前光柵部和後光柵部的分離控制的製作方法
2023-06-01 15:31:26 1
專利名稱：前光柵部和後光柵部的分離控制的製作方法
前光柵部和後光柵部的分離控制相關申請的交叉引用本申請要求2009年4月14日提交的美國申請No. 12/423, 222的優先權。背景本公開涉及分布式布拉格反射器(DBR)雷射器及包含DBR雷射器的經頻率轉換的雷射源。更具體地，本公開涉及用於改進DBR雷射器中的波長控制並且用於維持經頻率轉換的雷射源的穩定且最大化輸出功率的新穎設計和操作方法。
發明內容
儘管本公開的各概念不限於在光譜的任意特定部分中操作的雷射器，然而在本文中頻繁地引用倍頻綠色雷射器，其中雷射二極體頂源的波長波動一般產生經頻率轉換的綠色輸出功率的波動。這種綠色功率波動通常歸因於雷射二極體的波長變化和經頻率轉換的雷射器中使用的波長轉換器件(典型地是MgO摻雜的周期性極化鈮酸鋰(PPMgLN) SHG晶體或一些其它類型的波長轉換的器件)的相對較窄的光譜接受曲線。如果上述經頻率轉換的雷射器用在例如掃描投影儀中，則這些綠色功率波動可產生不可接受的圖像偽影。在操作期間將DBR雷射二極體的發射波長保持恆定是有挑戰的。例如，沿雷射二極體的不同部分的熱狀況變化通常導致雷射二極體發射波長的變化。這些波長變化通常表現為雷射器發射波長的大模式跳變、多模發射光譜或兩者。根據本公開的主題，提供DBR雷射器構造及相應的操作方法，以幫助消除多模光譜並緩和模式跳變，同時增加雷射模塊製造工藝的產量。根據本公開的一個實施例，提供一種用於控制尤其是DBR雷射二極體的波長的方法。根據該方法，獨立地控制前、後DBR區段加熱元件。更具體地，因為前光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻超過後光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻，所以可控制DBR雷射二極體，使得雷射發射模式選擇由前光柵部支配，而前DBR區段加熱元件用于波長調諧。此外，可控制後DBR區段加熱元件，以使DBR反射光譜的光譜帶寬變窄，消除多模雷射器發射光譜並減小波長變化幅度。 本公開的其它實施例涉及控制包括DBR雷射二極體的經頻率轉換的雷射源的系統和方法。附圖簡述本發明的特定實施例的以下詳細描述可在結合以下附圖閱讀時被最好地理解，在附圖中相同的結構使用相同的附圖標記指示，而且在附圖中
圖1是包含前、後DBR區段加熱元件的DBR雷射二極體的示意俯視圖；以及圖2和3是包括獨立控制的前、後DBR區段加熱元件的DBR雷射二極體的DBR區段的示意側視圖；圖4是包括並聯控制的前、後DBR區段加熱元件的DBR雷射二極體的DBR區段的示意側視圖；圖5是包括串聯控制的前、後DBR區段加熱元件的DBR雷射二極體的DBR區段的示意側視圖6是包含DBR雷射二極體的經頻率轉換的雷射源的一般化示意圖。詳細描述首先參照圖1和2，可通過參照雷射二極體10的有源和無源區20、30來描述控制 DBR雷射二極體10的方法。一般而言，雷射二極體10的有源和無源區20、30沿雷射二極體10的光軸對準，它們沿雷射二極體10的波導15的長度行進。有源區20包括光學增益介質。無源區30包括DBR區段40和任選的相位控制區段50。DBR區段40包括布拉格光柵45，該布拉格光柵45可被調整成在雷射二極體10中可用的潛在雷射發射模式的範圍內選擇雷射發射波長。無源區30的整個波導部分被調整為在所選的發射波長處為光學無源。 布拉格光柵45 —般沿無源區30的波導部分延伸且包括更接近雷射二極體的有源區20的前光柵部42和更接近雷射二極體10的後面12的後光柵部44。在圖1和2中僅示意性示出DBR區段40和布拉格光柵45，因為它們是二區段和三區段DBR雷射二極體的公知組件。DBR區段40包括沿DBR區段40的不同波導部分布置的前、後加熱元件46、48。如圖2示意性示出的，前、後加熱元件46和48形成由不同加熱元件控制節點(即前控制節點 f、後控制節點r和沿共用加熱元件定位在前、後控制節點f、r之間的共用控制節點c)描繪的共用電阻加熱元件的多部分。或者，如圖3所示，前、後加熱元件46、48可形成各自包括至少兩個不同加熱元件控制節點的不同電阻加熱元件。