具体实施方式

激光二极管可以根据所选材料而被制造为在宽范围的波长上工作。例如，这种激光二极管可以由 InGaN、AlGaInP、GaAlAs、InGaAs、GaAsP、InGaAsP、InGaAsNSb或GaInAsSb制成，用于从至少约400nm (InGaN)至约3.4μm(GaInAsSb)范围内的激光发射波长。激光发射波长是指激光二极管的实际发射波长。实际发射波长随温度、驱动电流、激光腔长度变化；如本文所用，激光发射波长还指激光二极管可以发射的光谱带宽，其通常根据半高全宽或全宽1/e²强度来量化。

例如，图1示出了从前端面118发射激光辐射114的传统激光二极管112的垂直波导100，该前端面在一个方向上比在正交方向上更长，使得发射的激光辐射114在平行于较长端面尺寸的方向上具有更小的发散度，并且在平行于较小端面尺寸的方向上具有更大的发散度。平行于并沿着较长端面尺寸的轴线称为慢轴120；平行于并沿着较小端面尺寸的轴线被称为快轴124。而且，如图1所示，垂直波导100包括p-n 结的p侧132的p波导130、p-n结的n侧136上的n波导134，以及具有一个或多个量子阱层和其它部分以产生光学增益的有源层138(也称为有源区，并且在描述堆叠的部分时有时省略字层)。n和p波导层以及中间的层统称为波导(即图1中的垂直波导100)。

激光二极管的有源区在固有区，载流子(电子和空穴)分别从n和p区被泵激到该区(即p-n结的相对侧上的n和p掺杂材料)。术语“有源区”通常也用来指产生光增益的激光二极管部分。在量子阱激光器中，量子阱层用作有源区。因此，在下面的示例中，所谓的量子阱激光二极管包括基于量子阱的有源区。

在传统的激光二极管112中，p波导130构成垂直波导100的总厚度的重要部分。换句话说，位于p 侧132和n侧136之间的量子阱或多或少地位于垂直波导100的中间。但如P.Crump等人在“高效高功率激光二极管(Efficient High-Power Laser Diodes)”IEEE量子电子学选题期刊(IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics)第19卷第4期总目次1501211，2013年7-8，在高电流140 处发生的大部分电压和光损耗归因于p波导130的厚度。

一些激光二极管设计试图减小厚度，这使得量子阱向垂直波导的较薄的p侧偏移。大量子阱偏移减小了可归因于p波导的电串联电阻，减小了在大的正向偏置下与p波导中的载流子累积相关联的光损耗和泄漏电流，并且因此导致改进的功率和效率。然而，在LOC结构中向波导p侧偏移的大量子阱导致在垂直方向上出现更高阶模式。对于一阶模式的开始尤其如此，一阶模式在垂直方向上恶化了光束质量并且降低了二极管的功率和效率。

P.Crump等人描述了这样的设计，其具有减小的p波导厚度和试图在垂直方向上产生单模发射的特征。具体地，例如，P.Crump等人的图10(b)所示的设计具有减小的p波导厚度以及在波导和n覆层之间减小的折射率阶梯差(Δn＝0.02)，以便优先地外耦合一(更高)阶光模。这导致在垂直方向上的单模发射，但引起本发明人所理解的某些缺陷。例如，基本模式显着地延伸到覆层中，导致大的，不明确的近场，降低的光束质量，以及来自与覆层重叠的更高的固有损耗。而且，作为相对小的Δn的结果由n覆层提供的小的能量势垒(即，n覆层折射率仅略低于波导的折射率)可能不足以阻挡载流子/空穴泄漏到覆层中，这会由于载流子泄漏而降低激光二极管的固有效率。换言之，存在一个Δn值，低于该值波导支持一个限制模式(即，用于基本模式的单模激光发射的小Δn)并且高于该值波导开始限制一阶模式(即，引起包括一阶模式的多模激光发射的大Δn)。

设计范例1：双覆层结构

图2示出了激光二极管200，其表示特征为双(即，内和外)n覆层结构的设计1a。激光二极管200 包括位于p波导214和n波导216之间的有源区210。n波导216在有源区210和内n覆层220之间。另外，外n覆层230位于内n覆层220和外延层堆叠底部的n衬底240之间。P帽250位于p帽250和p波导214之间的p覆层254的顶部。注意，尽管参考指示为“上方”、“下方”、“上”、“下”、“垂直”、“水平”等的方向描述了这个和其它示例，但是这些术语是为了易于描述而使用，并且不暗示任何特定的空间定向或限制。此外，在这些曲线图中，水平箭头阐明了哪个垂直轴对应于哪个绘图。

