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光学模块设备

阅读：181发布：2020-08-14

专利汇可以提供光学模块设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供了光学模块设备。该光学模块设备包括由长度、宽度和高度表征的形状因子，该设备包括：支撑件；覆盖该支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，该多个激光二极管装置中的每个被构造为发射激光束；具有非引导特性的自由空间，能够从该多个激光二极管装置中的每个发射激光束；以及组合器，被构造为从多个含镓和氮的激光二极管装置中的每个接收激光束，并提供由所选波长范围、所选光谱宽度、所选功率和所选空间构造表征的输出光束，其中，该支撑件被构造为将热能从该多个激光二极管装置传送至散热器。本实用新型使得能够得到一种用于激光应用的节省成本的光学装置，可以以相对简单且节省成本的方式制造光学装置。，下面是光学模块设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光学模块设备，包括由长度、宽度和高度表征的形状因子，所述设备包括：
支撑件；
覆盖所述支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，所述多个激光二极管装置中的每个被构造为发射激光束；其特征在于，所述多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓或氮的激光二极管装置，所述含镓或氮的激光二极管装置被构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射、具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射、以及它们的组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；
具有非引导特性的自由空间，能够从所述多个激光二极管装置中的每个发射激光束；
以及
组合器，被构造为从多个含镓或氮的激光二极管装置中的每个接收激光束，并提供由所选波长范围、所选光谱宽度、所选功率和所选空间构造表征的输出光束，其中：
所述支撑件被构造为将热能从所述多个激光二极管装置传送至散热器；
所述组合器包括被构造为产生一个或多个自由空间光束的自由空间光学器件；
从所述多个激光二极管装置到所述散热器的热路径由热阻抗表征。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个激光二极管装置中的至少一些包括AlInGaP激光二极管装置，所述AlInGaP激光二极管装置被构造为发射由具有范围从
625nm至665nm的波长的红光发射表征的激光束。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括电输入界面，所述电输入界面被构造为使电输入功率与所述多个激光二极管装置中的每个耦合。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述支撑件包括选自铜、铝、或硅中的材料。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括与所述支撑件热耦合的微通道冷却器。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括在所述支撑件和所述多个激光装置之间耦合的散热片。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括与所述输出光束光学耦合的磷光体材料。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述磷光体材料被构造为以选自反射模式、透射模式、以及反射模式和透射模式的组合中的模式操作。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述磷光体材料与光学元件或与金属耦合。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述磷光体材料朝着在所述支撑件附近内的散热器区域的所选部分沿着连续热梯度，与所述支撑件热耦合。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括光耦合器，所述光耦合器被构造为，使所述多个激光束与所述模块设备外部的磷光体材料光学耦合。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述光耦合器包括一个或多个光纤。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输出光束在几何上被构造为，将与磷光体材料的相互作用从第一效率优化至第二效率。
14.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
与所述激光束耦合的磷光体材料；并且
其特征在于，所述组合器被构造为，提供由具有最大宽度和最小宽度的所选空间图案表征的输出光束。
15.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述电输入界面被构造为，使射频电输入与所述多个激光二极管装置耦合。
16.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述电输入界面被构造为，使逻辑信号与所述多个激光二极管装置耦合。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括与所述支撑件和所述散热器耦合的热膨胀系数表征的子支架构件。
18.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括使所述多个激光二极管装置与所述支撑件耦合的一个或多个子支架构件。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述一个或多个子支架构件包括选自氮化铝、BeO、金刚石、或合成金刚石中的材料。
20.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述一个或多个子支架构件被构造为，使所述多个激光二极管装置与所述支撑件耦合。
21.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括附接至所述支撑件的子支架，所述子支架由至少200W/(mk)的热导率表征。
22.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个激光二极管装置直接与所述支撑件直接热耦合。
23.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个激光二极管装置的至少一部分覆盖选自非极性含镓或氮的定向表面区域和半极性含镓或氮的定向表面区域中的定向表面区域。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，
所述定向表面区域是由{20-21}或{20-2-1}平面表征的半极性定向；并且激光带区域覆盖所述定向表面区域；其中，所述激光带区域以c方向的投影定向。
25.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，
所述定向表面区域是由m平面表征的非极性定向；并且
激光带区域覆盖所述定向表面区域，其中，所述激光带区域以c方向定向。
26.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述自由空间光学器件包括快轴准直透镜。
27.根据权利要求1所述的设备，进一步包括光纤，其特征在于，所述输出光束耦合在所述光纤中。
28.一种光学模块设备，包括由长度、宽度和高度表征的形状因子；所述高度由小于
11mm且大于1mm的尺寸表征，所述设备包括：
支撑件；
覆盖所述支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，所述多个激光二极管装置中的每个被构造为发射激光束；其特征在于，
所述多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓或氮的激光二极管装置，所述含镓或氮的激光二极管装置被构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射、具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射、以及它们的组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；
被构造为从所述多个激光光学装置发射激光束的波导件；以及
组合器，被构造为从所述多个激光二极管装置接收激光束，并提供由所选波长范围、所选光谱宽度、所选功率和所选空间构造表征的输出光束；其中，
所述支撑件被构造为将热能从所述多个激光二极管装置传送至散热器；
所述激光束中的至少一个由大于60％且小于100％的偏振纯度表征；
所述输出光束由至少5W的光学输出功率表征；以及
从所述激光装置到散热器的热路径由小于4摄氏度/电瓦特输入功率的热阻抗表征。
29.一种光学模块设备，包括由长度、宽度和高度表征的形状因子；所述高度由小于
11mm且大于1mm的尺寸表征，所述设备包括：
支撑件；
覆盖所述支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，所述多个激光二极管装置中的每个被构造为发射激光束；其特征在于，
所述多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓或氮的激光二极管装置，所述含镓或氮的激光二极管装置由非极性或半极性定向表面区域表征，并被构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射、具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射、以及它们的组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；
覆盖非极性或半极性表面区域的激光带区域；其中，每个激光带区域以c方向或c方向的投影定向，并且，由第一端和第二端表征；以及
组合器，被构造为接收N个入射激光束中的多个激光束；所述组合器用来产生具有所选波长范围、光谱宽度、功率和空间构造的输出光束，其中，N大于1；其中所述支撑件被构造为将热能从所述多个激光二极管装置传送至散热器；
所述激光束中的至少一个由大于60％且小于100％的偏振纯度表征；
所述输出光束由至少5W的预定的额定工作光学输出功率范围表征；并且从所述激光装置到散热器的热路径由小于4摄氏度/电瓦特输入功率的热阻抗表征。

说明书全文

光学模块设备

[0001] 相关申请的参考

[0002] 本申请要求于2012年12月31日提交的题为“LASER PACKAGE HAVING MULTIPLE EMITTERS CONFIGURED ON A SUPPORTMEMBER(具有构造在支撑件上的多个发射器的激光封装)”的美国申请第13/732,233号的优先权，其公开内容出于所有目的而全部结合于此以供参考。

技术领域

[0003] 本实用新型通常涉及一种激光技术、以及相关设备。

背景技术

[0004] 从基于GaAs材料系统的激光二极管开始，然后移到AlGaAsP和InP材料系统，高功率直接二极管激光器已经存在几十年。最近，在短波长可见光范围内操作的基于GaN的高功率激光器已经变得更令人感兴趣。更具体地，在紫色、蓝色和最后绿色范围内操作的激光二极管由于它们在光学储存、显示系统等中的应用而引人关注。目前，在这些波长范围内操作的高功率激光二极管基于极性c-面GaN。传统的基于极性GaN的激光二极管具有许多应用，但是不幸地，该装置性能经常不充分。实用新型内容

[0005] 本实用新型提供了一种用非极性或半极性含镓衬底例如GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN和AlInGaN等以高功率发射电磁辐射的装置。在各种实施方式中，激光装置包括许多发射红色、绿色或蓝色电磁辐射的激光发射器，集成在衬底或背构件(back member)上。仅通过实例，可将本实用新型应用于以下应用，例如，白色照明、多色照明、平板照明、医疗、计量、激光束投影仪及其他显示器、高强度灯、光谱学、娱乐、影院、音乐及音乐会、分析欺诈检测和/或鉴别、工具、水处理、激光炫目器、瞄准目标、通信、变压、运输、水准测量、固化及其他化学处理、加热、切割和/或切除、泵送其他光学装置、其他光电装置和相关应用、以及源照明等。

