[发明专利]基于多模干涉结构的高功率单纵横模半导体激光器

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种高功率单纵横模激光器，该激光器中含有用于产生高功率、高效率的单空间模式光输出的有源多模干涉区域。

背景技术

高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源，在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性高、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是线宽较大，而且无法实现有效的单模输出。这是不容忽视的缺点。高功率半导体激光器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，并有效地控制模式的线宽因子，实现单纵横模输出。

本申请中的激光器内在物理原理是基于在多模干涉（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若干个自成像距离上被周期性地重现。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，将其与带有光栅的有源或无源波导层结合实现单纵横模稳定输出。

根据多模干涉的理论，多模束流充满了整个MMI区，当束流到达MMI区和单模波导层的连接处时，它自成像为与单模输出波导相匹配的单模光点，并在波导层中形成单横模束流。最终，单横模束流在激光输出端输出。还有，本申请的设计与现有技术的最大区别在于，本申请中的激光器由于在输出激光的单模波导层有光栅，可以防止在MMI增益区发生跳模现象以及线宽因子的增加，因此可以实现单纵模的稳定输出。在MMI区的一侧或两侧制备高反射面可以将MMI区在束流方向上的尺寸缩小，即不需要是自成像距离的整数倍，而可以是自成像距离整数倍的1/n（n为整数），单模波导层可以分布在MMI的两侧或同在一侧。本申请中的激光器可以是内腔和外腔激光器。

与本申请接近的是Hamamoto于2000年申请的，受让给NEC Incorporated 的美国专利6,768,758以及JDS公司申请的公开号为CN1,967,953A的专利。其中，前者利用基于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。虽然，整个MMI 由半导体制成，但是有源或无源的MMI是置于激光器的腔外。后者与前者最大的不同仅在于有源MMI通过石英制备的无源MMI同单模波导连接，以及MMI同单模波导的连接可以是突变的。上述有源MMI相当于放大器，因此两种结构的都是外腔激光器。

本申请同上述专利的最大不同在于单模波导中有制备光栅，并且可以是内腔激光器。另外更重要的是，MMI的结构不同，其两侧有反射面，并且自成像距离可以是任意的，其单模波导可以在MMI的两侧任意分布。

为了减小MMI输出面上的单模热光点处的光学灾变性损坏（COD），提高功率的输出。可通过多输出端输出激光减小每一端口的能量分布，然后加石英波导MMI或阵列光栅或星形耦合器实现单端高功率输出。

发明内容

本发明的一个目的是通过新型MMI实现高功率激光器的可制造性。这种MMI结构更有利于器件长度的优化。

本发明的又一个目的是通过扩大半导体增益区域内的面积，减小单位面积峰值功率密度来实现激光器的高功率、单纵横模输出。

本发明采用如下技术方案：

一种高功率、单纵横模半导体激光器，其波导层包括单模和多模波导层；多模波导层中含有有源多模干涉区域，即多模有源层；其特征在于，多模干涉区域的侧面制备高反射面。

用电泵浦所述有源多模干涉区域以提供光增益；

所述有源多模干涉区域是激光增益的主要来源；以下将有源多模干涉区域缩写为AMMI；

所述的多模干涉区域的长度可以是自成像距离整数倍的1/n，n为整数。

所述单模波导层同多模波导层的连接处，是位于多模干涉区域的自成像点。

所述单模波导层可以分布在多模波导层的一侧或两侧。

所述单模与多模波导层相接的侧面以及与该表面相平行的侧面上，部分或全部制备高反射面。

所述的单模波导层中远离多模干涉区域的一端有高反射面或低反射面；高反射面对应的是非激光输出端；低反射面对应的是激光输出端；激光输出端一个或多个。

所述半导体激光器中含有光栅；光栅的位置可以在上包层、波导层或者其他地方；光栅可以是单段或是多段，光栅的结构也可不同；

所述单模波导层是有源或者是无源的。