具有高线性度输出的激光系统的制作方法

本申请是申请日为2010年8月19日、申请号为2010800652768、发明名称为“具有高线性度输出的激光系统”的专利申请的分案申请。相关申请数据本申请要求于2010年1月8日提交的序号为61/293,236的美国临时专利申请的利益，其通过引用以其整体结合于此。本发明总体上涉及激光器的稳定，更具体涉及通常用在光电子器件中的类型的半导体激光器设备。
背景技术：
：半导体激光二极管已成为光通信技术中的重要组成部件，特别是因为这样的激光二极管可以被用来通过光学手段直接放大光信号。这为全光光纤通信系统的设计创造条件，避免了待传输信号的复杂转换。后者在这样的通信系统中提高速度和可靠性。在一种光纤通信系统中，激光器被用于激励(pumping)掺铒光纤放大器，因此被叫作edfas，这已经在本领域的技术人员所知的各种专利和出版物中被描述过了。具有一些技术重要性的例子是输出功率为100mw或更高的980nm激光器，其与980nm铒吸收线波长匹配因此达到低噪声放大。图1示出了激光器设备1的传统设计。这里半导体激光器11包含波导20，后面16，和前面18。该半导体激光器11与光纤14组合以有效引导光通过部分反射、波长选择反射器26到光放大器(未示出)。光纤14包含光纤透镜22和其透镜顶端24。来自波导20的光入射到光纤透镜22上透镜顶端24处。光纤14产生百分之几的反馈，并把激光器设备1锁定在波长选择反射器26的指定波长。这样的设计的说明可以在例如序号为7,099,361的美国专利和序号为2008/0123703的美国专利申请公开中找到。由于被构成为光栅布拉格光纤(fbg)的波长选择反射器26产生波长变化的低温度敏感的稳定性，通常在大约7pm/°k，所以这种设计提供激光器不需要主动温度稳定元件，而这是通过半导体激光器11内部的光栅(dbr或dfb结构)所不能实现的。对如图1所示但没有波长选择反射器26的激光器设备1的激光器前面18和光纤透镜22之间剩余反射的积极和消极干扰的效果之前已经在2004年4月的ieee的量子电子学杂志，第40卷，第4期，第354-363页的“近端剩余反射率对大功率泵浦激光器的谱性能的影响”中被研究过了。该研究揭示了，即使对于都具有远低于1％的ar涂层的标准透镜和激光器面，来自组合的反射的有效激光器前反射率随不同的操作条件而改变，即随温度和激光器电流变化。因此，可以观察到激光光谱中的不连续。对于在该研究时最先进的具有较短的腔长度，即较小的往返增益和较少的相干性的激光器，当应用了由fbg的波长稳定时这些效果可被忽略。但发明人发现如图1所示出的具有一带有较长腔(如，超过3mm)的半导体激光器11且产生高增益量的传统激光器设备1更容易受到在光径中任何反射器的剩余反射和/或反馈的效果，以及多个反射器之间形成的额外的法布里-珀罗(fabry-perotfp)腔的效果的影响。如图6a所示，这种效果会在光功率与电流特性的关系曲线中产生大量不期望的波纹。即使来自涂有ar的透镜顶端24或涂有ar的前面18的进入了半导体激光器11的少量的背反射，其产生高增益量，可具有很大的影响。激光器输出也会变得对光耦合的微小变化非常敏感。已知带例如相对于前面表面超过2°的倾斜角的弯曲波导可以抑制背反射进入波导。由于从前面18反射过来的辐射没有耦合到主动波导20本身中，这样的设置减少了来自前面18的光反馈(即，背反射)。因此，没有前面反馈，其他传统设计结合有效形成半导体增益元件12的弯曲波导20，而不是半导体激光器11。在图2中示出的传统激光器设备5中，激光腔仅是通过提供额外的反馈元件进入光径而建立的，在这种情况中它是波长选择反射器26。在这里，半导体增益元件12与具有传统光纤透镜22的光纤14相组合。传统光纤透镜22包含透镜顶端24，其与光纤14的纵轴正交。光纤透镜被设置成使得从半导体增益元件22中射出的光辐射(即，来自半导体增益元件22的光辐射的传播方向)与透镜顶端24正交。