[0006] 在一个特定实施方式中，本实用新型提供了一种光学模块设备(optical module apparatus)，其包括由长度、宽度和高度表征的形状因子(形状因数，form factor)。在一个实例中，该高度由小于11mm且大于1mm的尺寸表征，尽管可能存在变型。该设备具有支撑件和覆盖支撑件的编号从1到N的多个含镓及氮的激光二极管装置(laser diode device)。每个激光装置能够发射激光束，其中，N大于1。该发射可包括范围从415至485nm波长的蓝光发射、和/或范围从500至560nm波长的绿光发射。将支撑件构造为，将热能从多个激光二极管装置传送至散热器(heat sink)。该设备的自由空间具有非引导特征(non-guided characteristic)，其能够从多个激光束传递每个激光束的发射。将组合器(combiner)构造为，从多个含镓及氮的激光二极管装置接收N个入射激光束的多个激光束。组合器用来产生具有所选波长范围、光谱宽度、功率和空间构造(spatial conﬁguration)的输出光束，其中，N大于1。在一个实例中，组合器由自由空间光学器件(free-space optics)组成，以产生一个或多个自由空间光束。至少一个入射光束由大于60％且小于100％的偏振纯度(极化纯度，polarization purity)表征。如这里使用的，术语“偏振纯度”是指，大于50％的发射的电磁辐射处于基本上相似的偏振状态，例如，横电(TE)或横磁(TM)偏振状态，但是，也可具有其他与普通含义一致的含义。在一个实例中，至少5W至200W的工作光学输出功率的特征是，来自多个激光束的输出光束。该设备还具有电输入界面(electrical input interface)，其被构造为，使电输入功率与多个激光二极管装置耦合，并具有小于4摄氏度/电瓦特电输入功率(electrical watt of electrical input power)的热阻抗，其特征是从激光装置到散热器的热路径。当在25摄氏度的基准温度下具有恒定输入电流的输出功率范围内操作时，该设备在500小时内具有小于20％的光输出功率减小。

[0007] 在一个替代特定实施方式中，本实用新型提供了一种光学模块设备。该设备具有由长度、宽度和高度表征的形状因子。在一个实例中，该高度由小于11mm且大于1mm的尺寸表征，尽管可能存在变型。在一个特定实施方式中，该设备具有支撑件和覆盖支撑件的编号从1到N的多个含镓及氮的激光二极管装置。每个激光装置能够发射激光束，其中，N大于1。该发射包括范围从415nm至485nm波长的蓝光发射、和/或范围从500nm至560nm波长的绿光发射。将支撑件构造为，将热能从多个激光二极管装置传送至散热器。该设备具有被构造为接收N个入射激光束的多个激光束的组合器。该设备具有由大于60％且小于100％的偏振纯度表征的至少一个入射光束，尽管存在变型。该设备具有包括至少5W以上的预定的额定工作光学输出功率范围。该设备具有电输入界面，其被构造为，使电功率与多个激光二极管装置耦合，并具有小于4摄氏度/电瓦特输入功率的热阻抗，其特征是从激光装置到散热器的热路径。

[0008] 在又一个替代实施方式中，本实用新型提供了一种光学模块设备。该设备具有由长度、宽度和高度表征的形状因子。在一个实例中，该高度由小于11mm且大于1mm的尺寸表征，尽管可能存在变型。该设备具有支撑件和覆盖支撑件的编号从1到N的多个含镓及氮的激光二极管装置。每个激光装置能够发射激光束，其中，N大于1。该发射包括范围从415nm至485nm波长的蓝光发射、和/或范围从500nm至560nm波长的绿光发射。每个含镓及氮的激光二极管由非极性或半极性定向的表面区域表征。在一个实例中，该设备具有覆盖非极性或半极性表面区域的激光带区域(laser stripe region)。使每个激光带区域定向在c方向或c方向的投影中。在一个实例中，激光带区域由第一端和第二端表征。将支撑件构造为，将热能从该多个激光二极管装置传送至散热器。该设备具有被构造为接收N个入射激光束的多个激光束的组合器。组合器用来产生具有所选波长范围、光谱宽度、功率和空间构造的输出光束，其中，N大于1。该设备具有由大于60％可达到100％的偏振纯度表征的至少一个入射光束，尽管可能存在变型。在一个实例中，光学模块设备具有包括至少5W以上的预定的额定工作光学输出功率范围。该设备具有电输入界面，其被构造为，使电功率与多个激光二极管装置耦合。小于4摄氏度/电瓦特输入功率的热阻抗的特征是从激光装置到散热器的热路径。

[0009] 在一个实例中，非极性或半极性定向的表面区域是由{20-21}或{20-2-1}平面表征的半极性定向，或者可替换地，非极性或半极性定向的表面区域是由{30-31}或{30-3-1}平面表征的半极性定向。这些平面每个都可能是稍微切下的或大量切下的，取决于实施方式。在一个实例中，非极性或半极性定向的表面区域是由m平面表征的非极性定向。在一个实例中，每个激光装置都可在每百万(ppm)氧气包括至少150,000部分的环境中操作。每个激光装置在一段时间内基本上没有氧气效率的降低。在一个实例中，每个激光装置包括前面和后面。

[0010] 本实用新型提供了一种光学模块设备，包括由长度、宽度和高度表征的形状因子，所述设备包括：支撑件；覆盖所述支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，所述多个激光二极管装置中的每个被构造为发射激光束；其中，所述多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓和氮的激光二极管装置，所述含镓和氮的激光二极管装置被构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射、具有范围从500nm至560nm 的波长的绿光发射、以及它们的组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；具有非引导特性的自由空间，能够从所述多个激光二极管装置中的每个发射激光束；以及组合器，被构造为从多个含镓和氮的激光二极管装置中的每个接收激光束，并提供由所选波长范围、所选光谱宽度、所选功率和所选空间构造表征的输出光束，其中：所述支撑件被构造为，将热能从所述多个激光二极管装置传送至散热器；所述组合器包括被构造为产生一个或多个自由空间光束的自由空间光学器件；从所述多个激光二极管装置到所述散热器的热路径由热阻抗表征。

[0011] 根据本实用新型的设备，其中，所述多个激光二极管装置中的至少一些包括AlInGaP激光二极管装置，所述AlInGaP激光二极管装置被构造为发射由具有范围从625nm至665nm的波长的红光发射表征的激光束。

[0012] 根据本实用新型的设备，其中，进一步包括电输入界面，所述电输入界面被构造为使电输入功率与所述多个激光二极管装置中的每个耦合。

[0013] 根据本实用新型的设备，其中，所述支撑件包括选自铜、铝、硅以及上述的任何组合中的材料。

[0014] 根据本实用新型的设备，其中，进一步包括与所述支撑件热耦合的微通道冷却器。

[0015] 根据本实用新型的设备，其中，进一步包括在所述支撑件和所述多个激光装置之间耦合的散热片。

[0016] 根据本实用新型的设备，其中，进一步包括与所述输出光束光学耦合的磷光体材料。

[0017] 根据本实用新型的设备，其中，所述磷光体材料被构造为以选自反射模式、透射模式、以及反射模式和透射模式的组合中的模式操作。

[0018] 根据本实用新型的设备，其中，所述磷光体材料与光学元件或与金属耦合。

[0019] 根据本实用新型的设备，其中，所述磷光体材料朝着在所述支撑件附近内的散热器区域的所选部分沿着连续热梯度，与所述支撑件热耦合。

[0020] 根据本实用新型的设备，其中，进一步包括光耦合器，所述光耦合器被构造为，使所述多个激光束与所述模块设备外部的磷光体材料光学耦合。

[0021] 根据本实用新型的设备，其中，所述光耦合器包括一个或多个光纤。

[0022] 根据本实用新型的设备，其中，所述输出光束在几何上被构造为，将与磷光体材料的相互作用从第一效率优化至第二效率。

[0023] 根据本实用新型的设备，进一步包括：与激光束耦合的磷光体材料；并且其中，所述组合器被构造为，提供由具有最大宽度和最小宽度的所选空间图案表征的输出光束。

[0024] 根据本实用新型的设备，其中，所述电输入界面被构造为，使射频电输入与所述多个激光二极管装置耦合。

[0025] 根据本实用新型的设备，其中，所述电输入界面被构造为，使逻辑信号与所述多个激光二极管装置耦合。

[0026] 根据本实用新型的设备，其中，进一步包括与所述支撑件和所述散热器耦合的热膨胀系数(CTE)表征的子支架构件。

[0027] 根据本实用新型的设备，其中，进一步包括使所述多个激光二极管装置与所述支撑件耦合的一个或多个子支架构件。

[0028] 根据本实用新型的设备，其中，所述一个或多个子支架构件包括选自氮化铝、BeO、金刚石、合成金刚石以及上述的任何组合中的材料。

[0029] 根据本实用新型的设备，其中，所述一个或多个子支架构件被构造为，使所述多个激光二极管装置与所述支撑件耦合。

[0030] 根据本实用新型的设备，其中，进一步包括附接至所述支撑件的子支架，所述子支架由至少200W/(mk)的热导率表征。

[0031] 根据本实用新型的设备，其中，所述多个激光二极管装置直接与所述支撑件直接热耦合。

[0032] 根据本实用新型的设备，其中，所述多个激光二极管装置的至少一部分覆盖选自非极性含镓和氮的定向表面区域和半极性含镓和氮的定向表面区域中的定向表面区域。

[0033] 根据本实用新型的设备，其中，所述定向表面区域是由{20-21}或{20-2-1}平面表征的半极性定向；并且激光带区域覆盖所述定向表面区域；其中，所述激光带区域以c方向的投影定向。

