光學(xué)放大器以及光學(xué)放大方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了光學(xué)放大器以及光學(xué)放大方法，包括：擴(kuò)散單元，被配置為由第一電流密度驅(qū)動并且增大穿過引導(dǎo)入射激光束的第一波導(dǎo)的激光束的光束直徑；以及放大單元，被配置為由高于所述第一電流密度的第二電流密度驅(qū)動并且放大穿過引導(dǎo)激光束的第二波導(dǎo)的激光束的強(qiáng)度，所述激光束的光束直徑已由所述擴(kuò)散單元增大。所述擴(kuò)散單元的第一波導(dǎo)具有錐形，其中，所述第一波導(dǎo)的截面面積朝著激光束的行進(jìn)方向逐漸增大。
【專利說明】光學(xué)放大器以及光學(xué)放大方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年3月25日提交的日本優(yōu)先專利申請JP2013-062423的權(quán)益，其全部內(nèi)容結(jié)合于此以作參考。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開涉及一種光學(xué)放大器以及一種光學(xué)放大方法。

【背景技術(shù)】
[0004]在光學(xué)工程領(lǐng)域中，作為放大激光束的強(qiáng)度的裝置，半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)已經(jīng)引起了關(guān)注。SOA是具有與激光二極管(LD)的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)的裝置，并且通過供應(yīng)預(yù)定電流，利用在半導(dǎo)體層上入射的激光束，在半導(dǎo)體層內(nèi)造成在反向分布狀態(tài)中進(jìn)行的受激發(fā)射，并且放大激光束的強(qiáng)度。
[0005]近年來，已經(jīng)研制出具有各種結(jié)構(gòu)的S0A,以便提高其性能。例如，Jan C.Balzer等人在期刊8277-39、美國Photonics West2012中公開了一種S0A，該SOA放大了脈沖振蕩激光束(脈沖激光束)，其中，將用于供應(yīng)電流的電極分成兩個部分，并且將具有不同值的電流分別提供給電極的這兩個部分，以便在與前一級的電極對應(yīng)的區(qū)域中調(diào)節(jié)脈沖激光束的脈沖頻率，并且在與后一級的電極對應(yīng)的區(qū)域中放大脈沖激光束的強(qiáng)度。
[0006]同時，在使用激光束的光學(xué)記錄領(lǐng)域中，需要具有較高輸出的激光束，例如，具有大約100W的峰值功率。因此，例如，對于藍(lán)色波長帶大約為405(nm)的激光束，已經(jīng)研制出一種S0A,該SOA的目標(biāo)在于更穩(wěn)定地輸出具有較高輸出的這種激光束。例如，JP2012-248745A公開了一種具有SOA的光源設(shè)備，該設(shè)備調(diào)節(jié)了 SOA的波導(dǎo)的截面面積并且改變了在SOA的前一級上入射的激光束(入射光)的放大率，從而在最后輸出的激光束中僅僅出現(xiàn)一個峰值并且抑制峰值位置的變化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]這里，在使用激光束的光學(xué)成像領(lǐng)域中，需要峰值功率(大約為100W)高于上述峰值功率的激光束作為激光束的強(qiáng)度。然而，在JP2012-248745A中，在峰值功率的結(jié)構(gòu)增大時，已經(jīng)確認(rèn)以下現(xiàn)象:在SOA的發(fā)射端的水平面上的激光束的寬度(光束寬度)比相應(yīng)波導(dǎo)的寬度更小(發(fā)生縮小)。在SOA的發(fā)射端的光束寬度的這種縮小可不利地造成災(zāi)變性光學(xué)損傷(C0D)、光放大效率(光學(xué)放大效率)降低等。
[0008]因此，需要一種S0A，用于增大輸出的激光束(發(fā)射光)的峰值功率，并且抑制光束寬度變窄。因此，本公開提出了一種新型改進(jìn)的光學(xué)放大器以及可進(jìn)一步抑制光束寬度變窄的光學(xué)放大方法。
[0009]根據(jù)本公開的一個實施方式，提供了一種光學(xué)放大器，包括:擴(kuò)散單元，被配置為由第一電流密度驅(qū)動并且增大穿過引導(dǎo)激光束的第一波導(dǎo)的入射激光束的光束直徑；以及放大單元，被配置為由高于所述第一電流密度的第二電流密度驅(qū)動并且放大穿過引導(dǎo)激光束的第二波導(dǎo)的激光束的強(qiáng)度，所述激光束的光束直徑已經(jīng)由所述擴(kuò)散單元增大。擴(kuò)散單元的第一波導(dǎo)具有錐形，其中，所述第一波導(dǎo)的截面面積朝著激光束的行進(jìn)方向逐漸增大。
[0010]根據(jù)本公開的另一個實施方式，提供了一種光學(xué)放大方法，包括:通過將第一電流密度施加至第一波導(dǎo)中，來增大穿過引導(dǎo)激光束的第一波導(dǎo)的入射激光束的光束直徑；以及通過將高于所述第一電流密度的第二電流密度施加至第二波導(dǎo)中，來放大穿過引導(dǎo)光束直徑已經(jīng)增大的激光束的第二波導(dǎo)的激光束的強(qiáng)度。第一波導(dǎo)具有錐形，其中，所述第一波導(dǎo)的截面面積朝著激光束的行進(jìn)方向逐漸增大。
[0011]根據(jù)本公開的一個或多個實施方式，擴(kuò)散單元增大激光束的光束直徑，并且放大單元放大光束直徑已經(jīng)由擴(kuò)散單元增大的激光束的強(qiáng)度。因此，更加抑制激光寬度的縮小。
[0012]如上所述，根據(jù)本公開的一個或多個實施方式，能夠進(jìn)一步抑制激光寬度的縮小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1A為示出現(xiàn)有SOA的一個結(jié)構(gòu)實例的示意圖；
[0014]圖1B為示出現(xiàn)有SOA的一個結(jié)構(gòu)實例的示意圖；
[0015]圖2為示出在現(xiàn)有SOA中的活性層內(nèi)的電流密度與所發(fā)射的光的峰值功率之間的關(guān)系的不圖；
[0016]圖3A為示出從與在圖2中所示的點A對應(yīng)的現(xiàn)有SOA中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的曲線圖；
[0017]圖3B為示出從與在圖2中所示的點B對應(yīng)的現(xiàn)有SOA中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的曲線圖；
[0018]圖4A為示出根據(jù)本公開的一個實施方式的SOA的一個結(jié)構(gòu)實例的示意圖；
[0019]圖4B為示出根據(jù)本公開的一個實施方式的SOA的一個結(jié)構(gòu)實例的示意圖；
[0020]圖5為示出從S0A10中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的示圖；
[0021]圖6為示出用于進(jìn)行測試的SOA的結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0022]圖7A為示出從用于進(jìn)行測試的SOA中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的示圖；
[0023]圖7B為示出從用于進(jìn)行測試的SOA中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的示圖；
