專利名稱：具有亮度保存的波長穩(wěn)定的awg激光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了波長穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光源，其中陣列波導(dǎo)光柵(AWG)在外腔中用作光波長穩(wěn)定元件，本發(fā)明具體涉及了大面積(多模式)半導(dǎo)體激光二極管陣列并更具體地涉及系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用波長和偏振多路復(fù)用保持亮度混合多激光源的輸出，以此將功率從10瓦擴展到千瓦電平進入單光纖輸出。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體大功率激光器，作為今天商業(yè)出售的CW光纖激光器的替代，引人關(guān)注有許多理由，其中緊湊的尺寸和高效率是其中最吸引人的。由于雙包層光纖的消除，大功率單模式光纖耦合(FC)模塊潛在地具有波長多樣性(大多數(shù)FL是基于1050-1100nm的Yb)、緊湊、提高的效率和增強的可信度的優(yōu)點。
大功率多模式模塊在要求較小的應(yīng)用中是令人感興趣的，其中輸出功率為100W的范圍在25-100微米的纖芯光纖是足夠的。它們會具有提升單模式操作約束的新增優(yōu)勢，使這些器件更小、成本更低并且比它們的單模式的對應(yīng)物更易于制造。
對于要求脈沖輸出或極端高亮度的應(yīng)用，大功率模塊可用作非常有成本效益的泵浦(pump)，用于Yb光纖激光器或光盤激光器。一令人感興趣的特殊區(qū)域是泵浦源，用于在雙包層光纖中放大皮可秒或毫微微秒的脈沖，其中必須光纖長度極短以減輕脈沖變形，并因此需要非常高亮度的泵浦。
窄波長高亮度泵浦技術(shù)以許多方法提高光纖激光效率。首先，嚴(yán)格的波長控制會允許窄的鐿吸收線的抽運，該線具有比更寬的915nm線更好的量子數(shù)虧損和更高的吸收。其次，高亮度源可使抽運進入更小直徑的光纖。傳統(tǒng)的條和單發(fā)射器，具有相對低的亮度，需要纖維具有較大的內(nèi)部覆層(典型地400-600微米)，而高-NA聚合物外部包層光纖最終每單位長度具有更高的損失而且它非常長(典型地＞50m)。第三，這些改進的混合會以更低的全部吸收和散射以及更低的閾值功率需求，轉(zhuǎn)換為更短的全部光纖長度。第四，將支持在1040nm的帶中的發(fā)射激光，其具有更低的量子數(shù)虧損。例如在976nm抽運并在1050nm發(fā)射激光的影響，與915nm和1100nm相對，會將量子數(shù)虧損從83％提高到93％。這種泵浦激光改進的實際結(jié)果將使光纖激光器光-到-光的效率在80％的范圍內(nèi)。
最后單模式或多模式模塊的光譜的多路復(fù)用將使光束達到甚至更高的輸出功率而不影響光束的質(zhì)量。例如，光譜多路復(fù)用多個多模式模塊可允許構(gòu)造2-5kW工業(yè)截斷/焊接直接二極管系統(tǒng)，其將是非?？煽壳揖哂谐杀拘б?。這對于目前的基于FL的結(jié)構(gòu)，是頗具吸引力的目前正在探究的替代，其中許多100-200W單模式光纖激光，被空間混合進入多模式輸出。
可從單激光器模塊獲得的功率限制在數(shù)瓦特的范圍內(nèi)。為了獲得上面提到的各種大功率應(yīng)用所需的功率電平，必須使用擴展方案，其可有效地混合來自多激光源的功率。
單光混合器不滿足基本物理原理的效率需求。相反，可以零理論光損失來制造波長和偏振混合器。為了實現(xiàn)這種混合方式，激光源模塊必須實現(xiàn)某些特性。除了產(chǎn)生高輸出功率和效率，它們的發(fā)射必須是波長穩(wěn)定在嚴(yán)格的限制內(nèi)并且具有足夠窄的波段以及擁有高光束質(zhì)量。
為了獲得高輸出功率和效率，一般使用大面積激光二極管，然而由于它們的尺寸，它們在多橫向模式中趨向振蕩。這些激光器的大面積輸出端面，對于在需要最大亮度的應(yīng)用中耦合進入單模式光纖，也是一種挑戰(zhàn)。
波長穩(wěn)定技術(shù)在單模式(窄條)激光二極管的技術(shù)領(lǐng)域是公知的。分布式的布喇格(Bragg)反射體還有分布式的反饋光柵通常集成為激光器結(jié)構(gòu)，但這些展示了隨溫度的相對高的波長變化，其在大功率環(huán)境中是有問題的。其它技術(shù)是基于在外腔中使用熱穩(wěn)定的材料，例如法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器、自由空間衍射光柵和光纖布喇格光柵。
對于大面積激光器，相似的技術(shù)也得到了，然而以所需的效率將它們耦合進入外腔仍是個主要問題。另一穩(wěn)定的方法包括將輸出發(fā)射光的譜窄的部分反射回進入大面積激光器。
Bradia Pezeshki等人在美國專利申請20020085594中以Santur公司的名義已經(jīng)公開了這項方法。在圖1中所示的實施例具有多個如用在通信中的DFB激光二極管，耦合進入陣列波導(dǎo)光柵(AWG)，用于在公共輸出端混合。這種安排的缺點是在溫度變化的情況下，其需要激光波長緊跟WDM器件的通頻帶。
Robert G.Waarts等人在頒發(fā)給SDL公司的美國專利6,212,310中已經(jīng)公開了另一方法。在圖1中顯示了實施例，其中多束光纖激光，每個都有不同的波長，通過WDM器件例如熔融錐式耦合器、分色鏡或光柵鏡，耦合為單個輸出。該輸出光纖具有在其內(nèi)合成的布喇格反射體，用于給光纖激光提供一些反饋。這具有和前面例子相似的缺點。
因此，本發(fā)明的目的是穩(wěn)定大面積多模式激光二極管的波長。
本發(fā)明的另一目的是給單模式波導(dǎo)或光纖提供這種激光二極管的有效耦合。
本發(fā)明的進一步目的是提供器件，其中混合激光發(fā)射器陣列的光輸出，同時保持亮度，并且進而混合激光發(fā)射器的多陣列的輸出為單模式或多模式輸出，以在數(shù)十到數(shù)百瓦特中獲得大光功率電平。
發(fā)明概述[17]因此，本發(fā)明涉及了基于激光二極管陣列波導(dǎo)光柵(DAWG)的高能半導(dǎo)體激光，其中在外腔結(jié)構(gòu)中利用陣列波導(dǎo)光柵(AWG)使波長穩(wěn)定。
本發(fā)明的又一方面涉及了有效地將光增益元件陣列耦合到AWG。
本發(fā)明的又一特征將高效和亮度保持的多個大功率DAWG激光的的組合提供入單個輸出。
本發(fā)明涉及的大功率激光器包括[21]第一芯片，其包括多模式半導(dǎo)體波導(dǎo)，用于在預(yù)定波長帶中提供增益，其中每個半導(dǎo)體波導(dǎo)在一端具有第一反射體； 第二芯片，其包括具有耦合到半導(dǎo)體波導(dǎo)的輸入端口和輸出端口的陣列波導(dǎo)光柵；[23]第二反射體，被布置以接收來自陣列波導(dǎo)光柵輸出端口的光并且將部分光反射返回進入陣列波導(dǎo)光柵，因此連同第一反射體限定了激光腔；[24]其中半導(dǎo)體波導(dǎo)尺寸被設(shè)置成支持具有波長在預(yù)定波長帶的光的多個橫向模式(multiple transverse mode)的傳輸；和在第一芯片上的多個橫向模式光學(xué)耦合到第二芯片上的陣列波導(dǎo)光柵的輸入端口。


參照代表優(yōu)選實施例的附圖，我們可更加詳細地描述本發(fā)明，其中[26]圖1a包括耦合到陣列波導(dǎo)光柵(AWG)的半導(dǎo)體激光器陣列的現(xiàn)有技術(shù)；[27]圖1b示出了數(shù)個通過波分復(fù)用器(WDM)共享公共腔反射體的激光器；[28]圖2單模式二極管-AWG(DAWG)模塊設(shè)計的例子；[29]圖2b多模式DAWG模塊設(shè)計的例子；[30]圖3a，bDAWG波長的控制、穩(wěn)定和多路復(fù)用的示意圖；[31]圖4用于在增益芯片中實現(xiàn)規(guī)定的橫向溫度曲線(profile)的非均勻條柵距的例子；[32]圖5a、b、c在增益芯片和AWG芯片之間的快軸耦合技術(shù)的截面圖；[33]圖6在增益芯片和AWG芯片之間的慢軸耦合技術(shù)的平面圖的例子；[34]圖7a使用2-軸透鏡的基本單模式激光二極管條(Sbar)-AWG混合；[35]圖7b用于消除快軸和慢軸耦合光的高級單模式激光二極管條(Sbar)-AWG混合； 圖7c光斑單模式激光二極管條(Sbar)到AWG輸入端上平面透鏡的基本耦合，示出了需優(yōu)化的各種尺寸；[37]圖7d重疊的光斑單模式激光二極管條(Sbar)直接到AWG輸出端上星狀耦合區(qū)域的高級耦合，示出了需優(yōu)化的各種尺寸；[38]圖7e多模式干涉(MMI)條到AWG混合的例子，示出了需優(yōu)化的各種尺寸；[39]圖8用于收集和集中光斑二極管發(fā)射器的平面透鏡陣列的例子。在輸出端上的單模式波導(dǎo)連接到AWG。修整加熱器可糾正在條和AWG PLC芯片之間的校準(zhǔn)誤差。