[0034] 根据本实用新型的设备，其中，所述定向表面区域是由m平面表征的非极性定向；并且激光带区域覆盖所述定向表面区域，其中，所述激光带区域以c方向定向。

[0035] 根据本实用新型的设备，其中，所述自由空间光学器件包括快轴准直透镜。

[0036] 根据本实用新型的设备，进一步包括光纤，其中，所述输出光束耦合在所述光纤中。

[0037] 本实用新型还提供了一种光学模块设备，包括由长度、宽度和高度表征的形状因子；所述高度由小于11mm且大于1mm的尺寸表征，所述设备包括：支撑件；覆盖所述支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，所述多个激光二极管装置中的每个被构造为发射激光束；其中，所述多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓和氮的激光二极管装置，所述含镓和氮的激光二极管装置被构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射、具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射、以及它们的组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；被构造为从所述多个激光光学装置发射激光束的波导件；以及组合器，被构造为从所述多个激光二极管装置接收激光束，并提供由所选波长范围、所选光谱宽度、所选功率和所选空间构造表征的输出光束；其中，所述支撑件被构造为将热能从所述多个激光二极管装置传送至散热器；所述激光束中的至少一个由大于60％且小于100％的偏振纯度表征；所述输出光束由至少5W的光学输出功率表征；以及从所述激光装置到散热器的热路径由小于4摄氏度/电瓦特输入功率的热阻抗表征。

[0038] 本实用新型又提供了一种光学模块设备，包括由长度、宽度和高度表征的形状因子；所述高度由小于11mm且大于1mm的尺寸表征，所述设备包括：支撑件；覆盖所述支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，所述多个激光二极管装置中的每个被构造为发射激光束；其中，所述多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓和氮的激光二极管装置，所述含镓和氮的激光二极管装置由非极性或半极性定向表面区域表征，并被构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射、具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射、以及它们的组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；覆盖非极性或半极性表面区域的激光带区域；其中，每个激光带区域以c方向或c方向的投影定向，并且，由第一端和第二端表征；以及组合器，被构造为接收N个入射激光束中的多个激光束；所述组合器用来产生具有所选波长范围、光谱宽度、功率和空间构造的输出光束，其中，N大于1；其中所述支撑件被构造为将热能从所述多个激光二极管装置传送至散热器；所述激光束中的至少一个由大于60％且小于100％的偏振纯度表征；所述输出光束由至少5W的预定的额定工作光学输出功率范围表征；并且从所述激光装置到散热器的热路径由小于4摄氏度/电瓦特输入功率的热阻抗表征。

[0039] 用本实用新型来实现超过现有技术的额外好处。特别地，本实用新型使得能够得到一种用于激光应用的节省成本的光学装置，包括用于投影仪的激光棒等。在一个特定实施方式中，可以相对简单且节省成本的方式制造本光学装置。取决于实施方式，可用对于本领域中的普通技术人员来说传统的材料制造本设备。本激光装置尤其是使用能够实现紫色或蓝色或绿色发射的非极性或半极性氮化镓材料。在一个或多个实施方式中，激光装置能够发射长波长，例如，用于蓝色波长区域的范围从约430nm至470nm的波长，或者，用于绿色波长区域的500nm至约540nm的波长，但是，可以是其他的，例如，紫色区域。当然，存在其他变型、修改和替代。取决于实施方式，可能实现这些好处中的一个或多个。在整个本说明书中可以描述了这些和其他好处，更特别地，可以在下面描述。

[0040] 通过参考说明书的后面部分和附图，可以进一步理解本实用新型的性质和优点。

附图说明

[0041] 图1是示出了根据本实用新型的一个实施方式的光学装置的简化图。

[0042] 图2是根据本实用新型的一个实施方式的激光装置的横截面图。

[0043] 图3是示出了根据本实用新型的一个实施方式的具有多个发射器的激光装置的简化图。

[0044] 图4是示出了根据本实用新型的一个实施方式的具有多个腔体件的激光装置的前视图的简化图。

[0045] 图5A和图5B是示出了根据本实用新型的一个实施方式的“p侧”面向上的激光封装的图。

[0046] 图6A和图6B是示出了根据本实用新型的一个实施方式的“p侧”面向下的激光封装的简化图。

[0047] 图7是示出了根据本实用新型的一个实施方式的可分别寻址的激光封装的简化图。

[0048] 图8是示出了根据本实用新型的一个实施方式的具有图案化的粘结衬底的激光棒的简化图。

[0049] 图9(a)和图9(b)是示出了多个根据本实用新型的实施方式的构造有光学组合器的激光棒的简化图。

[0050] 图10是根据本实用新型的一个实例的具有纤维阵列的激光模块的示意图。

[0051] 图11是根据本实用新型的一个实例的具有纤维束的激光模块的示意图。

[0052] 图12是根据本实用新型的一个实例的具有透镜纤维的激光模块的示意图。

[0053] 图13是根据本实用新型的一个实例的自由空间激光组合器的示意图。

[0054] 图14是根据本实用新型的一个实例的自由空间基于镜的激光组合器的示意图。

[0055] 图15是根据本实用新型的一个实例的封闭自由空间激光模块的示意图。

[0056] 图16是根据本实用新型的一个实例的使用寿命与激光耦合方案的密切关系的图示。

[0057] 图17是根据本实用新型的一个实施方式的模块形状因子的简化图。

具体实施方式

[0058] 在红色和红外波长范围内良好地建立了将来自多个激光芯片和/或激光棒的光输出组合并将光耦合到公共纤维或介质中的光学模块装置。这种模块装置用于需要非常高的功率(＞10W至＞100W)和/或非常高的亮度的应用场合，或用于远程光源可起更大的功能的应用场合。近些年来，在蓝色和绿色波长范围内发射的GaN基激光二极管已在效率、功率和使用寿命方面有所改进。使这些高性能蓝色和绿色GaN基激光器平衡的光学模块装置肯定能作为主光光源，在现有的和新出现的需要蓝光和/或绿光的高亮度或远程光源的应用场合中，提供大于5W至大于50W或100W或200W的光输出功率。这种应用场合包括高亮度显示器、专业照明、医疗器械、防御系统等。

[0059] 一种流行且有效的组合来自模块内的发射器的光的方式是，通过直接纤维耦合。在此结构中，将激光芯片或激光棒安装在载体上，并且，将通过首先使用封闭光学器件，例如快轴准直(FAC)透镜，然后使用纤维，或通过直接使用具有形成于面向激光器的端部的成形透镜的纤维，使发射的光在纤维中耦合。在任一种情况中，将纤维定位在靠近激光器面的地方。典型的纤维尺寸的范围从100μm至800μm，并具有0.18或更大的NA。在这些结构中，纤维通常位于激光二极管面区域的附近，其对光学或其他损坏机制的敏感度是众所周知的。光纤离激光二极管面的典型距离将是约0.2mm至约10mm。虽然这是一种已被证明的用于组合来自红色或红外激光二极管的光输出的方法，但是，当纤维使基于传统的c平面GaN基激光器的蓝色或绿色装置耦合时，会存在缺点。一个这种缺点是，使用寿命缩短，且来自模块的光输出会快速变小。这种可靠性问题会由于光学表面并且特别是纤维端部离激光器的发射面非常近，而由特定的光行为产生。本装置已经克服了这些和其他缺点，在整个本说明书中，更特别地，在下面，已经描述了该装置。

[0060] 本实用新型提供了用于制造并使用这些激光装置的高功率GaN基激光装置。特别地，将激光装置构造为，以0.5W至5W或5W至20W或20W至100W或200W，或蓝色或绿色波长范围内的更大的输出功率操作。用本体非极性或半极性含镓及氮衬底来制造激光装置。如上所述，激光装置的输出波长可以在425nm至475nm的蓝色波长区域和500nm至545nm的绿色波长区域内。根据本实用新型的实施方式的激光装置也可在例如紫色(395nm至425nm)和蓝绿色(475nm至505nm)的波长内操作。可在各种应用场合中使用激光装置，例如，用高功率激光来投射视频内容的投影系统。