[0024]圖8A為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處在復(fù)介電常數(shù)的實數(shù)部分中用于進(jìn)行測試的SOA的值的輪廓圖；
[0025]圖SB為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處在復(fù)介電常數(shù)的虛數(shù)部分中用于進(jìn)行測試的SOA的值的輪廓圖；
[0026]圖SC為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處用于進(jìn)行測試的SOA的光強(qiáng)度的值的輪廓圖；
[0027]圖9為示出在與在圖8C中所示的發(fā)射端對應(yīng)的位置中在X軸方向的激光束的強(qiáng)度分布的示圖；
[0028]圖1OA為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處在復(fù)介電常數(shù)的實數(shù)部分中根據(jù)一個實施方式的SOA的值的輪廓圖；
[0029]圖1OB為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處在復(fù)介電常數(shù)的虛擬部分中根據(jù)一個實施方式的SOA的值的輪廓圖；
[0030]圖1OC為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處根據(jù)一個實施方式的SOA的光強(qiáng)度的值的輪廓圖；
[0031]圖11為示出在與在圖1OC中所示的發(fā)射端對應(yīng)的位置中在X軸方向的激光束的強(qiáng)度分布的示圖；
[0032]圖12為示出用于設(shè)計在根據(jù)一個實施方式的SOA中的波導(dǎo)的形狀的參數(shù)的實例的表格；
[0033]圖13為示出根據(jù)實施方式的一個修改實例的SOA的結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0034]圖14A為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處在復(fù)介電常數(shù)的實數(shù)部分中根據(jù)一個修改實例的SOA的值的輪廓圖；
[0035]圖14B為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處在復(fù)介電常數(shù)的虛擬部分中根據(jù)一個修改實例的SOA的值的輪廓圖；
[0036]圖14C為示出在通過模擬獲得的各個坐標(biāo)處根據(jù)一個修改實例的SOA的光強(qiáng)度的值的輪廓圖；
[0037]圖15為示出在與在圖14C中所示的發(fā)射端對應(yīng)的位置中在X軸方向的激光束的強(qiáng)度分布的示圖；以及
[0038]圖16為示出包括根據(jù)一個實施方式的SOA的MOPA系統(tǒng)的一個結(jié)構(gòu)實例的示意圖。

【具體實施方式】
[0039]在后文中，參照附圖，詳細(xì)描述本公開的優(yōu)選實施方式。要注意的是，在該說明書和附圖中，具有基本上相同的功能和結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)元件由相同的參考數(shù)字表示，并且不重復(fù)解釋這些結(jié)構(gòu)元件。
[0040]要注意的是，附圖可放大一些結(jié)構(gòu)元件的尺寸或者通過與實際比例不同的比例，顯示結(jié)構(gòu)元件的大型/小型關(guān)系，以容易理解實施方式。因此，在附圖中的結(jié)構(gòu)元件的幾何尺寸、垂直和水平比例等未顯示嚴(yán)格上減小或放大的實際元件。
[0041]而且，按照以下順序，進(jìn)行描述。
[0042]1、研究現(xiàn)有SOA
[0043]2、本公開的實施方式
[0044]3、探討根據(jù)實施方式的SOA
[0045]3-1、用于進(jìn)行測試的SOA
[0046]3-2、光學(xué)傳播模擬
[0047]3-3、光學(xué)傳播模擬的結(jié)果
[0048]4、設(shè)計SOA的方法
[0049]4-1、使用透明介質(zhì)形成的波導(dǎo)的擴(kuò)散
[0050]4-2、使用放大介質(zhì)形成的波導(dǎo)的擴(kuò)散[0051 ] 4-3、使用放大介質(zhì)形成的錐形波導(dǎo)的擴(kuò)散
[0052]5、修改實例和應(yīng)用實例
[0053]5-1、具有不同錐度角的結(jié)構(gòu)
[0054]5-2、應(yīng)用于 MOPA
[0055]6、結(jié)論
[0056]〈1.現(xiàn)有SOA的研究>
[0057]在描述本公開的優(yōu)選實施方式之前，為了使本公開的內(nèi)容更精確，首先描述現(xiàn)有光學(xué)放大器的結(jié)構(gòu)。在此處，描述本發(fā)明人對現(xiàn)有光學(xué)放大器進(jìn)行研究的結(jié)果以及由本發(fā)明人構(gòu)成的本公開的背景。
[0058]作為現(xiàn)有光學(xué)放大器的一個結(jié)構(gòu)實例，參照圖1A和圖1B,描述現(xiàn)有半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)的一個結(jié)構(gòu)實例。圖1A和圖1B均為示出現(xiàn)有SOA的結(jié)構(gòu)實例的示意圖。要注意的是，圖1A示意性示出了沿著沿激光束的光路的平面并且沿著半導(dǎo)體層的堆疊方向截取的現(xiàn)有SOA的剖視圖，并且圖1B示意性示出了在從半導(dǎo)體層的堆疊方向的頂部觀看時現(xiàn)有SOA的結(jié)構(gòu)。在此處，例如，在圖1A和圖1B中示出的SOA與在JP2012-248745A中公開的SOA對應(yīng)。要注意的是，在以下描述中，如下限定z軸:在SOA上入射激光束的方向定義為z軸的負(fù)方向，并且從SOA中發(fā)射激光束的方向定義為z軸的正方向。在圖1A中，在示圖中的左方向與z軸的負(fù)方向?qū)?yīng)，并且在示圖中的右方向與z軸的正方向?qū)?yīng)。而且，為了描述在SOA的結(jié)構(gòu)元件之間的位置關(guān)系，在穿過SOA的激光束的行進(jìn)方向(即，z軸方向)，上游側(cè)可稱為前一級，并且下游側(cè)可稱為后一級。
[0059]參照圖1A，S0A910具有堆疊結(jié)構(gòu)，其中，活性層911介于P型覆蓋層912與η型覆蓋層913之間。要注意的是，雖然在圖1A中未顯示，但是η型覆蓋層913、活性層911以及ρ型覆蓋層912中的每個可堆疊在各種基板(例如，Si基板)之上。要注意的是，根據(jù)S0A910放大的激光束的波長，可適當(dāng)選擇活性層911、ρ型覆蓋層912以及η型覆蓋層913的主要材料。例如，作為活性層911、ρ型覆蓋層912以及η型覆蓋層913的主要材料，主要使用II1-V半導(dǎo)體，例如，GaN、GaAs、GaInN和/或AlGaA。例如，在S0A910上入射的光是藍(lán)色激光束(波長帶從大約350nm到大約500nm的激光束)時，包含作為主要成分的GaInN的化合物半導(dǎo)體可用于活性層911、ρ型覆蓋層912以及η型覆蓋層913。
[0060]在堆疊方向的P型覆蓋層912的頂部表面之上，設(shè)置上部電極914。而且，在堆疊方向的η型覆蓋層913的底部表面之下,設(shè)置下部電極915。而且,在S0A910上入射激光束的端面(入射端或在圖1A中所示的ζ軸的正方向的端面)以及發(fā)射激光束的端面(發(fā)射端或在圖1A中所示的ζ軸的正方向的端面)中，至少在與活性層911的端面對應(yīng)的區(qū)域中，提供防反射(AR)涂層(未顯示)，以便抑制激光束在端面上的反射。
