光學放大器以及光學放大方法
2023-09-23 21:27:30
光學放大器以及光學放大方法
【專利摘要】本發明提供了光學放大器以及光學放大方法，包括：擴散單元，被配置為由第一電流密度驅動並且增大穿過引導入射雷射束的第一波導的雷射束的光束直徑；以及放大單元，被配置為由高於所述第一電流密度的第二電流密度驅動並且放大穿過引導雷射束的第二波導的雷射束的強度，所述雷射束的光束直徑已由所述擴散單元增大。所述擴散單元的第一波導具有錐形，其中，所述第一波導的截面面積朝著雷射束的行進方向逐漸增大。
【專利說明】光學放大器以及光學放大方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求於2013年3月25日提交的日本優先專利申請JP2013-062423的權益，其全部內容結合於此以作參考。
【技術領域】
[0003]本公開涉及一種光學放大器以及一種光學放大方法。
【背景技術】
[0004]在光學工程領域中，作為放大雷射束的強度的裝置，半導體光學放大器(SOA)已經引起了關注。SOA是具有與雷射二極體(LD)的結構相似的結構的裝置，並且通過供應預定電流，利用在半導體層上入射的雷射束，在半導體層內造成在反向分布狀態中進行的受激發射，並且放大雷射束的強度。
[0005]近年來，已經研製出具有各種結構的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放大了脈衝振蕩雷射束(脈衝雷射束)，其中，將用於供應電流的電極分成兩個部分，並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的區域中調節脈衝雷射束的脈衝頻率，並且在與後一級的電極對應的區域中放大脈衝雷射束的強度。
[0006]同時，在使用雷射束的光學記錄領域中，需要具有較高輸出的雷射束，例如，具有大約100W的峰值功率。因此，例如，對於藍色波長帶大約為405(nm)的雷射束，已經研製出一種S0A,該SOA的目標在於更穩定地輸出具有較高輸出的這種雷射束。例如，JP2012-248745A公開了一種具有SOA的光源設備，該設備調節了 SOA的波導的截面面積並且改變了在SOA的前一級上入射的雷射束(入射光)的放大率，從而在最後輸出的雷射束中僅僅出現一個峰值並且抑制峰值位置的變化。
【發明內容】
[0007]這裡，在使用雷射束的光學成像領域中，需要峰值功率(大約為100W)高於上述峰值功率的雷射束作為雷射束的強度。然而，在JP2012-248745A中，在峰值功率的結構增大時，已經確認以下現象:在SOA的發射端的水平面上的雷射束的寬度(光束寬度)比相應波導的寬度更小(發生縮小)。在SOA的發射端的光束寬度的這種縮小可不利地造成災變性光學損傷(C0D)、光放大效率(光學放大效率)降低等。
[0008]因此，需要一種S0A，用於增大輸出的雷射束(發射光)的峰值功率，並且抑制光束寬度變窄。因此，本公開提出了一種新型改進的光學放大器以及可進一步抑制光束寬度變窄的光學放大方法。
[0009]根據本公開的一個實施方式，提供了一種光學放大器，包括:擴散單元，被配置為由第一電流密度驅動並且增大穿過引導雷射束的第一波導的入射雷射束的光束直徑；以及放大單元，被配置為由高於所述第一電流密度的第二電流密度驅動並且放大穿過引導雷射束的第二波導的雷射束的強度，所述雷射束的光束直徑已經由所述擴散單元增大。擴散單元的第一波導具有錐形，其中，所述第一波導的截面面積朝著雷射束的行進方向逐漸增大。
[0010]根據本公開的另一個實施方式，提供了一種光學放大方法，包括:通過將第一電流密度施加至第一波導中，來增大穿過引導雷射束的第一波導的入射雷射束的光束直徑；以及通過將高於所述第一電流密度的第二電流密度施加至第二波導中，來放大穿過引導光束直徑已經增大的雷射束的第二波導的雷射束的強度。第一波導具有錐形，其中，所述第一波導的截面面積朝著雷射束的行進方向逐漸增大。
[0011]根據本公開的一個或多個實施方式，擴散單元增大雷射束的光束直徑，並且放大單元放大光束直徑已經由擴散單元增大的雷射束的強度。因此，更加抑制雷射寬度的縮小。
[0012]如上所述，根據本公開的一個或多個實施方式，能夠進一步抑制雷射寬度的縮小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1A為示出現有SOA的一個結構實例的示意圖；
[0014]圖1B為示出現有SOA的一個結構實例的示意圖；
[0015]圖2為示出在現有SOA中的活性層內的電流密度與所發射的光的峰值功率之間的關係的不圖；
[0016]圖3A為示出從與在圖2中所示的點A對應的現有SOA中發射的光的強度分布的曲線圖；
[0017]圖3B為示出從與在圖2中所示的點B對應的現有SOA中發射的光的強度分布的曲線圖；
[0018]圖4A為示出根據本公開的一個實施方式的SOA的一個結構實例的示意圖；
[0019]圖4B為示出根據本公開的一個實施方式的SOA的一個結構實例的示意圖；
[0020]圖5為示出從S0A10中發射的光的強度分布的示圖；
[0021]圖6為示出用於進行測試的SOA的結構的示意圖；
[0022]圖7A為示出從用於進行測試的SOA中發射的光的強度分布的示圖；
[0023]圖7B為示出從用於進行測試的SOA中發射的光的強度分布的示圖；
[0024]圖8A為示出在通過模擬獲得的各個坐標處在復介電常數的實數部分中用於進行測試的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處在復介電常數的虛數部分中用於進行測試的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處用於進行測試的SOA的光強度的值的輪廓圖；