图3示出了包括具有外n覆层312和相对薄的内n覆层316的双n覆层结构310的设计1a的曲线图 300。在n和p波导320、326(后者与p覆层338相邻)之间是包括量子阱344的有源区340。n和p波导 320、326和有源区340共同形成波导350。对于相当小的远场发散角，波导350的总厚度保持较大(如在传统LOC设计中)。在这样大的光学腔下，可以支持垂直方向上的多个光模。

由于相对薄的p波导326，量子阱344显著偏移到波导350的p侧，这建立了提高功率和效率的大量子阱偏移。然而，在没有外n覆层312出于以下解释的原因而用于抑制不期望的模式的情况下，大的量子阱偏移将导致一阶模式的限制因子(Γ，测量为光模式与量子阱的重叠)大于或等于基本模式的限制因子—两种模式的激光发射然后将使激光二极管性能劣化。但如图3所示，选择外n覆层312的折射率，使得其既低于基本模式356的有效折射率352，又高于一阶模式370的有效折射率360。外n覆层312的折射率也略低于波导350的折射率。并且内n覆层316的优点将在后面参考图4和5讨论，其折射率基本上低于波导350和外n覆层312的折射率。这样的布置确保基本模式356是波导350的导模，而不期望的模370 是具有高光损耗的反导模(即，漏模)。基本模式356被波导350很好地限制，一阶(和更高阶)模370 以高损耗外耦合到覆层，使得设计1a的激光二极管将在垂直方向上以单模激光发射。

有效折射率352和360帮助说明双n覆层结构如何限定基本模式并拒绝第一(和更高)阶模式。在波导光学的上下文中，术语有效折射率通常被理解为是指与波导模式的传播相关的折射率。有效折射率不仅取决于波长，而且(对于多模波导)取决于光传播的模式。因此，也称模折射率。例如，可用数值模式计算来获得有效折射率。

图4是将设计1a的基本模式356与其中在n波导406和单个n覆层408之间存在相对小Δn 404的另一设计的基本模式402进行比较的曲线图400。如上所述，因为图4的所谓的小Δn设计没有内n覆层 316(图3)，所以其基本模式402显着地延伸414到单个n覆层408中(与基本模式356相比)，从而导致大的近场，减小的光束质量，以及由于与n覆层408重叠而导致的更高的固有损耗。另一方面，如图5的曲线图500所示，大的Δn设计将导致局限于波导550的更高阶模式的激光发射。因此，为了克服小和大Δn设计的缺陷，设计1a具有由内n覆层316提供的高带隙能量势垒，其抑制载流子(空穴)泄漏到n覆层310中，在抑制更高阶模式的同时确保双n覆层激光二极管设计的高固有效率。

图6是示出具有极限量子偏移的设计1b的曲线图600。如在设计1a中，采用双n覆层结构610。与设计1a相比，设计1b具有极薄或没有p波导620。由于与前面讨论的那些类似的原因，设计1b的激光二极管也将以单模激光发射。双n覆层设计1a和1b(一般称为设计1)都提供了对基本模式的充分限制，用于将较小的模式扩展到覆层和定义明确的模式近场，同时通过引入足够的损耗来抑制更高阶模式。

下表提供了设计1a和1b的示例厚度和折射率。

技术人员将理解，通常独立地选择实际层厚度以提供期望的光耦合。可以根据需要调节一些或全部层厚度。通常，内n覆层316，包括其折射率和层厚度的选择，被选择为具有比波导低得多的折射率，并且通常也具有比波导高得多的带隙能量。

图7是示出在p侧而不是n侧的另一种双覆层设计的曲线图700。双p覆层结构710将导致更大的电子泄漏到p覆层中以及从p覆层的明显的模式损耗，但是这种设计仍然实现了类似的模式鉴别，以抑制由于外p覆层712和内p覆层716的位置和折射率而产生的更高阶模式，所述外p覆层712和内p覆层716 在功能上类似于外和内n覆层312、316。

