JP2002536821A - 導波レーザ及び増幅器のための希土類含有量の最適化 - Google Patents
導波レーザ及び増幅器のための希土類含有量の最適化Info
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Abstract
Description
持により開発されたものである。合衆国政府は、これら発明のうち、あるものに
ついては権利を有することができる。
学導波管を集積し、また、その中にレーザを形成する方法及び装置に関する。
バを使用している。光ファイバ通信システムの1つの一般的な光源は、エルビウ
ムのドープ処理されたガラスを用いて形成されたレーザである。このようなシス
テムの1つは、エルビウムのドープ処理されたグラスファイバを用いて約1.5
36マイクロメータの波長で発光するレーザを形成し、約0.98マイクロメー
タの波長で動作する赤外線光源によってポンプ動作される。ガラス基盤内に導波
管を形成する利用可能な方法は、ナジャフィ (Najafi) 等による1992年1月
14日発行の米国特許 5,080,503 に開示されており、参照のためにここに記載
する。レーザ用として便利な燐酸ガラスについては、ヘイデン (Hayden) による
1994年8月2日発行の米国特許 5,334,559 に開示されており、参照のため
にここに記載する。集積光レーザについては、マローン (Malone) 等による19
96年2月13日発行の米国特許 5,491,708 に開示されており、参照のために
ここに記載する。
成要素とともに、1つ以上のハイパワーレーザを有することが必要である。シス
テムは高度に再生可能、正確かつ安定性があらねばならない。
ステムを形成するためのシステムと方法、及び、上記によるガラス基盤構成の光
学システムと該光学システムを動作させる方法を提供する。本発明は更にガラス
基盤上に光導波管を形成する方法に関し、該方法は多数の導波管を備え、異なる
波長を有する少なくとも2個の導波管を有する基盤を形成することを含む。
た1つ以上、好ましくは多数の導波管を有するガラス基盤を含むレーザ要素を提
供する。(ここで使用の「基盤内の溝」とは、他の構造または基盤の層で覆われた
か否かにかかわらず、基盤上または基盤内に形成された任意の溝を含む広い意味
である。)各基盤の導波管(または「溝」)は、基盤に関して屈折率の増加した領
域として基盤内に形成されている。ガラス基盤は、光学的に注入可能なレーザ素
子(好ましくはEr,Yb,Nd,Ho,Tm,Sm,Tb,DyまたはPrな
どの希土類元素、またはこれら元素の組合せ、例えばErとYbとの組合せなど
)でドープ処理され、複数の周波数でレーサ発光可能なレーザ媒体を形成する。
フィードバック構成のためにミラーまたは分散ブラッグ(Bragg)反射格子
を導波管の長さ方向に配置して、レーザ共振器空洞を形成してもよい。1つ以上
のミラーまたは反射格子が、レーザ出力を提供するために部分的に反射状態とさ
れる。
振特性の(即ち、異なる波長で共振する)レーザ共振器空洞を形成する構成とし
てもよい。レーザ要素はこのように、複数の選択波長でレーザ光を出力するレー
ザシステムの一部として使用してもよい。本発明のいくつかの実施例では、導波
管空洞の共振特性は、基盤内に形成された溝の幅を調整し、導波管の有効屈折率
を変えることにより、変化される。有効屈折率は、以下に説明するように、導波
管が形成される拡散条件を変えることにより、変化させることができる。従って
、有効屈折率を変えることは、空洞により保持された長手モードの波長を決定す
る導波管空洞の有効長さを変えることになる。他の実施例では、導波管空洞の共
振特性は、空洞を規定するために使用された反射格子のピッチを変えることによ
り、個々に選択され、伝達された光モードに対する有効屈折率を用いて、格子に
よって反射された光の波長を決定する。更に他の実施例では、所望の光波長を保
持するレーザ共振器空洞の長さを選択するために、導波管上の格子の配置が変え
られる。
とは任意であり、ガラス基盤から構成され、該ガラス基盤はErまたはYb/E
rなどの希土類元素でドープ処理された燐酸アルカリガラスである。Yb/Er
でドープ処理されたガラスの場合は、最大のレーザ効率のためには、Yb/Er
の比率は約1:1から8:1までであり、特に3:1から8:1までであること
が好ましい。これは、希土類元素でドープ処理されたレーザガラスにおける最良
のエルビウムとイッテルビウム希土類イオン濃度に関する調査の結果、特に、エ
ルビウムとイッテルビウムの1.54ミクロンのレーザ源と電気通信及びデータ
伝送の分野で採用されている増幅器として発見されたものである。
されたガラスは、典型的には、低濃度のエルビウム(通常1wt%Er2O3成
分よりはるかに低い)と対応する高濃度のイッテルビウム成分(典型的には、ガ
ラスに入射された各1個のエルビウムイオンに対して10個以上のイッテルビウ
ムイオンのイオン比率)とによって特徴付けられていたもので、このようなガラ
スは、例えば、米国特許 5,334,559 と米国特許 5,491,708 に開示されている。
このような高レベルのYbは、最初は、珪酸と燐酸ガラスの形成による従来の経
験に基づいて、高出力パワーと高スロープ効率をもたらすものと期待されていあ
た、例えば、米国特許 4,962,067 参照。従来技術では、低レベルのエルビウム
ドーピング(高々0.15モル%Er2O3)が自己冷却効果を避けるために必
要であり、イッテルビウム成分は、レーザガラス内に吸収された光を注入する量
を最適化するために、可能な限り高く(基本的には、入射Yb2O3をガラスの
溶解限度に近い、少なくとも6モル%Yb2O3に)設定されるべきことが記載
されていた。
成分のガラス(特に、NIST−1TまたはIOG−1と呼ばれるガラス、1.
15wt%Er2O3と4.73wt%Yb2O3成分を有するナトリウム・ア
ルミニウム・燐酸ガラス)は、より高い出力パワー(従来の16mWに比べて1
80mWまで)とより高いスロープ効率(従来の27%に比較して少なくとも2
8%)を表すことが発見された。
も一部の残留水酸基群に起因するものと思った。ガラス内で励起したイオンは、
ガラス内で水酸基周期振動の付帯事項としてエネルギー交換することが知られて
おり、効果的に励起状態のイオンから蓄積エネルギーを奪うかまたは増幅レーザ
発光を生成するのに使用される。この可能性を調査するために、異なる水酸基成
分を用いて0.5wt%Er2O3と8.94wt%Yb2O3成分を有するナト
リウム・アルミニウム・燐酸ガラスのグループが準備された。これらガラス内の
残留水酸基成分は3.0umで測定された赤外吸収に比例し、その詳細を表1に
示す。 表1−ナトリウム・アルミニウム・燐酸ガラスにおける水酸基成分調査 溶融ID 3.0um[cm−1]での吸収 NIST−1L 0.72 NIST−1H 1.77 NIST−1J 6.02
けでは、これら3つのガラスに構成された装置の性能の低下にはつながらないこ
とが示された。実際、溶融状態のNIST−1HとNIST−1Lは3.0um
での吸収で2.0cm−1によって特徴づけられ、そのレベルはレーザ特性に重
大な影響を及ぼさないのに充分低いことが予想された。特に、溶融NIST−1
Lにおける吸収レベルは1.0cm−1より低く、従来技術において示した閾値
は所与のレーザガラスのレーザ性能を評価することの結果ではない。Cook, L.M.
et al, Proc SPIE Vol. 505, 102-111ページ(1984年)参照。
ど遠いものであるのが判明した。特に、ガラス中のYbドーピング濃度とErド
ーピング濃度、それにYb/Erドーピング比の間にはトレードオフの関係が成
り立っていた。例えば、最初に示したように、Ybドーピングを多くするほど、
レーザ特性が良くなると普通考えられていた。しかし、本発明者は、それよりも
Er量とYb/Er比とを最適化する別の研究を採った。この研究には、Yb−
Er間の交差緩和効率(cross-relaxation efficiency)とレーザキャビティ(la
ser cavity)内に反転したErイオンの総数との間の相対特性(relative perfor
mance)上の妥協点を評価することを含んでいる。
−1ガラスのスペクトル評価を行った。本発明者らは、ガラス中でのエルビウム
イオンに対するイッテルビウムの交差緩和ηは下記のようなると推断した。 η=1−τYb−Er/τYb ここで、τYb−Erは、試料中にErとともにドープされたYb3+が2F5/2 準位にある寿命(測定値は1.79×10−3秒)であり、τYbはエル
ビウムを含まない試料中にドープされたYb3+が2F5/2準位にある寿命(
測定値は1.37×10−3秒)である。また、ηは0.87と算出された。こ
のモデル方法の詳細については、レーザ特性がはるかに劣るケイ酸ガラスへの応
用に関してではあるが、本明細書の一部として添付した付帯書類における論文E
としてのSPIEの記事に記載されている。
ラス中のEr濃度を一定としてガラスに添加するYbを増加させると、Erイオ
ンとYbイオンとの間の平均距離は減少し、その結果、Yb−Er間のエネルギ
ー転移の交差緩和効率が増加する。ここでの問題点は、より多い励起エネルギー
(pump energy)がより近い間隔に吸収されることにある。その結果、より少な
いErイオンは所定範囲に反転し、そのため3準位のErイオンレーザにおける
付加的な再吸収損失と同様に利用可能な利得はより少なくなる。このためレーザ
性能は劣化する。この欠点のために閾値はより高くなり、スロープ効率(slope
efficiency)はより低くなる。最適性能を得るためには、励起エネルギーの関数
としてのYb−Erの交差緩和と反転イオン(inverted ions)の総数との両方
を同時に最適化しなければならない。ある特定の装置の場合、励起波長(光励起
波長980nmでの吸収断面積は14.5×10−21cm2)でのイッテルビ
ウムの吸収特性と意図したデバイス長さ(2.2cm)に基づき、モデル化の結
果、ガラスは5重量%のEr2O3と4.73重量%のYb2O3とがドープさ
れ、Er濃度が1×1020イオン/cm3となっていた。6×1020イオン
/cm3までのEr濃度を利用できるが、全体のドーピング濃度は、ガラス母材
(glass host)への希土類イオンの溶解度により限られている。この溶解度のレ
ベルは、米国特許5,077,240号と米国特許第5,039,631号に示
されているように、1cm3当たり10×1020希土類イオン程度である。高
性能のレーザデバイスのためには、エルビウムのドーピングレベルは従来技術レ
ベルにおける最大値の2倍、選択元素のイッテルビウム濃度は従来技術レベルの
1/4から1/5であるという従来の知識に反して、これらの普通でないドーピ
ングレベルが選択された。発見された最適ドーピングレベルによって達成された
結果に基づいて得られるレーザによって、遠隔通信やデータ転送ハイエンドのダ
イオードレーザで現在利用できるものより大きなパワーを得ることができる。従
来の一般的なダイオードレーザは2〜20mWの出力を有している。本発明のレ
ーザは利用可能な励起パワーによってのみ限定される出力、即ち、20mWを超
え、例えば25−180mWの出力を有している。このような高出力レベルを有
するので、ネットワークでの不経済な光学的増幅を行う必要がなく、大都市エリ
アネットワークにガラス導波路レーザを利用することができる。この利点は、特
に波長15mm以下のレーザに関して明らかである。
、0より多く、5×1020イオン/cm3または6×1020イオン/cm3 以下であり、Er/Yb比はおよそ4:1である。しかし、およそ1:1、1.
5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:
1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1のいずれか
の比を利用してもよい。
上の導波路を画定しているチャネルを形成している。一般的にガラス基板の表面
は、一又は複数のチャネル(多重導波路の実施形態に関する)に対応する一以上
のラインアパーチャを有するマスク層を介してイオン交換溶剤に対して露出して
いる。
パーチャを介するK+−Na+のイオン交換を用いたガラス基板への導波路形成
が含まれている。例えば、硝酸カリウムKNO3溶液をアルミナからなるマスク
層を介して供給してK+−Na+のイオン交換をさせることができる。基板での
K+イオンからNa+イオンへの交換によって基板の他の部分より高い屈折係数
の露出部分が形成され、導波路が画定される。さらに、導波路を形成するイオン
交換のために硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸ルビジウム、
硝酸セシウム、硝酸銅、硝酸銀、硝酸タリウムの群から選ばれた少なくとも一種
の硝酸塩の溶解物を用いてもよい。
オン交換させた場合、ガラスがかなりエッチングされることを見出した。そのた
め、本発明によって、例えばパイレックス(登録商標)製るつぼの如くのホウケ
イ酸ガラス製るつぼ内でイオン交換を行わせることで、アルミニウムるつぼによ
る場合と比較すると、硝酸カリウムKNO3のイオン交換の溶解によって生じる
リン酸ガラスの表面損傷や表面エッチングの量を劇的に減らすことができた。さ
らに、120℃以上、好ましくは約120℃で、不活性なアルゴン雰囲気中、2
4−48時間の間、硝酸カリウムKNO3をベーキングすることによって溶解物
の水分量の制御が行われる。さらに、スパッタ法又はCVD堆積法により形成さ
れたSiO2バッファ層被覆によって表面反射損失を減らすことができる。
僅か下方において最大となるようにすることができる。これによって、もう一つ
の利点として、散乱損失を減らすことができる。この利点をさらに強めて、電界
を用いた電界イオン交換プロセス(field assisted ion-exchange process)を
伝達して行われるレーザ発振のために最適化された形状とサイズを備えたチャネ
ルを与えてもよい。ここで、上記電界は、特に、硝酸ナトリウム溶液電極または
固体の銀電極を用いて印加され、時間の関数で変化する。また、導波路の屈折率
プロファイルをより適応させるために時間の関数で温度を変化させてもよい。
0mWを超え、特に25mW以上、180mW以下に達する高出力と、28%以
上の高いスロープ効率(slope efficiency)(ディー・バービル(D. Barbier)
らの「Conference on Optical Amplifiers and Applications」、1995によ
るリン酸ガラスでの先行技術では、16mWの出力と27%のスロープ効率であ
る)を得ることができる。さらに、光ファイバからの励起光の高い結合効率(co
upling efficiency)は、カリウム−ナトリウム間のイオン交換で生じる低い屈
折率によって実現できる。また、光ファイバへの信号光の高い結合効率も、カリ
ウム−ナトリウム間のイオン交換で生じる低い屈折率によって実現できる。
ミニウムの処方、例えば、前述した組成物や、米国特許第5,334,559号、米国特
許第5,491,708号に記載されているガラスであっても良い。特別な応用例として
は、希土類、特に上述のEr/Yb比でドープされたリン酸ナトリウム−アルミ
ニウムのカテゴリに、上述のガラス調製材に見出される。希土類の選択は、エル
ビウムとイッテルビウムを含み、現在の商業的利用性や、安価かどうか、半導体
励起レーザと1.5μm、特に1.54μmのテレコミュニケーションの波長領
域での発振を比較して検討され、イッテルビウム単独では、標準化された時計用
の1.0μmでのレーザ光源が得られ、ネオジミウムは、小さいローカル光ネッ
トワーク用の波長1.06μmのレーザ光源や、ガス検知用等の光センサ用のレ
ーザ光源が得られる。しかし、上述のイオン交換プロセス用の利用可能なデバイ
スの別の例として、他の希土類元素をドープされたガラスも含んでおり、例えば
、Prレーザ、Hoレーザ、Tmレーザ、同様にDy、Sm、Eu、Tbレーザ
を得ることができる。下記の表4にはエメット(Emmett)らによる「高出
力固体レーザシステムの今後の発展」、Physics of Laser F
usion、Vol.IV、ローレンスリバモア国立研究所、UCRL−533
44、November、1982に記載されている波長を転載している。
に比べてレーザ照射に低い励起の閾値と高いスロープ効率(slope efficiency)
とを示す微細な導波路を有するレーザ光源が作製できる。
発明者は、周囲の雰囲気を除去してイオン交換プロセスを実現することによって
、周囲の空気中にある水蒸気を伴うガラス表面の反応によって生じる表面エッチ
ングを減らすという利点がある。本発明のこの態様のプロセス条件によって、上
述の導波路の状態や導波路特性に影響を与える化学的攻撃の形跡を基板に残すこ
となく、イオン交換法によってリン酸ガラス基板に導波路を形成することができ
る。
が可能であり、低いポンプ閾値レベルおよび高い勾配効率(slope efficiency)
を呈する。これらの導波管は、イオン交換技術を利用して、希土類ドープトリン
酸塩レーザガラス内に設けられる。基本的な2つの技術が広く用いられている。
まず、あるタイプのイオンが、ガラス表面の選択された領域内で別のタイプのイ
オンに交換される。イオンは、所望の導波管内での屈折率が、周辺の基板ガラス
内の屈折率よりも高くなるよう選択される。ここで、イオン源は、しばしば塩浴
(salt batch)としても説明される溶解電解漕から得られる。溶解電解漕へは、
ガラスが沈められる。
な他の塩などのアルカリ塩を含む。導波管内でより高い屈折率が必要であること
に加え、塩浴の同一性の選択(salt bath identity selection)における第2の
基準は、ガラス構造内でより高い移動性を有し、許容可能な拡散率に見合った融
点を有し、かつ利用された塩の融点を表すイオンを選択することである。
固体として作用する。そして、ガラス表面上には電極が配置され、ガラスを通過
する電界がイオン交換工程の進行を助ける。なお、場合によっては、イオン源は
電極として作用することもある。例えば、銀イオン交換の場合である。
559号に列挙されている合成物などの、リン酸ナトリウムアルミニウムかrなる
。リン酸ガラス内で導波管レーザを生成するための、導波管を製造する簡単な例
が、米国特許第5,491,708号に開示されている。
酸溶液による作用、および直接的な水の作用(direct water attack)を受けや
すい。これは、周知の市販のリン酸ガラスでの化学抵抗テストの研究により証明
できる。例えば、Scott Optical Glass Catalog を参照されたい。自然界におい
ては強酸性ではないものの、水は、ガラス構造内でリン酸の部位に作用し、ガラ
ス表面上に、残りのガラスへの酸の作用をもたらす、リン酸膜を形成する。
aser Glass Brochure (レーザガラスパンフレット)で明らかにされている。パ
ンフレットのすべてのリン酸レーザガラスは、同パンフレットに列挙されている
シリカレーザガラスと比較すると、耐アルカリ性に劣る。塩浴内に存在する水酸
化物イオン(OH−)は、K+および/またはNa+などの存在するアルカリイ
オンと化合でき、イオン交換のために塩浴に沈められたリン酸ガラスの表面に作
用するアルカリ溶液をなす。
Technology (NIST) は共同研究活動の契約をし、希土類ドープトリン酸レーザガ
ラスにおける小型レーザ導波管の製造を通じて、より進歩した導波レーザ源を開
発する。これらの導波管は、周辺環境からのカリウムイオンまたは銀イオンによ
る基板ガラス内のナトリウムイオンの交換を含むイオン交換技術により、ガラス
内に設けられる。イオン交換位置は、まず、典型的には50μmよりも小さい幅
の、ガラス表面上の狭い縞である、導波管領域を規定するマスクの設置を行うこ
とで規定される。
設計されており、従来の技術水準のリン酸光学ガラスよりも、化学的耐性が勝る
という特徴を有しているが、更なる改良が要求されている。特に、得られた結果
の導波管は、光学的な質が劣るという性質が観察される。より具体的には、ガラ
ス表面には、肉眼で白い汚れが観察される。加えて、導波管のセクションは、何
時でも以下の欠点を呈することがわかっている。すなわち、a)予期できない位
置において、導波管の幅が狭くなっていること、b)(他の欠陥とは独立して)
予期できない位置において、導波管の幅が広くなっていること、c)周辺の、非
交換のガラス基板に対して、くぼんだ領域が存在すること、である。