图2中的激光器设备5提供了超越图1中的激光设备1一些改进(见图6b)，且之前已经被应用了，对于具有低增益的半导体增益元件获得了一些成功(例如，用于全光wdm接入网中的波长稳定的非冷却光纤光栅半导体激光器”)，ieee电子学快报，1996年1月18日，第32卷，第2期，第119—120页)。然而，功率与电流特性的关系曲线中的波纹不能被完全地抑制。即，当图2中后面16和前面18之间形成的fp腔被使用弯曲波导20损坏时，以及当出现在光纤透镜22和前面18之间的额外的腔通过倾斜射出的光辐射和光纤透镜两者而被显著地抑制时，后面16和光纤透镜22之间形成的fp腔仍然存在，促进了功率与电流特性关系曲线中的不期望的波纹，即使光纤透镜顶端24上施加了ar涂层也是这样。技术实现要素：本发明提供通过去除激光腔中反馈的重要来源从而具有提高的输出特性的激光器设备。高线性度激光发射输出被获得并因此使能在来自光纤的高输出功率的发射激光操作。激光器设备对增益波纹效果提供实质的抑制，同时以波长选择反射器获得波长稳定。此外，光纤透镜的配置可为光纤透镜定位在紧密靠近半导体增益元件的地方同时克服光纤接触到半导体面的潜在危险创造条件。根据本发明的一方面，激光器设备包括：包含增益元件并被半导体波导的后和前面限定的半导体波导，具有耦合在光纤和半导体波导前面之间的辐射的光纤透镜的光纤波导，被设置在光纤内以在后面和波长选择反射器之间形成激光腔且具有半导体波导的前面表面和被设置成与激光模式的传播方向非正交的光纤透镜表面两者的波长选择反射器。根据一实施例，半导体波导包含弯曲部分并被配置成以与前面法向成一角度并与后面法向平行地引导光辐射。根据另一实施例，光纤透镜被配置成使能光辐射的双向传输的模式匹配元件。根据另一实施例，光纤透镜被配置使前面表面和透镜顶端表面之间的角(ω)由关系式确定，其中n1和n2分别为光纤和周围介质的折射率，为在前面表面的光辐射的折射角，而α是在透镜顶端表面的光辐射的折射角。根据另一实施例，从大约4.5°到大约60°变化。根据另一实施例，α从大约2°到大约35°变化。根据另一实施例，ω从大约-30°到大约30°之间变化。根据另一实施例，透镜被配置成使得一部分从透镜顶端反射的光辐射以角度被反射，其中γ要大于大约2°。根据另一实施例，透镜顶端表面与在光线入射平面的前面表面平行。根据另一实施例，在所述增益元件的前面的光辐射的折射角从大约4.5°到大约20°变化。根据另一实施例，通过透镜表面的光辐射的折射角从大约3°到大约13.3°变化。根据另一实施例，前面包含抗反射涂层。根据另一实施例，光纤透镜包含抗反射涂层。根据另一实施例，波长选择反射器将激光器设备锁定在一波长。根据另一实施例，波长选择反射器的带宽是从大约10pm到大约5nm。根据另一实施例，波长选择反射器的反射率是从大约0.5％到大约20％。根据另一实施例，波导的非正交部分被设置成相对前面表面的法向大约1.5°到大约15°的角。根据另一实施例，光纤被耦合到掺铒光纤放大器和拉曼(raman)放大器的至少一个。本发明的前述及其他特征将在下文参考附图被更详细地描述。附图说明图1是传统激光器设备的俯视示意图。图2是传统激光器设备的俯视示意图。图3是根据本发明的示例激光器设备的俯视示意图。图4是示出了根据本发明的示例激光器设备的光耦合的俯视示意图。图5a和5b是根据本发明的示例激光器设备的三维透视图。图6a-c是示出了对根据本发明的示例激光器设备的最佳功率与电流特征的关系曲线的效果(6c)相比于对图1和2的传统激光器设备这样的非最佳效果(分别是6a和6b)的曲线图。具体实施方式在以下描述中，相同的部件不管它们是否在不同的实施例中被示出，都被给予了相同的参考数字。为了以清楚和简洁的方式说明本发明的实施例，附图可能未必是按比例的且某些特征可能略以示意的形式被示出。被描述和/或示出的关于一个实施例的特征可以以同样的方式或类似的方式被用在一个或更多的其他实施例中和/或在结合或代替其他实施例的特征。现在详细参照附图并从图3开始，在10处大概地示出了示例激光器设备的示意图。激光器设备10包含半导体增益元件12，其光耦合到含有变形光纤透镜28的光纤14。