(57)【要約】【課題】ビーム幅の狭化をより抑制することを可能とする。【解決手段】第１の電流密度で駆動し、入射したレーザ光を導波する第１の導波路を通過する前記レーザ光のビーム径を広げる拡散部と、前記第１の電流密度よりも大きい第２の電流密度で駆動し、前記拡散部によってビーム径を広げられた前記レーザ光を導波する第２の導波路を通過する前記レーザ光の強度を増幅する増幅部と、を備え、前記拡散部の前記第１の導波路は、前記第１の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、光増幅器を提供する。【選択図】図４Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電流密度で駆動し、入射したレーザ光を導波する第１の導波路を通過する前記レーザ光のビーム径を広げる拡散部と、
前記第１の電流密度よりも大きい第２の電流密度で駆動し、前記拡散部によってビーム径を広げられた前記レーザ光を導波する第２の導波路を通過する前記レーザ光の強度を増幅する増幅部と、
を備え、
前記拡散部の前記第１の導波路は、前記第１の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、光増幅器。
【請求項２】
前記増幅部の前記第２の導波路の断面積は、前記拡散部の前記第１の導波路の断面積よりも大きい、
請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記増幅部の前記第２の導波路は、前記第２の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、
請求項２に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、前記レーザ光の進行方向と垂直な第１の方向に対して一定の厚さを有し、
前記拡散部の前記第１の導波路は、前記第１の方向と直交する平面内において前記テーパ形状を有し、
前記拡散部は、前記第１の導波路を通過する前記レーザ光の、前記レーザ光の進行方向及び前記第１の方向と互いに垂直な第２の方向におけるビーム幅を広げる、
請求項１に記載の光増幅器。
【請求項５】
前記拡散部の前記第１の導波路の前記テーパ形状におけるテーパ角は、前記増幅部の前記第２の導波路の長さ、前記増幅部の前記第２の導波路の断面積及び前記増幅部における前記レーザ光の強度の増幅率に基づいて決定される、
請求項１に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記拡散部の前記第１の導波路の前記テーパ形状におけるテーパ角は、０度よりも大きく、かつ、前記レーザ光の回折限界によって定まる角度以下である、
請求項５に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記増幅率は、前記光増幅器への入射光の強度に対する前記光増幅器からの出射光の強度の比率である、
請求項５に記載の光増幅器。
【請求項８】
前記拡散部は、前記第１の電流密度によって、前記拡散部において前記レーザ光の強度を増幅させないように駆動される、
請求項１に記載の光増幅器。
【請求項９】
前記第１の電流密度は、３ｋＡ／ｃｍ２以下である、
請求項８に記載の光増幅器。
【請求項１０】
前記レーザ光は、３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長を有する、
請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１１】
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、ＧａＩｎＮを主成分とする材質によって形成される、
請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１２】
入射したレーザ光を導波する第１の導波路に第１の電流密度を与えることにより、前記第１の導波路を通過する前記レーザ光のビーム径を広げることと、
ビーム径を広げられた前記レーザ光を導波する第２の導波路に、前記第１の電流密度よりも大きい第２の電流密度を与えることにより、前記第２の導波路を通過する前記レーザ光の強度を増幅することと、
を含み、
前記第１の導波路は、前記第１の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、光増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光増幅器及び光増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光工学の分野においてレーザ光の強度を増幅するためのデバイスとして、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が注目されている。ＳＯＡは、レーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）と類似する構成を有するデバイスであり、所定の電流が印加され反転分布状態になっている半導体層にレーザ光を入射させることにより、当該半導体層において誘導放出を引き起こし、レーザ光の強度を増幅させる。
【０００３】
近年、その性能向上を目標として、様々な構成のＳＯＡが開発されている。例えば、非特許文献１には、パルス発振のレーザ光（パルスレーザ光）を増幅するＳＯＡであって、電流を印加するための電極を２つに分離し、これら２つの電極に互いに異なる値を有する電流を印加することにより、前段の電極に対応する領域においてパルスレーザ光のパルス周波数を調整し、後段の電極に対応する領域においてパルスレーザ光の強度の増幅を行うＳＯＡが開示されている。
【０００４】
一方、レーザ光を用いた光記録分野においては、例えばピーク強度が１００Ｗ程度の比較的高出力のレーザ光が求められる。従って、例えば波長が約４０５（ｎｍ）の青色帯域のレーザ光を対象として、このような比較的高出力なレーザ光をより安定的に出射することを目的としたＳＯＡの開発が行われている。例えば、特許文献１には、ＳＯＡを有する光源装置であって、当該ＳＯＡの導波路の断面積を調整するとともに、ＳＯＡの前段に入射するレーザ光（入射光）の倍率を変換する構成を設けることにより、最終的に出力されるレーザ光を単峰化し、かつそのピーク位置の変動を抑制することが可能な光源装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２４８７４５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊａｎ  Ｃ．  Ｂａｌｚｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｗｅｓｔ  ２０１２，  ＵＳＡ，  Ｐａｐｅｒ  ８２７７−３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、レーザ光を用いた光イメージング分野においては、レーザ光の強度として、上述した１００Ｗ程度よりも更に高いピーク強度を有するレーザ光が求められる。しかしながら、上記の特許文献１の構成においてピーク強度を高めていくと、ＳＯＡの出射端において、水平面内におけるレーザ光の幅（ビーム幅）が、対応する導波路の幅よりも狭くなる（狭化する）現象が認められた。ＳＯＡの出射端においてこのようなビーム幅の狭化が生じると、光学損傷（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ）や光増幅の効率（光増幅率）の低下等の不具合が引き起こされる恐れがある。
【０００８】
上記のような事情から、ＳＯＡにおいては、出射するレーザ光（出射光）のピーク強度をより高めつつ、ビーム幅の狭化を抑制することが求められていた。そこで、本開示では、ビーム幅の狭化をより抑制することが可能な、新規かつ改良された光増幅器及び光増幅方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示によれば、第１の電流密度で駆動し、入射したレーザ光を導波する第１の導波路を通過する前記レーザ光のビーム径を広げる拡散部と、前記第１の電流密度よりも大きい第２の電流密度で駆動し、前記拡散部によってビーム径を広げられた前記レーザ光を導波する第２の導波路を通過する前記レーザ光の強度を増幅する増幅部と、を備え、前記拡散部の前記第１の導波路は、前記第１の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、光増幅器が提供される。
【００１０】
また、本開示によれば、入射したレーザ光を導波する第１の導波路に第１の電流密度を与えることにより、前記第１の導波路を通過する前記レーザ光のビーム径を広げることと、ビーム径を広げられた前記レーザ光を導波する第２の導波路に、前記第１の電流密度よりも大きい第２の電流密度を与えることにより、前記第２の導波路を通過する前記レーザ光の強度を増幅することと、を含み、前記第１の導波路は、前記第１の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、光増幅方法が提供される。
【００１１】
本開示によれば、拡散部によってレーザ光のビーム径が広げられ、増幅部によって当該拡散部によってビーム径が広げられたレーザ光の強度が増幅される。よって、ビーム幅の狭化がより抑制される。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本開示によれば、ビーム幅の狭化をより抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】既存のＳＯＡの一構成例を模式的に示す概略図である。
【図１Ｂ】既存のＳＯＡの一構成例を模式的に示す概略図である。
【図２】既存のＳＯＡにおける活性層の電流密度と出射光のピーク強度との関係を示すグラフである。
【図３Ａ】図２に示すＡ点に対応する、既存のＳＯＡの出射光の強度分布を示すグラフである。
【図３Ｂ】図２に示すＢ点に対応する、既存のＳＯＡの出射光の強度分布を示すグラフである。
【図４Ａ】本開示の一実施形態に係るＳＯＡの一構成例を模式的に示す概略図である。
【図４Ｂ】本開示の一実施形態に係るＳＯＡの一構成例を模式的に示す概略図である。
【図５】ＳＯＡ１０の出射光の強度分布を示すグラフである。
【図６】テスト用ＳＯＡの構成を模式的に示す概略図である。
【図７Ａ】テスト用ＳＯＡの出射光の強度分布を示すグラフである。
【図７Ｂ】テスト用ＳＯＡの出射光の強度分布を示すグラフである。
【図８Ａ】テスト用ＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の実数部の値を示す等高線図である。
【図８Ｂ】テスト用ＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の虚数部の値を示す等高線図である。
【図８Ｃ】テスト用ＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における光強度の値を示す等高線図である。
【図９】図８Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示すグラフである。
【図１０Ａ】本実施形態に係るＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の実数部の値を示す等高線図である。
【図１０Ｂ】本実施形態に係るＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の虚数部の値を示す等高線図である。
【図１０Ｃ】本実施形態に係るＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における光強度の値を示す等高線図である。
【図１１】図１０Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示すグラフである。
【図１２】本実施形態に係るＳＯＡにおける導波路の形状を設計するためのパラメータの一例を示す表である。
【図１３】本実施形態の一変形例に係るＳＯＡの構成を模式的に示す概略図である。
【図１４Ａ】本変形例に係るＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の実数部の値を示す等高線図である。
【図１４Ｂ】本変形例に係るＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の虚数部の値を示す等高線図である。
【図１４Ｃ】本変形例に係るＳＯＡについて、シミュレーションから得られた各座標における光強度の値を示す等高線図である。
【図１５】図１４Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示すグラフである。
【図１６】本実施形態に係るＳＯＡを備えるＭＯＰＡシステムの一構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１５】
なお、以下に示す図面においては、本実施形態についての理解を容易にするために、一部の構成部材の大きさを誇張して図示したり、各構成部材間の大小関係を実際の比率とは異なる比率で図示したりしている。従って、以下に示す図面における各構成部材の幾何的な大きさや縦横の比率等は、必ずしも実際の構造を厳密に縮小又は拡大して図示したものではない。
【００１６】
また、説明は以下の順序で行うものとする。
１．既存のＳＯＡについての検討
２．本開示の実施形態
３．本実施形態に係るＳＯＡについての考察
３−１．テスト用ＳＯＡについて
３−２．光伝搬シミュレーションについて
３−３．光伝搬シミュレーションの結果
４．ＳＯＡの設計手法
４−１．透明媒体で形成された導波路における拡散