[0027]圖9為示出在與在圖8C中所示的發射端對應的位置中在X軸方向的雷射束的強度分布的示圖；
[0028]圖1OA為示出在通過模擬獲得的各個坐標處在復介電常數的實數部分中根據一個實施方式的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處在復介電常數的虛擬部分中根據一個實施方式的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處根據一個實施方式的SOA的光強度的值的輪廓圖；
[0031]圖11為示出在與在圖1OC中所示的發射端對應的位置中在X軸方向的雷射束的強度分布的示圖；
[0032]圖12為示出用於設計在根據一個實施方式的SOA中的波導的形狀的參數的實例的表格；
[0033]圖13為示出根據實施方式的一個修改實例的SOA的結構的示意圖；
[0034]圖14A為示出在通過模擬獲得的各個坐標處在復介電常數的實數部分中根據一個修改實例的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處在復介電常數的虛擬部分中根據一個修改實例的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處根據一個修改實例的SOA的光強度的值的輪廓圖；
[0037]圖15為示出在與在圖14C中所示的發射端對應的位置中在X軸方向的雷射束的強度分布的示圖；以及
[0038]圖16為示出包括根據一個實施方式的SOA的MOPA系統的一個結構實例的示意圖。
【具體實施方式】
[0039]在後文中，參照附圖，詳細描述本公開的優選實施方式。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構的結構元件由相同的參考數字表示，並且不重複解釋這些結構元件。
[0040]要注意的是，附圖可放大一些結構元件的尺寸或者通過與實際比例不同的比例，顯示結構元件的大型/小型關係，以容易理解實施方式。因此，在附圖中的結構元件的幾何尺寸、垂直和水平比例等未顯示嚴格上減小或放大的實際元件。
[0041]而且，按照以下順序，進行描述。
[0042]1、研究現有SOA
[0043]2、本公開的實施方式
[0044]3、探討根據實施方式的SOA
[0045]3-1、用於進行測試的SOA
[0046]3-2、光學傳播模擬
[0047]3-3、光學傳播模擬的結果
[0048]4、設計SOA的方法
[0049]4-1、使用透明介質形成的波導的擴散
[0050]4-2、使用放大介質形成的波導的擴散[0051 ] 4-3、使用放大介質形成的錐形波導的擴散
[0052]5、修改實例和應用實例
[0053]5-1、具有不同錐度角的結構
[0054]5-2、應用於 MOPA
[0055]6、結論
[0056]〈1.現有SOA的研究>
[0057]在描述本公開的優選實施方式之前，為了使本公開的內容更精確，首先描述現有光學放大器的結構。在此處，描述本發明人對現有光學放大器進行研究的結果以及由本發明人構成的本公開的背景。
[0058]作為現有光學放大器的一個結構實例，參照圖1A和圖1B,描述現有半導體光學放大器(SOA)的一個結構實例。圖1A和圖1B均為示出現有SOA的結構實例的示意圖。要注意的是，圖1A示意性示出了沿著沿雷射束的光路的平面並且沿著半導體層的堆疊方向截取的現有SOA的剖視圖，並且圖1B示意性示出了在從半導體層的堆疊方向的頂部觀看時現有SOA的結構。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。要注意的是，在以下描述中，如下限定z軸:在SOA上入射雷射束的方向定義為z軸的負方向，並且從SOA中發射雷射束的方向定義為z軸的正方向。在圖1A中，在示圖中的左方向與z軸的負方向對應，並且在示圖中的右方向與z軸的正方向對應。而且，為了描述在SOA的結構元件之間的位置關係，在穿過SOA的雷射束的行進方向(即，z軸方向)，上遊側可稱為前一級，並且下遊側可稱為後一級。
[0059]參照圖1A，S0A910具有堆疊結構，其中，活性層911介於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S0A910放大的雷射束的波長，可適當選擇活性層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半導體，例如，GaN、GaAs、GaInN和/或AlGaA。例如，在S0A910上入射的光是藍色雷射束(波長帶從大約350nm到大約500nm的雷射束)時，包含作為主要成分的GaInN的化合物半導體可用於活性層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,設置下部電極915。而且,在S0A910上入射雷射束的端面(入射端或在圖1A中所示的ζ軸的正方向的端面)以及發射雷射束的端面(發射端或在圖1A中所示的ζ軸的正方向的端面)中，至少在與活性層911的端面對應的區域中，提供防反射(AR)塗層(未顯示)，以便抑制雷射束在端面上的反射。
