專利名稱：一種獲得寬帶調(diào)制的高功率激光輸出的方法及相應裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體激光調(diào)制領(lǐng)域，特別是涉及一種獲得高功率(至少為瓦級)外 調(diào)制激光輸出的方法和一種小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代激光主動成像系統(tǒng)中，為了進行遠距離、高精度的目標成像，對高功率激光 發(fā)射機的輸出進行寬帶的光強調(diào)制是其中的一個關(guān)鍵，這要求我們設(shè)計并采用合適的激光 強度調(diào)制方法。而以目前來講，獲得寬帶調(diào)制的高功率激光仍是一個難點。在現(xiàn)有技術(shù)中， 最初的調(diào)制方案是采用電源直接調(diào)制方式對808nm的高功率半導體激光進行內(nèi)調(diào)制，并且 在主動成像系統(tǒng)中獲得了一些實驗結(jié)果。但是，這種調(diào)制方法在出光功率、調(diào)制速率、帶寬 等方面都具有很大的瓶頸，難以滿足遠距離、高精度激光成像系統(tǒng)的需求。目前用于調(diào)制式激光主動成像系統(tǒng)的最有希望的光束調(diào)制方法是“外調(diào)制”，我們 將其概括分為“直接外調(diào)制”和“間接外調(diào)制”兩類。“直接外調(diào)制”是指利用電光、聲光等 效應直接對高功率激光進行強度調(diào)制?！伴g接外調(diào)制”則是指首先對低功率激光進行調(diào)制作 為“種子”光，然后再對“種子”光輸出進行光放大的調(diào)制方式?！爸苯油庹{(diào)制”包括體調(diào)制和波導調(diào)制。對于體調(diào)制，由于采用大塊晶體作為光束 調(diào)制的媒介，調(diào)制光功率達到十數(shù)瓦以上的高功率是沒有問題的。但是，它需要很高的半波 電壓(高達上百伏)是其最大的缺陷，這意味著系統(tǒng)的功率消耗水平將大大增加，負擔大大 加重。再加上這種器件的調(diào)制帶寬往往受到較大限制，體積較大、高頻調(diào)制時效率低，也不 易獲得好的輸出光束質(zhì)量，所以這種調(diào)制方法對于高功率激光的寬帶調(diào)制來講是難以實用 的。對于波導調(diào)制，由于波導的長度遠大于其截面寬度，因而半波電壓可以降低到僅有幾 伏，光纖內(nèi)進行光合束也要簡單得多，可以保證很好的光束質(zhì)量。但是由于波導截面很小， 為避免光損傷，一般被調(diào)制的光功率達到數(shù)百毫瓦已經(jīng)很難?！伴g接外調(diào)制”可歸結(jié)為使用“種子”激光+光纖放大的方案來實現(xiàn)高功率的寬帶 調(diào)制激光輸出，即首先利用波導調(diào)制的良好調(diào)制特性，對低功率水平的半導體激光進行調(diào) 制來作為種子激光，然后使用光放大器對輸入到它之中的種子光進行放大獲得高功率的調(diào) 制激光。目前，“種子”激光一般是采用半導體激光(LD)與M-Z = LiNbO3波導調(diào)制器的組合 來實現(xiàn)。光放大器則使用性能良好的高增益摻稀土類光纖放大器。摻稀土類光纖放大的技 術(shù)目前相對較為成熟，尤其是 1550nm 的EDFA (Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，摻 鉺光纖放大器)，已在光纖通信的信號中繼中取得非常成功的應用。對摻鉺光纖放大器來 講，目前所見的最大輸出光平均功率可以達到相對較高的40dBm(10w)。然而，目前只有很 少的光波段具有與之相應的放大光纖(例如摻鉺1550nm，摻鐠1310nm)，也就是說，采用 光纖放大的方法并不能獲得所有波段的調(diào)制光。對于激光主動成像系統(tǒng)來講，處于大氣窗 口的激光波段是十分重要的，然而，光纖放大對光波段的限制嚴重制約了正在興起的光強 調(diào)制式激光成像系統(tǒng)的拓展。例如，同處大氣窗口，808nm波段相比1550nm波段也同樣具 有很好的空間傳輸特性，而基于上述分析，受光纖放大器內(nèi)部的放大光纖的限制，目前還沒有能夠放大波長為808nm的激光的光纖放大器。因此，對于現(xiàn)有技術(shù)中利用光纖放大器放 大“種子”光實現(xiàn)間接調(diào)制的方案事實上目前還無法滿足許多重要波段的高功率激光調(diào)制 需求。另外，光纖類產(chǎn)品在太空中的激光成像系統(tǒng)中的應用也會受到空間輻射的影響，這也 進一步限制了 “間接調(diào)制”的可能應用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種獲得寬帶調(diào)制的高功率激光的方法以及相應的光源裝置。