ラスの化学的作用の支配的な仕組みは、塩浴内、または、電界の補助を受けたイ
オン交換の間に、ガラス/電極界面内で捕らえられた、残留水酸基イオンによる
ものであると考えられていた。その仕組みは以下のとおりである。周辺環境から
のOH群がガラスに入り、ガラス構造を担う、中心的なリン/酸素塩基を壊す。
すなわち、P-O-P-O-P-O-P + OH −> P-O-P-OH HO-P-O-P である。作用が適度
な場合においては、中心的な構造を失ったことにより、ガラスの持続性はさらに
低下する。作用がもっとも厳しい場合においては、リンはガラスを離れて表面に
移動し、設けられた導波管内で多くの欠陥として観察される白濁を呈すると予想
される。
であると考えられていた。その理由は、これらの化学薬品は本来的に水を含むか
らである。この水を制御する方法は、以下のように考えらた。すなわち、「結び
つける(tie-up)」ための塩浴への化学変化を起こすものの添加である。これは
、粉末アルミニウム、珪酸、無水酸化アルミニウム、珪藻土、遊離P2O5、OHと
反応して揮発性ハロゲン化ガスをなす化学薬品を含むハロゲンなどを含む。そし
て、塩浴を通過する乾燥ガスの沸騰(bubbling)により、直接水を除去する(di
rect water removal)脱水を行う。
的かつ調整的な 動作を、以下に説明する。すなわち、乾燥ガスの上昇し
た温度において、環境からの塩浴の分離の間、炉環境を取り除くことである(好
ましくは塩浴の挿し込みに先立って、しかし塩浴の挿し込み中でもよい)。その
理由は、炉を高温にした後に開放される非活動状態の期間に、炉の大部分中の空
間が、水雰囲気に対してスポンジとして作用するからである。
る。リン酸塩ガラスは、周辺雰囲気から、その表面に水を吸着することで知られ
ている。同じ計測温度では、リン酸塩ガラスに入り込む水の拡散係数は、シリカ
ガラスのそれよりも、5、6オーダほど大きいと評価されている。そのような表
面に吸着された水は、水酸基を与え、後の処理の間に、例えば、電界の補助を受
けたイオン交換の間に、ガラスとさらに再び反応する。
れている。
物を通過して、乾燥した、反応する可能性のあるガスの沸騰を可能にするよう修
正される。反応性ガスの役割は、会合の間も強調されてきた。通常の「乾燥」ガ
スは、さらに溶融物を乾燥させるガス沸騰をさせることなく、塩浴内の水分と素
早く化学平衡に到達する。溶融物内での反応ガス(特に塩素の使用)は、溶融物
と沸騰の間の化学勾配を効果的に維持し、かつさらなる乾燥作用を生じさせて、
溶融物から沸騰へと拡散させながら水と反応する。
圧力をかける。塩浴への挿入前に炉を除去するには注意が必要である。炉の空間
は、熱せられると、水分を発する主要な源と考えられていたからである。
合の目的で行った、イオン交換リン酸塩ガラスについての試行から、溶解したシ
リカるつぼ炉が、処理されたガラスの化学的な破壊作用の観点から改善された性
能が提示されるということを信じた理由があった。
他の化学薬品もまた、話題に上っているが、再検討会合の終了時には、明確な実
現計画が明らかにされていない。
じめ熱したガラス板を、あらかじめ熱した、おそらくは乾燥している塩浴に配置
し、および/または、除去できるように、修正が予定された。このステップは、
一連のすべてのイオン交換工程の間、ガラス/塩浴システムを、室内空気から隔
離しておく機会を与える。
時間を経て他の汚染を蓄積すると考えられているので、塩浴は、特に欠陥問題の
目に見える証拠が最初に得られた場合には、より頻繁に代える必要がある。
発生させずに導波管レーザ源の作製を可能とする。これにより、これらの導波管
源の商業化がより容易になる。この発明を用いないと、大規模な製造環境におい
て製造される素子において再生可能な性能レベルが、素子性能に影響を与える欠
陥の生成に関連した残余水酸基からの予期できない化学作用による高い製造コス
トに関連した低い生産性及び不安定な性能のうちの少なくともいずれかを示すこ
とが予想される。
するものである。上記のプロセスは、単一の導波管やそれらに基くレーザを作製
するのにも適しているが、さらに、複数の導波管とそれに基くレーザを有した基
板を作製するのに適している。
現できる。双方とも、導波管を構成するチャネルを定義する基板上にマスクを適
用する。基板上に複数のチャネルに対しマスクを適用することにより、その中に
複数の導波管を有する基板が形成できる。さらに、異なる屈折率を有し、これに
より、レーザ素子に組み入れられたときに異なる波長でのレージングを実現する
ことが可能な複数の導波管は、異なる幅のチャネルを定義したマスクを適用する
ことにより形成できる。結果として生ずる、写真平板技術またはイオン交換技術
により形成される導波管は異なる幅を有し、これにより屈折率を異ならせ、これ
によって導波管がポンピングされることに依存して異なる波長で動作可能なレー
ザを提供するためにレーザ素子において使用できる。言いかえれば、導波管は、
ポンピングされたときに選択された波長で個別のレージング動作を実現する個別
の共振特性を持ったレーザ共振空洞を形成する。これらの導波管はまた、前述ま
たは後述の任意の方法でそれらの特性を変更するために修正可能である。複数の
導波管素子を実現するために使用される基板は、好ましくは前述のガラスに基い
ている。
の修正またはチューニングに対してなされたものである。これは、基板の加熱に
より可能であり、それにより導波管の波長を変更する。少なくとも一の導波管を
含む基板がレーザ素子の部分であるとき、その加熱により回折格子の周期の拡張
によるレーザ波長が増加することが予想できる。しかしながら、発明者が発見し
たことは、前述のように、基板においてチャネルとして提供された固体導波管を
含む基板に関し、加熱が導波管の波長の変更においてきめ細かいチューニング効
果を有しているということである。これにより、例えば、半導体DFBレーザの
波長が加熱時に増加する間、本発明の導波管を有するレーザ素子の加熱時の波長
の増加は、温度の関数として非常に小さくなる。例えば、温度の関数としての波
長の増加は、半導体DFBレーザに対するものよりもほぼ15倍低くなる。発明
者は、波長を増加するガラスを加熱により膨張させている間、増加の拡大が、導
波管を形成するガラスの温度で、屈折率を減少させる温度により相殺されるとい
うことを発見した。この背景にある理論およびそれを支持する実験は、補足(Ap
pendix)の論文Eとして添付したJournal of Non-Crystalline solids(JNCS)の
論文、特に、第14頁と図14に記載されている。それゆえ、本発明によれば、
安定した波長を維持するための温度制御に必要な要件は本発明による導波管によ
り緩和され、すなわち、温度変動がチューニング上の重要な効果を有さず、きま
細かいチューニングを実現する。
た)と、受動的ガラス部(例えば、ランタンがドープされた)の領域を持つ、1
つまたは複数の導波管であって能動的な導波管を製造するために有利であり得る
。これは好ましくは能動部と受動部が別々に用意して、ともに結合することによ
りなされる。ともに結合されるそれらの部分の例には、前述の単一または複数の
導波管素子が含まれる。結合動作を完了することが可能な複数の技術があり、U
Vの利用や、市場において利用可能な熱硬化エポキシ接着剤(thermally curabl
e epoxy adhesives)が含まれる。接着材料を必要としない他の技術があり、そ
れには結合される部分が高温融解処理により結合される処理が含まれる。
合されるガラスブロックは、最初に、1つ以上の素子を生産するのに適したサイ
ズにカットされる。その後、結合される表面が研磨され、磨くかれる。高品質の
磨きは必須ではないが、有益である。しかしながら、600gritのエメリー研磨
紙による単純な研磨が適当である。次に、サンプルは光学産業において周知の方
法を用いて徹底的に磨かれる。そして、結合表面は直接コンタクトに配置され、
複数積層構造を形成する。そして、ガラス片の融解は、アセンブリ全体を、ガラ
スの相変位点Tgより高い温度(一般に約100°Cより上)まで、融解が行な
われる期間の間、好ましくは0.5から2時間の間加熱することにより行なわれ
る。その後、融解した部分は、例えば、Tgより上の30°Cまで冷却され、熱
的に均一になるよう例えば2−4時間保持され、例えば30°Cから50°Cの
ゆっくりとした冷却傾斜下降により室温まで冷却される。融解された結合部分は
その後、切断され、研磨され、必要に応じて磨かれる。導波管は融解したブロッ
ク内に融解が起こる前に設けられ得る。その場合、融解したブロックは伝達にお
いて整列してなければならない。もしくは、導波管は融解の後に設けられ得る。
ス変位点Tgは474°Cである。その結果として、良好な融解温度は、約50
0°Cの制御された冷却開始点のとき、575°Cから590°Cである。NI
ST−1Tガラスの軟化点は560°Cから565°Cの範囲にあることに留意
すべきである。このことから、それは、融解がガラスの軟化点より高い温度でな
されると言うことと等しい。
して±30°Cの範囲及び熱膨張において±10から±10×10-7/Kの範囲
で、接合部が非常に等しい必要があるということである。熱膨張における高い不
一致は、結合されたアセンブリを室温まで冷却する間の不均一な熱的収縮による
ガラス/ガラス境界点で高いレベルの残余ストレスを生ずる。この基準(criter
ia)は、NIST−1Tガラスにおける活性希土類イオンをランタンに置き換え
、能動材料を作製することにより、すぐに満たされる。このような方法で、これ
らの特性の変化は、ナトリウム−アルミニウム−リン酸ベースのガラス組成を変
更なしで最小化される。もし、必要であれば、基本的な組成もまたTgと熱膨張
値とを近づけるために変更できる。しかし、これは、イオン交換特性を大きく変
更することなく可能であり、それにより、作製されたアセンブリの受動及び能動
部分の両方における導波管の製造が、イオン交換動作を変更する異なる融解特性
を調整するために最小限の調整により行なわれる。
波管を有しており、格子パターンの導波管を設けることによって、レーザの作製
において有益である。前述のタイプの導波管からレーザを生成する方法の例は、
添付の補足における論文A、B、Cにおいて開示されており、それらは参照され
ることにより本文中に組み入れられる。これらの引例は、導波管の製造に一般的
に適用できる方法についても論じており、それらの教示は参照することによりさ
らに本文中に組み入れられる。通常、レーザは導波管の両端に反射素子を設ける
ことにより導波管から生成される。反射素子は当業者に周知である。実施形態と
して、両端において鏡が設けられ、光学的に端面が磨かれた導波管が含まれる。
さらなる好ましい実施形態は、導波管の一端に回折格子を有する導波管を提供す
る。好ましい実施形態において、格子は導波管を含むガラス基板上のエッチング
により与えれる。格子の好ましい一つの種類は周知のDBR格子である。そのよ
うな格子は、せまい反射線を与えて、これにより、せまい波長を有するレーザを
与えることから、有利である。
ィングを蒸発させることにより、フォトレジスト格子を作製する。これにより、
格子を構成するフォトレジストバーの上部に固い金属コーティングを施し、より
多くの選択的な格子のスパッタエッチングを可能とし、そのエッチング処理に対
しより高いDCバイアス電圧を利用可能とする。
レジスト(photoresist)におけるDBR回折格子の露光を与えている。これに
加えて、スパッタリング(sputtering)或いはCVD堆積による酸化珪素(Si
O2)バッファ層コーティング(buffer layer coating)を設けることは、表面
散乱損失を減少せしめるであろう。標準的なフォトレジストを燐酸塩ガラスに対
して適切に固着させることは難しいのであるが、燐酸塩ガラスの表面に、例えば
1−2nmのスパッタ堆積されたSiO2を適用すれば、処理中フォトレジスト
の固着性を大幅に向上させるであろう。
効率を積極的にモニタすることに備えたものである。このことは、フォトレジス
ト回折格子のコントラスト(contrast)を最も効果的にし、それにより、エッチ
ング選択性を高める。
−イオン・スパッタリングによる回折格子のエッチングを与えるものである。無
水珪酸(シリカ:silica)ガラスの反応−イオン−エッチングでの場合と同様に
、CFC(chlorinated fluoro-carbon:塩化フッ化炭素)の放出は何ら認めら
れない。
phase mask)を有するシリカ板を用いた単一露光において、ウエハ(wafer)上
の各単一ガラスチップ上に構成されたフォトレジストにおいて露光された数多く
の回折格子を与えるものである。
ラズマエッチングにより、過剰な損失を伴うことのない近似的に正弦曲線の回折
格子を与える。
ゴンイオンプラズマにおける等方性のエッチングを与える。
つ以上の周期を有するフェーズマスクを用いたディファレンシャルライン(diff
erential line)幅の制御による精確なライン幅をもった各回折格子を与える。
する光学的導波管のアレイにわたって単一ピッチ回折格子をプリントすることに
より選択されたレーザ波長を与える。
学的導波管のアレイ上に単一ピッチ回折格子を構成することによって選択された
レーザ波長を与える。
field assisted)イオン−交換プロセスを用いたレーザ操作を最適化するモード
場の形状およびサイズを与える。
、例えば初期レーザライン幅が500kHzであった、モノリシック(monolith
ic)な単一周波数の導波管レーザをもたらし得る。
を与える。 本発明は、例えば80mWまでの高出力をもたらす(Erドープ(dope)処理
されたDBRレーザに対する従前の技術の状態は、デンマーク・マイクロエレク
トロニック・センタ(Denmark Microelectronic Centrc 工科大学による2mw
であった。技術は、Erでドープ処理されスパッタ堆積されたシリカであった。
)。
ガラスレーザを明示している。1997年4月29日にIEEE フォトニクス・テ
クノロジ・レター(Photonics Technology Letter:光通信学技術レター)にお
けるリーハイ大学アンド・ルーセント(Lehigh University & Lucent)のA.イ
ェニエイ(A. Yeniay)等により、このような種類の従来の最善のデバイス(dev
ice)は、外部繊維の回折格子を用いており、70mWの組み合わされたポンプ
出力で2.2mWを創成していた。このイェニエイ(Yeniay)のデモンストレー
ションは、単一周波数のレーザとして働くものではなかった。
のデバイスに対する従前の技術の状態は、リーハイ大学アンド・ルーセント(Le
high University & Lucent)のA.イェニエイ(A. Yeniay)等による約11パ
ーセントであった。)。
れらに限定されるものでは決してない。
スを与える。ある一つの実施態様においては、基板の表面に形成された導波管チ
ャンネル(channel)の回折率を変えることにより、写真石版技術が導波管を規
定する。ある一つのかかる実施態様においては、米国デュイア(Duryea), PAの
スコットガラステクノロジ社(Schott Glass Technologies, Inc.,)から入手で
きるIOG−1レーザガラスのスラブ(slab)から、約10cm×10cm×1
mmのガラスウエハが切り出される。”トップ(top)”主面を含む重要な表面
(ここに、”トップ”は、操作において用いられるときは、方位を指称し、必ず
しもデバイスの配置を指称するものではない)は、光学的な平滑さまで研磨され
る。本発明のある実施態様によれば、ガラスウエハは、複数のセグメント(segm
ent)を有している。
、ある実施態様では、100個のデバイスの)独立したセグメント(各々が1つ
の光学システムを形成している)を形成するように、ウエハのトップ表面が処理
される。例えば、ある実施態様では、各セグメントは約1.5cm×0.5cmにさ
いの目形にされたウエハの一部分である。
波管を有するセグメントに注力している。このセグメントは、例えば、アペンデ
ィックス(Appendix)のペーパ(paper)A,ペーパB,及び/又はペーパCに記
載された方法の一つに従って処理することができる(例えば、ある実施態様では
、各セットが5つの導波管を有し;今一つの実施態様では、1つの導波管が使用
され、他の4つの導波管は一つ若しくはそれ以上の導波管が適正に機能しない場
合における冗長構成を付与するように、1つの組が使用される)。この実施態様
では、各セットは、レーザ光のミラー(mirror:鏡)を形成する回折ブラッグ(
Bragg)反射面(DBR)で上張りされており、各DBRは、異なる出力波長で
共振するように設計された異なる間隔に製作される。ある実施態様では、40の
導波管のうちの8つだけが、それぞれのレーザ光に対して使用され;他のものは
冗長構成用に設けられている。このように、1つのセットに対するDBRは、当
該セットの5つの導波管全てが同一の波長でレーザ光を発し、これら導波管のど
れでもが、当該セットの所望の波長のためのレーザとして用いることができるよ
うに設定されている。しかしながら、DBRの各々は、異なる出力波長用に設計
されている。このように、8つのDBRによって調整される8つの所定の波長の
1つで各々光線を出力する8つのレーザ光を発する導波管を設けるように、セグ
メントが設計される。ある実施態様では、1つの入力ミラー(例えば、多層誘電
性のミラー)が、DBRに対向するセグメントの端面に配置されている。他の実
施態様では、レーザ発光のために望ましいフィードバック(feedback)機能およ
びpump-light-launching機能を付与するために、当該面に対して外部ミラーが設
置されている。入力ミラーは、ポンプ波長(ある実施態様では、0.98マイク
ロメータ)でできるだけ多くの光を伝送するように、一方、出力波長(ある実施
態様では、DBRに対応することにより調整された結果として選択された波長約
1.54マイクロメータ)。ある実施態様では、稠密波長分割多重送信(DWD
M)を用いた通信システムにセグメントが用いられ、そこでは、例えば、40の
異なる波長が異なるチャンネルの情報を搬送するように各々変調され、そして、
40のチャンネル全てが単一の光ファイバを通過する。ある一つのかかる実施態
様では、各チャンネルの波長は、隣り合うチャンネルの波長と0.8ナノメータ
だけ異なっている。従って、セグメントは、例えば、1.5360,1.536
8,1.5376,1.5384,1.5400,1.5408及び1.541
6マイクロメータの波長でレーザ光を出力するように設計し得るであろう。シス
テムの他のセグメントは、他の8つの波長でレーザ光を発するように設計し得る
であろう。従って、40チャンネルのシステムでも、従来のアプローチ(approa
ch)における場合のように40の異なる部品数ではなく、5つのかかる異なる部
品数(つまり、独自の部品設計)を要するだけである。
る。この実施態様では、ポンプ光源(例えば、約0.98マイクロメータでレー
ザ光を発する半導体レーザダイオード;この光源は、ことによると0.96マイ
クロメータ程度の低い、また、1.00マイクロメータ程度の高い帯域の周波数
を発する、非常に「ノイズィ(noisy)」なものであっても、例えば1.536
0マイクロメータでレーザ光を放射するための好適な光源を与えるものである。
)は、導波管セットの中の選択された導波管の端末に突き合わせることにより、
好適なランチ−エンドミラー(launch-end mirror)を介して結合される。ある
一つのかかる実施態様では、8つのポンプレーザダイオードが用いられる。セグ
メントの他端側では、各ファイバそれぞれが8つの各セットのトップつまり最初
の導波管の放射端末に光学的に結合されるように、8つの光学ファイバがアライ
メントブロック(alignment block)によって保持されている。最初の導波管の
何れか一つでも不作動の場合には、上記アライメントブロックは8セットの次の
導波管に結合すべく移動させられることができる。
イバを備えた今一つの多重波長レーザ源の要素として、セグメントが使用される
。異なるポンピング機構が使用可能であり、そこでは、各ポンプは、ポンプから
導波管への光の集中を助勢するレンズ(従来の凸型レンズ又は回折若しくはホロ
グラフィックレンズであっても良い)を介して結合される。
施態様は、8つの利用可能なものの中から選択された一つの出力波長を与える。
この実施態様は、また、ポンプレーザダイオードから所望の導波管への光線を結
合するための光学ファイバを与えるものである。上述のポンプ結合方法及び装置