[0061]要注意的是，在以下描述中，如圖1A中所示，相對於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，並且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，並且X軸方向也稱為左右方向。要注意的是，在位於從S0A910中發射雷射束的方向(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放大雷射束時，在下部電極915保持為恆定電位(例如，接地電位)的狀態中，將預定的電流I1提供給上部電極914，以便在活性層911中生成預定的電流密度，並且生成所謂的反向分布狀態。在這種狀態中，使雷射束入射在活性層911上，以便在活性層911中發生受激發射，並且放大入射的雷射束的強度。通過這種方式，在S0A910中，活性層911發揮波導的作用，該波導將雷射束從入射端引入發射端，同時放大雷射束的強度。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，進一步設置絕緣層(未顯示)，並且在左右方向，由位於活性層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軸調節的平面(χ-y平面)上調節活性層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，並且ρ型覆蓋層912、η型覆蓋層913以及外圍絕緣層被稱為光學引導層。要注意的是，在以下描述中，除非另有規定，否則在SOA中的波導表示活性層。而且，在以下描述中，除非另有規定，否則在SOA中的波導的截面表示在χ-y平面上的活性層的截面。
[0063]參照圖1B，描述S0A910的波導916的形狀。圖1B為示出在從y軸的正方向觀看時的現有S0A910的狀態的示意圖。然而，在圖1B中，為了描述波導916的形狀，在S0A910的結構元件中，僅僅示出了 η型覆蓋層913和活性層911(8卩，波導916)。而且，在圖1B中，使用虛線示出活性層911 (波導916)。要注意的是，在圖1B中所示的實例中，相對於y軸方向，通過恆定的厚度堆疊活性層911 (波導916)。因此，在以下描述中，除非另有規定，否則波導916的形狀表示波導916在由X軸和ζ軸調節的平面(x-z平面)上的形狀。
[0064]參照圖1B，在S0A910中的波導916具有錐形，其中，其截面從入射端朝著發射端逐漸增大。波導916在位於入射端的截面上在X軸方向的長度(在後文中也被稱為波導的寬度或波導寬度)例如大約為9 μ m，並且波導916在位於發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(在後文中也被稱為波導的長度或波導長度)例如大約為2000 μ m。
[0065]本發明人測量了從在圖1A和圖1B中所示的S0A910中發射的光的強度分布，同時改變了所提供的電流I1的值，以便確認現有SOA的性能。圖2、圖3A和圖3B示出了 S0A910的測量結果。要注意的是，在以下描述中，雷射束在X軸方向的寬度稱為雷射束的光束寬度。更具體而言，在顯示雷射束在X軸方向的強度分布時，在雷射束的強度變成峰值功率的l/e2 (13.5%)的地方的雷射束的寬度被稱為雷射束的光束寬度。要注意的是，在後面要描述的圖3A和圖3B中並且在圖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射端的值，並且是通過根據在從放大式自發射(ASE)中的發射光的強度分布中讀取的光束寬度的值與在發射端的波導寬度之間的比率，將在所測量的強度分布的l/e2處的光束寬度的值轉換成在發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中所示的結果是在雷射束的波長大約為405nm時的結果。
[0066]圖2為示出在現有S0A910中的活性層911內的電流密度與所發射的光的峰值功率之間的關係的示圖。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))，並且垂直軸表示從S0A910中發射的光的峰值功率(峰值功率(W))，並且繪製出了在所供應的電流I1的值改變時在電流密度與峰值功率之間的關係。參照圖2，人們發現，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中的雷射束的強度的放大率，並且可發射具有更高峰值功率的雷射束。
[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對應的現有SOA中發射的光的強度分布的曲線圖。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))，並且繪製出在X軸方向從S0A910中發射的光的強度分布。要注意的是，在圖3Α和3Β中的每個中，為了顯示光束寬度，在所發射的光的強度變成峰值功率的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)，並且在這種情況下，發射光的峰值功率是54.5 (W)，並且在發射端的光束寬度是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),並且在這種情況下，發射光的峰值功率是145 (W)，並且在發射端的光束寬度是7.6 (μπι)。
[0069]圖3Α和3Β的結果顯示了通過在現有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，在發射端的光束寬度為7.6 ( μ m)，該寬度比在入射端的波導916的寬度(大約為9 μ m)更小，遠離在發射端的波導916的寬度(大約為12μπι)。人們認為，根據光的強度，由在活性層911中的介質的折射率的變化造成雷射束聚集(聚焦)(聚集現象(聚焦現象))，從而生成光束寬度的這種變窄。要注意的是，下面在〈3、探討根據實施方式的S0A>中，詳細解釋聚集現象。
