，每一机理的相对权重取决于由脊所诱发的实数折射率变化以及电流注入。

在条形半导体激光器中，只有增益引导出现在光引导部分。条形激光是载流子的注入经过一个或多个半导体结导致受激发射的装置。该装置上的镜面形成一个腔，其中，当注入电流密度高于某一阈电平时，受激发射会产生激光作用。

为了有效使用于光通信系统，例如作为铒掺杂光纤放大器的泵源，半导体激光器二极管应该能够有效地耦合到单模光纤，后者将传输由激光器所发射的光。常规的激光器是有象散的，需要校正光具补偿发射光的垂直分散，以便有效地与单模光纤耦合。此外，大功率激光器需要另外的校正光具，以便同样在横向方向取得有效光纤耦合。在下面，我们会把该另外校正光具简单地称为“附加光具”。

专利文献和出版物揭示半导体激光器单元的增益引导和折射率引导的各种装置。例如美国专利No.4,251,780揭示多层平面型的注入式激光器，激光器的平面表面上具有条形偏移几何结构。该专利揭示偏移几何结构是非正交于被截取端小面的条形或基底通路并稳定横模。对激光器的条形描述了抛物状或梯形几何形状，以提高横模的控制。在某些实施例中，条形偏移几何形状提供两个抛物段，被耦合到中心直段。

美国专利No.4,942,585揭示的半导体激光器在宽输出小面和窄反射镜小面之间具有一泵激梯形增益中间层。激光器通过一个宽输出小面提供大功率，从而在输出小面上的功率密度足够低，以避免灾难性的光学反射镜的损坏。在与输出相对的增益层的端部上，增益层是平行边缘和折射率引导的，以保证单模输出。在输出端，增益层从平行边缘部分向外发散到输出小面。增益层的整个发散区被泵激，以模拟辐射的发射。

美国专利No.4,349,905揭示的条形半导体激光器具有一个锥形宽度的有源条形区。条形激光器结构具有一对允许低阀电流密度产生激光的宽段、一个窄段以排除不想要的方式的振荡、以及一对连接宽段与窄段的锥形条段。它进一步揭示条形激光器结构具有连接宽段与窄段的单个锥形段。在这里窄段引导输出小面。在该结构中，在需要紧密聚焦光束时，窄条形宽度减小最小图像尺寸。

美国专利No.4,689,797揭示半导体激光器具有一个窄波导段和一个放大器段的有源层。窄波导段提供横模稳定性而放大器段提供大功率激发所需的注入载流子的大储存器。激光器结构进一步包括一个靠近放大器段的反射率在90～97％之间的背小面以及一个靠近波导段的反射率在10％以下的前小面。因此，窄波导段引导该装置的输出。

英国专利申请GB2317744A揭示适合于材料加工的锥形半导体激光器的非相干的阵列，它具有在单片上形成的脊负载或埋入激光器结构。该申请揭示的形成阵列的激光器有直区和锥形区。锥形部分的侧面可以是直的或抛物形，在输出端基本上平行。用这样的方法形成的激光器提供可以聚焦到一个小点的输出，使材料可以充分加热发生化学变化、烧蚀或燃烧。

申请人已注意到已知激光器的设计允许增加功率输出但在低热阻、激光腔的低功率密度和该装置整个电光性方面不提供优点。

此外，申请人已观察到常规的大功率激光器不允许不要另外的光学而有效耦合到单模光纤。

发明内容

申请人已发现一种大功率半导体激光器单元能够以引导段，例如一个脊的合适配置在激光器腔内理想地获得低热阻和低功率密度的高输出功率。此外，申请人已发现，半导体激光器单元具有一个窄平行区、一个发散区。然后邻近输出处小面的一个宽平行区的一个引导段，产生这些有利的结果以及允许耦合到一单模光纤而不用另外的光具。