の如何なるものも、他の論議された実施態様においても利用可能であることが理
解されるべきである。
ーザを有するセグメントが設けられている。単一ミラーは外部発射ミラーを持つ
。他の実施の形態では、単一波長ですべてが動作する冗長導波管や、特定波長に
調整されるDBRを各々が有する他の導波管や、両方共設けられたものがあり、
これらはすべて単一セグメントに一体的に取り付けられている。
するパッケージ装置が設けられている。この装置は、密封パッケージを持ち、こ
の実施の形態では、ファイバにより供給され、出力ファイバに接続されている。
この実施の形態には上述したレーザが設けられているが、これは別の状況では受
動装置である。このような装置は、上述したようにノイズを含むポンプ光入力を
取り、異なる周波数で「きれいな」レーザ出力光を出力する。出力は安定し、非
常に狭い波長スペクトルを持つ。
する集積装置が設けられている。装置には、ポンプレーザダイオード、光検出器
(例えば、光感知ダイオード)、サーミスタのような能動素子が設けられており
、これらの素子は電気的に接続されている。幾つかの実施の形態には、一定温度
を維持するために、(装置を加熱及び/又は冷却するための抵抗や熱電装置のよ
うな)温度維持装置が設けられている。幾つかの実施の形態にはまた、出力光に
ついての情報を符号化する出力変調器が設けられている。そのような幾つかの実
施の形態にはまた、変調された光を単一ファイバに結合する出力結合器が設けら
れている。
グメントに直接(突き合せ)接続したレーザが記載されている。
かかるセグメントにレンズ結合したトップレーザが設けられている。
ので、本発明にかかる導波管を組み込んだレーザは、現在の高級技術水準の半導
体レーザよりも狭いライン幅を潜在的に持っている。シャロウ−タウネス(Scha
llow-Townes)関係により、ダイオードレーザの約10〜100kHzに比べて
、固体レーザには1Hz以下の究極の限界が与えられる。本発明のレーザは、今
日使用されている標準的WDMレーザ源の典型的な1MHZのレーザライン幅よ
りもはるかに優れた500kHz以下あるいはこれに等しいライン幅を持ってい
ることが立証された。
用半導体レーザに勝る格別の利点である。これは、近い将来公になることが予想
されているアナログ変調周波数のマルチGHz伝送レートへの増大に共ない、正
に真実である。ショットノイズ光子統計を超えて過剰なのは、500kHz近辺
に発生する緩和発振ピークである。500kHzを超えると、導波管レーザでは
RINは急速に落ちる。高ガラス飽和出力と組み合わせると、これは、ノイズが
非常に低いレーザが達成できることを意味している。逆に、半導体レーザは通常
3〜10GHzの間に緩和発振を持ち、これは光アナログ通信においては潜在的
に重要な周波数域である。
子を取り付けることは利点がある。これは、ポンプライトがDBR格子に到達す
ると、反射される代わりに鋭角で導波管の外部で結合されるので、ポンプライト
強度はDBR格子内を横断するにつれて非常に早く減少する。DBR格子がエル
ビウムがドープされたガラスに形成されると、DBR格子内部の活性ガラス内の
励起エルビウムイオンの数は、自然発生ノイズを増大させる。また、効率を減少
させるレーザキャビティ内のロスを生じさせる。
スに融解したNdドープ燐酸塩ガラスに単一周波数の1.32〜1.4μmのレ
ーザを作ることである。本発明においては、上述したイオン交換プロセスを使用
して、Nd−Laが融解した基板に導波管が作製される。DBR格子が基板のL
a部に書き込まれる。Ndは1.3μmに近い3レベルレーザシステムとして作
用するので、DBR格子を基板の受動部に書き込むことは重要である。このデザ
インは、上述したように、ロスとノイズを最小にするので、レーザ効率が増大す
る。格子の周期は、1.32〜1.4μmの範囲の単一波長を反射して、この範
囲の単一周波数レーザを生成するように、作製される。多くの吸水ピークが光ス
ペクトラムのこの範囲に発生するので、このようなレーザは、高純度ガスにおけ
る低レベルの水の濃度を検出する高パワーレーザ源として使用することができる
。
ドリフトを全く受けることがない。半導体レーザは古くなるにつれて、レーザキ
ャビティ内の光強度が高いと、半導体材料の屈折率が変化し、その結果、レーザ
キャビティ光学特性が変化するので、レーザの波長が時間とともにドリフトする
。幾つかの点で、半導体レーザの縦モードは周波数間隔が大きいので、材料変化
は、大きい波長シフトを引き起こす縦モードホップが発生するほど厳しいもので
ある。WDMネットワークでこのような事象が発生すると、その作用は普通破局
的で、問題の根源を切り離している短時間に、ネットワーク全体がダメージを受
ける可能性がある。この作用は燐酸塩ガラスでは十分に研究されていないが、我
々の直感では、効果はさほど大きくはない。縦モードはまた非常に近い(WDM
チャネル交差内)ので、エージングが燐酸塩ガラスに起これば、モードホッピン
グはさほど厳しいものではない。
1.5μmの電気通信帯における電気通信やデータ伝送に適用することができる
。出力パワーは、今日市販されている安価な980nmクラスのポンプレーザで
供給するときに必要なパワー(20mW)を超えている。
て、1.5μmかあるいは約1.0μmで動作するローカル光ネットワーク用の
小さくてコンパクトなレーザ源を提供することができる。特に、発明者らは、個
々の航空機、自動車、船舶等の内部のローカルネットワークで使用される1.0
μmの安価でコンパクトで効率的なレーザ源の必要性を予見している。ここで、
光伝送の距離が短いと、拡散作用による歪が蓄積することなく、従来の光ファイ
バ(1.3μmと1.5μmで最適化されているが、1.0μmで拡散の問題が
ある)を使用することができるとともに、1.3μmや1.5μmでの検知器よ
り安価で操作しやすく維持しやすい1.0μmで敏感な検知器を採用できるとい
う利点もある。
されている。本発明のレーザ構造と組み合わせると、多くのレーザ波長は、光技
術を完備した診断及び分光分析用コヒーレント光源として有用である。
/117,477号及び1999年10月29日に出願された米国仮出願第60
/162,458号と同様、既に引用した、あるいは、以下に引用するすべての
出願、特許及び公開公報の内容のすべてはここに記載されているものとする。
別段の記載がなければ、すべての部及び百分率は重量で表している。
NIST−1Tと命名した高燐含有物を有するErとYbがともにドープされた
ガラスが以下のように作製された。化合物を適当量計量し所望の組成を生成し、
1200℃を超える温度でシリカるつぼ内で溶解させ、カレットと呼ばれる一定
の光学特性のガラス状の材料を作製した。レーザ作製に使用される高光学特性の
ガラスを得るために、このカレットはプラチナるつぼ内で1200℃〜1300
℃の温度で再溶解させた。この溶解が完了すると、スチール製のモールドに溶解
したガラスを鋳込む前に、溶解したガラスを攪拌し、1400℃までの温度で3
時間精製した。鋳造したガラスは、30℃/時の冷却率で室温まで冷却する前に
、530℃で2時間焼鈍した。
プルを生ずるべくカットされた。 表3−NIST−1Tの特性の特徴結果 特性 期待された結果 測定結果 Nd 1.523±0.003 1.52100 Vd 67.53±0.05 67.50 濃度,ρ[gm/cm3] 2.74±0.03 2.74 3.0umでの吸収[cm−1] <2.0 1.20
る期待された結果と比較して、調製されたガラスの固有の化学的な同一性が確か
められた。それは、屈折率,nd,アッべ(Abbe)数,vd、及び、濃度,
ρが、表3に示される許容範囲内の期待値と一致する場合に、その合成が意図さ
れたものであるという高い信頼性を得るための、ガラス産業における一般的な実
施事項である。ガラスへの希土類の記録された入力重量と組み合わされる、測定
された光学特性及び測定された濃度値が、次の付加的な特性の算出を可能とした
。
造されたキャスティングからの残りのガラスから調製された。各プレートは、厚
さが50mm×50mm×2mmと特定され、50mm×50mmの面上で、シ
ョット(Schott)の工業用フィルタガラスの製品ラインに標準的に適用さ
れる高品質の光沢剤で磨かれた。
、3〜8μmの幅範囲を有するチャネルアパーチャを通じたK+−Na+の交換
により形成された。アパーチャは、200nm厚のAlのマスクレイヤーにエッ
チングで作られた。標準的な金属析出及びマイクロリソグラフィー技術が、導波
部マスクを形成するのに採用された。交換は、箱形炉において、4時間、375
℃で、溶融されたKNO3を含有する薄いアルミニウム製のるつぼ内で行なわれ
た。
te wax)を用いる類似したガラスでブロックされ、リゾノイド・ブレード
(resonoid blade)を採用した自動ウエハダイシングソーを用い
てさいの目状に切られた。試料は、約2.2cm×1cmの寸法にカットされた
。導波部端部の切子面は、平坦なガラスラッピングブロック上で、25μmサイ
ズ及び9μmサイズのAl2O3の粉末グリット(grit)を用いて、粗く磨
かれた。粗磨き後、自動研磨機上のソフトラッピング材料上に分配されたセリウ
ム酸化物と水の混合物を用いて、最終的な研磨が行なわれた。研磨の完了後、サ
ンプルは、超音波のプロセスにより、アセトン(aceton)にてブロックを
解かれた。
。サンプル内の位置のファンクションとしての屈折率は、屈折による近傍位置の
走査の方法を用いて解析された。導波部の横方向の寸法は、光を導波部の一端部
へ結合し、他端部から較正された赤外線カメラ上に放射される光をイメージ化す
ることにより測定された。
に、チューナブルなTi:Al2O3レーザを用いて、導波部をポンピングした
。図1は、レーザ測定装置の構成を概略的に示している。広帯域の誘電性のミラ
ーを、研磨された導波部の端面に配置することによって、レーザキャビティが形
成された。ミラーは、端面とミラーとの間に屈折率適合用のオイルを備えつつ、
小さなバネクリップによって所定位置に保持された。ポンプレーザの光は、4X
の顕微鏡対物レンズとともに、ミラーの1つを通じて発せられた。レーザ出力お
よび吸収されないポンプ光は、16Xの顕微鏡対物レンズと平行にされ、フィル
タを用いて隔てられた。ポンプ光の出射時にそれが通過させられるミラーは、1
540及び960nmでそれぞれ>99.9%及び15%の反射率を有した。出
力カプラは、1540nmで80%,960nmで15%の反射率を有した。導
波部の長さおよびキャビティ出力のカプリングはいずれも最適化されなかった。
この例の付加的な情報が、添付された付録の用紙Dとして提供されるJNCSの
論説にて見出され得る。
察されるよりも、(僅か16mWの従来の高さと比べ、180mWまでの)高い
出力パワー及び(27%の従来の高さと比べ、少なくとも28%の)高いスロー
プ効率を指示すべく採用された。バービャー,ディー(Barbier,D.)
その他による、光学通信(会議,発行,第448)の、Vol.4の41−44
頁における第11回国際会議及び第23回ヨーロッパ会議,集積光学及び光ファ
イバ通信を参照せよ。
Ybでドープされる(NIST−1T及びNIST−1Xに等しい)IOG−1
の燐酸ガラスにおいて組み立てられた。Yb/Erガラスが、1.15重量%の
Er2O3(1.0×1020イオン/cm3)及び4.73重量%のYb2O3 (4.0×1020イオン/cm3)でドープされた。Ybでドープされたレ
ーザに関し、ガラスが、4.73重量%のYb2O3(4.0×1020イオン
/cm3)でドープされた。導波部が、3〜8μmの幅範囲を有するチャネルア
パーチャを通じ、K+−Na+交換により形成された。アパーチャは、200n
m厚のAlマスクレイヤーにエッチングで作られた。標準的な金属析出及びマイ
クロリソグラフィー技術が、導波部マスクを形成するために採用された。交換は
、箱形炉において、4時間、375℃で、溶融されたKNO3を含有する薄いア
ルミニウム製のるつぼ内で行なわれた。最初のイオン交換は、水蒸気又は酸素の
イオン交換溶媒との相互作用を回避するためのステップをとらなかった。その後
の実験は、この処理が、反復性及び導波レーザの産出力に関して、信頼し得るも
のでないことを明らかにした。イオン交換された試料は、グリコサレートワック
スを用いる類似したガラスでブロックされ、リゾノイドブレードを採用した自動
ウエハダイシングソーを用いてさいの目状に切られた。試料は、約2.2cm×
1cmの寸法にカットされた。導波部は、2.2cm長の寸法に平行していた。
導波部端部の切子面は、平坦なガラスラッピングブロック上で、25μmサイズ
及び9μmサイズのAl2O3の粉末グリットを用いて、粗く磨かれた。粗磨き
後、自動研磨機上のソフトラッピング材料上に分配されたセリウム酸化物と水の
混合物を用いて、最終的な研磨が行なわれた。研磨の完了後、サンプルは、超音
波のプロセスにより、アセトンにてブロックを解かれた。
。サンプル内の位置のファンクションとしての屈折率は、屈折による近傍位置の
走査の方法を用いて解析された。導波部の横方向の寸法は、光を導波部の一端部
へ結合し、他端部から較正された赤外カメラ上に放射される光をイメージ化する
ことにより測定された。
Perot laser:エッチングされた格子を備えないレーザ)をテストす
るために、我々は、典型的に、チューナブルなTi:Al2O3レーザを用いて
、導波部をポンピングした。図1は、レーザ測定装置の構成を概略的に示してい
る。広帯域の誘電性のミラーを、研磨された導波部の端面に配置することによっ
て、レーザキャビティが形成された。ミラーは、端面とミラーとの間に屈折率適
合用のオイルを備えつつ、小さなバネクリップによって所定位置に保持された。
ポンプレーザの光は、4Xの顕微鏡対物レンズとともに、ミラーの1つを通じて
発せられた。レーザ出力および吸収されないポンプ光は、16Xの顕微鏡対物レ
ンズと平行にされ、フィルタを用いて隔てられた。ポンプ光の出射時にそれが通
過させられるミラーは、1540および960nmでそれぞれ>99.9%及び
15%の反射率を有した。出力カプラは、1540nmで80%,960nmで
15%の反射率を有した。導波部の長さおよびキャビティ出力のカプリングはい
ずれも最適化されなかった。
テストされた。Yb3+デバイスは、10mm長であった。ポンプ入力ミラーは
、950nmで50%、また、1030nmで98%の反射率を有した。102
0nmで7%及び21%の透過率を備えた2つの出力カプラが吟味された。これ
らの出力カプラは、950nmで、それぞれ、32%及び34%の反射率を有し
た。
的のために David Funk により設計された密閉Alるつぼを使用して、イオン交
換後に欠陥のないガラスが観察された。ガラスシールへの研磨されたAlが漏れ
たエッジのまわりで腐食されたが、チャンバーへエアーが漏れなかった内部では
欠陥および腐食は皆無であった。その結果、実験により、気密のグラファイトガ
スケット材料でるつぼをシールするることが導かれる。このことは、NIST-1
(IOG-1) 無欠陥/無腐食の燐酸塩ガラスにおいて、イオン交換の繰返し可能なデ
モンストレーションに導かれる。
軽減され、そして一様であり、そして又、Alマスクをエッチングするために用
いたエッチング材料はサンプルから洗い流された。
導波管レーザは、波長1536nmの連続的にデモンストレートされる動作を持
つ。そのレーザは、イオン交換により、Yb/Erの共にドープされた燐酸塩ガ
ラス内で導波管を形成することにより組立てられた。各レーザに対するスロープ
の効率は、浮かべたポンプのパワーの機能として、26%であり、しきい値は浮
かべたポンプパワーの50mWで起きる。80mWの出力は、350mWの結合
されたポンプパワーで達成された。各レーザは、単一の縦モードで安定した動作
を示し、そしてすべてが500kHz程度のライン幅を有する。効果的にインデ
ックスを変える導波管のくしは、単一期間の格子付けを用いる波長の選択を可能
にする。
にわたって、新しい遠隔通信サービス、ケーブルテレビ(CATV)およびデータ
通信により発生した遠隔通信のハンド幅に対する要求の成長が、同じ光ファイバ
チャンネル内でいくつかの異なる波長で情報が同時に送信される波長多重分割(
WDM)の迅速な開発を進めさせた。WDMシステムの開発は、半導体の分配さ
れたフィードバック(DFB)レーザのごとき既存の技術の使用を従うことが困難
な半導体レーザソースに要求を置いた。このようなシステムに対する関心事は波
長の選択性、レーザ寿命に対する波長の安定性、整合能力、プロセスの効率、パ
ワー限界およびコストを含む。
のWDM遠隔通信システムの使用やCATVの使用に対し、極めて期待でき、か
つ、負けない、DFBへの選択性を提供する。導波管のいくつかのデモンストレ
ーションおよびファイバレーザ技術は、文献で議論されてきた。ソリッドステー
トのウェーブガイドレーザの重要な1つの利点は、シングルガラスチップ上で多
くの波長で動作するレーザアレイに対する可能性を提供する。希土酸化物をドー
プした導波管レーザは、高い輝度、低ノイズ及び光ファイバとの結合容易性を備
えたキロヘルツのライン幅をも提供できる。
オン/cm3および3.97×1020Yb3+イオン目/cm3をドープした商業利用で
きる燐酸塩アルカリガラスで組立てられる。7.8燐酸塩ガラスは、感光効率が
均一でかつ、濃度抑制のオンセット前に大きいドーピング濃度が可能なので、イ
ッテルビウムおよびエルビウムイオンに対して極めて良好な主な材料である。2
00nm厚のアルミニゥムマスク層内で3から8μm幅のラインの隙間を用いて、
そのガイドはNa+のためにK+のイオン交換によって形成された。の交換時間
は、375℃で溶解したKNO3を含むアルミニウムるつぼ内で4時間であった
。イオン交換後に屈折の近接フィールド走査を用いサンプルの検査により、マス
ク開口部に対応するガラス表面の部分に、イオン交換の間により、ほぼ1μmの
くぼみが表れた。その交換の間のガラスのエッチングの背後の機構は、現在、調
査中であり、吸湿性の溶解硝酸塩内の残りの水分により生じたと考察されている
。1000xのNomarski のコントラスト顕微鏡を用いて観察したとき、くぼみ領域ガ
ラスの表面性質は、ガラスの元の表面と同一に見え、そして明らかに重大な拡散
ロスを生じない。
波管の長さは2.2cmであった。単一の横モードで示された導波管のモードフィ
ールドの寸法の測定は、各導波管にてサポートされた。6.5μmのマスク開口
で形成されたガイドのために、モード電界強度の1/eの全幅は、波長1.54
μmで16μ幅、11μm深さであった。それは977nmのポンプ波長で複数
の横モードをサポートした。しかしながら、デバイスがレーザを発光している時
、ポンプエネルギーは、元来、13μm幅で9.5μm深さの1/e次の最低次
元の横モード内で限定された。強度特性の全測定は、見積もられた実験値の±1
0%以内であった。
る90度の角をShipley 1805のフォトレジストによる0.5μm厚の層で写真的
に組立てられた。2つのビーム角度を変化できるように、そのコーナーは回転ス
テージ上に装着された。コーナーの一方の面はミラーであり、他方の表面はサン
プルの保持のために、真空チャックである。457.8nmのArイオン層からの光
は、20Xの対物レンズを用い、15μmのピンホールを通じて合焦させること
により特別にフィルター処理された。そのビームは、焦点長350mmの直径76
mmのレンズを用いて平行光にされた。露光角は、Λ=507.8nmのピッチで格
子を書けるようにセットされた。1.515±0.003の見積もられた実効屈
折率を有する導波管のために、このピッチは、λ=1538.6nm±3nmでのレ
ーザ動作を備えるべきである。フォトレジストに対する露光時間は、露光領域0
.44cm2(0.8cm長さ×0.55cm幅)の各アーム内で3.85nW入射で18
秒であった。格子付けは、希釈されないShipley CD-308の現像液内で現像され
た。現像の間、632.8nmのHeNeレーザからの光の回折がモニターされた。第
1次の回折パワーが到達した時、格子は除去され、リンスされそして乾燥される
。
により、DBR格子付けが形成される前に、電子ビーム蒸着面に対し60°傾い
た標本を有する、40nmのCrが表面に堆積された。このように標本を装着すると
、Crを格子ラインのトップにのみ堆積させ、溝内には堆積せず、その結果、耐久
性のあるエッチマスクが与えられる。格子付けは、6.67Pa(50mTorr)Arイオ
ンプラズマの反応性イオンエッチングシステムを用い、20分間、ガラス内でエ
ッチングされた。周波数13.5MHZで365Wで実効したとき、む低い圧力
プラズマは、1700Vの大きい自己バイアス電圧を生じた。電極の間隔は3.