[0061]要注意的是，在以下描述中，如圖1A中所示，相對于S0A910，堆疊η型覆蓋層913、活性層911以及ρ型覆蓋層912的方向定義為y軸的正方向，并且y軸方向也稱為垂直方向。而且，與y軸和ζ軸垂直的方向定義為X軸，并且X軸方向也稱為左右方向。要注意的是，在位于從S0A910中發(fā)射激光束的方向(ζ軸的正方向)左邊和右邊的方向，左方向定義為X軸的正方向。
[0062]在S0A910放大激光束時，在下部電極915保持為恒定電位(例如，接地電位)的狀態(tài)中，將預(yù)定的電流I1提供給上部電極914，以便在活性層911中生成預(yù)定的電流密度，并且生成所謂的反向分布狀態(tài)。在這種狀態(tài)中，使激光束入射在活性層911上，以便在活性層911中發(fā)生受激發(fā)射，并且放大入射的激光束的強(qiáng)度。通過這種方式，在S0A910中，活性層911發(fā)揮波導(dǎo)的作用，該波導(dǎo)將激光束從入射端引入發(fā)射端，同時放大激光束的強(qiáng)度。在此處，在圖1A中所示的活性層911的左右方向，例如，使用各種材料，進(jìn)一步設(shè)置絕緣層(未顯示)，并且在左右方向，由位于活性層911和絕緣層之上和之下的ρ型覆蓋層912和η型覆蓋層913在由X軸和y軸調(diào)節(jié)的平面(χ-y平面)上調(diào)節(jié)活性層911的截面形狀。通過這種方式，由活性層911、ρ型覆蓋層912、η型覆蓋層913以及外圍絕緣層形成波導(dǎo)，并且ρ型覆蓋層912、η型覆蓋層913以及外圍絕緣層被稱為光學(xué)引導(dǎo)層。要注意的是，在以下描述中，除非另有規(guī)定，否則在SOA中的波導(dǎo)表示活性層。而且，在以下描述中，除非另有規(guī)定，否則在SOA中的波導(dǎo)的截面表示在χ-y平面上的活性層的截面。
[0063]參照圖1B，描述S0A910的波導(dǎo)916的形狀。圖1B為示出在從y軸的正方向觀看時的現(xiàn)有S0A910的狀態(tài)的示意圖。然而，在圖1B中，為了描述波導(dǎo)916的形狀，在S0A910的結(jié)構(gòu)元件中，僅僅示出了 η型覆蓋層913和活性層911(8卩，波導(dǎo)916)。而且，在圖1B中，使用虛線示出活性層911 (波導(dǎo)916)。要注意的是，在圖1B中所示的實例中，相對于y軸方向，通過恒定的厚度堆疊活性層911 (波導(dǎo)916)。因此，在以下描述中，除非另有規(guī)定，否則波導(dǎo)916的形狀表示波導(dǎo)916在由X軸和ζ軸調(diào)節(jié)的平面(x-z平面)上的形狀。
[0064]參照圖1B，在S0A910中的波導(dǎo)916具有錐形，其中，其截面從入射端朝著發(fā)射端逐漸增大。波導(dǎo)916在位于入射端的截面上在X軸方向的長度(在后文中也被稱為波導(dǎo)的寬度或波導(dǎo)寬度)例如大約為9 μ m，并且波導(dǎo)916在位于發(fā)射端的截面上的寬度例如大約為12 μ m。而且，S0A910在ζ軸方向的長度(在后文中也被稱為波導(dǎo)的長度或波導(dǎo)長度)例如大約為2000 μ m。
[0065]本發(fā)明人測量了從在圖1A和圖1B中所示的S0A910中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布，同時改變了所提供的電流I1的值，以便確認(rèn)現(xiàn)有SOA的性能。圖2、圖3A和圖3B示出了 S0A910的測量結(jié)果。要注意的是，在以下描述中，激光束在X軸方向的寬度稱為激光束的光束寬度。更具體而言，在顯示激光束在X軸方向的強(qiáng)度分布時，在激光束的強(qiáng)度變成峰值功率的l/e2 (13.5%)的地方的激光束的寬度被稱為激光束的光束寬度。要注意的是，在后面要描述的圖3A和圖3B中并且在圖5、圖7A和圖7B中，顯示為所測量的值的光束寬度的比值是光束寬度在發(fā)射端的值，并且是通過根據(jù)在從放大式自發(fā)射(ASE)中的發(fā)射光的強(qiáng)度分布中讀取的光束寬度的值與在發(fā)射端的波導(dǎo)寬度之間的比率，將在所測量的強(qiáng)度分布的l/e2處的光束寬度的值轉(zhuǎn)換成在發(fā)射端的光束寬度從而獲得的值。要注意的是，在圖2、圖3A和圖3B中所示的結(jié)果是在激光束的波長大約為405nm時的結(jié)果。
[0066]圖2為示出在現(xiàn)有S0A910中的活性層911內(nèi)的電流密度與所發(fā)射的光的峰值功率之間的關(guān)系的示圖。在圖2中，水平軸表示在活性層911中的電流密度(電流密度(kA/cm2))，并且垂直軸表示從S0A910中發(fā)射的光的峰值功率(峰值功率(W))，并且繪制出了在所供應(yīng)的電流I1的值改變時在電流密度與峰值功率之間的關(guān)系。參照圖2，人們發(fā)現(xiàn)，在活性層911中的電流密度增大時，峰值功率成比例地增大。即，通過增大所供應(yīng)的電流I1的值，來增大活性層911中的電流密度，從而增大在S0A910中的激光束的強(qiáng)度的放大率，并且可發(fā)射具有更高峰值功率的激光束。
[0067]同時，圖3A和圖3B分別為示出從與在圖2中所示的點A和點B對應(yīng)的現(xiàn)有SOA中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的曲線圖。在圖3A和圖3B中的每個中，水平軸表示在X軸中的距離(距離(μπι))，并且繪制出在X軸方向從S0A910中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布。要注意的是，在圖3Α和3Β中的每個中，為了顯示光束寬度，在所發(fā)射的光的強(qiáng)度變成峰值功率的13.5%高度處，顯示了虛線。
[0068]參照圖3Α，在圖2中的點A處，電流密度是J=3.8(kA/cm2)，并且在這種情況下，發(fā)射光的峰值功率是54.5 (W)，并且在發(fā)射端的光束寬度是10.7 (Um)0參照3B，在圖2中的點B處，電流密度是J=6.7 (kA/cm2),并且在這種情況下，發(fā)射光的峰值功率是145 (W)，并且在發(fā)射端的光束寬度是7.6 (μπι)。
[0069]圖3Α和3Β的結(jié)果顯示了通過在現(xiàn)有S0A910中增大活性層911中的電流密度，可放大峰值功率，但是光束寬度變窄。例如，在圖3Β中所示的條件下，在發(fā)射端的光束寬度為7.6 ( μ m)，該寬度比在入射端的波導(dǎo)916的寬度(大約為9 μ m)更小，遠(yuǎn)離在發(fā)射端的波導(dǎo)916的寬度(大約為12μπι)。人們認(rèn)為，根據(jù)光的強(qiáng)度，由在活性層911中的介質(zhì)的折射率的變化造成激光束聚集(聚焦)(聚集現(xiàn)象(聚焦現(xiàn)象))，從而生成光束寬度的這種變窄。要注意的是，下面在〈3、探討根據(jù)實施方式的S0A>中，詳細(xì)解釋聚集現(xiàn)象。
[0070]而且，在圖3B中的結(jié)果示出了甚至在圖1B中的錐形的錐角增大時，光束寬度在現(xiàn)有S0A910中也未增大。因此，估計到在使電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在圖3B中所示的條件(J=6.7(kA/cm2))以便放大S0A910中的峰值功率時，光束寬度的變窄變得更明顯，并且放大率的減小或COD的問題等顯而易見。通過這種方式，通過具有現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的S0A910，認(rèn)為激光束的強(qiáng)度的放大具有限制。
