光学器件的制作方法

专利名称：光学器件的制作方法
技术领域：
本公开涉及带条纹的半导体有源光学器件，其具有均匀或非均匀构造的増益区。特别地，本公开涉及具有増益区的半导体激光二极管，所述半导体激光二极管构造为辐射具有期望近场的高功率输出辐射线。
背景技术：
图I示出了半导体激光二极管10的典型结构。激光二极管包括包括具有细长条纹14的基板12，细长条纹14为分别在反射器16和18之间与基板12共同延伸的均匀尺寸的増益区。各个反射器的反射镜16’和18’限定共振器。在工作时，电流横穿条纹14，并且 条纹14可操作以从任一反射镜(例如，反射镜18’ I)发射出光学辐射线。限定输出束的近场的输出反射镜18’是严格要求的对象，即，其宽度W不应超过预定值。否则，发射出的辐射线将耦合到诸如纤维的接收部件中，功率损耗大。(I在美国专利No. 5917972,5978400和5985685中分别公开了制造激光二极管的方法，相同受让人共同所有上述专利与本申请并且上述专利的全部内容通过引用并入本文。)对于高功率光学输出的日益增长的要求与条纹上的升温和电流负荷相关，如果反射镜18’被放大，则无需担心这些问题。然而，如上所述，这是不可实现的。因此，因为升温和高电流导致激光二极管10的降级，经历高负荷的条纹具有相对短的使用寿命。特别地，降级取决于施加到増益区14中的泵电流和在増益区14中产生的热。因此，为了阻止过热的不利效果，需要扩大ニ极管10的面积。较大的面积可由于激光二极管10的进ー步延长而实现。然而，本领域技术人员公知的是，ニ极管10的较大长度使得内部损耗大。因此，长度越大，内部损耗越大，ニ极管10的效率越低。降低的效率导致较大的发热，暗示了较短的寿命周期。g在弥补增加长度的不期望结果的努力转变到成本效益不好的制造エ艺中。除了以单模(SM)或多模辐射发射出的输出束的期望近场之外，通常需要具有输出束的期望远场。否则，输出束可耦合到诸如纤维等波导管中。损耗较大。因此，对于能够发射具有期望近场的输出束的高功率激光二极管存在需求。另外，对于可操作以可控地发射出具有期望远场的输出束的高功率激光二极管存在需求。

发明内容
这些需求通过依照本公开构造的激光二极管来满足。所公开的高功率激光二极管包括基板、间隔开的反射器和泵电流横穿并且在反射器之间延伸的増益区。増益区构造为使得激励发射仅在尺寸设计为使得发射出的辐射线具有期望近场的增益区的相对小的部分中产生。根据公开的一个实施方案，増益区具有比端输出区段的功率供给区段大的功率供给区段。由于这种形状，増益区被构造为具有主共振腔以及至少ー个侧共振腔(每个共振腔另外称为“共振器”)。主共振器在反射器之间延伸并且具有与端区段的辐射宽度相对应的均匀尺寸的结构。至少ー个侧共振器沿着増益区的邻近主共振器的功率区段延伸，因此終止于距反射器和输出反射器中的至少ー个的一定距离处。依照实施方案的ー个方案，共振器被构造为使得主共振器中的激光发射阈值比侧共振器中的激光发射阈值低很多。或者，如果共振器被构造为具有均匀阈值，在侧共振器中产生的激励发射将不利地影响从主共振器发射出的输出束的功率和质量。因此，増益区被构造为使得激励发射仅在均匀尺寸的相对窄的条纹或者通过间隔开的反射镜定界的主共振器中产生。输出反射镜具有被选择以为输出束提供期望近场的尺寸。侧共振器均具有被选择以使得在这些共振器内不产生激励发射而主共振器会经历光的放大的长度。因此，尽管公开的ニ极管的功率处理特性由于有源区的整体扩大面积而得以改进，发射的辐射线、尤其是其近场不会由于侧共振器的存在而受损。依照实施方案的另一方案，瓶颈形激光二极管被构造为辐射也具有期望远场的输出束。