光纤透镜28包含在半导体增益元件12和光纤14之间作为模式匹配元件(或模式转换器)的成角度的透镜顶端30。这样，从半导体增益元件12射出的光辐射通过光纤透镜28至光纤14，同时所期望的反馈量由于波长选择反射器26被从光纤14反射回半导体增益元件12。该反馈必须到达半导体增益元件12，因为该反方向的光径对于激光器设备的性能(即，反馈将激光器设备10锁定在波长选择反射器26指定的波长)是重要的。除它的作为双向光径功能之外，根据本发明的光纤透镜28也去除在激光腔(其被半导体增益元件12的后面16与波长选择反射器26之间形成的沿着光纤14的光径定义)中反馈的重要来源。下文将更详细地描述光纤透镜28的特征。半导体增益元件12可能由砷化铟镓构成(indiumgalliumarsenide,ingaas)。在这里ingaas被用作示例材料使用是因为它是为如激光器这样的光学设备在其上被容易地构造和集成创造条件的半导体材料。比如，应变量子阱(strainedquantum-well)ingaas激光器一般用于在大约980nm的铒吸收波长的铒放大器。因此，例如，激光器设备10可能是，例如用在edfa’s中的980nm泵浦激光器。在这样的实施例中，半导体增益元件12可能产生大约为974nm的中心波长。然而，本发明绝不被限制于ingaas激光器或这样的edfa’s的吸收波长，因为半导体增益元件12可以用其他任何合适的基板材料构成，比如磷砷化铟镓(indiumgalliumarsenidephosphide)，砷化铝镓(aluminiumgalliumarsenide)等，并且可以在大约1480nm，820nm等(如，对于激励其他类型的放大器如拉曼放大器等)被使用。半导体增益元件12可以是任何合适的长度。在一实施例中，半导体增益元件长度大于3mm以确保高增益。在另一实施例中，半导体增益元件大约是3.6mm。在另一实施例中，半导体增益元件大于4mm。半导体增益元件12包含带有后面16和前面18的光波导20。光波导20也可被称为半导体波导。后面16包含在设计波长附近的高反射的涂层。后面16上的涂层可以给予任何适量的反射率以产生激光发射的反馈。在一实施例中，后面16上的涂层的反射率可能大于95％。为了使能发射激光，需要至少1％的反射比。前面18上的涂层可以给予任何适量的反射率。即使通过使用了弯曲波导，前面18的有效反射率可能被降低(如，到大约1/1000)，前面18的ar涂层可能被应用，而反射率不到大约1％。波导20被设置在半导体增益元件12上并包含半导体增益元件12，使得其被设置在后面16和前面18之间并引导后面16和前面18之间的光辐射。因此，如这里所使用，波导是引导波，在这种情况下是光波，的结构。可以利用本领域中任何普遍为人所知的方法在半导体增益元件12上形成波导20。比如，波导20可以用众所周知的外延生长和半导体蚀刻的方法来制造。波导20是弯曲的使得波导20的纵轴和前面18表面至少在波导接近前面18的那些部分是非正交。如上关于传统技术所论述，这样的设置减少了来自前面18的光反馈(即，背反射)，因为从前面18反射过来的辐射没耦合到波导20本身中。波导20的弯曲被设计成使得将弯曲损耗最小化。尽管这里提到的波导20是弯曲的，可能有波导20的一个或更多个直线部分。比如，波导20可能包含直线部分20a，具有与后面16的表面正交的纵轴(即，与后面16的法向平行)，直线部分20c，具有关于前面18表面非正交的纵轴(即，与前面18的法向成一角度)，以及连接了两直线部分的弯曲部分20b。另外参考图4，波导20的直线部分20c可被设置成与前面18表面的法向成任何合适的角度(σ)。在一实施例中在前面18处的波导20的非正交部分可与前面18表面的法向成大约1.5°到大约15°。在另一实施例中，在前面18处的波导20的非正交部分可与前面18表面的法向成大约1.5°到大约5°。在另一实施例中，在前面18处的波导20的非正交部分可能与前面18表面的法向成大约3°。沿波导20传输的光辐射通过前面18并被从半导体增益元件12射出。