CN114788100A - 平面波导型放大器和激光雷达装置 - Google Patents

平面波导型放大器和激光雷达装置 Download PDF

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Abstract

平面波导型放大器(1)具备平面波导(7)，该平面波导(7)具有平板状的芯(71)、设置于芯(71)的第1主面的第1包层(72)、以及设置于芯(71)的第2主面的第2包层(72)，信号光(A)和激励光(B)以在芯(71)的内部光路彼此重合且锯齿状地传播的方式向平面波导(7)入射，芯(71)是包含成为三能级系统的活性离子的稀土类元素的放大介质，与激励光(B)的强度的下降相应地吸收信号光(A)。

Description

平面波导型放大器和激光雷达装置
技术领域
本公开涉及平面波导型放大器和具备该平面波导型放大器的激光雷达装置。
背景技术
平面波导型放大器是将沿平板状的光波导(以下记载为平面波导的)传输的光放大的光放大器。例如，在专利文献1中，记载了一种使信号光在平面波导的内部多次反射并传播的光放大器。在专利文献1所记载的光放大器中，平面波导内的芯被激励光激励，信号光在激励后的芯内多次反射并传播。由此，将信号光放大。
此外，在专利文献1所记载的光放大器中，激励光对平面波导内的芯整体进行激励，芯内的信号光不通过的部分也被激励。由于芯内的信号光不通过的部分对信号光的放大没有帮助，因此，激励光的能量转换成能够用于放大信号光的能量的效率下降。
例如，光波导具有沿信号光的传输方向伸长的芯，在芯内的信号光不通过的部分，激励光的能量在该芯蓄积，成为具有增益的状态。另一方面，在光波导内的信号光通过的部分，蓄积于芯的能量被用于信号光的放大，因此，在信号光通过的部分与信号光不通过的部分之间相对的增益下降。
在光波导内的信号光不通过的部分，如上述那样成为具有增益的状态。因此，如果从芯整体自发辐射的自发辐射光或者信号光的一部分散射后的散射光在光波导内的信号光不通过的部分被放大，则产生放大自发辐射光(以下记载为ASE(amplified spontaneousemission))或者引起寄生振荡。ASE和寄生振荡均成为限制放大器的输出的原因。在平面波导型放大器用于激光雷达装置的情况下，较强的ASE的存在成为激光雷达装置中的信噪比(以下记载为S/N比)的劣化原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-160645号公报
发明内容
发明要解决的问题
在以往的光放大器中，光波导内的信号光不通过的部分也被激励光激励，由此产生ASE，因此，在用于激光雷达装置的情况下存在S/N比下降这样的问题。
本公开用于解决上述问题，其目的在于，得到一种能够抑制ASE的产生的平面波导型放大器以及具备该平面波导型放大器的激光雷达装置。
用于解决问题的手段
本公开的平面波导型放大器具备平面波导，该平面波导具有：平板状的芯，其在被激励光激励的状态下对信号光进行放大；第1包层，其设置于芯的第1主面，将从芯传播来的光向该芯反射；以及第2包层，其设置于芯的与第1主面相反的一侧的第2主面，将从芯传播来的光向该芯反射，信号光和激励光以在芯的内部光路彼此重合且锯齿状地传播的方式向平面波导入射，芯是包含成为三能级系统的活性离子的稀土类元素的放大介质，与激励光的强度的下降相应地吸收信号光。
发明的效果
根据本公开，具备平面波导，该平面波导具有平板状的芯、设置于芯的第1主面的第1包层以及设置于芯的第2主面的第2包层，信号光和激励光以在芯的内部光路彼此重合且锯齿状地传播的方式向平面波导入射，芯是包含成为三能级系统的活性离子的稀土类元素的放大介质，与激励光的强度的下降相应地吸收信号光。由此，平面波导中的信号光不通过的部分不容易被激励，在平面波导中的激励光的强度低的部分，信号光的散射光被芯吸收，因此，本公开的平面波导型放大器能够抑制ASE的产生。
附图说明
图1是示出实施方式1的平面波导型放大器的结构的框图。
图2是示出实施方式1的平面波导型放大器具有的平面波导的结构的剖视图。
图3是示出实施方式1的平面波导型放大器的第1变形例的结构的框图。
图4是示出实施方式1的平面波导型放大器的第2变形例的结构的框图。
图5是示出实施方式1的平面波导型放大器的第3变形例的结构的框图。
图6是示出实施方式1的平面波导型放大器的第4变形例的结构的框图。
图7是示出实施方式2的平面波导型放大器具有的平面波导的结构的剖视图。
图8是示出实施方式3的激光雷达装置的结构例的框图。
具体实施方式
实施方式1.