远场为与绝热膨胀和/或压缩模相关的ニ极管的截头锥形区段的锥角的函数。这种膨胀有助于在单模输出的情况下防止高阶模的激发或者在多模结构的情况下附加高阶侧模的产生。此外，多模结构中的绝热膨胀/压缩的特征在于所有辐射模的与相对窄的远场相对应的均匀输出角。然而，由于锥角大于一定的角度，以不同于初始模被辐射的角度的输出角辐射除了初始模之外所产生的附加摸。因此，包含最初以及最新产生的模的辐射线的远场将大于仅包含初始模的辐射线的远场。因此，在制造エ艺中减小或增加锥角使得可控制激光辐射线的远场。根据本公开的另一实施方案，激光二极管被构造为具有均匀尺寸的增益区。至少ー个阻光部件设置在増益区内，使得仅在增益区的相对小的部分，即主共振器中产生激励发射。阻光部件的尺寸使得发射出的辐射线以期望近场为特征。


下面将结合附图来讨论本公开的上述和其它的特征图I为具有带条纹构造的光学器件的公知结构中的ー种。图2-5示出了依照本公开的ー个方案构造的所公开的光学器件的各种构造。图6示出了依照本公开的另一方案构造的所公开的光学器件，所述光学器件涉及ニ极管的输出束的可控远场。图6A示出了提供输出束的期望近场的所公开的光学器件的另ー种构造。图7示出了在所公开的光学器件和现有技术的光学器件中相应的发射辐射线的功率和泵电流之间的关系。图8示出了在所公开的光学器件和现有技术的光学器件中相应的发射辐射线的 波长和泵电流之间的关系。图9示出了分别从所公开器件和现有技术器件发射出的辐射线的近场。
具体实施例方式现在将更加详细地參照公开的光学器件。在附图和说明书中尽可能使用相同或相似的附图标记来指代相同或相似的部件或步骤。附图为简化的形式并且远非精确的比例。參照图2，所公开的光学器件构造为具有细长基板22和増益区24的半导体激光二极管20，増益区24形成在基板中并且沿着纵轴线A-A’延伸。増益区24被构造为具有至少两个侧共振器主共振器38，其在各个反射器30和32的间隔开的反射镜或部分与侧共振器42之间延伸，并且终止于距间隔开的反射器34’和46中的至少ー个一定距离处。如下面解释的，ニ极管20被构造为使得仅在主共振器38而不是在侧共振器42中产生激励发射。結果，仅通过具有限定期望近场的尺寸的反射镜或反射器的部分32来发射光。同吋，由于增益区24的面积增加，ニ极管的特征为改进的功率处理參数，功率处理參数防止主共振器38经受不可接受的热负荷和电流负荷。两个刻面(facet)或反射器，即设置有高反射(HR)涂层的反射器34和涂有防反射(AR)涂层的输出反射器36，在它们之间限定ニ极管20的轴向长度。各个HR和AR反射器的反射镜或部分30和32延伸通过增益区24的相对端，从而限定具有法布里-珀罗(Fabry-Perot)几何形状的共振腔。激光发射机制为公众熟知。最初由泵电流横穿的增益区的特征在于自发光发射。由于光载波(即，光量子)循环通过间隔开的反射镜之间的増益区，它们被放大(増益)。一旦总增益超过插入损耗，例如内部损耗和输出损耗，自发发射达到激光发射阈值并且进ー步变换为激励发射。响应于施加到増益区24的预定泵电流，达到激光发射阈值(即，激励发射按既定波长从AR输出反射镜32中辐射出的最低激励水平)。AR输出反射镜32以及因此激光辐射线的近场受到严格的几何形状的限制并且不应超过预定宽度。否则，越过反射镜32的期望几何形状的放大反射镜32将与从ニ极管20发射出并且发射到输送纤维中的辐射线的大量耦合损耗相关联。通过非均匀尺寸的増益区24达到了反射器32的期望几何形状和増益区24的放大的总面积之间的折中，下文将对此进行讨论。