[发明专利]具有扩张式激光振荡器波导的二极管激光器封装件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请为2013年8月27日递交的美国非临时申请US14/011661的部分继续申请，其中，US14/011661要求享有2013年4月9日递交的美国临时专利申请US61/810261的权益，为了所有目的通过引用将这两个申请的全部内容并入本文中。

发明的背景技术

1.发明的技术领域

总体上来说，本发明的技术领域为半导体二极管激光器。更具体地，本发明涉及扩张式激光振荡器波导及利用扩张式激光振荡器波导的二极管激光器封装件。

2.背景技术

多模激光二极管(也已知为宽面激光器(BAL))具有如下属性：在为了生成较高功率而以较高电流对其进行驱动时，其慢轴光束参数乘积(BPP)及其慢轴亮度(功率÷BPP²)逐渐降级。可以通过减小发射极宽度来提高BAL中的亮度。然而，出现最大亮度处的电流也发生在逐渐降低的电流值处。因此，最大亮度处的最大输出功率也下降。对于功率放大应用以及降低生产二极管激光器的每瓦特的成本，非常期望每个发射极在更高的输出功率具有较高的亮度。

通过在适当的衬底上生长多层半导体材料来形成半导体二极管激光器，该衬底具有允许选择产生期望的发射波长的材料的晶格常数。典型的半导体激光器包括n型层、p型层以及位于它们之间的无掺杂的有源层，使得当二极管正向偏置时，电子和空穴在有源区层内重新组合以产生光。有源层(量子阱、量子线或量子点、II型量子阱)位于与周围的p掺杂和n掺杂的覆层相比具有更高的折射率的波导层中。从有源层生成的光被限制在波导的平面中。

常规的边射型法布里-珀罗宽面激光二极管被布置成矩形增益导引或折射率导引的半导体结构。波导的相对端面限定高且局部的反射体，以在谐振器内提供对光的振荡的反馈。多层半导体激光二极管结构延长了激光器的长度，并且具有延伸至相对的侧表面的宽的电注入宽度，这也延长了激光器的长度。通常将多层半导体材料布置成使得激光器沿着激光器的生长方向以单模工作，并且该方向被定义为快轴方向。由于半导体激光器沿着快轴方向以单模工作，因此不能进一步提高激光二极管在该方向上的亮度，这就是所谓的衍射极限。因此，多层半导体激光器结构的顶表面与底表面之间的距离提供较小尺寸的端面，即，发光区的厚度通常在微米的量级上。另一方面，多层激光器结构的宽度提供较大尺寸的端面，即，发光区宽度通常在几十个微米至几百个微米的量级上。由于发光区宽度远大于光的波长，因此沿着波导的光轴传播的光场的横向属性是沿着较长的发光区尺寸的高度多模，并且对应的轴被描述为慢轴。

已经描述了在慢轴两端具有单模结构特征的二极管激光脊形波导结构，该结构可适于期望单模性能的低功率。例如，在Osinki等人的6,014,396中，公开了一种具有双扩张结构的扩张式半导体光电器件。在美国专利US7,623,555和US6,798,815中可以找到常规脊形波导结构的其它示例。这些器件在两个方向上具有单模光束质量，但实现这样的性能的代价是输出功率受限。然而，在保持超级亮度的同时缩放至更高功率的问题仍然构成二极管激光器领域(尤其是慢轴上为高度多模的器件)中的挑战，并因而需要与其相关联的改进，包括利用所述改进的二极管激光器封装件。

发明内容

因此，本发明通过在宽面半导体二极管激光技术中提供创新来满足上述需求，包括提供一种扩张式激光振荡器波导(FLOW)，其具有在多模高反射面和局部反射面之间延伸和变宽的扩张式电流注入区域。通过朝向高反射面缩窄电泵浦发光区(stripe)的宽度，防止具有高发散角的高阶模式耦合回到激光中。结果，与具有相同的局部反射宽度的矩形几何形状的器件相比，激光的慢轴发散角较小。

此外，扩张式电流注入区域中的光传播可以构成更接近较窄的、高反射体侧的宽度的热波导，使得局部反射体端面处的光束输出的光束宽度比局部反射体端面宽度窄得多。结果，与BAL器件相比，对于FLOW器件而言，光束参数乘积BPP(慢轴近场宽度乘以慢轴发散角)较小。由于近场小于局部反射体侧的物理宽度，因此FLOW器件可以被设计成与BAL相比在不牺牲BPP的情况下具有更大的总面积。由扩张式电流注入区域的扩张所提供的扩大的总泵浦面积用于降低热电阻和器件中的电串联电阻，从而导致更高的电-光功率转换效率。与BAL器件相比，这导致给定的工作电流具有更高的输出功率。更高的功率和更小的BPP导致慢轴上增大的光束亮度。