在以下说明的实施方式中，平板状的光波导是由具有光学特性的物质(以下记载为光学材料)制作而成且供光传播的传输通路。此外，光波导不仅传播光，还组入有用于对光的传播所需的电元件和光路进行分支或耦合的构造。在以下的说明中，光波导的“构造”这样的用语被用于除了光波导的尺寸这样的机械构造之外还包含所使用的光学材料及其特性的概念。此外，“平板状”这样的用语包含片状的形状。
图1是示出实施方式1的平面波导型放大器1的结构的框图。平面波导型放大器1是将信号光A放大的放大器，如图1所示，具备信号光源2、入射光学系统3、出射光学系统4、波长分离滤波器5、激励光源6以及平面波导7。信号光源2是出射信号光A的光源。激励光源6是射出激励光B的光源。平面波导7具备全反射膜8、全反射膜9、全反射膜10、防反射膜11以及防反射膜12。
入射光学系统3是使从信号光源2传播来的信号光A与平面波导7耦合的光学系统。此外，入射光学系统3为了避免从平面波导7传播来的反射光或ASE入射到信号光源2而变更其光路。在入射光学系统3中例如使用柱面透镜和隔离器，通过柱面透镜，使信号光A向平面波导7入射，朝向信号光源2的激励光B被隔离器分离。
如图1所示，全反射膜8与全反射膜9在平面波导7中对置配置，全反射膜10在平面波导7的内部配置于切换光的去路和归路的切换位置。防反射膜11配置在平面波导7中的信号光A的入射部分，防反射膜12配置在平面波导7中的激励光B的入射部分。
从信号光源2射出的信号光A被入射光学系统3引导至平面波导7，通过防反射膜11而向平面波导7入射。信号光A在平面波导7的内部一边在全反射膜8、全反射膜9以及全反射膜10上分别反射一边在锯齿状的光路中沿着与激励光B相反的方向传播。信号光A以角度θ9向全反射膜9入射，以角度θ8向全反射膜8入射，以角度θ10向全反射膜10入射。信号光A通过在全反射膜10上进行反射而切换去路与归路，向出射侧传播。
出射光学系统4是使从激励光源6传播来的激励光B与平面波导7耦合的光学系统。例如，出射光学系统4由对从激励光源6射出的光进行准直的柱面透镜构成。波长分离滤波器5通过透射信号光A并反射激励光B而将信号光A的波长与激励光B的波长分离。从平面波导7射出的信号光A在波长分离滤波器5透射而被取出。
从激励光源6射出的激励光B被波长分离滤波器5引导至平面波导7，通过防反射膜12向平面波导7入射。激励光B在平面波导7的内部一边在全反射膜8、全反射膜9以及全反射膜10上分别反射一边在锯齿状的光路中沿着与信号光A不同的方向传播。另外，激励光B以角度θ8向全反射膜8入射，以角度θ9向全反射膜9入射，以角度θ10向全反射膜10入射。激励光B通过在全反射膜10上进行反射而切换去路和归路，向出射侧传播。
信号光A和激励光B在平面波导7的内部，传播光路彼此重合。信号光A的传播光路与激励光B的传播光路重合的状态例如除了彼此的光路的光轴一致的状态之外，还包含彼此的光轴稍微偏移的状态。例如，在假定为信号光A和激励光B存在于传播光路上的同一位置的情况下，该位置处的信号光A的光束截面与激励光B的光束截面位于包含彼此的光轴而重合的范围即可。
由于信号光A的传播光路与激励光B的传播光路重合，因此，在平面波导7的内部，信号光A不通过的部分不容易被激励。由此，自发辐射光或者信号光A的一部分散射后的散射光在信号光A不通过的部分不容易被放大。因此，平面波导型放大器1抑制了ASE的产生，能够将激励光B的能量高效地用于信号光A的放大。
另外，全反射膜8、全反射膜9以及全反射膜10是对信号光A和激励光B双方进行反射的反射膜。对信号光A和激励光B双方进行反射的反射膜相比于反射信号光A并透射激励光B的波长分离膜，构造简单且成膜容易，因此，能够实现低成本化，并且反射特性的可靠性也优异。
图2是示出平面波导型放大器1具有的平面波导7的结构的剖视图。如图2所示，平面波导7具备芯71、第1包层72、第2包层73以及散热器100。芯71是通过被激励光B激励而将信号光A放大的平板状的芯。
第1包层72被设置为接合于芯71的第1主面，将在芯71中传播来的光向芯71的内部反射。第2包层73被设置为接合于芯71中的与第1主面相反的一侧的第2主面，将在芯71中传播来的光向芯71的内部反射。
在芯71的折射率n71和光相对于全反射膜8的角度θ8满足下述式(1)所示的全反射条件的情况下，平面波导7也可以不具有全反射膜8。此外，在芯71的折射率n71和光相对于全反射膜9的角度θ9满足下述式(1)所示的全反射条件的情况下，平面波导7也可以不具有全反射膜9。在芯71的折射率n71和光相对于全反射膜10的角度θ10满足下述式(1)所示的全反射条件的情况下，平面波导7也可以不具有全反射膜10。但是，在下述式(1)中，空气的折射率是1(下述式(1)的右边的分子的值)。
sinθ≧1/n71···(1)
在芯71满足光的全反射条件的情况下，省略在平面波导7设置全反射膜的工序。在芯71满足光的全反射条件的平面波导7中，能够代替设置全反射膜，在表面上实施保护涂层。例如，磷酸玻璃虽然存在具有吸湿性的缺点，但具有即便高浓度地添加了Er、Yb、Tm、Nd以及Ho这样的稀土类元素，特性也不易劣化这样的特征。因此，通过将高浓度地添加了稀土类元素的磷酸玻璃用于芯71，平面波导型放大器1能够得到高放大率。但是，由于磷酸玻璃具有吸湿性，会由于暴露在大气中而导致光学特性劣化。由于在芯71的较宽的2个主面接合有第1包层72和第2包层73，因此，为了防止暴露于大气而在侧面实施保护涂层是有效的。作为该保护涂层的涂层材料，能够使用SiO2薄膜等。