４−２．増幅媒体で形成された導波路における拡散
４−３．増幅媒体で形成されたテーパ形状の導波路における拡散
５．変形例及び適用例
５−１．異なるテーパ角を有する構成
５−２．ＭＯＰＡへの適用
６．まとめ
【００１７】
＜１．既存のＳＯＡについての検討＞
本開示の好適な実施形態について説明するに先立ち、本開示の内容をより明確なものとするために、まず、既存の光増幅器の構成について説明する。ここでは、既存の光増幅器について本発明者らが検討した結果について説明するとともに、本発明者らが本開示に至った背景について説明する。
【００１８】
図１Ａ及び図１Ｂを参照して、既存の光増幅器の一構成例として、既存の半導体光増幅器（ＳＯＡ）の一構成例について説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、既存のＳＯＡの一構成例を模式的に示す概略図である。なお、図１Ａは、既存のＳＯＡを、レーザ光の光路に沿った平面であり、半導体層の積層方向に沿った平面で切断した場合の断面図を模式的に示しており、図１Ｂは、既存のＳＯＡを、半導体層の積層方向における直上方向から見た場合の構成を模式的に示している。ここで、図１Ａ及び図１Ｂに示すＳＯＡは、例えば上記特許文献１に記載のＳＯＡに対応している。なお、以下の説明では、ＳＯＡにおいてレーザ光が入射する方向をｚ軸の負方向とし、ＳＯＡにおいてレーザ光が出射する方向をｚ軸の正方向としてｚ軸を定義するものとする。図１Ａであれば、紙面に向かって左方向がｚ軸の負方向であり、紙面に向かって右方向がｚ軸の正方向に対応している。また、ＳＯＡの構成部材間の位置関係を説明するために、ＳＯＡを通過するレーザ光の進行方向（すなわちｚ軸方向）について、より上流側のことを前段、より下流側のことを後段とも呼称する。
【００１９】
図１Ａを参照すると、ＳＯＡ９１０は、活性層９１１をｐ型クラッド層９１２及びｎ型クラッド層９１３で挟んだ積層構造を有する。なお、図１Ａでは明示しないが、ｎ型クラッド層９１３、活性層９１１及びｐ型クラッド層９１２の各層は、Ｓｉ基板等の各種の基板上に積層されてもよい。なお、活性層９１１、ｐ型クラッド層９１２及びｎ型クラッド層９１３の主原料は、ＳＯＡ９１０が増幅するレーザ光の波長に応じて、適宜選択され得る。例えば、活性層９１１、ｐ型クラッド層９１２及びｎ型クラッド層９１３の主原料としては、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮ及び／又はＡｌＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体が主に用いられる。例えば、ＳＯＡ９１０への入射光が青色のレーザ光（例えば、波長帯域が約３５０ｎｍ〜約５００ｎｍのレーザ光）である場合、活性層９１１、ｐ型クラッド層９１２及びｎ型クラッド層９１３としては、ＧａＩｎＮを主成分とする化合物半導体が用いられてよい。
【００２０】
ｐ型クラッド層９１２の積層方向における上面には上部電極９１４が設けられる。また、ｎ型クラッド層９１３の積層方向における下面には下部電極９１５が設けられる。また、ＳＯＡ９１０においてレーザ光が入射する端面（入射端、図１Ａに示すｚ軸の正方向の端面）及びレーザ光を出射する端面（出射端、図１Ａに示すｚ軸の正方向の端面）のうち、少なくとも活性層９１１の端面に対応する領域には、当該端面でのレーザ光の反射を抑制するためのＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング（図示しない。）が施されている。
【００２１】
なお、以下の説明では、ＳＯＡ９１０について、図１Ａに示すように、ｎ型クラッド層９１３、活性層９１１及びｐ型クラッド層９１２が積層される方向をｙ軸の正方向と定義し、ｙ軸方向のことを縦方向とも呼称する。また、ｙ軸及びｚ軸と互いに垂直な方向をｘ軸と定義し、ｘ軸方向のことを左右方向とも呼称する。なお、ＳＯＡ９１０からレーザ光が出射される方向（ｚ軸の正方向）を見たときの左右方向のうち左方向をｘ軸の正方向と定義する。
【００２２】
ＳＯＡ９１０によってレーザ光を増幅する際には、下部電極９１５を一定電位（例えばグラウンド）に保った状態で、上部電極９１４に所定の電流Ｉ１を印加することにより、活性層９１１内に所定の電流密度を生じさせ、いわゆる反転分布状態を発生させる。この状態で、活性層９１１にレーザ光を入射することにより、活性層９１１内で誘導放出が起こり、入射したレーザ光の強度が増幅される。このように、ＳＯＡ９１０においては、活性層９１１は、レーザ光の強度を増幅しながら当該レーザ光を入射端から出射端まで導光する導波路の役割を果たす。ここで、図１Ａに示す活性層９１１の左右方向には、例えば各種の材質によって形成される絶縁体層（図示せず。）が更に設けられており、活性層９１１は、上下のｐ型クラッド層９１２及びｎ型クラッド層９１３並びに左右の当該絶縁体層によって、ｘ軸とｙ軸とで規定される平面（ｘ−ｙ平面）における断面の形状が調整されている。このように、活性層９１１と、光ガイド層とも呼ぶべきｐ型クラッド層９１２、ｎ型クラッド層９１３及び周囲の当該絶縁体層と、によって、導波路が形成される。なお、以下の説明では、特に記載がない限り、ＳＯＡにおける導波路とは、当該活性層のことを示すこととする。また、以下の説明では、特に記載がない限り、ＳＯＡにおける導波路の断面とは、当該活性層のｘ−ｙ平面における断面のことを示すこととする。
【００２３】
図１Ｂを参照して、ＳＯＡ９１０の導波路９１６の形状について説明する。図１Ｂは、既存のＳＯＡ９１０をｙ軸の正方向から見た様子を模式的に示す図である。ただし、図１Ｂでは、導波路９１６の形状について説明するために、ＳＯＡ９１０の構成部材のうちｎ型クラッド層９１３及び活性層９１１（すなわち導波路９１６）のみを図示している。更に、図１Ｂでは活性層９１１（導波路９１６）をハッチングで図示している。なお、図１Ｂに示す例では、活性層９１１（導波路９１６）は、ｙ軸方向に対して一定の厚さで積層されているものとする。よって、以下の説明においては、特に記載がない限り、導波路９１６の形状とは、ｘ軸とｚ軸とで規定される平面（ｘ−ｚ平面）における導波路９１６の形状を示すこととする。
【００２４】
図１Ｂを参照すると、ＳＯＡ９１０における導波路９１６は、入射端から出射端に向かうにつれてその断面積が徐々に大きくなる、テーパ形状を有する。入射端の断面における導波路９１６のｘ軸方向の長さ（以下、導波路の幅、導波路幅とも呼称する。）は例えば約９μｍであり、出射端の断面における導波路９１６の幅は例えば約１２μｍである。また、ＳＯＡ９１０のｚ軸方向の長さ（以下、導波路の長さ、導波路長とも呼称する。）は、例えば約２０００μｍである。
【００２５】
本発明者らは、既存のＳＯＡの性能を確認するために、図１Ａ及び図１Ｂに示したＳＯＡ９１０について、印加電流Ｉ１の値を変化させながら、出射光の強度分布を測定した。図２、図３Ａ及び図３Ｂに、ＳＯＡ９１０についての測定結果を示す。なお、以下の説明は、レーザ光におけるｘ軸方向の幅のことを、レーザ光のビーム幅と呼称する。より具体的には、レーザ光のｘ軸方向における強度分布が示されている場合には、レーザ光の強度がピーク強度の１／ｅ２（１３．５％）となる点でのレーザ光の幅のことをレーザ光のビーム幅と呼称する。ただし、図３Ａ及び図３Ｂ並びに後述する図５、図７Ａ及び図７Ｂにおいて、測定値として示すビーム幅の具体的な値は出射端におけるビーム幅の値であり、自然放射増幅光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）における出射光の強度分布から読み取ったビーム幅の値と出射端での導波路幅との比率に基づいて、測定された強度分布の１／ｅ２でのビーム幅の値を出射端でのビーム幅に換算した値である。なお、図２、図３Ａ及び図３Ｂに示す結果は、レーザ光の波長が約４０５ｎｍである場合の結果である。
【００２６】
図２は、既存のＳＯＡ９１０における活性層９１１の電流密度と出射光のピーク強度との関係を示すグラフである。図２では、横軸に活性層９１１における電流密度（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ（ｋＡ／ｃｍ２））を取り、縦軸にＳＯＡ９１０の出射光のピーク強度（Ｐｅａｋ  Ｐｏｗｅｒ（Ｗ））を取り、印加電流Ｉ１の値を変化させたときの両者の関係をプロットしている。図２を参照すると、活性層９１１の電流密度が大きくなるほど、比例的にピーク強度も大きくなっていることが分かる。つまり、印加電流Ｉ１の値を大きくして活性層９１１の電流密度を大きくすることにより、ＳＯＡ９１０におけるレーザ光の強度の増幅率が増加し、より大きいピーク強度を有するレーザ光を出射することができることを示している。
【００２７】
一方、図３Ａ及び図３Ｂは、図２に示すＡ点及びＢ点にそれぞれ対応する、既存のＳＯＡ９１０の出射光の強度分布を示すグラフである。図３Ａ及び図３Ｂでは、横軸にｘ軸の距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ（μｍ））を取り、縦軸に正規化されたＳＯＡ９１０の出射光の強度を取り、ＳＯＡ９１０の出射光のｘ軸方向における強度分布をプロットしている。なお、図３Ａ及び図３Ｂでは、ビーム幅を示すために、出射光の強度がピーク強度の１３．５％となる高さに破線を付している。
【００２８】
図３Ａを参照すると、図２におけるＡ点では、電流密度Ｊ＝３．８（ｋＡ／ｃｍ２）であり、このとき、出射光のピーク強度は５４．５（Ｗ）、出射端でのビーム幅は１０．７（μｍ）であった。また、図３Ｂを参照すると、図２におけるＢ点では、電流密度Ｊ＝６．７（ｋＡ／ｃｍ２）であり、このとき、出射光のピーク強度は１４５（Ｗ）、出射端でのビーム幅は７．６（μｍ）であった。
【００２９】
図３Ａ及び図３Ｂに示す結果から、既存ＳＯＡ９１０では、活性層９１１の電流密度を増加させることによってピーク強度を増幅することができるが、ビーム幅の狭化が起こってしまうことが分かる。例えば、図３Ｂに示す条件では、出射端でのビーム幅は７．６（μｍ）であり、出射端での導波路９１６の幅（約１２μｍ）どころか、入射端での導波路９１６の幅（約９μｍ）よりも狭くなってしまっていることが分かる。このようなビーム幅の狭化は、光の強度に応じて活性層９１１の媒体の屈折率が変化し、レーザ光が収束（集束）されること（収束現象（集束現象））によって生じると考えられる。なお、収束現象については、下記＜３．本実施形態に係るＳＯＡについての考察＞で詳しく説明する。
【００３０】
また、図３Ｂに示す結果から、既存のＳＯＡ９１０では、たとえ図１Ｂに示すテーパ形状のテーパ角をより大きくしたとしても、ビーム幅が広がることはないと考えられる。従って、ＳＯＡ９１０において、ピーク強度をより増幅するために、図３Ｂに示す条件（Ｊ＝６．７（ｋＡ／ｃｍ２））よりも更に電流密度を増加させていくと、ビーム幅の狭化がより顕著になり、増幅率の低下やＣＯＤ等の問題が顕在化していくことが予想される。このように、既存の構造を有するＳＯＡ９１０では、レーザ光の強度を増幅することに限界があると考えられる。
【００３１】
以上、図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、既存の光増幅器の一例として、ＳＯＡ９１０の構成及び性能について説明した。以上説明したように、既存の構造を有するＳＯＡ９１０では、ピーク強度を増幅させていくにつれてビーム幅が狭化してしまうため、例えば１５０Ｗ程度以上のピーク強度を有するレーザ光を安定的に出射することは難しい。しかしながら、レーザイメージングのような比較的高出力のレーザ光を必要とする分野では、例えば３００Ｗ程度以上のピーク強度を有するレーザ光が求められることがある。既存のＳＯＡ９１０では、このような高い強度にまでレーザ光のピーク強度を増幅したいという要望に応えることは困難であるといえる。
【００３２】
本発明者らは、以上の検討結果に基づいて、出射光のピーク強度をより高めつつ、ビーム幅の狭化を抑制することが可能な光増幅器について検討した結果、以下に示す本開示の一実施形態に係る半導体光増幅器（ＳＯＡ）に想到した。以下では、以上の検討から本発明者らが想到した光増幅器について、その好適な実施形態について具体的に説明する。なお、以下に示す実施形態では、青色のレーザ光（例えば、波長帯域が約３５０ｎｍ〜約５００ｎｍのレーザ光）、特に波長が約４０５（ｎｍ）のレーザ光に対応するＳＯＡの一構成例について説明する。ただし、本実施形態に係るＳＯＡはかかる例に限定されず、その他の波長領域を有するレーザ光に対しても適用可能である。
【００３３】
＜２．本開示の実施形態＞
図４Ａ及び図４Ｂを参照して、本開示の一実施形態に係る半導体光増幅器（ＳＯＡ）の一構成例について説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、本開示の一実施形態に係るＳＯＡの一構成例を模式的に示す概略図である。なお、図４Ａは、本実施形態に係るＳＯＡを、レーザ光の光路に沿った平面であり、半導体層の積層方向に沿った平面で切断した場合の断面図を模式的に示しており、図４Ｂは、本実施形態に係るＳＯＡを、半導体層の積層方向における直上方向から見た場合の構成を模式的に示している。また、図４Ａ及び図４Ｂに示すｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、図１Ａ及び図１Ｂに示すｘ軸、ｙ軸及びｚ軸と同一の座標軸を表す。
【００３４】
