专利名称：具有外腔的单空间模式输出的多模干涉激光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有集成的半导体和石英(silica)光腔的激光器，该光腔包括用于产生高功率、高效率的单空间模式光输出的多模干涉波导。
背景技术：
高功率半导体激光二极管通常被设计成具有一个宽的电泵浦腔，该泵浦腔支持几个横向空间模式。这种腔或波导被称为多模式。由于所述波导的宽度比单模光纤或平面波导的宽度大，因此一个基本问题是如何将激光器的输出与单模波导有效地耦合。
例如，许多现有的从例如无源相干组合的固有多模结构中提取单模高功率的方法取决于被耦合的振荡器的自组织非线性特性。
虽然以Prassas名义申请的，受让给Corning Incorporated的美国专利6,944,192和以Kazarinov名义申请的，受让给Applied WDM Inc.的美国专利6,580,850示出了相似的装置，它们均使用了激光器的光束截面的绝热变换原理。通过剥离激光器的所有其它发射激光的模式，利用激光器的一个模式，绝热变换可以产生单模输出。这种使多模激光器在单模式下运行的过程的效率非常低且难以实现。
然而，本申请中披露的激光装置的内在物理原理与上述专利所披露的不同，它是基于在多模干涉(MMI)波导中成像的原理，根据该原理，当光波沿波导传播时，给定平面的束流截面将在一个成像距离上被周期性地复制。其中，腔的往返长度被选择为与该成像距离相匹配或与若干个成像距离相匹配，而单模波导则提供反馈源及用作光输出的端口。一个关键特征是，自成像距离是波导宽度、折射率及波长的一个简单函数。现有技术中没有出现这种设计。
因此，除输出处的整个腔内，束流是多模式的且实际上充满了整个波导。当束流到达输出平面时，它收缩为与单模输出波导相匹配的单模光点。所有的模式在理论上都能完美地组合成MMI波导输出处的单模式。还有，本申请所披露的设计与现有技术的区别在于，本申请中的装置不需要一个逐渐减小的部分，由多模部分向单模波导的转换可以是突变的。
或许，与本申请最为接近的现有技术是以Hamamoto的名义申请的，受让给NECIncorporated的美国专利6,768,758。该专利利用基于MMI原理的单片电路结构，以单模束流开始，允许在多模束流中的激光增益，且随后重新生成一个单模束流。由于整个MMI由半导体制成，预计输出面上的单模热光点处的光学灾变性损坏(COD)会限制可达到的输出功率。因此，相比在1瓦或在1瓦以下运行的先进的单模激光器，这种结构看来无法提供任何明显的好处。
相反地，本申请可避免在半导体激光片的端面上生成单模“热光点”，其在高光功率密度区域内更易于退化。激光波导与石英波导(紧密耦合)一起组成MMI结构，因此在它们的分界面处，尤其是激光端面处，束流为多模式。束流只在石英波导的内部变成单模式，这样可以更好地处理高光功率密度。因此，所述装置能产生可与多模大面积二极管所能达到的功率相比较的高功率单模输出功率，即5-10瓦或更大的范围。例如，在JDSU Inc.，在大面积二极管中可获得每台装置14W的光学功率及超过70％的电光转换率。
因此，本发明的一个目的是通过降低半导体增益区域内的峰值功率密度来增加传统大面积激光器的稳定性和输出功率。由于发射激光体积被更均匀地填充，大面积激光器不仅比传统的单模激光器及锥形振荡器具有更高的功率，而且比传统的单模激光器及锥形振荡器具有更高的固有效率。
本发明的又一目的是通过结实的多模复合激光腔设计来改进传统大面积激光器的可制造性，所述多模复合合激光腔设计由几何结构及MMI区域的折射率截面所完全确定，所述MMI区域对由于制造变化或温度引起的微小的宏观尺度折射率的变化不敏感。由于自成像位置随折射率线性地偏移，可将共焦束流参数设置得相对长些。
本发明的另一目的是使用能准确制造的几何结构，以避免激光端面上及半导体激光片内部的光热点。
本发明的另一目的是融合大面积激光器技术中的资源及专门技术。
发明内容
因此，本发明涉及常规的具有单模输出的大面积激光器，利用了渐变折射率波导中的多模干涉(MMI)现象。
本发明的另一方面涉及结实的多模复合激光腔设计，所述多模复合合激光腔设计由几何结构及MMI区域的折射率截面所完全确定，所述MMI区域对由于制造变化或温度引起的微小的宏观尺度折射率的变化不敏感。由于自成像位置随折射率线性地偏移，可将共焦束流参数设置得相对长些。