在芯71中，例如使用添加了Er、Yb、Tm、Nd以及Ho这样的稀土类元素的玻璃、添加了Nd：YVO4这样的稀土类的晶体、将Yb：YAG这样的稀土类元素添加晶体材料作为原料的陶瓷、或者添加了Cr：YAG或Ti：Sapphire这样的过渡金属的晶体。包含这些光学材料中的任意材料的芯71是吸收激励光B而形成反转分布并通过辐射跃迁而产生增益的增益产生构件。
添加了Er、Yb以及Tm这样的稀土类元素的芯71是所谓的三能级系统的放大介质。这些稀土类元素在被激励后成为三能级系统的活性离子。三能级系统的活性离子是在信号光A的放大中跃迁到3个能级的活性离子。在添加了这样的稀土类元素的芯71中，如果在对信号光A进行放大时吸收足够强度的激励光B则将信号光A放大，当激励光B的强度小于信号光A或者激励光B不再存在时，对信号光A进行吸收。以下，设为芯71是同时添加了Er和Yb的玻璃。
第1包层72和第2包层73是相对于从信号光源2射出的信号光A和从激励光源6射出的激励光B而透明的平板状的光学材料。第1包层72和第2包层73的材料例如也可以使用光学玻璃。在第1包层72和第2包层73中，通常使用相同的光学材料。但是，在第1包层72和第2包层73中，能够使用彼此不同的光学材料。
第1包层72和第2包层73使用折射率比芯71低的光学材料。由此，信号光A在芯71与第1包层72的界面被全反射，在芯71与第2包层73的界面被全反射，以被封入到芯71的内部的状态传播。
第1包层72或第2包层73中的至少一方由折射率接近芯71的光学材料形成。在芯71中传播单模或少模的信号光A。例如，在芯71的折射率n71为1.530、第1包层72的折射率和第2包层73的折射率均为1.527、芯71的厚度为7μm的情况下，波长1.55μm(1550nm)的光以单模传播。
在芯71、第1包层72以及第2包层73各自的折射率为上述值的平面波导7中，通常，传播单模或少模的激励光B。在该情况下，在激励光源6中，需要单模光源这样的光束品质良好的光源。高输出的单模光源通常是高价的。但是，在芯71由同时添加了Er和Yb的玻璃构成的情况下，作为激励光源6，例如能够使用掺Yb光纤激光器。掺Yb光纤激光器是在光纤的芯中添加了Yb的激光器，是比较低价且高输出的单模光源。
信号光源2将芯71具有增益的波长的光作为信号光A射出。此外，信号光源2具备在图1中省略了记载的激光光源、调制器、前置放大器以及隔离器。在第1包层72和第2包层73中的至少一方由具有与芯71的折射率接近的折射率的材料构成的情况下，在信号光源2中，使用出射单模或者接近单模的光的光束品质良好的光源。
芯71通过吸收激励光B而蓄积用于放大信号光A的能量。此外，芯71构成为与激励光B的强度的下降相应地不对信号光A进行放大而是将其吸收。其中，对平面波导7中的光的传播长度和每单位长度的激励光B的吸收率进行调整，使得在从入射到芯71起到出射为止的期间，激励光B的强度不比信号光A的强度低。
在由同时添加了Er和Yb的玻璃构成的芯71中，Yb(镱)主要吸收激励光B，Er(铒)主要对信号光A进行放大。平面波导7例如通过改变芯71所包含的Yb的浓度来调整芯71的每单位长度的激励光B的吸收率。
此外，芯71的每单位长度的激励光B的吸收率根据激励光B的波长而变化。例如，通过选择出射目标波长的激励光B的激励光源6，来调整芯71的每单位长度的激励光B的吸收率。另外，在平面波导型放大器1中，芯71的材料与激励光源6的组合不限定于上述的组合。
例如，在芯71包含Er的平面波导型放大器1中，有时使用波长1550nm的光作为信号光A，使用波长1480nm的光作为激励光B。在该情况下，考虑在平面波导7形成将波长彼此不同的2个光分离或耦合的电介质多层膜。
但是，关于将波长1550nm和波长1480nm那样波长接近的2个光分离的电介质多层膜，膜数多，膜应力容易变高。因此，在形成有电介质多层膜的平面波导7中，容易产生由膜应力引起的变形或破裂。
在平面波导型放大器1中，除了平面波导7之外还具备波长分离滤波器5，因此，在平面波导7中，需要对信号光A和激励光B双方进行反射的全反射膜8、全反射膜9以及全反射膜10。信号光A与激励光B的波长越接近，则全反射膜8、全反射膜9以及全反射膜10越能够容易地成膜，也越能够抑制由量子缺陷引起的效率的下降。
在第1包层72和第2包层73中，有时由具有与芯71的折射率不同的折射率的材料构成。在该情况下，信号光A和激励光B在芯71的内部均以多模进行传播，因此，平面波导7作为多模的波导发挥功能。
例如，在芯71的折射率为1.530、厚度为20μm、第1包层72和第2包层73的折射率均为1.47的情况下，波长1.55μm(1550nm)的光进行多模传播。由此，能够使用多模光源作为激励光源6。例如，激光二极管是多模光源，能够作为激励光源6而使用。
在平面波导7中传播的光的强度高的情况下，通过芯71发热而成为高温。为了排出由芯71产生的热，如图2所示，在平面波导7中的第2包层73接合有散热器100。在将平面波导7中的热流密度设为j且将热传导率设为λ的情况下，平面波导7中的温度T的变化能够由下述式(2)表示。
j＝-λgradT···(2)
在平面波导7中的光的传播方向上，温度被视作是均匀的，因此，在上述式(2)中，在将平面波导7的厚度方向的坐标设为z轴坐标时，z轴方向的热流密度jz能够由下述式(3)表示。
jz＝-λ(dT/dz)···(3)
