CN104078838A - 光学放大器以及光学放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了光学放大器以及光学放大方法，包括：扩散单元，被配置为由第一电流密度驱动并且增大穿过引导入射激光束的第一波导的激光束的光束直径；以及放大单元，被配置为由高于所述第一电流密度的第二电流密度驱动并且放大穿过引导激光束的第二波导的激光束的强度，所述激光束的光束直径已由所述扩散单元增大。所述扩散单元的第一波导具有锥形，其中，所述第一波导的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大。

Description

光学放大器以及光学放大方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月25日提交的日本优先专利申请JP2013-062423的权益，其全部内容结合于此以作参考。

技术领域

本公开涉及一种光学放大器以及一种光学放大方法。

背景技术

在光学工程领域中，作为放大激光束的强度的装置，半导体光学放大器（SOA）已经引起了关注。SOA是具有与激光二极管（LD）的结构相似的结构的装置，并且通过供应预定电流，利用在半导体层上入射的激光束，在半导体层内造成在反向分布状态中进行的受激发射，并且放大激光束的强度。

近年来，已经研制出具有各种结构的SOA，以便提高其性能。例如，Jan C.Balzer等人在期刊8277-39、美国Photonics West2012中公开了一种SOA，该SOA放大了脉冲振荡激光束（脉冲激光束），其中，将用于供应电流的电极分成两个部分，并且将具有不同值的电流分别提供给电极的这两个部分，以便在与前一级的电极对应的区域中调节脉冲激光束的脉冲频率，并且在与后一级的电极对应的区域中放大脉冲激光束的强度。

同时，在使用激光束的光学记录领域中，需要具有较高输出的激光束，例如，具有大约100W的峰值功率。因此，例如，对于蓝色波长带大约为405(nm)的激光束，已经研制出一种SOA，该SOA的目标在于更稳定地输出具有较高输出的这种激光束。例如，JP2012-248745A公开了一种具有SOA的光源设备，该设备调节了SOA的波导的截面面积并且改变了在SOA的前一级上入射的激光束（入射光）的放大率，从而在最后输出的激光束中仅仅出现一个峰值并且抑制峰值位置的变化。

发明内容

这里，在使用激光束的光学成像领域中，需要峰值功率（大约为100W）高于上述峰值功率的激光束作为激光束的强度。然而，在JP2012-248745A中，在峰值功率的结构增大时，已经确认以下现象：在SOA的发射端的水平面上的激光束的宽度（光束宽度）比相应波导的宽度更小（发生缩小）。在SOA的发射端的光束宽度的这种缩小可不利地造成灾变性光学损伤（COD）、光放大效率（光学放大效率）降低等。

因此，需要一种SOA，用于增大输出的激光束（发射光）的峰值功率，并且抑制光束宽度变窄。因此，本公开提出了一种新型改进的光学放大器以及可进一步抑制光束宽度变窄的光学放大方法。

根据本公开的一个实施方式，提供了一种光学放大器，包括：扩散单元，被配置为由第一电流密度驱动并且增大穿过引导激光束的第一波导的入射激光束的光束直径；以及放大单元，被配置为由高于所述第一电流密度的第二电流密度驱动并且放大穿过引导激光束的第二波导的激光束的强度，所述激光束的光束直径已经由所述扩散单元增大。扩散单元的第一波导具有锥形，其中，所述第一波导的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大。

根据本公开的另一个实施方式，提供了一种光学放大方法，包括：通过将第一电流密度施加至第一波导中，来增大穿过引导激光束的第一波导的入射激光束的光束直径；以及通过将高于所述第一电流密度的第二电流密度施加至第二波导中，来放大穿过引导光束直径已经增大的激光束的第二波导的激光束的强度。第一波导具有锥形，其中，所述第一波导的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大。

根据本公开的一个或多个实施方式，扩散单元增大激光束的光束直径，并且放大单元放大光束直径已经由扩散单元增大的激光束的强度。因此，更加抑制激光宽度的缩小。

如上所述，根据本公开的一个或多个实施方式，能够进一步抑制激光宽度的缩小。

附图说明

图1A为示出现有SOA的一个结构实例的示意图；

图1B为示出现有SOA的一个结构实例的示意图；

图2为示出在现有SOA中的活性层内的电流密度与所发射的光的峰值功率之间的关系的示图；

图3A为示出从与在图2中所示的点A对应的现有SOA中发射的光的强度分布的曲线图；

图3B为示出从与在图2中所示的点B对应的现有SOA中发射的光的强度分布的曲线图；

图4A为示出根据本公开的一个实施方式的SOA的一个结构实例的示意图；

图4B为示出根据本公开的一个实施方式的SOA的一个结构实例的示意图；

图5为示出从SOA10中发射的光的强度分布的示图；

图6为示出用于进行测试的SOA的结构的示意图；

图7A为示出从用于进行测试的SOA中发射的光的强度分布的示图；

图7B为示出从用于进行测试的SOA中发射的光的强度分布的示图；

图8A为示出在通过模拟获得的各个坐标处在复介电常数的实数部分中用于进行测试的SOA的值的轮廓图；

图8B为示出在通过模拟获得的各个坐标处在复介电常数的虚数部分中用于进行测试的SOA的值的轮廓图；

图8C为示出在通过模拟获得的各个坐标处用于进行测试的SOA的光强度的值的轮廓图；

图9为示出在与在图8C中所示的发射端对应的位置中在x轴方向的激光束的强度分布的示图；

图10A为示出在通过模拟获得的各个坐标处在复介电常数的实数部分中根据一个实施方式的SOA的值的轮廓图；

图10B为示出在通过模拟获得的各个坐标处在复介电常数的虚拟部分中根据一个实施方式的SOA的值的轮廓图；

图10C为示出在通过模拟获得的各个坐标处根据一个实施方式的SOA的光强度的值的轮廓图；

图11为示出在与在图10C中所示的发射端对应的位置中在x轴方向的激光束的强度分布的示图；

图12为示出用于设计在根据一个实施方式的SOA中的波导的形状的参数的实例的表格；

图13为示出根据实施方式的一个修改实例的SOA的结构的示意图；

图14A为示出在通过模拟获得的各个坐标处在复介电常数的实数部分中根据一个修改实例的SOA的值的轮廓图；

图14B为示出在通过模拟获得的各个坐标处在复介电常数的虚拟部分中根据一个修改实例的SOA的值的轮廓图；

图14C为示出在通过模拟获得的各个坐标处根据一个修改实例的SOA的光强度的值的轮廓图；

图15为示出在与在图14C中所示的发射端对应的位置中在x轴方向的激光束的强度分布的示图；以及

图16为示出包括根据一个实施方式的SOA的MOPA系统的一个结构实例的示意图。

具体实施方式

在后文中，参照附图，详细描述本公开的优选实施方式。要注意的是，在该说明书和附图中，具有基本上相同的功能和结构的结构元件由相同的参考数字表示，并且不重复解释这些结构元件。

要注意的是，附图可放大一些结构元件的尺寸或者通过与实际比例不同的比例，显示结构元件的大型/小型关系，以容易理解实施方式。因此，在附图中的结构元件的几何尺寸、垂直和水平比例等未显示严格上减小或放大的实际元件。

而且，按照以下顺序，进行描述。

1、研究现有SOA

2、本公开的实施方式

3、探讨根据实施方式的SOA

3-1、用于进行测试的SOA

3-2、光学传播模拟

3-3、光学传播模拟的结果

4、设计SOA的方法

4-1、使用透明介质形成的波导的扩散

4-2、使用放大介质形成的波导的扩散

4-3、使用放大介质形成的锥形波导的扩散

5、修改实例和应用实例

5-1、具有不同锥度角的结构

5-2、应用于MOPA

6、结论

<1.现有SOA的研究>

在描述本公开的优选实施方式之前，为了使本公开的内容更精确，首先描述现有光学放大器的结构。在此处，描述本发明人对现有光学放大器进行研究的结果以及由本发明人构成的本公开的背景。

作为现有光学放大器的一个结构实例，参照图1A和图1B，描述现有半导体光学放大器（SOA）的一个结构实例。图1A和图1B均为示出现有SOA的结构实例的示意图。要注意的是，图1A示意性示出了沿着沿激光束的光路的平面并且沿着半导体层的堆叠方向截取的现有SOA的剖视图，并且图1B示意性示出了在从半导体层的堆叠方向的顶部观看时现有SOA的结构。在此处，例如，在图1A和图1B中示出的SOA与在JP2012-248745A中公开的SOA对应。要注意的是，在以下描述中，如下限定z轴：在SOA上入射激光束的方向定义为z轴的负方向，并且从SOA中发射激光束的方向定义为z轴的正方向。在图1A中，在示图中的左方向与z轴的负方向对应，并且在示图中的右方向与z轴的正方向对应。而且，为了描述在SOA的结构元件之间的位置关系，在穿过SOA的激光束的行进方向（即，z轴方向），上游侧可称为前一级，并且下游侧可称为后一级。

参照图1A，SOA910具有堆叠结构，其中，活性层911介于p型覆盖层912与n型覆盖层913之间。要注意的是，虽然在图1A中未显示，但是n型覆盖层913、活性层911以及p型覆盖层912中的每个可堆叠在各种基板（例如，Si基板）之上。要注意的是，根据SOA910放大的激光束的波长，可适当选择活性层911、p型覆盖层912以及n型覆盖层913的主要材料。例如，作为活性层911、p型覆盖层912以及n型覆盖层913的主要材料，主要使用III-V半导体，例如，GaN、GaAs、GaInN和/或AlGaA。例如，在SOA910上入射的光是蓝色激光束（波长带从大约350nm到大约500nm的激光束）时，包含作为主要成分的GaInN的化合物半导体可用于活性层911、p型覆盖层912以及n型覆盖层913。

在堆叠方向的p型覆盖层912的顶部表面之上，设置上部电极914。而且，在堆叠方向的n型覆盖层913的底部表面之下，设置下部电极915。而且，在SOA910上入射激光束的端面（入射端或在图1A中所示的z轴的正方向的端面）以及发射激光束的端面（发射端或在图1A中所示的z轴的正方向的端面）中，至少在与活性层911的端面对应的区域中，提供防反射（AR）涂层（未显示），以便抑制激光束在端面上的反射。

要注意的是，在以下描述中，如图1A中所示，相对于SOA910，堆叠n型覆盖层913、活性层911以及p型覆盖层912的方向定义为y轴的正方向，并且y轴方向也称为垂直方向。而且，与y轴和z轴垂直的方向定义为x轴，并且x轴方向也称为左右方向。要注意的是，在位于从SOA910中发射激光束的方向（z轴的正方向）左边和右边的方向，左方向定义为x轴的正方向。

在SOA910放大激光束时，在下部电极915保持为恒定电位（例如，接地电位）的状态中，将预定的电流I₁提供给上部电极914，以便在活性层911中生成预定的电流密度，并且生成所谓的反向分布状态。在这种状态中，使激光束入射在活性层911上，以便在活性层911中发生受激发射，并且放大入射的激光束的强度。通过这种方式，在SOA910中，活性层911发挥波导的作用，该波导将激光束从入射端引入发射端，同时放大激光束的强度。在此处，在图1A中所示的活性层911的左右方向，例如，使用各种材料，进一步设置绝缘层（未显示），并且在左右方向，由位于活性层911和绝缘层之上和之下的p型覆盖层912和n型覆盖层913在由x轴和y轴调节的平面（x-y平面）上调节活性层911的截面形状。通过这种方式，由活性层911、p型覆盖层912、n型覆盖层913以及外围绝缘层形成波导，并且p型覆盖层912、n型覆盖层913以及外围绝缘层被称为光学引导层。要注意的是，在以下描述中，除非另有规定，否则在SOA中的波导表示活性层。而且，在以下描述中，除非另有规定，否则在SOA中的波导的截面表示在x-y平面上的活性层的截面。

