[发明专利]包括多个单片式激光二极管的AlInGaAs/InGaAsP/InP边缘发射半导体激光器

说明书

单片式边缘发射半导体激光器，包括多个激光二极管，使用砷磷化铝铟镓AlInGaAs/InGaAsP/InP材料系统，以长波长(1250nm至1720nm)发射。每一个激光二极管包括有源区，该有源区包括铝铟镓砷量子阱(AlInGaAs QW)和铝铟镓砷(AlInGaAs)势垒，并通过称为隧道结的高掺杂、低带隙和低电阻的铟镓砷结连接到随后的单片式激光二极管。

技术领域

本申请要求于2020年6月2日提交的美国专利申请第16/889963号的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

背景技术

激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)是一种利用激光发射感测距离的技术。LIDAR测量从激光发射信号到从物体反射后返回探测器之间的时间差。通常，在脉冲条件下使用多个单片式激光器，激光器和检测器彼此接近。发射激光脉冲，一部分脉冲从物体反射回来并由探测器收集。计算脉冲发射与其返回检测器之间的时间差。根据该信息计算距离。通过在特定视场中感应和测量的不同距离来生成三(3)维图像。生成的图像被处理并用于汽车应用，例如自动驾驶和自适应巡航控制系统。

此前，使用砷化镓GaAs、铝镓砷AlGaAs和铟镓砷InGaAs材料在905纳米(nm)范围内工作的近红外激光器已用于LIDAR系统。对于单个单片式激光器，这些激光材料系统表现出1瓦特每安培(W/A)的高效率。然而，高功率905nm激光器对眼睛不安全，而且能够损害视网膜。

为了提高边缘发射激光二极管的输出功率，许多制造商将两个、三个、四个或更多个激光二极管一个在另一个上面地堆叠起来，使用焊料粘接将激光器连接在一起。堆叠焊料粘接激光二极管的输出功率，在两个激光二极管堆叠配置中，几乎是单个激光二极管输出功率的两(2)倍，并且在三个激光二极管堆叠配置中为单个激光器输出功率的三(3)倍。如果两个激光二极管堆叠，则堆叠激光器两端的电压降也会增至两倍，如果三个激光二极管堆叠则会增至三倍。双叠层激光二极管光学输出尺寸直径通常等于单个激光芯片厚度加接合线厚度。三叠层激光二极管光学输出尺寸直径等于2个激光二极管的厚度加上两条接合线的厚度。

发明内容

另一方面，长波长(波长1300nm)单个单片式激光器效率通常仅为905nm激光器效率的一半左右。同时，堆叠焊料粘接激光二极管不适合某些应用。对于激光光纤耦接和长距离应用，例如LIDAR，很难精确聚焦来自多个激光二极管的分离输出。

一般而言，本发明通常涉及在眼安全区域工作的波长大于1300nm的长波长、高功率激光器。采用多个单片式激光器来实现高功率激光器。

这种激光器有很多用途。这些用途包括军事测距应用、军事敌我识别(Identification Friend or Foe，IFF)和导弹防御系统。这些眼安全激光器还能够用于许多其他应用，例如汽车激光雷达和自适应巡航控制(adaptive cruise control，ACC)应用。此外，这些眼安全的高功率激光器也能够应用于工业环境，例如视觉控制和机器控制。

本发明能够应用于多个单片式长波长激光器，该激光器能够实现接近1W/A的更高效率并保持眼安全，这适用于长距离激光雷达应用。通常，这些多个单片式激光器用于1纳秒(ns)到150ns之间的脉冲条件应用。

一般而言，根据一个方面，本发明的特征在于，边缘发射半导体激光器包含多个单片式激光二极管，使用砷磷化铝铟镓(aluminum indium gallium arsenide phosphide)AlInGaAs(铝铟镓砷)/InGaAsP(铟镓砷磷)/InP(铟磷)材料系统，以长波长(1250nm至1720nm)发射，其中单片式激光二极管通过一个或更多个隧道结彼此连接，并且每一个单片式激光二极管包含有源区，该有源区具有势垒和由不同比例的铝、镓、铟和砷构成的不超过三个的量子阱。