圖9a、b在AWG的多路復(fù)用側(cè)避免高光強度的技術(shù)的例子可截斷平板導(dǎo)向裝置(slab guide)(a)，并且橫向會聚波允許在自由空間中聚焦(b)。柱狀透鏡在垂直方向再成像；[41]圖10a用于達到最新技術(shù)發(fā)展水平的JDSU 98nm和865nm窄帶單模式激光二極管的L-I-V曲線；[42]圖10b用于達到最新技術(shù)發(fā)展水平的JDSU 98nm和865nm窄帶單模式激光二極管的PCE曲線；[43]圖11a、b、c空間混合波導(dǎo)輸出進入多模式光纖一維陣列(a)，二維陣列(b)和一維陣列進入矩形纖芯(c)的實例截面；[44]圖11d、e在兩端在AWG端(d)，和輸出端(e)，具有不同布置的光纖陣列帶的實例截面；[45]圖12aDAWG輸出的片上波長多路復(fù)用的例子；[46]圖12b空間混合單模式波導(dǎo)進入多模式光纖的例子；[47]圖12c空間地混合單模式波導(dǎo)進入硅光具座上的單模式光纖陣列的例子；[48]圖13a用于使用被動波長混合的千瓦系統(tǒng)的全部概念； 圖13b混合DAWG模式的偏振的示意圖；[50]圖13c顯示5kW系統(tǒng)及其部件的詳細圖的實例5kW系統(tǒng)的示意圖。該實例系統(tǒng)使用32個經(jīng)由偏振和波長多路復(fù)用混合的DAWG模塊；[51]圖14將與鄰近場的通光孔相對的光束傳輸因子(BPF)和理想光(idealoptics)混合的圖。BPF在1.5倍光束腰的通光孔最大-化為0.98；[52]圖15作為像差的函數(shù)的1.5倍光束腰的通光孔的BPF的圖。取決于像差的類型，存在通光孔的某些優(yōu)化；[53]圖16a使用1.5倍光束腰的通光孔，鄰近場的模式化WAVMUX的二維線性圖；[54]圖16b包括像差的WAVMUX光束的遠場(Far-field)的二維線性圖，其中BPF＝0.60；[55]圖17代表性的偏振光束混合器的光譜特征的圖；[56]圖18顯示了作為相對頻率和偏振的函數(shù)的AWG模塊輸出的實例圖。在偏振MUX之后，32個AWG輸出減少為16個光束；[57]圖19a實例曲折多路復(fù)用方案(未顯示擴束透鏡和偏振多路復(fù)用器)。每個第一級多路復(fù)用器使用3個濾光器；[58]圖19b顯示了四個第一級多路復(fù)用器的輪廓的第二級多路復(fù)用器的例子。第二級多路復(fù)用器使用三個濾光器；[59]圖20第一級多路復(fù)用方案的光譜圖。濾光器1反射AWG帶1(以100GHz相對頻率為中心)，同時傳輸AWG帶2(以200GHz相對頻率為中心)。濾光器2傳輸AWG帶3，同時反射帶1和2，同樣地濾光器3增加AWG帶4進入光束；
具體實施例的詳細描述[60]硅陣列波導(dǎo)光柵(AWG)構(gòu)成了在狹窄通道空間的光譜多路復(fù)用激光器的設(shè)計基礎(chǔ)。二極管AWG(DAWG)概念，比用于激光陣列的光譜混合的傳統(tǒng)光柵具有內(nèi)在的優(yōu)勢。首先，AWG具有非常高的光譜分辨率，使大量激光二極管發(fā)射器能夠被裝入窄小的光譜區(qū)域。其次，由于其平面(planar)結(jié)構(gòu)，AWG被很好地匹配有效地耦合到二極管條上，并且它唯一地啟用擊穿(disruptive)激光結(jié)構(gòu)，諸如光斑(flare)，這能很大地提高每個發(fā)射器的光強度。再次，該概念較經(jīng)濟，可擴展，非常適合制造，并且能精確控制，因為其基于硅晶片處理技術(shù)。最后，其采用了簡單、緊湊、耐用、熱穩(wěn)定的DAWG模塊，該模塊連有光纖或自由空間準(zhǔn)直輸出，帶有最小量的微光。
本發(fā)明公開的內(nèi)容，提出了用于激光二極管條、激光器到硅波導(dǎo)耦合、硅AWG以及硅輸出耦合到光纖或自由空間的創(chuàng)新設(shè)計概念。
圖2a示出了單模式DAWG模塊設(shè)計的例子，同時在圖2b中顯示了多模式DAWG模塊設(shè)計的例子。參照這些圖，在封裝260中的DAWG模塊200包括二極管條或半導(dǎo)體增益芯片201，其可通過耦合光學(xué)器件250光耦合到AWG芯片202的輸入端，此處，作為獨立的透鏡示出，但是還可以集成到一個或兩個芯片201、202上。在多模式DAWG模塊的情況下，通過板條形波導(dǎo)區(qū)域219能夠得到輸入端和輸出端，該輸出端直接耦合到輸出光纖210。對于單模式對應(yīng)體來說，所述輸入可以在靠近耦合光學(xué)器件250的輸入上具有單獨的波導(dǎo)以及用于耦合到輸出光纖210的單波導(dǎo)209。
DAWG的功能涉及了已經(jīng)在近年利用的傳統(tǒng)光柵論證過，但是具有獨特的優(yōu)點的光譜混合概念。如在圖3a中的示例性設(shè)計中所看到的，每個單獨的激光二極管303a-c都是外腔激光器，其中反饋來自位于硅AWG 302遠端的廣譜光柵(broad spectrumgrating)(或簡單的反射器)311。為了簡明起見，未示出所需的耦合光學(xué)元件。
每個發(fā)射器的準(zhǔn)確激射波長，由AWG 302確定，其充當(dāng)了超高階衍射光柵(extremely high-order diffraction grating)的作用。擴展該方法到與帶有許多通道304a-c(在該例中示出了三個)的AWG302匹配的二極管條(也簡稱為Sbar)301產(chǎn)生了充分的優(yōu)勢。通常，40個通道對于DWDM來說是很難得的。AWG 302不僅控制各個激光二極管303a-c的波長和單獨的波長間距，還將其多路復(fù)用到單波導(dǎo)輸出端309。
仍參照圖3a和3b，外腔DAWG激光器300的光反饋能夠在輸出波導(dǎo)309或耦合到輸出端的平面光波電路(PLC)端面312的輸出端光纖310中提供。一種選擇是利用弱布喇格光柵311提供少量反饋以維持振蕩。利用在導(dǎo)管纖芯上的淺刻技術(shù)，光柵311能夠位于輸出波導(dǎo)309中，或利用UV寫入技術(shù)而位于輸出光纖310中。所述弱光柵將有足夠的帶寬以捕獲AWG光譜的范圍。另一種選擇是，在AWG芯片302的輸出端PLC端面312或在輸出光纖的輸入端面，使用菲涅爾(Fresnel)反射，R～4％。最后一個選擇是，把光纖端面313設(shè)在輸出端PLC端面312的幾微米內(nèi)，由此有效地生成一個具有一定反射率的表面，所述反射率根據(jù)法布里-珀羅(Fabry-Perot)公式由所述端面之間的間隙決定。所述間隙能夠在制造時設(shè)定，以便于在0％和16％之間生成一個有效的反射率。利用這個可設(shè)定地址的(addressable)范圍，能夠調(diào)整反饋以便優(yōu)化激光器的性能。
用于反饋的替代技術(shù)可實現(xiàn)具有窄反射帶寬的單模式布喇格光柵。這種光柵可被寫入雙包層多模式光纖的光敏纖芯或通過蝕刻進入光芯片上多模式波導(dǎo)纖芯來制造，例如硅或硅氧化物平面光波電路(PLC)。雖然當(dāng)多模式光纖或PLC直接耦合到多模式半導(dǎo)體波導(dǎo)例如303a時，這種反射器是適合的，但是使用它作為在圖3a和3b中說明的AWG芯片302的波導(dǎo)輸出端上的反射器311則是優(yōu)勢受限的。其理由是AWG芯片302可提供與多模式半導(dǎo)體波導(dǎo)的有效耦合，例如303a，它也限制不同窄帶寬波長帶的各個輸出的光譜帶寬，其不一定兼容單模式布喇格光柵的窄反射帶。
將有多種來自AWG芯片302的輸出耦合的可能性，包括光纖輸出以及自由空間輸出。通過把AWG波導(dǎo)輸出集中到光纖上，將光纖對接耦合到波導(dǎo)端面(可能直接接觸，例如，利用對著波導(dǎo)端面的凸拋光光纖尖端)，或者甚至結(jié)合或者將光纖熔接到硅AWG，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖輸出概念(單模式，多模式，偏振保持，等等)。另一個概念是引導(dǎo)輸出穿過準(zhǔn)直透鏡(作為AWG芯片302的部分，或者離散光學(xué)元件)，并使用準(zhǔn)直功率(collimated power)。自由空間的選擇對于進一步的光束混合尤為有用。