図４Ａを参照すると、本開示の一実施形態に係るＳＯＡ１０は、活性層１１０をｐ型クラッド層１２０及びｎ型クラッド層１３０で挟んだ積層構造を有する。なお、図４Ａでは明示しないが、ｎ型クラッド層１３０、活性層１１０及びｐ型クラッド層１２０の各層は、Ｓｉ基板等の各種の基板上に積層されてもよい。活性層１１０、ｐ型クラッド層１２０及びｎ型クラッド層１３０の主原料としては、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮ及び／又はＡｌＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体が主に用いられる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示す例であれば、ＳＯＡ１０は、青色のレーザ光を増幅するように、活性層１１０、ｐ型クラッド層１２０及びｎ型クラッド層１３０は、ＧａＩｎＮを主成分とする化合物半導体によって形成されている。ただし、本実施形態においては、ＳＯＡ１０が増幅するレーザ光の波長は特に限定されず、あらゆる波長のレーザ光が用いられてよい。活性層１１０、ｐ型クラッド層１２０及びｎ型クラッド層１３０の主原料は、ＳＯＡ１０が増幅するレーザ光の波長に応じて、適宜選択され得る。
【００３５】
ｐ型クラッド層１２０の積層方向における上面には上部電極１４０が設けられる。また、ｎ型クラッド層１３０の積層方向における下面には下部電極１５０が設けられる。また、ＳＯＡ１０の入射端（図４Ａに示すｚ軸の正方向の端面）及び出射端（図４Ａに示すｚ軸の正方向の端面）のうち、少なくとも活性層１１０の端面に対応する領域には、当該端面でのレーザ光の反射を抑制するためのＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング（図示しない。）が施されている。
【００３６】
また、図４Ａに示すように、上部電極１４０は、ｚ軸方向に２つの領域に分割されている。このように、上部電極１４０は、レーザ光の通過する方向に対して前段に設けられる拡散部上部電極１４１と、後段に設けられる増幅部上部電極１４２と、を有する。拡散部上部電極１４１と増幅部上部電極１４２とには、それぞれに、互いに異なる値を有する電流を印加することができる。以下の説明では、拡散部上部電極１４１に印加される電流を拡散部印加電流とも呼称し、記号ＩＤで表す。また、増幅部上部電極１４２に印加される電流を増幅部印加電流とも呼称し、記号ＩＡで表す。
【００３７】
ここで、ＳＯＡ１０によってレーザ光を増幅する際には、下部電極１５０を一定電位（例えばグラウンド）に保った状態で、上部電極１４０に所定の電流を印加することにより、活性層１１０内に所定の電流密度を生じさせ、いわゆる反転分布状態を発生させる。この状態で、活性層１１０にレーザ光を入射することにより、活性層１１０内で誘導放出が起こり、入射したレーザ光の強度が増幅される。本実施形態においては、上述したように、上部電極１４０が拡散部上部電極１４１と増幅部上部電極１４２とに分割されており、そのそれぞれに互いに異なる電流ＩＤ、ＩＡを印加することができる。従って、活性層１１０において、拡散部上部電極１４１の直下に対応する領域と、増幅部上部電極１４２の直下に対応する領域とで、電流密度を異なる値に制御することができる。本実施形態では、ＳＯＡ１０のうち、拡散部上部電極１４１に印加される電流ＩＤによって電流密度が制御される領域を拡散部と呼称し、増幅部上部電極１４２に印加される電流ＩＡによって電流密度が制御される領域を増幅部と呼称する。当該拡散部及び当該増幅部は、図１Ｂを参照して後述する拡散部１７０及び増幅部１８０にそれぞれ対応している。なお、以下の説明では、当該拡散部における活性層１１０の電流密度を拡散部電流密度又は第１の電流密度とも呼称し、記号ＪＤで表す。また、当該増幅部における活性層１１０の電流密度を増幅部電流密度又は第２の電流密度とも呼称し、記号ＪＡで表す。
【００３８】
このように、ＳＯＡ１０においては、活性層１１０は、レーザ光を入射端から出射端まで導光する導波路の役割を果たす。ここで、図４Ａに示す活性層１１０の左右方向には、例えば各種の材質によって構成される絶縁体層（図示せず。）が更に設けられており、活性層１１０は、上下のｐ型クラッド層１２０及びｎ型クラッド層１３０並びに左右の当該絶縁体層によって、ｘ−ｙ平面における断面の形状が調整されている。このように、活性層１１０と、光ガイド層とも呼ぶべきｐ型クラッド層１２０、ｎ型クラッド層１３０及び周囲の当該絶縁体層と、によって導波路が形成される。なお、以下の説明では、特に記載がない限り、ＳＯＡ１０における導波路とは、活性層１１０のことを示すこととする。また、以下の説明では、特に記載がない限り、ＳＯＡ１０における導波路の断面とは、活性層１１０のｘ−ｙ平面における断面のことを示すこととする。
【００３９】
図４Ｂを参照して、ＳＯＡ１０の導波路１６０の形状について説明する。図４Ｂは、本実施形態に係るＳＯＡ１０をｙ軸の正方向から見た様子を模式的に示す図である。ただし、図４Ｂでは、導波路１６０の形状について説明するために、ＳＯＡ１０の構成部材のうちｎ型クラッド層１３０及び活性層１１０（すなわち導波路１６０）のみを図示している。更に、図４Ｂでは活性層１１０（導波路１６０）をハッチングで図示している。なお、図４Ｂに示す例では、活性層１１０（導波路１６０）は、ｙ軸方向に対して一定の厚さで積層されているものとする。よって、以下の説明においては、特に記載がない限り、導波路１６０の形状とは、ｘ−ｚ平面における導波路１６０の形状を示すこととする。
【００４０】
図４Ｂを参照すると、本実施形態に係るＳＯＡ１０は、拡散部１７０と増幅部１８０とを有する。ここで、拡散部１７０及び増幅部１８０は、上述したように、ＳＯＡ１０において、拡散部上部電極１４１に印加される電流ＩＤによって電流密度が制御される領域及び増幅部上部電極１４２に印加される電流ＩＡによって電流密度が制御される領域に、それぞれ対応している。従って、導波路１６０も、拡散部１７０に含まれる拡散部導波路１７１と、増幅部１８０に含まれる増幅部導波路１８１とに分割される。なお、図４Ｂでは、模式的に導波路１６０が拡散部１７０と増幅部１８０との間で分断されるように図示されているが、実際には導波路１６０はＳＯＡ１０内でｚ軸方向に連続的に形成されていてよい。
【００４１】
拡散部１７０は、拡散部電流密度ＪＤで駆動し、入射したレーザ光を導波する拡散部導波路１７１を通過するレーザ光のビーム径を広げる機能を有する。拡散部１７０が有する拡散部導波路１７１の構成について詳しく説明する。
【００４２】
拡散部導波路１７１は、図４Ｂに示すように、拡散部導波路１７１の幅が略一定であるストレート部１７２と、拡散部導波路１７１の断面積がレーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなるテーパ形状を有するテーパ部１７３とを有する。ストレート部１７２はＳＯＡ１０の入射端から所定の距離設けられ、ストレート部１７２の後段にはテーパ部１７３が連続的に設けられる。つまり、図４Ｂに示すように、ＳＯＡ１０の導波路１６０に入射したレーザ光は、拡散部導波路１７１のストレート部１７２、テーパ部１７３を順に通過する。
【００４３】
本実施形態においては、拡散部電流密度ＪＤの値は、少なくともレーザ光の幅の狭化を生じさせない範囲に制御される。具体的には、拡散部電流密度ＪＤの値は、拡散部１７０においてレーザ光の強度を増幅させず、収束現象を生じさせないように、その値が制御されている。より好ましくは拡散部電流密度ＪＤの値は、拡散部１７０においてレーザ光の強度を略一定に保つように制御されてもよい。このようなレーザ光の強度を略一定に保つ拡散部電流密度ＪＤの値は、例えば、テーパ部１７３のテーパ角θの値、拡散部導波路１７１の断面積、活性層１１０、ｐ型クラッド層１２０及びｎ型クラッド層１３０を構成する材料並びに増幅するレーザ光の波長帯域等の条件に応じて適宜決定される。本実施形態においては、例えば拡散部電流密度ＪＤ≒３（ｋＡ／ｃｍ２）とすることにより、拡散部１７０においてレーザ光が吸収もされず増幅もされない、強度が略一定に保たれる状態が実現され得る。従って、レーザ光が拡散部導波路１７１のテーパ部１７３を通過することにより、レーザ光の幅は、テーパ部１７３の幅に応じて徐々に広げられる。このように、レーザ光の幅（スポット径）が広がることを、本実施形態では拡散と呼称する。また、以下の説明では、レーザ光の幅のことをビーム幅とも呼称し、レーザ光のスポット径のことをビーム径とも呼称する。
【００４４】
ここで、以下の説明では、ＳＯＡ１０の入射端における拡散部導波路１７１の幅（すなわちストレート部１７２の幅）をｗｉｎ、テーパ部１７３の出口における拡散部導波路１７１の幅をｗｏｕｔ＿ｄｉｆ、拡散部導波路１７１の導波路長をＬＤ、ストレート部１７２の導波路長をＬＤＳ、テーパ部１７３のテーパ角をθ、テーパ部１７３の導波路長をＬＤＴ、導波路１６０の導波路長をＬと、それぞれ記号でも表現する。本実施形態では、例えば、ｗｉｎ≒１．５（μｍ）、ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ≒１４（μｍ）、ＬＤ≒１１００（μｍ）、ＬＤＳ≒６００（μｍ）、ＬＤＴ≒５００（μｍ）、θ≒０．７２（ｄｅｇ）、Ｌ≒３０００（μｍ）としている。
【００４５】
増幅部１８０は、拡散部電流密度ＪＤよりも大きい増幅部電流密度ＪＡで駆動し、拡散部１７０によってビーム径を広げられたレーザ光を導波する増幅部導波路１８１内を通過するレーザ光の強度を増幅する機能を有する。具体的には、増幅部１８０は、増幅部１８０が有する増幅部導波路１８１に拡散部電流密度ＪＡを生じさせ、いわゆる反転分布状態を発生させる。この状態で、増幅部導波路１８１にレーザ光を入射することにより、増幅部導波路１８１内で誘導放出が起こり、入射したレーザ光の強度が増幅される。増幅部電流密度ＪＡが拡散部電流密度ＪＤよりも大きい値に設定される理由は、上述したように、拡散部電流密度ＪＤは拡散部１７０において収束現象を生じさせない範囲、すなわちレーザ光の強度を増幅させない範囲で設定されているため、レーザ光の強度を増幅させる増幅部１８０には、拡散部電流密度ＪＤよりも大きい電流密度が求められるからである。
【００４６】
増幅部導波路１８１は、図４Ｂに示すように、拡散部導波路１７１のテーパ部１７３の後段に設けられる。図４Ｂに示す例では、増幅部導波路１８１は、テーパ部１７３のテーパ形状に合わせて、増幅部導波路１８１の幅がレーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなるテーパ形状を有している。ただし、増幅部導波路１８１の形状はかかる例に限定されず、他の形状であってもよい。本実施形態における増幅部１８０は、レーザ光の強度を増幅する機能を果たすため、増幅部１８０においてはレーザ光の幅の狭化が生じ得る。従って、拡散部１７０によるレーザ光の拡散を妨げないような形状であれば、増幅部導波路１８１の形状は、どのような形状であってもよい。このように、増幅部導波路１８１は、増幅部導波路１８１の断面積が拡散部導波路１７１の断面積よりも大きくなるように設定されてよい。例えば、増幅部導波路１８１の形状は、増幅部導波路１８１の幅が、拡散部１７０の出口部分における拡散部導波路１７１の幅ｗｏｕｔ＿ｄｉｆよりも広い幅を有するようにしてもよい。
【００４７】
ここで、以下の説明では、ＳＯＡ１０の出射端における増幅部導波路１８１の幅をｗｏｕｔ、増幅部導波路１８１の長さをＬＡと、それぞれ記号でも表現する。本実施形態では、例えば、ｗｏｕｔ≒６１（μｍ）、ＬＡ≒１９００（μｍ）としている。
【００４８】
以上、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、本実施形態に係るＳＯＡ１０の構成について説明した。本実施形態に係るＳＯＡ１０によれば、拡散部１７０によってレーザ光を拡散させた後に、増幅部１８０によってレーザ光の強度を増幅させることにより、レーザ光の幅の狭化を抑制することが可能となる。
【００４９】
以上説明した構成を有するＳＯＡ１０の性能を確認するために、ＳＯＡ１０の出射光の強度分布を測定した。図５に、ＳＯＡ１０についての測定結果を示す。図５は、ＳＯＡ１０の出射光の強度分布を示すグラフである。
【００５０】
図５では、横軸にｘ軸の距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ（μｍ））を取り、縦軸に正規化されたＳＯＡ１０の出射光の強度を取り、ＳＯＡ１０の出射光のｘ軸方向における強度分布をプロットしている。なお、図５では、ビーム幅を示すために、出射光の強度がピーク強度の１３．５％となる高さに破線を付している。なお、上述した図３Ａ及び図３Ｂと同様、出射端でのビーム幅の値は、出射光のｘ軸方向における強度分布に基づいて、出射光の強度がピーク強度の１／ｅ２（１３．５％）となる点での出射光の幅を、ＡＳＥでの測定結果を利用して出射端でのビーム幅に換算することによって求めた値である。また、図５に示す結果は、各構成部材の寸法が上述した値を有するＳＯＡ１０に対して、レーザ光の波長を約４０５ｎｍ、拡散部電流密度ＪＤ＝３（ｋＡ／ｃｍ２）、増幅部電流密度ＪＡ＝５（ｋＡ／ｃｍ２）、平均強度が４（ｍＷ）のレーザ光を入射させた場合の結果である。
【００５１】
図５を参照すると、本実施形態に係るＳＯＡ１０では、出射光のピーク強度が約１５０（Ｗ）のときに、出射端でのビーム幅は約２２（μｍ）であった。また、出射光の平均強度は約３００（ｍＷ）であった。ここで、図３Ｂに示した既存のＳＯＡ９１０では、電流密度Ｊ＝６．７（ｋＡ／ｃｍ２）のとき、出射光のピーク強度は１４５（Ｗ）、出射端でのビーム幅は７．６（μｍ）であった。従って、本実施形態に係るＳＯＡ１０は、既存のＳＯＡ９１０と比べて、より小さい電流密度（ＪＡ＝５（ｋＡ／ｃｍ２））でほぼ同等のピーク強度にまでレーザ光の強度を増幅できていることが分かる。また、出射端でのビーム幅についても、既存のＳＯＡ９１０では入射端での導波路９１６の幅（約９（μｍ））よりも小さい値にまでビーム幅が狭化していたのに対して、本実施形態に係るＳＯＡ１０では、入射端での導波路１６０の幅（ｗｉｎ≒１．５（μｍ））や拡散部１７０の出口での拡散部導波路１７１の幅（ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ≒１４（μｍ））よりもビーム幅が広く保たれていることが分かる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態に係るＳＯＡ１０によれば、拡散部１７０によってレーザ光を拡散させた後に、増幅部１８０によってレーザ光の強度を増幅させることにより、レーザ光の幅の狭化を抑制することが可能となる。例えば、上述したように、ＳＯＡ１０においては、レーザ光のピーク強度を既存のＳＯＡ９１０と同程度にまで増幅した場合であっても、ビーム幅の狭化が抑制されている。このように、本実施形態に係るＳＯＡ１０によれば、より安定的にレーザ光の強度を増幅することができる。