例如，在第2包层73的热传导率约为1且第2包层73的厚度为30μm的情况下，第2包层73中的为了使芯71的第2主面与其相反侧的面的温度差成为1度而需要的热流密度是3.33×10-2W/mm2。这意味着在假定为散热器100的温度固定且平面波导7的面积为1000mm2的情况下，在芯71中产生33.3W的热量时，温度上升1度。芯71中具有最大面积的主面经由第2包层73而与散热器100对置，因此，由芯71产生的热被散热器100高效地排出。由此，抑制了平面波导7的温度上升。
另外，散热器100也可以设置于第1包层72的与芯71相反的一侧的面，还可以设置于第1包层72的与芯71相反的一侧的面和第2包层73的与芯71相反的一侧的面双方。在这样构成的平面波导7中，也通过散热器100将由芯71产生的热高效地排出。由此，抑制了平面波导7的温度上升。
入射到平面波导7的信号光A沿着图2中的与纸面垂直的方向在芯71与第1包层72及第2包层73的界面进行全反射，由此被封入到平面波导7的内部。此外，在图2中的与纸面平行的方向上，信号光A作为准直光进行自由传播。因此，平面波导7中的信号光A与在通常的光纤中传播的光相比，光束面积大，抑制了作为光纤中的光输出的限制原因的非线性现象。即，平面波导7能够将信号光A放大至比能够利用光纤实现的峰值输出高的峰值输出。
芯71的针对信号光A的每单位长度的放大率由芯71所使用的材料的受激辐射截面面积、最小反转率以及稀土类离子的浓度决定。稀土类离子的浓度有助于反转率和放大。芯71的反转率与激励光B的光子密度(亮度)相应地变高。但是，芯71的反转率具有上限，最大为1。
当芯71的反转率变高时，根据稀土类离子的种类和浓度，产生由上转换(upconversion)引起的放大效率的下降。此外，受激辐射截面面积和最小反转率由稀土类离子的种类和信号光A的波长决定。因此，信号光A的每单位长度的放大率具有上限。平面波导型放大器1为了提高信号光A的放大率而使信号光A在芯71的内部进行长距离传播。
在平面波导型放大器1中，信号光A和激励光B的光路在芯71的内部彼此重合，并且信号光A和激励光B彼此在相反方向上呈锯齿状传播。由于信号光A在锯齿状的光路传播，因此，在芯71的内部进行长距离传播。由于信号光A的光路与激励光B自身的光路重合，因此激励光B与信号光A同样地在芯71的内部进行长距离传播。由此，芯71中的信号光A的放大率提高。
此外，在从入射到芯71起到出射为止的激励光B的光路中，在对信号光A进行放大时吸收足够强度的激励光B，因此，信号光A被高效地放大。芯71中的信号光A不通过的部分也是激励光B不通过的部分，因此，不容易通过激励光B来激励信号光A不通过的部分。由此，抑制了自发辐射光的产生，抑制了因自发辐射光引起的ASE的产生。
在芯71中，成为三能级系统的活性离子的稀土类元素吸收激励光B不通过的部分的信号光A、信号光A的散射光以及ASE。由此，抑制了ASE的产生，因此，能够将激励光B的能量高效地用于信号光A的放大，能够抑制芯71中的信号光A的放大率的下降。
此外，在芯71中，成为三能级系统的活性离子的稀土类元素在激励光B不通过的部分吸收寄生振荡光，因此，抑制了寄生振荡。因此，即便平面波导7中的光路是容易产生寄生振荡的布局，也抑制了寄生振荡。由此，平面波导7中的光路布局的自由度提高。
在平面波导7中，如图1所示，平板状的芯71的两侧面彼此平行，在两侧面中的一方设置有全反射膜8，在另一方设置有全反射膜9。假设在芯71整体被激励的情况下，不需要的光在全反射膜8与全反射膜9之间往复而被放大，产生寄生振荡。在平面波导型放大器1中，信号光A以在芯71的内部追溯激励光B的光路的方式传播。由此，芯71吸收在激励光B不通过的部分传播的不需要的光，因此抑制了寄生振荡。
例如，激光雷达装置能够以高分辨率测定目标，但S/N比受到ASE的较大影响。平面波导型放大器1如上述那样抑制ASE的产生，因此，能够提高激光雷达装置的S/N比。
图3是示出作为平面波导型放大器1的第1变形例的平面波导型放大器1A的结构的框图。平面波导型放大器1A是将信号光A放大的放大器，如图3所示，具备信号光源2、入射光学系统3、出射光学系统4、波长分离滤波器5、激励光源6以及平面波导7A。另外，在图3中，针对与图1相同的结构要素标注相同的标号并省略说明。
平面波导7A具备图2所示的芯71、第1包层72以及第2包层73，如图3所示，具有横宽渐渐减小的平板形状。在平面波导7A的两侧面中的一方设置有全反射膜8，在另一方设置有全反射膜9。信号光A通过入射光学系统3以在芯71的内部与激励光B的光路重合且沿着与激励光B相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7A入射。
信号光A通过防反射膜11以角度θ9向全反射膜9入射，以角度θ8向全反射膜8入射，在平面波导7A的内部在全反射膜8与全反射膜9之间多次反射并传播。由于平面波导7A是横宽渐渐减小的平板状，因此，信号光A在全反射膜8与全反射膜9之间的反射中从去路切换为归路，从平面波导7A出射。从平面波导7A出射的信号光A经由出射光学系统4向波长分离滤波器5输出，通过波长分离滤波器5被取出。
激励光B通过入射光学系统3以在芯71的内部与信号光A的光路重合且沿着与信号光A相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7A入射。激励光B通过防反射膜12以角度θ8向全反射膜8入射，以角度θ9向全反射膜9入射，在平面波导7A的内部在全反射膜8与全反射膜9之间多次反射并传播。激励光B在全反射膜8与全反射膜9之间的反射中从去路切换为归路，从平面波导7A出射。由此，平面波导7A不需要全反射膜10。