[0071]作為現(xiàn)有光學(xué)放大器的一個實例，上面參照圖1A、圖1B、圖2、圖3A以及圖3B，已經(jīng)描述了 S0A910的結(jié)構(gòu)和性能。如上所述，通過具有現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的S0A910，在峰值功率放大時，光束寬度變得更小，并且因此，例如，難以穩(wěn)定地發(fā)射具有大約150W或更高的峰值功率的激光束。然而，在需要具有較高輸出的激光束的領(lǐng)域(例如，激光成像領(lǐng)域)中，例如，可需要具有大約300W或更高的峰值功率的激光束?？梢哉f，現(xiàn)有S0A910難以滿足將激光束的峰值功率放大到這種高強(qiáng)度的這種要求。
[0072]本發(fā)明人已經(jīng)研究了一種光學(xué)放大器，該光學(xué)放大器可進(jìn)一步增大發(fā)射光的峰值功率，根據(jù)上述研究結(jié)果，可抑制光束寬度變窄，并且已經(jīng)獲得根據(jù)本公開的一個實施方式的以下半導(dǎo)體光學(xué)放大器(S0A)。下面具體描述本發(fā)明人從該研究中獲得的光學(xué)放大器的一個優(yōu)選的實施方式。要注意的是，在以下實施方式中，示出與藍(lán)色激光束(例如，波長帶從大約350nm到大約500nm的激光束)(尤其是波長帶大約為405 (nm)的激光束)對應(yīng)的SOA的一個結(jié)構(gòu)實例。然而，根據(jù)本實施方式的SOA不限于該實例，并且可應(yīng)用于具有其他波長區(qū)域的激光束。
[0073]〈2、本公開的實施方式>
[0074]參照圖4A和圖4B,描述根據(jù)本公開的一個實施方式的半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)的一個結(jié)構(gòu)實例。圖4A和4B均為示出根據(jù)本公開的一個實施方式的SOA的結(jié)構(gòu)實例的示意圖。要注意的是，圖4A示意性示出沿著沿激光束的光路的a平面并且沿著沿半導(dǎo)體層的堆疊方向的s平面截取的根據(jù)本實施方式的SOA的剖視圖，并且圖4B示意性示出在從半導(dǎo)體層的堆疊方向的頂部觀看時根據(jù)本實施方式的SOA的結(jié)構(gòu)。而且，在圖4A和4B中所示的X軸、y軸以及ζ軸表示與在圖1A和圖1B中所示的X軸、y軸以及ζ軸相同的坐標(biāo)軸。
[0075]參照圖4Α，根據(jù)本公開的實施方式的S0A10具有堆疊結(jié)構(gòu)，其中，活性層110介于P型覆蓋層120與η型覆蓋層130之間。要注意的是，雖然在圖4Α中未顯示，但是η型覆蓋層130、活性層110以及ρ型覆蓋層120中的每個可堆疊在各種基板(例如，Si基板)之上。例如，作為活性層110、ρ型覆蓋層120以及η型覆蓋層130的主要材料，主要使用II1-V半導(dǎo)體，例如，GaN, GaAs, GaInN和/或AlGaA。例如，在圖4A和4B中所示的實例中，包含作為主要成分的GaInN的化合物半導(dǎo)體可用于活性層110、ρ型覆蓋層120以及η型覆蓋層130，以便SOAlO放大藍(lán)色激光束。要注意的是，在本實施方式中，不特別限制S0A10放大的激光束的波長，并且可使用具有任何波長的激光束?？筛鶕?jù)S0A10放大的激光束的波長，適當(dāng)選擇活性層110、ρ型覆蓋層120以及η型覆蓋層130的主要材料。
[0076]在P型覆蓋層120在堆疊方向上的的頂部表面之上，設(shè)置上部電極140。而且，在η型覆蓋層130在堆疊方向上的底部表面之下,設(shè)置下部電極150。而且,在S0A10的入射端(在圖4Α中所示的ζ軸的正方向上的端面)以及發(fā)射端(在圖4Α中所示的ζ軸的正方向上的端面)中，至少在與活性層110的端面對應(yīng)的區(qū)域中，提供防反射(AR)涂層(未顯示)，以抑制激光束在端面上的反射。
[0077]此外，如圖4Α中所示，上部電極140在ζ軸方向上分成兩個區(qū)域。通過這種方式，上部電極140包括在激光束穿過的方向上設(shè)置在前一級中的擴(kuò)散單元上部電極141以及位于后一級中的放大單元上部電極142?？蓪⒕哂胁煌档碾娏鞴?yīng)給擴(kuò)散單元上部電極141和放大單元上部電極142。在后文中，提供給擴(kuò)散單元上部電極141的電流也稱為擴(kuò)散單元供應(yīng)電流并且由Id表示。而且，提供給放大單元上部電極142的電流也稱為放大單元供應(yīng)電流并且由Ia表示。
[0078]在此處，在S0A10放大激光束時，在下部電極150保持為恒定電位(例如，接地電位)的狀態(tài)中，將預(yù)定的電流提供給上部電極140，以便在活性層110中生成預(yù)定的電流密度，并且生成所謂的反向分布狀態(tài)。在這種狀態(tài)中，使激光束入射在活性層110上，以在活性層110中發(fā)生受激發(fā)射，并且放大入射的激光束的強(qiáng)度。通過這種方式，上部電極140分成擴(kuò)散單元上部電極141以及放大單元上部電極142，并且可為其提供不同的電流Id和ΙΑ。因此，能夠在正好位于擴(kuò)散單元上部電極141之下的活性層110的區(qū)域以及正好位于放大單元上部電極142之下的活性層110的區(qū)域中控制電流密度的不同值。在該實施方式中，在S0A10中，由提供給擴(kuò)散單元上部電極141的電流Id控制電流密度的區(qū)域被稱為擴(kuò)散單元，并且由提供給放大單元上部電極142的電流Ia控制電流密度的區(qū)域被稱為放大單元。擴(kuò)散單元和放大單元與后面參照圖4Β描述的擴(kuò)散單元170和放大單元180對應(yīng)。要注意的是，在以下描述中，在位于擴(kuò)散單元內(nèi)的活性層110中的電流密度也被稱為擴(kuò)散單元電流密度或第一電流密度并且由Jd表示。而且，在位于放大單元內(nèi)的活性層110中的電流密度也被稱為放大單元電流密度或第二電流密度并且由Ja表示。
[0079]通過這種方式，在S0A10中，活性層110發(fā)揮波導(dǎo)的作用，該波導(dǎo)將激光束從入射端引導(dǎo)至發(fā)射端。在此處，在圖4Α中所示的活性層110的左右方向，例如，使用各種材料，進(jìn)一步設(shè)置絕緣層(未顯示)，并且在左右方向，由位于活性層110和絕緣層之上和之下的ρ型覆蓋層120和η型覆蓋層130在x-y平面上調(diào)節(jié)活性層110的截面形狀。通過這種方式，由活性層110、p型覆蓋層120、n型覆蓋層130以及外圍絕緣層形成波導(dǎo)，并且ρ型覆蓋層120、η型覆蓋層130以及外圍絕緣層被稱為光學(xué)引導(dǎo)層。要注意的是，在以下描述中，除非另有規(guī)定，否則在SOA中的波導(dǎo)表示活性層。而且，在以下描述中，除非另有規(guī)定，否則在S0A10中的波導(dǎo)的截面表示在χ-y平面上的活性層110的截面。
[0080]參照圖4B，描述S0A10的波導(dǎo)160的形狀。圖4B為示出在從y軸的正方向觀看時的根據(jù)該實施方式的S0A10的狀態(tài)的示意圖。然而，在圖4B中，為了描述波導(dǎo)160的形狀，在S0A10的結(jié)構(gòu)元件中，僅僅示出了 η型覆蓋層130和活性層110 (S卩，波導(dǎo)160)。而且，在圖4B中，使用虛線示出活性層110 (波導(dǎo)160)。要注意的是，在圖4B中所示的實例中，相對于y軸方向，通過固定的厚度堆疊活性層110 (波導(dǎo)160)。因此，在以下描述中，除非另有規(guī)定，否則波導(dǎo)160的形狀表示波導(dǎo)160在x-z平面上的形狀。