参照图1B，描述SOA910的波导916的形状。图1B为示出在从y轴的正方向观看时的现有SOA910的状态的示意图。然而，在图1B中，为了描述波导916的形状，在SOA910的结构元件中，仅仅示出了n型覆盖层913和活性层911（即，波导916）。而且，在图1B中，使用虚线示出活性层911（波导916）。要注意的是，在图1B中所示的实例中，相对于y轴方向，通过恒定的厚度堆叠活性层911（波导916）。因此，在以下描述中，除非另有规定，否则波导916的形状表示波导916在由x轴和z轴调节的平面（x-z平面）上的形状。

参照图1B，在SOA910中的波导916具有锥形，其中，其截面从入射端朝着发射端逐渐增大。波导916在位于入射端的截面上在x轴方向的长度（在后文中也被称为波导的宽度或波导宽度）例如大约为9μm，并且波导916在位于发射端的截面上的宽度例如大约为12μm。而且，SOA910在z轴方向的长度（在后文中也被称为波导的长度或波导长度）例如大约为2000μm。

本发明人测量了从在图1A和图1B中所示的SOA910中发射的光的强度分布，同时改变了所提供的电流I₁的值，以便确认现有SOA的性能。图2、图3A和图3B示出了SOA910的测量结果。要注意的是，在以下描述中，激光束在x轴方向的宽度称为激光束的光束宽度。更具体而言，在显示激光束在x轴方向的强度分布时，在激光束的强度变成峰值功率的1/e2（13.5%）的地方的激光束的宽度被称为激光束的光束宽度。要注意的是，在后面要描述的图3A和图3B中并且在图5、图7A和图7B中，显示为所测量的值的光束宽度的比值是光束宽度在发射端的值，并且是通过根据在从放大式自发射（ASE）中的发射光的强度分布中读取的光束宽度的值与在发射端的波导宽度之间的比率，将在所测量的强度分布的1/e2处的光束宽度的值转换成在发射端的光束宽度从而获得的值。要注意的是，在图2、图3A和图3B中所示的结果是在激光束的波长大约为405nm时的结果。

图2为示出在现有SOA910中的活性层911内的电流密度与所发射的光的峰值功率之间的关系的示图。在图2中，水平轴表示在活性层911中的电流密度（电流密度（kA/cm²）），并且垂直轴表示从SOA910中发射的光的峰值功率（峰值功率（W）），并且绘制出了在所供应的电流I₁的值改变时在电流密度与峰值功率之间的关系。参照图2，人们发现，在活性层911中的电流密度增大时，峰值功率成比例地增大。即，通过增大所供应的电流I₁的值，来增大活性层911中的电流密度，从而增大在SOA910中的激光束的强度的放大率，并且可发射具有更高峰值功率的激光束。

同时，图3A和图3B分别为示出从与在图2中所示的点A和点B对应的现有SOA中发射的光的强度分布的曲线图。在图3A和图3B中的每个中，水平轴表示在x轴中的距离（距离（μm）），并且绘制出在x轴方向从SOA910中发射的光的强度分布。要注意的是，在图3A和3B中的每个中，为了显示光束宽度，在所发射的光的强度变成峰值功率的13.5%高度处，显示了虚线。

参照图3A，在图2中的点A处，电流密度是J=3.8（kA/cm²），并且在这种情况下，发射光的峰值功率是54.5（W），并且在发射端的光束宽度是10.7（μm）。参照3B，在图2中的点B处，电流密度是J=6.7（kA/cm²），并且在这种情况下，发射光的峰值功率是145（W），并且在发射端的光束宽度是7.6（μm）。

图3A和3B的结果显示了通过在现有SOA910中增大活性层911中的电流密度，可放大峰值功率，但是光束宽度变窄。例如，在图3B中所示的条件下，在发射端的光束宽度为7.6（μm），该宽度比在入射端的波导916的宽度（大约为9μm）更小，远离在发射端的波导916的宽度（大约为12μm）。人们认为，根据光的强度，由在活性层911中的介质的折射率的变化造成激光束聚集（聚焦）（聚集现象（聚焦现象）），从而生成光束宽度的这种变窄。要注意的是，下面在<3、探讨根据实施方式的SOA>中，详细解释聚集现象。

而且，在图3B中的结果示出了甚至在图1B中的锥形的锥角增大时，光束宽度在现有SOA910中也未增大。因此，估计到在使电流密度远远高于在图3B中所示的条件（J=6.7（kA/cm²））以便放大SOA910中的峰值功率时，光束宽度的变窄变得更明显，并且放大率的减小或COD的问题等显而易见。通过这种方式，通过具有现有结构的SOA910，认为激光束的强度的放大具有限制。

作为现有光学放大器的一个实例，上面参照图1A、图1B、图2、图3A以及图3B，已经描述了SOA910的结构和性能。如上所述，通过具有现有结构的SOA910，在峰值功率放大时，光束宽度变得更小，并且因此，例如，难以稳定地发射具有大约150W或更高的峰值功率的激光束。然而，在需要具有较高输出的激光束的领域（例如，激光成像领域）中，例如，可需要具有大约300W或更高的峰值功率的激光束。可以说，现有SOA910难以满足将激光束的峰值功率放大到这种高强度的这种要求。

本发明人已经研究了一种光学放大器，该光学放大器可进一步增大发射光的峰值功率，根据上述研究结果，可抑制光束宽度变窄，并且已经获得根据本公开的一个实施方式的以下半导体光学放大器（SOA）。下面具体描述本发明人从该研究中获得的光学放大器的一个优选的实施方式。要注意的是，在以下实施方式中，示出与蓝色激光束（例如，波长带从大约350nm到大约500nm的激光束）（尤其是波长带大约为405（nm）的激光束）对应的SOA的一个结构实例。然而，根据本实施方式的SOA不限于该实例，并且可应用于具有其他波长区域的激光束。

<2、本公开的实施方式>

参照图4A和图4B，描述根据本公开的一个实施方式的半导体光学放大器（SOA）的一个结构实例。图4A和4B均为示出根据本公开的一个实施方式的SOA的结构实例的示意图。要注意的是，图4A示意性示出沿着沿激光束的光路的a平面并且沿着沿半导体层的堆叠方向的s平面截取的根据本实施方式的SOA的剖视图，并且图4B示意性示出在从半导体层的堆叠方向的顶部观看时根据本实施方式的SOA的结构。而且，在图4A和4B中所示的x轴、y轴以及z轴表示与在图1A和图1B中所示的x轴、y轴以及z轴相同的坐标轴。

参照图4A，根据本公开的实施方式的SOA10具有堆叠结构，其中，活性层110介于p型覆盖层120与n型覆盖层130之间。要注意的是，虽然在图4A中未显示，但是n型覆盖层130、活性层110以及p型覆盖层120中的每个可堆叠在各种基板（例如，Si基板）之上。例如，作为活性层110、p型覆盖层120以及n型覆盖层130的主要材料，主要使用III-V半导体，例如，GaN、GaAs、GaInN和/或AlGaA。例如，在图4A和4B中所示的实例中，包含作为主要成分的GaInN的化合物半导体可用于活性层110、p型覆盖层120以及n型覆盖层130，以便SOA10放大蓝色激光束。要注意的是，在本实施方式中，不特别限制SOA10放大的激光束的波长，并且可使用具有任何波长的激光束。可根据SOA10放大的激光束的波长，适当选择活性层110、p型覆盖层120以及n型覆盖层130的主要材料。

在p型覆盖层120在堆叠方向上的的顶部表面之上，设置上部电极140。而且，在n型覆盖层130在堆叠方向上的底部表面之下，设置下部电极150。而且，在SOA10的入射端（在图4A中所示的z轴的正方向上的端面）以及发射端（在图4A中所示的z轴的正方向上的端面）中，至少在与活性层110的端面对应的区域中，提供防反射（AR）涂层（未显示），以抑制激光束在端面上的反射。

此外，如图4A中所示，上部电极140在z轴方向上分成两个区域。通过这种方式，上部电极140包括在激光束穿过的方向上设置在前一级中的扩散单元上部电极141以及位于后一级中的放大单元上部电极142。可将具有不同值的电流供应给扩散单元上部电极141和放大单元上部电极142。在后文中，提供给扩散单元上部电极141的电流也称为扩散单元供应电流并且由I_D表示。而且，提供给放大单元上部电极142的电流也称为放大单元供应电流并且由I_A表示。

在此处，在SOA10放大激光束时，在下部电极150保持为恒定电位（例如，接地电位）的状态中，将预定的电流提供给上部电极140，以便在活性层110中生成预定的电流密度，并且生成所谓的反向分布状态。在这种状态中，使激光束入射在活性层110上，以在活性层110中发生受激发射，并且放大入射的激光束的强度。通过这种方式，上部电极140分成扩散单元上部电极141以及放大单元上部电极142，并且可为其提供不同的电流I_D和I_A。因此，能够在正好位于扩散单元上部电极141之下的活性层110的区域以及正好位于放大单元上部电极142之下的活性层110的区域中控制电流密度的不同值。在该实施方式中，在SOA10中，由提供给扩散单元上部电极141的电流I_D控制电流密度的区域被称为扩散单元，并且由提供给放大单元上部电极142的电流I_A控制电流密度的区域被称为放大单元。扩散单元和放大单元与后面参照图4B描述的扩散单元170和放大单元180对应。要注意的是，在以下描述中，在位于扩散单元内的活性层110中的电流密度也被称为扩散单元电流密度或第一电流密度并且由J_D表示。而且，在位于放大单元内的活性层110中的电流密度也被称为放大单元电流密度或第二电流密度并且由J_A表示。

通过这种方式，在SOA10中，活性层110发挥波导的作用，该波导将激光束从入射端引导至发射端。在此处，在图4A中所示的活性层110的左右方向，例如，使用各种材料，进一步设置绝缘层（未显示），并且在左右方向，由位于活性层110和绝缘层之上和之下的p型覆盖层120和n型覆盖层130在x-y平面上调节活性层110的截面形状。通过这种方式，由活性层110、p型覆盖层120、n型覆盖层130以及外围绝缘层形成波导，并且p型覆盖层120、n型覆盖层130以及外围绝缘层被称为光学引导层。要注意的是，在以下描述中，除非另有规定，否则在SOA中的波导表示活性层。而且，在以下描述中，除非另有规定，否则在SOA10中的波导的截面表示在x-y平面上的活性层110的截面。

参照图4B，描述SOA10的波导160的形状。图4B为示出在从y轴的正方向观看时的根据该实施方式的SOA10的状态的示意图。然而，在图4B中，为了描述波导160的形状，在SOA10的结构元件中，仅仅示出了n型覆盖层130和活性层110（即，波导160）。而且，在图4B中，使用虚线示出活性层110（波导160）。要注意的是，在图4B中所示的实例中，相对于y轴方向，通过固定的厚度堆叠活性层110（波导160）。因此，在以下描述中，除非另有规定，否则波导160的形状表示波导160在x-z平面上的形状。