【００５３】
＜３．本実施形態に係るＳＯＡについての考察＞
ここでは、本実施形態に係るＳＯＡ１０における光の挙動に対して、理論的な考察を行った結果について説明する。具体的には、ＳＯＡ１０においてビーム幅の狭化に影響する因子について解析し、ビーム幅の狭化が抑制される要因について考察を行った。
【００５４】
本発明者らは、上記＜２．本開示の実施形態＞で説明したＳＯＡ１０について解析を行うに先立ち、ＳＯＡ１０よりも単純な構成を有するテスト用ＳＯＡについて考察を行った。以下では、まず、［３−１．テスト用ＳＯＡについて］でテスト用ＳＯＡの構成について説明した後、その出射光の強度分布を測定した結果について説明する。次に、［３−２．光伝搬シミュレーションについて］で、当該テスト用ＳＯＡ及びＳＯＡ１０の導波路内において生じている物理現象を解析するために導入したシミュレーション手法の概要について説明する。最後に、［３−３．光伝搬シミュレーションの結果］で、当該テスト用ＳＯＡ及びＳＯＡ１０についてのシミュレーション結果を示し、当該シミュレーション結果に基づいて、テスト用ＳＯＡ及びＳＯＡ１０での光の挙動について考察するとともに、ビーム幅の狭化に影響する因子についての検討を行う。
【００５５】
［３−１．テスト用ＳＯＡについて］
上記＜１．既存のＳＯＡについての検討＞で説明したように、ＳＯＡ内におけるビーム幅の狭化は、レーザ光の強度に応じて活性層（導波路）の媒体の屈折率ｎが変化し、レーザ光が収束（集束）されること（収束現象（集束現象））によって生じると考えられる。当該媒体の屈折率ｎに影響する因子としては、媒体内のキャリア密度（エレクトロン−ホール密度）Ｎ、媒体内の光密度Ｓ、媒体内の温度Ｔ、レーザ光の波長λが考えられる。ここで、キャリア密度Ｎ及び光密度Ｓに由来する屈折率ｎの変化は、キャリア誘起屈折率変化や、光カー効果を含む非線形光学効果として知られている。
【００５６】
本発明者らは、上記の各因子の中から、媒体の屈折率ｎの変化に対してより支配的な因子を見出すことを目的として、本実施形態に係るＳＯＡに対する検討を行った。上記の因子の中で、温度Ｔ及び波長λについては、ＳＯＡ及びＳＯＡを含むレーザ光源システムの使用条件の観点から、大幅な変更を行うことは困難である。そこで、キャリア密度Ｎ及び光密度Ｓが収束現象に及ぼす影響について検討することにした。ＳＯＡの増幅性能、すなわち、誘導放出によって発生する出射光の強度が、キャリア密度Ｎ及び光密度Ｓに依存するという観点からも、この両者のパラメータについて詳細に検討することは重要である。収束現象に対してキャリア密度Ｎ及び光密度Ｓが及ぼす影響について検討するために、まず、ＳＯＡ１０よりも単純な構成を有するテスト用ＳＯＡについて考察を行った。
【００５７】
図６を参照して、テスト用ＳＯＡの構成について説明する。図６は、テスト用ＳＯＡの構成を模式的に示す概略図である。なお、図６に示すテスト用ＳＯＡの積層構造は、図４Ａを参照して説明したＳＯＡ１０の積層構造と同様であるため、テスト用ＳＯＡの積層構造についての説明は省略する。また、図６は、上述した図４Ｂに対応する図であり、テスト用ＳＯＡを、半導体層の積層方向における直上方向から見た場合の構成を模式的に示しており、導波路をハッチングによって示している。
【００５８】
図６を参照すると、本実施形態に係るテスト用ＳＯＡ３０の構成部材の中で、ｎ型クラッド層３３０及び活性層３１０（導波路３６０）のみが図示されている。ただし、上述したように、テスト用ＳＯＡ３０は、図４Ａに示すＳＯＡ１０の積層構造と同様の積層構造を有しており、図６には図示されない他の構成、例えばｐ型クラッド層、下部電極及び上部電極（拡散部電極、増幅部電極）を有する。図６に示すように、本実施形態に係るテスト用ＳＯＡ３０は、拡散部３７０及び増幅部３８０を有する。また、導波路３６０は、拡散部３７０に含まれる拡散部導波路３７１と、増幅部３８０に含まれる増幅部導波路３８１とに分割されている。ここで、テスト用ＳＯＡ３０の機能及び構成は、導波路３６０（拡散部導波路３７１及び増幅部導波路３８１）の形状が異なること以外は、ＳＯＡ１０の機能及び構成と同様であるため、以下では主にその相違点について説明することとし、重複する構成については詳細な説明を省略する。
【００５９】
拡散部導波路３７１は、図６に示すように、略一定の導波路幅でｚ軸方向に延設される。このように、拡散部導波路３７１はストレート形状を有し、すなわち、ｙ軸方向から見た場合に所定の幅を有する略長方形の形状を有する。拡散部導波路３７１の導波路幅ｗｉｎは、例えばｗｉｎ≒１．５（μｍ）であり、拡散部導波路３７１の長さＬＤは、例えばＬＤ≒１６００（μｍ）である。
【００６０】
増幅部導波路３８１は、拡散部導波路３７１の後段に設けられる。図６に示すように、増幅部導波路３８１は、拡散部導波路３７１の導波路幅よりも広い略一定の導波路幅でｚ軸方向に延設される。つまり、増幅部導波路３８１はストレート形状を有する。このように、拡散部導波路３７１及び増幅部導波路３８１は、ｙ軸方向から見た場合に所定の幅を有する略長方形の形状が２つ組み合わされた形状を有する。増幅部導波路３８１の導波路幅ｗｏｕｔは、例えばｗｏｕｔ≒６０（μｍ）であり、増幅部導波路３８１の長さＬＡは、例えばＬＡ≒４００（μｍ）である。また、導波路３６０の長さＬは、Ｌ≒２０００（μｍ）である。なお、図６では、模式的に導波路３６０が拡散部３７０と増幅部３８０との間で分断されるように図示されているが、実際には導波路１６０はテスト用ＳＯＡ３０内でｚ軸方向に連続的に形成されていてよい。
【００６１】
以上、図６を参照して、テスト用ＳＯＡ３０の構成、特に導波路３６０の形状について説明した。本発明者らは、このような構成を有するテスト用ＳＯＡ３０について、出射光の強度分布測定を行った。図７Ａ及び図７Ｂにその結果を示す。
【００６２】
図７Ａ及び図７Ｂを参照して、テスト用ＳＯＡ３０における出射光の強度分布について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、テスト用ＳＯＡ３０の出射光の強度分布を示すグラフである。
【００６３】
ここで、図７Ａ及び図７Ｂに示すグラフの形式（ｘ軸、ｙ軸の物理量等）は、図５に示したＳＯＡ１０における出射光の強度分布のグラフと同様であるため、詳細な説明は省略する。また、図７Ａ及び図７Ｂにおいても、図５と同様、出射端でのビーム幅の値は、出射光のｘ軸方向における強度分布に基づいて、出射光の強度がピーク強度の１／ｅ２（１３．５％）となる点での出射光の幅を、ＡＳＥでの測定結果を利用して出射端でのビーム幅に換算することによって求めた値である。また、図７Ａ及び図７Ｂに示す結果は、各構成部材の寸法が上述した値を有するテスト用ＳＯＡ３０に対して、レーザ光の波長を約４０５ｎｍ、拡散部電流密度ＪＤ＝３（ｋＡ／ｃｍ２）、平均強度が４（ｍＷ）のレーザ光を入射させた場合の結果である。なお、図７Ａは増幅部電流密度ＪＡ＝３（ｋＡ／ｃｍ２）であるときの結果を示しており、図７Ｂは増幅部電流密度ＪＡ＝６（ｋＡ／ｃｍ２）であるときの結果を示している。
【００６４】
図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、テスト用ＳＯＡ３０では、増幅部電流密度ＪＡ＝３（ｋＡ／ｃｍ２）のとき、出射端でのビーム幅は約４０（μｍ）であり、増幅部電流密度ＪＡ＝６（ｋＡ／ｃｍ２）のとき、出射端でのビーム幅は約４４（μｍ）であった。増幅部電流密度ＪＡの値を倍にしたにもかかわらずビーム幅がほぼ変化していないことから、テスト用ＳＯＡ３０の増幅部３８０では、ビーム幅の狭化がほぼ生じていない、すなわち、収束現象がほぼ生じていないと考えられる。
【００６５】
増幅部電流密度ＪＡを変化させることは、増幅部導波路３８１におけるキャリア密度Ｎを変化させることに対応している。つまり、図７Ａ及び図７Ｂに示す結果から、収束現象に対するキャリア密度Ｎの影響はそれ程大きくないことが示唆される。一方、テスト用ＳＯＡ３０では、拡散部導波路３７１及び増幅部導波路３８１は略一定の導波路幅で延設されるストレート形状を有し、拡散部３７０から増幅部３８０に光が伝播する際に、導波路３６０の幅が約１．５（μｍ）から約６０（μｍ）に大幅に拡張される。従って、増幅部導波路３８１では光密度Ｓは小さな値を有しており、そのため屈折率ｎの変化も小さく、収束現象も生じにくいのではないかと考えられる。
【００６６】
また、テスト用ＳＯＡ３０においては、出射端における導波路３６０の幅ｗｏｕｔはｗｏｕｔ≒６０（μｍ）であるが、収束現象がほぼ起こっていないにもかかわらず、出射端におけるビーム幅は約４０μｍであった。この結果から、収束現象がほぼ起こっていない場合であっても、ビーム幅が導波路３６０の幅に応じて無制限に広がる訳ではなく、ビーム幅の拡散には限界が存在し得ることが分かる。このようなビーム幅の拡散の限界値は、レーザ光の回折に際して存在する、当該レーザ光の波長に応じた回折限界に起因するものであると考えられる。
【００６７】
このように、図７Ａ及び図７Ｂの結果から、本実施形態に係るテスト用ＳＯＡ３０において、導波路内の媒体における屈折率ｎの変化について、キャリア密度Ｎが及ぼす影響よりも光密度Ｓが及ぼす影響の方が大きいことが示唆された。ＳＯＡ１０においても、当該示唆された現象と同様の現象が生じていると考えられる。以上の考察した内容を確認するとともに、ＳＯＡ１０及びテスト用ＳＯＡ３０の導波路１６０、３６０内における光の挙動を更に解析するために、本発明者らは、光密度Ｓに由来する屈折率ｎの変化を取り込んだ光伝搬シミュレーション手法を開発した。なお、ここで言う光密度Ｓに由来する屈折率ｎの変化とは、キャリア誘起屈折率変化のことである。
【００６８】
［３−２．光伝搬シミュレーションについて］
本実施形態に係るシミュレーション手法の概要について説明する。本発明者らは、導波路内における光の伝搬の様子を解析するために、ＦＴ−ビーム伝搬法(ＦＴ−ＢＰＭ：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｅｆｆｅｒｅｎｃｅ−Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ)を用いたシミュレーション手法を作成し、光密度Ｓによるキャリア密度変化に伴う屈折率ｎの変化（キャリア誘起屈折率変化）の効果を取り込んだ。ここで、ＦＴ−ＢＰＭの詳細については、例えば、河野健治、鬼頭勉共著、「光導波路解析の基礎−マクスウェル方程式とシュレディンガー方程式を解くために」、現代工学社、１９９９年７月（以下、参考文献１と呼称する。）の「第５章  ビーム伝搬法」の記載を参照することができる。また、波動関数にキャリア誘起屈折率変化を取り込んだ解析手法の詳細については、例えば、ＧＯＶＩＮＤ  Ｐ．  ＡＧＲＡＷＡＬ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｅｌｆ−Ｐｈａｓｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｕｌｓｅｓ  ｉｎ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”，  ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，  １９８９，  Ｖｏｌ．２５，  Ｎｏ．１１，  ｐ．２２９７−２３０６（以下、参考文献２と呼称する。）を参照することができる。本発明者らは、上記参考文献１、２に基づいて、キャリア誘起屈折率変化を取り込んだＦＴ−ＢＰＭによるシミュレーション手法を開発した。以下に、本実施形態に係る、新たに開発したシミュレーション手法の概要について説明する。なお、以下に示すシミュレーション手法についての説明では、導波路１６０、３６０（活性層１１０、３１０）のｙ軸方向の厚さは一定であり、ｙ軸方向でのレーザ光の強度変化は生じないと仮定し、２次元（ｘ−ｚ平面）上での光の挙動を解析するためのシミュレーション手法について説明する。
【００６９】
キャリア誘起屈折率変化を取り込んだ場合、媒体（本実施形態においては活性層１１０、３１０に対応する）内における波動関数は、下記数式（１）で記述される。
【００７０】
【数１】
2014187299.tif 000003
【００７１】
ここで、ψ＝ψ（ｘ，ｚ，ｔ）は媒体内におけるレーザ光の挙動を示す波動関数であり、例えば当該レーザ光の電界を表す波動関数である。なお、上述したように、ψではｙ軸方向への広がりを無視している。また、ｃは光速、εｒは媒体の誘電率（複素誘電率）である。また、χｃａｒ＿ｉｎｄ（Ｎ）は、媒体の感受率であり、媒体内のキャリア（電子（エレクトロン）又は正孔（ホール））密度Ｎの関数である。
【００７２】
上記数式（１）を波動関数ψ（ｘ，ｚ，ｔ）について解くために、微小振幅変動近似（ＳＶＥＡ：Ｓｌｏｗ  Ｖａｒｙｉｎｇ  Ｅｎｖｅｌｏｐ  Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）を行う。ＳＶＥＡでは、波動関数ψ（ｘ，ｚ，ｔ）を、進行方向に緩やかに変化する振幅項φ（ｘ，ｚ，ｔ）と激しく振動する位相項ｅｘｐ［−ｊ（β０ｚ−ω０ｔ）］とによって表す。すなわち、波動関数ψ（ｘ，ｚ，ｔ）を下記数式（２）のように近似する。
【００７３】
【数２】
2014187299.tif 000004
【００７４】