2cmであった。エッチング後、サンプルは超音波によりフォトレジストが85℃
で除去され清潔にされた。添付の図1のペーパーDは、完成したDBRレーザア
レイを図示したものである。
997nmでR=15%)の誘電性ミラーをポンプ入力面に設置することにより形
成される。そのミラーはスプリングのクリップにより設置され、インデックス整
合用流体がミラーと導波管の面との間に使用される。DBR格子付けは、レーザ
出力カプラーとして使用される。開口数0.1の4x対物レンズを用い、Ti-Al
2Oi3からの光を977nmの導波管に結合させることにより、レーザをテストし
た。発射効率は65から71%と見積もられた。発射効率を決定するために、入
力ミラーのフレネル反射率、発射対象物のロスおよび超過結合ロスを測定した。
添付の図10のペーパーDは、発射されたポンプパワーおよびレーザのスペクト
ラムの関数としてレーザ出力を示す。導波管に対する導波管拡散開口は8μmで
あった。結合ファクターを71%とした時、発射されたポンプパワーの関数とし
てのスロープ効率は、26%と計算される。
。 P1/P2=(I−R1)/(I−R2)・R2/R1 P1は格子端での出力パワー、P2は格子と対向する端部での出力パワーであ
る。R1は格子反射率、R2は取り付けたミラーの反射率である。R2のために
、反射率が80および90%の2つのミラーを使用した。両ケースに対し、格子
係数R1を65%と計算した。
ラム範囲が124GHzの光ファイバ スキャニング Fabry-Perot 干渉計に結合
した。添付の図11のペーパーDは、結合したポンプパワーが300mWを超過
しないとき、レーザは単一の縦モードで動作したことを示している。レーザーは
TH極性化を備えた強健に単一の周波数で、モードの転位は観察されなかった。
図11における挿入図は、結合したポンプパワーが300mWを超過したとき、
第2の縦モードが現れたことを示す。このポンプ状況では、レーザは、不安定で
モードの転位、単一周波数動作および2重の周波数動作を示した。縦方向モード
間の周波数間隔を測定することにより、レーザ空洞部の物理的長さは1.4cmと
決定した。
ーザの線幅を測定した。2個のアーム間の路長差は、ガウス線形用30kHzの
線幅分解能限界に対応する10kmであった。光線幅がフィードバックにより狭
くなるのを防止するために両方のアームに光アイソレーションを用いたけれども
、レーザの出力端はベベリングされなかった。付録の論文Dの図12は、オート
ダインスペクトルを示す。この測定から我々が得たレーザ線幅は500kHzで
あった。
チップ上の他の導波管のレーザ波長を測定した。チップ上の11個の導波管の内
7個がレーザ発振を示した。より小さい伝搬モード数は、グレーティングの45
%透過率損失に打ち勝つことができないようにゲインの減少を生じたので、より
小さいアパーチャを介して形成される導波管は閾値を達成しなかった。付録の論
文Aの図A5は、我々が導波管を走査した時の波長傾向の変化を示す。波長は拡
散アパーチャ幅が増加するにつれて増加し、これは、アパーチャ幅が増加するに
つれて増加する有効インデックスと整合する。
、且つ、集積されたDBR導波管レーザのアレイを表示した。レーザのスロープ
効率は、生じた励起パワーに基づく26%であり、又、閾値は、977nmの波
長で励起した時に50mW未満であった。レーザの線幅は500kHzと測定さ
れ、その出力はTEモードで線形に偏光させられた。我々は、現在、レーザの温
度安定性と相対雑音強度(RIN)を研究している。我々は、ダイオードレーザ
励起により、RINは、単一周波数ファイバレーザで提供された他の結果に類似
していて、10MHZより上で約150db/Hzより下になると期待している
。
一方、閾値パワーは減少すると予想している。これは、グレーティング製造工程
にほんの僅かの調整をするだけで可能である。更なる改良は、導波管端面に高反
射体を直接被覆することによっても実現されるだろう。我々は、いくつかの出力
波長を有するレーザを単一のガラス基板上に集積できることを示した。この例は
、国際電気通信連合(ITU)グリッドに合致する波長を有する、安定した、多
波長のWDM源を、イオン交換によって形成されてYb/Erを共にドーピング
したガラス導波管に各種の周期のいくつかのグレーティングを書込むことによっ
て実現できることを示す。
ステム源として有望である。Yb2+は、Er3+よりもはるかに大きい980
nm近くの吸収断面を有すると共に、その励起状態エネルギーをEr3+レーザ
の上方レベルまで効率的に伝達するから、Yb2+はEr3+レーザの感光剤と
して一般に使用されている。特に、Er3+/Yb3+ガラス導波管は、Er3 + をドーピングした又はEr3+/Yb3+を共にドーピングしたガラスファイ
バーとバルク結晶質又はガラスホスト内のレーザに対していくつかの利点を有す
る。イオン交換した導波管を、装置をファイバレーザよりも大幅に短くする大き
なイッテルビウム濃度(約5−15%)を有するガラス内に製造することができ
る。これは、熱的及び機械的な応力で引き起こされる複屈折によって生じるより
低い偏光及び出力パワー雑音とより小さい装置体積に帰着する。
の受動的にモードロックしたレーザを実現する可能性の点で重要である。バルク
装置と異なり、導波管レーザは、動作パワー又は励起レーザ横モードプロファイ
ルと独立した単一横モードで動作すると共に、バルクミラーの心合せを必要とし
ないように設計し得る。更に、導波管内のモードフィールドサイズは、光ファイ
バ系と効率的に結合するように光ファイバのそれと厳密に合致するように設計し
得る。現時点までのEr3+/Yb3+ガラス導波管レーザの欠点は、これらの
装置から得られる相対的に低い出力パワー(数ミリワットまで)であった。増大
した出力パワーはこれらの装置の有用性を大きく高めるだろう。本論文は、97
9nmにおける611mWの生じた励起パワーに対して約1540nmにおいて
168mWの出力パワーを生じたEr3+/Yb3+を共にドーピングしたリン
酸塩ガラス導波管レーザを記載する。
量%Er2O3(0.99×1020イオン/cm3)と4.73重量%Yb2 O3(3.97×1020イオン/cm3)で共にドーピングされた。導波管は
、幅が3〜8μmの範囲のチャネルアパーチャを有する200nm厚のAlマス
ク層を介したK+とNa+の交換によって形成された。その交換は、Alるつぼ
のKNO2メルト内で375℃で4時間で起こった。ここで報告するレーザ結果
は、6.5μm幅のマスクアパーチャに対するものである。イオン交換工程後の
サンプルの検査により、マスク開口の位置に対応するガラス面の領域は、交換工
程中に1又は2ミクロンだけへこんでいることが判明した。エッチングされたチ
ャネルの幅は、マスクアパーチャの幅に近いと共に、幅及び深さにおいて一様で
あった。
、屈折近視野掃引法を使用して分析された。付録の論文Bの図B1は、633n
mの波長に対して6.5μmマスクアパーチャを形成した導波管の中心における
インデックス深度プロファイルを示す。この方法は、相対位置と絶対インデック
ス値を、夫々、0.7μmと0.001の精度で決定できる。
の一端に結合すると共に、他端から出る光を較正された赤外線カメラ上で結像す
ることによって特徴付けられる。この方法を使用して決定されるモード寸法の不
確実性は約10%である。その装置は、幅14.5μmで深さ7.5μm(1/
e点において測定)の寸法を有する1.54μmにおいて単一の横モードを支持
した。導波管は、980nmにおいて複数の横モードを支持した。しかしながら
、装置が発振していた時、励起エネルギーは、幅6.4μmで深さ3.6μmの
寸法を有する低次横モード内に主として閉じ込められた。
管レーザキャビティは、薄い誘電体ミラーを研磨した導波管端面によって形成さ
れた。ミラーが小型ばねクリップによって所定位置に保持され、又、屈折率整合
油が、損失を減少するようにミラーと導波管の端面の間に使用された。励起レー
ザが、4X顕微鏡対物レンズでミラーの内の一つを介して発せられた。レーザ出
力と非吸収励起が、16X顕微鏡対物レンズで平行にされると共に、フィルタを
使用して分離された。レーザキャビティは長さが20mmであった。励起が発せ
られるミラーは、1536nmと980nmにおいて、夫々、>99.9%と1
5%の反射力を有していた。
励起パワーの85%を伝送した。導波管長もキャビティ出力カップリングも最適
化されなかった。励振効率は、入力ミラーと励振対物レンズの伝送による損失を
含めて≦71%であると推定された。2個の異なる励起波長に対するレーザ出力
パワー特性が付録の論文Bの図2に図示されている。979nmで励起される時
、発せられた励起パワー閾値は51mWであった。168mWの最大出力パワー
が、発せられた979nm励起パワーの611mWに対して得られた。より低い
閾値を、Yb3−吸収ピークの励起レーザの電源を切ることによって得ることが
できた。960nmの励起波長に対して、閾値は23mWであった。両励起波長
に対するスロープ効率は約28%であった。
いつかの波長で同時に動作した。1536.0nm、1540.7nmと154
4.8nmで同時動作を示す典型的なレーザスペクトルが付録の論文Bの図B3
に図示されている。平行にされた1.5μmレーザ出力のいくらかをプリズムに
通過させて、誘電体ミラーを使用してそのプリズムを介して導波管内に反射させ
ることによって、動作波長を変移させることができた。これは、弱く結合された
外部キャビティを形成した。そのプリズムを回転することによって、1536n
mから1595nmに及ぶ波長を生成することができた。
によって生じ得る持続し張振動である。約0.5MHZから1.5MHZに及ぶ
周波数における出力パワーの変動がこのレーザにおいて観測された。変動の振幅
は励起パワーと共に減少した。付録の論文Bの図B4は、閾値の真上及び閾値の
9.4倍の励起パワーレベルに対して時間の関数としての出力パワーを示す。低
励起パワーにおいて、平均パワーの約30%(ピークピーク)の出力パワー変動
が観測された。高励起パワーにおいて、その変動は平均パワーの約5%(ピーク
ピーク)に減少した。Ti3+サファイア励起レーザは、約2−3%の出力パワ
ー変動を示した。励起源としてダイオードレーザを使用することは、Er3+レ
ーザのはるかに静かな動作に帰着するはずである。
オン交換処理を用いて製造されたガラス導波路レーザから得ることができる。キ
ャビティーの長さ及び結合の調整とともに、(電界によって援助されたイオン交
換と、製造された、埋め込まれた複数の導波路とを組み込むことのような)導波
路の製造プロセスにおける導波路の幾何学的形状を最適化する改善は、これらの
デバイスの性能を改善する。
は、1.5μmの近くで動作するコンパクトな多機能デバイスのための有望な候
補である。不均一な広がりを持つようにされたガラスホストから結果的に生じる
大きな利得の帯域幅は、これらのデバイスを、波長分割多重のアプリケーション
において有用な狭い輝線の光源のために理想的なものにする。それに加えて、短
いキャビティーの長さのために、これらの導波路レーザは、半導体の飽和性吸収
体を用いる、高い反復速度(GHz)のモード同期レーザの可能性を提供する。
そのようなレーザは、ソリトン通信システムのための光源として理想的である。
リモートセンシングや距離測定のような、目に安全な波長を必要とする他のアプ
リケーションは、これらの材料に基づく、コンパクトで高いパワーのcw又はQ
スイッチの導波路レーザ光源から利益を得ることができる。それに加えて、15
30乃至1550nmの範囲で利得を提供する光増幅器を実現することができる
。
バイスでは、Er3+の濃度を相対的に低く(〜1重量%)保持する必要がある
ことが知られている。しかしながら、活性化するYb3+の濃度は、いかなるイ
オン間の相互作用によっても制限されず、デバイスの性能に対して有意な効果を
有することが期待される。さまざまな著者が、この問題について理論的に研究し
ている。この実施例は、3:1,5:1及び8:1のYb3+:Er3+の比を
有するケイ酸塩ガラスにおいて、K+−Na+のイオン交換によって製造された
導波路レーザに対する実験結果を報告している。それに加えて、本願出願人は、
ホスト材料とイオン交換処理のパラメータとを最適に選択することを通じて、信
号モード量を増大させることと、ポンプ信号のオーバーラップを最適化すること
とを可能にする方法を示す。その結果物は、974.5nmにおいて398mW
の励振されたポンプパワーを用いて、1.54μmにおいて約19.6mWのレ
ーザ光を発生させるEr3+/Yb3+導波路レーザである。
。上記ガラスは、リンを含まない、混合されたアルカリの、ケイ酸亜鉛のガラス
である。通常は、3つすべてのガラスには、1重量%のEr2O3(0.85×
1020cm−3)がドープされ、NIST10A,NIST10C,及びNI
ST10Eと指定されるガラスはそれぞれ、3:1(2.47×1020個のY
b3−イオンcm−3)、5:1(4.16×1020cm−3)、及び8:1
(6.83×1020cm−3)の比で、Er3+:Yb3+を含んでいる。報
告された結果物は、150nmの厚さのAlマスク層における3μmの開口を通
じてイオン交換することによって取得された。上記イオン交換は、400°Cで
14時間の間、100%のKNO3の溶融物の中で実行された。
ときに、導波路に1.5μmのLEDを結合することによって評価された。導波
路は、信号波長において、(1/e個のポイントで測定された)20.5±2.
1μmの幅と11.5±1.2μmの深さの寸法の単一の横モードをサポートし
た。ホストガラスは、カリウムを含む混合されたアルカリのガラスなので、イオ
ン交換処理による付加的なカリウムの導入は、非常に小さな屈折率の変化をもた
らす。結果として、光学モードはしっかりと閉じ込められていない。複数の導波
路は、ポンプ波長において複数の横モードをサポートしたが、デバイスがレーザ
光を発生しているときのポンプモードの試験は、最低次のモードのみが励起され
たことを示した。その結果は、ポンプ及び信号のモードの間の非常に良好なオー
バーラップを得る。ポンプモードは、15.2±1.5μmの幅と7.0±0.
7μmの深さであると測定された。
価された。レーザサンプルと同様に準備された複数のサンプルに対して実行され
たカットバック測定は、NIST10Aに対して0.25±0.11dB/cm
、NIST10Cに対して0.32±0.08dB/cm、及び、NIST10
Eに対して0.66±0.12dB/cmの平均の導波路損失を示した。ポンプ
光に対する結合効率は、860nmにおいてポンプのスループットを測定するこ
とと、上に報告された損失の数値を用いて、導波路損失とともに入力及び出力の
光学装置からの損失を補正することとによって決定された。典型的には、結合効
率は50%と70%の間に低下した。結合効率は、860nmと975nmにお
いて同一であることが仮定された。
matching fluid)を用いて導波路レーザサンプルの研磨された端面のファセット
に設けられ、小さなクリップによって適切に保持された。入力鏡は、1536n
mにおいて99.9%の反射率を有し、ポンプ波長において、90%よりも大き
い透過率を有していた。60乃至98%の範囲の反射率を有するさまざまな出力
結合器が用いられた。また、すべての出力結合器はポンプ波長において透過性で
あった。導波路のデバイスは、このガラスホストにおけるYb3+の吸収スペク
トルのピークである974.5nmにおいて動作する、Ti:サファイアレーザ
によってポンピングされた。ポンプ光は、4倍(0.10NA)の顕微鏡の対物
レンズを用いて導波路に結合され、出力信号の光は、20倍の対物レンズによっ
て集光された。信号のパワーを測定するために、導波路からの出力光は、InG
aAsパワーメータ上に焦点を合わされた。
調査された。付録の書面Cにおける図C1は、Er3+イオンに対して5倍のY
b3+イオンを有するガラスに製造された1.68cmの長さのデバイスについ
て、2つの異なる出力結合器に係る、励振されたポンプパワーに対するレーザ信
号のパワーをプロットしたものを示す。スロープ効率とレーザのしきい値は、直
線をレーザのデータに合わせることによって決定された。最低のしきい値は、出
力結合器として98%の反射器を用いたときに達成された。このデバイスは、約
59mWの励振されたポンプパワーのしきい値で、レーザ光を発生した。このデ
バイスのスロープ効率は、励振されたポンプパワーに関して2.0%であった。
最高のスロープ効率は、出力結合器として用いられた70%の反射器によって実
現された。この場合、86mWの励振されたポンプパワーのしきい値を用いて、
6.5%のスロープ効率が達成された。398mWの励振されたポンプパワーに
対して、このレーザは19.6mWの出力パワーを発生した。
トが、添付された付録の書面Cの図C2に表されている。最高のスロープ効率を
与えるために実験的に決定された、各ガラスにおけるデバイスの長さのデータが
プロットされている。また、各ホストにおける最高のスロープ効率の性能が、表
1の中で比較されている。
において製造された最高のスロープ効率のデバイスに関する性能データ ―――――――――――――――――――――――――――――――― Yb3+:Er3+ デバイス 出力結合器 スロープ 励振された 400mW の長さ の反射率 効率 ポンプの での出力 (%) しきい値 ポンプ (cm) (%) (mW) (mW) 3:1 1.80 80 5.2 52 17.9 5:1 1.68 70 6.5 86 20.4 8:1 1.42 70 5.0 238 8.1 ――――――――――――――――――――――――――――――――
は、スロープ効率における改善をもたらす。ドーパントの比をさらに8:1まで
増大させることは、デバイスの効率を改善しないが、ポンプパワーの必要条件に
おいて実質的な不利益をもたらす。最近の研究は、精密なスカラーモデルを用い
て、上記の結果を拡張することに向けられてきた。それに加えて、ホストガラス
のカリウム含有物の代替物は、モデルの値を調整し、ポンプしきい値の必要条件
を減少させるような方法で、調査されている。
ウエーブガイドレーザーの列* (*アメリカ合衆国政府の寄稿。著作権の対象外。) デビッド・エル・ヴェッセイ、デビッド・エス・ファンク、ノーマン・エイ・サ
ンフォード ナショナル・インステイチュート・オブ・スタンダーズ・アンド・テクノロジー
、光電子部 MC815.04、325ブロードウエイ ボールダー、CO 80303-3328、アメリカ合衆国 電話:(303)497-5952 E-メール:yeasev@boulder.nistpay afunk@boulder.nist.gav. stanford@boulder.nist.eov ジョセフ・エス・ハイデン ショットグラステクノロジーズ、インコ 400ヨークアヴェニュー、デユリー、PA18642、アメリカ合衆国 電話:(717)457-7485 ext 351 E-メール:jhayden@sq23QL.attmall.com
ブラッグ反射器(DBR)ウエーブガイドレーザーの列を成功裡に論証した。レーザ
ーはイオン交換によってYb/Er-co-ドープされた硫化物ガラス中にウエーブガイ
ドを形成することによって作成した。動作を始めたポンプの動力の機能としての
各レーザーの傾斜の能率は26%であり、敷居値は動作を始めたポンプの動力の50m
Wで起こる。連結したポンプ動力350mWで80mWの出力が達成された。各レーザーは
単一の長いモードで安定した動作を表し、そして全ては500kHz未満のライン幅を
持っている。変化する有効指標を持ったウエーブガイドの櫛によって単一期間の
グレーテイングを用いて波長の選択ができるようになる。
、単一周波数の配分されたブラッグ反射器(DBR)ウエーブガイド・レーザーにつ
いて記述した。過去数年にわたって、新規遠隔通信サービス、ケーブルテレビジ
ョン(CATV)、及びデータ通信によって生み出された波長に対する需要の伸張のた
めに、情報が同一の光ファイバー・チャンネルの幾つかの異なった波長に同時に
送信される、波長分割多重化(WDM)の急速な発展を進めた。WDMシステムの開発
は、半導体配分されたフィードバック(DFB)レーザーのような既存の技術を用い
て対応するのが困難なレーザー源泉に対する需要を齎した。そのようなシステム
に対する関心の問題点としては、波長の選択性、レーザーの寿命期間中の波長の
安定性、同調可能性、プロセス収率、動力限定、及びコストがある。
M通信システムに用いるための、またCATV用の、DFBレーザーに対する極めて有望
かつ競争力のある代替物を提供する。ウエーブガイド及びファイバーレーザー技
術の幾つかの例示については文献1-5中で論じた。固体ウエーブガイドレーザー
の一つの主要な利点は、それらが単一ノガラスチップ上で多くの波長で作動する
レーザーの列を作る可能性を与えるということである。稀土ドープしたウエーブ
ガイドレーザーはまた、高い発光、低いノイズ、及び光ファイバーに対する容易
な結合を与えることが出来る。3,4,6 1535nmの波長を持った単一逆モードのウエーブガイドを、0.99 x 1020Er3+ion
s/cm3及び3.97 x 1020Yb5+ions/cm3を共ドープした商業的に利用可能な燐酸塩ア
ルカリガラスに製作した。7,8燐酸塩ガラスは、感作能率がほぼ一定であって、
濃度クエンチングの開始より前に大きいドーピング濃縮が可能であるので、イッ
テブラム及びエルビウムに対して極めて良好なホスト材料である。9 200nmの厚
さノアルミニウムのマスク層にエッチした3乃至8μm幅のライン開口を用いてNa+ に対するK+のイオン交換によってガイドを形成した。375℃で溶融したKNO3を含
むアルミニウム坩堝での交換時間は4時間であった。イオン交換後に屈折近界走
査を用いた試料の検査では、マスクの開口の位置に相当するガラス表面の地域は
交換行程中約1μm窪んでいた。10交換中のガラスのエッチングの背後の機構は現
在調査中であって、それは湿度計窒化物メルト中の残存水によって起こると我々
は考える。9 1000Xのノムルスキのコントラスト顕微鏡を用いて観察した、窪ん
だ地帯のガラスの表面の質はガラスの最初の表面と同一のように見え、また明ら
かに大きな拡散ロスを生じてはいない。
ブガイドの長さは2.2cmであった。ウエーブガイドのモードフィールドの寸法の
測定では、ウエーブガイドの各々において単一の横断モードが支持されることが
示された。6.5μmのマスクの開口をもって形成されたガイドに対しては、モード
フィールドの強度の1/e全幅は1.54μmの波長で11μmの深さで16μmの幅であった
。それは977nmのポンプ波長での多重横断モードを支持していた。しかし、装置
がlasingのときは、ポンプのエネルギーは13μmの幅で9.5μmの深さの1/eの寸法
を持った、最低度の横断モード内に主として留まった。強度の輪郭の全ての測定
値は±10%の見積もり試験誤差内に入っていた。
分割する90°コーナーを用いて、シップレイの1805xフォトレジストの0.5μmの
厚さの層にホログラフィーにより製作した。11 二つのビームの角度を変えるこ
とができるようにコーナーを回転ステージの上に取り付けた。コーナーの一つの
表面はミラーとし、もう一つの面は試料を保持するため真空チャックとした。20
xの対物レンズを用いて15μmのピンホールを通して焦点を当てることにより、45