按照第一方面，现发明涉及发射单模大功率激光的半导体元件，包括一个长度L的光引导部分，在背小面和前小面之间纵向延伸，该光引导部分包括：

一个窄部分，邻接背小面，具有基本平行边(宽度W1和长度L1)，用于引导单模的传播。

一个长度L2，从宽度W1放宽到宽度W3的发散部分，供绝热扩展该单模的传播，

长度L1大于0.4L，光引导部分包括一个宽部分，邻接上述前小面，具有宽度W3和长度L3大于20μm的基本平行边，该宽度W3处于5和20μm这间的范围。

为了组成一个激光器，背小面是高反射涂层，前小面是低反射涂层。

申请人已发现这样的激光器可以在大输出功率的情况下获得高可靠性。这使激光器特别适合于抽运光放大器的水下用途，鉴于维护的高费用，其可靠性是一个关键性的问题。

为了组成一个光放大器，两个所述小面是抗反射涂层。

在一个实施例中，该发射激光的波长大约980nm。在该实施例内，W3较佳地包括在5和11μm；较佳地，W1是包括在3和5μm之间。

有利地，L3至少是0.04L。

最好地，L3至少是0.1L。

有利地，L1低于0.8L。

有利地，L2大于100μm。

较佳地，发散部分有发散角低于2.5°的直边。

按照一个不同实施例，发出激光的波长大约1480nm。

一般，半导体单元包含垂直方向的多个层。

按照一个较佳实施例，脊限定在上述多个层的至少一个上层上，从而确定光引导段。

半导体单元有利地包含具有顶部和底部表面的有源层；在有源层的每一个顶部和底部表面上的芯层具有折射率n，这里n是随着有源层的距离而减少；在每一层芯层上的包层，在一层包层上面的上部薄层以及另一层包层的基底层。

一般，抽运电极限定在脊的表面上。抽运电极可以限定在该脊的整个表面上。另一方面，抽运电极是T-形的，它具有光引导段的窄和发散部分上的宽度W1以及在光引导段的宽部分上的宽度W3。按照又一替代实施例，抽运电极是宽度W1的条。

按照第二方面，本发明涉及一个用于发出单模大功率激光的引线半导体单元有关，包含一个在背小面和前小面之间纵向延伸长度L的光引导段，光引导段包含一个邻接背小面的窄部分，具有基本平行边，(宽度W1和长度L1)，用于引导单模的传播，一个长度L2的发散部分，从宽度W1放宽到W3，用于绝热地扩展单模的传播。

光半导体单元耦合到具有模场直径MFD的单模光纤，长度L1大于0.4L。光引导段包含一个邻接前小面的宽部分，具有宽度W3和长度L3(大于20μm)的基本平行边。宽度W3是在0.6MFD和1.4MFD之间的范围。

