专利名称：前光栅部和后光栅部的分离控制的制作方法
前光栅部和后光栅部的分离控制相关申请的交叉引用本申请要求2009年4月14日提交的美国申请No. 12/423, 222的优先权。背景本公开涉及分布式布拉格反射器(DBR)激光器及包含DBR激光器的经频率转换的激光源。更具体地，本公开涉及用于改进DBR激光器中的波长控制并且用于维持经频率转换的激光源的稳定且最大化输出功率的新颖设计和操作方法。
发明内容
尽管本公开的各概念不限于在光谱的任意特定部分中操作的激光器，然而在本文中频繁地引用倍频绿色激光器，其中激光二极管顶源的波长波动一般产生经频率转换的绿色输出功率的波动。这种绿色功率波动通常归因于激光二极管的波长变化和经频率转换的激光器中使用的波长转换器件(典型地是MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(PPMgLN) SHG晶体或一些其它类型的波长转换的器件)的相对较窄的光谱接受曲线。如果上述经频率转换的激光器用在例如扫描投影仪中，则这些绿色功率波动可产生不可接受的图像伪影。在操作期间将DBR激光二极管的发射波长保持恒定是有挑战的。例如，沿激光二极管的不同部分的热状况变化通常导致激光二极管发射波长的变化。这些波长变化通常表现为激光器发射波长的大模式跳变、多模发射光谱或两者。根据本公开的主题，提供DBR激光器构造及相应的操作方法，以帮助消除多模光谱并缓和模式跳变，同时增加激光模块制造工艺的产量。根据本公开的一个实施例，提供一种用于控制尤其是DBR激光二极管的波长的方法。根据该方法，独立地控制前、后DBR区段加热元件。更具体地，因为前光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献超过后光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献，所以可控制DBR激光二极管，使得激光发射模式选择由前光栅部支配，而前DBR区段加热元件用于波长调谐。此外，可控制后DBR区段加热元件，以使DBR反射光谱的光谱带宽变窄，消除多模激光器发射光谱并减小波长变化幅度。 本公开的其它实施例涉及控制包括DBR激光二极管的经频率转换的激光源的系统和方法。附图简述本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中
图1是包含前、后DBR区段加热元件的DBR激光二极管的示意俯视图；以及图2和3是包括独立控制的前、后DBR区段加热元件的DBR激光二极管的DBR区段的示意侧视图；图4是包括并联控制的前、后DBR区段加热元件的DBR激光二极管的DBR区段的示意侧视图；图5是包括串联控制的前、后DBR区段加热元件的DBR激光二极管的DBR区段的示意侧视图6是包含DBR激光二极管的经频率转换的激光源的一般化示意图。详细描述首先参照图1和2，可通过参照激光二极管10的有源和无源区20、30来描述控制 DBR激光二极管10的方法。一般而言，激光二极管10的有源和无源区20、30沿激光二极管10的光轴对准，它们沿激光二极管10的波导15的长度行进。有源区20包括光学增益介质。无源区30包括DBR区段40和任选的相位控制区段50。DBR区段40包括布拉格光栅45，该布拉格光栅45可被调整成在激光二极管10中可用的潜在激光发射模式的范围内选择激光发射波长。无源区30的整个波导部分被调整为在所选的发射波长处为光学无源。 布拉格光栅45 —般沿无源区30的波导部分延伸且包括更接近激光二极管的有源区20的前光栅部42和更接近激光二极管10的后面12的后光栅部44。在图1和2中仅示意性示出DBR区段40和布拉格光栅45，因为它们是二区段和三区段DBR激光二极管的公知组件。DBR区段40包括沿DBR区段40的不同波导部分布置的前、后加热元件46、48。如图2示意性示出的，前、后加热元件46和48形成由不同加热元件控制节点(即前控制节点 f、后控制节点r和沿共用加热元件定位在前、后控制节点f、r之间的共用控制节点c)描绘的共用电阻加热元件的多部分。或者，如图3所示，前、后加热元件46、48可形成各自包括至少两个不同加热元件控制节点的不同电阻加热元件。在任一情况下，前加热元件46热耦合到DBR区段40的前光栅部42，且后加热元件48热耦合到DBR区段40的后光栅部44。由于DBR区段40的前光栅部42比DBR区段40的后光栅部44更接近激光二极管的有源区20，所以前光栅部42在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段40的反射率的贡献超过后光栅部44对DBR区段40的反射率的贡献。因此，激光二极管10中的激光发射模式选择由前光栅部42支配，且可独立于后加热元件48控制前加热元件46，以调谐所选发射波长。在本公开的具体实施例中，可控制前、后加热元件46、48以沿DBR区段40中的波导部分建立热梯度，以降低DBR区段40中的折射率不均勻性。此外，可独立于前加热元件46控制后加热元件48，以使DBR区段40的光谱带宽变窄，使得有可能消除多模激光发射光谱并将发射光谱中的模式跳变幅度减少至一个或两个激光发射模式。本发明人已经认识到很多光学组件控制体系受限于相对较低的操作电压，尤其是在向DBR激光器的加热元件适当地提供较低操作电压的背景下。