CN1976146A - 具有亮度保存的波长稳定的awg激光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于激光二极管阵列波导光栅(DAWG)的大功率半导体激光器，其中使用在外腔结构中的阵列波导光栅(AWG)稳定波长。本发明的另一个方面涉及用于有效地耦合光增益元件阵列到AWG。又一特征提供有效的且亮度保持的多个大功率DAWG激光混合进入单个输出。

Description

具有亮度保存的波长稳定的AWG激光二极管

技术领域

[01]本发明涉及了波长稳定的半导体激光源，其中阵列波导光栅(AWG)在外腔中用作光波长稳定元件，本发明具体涉及了大面积(多模式)半导体激光二极管阵列并更具体地涉及系统，该系统通过使用波长和偏振多路复用保持亮度混合多激光源的输出，以此将功率从10瓦扩展到千瓦电平进入单光纤输出。

发明背景

[02]半导体大功率激光器，作为今天商业出售的CW光纤激光器的替代，引人关注有许多理由，其中紧凑的尺寸和高效率是其中最吸引人的。由于双包层光纤的消除，大功率单模式光纤耦合(FC)模块潜在地具有波长多样性(大多数FL是基于1050-1100nm的Yb)、紧凑、提高的效率和增强的可信度的优点。

[03]大功率多模式模块在要求较小的应用中是令人感兴趣的，其中输出功率为100W的范围在25-100微米的纤芯光纤是足够的。它们会具有提升单模式操作约束的新增优势，使这些器件更小、成本更低并且比它们的单模式的对应物更易于制造。

[04]对于要求脉冲输出或极端高亮度的应用，大功率模块可用作非常有成本效益的泵浦(pump)，用于Yb光纤激光器或光盘激光器。一令人感兴趣的特殊区域是泵浦源，用于在双包层光纤中放大皮可秒或毫微微秒的脉冲，其中必须光纤长度极短以减轻脉冲变形，并因此需要非常高亮度的泵浦。

[05]窄波长高亮度泵浦技术以许多方法提高光纤激光效率。首先，严格的波长控制会允许窄的镱吸收线的抽运，该线具有比更宽的915nm线更好的量子数亏损和更高的吸收。其次，高亮度源可使抽运进入更小直径的光纤。传统的条和单发射器，具有相对低的亮度，需要纤维具有较大的内部覆层(典型地400-600微米)，而高-NA聚合物外部包层光纤最终每单位长度具有更高的损失而且它非常长(典型地＞50m)。第三，这些改进的混合会以更低的全部吸收和散射以及更低的阈值功率需求，转换为更短的全部光纤长度。第四，将支持在1040nm的带中的发射激光，其具有更低的量子数亏损。例如在976nm抽运并在1050nm发射激光的影响，与915nm和1100nm相对，会将量子数亏损从83％提高到93％。这种泵浦激光改进的实际结果将使光纤激光器光-到-光的效率在80％的范围内。

[06]最后单模式或多模式模块的光谱的多路复用将使光束达到甚至更高的输出功率而不影响光束的质量。例如，光谱多路复用多个多模式模块可允许构造2-5kW工业截断/焊接直接二极管系统，其将是非常可靠且具有成本效益。这对于目前的基于FL的结构，是颇具吸引力的目前正在探究的替代，其中许多100-200W单模式光纤激光，被空间混合进入多模式输出。

[07]可从单激光器模块获得的功率限制在数瓦特的范围内。为了获得上面提到的各种大功率应用所需的功率电平，必须使用扩展方案，其可有效地混合来自多激光源的功率。

[08]单光混合器不满足基本物理原理的效率需求。相反，可以零理论光损失来制造波长和偏振混合器。为了实现这种混合方式，激光源模块必须实现某些特性。除了产生高输出功率和效率，它们的发射必须是波长稳定在严格的限制内并且具有足够窄的波段以及拥有高光束质量。

[09]为了获得高输出功率和效率，一般使用大面积激光二极管，然而由于它们的尺寸，它们在多横向模式中趋向振荡。这些激光器的大面积输出端面，对于在需要最大亮度的应用中耦合进入单模式光纤，也是一种挑战。

[10]波长稳定技术在单模式(窄条)激光二极管的技术领域是公知的。分布式的布喇格(Bragg)反射体还有分布式的反馈光栅通常集成为激光器结构，但这些展示了随温度的相对高的波长变化，其在大功率环境中是有问题的。其它技术是基于在外腔中使用热稳定的材料，例如法布里-珀罗标准器、自由空间衍射光栅和光纤布喇格光栅。

[11]对于大面积激光器，相似的技术也得到了，然而以所需的效率将它们耦合进入外腔仍是个主要问题。另一稳定的方法包括将输出发射光的谱窄的部分反射回进入大面积激光器。

[12]Bradia Pezeshki等人在美国专利申请20020085594中以Santur公司的名义已经公开了这项方法。在图1中所示的实施例具有多个如用在通信中的DFB激光二极管，耦合进入阵列波导光栅(AWG)，用于在公共输出端混合。这种安排的缺点是在温度变化的情况下，其需要激光波长紧跟WDM器件的通频带。

[13]Robert G.Waarts等人在颁发给SDL公司的美国专利6,212,310中已经公开了另一方法。在图1中显示了实施例，其中多束光纤激光，每个都有不同的波长，通过WDM器件例如熔融锥式耦合器、分色镜或光栅镜，耦合为单个输出。该输出光纤具有在其内合成的布喇格反射体，用于给光纤激光提供一些反馈。这具有和前面例子相似的缺点。

[14]因此，本发明的目的是稳定大面积多模式激光二极管的波长。

[15]本发明的另一目的是给单模式波导或光纤提供这种激光二极管的有效耦合。

[16]本发明的进一步目的是提供器件，其中混合激光发射器阵列的光输出，同时保持亮度，并且进而混合激光发射器的多阵列的输出为单模式或多模式输出，以在数十到数百瓦特中获得大光功率电平。

发明概述

[17]因此，本发明涉及了基于激光二极管阵列波导光栅(DAWG)的高能半导体激光，其中在外腔结构中利用阵列波导光栅(AWG)使波长稳定。

[18]本发明的又一方面涉及了有效地将光增益元件阵列耦合到AWG。

[19]本发明的又一特征将高效和亮度保持的多个大功率DAWG激光的的组合提供入单个输出。

[20]本发明涉及的大功率激光器包括：

[21]第一芯片，其包括多模式半导体波导，用于在预定波长带中提供增益，其中每个半导体波导在一端具有第一反射体；

[22]第二芯片，其包括具有耦合到半导体波导的输入端口和输出端口的阵列波导光栅；

[23]第二反射体，被布置以接收来自阵列波导光栅输出端口的光并且将部分光反射返回进入阵列波导光栅，因此连同第一反射体限定了激光腔；

[24]其中半导体波导尺寸被设置成支持具有波长在预定波长带的光的多个横向模式(multiple transverse mode)的传输；和在第一芯片上的多个横向模式光学耦合到第二芯片上的阵列波导光栅的输入端口。