[0081]參照圖4B，根據(jù)該實施方式的S0A10包括擴(kuò)散單元170和放大單元180。在此處，如上所述，擴(kuò)散單元170和放大單元180在S0A10中分別與由提供給擴(kuò)散單元上部電極141的電流Id控制電流密度的區(qū)域以及由提供給放大單元上部電極142的電流Ia控制電流密度的區(qū)域?qū)?yīng)。因此，波導(dǎo)160也分成包含在擴(kuò)散單元170內(nèi)的擴(kuò)散單元波導(dǎo)171以及包含在放大單元180內(nèi)的放大單元波導(dǎo)181。要注意的是，盡管圖4B示意性示出了在擴(kuò)散單元170和放大單元180之間分割的波導(dǎo)160，但實際上可在S0A10中在ζ軸方向連續(xù)地形成波導(dǎo)160。
[0082]擴(kuò)散單元170由擴(kuò)散單元電流密度Jd驅(qū)動并且具有增大穿過引導(dǎo)入射的激光束的擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的激光束的光束直徑的功能。詳細(xì)描述包含在擴(kuò)散單元170內(nèi)的擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的結(jié)構(gòu)。
[0083]如圖4Β中所示，擴(kuò)散單元波導(dǎo)171包括擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的寬度基本上恒定的筆直部分172以及擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的截面面積朝著激光束的行進(jìn)方向逐漸增大的具有錐形形狀的錐形部分173。筆直部分172位于與S0A10的入射端相距預(yù)定距離的位置，并且錐形部分173連續(xù)地位于筆直部分172的后一級。S卩，如圖4Β中所示，在S0A10的波導(dǎo)160上入射的激光束依次穿過擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的筆直部分172和錐形部分173。
[0084]在該實施方式中，擴(kuò)散單元電流密度Jd的值控制在至少一個范圍內(nèi)，以便激光束的寬度不縮小。具體而言，控制擴(kuò)散單元電流密度Jd的值，以便激光束的強(qiáng)度在擴(kuò)散單元170中不放大并且不生成聚集現(xiàn)象?？筛鼉?yōu)選地控制擴(kuò)散單元電流密度Jd的值，以便激光束在擴(kuò)散單元170中的強(qiáng)度保持基本上恒定。根據(jù)錐形部分173的錐度角Θ的值、擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的截面面積、活性層110、ρ型覆蓋層120以及η型覆蓋層130的材料以及要放大的激光束的波長帶等條件，適當(dāng)確定激光束的強(qiáng)度通過這種方式保持基本上恒定的擴(kuò)散單元電流密度Jd的值。在該實施方式中，例如，通過將擴(kuò)散單元電流密度Jd設(shè)為約等于3(kA/cm2)，可實現(xiàn)一種狀態(tài)，其中，在擴(kuò)散單元170中不吸收或放大激光束，并且強(qiáng)度保持基本上恒定。因此，在激光束穿過擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的錐形部分173時，激光束的寬度根據(jù)錐形部分173的寬度逐漸增大。在該實施方式中，激光束的寬度通過這種方式進(jìn)行的這種增大稱為擴(kuò)散。而且，在以下描述中，激光束的寬度也稱為光束寬度，并且激光束的光斑直徑也稱為光束直徑。
[0085]要注意的是，在以下描述中，擴(kuò)散單元波導(dǎo)171在S0A10的入射端的寬度(即，筆直部分172的寬度)、擴(kuò)散單元波導(dǎo)171在錐形部分173的出口處的寬度、擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的波導(dǎo)長度、筆直部分172的波導(dǎo)長度、錐形部分173的錐度角、錐形部分173的波導(dǎo)長度以及波導(dǎo)160的波導(dǎo)長度還分別由以下符號表不:win、wout dif> Ld> Lds> θ、Ldt以及L。在該實施方式中，作為一個實例，將win、Wout dif, Ld、Lds、Ldt、Θ以及L分別設(shè)為約1.5 ( μ m)、約14 ( μ m)、約 1100 ( μ m)、約 600 ( μ m)、約 500 ( μ m)、約 0.72 (deg)以及約 3000 ( μ m)。
[0086]放大單元180由高于擴(kuò)散單元電流密度Jd的放大單元電流密度Ja驅(qū)動，并且具有放大激光束的強(qiáng)度的功能，該激光束穿過引導(dǎo)由擴(kuò)散單元170增大光束直徑的激光束的放大單元180。具體而言，放大單元180促使包含在放大單元180內(nèi)的放大單元波導(dǎo)181生成放大單元電流密度JA，以便生成所謂的反向分布狀態(tài)。在這種狀態(tài)中，使激光束入射在放大單元波導(dǎo)181上，以便在放大單元波導(dǎo)181中發(fā)生受激發(fā)射，并且放大入射的激光束的強(qiáng)度。如上所述，由于擴(kuò)散單元電流密度Jd設(shè)置在一個范圍內(nèi)，以便在擴(kuò)散單元170中不生成聚集現(xiàn)象，即，不放大激光束的強(qiáng)度的范圍，所以放大激光束的強(qiáng)度的放大單元180期望具有比擴(kuò)散單元電流密度Jd更高的電流密度；這就是放大單元電流密度Ja被設(shè)置為高于擴(kuò)散單元電流密度Jd的原因。
[0087]如圖4B中所示，在擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的錐形部分173的后一級，提供放大單元波導(dǎo)181。在圖4B中所示的實例中，放大單元波導(dǎo)181具有錐形形狀，其中，放大單元波導(dǎo)181的寬度根據(jù)錐形部分173的錐形形狀朝著激光束的行進(jìn)方向逐漸增大。要注意的是，放大單元波導(dǎo)181的形狀不限于該實例，并且可為任何其他形狀。由于在該實施方式中，放大單元180具有放大激光束的強(qiáng)度的功能,所以激光束的寬度在放大單元180中可縮小。因此，只要該形狀不防止擴(kuò)散單元170擴(kuò)散激光束，放大單元波導(dǎo)181就可具有任何形狀。通過這種方式，放大單元波導(dǎo)181可設(shè)置為使放大單元波導(dǎo)181的截面面積大于擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的截面面積。例如，放大單元波導(dǎo)181可具有一種形狀，其中，在擴(kuò)散單元170的出口部分處，放大單元波導(dǎo)181的寬度大于擴(kuò)散單元波導(dǎo)171的寬度Wtjut dif。
[0088]在以下描述中，放大單元波導(dǎo)181在S0A10的入射端的寬度和放大單元波導(dǎo)181的長度分別由以下符號表不:》_和La。在該實施方式中,例如，w—和1^分別設(shè)為~61 ( μ m)和 ^ 1900 ( μ m)。
[0089]上面參照圖4A和4B，描述了根據(jù)該實施方式的S0A10的結(jié)構(gòu)。通過根據(jù)該實施方式的S0A10，能夠抑制激光束的寬度變窄，這是因為在擴(kuò)散單元170擴(kuò)散激光束之后，放大單元180放大激光束的強(qiáng)度。
[0090]為了確認(rèn)具有上述結(jié)構(gòu)的S0A10的性能，測量從S0A10中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布。圖5示出了在S0A10上的測量結(jié)果。圖5為示出從S0A10中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的示圖。