7.8nmのArイオンからの光を空間でろ過した。ビームを、350mmの焦点距離の直径
76mmのレンズを用いてコリメートした。露出角度は、A=507.8nmのピッチで格子
を書くように設定した。1.515±0.003の見積もり有効指数を持ったウエーブガイ
ドに対しては、このピッチはλ=1538.6nm±3nmのレーザー作動を与えるものとな
る。フォトレジストの露出時間は0.44cm2の露出地帯(長さ0.8cm幅0.55cm)の各
アームに入射する3.85mWを持った18sであった。格子は非希釈のシップレイCD-308 現像液で現像した。現像中に、632.8nmのHeNoレーザーからの光の屈折をモニタ
ーした。12 一次の屈折力がピークに達したとき、格子を取り除き、リンスし、
そして乾燥した。
に、我々は、試料をエレクトロンビーム蒸発源に対して60度傾けて表面に40nmの
Crを載せた。このようにして資料を取り付けると、Crは溝の中ではなく、格子の
線の上部だけに集積するので、ダブル・エッチ・マスクが出来る。我々は、6.67
Pa (50mTorr)のAr-イオン・プラズマの反応性イオンエッチングシステムを用
いて20分間ガラスに格子をエッチした。低圧プラズマは13.5MHzの周波数を持っ
たカプルド・パワー365Wで作動させたとき1700Vの大きい自己バイアス電圧を作
り出した。電極の間隔は3.2μmであった。エッチングの後に、試料をフォトレジ
ストストリッパーで85℃で超音波で清浄化した。第1図は完成したDBRレーザーア
レイの図示である。この型のりん酸塩ガラスでエッチした典型的な格子の原子力
顕微鏡のマイクログラフを参考文献[II]に見出すことが出来る。
プ入力ファセットに載せることによってウエーブガイド・レーザー窪みを形成し
た。ばねクリップによってミラーを所定位置に保持し、そしてミラーとウエーブ
ガイド・ファセットとの間にインデックス・マッチング液を用いた。レーザー出
力カプラーとしてDBR格子を用いた。我々は、0.1の数字上の開口を持った4X対物
レンズを用いて977nmの波長に調整したTi:Al2O3レーザーからの光を結合するこ
とによってレーザーを試験した。開始効率は65乃至71パーセントと見積もった。
開始効率を決定するために、我々は入力ミラーのフレネル反射率、開始対象物の
損失、及び過剰結合損失を測定した。第2図は開始ポンプ力の関数としてのレー
ザー出力の力とレーザーのスペクトルを示す。このウエーブガイドに対するウエ
ーブガイド拡散開口は8μmであった。開始したポンプ力の関数としての傾斜能率
は、我々が結合係数を71パーセントと取った場合、26パーセントと計算される。
射率を見積もった。13 (I) 式中、P1は格子端での出力であり、P2は格子と反対の端での出力である。R1は格
子の反射率であり、R2は取り付けたミラーの反射率である。我々は、R2について
80及び90パーセントの反射率を持った2つのミラーを用いた。両者の場合とも、
我々は格子反射率、R1を65パーセントと計算した。
囲でレーザー出力を光学繊維走査ペブリー・ペロット干渉計に結合させた。第3
図は、結合したポンプ力が300mWを超えなかった場合、レーザーは単一の長手モ
ードで作動したことを示している。レーザーはTE偏光を持った強靭な単一周波数
で、モードホッピングは見られなかった。第3図の挿図は、結合したポンプ力が3
00mWを超えたとき、第2の長手モードが現れたことを示している。このポンプレ
ジームでは、レーザーは不安定で、モード・ホッピング、単一周波数作動、及び
二重周波数作動を表した。長手モード間の周波数スページングを測定することに
よって、我々はレーザーの窪みの物理的な長さが1.4cmであると測定した。 我々は、75MHzの周波数シフトを持った通常の自己ヘテロダイン形状を用いて
レーザーの線幅を測定した。14 二つの腕の間の路長の差はガウスの線型に対し
て30kHzの路幅解像力限度に相当する、10kmであった。15 両アームに光学隔離器
を用いてフィードバックによる光学的線幅の狭窄を防止した、しかし、レーザー
の出力端は斜面にならなかった。第4図は自己ヘテロダイン・スペクトルを示す
。我々がこの測定から得たレーザーの線幅は500kHzであった。
てチップ上の他のウエーブガイドのレーザー波長を測定した。チップ上の11のウ
エーブガイドの内7つはレーザー振動を表した。より小さい開口を通して形成さ
れたウエーブガイドは敷居値を達成しなかった、何故ならば、グレーテイングの
45パーセントの転送損失が克服出来なかったように、より小さいモード量は利得
の減少を起こしたからである。第5図は、我々がウエーブガイドを走査したとき
の波長傾向の変化を示す。拡散開口幅が増大するにつれて波長は増大し、これは
開口幅が増大するにつれて増大する有効指標と一致している。
の、統合した、DBRウエーブガイド・レーザーの配置を論証した。レーザーのス
ロープ効率は開始ポンプ力に基づいて26パーセントであり、そして敷居値は977n
mの波長でポンプしたとき50mW未満である。レーザーの線幅は500kHzと測定され
、そして出力はTBモードで直線的に偏光された。我々は現在、レーザーの温度安
定性と関係強度ノイズ(RIN)とを調査している。我々は、ダイオード・レーザー
・ポンピングでは、RINは単一周波数繊維レーザーについて出された他の結果と
同様であって、10MHzより高く-150dB/Hz未満の間になると期待している。3,4 我
々は、グレーテイング反射率が増大すれば出力及び効率が増大し、また敷居値の
力が減少することを予測する。これは、グレーテイングの製作工程にほんの僅か
の調整をしただけで可能である。高度の反射物をウエーブガイド端の小面(ファ
セット)に直接被覆することによって一層の改良を実現することも出来る。我々
は数個の出力波長を持ったレーザーを単一のガラス基板に統合することが出来る
ことを示した。この論証は、国際遠隔通信連合(ITU)格子に該当する波長を持っ
た、安定した、多重波長の、WDM源が、イオン交換によって形成されたYb/Er-co-
ドープしたガラスのウエーブガイドに変化する期間の数個のグレーテイングを書
くことによって実現することが出来ることを示している。
ンソン、K.O.ヒル、K.ハットリ、及びY.ヒビノ、エレクトロン、レット、30,131
1(1994)2 A.イエンレイ、J.-M.P.デラボー、J.トウールーズ、D.バービエ、T.A.ストラ
セル、及びJ.R.ポドラザンニ、IEEEBホトニクス・テクノル、レット9、1099(199
7)3 J.T.クリングルボトン、J.L.アルシャンボール、L.レクテイー、J.E.タウン
センド、G.G.ヴィエンヌ、及びD.N.ペイネ、ブレクトロン、レット,30,972(1994
)4 W.H.ロー、B.N.サムソン、L.ドング、G.J.コウイ、及びK.Hsu、J.ライトウエ
ーブテクノル.16,114(1998)5 G.J.ボスラー、C.J.ブルックス、及びK.A.ウイニック、エレクトロン、レッ
ト.31,1162(1995)6 T.Y.ファン、R.L.ブイア、IEEE J.クワンタム・エレクトロン、24,895(1988
)7 IOG-1レーザーグラス、ショットグラステクノロジーズ、インコ、400ヨーク
アヴェニュー、デユリー、PA8 特定の材料及びプロセス薬品が、プロセスを再生することが出来るようにす
るためだけに報告され、そして合衆国政府によって裏書されてはいない。他の材
料及び薬品も同様に、又はより良く作用すると思われる。9 P.フルニエ、P.メシュキンファム、M.A.ファルダッド、M.P.アンドリューズ
、及びS.I.ナジャフィ、ブレオトロン、レット、33,293(1997)10 B.グロエブリ、B.ギシン、N.ギシン及びH.ズビンデン、オプト.エンジニア
リング、34,2309(1995)、N.H.フォンテーヌ及びM.ヤング、「ファイバー及びウ
エーブガイドの屈折した近界走査」、J.ライトウエーブ・テクノル.へ提出した
もの。11 D.L.ヴェッセイ、K.J.マロン、J.A.オースト、N.A.サンフォード、及びA.ロ
シュコ、プロク.7th Eur.Conf.on Int.Opt. p.579、デルフト、(1995)、J.E.
ロマン及びK.A.ウイニック、アプル.フィス.レット.61,2744(1992)12 L.Li,M.Xu,G.L.ステゲマン、C.T.シートン、SPIEプロク.835,72(1987)13 W.W.リグロッド、J.アプル.フィス.36,2487(1965)14 D.H.マクマホン、W.A.ダイス、J.ライトウエーブ・テクノル.6,1162(1988)15 J.W.グッドマン、「統計光学」、ウイリーアンドサンズ、1985、p.168
170mW cw D.S.ファンク、D.L.ヴィセイ、P.M.ピータース、N.A.サンフォード 国家標準技術協会、光電子工学部門 コロラド州ボールダー、ブロードウェイ325 電話:(303)497-3289 FAX:(303)497-3387 afunk@boulder.nist.gav J.S.ヘイデン ショット・グラス・テクノロジーズ社、R&D材料グループ フロリダ州Duryes、ヨーク・アベニュー400 電話:(717)457-7485 FAX:(717)457-3438 jhayden@sq23QL.attmall.com
源として有望である。Yb3+は、980nm付近でEr3+よりずっと大きい吸収断面を持
ち、かつその励起状態エネルギをEr3+レーザの上準位に効率的に移動するので、
一般的にEr3+レーザで増感体として使用される。特にEr3+/Yb3+ガラス導波路レ
ーザは、Er3+をドープまたはEr3+/Yb3+をコドープしたガラス・ファイバおよび
バルク・クリスタルまたはガラス・ホスト内のレーザを超える幾つかの利点を有
する。イオン交換導波路は、デバイスをファイバ・レーザより実質的に短くする
ことができる、イッテルビウム濃度の大きい(〜5-15%)ガラスに製造すること
ができる。これは結果的に、熱応力および機械的応力に誘発される複屈折によっ
て引き起こされる偏光および出力電力ノイズを低下し、デバイスの容積を縮小す
る。高いパルス繰返し数(OHz)の受動モード同期レーザを実現する潜在的可能
性のため、短い(〜1-2cm)レーザ・キャビティも重要である。バルク・デバイ
スとは異なり、導波路レーザは、動作電力または励起レーザ横モード・プロファ
イルとは関係なく単一横モードで作動するように設計することができ、バルク・
ミラーの整列を必要としない。加えて、光ファイバ系との効率的な結合のため、
導波路のモード・フィールド・サイズを光ファイバのそれとぴったり一致するよ
うに設計することができる。現時点までのEr+/Yb3+ガラス導波路レーザの1つの
欠点は、これらのデバイスから得られる出力電力(数ミリワット以下)が比較的
低いことであった。出力電力が増加すると、これらのデバイスの有用性は大幅に
拡大するであろう。この論文では、979nmで611mWの発射ポンプ電力に対し約1540
nmで168mWの出力電力を発生してきたcw Er3+/Yb3+コドープト・リン酸塩ガラス
導波路レーザについて述べる。
wt%のEr3O3(0.99×1020イオン/cm3)および4.73wt%のYb2O3(3.97×1020イ
オン/cm3)をコドープされた。導波管は、幅3〜8μmの範囲のチャネル・アパー
チャを持つ200nm厚さのAlマスク層を通して、K+-Na+交換によって形成した。交
換は、Alるつぼで375℃で溶融したKNO3内で4時間行われた。ここで報告するレー
ザ結果は、6.5μm幅のマスク・アパーチャの場合である。イオン交換工程後の試
料の検査から、マスク開口の位置に対応するガラス表面の領域が、イオン交換工
程中に1〜2ミクロン凹んだことが明らかになった。エッチングされたチャネルの
幅はマスク・アパーチャの幅に近く、幅および深さは均一であった。イオン交換
工程中のガラスの明らかなエッチングの背後のメカニズムは現在調査中である。 イオン交換後の試料内の位置の関数としての屈折率を、屈折近接場スキャニン
グ法を用いて分析した。図1は、6.5μmのマスク・アパーチャで形成された導波
管の中心の屈折率深さグラフを633mnの導波管について示す。この方法により、
それぞれ0.7μmおよび0.001の精度で相対位置および絶対屈折率の値を決定する
ことができる。
赤外カメラに結像させることによって、導波管の横モードを特徴付けた。この方
法を用いて決定されるモード寸法の不確定性は〜10%である。このデバイスは、
幅14.5μm×深さ7.5μmの寸法を有する1.54μmにおける単一横モードをサポート
した(1/eの位置で測定した)。導波管は980nmで多横モードをサポートした。し
かしデバイスがレーザを発生したときに、励起エネルギは主として、幅6.4μm×
深さ3.6μmの寸法を持つ最も低い次数の横モード内に閉じ込められた。
誘電ミラーを配置することにより、導波路レーザ・キャビティを形成した。ミラ
ーを小さいばねクリップにより適位置に保持し、損失を減少するためにミラーと
導波管端面との間に屈折率整合油を使用した。ミラーの1つと4倍顕微鏡対物レン
ズを通して励起レーザを発射した。レーザ出力および非吸収ポンプを16倍対物レ
ンズで平行化し、フィルタを用いて分離した。レーザ・キャビティは長さ20mmで
あった。発射されたポンプが通過するミラーは、1536nmおよび980nmでそれぞれ
>99.9%および>15%の反射率であった。出力カプラは1536nmで60%の反射率を持
ち、入射ポンプ電力の85%を透過した。導波管の長さおよびキャビティ出力カッ
プリングはどちらも最適化しなかった。発射効率は、入力ミラーおよび発射対物
レンズの透過による損失を含めて、≦71%と推測された。2つの異なるポンプ波長
のレーザ出力電力特性を、図2に示す。979nmでポンピングを行った場合、発射さ
れるポンプ電力しきい値は51mWであった。611mWの979nm発射ポンプ電力に対して
、168mWの最大出力電力が得られた。ポンプ・レーザをYb3-の吸収ピーク外に調
整することによって、より低い閾値を得ることができた。960nmのポンプ波長の
場合、閾値は23mWであった。両方のポンプ波長の場合の勾配効率は〜28%であっ
た。
かの波長で作動する。1536.0、1540.7、および544.8mnでの同時作動を示す典型
的なレーザ・スペクトルを図3に示す。作動の波長は、平行化された1.5μmのレ
ーザ出力の一部をプリズムに通し、誘電ミラーを用いてプリズムを通してそれを
反射させることによって、シフトさせることができる。これにより、弱く結合さ
れた外部キャビティを形成した。プリズムを回転することによって、1536から15
95nmの範囲の波長を発生させることができた。
よって発生し得る持続緩和振動である。このレーザでは、〜0.5から1.5MHzの範
囲の周波数で出力電力の変動が得られた。変動の振幅はポンプ電力と共に低下し
た。図4は、ポンプ電力レベルが閾値のすぐ上および閾値の9.4倍の場合の時間の
関数としての出力電力を示す。低ポンプ電力では、平均電力の〜30%(ピークピ
ーク)の出力電力変動が観察された。高ポンプ電力では、変動は平均電力の〜5
%(ピークピーク)に低下した。Ti3-サファイア励起レーザは、〜2-3%の出力
電力変動を示した。ダイオード・レーザをポンプ光源として使用することにより
、結果的にEr3+レーザのずっと(qulater)・・・・な動作が達成されるはずで
ある。
1.5μmで160mWを超える出力電力を得ることができる。導波路の形状を最適化す
るために導波路製造工程を改善すると共に(電界イオン交換の組込みおよび埋込
み導波路の製造など)、キャビティ長および出力カップリングを調整することに
より、これらのデバイスの性能が改善されるはずである。
nology,325 Broadway,Boulder,CO 80303 S.N.Houde-Walter The Institute of Optics,University of Rochester,Rochester,NY・14627 J.S.Hayden R&D-Materials Group,Schott Glass Technologies,Inc.,400 York Avenue,Durye
a,PA 18642
で動作する小型多機能デバイスの有望な候補である。不均一に広がったガラスホ
ストから生じる大きな利得帯域幅によって、これらのデバイスは、波長分割多重
用途で役立つ狭帯域光源にとって理想的なものとなる。さらに、短いキャビティ
長によって、これらの導波路レーザは、半導体可飽和吸収体を用いて高反復率(
GHz)モードロックレーザの可能性を提供する。このようなレーザは、ソリトン
通信システムの光源として理想的なものとなるだろう。遠隔検知や距離測定とい
った目に安全な波長を必要とする他の用途は、これらの材料に基づく小型、高出
力連続波またはQスイッチ導波路レーザ源から恩恵を受けるだろう。さらに、範
囲1530〜1550nmで利得を提供する光学的増幅器を実現できるだろう。 協調アップコンバーションの悪影響を低減するために、これらのデバイス内で
はEr3+濃度は比較的低く(〜1wt%)に保持しなければならない。しかし、感光す
るYb3+の濃度は、どんなイオン−イオン相互作用によっても制限されず、デバイ
ス性能に著しく影響することが期待される。様々な著者が、この問題を理論的に
研究している。この文献では、Yb3+:Er3+の比が3:1、5:1、8:1であるケイ酸塩ガ
ラス内で、K+・Na+イオン交換によって製造した導波路レーザについての実験結果
を報告する。さらに、信号モード容量をどうしたら増大させることができるかを
示し、レーザホスト材料とイオン交換処理のパラメータの賢明な選択によって、
ポンプ信号のオーバラップを最適化する。その結果、1.54μmで19.6mWほど出力
し、974.5nmの始動ポンプ出力が398mWであるEr3+/Yb3+導波路レーザが得られた
。
混合アルカリ亜鉛ケイ酸塩ガラスである。通常、三種類全てのガラスにEr2O3を1
wt%(0.85×1020/cm3)添加し、NIST10A、NIST10C、およびNIST10Eに設計したガ
ラスは、Er3+:Yb3+の比が3:1(2.47×1020Yb3+イオン/cm3)、5:1(4.16×1020/
cm3)、および8:1(6.83×1020/cm3)となるように各々含有する。報告した結果
は、膜厚150nmのAlマスク層内の3μmの開口部を介してイオン交換することによ
って得た。このイオン交換は、100%KNO3の溶融物内で400℃で14時間行った。* 米国政府の寄与は、著作権の対象とはならない。
とで評価し、その出力は赤外線カメラ上に結像させた。導波路は、信号波長で幅
20.5±2.1μm×深さ11.5±1.2μm(1/eのポイントで測定)の大きさの単一横モ
ードをサポートした。ホストガラスがカリウムを含む混合アルカリガラスである
ので、イオン交換処理でさらにカリウムを導入すると、非常に小さな屈折率変化
が生じる。その結果、光学モードは厳密には制限されない。導波路は、ポンプ波
長で複数の横モードをサポートしていたが、デバイスがレーザ発振している間に
ポンプモードを調べたところ、最も低次のモードだけが励起されることがわかっ
た。その結果、ポンプモードと信号モードの間に優れたオーバラップがあること
になる。ポンプモードは、幅15.2±1.5μm×深さ7.0±0.7μmと測定された。 導波路の損失は、幅の広いYb3+吸収ピークから離れた860nmで評価した。レー
ザサンプルに対して等しく作成したサンプル上で行ったカットバック測定は、平
均的な導波路の損失がNIST10Aの場合0.25±0.11dB/cm、NIST10Cの場合0.32±0.0
8dB/cm、NIST10Eの場合0.66±0.12dB/cmであることを示していた。ポンプ光のカ
ップリング効率は、860nmでのポンプスループットを測定し、上記の損失の数字
を用いて導波路の損失と同様に、入出力光学系からの損失について補正すること
で決定した。カップリング効率は、一般に50〜70%であった。このカップリング
効率は、860nmと975nmで一致すると仮定した。
磨した端面に誘電体ミラーを接続し、小さなクリップで所定の位置に保持した。
入力ミラーの反射率は1536nmで99.9%であり、ポンプ波長での透過率は90%を超
えていた。反射率の範囲が60〜98%である様々な出力カプラを用いた。全ての出
力カプラはさらに、ポンプ波長で透過型であった。導波路デバイスは、このガラ
スホストにおけるYb3+吸収スペクトルのピークである、974.5nmで動作するTi:
サファイアレーザでポンピングした。ポンプ光は4倍(NA0.10)の顕微鏡の対物
レンズで導波路に接続し、出力信号光は20倍の対物レンズで集束させた。信号出
力測定のために、導波路からの出力はInGaAsパワーメータ上に集束させた。
図1は、1個のEr3+イオンに対して5個のYb3+を備えたガラスで製造した長さ1.68c
mのデバイスについて、異なる二つの出力カプラに対してレーザ信号出力と始動
ポンプ出力の関係をプロットしたものである。スロープ効率とレーザ閾値は、レ
ーザのデータに直線をフィッティングすることで決定した。最も低い閾値は、98
%反射体を出力カプラとして用いることで達成した。このデバイスは、約59mWの
始動ポンプ出力閾値でレーザ発振した。このデバイスのスロープ効率は、始動ポ
ンプ出力に対して2.0%であった。最も高いスロープ効率は、70%反射体を出力
カプラとして用いることで達成した。この場合、6.5%のスロープ効率を達成し、
始動ポンプ出力閾値は86mWであった。始動ポンプ出力が398mWの場合、このレー
ザは19.6mWの出力を発生した。
たものが、図2に示されている。最も高いスロープ効率を与えるために実験的に
決定した各ガラスのデバイス長に対するデータがプロットされている。各ホスト
における最も高いスロープ効率性能は、(表1)でも比較されている。
ープ効率デバイスに対する性能データ
る。添加率が3:1から5:1に増大すると、スロープ効率が改善される。さらに、添
加率が8:1まで増大してもデバイスの効率は改善されず、ポンプ出力要件に実質
的な不利益をもたらす。最近の試みは、NISTで開発された厳密なスカラモデルを
用いて、上記の結果を拡張する方向で行われた。さらに、ホストガラスのカリウ
ム含有量の変更は、モード容量を調整しポンプ閾値要件を低減する方法として調
べられた。
.P.Dalavaux and E.Murphy,IEEE Photon.Technol.Lett.9,315(1997)2 F.Di Pasquale and M.Federighi,IEEE J.Quantum Electron.S0 2127(1994)3 J.Nilsson,P.Scheer and B.Jaskorzynska,IEEE Photon.Technolo.Lett.6 383
(1994)4 IOG-10 laser glass,Schott Glass Technologies,Inc.,400 York Avenue,Dur
yea,P.A.IOGの商標は、読者が実験を再現できるようにするために使われ、Natio
nal Institute of Standards and Technologyによる承認を意味するものではな
い。5 D.L.Veasey,J.M.Gary and J.Amin,Proc.SPIE 2996 109(1997)
ノーマンA.サンフォード、グレゴリイE.オバースキィ、ノーマン・フォーンテ
ーン、マット・ヤング、アデールP.ペスキン、ウエイ・チン・リュウ、S.N.