附图说明

[25]参照代表优选实施例的附图，我们可更加详细地描述本发明，其中：

[26]图1a：包括耦合到阵列波导光栅(AWG)的半导体激光器阵列的现有技术；

[27]图1b：示出了数个通过波分复用器(WDM)共享公共腔反射体的激光器；

[28]图2：单模式二极管-AWG(DAWG)模块设计的例子；

[29]图2b：多模式DAWG模块设计的例子；

[30]图3a，b：DAWG波长的控制、稳定和多路复用的示意图；

[31]图4：用于在增益芯片中实现规定的横向温度曲线(profile)的非均匀条栅距的例子；

[32]图5a、b、c：在增益芯片和AWG芯片之间的快轴耦合技术的截面图；

[33]图6：在增益芯片和AWG芯片之间的慢轴耦合技术的平面图的例子；

[34]图7a：使用2-轴透镜的基本单模式激光二极管条(Sbar)-AWG混合；

[35]图7b：用于消除快轴和慢轴耦合光的高级单模式激光二极管条(Sbar)-AWG混合；

[36]图7c：光斑单模式激光二极管条(Sbar)到AWG输入端上平面透镜的基本耦合，示出了需优化的各种尺寸；

[37]图7d：重叠的光斑单模式激光二极管条(Sbar)直接到AWG输出端上星状耦合区域的高级耦合，示出了需优化的各种尺寸；

[38]图7e：多模式干涉(MMI)条到AWG混合的例子，示出了需优化的各种尺寸；

[39]图8：用于收集和集中光斑二极管发射器的平面透镜阵列的例子。在输出端上的单模式波导连接到AWG。修整加热器可纠正在条和AWG PLC芯片之间的校准误差。

[40]图9a、b：在AWG的多路复用侧避免高光强度的技术的例子：可截断平板导向装置(slab guide)(a)，并且横向会聚波允许在自由空间中聚焦(b)。柱状透镜在垂直方向再成像；

[41]图10a：用于达到最新技术发展水平的JDSU 98nm和865nm窄带单模式激光二极管的L-I-V曲线；

[42]图10b：用于达到最新技术发展水平的JDSU 98nm和865nm窄带单模式激光二极管的PCE曲线；

[43]图11a、b、c：空间混合波导输出进入多模式光纤：一维阵列(a)，二维阵列(b)和一维阵列进入矩形纤芯(c)的实例截面；

[44]图11d、e：在两端：在AWG端(d)，和输出端(e)，具有不同布置的光纤阵列带的实例截面；

[45]图12a：DAWG输出的片上波长多路复用的例子；

[46]图12b：空间混合单模式波导进入多模式光纤的例子；

[47]图12c：空间地混合单模式波导进入硅光具座上的单模式光纤阵列的例子；

[48]图13a：用于使用被动波长混合的千瓦系统的全部概念；

[49]图13b：混合DAWG模式的偏振的示意图；

[50]图13c：显示5kW系统及其部件的详细图的实例5kW系统的示意图。该实例系统使用32个经由偏振和波长多路复用混合的DAWG模块；

[51]图14：将与邻近场的通光孔相对的光束传输因子(BPF)和理想光(idealoptics)混合的图。BPF在1.5倍光束腰的通光孔最大-化为0.98；

[52]图15：作为像差的函数的1.5倍光束腰的通光孔的BPF的图。取决于像差的类型，存在通光孔的某些优化；

[53]图16a：使用1.5倍光束腰的通光孔，邻近场的模式化WAVMUX的二维线性图；

[54]图16b：包括像差的WAVMUX光束的远场(Far-field)的二维线性图，其中BPF＝0.60；

[55]图17：代表性的偏振光束混合器的光谱特征的图；

[56]图18：显示了作为相对频率和偏振的函数的AWG模块输出的实例图。在偏振MUX之后，32个AWG输出减少为16个光束；

[57]图19a：实例曲折多路复用方案(未显示扩束透镜和偏振多路复用器)。每个第一级多路复用器使用3个滤光器；

[58]图19b：显示了四个第一级多路复用器的轮廓的第二级多路复用器的例子。第二级多路复用器使用三个滤光器；

[59]图20：第一级多路复用方案的光谱图。滤光器1反射AWG带1(以100GHz相对频率为中心)，同时传输AWG带2(以200GHz相对频率为中心)。滤光器2传输AWG带3，同时反射带1和2，同样地滤光器3增加AWG带4进入光束；

具体实施例的详细描述

[60]硅阵列波导光栅(AWG)构成了在狭窄通道空间的光谱多路复用激光器的设计基础。二极管AWG(DAWG)概念，比用于激光阵列的光谱混合的传统光栅具有内在的优势。首先，AWG具有非常高的光谱分辨率，使大量激光二极管发射器能够被装入窄小的光谱区域。其次，由于其平面(planar)结构，AWG被很好地匹配有效地耦合到二极管条上，并且它唯一地启用击穿(disruptive)激光结构，诸如光斑(flare)，这能很大地提高每个发射器的光强度。再次，该概念较经济，可扩展，非常适合制造，并且能精确控制，因为其基于硅晶片处理技术。最后，其采用了简单、紧凑、耐用、热稳定的DAWG模块，该模块连有光纤或自由空间准直输出，带有最小量的微光。

[61]本发明公开的内容，提出了用于激光二极管条、激光器到硅波导耦合、硅AWG以及硅输出耦合到光纤或自由空间的创新设计概念。

[62]图2a示出了单模式DAWG模块设计的例子，同时在图2b中显示了多模式DAWG模块设计的例子。参照这些图，在封装260中的DAWG模块200包括二极管条或半导体增益芯片201，其可通过耦合光学器件250光耦合到AWG芯片202的输入端，此处，作为独立的透镜示出，但是还可以集成到一个或两个芯片201、202上。在多模式DAWG模块的情况下，通过板条形波导区域219能够得到输入端和输出端，该输出端直接耦合到输出光纤210。对于单模式对应体来说，所述输入可以在靠近耦合光学器件250的输入上具有单独的波导以及用于耦合到输出光纤210的单波导209。

[63]DAWG的功能涉及了已经在近年利用的传统光栅论证过，但是具有独特的优点的光谱混合概念。如在图3a中的示例性设计中所看到的，每个单独的激光二极管303a-c都是外腔激光器，其中反馈来自位于硅AWG 302远端的广谱光栅(broad spectrumgrating)(或简单的反射器)311。为了简明起见，未示出所需的耦合光学元件。

[64]每个发射器的准确激射波长，由AWG 302确定，其充当了超高阶衍射光栅(extremely high-order diffraction grating)的作用。扩展该方法到与带有许多通道304a-c(在该例中示出了三个)的AWG302匹配的二极管条(也简称为Sbar)301产生了充分的优势。通常，40个通道对于DWDM来说是很难得的。AWG 302不仅控制各个激光二极管303a-c的波长和单独的波长间距，还将其多路复用到单波导输出端309。

[65]仍参照图3a和3b，外腔DAWG激光器300的光反馈能够在输出波导309或耦合到输出端的平面光波电路(PLC)端面312的输出端光纤310中提供。一种选择是利用弱布喇格光栅311提供少量反馈以维持振荡。利用在导管纤芯上的浅刻技术，光栅311能够位于输出波导309中，或利用UV写入技术而位于输出光纤310中。所述弱光栅将有足够的带宽以捕获AWG光谱的范围。另一种选择是，在AWG芯片302的输出端PLC端面312或在输出光纤的输入端面，使用菲涅尔(Fresnel)反射，R～4％。最后一个选择是，把光纤端面313设在输出端PLC端面312的几微米内，由此有效地生成一个具有一定反射率的表面，所述反射率根据法布里-珀罗(Fabry-Perot)公式由所述端面之间的间隙决定。所述间隙能够在制造时设定，以便于在0％和16％之间生成一个有效的反射率。利用这个可设定地址的(addressable)范围，能够调整反馈以便优化激光器的性能。

[66]用于反馈的替代技术可实现具有窄反射带宽的单模式布喇格光栅。这种光栅可被写入双包层多模式光纤的光敏纤芯或通过蚀刻进入光芯片上多模式波导纤芯来制造，例如硅或硅氧化物平面光波电路(PLC)。虽然当多模式光纤或PLC直接耦合到多模式半导体波导例如303a时，这种反射器是适合的，但是使用它作为在图3a和3b中说明的AWG芯片302的波导输出端上的反射器311则是优势受限的。其理由是AWG芯片302可提供与多模式半导体波导的有效耦合，例如303a，它也限制不同窄带宽波长带的各个输出的光谱带宽，其不一定兼容单模式布喇格光栅的窄反射带。