[0061] 图1是示出了光学装置的简化图。作为一个实例，光学装置包括氮化镓衬底件101，其具有由半极性或非极性定向表征的晶体状表面区域。例如，氮化镓衬底件是由具有非极性或半极性晶体状表面区域表征的本体GaN衬底，但是也可以是其他的。该本体GaN
5 -2 5 7 -2
衬底可以具有低于10cm 或10 至10cm 的表面位错密度。氮化物晶体或晶片可以包括AlxInyGa1-x-yN，其中，0≤x,y,x+y≤1。在一个特定实施方式中，氮化物晶体包括GaN。在
5 -2
一个或多个实施方式中，GaN衬底在相对于表面基本上正交或倾斜的方向上，具有约10cm
8 -2
和约10cm 之间的浓度的螺纹位错。在各种实施方式中，GaN衬底由非极性定向(例如，m平面)表征，其中，使波导在c方向或基本上与a方向正交的方向上定向。

[0062] 在一些实施方式中，GaN表面方向基本上在{20-21}方向上，并且，该装置具有形成为覆盖切下的晶体状定向表面区域的一部分的激光带区域。例如，激光带区域由基本上在c方向的投影上的腔体定向表征，c方向与a方向基本上垂直。在一个特定实施方式中，激光带区域具有第一端107和第二端109。在一个优选实施方式中，在具有一对面向彼此的劈开镜结构的{20-21}含镓及氮衬底上，在c方向的投影上形成该装置。

[0063] 在一个优选实施方式中，该装置具有设置于激光带区域的第一端上的第一劈开面，和设置于激光带区域的第二端上的第二劈开面。在一个或多个实施方式中，第一劈开面与第二劈开面基本上平行。在每个劈开面上形成镜面。第一劈开面包括第一镜面。在一个优选实施方式中，通过顶侧跳跃式划线的划线和断裂处理，来提供第一镜面。划线处理可使用任何适当的技术，例如，金刚石划线或激光划线或其组合。在一个特定实施方式中，第一镜面包括反射涂层。反射涂层选自二氧化硅、二氧化铪、二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆，包括其组合等。第一镜面还可具有抗反射涂层。

[0064] 而且，在一个优选实施方式中，第二劈开面包括第二镜面。根据一个特定实施方式，通过顶侧跳跃式划线的划线和断裂处理，来提供第二镜面。优选地，该划线是金刚石划线的或激光划线的等。在一个特定实施方式中，第二镜面包括反射涂层，例如，二氧化硅、二氧化铪、二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆，其组合等。在一个特定实施方式中，第二镜面具有抗反射涂层。

[0065] 在一个特定实施方式中，在非极性含Ga衬底上，该装置的特征是使自发发射的光在基本上垂直于c方向的方向上偏振(偏振)。在一个优选实施方式中，该自发发射的光由与c方向垂直的大于0.1至约1的偏振比表征。在一个优选实施方式中，该自发发射的光由从约430nm至约470nm的范围的产生蓝光发射的波长，或者，约500nm至约540nm的范围的产生绿光发射的波长等表征。例如，该自发发射的光可以是紫色的(例如，395至420nm)，蓝色的(例如，430至470nm)，绿色的(例如，500至540nm)等。在一个优选实施方式中，该自发发射的光是高度偏振的，并且由大于0.4的偏振比表征。在另一特定实施方式中，在半极性{20-21}含Ga衬底上，该装置的特征还是使自发发射的光在基本上平行于a方向或垂直于腔体方向上偏振，使腔体方向定向在c方向的投影方向上。

[0066] 在一个特定实施方式中，本实用新型提供了一种替代装置结构，其在脊式激光器实施方式中能够发射501nm以上的光。该装置设置有一个或多个以下外延生长的元件：

[0067] n-GaN 镀层，具有从100nm至3000nm的厚度，具有5E17cm-3至3E18cm-3的掺Si等级；

[0068] n侧SCH层，由具有2％和10％之间的摩尔分数的铟和从20nm至200nm的厚度的InGaN组成；

[0069] 多个量子阱有源区域层，其由至少两个2.0nm至8.5nm的间隔1.5nm以上并且可选地直到约12nm的InGaN量子阱，GaN或InGaN势垒组成；

[0070] p侧SCH层，由具有1％和10％之间的摩尔分数的铟和从15nm至100nm的厚度的InGaN或上GaN引导层组成；

[0071] 电子阻挡层，由具有6％和22％之间的摩尔分数的铝和从5nm至20nm的厚度的AlGaN组成，并掺有Mg；

[0072] p-GaN镀层，具有从400nm至1000nm的厚度，具有2E17cm-3至2E19cm-3的掺Mg等级；以及

[0073] p++-GaN接触层，具有从20nm至40nm的厚度，具有1E19cm-3至1E21cm-3的掺Mg等级。

[0074] 图2是激光装置200的横截面图。如所示出的，激光装置包括氮化镓衬底203，其具有下层n型金属后触点区域201。例如，衬底203可以由半极性或非极性定向表征。该装置还具有上层n型氮化镓层205，有源区域207，以及结构作为激光带区域209的上层p型氮化镓层。这些区域中的每个均用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的外延沉积技术、分子束外延(MBE)，或其他适合于GaN生长的外延生长技术形成。该外延层是覆盖n型氮化镓层的高质量外延层。在一些实施方式中，该高质量层掺杂有，例如，Si或O，以形成n型材料，16 -3 20 -3
具有约10 cm 和10 cm 之间的掺杂浓度。

[0075] 在衬底上沉积n型AluInvGa1-u-vN层，其中，0≤u,v,u+v≤1。载体浓度可以处于16 -3 20 -3
约10 cm 和10 cm 之间的范围内。可以用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)来执行沉积。

[0076] 例如，将本体的GaN衬底放在MOCVD反应堆中的衬托器(susceptor)上。在封闭、清空和回填反应堆(或使用负载锁定结构)，使其达到大气压之后，在存在含氮气体的情况下，将衬托器加热至约1000和约1200℃之间的温度。在液氨下，将衬托器加热至约900至1200℃。在载气中，以约1和50标准立方厘米/分种(sccm)之间的总速度，引入含镓金属有机前体，例如，三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)的流。该载气可以包括氢气、氦气、氮气或氩气。在生长过程中，V族前体(氨)的流速与III族前体(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三甲基铝)的流速的比率在约2000和约12000之间。在载气中引入乙硅烷流，具有约0.1sccm和10sccm之间的总流速。

[0077] 在一个实施方式中，激光带区域是p型氮化镓层209。通过干法蚀刻处理来提供激光带，但是，也可使用湿法蚀刻。干法蚀刻处理是使用含氯物质的感耦处理，或使用类似化学物质的活性离子蚀刻处理。该含氯物质通常源自氯气等。该装置还具有上层介电区域，其使接触区域213暴露。该介电区域是氧化物，例如，二氧化硅或氮化硅，并使接触区域与上层金属层215耦合。优选地，该上层金属层是多层结构，其包含金和铂(Pt/Au)，钯和金(Pd/Au)，或镍金(Ni/Au)。

[0078] 优选地，有源区域207包括1至10个量子阱区域或双异质结构区域，用于光发射。在沉积n型AluInvGa1-u-vN层以达到预期厚度之后，沉积有源层。优选地，该量子阱是InGaN，具有使其分离的GaN、AlGaN、InAlGaN或InGaN阻挡层。在其他实施方式中，阱层和阻挡层分别包括AlwInxGa1-w-xN和AlyInzGa1-y-zN，其中，0≤w,x,y,z,w+x,y+z≤1，其中，w＜u,y和/或x＞v,z，使得一个或多个阱层的能带隙小于一个或多个阻挡层和n型层的能带隙。阱层和阻挡层各自具有约1nm和约20nm之间的厚度。选择有源层的组成和结构，以提供预选波长的发射。可以不使有源层掺杂(或并不有意掺杂)，或者，其可以是n型或p型掺杂的。

[0079] 有源区域还可包括电子阻挡区域，以及分开的限制异质结构。电子阻挡层可以包括AlsIntGa1-s-tN，其中，0≤s,t,s+t≤1，具有比有源层高的能带隙，并且，可以是p型掺杂的。在一个特定实施方式中，电子阻挡层包括AlGaN。在另一个实施方式中，电子阻挡层包括AlGaN/GaN超晶格结构，包括交替的AlGaN和GaN层，每层具有约0.2nm和约5nm之间的厚度。

[0080] 如所指出的，使p型氮化镓结构沉积在电子阻挡层和一个或多个有源层上。该p16 -3 22 -3
型层可以掺有Mg，掺杂至约10 cm 和10 cm 之间的等级，具有约5nm和约1000nm之间的厚度。可以使p型层最外面的1-50nm掺杂得比该层的剩余部分多，以使得能够得到改进的电接触。该装置还具有上层介电区域，例如，二氧化硅，其使接触区域213暴露。

[0081] 金属触点由适当的材料制成，例如，银、金、铝、镍、铂、铑、钯、铬等。可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射、或另一种适当的技术，来沉积该触点。在一个优选实施方式中，电触点用作光学装置的p型电极。在另一个实施方式中，电触点用作光学装置的n型电极。典型地，图1和图2所示的上述激光装置适合于相关的低功率应用。