本发明设计一种高功率激光器，包括[16]位于半导体片上的平面多模光增益区域，所述平面多模光增益区域在第一低反射率面和后反射面之间延伸；[17]用于电泵浦所述多模光增益区域以提供光增益的装置；[18]位于光片上的平面无源多模干涉区域，所述平面无源多模干涉区域在第二低反射率面和输出端之间延伸，所述输出端被耦合至单模波导，以提供激光器的输出；以及[19]与所述单模波导光耦合的光反射器，因而，由所述光反射器和所述后反射面而界定激光腔；[20]其中，所述第一和第二低反射率面被光耦合，以在后反射面和平面无源多模干涉区域的输出端之间形成复合多模干涉区域，所述复合多模干涉区域的长度等于若干个自成像距离。
下面将结合代表优选实施例的附图对本发明进行更详细地说明，其中[22]图1是对接至使用MMI波导的石英波导(SSMMI)的半导体激光二极管阵列的平面布局图；及[23]图2是展开的激光二极管/石英MMI波导结构内的光场强度平面图，以便于分析。
具体实施例方式参照图1，示出了高功率激光器100的示例性实施例，所述高功率激光器100包括对接至无源石英片102的激光二极管阵列101。所述激光二极管阵列101包括多个多模半导体增益区域103a至103c，每一个多模半导体增益区域具有宽度W和长度L1，所述多模半导体增益区域103a至103c分别光耦合至所述无源石英片102上的多模干涉(MMI)区域104a至104c，形成复合激光发射腔。或者，所述石英片102可由硅基底上的石英、硅基底上的硅和类似材料的组合取代。根据所期望的发射波长和光增益的光谱范围，所述激光二极管阵列101可由砷化镓或磷化铟基底制成，而所述多模半导体增益区域103a至103c可由砷铝化镓、磷砷化镓铟、磷化镓铟或它们的组合物之一制成。所述多模半导体增益区域103a至103c具有后反射面105和低反射率面107，光通过所述低反射率面107分别耦合至具有相应的低反射率面108的MMI区域104a至104c。所述后反射面105通常具有30％至95％的反射率，虽然对于一些应用来说，优选超过95％。所述低反射率面107和108通常具有小于大约1％的反射率，然而为了避免形成多腔，可能需要低至0.001％的值，这可能需要适当调节端面的角度。所述MMI区域104a至104c进一步分别光耦合至用作激光输出的单模波导106a至106c。相邻增益区域的间隔，例如，103a和103b之间的距离D2，103b和103c之间的距离D1，以及相应的MMI区域104a和104b之间，104b和104c之间的距离可以是不均匀的，这些距离可以被调节，以获得横跨激光二极管阵列方向的预定的热分布，所述方向相对于多模半导体增益区域103a至103c的长度方向为横向，例如，以提供恒定的热分布或0值热分布。用来电泵浦增益区域103a至103c的装置被标记为120。
为了避免过多的损耗，端面107和108优选被涂覆抗反射材料，且它们之间的间隙优选约在100微米以下。为了进一步减少损耗，尤其是由所述片的平面的法线方向的模式配合不当所引起的损耗，可在端面107和108之间放置微光学元件，如非常小的圆柱形透镜。或者，端面107和108中的一个或两个可被制造成曲面，以提供透镜化效应，与本领域所公知的被透镜化的光纤端面相类似。
在后反射面105和第二反射器115之间形成复合激光发射腔，所述第二反射器115位于单模波导106a内、或位于耦合至单模波导106a的光纤内、或一些其他适当的位置。向所述复合腔内提供光反馈的第二反射器115可以例如是波导内的布喇格光栅、光纤布喇格光栅或简单的系数不连续的元件。
图1示出的物理布局图示出了MMI腔激光器的例子，包括光耦合至相应的多模干涉(MMI)区域104a的多模半导体增益区103a，所述多模干涉(MMI)区域104a在其一端112a与包括有第二反射器115的单模波导106a耦合。光电电路(PLC)110，例如石英AWG波导或星形耦合器，可以被包括在端面112a和第二反射器115之间，用于处理通过的光。所述构思也可用于阵列的装置，例如103a-c和104a-c。
在图1所示的例子中，复合MMI腔由激光二极管阵列101内的半导体增益区域103a的长度L1加上MMI区域104a的长度L2形成，所述复合腔可双通自成像。对于对称反馈的具有不同折射率的若干区域的MMI腔，下面的公式给出了自成像的长度[29]∑iLi/ni＝mW2/λ0[30]其中，Li是自成像长度，ni是有效折射率，W是波导宽度，λ0是自由空间波长，及m是整数。例如，双通、对称反馈100mm宽的波导及3mm长的激光片要求多模石英波导区域为7.4mm长或其整数倍才能提供自成像。
MMI腔激光器的操作可理解为如下 在激光输出处由反射器(布喇格光栅或系数不连续的元件，例如无源石英片102的输出面)将产生单空间模反馈，使光通过单模波导106a返回多模半导体增益区域103a。
