JP2004078076A - 光導波路およびレーザ増幅器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信用光導波路において任意の伝搬モードが要求される光導波路や、レーザレーダ用レーザ光源や加工用レーザ光源など、高ビーム品質・高出力パワーが要求されるレーザ増幅器に適した、伝搬モードを調節可能な光導波路(本願では熱導波型光導波路と称す)と、該光導波路を応用したレーザ増幅器(本願では熱導波型レーザ増幅器と称す)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光導波路は、光が伝搬するコア部とその周辺のクラッド部の屈折率差を利用して、光をコア部に閉じこめて伝搬させるものである。光導波路には様々なものがあるが、例えば、材料の中にGeイオンやTiイオンを添加してコア部とクラッド部の屈折率を変化させることにより、導波路を形成している。
従来の光導波路の一例として、光ファイバについて、簡単に説明する。
図9に従来の光ファイバの構造図を示す。この従来の光ファイバは、Govind P. Agrawal著「Nonlinear Fiber Optics」、p4に示されたものである。図9(a)、図9(b)は従来の光ファイバの構造を示す図である。図9(a)は光ファイバの正面構造図、図9(b)は光ファイバの屈折率プロファイルである。正面とは光ファイバの光軸と直交した平面による光ファイバの切断面を意味している。
図において、100は従来の光ファイバ、101はコア、102はクラッドである。コア101とクラッド102から光ファイバ100が構成されている。クラッド102の屈折率はコア101の屈折率よりも小さくなるように調整されている。
光ファイバの正規化周波数Vは、次の式(1)で表される。
【0003】
【数1】
【0004】
式(1)において、aは光ファイバ100のコア101半径、λは光ファイバ100を伝搬するレーザ光の波長、n1は光ファイバ100のコア101の屈折率、n2は光ファイバ100のクラッド102の屈折率である。
正規化周波数V<2.405を満たす光ファイバでは、光ファイバをレーザ光は単一モードのみで伝搬し、シングルモード光ファイバと呼ばれる。一方、V>2.405を満たす光ファイバでは、複数の伝搬モードが存在し、マルチモード光ファイバと呼ばれる。
一般的な光ファイバの材料として用いられるのは、石英ガラスである。コアとクラッドの屈折率の差は、製作中に添加物イオンを加えることによって作られる。例えば、ゲルマニウム(Ge)やリン(P)を純粋な石英ガラスに加えると屈折率が増加し、コアの材料として用いられる。また、ホウ素(B)やフッ素(F)を純粋な石英ガラスに加えると屈折率が減少し、クラッドの材料として用いられる。
このように構成された従来の光ファイバ100では、コア101の屈折率とクラッド102の屈折率の差を利用して、レーザ光を光ファイバに閉じこめて伝搬させることが可能である。
ところで、光導波路においては、例えば、入射したレーザ光のビーム半径に適した伝搬モードに調整したり、レーザ光による導波路の損傷を抑制するため伝搬モードのビーム半径を大きくするなど、光導波路内の伝搬モードを任意に調整したい場合がある。しかしながら、従来の光導波路では、コアとクラッドの屈折率を添加物イオンなどで調整しているため、一度作成した導波路の伝搬モードを任意に調整することはできなかった。
また、高出力で回折限界のレーザ光を伝搬させるために、光導波路の伝搬モードを単一モードにしてコア半径を大きくしたい場合がある。しかし、式(1)から分かるように、単一モードのみで伝搬する条件V<2.405を満たしてコア半径aを大きくするには、コア屈折率n1とクラッド屈折率n2との差を小さくする必要がある。例えば、波長1.5μmにおけるシングルモード光ファイバでコア直径を15μm程度まで拡大した報告はあるものの、さらにコア半径aを大きくするには、コア屈折率n1とクラッド屈折率n2との差を一層小さくする必要があり、製造が困難となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光導波路は以上のように構成されているので、光導波路の伝搬モードを任意に調整することはできないという課題があった。
また、高出力で回折限界のレーザ光を伝搬させるためにコア径を大きくすると、コア屈折率とクラッド屈折率の差が小さくなり、製造が困難という課題があった。
【0006】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光導波路の伝搬モードを任意に調整することが可能な光導波路を提供することを目的とする。
また、この発明は、伝搬モードを任意に調整することが可能なレーザ増幅器を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1に係わる発明の光導波路は、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるものである。