[0082] 在各种实施方式中，本实用新型通过使激光腔体件的一个或多个部分从1.0-3.0μm的单横向模式范围变宽至5.0-20μm的多横向模式范围，实现来自二极管激光器的高输出功率。在一些情况中，使用具有宽度为50μm或更大的腔体的激光二极管。

[0083] 激光带长度或腔体长度的范围是从300至3000μm，并使用例如在2010年4月13日提交的美国专利申请第12/759,273号中描述的生长和制造技术，将其结合于此以供参考。作为一个实例，在非极性或半极性含镓衬底上制造激光二极管，其中，相对于极性c平面定向装置，基本上消除或减小内部电场。应理解，内部电场的减小通常使得能够更有效地重组辐射。此外，预期重空穴质量在非极性和半极性衬底上更轻，使得可从激光器实现更好的增益特性。

[0084] 制造具有宽腔体设计的高功率GaN基激光器的一个困难是这样的现象：腔体的横向方向上的光场分布在具有局部明亮区域和局部阴暗区域的地方变得不对称。这种行为通常叫做丝化，并可由折射率或热分布中的横向变化而导致，该变化会改变模式引导特性。这种行为也可以是局部增益/损耗中的不均匀性的结果，其由载体在有源区域中的不均匀注入或电流聚集导致，在电流聚集处，优选地，电流通过激光腔体的外部区域导通。也就是说，通过p侧电极注入的电流趋向于朝向横向波导所需的蚀刻的p镀层脊部/条带的边缘，然后，在空穴与主要在条带侧面附近的电子重组的地方，向下传导。不管是什么原因，这种丝化或非对称光场分布会导致激光性能变差，因为使条带宽度增加。

[0085] 图3是示出了根据本实用新型的一个实施方式的具有多个发射器的激光装置的简化图。如图3所示，激光装置包括衬底和多个发射器。每个腔体件与衬底内的下层有源区域及其他电子元件结合，是激光二极管的一部分。图3中的激光装置包括三个激光二极管，每个具有其发射器或腔体件(例如，腔体件302用作激光二极管的波导)，并共享衬底301，其包含一个或多个有源区域。在各种实施方式中，有源区域包括量子阱或双异质结构，用于光发射。腔体件用作波导。将具有多个腔体件的装置集成在一个衬底上。

[0086] 图3所示的衬底包含镓和氮材料，其由非极性或半极性的本体GaN衬底制成。将如所示出的腔体件彼此平行地布置。例如，腔体件301包括前镜和后镜，与图1所示的腔体件101相似。每个激光器腔体由范围从约1至约6μm的腔体宽度w表征。腔体件的这种布置在确保均匀地泵送腔体件的同时，增加有效条带宽度。在一个实施方式中，腔体件由基本上相等的长度和宽度表征。

[0087] 取决于应用场合，高功率激光装置可具有许多腔体件。腔体件的编号n的范围可以从2至5，10或甚至20。使一个腔体件与另一腔体件分离的横向间隔或距离的范围可以从2μm至25μm，取决于激光二极管的要求。在各种实施方式中，腔体件的长度的范围可以从300μm至2000μm，在一些情况中，高达3000μm。

[0088] 在一个优选实施方式中，将激光发射器(例如，如所示出的腔体件)在单个芯片上布置为线性阵列，以发射蓝色或绿色激光。使发射器彼此基本上平行，并且，可使其分离3μm至15μm，分离15μm至75μm，分离75μm至150μm，或分离150μm至300μm。该阵列中的发射器的编号可以从3变化至15，或从15变化至30，从30变化至50，或从50变化至100，或大于100。每个发射器可以产生25至50mW，50至100mW，100至250mW，250至
500mW，500至1000mW，或大于1W的平均输出功率。因此，具有多个发射器的激光装置的总输出功率的范围可以从200至500mW，500至1000mW，1-2W，2-5W，5-10W，10-20W，以及大于
20W。

[0089] 通过本技术，各个发射器的尺寸将具有1.0至3.0μm，3.0至6.0μm，6.0至10.0μm，10至20.0μm，20至30μm，以及大于30μm的宽度。长度的范围从400μm至
800μm，800μm至1200μm，1200μm至1600μm，或大于1600μm。

[0090] 腔体件具有前端和后端。将激光装置构造为，通过前端处的前镜发射激光束。前端可具有抗反射涂层或根本没有涂层，从而允许辐射没有过大反射率地通过镜子。因为从腔体件的后端不发射激光束，所以将后镜构造为，将辐射反射回至腔体中。例如，后镜包括高反射涂层，其具有大于85％或95％的反射率。

[0091] 图4是示出了具有多个腔体件的激光装置的前视图的简化图。如图4所示，可看到将有源区域307定位在衬底301中。如所示出的，腔体件302包括通路306。将通路设置在腔体件上，并在介电层303例如二氧化硅中打开。可将具有通路的腔体件的顶部看作是激光器脊部，其使电极304暴露，用于电触点。电极304包括p型电极。在一个特定实施方式中，将公共的p型电极沉积在腔体件和介电层303上，如图4所示。

[0092] 使腔体件通过电极304彼此电耦接。激光二极管，每个都具有通过其腔体件的电触点，共享公共的n侧电极。取决于应用场合，可使n侧电极与不同结构的腔体件电耦接。在一个优选实施方式中，使公共的n侧电极与衬底的底侧电耦接。在一些实施方式中，n触点在衬底的顶部上，并且，通过从顶部向下深深地蚀刻到衬底中，然后使金属触点沉积，来形成连接。例如，使激光二极管在平行结构中彼此电耦接。在此结构中，当对电极施加电流时，可相对相等地泵送所有激光腔体。此外，由于脊部宽度将相对窄，在1.0至5.0μm的范围内，所以，腔体件的中心将非常接近脊部(例如通路)的边缘，使得将减小电流聚集或非均匀注射。最重要地，可防止丝化，并且，横向光场分布在这种窄腔体中可以是对称的，如图
2A所示。

[0093] 将理解，具有多个腔体件的激光装置具有n x w的有效脊部宽度，其可简单地接近传统的高功率激光器的宽度，该激光器具有10至50μm范围的宽度。此多条带激光器的典型长度的范围可以从400μm至2000μm，但是，可以高达3000μm。在图1中示出了常规的单条带窄脊发射器的示意图，其旨在用于5至500mW的低功率应用，具有图2中的所产生的横向对称场的分布。在图2中示出了多条带发射器的示意图，作为一个实例，此实施方式旨在用于0.5至10W的操作功率。

[0094] 图3和图4所示的激光装置具有很大的应用范围。例如，该激光装置可与电源耦合，并在0.5至10W的功率水平下工作。在一些应用场合中，将电源特别构造为，在大于10W的功率水平下工作。激光装置的工作电压可小于5V、5.5V、6V、6.5V、7V以及其他电压。在各种实施方式中，壁式插座效率(例如，总电-光功率效率)可以是15％或更大，20％或更大，25％或更大，30％或更大，35％或更大。

[0095] 激光装置的一种典型应用是，发射单束激光。由于激光装置包括许多发射器，所以，需要光学件来组合或校准来自发射器的输出。图5A和图5B是示出了“p侧”面向上的激光封装的图。如图5A所示，将激光棒安装在子支架(子基板，热沉，submount)上。激光棒包括发射器阵列(例如，如图3和图4所示)。将激光棒附接至子支架，其定位在激光棒和散热器之间。应理解，子支架允许将激光棒(例如，氮化镓材料)牢固地附接至散热器(例如，具有高热发射率的铜材料)。在各种实施方式中，子支架包括由高热导率表征的氮化铝材料。例如，在子支架中使用的氮化铝材料的热导率可超过200W/(mk)。对子支架也可使用其他类型的材料，例如，金刚石、铜钨合金、氧化铍。在一个优选实施方式中，用子支架材料来补偿激光棒和散热器之间的热膨胀系数(CTE)的不匹配。

[0096] 在图5A中，激光棒的“p侧”(即，具有发射器的一侧)面向上，因此，与子支架不电耦接。使激光棒的p侧与电源的阳极通过许多焊线电耦接。由于子支架和散热器都是导电的，所以，可使电源的阴极电极通过子支架和散热器与激光棒的另一侧电耦接。