参照图4B，根据该实施方式的SOA10包括扩散单元170和放大单元180。在此处，如上所述，扩散单元170和放大单元180在SOA10中分别与由提供给扩散单元上部电极141的电流I_D控制电流密度的区域以及由提供给放大单元上部电极142的电流I_A控制电流密度的区域对应。因此，波导160也分成包含在扩散单元170内的扩散单元波导171以及包含在放大单元180内的放大单元波导181。要注意的是，尽管图4B示意性示出了在扩散单元170和放大单元180之间分割的波导160，但实际上可在SOA10中在z轴方向连续地形成波导160。

扩散单元170由扩散单元电流密度J_D驱动并且具有增大穿过引导入射的激光束的扩散单元波导171的激光束的光束直径的功能。详细描述包含在扩散单元170内的扩散单元波导171的结构。

如图4B中所示，扩散单元波导171包括扩散单元波导171的宽度基本上恒定的笔直部分172以及扩散单元波导171的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大的具有锥形形状的锥形部分173。笔直部分172位于与SOA10的入射端相距预定距离的位置，并且锥形部分173连续地位于笔直部分172的后一级。即，如图4B中所示，在SOA10的波导160上入射的激光束依次穿过扩散单元波导171的笔直部分172和锥形部分173。

在该实施方式中，扩散单元电流密度J_D的值控制在至少一个范围内，以便激光束的宽度不缩小。具体而言，控制扩散单元电流密度J_D的值，以便激光束的强度在扩散单元170中不放大并且不生成聚集现象。可更优选地控制扩散单元电流密度J_D的值，以便激光束在扩散单元170中的强度保持基本上恒定。根据锥形部分173的锥度角θ的值、扩散单元波导171的截面面积、活性层110、p型覆盖层120以及n型覆盖层130的材料以及要放大的激光束的波长带等条件，适当确定激光束的强度通过这种方式保持基本上恒定的扩散单元电流密度J_D的值。在该实施方式中，例如，通过将扩散单元电流密度J_D设为约等于3（kA/cm²），可实现一种状态，其中，在扩散单元170中不吸收或放大激光束，并且强度保持基本上恒定。因此，在激光束穿过扩散单元波导171的锥形部分173时，激光束的宽度根据锥形部分173的宽度逐渐增大。在该实施方式中，激光束的宽度通过这种方式进行的这种增大称为扩散。而且，在以下描述中，激光束的宽度也称为光束宽度，并且激光束的光斑直径也称为光束直径。

要注意的是，在以下描述中，扩散单元波导171在SOA10的入射端的宽度（即，笔直部分172的宽度）、扩散单元波导171在锥形部分173的出口处的宽度、扩散单元波导171的波导长度、笔直部分172的波导长度、锥形部分173的锥度角、锥形部分173的波导长度以及波导160的波导长度还分别由以下符号表示：w_in、w_{out_dif}、L_D、L_DS、θ、L_DT以及L。在该实施方式中，作为一个实例，将w_in、w_{out_dif}、L_D、L_DS、L_DT、θ以及L分别设为约1.5(μm)、约14(μm)、约1100(μm)、约600(μm)、约500(μm)、约0.72(deg)以及约3000(μm)。

放大单元180由高于扩散单元电流密度J_D的放大单元电流密度J_A驱动，并且具有放大激光束的强度的功能，该激光束穿过引导由扩散单元170增大光束直径的激光束的放大单元180。具体而言，放大单元180促使包含在放大单元180内的放大单元波导181生成放大单元电流密度J_A，以便生成所谓的反向分布状态。在这种状态中，使激光束入射在放大单元波导181上，以便在放大单元波导181中发生受激发射，并且放大入射的激光束的强度。如上所述，由于扩散单元电流密度J_D设置在一个范围内，以便在扩散单元170中不生成聚集现象，即，不放大激光束的强度的范围，所以放大激光束的强度的放大单元180期望具有比扩散单元电流密度J_D更高的电流密度；这就是放大单元电流密度J_A被设置为高于扩散单元电流密度J_D的原因。

如图4B中所示，在扩散单元波导171的锥形部分173的后一级，提供放大单元波导181。在图4B中所示的实例中，放大单元波导181具有锥形形状，其中，放大单元波导181的宽度根据锥形部分173的锥形形状朝着激光束的行进方向逐渐增大。要注意的是，放大单元波导181的形状不限于该实例，并且可为任何其他形状。由于在该实施方式中，放大单元180具有放大激光束的强度的功能，所以激光束的宽度在放大单元180中可缩小。因此，只要该形状不防止扩散单元170扩散激光束，放大单元波导181就可具有任何形状。通过这种方式，放大单元波导181可设置为使放大单元波导181的截面面积大于扩散单元波导171的截面面积。例如，放大单元波导181可具有一种形状，其中，在扩散单元170的出口部分处，放大单元波导181的宽度大于扩散单元波导171的宽度w_{out_dif}。

在以下描述中，放大单元波导181在SOA10的入射端的宽度和放大单元波导181的长度分别由以下符号表示：w_out和L_A。在该实施方式中，例如，w_out和L_A分别设为≈61(μm)和≈1900(μm)。

上面参照图4A和4B，描述了根据该实施方式的SOA10的结构。通过根据该实施方式的SOA10，能够抑制激光束的宽度变窄，这是因为在扩散单元170扩散激光束之后，放大单元180放大激光束的强度。

为了确认具有上述结构的SOA10的性能，测量从SOA10中发射的光的强度分布。图5示出了在SOA10上的测量结果。图5为示出从SOA10中发射的光的强度分布的示图。

在图5中，水平轴表示在x轴中的距离（距离（μm）），垂直轴表示从SOA10中发射的光的标准化强度，并且绘制出在x轴方向从SOA10中发射的光的强度分布。要注意的是，在图5中，为了显示光束宽度，在发射光的强度变成峰值功率的13.5%的高度处，显示虚线。要注意的是，与在上面的图3A和图3B中一样，光束宽度在发射端的值是根据在x轴方向发射的光的强度分布，使用在ASE中的测量结果来将在发射光的强度变成峰值功率的1/e2（13.5%）的地方发射的光的宽度转换成在发射端的光束宽度所获得的值。而且，在图5中所示的结果是在具有上述尺寸的结构元件的SOA10上入射波长大约为405nm、扩散单元电流密度J_D为3(kA/cm²)、放大单元电流密度J_A为5(kA/cm²)并且平均强度为4(mW)的激光束时的结果。

参照图5，在根据该实施方式的SOA10中，在发射光的峰值功率大约为150(W)时，在发射端的光束宽度大约为22(μm)。而且，发射光的平均功率大约为300(mW)。在此处，在图3B中所示的现有SOA910中，在电流密度J为6.7(kA/cm²)时，发射光的峰值功率为145(W)，并且在发射端的光束宽度为7.6(μm)。因此，人们发现，根据该实施方式的SOA10通过更低的电流密度（J_A=5(kA/cm²)）将激光束的强度放大为与现有SOA910基本上相同的峰值功率。而且，虽然在现有SOA910中的发射端的光束宽度变窄为比在入射端的波导916的宽度（大约为9(μm)）更小的值，但是在根据该实施方式的SOA10中的光束宽度保持比在入射端的波导160的宽度（w_in≈1.5(μm)）以及在扩散单元170的出口的扩散单元波导171的宽度（w_{out_dif}≈14(μm)）更大。

如上所述，通过根据该实施方式的SOA10，通过使扩散单元170扩散激光束，然后通过使放大单元180放大激光束的强度，能够抑制激光束的宽度变窄。例如，如上所述，在激光束的峰值功率放大为与现有SOA910基本上相同的水平时，SOA10抑制光束宽度变窄。通过这种方式，根据该实施方式的SOA10能够更稳定地放大激光束的强度。

<3、探讨根据实施方式的SOA>

描述在根据该实施方式的SOA10中的光的性能的理论探讨的结果。具体而言，分析在SOA10中影响光束宽度变窄的因素，并且讨论抑制光束宽度变窄的因素。

在分析在上面<2、本公开的实施方式>中描述的SOA10之前，本发明人已经研究了一种用于进行测试的SOA，该SOA具有比SOA10更简单的结构。在以下描述中，首先，<3-1、用于进行测试的SOA>显示了用于进行测试的SOA的结构以及从用于进行测试的SOA中发射的光的强度分布的测量结果。接下来，<3-2、光学传播模拟>显示了所引入的模拟技术的概述，以便分析在用于进行测试的SOA和SOA10的波导中生成的物理现象。最后，<3-3、光学传播模拟的结果>显示了用于进行测试的SOA和SOA10的模拟结果，根据模拟结果，探讨在用于进行测试的SOA和SOA10中的光的性能，并且研究影响光束宽度的缩小的因素。

<3-1、用于进行测试的SOA>

如在上面<1、研究现有SOA>中所述，人们认为，根据激光束的强度，通过在活性层（波导）中的介质的折射率n的变化，并且通过聚集（聚焦）激光束（聚集现象（聚焦现象）），在SOA中生成光束宽度的缩小。作为影响介质的折射率n的因素，可考虑在介质中的载流子密度（电子空穴密度）N、在介质中的光密度S、在介质中的温度T、激光束的波长λ。在此处，源自载流子密度N和光密度S的折射率n的变化称为载流子引起的折射率变化和包括光学克尔效应的非线性光学效应。

为了在上述因素中找出介质的折射率n的变化的主要因素，本发明人已经研究了根据该实施方式的SOA。在上述因素之中，由于SOA以及包括SOA的激光光源系统的使用条件，所以温度T和波长λ难以大幅变化。因此，本发明人已经研究了载流子密度N和光密度S对聚集现象的影响。详细研究这些参数较为重要，这也是因为SOA的放大性能（即，由受激发射生成的发射光的强度）取决于载流子密度N和光密度S。为了研究载流子密度N和光密度S对聚集现象的影响，首先，本发明人检查了具有比SOA10更简单的结构的用于进行测试的SOA。

参照图6，描述用于进行测试的SOA的结构。图6为示出用于进行测试的SOA的结构的示意图。要注意的是，在图6中所示的用于进行测试的SOA的堆叠结构与参照图4A描述的SOA10的堆叠结构相同；因此，不描述用于进行测试的SOA的堆叠结构。此外，图6为与上述图4B对应的示图，并且示意性示出了在半导体层的堆叠方向从顶部方向观看时用于进行测试的SOA的结构。使用虚线显示波导。

参照图6，在根据该实施方式的用于进行测试的SOA30的结构元件之中，仅仅显示了n型覆盖层330和活性层310（波导360）。要注意的是，如上所述，由于用于进行测试的SOA30具有与在图4A中所示的SOA10相同的堆叠结构，所以用于进行测试的SOA30具有在图6中未显示的其他结构，例如，p型覆盖层、下部电极以及上部电极（包括扩散单元电极和放大单元电极）。如图6中所示，根据该实施方式的用于进行测试的SOA30包括扩散单元370和放大单元380。而且，将波导360分成包含在扩散单元370内的扩散单元波导371和包含在放大单元380内的放大单元波导381。在此处，用于进行测试的SOA30的功能和结构与SOA10的功能和结构相同，除了波导360（包括扩散单元波导371和放大单元波导381）的形状以外；因此，不详细描述相同的结构，并且下面主要描述差别。