图4是示出作为平面波导型放大器1的第2变形例的平面波导型放大器1B的结构的框图。平面波导型放大器1B是将信号光A放大的放大器，如图4所示，具备信号光源2、入射光学系统3、出射光学系统4、波长分离滤波器5、激励光源6以及平面波导7B。另外，在图4中，针对与图1相同的结构要素标注相同的标号并省略说明。
平面波导7B具备图2所示的芯71、第1包层72以及第2包层73，如图4所示，具有横宽固定的平板形状。在平面波导7B的两侧面中的一方设置有全反射膜8，在另一方设置有全反射膜9。信号光A通过入射光学系统3以在芯71的内部与激励光B的光路重合且沿着与激励光B相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7B入射。
在平面波导7B中，防反射膜11未与防反射膜12对置，防反射膜11设置于平面波导7B的长度方向上的第1端部，防反射膜12设置于平面波导7B的长度方向上的与第1端部相反的一侧的第2端部。信号光A通过防反射膜11以角度θ9向全反射膜9入射，以角度θ8向全反射膜8入射，在平面波导7B的内部在全反射膜8与全反射膜9之间多次反射并传播。
信号光A通过设置于平面波导7B中的第2端部的防反射膜12从平面波导7B出射。从平面波导7B出射的信号光A经由出射光学系统4向波长分离滤波器5输出，通过波长分离滤波器5被取出。
激励光B通过入射光学系统3以在芯71的内部与信号光A的光路重合且沿着与信号光A相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7B入射。激励光B通过防反射膜12以角度θ8向全反射膜8入射，以角度θ9向全反射膜9入射，在平面波导7B的内部在全反射膜8与全反射膜9之间多次反射并传播。激励光B通过设置于平面波导7B的第1端部的防反射膜11从平面波导7B出射。由此，平面波导7B不需要全反射膜10。
图5是示出作为平面波导型放大器1的第3变形例的平面波导型放大器1C的结构的框图。平面波导型放大器1C是将信号光A放大的放大器，如图5所示，具备信号光源2、入射光学系统3、出射光学系统4、波长分离滤波器5、激励光源6以及平面波导7C。另外，在图5中，针对与图1相同的结构要素标注相同的标号并省略说明。
平面波导7C具备图2所示的芯71、第1包层72以及第2包层73，如图5所示，具有横宽固定的平板形状。在平面波导7C的两侧面中的一方设置有全反射膜8，在另一方设置有全反射膜9。信号光A通过入射光学系统3以在芯71的内部与激励光B的光路重合且沿着与激励光B相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7C入射。
在平面波导7C中，防反射膜11和防反射膜12在防反射膜11侧沿平面波导7C的长度方向并排设置。信号光A通过防反射膜11以角度θ9向全反射膜9入射，以角度θ8向全反射膜8入射，在平面波导7C的内部在全反射膜8与全反射膜9之间多次反射并传播。信号光A通过防反射膜12从平面波导7C出射。从平面波导7C出射的信号光A经由出射光学系统4向波长分离滤波器5输出，通过波长分离滤波器5被取出。
激励光B通过入射光学系统3以在芯71的内部与信号光A的光路重合且沿着与信号光A相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7C入射。激励光B通过防反射膜12以角度θ8向全反射膜8入射，以角度θ9向全反射膜9入射，在平面波导7C的内部在全反射膜8与全反射膜9之间多次反射并传播。激励光B通过防反射膜11从平面波导7C出射。由此，平面波导7C不需要全反射膜10。
图6是示出作为平面波导型放大器1的第4变形例的平面波导型放大器1D的结构的框图。平面波导型放大器1D是将信号光A放大的放大器，如图6所示，具备信号光源2、入射光学系统3、出射光学系统4、波长分离滤波器5、激励光源6以及平面波导7D。另外，在图6中，针对与图1相同的结构要素标注相同的标号并省略说明。
平面波导7D具备图2所示的芯71、第1包层72以及第2包层73，但如图6所示，不具备全反射膜8、全反射膜9、全反射膜10、防反射膜11以及防反射膜12。在平面波导7D中，以满足一定条件的角度入射的光在平面波导7D的内部多次反射之后出射。一定条件是：是小于平面波导7D的内部的布鲁斯特角θB的角度。
例如，在将空气的折射率设为1时，平面波导7D的内部的布鲁斯特角θB由下述式(4)表示。当芯71的折射率为1.530时，布鲁斯特角θB是58.8°。
θB＝Arctan(n71)···(4)
在角度θ11和θ12被设定为56.8°的情况下，在平面波导7D中，图6的与纸面平行的方向的偏振的信号光A能够在不设置防反射膜的情况下减少由菲涅耳反射引起的损耗。同样，通过将角度θ8和θ9设定为45.0°，满足全反射条件，信号光A和激励光B在芯71的内部多次反射。
信号光A通过入射光学系统3以在芯71的内部与激励光B的光路重合且沿着与激励光B相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7D入射。信号光A以角度θ11向平面波导7D的入射面入射，以角度θ9向平面波导7D的内部的面入射，以角度θ8向与该面对置的面入射，以角度θ12向与入射面对置的面入射，之后从平面波导7D出射。从平面波导7D出射的信号光A经由出射光学系统4向波长分离滤波器5输出，通过波长分离滤波器5被取出。
