具有对称非周期移动的光栅相位的dbr激光二极管的制作方法
【专利摘要】根据本公开的一个实施例，提供了一种DBR激光二极管，其中激光二极管的波长选择光栅的特征在于：非周期变化的光栅相位Φ和布拉格波长λB。非周期变化的光栅相位Φ相对于DBR部分的中间点CL或移动的中间点CL*是基本上对称的或者基本上π相移地对称的。波长选择光栅的相位Φ的特征在于：幅度为ΦJ1，J2，...并且段长度为l0，1...的非周期相位跳跃。波长选择光栅的相位跳跃是沿着DBR激光二极管的光轴方向关于DBR部分的中间点CL或移动的中间点CL*基本上对称地排列的。至少有两个相位跳跃位于DBR部分的中间点CL或移动的中间点CL*的每一侧。
【专利说明】具有对称非周期移动的光栅相位的DBR激光二极管 相关申请的交叉参考
[0001] 根据35U.S.C. § 120条款，本申请要求享有美国申请系列号13/292,433的优先 权，其申请日为2011年11月9日，其内容在此整体被引入本文中作为参考。
【背景技术】
[0002] 本公开涉及一种发射多波长的激光二极管，更特别的涉及一种分布式布拉格反射 镜（DBR)激光二极管，其中该激光二极管的波长选择光栅在激光输出光谱中同时产生多次 波长反射。本公开还涉及通过二次谐波（SHG)或和频（SFG)使用多波长激光二极管作为频 率上转换的泵浦源，例如，可应用于将红外泵浦光转换为光谱中的绿色光部分。
【发明内容】
[0003] 本公开的概念特别适用于一种减少散斑的合成激光源，例如，在发射光谱中的绿 色部分，为了减少散斑，激光源优选同时发射几个波长并使用具有多个相位匹配转换峰的 波长转换器件。发明人意识到当DBR泵浦激光工作在相对的短脉冲时，由DBR激光器的波长 选择光栅所反射的所有波长会在激光的输出光谱中同时产生。相应的，用于泵浦激光器的 理想光栅应当只反射将通过SHG或SFG参与频率上转换的所期望的两个或三个泵浦波长。 其他泵浦波长的激射都被看做是寄生的并因此会降低器件的整体效率，这是由于这些额外 的泵浦波长并不参与频率上转换过程。对于很多实用的投射平面来说，上转换后输出的波 长优选间隔约为〇. 4nm或更多以通过附加的非相关散斑图案来减少散斑。例如，如果两个 泵浦红外波长通过SHG或SFG产生三个绿色波长输出，两个泵浦波长应当间隔约1. 6nm以 上，以使得三个绿色波长输出能够间隔〇. 4nm以上。
[0004] 首先参考图1，具有波长选择输出的DBR激光二极管10的一般结构包括至少两个 部分：具有波长选择光栅的DBR部分12和增益部分14。常见的，还提供一个相位部分16。 图1还示意生的示出了波长转换器件20。波长转转器件20的特征在于具有多个被加工出 的相位匹配波长转换光谱峰，以使得由DBR部分12的波长选择光栅的反射峰所选择的基频 光的倍频或和频能够进行相位匹配。激光器10和波长转换器件20共同形成一个频率上转 换的合成激光源。除了此处所公开的DBR部分12中的波长选择光栅的细节之外，本公开的 范围中并不包括激光器10和波长转换器件20的具体构造方式，它们可容易的从该学科的 众多教导中获得。
[0005] 通常，激光器10的器件长度会有限制。实际上，器件的大部分长度通常被分配给 激光器10增益部分14,而DBR部分12的长度通常都限制到约700 μ m。发明人意识到DBR 部分12的光栅应当被设计为在两个或三个期望的泵浦（IR)波长具有高的反射率，这两个 或三个波长间的间隔要大于1. 6nm。进一步的，DBR部分12在其它波长处的反射率应当尽 可能小以避免产生无用的红外光。在很多情况下，光栅每个峰的反射率应当大致相等以使 得泵浦激光器在宽范围的泵浦功率水平上使得所期望的所有波长同时稳定地工作。在一些 实施例中，光栅的相位分布可相对器件的中心进行移动，以补偿激光增益谱中的某种波长 依赖性或倾斜。