较佳地，宽度W3是在0.85MFD和1.15MFD之间的范围。

较佳地，与所述单模光纤的耦合是对接耦合。

按照第三方面，现发明涉及一个光纤放大器，它包括一稀土掺杂光纤，一引出线光导体单元如上所示，用于提供抽运发出，和分色耦合器，适合于将抽运辐射耦合到稀土掺杂的光纤。

应该清楚以上一般说明和以下详细说明只是示范性的和解释性的，意图是提供对所主张的本发明的进一步理解。以下说明以及发明的实践提出和建议发明的另外优点和用途。

附图说明

编入并组成本说明书一部分的附图说明发明的实施例，与说明结合在一起用来解释本发明的优点和原理。

图1是一个平面图，说明按照本发明一个实施例的半导体激光器。

图2是按照本发明半导体激光器的垂直层状结构的横断面视图以及层状垂直结构的能隙和折射率的示意说明。

图3是图1半导体激光器内脊的部分顶视图，具有“T”形接点，供对一部分脊进行抽运。

图4是图1半导体激光器内脊的部分顶视图。

图5是图1半导体激光器内脊的部分顶视图，在制造中进行解理。

图6A～6B分别是在脊单模区的长度是400μm时脊形激光器的电磁场和远场剖面的轮廓图，脊总长度750μm、脊绝热区长度750μm，抽运电流350mA。

图6C～6D分别是在脊单模区的长度是200μm时图6A～6B脊形激光器的电磁场和远场剖面的轮廓图。

图7A～7B分别是在脊单模区的长度是900μm时脊形激光器的电磁场和远场剖面的轮廓图，脊总长度1500μm、脊绝热区长度200μm，抽运电源650mA。

图7C～7D分别是在脊单模区的长度是400μm时图7A～7B脊形激光器的电磁场和远场剖面的轮廓图。

图8A～图8分别是三个代表性激光器在横向和纵向上有源层内的温度分布图，总脊长度1250μm。

图9A～9B分别是三个代表性激光器在横向和纵向上有源层内的温度分布图，总脊长度1500μm。

图10A～10B分别是图8A～8B以及图9A～9B三个代表激光器纵向沿着腔体的峰值功率分布图。

图11是与常规激光器比较，按照本发明的激光器的输出小面上光束强度分布图。

图12是与常规激光器比较，按照本发明的激光器输出小面上光束相位分布图。

具体实施方式

现在参照本发明各种实施例，它的例子在附图中表示出来，来自本发明的说明是明显的。在附图中，只要有可能，在不同的图中，相同参考编号代表相同或类似的单元。

图1说明按照本发明较佳实施例的半导激光器单元100的平面图(不按比例)。在一常规形式中，激光器100包括一系列的材料层。激光器100的具体较佳垂直结构在图2示意地示出。具体地，激光器100的垂直结构包含一个梯度折射率分别约束异质结构200(GRIN区域)，夹在两个Al_xGa_1-xAs包层202，202’之间，其中x是一般低于0.4。在一个较佳的例子中，x＝0.27。包层202，202’的厚度典型地约1-2μm。

GRIN区域200包括两个Al_xGa_1-xAs芯层200b和200’。芯层200b位于GRIN区域的下部，芯层200b’位于上部。在层200b和200b’内，Al水平x逐渐地从接近202或202’的每一代表层的边缘减小到接近x＝0.1的数值。图2还示意地示出经过垂直层能隙Eg和折射率n。如所示，能隙减少，折射率从包层202，202’开始向有源区200a增加。众所周知，在半导体材料中，折射率的增加相当能隙的减少反之亦然。有源区200a夹在层200b和200b’之间。有源区200a用Al_vGa_1-yAs量子阱表示，这里最好y＝0.22。整个GRIN区域200的厚度一般约0.2～2μm。单有源层200a的厚度一般为6～7nm。

半导体激光器单元100的垂直结构还包含n掺杂GaAs基底层204和p掺杂GaAs薄层206。GaAs基底层204的厚度一般是100μm或以上。在由申请人所试验的一个较佳实施例中，基底层204厚150μm。上薄层206厚差不多100nm。两个GaAs层204、206获得一个p-n结。特别是，上层206是重p掺杂，以通过电流注入获得抽运的欧姆接触。

图2和图1中，上层202’和206一般用参考编号201结合作为一组，下一层用参考编号203作为一组。

虽然图2说明半导体激光器单元100的垂直结构的一例，其他垂直结构也可以实现。例如交替的结构可以没有量子阱或多于一个量子阱，层的不同厚度，各种层的不同组成和/或半导合金。

参考图1，激光器单元100包括脊102取得折射率引导。一旦已经产生图2所说明的垂直结构，脊102可以在芯片100的上层201上用常规的蚀刻技术产生，以上已逐渐形成。确定脊的蚀刻的深度可以藉助剩余RES测量，它是GRIN区域200的中心和蚀刻表面104之间的距离。RES最好在大约350和550nm之间。

脊102的宽度沿着激光器100的纵向不是恒定的。如图1所示，脊102可以看做为三个部分：第一区域106，第二区域108，第三区域110。第一区域106具有长度L1(较佳地为基本平行边)和宽度W1。这里和以下的说明，“基本平行边”意味着两边之间的发散度低于0.1°。第二区域108长度L2，与第一区域106相反，它有发散边，从宽度W1开始并增加直至宽度W3。第三区域110长度L3(基本平行边)和宽度W3。如图1所示，W3是大于W1。