[0070]而且，在圖3B中的結果示出了甚至在圖1B中的錐形的錐角增大時，光束寬度在現有S0A910中也未增大。因此，估計到在使電流密度遠遠高於在圖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，並且放大率的減小或COD的問題等顯而易見。通過這種方式，通過具有現有結構的S0A910，認為雷射束的強度的放大具有限制。
[0071]作為現有光學放大器的一個實例，上面參照圖1A、圖1B、圖2、圖3A以及圖3B，已經描述了 S0A910的結構和性能。如上所述，通過具有現有結構的S0A910，在峰值功率放大時，光束寬度變得更小，並且因此，例如，難以穩定地發射具有大約150W或更高的峰值功率的雷射束。然而，在需要具有較高輸出的雷射束的領域(例如，雷射成像領域)中，例如，可需要具有大約300W或更高的峰值功率的雷射束。可以說，現有S0A910難以滿足將雷射束的峰值功率放大到這種高強度的這種要求。
[0072]本發明人已經研究了一種光學放大器，該光學放大器可進一步增大發射光的峰值功率，根據上述研究結果，可抑制光束寬度變窄，並且已經獲得根據本公開的一個實施方式的以下半導體光學放大器(S0A)。下面具體描述本發明人從該研究中獲得的光學放大器的一個優選的實施方式。要注意的是，在以下實施方式中，示出與藍色雷射束(例如，波長帶從大約350nm到大約500nm的雷射束)(尤其是波長帶大約為405 (nm)的雷射束)對應的SOA的一個結構實例。然而，根據本實施方式的SOA不限於該實例，並且可應用於具有其他波長區域的雷射束。
[0073]〈2、本公開的實施方式>
[0074]參照圖4A和圖4B,描述根據本公開的一個實施方式的半導體光學放大器(SOA)的一個結構實例。圖4A和4B均為示出根據本公開的一個實施方式的SOA的結構實例的示意圖。要注意的是，圖4A示意性示出沿著沿雷射束的光路的a平面並且沿著沿半導體層的堆疊方向的s平面截取的根據本實施方式的SOA的剖視圖，並且圖4B示意性示出在從半導體層的堆疊方向的頂部觀看時根據本實施方式的SOA的結構。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軸相同的坐標軸。
[0075]參照圖4Α，根據本公開的實施方式的S0A10具有堆疊結構，其中，活性層110介於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的化合物半導體可用於活性層110、ρ型覆蓋層120以及η型覆蓋層130，以便SOAlO放大藍色雷射束。要注意的是，在本實施方式中，不特別限制S0A10放大的雷射束的波長，並且可使用具有任何波長的雷射束。可根據S0A10放大的雷射束的波長，適當選擇活性層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的端面對應的區域中，提供防反射(AR)塗層(未顯示)，以抑制雷射束在端面上的反射。
[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域。通過這種方式，上部電極140包括在雷射束穿過的方向上設置在前一級中的擴散單元上部電極141以及位於後一級中的放大單元上部電極142。可將具有不同值的電流供應給擴散單元上部電極141和放大單元上部電極142。在後文中，提供給擴散單元上部電極141的電流也稱為擴散單元供應電流並且由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電流並且由Ia表示。
[0078]在此處，在S0A10放大雷射束時，在下部電極150保持為恆定電位(例如，接地電位)的狀態中，將預定的電流提供給上部電極140，以便在活性層110中生成預定的電流密度，並且生成所謂的反向分布狀態。在這種狀態中，使雷射束入射在活性層110上，以在活性層110中發生受激發射，並且放大入射的雷射束的強度。通過這種方式，上部電極140分成擴散單元上部電極141以及放大單元上部電極142，並且可為其提供不同的電流Id和ΙΑ。因此，能夠在正好位於擴散單元上部電極141之下的活性層110的區域以及正好位於放大單元上部電極142之下的活性層110的區域中控制電流密度的不同值。在該實施方式中，在S0A10中，由提供給擴散單元上部電極141的電流Id控制電流密度的區域被稱為擴散單元，並且由提供給放大單元上部電極142的電流Ia控制電流密度的區域被稱為放大單元。擴散單元和放大單元與後面參照圖4Β描述的擴散單元170和放大單元180對應。要注意的是，在以下描述中，在位於擴散單元內的活性層110中的電流密度也被稱為擴散單元電流密度或第一電流密度並且由Jd表示。而且，在位於放大單元內的活性層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並且由Ja表示。
[0079]通過這種方式，在S0A10中，活性層110發揮波導的作用，該波導將雷射束從入射端引導至發射端。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，進一步設置絕緣層(未顯示)，並且在左右方向，由位於活性層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平面上調節活性層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，並且ρ型覆蓋層120、η型覆蓋層130以及外圍絕緣層被稱為光學引導層。要注意的是，在以下描述中，除非另有規定，否則在SOA中的波導表示活性層。而且，在以下描述中，除非另有規定，否則在S0A10中的波導的截面表示在χ-y平面上的活性層110的截面。