[0006] 根据本公开的一个实施例，提供了一种DBR激光二极管，其中激光二极管的波长 选择光栅的特征在于具有非周期变化的光栅相位Φ和布拉格波长λ B。非周期变化的光栅 相位Φ相对于DBR部分的中间点Q或者移动的中间点来说基本上是对称的或者基本 上是相移η对称的。波长选择光栅的相位Φ的特征在于非周期相位跳跃的幅度为Φ Τ1, 1...并且段长度为U,..。波长选择光栅的相位跳跃被设置为沿着DBR激光二极管光轴方 向关于DBR部分的中间点Q或者移动的中间点来说基本上是对称的。至少有两个相位 跳跃分布在DBR部分的中间点Q或者移动的中间点的每一侧。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 下面对于本公开具体实施例的详细描述在结合下面附图的基础上进行阅读能够 被更好的理解，其中相同的结构使用相同的参考标记进行标示，其中：
[0008] 图1以简图的形式示出了频率上转换的合成激光源；
[0009] 图2是用于说明根据本公开的对称非周期变化的波长选择光栅的特性的相位调 制图；
[0010] 图3示出了通常与图2中的对称非周期变化的波长选择光栅相对应的反射峰；
[0011] 图4的相位图说明了根据本公开的具有非周期对称设置的相位跳跃以及在中心 处的相移（JI相移对称光栅）的波长选择光栅的特性；以及
[0012] 图5的相位图说明了根据本公开的波长选择光栅的对称非周期相移特性，其中光 栅的对称是相对于DBR部分的相移中间点来说的。
【具体实施方式】
[0013] 正如上面所说明的，图1中的DBR激光二极管10包括具有波长选择光栅的DBR部 分。根据本公开的一种类型的波长选择光栅的具体构造由图2的相位图进行了说明。更具 体的，如图2所示出的，波长选择光栅的特征在于布拉格波长λ B和非周期变化的光栅相位 Φ。在图2中，非周期变化的光栅相位Φ沿着DBR激光二极管光轴方向基本上相对于DBR 部分的中间点Q对称。替代性的结构在下面的参考图4和5进行说明。
[0014] 熟知DBR激光器的技术人员都知道，DBR激光器的DBR部分包括布拉格反射镜，也 即基于周期性结构布拉格反射的光反射器件。DBR部分的周期性结构限定了激光的布拉格 波长λ B，其是按照下面的公式限定的 λ b = 2neff Λ /md， 其中Λ是光栅的基本周期，ntff是在光栅的区域中的传导模式的有效折射率，md是衍 射级数。在一个例子中，DBR激光器使用GaAs作为光栅和增益介质，对于mdl的一级光栅来 说，约为l〇62nm布拉格波长的光栅周期为159nm。
[0015] 波长选择光栅的相位φ的特征在于具有幅度的非周期的相位跳跃，其中相位 跳跃被设置为沿着DBR激光二极管10的光轴方向关于DBR部分的中间点Q对称。在此说明 的实施例中，这些相位跳跃被标记为Φ Τ1，ΦΤ2, ΦΤ3, ΦΤ4和ΦΤ5来代表波长选择光栅设计中 的五个变量，其中取Φ = 〇。这些相移在实际中可通过光栅分离部分的纵向移动Φ Λ/2 π 距离来获得，其中Φ是相移，Λ是未受扰动光栅的基本周期。达到该目的的方法在现有技 术中记载的很清楚，例如，其包括使用电子束刻蚀，其中相移被结合到刻蚀图案中。需要注 意的是，虽然在示出的实施例中相位跳跃基本上是垂直的，但是也可以包括倾斜的或曲线 的跳跃，例如斜坡形式的。
[0016] 每个相位跳跃ΦΛ，ΦΤ2, Φρ ΦΤ4, ΦΤ5在示出的实施例中代表不同的相移，但是， 需要注意的是，相位跳跃ΦΤ1，Φ Τ2, ΦΤ3, ΦΤ4, ΦΤ5中的两个或更多个可以在幅度上相等。还 需要注意的是，两个或更多个的同定相位部分可具有相同的相位。对于图1来说，所选择的 相位参考水平为在中心部分的相位为0。从相位跳跃中产生的固定相位水平的合适的具体 例子在下面由相应的段长度L，li，1 2,13,14,15所表示，其中的固定相位部分由相邻的相位 跳跃所分隔。在示出的实施例中，每一个段长度L，li，1 2,13,14,15具有不同的幅度，但是， 需要注意的是，这些段长度ld，li，1 2,13,14,15中的两个或更多个可以在幅度上相等。布拉 格波长λ Β，相位跳跃ΦΤ1，φ12, φ13和φ14，以及段长度1〇，11，12，1 3，14，15三者组合在一起 使得波长选择光栅展现出两个主反射峰，也即这两个峰的反射率最大值要至少为波长选择 光栅的所有其它反射峰的三倍大。这两个峰作为光栅中心布拉格波长λ Β的边带S1和S2， 如图3所示出的。另外，需要注意的是，这两个主反射峰间隔至少约1. 6nm，以满足上面讨论 的频率上转换激光源的要求。再有，并非必须的，需要说明的是，两个主反射峰的最大值大 致相等。