如上所述，脊102的整个平面可以是p掺杂以便获得激光器装置100抽运的欧姆接触。另一方面，通过留下一些未抽运区可以进行接触。在激光器单元100的一个较佳的抽运方案中，掺杂可以用一个有宽度W1和W3的“T”形抽运电极进行，在这里脊102的发散区未抽运。图3表示这样的一种掺杂配置，带有对一部分脊102抽运的“T”形抽运电极302。在该配置中，宽区域110和窄区域106的整个面积受到抽运，而只有一部分锥形区108受到抽运。在另一个交替配置中，抽运只可以发生在一个条中，它就是窄区域106的宽度并通过锥形区域108和宽区域110延伸。应该清楚可以使用各种抽运的配置而不超出本发明的范围。

邻接脊102的窄区域106b的小面112与脊102垂直，用介质薄膜沉积高反射率涂层，产生大于85％的反射率。邻接宽区域110的小面与脊102垂直。用介质薄膜沉积低反射率涂层，产生低于20％的反射率，最好在15％以下，例如大约9％。从而由高反射小面112(“背小面”)和低反射小面114(“前小面”)限定腔体。通过注入电源，可以产生激光并在腔体中适当地放大。在垂直方向，因为折射率在GRIN区域200较高(见图2)，这样的激光基本上限制在GRIN区域200本身中，最大强度相对于有源层200A。

在横向(横断)时，光引导段是存在脊102的结果，它引起横向的有效折射率分布的变动。从而有效折射率分布在脊102之下的区域较高而在余下的区域较低。这样的结果被称为折射率引导机理。因此在横向，激光基本上被限制在脊102以下的区域中。特别是选择限定脊102深度的剩余RES数量，以使获得适合于横向激光器的单模操作的折射率阶跃。此外，电流注入的抽运导致增益引导。激光器的输出小面是前小面114，接近较宽区域110。激光器的反射波长最好是大约980nm。

另一方面，按照已知技术，通过适当选择它的结构，例如垂直结构和激活材料，就可以适应发明的激光器，以实现在不同波长，例如大约1480nm的发射。

激光器100通过将其耦合到单模光纤(未在图1示出)而引出。在面向激光器的光纤端，形成圆柱形校正透镜，用于只在垂直方向补偿发散度。在横向，不使用另外光具，而使用对接耦合。在该装置中，脊102的第三区域110的宽度W3应相似于单模光纤的模场直径(MFD)。较佳地，使用在发射波长上单模的光纤与激光器耦合。一般说来，W3在约5和20μm之间范围内选择。取决于波长，W3的数值最好是在MFD+40％MFD所规定的范围内选择。更加好地，W3在MFD+15％MFD所规定的范围内选择。

对于约980μm的发射波长，可以有利地使用MFD数值约8～8.5μm的单模光纤。在这种情况下，W3的数值最好是在约5和11μm之间，更加好是在约7和9μm之间加以选择。

图4示意地示出有关几何参数连同纵向(Z)和横向(X)的脊102。三个区域106、108和110具有不同的作用，申请人已发现它们的几何尺寸必须细致地加以确定，以使获得在大功率的激发作用而不降低结构的电光性能，如以下所说明。大功率一般考虑大于约100mW。

在激光器操作时，第一区域106提供横向单模选择，因此第一区域106称为“单模区域”。激光器的单模操作首先由脊102的深度控制。在大功率时，更高阶模可以在腔体内激光振荡时加以触发，这样高阶模的传播必须加以避免以便使能量的最大耦合进入与激光器耦合的单模光纤中。因此，单模区域106必须是充移窄和足够长以使有效地消除高阶模。就是为了作为一个有效的模式滤波器。另一方面，单模区域106的宽度应该足够提供一个良好欧姆接触以及合理的低电流密度。

