CN110998390A - 低发散高亮度宽条形激光器 - Google Patents

Abstract

一种装置包括：半导体波导，其沿纵轴延伸并且包括第一波导段和第二波导段，其中，就限定所述半导体波导的横向折射率差而言，所述第一波导段比所述第二波导段大；和输出端小面，其被定位在所述半导体波导的所述纵轴上，以便发射在所述半导体波导中传播的激光光束，其中，所述第一波导段被定位在所述第二波导段和所述输出端小面之间，并且其中，所述横向折射率差抑制了由所述输出端小面发射的激光光束中的高阶横模的发射。

Description

低发散高亮度宽条形激光器

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月9日提交的美国临时申请号62/517,332的权益，其内容通过引用并入本文。

技术领域

技术领域涉及半导体波导和宽条形激光器。

背景技术

与类似的单模半导体激光二极管发射的光束相比，多模宽条形半导体激光二极管(BAL)通常发射的光束具有更高的慢轴光束参数积(BPP)和更低的慢轴亮度(功率/BPP²)。BAL发射的光束的慢轴光束质量较差，这可能是由于慢轴发散较大以及所发射光束中多个光学模的相关联的横向形状导致的。减小BAL发射部的宽度可以提高亮度，但是输出功率通常会受到影响。因此，需要为BAL提供在更高功率下具有改善的慢轴性能的器件和方法。

发明内容

根据所公开技术的一些示例，装置包括：半导体波导，其沿纵轴延伸并且包括第一波导段和第二波导段，其中，就限定所述半导体波导的横向折射率差而言，第一波导段比第二波导段大；和输出端小面，其被定位在该半导体波导的纵轴上，以便发射在该半导体波导中传播的激光光束，其中，第一波导段被定位在第二波导段和输出端小面之间，并且其中横向折射率差抑制由输出端小面发射的激光光束中的高阶横模的发射。在一些实施例中，至少一部分第一波导段的横向折射率差限定横向折射率引导区域，并且至少一部分第二波导段的横向折射率差限定横向增益引导区域或横向弱折射率引导区域。在一些示例中，第一波导段中的横向折射率差是恒定的或单调减小的，并且第二波导段中的横向折射率差是恒定的或单调减小的。根据一些激光二极管示例，提供与输出端小面相对的高反射部小面，其中输出端小面是部分反射部小面，以便在高反射部小面和部分反射部小面之间限定激光振荡器。在一些示例中，第一波导段邻接部分反射部，并且第一波导段的横向折射率差限定折射率引导区域，并且第二波导段邻接高反射部，第二波导段的横向折射率差限定增益引导区域。在另外的示例中，半导体波导的横向宽度在沿纵轴远离输出端小面的方向上逐渐变细。在一些装置示例中，横向折射率差对应于横向折射率分布，该横向折射率分布包括对应于半导体波导的内部区域的中间折射率部分和对应于与内部区域相邻的相对的横向区域的相对的侧折射率部分。根据一些示例，折射率分布由脊形结构限定。在一些示例中，相对的横向区域包括折射率元件，所述折射率元件与内部区域相邻地沿半导体波导在纵向上延伸并且限定侧折射率区域。在不同的示例中，折射率元件可以包括空气、电介质或半导体材料。在一些实施例中，折射率元件是弯曲的，使得沿纵轴远离输出端小面的第一长度部分比沿纵轴更靠近输出端小面的第二长度部分与纵轴间隔更大。在一些示例中，所述弯曲限定被定位成在折射率引导和增益引导之间提供绝热过渡的波导段。在另外的示例中，折射率元件与第一波导段的内部区域相邻地在纵向上延伸，并且不与第二波导段的内部区域相邻地在纵向上延伸。根据一些实施例，在至少一部分第一波导段中的折射率元件包括在所发射的激光光束的横向发射轴处或下方的蚀刻深度。在一些示例中，折射率元件包括随着沿纵轴距输出端小面的距离增加而减小的蚀刻深度。在一些实施例中，折射率元件包括与蚀刻深度的减小相关联的在纵向上变化的宽度。在一些激光二极管示例中，该装置还包括：高反射部小面，其与输出端小面相对，以便在高反射部小面和输出端小面之间限定激光振荡器；和折射率元件，其被定位为与半导体波导的内部区域相对并沿半导体波导并与该半导体波导相邻地在纵向上延伸，所述折射率元件具有从输出端小面处的第一深度变为在高反射部处的小于第一深度的第二深度的蚀刻深度，并且第二深度可以包括零深度，以便限定横向折射率差的相对的横向侧折射率部分。在一些装置示例中，折射率差基于在横截面处通过半导体波导的电流注入量而在半导体波导的横截面处变化。在其它装置示例中，半导体波导是主振荡器功率放大器(MOPA)，其中第一波导段对应于MOPA的功率放大器，并且第二波导段对应于MOPA的主振荡器。在另外的装置示例中，第一波导段包括具有在沿纵轴远离输出端小面的方向上逐渐变细的横向宽度的至少一部分，并且第二波导段包括沿纵轴具有恒定的横向宽度的至少一部分，以便限定单个或少数横向横模波导。在另外的示例中，该装置还包括在半导体生长方向上与半导体波导单片地间隔开的第二半导体波导，以便限定多结二极管激光器。在一些多结二极管激光器示例中，第一对折射率元件与半导体波导相邻以便提供横向折射率差，而第二对折射率元件与第二半导体波导相邻以便提供第二横向折射率差，第二横向折射率差还抑制从第二半导体波导发射的激光光束中的高阶横模的发射。在另外的多结二极管激光器示例中，一对横向折射率元件在半导体生长方向上延伸，以便被定位在与半导体波导和第二半导体波导相邻的位置，并提供横向折射率差。

根据所公开技术的一些示例，半导体激光器包括：高反射部和部分反射部；紧邻高反射部的增益引导区域，其抑制横向高阶模；以及紧邻部分反射部小面的折射率引导区域，其支持被增益引导区域抑制的横向高阶模。