此處討論的SBar設(shè)計，基于傳統(tǒng)的激光二極管結(jié)構(gòu)，如圖3a和3b所示。例如，激光二極管303a-c的矩形增益區(qū)域，具有特定的長度315(即，1mm或更高)，特定的寬度316(即，單空間模式～4μm，或多模式操作＞10μm)，以及前307(通常R＜30％)和后305(通常R＞90％)端面反射率。
對AWG耦合的激光二極管設(shè)計的特殊考慮，集中在下述幾個不同方面·前端面涂層·以條或短條(Sbar)格式的激光二極管的布置·最大二極管到AWG耦合的優(yōu)化設(shè)計·對鎖定到AWG的有效波長的優(yōu)化有源區(qū)域設(shè)計[70]優(yōu)化高增益激光二極管有源區(qū)域，包括利用較寬的增益帶寬的增益材料，以提供較寬的AWG調(diào)諧范圍。
盡可能低地修改前端面涂層307(即，＜1％)，以使從后向反射器到空腔內(nèi)的反饋最小，以及使前端面307和AWG 302中任意其它間斷之間的光干涉最小。
激光二極管303a-c的前端面307或AWG 302的輸入端面308(例如圖3a中所示)，或者兩者都被轉(zhuǎn)向以減少非計劃中的光反饋，這在本領(lǐng)域是公知的。
在條301中的激光二極管303a-c的布圖對于DAWG 300的性能是重要的。一般的激光二極管條301為1cm長，具有均勻間隔的激光二極管發(fā)射器303a-c。對于減小條的長度315以減小彎曲是有益的，尤其，在激光二極管條301與AWG 302之間沒有對準(zhǔn)時。另外，由所需的AWG設(shè)計確定用于DAWG模塊的在激光二極管303a-c之間的間隔。例如單模式DAWG柵距可為約30μm數(shù)量級，以使對于AWG 302盡可能的小。其他可能的修改是如同4中所示的非均勻的柵距，通過分別改變激光二極管103a到103g之間的距離d1到d6。非均勻柵距可補償非均勻加熱和有源區(qū)溫度，或者調(diào)整其以獲得一些所述的溫度曲線。
在激光二極管條301與硅氧化物AWG 302之間的高耦合效率是重要的，以使該激光二極管大功率輸出和可靠的工作。最小化過多的光學(xué)部件是重要的，用于減小部件成本，另外使得更容易對準(zhǔn)或甚至自對準(zhǔn)，其對于高制造產(chǎn)量和低生產(chǎn)成本是重要的。
光學(xué)耦合的最優(yōu)化設(shè)計包括，調(diào)整在快軸和慢軸的束的發(fā)散(divergence)，以與AWG的輸入所需匹配。一般快軸發(fā)散為20度或更多。特定的寬波導(dǎo)或光學(xué)共振腔設(shè)計可將該發(fā)散減小到小于10度。通過增加激光二極管到AWG耦合效率，補償激光效率的減少。
一般地技術(shù)地更大需求，考慮的第一耦合效率的問題，是快軸，或垂直的，如圖5a中所示，在激光二極管條501的前端面507和硅氧化物AWG 502的后端面的發(fā)散光束。該光從前端面507離開到進入自由空間的過程中一般發(fā)散約15到30度。最簡單的方法是使用透鏡529來耦合光束，為此，簡單的圓柱透鏡(rod len)足夠用。更先進的方案是通過改變硅氧化物層的有效折射率，如圖5b所示，將該透鏡蝕刻為硅氧化物波導(dǎo)504，或如圖5c所示，制成梯度折射率(GRIN)透鏡527，或垂直錐形。
進一步改善耦合效率的其他的選擇是，彎曲激光二極管條501直接對著硅氧化物AWG 502。最終的選擇是在二極管條501的輸出端面507附近實現(xiàn)模式擴展部分。該模式擴展可通過例如再生長適合的結(jié)構(gòu)到條上，或通過蝕刻掉高折射率層的部分，以減小有效的折射率和允許波導(dǎo)模式擴展來實現(xiàn)。
集成的快軸耦合光(除了離散透鏡例如圓柱透鏡外，上述選擇的任何一個)與在慢軸中簡單對接耦合的混合，具有僅幾微米或幾十微米的間隙，已經(jīng)增加了好處，即在耦合穿過進入硅氧化物波導(dǎo)期間，在激光條中的橫向模式結(jié)構(gòu)未明顯地受到干擾。從激光條的連接模式直接進入硅氧化物波導(dǎo)的連接模式是新的概念，其通過上述公開的耦合方案來實現(xiàn)，并公開了新的光學(xué)結(jié)構(gòu)方法(leveraging)波導(dǎo)模式的效果的可能性，其以前還沒有使用。這些結(jié)構(gòu)的例子將在隨后的公開中討論。
要考慮的另一個耦合效率問題，是慢軸，或水平的，如圖6中所示，在激光二極管條601的前端面607和硅氧化物602的后端面608的發(fā)散光束。該光從前端面607離開到進入自由空間的過程中一般發(fā)散約5到8度。先進的方案是將平面透鏡626集成到硅氧化物AWG 602上的波導(dǎo)604中。所謂的平面透鏡626可通過標(biāo)準(zhǔn)的凸透鏡形狀或通過其它的在零級工作的AWG來實現(xiàn)。
圖7a顯示了傳統(tǒng)的方法，即使用透鏡729a-c來耦合來自激光二極管條701的前端面707和硅氧化物AWG 702的后端面708的光束，但是每個激光發(fā)射器703a-c和波導(dǎo)704a-c對，分別地需要獨立的透鏡。然而，透鏡陣列具有成本且需要光學(xué)對準(zhǔn)。
然而，在圖7b中存在其它的有效耦合方法。激光二極管條701被直接耦合到AWG 702的自由發(fā)散區(qū)720內(nèi)。簡單的選擇是定位激光二極管條701使其足夠地接近AWG 702，這樣存在有效的橫向?qū)玉詈锨也恍枰劢?。在激光二極管條701的前端面707與硅氧化物AWG 702的后端面708之間提供10微米數(shù)量級的間隙是可能的，但是，如上所述，這排除了使用任何用于快軸耦合的離散的光學(xué)器件(例如圓柱透鏡)。
當(dāng)激光發(fā)射器波導(dǎo)703a-c直接地耦合到星形耦合器720，隨著波導(dǎo)進入耦合器，波導(dǎo)將被輕微的準(zhǔn)直。期望輕微地彎曲激光發(fā)射器波導(dǎo)703a-c，以使在它們在前端面707處有效地準(zhǔn)直，在此處，隨著光束進入星形耦合器720，光束通過硅氧化物AWG 702的后端面708，穿過間隙。
要考慮的另外的耦合效率問題是在二極管條701和硅氧化物AWG702之間的彎曲失配，所謂的彎曲。減輕該問題的一個方面是使用較短的激光二極管條701，即限制長度到幾毫米，從而彎曲的總量和百分比可以保持在小于幾微米。對于恒定曲率的彎曲(smile)，總的彎曲與條寬度的平方成比例，因此5mm條具有1cm條的僅四分之一的彎曲。另外的方面是，使用雙金屬條積極地彎曲硅氧化物，以在對準(zhǔn)期間與激光條彎曲匹配。
AWG設(shè)置了光譜過濾的等級，其最終地確定多少個單個發(fā)射器可裝配到具體指定的帶寬。用它們的長的、精確光刻的光學(xué)延遲線，在小自由頻譜范圍上(FSR)，AWG可獲得GHz范圍的信道間隔，且將許多發(fā)射器波長封裝成為小的帶寬。然而，由于效率是主要目標(biāo)，來自激光條且通過AWG的光學(xué)耦合損失必須盡可能地小。這變成AWG的設(shè)計平衡(trade-off)中主要的因素。表1顯示了估算的混合DAWG結(jié)構(gòu)的損失預(yù)算。因為激光二極管到AWG耦合(“LD到PLC”)是基本的要求，其分配了最大的損失預(yù)算的份額。
表1DAWG損耗預(yù)算[86]AWG設(shè)計損耗主要關(guān)心在星形耦合器中的自由擴展波前的量，其將被耦合到單模式AWG波導(dǎo)。選擇陣列導(dǎo)管的數(shù)目立即確定擴展波的削波的數(shù)量，從而確定功率損失。一般使用足夠數(shù)量的導(dǎo)管，以保持損失量在0.1dB以下。盡管這不影響AWG的總尺寸。JDSU已經(jīng)開發(fā)了一些適合的方法，用于在板和單模式陣列波導(dǎo)之間分級的躍遷，其導(dǎo)致每星形耦合器損失約0.1dB。通過制造躍遷絕熱，可以減少到包層輻照模式的光損失的量。在特定商業(yè)AWG生產(chǎn)線中，這些技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的，在獲得低損失方面，具有直接的益處。
低光學(xué)損失的主要挑戰(zhàn)是在窄信道間隔所需的AWG的物理尺寸。窄帶頻率意味著長通路長度延遲，且考慮用于大功率應(yīng)用，在此公開的所有的AWG設(shè)計比商業(yè)電信器件更大。波導(dǎo)傳播損失，其在電信器件中起小的作用，在此是非常重要的。商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0.8％(折射率)指數(shù)德耳塔波導(dǎo)具有0.03dB/cm的傳播損失。該損失不是由于吸收，而是由于信道波導(dǎo)的被蝕刻的側(cè)壁的散射偏移。最優(yōu)化波導(dǎo)尺寸，以最小化具有該側(cè)壁的模式重疊(overlap)，同時保持足夠的限制以提供所需的彎曲半徑，是減小這種光損失的一個方法。
