單片式統(tǒng)一高功率錐形激光器實現(xiàn)了真正的單模

Sheaumann 的單片 MOPA 技術為新興應用領域提供了錐形半導體激光器，包括用于自動駕駛汽車的激光雷達。

輸出功率大于 10 W 的多模半導體激光二極管已很容易獲得。然而，無需光泵浦就能在如此大功率水平下工作的單模激光器以前只有大學或政府實驗室才能制造。Sheaumann 正致力于制造一種商業(yè)上可行的單片主振蕩器功率放大器（MOPA），其形式為錐形激光器，功率超過 8 W，可真正實現(xiàn)單縱模運行。這是嘗試開發(fā)可制造、堅固可靠的商用錐形激光器，尤其是在這種功率下。

這張由 Sheaumann Laser 公司開發(fā)的集成錐形激光器示意圖顯示了它的三個主要組成部分；請注意，該示意圖不按比例繪制。

ADAM ERLICH

輸出功率大于 10 W 的多模半導體激光二極管很容易獲得。然而，無需光泵浦就能以如此大的功率水平運行的單模激光器以前只有大學或政府實驗室才能制造。Sheaumann Laser 公司（馬薩諸塞州馬爾堡市）正與馬薩諸塞州洛厄爾大學（馬薩諸塞州洛厄爾市）合作，以錐形激光器的形式制造一種具有商業(yè)可行性的單片主振蕩器功率放大器（MOPA），其功率水平超過 8 W，可進行真正的單縱模工作。

這種錐形激光器是一種單片集成的光子器件，能夠在高功率下實現(xiàn)真正的單模輸出。它包括一個主振蕩器部分，由帶有集成布拉格反射器的種子激光器和功率放大器部分組成。

目前，市場上現(xiàn)有的單模光源功率不足、集成復雜、體積龐大、價格昂貴。Sheaumann 公司的新型單片錐形激光器可提供真正的單模操作，而沒有現(xiàn)有解決方案的缺點。

這種錐形激光器的獨特之處在于它是一種高功率、單片式器件，因此結構緊湊，批量生產(chǎn)成本低。與二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器相比，單片結構的另一個好處是整體效率更高。這是因為 DPSS 激光器采用光學泵浦，而錐形激光器則直接將電能轉換為激光。

開發(fā)細節(jié)

雖然也有其他錐形激光放大器作為獨立解決方案，但它們需要進一步集成，無法實現(xiàn)單片設備的優(yōu)勢。統(tǒng)一結構將占地面積減少了約 2 倍，同時降低了封裝成本。此外，集成結構還能防止獨立組件之間的機械對準誤差，并使其更容易集成到光纖耦合封裝中。創(chuàng)建這種結構并使其協(xié)同工作是一個復雜的開發(fā)過程。

這種集成系統(tǒng)需要大量的建模和實證工作，以同時優(yōu)化組成錐形激光器的三個器件中每個器件的外延和制造。例如，要保持良好的模式結構，就需要優(yōu)化器件各個元件的外延層。在分布式布拉格反射器（DBR）部分設計合適的光柵也同樣重要。這一設計非常復雜，因為需要確定占空比和蝕刻深度等參數(shù)，以產(chǎn)生適當?shù)墓馐阅?，這不僅適用于作為獨立部分的分布式布拉格反射器，也適用于分布式布拉格反射器和放大器之間的相互作用。這是因為 DBR 部分和放大器部分共同形成的空腔長度要大于 DBR 單獨形成的空腔長度。

開發(fā)錐形激光器的另一個關鍵環(huán)節(jié)是正確實施電氣連接和電源管理。主振蕩器部分由帶集成布拉格反射器的種子激光器和功率放大器部分組成。芯片的這一部分需要毫安電流才能工作，而與振蕩器相鄰的是錐形放大器部分，其工作電流為安培。在盡量減少串擾的同時為兩側提供接觸點至關重要，否則會導致種子激光器失效。要在小的半導體空間內(nèi)滿足這些不同的電流要求，需要在電源管理和開發(fā)良好的電氣連接方面采用創(chuàng)新方法。

單片結構的主要優(yōu)勢之一是可以減少封裝的占地面積，并防止獨立組件之間出現(xiàn)機械對齊誤差。Sheaumann 公司的工程師們在開發(fā)集成設備的過程中遇到的一個難題是，既要獲得穩(wěn)定的模式行為和良好的光束質量，又要實現(xiàn)高功率運行。此外，還須以可接受的閾值電流和斜率效率來實現(xiàn)這一功率。

可靠性和使用壽命與適當?shù)臒峁芾碇苯酉嚓P。高功率半導體激光器需要創(chuàng)新的封裝和冷卻技術才能可靠運行。為了散熱，我們開發(fā)了將子安裝件與散熱片連接起來的創(chuàng)新解決方案。此外，為了確保使用壽命和可靠性，還須能夠開發(fā)出能夠承受高功率的刻面涂層。

要開發(fā)出將獨立器件元件作為一個整體的統(tǒng)一結構，尤其是在整個晶圓上生產(chǎn)時，需要精心的設計、規(guī)劃和執(zhí)行。Sheaumann開發(fā)了一套工藝流程，以滿足子元件級和晶圓級每個元件的需求。

技術優(yōu)勢

與同類技術相比，澳門葡京娛樂網(wǎng)址錐形激光器具有許多實際優(yōu)勢。由于錐形激光器是一個單一的集成系統(tǒng)，因此可以封裝成一個緊湊的外形尺寸，并可與光纖耦合。雖然 DPSS 激光器可以實現(xiàn)高功率、單模運行，但 DPSS 通常比錐形激光器至少大一個數(shù)量級，而且效率較低。

目前，常用的真正單模工作光源包括 DBR 二極管激光器、分布式反饋 (DFB) 激光器、脊形激光器和廣域發(fā)射器。4 與單片澳門威尼斯人官網(wǎng)業(yè)激光器相比，DBR 激光器在 500 mW 光譜單模工作時會出現(xiàn)明顯的光譜跳模和較高的熱漂移。雖然脊狀激光器能提供良好的光束質量，但卻無法提供高功率，而廣域發(fā)射器雖然能提供高功率，但光束質量較差，而且會產(chǎn)生災難性光損傷（COD）等不必要的熱效應。

Sheaumann 目前正在開發(fā)一種波長為 1060 nm 的錐形激光器，其他波長從 780 nm 到 1080 nm 也有可能實現(xiàn)。公司很快就能在磷化銦（InP）晶圓上生長，從而將波長范圍擴大到 1875 nm。肖曼公司可以定制這些錐形激光器及其他激光二極管產(chǎn)品，并可靠地大批量生產(chǎn)。