[0091]在圖5中，水平軸表示在X軸中的距離(距離(μ m))，垂直軸表示從S0A10中發(fā)射的光的標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度，并且繪制出在X軸方向從S0A10中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布。要注意的是，在圖5中，為了顯示光束寬度，在發(fā)射光的強(qiáng)度變成峰值功率的13.5%的高度處，顯示虛線。要注意的是，與在上面的圖3A和圖3B中一樣，光束寬度在發(fā)射端的值是根據(jù)在X軸方向發(fā)射的光的強(qiáng)度分布，使用在ASE中的測量結(jié)果來將在發(fā)射光的強(qiáng)度變成峰值功率的l/e2(13.5%)的地方發(fā)射的光的寬度轉(zhuǎn)換成在發(fā)射端的光束寬度所獲得的值。而且，在圖5中所示的結(jié)果是在具有上述尺寸的結(jié)構(gòu)元件的S0A10上入射波長大約為405nm、擴(kuò)散單元電流密度Jd為3 (kA/cm2)、放大單元電流密度Ja為5 (kA/cm2)并且平均強(qiáng)度為4 (mff)的激光束時的結(jié)果。
[0092]參照圖5，在根據(jù)該實施方式的S0A10中，在發(fā)射光的峰值功率大約為150 (W)時，在發(fā)射端的光束寬度大約為22(μπι)。而且，發(fā)射光的平均功率大約為300 (mW)。在此處，在圖3B中所示的現(xiàn)有S0A910中，在電流密度J為6.7 (kA/cm2)時，發(fā)射光的峰值功率為145 (W)，并且在發(fā)射端的光束寬度為7.6 ( μ m)。因此，人們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)該實施方式的S0A10通過更低的電流密度(Ja=5 (kA/cm2))將激光束的強(qiáng)度放大為與現(xiàn)有S0A910基本上相同的峰值功率。而且，雖然在現(xiàn)有S0A910中的發(fā)射端的光束寬度變窄為比在入射端的波導(dǎo)916的寬度(大約為9(μπι))更小的值，但是在根據(jù)該實施方式的S0A10中的光束寬度保持比在入射端的波導(dǎo)160的寬度(win~1.5(μπι))以及在擴(kuò)散單元170的出口的擴(kuò)散單元波導(dǎo)171 的寬度(wQUt—dif ^ 14(μ m))更大。
[0093]如上所述，通過根據(jù)該實施方式的S0A10，通過使擴(kuò)散單元170擴(kuò)散激光束，然后通過使放大單元180放大激光束的強(qiáng)度，能夠抑制激光束的寬度變窄。例如，如上所述，在激光束的峰值功率放大為與現(xiàn)有S0A910基本上相同的水平時，S0A10抑制光束寬度變窄。通過這種方式，根據(jù)該實施方式的S0A10能夠更穩(wěn)定地放大激光束的強(qiáng)度。
[0094]〈3、探討根據(jù)實施方式的S0A>
[0095]描述在根據(jù)該實施方式的S0A10中的光的性能的理論探討的結(jié)果。具體而言，分析在S0A10中影響光束寬度變窄的因素，并且討論抑制光束寬度變窄的因素。
[0096]在分析在上面〈2、本公開的實施方式〉中描述的S0A10之前，本發(fā)明人已經(jīng)研究了一種用于進(jìn)行測試的S0A，該SOA具有比S0A10更簡單的結(jié)構(gòu)。在以下描述中，首先，〈3_1、用于進(jìn)行測試的S0A>顯示了用于進(jìn)行測試的SOA的結(jié)構(gòu)以及從用于進(jìn)行測試的SOA中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的測量結(jié)果。接下來，〈3-2、光學(xué)傳播模擬〉顯示了所引入的模擬技術(shù)的概述，以便分析在用于進(jìn)行測試的SOA和S0A10的波導(dǎo)中生成的物理現(xiàn)象。最后，〈3-3、光學(xué)傳播模擬的結(jié)果 > 顯示了用于進(jìn)行測試的SOA和S0A10的模擬結(jié)果，根據(jù)模擬結(jié)果，探討在用于進(jìn)行測試的SOA和S0A10中的光的性能，并且研究影響光束寬度的縮小的因素。
[0097]〈3-1、用于進(jìn)行測試的50八>
[0098]如在上面〈1、研究現(xiàn)有S0A>中所述，人們認(rèn)為，根據(jù)激光束的強(qiáng)度，通過在活性層(波導(dǎo))中的介質(zhì)的折射率η的變化，并且通過聚集(聚焦)激光束(聚集現(xiàn)象(聚焦現(xiàn)象))，在SOA中生成光束寬度的縮小。作為影響介質(zhì)的折射率η的因素，可考慮在介質(zhì)中的載流子密度(電子空穴密度)N、在介質(zhì)中的光密度S、在介質(zhì)中的溫度Τ、激光束的波長λ。在此處，源自載流子密度N和光密度S的折射率η的變化稱為載流子引起的折射率變化和包括光學(xué)克爾效應(yīng)的非線性光學(xué)效應(yīng)。
[0099]為了在上述因素中找出介質(zhì)的折射率η的變化的主要因素，本發(fā)明人已經(jīng)研究了根據(jù)該實施方式的S0A。在上述因素之中，由于SOA以及包括SOA的激光光源系統(tǒng)的使用條件，所以溫度T和波長λ難以大幅變化。因此，本發(fā)明人已經(jīng)研究了載流子密度N和光密度S對聚集現(xiàn)象的影響。詳細(xì)研究這些參數(shù)較為重要，這也是因為SOA的放大性能(SP，由受激發(fā)射生成的發(fā)射光的強(qiáng)度)取決于載流子密度N和光密度S。為了研究載流子密度N和光密度S對聚集現(xiàn)象的影響，首先，本發(fā)明人檢查了具有比S0A10更簡單的結(jié)構(gòu)的用于進(jìn)行測試的S0A。
[0100]參照圖6，描述用于進(jìn)行測試的SOA的結(jié)構(gòu)。圖6為示出用于進(jìn)行測試的SOA的結(jié)構(gòu)的示意圖。要注意的是，在圖6中所示的用于進(jìn)行測試的SOA的堆疊結(jié)構(gòu)與參照圖4Α描述的S0A10的堆疊結(jié)構(gòu)相同；因此，不描述用于進(jìn)行測試的SOA的堆疊結(jié)構(gòu)。此外，圖6為與上述圖4Β對應(yīng)的示圖，并且示意性示出了在半導(dǎo)體層的堆疊方向從頂部方向觀看時用于進(jìn)行測試的SOA的結(jié)構(gòu)。使用虛線顯示波導(dǎo)。
[0101]參照圖6，在根據(jù)該實施方式的用于進(jìn)行測試的S0A30的結(jié)構(gòu)元件之中，僅僅顯示了 η型覆蓋層330和活性層310 (波導(dǎo)360)。要注意的是，如上所述，由于用于進(jìn)行測試的S0A30具有與在圖4Α中所示的S0A10相同的堆疊結(jié)構(gòu)，所以用于進(jìn)行測試的S0A30具有在圖6中未顯示的其他結(jié)構(gòu)，例如，ρ型覆蓋層、下部電極以及上部電極(包括擴(kuò)散單元電極和放大單元電極)。如圖6中所示，根據(jù)該實施方式的用于進(jìn)行測試的S0A30包括擴(kuò)散單元370和放大單元380。而且，將波導(dǎo)360分成包含在擴(kuò)散單元370內(nèi)的擴(kuò)散單元波導(dǎo)371和包含在放大單元380內(nèi)的放大單元波導(dǎo)381。在此處，用于進(jìn)行測試的S0A30的功能和結(jié)構(gòu)與SOAlO的功能和結(jié)構(gòu)相同，除了波導(dǎo)360 (包括擴(kuò)散單元波導(dǎo)371和放大單元波導(dǎo)381)的形狀以外；因此，不詳細(xì)描述相同的結(jié)構(gòu)，并且下面主要描述差別。