从前面18射出的光辐射以折射角被折射，其为斯涅尔定律(snell’slaw)的函数。即，前面表面与在波导和光纤之间传输的光辐射的传播方向(即，该激光模式的传播方向；激光模式的一传播方向)非正交。比如，在一实施例中，其中前面18上的波导20的非正交部分与前面18表面的法向大约成3°(其为在前面18的入射角)，从波导射出的光辐射进入空气的折射角与前面18表面的法向大约成10°角。当然，折射角是关于如入射角和折射率这样的变量的函数。因此考虑折射角可变动，比如，从大约4.5°到大约60°。在另一实施例中，折射角可变动，比如，从大约4.5°到大约20°。如上所述，半导体增益元件12被光耦合到光纤14。光纤14也可被称作光纤波导。光纤14被设置成毗连半导体增益元件12的前面18，使得光辐射可以在半导体增益元件12和光纤14之间被传输。即，从前面18射出的光辐射通过光纤透镜28被传输到光纤14，其可以是任何合适的偏振保持(pm)光纤或非pm光纤。来自沿光纤14放置的波长选择反射器26的所期望量的反馈被从光纤14反射回半导体增益元件12。变形光纤透镜28被设置在光纤14的端部，其毗连前面18以光耦合半导体增益元件12和光纤14。光纤透镜28包含透镜顶端30，其被以一角度设置使得透镜顶端30的表面与在光纤透镜28处的光纤14的纵轴非正交。正如所示，光纤透镜28可以具有凿形(chisel)形状，激光场的椭圆度特别是其所致。变形光纤透镜28的特定形状可以从是激光器设备10的三维透视图的图5a和5b中更好地看出来。如图所示，光纤透镜28通过使光纤端逐渐变细形成，以定义端面32和34。在一实施例中，光纤透镜28没有ar涂层，其导致最大大约为3.5％菲涅尔(fresnel)反射。对于特定的角度，光纤透镜28可已经使进入波导20的反射率降低到大约1/100。因此，为了甚至更低的反射进入波导，在另一实施例中光纤透镜28上的ar涂层可被降低到只有大约1％或更少的反射率。如图3—5所示，当光纤14与前面18的表面非正交且与从半导体增益元件12射出的光辐射方向非正交时，成角度的透镜顶端30可能被设置成使得透镜顶端30的表面与前面18的表面平行且与从半导体增益元件12射出的光辐射方向非正交(即，与在波导和光纤之间传输的光辐射的传播方向非正交)。透镜28也被关于贴近前面18的波导20的部分而横向移动(如，大约1μm)。继续参照图4，光纤透镜被配置成使得从半导体增益元件12射出的光辐射以非正交角进入透镜顶端30并进一步地被以折射角折射，其是斯涅尔定律的函数。比如，在一其中相对透镜顶端30的光辐射的入射角是大约10°且光纤芯的折射率为1.5的实施例中，根据斯涅耳定律，相对透镜顶端30的表面的光辐射的折射角(α)是大约6.6°。正如所示，光纤透镜28和在光纤透镜30处的光纤14的部分可能在与折射的光辐射方向相同或基本相同的方向上纵向延伸。从在光纤顶端上的光辐射的入射角的范围(上面给出为从前面18射出的光辐射的折射角)，因此考虑折射角(α)可变化，比如，从大约2°到大约35°。在另一实施例中，折射角(α)可变化，比如，从大约3°到大约13.3°。在透镜顶端30的表面可能与前面18的表面平行的同时，也考虑表面透镜顶端30可能关于前面18的表面稍微不平行。相对于前面18表面的透镜顶端30的表面的角度关系可以被定义为其中n1,n2分别为光纤和周围介质的折射率。在这种情况下根据斯涅尔定律，确保光沿波导20和光纤14(其也作用为波导)的光轴中向前和向后两个方向传播。因此，在相对于前面18的法向的光辐射被传输通过波导的给定折射角上，相对于前面18表面的透镜顶端30的表面的角度关系(ω)可通过设定在透镜顶端30表面的折射角(α)来确定。当然，在透镜顶端30表面的折射角(α)可以通过设置相对于前面18表面的透镜顶端30的表面的角度关系(ω)来找出。此外，相对于前面18表面的法向的在光纤透镜28处的光纤14的纵轴的角度被定义成ζ＝α–ω。表1示例了当折射角大约为10°时，相对于半导体增益元件12的前面18的光纤14的不同设置。