通過AWG的總的光通路的長度是在傳播損失量中設(shè)計應(yīng)該具有的最大的決定因素。不同的AWG設(shè)計尺寸可使用公式比較，其確定R，星形耦合器區(qū)的長度(半徑)。
R=nsdidaΔλnsλ0FSR]]>[90]這里di是在星形耦合器處的輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的柵距，da是陣列波導(dǎo)的柵距，Δλ是信道間隔，λo是中心波長，F(xiàn)SR是自由頻譜范圍，和ns是平面波導(dǎo)有效指數(shù)。重要的是，注意較大的星形耦合器，用于給定的輸入波導(dǎo)數(shù)值孔(numericalaperture)，需要更多的陣列波導(dǎo)以捕獲輻照波，因此，這可在AWG總通路長度方面，具有最大的影響。
一個重要的平衡是到AWG的輸入的柵距。如前面所述的，激光陣列可耦合到一組獨立的單模式波導(dǎo)上，接著引導(dǎo)其到PLC芯片上的AWG。由于波導(dǎo)模式尺寸處于6微米或更小的數(shù)量級上，柵距和星形耦合器半徑是小的。達到較高的(折射率)指數(shù)德耳塔，可進一步減小柵距。
可能相關(guān)的一個其它的考慮，是AWG基板的選擇。為了特定的制造，傳統(tǒng)的AWG在硅基板上制造。根據(jù)本發(fā)明公開用于DAWG器件，其他的可能選擇為使用硅氧化物襯底。所有這樣產(chǎn)生的玻璃器件可具有一些來自于制造和封裝工藝的觀點的優(yōu)點，例如，如上所述，蝕刻快軸透鏡為AWG端面的可能性。其也可是比硅基板更透明的，取決于激光的波長，因此其不可吸收來自AWG的大量的散射光。另一方面，其具有更低的導(dǎo)熱性，因此確實被吸收的光可引起更局部的加熱。
根據(jù)在此公開的發(fā)明，每個激光二極管發(fā)射器產(chǎn)生單空間模式輸出，其可在AWG輸出耦合為單空間模式。單空間模式對于各種需要高亮度、小光點尺寸或大深度場的應(yīng)用是重要的。多模式DAWG設(shè)計也使用。
可將傳統(tǒng)的窄條單空間模式激光二極管集成到DAWG概念中。然而，以使即使較高的單模式效率和功率存在一些新設(shè)計，這些新設(shè)計利用了AWG特性。
可作實例的的最新技術(shù)狀態(tài)窄條單模式激光二極管輸出特性在圖10a中示出，而相應(yīng)的端子電壓特性在圖10b中示出。商業(yè)出售的980nmJDSU型6560激光二極管額定在0.65W工作，且功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)峰在約55％。JDSU也制成高功率865nm單模式二極管，實例激光二極管在大于1W光輸出功率下工作。由于在半導(dǎo)體增益區(qū)中增加的能帶隙，波長從980nm到865nm的減小對應(yīng)于更高的端電壓，，同時斜度效率(更高的光子能)也更高，因此，在PCE中從980nm到865nm的凈偏移小。
圖7a和7b中示出窄條激光DAWG的兩個實例設(shè)計。后者在硅氧化物AWG702的后端面708處使用集成的耦合光學(xué)器件，在圖5b中說明它的截面圖，具體的通過參考數(shù)字528。由此避免了使用快軸和慢軸外部耦合光學(xué)器件。對于任一種情況，需要優(yōu)化激光二極管設(shè)計，用于最佳功率耦合，例如，通過調(diào)整束發(fā)散。而且為了最好的反饋穩(wěn)定性，必須使用諸如調(diào)整涂層的反射率值或通過修改有源區(qū)結(jié)構(gòu)和組分的方法設(shè)計激光。
為了得到較高單模式功率，其超過端面突然光學(xué)退化(COD)功率密度限制，不得不增加器件的輸出光孔，同時保持衍射限制的單空間模式激光發(fā)射。一個潛在的設(shè)計合并了波導(dǎo)703a-c，其具有相應(yīng)的光斑部分719a-c(圖7c)。許多組已經(jīng)在不同的波長論證了光斑719a-c。在854nm，JDSU已經(jīng)獲得了2.2W連續(xù)的波衍射限制的整體(monolithically)集成的主振蕩器功率放大器(MOPA)。JDSU也報導(dǎo)了來自光斑放大器的在860nm的5.25W功率并在各種光斑設(shè)計上具有顯著的知識產(chǎn)權(quán)基。光斑設(shè)計之后的原理是，在激光二極管的后部中產(chǎn)生的單模式經(jīng)歷了在光斑部分719a-c中的放大。因為各種原因，諸如由于非均勻模式和電流注入以及散光導(dǎo)致的低PCE，該光斑設(shè)計很少勝出傳統(tǒng)的激光二極管設(shè)計，但是這些可結(jié)合到混合DAWG的設(shè)計中。如前面所述，如同7c所示，在光斑振蕩器結(jié)構(gòu)中，在AWG輸入處，使用平面透鏡720a-c，以再次聚焦來自光斑719a-c的發(fā)散輸出，和調(diào)節(jié)激光柵距D。通過D，W1，L1和L2(給出總長度715)指定被最優(yōu)化的各種尺寸。
在圖7d中示出的重疊的光斑(OLF)是新穎的結(jié)構(gòu)，是光斑振蕩器方法的本質(zhì)上的改變，其中錐形的振蕩器703a-c陣列直接地并入AWG702中的第一星形耦合器720。同時不略微改進激光二極管波導(dǎo)703a-c，相應(yīng)的光斑部分719a-c已經(jīng)展開到一定的程度，其中它們的有效寬度W2eff比激光二極管的波導(dǎo)柵距D大，重疊是這樣的，以使抽運區(qū)沿著激光二極管條701的前端面707連續(xù)。由于(具有)較大的、更均勻填充的有源區(qū)，優(yōu)點是低光學(xué)復(fù)雜性和較高的生產(chǎn)能力，以及較高的激光效率和減少的對于端面損壞的敏感性。
如圖7d所示，有參數(shù)D，W1，L1，L2和其上的W2eff的寬范圍，可最優(yōu)化OLF。盡管星形耦合器影響了某些激光柵距的限制，可以最優(yōu)化幾何形狀，以在二極管條上提供大的有源區(qū)和輸出光孔。光斑激光器的一個公知的問題是束絲(filamentation)，其使得場分布非均勻，且限制了衍射限制功率。JDSU已經(jīng)改進了方法，以通過圖案化電流泵浦來防止成絲。在所有的光斑方法中，可使用各種電泵浦方案和多個接觸，以最優(yōu)化效率和束質(zhì)量。
另外的新的結(jié)構(gòu)，在梯度折射率波導(dǎo)中，其使來自傳統(tǒng)寬區(qū)域激光器的單模式輸出通過多模式干涉現(xiàn)象。寬區(qū)域激光器具有比傳統(tǒng)的單模式激光器和錐形振蕩器高得多的功率和更高的固有效率，這是由于發(fā)射激光體積被更均勻地填充。此外，該方法平衡了JDSU的現(xiàn)有投資，且專家證明的在寬區(qū)域激光器技術(shù)中，具有被證明的、以超70％電-對-光轉(zhuǎn)化率的每個器件14W的光功率輸出。
圖7e顯示了具有多個MMI(諧振)腔的激光饋入輸入AWG的星形耦合器的激光器700的物理布圖。通過在激光二極管條701上的激光二極管波導(dǎo)703a-c的長度L1加上在AWG芯片702上的硅氧化物波導(dǎo)704a-c的特定長度L2形成復(fù)合的MMI區(qū)，使得該區(qū)在雙通道中是自成像的。通過下式給出自成像的長度，用于對稱地饋入具有不同的折射率的多區(qū)域的MMI?！苅Li/ni＝mW2/λ0其中ni是有效的折射率，W為波導(dǎo)寬度，λ0為自由空間波長，和m是一整數(shù)。對于雙通道，對稱饋入100mm寬的波導(dǎo)和3mm長的激光器芯片，多模式硅氧化物波導(dǎo)區(qū)是7.4mm長的整數(shù)倍，以提供自成像。
如下可理解MMI諧振腔激光器的工作AWG 702提供了單頻的、單空間模式，從星形耦合器(未示出)，經(jīng)由單模式波導(dǎo)706a-c，反饋到每個激光二極管波導(dǎo)703a-c內(nèi)。激發(fā)了復(fù)合的MMI區(qū)的許多橫向模式，因此輸入場快速地傳播以橫向地填充該MMI。該區(qū)域從在AWG芯片702上的硅氧化物波導(dǎo)704a-c穿過進入在激光二極管條701上的激光二極管波導(dǎo)703a-c。經(jīng)過放大，在HR涂層后端面705處被反射，并返回通過激光二極管波導(dǎo)703a-c回到硅氧化物波導(dǎo)704a-c內(nèi)。隨后一個圓形的路程通過MMI，該區(qū)域達到它的自成像長度，并在此處再形成為單空間模式，其中硅氧化物波導(dǎo)704a-c分別與單模式波導(dǎo)706a-c接觸。