激励光B通过波长分离滤波器5和出射光学系统4以在芯71的内部与信号光A的光路重合且沿着与信号光A相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7D入射。激励光B以角度θ12向平面波导7D的入射面入射，以角度θ8向平面波导7D的内部的面入射，以角度θ9向与该面对置的面入射，以角度θ11向与入射面对置的面入射，之后从平面波导7D出射。由此，平面波导7D不需要全反射膜8、全反射膜9、全反射膜10、防反射膜11以及防反射膜12。
在图1、图3至图6所示的平面波导型放大器1、1A～1D中，出射光学系统4和波长分离滤波器5配置在从平面波导7、7A～7D出射信号光A的后级侧。信号光A和激励光B在平面波导7、7A～7D的内部彼此在相反方向上传播。在平面波导7、7A～7D的内部，信号光A被放大，但激励光B被吸收。
由于信号光A和激励光B在平面波导7、7A～7D的内部彼此在相反方向上传播，因此，在平面波导7、7A～7D中信号光A的强度低的部分，是激励光B的强度也较低的状态，在信号光A被放大且强度高的部分，是激励光B的强度也较高的状态。信号光A通过平面波导7、7A～7D中的激励光B的入射的端部，以被放大的状态出射，因此，在激励光B的入射端部，信号光A的强度和激励光B的强度均变高。由此，不容易产生增益的饱和，能够期待高放大率。这是在平面波导中使信号光和激励光沿相同的方向传播的情况下无法得到的特有效果。
在图1、图3至图6所示的平面波导型放大器1、1A～1D中，出射光学系统4和波长分离滤波器5也可以配置在入射信号光A的前级侧。在该结构中，信号光A和激励光B在平面波导7、7A～7D的内部彼此沿相同方向传播。在该情况下，如上所述，在平面波导7、7A～7D的端部，信号光A和激励光B不再均以较强的状态存在，因此降低了平面波导7、7A～7D的端部的损坏。
如以上那样，实施方式1的平面波导型放大器1、1A～1D具备平面波导7、7A～7D，该平面波导7、7A～7D具有平板状的芯71、设置于芯71的第1主面的第1包层72、以及设置于芯71的第2主面的第2包层73，信号光A和激励光B以在芯71的内部光路彼此重合且锯齿状地传播的方式向平面波导7、7A～7D入射，芯71是包含成为三能级系统的活性离子的稀土类元素的放大介质，与激励光B的强度的下降相应地吸收信号光A。由此，平面波导7、7A～7D中的信号光A不通过的部分不容易被激励，在平面波导7、7A～7D中的激励光B的强度低的部分，信号光A的散射光被芯71吸收，因此，实施方式1的平面波导型放大器1、1A～1D能够抑制ASE的产生。在芯71中的信号光A不通过的部分，不将信号光A放大而吸收信号光A，因此，抑制了寄生振荡和ASE。此外，平面波导7、7A～7D不需要用于抑制寄生振荡和ASE的特殊构造，是光路设计的自由度高的光波导。在平面波导7、7A～7D的内部，信号光A进行长距离传播，因此，能够实现高放大率。
在实施方式1的平面波导型放大器1、1A～1D中，平面波导7、7A～7D具有对信号光A和激励光B双方进行反射的全反射膜8和全反射膜9或全反射膜10。入射到平面波导7、7A～7D的信号光A和激励光B通过全反射膜8和全反射膜9或全反射膜10中的反射而从平面波导7、7A～7D出射。对信号光A和激励光B双方进行反射的反射膜相比于反射信号光A并透射激励光B的波长分离膜，构造简单且成膜容易，因此，能够实现低成本，并且反射特性的可靠性也优异。
实施方式1的平面波导型放大器1、1A～1D具备散热器100，该散热器100设置于第1包层72中的与芯71相反的一侧的面或者第2包层73中的与芯71相反的一侧的面中的至少一方，排出由芯71产生的热。由于通过散热器100将芯71的热排出，因此，能够抑制平面波导7、7A～7D中的温度上升。
实施方式2.
图7是示出实施方式2的平面波导型放大器具有的平面波导7E的结构的剖视图。实施方式2的平面波导型放大器代替图1和图3至图6分别所示的平面波导而具备平面波导7E。平面波导7E具备芯71、第1包层72、第2包层73、第1外部包层74、第2外部包层75以及散热器100。
第1外部包层74设置于第1包层72的与芯71相反的一侧的面，将从芯71在第1包层72中传播来的激励光B向芯71的内部反射。第2外部包层75设置于第2包层73的与芯71相反的一侧的面，将从芯71在第2包层73中传播来的激励光B向芯71的内部反射。第1外部包层74和第2外部包层75是相对于激励光B透明的材料的平板，能够使用光学玻璃。第1外部包层74和第2外部包层75可以由相同材料构成，也可以由不同材料构成。
第1外部包层74由折射率比第1包层72低的材料构成，第2外部包层75由折射率比第2包层73低的材料构成。在平面波导7E中，在芯71中传播的激励光B在第1包层72中向芯71的内部反射。激励光B的一部分在第1包层72中未被反射而是透射第1包层72。泄漏到第1包层72的激励光B通过第1外部包层74向芯71侧反射。
同样，在芯71中传播的激励光B在第2包层73中向芯71的内部反射。激励光B的一部分在第2包层73中未被反射而是透射第2包层73。泄漏到第2包层73的激励光B通过第2外部包层75向芯71侧反射。这样，激励光B以封入到芯71的内部的状态传播。