[0080]參照圖4B，描述S0A10的波導160的形狀。圖4B為示出在從y軸的正方向觀看時的根據該實施方式的S0A10的狀態的示意圖。然而，在圖4B中，為了描述波導160的形狀，在S0A10的結構元件中，僅僅示出了 η型覆蓋層130和活性層110 (S卩，波導160)。而且，在圖4B中，使用虛線示出活性層110 (波導160)。要注意的是，在圖4B中所示的實例中，相對於y軸方向，通過固定的厚度堆疊活性層110 (波導160)。因此，在以下描述中，除非另有規定，否則波導160的形狀表示波導160在x-z平面上的形狀。
[0081]參照圖4B，根據該實施方式的S0A10包括擴散單元170和放大單元180。在此處，如上所述，擴散單元170和放大單元180在S0A10中分別與由提供給擴散單元上部電極141的電流Id控制電流密度的區域以及由提供給放大單元上部電極142的電流Ia控制電流密度的區域對應。因此，波導160也分成包含在擴散單元170內的擴散單元波導171以及包含在放大單元180內的放大單元波導181。要注意的是，儘管圖4B示意性示出了在擴散單元170和放大單元180之間分割的波導160，但實際上可在S0A10中在ζ軸方向連續地形成波導160。
[0082]擴散單元170由擴散單元電流密度Jd驅動並且具有增大穿過引導入射的雷射束的擴散單元波導171的雷射束的光束直徑的功能。詳細描述包含在擴散單元170內的擴散單元波導171的結構。
[0083]如圖4Β中所示，擴散單元波導171包括擴散單元波導171的寬度基本上恆定的筆直部分172以及擴散單元波導171的截面面積朝著雷射束的行進方向逐漸增大的具有錐形形狀的錐形部分173。筆直部分172位於與S0A10的入射端相距預定距離的位置，並且錐形部分173連續地位於筆直部分172的後一級。S卩，如圖4Β中所示，在S0A10的波導160上入射的雷射束依次穿過擴散單元波導171的筆直部分172和錐形部分173。
[0084]在該實施方式中，擴散單元電流密度Jd的值控制在至少一個範圍內，以便雷射束的寬度不縮小。具體而言，控制擴散單元電流密度Jd的值，以便雷射束的強度在擴散單元170中不放大並且不生成聚集現象。可更優選地控制擴散單元電流密度Jd的值，以便雷射束在擴散單元170中的強度保持基本上恆定。根據錐形部分173的錐度角Θ的值、擴散單元波導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雷射束的波長帶等條件，適當確定雷射束的強度通過這種方式保持基本上恆定的擴散單元電流密度Jd的值。在該實施方式中，例如，通過將擴散單元電流密度Jd設為約等於3(kA/cm2)，可實現一種狀態，其中，在擴散單元170中不吸收或放大雷射束，並且強度保持基本上恆定。因此，在雷射束穿過擴散單元波導171的錐形部分173時，雷射束的寬度根據錐形部分173的寬度逐漸增大。在該實施方式中，雷射束的寬度通過這種方式進行的這種增大稱為擴散。而且，在以下描述中，雷射束的寬度也稱為光束寬度，並且雷射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，擴散單元波導171在S0A10的入射端的寬度(即，筆直部分172的寬度)、擴散單元波導171在錐形部分173的出口處的寬度、擴散單元波導171的波導長度、筆直部分172的波導長度、錐形部分173的錐度角、錐形部分173的波導長度以及波導160的波導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由高於擴散單元電流密度Jd的放大單元電流密度Ja驅動，並且具有放大雷射束的強度的功能，該雷射束穿過引導由擴散單元170增大光束直徑的雷射束的放大單元180。具體而言，放大單元180促使包含在放大單元180內的放大單元波導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。在這種狀態中，使雷射束入射在放大單元波導181上，以便在放大單元波導181中發生受激發射，並且放大入射的雷射束的強度。如上所述，由於擴散單元電流密度Jd設置在一個範圍內，以便在擴散單元170中不生成聚集現象，即，不放大雷射束的強度的範圍，所以放大雷射束的強度的放大單元180期望具有比擴散單元電流密度Jd更高的電流密度；這就是放大單元電流密度Ja被設置為高於擴散單元電流密度Jd的原因。
[0087]如圖4B中所示，在擴散單元波導171的錐形部分173的後一級，提供放大單元波導181。在圖4B中所示的實例中，放大單元波導181具有錐形形狀，其中，放大單元波導181的寬度根據錐形部分173的錐形形狀朝著雷射束的行進方向逐漸增大。要注意的是，放大單元波導181的形狀不限於該實例，並且可為任何其他形狀。由於在該實施方式中，放大單元180具有放大雷射束的強度的功能,所以雷射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散單元170擴散雷射束，放大單元波導181就可具有任何形狀。通過這種方式，放大單元波導181可設置為使放大單元波導181的截面面積大於擴散單元波導171的截面面積。例如，放大單元波導181可具有一種形狀，其中，在擴散單元170的出口部分處，放大單元波導181的寬度大於擴散單元波導171的寬度Wtjut dif。
[0088]在以下描述中，放大單元波導181在S0A10的入射端的寬度和放大單元波導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^分別設為~61 ( μ m)和 ^ 1900 ( μ m)。
[0089]上面參照圖4A和4B，描述了根據該實施方式的S0A10的結構。通過根據該實施方式的S0A10，能夠抑制雷射束的寬度變窄，這是因為在擴散單元170擴散雷射束之後，放大單元180放大雷射束的強度。