ここで、β０は参照屈折率ｎｅｆｆと真空中の波数ベクトルｋ０との積によって定義される。なお、参照屈折率ｎｅｆｆとしては、例えばクラッド層（ｐ型クラッド層１２０、ｎ型クラッド層１３０、３３０）や基板等の屈折率が用いられる。また、ω０は中心周波数である。
【００７５】
数式（２）を数式（１）に代入して展開することにより、下記数式（３）を得る。なお、下記数式（３）を得る過程においては、近軸光線近似（フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）近似）を行い、（δ２φ）／（δｚ２）＝０とした。また、同様に、エンベロップφの時間変化は中心周波数ω０に比べて十分に遅いため、（δ２φ）／（δｔ２）＝０とした。
【００７６】
【数３】
2014187299.tif 000005
【００７７】
上記数式（３）において、左辺と右辺の２項目までは、一般的な（例えば上記参考文献１に記載されているような）ＦＴ−ＢＰＭにおける波動方程式である。すなわち、上記数式（３）は、一般的なＦＴ−ＢＰＭの波動方程式に、キャリア誘起屈折率変化に関する項として、感受率χｃａｒ＿ｉｎｄ（Ｎ）についての項（右辺の残り２項）を追加したものに対応している。
【００７８】
一般的なＦＴ−ＢＰＭにおける波動方程式を解く方法は例えば上記参考文献１等を参照することができるため、感受率χｃａｒ＿ｉｎｄ（Ｎ）を数値的に計算することができれば、上記数式（３）を数値的に解くことが可能となる。ここで、χｃａｒ＿ｉｎｄ（Ｎ）は、下記数式（４）で記述される。
【００７９】
【数４】
2014187299.tif 000006
【００８０】
ここで、αはビーム幅増加係数（ｌｉｎｅ−ｗｉｄｔｈ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｆａｃｔｏｒ）とも呼ばれる係数であり、ビーム幅の拡散、狭化に影響する係数である。また、Ｎ０は透明キャリア密度である。また、ηは利得係数（ｇａｉｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）、Γは閉じ込め係数（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｆａｃｔｏｒ）であり、ゲインｇ（Ｎ）と下記数式（５）の関係にある。
【００８１】
【数５】
2014187299.tif 000007
【００８２】
また、キャリア密度Ｎは、以下の数式（６）を満たす。
【００８３】
【数６】
2014187299.tif 000008
【００８４】
ここで、ｅはキャリアの電荷（電気素量）、Ｉは注入電流、Ｖａｃｔは有効体積（ａｃｔｉｖｅ  ｖｏｌｕｍｅ）、τｇは自然キャリア寿命（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｌｉｆｅｔｉｍｅ）、ｈ／（２π）×ω０はフォトンのエネルギーである。
【００８５】
上記数式（５）、（６）からキャリア密度Ｎを消去することにより、ゲインｇに関する下記数式（７）を得る。
【００８６】
【数７】
2014187299.tif 000009
【００８７】
ここで、ｇ０、Ｅｓａｔは、それぞれ下記数式（８）、（９）で定義される。なお、ｇ０は小信号利得（ｓｍａｌｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｇａｉｎ）を表しており、Ｅｓａｔは対象としている増幅器における飽和エネルギー（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  ｅｎｅｒｇｙ）を表している。なお、当該Ｅｓａｔは、シミュレーション時におけるメッシュサイズで規格化されている。
【００８８】
【数８】
2014187299.tif 000010
【００８９】
ここで、連続発振レーザ（ＣＷレーザ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ  Ｌａｓｅｒ）を仮定すれば、（ｄ／ｄｔ）＝０であるため、上記数式（７）をゲインｇについて解くことにより、下記数式（１０）を得る。
【００９０】
【数９】
2014187299.tif 000011
【００９１】
（ｘ，ｚ，ｔ）の値を変化させる度に上記数式（１０）を計算することにより、各座標（位置（ｘ，ｚ））、各ステップ（時間ｔ）におけるゲインｇの値を得ることができる。このｇの値を利用して、上記数式（４）、（５）から各座標、各ステップにおける感受率χｃａｒ＿ｉｎｄ（Ｎ）を求めることができるため、上記数式（３）を数値的に解くことが可能となる。
【００９２】
以上、本実施形態に係るＳＯＡ１０及びテスト用ＳＯＡ３０を解析するためのシミュレーション手法の概要について説明した。
【００９３】
［３−３．光伝搬シミュレーションの結果］
上記のシミュレーション手法を用いて、図４Ａ及び図４Ｂに示すＳＯＡ１０並びに図６に示すテスト用ＳＯＡ３０について、導波路１６０、３６０内におけるレーザ光の伝搬の様子を解析した。
【００９４】
まず、図８Ａ−図８Ｃ及び図９を参照して、より単純な構成を有するテスト用ＳＯＡ３０に対するシミュレーション結果について説明する。ただし、テスト用ＳＯＡ３０に対するシミュレーションにおいては、光密度Ｓの影響を取り込まないで、すなわち、キャリア誘起屈折率変化を取り込まないで計算を行った。キャリア誘起屈折率変化を取り込まないシミュレーションとは、具体的には、上記数式（３）において、感受率χｃａｒ＿ｉｎｄ（Ｎ）についての項を無視した関係式に基づくシミュレーションに対応する。上記［３−１．テスト用ＳＯＡについて］で説明したように、図７Ａ及び図７Ｂに示す結果から、収束現象には光密度Ｓが大きく影響しており、またテスト用ＳＯＡ３０においては、増幅部３８０における光密度Ｓが小さいために収束現象がほぼ生じていないと考えられる。従って、光密度Ｓの効果を取り込まないシミュレーションによって、図７Ａ及び図７Ｂに示す結果を再現することができれば、上記の考察は妥当なものであると言うことができる。
【００９５】
図８Ａ−図８Ｃは、テスト用ＳＯＡ３０について、シミュレーションから得られた各種の物理量をｘ−ｚ平面上にプロットした等高線図である。図８Ａは、テスト用ＳＯＡ３０について、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の実数部の値を示す等高線図である。図８Ｂは、テスト用ＳＯＡ３０について、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の虚数部の値を示す等高線図である。図８Ｃは、テスト用ＳＯＡ３０について、シミュレーションから得られた各座標における光強度の値を示す等高線図である。図９は、図８Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示すグラフである。なお、図８Ａ−図８Ｃ及び図９に示す結果は、図７Ｂに対応する条件でシミュレーションを行った結果である。
【００９６】
図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、テスト用ＳＯＡ３０の増幅部３８０においては、複素誘電率の実数部及び虚数部ともに、位置に依存せずほぼ一定の値であることが分かる。ここで、光学的に、複素誘電率の実数部は当該媒体における屈折率を表す指標であり、複素誘電率の虚数部は当該媒体における光の増幅率（吸収率）を表す指標であると言われている。従って、図８Ａ及び図８Ｂでは、テスト用ＳＯＡ３０の増幅部導波路３８１における屈折率及び光の増幅率のｘ−ｚ平面上における分布が可視化されていると言える。図８Ａ及び図８Ｂから、テスト用ＳＯＡ３０の増幅部３８０においては、屈折率、増幅率ともにほぼ変化していないことが分かる。この結果は、テスト用ＳＯＡの増幅部３８０において収束現象がほぼ生じていないことを示唆している。
【００９７】
また、図８Ｃでは、上述したように、光強度の分布が２次元上（ｘ−ｚ平面上）にプロットされているため、テスト用ＳＯＡ３０の増幅部導波路３８１における光密度Ｓが可視化されているとも言える。また、光強度の値が大きい点は、すなわち光の存在確率が大きい点であるため、図８Ｃではテスト用ＳＯＡ３０の増幅部導波路３８１における光路が可視化されているとも言える。図８Ｃを参照すると、拡散部３７０から増幅部３８０に光が伝播するとともに、光がｘ軸方向に拡散している、すなわち光密度Ｓが小さくなっている様子が示されている。
【００９８】
また、図９に、図８Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示す。図９では、測定によって得られたテスト用ＳＯＡ３０の強度分布と対応させるため、グラフの形式を図７Ａ及び図７Ｂと同様の形式にしている。すなわち、図９では、横軸にｘ軸の距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ（μｍ））を取り、縦軸に正規化されたレーザ光の強度を取り、シミュレーションから得られたテスト用ＳＯＡ３０の出射端でのレーザ光のｘ軸方向における強度分布をプロットしている。また、出射端でのビーム幅の値は、出射端でのレーザ光のｘ軸方向における強度分布に基づいて、レーザ光の強度がピーク強度の１／ｅ２（１３．５％）となる点での出射光の幅と定義した。なお、図９では、ビーム幅を示すために、レーザ光の強度がピーク強度の１３．５％となる高さに破線を付している。図９を参照すると、シミュレーションから得られたテスト用ＳＯＡ３０の出射端でのビーム幅は約４３（μｍ）であった。この値は、図７Ｂに示した４４（μｍ）と概ね一致する。また、測定結果である図７Ｂとシミュレーション結果である図９とで強度分布の波形を比較すると、本実施形態に係るシミュレーション手法によって、強度分布の波形も概ね再現されていることが分かる。
【００９９】
以上、図８Ａ−図８Ｃ及び図９を参照して、テスト用ＳＯＡ３０に対するシミュレーション結果について説明した。図８Ａ−図８Ｃに示すように、本実施形態に係るシミュレーション手法により、テスト用ＳＯＡ３０の導波路３６０内における媒体の屈折率、光の増幅率、光の強度及び光密度Ｓを可視化することができることが分かった。また、図８Ａ−図８Ｃ及び図９に示す結果から、当該シミュレーション手法は、図７Ａ及び図７Ｂに示したテスト用ＳＯＡ３０の測定結果をよく再現しており、解析手法として妥当なものであるといえる。また、上記［３−１．テスト用ＳＯＡについて］で考察した内容である、収束現象には光密度Ｓが大きく影響していること、及びテスト用ＳＯＡ３０においては増幅部３８０における光密度Ｓが小さいために収束現象が生じないことが、概ね妥当な考えであったことが確認された。
【０１００】
次に、図１０Ａ−図１０Ｃ及び図１１を参照して、図４Ａ及び図４Ｂに示すＳＯＡ１０に対するシミュレーション結果について説明する。ただし、上記のＳＯＡ３０に対するシミュレーションとは異なり、ＳＯＡ１０に対するシミュレーションにおいては、キャリア誘起屈折率変化を取り込んで計算を行った。
【０１０１】
図１０Ａ−図１０Ｃは、ＳＯＡ１０について、シミュレーションから得られた各種の物理量をｘ−ｚ平面上にプロットした等高線図であり、上述した図８Ａ−図８Ｃに対応している。図１０Ａは、本実施形態に係るＳＯＡ１０について、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の実数部の値を示す等高線図である。図１０Ｂは、本実施形態に係るＳＯＡ１０について、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の虚数部の値を示す等高線図である。図１０Ｃは、本実施形態に係るＳＯＡ１０について、シミュレーションから得られた各座標における光強度の値を示す等高線図である。図１１は、図１０Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示すグラフである。なお、図１０Ａ−図１０Ｃ及び図１１に示す結果は、図５に対応する条件でシミュレーションを行った結果である。
【０１０２】
図１０Ａ及び図１０Ｂを参照すると、ＳＯＡ１０の増幅部１８０においては、複素誘電率の実数部の値（すなわち導波路１６０の媒体の屈折率を示す指標）は、導波路１６０のｘ軸における中央付近でより大きく、導波路１６０と周囲の他の層との境界付近でより小さくなっていることが分かる。一方、図１０Ｂを参照すると、ＳＯＡ１０の増幅部１８０においては、複素誘電率の虚数部の値（すなわち導波路１６０の媒体の増幅率を示す指標）は、導波路１６０のｘ軸における中央付近でより小さく、導波路１６０と周囲の他の層との境界付近でより大きくなっていることが分かる。また、図１０Ｃを参照すると、ＳＯＡ１０の増幅部１８０における光強度の分布は、導波路１６０のｘ軸における中央付近でより大きくなっていることが分かる。図１０Ａ−図１０Ｃに示す結果は、増幅部導波路１８１のｘ軸における中央付近で光密度Ｓ及び光強度がより大きくなる様子を示しており、収束現象が生じている様子を再現できていると言える。
【０１０３】
ここで、上記数式（５）に示すように、増幅率を表す指標であるゲインｇはキャリア密度Ｎの関数であり、キャリア密度Ｎに比例している。一方、上記テスト用ＳＯＡ３０に対する解析において考察したように、屈折率の変化はキャリア密度Ｎよりも光密度Ｓに依存していると考えられる。従って、図１０Ａ−図１０Ｃに示す結果は、増幅部導波路１８１において増幅率（すなわちキャリア密度）がより大きい領域ではなく、光密度Ｓがより大きい領域において屈折率ｎが変化して収束現象が生じている様子を示しているといえ、テスト用ＳＯＡ３０に対して行った考察と矛盾しないものといえる。
【０１０４】
また、図１１に、図１０Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示す。なお、図１１のグラフの形式（縦軸及び横軸に取っている物理量やビーム幅の定義等）は、図９と同様であるため詳細な説明は省略する。図１１を参照すると、シミュレーションから得られたＳＯＡ１０の出射端での幅は約２７（μｍ）であった。この値は、図５に示した測定値２２（μｍ）と概ね一致する。また、測定結果である図５とシミュレーション結果である図１１とで強度分布の波形を比較すると、本実施形態に係るシミュレーションによって、強度分布の波形も概ね再現されていることが分かる。