ヒュード−ウオルタ、ジョセフS.ヘイデン 国立規格および技術研究所、光電子部、325ブロードウエィ、MC815.04バウルデ
ール、CO80303-3328 Eメール: veasey@boulder.nist.gov 国立規格および技術研究所、高性能システムズ・アンド・サービス部、325 ブロードウエィ、MC890.02 バウルデール、CO80303-3328 Eメール: peskin@boulder.nist.gov ロチェスタ・セオリ・センター ロチェスタ大学、ロチェスタ、ニューヨーク州14627 Eメール: welin@pas.rochester.edu 光学研究所 ロチェスタ大学、ロチェスタ、ニューヨーク14627 Eメール: shw@optics.rochester.edu ショット・グラス・テクノロジー・インコーポレイテッド 400ヨーク アベニュ、デュリア、ペンシルバニア州18642、USA Eメール: jhayden@sg2301.attmail.com
の実験的および理論的結果を提示する。一つの改良が市場から入手可能なYb/Er
コ・ドープりん酸ガラス成分内でイオン交換処理を使用する前回報告された導波
管レーザ結果通りに達成された。1540nmファブリ−ペロー導波管で200mWに近づ
く出力電力で30%に近いスロープ効果を証明した。これらのレーザはほぼ70nmで
連続してチューニング(調整)可能である。加うるに、Ybドープされたファブリ
−ペロー導波管レーザが製造され、試験された。これらのレーザは67%のスロー
プ効果を伴う1020nm波長の近くで作動する。さらにイオン交換導波管内で格子状
にエッチングすることによって1.5μm近くで作動する単一周波数分布ブラッグ
反射導波管レーザ列を実現させた。列内の各レーザは異なる波長で作動する。ラ
ンチ・ポンプ動力の関数としてのスロープ効果は26%であり、また閾値がランチ
・ポンプ動力のほ50mWで発生する。波長の温度チューニングも証明される。
使用して製造された。これらの方法には、バルク−ドープされたシリケート・ガ
ラスおよびりん酸ガラス[1-8] 内の熱およびフィールド助長イオン交換、および
光学チャネル導波管内に形成されたいくつかの希土類ドープ誘電体フィルムのフ
ィルム蒸着が含まれる。フィルム蒸着または形成方法はrfスパッタリング[9-10] 、プラズマ高揚化学蒸着[11]、フレーム加水分解[12]、イオン注入[13]、レーザ
・アブレーション[14] およびゾル−ゲル蒸着[15]が含まれる。本文献において
は、Yb/Erコ・ドープされた、またYbドープされたりん酸ガラス内のイオン交換
によって形成された導波管レーザに対する検討に限定する。これらの測定には単
一周波数分布ブラッグ反射器(DBR)導波管レーザのスロープ効率と閾値、波長
チューニング、相対的に強いノイズおよびライン幅が含まれる。本文献では、実
験的結果と理論的予想を総合したものを使用する導波管レーザの性能を最適化す
る方法を簡単に説明する。
交換を支持する適切なレーザ・ガラスの設計と実現化にある。ガラス内で処理さ
れなければならないレーザ特性には、レーザ伝送の吸収および放射断面と光学ポ
ンプ・エネルギー・レベルの吸収および放射断面が含まれる。自発的放射寿命は
、相対的に長いレーザ伝送寿命とできる限り短いポンプ寿命を有するレーザとポ
ンプの過渡期のために最適化されなければならない。レーザ動作は相互的アップ
コンバージョンの効果を減少ないし除去することによっても改善される。Yb/Er
コ・ドープされたガラスのようなコ・ドープされたガラスにおいて、増感イオン
からエネルギー転換効率が試験されなければならない。りん酸ガラス中でErでコ
・ドープされるYbは均一に近い増感効率を提供することができる[16]。
の製造を許容する特性を有していなければならない。強固なガラス内で導波管を
形成する最も共通の方法は、イオン交換の処理であり、これでガラス内のアルカ
リ・イオンが大きい分極率を伴うイオンと交換され、これによってガラス面に近
い屈折率に増大せしめられる。このような処理は、開始ガラスがNa2OまたはK2O
のようなアルカリ酸化物要素を含んでいる必要がある。これと同時に、リソグラ
フィ技術による従来の導波管製造中に使用される化学処理は、ホスト・ガラスが
化学的耐久性を提供し、これによって基板面がデバイスの処理中に減成されない
ことが要求される。
ャビティ長さとモード容積の縮小をできる限り大きくすることである。基本ガラ
ス・マトリックスを大きく変化させることなく、有効な(active)希土類イオンの
ドーピング濃度を変更できることが重要である。この特徴がなければ、処理特性
が基本ガラス特性中の変化に順応するように調節する必要がるので、各ドーピン
グ・レベルはユニークな処理チャレンジ(問題)を提供することが多分可能であ
る。
換に対する優れた特性を有するガラスを開発した。得られるガラス成分(市場の
名称IOG-1[17]による)は、表1の酸化物のモル%で与えられる。Al2O3が主とし
て付加され耐久性が高められる。これは50モル%を超えるP2O5を含有するガラス
を含んでいるりん酸が通常、溶融塩槽で反応され、また導波管調整(すなわち、
イオン分布バリアを除去する)に使用される他の処理化学剤と反応されるからで
ある。ランタニドの高い総合含有量(表1にR2O3で表わす)の併合も高められた
化学的耐久性に寄与し、またガラス特性に対する最小衝撃で活性イオン濃度の変
化を許容する。選択されるアルカリ酸化物はNa2Oである。これはナトリウム・イ
オンがガラス内で非常に移動性があり、またナトリウム・イオンが導波管の調整
に対してカリウムまたは銀とも良く交換されるからである。
量は、20ppmのFeと全ての他の共通遷移金属に対して1ppm未満であると推定され
る。ランタン、エルビウムおよびイッテルビウム希土類化合物が選択され他のラ
ンタニド元素(合計1000ppm 未満)の導入を最少にする。溶融および精練温度は
一般的に1250から1350℃であり、精練周期は2から3時間である。生成されたガラ
スはモールドに鋳造され、530℃で2時間焼きなましされ、30℃/時間で室温に冷
却される。次に、鋳造ブロックが、屈折率、濃度および3.0μmと3.333 μmの残
留水酸基含有量の特徴サンプルを調整するのに使用される。インデックスと濃度
の測定が、レーザになる波長における推定インデックス値の計算と、標準技術を
使用して希土類インプット濃度を許容する。[18]これらの波長における吸収率が
モニターされ、またそれぞれ1.0cm-1と1.8cm-1未満のレベルに維持された。
ペクトル吸収の測定のために用意された。両ガラスは4 x 1020cm-3のYb の濃度
でドープされ、また1 x 1020cm-3Er イオンを含有するコ・ドープされたサンプ
ルである。特性サンプルの寸法は9mm厚、21mm高さ、10mm幅である。吸収スペク
トルは自動分光光度計を使用して測定された。エルビウム・イオンのための放出
断面スペクトルが、測定スペクトル吸収を使用するミニスカルコ・アンド・クイ
ンバイ[20]によって適用されたマックカンバー[19]の理論を使用して計算された
。Yb放出断面は測定された瞬時放出スペクトルから得られ、また測定された放射
線崩壊率を得ることによって計測される。放出スペクトルを測定することによっ
て、サンプルが974nmの波長でポンプされ、またスペクトルが0.3mトリプル格子
スペクトロメータを使用して記録される。
学モジュレータを使用して50Hzで974nmポンプ・レーザ・ビームをチョップする
ことで励起パワーの消滅の制限値が測定された。1550nmの波長に近い蛍光崩壊が
観測され、1/eの寿命が決定された。(2) F5/2 Yb レベルの寿命が974nmに近い蛍
光崩壊の観測によって同様に測定された。
ガラス内で製造された。Yb/Er ガラスが1.15重量%のEr2O3(1.0 x 1020イオン
/cm3)と4.73重量%のYb2O3(4.0 x 1020イオン/cm3)でドープされた。Ybドー
プされたレーザに対して、ガラスは4.73重量%のYb2O3(4.0 x 1020イオン/cm3 )でドープされた。導波管が3から8μmの幅の範囲にあるチャネル・アパーチャ
を介してK+ -Na+ 変換によって形成される。このアパーチャは200nm厚のAl マス
ク層内にエッチングされた。交換が375℃で4時間溶融KNO3 を含有するるつぼ内
で実行される。以下に報告されたYb /Ee レーザ結果は、6.5μmマスク・アパー
チャを使用して形成された導波管と、Yb レーザの結果が3μmマスク・アパーチ
ャである。
分離コドープされた試料を使用して11個の導波管の櫛型を製造した。90°のコー
ナーをフォログラフィック(レーザ写真)露光[21]のために二つのビームに分割
した。露光角度はΛ=507.8nm の周期の格子を描くようにセットされた。1.515
±0.003 の推定有効指数を有する導波管に対して、この周期が計算されλ=1538
.6nm±3 nmでレーザ操作を提供する。フォトレジストの現像中632.8nm HeNe レ
ーザからの光の回折がモニターされた。[22]最初に回折されたパワーが最大に達
し、格子が除去され、リンスされ、乾燥された。
写する前に、試料を60°傾斜させてCr の40nmを表面上に蒸着し、電子ビーム蒸
着源とした。この方式による試料の取り付けが、Cr をして格子線上のみに蓄積
せしめ、溝には蓄積させず、従って、耐久性のあるエッチング・マスクが提供さ
れた。6.67Pa(50-mトル)Ar イオン・プラズマによる反応性イオン・エッチン
グ・システムを使用して20分間ガラス内の格子をエッチングした。低圧プラズマ
が、周波数13.5MHz で365Wの結合電力で稼働されたときに、1700Vの大きい自己
バイアス電圧を生成する。電極スペースは3.2cmである。エッチング後、85℃で
フォトレジスト・ストリッパ内でサンプルが超音波的に洗浄される。図1は完全
なDBRレーザ・アレイの概略を示す。
プル内位置の関数としての屈折率が、近接フィールド・スキャニング[23]の方法
を使用して分析された。導波管の横断モードの寸法が、光を導波管の一端に結合
され、他端から放出される光を、校正赤外線カメラ上に作像することによって測
定された。
いレーザ)を試験するために、一般的にチューニング可能なTi:Al2O3 レーザを
使用して導波管をポンプした。図2はレーザ測定セットアップの概略を示す。研
磨された導波管端面上に広帯域誘電体ミラーを配置してレーザ・キャビティを形
成した。このミラーは端面とミラー間にインデックス・マッチング・オイルを伴
う小さいばねクリップによって正しい位置に保持される。ポンプ・レーザ光が4X
顕微鏡対物レンズを伴うミラーの一つを介して放出された。レーザ出力と非吸収
ポンプ光が16X顕微鏡対物レンズで視準され、フィルターを使用して分離された
。放出されたミラーを通るポンプ(レーザ)光が、それぞれ1.54と0.96μmで>9
9.9%と15%の屈折率を有している。出力カップラは1.54μmで80%、また0.96
μmで15%の屈折率を有している。導波管長さもキャビティ出力カップリングも
適正化されていない。
験された。Yb3+ デバイスは10mm長さである。ポンプ入力ミラーが950nmで50%、
また1030 nm で98%の屈折率を有している。1020 nm で7%と21%の二つの出力
カップラが観察された。これらの出力カップラは、950nmでそれぞれ32%と34%
の屈折率を有している。
値の評価にも使用された。DBR格子が端部取付ミラーの代わりに出力カップラと
して使用された。レーザの長手方向モード構造を調べるために、レーザ出力を、
124GHzのフリー・スペクトル範囲を有する光ファイバー走査ファブリ−ペロー干
渉計に結合した。
ザのライン幅を測定した。自己ヘテロダイン・システム内の二つのアーム間の経
路長さの差は10kmで、これはガウスのライン形状[25]に対して30kHzのライン幅
解像度制限に対応している。光学的アイソレータが両アームに使用され、帰還に
起因する光学的ライン幅が狭くなることを阻止している。しかし、レーザの出力
端は傾斜されていない。
解像度を有する自動スペクトル・アナライザを使用してチップ上の他の導波管の
レーザ波長を測定し、波長中の変化を拡散アパーチャ幅の関数として決定する。
0.1と1.1GHz間に8μm拡散アパーチャで形成されたDBRレーザの過剰な相対的強度
なノイズ(RIN)が、rfスペクトル・アナライザを使用する短いノイズで校正さ
れたRIN測定システムを使用して測定された。格子安定化974nmピッグテール・レ
ーザ・ダイオードがポンプ・ソースとして機能する。ポンプからの光が非球面レ
ンズを使用する導波管レーザに結合された。DBRレーザの出力パワーが測定のた
めに2mWに設定された。DBRレーザの波長は、導波管取付部材と接触した抵抗性ヒ
ーターを使用して30℃から80℃のレーザ・チップの温度を変化させることによっ
て温度調整された。
スペクトル依存関係を示す。この方法を使用するEr3+ のピーク放出断面が1542n
mで6.6 x 10-21cm2 であることが分かった。(4) I13/2Er マニホルドの測定され
た上方状態寿命が、消滅励起パワーの限界で8.1msであることが測定された。図3
bは4 x 1020cm-3のYb 濃度でドープされたIOG-1ガラスのための吸収および放出
断面のスペクトル依存関係を示す。(2)F3/2 レーザ・マニホルドのピーク放出断
面が1.27 x 10-20 cm2 であり、974nmの波長で発生する。(2) F5/2 レベルの発
光寿命が1.4msであることが測定された。ピーク吸収断面が974nmであり、また1.