单模区106的宽度W1可以被优先地选择在包含3和5μm之间的范围内，用于所考虑的较佳发射波长。关于长度L1，由申请人进行的计算机模拟表示，由于L1+L2+L3是总的腔体长度，单模区域106的长度L1应较佳地大于约0.4L，以在大功率下获得稳定激光作用。在该数值以下的L1可导致不良的模选择。

发散区108提供在腔体传播的单模的放宽和放大，使在增加整个光功率的同时降低沿着腔体向输出小面的功率密度。放宽必须绝热地获得，就是没有将能量耦合到高阶模中。绝缘条件限制发散区108的发散度θ角到很小的数值，取决于传播模的横向尺寸。发散区108可以称为一个“绝热区”。对于所考虑的波长范围，较佳地用低于约2.5°的角。更好地是角θ低于1°。由于精通于技术的人可以容易地意识到，发散区108的侧边可以按不同于图4所示直边的其他方法来实现，只要发散度必须绝热地进行。发散区108的长度较佳地大于100μm。

邻接激光器输出小面的宽平行区110提供模的放大并实现相对实施例的几个优点，在这里绝缘区域108终接于输出小面。对于所考虑的波长范围，W3最好是在5和11μm之间的范围。更加好的是在7和9μm之间的范围。

第一个优点是制造过程变得更加方便。参阅图5，激光器可以从一块长芯片500或502开始生产，在其上至少可以组成两个装置。然后可以进行一个解理操作以便分开两个激光器。在芯片500没有宽平行区，而是两个合并的漏斗区域，然后解理必须精确保证可操作的装置。例如，如果芯片500的解理不是精确地在两个漏斗区域的合并处，则段(1)可能适用，但段(2)具有不合格的几何形状，大大地不同于其配对。当长芯片502有宽平行区时，另一方面，解理允许较大公差，从而增加生产量。应用长芯片的本发明实施例的同样不正确解理产生稍微不同的装置(3)和(4)，但实际上具有相同的特性。

图6A～D和7A～D报导脊形激光器各种配置的计算机模拟。图6A～D所报导的结果是用750μm的总腔体长度L、200μm发散区108的长度L2、0.003光引导段的折射率阶跃，以及350mA的抽运电流获得。单模区域的宽度W1是0.6μm，而宽区域W3的最大宽度是9μm。图6A和6C表示GRIN区域中平面的电磁场轮廓图，分别用400μm和200μm的单模区域长度L1获得。正如可以看到，超过200μm的长度提供获得稳定激光作用的理想尺寸。通过比较图6B和6D，可以看到相同的结果(两图分别用L1＝400μm和L1＝200μm画出横向远场的工作状况)。在图6B，可以观察到一个稳定的分布图，而在图6D，由于在高阶模上不良的模选择和相应能量耦合，表示不理想的振荡。

图7A～D的结果是用1500μm的总腔体长度L、200μm锥形区的长度L2、0.003光引导段的折射率阶跃，以及650mA的抽运电流获得。单模区域的宽度W1是4.6μm，而宽区域W3的最大宽度是9μm。图7A和7B分别在GRIN区域的平面以及在输出小面的横向将所获得的结果用900μm单模区的长度L1画出。正如可以看到，获得很稳定的激光作用。图7C和7D画出用400μm单模区域的长度L1获得的相应结果。如可以看到，不希望有的振荡产生。由于单模区域21的窄宽度，最好是避免高峰功率密度，长度L1应该小于约0.8L。

就电阻和热阻而论，由于大截面积包含绝热区域108和宽平行区110，使宽平行区越长，可以获得很低的数值。对于腔体总长度L和宽度W1和W3的固定数值，相比于绝热区域终接在输出小面的装置(例如图5的(1))，本发明的较佳实施例有较大的截面积(例如图5的(3)和(4))。因此按本发明的装置中电阻减小。同样，在脊102中宽平行区110跟绝热区108后的较佳装置中热阻减小。热阻定义为 $R_{\mathrm{TH}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{P_{\mathrm{dissip}}}$