第1外部包层74和第2外部包层75均由折射率比第1包层72和第2包层73低的材料构成。因此，与在芯71中传播的信号光A不同，激励光B在平面波导7E的内部以多模传播。即，对于激励光源6，能够使用多模光源。例如，对于激励光源6，使用激光二极管。
平面波导7E也可以不具备第1外部包层74和第2外部包层75中的任意一方。此外，平面波导7E也可以不具备第1包层72和第2包层73中的任意一方。例如，平面波导7E在不具备第1包层72的情况下，成为第1外部包层74与芯71直接接合的构造。此外，平面波导7E在不具备第2包层73的情况下，成为第2外部包层75与芯71直接接合的构造。
如图7所示，散热器100接合于第2外部包层75的与第2包层73相反的一侧的面。在平面波导7E中产生的热由散热器100散出。在平面波导7E中，在芯71中具有最大面积的主面经由第2包层73和第2外部包层75而与散热器100对置，因此，由芯71产生的热被散热器100高效地排出。由此，抑制了平面波导7E的温度上升。
散热器100也可以不接合于第2外部包层75而接合于第1外部包层74，还可以接合于第1外部包层74和第2外部包层75双方。
在平面波导7E中，与通常的光纤相比，光束直径的面积大，能够抑制作为光纤中的输出的限制原因的非线性现象。在平面波导7E中，能够将信号光A放大至比能够利用光纤实现的峰值输出高的峰值输出。
信号光A通过入射光学系统3以在芯71的内部与激励光B的光路重合且沿着与激励光B相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7E入射。信号光A在平面波导7E的内部多次反射而从平面波导7E出射。从平面波导7E出射的信号光A经由出射光学系统4向波长分离滤波器5输出，不同波长分离滤波器5被取出。
激励光B通过波长分离滤波器5和出射光学系统4以在芯71的内部与信号光A的光路重合且沿着与信号光A相反的方向呈锯齿状传播的方式向平面波导7E入射。激励光B在平面波导7E的内部多次反射而从平面波导7E出射。由此，实施方式2的平面波导型放大器在平面波导7E的内部不使信号光A不通过的部分激励，能够将激励光B的能量高效地用于信号光A的放大。
如以上那样，在实施方式2的平面波导型放大器中，平面波导7E具有第1外部包层74和第2外部包层75中的至少一方，该第1外部包层74设置于第1包层72的与芯71相反的一侧的面，将在第1包层72中传播来的激励光B经由第1包层72向芯71的内部反射，该第2外部包层75设置于第2包层73的与芯71相反的一侧的面，将在该第2包层73中传播来的激励光B经由第2包层73向芯71的内部反射。
信号光A在芯71的内部以单模传播。激励光B在芯71被第1包层72和第2包层73夹着的区域以多模传播。由此，能够使用激光二极管这样的多模的光源作为激励光源6，能够使用单模的光源作为信号光源2。
实施方式2的平面波导型放大器具备散热器100，该散热器100设置于第1外部包层74的与第1包层72相反的一侧的面和第2外部包层75中的与第2包层73相反的一侧的面中的任意一方或双方，将由芯71产生的热排出。由于通过散热器100将芯71的热排出，因此，能够抑制平面波导7E中的温度上升。
实施方式3.
图8是示出实施方式3的激光雷达装置13的结构例的框图。激光雷达装置13例如是计测与测定对象物之间的距离的装置，如图8所示，具备信号光源2、入射光学系统3、出射光学系统4、波长分离滤波器5、激励光源6、平面波导7、收发分离耦合光学系统14、望远镜15以及接收检波器16。信号光源2是具备种子光源2A和发送光学系统2B的脉冲光源。
种子光源2A是窄线宽的激光光源。对于种子光源2A，例如使用通过光纤布拉格光栅(FBG)使波长稳定化的激光二极管。发送光学系统2B包括将发送光和本地光分离的分束器、对发送光施加调制的频率调制器、将连续光脉冲化的声光调制器(AOM)和前置放大器。另外，在激光雷达装置13的激光雷达方式是不需要本地光的激光雷达方式的情况下，发送光学系统2B也可以不具备分束器。在AOM具有使发送光的频率偏移的功能的情况下，AOM也具有频率转换器的作用。
图8所示的信号光源2、入射光学系统3、出射光学系统4、波长分离滤波器5、激励光源6以及平面波导7例如是与图1所示的平面波导型放大器1相同的结构要素。但是，平面波导型放大器1具有平面波导7即可，信号光源2、入射光学系统3、出射光学系统4、波长分离滤波器5以及激励光源6也可以是激光雷达装置13具备的结构要素。此外，平面波导7也可以是图3至图6所示的平面波导7A～7D，还可以是图7所示的平面波导7E。
收发分离耦合光学系统14是向望远镜15输出发送光并向接收检波器16输出接收光的光学系统，例如具备扩束器、分束器、偏振分束器以及波长板。望远镜15向大气和测定对象物照射发送光，取入发送光在大气中的气溶胶和测定对象物中散射后的散射光作为接收光。
接收检波器16对由望远镜15接收到的接收光进行检波，进行信号处理。例如，在进行外差测定的情况下，使由发送光学系统2B分离出的本地光与接收光干涉来进行计测，因此，在接收检波器16中包含分束器和平衡检测器。接收检波器16和信号光源2由光纤构成的部分多，但也可以在自由空间中进行它们的校正。
作为使用激光雷达装置测定与测定对象物之间的距离的方法之一，具有称为TOF(Time Of Flight：飞行时间)的方法。TOF从激光光源辐射脉冲光，接收在测定对象物中散射的脉冲光，由此，基于从脉冲光被辐射起到被接收为止的时间来测定与测定对象物之间的距离。