在任一情況下，前加熱元件46熱耦合到DBR區段40的前光柵部42，且後加熱元件48熱耦合到DBR區段40的後光柵部44。由於DBR區段40的前光柵部42比DBR區段40的後光柵部44更接近雷射二極體的有源區20，所以前光柵部42在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段40的反射率的貢獻超過後光柵部44對DBR區段40的反射率的貢獻。因此，雷射二極體10中的雷射發射模式選擇由前光柵部42支配，且可獨立於後加熱元件48控制前加熱元件46，以調諧所選發射波長。在本公開的具體實施例中，可控制前、後加熱元件46、48以沿DBR區段40中的波導部分建立熱梯度，以降低DBR區段40中的折射率不均勻性。此外，可獨立於前加熱元件46控制後加熱元件48，以使DBR區段40的光譜帶寬變窄，使得有可能消除多模雷射發射光譜並將發射光譜中的模式跳變幅度減少至一個或兩個雷射發射模式。本發明人已經認識到很多光學組件控制體系受限於相對較低的操作電壓，尤其是在向DBR雷射器的加熱元件適當地提供較低操作電壓的背景下。因此，參照圖4所示的可選實施例，其中DBR區段40包括並聯電連接的前、後DBR區段加熱元件46、48，構想到可並聯控制前、後加熱元件46、48，從而與串聯控制前、後加熱元件的情況(參見圖幻相比降低雷射二極體中的加熱元件電壓。優選地，前光柵部42對DBR區段40的反射率的貢獻將超過後光柵部44對DBR區段40的反射率的貢獻。在特定的實施例中，前光柵部42對DBR區段40的反射率的貢獻將超過後光柵部44對DBR區段40的反射率的貢獻介於約3dB至約8bB之間。在所示的實施例中，前、後加熱元件46、48包括集成在DBR區段40中的共用金屬薄膜加熱器或不同的金屬薄膜加熱器，但可構想到替換構造，只要前、後加熱元件46、48允許對前、後光柵部42、44的溫度的獨立控制即可。例如，構想到可將前、後加熱元件46、48配置成通過電流注入來加熱前、後光柵部42、44。在任意情形下，可利用前加熱元件控制電壓控制前DBR區段加熱元件46，並且利用後加熱元件控制電壓控制後DBR區段加熱元件48。 還構想到，DBR區段40可包括沿DBR區段40的附加的不同波導部布置的附加加熱元件。
DBR雷射二極體10可包括含有相位控制區段50的二區段雷射二極體或三區段 DBR雷射二極體。在DBR雷射二極體10包括相位控制區段50的情況下，布拉格光柵45、有源區20的增益介質以及前、後加熱元件46、48各自應定位在相位控制區段50的外部。圖6是經頻率轉換的雷射源100的示意圖，該雷射源100包括DBR雷射二極體10、 波長轉換器件60、耦合光學器件70、準直光學器件80以及輸出濾色器90。在所示實施例中，DBR雷射器輸出光(例如頂光)可利用耦合光學器件70 (例如，兩個非球面透鏡)耦合到波長轉換器件60 (例如，SHG晶體的PPMgLN波導)。在SHG晶體中產生的綠光和殘餘頂泵浦光可由準直光學器件80進行準直，且殘餘頂光可由濾色器90去除。儘管本公開示出利用包括增益、相位和DBR區段的邊緣發射三區段DBR雷射器的經頻率轉換的雷射器配置，然而應注意到本公開的概念可適用於各種經頻率轉換的雷射器配置，包括邊緣發射雷射器、垂直腔表面發射雷射器以及可能包括或可能不包括相位區段的DBR雷射器配置。此外，構想到可提供各種波長轉換器件，包括超過二次諧波發生(SHG) 的轉換而配置的波長轉換器件。本公開的概念還可適用於除雷射掃描投影儀外的各種應用。與圖1和2所示類似的DBR雷射器中的前、後加熱元件的特徵結果示出波長調諧可由前加熱元件支配，認為前加熱元件至少能夠提供在25°C下高達15. 5nm/ff的波長調諧效率、在60°C下高達16. 8nm/ff,且構想較高的效率。還構想到對於4. 7V的加熱器電壓在 25°C和60°C下分別為至少6. 9nm和7. 3nm的調諧範圍。儘管後加熱元件的熱和電特性通常類似於前加熱元件，然而雷射發射模式選擇由前光柵部支配。在閾值以下測量的反射和透射光譜指示當後加熱元件在操作時，後光柵部的反射比前光柵部的反射低3-8dB，且調諧範圍從約Inm增加到約6nm。