设计范例2：具有高折射率RIP的有源区

在设计范例1中，与传统的LOC激光二极管相比，由于量子阱偏移大，限制因子减小。例如，与传统 LOC设计中的0.5-0.6％相比，设计1a和设计1b的限制因子分别为0.26％和<0.1％。这导致较低的模式增益和增加的阈值电流，并且可能在一些应用中限制激光二极管的功率和效率。

设计范例2(包括变体2a、2b、2c和2d)具有与设计1类似的双n覆层结构，但是具有与有源区相邻的高折射率RIP，该高折射率RIP增强了量子阱处的光学限制，因此提供了更高的模式增益和减小的阈值电流。注意，在图8中，与设计2b相比，设计2a显示为具有更低的总体折射率，但该差异是简单的，使得一种设计不会遮蔽另一种设计-实际折射率可以是类似的。同样地，图10示出了设计2c和2d之间的类似的总体差异，其也是为了清楚而提供的。

图8是示出设计2a和设计2b的曲线图800。在这两种设计中，高折射率RIP包围量子阱844以帮助增加与量子阱的模式重叠并且具有比波导850的折射率更高的折射率。换言之，高折射率RIP用作更高折射率层以帮助提高限制因子。

在设计2a中，高折射率RIP是阶梯折射率层862。在设计2b中，使用渐变折射率RIP870。两种设计的限制因子均为0.52％，约为设计1a的两倍。其他可能的设计包括：与设计2a类似的设计，但是具有围绕有源区的非对称高折射率阶梯折射率RIP，即p侧的阶梯折射率层比n侧的阶梯折射率层薄或者没有厚度；和与设计2b类似的设计，但是具有更快的折射率梯度或者没有厚度的渐变折射率RIP的p侧。

图9的曲线图900示出设计2a和2b的RIP导致垂直远场中的高角度旁瓣，但是这些旁瓣仅包含总功率的一小部分。例如，对于两种设计，约1％的功率被包围在旁瓣中。换言之，假设在高的远场角处的功率损失，旁瓣占设计1a的约1％的功率损失。

图10的曲线图1000示出了设计2c和2d的RIP，每个都具有极端量子阱偏移。因为具有极端量子阱偏移的设计中的限制因子是低的，例如设计1b中的限制因子(＜0.1％)，所以在图10中修改了量子阱1044 周围的折射率分布。

设计2c包括在量子阱1044的任一侧上的高折射率阶梯折射率RIP层1062，其类似于先前描述的设计 2a。设计2c具有0.26％的限制因子，其与设计1a的限制因子相同，即使完全去除p波导。设计2c还可以具有围绕有源区的非对称阶梯折射率RIP，即p侧上的阶梯折射率层比n侧上的阶梯折射率层薄或者没有厚度。

设计2d包括非对称渐变折射率RIP层1070，该层的p侧具有更快的折射率梯度或者没有厚度。非对称RIP层的目的是在最小化p波导厚度的同时提高限制因子。具体地，在设计2d中，在极限量子阱偏移设计中实现了0.38％的限制因子，这与设计2c相比有很大的改进。然而，在其他设计中，可以使用对称渐变折射率RIP层(未示出)或其他类型的RIP层以提高限制因子。

图11的曲线图1100绘出设计2c和2d的模型化垂直远场强度分布。两种设计在高角度旁瓣中具有小的功率损耗，其中设计2c具有小于1％的功率损耗，设计2d具有小于2％的功率损耗。

根据该设计范例2的变体的示例厚度和折射率，除了围绕量子阱的薄的高折射率RIP，这样的厚度和折射率将类似于表1和表2的那些。

设计范例3：具有非对称折射率的双波导结构

图12是示出设计范例3的RIP的曲线图1200。该设计包括双波导1250，该双波导1250包括外n波导层1260、内n波导层1262，以及在波导1250的p侧上向薄的p波导1266偏移的大量子阱。

外n波导1260具有比内n波导1262和薄的p波导1266略低的折射率。因此，双波导1250关于折射率是非对称的，因为它们在波导1250的相对侧上不同。如以下段落中所解释的，在外n波导1260中存在基本模式的有效功率。因此，不将外n波导层1260称为内n覆层。然而，不管它被称为内n覆层还是外n 波导在很大程度上与操作原理无关：与设计范例1和2相反，基本和更高阶(即，一阶)模式都是设计范例3中的限制模式。在设计范例3中，一阶模式不是因为它是外耦合的，而是因为它的模式增益低于基本模式的模式增益。