因此，増益区24包括分别相对的轴向间隔开的端区段26、28、中间功率供给区段40和截头锥形区段44。截头锥形区段44桥接功率供给区段40的相对端和各个端区段26、28，从而提供单侧模或多侧模的传播，而实质上不具有模间耦合和/或损耗。因此，增益区24的构造可被视为具有由在反射镜30和32之间循环的光载波横穿的主共振器或条纹38，以及取决于增益区24的截面的ー个或多个侧共振器42。侧共振器42可以通过从侧面与各个共振器42相接的基板区域48为在反射器部分34’和46之间穿行的光量子提供増益。功率供给区段40的长度被可控地选择以防止在ー个或多个侧共振器42中产生激励发射。这是通过使每个侧共振器42的长度被构造为使得耦合至共振器42外部的光载波沿着路径Is在通往反射器部分46的途中或从反射器部分46起被吸收或扩散来实现的。换句话说，侧共振器42的尺寸使得实际上在反射器34’和46之间不存在光量子的循环。因此，尽管主共振器38中的光通过反射镜30和32之间的增益介质由于光量子的循环而受到増益，但是侧共振器42的特征仅为弱的自发发射。因此，増益区24的功率供给区段40被构造为具有这样的轴向长度由于在高损耗基板区域48中大量的损耗，穿行通过侧共振器42的増益介质的光不具有増益。当然，这意味着主共振器38中的激光发射阈值比侧共振器42的激光发射阈值低很多，侧共振器42可能永远不具有激励发射所需的条件，否则将不利地影响期望的输出辐射线。但是，对于上文公开的结构，増益区24将通过反射器部分46在期望波长以期望近场发射辐射线，其中反射器部分46具有与功率供给区段40的径向尺寸实质相等的径向尺寸，因此大于AR反射镜32的期望几何形状。结果，仅输出反射器36的期望部分，即AR反射镜32，发射能够实质无损耗地耦合到诸如纤维(未示出)等接收波导管中的辐射线。此外，功率区段40允许激光二极管20上的较低功率密度和总体较低的电流负荷。因此，所公开的增益区24的构造具有AR反射器32的期望几何形状、ニ极管20的总长度以及ニ极管20上低的热负荷和电流负荷。低的热负荷和电流负荷变换为ニ极管20的长使用寿命。功率供给区段40以及因此侧共振器42的长度为许多变量的函数，这为激光器技术领域的普通技术人员所公知。仅作为实施例给出，影响功率供给区段的长度的变量可以包括众多变量中的AR涂层、量子阱的数量、台面(S卩，接收泵电流的区域)的深度以及其它变量。功率供给区段40的期望长度可以通过将具有均匀尺寸的増益区的激光二极管的近场与所公开的ニ极管进行连续地比较来根据经验确定。例如，图9示出了通过所公开的ニ 极管和图I中的已知ニ极管10分别发射的辐射线的近场。可易于看出，图I中的ニ极管10和图2中的ニ极管20相应的近场基本相同。如果所公开的激光二极管20的近场与ニ极管10的近场实质上不同，则制造过程将继续直到获得期望的近场。图3和图4示出了激光二极管20的各几何形状的变型例，如上文所公开的，激光ニ极管20构造为具有至少ー个侧法布里-珀罗共振器。特别地，与图2中的变型例对比，图3示出具有増益区24的端区域输出锥形区段44’的ニ极管20，端区域输出锥形区段44’具有与输入锥形区段44”不同的轴向长度。另外，中区段40比图2中的中区段稍短并且具有不规则形状，即，其纵向侧部41与轴A-A’成角度延伸。或者，在图2和图3中条纹24的截面可一般性地描述为双瓶颈形截面。图4示出了激光二极管20，其具有仅分别构造有输入和输出锥形区段44”和44’的功率供给区段，输入和输出锥形区段限定了与侧共振器42相对应的脊状区。