[67]将有多种来自AWG芯片302的输出耦合的可能性，包括光纤输出以及自由空间输出。通过把AWG波导输出集中到光纤上，将光纤对接耦合到波导端面(可能直接接触，例如，利用对着波导端面的凸抛光光纤尖端)，或者甚至结合或者将光纤熔接到硅AWG，能够实现光纤输出概念(单模式，多模式，偏振保持，等等)。另一个概念是引导输出穿过准直透镜(作为AWG芯片302的部分，或者离散光学元件)，并使用准直功率(collimated power)。自由空间的选择对于进一步的光束混合尤为有用。

[66]此处讨论的SBar设计，基于传统的激光二极管结构，如图3a和3b所示。例如，激光二极管303a-c的矩形增益区域，具有特定的长度315(即，1mm或更高)，特定的宽度316(即，单空间模式～4μm，或多模式操作＞10μm)，以及前307(通常R＜30％)和后305(通常R＞90％)端面反射率。

[69]对AWG耦合的激光二极管设计的特殊考虑，集中在下述几个不同方面：

·前端面涂层

·以条或短条(Sbar)格式的激光二极管的布置

·最大二极管到AWG耦合的优化设计

·对锁定到AWG的有效波长的优化有源区域设计

[70]优化高增益激光二极管有源区域，包括利用较宽的增益带宽的增益材料，以提供较宽的AWG调谐范围。

[71]尽可能低地修改前端面涂层307(即，＜1％)，以使从后向反射器到空腔内的反馈最小，以及使前端面307和AWG 302中任意其它间断之间的光干涉最小。

[72]激光二极管303a-c的前端面307或AWG 302的输入端面308(例如图3a中所示)，或者两者都被转向以减少非计划中的光反馈，这在本领域是公知的。

[73]在条301中的激光二极管303a-c的布图对于DAWG 300的性能是重要的。一般的激光二极管条301为1cm长，具有均匀间隔的激光二极管发射器303a-c。对于减小条的长度315以减小弯曲是有益的，尤其，在激光二极管条301与AWG 302之间没有对准时。另外，由所需的AWG设计确定用于DAWG模块的在激光二极管303a-c之间的间隔。例如单模式DAWG栅距可为约30μm数量级，以使对于AWG 302尽可能的小。其他可能的修改是如同4中所示的非均匀的栅距，通过分别改变激光二极管103a到103g之间的距离d₁到d₆。非均匀栅距可补偿非均匀加热和有源区温度，或者调整其以获得一些所述的温度曲线。

[74]在激光二极管条301与硅氧化物AWG 302之间的高耦合效率是重要的，以使该激光二极管大功率输出和可靠的工作。最小化过多的光学部件是重要的，用于减小部件成本，另外使得更容易对准或甚至自对准，其对于高制造产量和低生产成本是重要的。

[75]光学耦合的最优化设计包括，调整在快轴和慢轴的束的发散(divergence)，以与AWG的输入所需匹配。一般快轴发散为20度或更多。特定的宽波导或光学共振腔设计可将该发散减小到小于10度。通过增加激光二极管到AWG耦合效率，补偿激光效率的减少。

[76]一般地技术地更大需求，考虑的第一耦合效率的问题，是快轴，或垂直的，如图5a中所示，在激光二极管条501的前端面507和硅氧化物AWG 502的后端面的发散光束。该光从前端面507离开到进入自由空间的过程中一般发散约15到30度。最简单的方法是使用透镜529来耦合光束，为此，简单的圆柱透镜(rod len)足够用。更先进的方案是通过改变硅氧化物层的有效折射率，如图5b所示，将该透镜蚀刻为硅氧化物波导504，或如图5c所示，制成梯度折射率(GRIN)透镜527，或垂直锥形。

[77]进一步改善耦合效率的其他的选择是，弯曲激光二极管条501直接对着硅氧化物AWG 502。最终的选择是在二极管条501的输出端面507附近实现模式扩展部分。该模式扩展可通过例如再生长适合的结构到条上，或通过蚀刻掉高折射率层的部分，以减小有效的折射率和允许波导模式扩展来实现。

[78]集成的快轴耦合光(除了离散透镜例如圆柱透镜外，上述选择的任何一个)与在慢轴中简单对接耦合的混合，具有仅几微米或几十微米的间隙，已经增加了好处，即在耦合穿过进入硅氧化物波导期间，在激光条中的横向模式结构未明显地受到干扰。从激光条的连接模式直接进入硅氧化物波导的连接模式是新的概念，其通过上述公开的耦合方案来实现，并公开了新的光学结构方法(leveraging)波导模式的效果的可能性，其以前还没有使用。这些结构的例子将在随后的公开中讨论。

[79]要考虑的另一个耦合效率问题，是慢轴，或水平的，如图6中所示，在激光二极管条601的前端面607和硅氧化物602的后端面608的发散光束。该光从前端面607离开到进入自由空间的过程中一般发散约5到8度。先进的方案是将平面透镜626集成到硅氧化物AWG 602上的波导604中。所谓的平面透镜626可通过标准的凸透镜形状或通过其它的在零级工作的AWG来实现。

[80]图7a显示了传统的方法，即使用透镜729a-c来耦合来自激光二极管条701的前端面707和硅氧化物AWG 702的后端面708的光束，但是每个激光发射器703a-c和波导704a-c对，分别地需要独立的透镜。然而，透镜阵列具有成本且需要光学对准。

[81]然而，在图7b中存在其它的有效耦合方法。激光二极管条701被直接耦合到AWG 702的自由发散区720内。简单的选择是定位激光二极管条701使其足够地接近AWG 702，这样存在有效的横向对接耦合且不需要聚焦。在激光二极管条701的前端面707与硅氧化物AWG 702的后端面708之间提供10微米数量级的间隙是可能的，但是，如上所述，这排除了使用任何用于快轴耦合的离散的光学器件(例如圆柱透镜)。

[82]当激光发射器波导703a-c直接地耦合到星形耦合器720，随着波导进入耦合器，波导将被轻微的准直。期望轻微地弯曲激光发射器波导703a-c，以使在它们在前端面707处有效地准直，在此处，随着光束进入星形耦合器720，光束通过硅氧化物AWG 702的后端面708，穿过间隙。

[83]要考虑的另外的耦合效率问题是在二极管条701和硅氧化物AWG702之间的弯曲失配，所谓的弯曲。减轻该问题的一个方面是使用较短的激光二极管条701，即限制长度到几毫米，从而弯曲的总量和百分比可以保持在小于几微米。对于恒定曲率的弯曲(smile)，总的弯曲与条宽度的平方成比例，因此5mm条具有1cm条的仅四分之一的弯曲。另外的方面是，使用双金属条积极地弯曲硅氧化物，以在对准期间与激光条弯曲匹配。

[84]AWG设置了光谱过滤的等级，其最终地确定多少个单个发射器可装配到具体指定的带宽。用它们的长的、精确光刻的光学延迟线，在小自由频谱范围上(FSR)，AWG可获得GHz范围的信道间隔，且将许多发射器波长封装成为小的带宽。然而，由于效率是主要目标，来自激光条且通过AWG的光学耦合损失必须尽可能地小。这变成AWG的设计平衡(trade-off)中主要的因素。表1显示了估算的混合DAWG结构的损失预算。因为激光二极管到AWG耦合(“LD到PLC”)是基本的要求，其分配了最大的损失预算的份额。

损耗元件	dB损耗	Trans	评论
				LD到PLC	0.7	85％
平面透镜	0.2	95％
				AWG设计损耗	0.2	95％
传播损耗	0.3	93％	在0.02dB/cm速度下15cm长
				PLC到光纤	0.2	95％
总效率		70％