根据另外的示例，方法包括形成包括多个半导体层的半导体激光器，使得横向折射率差沿半导体激光器的长度变化，以便限定更靠近半导体激光器的输出端小面的横向折射率引导区域和更靠近半导体激光器的高反射部小面的横向增益引导区域，并且以便减小从输出端小面发射的激光光束中的横向发散光束。

从以下参考附图进行的详细描述，所公开技术的前述和其它目标、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1A是示例性宽条形激光二极管(BAL)的顶视图。

图1B是相对于图1A中所示的BAL的纵向位置的折射率分布图。

图1C是图1A中所示的BAL的透视图。

图2A-图2B是在模拟有效操作期间BAL的端视图。

图3是示例性BAL的输出光束亮度与电流和光束参数积与电流的关系图。

图4A是另一示例性BAL的顶视图。

图4B是相对于图4A中所示的BAL的纵向位置的折射率分布图。

图4C是图4A中所示的BAL的透视图。

图5-图7是附加的BAL示例的透视图。

图8是扩口BAL示例的顶视图。

图9是另一BAL示例的顶视图。

图10是示例性半导体器件的顶视图。

图11是输出光束远场发散与电流的关系图。

图12是多结二极管激光器示例的透视图。

图13是另一多结二极管激光器示例的透视图。

图14是形成半导体器件的示例性方法的流程图。

具体实施方式

除非上下文另外明确指出，否则本申请和权利要求书中所使用的单数形式的“一”、“一个”和“所述”包括复数形式。另外，术语“包括…”是指“包含…”。此外，术语“耦合”不排除在耦合的物品之间存在中间元件。

本文所述的系统、装置和方法不应被解释为任何方式的限制。相反，本公开针对各种公开的实施例的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独的特征和方面和特征和方面彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和装置不限于这样的操作理论。

尽管为了方便呈现以特定的、有序的顺序描述了一些所公开方法的操作，但是应理解，除非下面阐述的特定语言要求特定的顺序，否则这样的描述方式包括重新排列。例如，有序地描述的操作在一些情况下可以被重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出可以将所公开的系统、方法和装置与其它系统、方法和装置结合使用的各种方式。另外，说明书有时使用诸如“产生”和“提供”之类的术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象表述。对应于这些术语的实际操作将根据特定的实现方式而变化，并且本领域的普通技术人员可以容易地辨别对应于这些术语的实际操作。在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应明白，这样的描述旨在指示可以在许多所使用的功能性替代方案中进行选择，并且这样的选择不必比其它选择更好、更小或以其它方式是优选的。

本文使用的激光光束是指波长在约100nm至10μm之间，并且通常在约500nm至2μm之间的电磁辐射。基于可用激光二极管源的示例通常与约600nm至2000nm之间的波长相关联，并且可以基于包括铟、镓、砷等的半导体成分进行定制。在一些示例中，传播的光辐射被称为一个或多个光束，其具有可能取决于光束波长和用于光束整形的光学系统的直径、不对称的快轴和慢轴、光束横截面面积以及光束发散。为了方便起见，在一些示例中，光辐射被称为光或光束，并且不需要为可见波长。

典型的激光二极管具有有非圆形横截面的发射区域。激光二极管的发射区域可以与沿发射区域的最长尺寸指向的慢轴以及沿发射区域的最短尺寸指向的快轴相关联。沿慢轴，所发射的光束倾向于具有比沿快轴的角发散更小的角发散。另外，慢轴倾向于与比在快轴的光束传播更多的横模中的光束传播相关联，使得沿慢轴测量的光束参数积(对应于角发散和光束尺寸的乘积)大于沿快轴测量的光束参数积。沿慢轴、快轴或两者的光束发散和直径可以使用一个或多个透镜、棱镜或反射镜进行调整，以在从激光二极管发射后提供所选择的光束特性。

本文使用的术语“亮度”是指每立体角每单位面积的光束功率。在一些示例中，光束功率具有一个或多个激光二极管，该一个或多个激光二极管产生的光束的立体角与光束波长成正比且与光束面积成反比。光束面积和光束立体角的选择可以产生将所选择的泵浦光束功率耦合到双包层、三包层或其它单包层或多包层光纤的一个或多个芯层或包层中的泵浦光束。可以使用通常对应于零强度值、1/e值、1/e²值、半峰全宽(FWHM)值或其它合适指标的边界来描述光束的横截面积、直径或其它光束尺寸。

本文中的代表性实施例可以通过抑制沿慢轴的高阶模并保存低阶模来针对所选择的发射部宽度为宽条形激光二极管输出光束提供慢轴亮度改善。通常，减小BAL发射部的宽度通常会减小对应于慢轴亮度最大值的激光二极管输出光束功率。因而，在一些示例中，与常规BAL相比，对应于慢轴亮度最大值的激光二极管光束输出功率可以维持或减小较小的量。在高功率下操作并且具有高亮度的激光二极管输出光束可以组合在激光二极管模块中，并且可以与激光二极管模块进行光纤或自由空间耦合，以用于各种应用，例如光纤激光泵浦或直接的二极管激光处理应用。更高的亮度性能允许各种应用按比例缩放功率，并可以降低生产激光二极管的每瓦成本。