在双波导1250下，基本模式1256倾向于与内n波导1262的更高折射率区域重叠更多，而一阶模式 1270与外n波导1260的更低折射率区域重叠更多。与相同厚度和量子阱偏移的对称波导下的0.2％相比，特定结构的基本模式1256具有0.5％的增强限制因子。一阶模式1270具有0.3％的限制因子，从对称波导中的0.4％显著降低。由其相对于一阶模式1270的增加的模式增益产生基本模式1256的增强的模式鉴别，从而允许激光二极管在垂直方向上以单模运行。为了比较，设计范例1和2通过增加一阶模式的损耗来实现基本模式的增强的模式鉴别。

下表提供了设计3的示例厚度和折射率。

设计范例4：具有对称折射率的双波导结构

图13是示出设计范例4的RIP的曲线图1300。该设计包括由通过薄覆层1354分离的两个波导形成的双波导1350，其相比于较厚波导1362更朝向较薄波导1360偏移。较厚波导1362包括位于薄覆层1354右侧的n波导和p波导1366。与双波导1350相比，薄覆层1354具有较低折射率(通常也具有较高带隙能量)。量子阱偏移于具有非常薄的p波导1366厚度的双波导1350的p侧。

在两个波导中具有不等厚度的双波导下，一阶模式1370与较薄的波导1360更多地重叠到薄覆层1354 的n侧，而基本模式1356倾向于与较厚波导1362更多地重叠到覆层的p侧。对于图13的特定结构，基本模式1356具有0.4％的增强限制因子，一阶模式1370具有0.2％的限制因子，导致模式之间的改进的模式鉴别，以及在垂直方向上的单模操作。

为了表征根据一个示例的上述改进，注意，在具有小于0.9cm^–1固有模式损耗的激光器结构中，产生大于两倍(或更高)阈值(下面解释)的模式鉴别因子被认为是单模操作的良好模式鉴别。在该阈值处，更高阶模式被认为是被抑制的，这是一个实际问题。然而，本领域技术人员将理解，其他阈值可以适用于不同的应用，以便将更高阶模式的阈值电流增加到高于基本模式的阈值电流的期望量。实际上，阈值电流与限制因子(模式增益)以及固有模式损耗(不同的模式具有不同的损耗)有关，因此阈值电流并不单独依赖于限制因子。具有大于基本模式的阈值电流的约两倍或三倍的阈值电流的更高阶模式根本不会激光发射，也就是说，这样的范围是实现特定的，并且不需要与限制因子直接对应。

精心选择覆层1354的厚度和折射率以实现基本和一阶模式之间的最大模式鉴别-太薄的一层将降低模式鉴别，但是太厚的一层将导致限定在单独波导中的模式，这偏离LOC设计原理。换句话说，如果覆层1354 太厚，那么这将导致两个未耦合的波导，其中光被限制到具有量子阱的一个波导，使得双波导设计范例不可操作。

下表提供了设计4的示例厚度和折射率。

激光二极管组件

前述设计范例尤其适用于光纤耦合泵产品，例如可从申请人华盛顿州温哥华市的nLIGHT公司获得的和pearl^TM激光二极管。例如，通过以高效率增加每个单发射极二极管的输出功率并且不修改泵设计或零件计数来缩放功率的能力显着地降低了泵成本(每瓦成本)。而且，改善的效率有助于降低能量消耗并延长并入这种装置的激光二极管和激光二极管产品的寿命。

参考图14A，参考右手xyz坐标系1480描述激光二极管组件1400，其中z轴向上延伸出图14A的平面。激光二极管组件1400包括相干激光二极管组1402-1405，相干激光二极管组1402-1405被布置为向对应的相位掩模、反射器以及快慢轴准直器1412-1415发射激光束。例如，组1402的激光二极管沿x轴方向发射光束，该光束然后被组1412的相应反射器重定向，以便沿y轴方向传播。每组的激光二极管沿着z 轴与同一组的其他激光二极管移位或偏移，并且相关联的反射器被定位成使得来自该组的激光束不被这些反射器阻挡。如图14B所示，该组激光二极管1402固定到阶梯状基座1420以提供合适的z轴偏移；为其余的激光二极管组提供类似的基座。为方便起见，示出了每组最底部激光二极管的光束传播轴线1422-1425；每组其余激光二极管的光束传播轴是相似的，但沿z轴偏移。