[85]表1：DAWG损耗预算

[86]AWG设计损耗主要关心在星形耦合器中的自由扩展波前的量，其将被耦合到单模式AWG波导。选择阵列导管的数目立即确定扩展波的削波的数量，从而确定功率损失。一般使用足够数量的导管，以保持损失量在0.1dB以下。尽管这不影响AWG的总尺寸。JDSU已经开发了一些适合的方法，用于在板和单模式阵列波导之间分级的跃迁，其导致每星形耦合器损失约0.1dB。通过制造跃迁绝热，可以减少到包层辐照模式的光损失的量。在特定商业AWG生产线中，这些技术是标准的，在获得低损失方面，具有直接的益处。

[87]低光学损失的主要挑战是在窄信道间隔所需的AWG的物理尺寸。窄带频率意味着长通路长度延迟，且考虑用于大功率应用，在此公开的所有的AWG设计比商业电信器件更大。波导传播损失，其在电信器件中起小的作用，在此是非常重要的。商业标准0.8％(折射率)指数德耳塔波导具有0.03dB/cm的传播损失。该损失不是由于吸收，而是由于信道波导的被蚀刻的侧壁的散射偏移。最优化波导尺寸，以最小化具有该侧壁的模式重叠(overlap)，同时保持足够的限制以提供所需的弯曲半径，是减小这种光损失的一个方法。

[88]通过AWG的总的光通路的长度是在传播损失量中设计应该具有的最大的决定因素。不同的AWG设计尺寸可使用公式比较，其确定R，星形耦合器区的长度(半径)。

[89] $R=\frac{n_s{d}_i{d}_a\mathrm{\Δ\λ}}{n_s{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{FSR}}$

[90]这里d_i是在星形耦合器处的输入波导和输出波导的栅距，d_a是阵列波导的栅距，Δλ是信道间隔，λ_o是中心波长，FSR是自由频谱范围，和n_s是平面波导有效指数。重要的是，注意较大的星形耦合器，用于给定的输入波导数值孔(numericalaperture)，需要更多的阵列波导以捕获辐照波，因此，这可在AWG总通路长度方面，具有最大的影响。

[91]一个重要的平衡是到AWG的输入的栅距。如前面所述的，激光阵列可耦合到一组独立的单模式波导上，接着引导其到PLC芯片上的AWG。由于波导模式尺寸处于6微米或更小的数量级上，栅距和星形耦合器半径是小的。达到较高的(折射率)指数德耳塔，可进一步减小栅距。

[92]可能相关的一个其它的考虑，是AWG基板的选择。为了特定的制造，传统的AWG在硅基板上制造。根据本发明公开用于DAWG器件，其他的可能选择为使用硅氧化物衬底。所有这样产生的玻璃器件可具有一些来自于制造和封装工艺的观点的优点，例如，如上所述，蚀刻快轴透镜为AWG端面的可能性。其也可是比硅基板更透明的，取决于激光的波长，因此其不可吸收来自AWG的大量的散射光。另一方面，其具有更低的导热性，因此确实被吸收的光可引起更局部的加热。

[93]根据在此公开的发明，每个激光二极管发射器产生单空间模式输出，其可在AWG输出耦合为单空间模式。单空间模式对于各种需要高亮度、小光点尺寸或大深度场的应用是重要的。多模式DAWG设计也使用。

[94]可将传统的窄条单空间模式激光二极管集成到DAWG概念中。然而，以使即使较高的单模式效率和功率存在一些新设计，这些新设计利用了AWG特性。

[95]可作实例的的最新技术状态窄条单模式激光二极管输出特性在图10a中示出，而相应的端子电压特性在图10b中示出。商业出售的980nmJDSU型6560激光二极管额定在0.65W工作，且功率转换效率(PCE)峰在约55％。JDSU也制成高功率865nm单模式二极管，实例激光二极管在大于1W光输出功率下工作。由于在半导体增益区中增加的能带隙，波长从980nm到865nm的减小对应于更高的端电压，，同时斜度效率(更高的光子能)也更高，因此，在PCE中从980nm到865nm的净偏移小。

[96]图7a和7b中示出窄条激光DAWG的两个实例设计。后者在硅氧化物AWG702的后端面708处使用集成的耦合光学器件，在图5b中说明它的截面图，具体的通过参考数字528。由此避免了使用快轴和慢轴外部耦合光学器件。对于任一种情况，需要优化激光二极管设计，用于最佳功率耦合，例如，通过调整束发散。而且为了最好的反馈稳定性，必须使用诸如调整涂层的反射率值或通过修改有源区结构和组分的方法设计激光。

[97]为了得到较高单模式功率，其超过端面突然光学退化(COD)功率密度限制，不得不增加器件的输出光孔，同时保持衍射限制的单空间模式激光发射。一个潜在的设计合并了波导703a-c，其具有相应的光斑部分719a-c(图7c)。许多组已经在不同的波长论证了光斑719a-c。在854nm，JDSU已经获得了2.2W连续的波衍射限制的整体(monolithically)集成的主振荡器功率放大器(MOPA)。JDSU也报导了来自光斑放大器的在860nm的5.25W功率并在各种光斑设计上具有显著的知识产权基。光斑设计之后的原理是，在激光二极管的后部中产生的单模式经历了在光斑部分719a-c中的放大。因为各种原因，诸如由于非均匀模式和电流注入以及散光导致的低PCE，该光斑设计很少胜出传统的激光二极管设计，但是这些可结合到混合DAWG的设计中。如前面所述，如同7c所示，在光斑振荡器结构中，在AWG输入处，使用平面透镜720a-c，以再次聚焦来自光斑719a-c的发散输出，和调节激光栅距D。通过D，W₁，L₁和L₂(给出总长度715)指定被最优化的各种尺寸。

[98]在图7d中示出的重叠的光斑(OLF)是新颖的结构，是光斑振荡器方法的本质上的改变，其中锥形的振荡器703a-c阵列直接地并入AWG702中的第一星形耦合器720。同时不略微改进激光二极管波导703a-c，相应的光斑部分719a-c已经展开到一定的程度，其中它们的有效宽度W_2eff比激光二极管的波导栅距D大，重叠是这样的，以使抽运区沿着激光二极管条701的前端面707连续。由于(具有)较大的、更均匀填充的有源区，优点是低光学复杂性和较高的生产能力，以及较高的激光效率和减少的对于端面损坏的敏感性。

[99]如图7d所示，有参数D，W₁，L₁，L₂和其上的W_2eff的宽范围，可最优化OLF。尽管星形耦合器影响了某些激光栅距的限制，可以最优化几何形状，以在二极管条上提供大的有源区和输出光孔。光斑激光器的一个公知的问题是束丝(filamentation)，其使得场分布非均匀，且限制了衍射限制功率。JDSU已经改进了方法，以通过图案化电流泵浦来防止成丝。在所有的光斑方法中，可使用各种电泵浦方案和多个接触，以最优化效率和束质量。

[100]另外的新的结构，在梯度折射率波导中，其使来自传统宽区域激光器的单模式输出通过多模式干涉现象。宽区域激光器具有比传统的单模式激光器和锥形振荡器高得多的功率和更高的固有效率，这是由于发射激光体积被更均匀地填充。此外，该方法平衡了JDSU的现有投资，且专家证明的在宽区域激光器技术中，具有被证明的、以超70％电-对-光转化率的每个器件14W的光功率输出。

[101]图7e显示了具有多个MMI(谐振)腔的激光馈入输入AWG的星形耦合器的激光器700的物理布图。通过在激光二极管条701上的激光二极管波导703a-c的长度L₁加上在AWG芯片702上的硅氧化物波导704a-c的特定长度L₂形成复合的MMI区，使得该区在双通道中是自成像的。通过下式给出自成像的长度，用于对称地馈入具有不同的折射率的多区域的MMI。

[102]  ∑_iL_i/n_i＝mW²/λ₀

其中n_i是有效的折射率，W为波导宽度，λ₀为自由空间波长，和m是一整数。对于双通道，对称馈入100mm宽的波导和3mm长的激光器芯片，多模式硅氧化物波导区是7.4mm长的整数倍，以提供自成像。