扩散单元波导371在z轴方向延伸，并且具有基本上恒定的波导宽度，如图6中所示。通过这种方式，扩散单元波导371具有笔直的形状，即，在从y轴方向观看时具有预定宽度的大致矩形形状。扩散单元波导371的波导宽度w_in例如为≈1.5(μm)，并且扩散单元波导371的长度L_D例如为≈1600(μm)。

放大单元波导381位于扩散单元波导371的后一级。如图6中所示，放大单元波导381在z轴方向延伸，并且具有比扩散单元波导371的波导宽度更大的基本上恒定的波导宽度。即，放大单元波导381具有笔直的形状。通过这种方式，扩散单元波导371和放大单元波导381具有一种形状，其中，在从y轴方向观看时均具有预定的宽度的两个大致矩形形状相结合。放大单元波导381的波导宽度w_out例如为≈60(μm)，并且放大单元波导381的长度L_A例如为≈400(μm)。波导360的长度L为≈2000(μm)。要注意的是，虽然图6示意性示出了在扩散单元370与放大单元380之间分割的波导360，但是实际上在用于进行测试的SOA30中在z轴方向可连续地形成波导360。

上面参照图6，已经描述了用于进行测试的SOA30的结构（尤其是波导360的形状）。本发明人已经测量了从具有这种结构的用于进行测试的SOA30中发射的光的强度分布。图7A和7B示出了结果。

参照图7A和图7B，描述从用于进行测试的SOA30中发射的光的强度分布。图7A和图7B均为示出从用于进行测试的SOA30中发射的光的强度分布的示图。

在此处，在图7A和图7B中所示的示图均具有的形式（例如，由x轴和y轴表示的物理量）与示出从在图5中所示的SOA10中发射的光的强度分布的示图相同；因此，不详细对其进行描述。而且，在图7A和图7B中以及在图5中，光束宽度在发射端的值是根据在x轴方向发射的光的强度分布，使用在ASE中的测量结果来将在发射光的强度变成峰值功率的1/e2（13.5%）的地方发射的光的宽度转换成在发射端的光束宽度所获得的值。而且，在图7A和图7B中所示的结果是在具有上述尺寸的结构元件的SOA310上入射波长大约为405nm、扩散单元电流密度J_D为3(kA/cm²)、以及平均强度为4(mW)的激光束时的结果。要注意的是，图7A示出了在放大单元电流密度J_A为3(kA/cm²)时的结果，并且图7B示出了在放大单元电流密度J_A为6(kA/cm²)时的结果。

参照图7A和图7B，在用于进行测试的SOA30中，在放大单元电流密度J_A为3(kA/cm²)时，在发射端的光束宽度大约为40(μm)，并且在放大单元电流密度J_A为6(kA/cm²)时，在发射端的光束宽度大约为44(μm)。虽然放大单元电流密度J_A的值翻倍，但是光束宽度基本上未改变。因此，用于进行测试的SOA30的放大单元380被视为未生成光束宽度的大幅缩小，即，没有大量聚集现象。

在放大单元波导381中，放大单元电流密度J_A的变化与载流子密度N的变化对应。即，在图7A和7B中所示的结果表示载流子密度N对聚集现象的影响不大。同时，在用于进行测试的SOA30中，扩散单元波导371和放大单元波导381均具有一种扩展的笔直形状，其中，波导宽度基本上恒定，并且在光从扩散单元370传播到放大单元380中时，波导360的宽度从大约1.5(μm)大幅增大为大约60(μm)。因此，放大单元波导381具有光密度S的小值，因此，人们认为，折射率n的变化较小，并且不可能发生聚集现象。

而且，在用于进行测试的SOA30中，波导360在发射端的宽度w_out为≈60(μm)。虽然没有大幅聚集现象，但是在发射端的光束宽度大约为40μm。结果表明，甚至在基本上未发生聚集现象时，光束宽度并未根据波导360的宽度无限增大，但是可对光束宽度的扩散进行限制。光束宽度的扩散的这种限制值被视为归因于根据由激光束的衍射造成的激光束的波长的衍射极限。

通过这种方式，在图7A和图7B中的结果表示，在根据本实施方式的用于进行测试的SOA30中，在波导中的介质的折射率n的变化受到的光密度S的影响比受到载流子密度N的影响更大。而且，人们认为在SOA10中，发生与所表示的现象相同的现象。为了确认以上探讨并且进一步分析在SOA10和用于进行测试的SOA30的波导160和360中的光的性能，本发明人已经研制了一种技术，用于进行光学传播模拟，包括由光强度S造成的折射率n的变化。在此处，“由光强度S造成的折射率n的变化”表示载流子引起的折射率变化。

<3-2、光学传播模拟>

描述根据该实施方式的模拟技术的概述。为了分析光学传播在波导中的状态，本发明人已经创造了一种模拟技术，该技术使用有限差分光束传播法（FT-BPM），涉及伴随由光密度S造成的载流子密度的变化发生的折射率n的变化（载流子引起的折射率变化）。有关FT-BPM的详情，例如，参照1999年7月，Gendai Kogakusha，“Hikari Douharo Kaiseki No Kiso:Maxwell Equation and Schrodinger Equation Wo Toku Tameni”，KawanoKenji和Kitou Tsutomu的“第五章：Beam Propagation Method”（后文中称为参考1）。关于涉及波动函数的载流子引起的折射率变化的分析技术的详情，例如，参照GOVIND P.AGRAWAL等人在IEEE JOURNAL OFQUANTUM ELECTRONICS、1989年、第25卷、第11号、第2297-2306页的“Self-Phase Modulation and Spectral Broadening of Optical Pulses inSemiconductor Laser Amplifiers”（后文中称为参考2）。根据参考1和2，本发明人已经研制了模拟技术，该技术使用涉及载流子引起的折射率变化的FT-BPM。下面描述根据该实施方式的最近研制的模拟技术的概述。要注意的是，在模拟技术的以下描述中，通过假设波导160和360（包括活性层110和310）在y轴方向具有恒定的厚度并且激光束的强度在y轴方向没有发生变化，描述用于在二维中（在x-z平面上）分析光的性能的一种模拟技术。

在涉及载流子引起的折射率变化的情况下，在介质（在该实施方式中的活性层110和310）中的波动函数由以下公式（1）表示。

$-\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&psi;}}{\&PartialD;x^2}-\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&psi;}}{\&PartialD;z^2}=-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{car}\_\mathrm{ind}}\left(N\right)}{c^2}\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&psi;}}{\&PartialD;t^2}......\left(1\right)$

在此处，ψ=ψ(x,z,t)是表示在介质中的激光束的性能的波动函数，并且例如是表示激光束的电场的波动函数。如上所述，在y轴方向的展开由ψ忽略。而且，c、ε_r、χ_{car_ind}(N)分别表示光速、介质的介电常数（复数介电常数）、介质的磁化率，该磁化率是在介质中的载流子（电子或空穴）密度N的函数。

为了解算波动函数ψ(x,z,t)的公式（1），执行慢变包络近似（SVEA）。在SVEA中，波动函数ψ(x,z,t)由在行进方向逐渐改变的幅度项φ(x，z，t)以及强烈振动的相位项exp[-j(β₀z-ω₀t)]表示。即，波动函数ψ(x,z,t)近似于以下公式（2）。

$\mathrm{\&psi;}(x,z,t)=\mathrm{\&phi;}(x,z,t)\exp [-j({\mathrm{\&beta;}}_{0}z-{\mathrm{\&omega;}}_{0}t)]......\left(2\right)$

在此处，β₀由参考折射率n_eff和波矢量k₀在真空中的乘积限定。作为参考折射率n_eff，例如，使用覆盖层（p型覆盖层120和n型覆盖层130和330）、基板等中的任一个的折射率。而且，ω₀是中心频率。

通过假设在要扩展的公式（1）中分配公式（2），获得以下公式（3）。要注意的是，在获得公式（3）的工序中，使用近轴光线近似（菲涅耳近似），以便设置(δ²φ)/(δz²)＝0。通过相似的方式，由于包络φ随着时间的变化足以比在中心频率ω₀中更慢，所以设置(δ²φ)/)δt²)＝0。

$\begin{array}{c}\left(2j{\mathrm{\&beta;}}_0\right)\frac{\&PartialD;\mathrm{\&phi;}(x,z,t)}{\&PartialD;z}\\ =\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&phi;}(x,z,t)}{\&PartialD;x^2}-{k_0}^2({n_{\mathrm{eff}}}^2-{\mathrm{\&epsiv;}}_r)\mathrm{\&phi;}(x,z,t)+\\ -\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{car}\_\mathrm{ind}}\left(N\right)}{c^2}\left(2j{\mathrm{\&omega;}}_0\right)\frac{\&PartialD;\mathrm{\&phi;}(x,z,t)}{\&PartialD;t}\end{array},k_0{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{car}\_\mathrm{ind}}\left(N\right)\mathrm{\&phi;}(x,z,t)......\left(3\right)$

在公式（3）中，左侧和右侧的第一和第二项是在FT-BPM中常见的波动方程式（例如，如参考1中所示）。即，公式（3）与一个等式对应，其中，关于磁化率χ_{car_ind}(N)的项（右侧的剩余两项）加入在FT-BPM中常见的波动方程式中，作为与载流子引起的折射率变化相关的项。

关于解算在FT-BPM中常见的波动方程式的方法，例如，参照参考1。在可在数字上计算磁化率χ_{car_ind}(N)时，可在数字上解算公式（3）。在此处，χ_{car_ind}(N)由以下公式（4）表示。

${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{car}\_\mathrm{ind}}\left(N\right)=\frac{n_{\mathrm{eff}}\left(\text{i+\&alpha;}\right)\mathrm{\&Gamma;\&eta;}(N-N_0)}{k_0}......\left(4\right)$

在此处，α是也称为线宽增强系数的系数，并且影响光束宽度的扩散和缩小。而且，N₀是透明载流子密度。此外，η和Γ分别是增益系数和限制系数，并且在以下公式（5）中，与增益g(N)构成关系。

g(N)=Γη(N-N₀)......(5)

而且，载流子密度N满足以下公式（6）。

$\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{e{V}_{\mathrm{act}}}-\frac{N}{{\mathrm{\&tau;}}_g}-\frac{\mathrm{\&Gamma;\&eta;}(N-N_0)}{h/2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_0}{\left|\mathrm{\&phi;}(x,z,t)\right|}^2......\left(6\right)$

在此处，e、I、V_act、τ_g以及h/(2π)×ω₀分别表示载流子的电荷（基本电荷）、注入的电流、可用容量、自发载流子寿命以及光子能量。

通过从公式（5）和（6）中去除载流子密度N，获得与增益g相关的以下公式（7）。

$\frac{\mathrm{dg}}{\mathrm{dt}}=-\frac{g-g_0}{{\mathrm{\&tau;}}_g}-\frac{g{\left|\mathrm{\&phi;}(x,z,t)\right|}^2}{E_{\mathrm{sat}}}......\left(7\right)$

在此处，g₀和E_sat分别由以下公式（8）和以下公式（9）限定。要注意的是，g₀和E_sat表分别表示在目标放大器中的小信号增益和饱和能量。而且，在进行模拟时，E_sat由筛孔尺寸标准化。

$g_0=\mathrm{\&eta;}(\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{g}I}{e{V}_{\mathrm{act}}}-N_0)......\left(8\right)$