[0017] 图2还示出了波长选择光栅沿着DBR激光二极管10的光轴方向的长度LDBK。优 选的，长度L DBK处于与DBR激光器相关的一般限制内，其通常具有有限的长度。例如，发明 人意识到长度LDBK优选处于约600 μ m和约750 μ m之间。更具体的DBR长度LDBK在下面给 出。在一个实施例中，需要说明的是，虽然梯形的相位分布易于在光栅的反射谱中产生非〇 的中央峰，但是非周期的相位调制可为梯形的相位分布，其中方波分布的相位跳跃为线性 斜坡相位形式。在另外一个实施例中，需要说明的是，两个反射峰的相对幅度可通过相对于 器件中心移动相位分布来改变，也即沿着图2中示出的相位图的X轴方向。两个主反射峰 S1和S2之间的幅度的差别可被设定以定义一个反射率斜线，其幅度大致等于激光增益斜 线的幅度，但是具有相反的正负号。结果就是即使在激光器的增益谱上具有波长依赖性，激 光二极管的两个实际输出激射峰基本上是相等的。需要注意的是，峰S1和S2的比例可在 一定范围内改变，并且，通常来说，在DBR光栅长度上的相位调制周期越少，两个峰的比例 范围越大。此处术语周期的意思是两个连续的相同方向（也即"上"或"下"跳跃）的相位 跳跃之间的间隔开的长度。虽然沿着DBR光栅长度方向周期是改变的，但是我们可以通过 计算相同方向的相位跳跃的总数来计算总的周期数。
[0018] 下面的表格说明了落入本公开范围内的三个具体的波长选择光栅结构：
【权利要求】
1. 一种包括DBR部分和增益部分的DBR激光二极管，其中： DBR部分包括波长选择光栅； 波长选择光栅的特征在于具有非周期变化的光栅相位Φ和布拉格波长λΒ ; 非周期变化的光栅相位Φ沿着DBR激光二极管的光轴方向相对于DBR部分的中间点 Q或移动的中间点是基本上对称或者基本上π相移地对称； 波长选择光栅的相位Φ的特征在于具有幅度为并且段长度为1cm...的非周 期相位跳跃； 波长选择光栅的相位跳跃沿着DBR激光二极管的光轴方向关于DBR部分的中间点(^或 移动的中间点基本上对称地排列；并且 至少两个相位跳跃位于DBR部分的中间点Q或移动的中间点的每一侧上。
2. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中： 非周期变化的光栅相位Φ沿着DBR激光二极管的光轴方向相对于DBR部分的中间点 Q基本上对称。
3. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中： 非周期变化的光栅相位Φ沿着DBR激光二极管的光轴方向相对于DBR部分的移动的 中间点基本上对称。
4. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中： 非周期变化的光栅相位Φ沿着DBR激光二极管的光轴方向相对于DBR部分的中间点 q基本上π相移地对称。
5. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中：非周期变化的光栅相位Φ沿着DBR激光 二极管的光轴方向相对于DBR部分的移动的中间点Cj基本上π相移地对称。
6. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中： 非周期变化的光栅相位Φ沿着DBR激光二极管的光轴方向相对于DBR部分的移动的 中间点基本上对称或π相移地对称；并且 移动的中间点的中心相对于中间点Q的空间移动小于光栅长度的约十分之一。
7. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中每个段长度1^..小于约ΙΟΟμπι。
8. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中段长度U I..共同限定了一个标准偏差 约为20 μ m± 10%的分布。
9. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中段长度共同限定了波长选择光栅长 度LDBK，该长度介于约600 μ m到约750 μ m之间。
10. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中布拉格波长λ B、相位跳跃ΦΤ1，Φ12, Φ13， 和Φ14、以及段长度1〇, li，12, 13, 14, 15使得波长选择光栅展现出两个主反射峰。
11. 根据权利要求10的DBR激光二极管，其中两个主反射峰为围绕光栅的中心布拉格 波长λΒ的边带S1，S2。
12. 根据权利要求10的DBR激光二极管，其中两个主反射峰间隔至少约1. 6nm。
13. 根据权利要求10的DBR激光二极管，其中两个主反射峰的最大值大致相等。
14. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中基本上对称的非周期变化的光栅相位Φ 的特征在于具有基本上方形或梯形的分布。
15. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中连续的相位跳跃的深度沿着DBR激光二极 管的光轴方向变化。
16. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中： DBR激光二极管与波长转换器件组合在一起以形成频率上转换激光源；并且 波长转换器件的特征在于具有多个相位匹配转换峰，从而允许DBR部分的波长选择光 栅的反射峰通过二次谐波和/或和频进行频率上转换。
17. 根据权利要求1的DBR激光二极管，其中在DBR部分的中间点Q或移动的中间点 C:的相对侧，每个相位跳跃具有基本上幅度相等的互补相位跳跃，并且每个固定相位段具 有基本上相等段长度的互补同定相位段。
18. -种包括DBR部分和增益部分的DBR激光二极管，其中： DBR部分包括波长选择光栅； 波长选择光栅的特征在于具有非周期变化的光栅相位Φ和布拉格波长λΒ ; 非周期变化的光栅相位Φ沿着DBR激光二极管的光轴方向相对于DBR部分的中间点 Q或移动的中间点基本上对称或者基本上π相移地对称； 波长选择光栅的相位Φ的特征在于具有幅度为并且段长度为1cm...的非周 期相位跳跃； 每个段长度1cm...小于约ιοομπι，并且段长度1^..共同限定了波长选择光栅长度 LDB3K，该长度介于约600 μ m到约750 μ m之间， 至少两个相位跳跃位于DBR部分的中间点Q或移动的中间点的每一侧上； 在DBR部分的中间点Q或移动的中间点的相对侧，每个相位跳跃具有基本上幅度 相等的互补相位跳跃，并且每个固定相位段具有基本上相等段长度的互补固定相位段； 布拉格波长λΒ、相位跳跃ΦΤ1，Φ12, Φ13，和Φ14、以及段长度L，1^ 12, 13, 14, 15使得 波长选择光栅展现出以边带Sl，S2等为形式的多个主反射峰，所述边带围绕光栅的中心布 拉格波长λ B ;并且 最接近光栅的中心布拉格波长λ B的两个边带被至少隔开约1. 6nm。
【文档编号】H01S5/125GK104094486SQ201280055073
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年11月5日 优先权日:2011年11月9日
【发明者】D·V·库克森考弗, D·皮库拉, R·V·鲁斯夫 申请人:康宁股份有限公司