[103]如下可理解MMI谐振腔激光器的工作：AWG 702提供了单频的、单空间模式，从星形耦合器(未示出)，经由单模式波导706a-c，反馈到每个激光二极管波导703a-c内。激发了复合的MMI区的许多横向模式，因此输入场快速地传播以横向地填充该MMI。该区域从在AWG芯片702上的硅氧化物波导704a-c穿过进入在激光二极管条701上的激光二极管波导703a-c。经过放大，在HR涂层后端面705处被反射，并返回通过激光二极管波导703a-c回到硅氧化物波导704a-c内。随后一个圆形的路程通过MMI，该区域达到它的自成像长度，并在此处再形成为单空间模式，其中硅氧化物波导704a-c分别与单模式波导706a-c接触。

[104]如同在其他的结构中，AWG将不同波长的激光会聚成单个的单模式输出，并提供合适的光反馈到每个激光二极管波导703a-c中。以这种方式，当在硅氧化物波导中，通过MMI的圆形路程的起点和终点处有相对小的单模式光点，在它穿过前激光面707到后面708的时间内，光学场横向地(laterally)传播，且传播到激光二极管波导703a-c内。这使得宽区域激光器的足够的固有效率和光功率能力平衡(leveraged)。

[105]在另一个新颖的结构中，基本的不同于前述的，没有任何插入部分，包括单模式波导706a-c，复合MMI区域的多模式输出端停止，直接进入AWG的星形耦合器。结果，有许多单模式束的等效束耦合进入每个复合的MMI区域，每个以略微不同的颜色和MMI面的横向位置，如通过AWG确定。MMI的成像特性必须是确定的，以使每个有效的单模式光点图像沿着往返路线通过激光器回到自身。与前述结构中的相比，这是较低对称情形，因此标准变为：

[106]  ∑_iL_i/n_i＝8mW₂/λ₀

其中所有的符号保持如上所述的相同意思。

[107]在一个实施例中，二极管条包含多模式发射器阵列，其直接地耦合穿过进入AWG的星形耦合器。满足标准的样品尺寸为3mm长的激光二极管(在双通道中使用)且发射器宽度为16微米。由于单模式光点一般为4微米宽，有穿过MMI的面的宽度的约四个可分辨的波长的等效波长。每个波长的辐照快速地传播穿过MMI波导，且随着它传播二极管的长度和在端面处反射回来，与其他的颜色混合。根据在面处的再到达，各自波长达到它们的成像长度，这样分辨它们自身回到具有它们的特定波长的它们的局部区域。现在，AWG并入来自该MMI的所有的波长，随同具有来自其他的MMI的所有波长一起，进入单模式输出束。

[108]考虑几个程度的对准公差：垂直的(对准激光器条和氧化硅AWG或PLC的平面)，水平的(沿着SBar到相应的AWG波导输入对准激光二极管波导)，和转动的，包括从理想平面的偏移(弯曲)。

[109]对于模式匹配和对准，垂直尺寸是最关键的，当激光模式一般在微米级上，且光束发散相对高。当从单模式激光二极管耦合时，一般地该尺寸引起最大的损失。用于大效率耦合大功率泵蒲二极管到单模式光纤内的最成功的技术之一是锥形光纤透镜。这些锥形以8μm到9μm的弯曲半径终止，其作为小微透镜以耦合激光的尺寸(一般地1×3μm)成为～10μm单模式光纤(SMF)。形成微透镜的一个方法是使用CO₂激光，激光加工光纤的末端。

[110]以相似的方法，PLC芯片的端面可抛光成尖点，并且接着随着CO₂激光，流回玻璃。优选使用硅氧化物代替硅用于衬底以避免在这过程中热膨胀(CTE)系数不匹配。得到的是柱形端面显微透镜，其弯曲半径可由抛光角度和激光强度控制。激光端面和硅氧化物波导端面应超抗反射涂覆，并且在它们之间的间距应为几微米。JDSU具有带锥形光纤透镜的广泛的专门技术，在980nm泵蒲激光制造中实现高达85％的耦合率。由于仅需在PLC上控制一个尺寸，可期望甚至更高的耦合率。

[111]水平校准问题丝毫不严重因为二极管结构(光斑和MM)的尺寸在数百微米的数量级上。这些方法的更完全描述在后面的部分中给出，但在这里给出所需考虑的水平校准的简短讨论。在光斑震荡二极管结构中，合并新型平面波导透镜以重新聚焦来自光斑的分散输出进入单模式波导，其将功率传输入AWG的输入星形(star)耦合器，如图8中所示。这些波导透镜结构820a-c作为AWG以相同的原理工作，但没有波长色散(wavelength dispersion)。输入点进入星形耦合器并且分散开来以照亮波导阵列。该阵列导管重新确定光的方向以在输出星形耦合器821a-c中形成汇聚的波前，该耦合器分别地对输入重成像进入输出单模式波导810a-c。在输出星形耦合器中改变曲率半径能实现不同的放大倍率。修整加热器可用于提供相倾斜，其可沿输出聚焦弧移动光点，以使该器件可调整补偿出现在粘合激光二极管芯片801和AWG PLC芯片802期间的校准误差。

[112]在重叠光斑的结构中，光束直接从二极管结构传播进入AWG的输入星形耦合器。无需精确的横向布置，由于该二极管条的相应于AWG的横向位置将仅对输出波长有轻微的影响。直到数个微米的位移将一般产生不到1GHz的波长变化。

[113]在MMI结构中，在二极管芯片上的多模式波导需耦合进入在硅氧化物芯片上的相同尺寸的波导。假定波导的宽度(100μm的数量级上)和在波导之间的仅仅几微米的非常小的间隙，由于使用端面显微透镜以在垂直轴中耦合，在一微米的数量级上的水平定位精确度对于给出非常高的横向耦合率是足够的。

[114]为了说明弯曲(smile)和旋转，优选使用尽可能短的条(2-4)以最小化弯曲的整个范围。可实现这种短的条长度，由于相比于传统的条，热负荷最终降低的JDSU二极管的非常高的PCE。如果需要，PLC可轻微弯曲，使用双金属条匹配激光条弯曲。这是相比于传统的微-光耦合结构，DAWG结构的又一明显优点。

[115]一种关注是最高的强度将出现在AWG的多路复用输出导管中。这必须是单模式结构以加强混合激光源的波长。单模式波导(和光纤)的小的纤芯尺寸保证它们的功率掌控能力的讨论。

[116]在文献中引用的大多数硅氧化物光损坏的阈值为大约20W/μm²。典型的波导模式尺寸(拟合的Gaussian腰，强度1/e²)对于0.8％和1.5％指数德耳塔，分别为4.9mm和3.2mm，其意味着导管能掌控在200W数量级上的光功率。使用千瓦CW光纤激光输出，在硅氧化物光纤中已展示了甚至更高的功率密度(power densities)。在硅氧化物导管和光纤之间的相似是准确的由于制造它们都是使用了来自超纯气源的化学气相沉积(CVD)并且使用了相同的掺杂材料(硼、磷和锗)。

[117]依赖于选择的反馈和输出耦合方案，在波导或光纤端面上也需要抗反射，相比大量的材料，这种涂层典型地具有更低的损坏阈值并且可证明是限制因素。

[118]在发现损坏限制比所需的要低得多的情况中，有简单的缓解技术。图9a显示了在AWG星形耦合器的输出的典型平面波导902，其中输出光束会聚在弯曲的焦平面985上的点909。由于光波在平面波导或板902中简单地自由地传播，可沿图9b中的线999截断板902，并且该波允许在自由空间中连续汇聚为大功率掌控的、大-纤芯光纤989。柱状透镜980可用于在垂直方向上收集和重新汇聚光。从焦点截断板仅几百微米将大大减小强度并且允许使用短焦距的柱状显微透镜，简化了封装并且提高了可靠性。