本文的示例通常将折射率引导和增益引导称为主要限制机制，通过该机制，横向光学模(即，跨慢轴)被限制在宽条形激光腔中。垂直模限制(即，跨快轴)通常通过具有预定折射率的n型和p型包层的折射率引导来很好地进行限定。通常，在断电、冷态下由具有零横向折射率变化(δn＝0)的半导体激光腔所支持的横向光学模，在加电状态期间会变为增益引导，因为注入的电流会在电泵浦区域和非泵浦区域之间产生横向折射率变化(δn<0)。断电腔中的其它非零横向折射率差(包括负值)也可以允许通过选择性电流注入进行增益引导操作。然而，具有足够大的非零横向折射率变化(δn＞δn_折射率>0)的冷腔将补偿注入的电流引起的负折射率阶跃，并通常在注入的电流和相应的输出光束功率的范围上提供横向光学模的折射率引导限制。光学模由低于这样的横向折射率对比度的增益引导，并由高于其的折射率引导。在高功率操作下(诸如使用单发射部宽条形激光二极管)，横向热梯度会引起与热透镜相关联的附加的正横向折射率差，该附加的正横向折射率差通常大于这样的横向折射率对比度δn_折射率。例如，在高功率下，即使没有提供正横向折射率差的脊形结构，也可以提供折射率引导。在一些高功率激光二极管示例中，区域或操作可以被称为基于横向折射率对比度的增益引导的，该横向折射率对比度在断电状态下或在低电流操作期间为零或为负，并且在与热透镜效应相关联的高功率操作期间，该区域或操作变为弱折射率引导的。本文的增益引导也可以指在具有相关联的热透镜的高功率操作期间的增益引导的横向折射率对比度。在其它示例中，弱折射率引导可以指在高功率下的弱折射率引导以及在低功率或在冷腔状态下发生的增益引导，并且也指在高功率下的折射率引导或弱折射率引导以及在低功率下或冷腔状态下的较弱折射率引导。在Govind Agrawal的“Lateral Analysis ofQuasi-Index-Guided Injection Lasers：Transition from Gain to Index Guiding”Journal of Lightwave Technology，Vol.LT-2，No.4，August 1984中更详细地解释了横向折射率引导和增益引导，其公开内容在此通过引用并入本文。

本领域技术人员应明白，沿长度方向具有均匀的横向折射率分布的典型的半导体激光腔的增益引导和折射率引导行为之间的阈值δn_折射率可以取决于腔的各种特性和参数，包括长度、半导体层厚度、载流子密度、有源层类型和厚度、发射部/反射部宽度、增益、操作波长等。在本文的各种半导体激光器示例中，增益引导和折射率引导之间的阈值δn_折射率存在在大约1×10^-6至1×10^-5、1×10^-5至1×10^-4、1×10^-4至1×10^-3、1×10^-3至1×10^-2、1×10^-2至1×10^-1之间。在本文的各种示例中，波导厚度通常是恒定的，并且可以包括大约0.5μm至大约5μm。在本文所述的所选择的高功率半导体激光器示例中，阈值δn_折射率通常约为10^-5，并且生成的输出光束具有沿慢轴的多个横向光学模。增益引导的输出光束在更高功率下通常表现出不良的输出光束特性，例如多个强度波瓣或不对称的强度特性。不良的输出光束特性可能与光束细丝化、在腔内的光束聚焦和散焦、热透镜、空间孔燃烧以及光学腔中的其它非线性效应有关。在一些增益引导的示例中，与类似的折射率引导的示例相比，激光阈值电流显著增加。

在本文所述的一些半导体器件示例中，公开了两阶跃或变化的增益引导和折射率引导的混合结构。增益条延伸穿过器件的整个或大部分长度，并且通常对应于电流注入的金属条、盖层中的条或由具有浅蚀刻/弱折射率引导的脊形结构限定的条。在器件前部小面附近的脊形波导结构的横向波导对比度要比背部小面附近的脊形波导结构的横向波导对比度大。在典型示例中，脊形波导结构的宽度等于或略宽于增益条，以便当从增益引导波导过渡到折射率引导波导时，最小化前向传播光束的损耗。在一些经过实验测试的示例中，在保持其它特性相同或类似的情况下，混合结构提供的亮度更高且光束参数积更低，比标准折射率引导的激光二极管低了10％以上。应明白，各种示例可以包括沿波导的长度的两个以上的折射率差阶跃。

在具有变化的增益引导和折射率引导的混合结构的示例中，横向波导的折射率差(通常称为阶跃)沿至少一部分空腔长度变化，其中，Δn越朝向背部小面越低，并且Δn越朝向前部小面越高。横向折射率差的变化可以通过改变蚀刻深度或围绕脊形波导结构的低折射率包层材料的深度来获得，其中越深的蚀刻提供越大的横向折射率对比度，或者通过纵向地改变泵浦条外部的离子注入区域(包括通过改变离子能量、深度和/或强度)来获得横向折射率差的变化。例如，沿长度的蚀刻深度变化可以通过灰度光刻来实现：将光掩模中的灰度转换成曝光剂量的梯度，以在显影期间实现所选择的光刻胶形貌，并在半导体蚀刻期间实现蚀刻深度分布。在一种替代方案中，可以将由光刻法限定的凹槽宽度用于控制蚀刻速率，使得纵向变化的凹槽宽度导致纵向变化的凹槽蚀刻深度。尽管描述了折射率差的线性变化，但是应明白，其它变化也是可能的，其它变化包括不同变化类型的线性和阶梯、曲线、指数、二次和分段的组合。

在代表性示例中，由半导体器件发射的输出光束的慢轴发散角是由在背部小面附近的波导限制确定的，并且因此在前部小面附近的脊形波导结构可以是强折射率引导的以提供良好限定的慢轴近场，而不会增加慢轴发散角。这样的性能可以与宽条形激光器中的较大的发散角形成对比，该宽条形激光器沿二极管激光器的全长包括强折射率引导的脊形，其中大的横向折射率阶跃可以支持许多高阶模。

本文的各种示例描述了引起或改变横向折射率差的方法，包括提供沿长度的差的变化。应明白，这些示例不是穷举的，并且可以想到，可以使用其它机制来提供横向地和在纵向方向的横向折射率差的变化。而且，示出了简单的逐步式横向折射率差以简化说明。应明白，可以提供各种横向折射率形状，包括不同于矩形的形状(倾斜的、弯曲的、锯齿形的等)或在器件的主动操作期间变化的形状。