其中ΔT是有源区200和装置基底204之间的温差，P_dissip是在操作时的耗散功率。

较低热阻导致较低工作温度。一般说来，较低的工作温度是有利的，因为可以获得由温度影响所引发的横向折射率分布的相应较低的提高，导致在涉及大功率时能发高阶模的较低的可能性。此外，较低工作温度导致装置的较高可靠性。申请人已发现，由于邻接输出小面114的宽平行区110的出现，本发明的激光器意想不到地提高较低工作温度的有利效果。

图8和图9报导三种激光器所进行的模拟结果，假设脊的不同几何形状的设计：(a)具有常规结构的激光器，脊中无发散区；(b)具有常规结构的激光器，绝热区域的宽区域终接在输出小面；(c)按照本发明的激光器，绝热区域的宽区域以及宽平行区邻接输出小面。对这三种激光器垂直结构以及脊深度、输出功率和装置长度是相同的。单模区域的宽度W1(对于激光器(a)这样的宽度对应于全部脊宽度)是4.6μm。对于激光器(b)和(c)，宽区域W3的最大宽度是9μm。对于激光器(c)，这样的宽度相当于邻接输出小面114的宽平行区110的宽度。表1汇总各个区域的几何形状尺寸。

                          表1

装置	L1(μm)	L2(μm)	L3(μm)
				(a)(b)(c)	1250650650	-600200	--400

正如可以看到，对于激光器(b)和(c)，采用相同的单模区域长度L1。

图8A和8B报导总长度L＝1250μm的装置的结果。图8A画出在输出小面的横向X(见图4)三个激光器的有源层内的温度分布图(关于放在激光器下面的珀耳帖元件温度。它对应于基底204的温度)。图8B画出沿着腔体纵向Z的有源层内的温度分布图(见图4)。

如图8A所示，由于较低功率密度，激光器(b)和(c)与激光器(a)的分布图比较具有较大的分布图。然而，激光器(b)实际上具有激光器(a)的相同温度提高，而激光器(c)有非常低的峰值。应该注意减小量是25％。温度的实质减小允许高功率工作，而激发更高阶模，如前所述。

如图8B所示，激光器(b)和(c)相对于激光器(c)有较低的分布，但激光器(c)沿着整个腔体有最低的温度而明显降低。在Z方向沿着腔体的温度特别是在邻接输出小面的区域内较低。

如图9A～9B所示的更加提高的结果，是图8A～8B的曲线图用该装置的1500μm总长度获得。表2汇总各个区域的几何形状尺寸。

                          表2

装置	L1(μm)	L2(μm)	L3(μm)
				(a)(b)(c)	1250650650	-850200	--650

从表1和表2之间的比较来看，激光器(c)的差异仅仅是在宽平行区110的长度L3(它是650μm而不是400μm)。如图9A～9B所示，在横向和纵向的温度降低对于较长的L3是更加显著。图10A和图10B是图9A和图9B相同激光器沿着腔体峰值功率分布的曲线图。接近样品激光器(c)的输出小面的宽平面区域的有利效果对获得较低峰值功率密度是明显的。

应该注意温度分布和峰值功率分布的有利结果是由于适当选择把宽平行区置于邻接激光器的输出小面，就是在功率较高的区域。这样的结果对斑点尺寸具有小横向尺寸的大功率单模激光器是显著的。该类型的激光器允许通过横向对接耦合有效地连接到单模光纤。对于有较大横向尺寸(在所考虑的发射范围内20μm或以上)的激光器而言，温度分布和峰值功率分布的影响是由于斑点尺寸较大，功率密度较低的事实而减轻。

申请人同样发现，邻接输出小面的宽平行区的长度L3对于本发明的显著效果而言应较佳地至少为20μm。有利地，宽平行区的长度L3应该至少是0.04L。较好地，宽平行区的长度L3应该至少是0.1L。更好地，宽平行区的长度L3应该至少是0.2L。