[0090]為了確認具有上述結構的S0A10的性能，測量從S0A10中發射的光的強度分布。圖5示出了在S0A10上的測量結果。圖5為示出從S0A10中發射的光的強度分布的示圖。
[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中發射的光的標準化強度，並且繪製出在X軸方向從S0A10中發射的光的強度分布。要注意的是，在圖5中，為了顯示光束寬度，在發射光的強度變成峰值功率的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，光束寬度在發射端的值是根據在X軸方向發射的光的強度分布，使用在ASE中的測量結果來將在發射光的強度變成峰值功率的l/e2(13.5%)的地方發射的光的寬度轉換成在發射端的光束寬度所獲得的值。而且，在圖5中所示的結果是在具有上述尺寸的結構元件的S0A10上入射波長大約為405nm、擴散單元電流密度Jd為3 (kA/cm2)、放大單元電流密度Ja為5 (kA/cm2)並且平均強度為4 (mff)的雷射束時的結果。
[0092]參照圖5，在根據該實施方式的S0A10中，在發射光的峰值功率大約為150 (W)時，在發射端的光束寬度大約為22(μπι)。而且，發射光的平均功率大約為300 (mW)。在此處，在圖3B中所示的現有S0A910中，在電流密度J為6.7 (kA/cm2)時，發射光的峰值功率為145 (W)，並且在發射端的光束寬度為7.6 ( μ m)。因此，人們發現，根據該實施方式的S0A10通過更低的電流密度(Ja=5 (kA/cm2))將雷射束的強度放大為與現有S0A910基本上相同的峰值功率。而且，雖然在現有S0A910中的發射端的光束寬度變窄為比在入射端的波導916的寬度(大約為9(μπι))更小的值，但是在根據該實施方式的S0A10中的光束寬度保持比在入射端的波導160的寬度(win~1.5(μπι))以及在擴散單元170的出口的擴散單元波導171 的寬度(wQUt—dif ^ 14(μ m))更大。
[0093]如上所述，通過根據該實施方式的S0A10，通過使擴散單元170擴散雷射束，然後通過使放大單元180放大雷射束的強度，能夠抑制雷射束的寬度變窄。例如，如上所述，在雷射束的峰值功率放大為與現有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，根據該實施方式的S0A10能夠更穩定地放大雷射束的強度。
[0094]〈3、探討根據實施方式的S0A>
[0095]描述在根據該實施方式的S0A10中的光的性能的理論探討的結果。具體而言，分析在S0A10中影響光束寬度變窄的因素，並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，本發明人已經研究了一種用於進行測試的S0A，該SOA具有比S0A10更簡單的結構。在以下描述中，首先，〈3_1、用於進行測試的S0A>顯示了用於進行測試的SOA的結構以及從用於進行測試的SOA中發射的光的強度分布的測量結果。接下來，〈3-2、光學傳播模擬〉顯示了所引入的模擬技術的概述，以便分析在用於進行測試的SOA和S0A10的波導中生成的物理現象。最後，〈3-3、光學傳播模擬的結果 > 顯示了用於進行測試的SOA和S0A10的模擬結果，根據模擬結果，探討在用於進行測試的SOA和S0A10中的光的性能，並且研究影響光束寬度的縮小的因素。
[0097]〈3-1、用於進行測試的50八>
[0098]如在上面〈1、研究現有S0A>中所述，人們認為，根據雷射束的強度，通過在活性層(波導)中的介質的折射率η的變化，並且通過聚集(聚焦)雷射束(聚集現象(聚焦現象))，在SOA中生成光束寬度的縮小。作為影響介質的折射率η的因素，可考慮在介質中的載流子密度(電子空穴密度)N、在介質中的光密度S、在介質中的溫度Τ、雷射束的波長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克爾效應的非線性光學效應。
[0099]為了在上述因素中找出介質的折射率η的變化的主要因素，本發明人已經研究了根據該實施方式的S0A。在上述因素之中，由於SOA以及包括SOA的雷射光源系統的使用條件，所以溫度T和波長λ難以大幅變化。因此，本發明人已經研究了載流子密度N和光密度S對聚集現象的影響。詳細研究這些參數較為重要，這也是因為SOA的放大性能(SP，由受激發射生成的發射光的強度)取決於載流子密度N和光密度S。為了研究載流子密度N和光密度S對聚集現象的影響，首先，本發明人檢查了具有比S0A10更簡單的結構的用於進行測試的S0A。
[0100]參照圖6，描述用於進行測試的SOA的結構。圖6為示出用於進行測試的SOA的結構的示意圖。要注意的是，在圖6中所示的用於進行測試的SOA的堆疊結構與參照圖4Α描述的S0A10的堆疊結構相同；因此，不描述用於進行測試的SOA的堆疊結構。此外，圖6為與上述圖4Β對應的示圖，並且示意性示出了在半導體層的堆疊方向從頂部方向觀看時用於進行測試的SOA的結構。使用虛線顯示波導。
[0101]參照圖6，在根據該實施方式的用於進行測試的S0A30的結構元件之中，僅僅顯示了 η型覆蓋層330和活性層310 (波導360)。要注意的是，如上所述，由於用於進行測試的S0A30具有與在圖4Α中所示的S0A10相同的堆疊結構，所以用於進行測試的S0A30具有在圖6中未顯示的其他結構，例如，ρ型覆蓋層、下部電極以及上部電極(包括擴散單元電極和放大單元電極)。如圖6中所示，根據該實施方式的用於進行測試的S0A30包括擴散單元370和放大單元380。而且，將波導360分成包含在擴散單元370內的擴散單元波導371和包含在放大單元380內的放大單元波導381。在此處，用於進行測試的S0A30的功能和結構與SOAlO的功能和結構相同，除了波導360 (包括擴散單元波導371和放大單元波導381)的形狀以外；因此，不詳細描述相同的結構，並且下面主要描述差別。