$E_{\mathrm{sat}}=\frac{h/2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&omega;}}_0}{{\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{\&eta;}}}......\left(9\right)$

在此处，假设使用连续波激光器（CW激光器），由于(d/dt)=0，所以通过解算在以上公式（7）中的增益g，获得以下公式（10）。

$g=\frac{g_0}{1+\frac{{\mathrm{\&tau;}}_g{\left|\mathrm{\&phi;}(x,z,t)\right|}^2}{E_{\mathrm{sat}}}}......\left(10\right)$

每当(x,z,t)的值改变时，通过计算公式（10），可获得在相应坐标（位置（x,z））和相应步骤（时间t）中的增益g的值。通过使用增益g和以上公式（4）和（5）的值，可获得在相应坐标和相应步骤中的磁化率χ_{car_ind}(N)；因此，可在数字上解算公式（3）。

上面已经描述了根据该实施方式的SOA10和用于进行测试的SOA30的模拟技术的概述。

<3-3、光学传播模拟的结果>

通过使用以上模拟技术，分析在图4A和图4B中所示的SOA10以及在图6中所示的用于进行测试的SOA30的波导160和360中的激光束的传播的状态。

首先，参照图8A到8C和图9，描述具有更简单的结构的用于进行测试的SOA30的模拟结果。要注意的是，在用于进行测试的SOA30的模拟中，已经进行了计算，而不涉及光密度S的影响，即，载流子引起的折射率变化。具体而言，不涉及载流子引起的折射率变化的模拟与根据关系表达式的模拟对应，在关系表达式中，在以上公式（3）中忽略与磁化率χ_{car_ind}(N)相关的项。如在上面<3-1、用于进行测试的SOA>中所述，在图7A和7B中所示的结果表示光密度S对聚集现象具有很大的影响，并且在用于进行测试的SOA30中基本上不发生聚集现象，这是因为光强度S在放大单元380中较低。因此，由模拟再现在图7A和图7B中所示的结果，而不涉及光密度S的效应时，可以说以上探讨有效。

图8A到8C均为轮廓图，其中，在x-z平面上绘制出通过模拟获得的用于进行测试的SOA30的每个物理量。在图8A中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处的复数介电常数的实数部分中示出了用于进行测试的SOA30的值。在图8B中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处的复数介电常数的虚数部分中示出了用于进行测试的SOA30的值。在图8C中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处示出了用于进行测试的SOA30的光强度的值。图9为示出了在与图8C中所示的发射端对应的位置中在x轴方向的激光束的强度分布。要注意的是，在图8A到8C和图9中所示的结果是在与图7B对应的条件下进行模拟所获得的结果。

参照图8A和8B，在用于进行测试的SOA30的放大单元380中，在复数介电常数的实数部分和虚数部分中的值基本上恒定，与位置无关。在光学中，人们认为，复数介电常数的实数部分是在介质中的折射率的指数，并且复数介电常数的虚数部分是在介质中的光的放大率（吸收率）。因此，在图8A和8B中，可以说，在用于进行测试的SOA30的放大单元波导381中的光的放大率在x-z平面上可视化。从图8A和8B中，人们发现，在用于进行测试的SOA30的放大单元380中的折射率和放大率没有实质性变化。结果表明，在用于进行测试的SOA30的放大单元380中实质上未发生聚集现象。

在图8C中，如上所述，由于二维绘制出光强度的分布（在x-z平面上），所以可以说，在用于进行测试的SOA30的放大单元波导381中的光强度S可视化。而且，在光强度的值较大的点是光的存在概率较高的点，从而可以说，在用于进行测试的SOA30的放大单元波导381中的光路在图8C中可视化。参照图8C，光从扩散单元370中传播到放大单元380，而且，光在x轴方向扩散，即，光强度S减小。

图9示出了在与在图8C中所示的发射端对应的位置中在x轴方向的激光束的强度分布。在图9中，示图的形式与在图7A和图7B中的形式相同，以便示图可与通过测量获得的用于进行测试的SOA30的强度分布对应。即，在图9中，水平轴表示在x轴中的距离（距离（μm）），垂直轴表示激光束的标准化强度，并且绘制出通过模拟获得的在用于进行测试的SOA30的发射端的x轴方向的激光束的强度分布。而且，根据在发射端的x轴方向的激光束的强度分布，在发射端的光束宽度的值限定为在激光束的强度变成峰值功率的1/e2（13.5%）的地方的发射光的宽度。要注意的是，在图9中，为了显示光束宽度，在激光束的强度变成峰值功率的13.5%的高度处，显示虚线。参照图9，通过模拟获得的在用于进行测试的SOA30的发射端的光束强度大约为43(μm)。这个值基本上与在图7B中所示的44(μm)对应。而且，在比较在图7B中显示为测量结果的强度分布的波形和在图9中显示为模拟结果的强度分布的波形时，人们发现，基本上由根据该实施方式的模拟技术再现强度分布的波形。

上面参照图8A到8C和图9，描述了用于进行测试的SOA30的模拟结果。如图8A到8C中所示，人们发现，根据该实施方式的模拟技术能够在用于进行测试的SOA30的波导360中使介质的折射率、光的放大率、光的强度以及光密度S可视化。而且，在图8A到8C和图9中所示的结果表示，模拟技术可充分地再现在图7A和图7B中所示的用于进行测试的SOA30的测量结果，并且可有效地用作分析技术。而且，在<3-1、用于进行测试的SOA>中已经讨论了光密度S对聚集现象具有重要影响以及由在放大单元380中的低光密度S造成在用于进行测试的SOA30中未生成聚集现象，这均被确认为充分有效的原理。

接下来，参照图10A到图10C和图11，描述在图4A和4B中所示的SOA10的模拟结果。要注意的是，与在SOA30的模拟中不同，在SOA10的模拟中，进行计算，涉及载流子引起的折射率变化。

图10A到图10C均为轮廓图，其中，在x-z平面上绘制出通过模拟获得的用于进行测试的SOA10的每个物理量，并且图10A到10C与上面图8A到8C对应。在图10A中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处的复数介电常数的实数部分中示出了根据该实施方式的SOA10的值。在图10B中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处的复数介电常数的虚数部分中示出了根据该实施方式的SOA10的值。在图10C中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处示出了根据该实施方式的SOA10的光强度的值。图11为示出了在与图10C中所示的发射端对应的位置中在x轴方向的激光束的强度分布。要注意的是，在图10A到10C和图11中所示的结果是在与图5对应的条件下进行模拟所获得的结果。

参照图10A和10B，人们发现，在SOA10的放大单元180中，在复数介电常数的实数部分中的值（即，表示波导160的介质的折射率的指数）在x轴中的波导160的中心附近变得更大，并且在波导160与其他外围层之间的界限附近变得更小。同时，参照图10B，人们发现，在SOA10的放大单元180中，在复数介电常数的虚数部分中的值（即，表示波导160的介质的放大率的指数）在x轴中的波导160的中心附近变得更小，并且在波导160与其他外围层之间的界限附近变得更大。而且，参照图10C，人们发现，在SOA10的放大单元180中的光的强度分布在x轴中的波导160的中心附近变得更大。在图10A到10C中所示的结果显示了一种状态，其中，光密度S和光强度在x轴中的放大单元波导181的中心附近增大；因此，可以说，再现聚集现象。

如在公式（5）中所示，作为表示放大率的指数的增益g是载流子密度N的函数并且与载流子密度N成比例。另一方面，如在分析用于进行测试的SOA30时所述，折射率的变化可被视为更加取决于光密度S，而非载流子密度N。因此，可以说，在图10A到10C中所示的结果显示了一种状态，其中，由于并非在放大单元波导181的放大率（即，载流子密度）较大的区域中，而是在光密度S较大的区域中，折射率n变化，所以发生聚集现象，这与用于进行测试的SOA30的探讨不矛盾。

图11示出了在与图10C中所示的发射端对应的位置在x轴方向的激光束的强度分布。在图11中，示图的形式（由垂直轴和水平轴表示的物理量、光束宽度的定义等）与在图9中的形式相同；因此，不详细对其进行描述。参照图11，通过模拟获得的在SOA10的发射端的光束宽度大约为27(μm)。这个值基本上与在图5中所示的测量值22(μm)对应。而且，在比较在图5中显示为测量结果的强度分布的波形和在图11中显示为模拟结果的强度分布的波形时，人们发现，基本上由根据该实施方式的模拟再现强度分布的波形。

上面参照图10A到10C和图11，描述了SOA10的模拟结果。如图10A到10C中所示，通过涉及载流子引起的折射率变化的模拟技术，人们确认，可再现在SOA10的波导160中的聚集现象。而且，根据在图8A到8C和图9中所示的结果，根据该实施方式的模拟技术可充分地再现在图5和图7A和7B中所示的SOA10和用于进行测试的SOA30的测量结果，并且可有效地用作分析技术。

如上所述，建立在SOA10和用于进行测试的SOA30中的波导160和360中分析光的性能的根据该实施方式的模拟技术。而且，在SOA10和用于进行测试的SOA30的测量结果之间进行的比较以及使用模拟技术获得的计算结果产生以下知识。

即，在SOA10和用于进行测试的SOA30中的波导160和360中的光的聚集现象明显受到在波导160和360中的光密度S的值的影响。因此，人们认为，通过增大波导160和360的波导宽度并且减小光密度S的值，可抑制聚集效应，即，可抑制光束宽度变窄。在此处，光密度S的减小和光束宽度的增大与激光束的扩散对应。

另一方面，虽然通过应用较高的电流密度来放大激光束的强度，但是在波导宽度增大以便可发生扩撒时，可扩撒激光束的效率更低，这是因为伴随激光束的强度的放大的由光密度S的增大造成的光束宽度的缩小抵消了由波导宽度的增大造成的激光束的扩散。因此，在激光束要扩散时，可取地在激光束未放大的条件下扩散激光束，即，光密度S不增大。

参照图4A和4B，根据该实施方式的SOA10包括扩散激光束的扩散单元170以及放大激光束的强度的放大单元180。扩散单元170具有锥形形状，其中，波导宽度逐渐增大，并且将扩散单元电流密度JD的值控制在一个范围内，以便激光束的强度不由扩散单元170放大。而且，由扩散单元170扩散的激光束的强度由位于后一级中的放大单元180放大。因此，在SOA10中，可更有效地扩散激光束，并且可更有效地抑制聚集现象。

已经确认，根据本实施方式的模拟技术可用于大幅再现在SOA10和用于进行测试的SOA30中的光的传播。因此，通过使用根据本实施方式的模拟技术进行分析，同时改变波导的形状或各种参数，例如，扩散单元电流密度J_D和放大单元电流密度J_A，能够设计具有另一种结构的SOA，在放大激光束的强度的情况下，该SOA能够更有效地抑制光束宽度变窄。

在光学传播模拟的以上描述中，在假设波导160和360在y轴方向的厚度恒定时，集中描述了在x-z平面上的物理量。然而，该实施方式不限于该实例，并且以上描述可用于三维情况中。例如，通过考虑在上面<3-2、光学传播模拟>中所示的公式中的y坐标，可在三维空间内建立一种相似的模拟技术。而且，例如，波导160和360可不仅具有二维锥形，而且具有三维锥形，即，圆锥形。在波导160和360具有圆锥形时，在以上探讨中对光束宽度的研究可用于光束直径中，从而可获得相同的结论。