如同在其他的結(jié)構(gòu)中，AWG將不同波長的激光會聚成單個的單模式輸出，并提供合適的光反饋到每個激光二極管波導(dǎo)703a-c中。以這種方式，當(dāng)在硅氧化物波導(dǎo)中，通過MMI的圓形路程的起點和終點處有相對小的單模式光點，在它穿過前激光面707到后面708的時間內(nèi)，光學(xué)場橫向地(laterally)傳播，且傳播到激光二極管波導(dǎo)703a-c內(nèi)。這使得寬區(qū)域激光器的足夠的固有效率和光功率能力平衡(leveraged)。
在另一個新穎的結(jié)構(gòu)中，基本的不同于前述的，沒有任何插入部分，包括單模式波導(dǎo)706a-c，復(fù)合MMI區(qū)域的多模式輸出端停止，直接進入AWG的星形耦合器。結(jié)果，有許多單模式束的等效束耦合進入每個復(fù)合的MMI區(qū)域，每個以略微不同的顏色和MMI面的橫向位置，如通過AWG確定。MMI的成像特性必須是確定的，以使每個有效的單模式光點圖像沿著往返路線通過激光器回到自身。與前述結(jié)構(gòu)中的相比，這是較低對稱情形，因此標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)閇106] ∑iLi/ni＝8mW2/λ0其中所有的符號保持如上所述的相同意思。
在一個實施例中，二極管條包含多模式發(fā)射器陣列，其直接地耦合穿過進入AWG的星形耦合器。滿足標(biāo)準(zhǔn)的樣品尺寸為3mm長的激光二極管(在雙通道中使用)且發(fā)射器寬度為16微米。由于單模式光點一般為4微米寬，有穿過MMI的面的寬度的約四個可分辨的波長的等效波長。每個波長的輻照快速地傳播穿過MMI波導(dǎo)，且隨著它傳播二極管的長度和在端面處反射回來，與其他的顏色混合。根據(jù)在面處的再到達，各自波長達到它們的成像長度，這樣分辨它們自身回到具有它們的特定波長的它們的局部區(qū)域?，F(xiàn)在，AWG并入來自該MMI的所有的波長，隨同具有來自其他的MMI的所有波長一起，進入單模式輸出束。
考慮幾個程度的對準(zhǔn)公差垂直的(對準(zhǔn)激光器條和氧化硅AWG或PLC的平面)，水平的(沿著SBar到相應(yīng)的AWG波導(dǎo)輸入對準(zhǔn)激光二極管波導(dǎo))，和轉(zhuǎn)動的，包括從理想平面的偏移(彎曲)。
對于模式匹配和對準(zhǔn)，垂直尺寸是最關(guān)鍵的，當(dāng)激光模式一般在微米級上，且光束發(fā)散相對高。當(dāng)從單模式激光二極管耦合時，一般地該尺寸引起最大的損失。用于大效率耦合大功率泵蒲二極管到單模式光纖內(nèi)的最成功的技術(shù)之一是錐形光纖透鏡。這些錐形以8μm到9μm的彎曲半徑終止，其作為小微透鏡以耦合激光的尺寸(一般地1×3μm)成為～10μm單模式光纖(SMF)。形成微透鏡的一個方法是使用CO2激光，激光加工光纖的末端。
以相似的方法，PLC芯片的端面可拋光成尖點，并且接著隨著CO2激光，流回玻璃。優(yōu)選使用硅氧化物代替硅用于襯底以避免在這過程中熱膨脹(CTE)系數(shù)不匹配。得到的是柱形端面顯微透鏡，其彎曲半徑可由拋光角度和激光強度控制。激光端面和硅氧化物波導(dǎo)端面應(yīng)超抗反射涂覆，并且在它們之間的間距應(yīng)為幾微米。JDSU具有帶錐形光纖透鏡的廣泛的專門技術(shù)，在980nm泵蒲激光制造中實現(xiàn)高達85％的耦合率。由于僅需在PLC上控制一個尺寸，可期望甚至更高的耦合率。
水平校準(zhǔn)問題絲毫不嚴(yán)重因為二極管結(jié)構(gòu)(光斑和MM)的尺寸在數(shù)百微米的數(shù)量級上。這些方法的更完全描述在后面的部分中給出，但在這里給出所需考慮的水平校準(zhǔn)的簡短討論。在光斑震蕩二極管結(jié)構(gòu)中，合并新型平面波導(dǎo)透鏡以重新聚焦來自光斑的分散輸出進入單模式波導(dǎo)，其將功率傳輸入AWG的輸入星形(star)耦合器，如圖8中所示。這些波導(dǎo)透鏡結(jié)構(gòu)820a-c作為AWG以相同的原理工作，但沒有波長色散(wavelength dispersion)。輸入點進入星形耦合器并且分散開來以照亮波導(dǎo)陣列。該陣列導(dǎo)管重新確定光的方向以在輸出星形耦合器821a-c中形成匯聚的波前，該耦合器分別地對輸入重成像進入輸出單模式波導(dǎo)810a-c。在輸出星形耦合器中改變曲率半徑能實現(xiàn)不同的放大倍率。修整加熱器可用于提供相傾斜，其可沿輸出聚焦弧移動光點，以使該器件可調(diào)整補償出現(xiàn)在粘合激光二極管芯片801和AWG PLC芯片802期間的校準(zhǔn)誤差。
在重疊光斑的結(jié)構(gòu)中，光束直接從二極管結(jié)構(gòu)傳播進入AWG的輸入星形耦合器。無需精確的橫向布置，由于該二極管條的相應(yīng)于AWG的橫向位置將僅對輸出波長有輕微的影響。直到數(shù)個微米的位移將一般產(chǎn)生不到1GHz的波長變化。
在MMI結(jié)構(gòu)中，在二極管芯片上的多模式波導(dǎo)需耦合進入在硅氧化物芯片上的相同尺寸的波導(dǎo)。假定波導(dǎo)的寬度(100μm的數(shù)量級上)和在波導(dǎo)之間的僅僅幾微米的非常小的間隙，由于使用端面顯微透鏡以在垂直軸中耦合，在一微米的數(shù)量級上的水平定位精確度對于給出非常高的橫向耦合率是足夠的。
為了說明彎曲(smile)和旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選使用盡可能短的條(2-4)以最小化彎曲的整個范圍。可實現(xiàn)這種短的條長度，由于相比于傳統(tǒng)的條，熱負荷最終降低的JDSU二極管的非常高的PCE。如果需要，PLC可輕微彎曲，使用雙金屬條匹配激光條彎曲。這是相比于傳統(tǒng)的微-光耦合結(jié)構(gòu)，DAWG結(jié)構(gòu)的又一明顯優(yōu)點。
一種關(guān)注是最高的強度將出現(xiàn)在AWG的多路復(fù)用輸出導(dǎo)管中。這必須是單模式結(jié)構(gòu)以加強混合激光源的波長。單模式波導(dǎo)(和光纖)的小的纖芯尺寸保證它們的功率掌控能力的討論。
在文獻中引用的大多數(shù)硅氧化物光損壞的閾值為大約20W/μm2。典型的波導(dǎo)模式尺寸(擬合的Gaussian腰，強度1/e2)對于0.8％和1.5％指數(shù)德耳塔，分別為4.9mm和3.2mm，其意味著導(dǎo)管能掌控在200W數(shù)量級上的光功率。使用千瓦CW光纖激光輸出，在硅氧化物光纖中已展示了甚至更高的功率密度(power densities)。在硅氧化物導(dǎo)管和光纖之間的相似是準(zhǔn)確的由于制造它們都是使用了來自超純氣源的化學(xué)氣相沉積(CVD)并且使用了相同的摻雜材料(硼、磷和鍺)。
依賴于選擇的反饋和輸出耦合方案，在波導(dǎo)或光纖端面上也需要抗反射，相比大量的材料，這種涂層典型地具有更低的損壞閾值并且可證明是限制因素。
在發(fā)現(xiàn)損壞限制比所需的要低得多的情況中，有簡單的緩解技術(shù)。圖9a顯示了在AWG星形耦合器的輸出的典型平面波導(dǎo)902，其中輸出光束會聚在彎曲的焦平面985上的點909。由于光波在平面波導(dǎo)或板902中簡單地自由地傳播，可沿圖9b中的線999截斷板902，并且該波允許在自由空間中連續(xù)匯聚為大功率掌控的、大-纖芯光纖989。柱狀透鏡980可用于在垂直方向上收集和重新匯聚光。從焦點截斷板僅幾百微米將大大減小強度并且允許使用短焦距的柱狀顯微透鏡，簡化了封裝并且提高了可靠性。
由于AWG控制波長并且沒有要求單模式操作，使用多模式反射器的版本也是可能的并且包含在該DI中。除非在AWG中實現(xiàn)放大和縮小，AWG的輸出和與其耦合的輸出光纖，一般與發(fā)射器的尺寸匹配。對于不需要最高可能的光束質(zhì)量的應(yīng)用，多模式方法可提供超過單模式的優(yōu)勢，包括更高的激光條功率、更高的耦合率和更簡單的設(shè)計和更小的芯片，因為用更少的發(fā)射器的能力，每個都以比單模式中更高的功率中運轉(zhuǎn)。
AWG可用于定制(tailor)多模式發(fā)射器的輸出光束的質(zhì)量。例如，相比較于標(biāo)準(zhǔn)的NA，大約0.15對于多模式發(fā)射器，它可在相對狹小橫向數(shù)值孔徑(NA)中傳輸并且反射輻射(radiation)?？蛇x地，例如，它甚至可被設(shè)計用來促使發(fā)射器在特別高階的模式中優(yōu)選地發(fā)出激光以優(yōu)化提取效率(extraction efficiency)。這些選擇中的每一個都可通過定制作為NA的函數(shù)的傳輸曲線來實現(xiàn)，基本上通過在變化傳輸值的AWG陣列中給出各種波導(dǎo)來實現(xiàn)。甚至可定制該波導(dǎo)陣列以重新布置角功率(angularpower)密度分布。