[0102]擴散單元波導371在ζ軸方向延伸，並且具有基本上恆定的波導寬度，如圖6中所示。通過這種方式，擴散單元波導371具有筆直的形狀，即，在從y軸方向觀看時具有預定寬度的大致矩形形狀。擴散單元波導371的波導寬度Win例如為~1.5(μπι)，並且擴散單元波導371的長度Ld例如為^ 1600 ( μ m)。
[0103]放大單元波導381位於擴散單元波導371的後一級。如圖6中所示，放大單元波導381在ζ軸方向延伸，並且具有比擴散單元波導371的波導寬度更大的基本上恆定的波導寬度。即，放大單元波導381具有筆直的形狀。通過這種方式，擴散單元波導371和放大單元波導381具有一種形狀，其中，在從y軸方向觀看時均具有預定的寬度的兩個大致矩形形狀相結合。放大單元波導381的波導寬度Wtjut例如為~60 ( μ m)，並且放大單元波導381的長度La例如為~400 (μ m)。波導360的長度L為~2000 (μ m)。要注意的是，雖然圖6示意性示出了在擴散單元370與放大單元380之間分割的波導360，但是實際上在用於進行測試的S0A30中在ζ軸方向可連續地形成波導360。
[0104]上面參照圖6，已經描述了用於進行測試的S0A30的結構(尤其是波導360的形狀)。本發明人已經測量了從具有這種結構的用於進行測試的S0A30中發射的光的強度分布。圖7A和7B示出了結果。
[0105]參照圖7A和圖7B，描述從用於進行測試的S0A30中發射的光的強度分布。圖7A和圖7B均為示出從用於進行測試的S0A30中發射的光的強度分布的示圖。
[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中發射的光的強度分布的示圖相同；因此，不詳細對其進行描述。而且，在圖7A和圖7B中以及在圖5中，光束寬度在發射端的值是根據在X軸方向發射的光的強度分布，使用在ASE中的測量結果來將在發射光的強度變成峰值功率的l/e2 (13.5%)的地方發射的光的寬度轉換成在發射端的光束寬度所獲得的值。而且，在圖7A和圖7B中所示的結果是在具有上述尺寸的結構元件的S0A310上入射波長大約為405nm、擴散單元電流密度Jd為3 (kA/cm2)、以及平均強度為4 (mW)的雷射束時的結果。要注意的是，圖7A示出了在放大單元電流密度Ja為3 (kA/cm2)時的結果，並且圖7B示出了在放大單元電流密度Ja為6 (kA/cm2)時的結果。
[0107]參照圖7A和圖7B，在用於進行測試的S0A30中，在放大單元電流密度Ja為3 (kA/cm2)時，在發射端的光束寬度大約為40 (μ m)，並且在放大單元電流密度Ja為6 (kA/cm2)時，在發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，用於進行測試的S0A30的放大單元380被視為未生成光束寬度的大幅縮小，即，沒有大量聚集現象。
[0108]在放大單元波導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。即，在圖7A和7B中所示的結果表示載流子密度N對聚集現象的影響不大。同時，在用於進行測試的S0A30中，擴散單元波導371和放大單元波導381均具有一種擴展的筆直形狀，其中，波導寬度基本上恆定，並且在光從擴散單元370傳播到放大單元380中時，波導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381具有光密度S的小值，因此，人們認為，折射率η的變化較小，並且不可能發生聚集現象。
[0109]而且，在用於進行測試的S0A30中，波導360在發射端的寬度Wtjut為~60 ( μ m)。雖然沒有大幅聚集現象，但是在發射端的光束寬度大約為40 μ m。結果表明，甚至在基本上未發生聚集現象時，光束寬度並未根據波導360的寬度無限增大，但是可對光束寬度的擴散進行限制。光束寬度的擴散的這種限制值被視為歸因於根據由雷射束的衍射造成的雷射束的波長的衍射極限。
[0110]通過這種方式，在圖7A和圖7B中的結果表示，在根據本實施方式的用於進行測試的S0A30中，在波導中的介質的折射率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，人們認為在S0A10中，發生與所表示的現象相同的現象。為了確認以上探討並且進一步分析在S0A10和用於進行測試的S0A30的波導160和360中的光的性能，本發明人已經研製了一種技術，用於進行光學傳播模擬，包括由光強度S造成的折射率η的變化。在此處，「由光強度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、光學傳播模擬〉
[0112]描述根據該實施方式的模擬技術的概述。為了分析光學傳播在波導中的狀態，本發明人已經創造了一種模擬技術，該技術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生的折射率η的變化(載流子引起的折射率變化)。有關 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」(後文中稱為參考I)。關於涉及波動函數的載流子引起的折射率變化的分析技術的詳情，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」(後文中稱為參考2)。根據參考I和2,本發明人已經研製了模擬技術，該技術使用涉及載流子引起的折射率變化的FT-BPM。下面描述根據該實施方式的最近研製的模擬技術的概述。要注意的是，在模擬技術的以下描述中，通過假設波導160和360 (包括活性層110和310)在7軸方向具有恆定的厚度並且雷射束的強度在I軸方向沒有發生變化，描述用於在二維中(在x-z平面上)分析光的性能的一種模擬技術。