提供用于共振器42中的自发发射的光量子可以从共振器42耦合至外部并且在通往相对的反射器的途中沿着光路Isf穿行。光量子的大部分在到达ー个反射器(例如反射器46)之前在基板高损耗区48中被吸收。被反射的光量子沿着路径Isr往回穿行通过相同的高损耗区48，而且大部分光量子被吸收。結果，如果任何光量子仍然到达共振器42，则在进一歩穿行通过另ー高损耗基板区通往HR共振器34’之后其数量几乎不足以形成激光发射条件。因此，ニ极管20的这种构造与上文的那些构造相似，以增强的功率处理能力以及较低的热负荷和电流负荷为特征，但是具有输出束的期望近场。为了进一歩降低电流负荷，设置台面，以使其边界47与増益区24的外边界互补地延伸，但是从増益区24的外边界向内间隔开。图5示出了基于与图2-4中的ニ极管20相同的构思的公开的激光二极管50的另一方案。特别地，形成在基板52上的増益区53具有扩大中区段56，所述扩大中区段56被构造为使得主法布里-珀罗激光器58与至少ー个或多个侧共振器54相邻。侧共振器54与图2-4中的共振器42相似，受到长度限制并且构造有比主共振器58的激光发射阈值高很多的激光发射阈值。因此，沿着侧共振器54与相対的反射器62和64之间的光量子路径Is构造吸收区60。因此，与之前公开的实施方案相比较，増益区53在输出反射器64的部分或反射镜66上具有较大的总面积以及因此具有较小的热负荷和电流负荷。
转向图6，与ニ极管20和50相似的激光二极管70构造有分别在相対的反射器74和76之间延伸的基板72以及设置在基板中分别在AR和HR反射镜80和82之间的增益区78。増益区78构造有三个区段，所述三个区段包括端区段84、截头锥形区段86和功率供给区段88。而且，激光二极管70构造有高损耗基板区90，高损耗基板区90在AR反射器74和ー个或多个侧共振器92之间延伸并且可操作以吸收和/或扩散构成侧共振器92中的自发发射的载波光量子。扩大的功率供给区段88的长度被构造为防止在侧共振器92中产生激励发射，如下面所公开的。在侧共振器92中产生自发发射的光量子可以碰撞到HR反射器76上、穿行回到共振器92并且从共振器92耦合至外部，从而横穿高损耗区90并且最终从相対的反射器弹回到共振器92中。这种循环会使得在附加的侧共振器92中产生不期望的激励发射。然而，如上文所解释的，功率供给区段88的长度被选择以使光量子的大部分在通往反射器74的途中被吸收。結果，防止大多数光量子返回到附加的共振器92，并且用于返回的那些光量子 的量不足以产生激励发射。根据本公开的另一方案，与ニ极管20和50相似的激光二极管70具有以激光辐射线的期望远场或发散度为特征的构造。远场为截头锥形区段86的锥角的函数。在一定的锥角处，如果区段86构造有预定的锥角α，则起初在増益区78中发起的模以绝热的方式沿着截头锥形区段86被压缩。结果，从反射器74辐射出的输出束具有一定的远场。然而，一旦锥角超过角度α，其它的模被产生并且在增益区78中被放大。以与初始模被辐射的角度不同的角度发射最新产生的摸。实际上，最新产生的模的辐射角度将大于初始模的辐射角度。因此，包含最初和最新产生的模的辐射线的远场将大于仅包含初始模的辐射线的远场。因此，通过减小或增加锥角，可以控制激光辐射线的远场。注意的是，图2-5中的实施方案均可被构造为辐射具有期望远场的输出束。图6Α示出了构造为具有期望近场的激光二极管55的另ー变型例。与上文讨论的所有实施方案对比，ニ极管55包括均匀尺寸的增益区57。然而，与上文公开的所有实施方案相似，増益区57具有主共振器59和至少ー个或多个侧共振器61。増益区57的分段是通过设置在侧共振器61内的槽或其它缺陷68等阻止部件来实现的。