由于在任何模式中這些器件的輸出都將是橫向多模式的，也可能放松在AWG上的垂直尺寸中的單模式限制，而對該器件的使用沒有不良影響。在AWG波導(dǎo)中具有兩個垂直模式而不是一個，例如，可潛在地大大簡化在條和AWG之間的垂直軸中的單模式到單模式的耦合的挑戰(zhàn)，并且增加效率。然而，這也促使在相應(yīng)于兩個模式之間可能的數(shù)毫微米變動的AWG中的模式分散。可通過設(shè)計AWG來令人信服地補償該模式分散，以使光譜變化等于AWG的自由光譜范圍，或多個這樣的范圍。這樣，兩種模式都可成像進入在AWG輸出的相同點，即使它們在AWG中將以不同的次序操作。
根據(jù)這里公開的本發(fā)明的又一方面，為混合單模式AWG輸出進入多模式光纖或用于大功率和亮度的波導(dǎo)提出了創(chuàng)新的設(shè)計概念。為何優(yōu)選分功率給多個條的理由可歸因于松弛冷卻的需要(在更大面積中分配功率)，來自匹配條到所需的AWG波長范圍的更高產(chǎn)量(yield)，還有潛在地來自排列更小條(更少彎曲)的更高產(chǎn)量。
一個這種概念是使用包括多個條和AWG的集成的DAWG并混合使用波長多路復(fù)用的功率。該概念在圖12a中說明，其中，模塊1200包括兩個激光二極管條1205a、1205b分別耦合進入AWG 1240a、1240b，以不同的波長為中心以使他們的光譜不重疊。在PLC芯片1202上的波長混合器1242例如Mach-Zehnder干涉計中，混合AWG輸出單模式波導(dǎo)1209a、1209b中的光功率。該輸出，仍在一個單模式波導(dǎo)輸出中，適合耦合到光纖1210。
將來自DAWG模塊的窄的單模式波導(dǎo)空間的混合到多模式光纖中，是有潛在優(yōu)勢的。第一，使用被動熱沉(heatsink)或熱-電子冷卻器冷卻單模式激光二極管比冷卻寬帶條更容易，其一般需要水冷卻。第二，由于缺少多模式金屬絲(filaments)和不均勻的端面密度，單模式激光二極管比多模式激光二極管，可實現(xiàn)更高的功率密度。最后，單空間模式窄激光條的內(nèi)在模式的穩(wěn)定性和選擇性，比可能具有金屬絲和不均勻模式框架的多模式條，可允許更好的激光性能。
在圖12b中顯示了又一基本概念。一系列的并行單模式激光二極管條1205a-c耦合進入一系列定位在AWG芯片1202中的AWG(在該例子中僅顯示了三個)。單模式波導(dǎo)1209a-c的輸出會聚為一個輸入進入多模式光纖1211。失去亮度但總的功率增加。單模式波導(dǎo)1209a-c可空間排列(更高的總功率但均勻的功率密度)或聚焦在一起成為一點(由于不同的光束角度產(chǎn)生更高的功率密度但更低的亮度)。
單模式光束如何在多模式光纖中混合的例子在圖11a到圖11c中顯示。
圖11a顯示該概念的最簡單的實現(xiàn)。單模式波導(dǎo)1180的線性陣列空間上適合于在多模式光纖1170的大纖芯1160中。2D陣列1182，如圖11b所示，可用于進一步填充光纖1170的纖芯，要么通過堆疊AWG的輸出，使用轉(zhuǎn)鏡混合AWG輸出，要么通過熔合矩形纖芯光纖。圖11c顯示了概念，其中來自AWG輸出的單模式波導(dǎo)1180的線性陣列，排列到匹配的光纖1170的矩形纖芯1162，從而增加亮度。
在圖12c中詳細描述又一可能的概念。來自激光器系統(tǒng)1200的激光二極管芯片1205a-d的發(fā)射分別由硅氧化物AWG 1255a-d收集和分別被輸出到單模式波導(dǎo)1209a-d上，定向進入單模式光纖的線性陣列1212。在圖11d的端視圖中看到的光纖1109a-d的線性陣列排列在合適的支撐物例如硅光具座中。然后將光纖1109a-d的另一端綁定在一起以形成在圖11中所看到的端視圖以保持某種程度的亮度，相比于相似尺寸的高數(shù)值孔徑多模式光纖1111。一旦綁定，大功率輸出可耦合進入或與多模式光纖熔合或直接使用該功率。
最后的概念是最后的方法的擴展。分離的DAWG模塊可單獨地耦合進入單模式光纖。這些分離的單模式光纖可被綁定如圖11e中。
現(xiàn)在考慮公開的本發(fā)明的方面。通過將窄波長范圍DAWG模塊的輸出和波長選擇濾光器結(jié)合，以較高的光束質(zhì)量和總體亮度的最小損失，多路復(fù)用光功率的千瓦電平進入窄波段。寬帶，薄膜濾光器(TFF)的平直傳輸和反射特性對于混合DAWG輸出是必不可少的。
以窄波長實現(xiàn)千瓦電平系統(tǒng)的JDSU概念，衍射受限光束是基于大功率、單模式激光二極管的被動波長混合。該系統(tǒng)輸出由共線的、共傳播的、波長多路復(fù)用單空間模式光束構(gòu)成，其填充輸出孔。該方法避免了需要子光束的復(fù)雜主動相位控制以產(chǎn)生相干空間陣列。
啟動該新方法，由a)大功率、高效單模式激光二極管陣列；b)基于硅的平面光波電路(PLCs)；和c)使用薄膜干涉濾光器的波分復(fù)用光束混合器。
有許多必須優(yōu)化為系統(tǒng)需要的給定集的參數(shù)。在表1中給出了實例5kW 10nm帶寬系統(tǒng)。

表1適合在10nm帶寬系統(tǒng)中的實例5kW的設(shè)計目標(biāo)[135]以激光二極管設(shè)計為目標(biāo)，產(chǎn)生大功率單模式器件。對于該例子，二極管的功率達到10W。在光斑中的現(xiàn)有經(jīng)驗和高效條指這是困難的但潛在可實現(xiàn)的。在二極管功率中的不足量可通過AWG或WDMBC濾光器的更嚴(yán)格的間隔補償。
例如，DAWG混合的目標(biāo)是具有在單模式通光孔中操作高達70％光效率并且發(fā)射超過200W的2GHz信道間隔的30信道器件。2GHz的設(shè)計已經(jīng)被模擬出來并且使用現(xiàn)有的容量是可行的。通過可用的200mm波的尺寸限制最嚴(yán)格的可行間隔(大約1.5GHz)。65％的光效率也是具有挑戰(zhàn)的但也是可實現(xiàn)的。在單模式硅氧化物波導(dǎo)和光纖中的200W是低于理論損壞閾值的限制。
在該例子中的光束混合器具有三個值(level)，包括一偏振和兩個波長值。為了評價光束質(zhì)量，光束傳播因子(BPF)定義為專用的遠場桶(bucket)中的激光光輸出功率除以從混合激光光束的確定的近場出口通光孔輻射出的總的光輸出功率。該遠場桶定義為衍射限制點面積的1.44倍[138] (π/4)(θDLf)2，其中θDL＝2.44λ/D其中λ是激光中心波長，f是用于形成遠場點的光學(xué)焦距，和D是混合的激光束的確定的出口通光孔。
對于該例子，BPF的目標(biāo)是0.60，其對于許多應(yīng)用來說，是有用的數(shù)字。該數(shù)字是可獲得的因為光束混合器輸出是直接來自單模式光纖或準(zhǔn)直射AWG輸出的環(huán)行單模式偏振光束并且在設(shè)計中沒有故意地光束像差元件(beam-aberrating element)。然而，在光束混合器光部件上的要求和公差是相當(dāng)嚴(yán)格的。
在圖13a中顯示了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)概念。第一，大功率、高效激光二極管條1301耦合進入基于PLC的AWG 1302。AWG極其準(zhǔn)確地控制每個發(fā)射器波長并且將它們混合入一單空間模式輸出?；赑LC的AWG 1302也提供集成平臺，其使得新的發(fā)射器體系結(jié)構(gòu)能夠擴展到每個發(fā)射器多瓦特。
接著，經(jīng)由輸出光纖1311耦合AWG 1302的輸出進入準(zhǔn)直并且光束擴展光學(xué)器件1370，傳遞到偏振分光器1360以與來自在正交偏振的相似模式的另一輸出混合。然后，通過轉(zhuǎn)鏡1340a使偏振混合光束偏轉(zhuǎn)進入第二電平波分復(fù)用光束混合器(WDMBC)1380a。WDMBDC 1380a使用薄膜干涉濾光器(TFF)，將該光束和其它相似的光束1330混合。TFF可有效地混合這些窄波段以在嚴(yán)格的波長范圍內(nèi)擴展到千瓦電平。在轉(zhuǎn)鏡的幫助下，WDMBC 1380a的輸出被輸入第三級WDMBC 1380e中。該輸入進一步與其它光束1350混合并且最終總的光功率1390被輸出。
如上面所提到的，三級光束混合器的第一級是偏振多路復(fù)用。圖13b描述了這種偏振多路復(fù)用器1350的概念。在和偏振分光器1360中的正交偏振混合之前，兩個DAWG 1320的輸出光束在光1370中被準(zhǔn)直和擴張以產(chǎn)生混合的輸出光束1375。