28 x 10-20 cm2 であった。これらの報告された断面の不確定性は≦20%である
。Yb/Er 相互緩和効率については検討セクションで述べる。
対応するガラス面の領域が交換処理中に約1μmだけくぼんだことが分かった。く
ぼんだチャネルの幅はマスク・アパーチャの幅に近接しており、また幅と深さに
おいて均一である。1000x ノーマスキー・コントラスト顕微鏡を使用して観察さ
れたくぼんだ領域内のガラスの表面品質が、ガラスのオリジナル面と同様に見え
、目立った拡散損失は生じていないことは明白である。導波管の端面はチャネル
と直交して研磨された。最終サンプル長さは22mmである。
法から得られた屈折率深さ形状を示す。データが635nmの波長を使用して取られ
た。空間解像度は〜1μmで、絶対インデックス値の不確定性は〜0.001である。
インデックス形態は、カリウム−ナトリウム・イオン交換が代表である0.008の
最大インデックス変化を示している。
の寸法を有する単一横断モードを支持する。980nmの多重横断モードを支持する
。しかし、デバイスがレーザ処理されるときに、ポンプ・エネルギが、13μm幅
と9.5μm深さの寸法を有する最も低いオーダーの横断モード内に主として制限さ
れる。この方法を使用して決定されたモード寸法の不確定性は〜10%である。
のレーザ出力パワーを図5に示す。65と71%間である入射ポンプ・パワーの結合
効率を推定した。これには入射ミラーと照射対物レンズの伝送のために損失が含
まれている。図5のx軸上に示した結合ポンプ・パワーは71%結合効率を基準にし
て計算された。パワー測定の不確定性は5%になると推定される。閾値ポンプ・
パワーは23mWであり、スロープ効率は28%であった。導波管の一端は実験中に偶
発的に削られ、端面を再研磨することが必要になった。797nmでポンプされたと
きに、得られた20mm長さの導波管レーザの結合ポンプ・パワーの関数としての出
力も図5に示す。照射ポンプパワー閾値は51mWであり、170mWの最大出力パワーが
照射ポンプ・パワーの610mWに対して得られた。これらのパワー・レベルにおい
て、ポンプ・パワーの関数としてスロープ効率内の変化はなく、Yb イオンはYb/
Er コドープされたシリカ・ファイバー・レーザ内で実行されるようには飽和さ
れないことが示唆される。[26]
541 および1.545 μmにおける同時操作を示す一般的なレーザ・スペクトルを図6
に描く。レーザ・スペクトルは、コリメートされた(光線を平行にする)1.5μm
レーザ出力をプリズム中を通過させ、これをプリズムを通って戻るように反射さ
せ、さらに誘電体ミラーを使用して導波管に通すことによって波長をシフトする
ことができる。キャビティを図7aに示す。出力カップラ・ミラーの回転により15
36から1595 nm の範囲の波長を生成した。
て達成される。レーザ出力カップラに対して0.6の屈折率を示す第1オーダーの格
子を使用した。格子を回転させ、結合ポンプ・パワーが980nmの波長で280mWであ
るとき、レーザを1525nmから1564nmまで調整した。波長の関数としてのレーザ出
力パワーを図8aに示す。レーザの三つの代表的なスペクトルを図8bに示す。
測定結果に対するポンプの照射効率は45%であった。7%の出力カップラに対し
て、949nmでポンプされたときの閾値は、結合ポンプ・パワーの18mWであった。2
1%の出力カップラに対して、閾値ポンプ・パワーは25mWであり、120mWまでの出
力パワーが得られた。カップル・ポンプ・パワーに基づくとき、スロープ効率は
67%である。
れる。低ポンプ・パワーにおいて、より短い波長でより大きい基底状態再吸収損
失のためにより長い波長の変換が支配している。導波管内のポンピング強度が増
大するにつれて、Yb イオンの基底状態母集団、従って、基底状態再吸収損失が
低減し、Yb3+ 放出断面のピークに接近しているより短い波長の変換が好まし。
射を使用する導波管に戻されるコリメートされたレーザ出力パワーのある部分を
反射することによって調整された。キャビティは図7bと同様であった。格子の回
転が連続的に986nmから1050nmまでレーザを調整した。
力パワーを示す。この導波管のための導波管拡散アパーチャは8μmであった。照
射ポンプ・パワーの関数としてのスロープ効率は、ポンプ結合係数を71%とした
とき、26%である。 リグロード[27]の理論から導出された簡略レーザ式を使用する格子の反射率の
推定は: (2) であり、ここにPl は格子端における出力パワーであり、またP2 は格子の他方端
における出力パワーである。R1 は格子反射率であり、またR2 は固定ミラーの反
射率である。R2 に対して80および90パーセントの反射率を有する二つのミラー
を使用した。両方の場合において、格子反射率R1 を65パーセントとして計算し
た。
上で作動するレーザを示す。このレーザはTE偏光を伴う強固な単一周波数であり
、またモード・ホッピングを観測しない。図11中の挿入図は、結合ポンプ・パワ
ーが300mWを超えたときに、現れる第2長手方向モードを示す。このポンプ形態に
おいて、レーザは不安定であり、モード・ホッピング、単一周波数操作および二
重周波数操作を呈する。長手方向モード間の空間で周波数を測定することによっ
て、レーザ・キャビティの有効な物理的長さが1.4cmであることを決定した。
ライン幅は、500kHzである。チップ上の11個の導波管の内7個がレーザ発振を呈
した。小さいアパーチャによって形成された導波管は、閾値を達成しなかった。
これは小さいモードの容積が、格子の35%透過損失を克服できないような利得の
縮小を生ぜしめるためである。表3は5から8μmの範囲の拡散アパーチャ幅を有す
る導波管の櫛状部を走査したレーザ操作波長を示す。概して、波長は、拡散アパ
ーチャ幅が広くなるにつれて長くなり、アパーチャ幅が広くなるにつれて有効イ
ンデックスが増加することに一致している。目に見える欠陥が導波管4番に明白
であり、これは傾向からずれていることによる。
50dB/Hz未満に降下することを示している。データは洗練されていない。RIN中の
不確実性は2dB/Hzであると推定される。100kHzと10MHz間の相対的振幅ノイズを
(ノイズ・フロアに関して)測定することにより、緩和発振ピークが図13bに示
したように350kHz近くに位置することが分かった。これらのノイズ測定はEr ド
ープされたファイバー・レーザと一致しており、レーザがさらに上方の閾値[26] で操作されるときにより低いRINが期待される。
△λ内での変化に対して1536nmから1536.8nmまで直線的に変化する。この調整範
囲は50℃を越える0.6nmのレーザの予測される調整能力とうまく一致している。
この予測はガラスの熱膨張係数と温度の変化の関数としての屈折率に基づいてお
り、また次式によって近似される: (3) ここに、△は格子周期、またnはガラスの屈折率である。温度の関数としての波
長安定性は、典型的な半導体DFBレーザ[28]のものより概して15倍小さい。従っ
て、安定波長を維持するための温度制御条件が緩和される。
とに注意するのが重要である。導波管レーザ・シミュレーション・ツールを使用
することにより、長さの関数としてのレーザ出力特性と導波管モード−フィール
ド・サイズを予測した。シミュレーションは、三次元グリッドに対するYb/Er レ
ーザ・レート式と合同する現象学モデル、前後方向伝搬レーザ信号および前方伝
搬ポンプ信号[29]に基づいている。伝搬強度態様は、測定横断レーザ・モード寸
法と基本的ポンプ・モード寸法を近似されただ円関数(elliptical functions)に
よって近似された。モデル中で使用したガラスおよびレーザ・パラメータを表2
にリストする。Yb/Er 断面緩和係数(Ccr) および共動するアップコンバージョ
ン係数(Cup) はフィッティング(fitting) パラメータである。実際の測定と分
析に基づいた他のレーザと導波管パラメータの妥当な概算(近似値)は他の数値
に使用される。図5はレーザ・シミュレーションの結果と比較した実際のレーザ
・データを示す。Cer-3.5 x 10-16 cm3/s とCup=2.5 x 10-18 cm3/s を使用し
て、ベスト・フィットを得た。Ccrと参照文献6からの断面緩和量的効率 (I) のための近似値を使用して、断面緩和量的効率と97%として計算し、りん酸ガラ
ス(17)のための一般的な効率とした。この式において、寿命τ32が約2.8μsと推
定した。
。図15はいかに出力パワーが、80から95%までの範囲の反射率と結合するいくつ
かの出力と、500mWの一定レーザ・ポンプ・パワーのためのキャビティ長さの関
数として変化するかを示している。図16はモード幅、モード深さおよび最適化導
波管レーザの出力ミラー反射率の関数としての出力パワーを示す。最高の解決策
が赤でカラーコード化される。すなわち、公称キャビティ長さを1cmとし、また
放射974nmポンプ・パワーを500mWと仮定して175から185mWの範囲の連続波出力で
ある。最適解決策は82.9%の出力ミラー反射率と、6μm x 12μmの寸法を有する
レーザ・モードと、1.54μmで184mWの連続波出力パワーを有する。最適化(方法
)が、導波管ソルバー[31]とレーザ率公式モデル[29]によって駆動される適用性
のあるシミュレートされた焼きなましアルゴリズム[30]を使用した。最適化方法
の詳細は後の文献で提示する。
スの開発への導入を提示した。IOG-1をベースにしたガラス内でイオン交換する
ことにより形成されたYb/Er コドープ導波管レーザに対して得られた最近の結果
は、以前に証明された導波管レーザへの劇的な改善を示す。本文献に提示された
レーザは、飽和することなく200mWに近い1500nmの電気通信ウインドウ内で出力
パワーを生成した。28%の傾斜効率が達成された。波長調整が外部キャビティを
使用して70nmを超えて実行された。Yb/Er ドープ導波管レーザのシミュレーショ
ンは、レーザ性能のさらなる改良が出力結合、キャビティ長さおよびドーピング
濃度を適正にすることによって可能であることを示している。1536nmで単一長手
方向モード上で作動する低ノイズDBRレーザが、製造され試験された。製造工程
は、波長−分割−マルチプレックス電気通信のためのITUグリッド(通信網)と
一致する波長を伴うモノリシック(単一の)レーザ列に適用することができる。
これらの結果に付加して、986から1050nmの波長範囲に渡って動作するりん酸ガ
ラス内のYb ドープ導波管レーザを実演した。効果を一体化した光学レーザのこ
れらの実演は、導波管レーザがこれまで半導体レーザ源の領域にあった多数の適
用例に使用可能な期待できる新しい技術であることを明白に示した。
ウンデーション(PHY-94-15583)と、U.S.アーミィ・リサーチ・オフィス(DAAH04-
95-0300)を認証する。
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後会議のダイジェスト(1995). [7] P.Fournier, P.Meshkinfan, M.A.Fardad, M.P.Andrews, and S.I.Najafi,電
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列と有効インデックスが変化する拡散導波管。 図2:ファブリ−ペロー導波管の試験ベッドの概略。 図3:a)IOG-1りん酸ガラス内のEr3+ イオンのための波長の関数としての放出
および吸収断面。スペクトル放出がマックカンバーの方法を使用して、計算され
た。b)IOG-1内のYb3+ イオンのための波長の関数としての放出および吸収断面。 によって規定されたスペクトル幅を指示。 図4:反射近フィールド走査方法を使用して得られたEr3+/Yb3+りん酸ガラス導
波管の635nmにおいて測定された屈折率深さ形態。 図5:20mmと22mm長さのEr3+/Yb3+導波管レーザのためのポンプ・パワーの関数
として1540nm出力パワー。20mm長さデバイスを979nmでポンプされ、また22mmデ
バイスを960nmでポンプされた。さらに、導波管レーザ・モデルを使用するデー
タに対する理論的フィットを示す。 図6:ファブリ−ペロー導波管レーザのための典型的な多重波長出力。 図7:導波管レーザの調整のために使用された拡張キャビティ設計。a)プリズ
ム調整された弱結合キャビティ、b)格子調整拡張キャビティ。 図8:a)格子調整ファブリ−ペロー(F-P)導波管レーザから得られた調整曲線
、b)F-P導波管レーザの典型的な多重波形出力スペクトル。 図9:1.02μmの波長で作動するYb ドープ導波管レーザのための結合ポンプ・
パワーの関数としての出力パワー。実線はスロープ効率がここから導出されるデ
ータに対する最高の直線フィットを示す。 図10:照射977nmポンプ・パワーの関数としての1536.3nmで単一周波数レーザ
出力パワー。破線はここから導出されるデータに対する最高の直線フィットを示
す。挿入図は直線スケール上のDBRレーザのスペクトルを示す。 図11:単一周波数操作を示すDBRレーザ出力のファブリ−ペロー(FP)インタ
ーフェローメータ。挿入図は300mW を超えるポンプ・パワー(Pp)のための二重
周波数操作を示す。長手方向モード・スペーシングは7.2GHzであり、1.4cmの光
学キャビティ長さに対応。 図12:75MHzにおける自己ヘテロダイン・ビート・スペクトル。全幅、最大ラ
イン幅の半分がほぼ500kHzである。 図13:a)0.1から1.1GHzの周波数帯域内で相対的強度ノイズ(RIN)がショット
・ノイズ構成RINシステムを使用、b)300kHz近くの緩和発振ノイズ・ピークを
示す校正されていない振幅ノイズ・スペクトル。下方の曲線は、測定システムの
ノイズ・フロワを表わす。 図14:温度関数としてのDBR導波管レーザの波長。破線は波長傾向に従った目
の助けをするためのものである。 図15:出力カップラ反射率のいくつかの値のためのレーザ長さの関数としてシ
ミュレートされた出力パワー、b)1cm長さのレーザ・キャビティのためのモード
−フィールド直径の関数としてのシミュレートされた出力パワー。 図16:最適化導波管レーザのための1.54μmにおける導波管のモード幅と高さ
の関数としての出力パワーと、最適化導波管レーザのための出力ミラー反射率。
mWにおける出力パワーの範囲がカラー・バーによって指示される。
国立規格技術研究所、ボールダー、コロラド州80303−3328* :合衆国政府の貢献、著作権の支配下にない。 @電子メールアドレス:veasey@boulder.nist.gov
た。そのモデルは2つの非同次波動方程式からなり、1つの方程式は前方伝搬レー
ザ信号出力に関し、他方の方程式は後方伝搬レーザ信号に関するものである。こ
れらの方程式は1つの前方伝搬、ポンピング信号を表す非同次波動方程式と一緒
になる。これらの3つの波動方程式は空間依存レーザ速度方程式と一緒になって
時間依存微分方程式のシステムを作る。この大きなシステムの方程式は適切な初
期及び境界条件を用いて、空間近似値のコロケーションを用いる線の方法によっ
て解決される。このシステムの解決によって時間及び位置依存レーザ信号出力、
ポンピング出力、及び任意の導波モードに対応する導波路レーザ共振器内の分布
密度を予測するデータを生成する。この新しいモデルで立てた仮説は、レーザ共
振器内の横方向領域が長手方向位置の機能と同じ形状を維持し、空間ホールバー
ニングと定在波の効果を無視することである。我々はこのモデルをEr及びEr/Yb
注入レーザの連続波及びQ切換えレーザ性能を予測するのに使用していた。我々
は実際に研究室で連続波のYb/Er注入導波路レーザを作動させて良好な比較結果
が得られた。Er注入及び注入Yb/Er注入Q切換えレーザのシミュレーションの結
果は500Wオーダの高い最高出力と1nsのパルス幅を達成できることを示すことが
紹介された。 キーワード:導波路、レーザ、Q切換え、エルビウム、イッテルビウム、設計、
イオン交換、光源
源の開発にかなり興味を持たれていた。このような光源の興味は、1.55μm帯
で作動する光学的通信システムでエルビウム注入ファイバーアンプの開発が成功
することによって最初に起こさせた。希土類元素注入ガラス導波路レーザは半導
体レーザの対応物よりいくつかの利点がある。利点の中には半導体レーザより緩
やかな製造公差のため、製造コストを低くされ、広い波長領域で調節可能で、本
質的に低い相対強度ノイズ(RIN)、及び細いレーザ線幅を含む。加えて、ビー
ムの外形及び開口数は光学ファイバーにほとんどぴったり一致させることができ
る。更にビームの外形及び開口数は高出力パルス作動に必要な高エネルギー保持
能力も示す。プレーナー導波路装置の基本的な制限の1つは共振器長さが短いこ
とが求められていることである。これは、光学的なポンピングされる閾値が長さ
が任意に延ばすことができるファイバーレーザより幾分高いことである。この問
題を解決するために、いくつかの異なった提案が実行された。1つは活動イオン
の注入濃度を上げることである。このことは材質の単位長さ当りの利得を上げ、
そのため閾値を下げる。しかし、注入濃度が上げられた時、ほとんどの主材料に
濃度クエンチのリスクが存在する。このことは上げられた共同の準位上昇変換11 によって性能劣化にダメージを与えることになる。導波路レーザ光源の最適化を
する他の解決策としては、主材料の最適化、(共振器長及び出力カプラーの反射
率の賢明な選択による)共振器設計の最適化、ポンピングのカップリングの最適
化、及び(イッテリビウム(Yb)にエルビウム(Er)といった共通ドーパントの
投入による)ポンピング率の最適化といったものが含まれる。導波路の指数特性
を注意深く設計することも非常に大切で、その特性は理想的なモード領域や信号
波とポンピング波の重なりを生成する。理想的な性能を達成するために、上記の
全てを同時に行うための注意をしなければならない。この課題は多数のパラメー
タ、極めて非線形のシステムを取り扱うので明らかに平凡でない。これらの理由
により、我々は連続波モード及びパルス作動モードのための導波路レーザ性能を
正確に予測するためのレーザモデルを開発した。この予測設計ツールは有用であ
り、かつ確実に製造可能な製品となる理想的な導波路レーザ設計を決定させるこ
とができる。
ために現実的なコンピュータのランタイムを維持して現実的な導波路レーザのモ
デルを試みた。典型的な導波路レーザ及び共振器の図は図1に示す。 我々は導波路レーザ共振器で正確に伝搬を表す波動方程式を導き出すために幾分
古典的なやり方を用いて基本的な微分の計算から始めた。同様の波動方程式の導
出は、ミリオニ及びエバリ12により発表された。我々もまた伝搬信号がレーザ共
振器内で結合される幾分古典的なレーザ率方程式を用いた。多重周波数及び複数
のエネルギー準位を有するシステムのために我々が開発したモデルは本項で述べ
る。
存スカラー波動方程式と時間/空間依存レーザ率方程式である。波動方程式はレ
ーザ共振器内の光学振動数の前方及び後方伝搬を数学的に示している。簡単にす
るため、我々はこの論文で発表されたモデルでは2個の光学振動数のみを含めた
。これらの光学振動数はλ=1542nmにおけるレーザ信号周波数とλ=980nmにお
けるポンピング信号である。この簡略化で3個の1次波動方程式が生成される。1
つは前方伝搬レーザ信号であり、1つは後方伝搬レーザ信号であり、1つは前方伝
搬ポンピング信号である。コンピュータ・コードは、各波長及び伝搬方向に関す
る追加の波動方程式を加えることにより、簡単に他の振動数を適応させることが
できる。
位分布密度Ni=Ni(t,z,r,θ)は時間と位置の関数である。 率方程式は、 (4) である。
長手方向及び横方向寸法の関数としての自然放出によって構成され、かつ劣化さ
れる比率を示している。このセットの方程式はパスカル13によって発表された。
セット内の多くのレート方程式はシミュレーション内で追跡したいと思う多くの
エネルギー準位によって決定される。本論文のEr/Ybが共に注入されたシステム
に関して、セット中に6度の従属方程式が存在し、そのことは6個のエネルギー準
位を追跡することを意味する。このシステムでは2度の従属不変方程式が存在す
る。他の興味あるエネルギー準位の遷移を把握するレート方程式のセットを変更
することは簡単である。このことは、多くの希土類元素注入レーザ及びアンプを
設計するのに大きな自由度が得られる。伝搬モード領域の横方向依存性は、横方
向領域の解又は2つの横方向寸法の機能とする導波路に関する測定された横方向
領域をサンプリングすることにより、把握される。レーザシート方程式のセット
の各サンプル点は、主材料に静止イオンを有する横方向領域の相互作用を把握す
るためにモデルに挿入される。
レーザ出力である。Ppはレーザ共振器内の前方伝搬ポンピング出力である。この
場合におけるポンピング出力は反射率R2を有する出力カプラと対向する端部か
ら発射されると想定される。レーザ信号の光学出力(W/cm2)はP±(z,t)|Es
(r,θ)|2であり、ここで|Es|2は正規化強度分布でありcm−2の単位を有する。
ポンピング信号PPは同様のやり方で処理される。NiはEr/Ybが共に注入された材
料の種々のエネルギー準位の分布密度である。NiはErの4I15/2の基底状態であ
り、N2はErの4I13/2レーザ準位であり、N3はErの980nmにおける4I11/2ポンピ
ング準位であり、N4はErの800nmにおける4I9/2ポンピング準位及び準位上昇変
換準位であり、N5はYbの2F7/2の基底状態であり、N6はYbの2F5/2ポンピング準
位である。図2はEr/Ybが共に注入されたシステムのエネルギー準位図を示す。Y
bポンピング準位は非常に広いエネルギー幅を有することを示すために分割して
示す。 CupはEr4I13/2レーザ準位からの共通準位上昇変換係数であり、Cup3は980nmに
おけるEr4I11/2ポンピング準位からの共通準位上昇変換係数であり、CcrはYb2F5/2 レベルからEr4I11/2レベルへの横断緩和係数又は綱前方結合であり、C14は
共通準位下降変換係数又は共通準位上昇変換係数の逆の係数である。Aは第1の添
え字付エネルギー準位から第2の添え字付エネルギー準位までの非放射自然放出
率である。Cは真空中の光速であり、ngはレーザモードの有効指数であり、npは
ポンピングモードの有効指数であり、αsはレーザ共振器の内側の長手方向位置
及び時間の関数としての利得係数である。
は吸収及び過剰な導波路損失によるレーザ線幅内の出力の寄与あるいは損失を示
す。n0xm0は横方向寸法及び2次元グリッド内のノード数を示しており、そこでの
強度はサンプリングされ、そこでNiは算出される。 利得あるいは損失係数αsは正規化された伝搬出力分布の重複積分及び分布密
度を算出し、それから放出又は吸収断面を乗ずることによりブジャレクレブ14に
ならって計算される。 (5) σ21及びσ12はレーザ波長における主材料の放出断面及び吸収断面である。導波
路中の正規化強度伝搬はZとは無関係と考え、以下の(6)式の要求によって正規
化される。 (6) Zの機能としての利得係数とtは(7)式で与えられる。 (7) αisは導波路損失係数であり、それは希土類元素イオンによらない散乱及び吸収
からの過剰な導波路損失を把握するために除かれる。この期間では他の位置依存
損失を加えることも可能であり、その損失は製造パラメータ又は共振器形状の関
数である。例えば、位置及び時間依存期間は、導波路装填材料からの鏡体損失又
は局部集中損失又は共振器内カプラーを把握するために追加することができる。
ンに関する基底状態分布の重複積分と正規化ポンピング強度|Ep|2を演算し、更
にポンピング吸収断面を乗ずることにより同様に算出される。 (8) αipは980nmポンピング波長における過剰な吸収及び散乱損失である。ポンピン
グ強度|Ep|2は信号領域として同じ方法で正規化される。それは(9)式に記載さ
れる。 (9)
与を示している。τ21はレーザ準位の自然放出寿命である。係数Bspは(10)式
で与えられる。 (10) ここでηはレーザ線幅内の自然放出効率で、導波路開口数の立体角に対する方程
式自然放出スペクトルの周波数を超える積分の時期を決める球面の立体角の比に
よって近似される。hνは単一レーザ光子のエネルギーである。この自然放出の
近似値はブジャクレグ14により述べられた方程式バンド幅近似値と同じである。 W21、W12、W13、W56及びW65は長手方向及び横方向寸法の関数としての誘導放
出率及び吸収率であり、式(11)で与えられる。 (11)
位を加える計画がまだないモデルでは他のエネルギー準位を含めていない。この
ことは装置性能上の励起状態吸収(ESA)及びその効果の考察を可能にする。各
追加のエネルギー準位は各横方向領域のサンプル点に関するレート方程式に対す
る追加の方程式を加える。 方程式(1)−(4)は適切な初期条件と境界条件で同時に解かなければならな
い。これらの条件は、システムが作動するレーザ又はアンプ状態を決定する。レ
ーザモデルに関して、初期条件は以下の形態をとる。 (12)
において著しい影響を及ぼす分布密度のない伝搬された単一共振器長を有するこ
とを想定している。このことはポンピングに関して初期条件におけるはっきりし
た断絶を回避することを完了する。 境界条件はP+、P−及びPPの値に以下のように課す。 (13) R1はレーザのポンピング入力端における高反射ミラーの反射率であり、R2はレー
ザの出力カプラーの反射率であり、αsatは出力カップリングミラーのすぐ内側
のレーザ共振器内にある薄肉の任意の吸収スイッチの時間変化吸収係数である。
Lsatはexp(−αsatLsat)の減衰を有するスイッチを設ける薄肉アブソーバの有
効長である。Ppoはサンプルの入力端において送り出され、時間0から一定に保持
されるポンピング出力である。Lは共振器長である。連続波作動に関してαsatは
0に設定され、Q切換え作動に関してαsatは時間通りに吸収係数の依存性を示す
関数に設定される。これは実際のQ切換の概略説明である。我々は強度の関数を
切換えする吸収係数を簡単に生成することができ、従って可飽和アブソーバを有
し、モデルに更に何の複雑性も取り入れることなしに受動Q−切換えを設計する
ことが簡単にできる。
からなる。解決手順の第1のステップは積分を変換して法則化されたガウス−ラ
ゲール求項式16で計算できる。以下に示す式に与えられる楕円状の電子領域を表
すために円柱座標を用いる。 (14) 方程式(5)及び(8)の積分は以下の形態を有する。 (15) S=2β□θ□r2でφ=θの変換における積分は以下のようになる。 (16) これは積分変数S中のガウム−ラゲール求積式の使用が要求されている形態であ
る。一旦、s内の概略積分が使われているポイントのn0が選択されると、それ
からポイントの位置と求積法の対応する重みがライブラリ、ルーチン16によって
決定される。それからSを越える積分は以下の式に近づく。 (17) Wjは求積法ルーチンによって生成された重みである。台形法則はφをこえる積分
を近似するのに使われる。しかし、問題は双曲線初期値の問題となる横方向(S
、φ)面にわたって打ち切られる。 (18) ベクトルU(z、t)は離散ポイント(Zi、Sj、φk)における解の値を含む。1≦I
≦I0、1≦j≦n0、1≦k≦m0に対してU(t)=(Pi+、Pi、Pip、N1j、j、k...