<4、设计SOA的方法>

如在上面<3、探讨根据实施方式的SOA>中所述，通过使用根据该实施方式的模拟技术，能够为根据该实施方式的SOA设计一种结构，该结构可抑制光束宽度变窄。在此处，描述用于设计根据该实施方式的SOA的另一种方式方法。在以下描述中，在图4A和4B中所示的SOA10用作解释该设计方法的一个实例。在这种情况下，使用显示在图4B中所示的波导160的尺寸的符号。关于以下公式的推导详情，例如，参照参考2。

在以下描述中，假设在波导160中的光密度S太低，不能生成聚集现象，讨论在波导160中的激光束的扩散，以便获得波导160的锥形形状、放大单元电力密度J_A、放大单元波导的长度L_A等的可取条件。首先，<4-1、使用透明介质进行的波导的扩散>讨论在使用透明介质形式的锥形波导中的激光束的扩散。使用透明介质形成的锥形波导与在根据该实施方式的SOA10中的扩散单元170对应。接下来。<4-2、使用放大介质形成的波导的扩散>讨论在使用放大介质形成的笔直波导中的激光束的扩散。最后，根据对这两个模式进行的讨论，<4-3、使用放大介质形成的锥形波导的扩散>讨论了在使用放大介质形成的锥形波导中的激光束的扩散。使用放大介质形成的锥形波导与在SOA10中的放大单元180对应。通过这种讨论，在以上条件下，讨论在扩散单元170和放大单元180中的激光束的扩散以及伴随扩散的激光束的强度的减小。在设计方法的以下描述中，假设波导160（包括活性层110）的厚度在y轴方向恒定并且激光束的强度在y轴方向不改变，描述在二维中（在x-z平面上）期望光的性能的设计方法。

<4-1、使用透明介质形成的波导的扩散>

首先，考虑在透明介质中的激光束的扩散。考虑使用均匀的透明介质形成的在锥形波导（例如，具有与在图1B中所示的波导916相同的形状的波导）中的光的传播。在如图1B中所示设置x轴和y轴，x轴的原点在x轴方向设为波导的中心，z轴的原点设为波导的入射端，并且波导在入射侧的宽度设为w_{in_tt}的情况下，入射光的强度P_{in_tt}(x)由以下公式（11）表示。要注意的是，假设激光束具有由高斯表示的强度分布。

$P_{\mathrm{in}\_\mathrm{tt}}\left(x\right)=A\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}}\frac{1}{w_{\mathrm{in}\_\mathrm{tt}}}\exp [-2\frac{x^2}{{w_{\mathrm{in}\_\mathrm{tt}}}^2}]......\left(11\right)$

在此处，A表示与激光束的强度相关的系数。因此，在距离z处的波导宽度由w_tt(z)表示的情况下，在光通过波导传播距离z的位置处，激光束的强度P_tt(x,z)可由以下公式（12）表示。

$P_{\mathrm{tt}}(x,z)=A\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}}\frac{1}{w_{\mathrm{in}}\left(z\right)}\exp [-2\frac{x^2}{w_{\mathrm{in}}{\left(z\right)}^2}]......\left(12\right)$

在此处，由于假设激光束具有由高斯表示的强度分布，所以激光束显示峰值功率，其中，x=0。从公式（11）和（12）中，在P_{in_tt}(x)和P_tt(x,z)之间的峰值功率比率由以下公式（13）表示。

$\frac{P_{\mathrm{tt}}(0,z)}{P_{\mathrm{in}\_\mathrm{tt}}\left(0\right)}=\frac{w_{\mathrm{in}\_\mathrm{tt}}}{w_{\mathrm{in}}\left(0\right)}......\left(13\right)$

因此，在发射端的波导长度和波导宽度分别由L_tt和w_{out_tt}表示时，在入射光的峰值功率和发射光的峰值功率之间的比率可由以下公式（14）表示为在波导宽度之间的比率。

$\frac{P_{\mathrm{out}\_\mathrm{tt}}\left(0\right)}{P_{\mathrm{in}\_\mathrm{tt}}\left(0\right)}=\frac{w_{\mathrm{in}\_\mathrm{tt}}}{w_{\mathrm{out}\_\mathrm{tt}}}......\left(14\right)$

在此处，设置P_tt(x,L_tt)＝P_{out_tt}(x)和w_tt(L)＝w_{out_tt}。在光束宽度由锥形物放大M倍（M是规定的正实数）时，公式（14）显示了峰值功率增大1/M倍。而且，该关系表示，在激光束在透明介质中扩散时，如在下面公式（15）中所示，保持激光束的强度。

$\frac{{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{P}_{\mathrm{out}\_\mathrm{tt}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{P}_{\mathrm{in}\_\mathrm{tt}}\left(x\right)\mathrm{dx}}=1......\left(15\right)$

<4-2、使用放大介质形成的波导的扩散>

接下来，考虑在放大介质中的激光束的扩散。在此处，考虑使用均匀的放大介质形成的在笔直波导中的光的传播。通过与透明介质的以上模式的方式相似的方式，在波导的宽度方向设为x轴，波导的长度方向设为z轴，x轴的原点在x轴方向设为波导的中心，并且z轴的原点设为波导的入射端的情况下，入射光的强度P_{in_as}(x)和发射光的强度P_{out_as}(x)由以下公式（16）表示。

P_{out_as}＝exp[gL_as]P_{in_as}......(16)

在此处，g表示增益，并且L_as表示在该模式中的波导长度。在此处，增益g与在波导中的电流密度J成比例，并且gL_as由以下公式（17）表示。

gL_as＝B_g(J-J₀)L_as......(17)

在此处，B_g表示比例性的常数，并且J₀表示透明电流密度。

因此，考虑波导宽度在该模式中恒定，通过公式（14）和（16），相对于在使用放大介质形成的笔直波导中的光的传播，在入射光的强度P_{in_as}(x)和发射光的强度P_{out_as}(x)之间的关系由以下公式（18）表示。

$\frac{{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{P}_{\mathrm{out}\_\mathrm{as}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{P}_{\mathrm{in}\_\mathrm{as}}\left(x\right)\mathrm{dx}}=\exp \left[g{L}_{\mathrm{as}}\right]......\left(18\right)$

<4-3、使用放大介质形成的锥形波导的扩散>

最后，根据对这两个模式进行的讨论，讨论在使用放大介质形成的锥形波导中的激光束的扩散。通过公式（14），在波导具有锥形形状时，在入射光的强度与发射光的强度之间的比率由在入射端的波导宽度与在发射端的波导宽度之间的比率表示。因此，通过公式（14）和（18），相对于在使用放大介质形成的锥形波导中的光的传播，在入射光的强度P_{in_at}(x)和发射光的强度P_{out_at}(x)之间的关系由以下公式（19）表示。

$\frac{{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{P}_{\mathrm{out}\_\mathrm{as}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{P}_{\mathrm{in}\_\mathrm{as}}\left(x\right)\mathrm{dx}}=\frac{w_{\mathrm{in}\_\mathrm{at}}}{w_{\mathrm{out}\_\mathrm{at}}}\exp \left[g{L}_{\mathrm{at}}\right]......\left(19\right)$

在此处，w_{in_at}、w_{out_at}以及L_at分别表示在入射端使用放大介质形成的锥形波导的波导宽度、在发射端的波导的波导宽度以及波导的波导长度。

通过以上方式，相对于这三种计算模型（使用透明介质形成的锥形波导、使用放大介质形成的笔直波导以及使用放大介质形成的锥形波导），在入射光的强度与发射光的强度之间的比率已经公式化。在此处，使用透明介质形成的锥形波导与根据该实施方式的SOA10的扩散单元波导171对应，并且使用放大介质形成的锥形波导与根据该实施方式的SOA10的放大单元波导181对应。因此，可以说，公式（14）显示了在扩散单元170中的激光束的性能，并且公式（19）显示了在放大单元180中的激光束的性能。

通过使用在图4B中所示的符号来代替在公式（14）和（19）中的参数的符号，获得以下公式（20）和（21）。在此处，P_{in_D}(x)、P_{out_D}(x)、P_{in_A}(x)以及P_{out_A}(x)分别表示在扩散单元170上入射的光的强度、从扩散单元170中发射的光的强度、在放大单元180上入射的光的强度以及从放大单元180中发射的光的强度。

$P_{\mathrm{out}\_D}\left(x\right)=\frac{w_{\mathrm{in}}}{w_{\mathrm{out}\_\mathrm{dif}}}{P}_{\mathrm{in}\_D}\left(x\right)......\left(20\right)$

$P_{\mathrm{out}\_A}\left(x\right)=\frac{w_{\mathrm{out}\_\mathrm{dif}}}{w_{\mathrm{out}}}\exp \left[g{L}_A\right]P_{\mathrm{in}\_A}\left(x\right)......\left(21\right)$

在此处，在SOA10上入射的光的强度由P_in(x)表示并且从SOA10中发射的光的强度由P_out(x)表示时，设置P_in(x)=P_{in_D}(x)以及P_out(x)=P_{out_A}(x)。而且，由于设置P_{out_D}(x)=P_{in_A}(x)，所以通过公式（20）和（21），在SOA10中的入射光的强度P_in(x)与发射光的强度P_out(x)之间的关系由以下公式（22）表示。

$P_{\mathrm{out}}\left(x\right)=\frac{w_{\mathrm{out}\_\mathrm{dif}}}{w_{\mathrm{out}}}\frac{w_{\mathrm{in}}}{w_{\mathrm{out}\_\mathrm{dif}}}\exp \left[g{L}_A\right]P_{\mathrm{in}}\left(x\right)=\frac{w_{\mathrm{in}}}{w_{\mathrm{out}}}\exp \left[g{L}_A\right]P_{\mathrm{in}}\left(x\right)......\left(22\right)$

在此处，众所周知，在光密度S增大的情况下，在具有预定的值时，增益g饱和（发生增益饱和）。因此，在公式（22）中，考虑增益g的饱和，来进行近似化。如在上面<3-2、光学传播模拟>中所述，增益g由公式（10）表示。在此处，考虑|φ(x，z，t)|²是仅仅在波导160中的激光束的强度P(x，z，t)以及该强度P(x，z，t)在z轴方向的变化，从公式（10）中获得以下公式（23）。

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dz}}=\mathrm{gP}=\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{g}P}{E_{\mathrm{sat}}}}{g}_{0}P......\left(23\right)$

在此处，考虑τ_g和E_sat是常数，在P(x，z，t)→∞的情况下，在公式（23）中，g₀P(x,z,t)的系数部分是1/(1+τ_gP(x，z，t)/E_sat)，聚集成大约0.62。因此，在光密度S足够高时（在P(x,z,t)足够大时），满足以下公式（24）。

g≈0.62g₀......(24)

公式（24）显示了在光密度S足够高的情况下增益g仅仅比小信号增益g₀增大0.62倍。通过根据该关系，使用exp(0.062gL_A)代替在公式（22）中的exp(gL_A)，可获得考虑增益饱和的良好近似，如在以下公式（25）中所示。

$P_{\mathrm{out}}\left(x\right)\&ap;\frac{w_{\mathrm{in}}}{w_{\mathrm{out}}}\exp \left[0.62g{L}_A\right]P_{\mathrm{in}}\left(x\right)......\left(25\right)$