[0102]擴(kuò)散單元波導(dǎo)371在ζ軸方向延伸，并且具有基本上恒定的波導(dǎo)寬度，如圖6中所示。通過這種方式，擴(kuò)散單元波導(dǎo)371具有筆直的形狀，即，在從y軸方向觀看時具有預(yù)定寬度的大致矩形形狀。擴(kuò)散單元波導(dǎo)371的波導(dǎo)寬度Win例如為~1.5(μπι)，并且擴(kuò)散單元波導(dǎo)371的長度Ld例如為^ 1600 ( μ m)。
[0103]放大單元波導(dǎo)381位于擴(kuò)散單元波導(dǎo)371的后一級。如圖6中所示，放大單元波導(dǎo)381在ζ軸方向延伸，并且具有比擴(kuò)散單元波導(dǎo)371的波導(dǎo)寬度更大的基本上恒定的波導(dǎo)寬度。即，放大單元波導(dǎo)381具有筆直的形狀。通過這種方式，擴(kuò)散單元波導(dǎo)371和放大單元波導(dǎo)381具有一種形狀，其中，在從y軸方向觀看時均具有預(yù)定的寬度的兩個大致矩形形狀相結(jié)合。放大單元波導(dǎo)381的波導(dǎo)寬度Wtjut例如為~60 ( μ m)，并且放大單元波導(dǎo)381的長度La例如為~400 (μ m)。波導(dǎo)360的長度L為~2000 (μ m)。要注意的是，雖然圖6示意性示出了在擴(kuò)散單元370與放大單元380之間分割的波導(dǎo)360，但是實際上在用于進(jìn)行測試的S0A30中在ζ軸方向可連續(xù)地形成波導(dǎo)360。
[0104]上面參照圖6，已經(jīng)描述了用于進(jìn)行測試的S0A30的結(jié)構(gòu)(尤其是波導(dǎo)360的形狀)。本發(fā)明人已經(jīng)測量了從具有這種結(jié)構(gòu)的用于進(jìn)行測試的S0A30中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布。圖7A和7B示出了結(jié)果。
[0105]參照圖7A和圖7B，描述從用于進(jìn)行測試的S0A30中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布。圖7A和圖7B均為示出從用于進(jìn)行測試的S0A30中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的示圖。
[0106]在此處，在圖7A和圖7B中所示的示圖均具有的形式(例如，由X軸和y軸表示的物理量)與示出從在圖5中所示的S0A10中發(fā)射的光的強(qiáng)度分布的示圖相同；因此，不詳細(xì)對其進(jìn)行描述。而且，在圖7A和圖7B中以及在圖5中，光束寬度在發(fā)射端的值是根據(jù)在X軸方向發(fā)射的光的強(qiáng)度分布，使用在ASE中的測量結(jié)果來將在發(fā)射光的強(qiáng)度變成峰值功率的l/e2 (13.5%)的地方發(fā)射的光的寬度轉(zhuǎn)換成在發(fā)射端的光束寬度所獲得的值。而且，在圖7A和圖7B中所示的結(jié)果是在具有上述尺寸的結(jié)構(gòu)元件的S0A310上入射波長大約為405nm、擴(kuò)散單元電流密度Jd為3 (kA/cm2)、以及平均強(qiáng)度為4 (mW)的激光束時的結(jié)果。要注意的是，圖7A示出了在放大單元電流密度Ja為3 (kA/cm2)時的結(jié)果，并且圖7B示出了在放大單元電流密度Ja為6 (kA/cm2)時的結(jié)果。
[0107]參照圖7A和圖7B，在用于進(jìn)行測試的S0A30中，在放大單元電流密度Ja為3 (kA/cm2)時，在發(fā)射端的光束寬度大約為40 (μ m)，并且在放大單元電流密度Ja為6 (kA/cm2)時，在發(fā)射端的光束寬度大約為44(μ m)。雖然放大單元電流密度Ja的值翻倍，但是光束寬度基本上未改變。因此，用于進(jìn)行測試的S0A30的放大單元380被視為未生成光束寬度的大幅縮小，即，沒有大量聚集現(xiàn)象。
[0108]在放大單元波導(dǎo)381中，放大單元電流密度Ja的變化與載流子密度N的變化對應(yīng)。即，在圖7A和7B中所示的結(jié)果表示載流子密度N對聚集現(xiàn)象的影響不大。同時，在用于進(jìn)行測試的S0A30中，擴(kuò)散單元波導(dǎo)371和放大單元波導(dǎo)381均具有一種擴(kuò)展的筆直形狀，其中，波導(dǎo)寬度基本上恒定，并且在光從擴(kuò)散單元370傳播到放大單元380中時，波導(dǎo)360的寬度從大約1.5 ( μ m)大幅增大為大約60 ( μ m)。因此，放大單元波導(dǎo)381具有光密度S的小值，因此，人們認(rèn)為，折射率η的變化較小，并且不可能發(fā)生聚集現(xiàn)象。
[0109]而且，在用于進(jìn)行測試的S0A30中，波導(dǎo)360在發(fā)射端的寬度Wtjut為~60 ( μ m)。雖然沒有大幅聚集現(xiàn)象，但是在發(fā)射端的光束寬度大約為40 μ m。結(jié)果表明，甚至在基本上未發(fā)生聚集現(xiàn)象時，光束寬度并未根據(jù)波導(dǎo)360的寬度無限增大，但是可對光束寬度的擴(kuò)散進(jìn)行限制。光束寬度的擴(kuò)散的這種限制值被視為歸因于根據(jù)由激光束的衍射造成的激光束的波長的衍射極限。
[0110]通過這種方式，在圖7A和圖7B中的結(jié)果表示，在根據(jù)本實施方式的用于進(jìn)行測試的S0A30中，在波導(dǎo)中的介質(zhì)的折射率η的變化受到的光密度S的影響比受到載流子密度N的影響更大。而且，人們認(rèn)為在S0A10中，發(fā)生與所表示的現(xiàn)象相同的現(xiàn)象。為了確認(rèn)以上探討并且進(jìn)一步分析在S0A10和用于進(jìn)行測試的S0A30的波導(dǎo)160和360中的光的性能，本發(fā)明人已經(jīng)研制了一種技術(shù)，用于進(jìn)行光學(xué)傳播模擬，包括由光強(qiáng)度S造成的折射率η的變化。在此處，“由光強(qiáng)度S造成的折射率η的變化”表示載流子引起的折射率變化。
[0111]〈3-2、光學(xué)傳播模擬〉
[0112]描述根據(jù)該實施方式的模擬技術(shù)的概述。為了分析光學(xué)傳播在波導(dǎo)中的狀態(tài)，本發(fā)明人已經(jīng)創(chuàng)造了一種模擬技術(shù)，該技術(shù)使用有限差分光束傳播法(FT-BPM)，涉及伴隨由光密度S造成的載流子密度的變化發(fā)生的折射率η的變化(載流子引起的折射率變化)。有關(guān) FT-BPM 的詳情，例如，參照 1999 年 7 月，Gendai Kogakusha, “Hikari DouharoKaiseki No Kiso:MaxwelI Equat1n and Schrodinger Equat1n Wo Toku Tameni，，，Kawano Kenji 和 Kitou Tsutomu 的“第五章:Beam Propagat1n Method”(后文中稱為參考I)。關(guān)于涉及波動函數(shù)的載流子引起的折射率變化的分析技術(shù)的詳情，例如，參照GOVINDP.AGRAffAL 等人在 ffiEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS、1989 年、第 25 卷、第 11 號、第2297-2306頁的“Self-Phase Modulat1n and Spectral Broadening of Optical Pulsesin Semiconductor Laser Amplifiers”(后文中稱為參考2)。根據(jù)參考I和2,本發(fā)明人已經(jīng)研制了模擬技術(shù)，該技術(shù)使用涉及載流子引起的折射率變化的FT-BPM。下面描述根據(jù)該實施方式的最近研制的模擬技術(shù)的概述。要注意的是，在模擬技術(shù)的以下描述中，通過假設(shè)波導(dǎo)160和360 (包括活性層110和310)在7軸方向具有恒定的厚度并且激光束的強(qiáng)度在I軸方向沒有發(fā)生變化，描述用于在二維中(在x-z平面上)分析光的性能的一種模擬技術(shù)。