因此，参照图4所示的可选实施例，其中DBR区段40包括并联电连接的前、后DBR区段加热元件46、48，构想到可并联控制前、后加热元件46、48，从而与串联控制前、后加热元件的情况(参见图幻相比降低激光二极管中的加热元件电压。优选地，前光栅部42对DBR区段40的反射率的贡献将超过后光栅部44对DBR区段40的反射率的贡献。在特定的实施例中，前光栅部42对DBR区段40的反射率的贡献将超过后光栅部44对DBR区段40的反射率的贡献介于约3dB至约8bB之间。在所示的实施例中，前、后加热元件46、48包括集成在DBR区段40中的共用金属薄膜加热器或不同的金属薄膜加热器，但可构想到替换构造，只要前、后加热元件46、48允许对前、后光栅部42、44的温度的独立控制即可。例如，构想到可将前、后加热元件46、48配置成通过电流注入来加热前、后光栅部42、44。在任意情形下，可利用前加热元件控制电压控制前DBR区段加热元件46，并且利用后加热元件控制电压控制后DBR区段加热元件48。 还构想到，DBR区段40可包括沿DBR区段40的附加的不同波导部布置的附加加热元件。
DBR激光二极管10可包括含有相位控制区段50的二区段激光二极管或三区段 DBR激光二极管。在DBR激光二极管10包括相位控制区段50的情况下，布拉格光栅45、有源区20的增益介质以及前、后加热元件46、48各自应定位在相位控制区段50的外部。图6是经频率转换的激光源100的示意图，该激光源100包括DBR激光二极管10、 波长转换器件60、耦合光学器件70、准直光学器件80以及输出滤色器90。在所示实施例中，DBR激光器输出光(例如顶光)可利用耦合光学器件70 (例如，两个非球面透镜)耦合到波长转换器件60 (例如，SHG晶体的PPMgLN波导)。在SHG晶体中产生的绿光和残余顶泵浦光可由准直光学器件80进行准直，且残余顶光可由滤色器90去除。尽管本公开示出利用包括增益、相位和DBR区段的边缘发射三区段DBR激光器的经频率转换的激光器配置，然而应注意到本公开的概念可适用于各种经频率转换的激光器配置，包括边缘发射激光器、垂直腔表面发射激光器以及可能包括或可能不包括相位区段的DBR激光器配置。此外，构想到可提供各种波长转换器件，包括超过二次谐波发生(SHG) 的转换而配置的波长转换器件。本公开的概念还可适用于除激光扫描投影仪外的各种应用。与图1和2所示类似的DBR激光器中的前、后加热元件的特征结果示出波长调谐可由前加热元件支配，认为前加热元件至少能够提供在25°C下高达15. 5nm/ff的波长调谐效率、在60°C下高达16. 8nm/ff,且构想较高的效率。还构想到对于4. 7V的加热器电压在 25°C和60°C下分别为至少6. 9nm和7. 3nm的调谐范围。尽管后加热元件的热和电特性通常类似于前加热元件，然而激光发射模式选择由前光栅部支配。在阈值以下测量的反射和透射光谱指示当后加热元件在操作时，后光栅部的反射比前光栅部的反射低3-8dB，且调谐范围从约Inm增加到约6nm。当前加热元件在操作时，激光发射模式由经调谐的光栅部选择， 只要其反射率高于后光栅部即可。当将前加热元件用于波长调谐时，输出功率测量和激光器特性指示波长调谐效率可翻倍，功耗可降低至少40%，且所需的电流和电压电平可显著降低。此外，构想到利用对前、后加热元件的独立控制的DBR激光器二极管的输出将呈现较窄的DBR 3dB反射带宽和在3dB带宽内较少的纵模。以本文所述方式利用前、后DBR区段加热元件的DBR激光器的特征结果示出模式跳变式样可主要利用后加热元件来控制，而波长调谐范围可由前加热元件来控制。可消除 DBR反射光谱中的旁瓣。可控制后加热元件以消除多模发射光谱并提供在宽范围的增益电流下的单模发射光谱。在宽范围的增益电流上还构想到大约40dB及更高量级的典型旁模式抑制。后加热元件还可用于在CW和波长恢复操作下在各种波长调谐范围中降低模式跳变幅度，诸如在美国专利No. US 2008/0089373和US 2008/0089370中所描述的。在激光器生产和选择中，这些类型的光谱改进可用于将特定激光器的状态从“被拒绝”改变为“被接受”。构想到上述光谱改进可归因于利用前、后DBR区段加热元件沿DBR区段产生的热梯度。热梯度可用于减少沿DBR区段中的光程的不均勻性，即折射率、温度、光栅间距、光栅占空比、光栅形式、DBR区段损耗、反射等的不均勻性。已经证明由垫块(submoimt)诱发的应力引起的折射率不均勻性是光谱缺陷的主要起因。上述光谱改进还可归因于后光栅部的反射频带中产生的向较长波长的偏移，这提供了与前光栅部的反射频带的较好重叠。