单模波导106a于末端112a处进入复合MMI区域，具有中心单模点。MMI区域104a的许多横向模式被激发。输入光场将迅速地传播以横向地充满MMI区域104a。
光场从MMI区域104a延伸至多模半导体增益区域103a，且被放大。所述光场在涂有高反射率(HR)涂层的后反射面105处被反射，并通过多模半导体增益区域103a返回至MMI区域104a。
通过复合激光发射腔的一次往返，所述光场达到其自成像的长度并重新形成单模波导106a的单空间模式。
光场的一小部分，通常在0.1％和20％之间，将会被再次反射返回以重新种子激发所述高功率激光器100，而光场的其余部分将作为单模波导106a的有用输出而被传输。
这样，在复合激光发射腔往返的始端及末端处的单模波导106a内存在相对小的单模光点，而光场在其穿过所述低反射率面108及相应的低反射率面107时将会横向地扩展，且在多模半导体增益区域103a内传播。这将可以兼顾大面积激光器的全部固有效率及光功率性能。本发明能够实现的前提是多模半导体增益区域103a至MMI区域104a的波导的无缝延伸。在MMI区域104a内主要出现高光功率密度。在多模半导体增益区域103a与MMI区域104a之间的分界面处，通过低反射率端面108及107上的抗反射(AR)涂层来尽量减小它们各自的折射率的差异，而且波导宽度应当匹配，且分界面处的间隙应当足够地小以限制衍射损耗。
复合激光发射腔内的多个光学模式会增加一些空间光场结构，为了实现本发明的全部优点，理解这一点是非常重要的。在大部分多模半导体增益区域103a内的光场结构可产生会使成像性能变差(所谓的热点)或退化的折射率起伏，因此在后反射面105处的光场结构可能导致以光功率密度为代价的光学损伤。
图2描述了所述复合激光发射腔内一次往返的MMI强度剖面图，所述剖面图是以后反射面205(图1中为105)为基准展开而成的，所述剖面图包括前向部分(端面205左侧)和返回部分(端面205右侧)。在一次往返的开始处，光从单模光纤210a进入石英MMI区域202a，激发起许多横向模式。在这个具体的例子中，当到达界面207a并进入半导体增益区域201时，光可达到7重像面(从起始处计的第三个这种像面)。当到达背反射端面205时，光可达到2重像面(从起始处计的第一个这种像面)，在此，光返回界面207b，该界面对称地位于第四个7重像面处。最后，反向横跨石英MMI区域202b之后，光在单模光纤210b处重新成像为单个光点。如图可知，在遍及整个MMI范围内，在(p/N)*L位置处将产生输入光场的N-重图像，其中p＝1，2，3，...N-1。值得注意的是，2重图像总是会在后反射面205(图1中为105)处出现。但幸运地是，这是所述腔中光功率密度最低的地方。例如，在10W的激光器中，假设输出反射器具有1％的反射率，则所述2重图像中的每一个大约为0.5W，这对于所计划的图像大小是很低的功率密度。
由于图2是在865nm波长下，相对窄的13微米宽的输入光场耦合至复合激光发射腔内的100微米宽的MMI区域的情形下产生的，空间结构被明显地分解达8-重图像，这对于图1中高功率激光器100的MMI区域来说可能将会是个问题。
如图1所示的一个解决方法是，将一个逐渐减小的部分112c在其耦合到MMI区域104c处加入到单模波导106c，使得输入光场相对于MMI区域104c的宽度W不会过分狭窄，从而减少将会在MMI内分解的空间结构。
例如，设计如图1所示的几何结构，使得多模半导体增益区域103a上的低反射率端面107，大约位于相应于穿过MMI和半导体增益区域的复合通道的3/7和4/7处的7-重像面处。单模波导106c具有锥度，以从10微米转换至MMI区域104c的输出端112c处的大约20-25微米，但仍具有一个部分突变的端面。因此，输入至MMI区域104c内的单模输入大约是其宽度的1/4-1/5，且这种输入的7-重图像将不会被很好的分解，因而在低反射率面107处有相对均匀的功率分配。相比MMI区域104c的输出端，MMI区域104b的输出端112b具有更为渐变的形状，而MMI区域104a的输出端112a则是长方形的，即，平行边和端面之间具有方角，因而MMI区域104a和单模波导106a之间为完全的突变。
此外，这将导致后端面105处的2-重图像与前端面107处的7-重图像之间的所有图像均高于7-重。因此，在本实施例的设计中，除了后反射面105处的两个图像外，在所述激光片内部没有空间热点。
尽管通过设计抑制热点的形成，但仍然存在一个风险，即自然成丝(spontaneousfilamentation)将会限制输出束流质量。如2004年SPIE第5365卷中Sellin等人所描述，由于减少的γ权数，可通过使用量子点(QD)增益介质有效地抑制所述成丝。目前有一些实验室正在忙于QD的研究，且该技术正变得相当的成熟。如有必要的话，可使用量子点介质来减轻这里所披露的由于结构内的成丝所引起的束流质量退化。