這種方 法所輸出的激光，其波段原則上幾乎可以覆蓋半導體激光的所有波段，而不會受到光纖放 大器的波段限制和輸出光功率限制，其用途主要是為激光成像系統(tǒng)提供性能良好的強度調(diào) 制激光光源。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方案提供了獲得高功率外調(diào)制激光輸出的方法，技術(shù) 方案為使多個半導體激光LD單元以非鎖相形式發(fā)出激光，入射到與所述LD單元相對應的 多個電吸收調(diào)制(Electro-absorption Modulator，以下簡稱EAM)單元中；將寬帶RF調(diào)制 信號并聯(lián)加載于所述各個EAM單元上分別對所述各個LD單元的輸出光進行光強調(diào)制；使用 多個光放大單元分別對各個調(diào)制后的激光輸出進行線性放大；對上述多個LD單元、EAM單 元和光放大單元進行組合使其以面陣形式輸出激光；然后對輸出光束進行準直和校正。本發(fā)明的另一方案提供了一種小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置及其構(gòu)成方法， 該小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置包括多個半導體激光單元和多個電吸收調(diào)制單元， 它們生長在同一塊襯底上構(gòu)成電吸收調(diào)制激光線陣；將所獲得的電吸收調(diào)制激光線陣鍵合 于熱沉上，可構(gòu)成電吸收調(diào)制激光線陣條；將多個電吸收調(diào)制激光線陣條以一定間隔(一 般為1.6mm)層疊堆積和固定在同一塊大熱沉上，組成二維陣列形式的電吸收調(diào)制激光發(fā) 射面陣；在電吸收調(diào)制激光發(fā)射面陣的輸出端處集成上面陣排列的該波段半導體光放大 器；最后，對放大后的電吸收調(diào)制激光發(fā)射面陣的輸出端放置光束準直和校正器件。根據(jù)本發(fā)明實施例提供的獲得寬帶調(diào)制高功率激光輸出的方法和相應的光源裝 置，是建立在電吸收調(diào)制原理和高功率半導體陣列激光器的實現(xiàn)原理而提出的。可以說，使 用本發(fā)明實施例所提供的方法和裝置原則上可以輸出所有半導體激光波段的高功率的調(diào) 制激光。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施方式的獲得寬帶調(diào)制的高功率激光輸出的方法流程圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明一實施例提供的小型集成化寬帶調(diào)制高功率激光光源裝置的 構(gòu)成方法的流程圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例提供的小型集成化寬帶調(diào)制高功率激光光源裝置的EML 單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例提供的小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置的EML線陣條 的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例提供的小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置的二維層疊 EML陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明實 施例提供的小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置的EML面陣示意圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例提供的小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例做進一步說明。圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施方式的獲得高功率外調(diào)制激光輸出的方法的流程圖。如圖所示，本發(fā)明一實施例提供的一種獲得寬帶調(diào)制的高功率激光輸出的方法包括以下步 驟步驟S11，利用多個LD單元分別以非鎖相的形式發(fā)出激光。各個LD單元上覆有電 極，將驅(qū)動電流信號并聯(lián)加載到各個LD單元的電極上，驅(qū)動LD單元來獲得激光。