表1αωζ6.6°0°6.6°6°-0.98°6.98°7°0.53°6.47°7.5°1.3°6.2°在实际设置中，角(ω)可在大约-30°到大约30°之间变化。在这种情况下，分别地，对于(α)的角度从大约2°到大约35°变化且角的极端从大约4.5°到大约60°变化。透镜顶端30的设置最小化进入波导20的不期望的背反射。光辐射以角从透镜顶端30被反射。因此，在折射角和ω＝0°的示例实施例中，光辐射在透镜顶端30上以(γ)10°的角被反射。在另一实施例中，光辐射在透镜顶端30处以大于2°的角(γ)被反射。如图4所示，从透镜顶端30反射的辐射没有耦合到波导20中。因为在光纤透镜28处的光纤14的纵轴被以角(ζ)设置，其相对于前面18表面的法向较小(如，6.6°)，装配和校准过程可以被简化。此外，透镜顶端30的表面与前面18的表面平行或基本平行。透镜顶端30可以被带到靠近半导体增益元件12的前面18而不需要切掉光纤透镜28的边缘或意外地定位光纤透镜28使得光纤透镜28的一部分接触到半导体增益元件12，如图2的传统设计中是可能的情况。光耦合也被优化了，因为前面18的焦平面与光纤透镜28的焦平面基本相同。在一实施例中，光纤透镜28提供大于大约50％的耦合效率。在另一实施例中，光纤透镜28提供大约80％的耦合效率。由fbg形成的波长选择反射器26被设置在光纤14中。fbg可能以至少大约10cm的距离位于典型的激光器封装之外的光纤14中以简化生产。但波长选择反射器26可以被设置在距半导体增益元件12任何适当长度的位置。波长选择反射器26可以用任何已知的工艺沿光纤14形成。比如，波长选择反射器26可基于对沿一部分光纤具有周期性强度的uv辐射的暴露形成，如ramankashyap在1999年academicpress的“光纤布拉格光栅”中所描述的那样。在光纤中的波长选择反射器26产生期望百分比的反馈并将激光器设备10锁定在一波长。波长选择反射器26的反射率可能从大约0.5％到大约20％变化。在一实施例中，波长选择反射器26的反射率大约为3％。波长选择反射器26的带宽可能从大约10pm到大约5nm变化。在一实施例中，波长选择反射器26的带宽大约为20pm。波长选择反射器26的中心波长可以是任何半导体增益元件12能支持的波长。在一实施例中，波长选择反射器26的中心波长大约为974nm。因此，波长选择反射器26代替强烈减少的激光器前反射率且同时使能波长选择激光器发射。因此，在本发明中被考虑的配置中，为了使能激光器10的操作，波长选择反射器26被用作前镜，与作为高反射率后镜的后面16相结合。稳定的光纤出射光束离开光纤14并可能被馈入光纤放大器，如掺饵光纤放大器(未示出)。输出功率可典型地大约为0.6w，但可能变化，比如从大约0.1mw到大约3w。图6c示出了在根据本发明的示例激光器设备10上的最佳功率与电流特征的关系曲线及其导数的效果。这被和图6a和6b相比，其分别示出了在图1和图2的传统激光器设备1和5上的非最佳功率与电流特征的关系曲线及其导数的效果。如图6c所示，本发明的设备10产生高线性度激光发射。通过比较，图6a示出了图1的传统设备1产生导致更高级别噪音的大量波纹。图6a示出了虽然以图2的传统设备5有一些改进，功率与电流特征关系曲线中的效果没有被完全抑制。尽管本发明已经相对于一特定实施例或实施例被示出和描述，但显然其他本领域的技术人在阅读和理解此说明书和附图后会想到等效的变更和修改。尤其关于被上述的元件(部件，组件，设备，构造，等)执行的各种功能，除非被另外地指出，用来描述这样的元件的术语(包括提及的“手段”)意在对应任何执行所描述元件的具体功能的元件(即，那是功能性等效的)，即使没有在结构上等效于执行这里示出的本发明的示例的一个或更多的实施例中的功能的被公开的结构。另外，尽管本发明的特定特征在上文中可能已经被描述为关于几个被示出实施例的唯一一个或更多，这样的特征可结合一个或更多的其他实施例的其他特征，只要对于任何给定或特定的应用是期望的和有利的。当前第1页12