通过以上讨论，最后，人们发现，在SOA10中的入射光的强度P_in(x)与发射光的强度P_out(x)之间的关系可由公式（25）表示。在以下描述中，通过使用公式（25），显示在SOA10中波导160的锥度角θ、放大单元波导181的长度L_A以及放大单元电流密度J_A所期望的条件。

考虑在SOA10中的入射光的峰值功率(P_in(0))和发射光的峰值功率(P_out(0))，SOA10所期望的最小性能在于，峰值功率不减小，即，P_in(0)≤P_out(0)。在峰值功率的关系由公式（25）表示时，作为SOA10所期望的条件，可获得以下公式（26）。

$\frac{w_{\mathrm{in}}}{w_{\mathrm{out}}}\exp \left[0.62g{L}_A\right]\&le;1......\left(26\right)$

而且，通过参照图4B的波导160的几何关系，在锥度角θ、放大单元波导181的长度L_A、在放大单元波导181的入射侧上的波导宽度w_{out_dif}以及在放大单元波导181的发射侧上的波导宽度w_out之中，获得在以下公式（27）中所示的关系。在此处，通过将锥度角θ视为足够小，使用tanθ≈θ(rad)的近似化。

w_out＝w_{out_dif}+2L_Aθ......(27)

通过使用公式（26）和（27），可获得在与SOA10的波导160相关的参数之间的关系。具体而言，通过公式（26）和（27），根据放大单元波导181的长度L_A、放大单元波导181的截面面积（在二维空间内，在放大单元波导181的入射侧上的波导宽度w_{out_dif}以及在放大单元波导181的发射侧上的波导宽度w_out）以及在放大单元180中的激光束的强度的放大率exp(0.62gL_A)，可决定波导160的锥度角θ。

在图12中显示使用公式（26）和（27）的波导160的锥度角θ的计算结果。图12为示出用于设计在根据该实施方式的SOA10中的波导160的形状的参数的实例的表格。图12示出了使用公式（26）和（27）以及将在扩散单元波导171的入射侧上的波导宽度w_in、放大单元电流密度J_A、在放大单元波导181的入射侧上的波导宽度w_{out_dif}以及放大单元波导181的长度L_A用作参数的锥度角θ的最小值θ_min的计算结果，作为用于决定波导160的锥度角θ的方法的一个实例。要注意的是，在获得在图12中的值的情况下，通过公式（17），计算增益g的值。而且，通过在SOA10中的测量结果，设置B_g=10.8(cm/kA)以及J₀=2.0(kA/cm²)。

如在图12中所示，例如，通过改变作为参数的J_A、w_{out_dif}以及L_A的值，根据公式（26）和（27），可设计SOA10的波导160的形状所期望的条件。例如，根据图12，在J_A=4(kA/cm²)、w_{out_dif}=1.5(μm)以及L_A=0.35(cm)时，锥度角θ为0.82（度），并且放大率exp(0.62gL_A)可为100或以上。要注意的是，例如，在SOA10包含在各种激光光源系统中时，放大单元波导长度L_A对SOA10的整个尺寸具有影响，因此，可根据外围光学元件的设置决定该长度。

要注意的是，根据要放大的激光束的波长，基于衍射极限，可决定锥度角θ的最大值。在用于进行测试的SOA30中的激光束的上述强度分布测量中可见，如图7A和图7B中所示，对激光束的扩散具有限制，并且人们认为，光束宽度的增大的限制根据激光束的波长由衍射极限限定。因此，波导160和360的锥度角θ的最大值可小于或等于由衍射极限限定的角度。

上面已经描述了用于在SOA10中设计波导160的形状的方法。根据该方法，基于公式（26）和（27），可设计在SOA10中的波导160的形状。而且，通过使该方法与在上面<3-2、光学传播模拟>中描述的模拟技术相结合，可更有效地设计在SOA10中的波导160的形状。

要注意的是，通过假设波导160的厚度在y轴方向恒定，集中于在x-z平面上的各种物理量，已经进行了设计方法的以上描述。然而，该实施方式不限于该实例，并且以上描述可应用于三维空间中。例如，通过考虑在设计方法的描述中显示的公式中的y坐标，可在三维空间内建立一种相似的设计方法。而且，例如，波导160可不仅具有二维锥形形状，而且可具有三维锥形形状，即，圆锥形。在波导160具有圆锥形时，在以上描述中对光束宽度的研究用于光束直径中，从而可获得相同的结论。

<5、修改实例和应用实例>

在此处，描述根据该实施方式的SOA10的一个修改实例以及用于光学系统中的其一个实例。

<5-1、具有不同锥度角的结构>

首先，作为SOA10的一个修改实例，描述通过使在上面<3-2、光学传播模拟>中描述的模拟技术与在上面<4、设计SOA的方法>中描述的设计方法相结合从而获得的根据该实施方式的SOA的另一个结构实例。

参照图13，描述根据该修改实例的SOA的结构。图13为示出根据该实施方式的一个修改实例的SOA的结构的示意图。在图13中所示的根据该修改实例的SOA的堆叠结构与参照图4A描述的SOA10的堆叠结构相同；因此，下面不描述根据该修改实例的SOA的堆叠结构。而且，图13与图4B和图6对应，并且示意性显示了在从顶部方向观看时根据该修改实例的SOA的结构，其中，堆叠半导体层。通过虚线显示了波导。

参照图13，在根据该修改实例的用于进行测试的SOA20的结构元件之中，仅仅显示了n型覆盖层230和活性层210（波导260）。要注意的是，如上所述，由于SOA20具有与在图4A中所示的SOA10相同的堆叠结构，所以SOA20具有在图13中未显示的其他结构，例如，p型覆盖层、下部电极以及上部电极（包括扩散单元电极和放大单元电极）。如图13中所示，根据该实施方式的用于进行测试的SOA20包括扩散单元270和放大单元280。而且，将波导260分成包含在扩散单元270内的扩散单元波导271和包含在放大单元280内的放大单元波导281。而且，扩散单元波导271包括扩散单元波导271基本上恒定的笔直部分272以及扩散单元波导271的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大的具有锥形形状的锥形部分273。在此处，SOA20的功能和结构与SOA10的功能和结构相同，除了波导260（包括扩散单元波导271和放大单元波导281）的形状以外；因此，不详细描述相同的结构，并且下面主要描述差别。而且，通过使用表示在图4B中使用的尺寸的相同符号，描述SOA20的结构。

如图13中所示，根据该修改实例的SOA20与在图4A和4B中所示的SOA10对应，其中，w_out、w_{out_dif}、L、L_D、L_DS、L_DT、L_A以及θ的尺寸改变。具体而言，在SOA20中的尺寸如下：w_out≈150(μm)、w_{out_dif}≈40(μm)、L≈3000(μm)、L_D≈1500(μm)、L_DS≈1000(μm)、L_DT≈500(μm)、L_A≈1000(μm)以及θ≈2.1(度)。通过这种方式，SOA20与SOA10对应，其中，扩散单元波导271的锥度角θ增大。

上面参照图13，已经描述了根据该修改实例的SOA20的结构（尤其是波导260的形状）。为了确认具有这种形状的SOA20的性能，使用在上面<3-2、光学传播模拟>中描述的模拟技术，在SOA20上进行数值计算。在图14A到14C和15中显示了模拟结果。

图14A到14C均为轮廓图，其中，在x-z平面上绘制出通过模拟获得的SOA20的每个物理量，并且图14A到14C与显示在上面<3-3、光学传播模拟的结果>中描述的SOA10的模拟结果的以上图10A到10C对应。在图14A中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处的复数介电常数的实数部分中示出了根据该修改实例的SOA20的值。在图14B中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处的复数介电常数的虚数部分中示出了根据该修改实例的SOA20的值。在图14C中的轮廓图在通过模拟获得的各个坐标处示出了该修改实例的SOA20的光强度的值。图15为示出了在与图14C中所示的发射端对应的位置中在x轴方向的激光束的强度分布。要注意的是，在图14A到14C和图15中所示的结果是在与在图10A到10C和11中所示的SOA10的模拟相同的条件下进行模拟所获得的结果。

参照图14A，人们发现，在SOA20的放大单元280中，在复数介电常数的实数部分中的值（即，表示波导260的介质的折射率的指数）在x轴中的波导260的中心附近变得更大，并且在波导260与其他外围层之间的界限附近变得更小，与在图10A中所示的SOA10的结果相同。同时，参照图14B，人们发现，在SOA20的放大单元280中，在复数介电常数的虚数部分中的值（即，表示波导260的介质的放大率的指数）在x轴中的波导260的中心附近变得更小，并且在波导260与其他外围层之间的界限附近变得更大，与在图10B中所示的SOA10的结果相同。而且，参照图14C，人们发现，在SOA20的放大单元280中的光的强度分布中，具有高强度的区域不集中在x轴中的波导260的中心附近，并且具有基本上相同的强度的区域在x轴方向扩散，与在图10C中所示的SOA10的结果不同。这些结果表示，在SOA20的放大单元280中，通过使锥度角θ大于在SOA10中的锥度角，扩散激光束的效应更加明显。

图15示出了在与图14C中所示的发射端对应的位置在x轴方向的激光束的强度分布。在图15中，示图的形式（由垂直轴和水平轴表示的物理量、光束宽度的定义等）与在图11中的形式相同；因此，不详细对其进行描述。参照图15，通过模拟获得的在SOA20的发射端的光束宽度大约为135(μm)。这些值表明，通过增大锥度角θ，进一步抑制光束宽度变窄。而且，在计算SOA20的放大率exp(0.62gL_A)时，获得135的高值，作为放大率。

上面参照图14A到14C和15，描述了在根据该修改实例的SOA20的波导260中的光的性能。如上所述，在根据该修改实例的SOA20中，将波导260的锥度角θ设为比在根据该实施方式的SOA10中的锥度角更大。因此，激光束可进一步在扩散单元270中扩散，并且甚至在放大单元280中放大激光束时，可进一步抑制光束宽度变窄。

<5-2、应用于MOPA>

接下来，描述根据该实施方式的上述SOA10和20用于光学系统中的一个应用实例。要注意的是，虽然通过将根据该实施方式的SOA10作为一个实例来进行应用实例的以下描述，但是该应用实例不限于该实例。只要SOA是根据该实施方式的SOA，应用实例就还可用于具有另一种结构的SOA中。

参照图16，描述主振荡功率放大器（MOPA）系统，作为应用SOA10的光学系统的一个实例。MOPA系统表示一种系统，其中，半导体激光作为外部谐振器进行操作的锁模激光二极管（MLLD）用作主激光器，用于通过半导体光学放大器（SOA）来放大锁模激光二极管的功率。

图16为示出包括根据该实施方式的SOA10的MOPA系统的一个结构实例的示意图。参照图16，MOPA系统50包括锁模振荡器510、透镜520a、520b以及520c、隔离器530、棱镜对540、λ/2板550以及根据该实施方式的SOA10。要注意的是，在图16中，作为MOPA系统50的一个实例，显示了输出蓝色脉冲激光束的MOPA系统50的结构。然而，根据该实施方式的MOPA系统50不限于输出蓝色脉冲激光束的MOPA系统，并且可输出其他波长带的脉冲激光束。而且，在MOPA系统50输出其他波长带的脉冲激光束的情况下，根据输出的脉冲激光束的波长带，可适当调节包含在MOPA系统50中的结构元件的光学性能。