在激光雷达装置13中进行基于TOF的测定的情况下，较强地测定出在收发分离耦合光学系统14和望远镜15中产生的内部散射。内部散射是在收发分离耦合光学系统14和望远镜15中使用的反射镜、透镜、波长板或分束器中的光的反射或散射。相比于来自大气中的气溶胶的散射光，内部散射光被非常强地检测到。
发送光的脉冲中的内部散射在零距离、即在刚刚发送了脉冲光之后被检测到，因此，能够与应测定的散射光在时间上分离。但是，在激光光源中混入了ASE的情况下，ASE也存在于脉冲与脉冲之间。因此，当存在于脉冲与脉冲之间的ASE的内部散射在与原本应测定的来自大气中的气溶胶的散射光相同的时间带被测定出时，S/N比大幅劣化。
与此相对，平面波导7抑制了ASE的产生，因此，在激光雷达装置13中不产生上述那样的由ASE引起的不良情况。此外，信号光A和激励光B以在芯71的内部光路彼此重合且方向彼此相反而锯齿状地传播的方式向平面波导7入射，在芯71的内部多次反射并传播。信号光A能够在芯71中的被激励光B激励的部分进行长距离传播，实现了信号光A的高放大率。关于其效果，在平面波导7A～7E中也得到同样的效果。
平面波导7与通常的光纤相比，光束面积大，能够抑制作为光纤中的输出的限制原因的非线性现象。此外，平面波导7能够将信号光A放大至比利用光纤实现的峰值输出高的峰值输出。高峰值功率影响到接收强度，使S/N比提高，能够进行长距离观测。
如以上那样，实施方式3的激光雷达装置13具备平面波导型放大器1、1A～1D、射出信号光A的信号光源2、以及射出激励光B的激励光源6。在平面波导型放大器1、1A～1D中，抑制了ASE的产生，因此，能够实现高放大率和输出峰值功率，并且S/N比提高，能够进行长距离测定。
另外，在各实施方式的组合或实施方式各自的任意结构要素的变形或者各个实施方式中，能够省略任意的结构要素。
产业利用性
本公开的平面波导型放大器例如能够用于激光雷达装置。
附图标记说明
1、1A～1D平面波导型放大器，2信号光源，2A种子光源，2B发送光学系统，3入射光学系统，4出射光学系统，5波长分离滤波器，6激励光源，7、7A～7E平面波导，8～10全反射膜，11、12防反射膜，13激光雷达装置，14收发分离耦合光学系统，15望远镜，16接收检波器，71芯，72第1包层，73第2包层，74第1外部包层，75第2外部包层，100散热器。

Claims (11)

1.一种平面波导型放大器，其特征在于，
所述平面波导型放大器具备平面波导，
该平面波导具有：
平板状的芯，其在被激励光激励的状态下对信号光进行放大；
第1包层，其设置于所述芯的第1主面，将从所述芯传播来的光向该芯反射；以及
第2包层，其设置于所述芯的与所述第1主面相反的一侧的第2主面，将从所述芯传播来的光向该芯反射，
所述信号光和所述激励光以在所述芯的内部光路彼此重合且锯齿状地传播的方式向所述平面波导入射，
所述芯是包含成为三能级系统的活性离子的稀土类元素的放大介质，与所述激励光的强度的下降相应地吸收所述信号光。
2.根据权利要求1所述的平面波导型放大器，其特征在于，
所述信号光和所述激励光以在所述芯的内部光路彼此重合且方向彼此相反而锯齿状地传播的方式向所述平面波导入射。
3.根据权利要求1所述的平面波导型放大器，其特征在于，
所述信号光和所述激励光以在所述芯的内部光路彼此重合且方向彼此相同而锯齿状地传播的方式向所述平面波导入射。
4.根据权利要求1所述的平面波导型放大器，其特征在于，
所述芯是磷酸玻璃制的放大介质。
5.根据权利要求1所述的平面波导型放大器，其特征在于，
所述平面波导具有对所述信号光和所述激励光双方进行反射的反射膜，
入射到所述平面波导的所述信号光和所述激励光通过所述反射膜的反射而从所述平面波导出射。
6.根据权利要求1所述的平面波导型放大器，其特征在于，
所述平面波导型放大器具备散热器，该散热器设置于所述第1包层的与所述芯相反的一侧的面和所述第2包层的与所述芯相反的一侧的面中的至少一方，将在所述芯产生的热排出。
7.根据权利要求1所述的平面波导型放大器，其特征在于，
所述平面波导具有第1外部包层和第2外部包层中的至少一方，该第1外部包层设置于所述第1包层的与所述芯相反的一侧的面，将在所述第1包层中传播来的所述激励光经由所述第1包层向所述芯的内部反射，该第2外部包层设置于所述第2包层的与所述芯相反的一侧的面，将在该第2包层中传播来的所述激励光经由所述第2包层向所述芯的内部反射。
8.根据权利要求7所述的平面波导型放大器，其特征在于，
所述平面波导具有对所述信号光和所述激励光双方进行反射的反射膜，
入射到所述平面波导的所述信号光和所述激励光通过所述反射膜的反射而从所述平面波导出射。
9.根据权利要求7所述的平面波导型放大器，其特征在于，
所述平面波导型放大器具备散热器，该散热器设置于所述第1外部包层的与所述第1包层相反的一侧的面和所述第2外部包层的与所述第2包层相反的一侧的面中的至少一方，将在所述芯产生的热排出。
10.一种激光雷达装置，其特征在于，
所述激光雷达装置具备：
权利要求1至9中的任意一项所述的平面波导型放大器；
信号光源，其射出所述信号光；以及
激励光源，其射出所述激励光。
11.根据权利要求10所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述信号光源是脉冲光源。
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