[发明专利]用于差分电流注入的方法、系统、设备

说明书

一种激光二极管，其包括：横向波导，其包括位于n型半导体层和p型半导体层之间的有源层，其中，横向波导在横向波导的n侧上由较低指数的n包覆层定界，且在横向波导的p侧上由较低指数的p包覆层定界；腔，其与横向波导正交，其中，腔在纵向方向上在第一端处由高反射器(HR)小面定界，并且在第二端处由部分反射器(PR)小面定界；以及第一触点层，其电联接到波导，并被配置成改变在纵向方向上注入到波导内的电流量，以便在HR小面附近注入比在PR小面处更多的电流。

技术领域

本文公开的技术涉及二极管激光器，更具体地涉及用于调谐二极管激光器的波导中的电流注入的方法、系统和设备。

背景技术

激光器是发光装置。激光器中的光发射是电磁辐射受激发射的光学放大的结果。一些激光器发射空间和时间相干光，这允许激光器可以发射窄光带宽的光，该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、固态激光器以及半导体激光器。

激光二极管是通过在合适的衬底上生长多层半导体材料而形成的电泵浦半导体激光器，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。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。许多激光二极管在诸如砷化镓(GaAs)之类的半导体衬底上制作，掺杂有诸如铝(Al)、硅(Si)、锌(Zn)、碳(C)或硒(Se)等元素以产生n和p型半导体层。有源层通常是未掺杂的砷化镓铟(GaInAs)，可能只有几纳米厚。在典型的激光二极管中，当施加正向偏置时，电子和空穴在有源层中重新组合以产生光。有源层(例如，量子阱、量子线或量子点、II型量子阱)位于波导层中，与周围的p和n掺杂的包覆层相比，该波导层具有更高的折射率。从有源层产生的光基本上被限制(或“引导”)在波导的平面内。

一些广域激光器(BAL)边缘发射法布里珀罗二极管被布置成矩形增益或指数引导的半导体结构；其他BAL，诸如减模(REM)装置被布置成具有喇叭形激光振荡器波导，如美国专利第9,166,369号中所述。在BAL和REM装置中，波导的相对端面定义了高反射器和部分反射器，从而为谐振器内的光振荡提供反馈。两个相对端面之间的纵向距离在本文中被称为波导、侧向腔、腔、波导腔和/或激光器的“长度”。多层激光二极管结构延伸了激光器的长度并且具有用于电注入的宽幅宽度，该宽度延伸到也延伸了激光器的长度的相对侧表面。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操作。该方向被定义为快轴方向。由于半导体激光器沿快轴方向以单模操作，因此无法进一步提高该方向上激光二极管的亮度——即所谓的衍射极限。多层半导体激光器结构的顶表面和底表面之间的厚度或距离提供了较小的端小面尺寸。这种“条纹厚度”通常约为几微米。多层激光器结构的宽度提供了更大的端小面尺寸。“条纹宽度”通常约为几十微米到几百微米，且被称为“慢轴”。因为条纹宽度远大于光的波长，所以沿波导光轴传播的光场的侧向特性是高度多模的。慢轴发散角远小于快轴发散角。

BAL用于高功率应用。由于BAL在慢轴上具有多种模式，因此它们的慢轴光束参数积(BPP)往往高于单模激光二极管。此外，当它们被驱动到更高电流时，热透镜效应变得更加明显，这会导致侧向方向上更高的指数对比度分布，从而导致对甚至更多模式的适应。因此，随着侧向发散角变宽，这会导致侧向光束参数积(BPP)和亮度(功率÷BPP)下降。

对于功率缩放应用和降低生产二极管激光器的每瓦成本，非常期望每个发射器在更高输出功率下的更高亮度。BAL和REM装置的亮度可以通过驱动到更高的电流来提高；然而，出现最大亮度的电流也发生在逐渐降低的电流值上。因此，最大亮度下的最大输出功率也会下降。

“斜率效率”是通过将激光输出功率关于输入泵浦功率作图而获得的度量。斜率效率是这条线的斜率。当二极管激光器被驱动到高电流时，斜率效率不仅开始翻转，而且开始下降。随着二极管激光器腔长度的增大，这种下降变得更加突出。对于给定的腔长度，对于更宽的发射器装置而言，这也更加明显，如绘制了75μm和150μm 5mm和8mm BAL与电流的L-I关系图的图1中所示。这些观察表明由于侧向热扩散降低了斜率效率而导致的热损失。