[119]由于AWG控制波长并且没有要求单模式操作，使用多模式反射器的版本也是可能的并且包含在该DI中。除非在AWG中实现放大和缩小，AWG的输出和与其耦合的输出光纤，一般与发射器的尺寸匹配。对于不需要最高可能的光束质量的应用，多模式方法可提供超过单模式的优势，包括更高的激光条功率、更高的耦合率和更简单的设计和更小的芯片，因为用更少的发射器的能力，每个都以比单模式中更高的功率中运转。

[120]AWG可用于定制(tailor)多模式发射器的输出光束的质量。例如，相比较于标准的NA，大约0.15对于多模式发射器，它可在相对狭小横向数值孔径(NA)中传输并且反射辐射(radiation)。可选地，例如，它甚至可被设计用来促使发射器在特别高阶的模式中优选地发出激光以优化提取效率(extraction efficiency)。这些选择中的每一个都可通过定制作为NA的函数的传输曲线来实现，基本上通过在变化传输值的AWG阵列中给出各种波导来实现。甚至可定制该波导阵列以重新布置角功率(angularpower)密度分布。

[121]由于在任何模式中这些器件的输出都将是横向多模式的，也可能放松在AWG上的垂直尺寸中的单模式限制，而对该器件的使用没有不良影响。在AWG波导中具有两个垂直模式而不是一个，例如，可潜在地大大简化在条和AWG之间的垂直轴中的单模式到单模式的耦合的挑战，并且增加效率。然而，这也促使在相应于两个模式之间可能的数毫微米变动的AWG中的模式分散。可通过设计AWG来令人信服地补偿该模式分散，以使光谱变化等于AWG的自由光谱范围，或多个这样的范围。这样，两种模式都可成像进入在AWG输出的相同点，即使它们在AWG中将以不同的次序操作。

[122]根据这里公开的本发明的又一方面，为混合单模式AWG输出进入多模式光纤或用于大功率和亮度的波导提出了创新的设计概念。为何优选分功率给多个条的理由可归因于松弛冷却的需要(在更大面积中分配功率)，来自匹配条到所需的AWG波长范围的更高产量(yield)，还有潜在地来自排列更小条(更少弯曲)的更高产量。

[123]一个这种概念是使用包括多个条和AWG的集成的DAWG并混合使用波长多路复用的功率。该概念在图12a中说明，其中，模块1200包括两个激光二极管条1205a、1205b分别耦合进入AWG 1240a、1240b，以不同的波长为中心以使他们的光谱不重叠。在PLC芯片1202上的波长混合器1242例如Mach-Zehnder干涉计中，混合AWG输出单模式波导1209a、1209b中的光功率。该输出，仍在一个单模式波导输出中，适合耦合到光纤1210。

[124]将来自DAWG模块的窄的单模式波导空间的混合到多模式光纤中，是有潜在优势的。第一，使用被动热沉(heatsink)或热-电子冷却器冷却单模式激光二极管比冷却宽带条更容易，其一般需要水冷却。第二，由于缺少多模式金属丝(filaments)和不均匀的端面密度，单模式激光二极管比多模式激光二极管，可实现更高的功率密度。最后，单空间模式窄激光条的内在模式的稳定性和选择性，比可能具有金属丝和不均匀模式框架的多模式条，可允许更好的激光性能。

[125]在图12b中显示了又一基本概念。一系列的并行单模式激光二极管条1205a-c耦合进入一系列定位在AWG芯片1202中的AWG(在该例子中仅显示了三个)。单模式波导1209a-c的输出会聚为一个输入进入多模式光纤1211。失去亮度但总的功率增加。单模式波导1209a-c可空间排列(更高的总功率但均匀的功率密度)或聚焦在一起成为一点(由于不同的光束角度产生更高的功率密度但更低的亮度)。

[126]单模式光束如何在多模式光纤中混合的例子在图11a到图11c中显示。

[127]图11a显示该概念的最简单的实现。单模式波导1180的线性阵列空间上适合于在多模式光纤1170的大纤芯1160中。2D阵列1182，如图11b所示，可用于进一步填充光纤1170的纤芯，要么通过堆叠AWG的输出，使用转镜混合AWG输出，要么通过熔合矩形纤芯光纤。图11c显示了概念，其中来自AWG输出的单模式波导1180的线性阵列，排列到匹配的光纤1170的矩形纤芯1162，从而增加亮度。

[128]在图12c中详细描述又一可能的概念。来自激光器系统1200的激光二极管芯片1205a-d的发射分别由硅氧化物AWG 1255a-d收集和分别被输出到单模式波导1209a-d上，定向进入单模式光纤的线性阵列1212。在图11d的端视图中看到的光纤1109a-d的线性阵列排列在合适的支撑物例如硅光具座中。然后将光纤1109a-d的另一端绑定在一起以形成在图11中所看到的端视图以保持某种程度的亮度，相比于相似尺寸的高数值孔径多模式光纤1111。一旦绑定，大功率输出可耦合进入或与多模式光纤熔合或直接使用该功率。

[129]最后的概念是最后的方法的扩展。分离的DAWG模块可单独地耦合进入单模式光纤。这些分离的单模式光纤可被绑定如图11e中。

[130]现在考虑公开的本发明的方面。通过将窄波长范围DAWG模块的输出和波长选择滤光器结合，以较高的光束质量和总体亮度的最小损失，多路复用光功率的千瓦电平进入窄波段。宽带，薄膜滤光器(TFF)的平直传输和反射特性对于混合DAWG输出是必不可少的。

[131]以窄波长实现千瓦电平系统的JDSU概念，衍射受限光束是基于大功率、单模式激光二极管的被动波长混合。该系统输出由共线的、共传播的、波长多路复用单空间模式光束构成，其填充输出孔。该方法避免了需要子光束的复杂主动相位控制以产生相干空间阵列。

[132]启动该新方法，由：

a)大功率、高效单模式激光二极管阵列；

b)基于硅的平面光波电路(PLCs)；和

c)使用薄膜干涉滤光器的波分复用光束混合器。

[133]有许多必须优化为系统需要的给定集的参数。在表1中给出了实例5kW 10nm带宽系统。

类别	参数	实例5kW设计
			系统要求	总的系统功率(kW)	5.0
系统波长范围(nm)	10
		光束传播因子(BPF)		0.60
激光二极管条	中心波长(nm)				975
		每个激光二极管的功率(W)	10
	激光二极管的效率(PCE)			65％
		D-AWG模块	每个条和AWG的二极管		30
DAWG波长间隔(GHz)	2.0
			二极管到AWG的效率	65％
每个AWG模块的功率(W)	195
			每个偏振的DAWG模块	16

	DAWG模块的总数量	32
			WDM光束混合器	偏振多路复用	2
第一级波长通道	4
		第二级波长通道		4
AWG模块范围(GHz)	60
		总的波长范围(GHz)		3189
波长填充因子(亮：总共)	1.0∶3.3
		光束混合效率		80％

[134]表1：适合在10nm带宽系统中的实例5kW的设计目标

[135]以激光二极管设计为目标，产生大功率单模式器件。对于该例子，二极管的功率达到10W。在光斑中的现有经验和高效条指这是困难的但潜在可实现的。在二极管功率中的不足量可通过AWG或WDMBC滤光器的更严格的间隔补偿。

[136]例如，DAWG混合的目标是具有在单模式通光孔中操作高达70％光效率并且发射超过200W的2GHz信道间隔的30信道器件。2GHz的设计已经被模拟出来并且使用现有的容量是可行的。通过可用的200mm波的尺寸限制最严格的可行间隔(大约1.5GHz)。65％的光效率也是具有挑战的但也是可实现的。在单模式硅氧化物波导和光纤中的200W是低于理论损坏阈值的限制。