【０１０５】
以上、図１０Ａ−図１０Ｃ及び図１１を参照して、ＳＯＡ１０に対するシミュレーション結果について説明した。図１０Ａ−図１０Ｃに示すように、キャリア誘起屈折率変化を取り込んだシミュレーション手法により、ＳＯＡ１０の導波路１６０内における収束現象を再現できることが確認された。また、図８Ａ−図８Ｃ及び図９に示す結果と合わせて、本実施形態に係るシミュレーション手法は、図５、図７Ａ及び図７Ｂに示したＳＯＡ１０及びテスト用ＳＯＡ３０の測定結果をよく再現しており、解析手法として妥当なものであるといえる。
【０１０６】
以上説明したように、本実施形態に係るＳＯＡ１０及びテスト用ＳＯＡ３０の導波路１６０、３６０内での光の挙動を解析するためのシミュレーション手法を確立することができた。また、ＳＯＡ１０及びテスト用ＳＯＡ３０に対する測定結果と当該シミュレーション手法による計算結果とを比較することにより、以下の知見が得られた。
【０１０７】
すなわち、ＳＯＡ１０及びテスト用ＳＯＡ３０の導波路１６０、３６０内における光の収束現象は、導波路１６０、３６０内の光密度Ｓの値に大きく影響される。従って、導波路１６０、３６０の導波路幅を広げ、光密度Ｓの値を小さくすることにより、収束効果を抑制する、すなわち、ビーム幅の狭化を抑制することが可能になると考えられる。ここで、光密度Ｓを小さくしてビーム幅を広げることは、すなわち、レーザ光を拡散させることに対応する。
【０１０８】
一方、比較的大きな電流密度を与えることによりレーザ光の強度を増幅させながら、導波路幅を広げて拡散させようとすると、レーザ光の強度の増幅に伴う光密度Ｓの増加によるビーム幅の狭化と導波路幅の拡張によるレーザ光の拡散とが相殺してしまい、レーザ光の拡散が効率的に行われない可能性がある。従って、レーザ光を拡散させる際には、レーザ光を増幅させないような、すなわち光密度Ｓを増加させないような条件でレーザ光を拡散させることが望ましい。
【０１０９】
ここで、図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、本実施形態に係るＳＯＡ１０は、レーザ光を拡散させる拡散部１７０とレーザ光の強度を増幅させる増幅部１８０とを有し、拡散部１７０は導波路幅が徐々に広くなるテーパ形状を有するとともに、拡散部電流密度ＪＤの値は拡散部１７０によってレーザ光の強度が増幅されない範囲に制御される。そして、拡散部１７０によって拡散されたレーザ光の強度が、後段に設けられる増幅部１８０によって増幅される。従って、ＳＯＡ１０では、より効率的にレーザ光を拡散させることが可能となり、収束現象をより効果的に抑制することができる。
【０１１０】
また、本実施形態に係るシミュレーション手法によって、ＳＯＡ１０及びテスト用ＳＯＡ３０における光の伝搬を概ね再現できることが確認できた。従って、本実施形態に係るシミュレーション手法を用いて、導波路の形状や拡散部電流密度ＪＤ、増幅部電流密度ＪＡ等の各種のパラメータを変化させながら解析を行うことにより、レーザ光の強度を増幅させた場合のビーム幅の狭化をより効果的に抑制できる他の構成を有するＳＯＡを設計することが可能である。
【０１１１】
なお、以上の光伝搬シミュレーションについての説明では、導波路１６０、３６０のｙ軸方向の厚さが一定であるとして、ｘ−ｚ平面における各種の物理量に注目して説明を行った。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、以上の説明を３次元に拡張することも可能である。例えば、上記［３−２．光伝搬シミュレーションについて］における各数式について、ｙ座標を考慮することにより、３次元空間における同様のシミュレーション手法を確立することができる。また、例えば、導波路１６０、３６０は、２次元的なテーパ形状を有するだけでなく、３次元的なテーパ形状、すなわち円錐形状を有してもよい。導波路１６０、３６０が円錐形状を有する場合、上記の考察において、ビーム幅について行っている検討を、ビーム径について行うことにより、同様の結論を得ることができる。
【０１１２】
＜４．ＳＯＡの設計手法＞
上記＜３．本実施形態に係るＳＯＡについての考察＞で説明したように、本実施形態に係るシミュレーション手法を用いることにより、ビーム幅の狭化を抑制することが可能な、本実施形態に係るＳＯＡの他の構成を設計することができる。ここでは、本実施形態に係るＳＯＡを設計する際の他のアプローチ方法について説明する。なお、以下の説明では、本設計手法について説明するための一例として、図４Ａ及び図４Ｂに示すＳＯＡ１０を用いて説明を行う。また、その際には、図４Ｂに示す導波路１６０の寸法を示す各種の記号を用いる。なお、下記に示す各数式の導出の詳細については、例えば上記参考文献２を参照することができる。
【０１１３】
以下では、導波路１６０内の光密度Ｓが十分小さく収束現象が生じない場合を想定し、導波路１６０におけるレーザ光の拡散について考察することにより、導波路１６０のテーパ形状、増幅部電流密度ＪＡ及び増幅部導波路の長さＬＡ等の各種の条件として望ましい条件について説明する。まず、［４−１．透明媒体で形成された導波路における拡散］で、透明媒体で形成されたテーパ形状の導波路におけるレーザ光の拡散について考察する。透明媒体で形成されたテーパ形状の導波路は、本実施形態に係るＳＯＡ１０における拡散部１７０に対応する。次に、［４−２．増幅媒体で形成された導波路における拡散］で、増幅媒体で形成されたストレート形状の導波路におけるレーザ光の拡散について考察を行う。最後に、これら２つのモデルに対する考察を踏まえて、［４−３．増幅媒体で形成されたテーパ形状の導波路における拡散］で、増幅媒体で形成されたテーパ形状の導波路におけるレーザ光の拡散について考察する。増幅媒体で形成されたテーパ形状の導波路は、ＳＯＡ１０における増幅部１８０に対応する。以上の考察から、拡散部１７０及び増幅部１８０におけるレーザ光の拡散と、拡散に伴うレーザ光の強度の低下について検討し、上記の条件について考察する。なお、以下に示す設計手法についての説明では、導波路１６０（活性層１１０）のｙ軸方向の厚さは一定であり、ｙ軸方向でのレーザ光の強度変化は生じないと仮定し、２次元（ｘ−ｚ平面）上での光の挙動を想定した設計手法について説明する。
【０１１４】
［４−１．透明媒体で形成された導波路における拡散］
まず、透明媒体中でのレーザ光の拡散について考える。一様な透明媒体によって形成されるテーパ状の導波路（例えば、図１Ｂに示す導波路９１６と同様の形状を有する導波路）における光の伝搬を考える。図１Ｂに示すようにｘ軸及びｚ軸を取り、ｘ軸の原点を導波路におけるｘ方向の中心とし、ｚ軸の原点を導波路の入射端とし、入射側の導波路の幅をｗｉｎ＿ｔｔとすると、入射光の強度Ｐｉｎ＿ｔｔ（ｘ）は、下記数式（１１）で記述される。なお、レーザ光がガウシアンで表される強度分布を有すると仮定する。
【０１１５】
【数１０】
2014187299.tif 000012
【０１１６】
ここで、Ａはレーザ光の強度に関する係数である。よって、光が導波路内を距離ｚだけ進んだ位置でのレーザ光の強度Ｐｔｔ（ｘ，ｚ）は、距離ｚでの導波路幅をｗｔｔ（ｚ）とすると、下記数式（１２）で記述される。
【０１１７】
【数１１】
2014187299.tif 000013
【０１１８】
ここで、レーザ光がガウシアンで表される強度分布を有すると仮定しているため、レーザ光はｘ＝０でピーク強度を示す。上記数式（１１）、（１２）から、Ｐｉｎ＿ｔｔ（ｘ）とＰｔｔ（ｘ，ｚ）とのピーク強度の比は、下記数式（１３）となる。
【０１１９】
【数１２】
2014187299.tif 000014
【０１２０】
従って、導波路長をＬｔｔとし、出射端での導波路幅をｗｏｕｔ＿ｔｔとすると、入射光のピーク強度と出射光のピーク強度との比は、導波路幅の比として、下記数式（１４）のように示すことができる。
【０１２１】
【数１３】
2014187299.tif 000015
【０１２２】
ここで、Ｐｔｔ（ｘ，Ｌｔｔ）＝Ｐｏｕｔ＿ｔｔ（ｘ）、ｗｔｔ（Ｌ）＝ｗｏｕｔ＿ｔｔとした。上記数式（１４）は、テーパによりビーム幅がＭ倍（Ｍは任意の正の実数）に増幅された場合には、ピーク強度は１／Ｍ倍になることを示している。また、当該関係から、透明媒体におけるレーザ光の拡散においては、下記数式（１５）に示すように、レーザ光の強度が保存されることが分かる。
【０１２３】
【数１４】
2014187299.tif 000016
【０１２４】
［４−２．増幅媒体で形成された導波路における拡散］
次に、増幅媒体中でのレーザ光の拡散について考える。ここでは、一様な増幅媒体によって形成されるストレート形状の導波路における光の伝搬を考える。上記の透明媒体のモデルと同様、導波路の幅方向にｘ軸を取り、導波路の長さ方向にｚ軸を取り、ｘ軸の原点を導波路におけるｘ方向の中心とし、ｚ軸の原点を導波路の入射端とすると、入射光の強度Ｐｉｎ＿ａｓ（ｘ）及び出射光の強度Ｐｏｕｔ＿ａｓ（ｘ）は、下記数式（１６）で記述される。
【０１２５】
【数１５】
2014187299.tif 000017
【０１２６】
ここで、ｇはゲイン、Ｌａｓは当該モデルにおける導波路長である。ここで、ゲインｇは導波路内の電流密度Ｊに比例し、ｇＬａｓは下記数式（１７）で記述できる。
【０１２７】
【数１６】
2014187299.tif 000018
【０１２８】
ここで、Ｂｇは比例定数であり、Ｊ０は透明電流密度である。
【０１２９】
従って、当該モデルでは導波路幅が一定であることを考慮すると、数式（１４）、（１６）から、増幅媒体によって形成されるストレート形状の導波路における光の伝搬について、入射光の強度Ｐｉｎ＿ａｓ（ｘ）と出射光の強度Ｐｏｕｔ＿ａｓ（ｘ）との関係が、下記数式（１８）として得られる。
【０１３０】
【数１７】
2014187299.tif 000019
［４−３．増幅媒体で形成されたテーパ形状の導波路における拡散］
最後に、上記２つのモデル（透明媒体で形成されたテーパ形状の導波路、増幅媒体で形成されたストレート形状の導波路）に対する考察を踏まえて、増幅媒体で形成されたテーパ形状の導波路におけるレーザ光の拡散について考察する。上記数式（１４）から、導波路がテーパ形状を有する場合には、入射光の強度と出射光の強度との比は、入射端の導波路幅と出射端の導波路幅との比によって表現される。従って、数式（１４）、（１８）から、増幅媒体によって形成されるテーパ形状の導波路における光の伝搬について、入射光の強度Ｐｉｎ＿ａｔ（ｘ）と出射光の強度Ｐｏｕｔ＿ａｔ（ｘ）との関係が、下記数式（１９）として得られる。
【０１３１】
【数１８】
2014187299.tif 000020
【０１３２】
ここで、ｗｉｎ＿ａｔは増幅媒体で形成されたテーパ形状の導波路の入射端の導波路幅、ｗｏｕｔ＿ａｔは当該導波路の出射端の導波路幅、Ｌａｔは当該導波路の導波路長である。
【０１３３】
以上、３つの計算モデル（透明媒体で形成されたテーパ形状の導波路、増幅媒体で形成されたストレート形状の導波路、増幅媒体によって形成されるテーパ形状の導波路）について、入射光の強度と出射光の強度との比率を定式化した。ここで、透明媒体で形成されたテーパ形状の導波路は本実施形態に係るＳＯＡ１０の拡散部導波路１７１に対応しており、増幅媒体で形成されたテーパ形状の導波路は本実施形態に係るＳＯＡ１０の増幅部導波路１８１に対応している。従って、数式（１４）は拡散部１７０におけるレーザ光の特性を示しており、数式（１９）は増幅部１８０におけるレーザ光の特性を示していると言える。
【０１３４】
数式（１４）、（１９）における各パラメータの記号を、図４Ｂに示す記号に置き換えることにより、以下の数式（２０）、（２１）を得る。ここで、Ｐｉｎ＿Ｄ（ｘ）、Ｐｏｕｔ＿Ｄ（ｘ）、Ｐｉｎ＿Ａ（ｘ）、Ｐｏｕｔ＿Ａ（ｘ）は、それぞれ、拡散部１７０の入射光の強度、拡散部１７０の出射光の強度、増幅部１８０の入射光の強度、増幅部１８０の出射光の強度を示す。
【０１３５】
【数１９】
2014187299.tif 000021
【０１３６】
ここで、ＳＯＡ１０の入射光の強度をＰｉｎ（ｘ）、出射光の強度をＰｏｕｔ（ｘ）とすると、Ｐｉｎ（ｘ）＝Ｐｉｎ＿Ｄ（ｘ）、Ｐｏｕｔ（ｘ）＝Ｐｏｕｔ＿Ａ（ｘ）である。また、Ｐｏｕｔ＿Ｄ（ｘ）＝Ｐｉｎ＿Ａ（ｘ）であるから、上記数式（２０）、（２１）から、ＳＯＡ１０における入射光の強度Ｐｉｎ（ｘ）と出射光の強度Ｐｏｕｔ（ｘ）との関係は、下記数式（２２）で表される。
【０１３７】
【数２０】
2014187299.tif 000022
【０１３８】
ここで、光密度Ｓが大きくなった場合に、ゲインｇは所定の値で飽和する（利得の飽和が起きる）ことが知られている。従って、上記数式（２２）において、ゲインｇの飽和を考慮した近似を施す。上記［３−２．光伝搬シミュレーションについて］で説明したように、ゲインｇは上記数式（１０）で表現される。ここで、｜φ（ｘ，ｚ，ｔ）｜２が導波路１６０内におけるレーザ光の強度Ｐ（ｘ，ｚ，ｔ）であること、及び強度Ｐ（ｘ，ｚ，ｔ）のｚ軸方向の変化のみを考慮すれば、数式（１０）から下記数式（２３）が得られる。
【０１３９】
【数２１】
2014187299.tif 000023
【０１４０】
ここで、上記数式（２３）におけるｇ０Ｐ（ｘ，ｚ，ｔ）の係数の部分（１／（１＋τｇＰ（ｘ，ｚ，ｔ）／Ｅｓａｔ））は、τｇ及びＥｓａｔが定数であることを考慮すれば、Ｐ（ｘ，ｚ，ｔ）→∞で約０．６２に収束する。従って、光密度Ｓが十分大きい場合（Ｐ（ｘ，ｚ，ｔ）が十分大きい場合）には、下記数式（２４）の関係が成立する。
【０１４１】
【数２２】
2014187299.tif 000024
【０１４２】
