[发明专利]利用光子冷却依存激光器电压用于激光二极管的输出功率稳定

说明书

技术领域

本发明大体上涉及半导体激光器。更具体地，本发明涉及分别稳定激光输出功率或激光强度。

背景技术

通常，VCSEL的输出功率强烈地依赖于温度和老化条件。为了避免输出功率变动，一些应用例如需要复杂的控制或反馈机制，诸如使用监测光电二极管。

由于激光器电压依赖于许多参数而不仅仅依赖于输出功率，激光器电压通常不是输出功率的良好指标。

从Liu等人的浙江大学学报A卷英文版，ISSN 1009-3095已知，VCSEL的激光器电压可以根据经验描述为：

V=(I*R₀)/(T-T1)+V_t*ln(1+(I/(I0*(T-T₁))))  （方程1），

其中I表示激光器电流，V表示激光器电压，以及T表示内部激光器温度，即腔内部的温度。R₀、T₁、V_t和I₀是VCSEL特性参数。特别地，这些参数依赖于制作参数，诸如掺杂分布、有源直径等，并且只能以低的每个批次之间的精确度来控制。

内部激光器温度和热沉的温度Ths之间相互关系由下述给出：

T=Ths+(V*I–P_opt)*R_t      （方程2）。

在此方程中，P_opt表示激光输出功率以及R_t表示热阻。

已知-P_opt*R_t这一项为光子冷却效应，因为所发射的光子的功率将不促成对激光器的加热。激光器电压V的功率依存性于是通过联立方程1和2来导出。

通常，激光器电压不能用作VCSEL的输出功率的可靠指标，因为参数R₀、T₁、V_t和I₀一般是未知的。

由于这个原因，经常采用监测光电二极管来监测和稳定激光输出功率。然而，监测光电二极管的效率略微依赖于温度并且在操作时会劣化。因此，所测量的输入参数依赖于激光功率、老化和环境条件，并且会使稳定电路的特性失真。为了避免这一点，稳定电路经常采用附加温度测量装置，因而使得设计复杂。这种类型的稳定电路例如从EP1085624A1已知。

发明内容

因此本发明的目的是简化激光二极管的输出功率的稳定以及减小控制电路对温度和其它功率依存及环境条件的变化的敏感性。

提出在一个管芯内使用两个激光二极管，诸如两个几乎相同的VCSEL台面。第一激光二极管或台面被用作光源。其电压特性依赖于上文所述四种材料参数并且依赖于输出功率。第二激光二极管具有避免激射的附加结构，导致仅仅依赖于所述相同四种材料参数的电压特性。于是，激射的二极管和不激射的激光二极管的电压特性的差异仅仅是由于光子冷却引起。由于光子冷却分别与激光功率或激光强度成正比，二极管的所测量的实际操作参数之间的差异可以用于简单的功率稳定。

为此目的，提供了一种激光器设备，其包括管芯以及位于该管芯上的第一激光二极管和第二激光二极管。第二激光二极管布置成相对于第一激光二极管的光轴横向偏移。每个所述第一和第二激光二极管具有用于应用电源电压的至少一个电学连接端子，使得不同电压可以应用到第一和第二激光二极管。第一激光二极管为在应用足够的电压时能够发射激光的普通激光二极管。然而，第二激光二极管具有在足以使第一半导体激光二极管发射激光的电源电压被应用时避免激射的结构或元件。当然，两个激光二极管利用正确的极性来操作。

这种布置通过利用恰当电路控制激光器电压而允许简单地稳定激光功率。

为了控制和稳定激光输出功率，利用了两个激光器的特性的比较。因此，由于两个激光器同时制作在公共芯片上并且因此两个激光二极管的材料依存参数至少基本上相等或者甚至相同，材料依存参数中的批次依存偏差在很大程度上消除。然而，即使使用不同激光二极管，有利的是并行地制作所述激光二极管，使得两个激光二极管具有相同顺序的层。

由于光子冷却与VCSEL的输出功率成比例，本发明提出使用两个相同或几乎相同的密集组装的激光二极管（诸如VCSEL）的电压特性，其中一个二极管被改变以避免激射，其作为输入用于另一个激光二极管的输出功率稳定。因此，根据本发明的优选实施例，激光器电压将被用作用于稳定激光功率的控制电路的输入参数。