扩张式激光振荡器波导制造技术

一种宽面半导体二极管激光器器件，包括：多模高反射体端面；与所述多模高反射体端面间隔开的局部反射体端面；以及在所述多模高反射体端面与所述局部反射体端面之间延伸和变宽的扩张式电流注入区域，其中，局部反射体端面宽度与高反射体端面宽度之间的比率为n:1，其中n>1。所述宽面半导体激光器件是一个扩张式激光振荡器波导，相对于常规的直波导配置递送改进的光束亮度和光束参数乘积。

Expanded Laser Oscillator Waveguide

【技术实现步骤摘要】
扩张式激光振荡器波导本申请为分案申请，其原申请是2015年12月4日进入中国国家阶段、国际申请日为2013年9月16日的国际专利申请PCT/US2013/059970，该原申请的中国国家申请号是201380077216.1，专利技术名称为“扩张式激光振荡器波导”。相关申请的交叉引用本申请要求享有2013年4月9日递交的美国临时专利申请US61/810,261的权益，为了所有目的通过引用将该申请的全部内容引入本文中。专利技术的
技术介绍
1.专利技术的
总体上来说，本专利技术的
为半导体二极管激光器。更具体地，本专利技术涉及扩张式激光振荡器波导。2.
技术介绍
多模激光二极管(也已知为宽面激光器(BAL))具有如下属性：在为了生成较高功率而以较高电流对其进行驱动时，其慢轴光束参数乘积(BPP)及其慢轴亮度(功率÷BPP)逐渐降级。可以通过减小发射极宽度来提高BAL中的亮度。然而，出现最大亮度的电流也发生在逐渐降低的电流值处。因此，最大亮度处的最大输出功率也下降。对于功率缩放应用以及降低生产二极管激光器的每瓦特的成本，非常期望每个发射极在更高的输出功率具有较高的亮度。通过在适当的衬底上生长多层半导体材料来形成半导体二极管激光器，该衬底具有允许选择产生期望的发射波长的材料的晶格常数。典型的半导体激光器包括n型层、p型层以及位于它们之间的无掺杂的有源层，使得当二极管正向偏置时，电子和空穴在有源区层内重新组合以产生光。有源层(量子阱、量子线或量子点、II型量子阱)位于与周围的p掺杂和n掺杂的覆层相比具有更高的折射率的波导层中。从有源层生成的光被限制在波导的平面中。常规的边射型法布里-珀罗宽面激光二极管被布置成矩形增益导引或折射率导引的半导体结构。波导的相对端面限定高且局部的反射体，以在谐振器内提供对光的振荡的反馈。多层半导体激光二极管结构延长了激光器的长度，并且具有延伸至相对的侧表面的宽的电注入宽度，这也延长了激光器的长度。通常将多层半导体材料布置成使得激光器沿着激光器的生长方向以单模工作，并且该方向被定义为快轴方向。由于半导体激光器沿着快轴方向以单模工作，因此不能进一步提高激光二极管在该方向上的亮度，这就是所谓的衍射极限。因此，多层半导体激光器结构的顶表面与底表面之间的距离提供较小尺寸的端面，即，发光区的厚度通常在微米的量级上。另一方面，多层激光器结构的宽度提供较大尺寸的端面，即，发光区宽度通常在几十个微米至几百个微米的量级上。由于发光区宽度远大于光的波长，因此沿着波导的光轴传播的光场的横向属性是沿着较长的发光区尺寸的高度多模，并且对应的轴被描述为慢轴。已经描述了在慢轴两端具有单模结构特征的二极管激光脊形波导结构，该结构可适于期望单模性能的低功率。例如，在Osinki等人的6,014,396中，公开了一种具有双扩张结构的扩张式半导体光电器件。在美国专利US7,623,555和US6,798,815中可以找到常规脊形波导结构的其它示例。这些器件在两个方向上具有单模光束质量，但实现这样的性能的代价是输出功率受限。然而，在保持超级亮度的同时缩放至更高功率的问题仍然构成二极管激光器领域(尤其是慢轴上为高度多模的器件)中的挑战，并因而需要与其相关联的改进。
技术实现思路
因此，本专利技术通过在宽面半导体二极管激光技术中提供创新来满足上述需求，包括提供一种扩张式激光振荡器波导(FLOW)，其具有在多模高反射面和局部反射面之间延伸和变宽的扩张式电流注入区域。通过朝向高反射面缩窄电泵浦发光区(stripe)的宽度，防止具有高发散角的高阶模式耦合回到激光中。结果，与具有相同的局部反射宽度的矩形几何形状的器件相比，激光的慢轴发散角较小。此外，扩张式电流注入区域中的光传播可以构成更接近较窄的、高反射体侧的宽度的热波导，使得局部反射体端面处的光束输出的光束宽度比局部反射体端面宽度窄得多。结果，与BAL器件相比，对于FLOW器件而言，光束参数乘积BPP(慢轴近场宽度乘以慢轴发散角)较小。由于近场小于局部反射体侧的物理宽度，因此FLOW器件可以被设计成与BAL相比在不牺牲BPP的情况下具有更大的总面积。由扩张式电流注入区域的扩张所提供的扩大的总泵浦面积用于降低热电阻和器件中的电串联电阻，从而导致更高的电-光功率转换效率。与BAL器件相比，这导致给定的工作电流具有更高的输出功率。更高的功率和更小的BPP导致慢轴上增大的光束亮度。除了应用于宽面二极管激光器之外，还可以将FLOW构思应用于其它类型的基于半导体的法布里-珀罗激光器，举例来说诸如量子级联激光器(OCL)、带间量子级联激光器(IQL)。具有扩张式激光振荡器波导的宽面二极管激光器还可以在激光二极管模块中找到特定用途，激光二极管模块可以被配置用于各种应用，诸如光纤耦合或直接泵浦。因此，在本专利技术的一个方面中，宽面半导体二极管激光器件包括多模高反射体端面、与多模高反射体端面间隔开的局部反射体端面以及在所述多模高反射体端面与所述局部反射体端面之间延伸和变宽的扩张式电流注入区域(flaredcurrentinjectionregion)，其中，局部反射体端面宽度与高反射体端面宽度之间的比率为n:1，其中n>1。在本专利技术的另一方面中，多模扩张式激光振荡器波导具有如下的半导体增益容积，该半导体增益容积包括由谐振器长度分隔开且相对布置的多模高反射体和输出耦合器、由谐振器高度分隔开且相对布置的顶侧和底侧以及由可变的谐振器宽度分隔开且相对布置的第一扩张侧和第二扩张侧，该可变的谐振器宽度为高反射体提供比输出耦合器更短的宽度。在本专利技术的另一方面中，扩张式激光振荡器波导具有如下半导体增益容积，该半导体增益容积包括：彼此由谐振器长度分隔开的高反射体表面和相对的局部反射体表面；由谐振器高度分隔开的、相对的顶表面和底表面；以及由谐振器宽度分隔开的、相对的第一侧表面和第二侧表面，其中，通过可变的谐振器宽度将相对的侧表面的至少一部分分隔开，该可变的谐振器宽度构成扩张式振荡器区域并且为高反射体表面提供比局部反射体表面更短的宽度。根据以下参考附图进行的详细说明，前述和其它的目标、特征和优点将变得更明显，其中，附图不必按比例绘制。附图说明图1是根据本专利技术的一个方面的扩张式激光振荡器波导器件的立体图。图2是根据本专利技术的一个方面的扩张式激光振荡器波导器件的光学谐振器的立体图。图3是常规宽面二极管激光器件和根据本专利技术的方面的扩张式激光振荡器波导二极管激光器件的慢轴(SA)光束参数乘积(BPP)的图表。图4是常规宽面二极管激光器件和根据本专利技术的方面的扩张式激光振荡器波导二极管激光器件的慢轴(SA)亮度的图表。图5是示出与宽面激光器相比，作为从根据本专利技术的方面的扩张式激光振荡器波导二极管激光器件发射的光束的工作功率的函数的近场光束宽度收缩的图表。图6是示出作为从常规宽面二极管激光器件和根据本专利技术的扩张式激光振荡器波导二极管激光器件发射的光束的工作功率的函数的远场光束发散角。图7是示出针对本专利技术的扩张式激光振荡器波导器件和常规的宽面激光二极管，光学功率(功率)以及电-光功率转换效率(效率)与电流的关系曲线的图表。图8A至图8C示出根据本专利技术的方面的三种替代的电流注入区域的俯视截面图。图9A至图9C示出根据本专利技术的方面的三种替代的电流注入区域的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽面半导体二极管激光器器件，包括：多模高反射体端面；与所述多模高反射体端面间隔开的局部反射体端面；以及扩张式电流注入区域，其在所述多模高反射体端面与所述局部反射体端面之间延伸和变宽，其中，局部反射体端面宽度与高反射体端面宽度之间的比率为n:1，其中n>1。