图1A-图1C示出半导体激光器100的代表性示例，该半导体激光器100基于沿激光二极管长度的变化的横向折射率分布，而发射具有减小的慢轴发散角θ₁的输出光束102，所述变化的横向折射率分布抑制或帮助抑制高阶模。为了进行比较，具有类似的几何形状(例如，发射部/反射部宽度、腔长度等)、外延(例如，掺杂水平、载流子浓度、层厚度等)和操作特性(例如，泵浦水平)的优化的常规BAL产生具有慢轴发散角θ₂的输出光束104，其中θ₂大于θ₁。半导体激光器100包括法布里-珀罗腔106，法布里-珀罗腔106在高反射部(HR)小面110和部分反射部(PR)小面112之间沿纵轴108形成。半导体激光器100可以形成为各种几何形状和构造，并且包括p型、n型、有源、盖和电介质层的各种布置。在更一般的水平上，半导体激光器100通常包括n型包层130和顶部p型包层132，在n型包层130和顶部p型包层132之间，腔106形成有n型波导层134、p型波导层136、以及n型和p型波导层134、136之间的有源层138。有源层138通常包括多个量子阱，但是其它配置也是可能的，其它配置包括p-n结同质结构、异质结构、双异质结构、单量子阱、量子线、量子点等。可以将p型包层132蚀刻成各种形状以形成脊形结构或台面，并且可以形成一个或多个电介质和/或盖层以引导电流通过有源层138。

高反射部小面110通常是裂开的半导体小面，其涂覆有高度反射涂层，以便在感兴趣的波长范围内提供光学反射率，该波长范围对应于半导体激光器100的激光波长，该光学反射率通常在50％、80％、90％、95％、99％、99.9％、99.99％或更大的范围内，并且更典型地至少为90％，以便提高输出光束102的产生中的功率效率。部分反射部小面112也通常是裂开的半导体小面，并且涂覆有抗反射涂层，该抗反射涂层提供所选择的部分折射率，所选择的部分折射率是根据半导体激光器100的期望增益特性而选择的。部分反射部小面112可以提供的反射率在小于或等于40％、20％、10％、5％、2％、0.5％等的范围内。应明白，本文所述的其它实施例的各种小面可以具有相似的反射率。

半导体激光器100还包括与腔106相邻的一对相对的横向折射率引导元件114a、114b，在PR小面112处或附近形成延伸到腔106中预定距离的横向脊形波导部分116。脊形波导部分116的长度可以对应于折射率引导元件114a、114b的长度，其沿纵轴108延伸小于腔106的全长。通过比较，产生慢轴发散角θ₂的BAL结构通常包括延伸相应腔的整个长度的脊形波导结构，以使腔的整个长度沿其长度以恒定的横向折射率分布进行折射率引导。脊形波导部分116由相邻的折射率引导元件114a、114b以低折射率材料(诸如空气、电介质或半导体材料)进行折射率引导。

紧邻HR小面110的横向波导部分118由沿半导体激光器100的顶表面124延伸的金属接触条或盖层条122的电流孔口120限定。条122通常延伸半导体激光器100的整个长度，虽然也可以限定小于整个长度或单独的条部分，例如，以便提供单独的电泵浦接触区域。在一些配置中，可以相对于延伸半导体激光器100的长度的相邻浅凹处(例如，通过蚀刻)来限定条122，或者，条122被定位在相对于顶部p型包层132的相邻部分延伸半导体激光器100的长度的凸脊形构造中，以便沿半导体激光器100的长度引入弱折射率差引导。

条122电耦合到电源(例如，通过电引线或附加的金属层或接触部)，使得横向波导部分118在低电流下被增益引导，而在高电流下变为弱折射率引导，其中较高的光场强度和局部温度梯度会产生热透镜效应，并使折射率局部增加。如图1B中的图所示，沿脊形波导部分116的长度的横向折射率分布差δn_脊形大于沿横向波导部分118的长度的横向折射率分布差δn_弱，与在HR小面110附近相比，为PR小面112附近的横向光学限制提供了不同的、更高的折射率差δn。

在典型示例中，横向折射率分布差δn的减小量足以减少所支持的横向光学模的数量。由于在横向波导部分118中的弱折射率引导，所以由脊形波导部分116支撑的高阶模(诸如由内部反射射线126所示的模)具有大于弱引导横向波导部分118的临界角(相对于波导边缘限定)的发散角。因此，与射线126相关联的模从腔106泄漏，使得其在高反射部110处不反射回到半导体激光器100中，或者不耦合回到脊形波导部分116中。以小于临界角的发散角反射的低阶横模(诸如由反射射线128所示)仍然被在腔106内引导。结果，半导体激光器100的输出光束102的慢轴发散角θ₁小于从具有相同发射部宽度并具有延伸整个长度的脊形结构的BAL发射的输出光束104。在代表性实施例中，半导体激光器100的输出光束102的输出功率和光束尺寸可以与发射输出光束104的类似的BAL结构相同，以使输出光束102具有相对较高的慢轴亮度。

在一些示例中，在沿纵轴108的一个或多个所选择的位置(或长度)处，在横向波导部分116、118的相对的横向侧面处，横向折射率分布差δn可以不同。例如，折射率元件114a、114b或波导部分118的不同侧面可以贡献不同的折射率阶跃或变化。在一个示例中，折射率元件114a和横向波导部分118的对应(或相对)侧面分别具有折射率分布差δn_ASSY1、δn_ASSY2。其它不对称分布也是可能的，并且可以应用于波导的所选择的部分或波导部分。

图2A至图2B示出了具有100μm发射部孔径的宽条形半导体激光器的光学模传播模型的模拟输出。在图2A中，脊形波导200沿宽条形半导体激光器的长度具有6×10^-5的横向折射率分布差，并且在图2B中，类似的脊形波导202具有3×10^-5的横向折射率分布差。脊形波导200的最高局限横模是四阶模204，而脊形波导202的最高局限模是二阶模206。基于由该模型所示的对更高模的支持降低，可以对具有沿波导长度变化的横向折射率分布的波导进行推理，其中该波导在后小面附近的δn约为3×10^-5，在相对的输出端小面附近的δn约为6×10^-5，并且波导支持作为最高激光模的二阶模206。由于在保持光束尺寸的同时减小了高阶模量，所以输出光束将具有较低的慢轴发散角，并且基于减小的发散角和高阶横模抑制，可以改善相应的慢轴亮度。另外，折射率分布差的降低可以减小输出光束的慢轴发散，而不会在操作过程中引入功率和效率损耗，因为高阶横模不受波导的弱引导部分的限制，并且因此被抑制，而基波模和低阶横模由波导的弱引导部分引导，而不会引入附加的损耗。然而，即使横向折射率对比度较小且支持的横模较少，波导在整个纵向方向上仍受增益引导或弱折射率引导，细丝的形成通常会增加输出光束的横向发散角，并且这样的器件可能会遭受高阈值电流、低差分量子效率以及具有限定不良的慢轴近场的输出光束的困扰。相反，在输出端小面(例如，半导体激光器100中的PR小面112)附近较高的折射率对比度可以导致稳定且限定良好的慢轴近场，并允许减小输出光束远场的发散角。