将来自该组激光二极管1402的激光束引导至半波延迟器1430，然后在偏振分束器1432处与来自该组激光二极管1403的激光束组合，使得垂直堆叠的一组光束入射至可以作为一对柱面透镜提供的光束间隔压缩器1440。来自该组激光二极管1405的这些激光束由该组1415的反射器引导至半波延迟器1434并且然后在偏振分束器1435处与来自该组激光二极管1404的这些激光束在由该组反射器1414重定向时组合，这样使得垂直堆叠的光束组入射至光束压缩器1440。

实验和模拟结果：设计范例1和2

本公开的LOC激光二极管由于来自减小的串联电阻的较低工作电压和来自较低光损耗的较高斜率效率 (即，来自阈值电流以上的激光功率特性的线性部分的功率/电流的斜率效率)而改进了功率和效率。设计范例1和2的激光二极管性能已经使用自相一致物理基的激光二极管仿真工具进行了模拟。为了比较，还提供了传统LOC激光二极管的模拟结果。

图15绘出了对于传统LOC设计和遵循设计范例1的双覆层薄的p波导范例的若干薄的p波导设计，作为驱动电流的函数的模拟激光二极管电压。由于空穴的低迁移率，传统LOC中的大部分电阻来自相对厚 p波导。如图15所示，使p波导变薄显着地降低了串联电阻，因此降低了激光二极管中的电压。

在传统LOC中，特别是在高功率高电流操作下，偏置驱动的载流子泄漏到p波导中是主要的功率和效率减损器。图16示出在高功率操作下传统LOC激光二极管设计的模拟电子、空穴浓度和导带边缘。出现带弯曲(图中的导带边缘)，导致增加的载流子泄漏和p波导中的累积(电子和空穴两者，如图中所示)。这通过在p波导中的自由载流子吸收(尤其是价带间吸收)引起增强的光损耗，并且由于在高注入电流下显著累积的载流子而表现为随着增加的电流的功率饱和。在诸如设计范例1中的LOC结构中减少p波导被示出为减轻较薄的p波导中的带弯曲和载流子累积，这在图17中的仿真结果中得到证实。在高注入电流下，由于减少的光损耗，功率饱和效应被最小化并且效率被显著改善。

为了确认性能，已经测试了基于设计范例1的LOC激光二极管。图18示出了对于976nm激光二极管的几种薄的p波导设计的测量电压，该激光二极管被制造为具有200μm(慢轴宽度)的条带宽度。与传统 LOC设计相比，在最薄的p波导设计中观察到高达5.3％的电压降低。图19画出最薄的p波导设计的测量的快轴远场，它不仅显示与在传统LOC设计中相当的远场发散角，而且还显示对于高达25A的所有测量电流在垂直方向上的单模操作。

图20示出对于传统LOC设计和对于根据设计2a构造的激光二极管设计的作为驱动电流的函数的测量的激光二极管功率和电压。还示出了标准(即，参见图15中的传统LOC)装置的结果。根据标准装置与根据设计2a实现的装置的比较，该曲线图示出了由设计2a实现的电压降低。这是使p波导厚度变薄的结果。

由于电压降低，所以与设计2a相关的效率(参见图21)较高。具体地，图21示出对于传统LOC设计和根据设计2a构造的激光二极管设计的作为驱动电流的函数的测量的电光功率转换效率。电光功率转换效率定义为输出功率除以电压和电流的乘积。光功率通常使用热电堆测量。传统的LOC装置在大约6.5A 和更高的电流下表现出较低的效率。

最后，如图22的快轴远场所示，尽管p波导显著变薄，装置仍然保持单模操作。因此，图22绘出了根据使用最薄的p波导设计的设计2a构造的激光二极管的测量的快轴远场，并且还示出了在垂直方向上的单模操作。

结论

技术人员将理解，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。例如，图23示出了表示图3和图12中所示的特征的组合的另一实施例。具体地，曲线图2300示出了双n 覆层(类似于图3所示)和双波导(类似于图12所示)。这些特征的组合提供了可归因于双n覆层滤波的进一步的模型鉴别和可归因于双波导的限制因子区别，如先前分别结合设计范例1a和3所解释的。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求来确定。