當前加熱元件在操作時，雷射發射模式由經調諧的光柵部選擇， 只要其反射率高於後光柵部即可。當將前加熱元件用于波長調諧時，輸出功率測量和雷射器特性指示波長調諧效率可翻倍，功耗可降低至少40%，且所需的電流和電壓電平可顯著降低。此外，構想到利用對前、後加熱元件的獨立控制的DBR雷射器二極體的輸出將呈現較窄的DBR 3dB反射帶寬和在3dB帶寬內較少的縱模。以本文所述方式利用前、後DBR區段加熱元件的DBR雷射器的特徵結果示出模式跳變式樣可主要利用後加熱元件來控制，而波長調諧範圍可由前加熱元件來控制。可消除 DBR反射光譜中的旁瓣。可控制後加熱元件以消除多模發射光譜並提供在寬範圍的增益電流下的單模發射光譜。在寬範圍的增益電流上還構想到大約40dB及更高量級的典型旁模式抑制。後加熱元件還可用於在CW和波長恢復操作下在各種波長調諧範圍中降低模式跳變幅度，諸如在美國專利No. US 2008/0089373和US 2008/0089370中所描述的。在雷射器生產和選擇中，這些類型的光譜改進可用於將特定雷射器的狀態從「被拒絕」改變為「被接受」。構想到上述光譜改進可歸因於利用前、後DBR區段加熱元件沿DBR區段產生的熱梯度。熱梯度可用於減少沿DBR區段中的光程的不均勻性，即折射率、溫度、光柵間距、光柵佔空比、光柵形式、DBR區段損耗、反射等的不均勻性。已經證明由墊塊(submoimt)誘發的應力引起的折射率不均勻性是光譜缺陷的主要起因。上述光譜改進還可歸因於後光柵部的反射頻帶中產生的向較長波長的偏移，這提供了與前光柵部的反射頻帶的較好重疊。
還應注意，本文中對本發明的部件以特定方式「配置」以使特定屬性具體化、或以特定方式起作用的敘述都是結構性的敘述，與期望用途的敘述相反。更具體地，本文所提到的部件被「配置」的方式表示該部件的現有物理狀態，因此，它應被理解為對部件的結構特性的明確陳述。注意，類似「優選」、「普遍」和「通常」之類的術語在本文中採用時不用於限制要求保護的本發明的範圍或者暗示某些特徵是關鍵性的、必要的、或甚至對要求保護的本發明的結構或功能而言重要。相反，這些術語僅僅旨在標識本發明的實施例的特定方面，或強調可用於也可不用於本發明的特定實施例的替代或附加特徵。為了描述和定義本發明，注意在本文中採用術語「近似」來表示可歸因於任何定量比較、數值、測量值、或其它表示的固有不確定程度。本文還採用術語「近似」來表示一定量表示偏離規定參考值的程度，但不會在此問題上導致本發明主題的基本功能改變。已詳細地並參照本發明的具體實施例描述了本發明的主題，但顯然多種修改和變化是可能的，且不背離所附權利要求書中所限定的本發明的範圍。更具體地，雖然本發明的某些方面在本文中被標識為優選的或特別有優勢的，但可構想本發明不一定限於這些方 注意，所附權利要求中的一項或多項使用術語「其中」作為過渡短語。出於限定本發明的目的，應注意該術語是作為開放式的過渡短語而被引入所附權利要求中的，該開放式的過渡短語用於引入對所述結構的一系列特性的陳述，且應當按照與更常用的開放式前序術語「包括」相似的方式進行解釋。
權利要求
1.一種控制DBR雷射二極體的方法，所述DBR雷射二極體包括沿所述雷射二極體的光軸對準的有源區和無源區，其中所述雷射二極體的有源區包括光學增益介質；所述雷射二極體的無源區包括DBR區段；所述DBR區段包括布拉格光柵，所述布拉格光柵被調整成有助於從可用的潛在雷射發射模式範圍中進行雷射發射波長選擇；無源區的波導部分被調整為在所選的發射波長處為光學無源；所述布拉格光柵沿DBR區段延伸且包括前光柵部和後光柵部；所述DBR區段的前光柵部比所述DBR區段的後光柵部更接近雷射二極體的有源區，使得前光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻超過後光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻，並且雷射二極體中的雷射發射模式選擇由前光柵部支配；DBR區段包括熱耦合到DBR區段的前光柵部的前加熱元件和熱耦合到DBR區段的後光柵部的後加熱元件；所述DBR區段的前加熱元件和後加熱元件沿DBR區段的不同波導部分布置；以及獨立於後加熱元件控制前加熱元件，以調諧所選的發射波長。