图3中的曲线图300示出了利用产生减小的慢轴发散的、本文的半导体激光示例通过实验获得的性能改善。通过曲线拟合线302，在约6A至约22A的电流范围内示出了半导体激光器的亮度，该半导体激光器具有在激光器的长度上延伸的折射率引导的脊形波导并且被配置成以976nm发射。通过拟合曲线304在相同电流范围内绘制了类似器件的输出光束的亮度(例如，相同的发射部孔径、接触面积等)，该器件包括输出端小面和高反射部小面之间的折射率分布差的降低，以便限定折射率引导和增益引导区域(例如，诸如图1B中所示的分布)。如可能对应于在一些示例性器件、模块和系统中的适当的高功率操作的11A至22A的操作范围所示，线304展示了本文中代表性的慢轴发散降低器件的更高亮度性能，包括在大约16A-18A的峰值亮度的大约10％的改善(从约3.0W/mm-mrad增加到约3.3W/mm-mrad)。在曲线拟合线306和曲线拟合线308之间展示了慢轴BPP的类似改善，其中曲线拟合线306示出在相同电流范围上与线302相关联的波导结构的慢轴BPP，并且其中曲线拟合线308示出了与线304相关联的波导结构的BPP。跨大约7.5A和22A之间的电流范围，与折射率引导的脊形波导器件相比，对于在输出端小面和高反射部小面之间具有折射率分布差的降低的慢轴发散降低器件，BPP较低(因此得到改善)。

图4A-4C示出了半导体激光器400的另一示例，与具有产生慢轴发散θ₂的类似结构的其它器件相比，半导体激光器400产生具有减小的慢轴发散θ₁的输出光束402。半导体激光器400包括在高反射部(HR)小面406和具有适当的所选择的反射率的部分反射部(PR)小面408之间延伸的半导体波导404，部分反射部(PR)小面408的反射率是关于各种内部或外部器件特性(例如，载流子密度、发射波长、增益带宽、波导腔尺寸、半导体成分、量子阱结构、外腔结构等)选择的，并且该反射率通常对应于高功率激光操作。

半导体激光器400还包括与半导体波导404相邻的一对折射率元件410a、410b，如图4C所示，折射率元件410a、410b沿半导体波导404的纵轴412的长度具有变化的深度，该深度从平行于部分反射部小面408的位置到平行于高反射部406的位置降低。在纵向方向上连续变化的纵向深度也在半导体波导404的横向方向414上改变光学限制，如图4B中所示，使得半导体波导404的横向折射率差δn_变化从高反射部小面406附近的增益引导或弱折射率引导的折射率差连续地增加为部分反射部小面408附近的折射率引导的差。

可以以各种方式提供折射率元件410a、410b的深度或相应的折射率差变化，所述方式包括通过改变折射率元件410a、410b的蚀刻深度或与之相关联的蚀刻深度。通过增加蚀刻深度，横向脊形波导的横向折射率差也增加。在半导体波导404中朝向高反射部406传播的内部光束的高阶横向光学模416被内部反射，直到折射率差δn降低到与高阶横向光学模416相关联的临界值(例如，相关联的临界角)以下，允许高阶横向光学模416逐渐泄漏出半导体波导404。高阶横横模泄漏出半导体波导404的过滤允许由低阶横向光学模在半导体波导404内优先发射激光，并降低输出光束402的慢轴发散。在一些示例中，折射率元件410a、410b的深度或深度变化是不对称的，使得对于所选择的纵向位置，δn在折射率元件410a和410b之间是不同的。例如，对于折射率元件410a，可以根据δn_变化来提供δn，并且对于折射率元件410b，可以根据线417来提供δn。

电流孔口418跨与半导体波导404相邻的半导体激光器400的顶部部分延伸，以便允许电流大致垂直于纵轴412和横向方向414通过半导体波导注入。在典型示例中，半导体激光器400可以包括p型、n型、有源、盖和电介质层的各种布置。例如，半导体激光器400可以包括n型包层420和顶部p型包层422，在n型包层420和顶部p型包层422之间，半导体波导404形成有n型波导层424、p型波导层426、以及n型和p型波导层424、426之间的有源层428。有源层428通常包括多个量子阱，但是其它配置也是可能的，包括p-n结同质结构、异质结构、双异质结构、单量子阱、量子线、量子点等。可以将p型包层422蚀刻成各种形状以形成脊形结构或台面，并且可以形成一个或多个电介质和/或盖层，并且提供金属接触部430以引导电流通过电流孔口418和有源层428。在一些示例中，金属接触部430横向延伸，以便在折射率元件410a、410b和金属接触部430之间形成间隙，并且在其它示例中，接触部430终止于折射率元件410a、410b。在典型实施例中，半导体激光器400的全长被电泵浦通过电流孔口418，虽然在一些示例中，电流孔口418的部分被选择性地泵浦。从PR小面408发射的输出光束402通常具有不对称的斑点形状，并且分别沿慢轴432和快轴434具有相应的不同的快轴和慢轴发散(如上所讨论的)。慢轴432通常平行于半导体激光器400的生长半导体层的各个平面并且垂直于纵轴412延伸。快轴434具有比慢轴更大的发散角，并且快轴434垂直于慢轴432和纵轴412延伸。在典型示例中，输出光束402的快轴特性是优越的，并且处于或接近衍射极限。