还应注意，本文中对本发明的部件以特定方式“配置”以使特定属性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与期望用途的叙述相反。更具体地，本文所提到的部件被“配置”的方式表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为对部件的结构特性的明确陈述。注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不用于限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。相反，这些术语仅仅旨在标识本发明的实施例的特定方面，或强调可用于也可不用于本发明的特定实施例的替代或附加特征。为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“近似”来表示可归因于任何定量比较、数值、测量值、或其它表示的固有不确定程度。本文还采用术语“近似”来表示一定量表示偏离规定参考值的程度，但不会在此问题上导致本发明主题的基本功能改变。已详细地并参照本发明的具体实施例描述了本发明的主题，但显然多种修改和变化是可能的，且不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围。更具体地，虽然本发明的某些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可构想本发明不一定限于这些方 注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的陈述，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。
权利要求
1.一种控制DBR激光二极管的方法，所述DBR激光二极管包括沿所述激光二极管的光轴对准的有源区和无源区，其中所述激光二极管的有源区包括光学增益介质；所述激光二极管的无源区包括DBR区段；所述DBR区段包括布拉格光栅，所述布拉格光栅被调整成有助于从可用的潜在激光发射模式范围中进行激光发射波长选择；无源区的波导部分被调整为在所选的发射波长处为光学无源；所述布拉格光栅沿DBR区段延伸且包括前光栅部和后光栅部；所述DBR区段的前光栅部比所述DBR区段的后光栅部更接近激光二极管的有源区，使得前光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献超过后光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献，并且激光二极管中的激光发射模式选择由前光栅部支配；DBR区段包括热耦合到DBR区段的前光栅部的前加热元件和热耦合到DBR区段的后光栅部的后加热元件；所述DBR区段的前加热元件和后加热元件沿DBR区段的不同波导部分布置；以及独立于后加热元件控制前加热元件，以调谐所选的发射波长。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，独立于前加热元件控制后加热元件，以使 DBR区段的反射光谱的光谱带宽变窄。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还控制后加热元件以消除多模激光发射光谱并将发射光谱中的模式跳变幅度降低至不高于两个模式。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述DBR激光二极管包括含有DBR区段和增益区段的二区段DBR激光二极管。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述DBR激光二极管包括三区段DBR激光二极管，且所述三区段DBR激光二极管的无源区还包括介于DBR区段和增益区段之间的相位控制区段。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，前光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献超过后光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，前光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献超过后光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献介于约3dB至约8dB之间。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前加热元件和后加热元件形成由不同加热元件控制节点描绘的共用电阻加热元件的多个部分。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，共用加热元件由前控制节点、后控制节点和沿共用加热元件定位在前、后控制节点之间的共用控制节点描绘成前加热元件和后加热元件。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，前加热元件和后加热元件形成各自包括至少两个不同加热元件控制节点的不同电阻加热元件。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，前加热元件和后加热元件包括集成在DBR区段中的金属薄膜加热器。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前加热元件和后加热元件包括电阻加热元件。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前加热元件和后加热元件被配置成通过电流注入加热所述前光栅部和后光栅部。