[发明专利]修正半导体激光器远场发散角不对称的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可调光学组件修正半导体激光器水平和垂直方向远场发散角不对称的方法，来提高光纤耦合效率的方法。具体涉及修正激光器发光区发散角不对称来提高光纤耦合效率的方法。

背景技术

半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强或光功率的分布，也称远场分布;纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率或波长分量上的分布。二者都可能是单模或者出现多个模式(多模)。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。半导体激光器由于有源层模截面的不对称和很小的线度，其远场光斑既不对称，又具有很大的光束发散角，这是因其发射区域小引起了衍射效应所致。若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性;不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。由于光束质量反映的是激光的可汇聚性，直接影响到实际应用。半导体激光器发光区的几何尺寸不对称,所以其远场分布呈椭圆形。一直以来，半导体激光器的最大缺点之一是它较大的发散角，以及椭圆形出光光斑，导致较差的光束质量。目前商业化的半导体激光器均采用全反射波导结构，该结构的激光谐振腔狭小，不对称，导致快轴发散角高达30°-60°，慢轴发散角10°。在快轴方向(垂直于pn-，结方向)由于狭缝的作用，初射光束发生较强衍射，在远场形成较大的发散角;慢轴方向(平行于pn结-，方向)由于有源层截面在这方向上尺寸相对较大，所以衍射作用比较小，出射光束的发散角也较小。半导体激光器在快慢轴上的发散角不同，造成远场光强分布不对称。在应用过程中,半导体激光器的波导结构特点使输出光束的发散角很大,光强分布不对称, 其与结平面垂直方向的快轴方向近似为高斯光束, 发散角θ较大约为40°, 与结平面平行方向的慢轴方向为非高斯光束, 发散角θ较小约为8°。准确测量发散角这一参数对评价半导体激光器输出光束质量以及设计后端光耦合系统等有重要的参考价值。通常垂直方向发散角半角大于30°，水平方向10°左右，导致较低的光束质量和较差的可聚焦性。虽然通过光学方法可改善并实现大功率直接半导体激光光源，但光源最终光束质量仍将受限于单元器件光束质量。大功率半导体激光器的矢量光场和标量光场的光强分布有一定差异,光强误差随光波的传输距离的增加而减小,随着垂直于pn结方向的坐标的增大,误差也增大。bar型半导体激光器的远场光斑随着距离增加,光斑分别呈分离状、开始交叠、甚至出现平顶。由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。半导体激光器的远场并非严格的高斯分布，有较大的在横向和侧向不对称的光束发散角。半导体激光器有源层较薄，因而在横向有较大的发散角θ。单模半导体激光器的有源层截面为狭长的矩形,有源层截面的不对称决定了初射光束远场发散角的不对称.在垂直于pn结方向的快轴方向,由于狭缝的作用 ,初射光束发生较强衍射。

半导体激光器高功率输出条件下远场发散角控制直接决定器件的光束质量。从整体上看，半导体激光器波导结构导致其远场光束严重不对称。快轴方向可认为是基模输出，光束质量好，但发散角大，快轴发散角的压缩可有效降低快轴准直镜的孔径要求。慢轴方向为多模输出，光束质量差，该方向发散角的减小直接提高器件光束质量，是高光束半导体激光器研究领域关注的焦点。在快轴发散角控制方面，如何兼顾快轴发散角和电光效率的问题一直是该领域研究热点。在慢轴发散角控制方面，最近研究表明，除器件自身结构外，驱动电流密度与热效应共同影响半导体激光器慢轴发散角的大小，即长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制，而在阵列器件中，随着填充因子的增大，发光单元之间热串扰的加剧会导致慢轴发散角的增大。传统修正半导体激光器远场发散角不对称的情况多采用柱面镜，但是因为工艺限制，每一片激光器芯片的远场发散角差异都不一样。实际生产中需要定制非常多面型的柱面镜去匹配。这样生产时不实际的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种针对光纤耦合效率高的修正半导体激光器远场发散角不对称的方法。