图5示出了半导体激光器500，其包括在波导脊506的相对侧上的一对折射率元件502、504。半导体激光波导512被限定在脊形波导506的金属接触部510下方。折射率元件502、504包括深部分506a、506b，深部分506a、506b限定了半导体激光波导512的紧邻输出端小面514的第一横向折射率差。浅部分508a、508b限定了紧邻高反射部小面516的、小于第一横向折射率差的第二横向折射率差。在代表性示例中，深部分506a、506b的横向折射率差为半导体激光波导512内的光提供了折射率引导的光束传播，并且浅部分508a、508b的横向折射率差允许在半导体激光波导512内的弱折射率引导的光束传播。通过沿半导体激光波导512的长度提供这样的变化，与具有关于长度不变化的横向折射率分布的类似波导相比，从输出端小面514发射的输出光束518可以具有相当大的输出功率并且具有较低的慢轴远场发散角。

图6示出了半导体激光器600的示例，该半导体激光器600包括与脊形波导606相对的折射率元件602、604，并且折射率元件602、604从输出端小面608沿脊形波导606延伸预定的距离。可以由空气间隙或电介质/半导体来限定折射率元件602、604，空气间隙或电介质/半导体在已经被蚀刻到或被提供了预定深度的区域中，以便提供被定位成传播从输出端小面608发射的激光光束612的半导体波导610的横向折射率差。如图所示，折射率元件602、604的深度延伸到激光光束612的中心发射轴614下方并且向下延伸到限定半导体波导610的底表面的n型层616。在另一示例中，深度可以延伸到中心发射轴614、在中心发射轴614和n型层616之间、中心发射轴614上方或进入n型层616。可以选择该深度来改善散热并在发射的激光光束612中提供稳定的近场，并且在代表性示例中，这样的较深的折射率元件602、604不会牺牲发射的激光光束612的慢轴远场发散角，这与具有沿波导的全长延伸、产生较大的发散角的深折射率元件的强折射率引导的脊形形成对比。输出端小面608附近的深蚀刻还改善散热并减小横向热梯度，因此减少热透镜效应并进一步减小激光光束612的发散角。

在图7中，半导体激光器700包括一对折射率元件702、704，所述一对折射率元件702、704与脊形波导相邻地延伸并且在半导体激光器的生长轴706中具有沿半导体激光器700的纵轴708线性变化的深度。在代表性实施例中，深度延伸到从半导体激光器700的输出端小面716发射的输出光束714的慢发射轴710(平行于横向轴712)下方。HR涂覆的背部小面718限定了用于半导体激光器700的相对的腔镜，并且折射率元件702、704的深度可以在背部小面718处变为零深度。在其它示例中，在背部小面718处的深度不为零或变为使得折射率元件702、704被定位在金属电流接触部720上方的高度。

图8示出了半导体激光器800的扩口激光振荡器波导801，其从部分反射部(PR)半导体小面804发射输出光束802。波导800的增益区域的扩口在例如美国专利No.9,166,369中描述，其公开内容通过引用并入本文。波导801沿纵轴806延伸到高反射部(HR)半导体小平面808，并且由于波导801，横向宽度逐渐变细，使得由波导801支持的横向光学模的数量朝向HR半导体小面808减少。横模支持的这种减小有助于横向慢轴发散角θ₁的减小，与不逐渐变细的腔相关联的角θ2相比，θ₁的减小提高了输出光束802沿其慢轴的光束参数积。

半导体激光器800还包括折射率元件810a、810b，通常为由例如进入半导体激光器800(即，进入图8的平面)的蚀刻深度提供的空气体积的形式，其限定了跨波导801的横向方向的横向折射率分布的侧面折射率阶跃(或其它形状的)差。折射率元件810a、810b可以朝向HR半导体小面808延伸预定的距离，使得与折射率元件810a、810b相邻的侧面区域812a、812b向波导801提供具有与横向增益引导的激光操作相关联的低、零或负横向折射率差的折射率分布。在典型示例中，折射率元件810a、810b具有关于纵轴806对称的形状，包括深度、宽度等中的一个或多个以及对应的折射率差。然而，非对称形状和所提供的折射率差也是可能的。

由折射率元件810a、810b提供的折射率分布差通常与波导801中的横向折射率引导的操作或更靠近PR半导体小面804的至少折射率引导的操作相关联。沿纵轴806的横向折射率分布的变化或提供更邻近PR半导体小面804的折射率引导的操作以及更靠近HR半导体小面808的增益引导的操作也有助于横向慢轴发散角θ₁的减小，因为由于较低的横向折射率差，在HR半导体小面808附近的波导801中支持的横向光学模较少。

图9示出了半导体激光器900的示例，其包括被定位在电流注入接触部903下方的波导902，波导902沿纵轴904在反射后小面906和部分反射(PR)输出端小面908之间延伸，该部分反射输出端小面908被定位成发射输出光束910。一对折射率元件912a、912b被相对地定位为与波导902相邻，折射率元件912a、912b从PR输出端小面908沿波导902延伸预定的距离。折射率元件912a、912b有助于限定波导902的横向折射率分布，以便至少在输出端小面908附近提供横向折射率引导区域914。端部916a、916b远离波导902横向地向外弯曲，以便在与横向折射率引导区域914相邻的波导902的横向增益引导区域918之间提供平滑的模过渡。虽然端部916a、916b被示出为弯曲的，但是其它形状也是可能的，其他形状包括直的、分段的等等。在代表性示例中，选择曲线或其它几何形状以便减小或最小化耦合损耗，并且还抑制在增益引导区域918中传播到折射率引导区域914中的包层光束的耦合。

图10示出了包括相邻的波导段1002、1004的半导体器件1000的示例，波导段1002、1004分别具有恒定的横向宽度和变化的横向宽度，并且沿纵轴1006在相对的半导体小面1008、1010之间延伸。一对折射率元件1012a、1012b与至少一部分波导段1004相邻，以便至少在半导体小面1010附近在波导段1004中提供横向折射率引导的光束传播。在各种示例中，折射率元件1012a、1012b可以从(或从其附近)半导体小面1010延伸到波导过渡平面1014、在过渡平面1014之前并邻近波导段1004、或在过渡平面1014之后并邻近波导段1002。无相邻的折射率元件1012a、1012b的波导区域(例如，波导段1002)通常具有对应于增益引导的光束传播的横向折射率分布。