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述布拉格光栅包括在所述前光栅部和后光栅部之间的一个或多个附加光栅部，且DBR区段包括沿附加光栅部布置的附加加热元件。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于DBR激光二极管形成经频率转换的激光源的一部分，所述经频率转换的激光源包括光学耦合到DBR激光二极管的输出的波长转换器件；以及所述波长转换器件被配置成将所选的发射波长转换成光谱的绿色部分中的经转换的波长。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还控制所述前加热元件和后加热元件以沿 DBR区段的波导部分建立热梯度，以降低沿DBR区段中的波导部分的折射率不均勻性。
17.—种控制DBR激光二极管的方法，所述DBR激光二极管包括沿所述激光二极管的光轴对准的有源区和无源区，其中所述激光二极管的有源区包括光学增益介质； 所述激光二极管的无源区包括DBR区段；所述DBR区段包括布拉格光栅，所述布拉格光栅被调整成有助于从可用的潜在激光发射模式的范围中进行激光发射波长选择；无源区的波导部分被调整为在所选的发射波长处为光学无源； 所述布拉格光栅沿DBR区段延伸且包括前光栅部和后光栅部； 所述DBR区段的前光栅部比所述DBR区段的后光栅部更接近激光二极管的有源区，使得前光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献超过后光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献，并且激光二极管中的激光发射模式选择由前光栅部支配；DBR区段包括热耦合到DBR区段的前光栅部的前加热元件和热耦合到DBR区段的后光栅部的后加热元件；所述DBR区段的前加热元件和后加热元件沿DBR区段的不同波导部分布置； 控制所述前加热元件和后加热元件以沿DBR区段的波导部分建立热梯度，以降低沿 DBR区段中的波导部分的折射率不均勻性。
18.—种控制DBR激光二极管的方法，所述DBR激光二极管包括沿所述激光二极管的光轴对准的有源区和无源区，其中所述激光二极管的有源区包括光学增益介质； 所述激光二极管的无源区包括DBR区段；所述DBR区段包括布拉格光栅，所述布拉格光栅被调整成有助于从可用的潜在激光发射模式的范围中进行激光发射波长选择；无源区的波导部分被调整为在所选的发射波长处为光学无源；所述布拉格光栅沿DBR区段延伸且包括前光栅部和后光栅部； 所述DBR区段的前光栅部比所述DBR区段的后光栅部更接近激光二极管的有源区，使得前光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献超过后光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献，并且激光二极管中的激光发射模式选择由前光栅部支配；DBR区段包括热耦合到DBR区段的前光栅部的前加热元件和热耦合到DBR区段的后光栅部的后加热元件；所述DBR区段的前加热元件和后加热元件沿DBR区段的不同波导部分布置； 并联控制所述前加热元件和后加热元件，从而与串联控制前加热元件和后加热元件的情况相比降低激光二极管中的加热元件电压。
19.一种包括DBR激光二极管的激光源，其中所述激光二极管包括沿激光二极管的光轴对准的有源区和无源区； 所述激光二极管的有源区包括光学增益介质； 所述激光二极管的无源区包括DBR区段；所述DBR区段包括布拉格光栅，所述布拉格光栅被调整成有助于从可用的潜在激光发射模式的范围中进行激光发射波长选择；无源区的波导部分被调整为在所选的发射波长处为光学无源； 所述布拉格光栅沿DBR区段延伸且包括前光栅部和后光栅部； 所述DBR区段的前光栅部比所述DBR区段的后光栅部更接近激光二极管的有源区，使得前光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献超过后光栅部在可用的潜在激光发射模式范围内对DBR区段的反射率的贡献，并且激光二极管中的激光发射模式选择由前光栅部支配；DBR区段包括热耦合到DBR区段的前光栅部的前加热元件和热耦合到DBR区段的后光栅部的后加热元件；所述DBR区段的前加热元件和后加热元件沿DBR区段的不同波导部分布置； 所述激光源被编程为独立于后加热元件控制前加热元件，以调谐所选的发射波长。
20.如权利要求19所述的激光源，其特征在于，所述激光源还被编程为独立于后加热元件控制所述前加热元件，以沿DBR区段的波导部分建立热梯度，并降低沿DBR区段中的波导部分的折射率不均勻性。
全文摘要
提供一种控制DBR激光二极管的方法，其中控制前、后DBR加热元件使得DBR区段的后光栅部的反射率低于DBR区段的前光栅部的反射率。由此，激光发射模式选择由前光栅部支配，且可控制前DBR区段加热元件用于波长调谐。此外，可控制后DBR区段加热元件，以使DBR反射光谱的光谱带宽变窄。公开并要求保护其它实施例。
文档编号H01S3/08GK102396120SQ201080017074
公开日2012年3月28日 申请日期2010年4月12日 优先权日2009年4月14日
发明者C-E·扎, H·K·恩古耶 申请人:康宁股份有限公司