对按照本发明的300个以上漏斗装置收集可靠性数据，总长度750μm，在不同情况时试验(输出功率范围从200mW到350mW，壳体温度从25℃到70℃，发射波长约980μm)，数据表明按照本发明漏斗结构允许获得的故障率低于常规激光器所获得故障率值(单位FIT)超过40％，常规激光器具有相同的腔体长度L，无漏斗结构，工作于相同的情况(输出功率、壳体温度)。该结果对于可靠性是部件关键问题的应用(例如水下应用)特别显著。

邻接输出小面的宽平行区的其他优点和由激光器的输出小面所发射光束的光学特性有关。

图11表示在输出小面光束强度分布的曲线图。具体地，连续线1102代表按照本发明激光器的光束强度分布，L1＝400μm、L2＝200μm、L3＝150μm。虚线110A表示激光器的光束强度分布，该激光器的发散绝热段连续到输出小面(如以上的激光器(b))，L1＝400μm和L2＝350μm。两个激光器W1＝4.6μm和W3＝9μm。如图11所示，对按照本发明的激光器，光束强度分布1102是较低和较宽的。这导致在输出水平面功率密度的有关降低，这对在涉及大功率时避免光学反射镜的损坏(COMD)是有利的。

图12是图11所述的激光器的输出小面上光束相位分布的曲线图。很明显，本发明的激光器的光束相位分布1202(连续线)相对于有发散区但无宽平行区110的常规激光器的相位分布120A(虚线)是平整的。换言之，按照本发明激光器是很小像散的。这方面是明显的，因为较小像散光束允许功率更有效的耦合到光纤，消除在耦合时需要另外光具。此外，在腔体中有一个有利的效应，因为被腔体内低反射小面反射反回的一部分激光具有平的波前，导致腔体本身非常快耦合。另一方面，在低反射小面上的后向反射之后像散光束导致发散波前，这在腔体内耦合很少有效，结果是腔体内光束的较慢相位稳定。

在下表3中，报导发射波长约980nm的本发明激光器的有利示例结构的几何尺寸。这样的激光器可以耦合在光纤中，功率显著高于150mW。

                          表3

L(μm)	L1(μ)	L2(μm)	L3(μm)
				20001500	900800	1000600	100100

这里所叙述的半导体激光器单元一般可用作掺铒光纤放大器或激光器。通过遵照本说明书的讲授以及选择按照已知技术的垂直结构和激活材料，精通技术的人可以实现其他特定波长上的大功率激光器发射，以提供对掺有其他稀土元素的有源光纤的泵源。所叙述的激光器允许改进现在光纤放大器，在这方面它允许增大放大器增益和/或它的输出功率，允许在其他方面增加可以放大的信道数。此外，本发明激光器可靠性高，这使激光器用于泵激水下光学放大器特别有利。

为精通技术的人所知，光学放大器一般包括一个或一个以上的泵激光器及一条或一条以上掺铒有源光纤或一般掺稀土的有源光纤。泵激光器用一个或一个以上的分色耦合器耦合到有源光纤，例如熔融式光纤耦合器或微光学耦合器。用于水下电信系统的光放大器一般密封在紧密的防水容器内。

对那些精通技术的人很明显可以按揭示的工艺规程和产品作出不同的改型和变支，而不违反发明的范围或精神。从这里所揭示的本发明的说明书和实践考虑，本发明的其他实施例对那些精通技术的人是很明显的。例如，按照以上说明就可以实现使用增益引导机理的条形激光器，具有按照以上描述的引导段的几何形状结构。作为另一个例子，通过提供带有抗反射涂层(AR)的小面，用如上所述的几何结构可以实现半导体放大器。在放大器的情况中，两个小面最好用光纤引出。较佳地，进一步采用倾斜小面(即不垂直于脊)，以减小后向反射。