在一些示例中，激光振荡器形成在涂覆有高反射率高反射部涂层的半导体小面1008与涂覆有部分反射部涂层的半导体小面1010之间。在其它示例中，半导体小面1010被抗反射性地涂覆以减小振荡，并且过渡平面1014包括反射率，使得波导段1002形成主振荡器并且波导段1004形成功率放大器。在代表性实施例中，波导段1002是单模或少模振荡器，并且在波导段1002中的增益引导的传播允许更高的种子功率，其中单模或少模耦合到波导段1004的放大器区域，提高了放大器区域的效率。可以使用不同的折射率引导区域和增益引导区域来减小从半导体小面1010发射的输出光束1016中的横向慢轴发散角。在进一步的示例中，光栅元件1018可以被定位在波导段1002中，其也被横向地增益引导，并且延伸小于波导段1002的全长以便对应于分布式布拉格反射部，或者延伸波导段1002的全长以便对应于分布式反馈光栅。光栅元件1018也可以被定位在波导段1004中或延伸到波导段1004中。

图11示出了针对两个不同的半导体器件比较输出光束的远场发散角相对于注入电流的实验性能曲线1102、1104。实验性能曲线1102对应于半导体激光器100(如图1A-1C中所示)的操作，并且曲线1104对应于半导体激光器600(如图6A中所示)的操作。半导体激光器600从大约11A到23A产生改善的较低远场发散角。在代表性示例中，在前部小面附近的强折射率引导的脊形波导不会增加慢轴远场发散角。相反，深蚀刻有助于改善散热并减小横向热梯度，因此减少热透镜效应并进一步减小发散。

图12示出了示例性多结半导体激光器1200，其包括激光二极管结1202、1204和对应的波导1206、1208。在代表性示例中，通过典型地单片地生长多个半导体层来形成多结半导体激光器1200。单独的结1202、1204通常使用通过金属接触部1210的相同的电流(图12中的垂直)，该电流激励相应的量子阱层(或其它增益层)1212、1214，以使相应的激光光束1216、1218在HR小面(在图12中的透视图的后面)和PR小面1220、1222之间振荡，并从PR小面1220、1222发射。

一对折射率元件1224、1226被定位在PR小面1220附近与波导1206相邻的位置，并且折射率元件1224、1226在波导1206的长度方向上朝向HR小面延伸。折射率元件1224、1226为在PR小面1220附近的波导1206中传播的激光光束1216提供了横向折射率引导，并且在HR小面附近缺乏折射率元件1224、1226为波导1206中的激光光束1216提供了增益引导的传播。横向折射率差沿激光二极管结1202的长度的变化减小了从PR小面1220发射的激光光束1216的横向(慢轴)发散角。一对横向折射率元件1228、1230可以被掩埋在多结半导体激光器1200内并且被定位在与波导1208相邻的位置。折射率元件1228、1230具有合适的折射率(例如，空气、半导体或电介质)以便为在PR小面1222附近的波导1208提供横向折射率差，这为激光光束1218提供了折射率引导的传播。折射率元件1228、1230的形状和长度可以与折射率元件1224、1226相同或不同。

图13示出了示例性多结半导体激光器1300，其包括激光二极管结1302、1304和相应的波导1306、1308。在相应的高反射部与相应的输出端小面1314、1316之间的波导1306、1308中生成相应的激光光束1310、1312，并且激光光束1310、1312从输出端小面1314、1316发射。一对横向折射率元件1318、1320可以被定位在输出端小面1314、1316的附近，并具有一定的深度，该深度从顶表面1322经过波导1306延伸到波导1308。底表面1324a、1324b的深度可以在n型层1326处、在n型层1326上方或下方，通常靠近波导1308。在代表性示例中，表面1324a、1324b具有共同的平面，但是它们也可以具有不同的深度、平行、不对称等。此外，还可以实现上文讨论的各个示例中描述的任何其它配置。在一些示例中，三个或更多个结形成多结二极管激光器。横向波导1306、1308可以通过输出端小面1314、1316附近的折射率元件1318、1320被强折射率引导，以便提供良好限定的慢轴近场，特别是对于掩埋在多结半导体激光器1300中的波导1308而言，而不会增加激光光束1310、1312的慢轴发散角。这种性能可以与沿二极管激光器的整个长度包括强折射率引导的脊形的多结半导体激光器中的较大的发散角形成对比，其中大横向折射率阶跃可以支持许多高阶模。

图14示出了形成半导体激光器件的方法1400。在1402，形成多个半导体层，所述多个半导体层包括被定位在n型和p型包层波导层之间的增益层。在1404，选择脊形波导结构，其为波导层提供横向折射率分布，以便限定宽条形激光腔的相对侧。还选择脊形波导结构，使得横向折射率分布沿波导的长度变化，以便提供更靠近波导输出端的折射率引导的光束传播和更靠近波导反射端的增益引导的光束传播。横向折射率分布的变化为从输出端发射的输出光束提供了减小的慢轴发散角。在1406，通过蚀刻和/或选择性地生长半导体和/或电介质层中的一个或多个来形成脊形波导结构。

鉴于可以应用所公开技术的原理的许多可能的实施例，应认识到，所示出的实施例仅是代表性示例，并且不应被视为限制本公开的范围。这些章节中具体解决的替代方案仅是示例性的，并不构成本文所述实施例的所有可能替代方案。例如，本文所述的器件的各种部件(例如，所述的各种类型的折射率元件)在功能和用途上可以组合。因此，我们要求保护所有落入所附权利要求的范围和精神内的内容。

Claims (29)