N4ijk)である。
ていた。まず装置の長さを含むZ1<Zi+1を有する節点Ziのセットが選択される。
解は各節点における解ベクトルU及びその空間導関数Uzの値によって表される。
これらの値は各部分区間(Zi、Zi+1)で3次多項式を決定する。これらの多項式
は解を近似するのに使用されていた各区間内の空間導関数はこれらの多項式を微
分することにより決定される。各節点におけるUの値及びその導関数により表さ
れたU(Z)の代わりに、各部分区間内の2つのガウス求積点におけるU(Z)の値
によって3次多項式を決定することが便利である。更にU(0)及び端点におけるU
(L)の値が必要である。ガウス求積点と端点は配置点であり、そこで部分微分
方程式の右辺の値が求められる。このことは通常の微分方程式(ODE)のシステ
ムとなる。それは線近似方法18である。最後にODEのシステム内の不明のベクト
ルはW(t)=((Pv+, Pv−, Pvp,N1vjk...N4vjk)であり、ここでPは次の
配置点Zvでの近似値である。ここで1≦n≦2I0である。従って全体の不明関数は
(3+n0m0)2I0である。我々が使用している一般的な計算はI0=10、n0=16及び
m0=1であるが、我々はm0を12まで使用した。このODEシステムはペッツゾイド19 による3次ドメイン・ソフトウェア・パッケージを用いて解決された。
た導波路レーザの性能を予測するために従属モデルを用いた。両方の場合におい
て、全てのイオンが基底状態にあると見なされ、共振器内のレーザ信号出力が0
である時に静止状態にあると当初想定される。ポンピングはt〜0の時に作動し、
分布が逆に作用することになしにレーザ共振器の他端に瞬時に伝搬するように想
定される。この2cm導波路レーザの手順で約0.1nsを必要とする。この時点で解
法を開始し、レーザ共振器出力とエネルギーレベル分布は位置と時間の関数とし
て軌跡を描く。
ードか作動する。解決策が我々が求めている全てであるなら、明らかに定常状態
のレーザ性能を解決するのに計算上最も効果的な方法ではない。我々の主目的は
時間応答を予測することであるので、我々は更に効果的な定常状態計算コードを
導入していない。閾値以下及び閾値以上の作動期間中に、我々はレーザ共振器内
の時間依存出力と反転分布内の変量を解く。
の結合されたポンピング出力の関数としての導波路レーザの予測された定常状態
出力を示している。これらのシミュレーションの全てはS内の16の横方向節点を
使って行われた。S寸法を7節点だけ使用しても同様の結果が得られた。楕円形領
域に関する解決策は一般的にそれらの使用円形領域の数パーセント内であるので
、我々は計算時間を一定にするためφ内の1つの節点だけを使用した。 図3:Yb濃度が上昇すると同時にEr濃度が1×1020ions/cm3で一定である時の結
合されたポンピング出力の関数としての予測された出力のプロットである。 図4:Yb/Er共注入レーザの理論データと実験データの比較である。表1はレーザ
装置の設計に用いたパラメータの束を示した。そこには可変パラメータとしてエ
ネルギー準位上昇変換率(Cup)とYb−Er交差軽減係数(Ccr)を有する。フィッ
ト1に関してCup=1×10−18cm3/sでCcr=0.75×10−17cm3/sである。フィッ
ト2に関して、Cup=1×10−18cm3/sでCcr=1×10−17cm3/sである。フィット3
ではCup=0でCcr=0.75×10−17cm3/sを示す。表1はこれらのシミュレーショ
ンに使用されたパラメータの値が示されている。これらのパラメータは我々がNI
ST−10と呼ぶリンが入っていないアルカリケイ酸塩ガラスに近いものである。Er
/Yb共注入材料の誘導放出断面のような我々には不正確なバラメータはNIST−102,3,11,13,20 を構成するのと同様のYb/Er及びEr注入ガラス上の文字を調べるこ
とにより得られる。導波路近視野像吸収断面、及び寿命といった他のパラメータ
は、モデルに組み込まれ、測定される。
るのは有益でない。この係数 CcrはYb濃度の有力な関数であり、Yb濃度が上昇し
ている時に上昇する。この上昇の主目的は平均のYbイオンがErイオンに近づき、
従って転送効率が上昇する。Er/Yb共注入ガラス内のエネルギー転移の議論はロ
ーマン、他2,21により発表されている。彼らは交差軽減係数を決定するのに用い
ることができる式を発表している。この幾分近似的な式を用いて、ローマンの装
置に関してCcr係数が約0.5×10−17cm3/sであることが分かった。この計算は2 Fn/2Yb準位では2.0msの寿命であり、4In/2Er準位では10μsの寿命であると想
定されている。ローマンはまたYb濃度の関数として効率が上昇することを示して
いた。図3で生成されたデータに関して、Yb濃度が2.47×1020ions/cm3から8.
5×1020ions/cm3まで変化している時に交差軽減係数は0.75×10−17cm3/sか
ら5×10−17cm3/sに連続的に増加すると想定される。これらの数は同様のガラ
スの組成の基準2及び21から推論されたものと近い。我々は非常に近い将来NIST
−10ガラス内のYbの色々な濃度に関するパラメータの測定をするつもりである。
Yb濃度が上昇したときに転送効率が一定である場合、レーザの性能は同じ長さの
サンプルで、低下したポンピング効率により、実際に少し低下する。レーザ閾値
は更に高Yb濃度では上昇する。これはYb濃度が上昇した時に、ほとんどのポンピ
ングはレーザの前端で吸収され、従って装置の出力端のポンピングが減少すると
いう事実によるものである。これは出力端に向けてのレーザ共振器内の吸収損失
を上昇させる効果を有し、従って閾値は上昇する。ドープした濃度やサンプル長
さは同時に最適化されることがシミュレーションから明らかである。出力曲線の
曲率は、ファーマン、他22に報告されたようにポンピング出力が上昇した時に上
方のYb準位の緩やかな飽和になる。
作動を実証した。導波路は溶融塩イオン変換によって作られた。手順の詳細は以
下の出版物に続く。図4は研究室データとシミュレーションから得られた予測値
とを比較したものを示す。これらの理論的曲線を生成するために、我々のガラス
に関する系統的な方法でこれらの分光のパラメータが決定されていないので適切
なパラメータとして我々はYb−Er交差軽減係数Ccrと不変の準位上昇変換係数Cup を用いた。フィットに用いた値は図4に示してあり、典型的な値はNIST−10ケイ
酸塩ガラス102,3,11,13,20に用いられた注入濃度のための文献に引用されている
。全てのフィットのために、導波路の1542nm信号波長での過剰損失は0.15dB/c
mに設定されており、それは1300nmにおける0.2dB/cmの測定値より幾分低い。
ポンピング波長における過剰損失は0.3dB/cmに設定されている。我々が考える
これらの値はポンピング及び信号領域の現実的な損失値であり、1300nmにおいて
削減方法によって測定された値が与えられる。実線で示されたフィット1は傾斜
効率と閾値に対して3つのフィットの中で最も低く、我々はそれが我々の実験的
なエラーとなると考えている。しかし、我々の出力測定のエラーは完全に特徴づ
けたわけではない。フィット2は交差軽減係数がわずかに0.75×10−17cm3/sか
ら1.0×10−17cm3/sに上昇し、準位上昇変換率が一定に保持される効果を示し
ている。この少しの変化はポンピング効率を上昇させるためのレーザの出力を上
昇させる効果を有するが、閾値は少しも変化しない。このことは導波路中の低い
伝搬損失により最もありそうなことである。フィット3はシミュレーションから
の一定の準位上昇変換効率を除くと共に0.75×10−17cm3/sの元の値における
交差軽減係数を保持する効果を示している。この効果は少しの量によってレーザ
出力を上昇させ、従ってモデルに使用された低い準位下降変換率が少しの性能悪
化もしないことを示している。図5はいかにして傾斜効率とこのレーザの閾値が
出力カプラ反射率の関数として変化するかを示したプロットである。図4に示さ
れた実験的なレーザ特性は、98%の出力カプラ反射率で使われている。この作動
ポイントは丸印がついたダイヤモンドのマークでマークされている。この作動ポ
イントは低閾値作動には良いが、高出力用には不十分である。なお、これは高出
力が望まれたときは不十分な作動ポイントであるが、低レーザ閾値のポイントで
ある。出力及び閾値間の良き妥協点は98%反射率から75%反射率へ出力カプラを
調整することである。このことは傾斜効率をほぼ4倍上昇させると共に閾値を2倍
にだけするものである。このことは正確なレーザモデルの必要性の優れた実測で
あり、これで最適化された希土類元素注入導波路レーザの早い設計の収束を可能
とする。図5のプロットはレーザ傾斜効率(左軸)と共振器出力反射率R2の関数
としてのレーザ閾値(右軸)の相関関数を示している。装置の傾斜効率は研究室
の実証の丸印がついたダイヤモンドのマークでマークされている。
デルで行った。我々は共振器構造として図1を用いた。そこでのQ−切換えは導波
路facetの端部に取付けられた作動スイッチである。結合されたミラーはスイッ
チ材料の後側に置かれている。このようなスイッチは半導体複数量子井戸構造を
用いることで可能となる。このことはQ−切換が作動した時、レーザの閾値より
高い分布転移を瞬時に生成するためのポンピングが可能となる。我々は余弦S状
屈曲関数を用いて5nsの間開く作動Q−切換えをプログラムした。初期消光はα1
=50設定され、それはレーザの閾値をLsat=0.5mnに保持する。結合されたポン
ピング出力は200MWに設定され、スイッチが開く前に2msの間ポンピングされる。
我々のモデルが他のQ−切換モデルと比べて唯一にしたことは、我々は高Q共振器
又は共振器内で均一な強度を有するものであることを想定していない。我々は平
面波電子領域も想定しておらず、我々は一般的な2、3種類のレベル及び遷移の代
わりに数種類のそれらを含んでおり、我々はポンピング強度の飽和を進む。更に
、エネルギー準位分布密度の分布がポンピング又は信号領域のように同じ形状を
想定することをしていない。分布は位置及び強度の関数として可変自由にされて
いる。
スシミュレーションのグループである。これらのシミュレーションは出力カップ
ラ反射率のみ変化する。反射率は減少するので出力の取出しに関するほとんど理
想的なポイントは到達し、わずかに狭いパルス発振をし、更に高いピーク出力を
有する。この共振器長の最適値は約80%反射で、ピーク出力予想が346Wである。
反射率がこの点を越えて減少した時、レーザ共振器内の光子の平均寿命と一緒の
共振器の周回利得は幅の広いパルスとなり少ないピーク出力を有する。我々はま
だパルス幅を決定する中心となるファクタを決定していない。多くのパラメータ
がパルス幅判定に含まれていることが分かった。共振器長を2cmから1.4cmに縮
めることによりピークパルス出力が更に最適化されることを示す。この点で、最
適化パルスは幅が少し狭くなり、励起ピーク出力は400Wを越える。パルスに影響
する近視野寸法、信号ポンピング重複、Yb注入濃度及びEr注入濃度といった他の
重要なパラメータは詳細に調べられた。
時間依存モデルの詳細を提供した。そのモデルは非常に少ない近似値を有する導
波路レーザを扱う。我々が行った近似は信号及びポンピングフェーズの追跡に関
したものである。我々はレーザ共振器内の波動伝搬の位相を追跡しなかった。こ
のことは共振器定在波や空間ホールバーニングといった予測した効果やこれらの
効果に関する分布濃度や強度の相関関係が得られなかった。 図6:実証したEr/Yb共注入導波路レーザからのQ−切換えパルスの予測。 出力カプラの反射率は98%から65%に変化した。示したグラフは最適化したパル
ス(最も高いピーク出力と小さい幅)は反射率が80%に最適化された時引き出さ
れる、R2=98%パルスでのFWHMパルス幅は1.58nsであり、R2=90%パルス幅で
は1.5nsであり、R2=80%パルス幅の時は1.68nsであり、R2=65%パルス幅の
時は2.32nsである。我々が行った他の近似は、導波路中の強度分布はZ又は時間
の関数として変化せず、自然放出は多くの周波数中に離散されない。本形態での
モデルは我々に正確なモデル導波路レーザとアンプを提供した。我々はそのモデ
ルを予測方法に使用し、連続波Yb/Er共注入導波路レーザの研究室結果をシミュ
レートした。シミュレーションから傾斜効率データのフィットは適切な入力パラ
メータの全てに関して優れた現実的な値を使用している。更に、我々はEr/Yb共
注入ガラス導波路レーザの予測されたQ−切換性能を報告し、1−2cmオーダのサ
ンプル長さに関する何百ワットに到達できるピーク出力値を示した。これらのシ
ミュレーションでは作成された導波路レーザのパラメータが使用された。我々は
設計空間について十分吟味しなかったし、更に最適化された設計が実現できると
強く信じている。設計空間及びレーザパラメータ内の相互作用の完全な研究は現
在進行中である。ここで議論されなかったシミュレーションは、1KWオーダの出
力は共振器設計の最適化及びポンピング及び信号案内波の重複を最大にする導波
路インデックス形状の入念な工業技術を通して達成できる。
モデルに広範囲に用いられることが予想される。この作業は導波路及びファイバ
ーレーザの設計を最適化したり、最も重要な主パラメータを決定するためにも行
われた。この方法でモデルは、レーザ性能が最も効率を持つパラメータを表すた
めに測定ツールとして作用する。これらのパラメータは更に適切な主材料の開発
を促進するために更に正確に測定される。これらのシミュレーションは、希土類
元素材料と装置の我々の現在の仕事に関するすこぶる有益なツールなったことを
証明する。 謝辞 著者はNISTのBradley Alpertに対して有用な議論及び方程式ソルバーの開発に多
大な利益を得た
“BK−7ガラス中のエルビウム注入イオン変換導波路レーザ”、IEEE光通信レタ
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Claims (7)
- 【請求項1】 レーザ種でドープされたガラス基板を含み、かつ該基板とは
異なる屈折率を有する基板内のチャンネルによって画成される1つ又はこれより
多い導波部を有する光装置において、 上記基板がEr及びYbでドープされた燐酸アルカリガラスであって、Yb:
Erのドーパントの重量比が、約1:1から約8:1までの範囲である光装置。 - 【請求項2】 2つ又はこれより多い導波部を有する請求項1に記載の光装
置。 - 【請求項3】 上記導波部が、Er及びYbでドープされた燐酸アルカリガ
ラスを含み、その屈折率が上記基板のそれよりも高くなるように処理されたもの
である請求項2に記載の光装置。 - 【請求項4】 該光装置が、基板に形成されるべき導波部に対応する幅及び
長さの孔部を有するガラス基板にマスクを当て、イオン交換溶剤との接触による
イオン交換を実行して孔部を介して導波部を形成することにより調製されたもの
である請求項3に記載の光装置。 - 【請求項5】 該光装置が、基板に形成されるべき導波部に対応する幅及び
長さの孔部を有するガラス基板にマスクを当て、フォトリソグラフィを実行して
孔部を介して導波部を形成することにより調製されたものである、請求項3に記
載の光装置。 - 【請求項6】 注入されたときにレーザ効果を生じさせる、上記導波部と共
同する反射部材をさらに含んでいる、レーザの形態の請求項1に記載の光装置。 - 【請求項7】 上記反射部材が、基板上に設けられた回折格子である請求項
5に記載の光装置。
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