数式（２４）は、光密度Ｓが十分大きい場合には、ゲインｇは小信号利得ｇ０の約０．６２倍までしか増加されないことを示している。当該関係を参考に、上記数式（２２）におけるｅｘｐ（ｇＬＡ）をｅｘｐ（０．６２ｇＬＡ）に置き換えることにより、下記数式（２５）に示す、利得の飽和を考慮した良い近似を得ることができる。
【０１４３】
【数２３】
2014187299.tif 000025
【０１４４】
以上の考察から、最終的に、ＳＯＡ１０における入射光の強度Ｐｉｎ（ｘ）と出射光の強度Ｐｏｕｔ（ｘ）との関係は、上記数式（２５）で表されることが分かった。以下では、上記数式（２５）を用いて、ＳＯＡ１０における導波路１６０のテーパ角θ、増幅部導波路１８１の長さＬＡ及び増幅部電流密度ＪＡに求められる条件について説明する。
【０１４５】
ＳＯＡ１０における入射光のピーク強度（Ｐｉｎ（０））と出射光のピーク強度（Ｐｏｕｔ（０））を考えると、ＳＯＡ１０に求められる最低限の性能は、ピーク強度が低下しないこと、すなわち、Ｐｉｎ（０）≦Ｐｏｕｔ（０）である。上記数式（２５）によって当該ピーク強度の関係を表現すると、ＳＯＡ１０に求められる条件として、下記数式（２６）が得られる。
【０１４６】
【数２４】
2014187299.tif 000026
【０１４７】
また、図４Ｂを参照すれば、導波路１６０における幾何的な関係から、テーパ角θ、増幅部導波路１８１の長さＬＡ、増幅部導波路１８１の入射側の導波路幅ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ、増幅部導波路１８１の出射側の導波路幅ｗｏｕｔの間には、下記数式（２７）に示す関係がある。ここで、テーパ角θが十分小さいとして、ｔａｎθ≒θ（ｒａｄ）とする近似を用いた。
【０１４８】
【数２５】
2014187299.tif 000027
【０１４９】
上記数式（２６）及び数式（２７）を用いることにより、ＳＯＡ１０の導波路１６０に関する各種のパラメータ間の関係を得ることができる。具体的には、上記数式（２６）及び数式（２７）から、増幅部導波路１８１の長さＬＡ、増幅部導波路１８１の断面積（２次元であれば増幅部導波路１８１の入射側の導波路幅ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ、増幅部導波路１８１の出射側の導波路幅ｗｏｕｔ）及び増幅部１８０におけるレーザ光の強度の増幅率ｅｘｐ（０．６２ｇＬＡ）に基づいて、導波路１６０のテーパ角θを決定することができる。
【０１５０】
上記数式（２６）及び数式（２７）を用いて、導波路１６０のテーパ角θを算出した結果を図１２に示す。図１２は、本実施形態に係るＳＯＡ１０における導波路１６０の形状を設計するためのパラメータの一例を示す表である。図１２では、導波路１６０のテーパ角θを決定する手法の一例として、拡散部導波路１７１の入射側の導波路幅ｗｉｎ、増幅部電流密度ＪＡ、増幅部導波路１８１の入射側の導波路幅ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ及び増幅部導波路１８１の長さＬＡをパラメータとして、数式（２６）、（２７）を用いてテーパ角θの最小値θｍｉｎを算出した結果を示している。なお、図１２に示す数値を得る際には、ゲインｇの値は数式（１７）から算出した。また、ＳＯＡ１０における測定結果から、Ｂｇ＝１０．８（ｃｍ／ｋＡ）、Ｊ０＝２．０（ｋＡ／ｃｍ２）としている。
【０１５１】
図１２に示すように、例えば、ＪＡ、ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ、ＬＡの値をパラメータとして変化させることにより、数式（２６）、（２７）に基づいて、ＳＯＡ１０の導波路１６０の形状に求められる条件を設計することができる。例えば、図１２によれば、ＪＡ＝４（ｋＡ／ｃｍ２）、ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ＝１．５（μｍ）、ＬＡ＝０．３５（ｃｍ）のとき、テーパ角θ＝０．８２（ｄｅｇ）であり、増幅率ｅｘｐ（０．６２ｇＬＡ）として１００以上の値を得ることができる。なお、増幅部導波路長ＬＡはＳＯＡ１０の全体的なサイズにも影響するため、例えば、各種のレーザ光源システムにＳＯＡ１０を実装する際の周囲の光学部材との配置等に応じて決定されてもよい。
【０１５２】
なお、テーパ角θの最大値は、増幅されるレーザ光の波長に応じた回折限界に基づいて決定されてよい。図７Ａ及び図７Ｂを参照して上述した、テスト用ＳＯＡ３０におけるレーザ光の強度分布測定からも分かるように、レーザ光の拡散には限界があり、そのビーム幅の広がりの限界はレーザ光の波長に応じた回折限界によって定まると考えられる。従って、導波路１６０、３６０のテーパ角θの最大値は、当該回折限界によって定まる角度以下であってよい。
【０１５３】
以上、ＳＯＡ１０における導波路１６０の形状を設計するための一手法について説明した。本手法によれば、上記の数式（２６）、（２７）に基づいて、ＳＯＡ１０における導波路１６０の形状を設計することが可能となる。また、本手法と上記［３−２．光伝搬シミュレーションについて］で説明したシミュレーション手法とを組み合わせることにより、より効率的にＳＯＡ１０における導波路１６０の形状を設計することができる。
【０１５４】
なお、以上の設計手法についての説明では、導波路１６０のｙ軸方向の厚さが一定であるとして、ｘ−ｚ平面における各種の物理量に注目して説明を行った。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、以上の説明を３次元に拡張することも可能である。例えば、本設計手法についての説明における各数式について、ｙ座標を考慮することにより、３次元空間における同様の設計手法を確立することができる。また、例えば、導波路１６０は、２次元的なテーパ形状を有するだけでなく、３次元的なテーパ形状、すなわち円錐形状を有してもよい。導波路１６０が円錐形状を有する場合、上記の説明において、ビーム幅について行っている検討を、ビーム径について行うことにより、同様の結論を得ることができる。
【０１５５】
＜５．変形例及び適用例＞
ここでは、本実施形態に係るＳＯＡ１０の変形例及び光学システムへの適用例について説明する。
【０１５６】
［５−１．異なるテーパ角を有する構成］
まず、ＳＯＡ１０の一変形例として、上記［３−２．光伝搬シミュレーションについて］で説明したシミュレーション手法と、上記＜４．ＳＯＡの設計手法＞で説明した設計手法とを組み合わせることにより得られた、本実施形態に係るＳＯＡの他の構成例について説明する。
【０１５７】
図１３を参照して、本変形例に係るＳＯＡの構成について説明する。図１３は、本実施形態の一変形例に係るＳＯＡの構成を模式的に示す概略図である。なお、図１３に示す本変形例に係るＳＯＡの積層構造は、図４Ａを参照して説明したＳＯＡ１０の積層構造と同様であるため、以下では本変形例に係るＳＯＡの積層構造についての説明は省略する。また、図１３は、図４Ｂ及び図６に対応する図であり、本変形例に係るＳＯＡを、半導体層の積層方向における直上方向から見た場合の構成を模式的に示しており、導波路をハッチングによって示している。
【０１５８】
図１３を参照すると、本変形例に係るテスト用ＳＯＡ２０の構成部材の中で、ｎ型クラッド層２３０及び活性層２１０（導波路２６０）のみが図示されている。ただし、上述したように、ＳＯＡ２０は、図４Ａに示すＳＯＡ１０の積層構造と同様の積層構造を有しており、図１３には図示されない他の構成、例えばｐ型クラッド層、下部電極及び上部電極（拡散部電極、増幅部電極）を有する。図１３に示すように、本実施形態に係るテスト用ＳＯＡ２０は、拡散部２７０及び増幅部２８０を有する。また、導波路２６０は、拡散部２７０に含まれる拡散部導波路２７１と、増幅部２８０に含まれる増幅部導波路２８１とに分割されている。更に、拡散部導波路２７１は、拡散部導波路２７１の幅が略一定であるストレート部２７２と、拡散部導波路２７１の断面積がレーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなるテーパ形状を有するテーパ部２７３とを有する。ここで、ＳＯＡ２０の機能及び構成は、導波路２６０（拡散部導波路２７１及び増幅部導波路２８１）の形状が異なること以外は、ＳＯＡ１０の機能及び構成と同様であるため、以下では主にその相違点について説明することとし、重複する構成については詳細な説明を省略する。また、以下のＳＯＡ２０の構成についての説明では、図４Ｂに付した各寸法を表す記号と同一の記号を使用して説明を行う。
【０１５９】
図１３に示すように、本変形例に係るＳＯＡ２０は、図４Ａ及び図４Ｂに示すＳＯＡ１０に対して、ｗｏｕｔ、ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ、Ｌ、ＬＤ、ＬＤＳ、ＬＤＴ、ＬＡ、θの各寸法を変更したものに対応する。具体的には、ＳＯＡ２０におけるこれらの各寸法は、ｗｏｕｔ≒１５０（μｍ）、ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ≒４０（μｍ）、Ｌ≒３０００（μｍ）、ＬＤ≒１５００（μｍ）、ＬＤＳ≒１０００（μｍ）、ＬＤＴ≒５００（μｍ）、ＬＡ≒１０００（μｍ）、θ≒２．１（ｄｅｇ）である。このように、ＳＯＡ２０は、ＳＯＡ１０に対して、拡散部導波路２７１のテーパ角θを大きくしたものに対応している。
【０１６０】
以上、図１３を参照して、本変形例に係るＳＯＡ２０の構成、特に導波路２６０の形状について説明した。このような形状を有するＳＯＡ２０の特性を確認するために、ＳＯＡ２０について、上記［３−２．光伝搬シミュレーションについて］で説明したシミュレーション手法による数値計算を行った。そのシミュレーション結果を図１４Ａ−図１４Ｃ及び図１５に示す。
【０１６１】
図１４Ａ−図１４Ｃは、ＳＯＡ２０について、シミュレーションから得られた各種の物理量をｘ−ｚ平面上にプロットした等高線図であり、上記［３−３．光伝搬シミュレーションの結果］で説明したＳＯＡ１０についてのシミュレーション結果である図１０Ａ−図１０Ｃに対応している。図１４Ａは、本変形例に係るＳＯＡ２０について、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の実数部の値を示す等高線図である。図１４Ｂは、本変形例に係るＳＯＡ２０について、シミュレーションから得られた各座標における複素誘電率の虚数部の値を示す等高線図である。図１４Ｃは、本変形例に係るＳＯＡ２０について、シミュレーションから得られた各座標における光強度の値を示す等高線図である。図１５は、図１４Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示すグラフである。なお、図１４Ａ−図１４Ｃ及び図１５に示す結果は、図１０Ａ−図１０Ｃ及び図１１に示すＳＯＡ１０についてのシミュレーションと同様の条件でシミュレーションを行った結果である。
【０１６２】
図１４Ａを参照すると、ＳＯＡ２０の増幅部２８０においては、複素誘電率の実数部の値（すなわち導波路２６０の媒体の屈折率を示す指標）については、図１０Ａに示すＳＯＡ１０についての結果と同様、導波路２６０のｘ軸における中央付近でより大きく、導波路２６０と周囲の他の層との境界付近でより小さくなっていることが分かる。また、図１４Ｂを参照すると、ＳＯＡ２０の増幅部２８０においては、複素誘電率の虚数部の値（すなわち導波路２６０の媒体の増幅率を示す指標）についても、図１０Ｂに示すＳＯＡ１０についての結果と同様、導波路２６０のｘ軸における中央付近でより小さく、導波路２６０と周囲の他の層との境界付近でより大きくなっていることが分かる。また、図１４Ｃを参照すると、ＳＯＡ２０の増幅部２８０における光強度の分布は、図１０Ｃに示すＳＯＡ１０についての結果とは異なり、導波路２６０のｘ軸における中央付近に強度の高い領域が集中しておらず、同程度の強度を有する領域がｘ軸方向に分散されていることが分かる。これらの結果から、ＳＯＡ２０の増幅部２８０においては、ＳＯＡ１０よりもテーパ角θを大きくしたことにより、レーザ光が拡散される効果がより顕著に表れていると考えられる。
【０１６３】
また、図１５に、図１４Ｃに示す出射端に対応する位置でのｘ軸方向におけるレーザ光の強度分布を示す。なお、図１５のグラフの形式（縦軸及び横軸に取っている物理量やビーム幅の定義等）は、図１１と同様であるため詳細な説明は省略する。図１５を参照すると、シミュレーションから得られたＳＯＡ２０の出射端でのビーム幅は約１３５（μｍ）であった。この結果から、テーパ角θを大きくすることにより、ビーム幅の狭化がより抑制されていることが分かる。また、ＳＯＡ２０について、増幅率ｅｘｐ（０．６２ｇＬＡ）を計算したところ、増幅率として１３５という高い数値が得られた。
【０１６４】
以上、図１４Ａ−図１４Ｃ及び図１５を参照して、本変形例に係るＳＯＡ２０の導波路２６０における光の挙動について説明した。以上説明したように、本変形例に係るＳＯＡ２０は、本実施形態に係るＳＯＡ１０に比べて導波路２６０のテーパ角θが大きく設定される。従って、拡散部２７０においてレーザ光がより拡散され、増幅部２８０においてレーザ光を増幅させても、ビーム幅の狭化を更に抑えることが可能となる。
【０１６５】
［５−２．ＭＯＰＡへの適用］
次に、以上説明してきた本実施形態に係るＳＯＡ１０、２０を光学システムに適用する場合の適用例について説明する。なお、以下では、本実施形態に係るＳＯＡ１０を例に挙げて適用例についての説明を行うが、本適用例はかかる例に限定されず、本実施形態に係るＳＯＡであれば他の構成を有するＳＯＡにも適用可能である。
【０１６６】
図１６を参照して、ＳＯＡ１０が適用される光学システムの一例として、主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ：Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）システムについて説明する。ＭＯＰＡシステムとは、半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザ（ＭＬＬＤ：Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）をマスターレーザとして、当該モードロックレーザの出力を半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で増幅するシステムのことである。
