[发明专利]双结光纤耦合激光二极管及相关方法

说明书

激光二极管装置具有第一波导层，该第一波导层包括与具有第二增益区域的第二波导层串联连接的增益区域。隧道结位于第一和第二引导层之间。单个准直器位于从第一和第二波导层发射的激光束的输出路径中。来自单个准直器的光束可以耦合到光纤中。

技术领域

本发明一般涉及激光二极管，更具体地涉及双结光纤耦合激光二极管及相关方法。

背景技术

激光二极管在宽光谱范围内提供廉价、可靠的高亮度光功率源。许多应用要求光耦合到光纤中以将光从光源传输到目标应用。来自激光二极管，特别是来自边缘发射激光二极管的发射由于像散性、非常高的椭圆纵横比和难以控制发射光的相位前沿而固有地难以耦合到光纤中。

一些专利和出版物已经涉及改进耦合边缘发射激光二极管的能力。例如，参见美国专利号5,212,706A、5,202,706、5,6799,963A、6,535,541和8,848,753。例如，一些专利描述了在边缘发射激光二极管中使用隧道结以通过在单个外延结构中结合多个发射器来增加激光二极管的堆叠密度。还描述了使用具有多个单独光束的边缘发射器，每个光束以不同波长发射激光。该方法可以实现非常紧凑的垂直堆叠以及来自单个芯片的多个波长的发射。

由于难以在p型MOCVD生长的GaN中激活Mg受体，边缘发射的短波长III族氮化物基激光二极管面临着独特的挑战。已经描述了该挑战的解决方案，其中使用隧道结以及多个外延生长步骤来改善掺杂Mg的氮化物的活化。

空间组合技术可用于将来自多个激光二极管的发射耦合到单个光纤中。空间组合通常需要对准多个光学组件，例如透镜、反射器和棱镜。US8848753B2描述了一种技术，其使用空间组合技术改善紧凑形状因子中的耦合，以降低对安装基板上的机械公差的灵敏度，同时通过棱镜的仔细光学对准以将光耦合到光纤中来补偿机械失调(mechanicalmisalignment)。

图1是根据现有技术，表示现有技术的边缘发射激光二极管1的示意图。激光二极管1包括电触点10，用于在重掺杂的p型盖层13处将电流注入外延层12中。电流流过p型盖层13，进入顶部p掺杂的包覆层14，包覆层14具有比相邻的引导层15，17更低的光学折射率。电流通过引导层15进入有源层16，引起负责受激发射的光学增益垫，从而进行激光操作。引导层15，17通常是未掺杂的或轻掺杂的，并形成薄层，该薄层沿着激光腔的长度引导光功率。有源层16或增益介质提供负责受激发射并因此产生激光的光学增益。从底部触点21注入的载流子(电子)同样地穿过基板20、缓冲层19、下包覆层18，并进入有源区。激光发射机制可以容易地理解为载流子通过受激发射的重组从一种类型，例如“空穴”转换为另一种类型“电子”。缓冲层19通常生长在基板20的顶部，以便改善激光的晶体质量并降低杂质浓度。

激光二极管1的有效操作要求光功率限制在垂直和横向尺寸上。垂直引导可以通过将有源层和引导层15,16,17夹在折射率低于引导层15,17的包覆层14,18之间来实现。横向引导或光学限制是由注入的载流子(即增益波导)的横向限制以及脊22的形状而引起的。因此，横向波导通过脊22的形状直接与电流注入相关联。

垂直波导的总厚度可以由引导层和有源层15，16和17的厚度限定。该厚度由激光二极管操作和性能的冲突要求之间的适当折衷决定。激光二极管1的总串联电阻必须保持尽可能低，因为欧姆损耗是激光二极管1内部的主要加热源，这降低了性能并且是限制最大发射光功率的主要因素。通过增加包覆层14,18中的导电率并通过在这些层中加入少量杂质(掺杂剂)来降低电阻。由于在p-n界面附近不发生欧姆损耗，因此引导层15,17在引导/包覆层界面附近名义上是未掺杂的(本征的)或仅轻微掺杂，因为该区域中的载流子传输是由载流子密度梯度(扩散)驱动而不是通过电场(漂移)。