[0097] 在一个优选实施方式中，用氮化镓衬底制造激光棒的发射器阵列。衬底可具有由半极性或非极性定向表征的表面。氮化镓材料允许不气密密封地封装激光装置。更特别地，通过使用氮化镓材料，激光棒基本上没有AlGaN或InAlGaN镀层。当发射器基本上接近于p型材料时，激光装置基本上没有p型AlGaN或p型InAlGaN材料。典型地，当在标准大气压中操作时，AlGaN或InAlGaN镀层是不稳定的，因为其会与氧气相互作用。为了解决此问题，将包括AlGaN或InAlGaN材料的传统的激光装置气密地密封，以防止AlGaN或InAlGaN和空气之间的相互作用。相反，由于在根据本实用新型的实施方式的激光装置中不存在AlGaN或InAlGaN镀层，所以，不需要气密地封装激光装置。通过消除对气密封装的需求，制造根据本实用新型的实施方式的激光装置和封装的成本可以比传统激光装置的成本低。

[0098] 图5B是图5A所示的激光装置的侧视图。将激光棒安装在子支架上，并将子支架安装在热侧上。如上所述，由于激光棒包括许多发射器，所以，用准直透镜来组合所发射的激光，以形成所需的激光束。在一个优选实施方式中，准直透镜是由圆柱形形状表征的快轴准直(FAC)透镜。

[0099] 图6A和图6B是示出了根据本实用新型的一个实施方式的“p侧”面向下的激光封装的简化图。在图6A中，将激光棒安装在子支架上。激光棒包括发射器阵列(例如，如图3和图4所示)。在一个优选实施方式中，激光棒包括由半极性或非极性定向表征的衬底。
将激光棒附接至子支架，其定位在激光棒和散热器之间。激光棒的“p侧”(即，具有发射器的一侧)面向下，因此，与子支架直接耦接。使激光棒的p侧与电源的阳极通过子支架和/或散热器电耦接。使激光棒的另一侧通过许多焊线与电源的阴极电耦接。

[0100] 图6B是图6A所示的激光装置的侧视图。如所示出的，将激光棒安装在子支架上，并将子支架安装在热侧上。如上所解释的，由于激光棒包括许多发射器，所以，用准直透镜来组合所发射的激光，以形成所需的激光束。在一个优选实施方式中，该准直透镜是由圆柱形形状表征的快轴准直(FAC)透镜。

[0101] 图7是示出了根据本实用新型的一个实施方式的可分别寻址的激光封装的简化图。激光棒包括许多由脊状结构隔开的发射器。每个发射器由约90-200μm的宽度表征，但是，应理解，其他尺寸也是可以的。每个激光发射器包括用于p接触丝焊的衬垫。例如，可使电极分别与发射器耦接，使得可以选择性地接通和断开发射器。图7所示的可分别寻址的结构提供许多好处。例如，如果具有多个发射器的激光棒不是可分别寻址的，那么激光棒在制造过程中的弯曲会是一个问题，因为许多单独的激光装置都需要是好的，以使得激光棒能通过，并且，这意味着，激光棒弯曲将比单独的发射器弯曲更小。另外，设置具有单发射器可寻址能力的激光棒使得可以屏蔽每个发射器。在一些实施方式中，使控制模块与激光器电耦接，以分别控制激光棒的装置。

[0102] 图8是示出了根据本实用新型的一个实施方式的具有图案化的粘结衬底的激光棒的简化图。如所示出的，激光装置由约30μm的宽度表征。取决于应用场合，其他宽度也是可以的。具有小于约90μm的间距的激光发射器难以形成丝焊。在各种实施方式中，用图案化的粘结衬底来形成触点。例如，该图案化的粘结衬底允许宽度低至10-30μm。

[0103] 图9(a)和图9(b)是示出了根据本实用新型的实施方式的构造有光学组合器的激光棒的简化图。如所示出的，该图包括用于多个发射器的封装或外壳。在单个陶瓷、或在陶瓷上的多个芯片上构造每个装置，其设置于公共的散热器上。如所示出的，该封装包括全部自由的光学器件耦合、准直器、镜子、空间或偏振多路复用的，用于自由空间输出或重新聚焦在纤维或其他波导介质中。作为一个实例，该封装具有小分布，并可以包括扁平封装陶瓷多层或单层。该层可以包括铜，铜钨底座，例如，蝶形封装或有盖的CT子架、Q子架等。在一个特定实施方式中，将激光装置焊接在具有低热阻的CTE匹配的材料(例如，AlN，金刚石，金刚石化合物)上，并在陶瓷上形成子装配芯片。然后，将子装配芯片一起装配在具有低热阻的第二材料上，例如铜，包括，例如，主动冷却(即，简单的水道或微通道)，或直接形成装配有所有连接例如管脚的封装的底座。该扁平封装装配有光学界面，例如，窗口、自由空间光学器件、引导所产生的光的连接器或纤维，以及环境保护性的盖子。

[0104] 图10是与光纤阵列耦接的激光模块的实例。来自激光棒的每个发射器分别通过快轴准直(FAC)透镜在纤维阵列中耦合。在这种结构中，纤维在激光二极管芯片附近，典型地，在0.2至10mm内。

[0105] 图11是具有纤维束的激光模块的实例。在通过快轴准直(FAC)透镜和纤维耦接校准之后，将纤维在端部捆扎在一起。在这种结构中，纤维位于激光二极管芯片的附近，典型地，在0.5至10mm内。

[0106] 图12是具有透镜纤维的激光模块的实例。在此结构中，用透镜纤维与激光二极管直接耦合，不包括快轴准直(FAC)透镜。在这种结构中，纤维位于激光二极管芯片的附近，典型地，在0.2至2mm内。

[0107] 在一个实例中，本实用新型提供了一种替代的使来自光学模块内的各个发射器或激光棒的光学输出组合的光学耦合技术。通过首先使用自由空间光学器件将所有光学输出组合在一个或多个自由空间激光束中，然后使一个或多个自由空间激光束直接与该应用耦合，或与然后将与该应用耦合的光纤耦合，将避免与直接纤维耦合相关的降级机构。在此结构中，将光纤定位在相对于激光二极管面区域较远的位置中(10至100mm)。结果，发射蓝光或绿光的自由空间耦合光学模块会具有较长的使用寿命，以能够可靠地工作。

[0108] 图13是自由空间激光组合器的实例。在此结构中，使从定位良好的激光二极管发射的激光束准直，并用自由空间光学器件耦合。然后，将该激光束或多个激光束集中于定位在远处的光导例如纤维中。这种自由空间构造保持纤维耦合远离激光二极管芯片。

[0109] 图14是自由空间基于镜的激光组合器的实例。首先，使各个激光束通过自由空间光学器件例如，快轴准直(FAC)和慢轴准直(SAC)透镜准直。接下来，使准直的激光束入射在转动镜子上，以将激光束的方向改变90度。对于组合在单个光束中然后耦合在光导例如纤维中的激光二极管光束阵列来进行此操作。

[0110] 图15是封闭自由空间激光模块的实例。紧凑的即插即用设计非常灵活且易于使用。

[0111] 图16示出了使用寿命与激光耦合方案的密切关系。通过采用自由空间耦合(虚线)方法来避免直接纤维耦合(实线)，将降级速度有力地抑制于，使得，在超过5W，超过10W，超过30W，或超过60W的输出功率下，在500小时的操作时间内能够小于20％的降级。

[0112] 图17是根据本实用新型的一个实施方式的模块形状因子的简化图。如所示出的，该图示出了由激光二极管芯片组成的光学模块如何能够急剧减小形状因子和厚度，使其比传统的基于灯的光源，甚至是基于TO-罐(TO-can)阵列的激光二极管的形状因子和厚度小。厚度的这种减小可使得能够产生更小的，更紧凑的形状因子的CE产品，例如，显示投影仪。该更小的形状因子是我们的集成出乎意料的结果。在整个本说明书中可找到本系统的其他细节。

[0113] 在本实用新型的一个替代实施方式中，在模块中使用非极性或半极性GaN基激光二极管。由于这种基于非极性/半极性定向的激光器中的替代的刻面劈开平面的原因，以及不包括AlGaN镀层的波导设计可能性，这种激光二极管可与直接纤维耦合兼容，没有传统的c平面装置所证实的快速降级。

[0114] 在一个替代实施方式中，本实用新型提供了一种光学模块装置，其使N个激光束的发射组合，其中，N大于1。该光学组合包括，产生一个或多个自由空间光束的自由空间光学器件。该光学发射包括在415nm至485 nm波长范围内的蓝光发射，和/或在500nm至560nm波长范围内的绿光发射。包括光学模块装置以在超过5W，超过20W，或超过50W下操作。光学模块装置由当在恒定的输入电流下操作时在500小时内小于20％的光学输出功率减小表征。