[0113]在涉及載流子引起的折射率變化的情況下，在介質(zhì)(在該實施方式中的活性層110和310)中的波動函數(shù)由以下公式(I)表示。
r....-1 I1V ,1V d V , xL0114」 一.....................................—-...................................——.........................................................................................................................................................(I》
V:'c: Br
[0115]在此處，Ψ = Ψ (X，z, t)是表示在介質(zhì)中的激光束的性能的波動函數(shù)，并且例如是表示激光束的電場的波動函數(shù)。如上所述，在y軸方向的展開由Ψ忽略。而且，C、ε r> X car_ind(N)分別表示光速、介質(zhì)的介電常數(shù)(復(fù)數(shù)介電常數(shù))、介質(zhì)的磁化率，該磁化率是在介質(zhì)中的載流子(電子或空穴)密度N的函數(shù)。
[0116]為了解算波動函數(shù)Ψ (X，z, t)的公式(I)，執(zhí)行慢變包絡(luò)近似(SVEA)。在SVEA中，波動函數(shù)Ψ(χ，ζ，υ由在行進(jìn)方向逐漸改變的幅度項Φ(Χ，z, t)以及強(qiáng)烈振動的相位項exp [-j ( β 0ζ-ω0?)]表示。SP,波動函數(shù)Ψ (X，z, t)近似于以下公式(2)。
[0117]i —— ?,,O] -?:-.
[0118]在此處，^由參考折射率neff和波矢量1?在真空中的乘積限定。作為參考折射率neff，例如，使用覆蓋層(P型覆蓋層120和η型覆蓋層130和330)、基板等中的任一個的折射率。而且，Oci是中心頻率。
[0119]通過假設(shè)在要擴(kuò)展的公式(I)中分配公式(2)，獲得以下公式(3)。要注意的是，在獲得公式(3)的工序中，使用近軸光線近似(菲涅耳近似)，以便設(shè)置(δ2φ)/(δζ2)=O。通過相似的方式，由于包絡(luò)Φ隨著時間的變化足以比在中心頻率Otl中更慢，所以設(shè)置(δ2φ)/) St2) = O。

【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)放大器，包括: 擴(kuò)散單元，被配置為由第一電流密度驅(qū)動并且增大穿過引導(dǎo)入射激光束的第一波導(dǎo)的所述入射激光束的光束直徑；以及 放大單元，被配置為由高于所述第一電流密度的第二電流密度驅(qū)動并且放大穿過引導(dǎo)光束直徑已經(jīng)由所述擴(kuò)散單元增大的激光束的第二波導(dǎo)的激光束的強(qiáng)度， 其中，所述擴(kuò)散單元的所述第一波導(dǎo)具有錐形，在所述錐形中，所述第一波導(dǎo)的截面面積朝著所述激光束的行進(jìn)方向逐漸增大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)放大器， 其中，所述放大單元的所述第二波導(dǎo)的截面面積大于所述擴(kuò)散單元的所述第一波導(dǎo)的截面面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)放大器， 其中，所述放大單元的所述第二波導(dǎo)具有錐形，其中，所述第二波導(dǎo)的截面面積朝著激光束的行進(jìn)方向逐漸增大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)放大器， 其中，所述第一波導(dǎo)和所述第二波導(dǎo)均相對于與激光束的行進(jìn)方向垂直的第一方向具有不變的厚度， 其中，所述擴(kuò)散單元的所述第一波導(dǎo)在與所述第一方向相交的平面上具有所述錐形，并且 其中，所述擴(kuò)散單元增大穿過所述第一波導(dǎo)的激光束在與激光束的行進(jìn)方向垂直并且與所述第一方向垂直的第二方向上的光束寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)放大器， 其中，根據(jù)所述放大單元的所述第二波導(dǎo)的長度、所述放大單元的所述第二波導(dǎo)的截面面積以及在所述放大單元中的激光束的強(qiáng)度的放大率，確定所述擴(kuò)散單元的所述第一波導(dǎo)的所述錐形中的錐度角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)放大器， 其中，所述擴(kuò)散單元的所述第一波導(dǎo)的所述錐形中的錐度角大于O。并且小于或等于由激光束的衍射極限限定的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)放大器， 其中，所述放大率是從所述光學(xué)放大器中發(fā)射的光的強(qiáng)度與在所述光學(xué)放大器上的光的強(qiáng)度的比。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)放大器， 其中，通過在所述擴(kuò)散單元中不放大激光束的強(qiáng)度的方式，由所述第一電流密度驅(qū)動所述擴(kuò)散單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)放大器， 其中，所述第一電流密度小于或等于3kA/cm2。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)放大器， 其中，所述激光束具有從350nm到500nm的波長。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)放大器， 其中，所述第一波導(dǎo)和所述第二波導(dǎo)均包括主要包含GaInN的材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)放大器， 其中，所述光學(xué)放大器還包括分別位于所述擴(kuò)散單元和所述放大單元上的擴(kuò)散單元上部電極和放大單元上部電極，所述第一電流密度由提供給所述擴(kuò)散單元上部電極的電流控制，并且所述第二電流密度由提供給所述放大單元上部電極的電流控制。
13.—種光學(xué)放大方法,包括: 通過將第一電流密度施加至引導(dǎo)入射激光束的第一波導(dǎo)中，來增大穿過所述第一波導(dǎo)的所述入射激光束的光束直徑；以及 通過將高于所述第一電流密度的第二電流密度施加至引導(dǎo)光束直徑已經(jīng)被增大的激光束的第二波導(dǎo)中，來放大穿過所述第二波導(dǎo)的激光束的強(qiáng)度， 其中，所述第一波導(dǎo)具有錐形，其中，所述第一波導(dǎo)的截面面積朝著激光束的行進(jìn)方向逐漸 增大。
【文檔編號】H01S5/042GK104078838SQ201410100203
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月25日
【發(fā)明者】吉田浩 申請人:索尼公司