1.一种装置，包括：

半导体波导，所述半导体波导沿纵轴延伸并且包括第一波导段和第二波导段，其中，就限定所述半导体波导的横向折射率差而言，所述第一波导段比所述第二波导段大；以及

输出端小面，所述输出端小面被定位在所述半导体波导的所述纵轴上，以便发射在所述半导体波导中传播的激光光束，其中，所述第一波导段被定位在所述第二波导段和所述输出端小面之间，并且其中，所述横向折射率差抑制由所述输出端小面发射的所述激光光束中的高阶横模的发射。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，至少一部分所述第一波导段的所述横向折射率差限定横向折射率引导区域，并且其中，至少一部分所述第二波导段的所述横向折射率差限定横向增益引导区域。

3.根据权利要求1-2中的任一项所述的装置，其中，至少一部分所述第一波导段的所述横向折射率差限定横向折射率引导区域，并且其中，至少一部分所述第二波导段的所述横向折射率差限定了横向弱折射率引导区域。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中，所述第一波导段中的所述横向折射率差沿所述纵轴是恒定的，并且所述第二波导段中的所述横向折射率差沿所述纵轴是恒定的。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中，所述横向折射率差在所述第一波导段中并通过所述第二波导段单调减小。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的装置，还包括：

与所述输出端小面相对的高反射部小面；

其中，所述输出端小面是部分反射部小面，以便在所述高反射部小面和所述部分反射部小面之间限定激光振荡器。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一波导段邻接所述部分反射部，并且所述第一波导段的所述横向折射率差限定折射率引导区域，其中，所述第二波导段邻接所述高反射部，所述第二波导段的所述横向折射率差限定增益引导区域。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的装置，其中，所述半导体波导的横向宽度在沿所述纵轴远离所述输出端小面的方向上逐渐变细。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的装置，其中，所述横向折射率差对应于横向折射率分布，所述横向折射率分布包括对应于所述半导体波导的内部区域的中间折射率部分和对应于与所述内部区域相邻的相对的横向区域的相对的侧折射率部分。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述中间折射率部分由脊形结构限定。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述相对的横向区域包括折射率元件，所述折射率元件与所述内部区域相邻地沿所述半导体波导在纵向上延伸并且以便限定所述侧折射率区域。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述折射率元件包括空气、电介质或半导体材料。

13.根据权利要求11-12中的任一项所述的装置，其中，所述折射率元件是弯曲的，使得与沿所述纵轴更靠近所述输出端小面的第二长度部分相比，沿所述纵轴更远离所述输出端小面的第一长度部分与所述纵轴间隔更大。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述弯曲限定被定位成在折射率引导和增益引导之间提供绝热过渡的波导段。

15.根据权利要求11-14中的任一项所述的装置，其中，所述折射率元件与所述第一波导段的所述内部区域相邻地在纵向上延伸，并且不与所述第二波导段的所述内部区域相邻地在纵向上延伸。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第一波导段中的所述折射率元件包括在所发射的激光光束的横向发射轴处或下方的蚀刻深度。

17.根据权利要求11-16中的任一项所述的装置，其中，所述折射率元件包括沿所述纵轴随着距所述输出端小面的距离增加而减小的蚀刻深度。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述输出端小面处的所述蚀刻深度在所发射的激光光束的横向发射轴线处或下方。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述折射率元件包括与所述蚀刻深度的减小相关联的在纵向上变化的宽度。

20.根据权利要求6-7中的任一项所述的装置，还包括折射率元件，所述折射率元件被定位为与所述半导体波导的内部区域相对并且在纵向上沿所述半导体波导并且与所述半导体波导相邻地延伸，所述折射率元件具有从在所述输出端小面处的第一深度变为在所述高反射部处的小于所述第一深度的第二深度的蚀刻深度，以便限定所述横向折射率差的相对的横向侧折射率部分。

21.根据权利要求6-7或20中的任一项所述的装置，其中，所述第二深度为零蚀刻深度。

22.根据权利要求1-21中的任一项所述的装置，其中，所述折射率差基于在横截面处通过所述半导体波导的电流注入量而在所述半导体波导的所述横截面处变化。

23.根据权利要求1-22中的任一项所述的装置，其中，所述半导体波导是主振荡器功率放大器(MOPA)，所述第一波导段对应于所述MOPA的所述功率放大器，并且所述第二波导段对应于所述MOPA的所述主振荡器。

24.根据权利要求1-23中的任一项所述的装置，其中，所述第一波导段包括具有在沿所述纵轴远离所述输出端小面的方向上逐渐变细的横向宽度的至少一部分，并且其中，所述第二波导段包括沿所述纵轴具有恒定的横向宽度的至少一部分，以便限定单个或少数横向横模波导。

25.根据权利要求1-24中的任一项所述的装置，还包括第二半导体波导，所述第二半导体波导在半导体生长方向上与所述半导体波导单片地间隔开，以便限定多结二极管激光器。

26.根据权利要求25所述的装置，还包括：第一对折射率元件，所述第一对折射率元件与所述半导体波导相邻以便提供所述横向折射率差；和第二对折射率元件，所述第二对折射率元件与所述第二半导体波导相邻以便提供第二横向折射率差，所述第二横向折射率差还抑制从所述第二半导体波导发射的激光光束中的高阶横模的发射。

27.根据权利要求25所述的装置，还包括一对横向折射率元件，所述一对横向折射率元件在所述半导体生长方向上延伸，以便被定位在与所述半导体波导和所述第二半导体波导相邻的位置，并提供所述横向折射率差。

28.一种装置，包括：

半导体激光器，所述半导体激光器包括：高反射部和部分反射部；紧邻所述高反射部的增益引导区域，所述增益引导区域抑制横向高阶模；以及紧邻所述部分反射部小面的折射率引导区域，所述折射率引导区域支持被所述增益引导区域抑制的所述横向高阶模。

29.一种方法，包括；

形成包括多个半导体层的半导体激光器，使得横向折射率差沿所述半导体激光器的长度变化，以便限定更靠近所述半导体激光器的输出端小面的横向折射率引导区域和更靠近所述半导体激光器的高反射部小面的横向增益引导区域，并且以便减小从所述输出端小面发射的激光光束中的横向发散光束。

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