[137]在该例子中的光束混合器具有三个值(level)，包括一偏振和两个波长值。为了评价光束质量，光束传播因子(BPF)定义为：专用的远场桶(bucket)中的激光光输出功率除以从混合激光光束的确定的近场出口通光孔辐射出的总的光输出功率。该远场桶定义为衍射限制点面积的1.44倍

[138]             (π/4)(θ_DLf)²，其中θ_DL＝2.44λ/D

其中λ是激光中心波长，f是用于形成远场点的光学焦距，和D是混合的激光束的确定的出口通光孔。

[139]对于该例子，BPF的目标是0.60，其对于许多应用来说，是有用的数字。该数字是可获得的因为光束混合器输出是直接来自单模式光纤或准直射AWG输出的环行单模式偏振光束并且在设计中没有故意地光束像差元件(beam-aberrating element)。然而，在光束混合器光部件上的要求和公差是相当严格的。

[140]在图13a中显示了系统体系结构概念。第一，大功率、高效激光二极管条1301耦合进入基于PLC的AWG 1302。AWG极其准确地控制每个发射器波长并且将它们混合入一单空间模式输出。基于PLC的AWG 1302也提供集成平台，其使得新的发射器体系结构能够扩展到每个发射器多瓦特。

[141]接着，经由输出光纤1311耦合AWG 1302的输出进入准直并且光束扩展光学器件1370，传递到偏振分光器1360以与来自在正交偏振的相似模式的另一输出混合。然后，通过转镜1340a使偏振混合光束偏转进入第二电平波分复用光束混合器(WDMBC)1380a。WDMBDC 1380a使用薄膜干涉滤光器(TFF)，将该光束和其它相似的光束1330混合。TFF可有效地混合这些窄波段以在严格的波长范围内扩展到千瓦电平。在转镜的帮助下，WDMBC 1380a的输出被输入第三级WDMBC 1380e中。该输入进一步与其它光束1350混合并且最终总的光功率1390被输出。

[142]如上面所提到的，三级光束混合器的第一级是偏振多路复用。图13b描述了这种偏振多路复用器1350的概念。在和偏振分光器1360中的正交偏振混合之前，两个DAWG 1320的输出光束在光1370中被准直和扩张以产生混合的输出光束1375。

[143]图13c说明了实例5kW系统和它的部件的示意图。该实施例系统使用32个成对混合的DAWG模块，经由偏振多路复用进入十六个模块1350(作为例子仅提及了一个)，其通过五个波长多路复用模块1380a-e进一步混合。在每个波长多路复用模块1380a-e的三个端口是波长选择TFF，系统需要总共15个TFF。用于任何光束离开偏振的反射或波长选择光学元件的最大数量是七，最小是零，并且平均是3。这些设计选择将依赖于精确的功率级和带宽要求而改变。

[144]提出的WDMBC方法提供了0.60的专用光束传播因子，而对单个的子光束的相位匹配上没有严格的要求。这种被动解决方法最小化了复杂度并且增强了强度。可建模近场填充因子(fill factor)、倾斜、弯曲和相位波动的影响并且进行折中以建立初始光束质量预算。在图14中说明对于相对近场通光孔的BPF的变化并且对于1.5倍光束腰的通光孔w₀理想BPF在0.98最大化。更小近场通光孔截短(clip)光束并增加衍射损失，而更大尺寸减小远场桶和收集的的尺寸碎片的尺寸。

[145]AWG模块经由单模式光纤(或在自由空间)传输单空间模式功率给光束混合器。每个光束通过光束混合器经历许多界，该混合器增加倾斜、弯曲和相位波动(phase ripple)给混合的输出光束。对于1.5倍光束腰的通光孔，采用如图15的图表中所总结的传播模式，已分别预算出降低光束质量的像差和BPF，其中倾斜1501、弯曲1502和相位波动1503(8个周期正弦曲线)对BPF的影响被描绘成了量级(magnitude)的函数。假设这些像差是随机的并且互不相关的以使输出波前误差和界的数量的平方根成比例，是合理的。这些设计曲线使得可以估计初始的每个光束混合器光学元件波前误差预算。

[146]该系统的近场光束是如图16a中所示的Gaussian填充近场通光孔，其中通光孔尺寸与1/e²光束腰w₀相关。对于1.5w₀的通光孔，理想的光束传播因子(BPF)在0.98最大化。通过将可接受的非理想(non-idealities)包含在光学系统中，0.6BPF是可能的。

[147]模拟混合光束的远场的例子在图16b中显示，包括像差，其中BPF＝0.60。非对称是由于随机光像差(倾斜、弯曲和相位波动)而致。像差是光束未对准、光的不完整性和热感应效应所导致的结果。

[148]总之，经由波长多路复用的光混合导致可实现的光学公差并且消除了对于复杂、主动相位控制的需要，使满足该系统的BPF要求成为可能。

[149]如前所述，使用一系列偏振和波长光束混合器混合DAWG模块的准直(collimated)输出。现在将更详细地考虑这些。

[150]使用透镜系统，光束混合系统准直DAWG输出光束。为了保持每单元面积的功率达到合理的级别(level)，在毫米的数量级上扩充光束的尺寸。目标的功率密度在准直阶段小于每平方厘米数百瓦，其是足够的低以允许传输透镜(或多透镜)的使用。这些透镜应当是可调整的以允许精确的光束排列和调节从而使来自所有带的光束在输出都相同。

[151]第一多路复用阶段是优选地偏振多路复用，有两个理由：1)在该阶段的窄带宽使偏振滤光器的设计容易，和2)它使立体光束混合排列的使用容易，其不选择性地弯曲该光束。

[152]通过传输一偏振通过滤光器，同时反射来自滤光器的其它偏振都进入共同的光束，来操作基于薄膜的偏振多路复用器。偏振多路复用器可以是单个盘。在这种情况下，可以接近60度的倾斜角来使用它。这种偏振混合器的理论光谱在图17中显示。另一可能的实现将使用45度空气间隔立体光束分离器，其减少导致的光束像差。

[153]随后的多路复用步骤是波长多路复用。在偏振混合之后，来自N个AWG的输出接着以N/2个光束的形式，每个光束以如图18中示意地显示的不同的波段为特征，用于N＝32的DAWG模块的示例系统。

[154]通过使用多路复用的多电平，可实现在千瓦范围中的功率。在一可能实施例中，每个电平使用在图19a中所示的类型的曲折多路复用器。在波长多路复用器1940中，AWG带1-4，分别由1910a-d指示，依次反射自TFF1930a、1930b和最后的1930c，混合光束在端口1920离开。

[155]使用波长混合的两个电平，又一可能的实现将首先在四个波段(第一级波段)的组中混合DAWG模块并且接着混合四个这样带进入最后的输出(第二级波段)。

[156]实际的排列将通过滤光器性能的折中、滤光器功率掌控的能力、小器件尺寸等等来达到。

[157]在第一级多路复用器的5kW实例中，滤光器必须传输60GHz的AWG带，同时反射一个或更多的其它AWG带。在带之间的转换区域可以是40GHz。说明第一级多路复用的图表在图20中给出。滤光器1反射AWG带1(集中在100GHz相对频率)，同时传输AWG带2(中心在200GHz相对频率)。滤光器2传输AWG带3，同时反射带1和2。相同地滤光器3增加AWG带4进入光束。

[158]通常制造这种类型的滤光器，用于在1550-nm波长区域中的通信应用，通常在一侧具有1-2mm的尺寸。例如，大功率应用，滤光器必须扩大尺寸以具有更清晰的20-25nm的通光孔(具有均匀的覆盖性能)，并且在从数瓦特到数千瓦的总的功率掌控能力中。第一级多路复用滤光器在传输中需掌控大约500W，并且在反射中直到大约1500W。