各個LD 單元之間不進行鎖相，這就使得各個LD單元的輸出光的初始相位雜亂。將各個LD單元所 發(fā)出的激光分別入射到與之相對應的多個電吸收調(diào)制(Electro-absorption Modulator, 以下簡稱EAM)單元中。步驟S12，將寬帶RF調(diào)制信號并聯(lián)加載于各個EAM單元的電極上，來分別對各個 LD單元的輸出光進行光強調(diào)制，獲得多個電吸收調(diào)制的激光輸出。RF調(diào)制電源以并聯(lián)形式 加載于各個EAM單元，無需較高的RF調(diào)制電壓，既可實現(xiàn)高調(diào)制帶寬和高調(diào)制頻率。步驟S13，使用多個光放大單元對各個電吸收調(diào)制的激光輸出分別進行線性放大， 使得各個由LD單元、EAM單元和光放大單元構(gòu)成的電吸收調(diào)制激光單元的輸出功率得到增 力口。在欲獲得某一具體功率的調(diào)制激光的情況下，加入適當?shù)墓夥糯髥卧梢栽黾痈鱾€由 LD單元和EAM單元組成的發(fā)光單元的輸出功率，從而有效降低發(fā)光單元總數(shù)。步驟S14，將多個經(jīng)光強放大后的電吸收調(diào)制激光單元以面陣形式組合并輸出激 光，使各個發(fā)光單元排列緊湊。步驟S15，對各個放大后的調(diào)制激光輸出光束進行方向準直和視場校正。各個發(fā) 光單元的輸出光束經(jīng)過準直后以接近相同的發(fā)散角出射，各個發(fā)光單元的出射光束相互交 疊，由于各光束的初始相位雜亂，大量的光束相互相干疊加的結(jié)果是在遠場具有均勻的激 光視場?？梢岳霉鈱W系統(tǒng)對輸出光束的視場進行校正，以獲得我們在實際中所期望獲得 的激光視場覆蓋范圍。根據(jù)本發(fā)明一實施例的獲得寬帶調(diào)制的高功率激光輸出的方法所得到的激光功 率與所述發(fā)光單元的數(shù)量有關(guān)，一般來講，商用的分布反饋式半導體激光器(Distributed Feedback-Laser Diode，簡稱DFB-LD)的輸出功率很難超過10mw，經(jīng)電吸收調(diào)制后的輸出 光功率為數(shù)毫瓦，如果構(gòu)成面陣的發(fā)光單元數(shù)達到數(shù)百只以上即可實現(xiàn)數(shù)瓦的高功率激 光輸出。在我們所論述的方法中，還使用了如半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，簡稱S0A)的光放大單元，一般來講目前技術(shù)下的SOA有能力實現(xiàn)10倍左右的 光功率放大，這將有可能使發(fā)光單元數(shù)降低10倍左右。同時，對于不同的具體應用背景，所 使用的調(diào)制信號一般是不盡相同。本發(fā)明所論述的方法應具有電吸收調(diào)制的調(diào)制性能，有 能力實現(xiàn)數(shù)十GHz的調(diào)制帶寬。本發(fā)明實施例提供的獲得高功率外調(diào)制激光輸出的方法相對于“間接外調(diào)制”的 調(diào)制種子光+光纖放大器方案，可以克服不能獲得許多重要波段的調(diào)制激光的缺點，還克服了在許多光纖受限的應用領(lǐng)域(例如光纖在太空中應用會受到太空輻射的影響)下進 行高功率激光調(diào)制的缺陷；相對于“體調(diào)制”這種“直接外調(diào)制”方法，具有更高的調(diào)制帶寬 和調(diào)制頻率以及更好的光束質(zhì)量；而相對于“電源直接調(diào)制”這種“直接內(nèi)調(diào)制”方法，具有 整體上更好的調(diào)制性能以及更高的輸出功率。 圖2為根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的獲得寬帶調(diào)制的高功率激光輸出裝置的流程 圖。如圖所示，該實施例提供的能夠獲得寬帶調(diào)制的高功率激光輸出裝置的流程包括以下 步驟步驟S201，利用現(xiàn)代半導體外延生長工藝生長出多個電吸收調(diào)制激光(EML)線 陣。所述的EML線陣是多個EML單元以一維線陣方式的排列，每一個所述的EML單元由一 個LD單元(例如，DFB-LD單元)和與之相應的EAM單元組成。本實施例LD單元和EAM單 元是在同一塊襯底上利用外延工藝生長而成的，這樣可以減小插入損耗，增加結(jié)構(gòu)的緊湊 性和各單元之間對應的準確性。各個DFB-LD單元所發(fā)出的激光是不進行鎖相的，當激光通 過EAM單元時受到調(diào)制，這兩種單元的有序結(jié)合即構(gòu)成EML單元結(jié)構(gòu)。步驟S202，將步驟S201所獲得的多個EML線陣分別鍵合固定于各自的熱沉上，構(gòu) 成多個EML線陣條。