[0115] 在一些实施方式中，本公开内容所提供的光学模块包括覆盖支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，将该多个激光二极管装置中的每个构造为发射激光束。激光二极管装置可以包括发射紫色区域(390-430nm)、蓝色区域(430nm至490nm)、绿色区域(490nm至560nm)、黄色区域(560nm至600nm)，或红色区域(625nm至670nm)的电磁光谱的装置。光学模块可以包括发射电磁光谱的不同部分的激光二极管装置的组合。在一些实施方式中，选择激光二极管的组合，以产生具有所需的波长分布的组合的输出辐射。在一些实施方式中，该组合输出可以是白光输出。激光二极管装置可以基于不同的半导体技术，例如，含镓和氮的装置或AlInGa，尽管也可以使用其他适当的技术。在一些实施方式中，该多个激光二极管装置的至少一些包括含镓和氮的激光二极管装置，将其构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射，具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射，及其组合中的发射表征的激光束。在一些实施方式中，该多个激光二极管装置的至少一些包括AlInGaP激光二极管装置，将其构造为发射由具有范围从625nm至670nm的波长的红光发射表征的激光束。

[0116] 在一个特定实施方式中，可在各种应用场合中使用该封装。这些应用场合包括功率标定(模块化可能性)、光谱加宽(选择具有微小波长偏移的激光器，以得到更宽的光谱特性)。该应用还可包括多色单片集成，例如，蓝色-蓝色，蓝色-绿色，RGB(红色-蓝色-绿色)等。

[0117] 在一个特定实施方式中，可将本激光装置构造在多种封装上。作为一个实例，该封装包括TO9罐(Can)、TO56罐、一个或多个扁平封装、CS子架、G子架、C子架、一个或多个微通道冷却封装等。在其他实例中，多激光器结构可具有1.5W、3W、6W、10W和更大的操作功率。在一个实例中，本光学装置(包括多个发射器)没有任何光学组合器，这会导致效率低。在其他实例中，可以包括光学组合器，并构造为具有多个发射器装置。另外，该多个激光装置(即，发射器)可以尤其是构造在非极性定向的GaN或半极性定向的GaN或其任何组合上的激光装置阵列。

[0118] 如这里使用的，使术语GaN衬底与基于III族氮化物的材料相关联，包括GaN、InGaN、AlGaN、或其他包含III族的合金、或用作起始物料的组合物。这种起始物料包括极性GaN衬底(即，最大面积的表面名义上是(h k l)平面的衬底，其中，h＝k＝0，并且，l不是零)，非极性GaN衬底(即，使最大面积的表面从上述极性定向朝着(h k l)平面以一定角度定向的衬底材料，该角度的范围从约80至100度，其中，l＝0，并且，h和k中的至少一个不是零)，或半极性GaN衬底(即，使最大面积的表面从上述极性定向朝着(h k l)平面以一定角度定向的衬底材料，该角度的范围从约+0.1至80度，或从110至179.9度，其中，l＝0，并且，h和k中的至少一个不是零)。当然，会存在其他变型、改变和替代。

[0119] 在其他实例中，可在包括至少150,000ppm的氧气的环境中操作本装置。该激光装置基本上没有AlGaN或InAlGaN镀层。该激光装置基本上没有p型AlGaN或p型InAlGaN镀层。每个发射器包括前面和后面，前面基本上没有涂层。每个发射器包括前面和后面，后面包括反射涂层。在其他实例中，该装置还具有与衬底热耦合的微通道冷却器。该装置还具有与衬底和散热器相关联的热膨胀系数(CTE)表征的子支架。子支架与衬底耦接，该子支架包括氮化铝材料、BeO、金刚石、合成金刚石(composite diamond)、或其组合。在一个特定实施方式中，将衬底粘在子支架上，该子支架由至少200W/(mk)的热导率表征。衬底包括一个或多个镀层区域。该一个或多个光学元件包括快轴准直透镜。激光装置由至少4nm的光谱宽度表征。在一个特定实例中，发射器的数量N的范围在3和15，15和30，30和50之间，并可大于50。在其他实例中，该N个发射器中的每个都可产生25至50mW的平均输出功率，产生50至100mW的平均输出功率，产生100至250mW的平均输出功率，产生250至500mW的平均输出功率，或产生500至1000mW的平均输出功率。在一个特定实例中，该N个发射器中的每个都可产生大于1W的平均输出功率。在一个实例中，该N个发射器中的每个彼此隔开3μm至15μm，或彼此隔开15μm至75μm，或彼此隔开75μm至150μm，或彼此隔开150μm至300μm。

[0120] 在又一替代的特定实施方式中，本实用新型提供了一种光学装置，例如，激光器。该装置包括具有表面区域的含镓和氮的材料，该表面区域由以下(10-11)、(10-1-1)、(20-21)、(20-2-1)、(30-31)、(30-3-1)、(40-41)或(40-4-1)中的一个的5度内的半极性表面定向表征。该装置还具有构造在第一方向上的第一波导区域，在一个特定实施方式中，第一方向是覆盖含镓和氮的材料的表面区域的c方向的投影。该装置还具有第二波导区域，其与第一波导区域耦合，并构造在覆盖含镓和氮的材料的表面区域的第二方向上。在一个优选实施方式中，第二方向与第一方向不同，并基本上平行于a方向。在一个优选实施方式中，第一和第二波导区域是连续的，并形成为单个连续的波导结构，并且，在波导的制造过程中形成在一起。当然，会存在其他变型、改变和替代。

[0121] 在一个实例中，该设备具有由铜材料、铝材料、硅材料或其组合组成的支撑件。在一个实例中，使微通道冷却器与支撑件热耦合。在一个实例中，使散热片(heat spreader)在支撑件和激光装置之间耦合。

[0122] 在一个实例中，在模块设备内设置磷光体材料(磷材料，phosphor material)，特别是与激光束光学耦合。在一个实例中，磷光体材料与多个激光束光学地相互作用。磷光体材料以反射模式、透射模式、或其组合等操作。将磷光体材料定位在与光学元件或金属或其他材料耦合的光路中。使磷光体材料沿着连续热梯度，朝着在支撑件附近内的散热器区域的所选部分，与支撑件热耦合。该设备还具有多个激光束与模块设备外部的磷光体材料的光学耦合。在一个实例中，引导多个激光束，使其通过光纤，以与磷光体材料耦合。将输出光束在几何上构造为，优化与磷的相互作用，例如，改进磷光体转化过程的效率。在一个实例中，磷光体材料与多个激光束和组合器耦合，以产生具有最大宽度和最小宽度的所选择的空间图案的输出。

[0123] 在一个实例中，该设备具有电输入界面，将其构造为，使射频电输入与多个激光装置耦合。将电输入界面构造为，使逻辑信号与多个激光装置耦合。

[0124] 在一个实例中，该设备具有由与支撑件和散热器相关联的热膨胀系数(CTE)表征的子支架构件。在一个实例中，子支架构件使N个激光装置与支撑件耦合。子支架构件由以下材料制成，其包括氮化铝、BeO、金刚石、合成金刚石或其组合中的至少一种。用子支架构件使N个激光装置与支撑件耦接。在一个实例中，将子支架粘在支撑件上。在一个实例中，子支架由至少200W/(mk)的热导率表征。在一个实例中，使激光装置直接与支撑件直接热耦合。在一个实例中，将N个激光装置的至少一部分构造在非极性或半极性含镓和氮的定向表面区域上。

[0125] 在一个实例中，非极性或半极性定向的表面区域是由{20-21}或{20-2-1}平面表征的半极性定向。激光带区域覆盖半极性表面区域；其中，使激光带区域定向在c方向的投影上。在一个实例中，非极性或半极性定向的表面区域是由m平面表征的非极性定向，并且，激光带区域覆盖非极性表面区域；其中，使激光带区域定向在c方向上。在一个实例中，使多个激光束分别在多个光纤中光学耦合。使多个光纤彼此光学耦合，以将该多个激光束组合成至少一个输出光束。使该输出光束在光纤中耦合。在一个实例中，输出光束由至少4nm的宽光谱宽度表征；其中，N的范围在3和50之间，并且，输出光束由小于4nm的窄光谱宽度表征；其中，N的范围在3和50之间。在一个实例中，N个发射器中的每个都产生10至1000mW的平均输出功率。在一个实例中，N个发射器中的每个都产生1至5W的平均输出功率。光学模块设备由10W和更大，50W和更大，或100W和更大，或200W和更大或更小的输出功率表征，尽管可以存在变型。在一个实例中，小于2摄氏度/瓦特电输入功率的热阻抗的特征是从激光装置到散热器的热路径。在一个实例中，小于1摄氏度/瓦特电输入功率的热阻抗特征是从激光装置到散热器的热路径。在一个实例中，当在额定输出功率下操作光学模块设备时(在25℃的基准温度下具有恒定的输入电流)，在2000小时内提供小于
20％的光学输出功率减小。在一个实例中，当在额定输出功率下操作光学模块设备时(在
25℃的基准温度下具有恒定的输入电流)，在5000小时内提供小于20％的光学输出功率减小。取决于实施方式，高度的由小于7mm表征，或者高度由小于4mm表征，或者高度由小于
2mm表征。

