[发明专利]用于高阶模式抑制的方法、系统和设备

说明书

一种激光二极管垂直外延结构，包括：横向波导，所述横向波导包括在n型半导体层和p型半导体层之间的有源层，其中所述横向波导由在横向波导的n侧上的低折射率n包覆层和在横向波导的p侧上的低折射率p包覆层界定；侧向波导，所述侧向波导正交于所述横向波导，其中，所述侧向波导在纵向上在第一端由涂覆有高反射器(HR)涂层的腔面界定并且在第二端由涂覆有部分反射器(PR)涂层的腔面界定；以及高阶模式抑制层(HOMSL)，所述高阶模式抑制层被设置为邻近侧向波导的至少一个侧边并且所述高阶模式抑制层在纵向上延伸。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月28日提交的美国临时专利申请No.62/414,377的权益，通过引用将该申请并入本文，以用于所有目的。

技术领域

本文公开的技术涉及二极管激光器，更具体地，涉及用于抑制二极管激光器中的高阶模式(higher order modes)的方法、系统和设备。

背景技术

激光器是发光器件。激光器的发光是电磁辐射的受激发射产生的光放大造成的。一些激光器发射空间和时间相干光，这允许激光器发射窄光带宽的光，窄光带宽的光可以在长距离上窄聚焦。激光器种类繁多，例如，气体激光器、化学激光器、染料激光器、金属蒸汽激光器、固态激光器和半导体激光器。激光二极管是电泵浦半导体激光器(electricallypumped semiconductor layer)，其中，有源层由半导体二极管的p-n结形成。激光二极管通常包括设置在p型半导体材料层和n型半导体材料层之间的有源层。许多激光二极管被制造在诸如砷化镓等半导体衬底上，掺杂有诸如铝、硅、锌、碳或硒等元素，以产生n型和p型半导体层。有源层通常是未掺杂的砷化镓铟，并且厚度可能只有几纳米。

激光二极管是通过在合适的衬底上生长多个半导体材料层而形成的，该衬底具有允许选择材料以产生期望的发射波长的晶格常数。典型的激光二极管包括n型层、p型层以及它们之间的未掺杂有源层，使得当二极管正向偏置时，电子和空穴在有源区域层中复合，以产生光。有源层((一个或多个)量子阱、(一个或多个)量子线或量子点、(一个或多个)II型量子阱)位于波导层中，该波导层与周围的p掺杂和n掺杂包覆层相比具有较高的折射率。从有源层生成的光被限制在波导的平面内。

传统的边缘发射法布里-珀罗大面积激光二极管被布置为矩形的增益或折射率引导(index-guided)的半导体结构。波导的相对端面(end facet)限定了高反射器和部分反射器，以为谐振器内的光振荡提供反馈。多层激光二极管结构延长了激光器的长度，并且具有用于延伸到相对侧表面的电注入的大宽度，这也延长了激光器的长度。多层半导体材料通常被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。由于沿快轴方向半导体激光器以单模工作，因此该方向的激光二极管亮度无法进一步提高，这就是所谓的衍射受限。因此，多层半导体激光器结构的顶表面和底表面之间的距离提供了较小尺寸的端面，即，条带厚度，通常具有微米的数量级。另一方面，多层激光器结构的宽度提供了更大尺寸的端面，即，条带宽度通常具有几十微米到几百微米的数量级。这称为“慢轴”。因为条带宽度比光的波长大得多，所以沿着波导光轴传播的光场的侧向特性沿着较宽的条带尺寸是高度多模的，并且相应的轴被描述为慢轴，因为发散角比快轴发散角小得多。

“多模激光二极管”或“大面积激光器(BAL)”用于高功率应用。BAL在慢轴中具有多种模式，使得其慢轴光束参数乘积(BPP)比在单模激光二极管中高。此外，当驱动到更高的电流时，热透镜变得更加明显，这使得在侧向上具有更高的折射率对比度分布，从而导致适应甚至更多的模式。因此，当侧向发散角变宽时，这导致侧向光束参数乘积(BPP)和亮度(功率÷BPP)下降。

可以通过减小发射器宽度来提高BAL中的亮度；然而，也在逐渐降低的电流值下发生出现最大亮度的电流。因此，在最大亮度下的最大输出功率也会下降。为了功率缩放应用(power-scaling application)和降低生产二极管激光器的每瓦成本，在每个发射器的较高输出功率下的较高亮度是非常令人期望的。

发明内容