阻止部件68被构造为使得防止沿着侧共振器61通过的大部分光碰撞到AR反射器63上。尽管阻止部件68被显示为靠近AR反射器63定位，阻止部件的数量和位置为设计的问题，只要仅在主共振器59中产生激励发射即可。换句话说，主共振器59的激光发射阈值比侧共振器61的激光发射阈值低很多。因此，ー个或多个侧共振器61具有这样的侧宽主共振器59以及因此输出AR反射器63的部分65的尺寸被设计为提供输出束的期望近场。图7和图8分别示出了证实所公开的激光二极管优于已知的现有技术构造的上文讨论的优点的数据。从图7中可以看出，尤其在高电流时，表示在所公开的构造中输出功率W与泵电流A的相关性的曲线100具有比表示已知的带条纹构造的曲线102的斜率平滑的斜率。换句话说，所公开的激光二极管以高度有效的热去除为特征；热去除越有效，输出功率越高。图8示出了波长λ与泵电流A的相关性。半导体激光器领域的技术人员所公知的是，随着激光二极管中的温度升高，趋向为以较长的波长发射辐射线。因此，分别表示相应的公开的激光二极管构造和已知的激光二极管构造的曲线104和106显示出，在相同的泵电流处，所公开的ニ极管的辐射线以比已知构造的波长短的波长产生。結果，所公开的ニ极管的热负荷比现有技术结构的热负荷小。
尽管已经在具体的细节和操作的结构中阐述和描述了本公开，可清楚理解的是，这些公开仅为示例的目的，在不偏离本发明的主g和范围的情况下，本领域技术人员可以易于对本公开做出改变和改进。
权利要求
1.ー种激光二极管，包括 基板，其在间隔开的HR和AR反射器之间延伸； 増益区，其设置在所述基板中并且可操作以期望波长发射辐射线，所述增益区具有 主共振器，其桥接相应的HR和AR反射器的部分，以及 侧共振器，其与所述主共振器相邻定位并且被构造为具有比所述主共振器的激光发射阈值高的激光发射阈值，其中通过所述AR反射器的部分发射具有期望近场的所述辐射线。
2.如权利要求I所述的激光二极管，其中，所述侧共振器通过基板区域与所述AR反射器分离，所述侧共振器构造为具有被选择以使所述主共振器的激光发射阈值低于所述侧共振器的激光发射阈值的长度。
3.如权利要求2所述的激光二极管，其中，所述增益区构造为具有终止于距所述AR反射器的所述部分一定距离处的功率供给区段，所述功率供给区段具有与所述侧共振器的所述长度基本相等的长度以及比所述AR发射器的所述部分的径向宽度大的径向宽度，所述主共振器的尺寸被均匀地设计为具有与所述AR反射器的所述部分的所述径向宽度基本相等的径向宽度。
4.如权利要求3所述的激光二极管，其中，所述增益区具有終止于所述AR反射器的所述部分的平面中的端区段，所述端区段确定输出激光束的期望近场并且具有所述AR反射器的所述部分的所述径向宽度。
5.如权利要求4所述的激光二极管，其中，所述增益区进ー步包括截头锥形区段，所述截头锥形区段桥接所述端区段和所述功率供给区段，以使在相应的AR和HR反射器的部分之间延伸的所述主共振器夹在两个侧共振器之间。
6.如权利要求5所述的激光二极管，其中，所述截头锥形区段构造为具有被选择以便为所述输出激光束提供期望远场的锥角。
7.如权利要求6所述的激光二极管，其中，所述增益区进ー步构造为具有在所述HR反射器的所述部分和所述供给区段之间延伸的附加端区段和截头锥形区段。
8.如权利要求3所述的激光二极管，其中，所述功率供给区段具有从所述AR和HR反射器的相应部分向内发散并且在所述AR和HR之间彼此相遇的两个截头锥形区段。
9.如权利要求4所述的激光二极管，其中，所述增益区进ー步具有附加端区段，所述端区段直接通过所述功率供给区段桥接，所述端区段和所述功率供给区段均具有大致矩形截面。