【技术特征摘要】
2013.04.09 US 61/810,261;2013.08.27 US 14/011,6611.一种宽面半导体二极管激光器器件，包括：多模高反射体端面；与所述多模高反射体端面间隔开的局部反射体端面；以及扩张式电流注入区域，其在所述多模高反射体端面与所述局部反射体端面之间延伸和变宽，其中，局部反射体端面宽度与高反射体端面宽度之间的比率为n:1，其中n>1。2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述扩张式电流注入区域传播光，使得所述局部反射体端面处的光束输出具有比所述局部反射体端面宽度更窄的光束宽度以及对应的更窄的慢轴发散角。3.根据权利要求2所述的器件，其中，由所述扩张式电流注入区域的扩张所提供的扩大的总泵浦面积连同所述实质变窄的光束宽度和慢轴发散角能够操作用于减小热电阻和电串联电阻，并且导致针对选定的器件输出功率的所述光束输出的光束亮度增大以及光束参数乘积减小。4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述高反射体端面具有选自约10μm至200μm范围的宽度。5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述扩张式电流注入区域相对于长度在宽度上以恒定的变化扩张。6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述扩张式电流注入区域相对于长度在宽度上以可变的变化扩张。7.根据权利要求1所述的器件，其中，所述扩张式电流注入区域以多个扩张区域扩张。8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述电流注入区域包括位于所述多模高反射体端面处的矩形端部，该矩形端部允许在所述矩形端部中形成裂缝，从而为所述多模高反射体端面提供能够预测的宽度。9.根据权利要求1所述的器件，其中，所述电流注入区域包括位于所述多模局部反射体端面处的矩形端部，该矩形端部允许在所述矩形端部中形成裂缝，从而为所述多模局部反射体端面提供能够预测的宽度。...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·坎斯卡，
申请(专利权)人：恩耐公司，
类型：发明
国别省市：美国,US