[0126] 在一些实施方式中，光学模块设备包括由长度、宽度和高度表征的形状因子；高度由小于11mm且大于1mm的尺寸表征，该设备包括：支撑件；覆盖支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，将该多个激光二极管装置中的每个构造为发射激光束；其中，该多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓和氮的激光二极管装置，将其构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射，具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射，及其组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；具有非引导特性的自由空间，能够从该多个激光二极管装置中的每个发射激光束；以及组合器，将其构造为，从该多个含镓和氮的激光二极管装置中的每个接收激光束，并提供由所选波长范围、所选光谱宽度、所选功率和所选空间构造表征的输出光束，其中：将支撑件构造为，将热能从该多个激光二极管装置传送至散热器；组合器包括自由空间光学器件，将其构造为，产生一个或多个自由空间光束；至少一个激光束由大于60％且小于100％的偏振纯度表征；输出光束由至少5W的工作光学输出功率表征；由小于4摄氏度/电瓦特电输入功率特征的热阻抗表征的从该多个激光二极管装置到散热器的热路径；并且，光学模块设备由当在光学输出功率内操作光学模块设备时(在25℃的基准温度下具有恒定的输入电流)，在500小时内小于20％的光学输出功率减小表征。

[0127] 在光学模块设备的一些实施方式中，该多个激光二极管装置中的至少一些包括AlInGaP激光二极管装置，将其构造为发射由具有范围从625nm至665nm的波长的红光发射表征的激光束。

[0128] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括电输入界面，将其构造为，使电输入功率与该多个激光二极管装置中的每个耦合。

[0129] 在光学模块设备的一些实施方式中，输出功率从5W至200W。

[0130] 在光学模块设备的一些实施方式中，该多个激光二极管装置中的每个可在包括至少150,000ppm的氧气的环境中操作；其中，该多个激光二极管装置中的每个在一段时间内基本上没有来自氧气的效率减小。

[0131] 在光学模块设备的一些实施方式中，支撑件包括选自铜、铝、硅及上述的任何组合中的材料。

[0132] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括与支撑件热耦合的微通道冷却器。

[0133] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括在支撑件和该多个激光装置之间耦合的散热片。

[0134] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括与输出光束光学耦合的磷光体材料。

[0135] 在光学模块设备的一些实施方式中，将磷光体材料构造为，以选自反射模式、透射模式，以及反射模式和透射模式的组合中的模式操作。

[0136] 在光学模块设备的一些实施方式中，使磷光体材料与光学元件或与金属耦合。

[0137] 在光学模块设备的一些实施方式中，使磷光体材料沿着连续热梯度，朝着在支撑件附近内的散热器区域的所选部分，与支撑件热耦合。

[0138] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括光耦合器，将其构造为，使该多个激光束与模块设备外部的磷光体材料光学耦合。

[0139] 在光学模块设备的一些实施方式中，光耦合器包括一个或多个光纤。

[0140] 在光学模块设备的一些实施方式中，将输出光束在几何上构造为，将与磷光体材料的相互作用从第一效率优化至第二效率。

[0141] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括与激光束耦合的磷光体材料，并且其中，将组合器构造为，提供由具有最大宽度和最小宽度的所选空间图案表征的输出光束。

[0142] 在光学模块设备的一些实施方式中，将电输入界面构造为，使射频电输入与该多个激光二极管装置耦合。

[0143] 在光学模块设备的一些实施方式中，将电输入界面构造为，使逻辑信号与该多个激光二极管装置耦合。

[0144] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括由与支撑件和散热器耦合的热膨胀系数(CTE)表征的子支架构件。

[0145] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括一个或多个子支架构件，其使该多个激光二极管装置与支撑件耦合。

[0146] 在光学模块设备的一些实施方式中，该一个或多个子支架构件包括选自氮化铝、BeO、金刚石、合成金刚石或上述的任何组合中的材料。

[0147] 在光学模块设备的一些实施方式中，将该一个或多个子支架构件构造为，使该多个激光二极管装置与支撑件耦合。

[0148] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括附接至支撑件的子支架，子支架由至少200W/(mk)的热导率表征。

[0149] 在光学模块设备的一些实施方式中，使该多个激光二极管装置直接与支撑件直接热耦合。

[0150] 在光学模块设备的一些实施方式中，该多个激光二极管装置的至少一部分覆盖选自非极性含镓和氮的定向表面区域与半极性含镓和氮的定向表面区域中的定向表面区域。

[0151] 在光学模块设备的一些实施方式中，定向表面区域是由{20-21}或{20-2-1}平面表征的半极性定向；并且，激光带区域覆盖该定向表面区域；其中，使激光带区域定向在c方向的投影上。

[0152] 在光学模块设备的一些实施方式中，定向表面区域是由m平面表征的非极性定向；并且，激光带区域覆盖该定向表面区域，其中，使激光带区域定向在c方向上。

[0153] 在光学模块设备的一些实施方式中，自由空间光学器件包括快轴准直透镜。

[0154] 在一些实施方式中，光学模块设备进一步包括光纤，其中，使输出光束在光纤中耦合。

[0155] 在光学模块设备的一些实施方式中，输出光束由至少4nm的光谱宽度表征，并且，N的范围是从3到50。

[0156] 在光学模块设备的一些实施方式中，输出光束由小于4nm的光谱宽度表征，并且，N的范围是从3到50。

[0157] 在光学模块设备的一些实施方式中，该多个激光二极管装置中的每个都发射由从10mW至1000mW的平均输出功率表征的激光束。

[0158] 在光学模块设备的一些实施方式中，该多个激光二极管装置中的每个都发射由从1W至5W的平均输出功率表征的激光束。

[0159] 在光学模块设备的一些实施方式中，输出功率选自10W和更大，50W和更大，以及100W和更大。

[0160] 在光学模块设备的一些实施方式中，热阻抗小于2摄氏度/瓦特电输入功率。

[0161] 在光学模块设备的一些实施方式中，热阻抗小于1摄氏度/瓦特电输入功率。

[0162] 在光学模块设备的一些实施方式中，当在输出功率内操作光学模块设备时(在25℃的基准温度下具有恒定的输入电流)，在2000小时内，光学输出功率的减小小于20％。

[0163] 在光学模块设备的一些实施方式中，当在输出功率内操作光学模块设备时(在25℃的基准温度下具有恒定的输入电流)，在5000小时内，光学输出功率的减小小于20％。

[0164] 在一些实施方式中，光学模块设备包括由长度、宽度和高度表征的形状因子；高度由小于11mm且大于1mm的尺寸表征，该设备包括：支撑件；覆盖支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，将该多个激光二极管装置中的每个构造为发射激光束；其中，该多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓和氮的激光二极管装置，将该含镓和氮的激光二极管装置构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射、具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射、以及它们的组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；波导件，将其构造为，从该多个激光光学装置发射激光束；以及组合器，将其构造为，从该多个激光二极管装置接收激光束，并提供由所选波长范围、所选光谱宽度、所选功率和所选空间构造表征的输出光束；其中：将支撑件构造为，将热能从该多个激光二极管装置传送至散热器；至少一个激光束由大于60％且小于100％的偏振纯度表征；输出光束由至少5W的光学输出功率表征；以及从该激光装置到散热器的热路径由小于4摄氏度/电瓦特输入功率的热阻抗表征。

[0165] 在一些实施方式中，光学模块设备包括由长度、宽度和高度表征的形状因子；高度由小于11mm且大于1mm的尺寸表征，该设备包括：支撑件；覆盖支撑件的编号从1到N的多个激光二极管装置，将该多个激光二极管装置中的每个构造为发射激光束；其中，该多个激光二极管装置中的至少一些包括含镓和氮的激光二极管装置，该含镓和氮的激光二极管装置由非极性或半极性定向的表面区域表征，并被构造为发射由选自具有范围从415nm至485nm的波长的蓝光发射、具有范围从500nm至560nm的波长的绿光发射、以及它们的组合中的发射表征的激光束；并且，其中，N大于1；覆盖非极性或半极性表面区域的激光带区域；其中，使每个激光带区域定向在c方向或c方向的投影上，并且，由第一端和第二端表征；以及组合器，该组合器被构造为，接收N个入射激光束中的多个激光束；组合器用来产生具有所选波长范围、光谱宽度、功率和空间构造的输出光束，其中，N大于1；其中，将支撑件构造为，将热能从该多个激光二极管装置传送至散热器；至少一个激光束由大于60％且小于100％的偏振纯度表征；输出光束由至少5W的预定的额定工作光学输出功率范围表征；并且，从激光装置到散热器的热路径由小于4摄氏度/电瓦特输入功率的热阻抗表征。

[0166] 虽然以上是特定实施方式的全部描述，但是，可以使用各种改变、替代结构和等价物。因此，以上描述和说明不应被视为限制本实用新型的范围，其由所附权利要求书限定。

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光学模块设备

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