锁模振荡器510通过振荡结构振荡发射具有预定波长的光的半导体激光的输出，从而发射脉冲激光束。锁模振荡器510包括激光二极管511、准直透镜512、带通滤波器（BPF）513以及输出镜514。

激光二极管511例如为将GaInN用作主要材料来形成的对分激光二极管（BS-LD）。而且，激光二极管511用作以上MLLD，并且例如，可发射波长带从大约350nm到大约500nm的脉冲激光束。

从激光二极管511中发射的脉冲激光束穿过准直透镜512、带通滤波器513以及输出镜514，以从锁模振荡器510中发射。要注意的是，例如，从锁模振荡器510中发射的脉冲激光束的波长由带通滤波器513调节为大约405nm。

从激光二极管511中发射的脉冲激光束按照这种顺序穿过在后一级中提供的透镜520a、隔离器530、棱镜对540、λ/2板550以及透镜520b，以便在根据该实施方式的SOA10上入射。λ/2板550调节脉冲激光束的偏振方向。而且，通过穿过棱镜对540，在SOA10上入射的脉冲激光束具有更高的耦合效率。通过透镜520c，在外面输出由SOA10放大的脉冲激光束。

上面参照图16，已经描述了MOPA系统50的结构实例，作为可应用根据该实施方式的SOA10的光学系统的实例。根据该实施方式的SOA10用于MOPA系统50中，能够放大脉冲激光束的强度，抑制该脉冲激光束的光束宽度变窄。因此，能够获得脉冲激光束，作为从MOPA系统50中输出的光，该脉冲激光束的强度更稳定地放大为高值。因此，MOPA系统50具有更高的性能。

虽然通过将MOPA系统50作为应用根据该实施方式的SOA10的光学系统的实例，已经进行了以上描述，但是应用根据该实施方式的SOA10的光学系统不限于该实例。根据该实施方式的SOA10可用于各种已知的光学系统中，这些光学系统具有放大激光束的强度的功能。

<6、结论>

如上所述，根据该实施方式，可获得以下效应。

通过根据该实施方式的SOA10和20，扩散单元170和270扩散激光束，然后，放大单元180和280放大激光束的强度。因此，例如，甚至在激光束的峰值功率放大为与现有SOA910基本上相同的水平时，根据该实施方式的SOA10和20可进一步抑制激光束的宽度变窄。通过这种方式，根据该实施方式的SOA10和20能够更稳定地放大激光束的强度。

而且，研制了涉及载流子引起的折射率变化的新型光学传播模拟技术。该模拟技术可将在根据该实施方式的SOA10和20的波导160和260中的激光束的性能可视化。而且，使用模拟技术进行的分析产生了光密度S对波导160和260的折射率的变化具有很大影响这一认识。

鉴于该认识，现有SOA910被视为具有一种结构，其中，一体地形成扩散单元和放大单元。因此，在光密度减小以便抑制聚集现象时，不能获得充足的放大率，并且在放大率增大时，不能抑制聚集现象，这是因为光密度增大。即，通过现有SOA910，难以实现高放大率和抑制光束宽度变窄。相反，在根据该实施方式的SOA10和20中，将波导160和260分成扩散单元170和270以及放大单元180和280。在扩散单元170和270中，控制扩散单元电流密度J_D，以便激光束的强度不放大。因此，在扩散单元170和270中的光强度S保持较低，并且抑制扩散单元170和270的折射率的变化，即，聚集现象（光束宽度变窄）。因此，激光束在扩散单元170和270中有效地扩散。

而且，描述用于在根据该实施方式的SOA10和20中的波导160和260的形状的设计方法。设计方法能够设计根据该实施方式的具有另一种结构的SOA。例如，使用设计方法，根据放大单元波导181和281的长度L_A、放大单元波导181和281的截面面积（在二维空间内，在放大单元波导181和281的入射侧上的波导宽度w_{out_dif}以及在放大单元波导181和281的发射侧上的波导宽度w_out）以及在放大单元180和280中的激光束的强度的放大率exp(0.62gL_A)，能够决定波导160和260的锥度角θ。

而且，通过使模拟技术和根据该实施方式的设计方法相结合，能够更有效地设计根据该实施方式的具有另一种结构的SOA。

虽然参照附图，详细描述本公开的优选实施方式，但是本公开的技术范围不限于此。本领域的技术人员应理解的是，只要在所附权利要求或其等同物的范围内，根据设计要求和其他因素，可进行各种修改、组合、次组合以及变更。

例如，虽然以上实施方式显示了放大蓝色激光束（例如，波长带从大约350nm到大约500nm的激光束）的SOA的功能和结构，但是本技术不限于该实例。例如，由根据该实施方式的SOA放大的激光束的波长可具有除了上述蓝色带以外的任何波长带。在这种情况下，可适当选择和调节SOA的结构元件，以便根据要放大的激光束的波长带，具有光学性能。

而且，通过假设波导160和260的厚度在y轴方向恒定，集中于在x-z平面上的物理量，来描述实施方式。然而，该实施方式不限于该实例，并且可用于三维空间中。例如，在该实施方式中，波导160和260可不仅具有二维锥形形状，而且可具有三维锥形形状，即，圆锥形。而且，例如，通过在<3-2、光学传播模拟>和<4、设计SOA的方法>中所示的公式中考虑y坐标，可在三维空间内建立一种相似的模拟技术和一种相似的设计方法。在该实施方式用于三维空间时，在该实施方式中的光束宽度的描述可用于光束直径，并且在三维空间内，在该实施方式中可获得与在二维空间内的实施方式相同的结果和效应。

此外，还可如下配置本技术。

（1）一种光学放大器，包括：

扩散单元，被配置为由第一电流密度驱动并且增大穿过引导激光束的第一波导的入射激光束的光束直径；以及

放大单元，被配置为由比所述第一电流密度更高的第二电流密度驱动并且放大穿过引导激光束的第二波导的激光束的强度，所述激光束的光束直径已经由所述扩散单元增大，

其中，所述扩散单元的第一波导具有锥形，其中，所述第一波导的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大。

（2）根据（1）所述的光学放大器，

其中，所述放大单元的第二波导的截面面积比所述扩散单元的第一波导的截面面积更大。

（3）根据（1）或（2）所述的光学放大器，

其中，所述放大单元的第二波导具有锥形，其中，所述第二波导的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大。

（4）根据（1）到（3）中任一项所述的光学放大器，

其中，所述第一波导和所述第二波导均相对于与激光束的行进方向垂直的第一方向具有恒定的厚度，

其中，所述扩散单元的第一波导在与第一方向相交的平面上具有锥形，并且

其中，所述扩散单元增大在与激光束的行进方向垂直并且与第一方向垂直的第二方向穿过第一波导的激光束的光束宽度。

（5）根据（1）到（4）中任一项所述的光学放大器，

其中，根据所述放大单元的第二波导的长度、所述放大单元的第二波导的截面面积以及在所述放大单元中的激光束的强度的放大率，决定所述扩散单元的第一波导的具有锥形形状的锥度角。

（6）根据（1）到（5）中任一项所述的光学放大器，

其中，所述扩散单元的第一波导的具有锥形形状的锥度角大于0°并且小于或等于由激光束的衍射极限限定的角度。

（7）根据（5）所述的光学放大器，

其中，所述放大率是从光学放大器中发射的光的强度与在光学放大器上的光的强度的比率。

（8）根据（1）到（7）中任一项所述的光学放大器，

其中，通过在所述扩散单元中不放大激光束的强度的方式，由第一电流密度驱动所述扩散单元。

（9）根据（1）到（8）中任一项所述的光学放大器，

其中，所述第一电流密度小于或等于3kA/cm²。

（10）根据（1）到（9）中任一项所述的光学放大器，

其中，所述激光束具有从350nm到500nm的波长。

（11）根据（1）到（10）中任一项所述的光学放大器，

其中，所述第一波导和所述第二波导均包含主要包含GaInN的材料。

（12）一种光学放大方法，包括：

通过将第一电流密度施加至引导入射激光束的第一波导中，来增大穿过所述第一波导的所述激光束的光束直径；以及

通过将高于所述第一电流密度的第二电流密度施加至引导光束直径已经被增大的激光束的第二波导中，来放大穿过所述第二波导的激光束的强度，

其中，所述第一波导具有锥形，其中，所述第一波导的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大。

Claims (13)

1.一种光学放大器，包括：

扩散单元，被配置为由第一电流密度驱动并且增大穿过引导入射激光束的第一波导的所述入射激光束的光束直径；以及

放大单元，被配置为由高于所述第一电流密度的第二电流密度驱动并且放大穿过引导光束直径已经由所述扩散单元增大的激光束的第二波导的激光束的强度，

其中，所述扩散单元的所述第一波导具有锥形，在所述锥形中，所述第一波导的截面面积朝着所述激光束的行进方向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的光学放大器，

其中，所述放大单元的所述第二波导的截面面积大于所述扩散单元的所述第一波导的截面面积。

3.根据权利要求2所述的光学放大器，

其中，所述放大单元的所述第二波导具有锥形，其中，所述第二波导的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的光学放大器，

其中，所述第一波导和所述第二波导均相对于与激光束的行进方向垂直的第一方向具有不变的厚度，

其中，所述扩散单元的所述第一波导在与所述第一方向相交的平面上具有所述锥形，并且

其中，所述扩散单元增大穿过所述第一波导的激光束在与激光束的行进方向垂直并且与所述第一方向垂直的第二方向上的光束宽度。

5.根据权利要求1所述的光学放大器，

其中，根据所述放大单元的所述第二波导的长度、所述放大单元的所述第二波导的截面面积以及在所述放大单元中的激光束的强度的放大率，确定所述扩散单元的所述第一波导的所述锥形中的锥度角。

6.根据权利要求5所述的光学放大器，

其中，所述扩散单元的所述第一波导的所述锥形中的锥度角大于0°并且小于或等于由激光束的衍射极限限定的角度。

7.根据权利要求5所述的光学放大器，

其中，所述放大率是从所述光学放大器中发射的光的强度与在所述光学放大器上的光的强度的比。

8.根据权利要求1所述的光学放大器，

其中，通过在所述扩散单元中不放大激光束的强度的方式，由所述第一电流密度驱动所述扩散单元。

9.根据权利要求8所述的光学放大器，

其中，所述第一电流密度小于或等于3kA/cm²。

10.根据权利要求1所述的光学放大器，

其中，所述激光束具有从350nm到500nm的波长。

11.根据权利要求1所述的光学放大器，

其中，所述第一波导和所述第二波导均包括主要包含GaInN的材料。

12.根据权利要求1所述的光学放大器，

其中，所述光学放大器还包括分别位于所述扩散单元和所述放大单元上的扩散单元上部电极和放大单元上部电极，所述第一电流密度由提供给所述扩散单元上部电极的电流控制，并且所述第二电流密度由提供给所述放大单元上部电极的电流控制。

13.一种光学放大方法，包括：

通过将第一电流密度施加至引导入射激光束的第一波导中，来增大穿过所述第一波导的所述入射激光束的光束直径；以及

通过将高于所述第一电流密度的第二电流密度施加至引导光束直径已经被增大的激光束的第二波导中，来放大穿过所述第二波导的激光束的强度，

其中，所述第一波导具有锥形，其中，所述第一波导的截面面积朝着激光束的行进方向逐渐增大。