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，獨立於前加熱元件控制後加熱元件，以使 DBR區段的反射光譜的光譜帶寬變窄。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，還控制後加熱元件以消除多模雷射發射光譜並將發射光譜中的模式跳變幅度降低至不高於兩個模式。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述DBR雷射二極體包括含有DBR區段和增益區段的二區段DBR雷射二極體。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述DBR雷射二極體包括三區段DBR雷射二極體，且所述三區段DBR雷射二極體的無源區還包括介於DBR區段和增益區段之間的相位控制區段。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，前光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻超過後光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，前光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻超過後光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻介於約3dB至約8dB之間。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述前加熱元件和後加熱元件形成由不同加熱元件控制節點描繪的共用電阻加熱元件的多個部分。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，共用加熱元件由前控制節點、後控制節點和沿共用加熱元件定位在前、後控制節點之間的共用控制節點描繪成前加熱元件和後加熱元件。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，前加熱元件和後加熱元件形成各自包括至少兩個不同加熱元件控制節點的不同電阻加熱元件。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，前加熱元件和後加熱元件包括集成在DBR區段中的金屬薄膜加熱器。
12.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述前加熱元件和後加熱元件包括電阻加熱元件。
13.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述前加熱元件和後加熱元件被配置成通過電流注入加熱所述前光柵部和後光柵部。
14.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述布拉格光柵包括在所述前光柵部和後光柵部之間的一個或多個附加光柵部，且DBR區段包括沿附加光柵部布置的附加加熱元件。
15.如權利要求1所述的方法，其特徵在於DBR雷射二極體形成經頻率轉換的雷射源的一部分，所述經頻率轉換的雷射源包括光學耦合到DBR雷射二極體的輸出的波長轉換器件；以及所述波長轉換器件被配置成將所選的發射波長轉換成光譜的綠色部分中的經轉換的波長。
16.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，還控制所述前加熱元件和後加熱元件以沿 DBR區段的波導部分建立熱梯度，以降低沿DBR區段中的波導部分的折射率不均勻性。