圖13c說明了實例5kW系統(tǒng)和它的部件的示意圖。該實施例系統(tǒng)使用32個成對混合的DAWG模塊，經(jīng)由偏振多路復(fù)用進入十六個模塊1350(作為例子僅提及了一個)，其通過五個波長多路復(fù)用模塊1380a-e進一步混合。在每個波長多路復(fù)用模塊1380a-e的三個端口是波長選擇TFF，系統(tǒng)需要總共15個TFF。用于任何光束離開偏振的反射或波長選擇光學(xué)元件的最大數(shù)量是七，最小是零，并且平均是3。這些設(shè)計選擇將依賴于精確的功率級和帶寬要求而改變。
提出的WDMBC方法提供了0.60的專用光束傳播因子，而對單個的子光束的相位匹配上沒有嚴(yán)格的要求。這種被動解決方法最小化了復(fù)雜度并且增強了強度?？山＝鼒鎏畛湟蜃?fill factor)、傾斜、彎曲和相位波動的影響并且進行折中以建立初始光束質(zhì)量預(yù)算。在圖14中說明對于相對近場通光孔的BPF的變化并且對于1.5倍光束腰的通光孔w0理想BPF在0.98最大化。更小近場通光孔截短(clip)光束并增加衍射損失，而更大尺寸減小遠場桶和收集的的尺寸碎片的尺寸。
AWG模塊經(jīng)由單模式光纖(或在自由空間)傳輸單空間模式功率給光束混合器。每個光束通過光束混合器經(jīng)歷許多界，該混合器增加傾斜、彎曲和相位波動(phase ripple)給混合的輸出光束。對于1.5倍光束腰的通光孔，采用如圖15的圖表中所總結(jié)的傳播模式，已分別預(yù)算出降低光束質(zhì)量的像差和BPF，其中傾斜1501、彎曲1502和相位波動1503(8個周期正弦曲線)對BPF的影響被描繪成了量級(magnitude)的函數(shù)。假設(shè)這些像差是隨機的并且互不相關(guān)的以使輸出波前誤差和界的數(shù)量的平方根成比例，是合理的。這些設(shè)計曲線使得可以估計初始的每個光束混合器光學(xué)元件波前誤差預(yù)算。
該系統(tǒng)的近場光束是如圖16a中所示的Gaussian填充近場通光孔，其中通光孔尺寸與1/e2光束腰w0相關(guān)。對于1.5w0的通光孔，理想的光束傳播因子(BPF)在0.98最大化。通過將可接受的非理想(non-idealities)包含在光學(xué)系統(tǒng)中，0.6BPF是可能的。
模擬混合光束的遠場的例子在圖16b中顯示，包括像差，其中BPF＝0.60。非對稱是由于隨機光像差(傾斜、彎曲和相位波動)而致。像差是光束未對準(zhǔn)、光的不完整性和熱感應(yīng)效應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果。
總之，經(jīng)由波長多路復(fù)用的光混合導(dǎo)致可實現(xiàn)的光學(xué)公差并且消除了對于復(fù)雜、主動相位控制的需要，使?jié)M足該系統(tǒng)的BPF要求成為可能。
如前所述，使用一系列偏振和波長光束混合器混合DAWG模塊的準(zhǔn)直(collimated)輸出?，F(xiàn)在將更詳細地考慮這些。
使用透鏡系統(tǒng)，光束混合系統(tǒng)準(zhǔn)直DAWG輸出光束。為了保持每單元面積的功率達到合理的級別(level)，在毫米的數(shù)量級上擴充光束的尺寸。目標(biāo)的功率密度在準(zhǔn)直階段小于每平方厘米數(shù)百瓦，其是足夠的低以允許傳輸透鏡(或多透鏡)的使用。這些透鏡應(yīng)當(dāng)是可調(diào)整的以允許精確的光束排列和調(diào)節(jié)從而使來自所有帶的光束在輸出都相同。
第一多路復(fù)用階段是優(yōu)選地偏振多路復(fù)用，有兩個理由1)在該階段的窄帶寬使偏振濾光器的設(shè)計容易，和2)它使立體光束混合排列的使用容易，其不選擇性地彎曲該光束。
通過傳輸一偏振通過濾光器，同時反射來自濾光器的其它偏振都進入共同的光束，來操作基于薄膜的偏振多路復(fù)用器。偏振多路復(fù)用器可以是單個盤。在這種情況下，可以接近60度的傾斜角來使用它。這種偏振混合器的理論光譜在圖17中顯示。另一可能的實現(xiàn)將使用45度空氣間隔立體光束分離器，其減少導(dǎo)致的光束像差。
隨后的多路復(fù)用步驟是波長多路復(fù)用。在偏振混合之后，來自N個AWG的輸出接著以N/2個光束的形式，每個光束以如圖18中示意地顯示的不同的波段為特征，用于N＝32的DAWG模塊的示例系統(tǒng)。
通過使用多路復(fù)用的多電平，可實現(xiàn)在千瓦范圍中的功率。在一可能實施例中，每個電平使用在圖19a中所示的類型的曲折多路復(fù)用器。在波長多路復(fù)用器1940中，AWG帶1-4，分別由1910a-d指示，依次反射自TFF1930a、1930b和最后的1930c，混合光束在端口1920離開。
使用波長混合的兩個電平，又一可能的實現(xiàn)將首先在四個波段(第一級波段)的組中混合DAWG模塊并且接著混合四個這樣帶進入最后的輸出(第二級波段)。
實際的排列將通過濾光器性能的折中、濾光器功率掌控的能力、小器件尺寸等等來達到。
在第一級多路復(fù)用器的5kW實例中，濾光器必須傳輸60GHz的AWG帶，同時反射一個或更多的其它AWG帶。在帶之間的轉(zhuǎn)換區(qū)域可以是40GHz。說明第一級多路復(fù)用的圖表在圖20中給出。濾光器1反射AWG帶1(集中在100GHz相對頻率)，同時傳輸AWG帶2(中心在200GHz相對頻率)。濾光器2傳輸AWG帶3，同時反射帶1和2。相同地濾光器3增加AWG帶4進入光束。
通常制造這種類型的濾光器，用于在1550-nm波長區(qū)域中的通信應(yīng)用，通常在一側(cè)具有1-2mm的尺寸。例如，大功率應(yīng)用，濾光器必須擴大尺寸以具有更清晰的20-25nm的通光孔(具有均勻的覆蓋性能)，并且在從數(shù)瓦特到數(shù)千瓦的總的功率掌控能力中。第一級多路復(fù)用濾光器在傳輸中需掌控大約500W，并且在反射中直到大約1500W。
使用在圖19b中所示的類型的曲折多路復(fù)用器以產(chǎn)生混合的光束1925，可多路復(fù)用四個第一級器件1940a-d的輸出。排列布置可提供第一級曲折路徑以正交第二級多路復(fù)用的曲折路徑。若使用這種方案，由四個第一級多路復(fù)用器和一個第二級占用的空間將以540mm×180mm×120mm順序。圖19b顯示了帶四個第一級多路復(fù)用器的第二級多路復(fù)用器。
第一級帶由四個信道和總共360GHz的三個靜區(qū)(dead-space)構(gòu)成。第二級濾光器因此必須混合360GHz的帶。在第一級帶之間的靜區(qū)優(yōu)選140GHz。通過使用數(shù)個曲折而不是僅一個，反射的總數(shù)量可減少，相比于使用單個大曲折。其減小了引入的光束變形的數(shù)量，并且因此應(yīng)提高光束質(zhì)量。在公開的體系結(jié)構(gòu)中，最壞情況的光束經(jīng)歷7個反射在偏振混合器中一個，在第一級混合器中三個和在第二級混合器中三個。其和16比較，對于最壞情況光束如果使用單個曲折混合器在偏振混合器中一個，在曲折混合器中15個。
通過使用激光二極管耦合AWG(DAWG)技術(shù)，期望啟動幾類產(chǎn)品。
得自于DAWG的最直接的產(chǎn)品是潛在的大功率單模式光纖耦合(FC)模塊。這些產(chǎn)品可以是當(dāng)今商用的CW光纖激光器(FL)的直接替代品。由于消除了雙包層光纖，它們將帶來波長多樣性(大多FL’s是基于1050-1100nm的Yb)、緊湊、提高的效率和增強的可靠性的優(yōu)勢。
第二類產(chǎn)品將是DAWG的多模式實現(xiàn)，其中光譜多路復(fù)用大面積發(fā)射器以提供來自25-100微米纖芯光纖在100W范圍中的輸出功率。提升單模式操作的限制可使這類器件更小，并且比單模式版本更容易制造。它們?nèi)跃哂斜葌鹘y(tǒng)多模式FC條更高的亮度并且適合許多現(xiàn)在光纖服務(wù)的應(yīng)用。對于要求脈沖輸出或極高的亮度的應(yīng)用，它們用作非常有成本效益的泵浦，用于Yb光纖激光器或盤形激光器。一有趣的特別領(lǐng)域是作為泵浦源，用于放大雙包層光纖中的皮秒(picosecond)或飛秒(femtosecond)脈沖，其中光纖長度必須保持極短以減輕脈沖扭曲，對于其，非常亮的泵浦是有優(yōu)勢的。多模式DAWG可以是項關(guān)鍵技術(shù)，其啟動商用可行性、高-平均-功率超短脈沖源。