本实施例提出了一些几何设计的考虑。通过将其轻微地缩短及加长石英中MMI区域104a，甚至可以在多模半导体增益区域103a内获得更高的光场均匀度，从而使低反射率面107降至，例如4/9和5/9处的9-重像面。对于MMI区域宽度、长度及前端面位置的其他组合的其他结构也可能是有用的。
权利要求
1.一种高功率激光器，包括位于半导体片上的平面多模光增益区域，所述平面多模光增益区域在第一低反射率面和后反射面之间延伸；用于电泵浦所述多模光增益区域以提供光增益的装置；位于光片上的平面无源多模干涉区域，所述平面无源多模干涉区域在第二低反射率面和输出端之间延伸，所述输出端被耦合至单模波导，以提供激光器的输出；以及与所述单模波导光耦合的光反射器，因而，由所述光反射器和所述后反射面而界定激光腔；其中，所述第一和第二低反射率面被光耦合，以在后反射面和平面无源多模干涉区域的输出端之间形成复合多模干涉区域，所述复合多模干涉区域的长度等于若干个自成像距离。
2.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述无源多模干涉区域具有逐渐变细部分，所述逐渐变细部分的窄端邻接所述单模波导。
3.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述无源多模干涉区域为矩形。
4.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述无源多模干涉区域与所述单模波导之间的转换是突变的。
5.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，在所述半导体片上还包括有另外的平面多模光增益区域，以及在所述光片上还包括有另外的平面无源多模干涉区域。
6.根据权利要求5所述的高功率激光器，其特征在于，所述平面多模光增益区域之间具有均匀的间隔，以提供横跨所述半导体片的预定的温度梯度。
7.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述预定的温度梯度为常数。
8.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述预定的温度梯度为0。
9.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述光片包括石英基底上的石英、硅基底上的石英及硅基底上的硅之中的一个。
10.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述半导体片包括砷化镓、磷化铟、砷铝化镓、砷铝化镓及磷化铟镓中的一个或多个。
11.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述多模光增益区域前端的第一低反射率面大约位于n-重像面处。
12.根据权利要求11所述的高功率激光器，其特征在于，所述n-重像面是7-重像面。
13.根据权利要求11所述的高功率激光器，其特征在于，所述n-重像面是9-重像面。
14.根据权利要求5所述的高功率激光器，其特征在于，所述单模波导中的一个或多个光耦合至阵列波导光栅。
15.根据权利要求5所述的高功率激光器，其特征在于，所述单模波导中的一个或多个光耦合至星形耦合器。
16.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述单模波导被扩展，其宽度朝向无源多模干涉区域而增加。
17.根据权利要求1所述的高功率激光器，其特征在于，所述第一和第二低反射率面具有0.1％和20％之间的反射率。
全文摘要
本发明涉及常规的具有单模输出的大面积激光器，利用了渐变折射率波导中的多模干涉(MMI)现象。本发明的另一方面涉及结实的多模复合激光腔设计，所述多模复合合激光腔设计由几何结构及MMI区域的折射率截面所完全确定，所述MMI区域对由于制造变化或温度引起的微小的宏观尺度折射率的变化不敏感。由于自成像位置随折射率线性地偏移，可将共焦束流参数设置得相对长些。
文档编号H01S5/14GK1967953SQ200610149748
公开日2007年5月23日 申请日期2006年11月20日 优先权日2005年11月18日
发明者马丁·H.·门德尔, 维克多·罗西尼, 布诺·阿克林 申请人:Jds尤尼弗思公司