17.—種控制DBR雷射二極體的方法，所述DBR雷射二極體包括沿所述雷射二極體的光軸對準的有源區和無源區，其中所述雷射二極體的有源區包括光學增益介質； 所述雷射二極體的無源區包括DBR區段；所述DBR區段包括布拉格光柵，所述布拉格光柵被調整成有助於從可用的潛在雷射發射模式的範圍中進行雷射發射波長選擇；無源區的波導部分被調整為在所選的發射波長處為光學無源； 所述布拉格光柵沿DBR區段延伸且包括前光柵部和後光柵部； 所述DBR區段的前光柵部比所述DBR區段的後光柵部更接近雷射二極體的有源區，使得前光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻超過後光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻，並且雷射二極體中的雷射發射模式選擇由前光柵部支配；DBR區段包括熱耦合到DBR區段的前光柵部的前加熱元件和熱耦合到DBR區段的後光柵部的後加熱元件；所述DBR區段的前加熱元件和後加熱元件沿DBR區段的不同波導部分布置； 控制所述前加熱元件和後加熱元件以沿DBR區段的波導部分建立熱梯度，以降低沿 DBR區段中的波導部分的折射率不均勻性。
18.—種控制DBR雷射二極體的方法，所述DBR雷射二極體包括沿所述雷射二極體的光軸對準的有源區和無源區，其中所述雷射二極體的有源區包括光學增益介質； 所述雷射二極體的無源區包括DBR區段；所述DBR區段包括布拉格光柵，所述布拉格光柵被調整成有助於從可用的潛在雷射發射模式的範圍中進行雷射發射波長選擇；無源區的波導部分被調整為在所選的發射波長處為光學無源；所述布拉格光柵沿DBR區段延伸且包括前光柵部和後光柵部； 所述DBR區段的前光柵部比所述DBR區段的後光柵部更接近雷射二極體的有源區，使得前光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻超過後光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻，並且雷射二極體中的雷射發射模式選擇由前光柵部支配；DBR區段包括熱耦合到DBR區段的前光柵部的前加熱元件和熱耦合到DBR區段的後光柵部的後加熱元件；所述DBR區段的前加熱元件和後加熱元件沿DBR區段的不同波導部分布置； 並聯控制所述前加熱元件和後加熱元件，從而與串聯控制前加熱元件和後加熱元件的情況相比降低雷射二極體中的加熱元件電壓。
19.一種包括DBR雷射二極體的雷射源，其中所述雷射二極體包括沿雷射二極體的光軸對準的有源區和無源區； 所述雷射二極體的有源區包括光學增益介質； 所述雷射二極體的無源區包括DBR區段；所述DBR區段包括布拉格光柵，所述布拉格光柵被調整成有助於從可用的潛在雷射發射模式的範圍中進行雷射發射波長選擇；無源區的波導部分被調整為在所選的發射波長處為光學無源； 所述布拉格光柵沿DBR區段延伸且包括前光柵部和後光柵部； 所述DBR區段的前光柵部比所述DBR區段的後光柵部更接近雷射二極體的有源區，使得前光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻超過後光柵部在可用的潛在雷射發射模式範圍內對DBR區段的反射率的貢獻，並且雷射二極體中的雷射發射模式選擇由前光柵部支配；DBR區段包括熱耦合到DBR區段的前光柵部的前加熱元件和熱耦合到DBR區段的後光柵部的後加熱元件；所述DBR區段的前加熱元件和後加熱元件沿DBR區段的不同波導部分布置； 所述雷射源被編程為獨立於後加熱元件控制前加熱元件，以調諧所選的發射波長。
20.如權利要求19所述的雷射源，其特徵在於，所述雷射源還被編程為獨立於後加熱元件控制所述前加熱元件，以沿DBR區段的波導部分建立熱梯度，並降低沿DBR區段中的波導部分的折射率不均勻性。
全文摘要
提供一種控制DBR雷射二極體的方法，其中控制前、後DBR加熱元件使得DBR區段的後光柵部的反射率低於DBR區段的前光柵部的反射率。由此，雷射發射模式選擇由前光柵部支配，且可控制前DBR區段加熱元件用于波長調諧。此外，可控制後DBR區段加熱元件，以使DBR反射光譜的光譜帶寬變窄。公開並要求保護其它實施例。
文檔編號H01S3/08GK102396120SQ201080017074
公開日2012年3月28日 申請日期2010年4月12日 優先權日2009年4月14日
發明者C-E·扎, H·K·恩古耶 申請人:康寧股份有限公司