意图是本说明书和例子只考虑作为典型，本发明的真实范围是由以下申请的专利范围指示。

Claims (22)

1.一种发射单模大功率激光的半导体单元，包含一个长度L的光引导段，在背小面和前小面之间纵向延伸，所述光引导段包含：

接近所述背小面的一个窄部分，具有宽度W1和长度L1的基本平行边，用于引导单模传播，

一个长度L2的发散部分，从宽度W1放宽到宽度W3，用于绝热地扩展所述单模传播，

其特征在于，

所述长度L1大于0.4L，

所述光引导段包含邻接所述前小面的一个宽部分，具有宽度W3和长度L3大于20μm的基本平行边，所述宽度W3是在5和20μm的范围内。

2.如权利要求1所述的半导体单元，其特征在于，所述背小面是高反射涂层，所述前小面是低反射涂层。

3.如权利要求1所述的半导体单元，其特征在于，两个所述小面是抗反射涂层。

4.如权利要求1所述的半导体单元，其特征在于，所述发射激光的波长约980nm。

5.如权利要求4所述的半导体单元，其特征在于，W3是包含在5和11μm之间。

6.如权利要求4所述的半导体单元，其特征在于，W1是包含在3和5μm之间。

7.如权利要求1所述的半导体单元，其特征在于，L3至少是0.04L。

8.如权利要求7所述的半导体单元，其特征在于，L3至少是0.1L。

9.如权利要求1所述的半导体单元，其特征在于，L1低于0.8L。

10.如权利要求1～9之一所述的半导体单元，其特征在于，L2是大于100μm。

11.如权利要求1所述的半导体单元，其特征在于，所述发散部分具有发散角低于2.5°的直边。

12.如权利要求1所述的半导体单元，其特征在于，所述发射的激光的波长约1480nm。

13.如权利要求1所述的半导体单元，其特征在于，它包含垂直方向上的多个层。

14.如权利要求13所述的半导体单元，其特征在于，脊限定在所述多个层的至少一个上层上，由此限定所述光引导段。

15.如权利要求13～14之一所述的半导体单元，其特征在于，它包含一个具有顶部和底部表面的有源层，

具有折射率n的在有源层顶部和底部表面各表面上的芯层，这里n随着离开有源层的距离而减少，

在每一芯层上面的包层，

在包层之一上的上部薄层以及在包层中另一层上的基底层。

16.如权利要求13所述的半导体单元，其特征在于，它包含限定在所述脊的表面上的抽运电极。

17.如权利要求16所述的半导体单元，其特征在于，所述电极限定在所述脊的整个表面上。

18.如权利要求16所述的半导体单元，其特征在于，所述抽运电极是T-形的并具有在光引导段的窄和发散部分上的宽度W1以及在光引导段的宽部分上的宽度W3。

19.一种发射单模大功率激光的引线半导体单元，包含长度L的光引导段，在背小面和前小面之间纵向延伸，所述光引导段包含：

一个接近所述背小面的窄部分，具有宽度W1和长度L1的基本平行边，用于引导单模传播，

一个长度L2的发散部分，从宽度W1放宽到宽度W3，用于绝热扩大所述单模的传播，

其特征在于所述光半导体单元被耦合到具模场直径MFD的单元光纤，

所述长度L1大于0.4L，

所述光引导段包含一个邻接所述前小面的宽部分，具有宽度W3和长度L3大于20μm的基本平行边，

所述宽度W3是在0.6MFD和1.4MFD之间的范围。

20.如权利要求19所述的引线半导体单元，其特征在于，与所述单模光纤的耦合是对接耦合。

21.一种光纤放大器，包含一稀土掺杂光纤、一引线半导体单元，用于提供抽运发射和分色耦合器，适合于将抽运发射耦合到稀土掺杂的光纤。

22.如权利要求21所述的光纤放大器，其特征在于，还包含一个防水容器，所述稀土掺杂光纤，引线半导体单元和分色耦合器密封在所述容器中。

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