【０１６７】
図１６は、本実施形態に係るＳＯＡ１０を備えるＭＯＰＡシステムの一構成例を示す概略図である。図１６を参照すると、ＭＯＰＡシステム５０は、モードロック発振器（Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）５１０、レンズ５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃ、アイソレータ５３０、プリズムペア５４０、λ／２板５５０及び本実施形態に係るＳＯＡ１０を有する。なお、図１６では、ＭＯＰＡシステム５０の一例として、青色のパルスレーザ光を出力するＭＯＰＡシステム５０の構成について図示している。ただし、本実施形態に係るＭＯＰＡシステム５０は、青色のパルスレーザ光を出力するものに限定されず、他の波長帯域のパルスレーザ光を出力してもよい。また、ＭＯＰＡシステム５０が他の波長帯域のパルスレーザ光を出力する場合には、ＭＯＰＡシステム５０が有する各構成部材の光学特性は、出力するパルスレーザ光の波長帯域に応じて適宜調整されてよい。
【０１６８】
モードロック発振器５１０は、所定の波長の光を射出する半導体レーザの出力を共振器構造によって共振させることにより、パルス状のレーザ光を射出する。モードロック発振器５１０は、レーザダイオード５１１、コリメータレンズ５１２、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）５１３及び出力ミラー５１４を有する。
【０１６９】
レーザダイオード５１１は、例えば、ＧａＩｎＮを主原料とする分割式レーザダイオード（ＢＳ−ＬＤ：Ｂｉｓｅｃｔｉｏｎａｌ−Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）である。また、レーザダイオード５１１は、上述したモードロックレーザダイオード（ＭＬＬＤ）として機能し、例えば約３５０ｎｍから約５００ｎｍまでの間の波長帯域のパルスレーザ光を出射することができる。
【０１７０】
レーザダイオード５１１から出射されたパルスレーザ光は、コリメータレンズ５１２、バンドパスフィルタ５１３及び出力ミラー５１４を通過して、モードロック発振器５１０から出射される。なお、モードロック発振器５１０から出射されるパルスレーザ光は、バンドパスフィルタ５１３によって、例えば波長が約４０５ｎｍに調整されている。
【０１７１】
レーザダイオード５１１から出射されたパルスレーザ光は、後段に設けられるレンズ５２０ａ、アイソレータ５３０、プリズムペア５４０、λ／２板５５０及びレンズ５２０ｂを順に通過して、本実施形態に係るＳＯＡ１０に入射する。λ／２板５５０によってパルスレーザ光の偏光方向が調整される。また、プリズムペア５４０を通過することにより、ＳＯＡ１０に入射するパルスレーザ光のカップリング効率（ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が向上する。ＳＯＡ１０によって増幅されたパルスレーザ光は、レンズ５２０ｃを介して、外部に出力される。
【０１７２】
以上、図１６を参照して、本実施形態に係るＳＯＡ１０が適用される光学システムの一例として、ＭＯＰシステム５０の一構成例について説明する。本実施形態に係るＳＯＡ１０がＭＯＰＡシステム５０に適用されることにより、ビーム幅の狭化がより抑制されたパルスレーザ光の強度の増幅が可能となるため、ＭＯＰＡシステム５０の出力光として、より高い値にまで強度が増幅されたパルスレーザ光をより安定的に得ることができる。従って、より高性能のＭＯＰＡシステム５０が実現される。
【０１７３】
なお、上記では、本実施形態に係るＳＯＡ１０が適用される光学システムの一例として、ＭＯＰＡシステム５０を挙げて説明を行ったが、本実施形態に係るＳＯＡ１０が適用される光学システムはかかる例に限定されない。本実施形態に係るＳＯＡ１０は、レーザ光の強度の増幅機能を有する公知の各種の光学システムに適用可能である。
【０１７４】
＜６．まとめ＞
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１７５】
本実施形態に係るＳＯＡ１０、２０によれば、拡散部１７０、２７０によってレーザ光を拡散させた後に、増幅部１８０、２８０によってレーザ光の強度を増幅させる。従って、本実施形態に係るＳＯＡ１０、２０においては、例えば、レーザ光のピーク強度を既存のＳＯＡ９１０と同程度にまで増幅した場合であっても、レーザ光の幅の狭化をより抑制することが可能となる。このように、本実施形態に係るＳＯＡ１０、２０によれば、より安定的にレーザ光の強度を増幅することができる。
【０１７６】
また、キャリア誘起屈折率変化を取り込んだ新たな光伝搬シミュレーション手法を開発した。当該シミュレーション手法により、本実施形態に係るＳＯＡ１０、２０の導波路１６０、２６０におけるレーザ光の挙動を視覚的に表すことが可能となった。また、当該シミュレーション手法を用いた解析により、導波路１６０、２６０における屈折率の変化には光密度Ｓが大きな影響を及ぼしているとの知見が得られた。
【０１７７】
当該知見に鑑みると、既存のＳＯＡ９１０は、いわば拡散部と増幅部とが一体的に形成された構成を有するため、収束現象を抑制するために光密度を小さくすると十分な増幅率を得ることができない反面、増幅率を高めると光密度が大きくなり収束現象を抑制することができなかった。つまり、既存のＳＯＡ９１０においては、高い増幅率とビーム幅の狭化の抑制とを両立させることが困難であった。一方、本実施形態に係るＳＯＡ１０、２０は、拡散部１７０、２７０と増幅部１８０、２８０とに分割されており、拡散部１７０、２７０では、拡散部電流密度ＪＤが、拡散部１７０、２７０においてレーザ光の強度を増幅しないように制御される。よって、拡散部１７０、２７０の光密度Ｓが小さく保たれ、拡散部１７０、２７０における屈折率の変化、すなわち収束現象（ビーム幅の狭化）が抑制される。従って、拡散部１７０、２７０においてレーザ光の拡散が効率的に行われる。
【０１７８】
また、本実施形態に係るＳＯＡ１０、２０における導波路１６０、２６０の形状を決定するための設計手法について説明した。当該設計手法を用いて、本実施形態に係る他の構成を有するＳＯＡを設計することが可能となる。例えば、当該設計手法を用いることにより、増幅部導波路１８１、２８１の長さＬＡ、増幅部導波路１８１、２８１の断面積（２次元であれば増幅部導波路１８１、２８１の入射側の導波路幅ｗｏｕｔ＿ｄｉｆ、増幅部導波路１８１、２８１の出射側の導波路幅ｗｏｕｔ）及び増幅部１８０、２８０におけるレーザ光の強度の増幅率ｅｘｐ（０．６２ｇＬＡ）に基づいて、導波路１６０、２６０のテーパ角θを決定することが可能となる。
【０１７９】
更に、上述した本実施形態に係るシミュレーション手法及び設計手法を併用することにより、より効率的に本実施形態に係る他の構成を有するＳＯＡを設計することが可能となる。
【０１８０】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１８１】
例えば、上記実施形態では、増幅されるレーザ光が青色のレーザ光（例えば、波長帯域が約３５０ｎｍ〜約５００ｎｍのレーザ光）であるＳＯＡの機能及び構成について説明したが、本技術はかかる例に限定されない。例えば、本実施形態に係るＳＯＡが増幅するレーザ光の波長は上述した青色帯域以外のあらゆる波長帯域のレーザ光であってもよく、その場合、ＳＯＡの各構成部材は、増幅するレーザ光の波長帯域に応じた光学特性を有する様に、適宜選択、調整されてよい。
【０１８２】
また、上記実施形態では、導波路１６０、２６０のｙ軸方向の厚さが一定であるとして、ｘ−ｚ平面における各種の物理量に注目して説明を行った。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、上記実施形態を３次元に拡張することも可能である。例えば、本実施形態において、導波路１６０、２６０は、２次元的なテーパ形状を有するだけでなく、３次元的なテーパ形状、すなわち円錐形状を有してもよい。また、例えば、上記［３−２．光伝搬シミュレーションについて］及び上記＜４．ＳＯＡの設計手法＞で記載した各数式を、ｙ座標まで考慮した形式に拡張することにより、３次元空間における同様のシミュレーション手法及び設計手法を確立することができる。また、本実施形態を３次元に拡張した場合には、上記実施形態において、ビーム幅について行っている説明をビーム径について行えばよく、３次元に拡張された本実施形態においても、上述した２次元の実施形態と同様の結果、効果を得ることができる。
【０１８３】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）第１の電流密度で駆動し、入射したレーザ光を導波する第１の導波路を通過する前記レーザ光のビーム径を広げる拡散部と、前記第１の電流密度よりも大きい第２の電流密度で駆動し、前記拡散部によってビーム径を広げられた前記レーザ光を導波する第２の導波路を通過する前記レーザ光の強度を増幅する増幅部と、を備え、前記拡散部の前記第１の導波路は、前記第１の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、光増幅器。
（２）前記増幅部の前記第２の導波路の断面積は、前記拡散部の前記第１の導波路の断面積よりも大きい、前記（１）に記載の光増幅器。
（３）前記増幅部の前記第２の導波路は、前記第２の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、前記（１）又は（２）に記載の光増幅器。
（４）前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、前記レーザ光の進行方向と垂直な第１の方向に対して一定の厚さを有し、前記拡散部の前記第１の導波路は、前記第１の方向と直交する平面内において前記テーパ形状を有し、前記拡散部は、前記第１の導波路を通過する前記レーザ光の、前記レーザ光の進行方向及び前記第１の方向と互いに垂直な第２の方向におけるビーム幅を広げる、前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の光増幅器。
（５）前記拡散部の前記第１の導波路の前記テーパ形状におけるテーパ角は、前記増幅部の前記第２の導波路の長さ、前記増幅部の前記第２の導波路の断面積及び前記増幅部における前記レーザ光の強度の増幅率に基づいて決定される、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の光増幅器。
（６）前記拡散部の前記第１の導波路の前記テーパ形状におけるテーパ角は、０度よりも大きく、かつ、前記レーザ光の回折限界によって定まる角度以下である、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の光増幅器。
（７）前記増幅率は、前記光増幅器への入射光の強度に対する前記光増幅器からの出射光の強度の比率である、前記（５）に記載の光増幅器。
（８）前記拡散部は、前記第１の電流密度によって、前記拡散部において前記レーザ光の強度を増幅させないように駆動される、前記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の光増幅器。
（９）前記第１の電流密度は、３ｋＡ／ｃｍ２以下である、前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の光増幅器。
（１０）前記レーザ光は、３５０ｎｍから５００ｎｍの間の波長を有する、前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の光増幅器。
（１１）前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、ＧａＩｎＮを主成分とする材質によって形成される、前記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の光増幅器。
（１２）入射したレーザ光を導波する第１の導波路に第１の電流密度を与えることにより、前記第１の導波路を通過する前記レーザ光のビーム径を広げることと、ビーム径を広げられた前記レーザ光を導波する第２の導波路に、前記第１の電流密度よりも大きい第２の電流密度を与えることにより、前記第２の導波路を通過する前記レーザ光の強度を増幅することと、を含み、前記第１の導波路は、前記第１の導波路の断面積が前記レーザ光の進行方向に向かうにつれて徐々に広くなる、テーパ形状を有する、光増幅方法。
【符号の説明】
【０１８４】
１０、２０    半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１１０、２１０、３１０    活性層
１２０    ｐ型クラッド層
１３０、２３０、３３０    ｎ型クラッド層
１４０    上部電極
１４１    拡散部上部電極
１４２    増幅部上部電極
１５０    下部電極
１６０、２６０、３６０    導波路
１７０、２７０、３７０    拡散部
１７１、２７１、３７１    拡散部導波路
１７２、２７２    ストレート部
１７３、２７３    テーパ部
１８０、２８０、３８０    増幅部
１８１、２８１、３８１    増幅部導波路
３０    テスト用ＳＯＡ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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