[0113]在涉及載流子引起的折射率變化的情況下，在介質(在該實施方式中的活性層110和310)中的波動函數由以下公式(I)表示。
r....-1 I1V ,1V d V , xL0114」 一.....................................—-...................................——.........................................................................................................................................................(I》
V:'c: Br
[0115]在此處，Ψ = Ψ (X，z, t)是表示在介質中的雷射束的性能的波動函數，並且例如是表示雷射束的電場的波動函數。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、介質的介電常數(複數介電常數)、介質的磁化率，該磁化率是在介質中的載流子(電子或空穴)密度N的函數。
[0116]為了解算波動函數Ψ (X，z, t)的公式(I)，執行慢變包絡近似(SVEA)。在SVEA中，波動函數Ψ(χ，ζ，υ由在行進方向逐漸改變的幅度項Φ(Χ，z, t)以及強烈振動的相位項exp [-j ( β 0ζ-ω0?)]表示。SP,波動函數Ψ (X，z, t)近似於以下公式(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]通過假設在要擴展的公式(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)，以便設置(δ2φ)/(δζ2)=O。通過相似的方式，由於包絡Φ隨著時間的變化足以比在中心頻率Otl中更慢，所以設置(δ2φ)/) St2) = O。
【權利要求】
1.一種光學放大器，包括: 擴散單元，被配置為由第一電流密度驅動並且增大穿過引導入射雷射束的第一波導的所述入射雷射束的光束直徑；以及 放大單元，被配置為由高於所述第一電流密度的第二電流密度驅動並且放大穿過引導光束直徑已經由所述擴散單元增大的雷射束的第二波導的雷射束的強度， 其中，所述擴散單元的所述第一波導具有錐形，在所述錐形中，所述第一波導的截面面積朝著所述雷射束的行進方向逐漸增大。
2.根據權利要求1所述的光學放大器， 其中，所述放大單元的所述第二波導的截面面積大於所述擴散單元的所述第一波導的截面面積。
3.根據權利要求2所述的光學放大器， 其中，所述放大單元的所述第二波導具有錐形，其中，所述第二波導的截面面積朝著雷射束的行進方向逐漸增大。
4.根據權利要求1所述的光學放大器， 其中，所述第一波導和所述第二波導均相對於與雷射束的行進方向垂直的第一方向具有不變的厚度， 其中，所述擴散單元的所述第一波導在與所述第一方向相交的平面上具有所述錐形，並且 其中，所述擴散單元增大穿過所述第一波導的雷射束在與雷射束的行進方向垂直並且與所述第一方向垂直的第二方向上的光束寬度。
5.根據權利要求1所述的光學放大器， 其中，根據所述放大單元的所述第二波導的長度、所述放大單元的所述第二波導的截面面積以及在所述放大單元中的雷射束的強度的放大率，確定所述擴散單元的所述第一波導的所述錐形中的錐度角。
6.根據權利要求5所述的光學放大器， 其中，所述擴散單元的所述第一波導的所述錐形中的錐度角大於O。並且小於或等於由雷射束的衍射極限限定的角度。
7.根據權利要求5所述的光學放大器， 其中，所述放大率是從所述光學放大器中發射的光的強度與在所述光學放大器上的光的強度的比。
8.根據權利要求1所述的光學放大器， 其中，通過在所述擴散單元中不放大雷射束的強度的方式，由所述第一電流密度驅動所述擴散單元。
9.根據權利要求8所述的光學放大器， 其中，所述第一電流密度小於或等於3kA/cm2。
10.根據權利要求1所述的光學放大器， 其中，所述雷射束具有從350nm到500nm的波長。
11.根據權利要求1所述的光學放大器， 其中，所述第一波導和所述第二波導均包括主要包含GaInN的材料。
12.根據權利要求1所述的光學放大器， 其中，所述光學放大器還包括分別位於所述擴散單元和所述放大單元上的擴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散單元上部電極的電流控制，並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.—種光學放大方法,包括: 通過將第一電流密度施加至引導入射雷射束的第一波導中，來增大穿過所述第一波導的所述入射雷射束的光束直徑；以及 通過將高於所述第一電流密度的第二電流密度施加至引導光束直徑已經被增大的雷射束的第二波導中，來放大穿過所述第二波導的雷射束的強度， 其中，所述第一波導具有錐形，其中，所述第一波導的截面面積朝著雷射束的行進方向逐漸 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 優先權日:2013年3月25日
【發明者】吉田浩 申請人:索尼公司