10.如权利要求3所述的激光二极管，其中，所述增益区的所述功率供给区段具有选自由均匀宽度和非均匀宽度组成的组的宽度。
11.如权利要求I所述的激光二极管，其中，所述增益区包括 功率供给区段，其桥接所述相应的AR和HR反射器的所述部分并且构造为具有所述主共振器和所述侧共振器， 阻光部件，其设置在所述侧共振器中距所述相应的HR和AR反射器的所述部分中的一个一定距离处并且构造为防止在所述侧共振器中产生激励发射。
12.—种激光二极管，包括 基板，其沿着AR反射器和HR反射器之间的轴延伸； 増益区，其设置在所述基板中并且包括相邻的主共振器和侧共振器，所述主共振器和所述侧共振器在间隔开的HR和AR反射器之间延伸并且构造为使得激励发射仅在所述主共振器中产生并且在期望波长以期望近场通过AR反射器的部分发射。
13.如权利要求12所述的激光二极管，其中，所述增益区被构造为具有 端区段，其从所述AR反射器朝向所述HR反射器轴向地延伸； 截头锥形区段，其从所述端区段轴向延伸并且朝向所述HR反射器轴向膨胀，以及 功率供给区段，其从所述截头锥形区段朝向所述HR反射器轴向延伸并且具有比所述端区段的侧向尺寸大的侧向尺寸。
14.如权利要求13所述的激光二极管，其中，所述主共振器具有矩形形状的截面并且桥接相应的AR和HR的部分，从而延伸通过所述増益区的所述区段，所述侧共振器沿着所述功率区段延伸并且具有被选择以使所述侧共振器中的激光发射阈值实质上高于所述主共振器中的激光发射阈值的轴向长度。
15.如权利要求14所述的激光二极管，其中，所述增益区具有沿着所述功率供给区段夹围所述主共振器的两个侧共振器。
16.如权利要求13所述的激光二极管，其中，所述截头锥形区段构造为具有被选择以提供具有期望远场的辐射线的锥角。
17.如权利要求13所述的激光二极管，其中，所述增益区进ー步构造为具有在所述HR反射器的部分和所述功率供给区段之间延伸的附加端区段和截头锥形区段。
18.如权利要求12所述的激光二极管，其中，所述主共振器和所述侧共振器彼此共同延伸并且桥接所述AR和HR反射器，所述侧共振器设置有阻光部件，所述阻光部件构造为防止在其中产生激励发射。
19.如权利要求14所述的激光二极管，其中，所述功率供给区段終止于所述HR反射器的平面中。
20.如权利要求12所述的激光二极管，其中，所述增益区包括功率供给区段，所述功率供给区段桥接相应的AR和HR反射器的部分并且构造为具有与所述AR和HR反射器间隔开并且具有比所述功率供给区段的其余部分的截面大的截面的区域，所述主共振器具有矩形形状的截面并且在所述相应反射器的所述部分之间延伸通过所述功率供给区段，附加共振器在所述功率供给区段的所述区域内延伸。
全文摘要
激光二极管被构造为具有基板和增益区，所述基板通过相对的AR和HR反射器定界。所述增益区桥接相应的AR和HR反射器的部分并且被构造为具有主共振腔和至少一个侧共振腔。主共振腔跨越相应的反射器的部分之间，并且至少一个附加共振腔与主共振腔相邻延伸。增益区被构造为使得激励发射仅在主共振腔中产生。因此，激光二极管可操作以辐射通过AR反射器的尺寸被设计为形成具有期望近场的输出束的部分发射的高功率输出束。
文档编号G02B6/12GK102687354SQ201080058628
公开日2012年9月19日 申请日期2010年12月20日 优先权日2009年12月30日
发明者亚历山大·奥夫契尼可夫, 帕维尔·特鲁边科, 瓦伦丁·盖庞特瑟夫, 阿列克谢·科米萨诺夫 申请人:Ipg光子公司