[159]使用在图19b中所示的类型的曲折多路复用器以产生混合的光束1925，可多路复用四个第一级器件1940a-d的输出。排列布置可提供第一级曲折路径以正交第二级多路复用的曲折路径。若使用这种方案，由四个第一级多路复用器和一个第二级占用的空间将以540mm×180mm×120mm顺序。图19b显示了带四个第一级多路复用器的第二级多路复用器。

[160]第一级带由四个信道和总共360GHz的三个静区(dead-space)构成。第二级滤光器因此必须混合360GHz的带。在第一级带之间的静区优选140GHz。通过使用数个曲折而不是仅一个，反射的总数量可减少，相比于使用单个大曲折。其减小了引入的光束变形的数量，并且因此应提高光束质量。在公开的体系结构中，最坏情况的光束经历7个反射：在偏振混合器中一个，在第一级混合器中三个和在第二级混合器中三个。其和16比较，对于最坏情况光束如果使用单个曲折混合器：在偏振混合器中一个，在曲折混合器中15个。

[161]通过使用激光二极管耦合AWG(DAWG)技术，期望启动几类产品。

[162]得自于DAWG的最直接的产品是潜在的大功率单模式光纤耦合(FC)模块。这些产品可以是当今商用的CW光纤激光器(FL)的直接替代品。由于消除了双包层光纤，它们将带来波长多样性(大多FL’s是基于1050-1100nm的Yb)、紧凑、提高的效率和增强的可靠性的优势。

[163]第二类产品将是DAWG的多模式实现，其中光谱多路复用大面积发射器以提供来自25-100微米纤芯光纤在100W范围中的输出功率。提升单模式操作的限制可使这类器件更小，并且比单模式版本更容易制造。它们仍具有比传统多模式FC条更高的亮度并且适合许多现在光纤服务的应用。对于要求脉冲输出或极高的亮度的应用，它们用作非常有成本效益的泵浦，用于Yb光纤激光器或盘形激光器。一有趣的特别领域是作为泵浦源，用于放大双包层光纤中的皮秒(picosecond)或飞秒(femtosecond)脉冲，其中光纤长度必须保持极短以减轻脉冲扭曲，对于其，非常亮的泵浦是有优势的。多模式DAWG可以是项关键技术，其启动商用可行性、高-平均-功率超短脉冲源。

[164]这种窄波长高亮度泵浦技术可用许多方式来提高光纤激光器的效率。首先，严格的波长控制使它们适合用于窄976nm镱线的光抽运，其比更宽的915nm线具有更好的量子数亏损和更高的吸收率。第二，高亮度允许抽运进入更小直径的光纤。传统的条和单反射器，拥有相对较低的亮度，需要大的内部包层(典型地直径中的400-600微米)和高-NA聚合体外部包层光纤，其结束了具有每单位长度更高的损失的非常长(典型地＞50m)。第三，这些改进的混合转换为带有更低总吸收和散射和更低阈值功率要求的更短总光纤长度。第四，这些改变将支持在1040nm中的激光发射，其具有更低的量子数亏损。例如，在976nm的抽运的影响，相对于915nm和1100nm，提高量子数亏损从83％到93％。这些改进的净影响在80％的范围内启动光纤激光光-到-光的效率。

[165]最后，单模式或多模式DAWG模块的光谱多路复用在不影响光束质量的情况下能实现更高的输出功率。例如，它使光谱MUX许多多模式DAWG以产生2-5kW的工业截断/焊接直接二极管方案成为可能，其极其可靠并且有成本效益。这可能是对当今的正在开发的基于FL结构的吸引人的替代，其中许多100-200W单模式光纤激光器空间混合进入多模式输出。

[166]DAWG模式对于各种市场中的突破产品是令人感兴趣的。单模式DAWG可替代光纤激光器，用于非金属标记、钻孔和其它材料处理应用。多模式DAWG也可用于低亮度材料加工应用。而且多模式(或单模式)DAWG可空间或光谱混合以达到千瓦级金属材料加工市场。最后，DAWG可实现更高效率、更高亮度、更大功率的光纤激光。

Claims (22)

1、一种大功率激光源，其包括：

第一芯片，其包括多模式半导体波导，用于在预定波段中提供增益，其中每个半导体波导在一端具有第一反射体；

第二芯片，其包括具有输入端口和输出端口的阵列波导光栅，所述输入端口耦合到所述半导体波导；

第二反射体，其被布置以接收来自所述阵列波导光栅输出端口的光，并且将所述光的一部分反射回进入所述阵列波导光栅，因此连同所述第一反射体限定了激光腔；

其中，所述半导体波导的尺寸被设置成支持具有波长在预定波段的光的多个横向模式的传输；并且在所述第一芯片上的多个横向模式被光学耦合到所述第二芯片上的所述阵列波导光栅的所述输入端口。

2、如权利要求1中所述的大功率激光源，进一步包括额外的半导体波导，其中所述半导体波导之间的间隔是非均匀的，以使获得横跨所述第一芯片的设定的温度梯度。

3、如权利要求2中所述的大功率激光源，其中所述设定的温度梯度是常数。

4、如权利要求2中所述的大功率激光源，其中所述设定的温度梯度近似为零。

5、如权利要求1中所述的大功率激光源，进一步包括用于将所述半导体波导耦合到所述阵列波导光栅的耦合装置，其中所述耦合装置选自包括平面镜、柱状镜、二维透镜、多模式干涉区域、蚀刻进入所述第一芯片的集成快轴透镜、和蚀刻进入所述第二芯片的集成快轴透镜构成的组。

6、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中将所述第二反射体定位在紧靠所述阵列波导光栅的所述输出端口。

7、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中将所述第二反射体定位在被耦合到所述阵列波导光栅的所述输出端口的输出光纤中。

8、如权利要求1中所述的大功率激光源，进一步包括用于将所述半导体波导耦合到所述阵列波导光栅的耦合装置，其中所述耦合装置包括集成在所述阵列波导光栅的所述输入端口中的平面自聚焦透镜。

9、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中所述半导体波导具有宽度朝着所述阵列波导光栅的所述输入端口增加的光斑。

10、如权利要求9中所述的大功率激光源，其中所述光斑重叠以在所述阵列波导光栅的所述输入端口形成连续的区域。

11、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中所述半导体波导被光学耦合到所述阵列波导光栅的所述输入端口的星形耦合区域。

12、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中所述阵列波导光栅的所述输出端包括单模式输出波导。

13、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中所述阵列波导光栅的所述输入端口包括平板波导。

14、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中所述阵列波导光栅的所述输入端口包括阵列波导光栅的星形耦合区域。

15、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中所述多模式干涉区域支持多种波长。

16、如权利要求1中所述的大功率激光源，其中所述阵列波导光栅的所述输出端口在所述第二芯片边缘的外面具有焦点，以减小在所述第二芯片内的光场强度并且提供到光纤的光耦合。

17、如权利要求12中所述的大功率激光源，进一步包括额外的阵列波导光栅，其中每个阵列波导光栅传输通过那里的不同波段，并且所述单模式输出波导在波长混合器中结合进入单模式混合输出波导，所述单模式混合输出波导耦合到单模式光纤。

18、如权利要求12中所述的大功率激光源，进一步包括额外的阵列波导光栅，其中每个单模式输出波导在所述第二芯片的边缘终止，用于耦合到单个输出光纤的多模式纤芯。

19、如权利要求18中所述的大功率激光源，其中所述单模式输出波导在所述第二芯片的边缘形成二维阵列。

20、如权利要求18中所述的大功率激光源，其中每个单模式输出波导在所述第二芯片的所述边缘终止，用于耦合到单个输出光纤的矩形多模式纤芯。

21、如权利要求12中所述的大功率激光源，其中所述单模式输出波导在所述第二芯片的边缘终止，以在单模式光纤阵列的第一端与单模式光纤对准。

22、如权利要求21中所述的大功率激光源，其中配置所述单模式光纤阵列的第二端以使所述单模式光纤形成二维阵列，用于耦合进入单个光纤的多模式纤芯。

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