所構(gòu)成的各個EML線陣條具有相同的發(fā)光單元數(shù)量，鍵合于熱沉的目 的是為了方便于散熱。步驟S203，將多個EML線陣條以一定間隔(一般為1. 6mm)層疊堆積和固定在同一 塊大熱沉上，組成以二維面陣形式發(fā)光的EML面陣。步驟S204，在EML面陣的輸出端處集成上以面陣排列的半導體光放大器(SOA)，所 述的EML面陣的每一個發(fā)光單元都受到一個與之對應的SOA單元對其輸出光進行線性功率 放大。步驟S205，在EML面陣的輸出經(jīng)過光放大后的輸出端處安置光束準直和校正器 件。一般可采用微透鏡陣列對光束進行準直，以使各個發(fā)光單元的出光具有大致相同的發(fā) 散角，最后可設(shè)計外部光學系統(tǒng)校正光束的視場角。本發(fā)明一實施例的寬帶調(diào)制的高功率激光輸出裝置可以實現(xiàn)超過50條的EML線 陣條層疊串接，而每個EML線陣條又可以具有數(shù)十至數(shù)百個發(fā)光單元，這樣可以依據(jù)需求 選擇適當?shù)腅ML線陣條的數(shù)量和長度，再考慮到SOA的放大，形成的面陣的調(diào)制光源的峰值 功率可以較輕松達到IOw以上。由于各發(fā)光單元以“非鎖相”形式發(fā)射激光，這樣的結(jié)果是各個發(fā)光單元初始相位 雜亂，大量發(fā)光單元的光場之間相互疊加，表現(xiàn)為近似均勻的非相干光源的輸出特性，經(jīng)過 準直和校正后在遠場形成近似均勻的光照明，避免了單一點光源的光場強度分布的高斯特 性(非均勻)。利用此種非相干光源可避免相干光照明成像的圖像空間分辨力差的問題，更 適合于激光主動成像。在本發(fā)明實施例中包括有多個EAM單元。EAM單元是利用半導體材料的電吸收效 應實現(xiàn)光強調(diào)制的器件，一般為多量子阱或應變量子阱電吸收調(diào)制單元。由于EAM的材料 與該應用波段的半導體激光器的材料是一致的，在制造工藝上也具有兼容性，因此，以目前 的技術(shù)可以較容易地實現(xiàn)半導體激光單元11和EAM單元12的單片集成，構(gòu)成EML單元結(jié) 構(gòu)。圖3為根據(jù)本發(fā)明一實施例提供的EML單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，將一個EAM單元12集成于相應的半導體激光單元11的輸出端，構(gòu)成EML單元10。目前，量子阱結(jié) 構(gòu)的EAM性能更突出，一般結(jié)構(gòu)上都是采用多量子阱或應變量子阱。EML是在同一外延層 上生長成的EAM單元12與分布反饋式半導體激光器的單片集成器件，圖3即是一個典型由 DFB-LD作為源的EML結(jié)構(gòu)。將EML單元10排列成一維陣列，在襯底15上生成長EML線陣 條20，如圖4所示。在半導體激光單元11和EAM單元12之間設(shè)置有隔離槽14，在EML線陣條20的出 光面上具有多個發(fā)光單元13，各發(fā)光單元13間相距數(shù)百微米。發(fā)光單元13與半導體激光 單元11和EAM單元12相對應，也即發(fā)光單元13中包括相應的半導體激光單元11和EAM單 元12。對各個EML線陣條20進行固定，例如將各個EML線陣條20鍵合于熱沉(heat sink) 上。將各個EML線陣條20以一定的間隔，例如以1. 6mm左右的間隔，層疊組裝，然后鍵 合于同一個大熱沉23上，即構(gòu)成圖5所示的二維層疊陣列結(jié)構(gòu)，也即構(gòu)成如圖6所示的EML 面陣30，圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例提供的電吸收調(diào)制激光器面陣示意圖，圖中僅示例性地 示出4X4面陣調(diào)制光源。在大熱沉23的內(nèi)部可以安裝冷卻裝置24，特別是主動冷卻裝置 (如水冷)，對器件進行散熱冷卻。還可考慮采用微溝道結(jié)構(gòu)來增加散熱面積。當然大熱沉 23也可以用任何其它能夠散熱的裝置來代替?？梢栽贓ML線陣條20之間設(shè)置絕緣板22， 因為EML線陣條20上都有電極，需要進行電隔絕。圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例提供的小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖。在光源裝置100的EML面陣30的光輸出端處可以安置微透鏡陣列17，使各個發(fā)光單元 13的出光具有大致相同的發(fā)散角，最后可利用外部光學系統(tǒng)校正發(fā)射光的視場角。