這種窄波長高亮度泵浦技術(shù)可用許多方式來提高光纖激光器的效率。首先，嚴(yán)格的波長控制使它們適合用于窄976nm鐿線的光抽運，其比更寬的915nm線具有更好的量子數(shù)虧損和更高的吸收率。第二，高亮度允許抽運進入更小直徑的光纖。傳統(tǒng)的條和單反射器，擁有相對較低的亮度，需要大的內(nèi)部包層(典型地直徑中的400-600微米)和高-NA聚合體外部包層光纖，其結(jié)束了具有每單位長度更高的損失的非常長(典型地＞50m)。第三，這些改進的混合轉(zhuǎn)換為帶有更低總吸收和散射和更低閾值功率要求的更短總光纖長度。第四，這些改變將支持在1040nm中的激光發(fā)射，其具有更低的量子數(shù)虧損。例如，在976nm的抽運的影響，相對于915nm和1100nm，提高量子數(shù)虧損從83％到93％。這些改進的凈影響在80％的范圍內(nèi)啟動光纖激光光-到-光的效率。
最后，單模式或多模式DAWG模塊的光譜多路復(fù)用在不影響光束質(zhì)量的情況下能實現(xiàn)更高的輸出功率。例如，它使光譜MUX許多多模式DAWG以產(chǎn)生2-5kW的工業(yè)截斷/焊接直接二極管方案成為可能，其極其可靠并且有成本效益。這可能是對當(dāng)今的正在開發(fā)的基于FL結(jié)構(gòu)的吸引人的替代，其中許多100-200W單模式光纖激光器空間混合進入多模式輸出。
DAWG模式對于各種市場中的突破產(chǎn)品是令人感興趣的。單模式DAWG可替代光纖激光器，用于非金屬標(biāo)記、鉆孔和其它材料處理應(yīng)用。多模式DAWG也可用于低亮度材料加工應(yīng)用。而且多模式(或單模式)DAWG可空間或光譜混合以達到千瓦級金屬材料加工市場。最后，DAWG可實現(xiàn)更高效率、更高亮度、更大功率的光纖激光。
權(quán)利要求
1.一種大功率激光源，其包括第一芯片，其包括多模式半導(dǎo)體波導(dǎo)，用于在預(yù)定波段中提供增益，其中每個半導(dǎo)體波導(dǎo)在一端具有第一反射體；第二芯片，其包括具有輸入端口和輸出端口的陣列波導(dǎo)光柵，所述輸入端口耦合到所述半導(dǎo)體波導(dǎo)；第二反射體，其被布置以接收來自所述陣列波導(dǎo)光柵輸出端口的光，并且將所述光的一部分反射回進入所述陣列波導(dǎo)光柵，因此連同所述第一反射體限定了激光腔；其中，所述半導(dǎo)體波導(dǎo)的尺寸被設(shè)置成支持具有波長在預(yù)定波段的光的多個橫向模式的傳輸；并且在所述第一芯片上的多個橫向模式被光學(xué)耦合到所述第二芯片上的所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸入端口。
2.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，進一步包括額外的半導(dǎo)體波導(dǎo)，其中所述半導(dǎo)體波導(dǎo)之間的間隔是非均勻的，以使獲得橫跨所述第一芯片的設(shè)定的溫度梯度。
3.如權(quán)利要求2中所述的大功率激光源，其中所述設(shè)定的溫度梯度是常數(shù)。
4.如權(quán)利要求2中所述的大功率激光源，其中所述設(shè)定的溫度梯度近似為零。
5.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，進一步包括用于將所述半導(dǎo)體波導(dǎo)耦合到所述陣列波導(dǎo)光柵的耦合裝置，其中所述耦合裝置選自包括平面鏡、柱狀鏡、二維透鏡、多模式干涉區(qū)域、蝕刻進入所述第一芯片的集成快軸透鏡、和蝕刻進入所述第二芯片的集成快軸透鏡構(gòu)成的組。
6.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中將所述第二反射體定位在緊靠所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸出端口。
7.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中將所述第二反射體定位在被耦合到所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸出端口的輸出光纖中。
8.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，進一步包括用于將所述半導(dǎo)體波導(dǎo)耦合到所述陣列波導(dǎo)光柵的耦合裝置，其中所述耦合裝置包括集成在所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸入端口中的平面自聚焦透鏡。
9.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中所述半導(dǎo)體波導(dǎo)具有寬度朝著所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸入端口增加的光斑。
10.如權(quán)利要求9中所述的大功率激光源，其中所述光斑重疊以在所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸入端口形成連續(xù)的區(qū)域。
11.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中所述半導(dǎo)體波導(dǎo)被光學(xué)耦合到所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸入端口的星形耦合區(qū)域。
12.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸出端包括單模式輸出波導(dǎo)。
13.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸入端口包括平板波導(dǎo)。
14.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸入端口包括陣列波導(dǎo)光柵的星形耦合區(qū)域。
15.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中所述多模式干涉區(qū)域支持多種波長。
16.如權(quán)利要求1中所述的大功率激光源，其中所述陣列波導(dǎo)光柵的所述輸出端口在所述第二芯片邊緣的外面具有焦點，以減小在所述第二芯片內(nèi)的光場強度并且提供到光纖的光耦合。
17.如權(quán)利要求12中所述的大功率激光源，進一步包括額外的陣列波導(dǎo)光柵，其中每個陣列波導(dǎo)光柵傳輸通過那里的不同波段，并且所述單模式輸出波導(dǎo)在波長混合器中結(jié)合進入單模式混合輸出波導(dǎo)，所述單模式混合輸出波導(dǎo)耦合到單模式光纖。
18.如權(quán)利要求12中所述的大功率激光源，進一步包括額外的陣列波導(dǎo)光柵，其中每個單模式輸出波導(dǎo)在所述第二芯片的邊緣終止，用于耦合到單個輸出光纖的多模式纖芯。
19.如權(quán)利要求18中所述的大功率激光源，其中所述單模式輸出波導(dǎo)在所述第二芯片的邊緣形成二維陣列。
20.如權(quán)利要求18中所述的大功率激光源，其中每個單模式輸出波導(dǎo)在所述第二芯片的所述邊緣終止，用于耦合到單個輸出光纖的矩形多模式纖芯。
21.如權(quán)利要求12中所述的大功率激光源，其中所述單模式輸出波導(dǎo)在所述第二芯片的邊緣終止，以在單模式光纖陣列的第一端與單模式光纖對準(zhǔn)。
22.如權(quán)利要求21中所述的大功率激光源，其中配置所述單模式光纖陣列的第二端以使所述單模式光纖形成二維陣列，用于耦合進入單個光纖的多模式纖芯。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于激光二極管陣列波導(dǎo)光柵(DAWG)的大功率半導(dǎo)體激光器，其中使用在外腔結(jié)構(gòu)中的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)穩(wěn)定波長。本發(fā)明的另一個方面涉及用于有效地耦合光增益元件陣列到AWG。又一特征提供有效的且亮度保持的多個大功率DAWG激光混合進入單個輸出。
文檔編號H01S5/20GK1976146SQ20061014974
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者馬丁·H.·姆恩德爾, 大衛(wèi)·J.·島赫綈, 馬修·格倫·彼得斯, 維克托·羅斯茵, 羅伯特·B.·薩金特, 里恩·馬拉貝拉, 邰闊疇, 布魯諾·阿科里恩, 吳永安, 肯尼思·M.·德澤庫 申請人:Jds尤尼弗思公司