除了具 有大致相同的光束發(fā)散角，各發(fā)光單元13在諸如輻射功率、初始相位等方面并不需要保持 一致性，這使得實現(xiàn)容易許多。為提高調(diào)制激光源的發(fā)射功率，在EML面陣30的輸出端處 集成SOA 16，以提高單個發(fā)光單元13的輸出功率，這樣在輸出相同功率的激光的情況下可 以適當減少層疊EML線陣條20的數(shù)量。EML面陣30經(jīng)封裝后大小可以僅為幾個cm，光束 調(diào)制特性好于直接調(diào)制，是一種小型化、集成化的高功率、高品質(zhì)調(diào)制光源裝置。當然，本發(fā)明還可有其 他實施方式，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，所屬 技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
一種獲得寬帶調(diào)制的高功率激光輸出的方法，包括步驟使多個半導體激光LD單元以非鎖相形式發(fā)出激光，入射到與所述LD單元相對應的多個電吸收調(diào)制EAM單元中；將寬帶RF調(diào)制信號并聯(lián)加載于所述各個EAM單元上，分別對所述各個LD單元的輸出光進行光強調(diào)制；使用多個光放大單元分別對各個調(diào)制后的激光進行線性放大；使上述多個LD單元、EAM單元和光放大單元組成的多個放大調(diào)制發(fā)光單元以面陣形式輸出激光；對輸出光束進行準直和校正。
2.一種小型集成化的寬帶調(diào)制高功率激光光源裝置的構(gòu)成方法，包括步驟將多個電吸收調(diào)制EAM單元和多個半導體激光LD單元分別集成于同一塊襯底上，構(gòu)成 多個電吸收調(diào)制激光EML線陣；分別將所述多個EML線陣鍵合于熱沉上，構(gòu)成多個EML線陣條； 將多個所述EML線陣條以一定間隔層疊堆積固定在同一塊大熱沉上，組成二維陣列形 式的EML面陣；在所述EML面陣的輸出端處集成相應的面陣排列的半導體光放大器； 在EML面陣的輸出經(jīng)過光放大后的輸出端處放置光束準直和校正器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的構(gòu)成方法，其特征在于上述將多個所述EML線陣條以一定 間隔層疊堆積固定在同一塊大熱沉上的步驟中，所述一定間隔為1. 6mm。
4.一種小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置，其特征在于包括多個半導體激光LD單元、多個電吸收調(diào)制EAM單元和多個光放大單元， 其中，多個所述LD單元和多個所述EAM單元集成在同一襯底上組成電吸收調(diào)制激光 EML線陣，多個所述EML線陣以一定的間隔層疊堆積固定組成EML面陣； 所述多個光放大單元集成在所述EML面陣的輸出端處。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置，其特征在于，還包括 光束準直和校正器件，其設(shè)置在所述EML面陣和所述多個光放大單元之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置，其特征在于 所述LD單元為分布反饋式半導體激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的小型集成化高功率外調(diào)制光源裝置，其特征在于 所述光束準直和校正器件為微透鏡陣列。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種獲得高功率激光的寬帶調(diào)制的方法，使多個半導體激光LD單元以非鎖相形式發(fā)出激光，入射到與所述LD單元相對應的多個電吸收調(diào)制單元中；將寬帶RF調(diào)制信號并聯(lián)加載于所述各個EAM單元上分別對所述各個LD單元的輸出光進行光強調(diào)制；使用多個光放大單元分別對各個調(diào)制后的激光輸出進行線性放大；使上述多個LD單元、EAM單元和光放大單元組成的多個放大調(diào)制發(fā)光單元以面陣形式輸出激光；然后對輸出光束進行準直和校正。本發(fā)明還提供一種小型集成化的寬帶調(diào)制高功率激光光源裝置及其構(gòu)成方法。本發(fā)明能夠輸出覆蓋整個半導體激光波段的強度調(diào)制高功率激光，具有較高的調(diào)制帶寬、調(diào)制頻率、調(diào)制深度以及好的光束質(zhì)量。
文檔編號H01S5/40GK101847829SQ200910119749
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者姜鵬, 王騏, 陸威 申請人:陸威;王騏;姜鵬