【0008】
請求項2に係わる発明の光導波路は、上記発熱光を、上記導波路用ロッドの光軸に平行方向の側面より入射させたものである。
【0009】
請求項3に係わる発明の光導波路は、上記発熱光を、上記導波路用ロッドの光軸に垂直方向の端面より入射させたものである。
【0010】
請求項4に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、光軸と直交する断面外形を多角形に形成したものである。
【0011】
請求項5に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、光軸と直交する断面外形を矩形に形成し、導波路用ロッド内の熱を光軸に平行方向の向かい合った一組の側面から排熱する排熱部材を備えたものである。
【0012】
請求項6に係わる発明の光導波路は、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるものである。
【0013】
請求項7に係わる発明の光導波路は、上記クラッド部材が、上記導波路用ロッドの屈折率よりも小さな屈折率を有するものである。
【0014】
請求項8に係わる発明の光導波路は、上記クラッド部材を、光軸と直交する断面外形を多角形に形成したものである。
【0015】
請求項9に係わる発明の光導波路は、上記クラッド部材を、光軸と直交する断面外形を伝搬するスキュー光低減用の凸凹を有する円形状に形成したものである。
【0016】
請求項10に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成し、上記発熱光を上記レーザ媒質を励起する上記励起光としたものである。
【0017】
請求項11に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、光軸と直交する断面外形を円形状に形成したものである。
【0018】
請求項12に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、光軸と直交する断面外形を円形に形成し、かつ、上記円形の半径を上記導波路用ロッドを伝搬させる回折限界のレーザ光のビーム半径がほぼ変化せずに伝搬するビーム半径の1.2倍から1.7倍にしたものである。
【0019】
請求項13に係わる発明のレーザ増幅器は、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるものである。
【0020】
請求項14に係わる発明のレーザ増幅器は、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をより詳細に説明するために、図面を用いて説明する。
実施の形態1
図1はこの発明の実施の形態1による光導波路(以下、本願発明の光導波路を熱導波型光導波路と呼ぶ。)の一例を示す構成図である。図において、1は導波路用ロッド、2は導波路用ロッドに照射される光であって導波路用ロッドが吸収して熱を発生させる光である発熱光、3は発熱光を出射する発熱光光源、4はレーザ光、5は導波用ロッド1とレーザ光4が共有する光軸である。
【0022】
次に動作について説明する。
発熱光光源3より出射した発熱光2は、導波路用ロッド1に吸収され、導波路用ロッド1の内部で熱を発生する。導波路用ロッド1の単位体積あたりの発熱量Qが一定で、導波路用ロッド1の側面温度がT0でほぼ一様の場合、導波路用ロッド1の温度分布は式(2)のように計算される。なお、ここでは導波路用ロッド1の光軸5に直交する断面が円形の場合の計算式を示す。
【0023】
【数2】
【0024】
ここで、Kは熱伝導度、r0は導波路用ロッド1の半径、rは光軸5からの距離である。一般的なガラスや結晶では、屈折率は温度にほぼ比例する。従って、導波路用ロッド1の屈折率分布nr(r)は式(3)のように計算される。
【0025】
【数3】
【0026】
ここで、n0は導波路用ロッド1の光軸5における屈折率、Aは導波路用ロッド1の材料の特性から与えられる定数である。すなわち、導波路用ロッド1に、中心からの距離rの二乗に比例した屈折率分布(二乗屈折率分布)が生じる。ここで生じる屈折率変化は、屈折率自身の温度依存性の他、応力により発生する屈折率変化も含む。
【0027】
ここで、導波路用ロッド1の内部で熱が発生した時の、導波路用ロッド1に入射したレーザ光4の動作について、図2を用いて説明する。式(2)で表される屈折率分布を持ち、定数Aが正の値を有する場合、すなわち、導波路用ロッド1の光軸5付近の屈折率が、導波路用ロッド1の側面付近の屈折率に比べて大きくなる場合、導波路用ロッド1は、伝搬によりビーム半径が変化しない条件(固有モード)が存在する。図において、6〜8はレーザ光4が平面波で入射した時の導波路用ロッド1内の伝搬形状を示しており、6はレーザ光4のビーム半径が導波路用ロッド1の固有モード半径ω0と等しい時の伝搬モード、7はレーザ光4のビーム半径が5ω0の時の伝搬モード、8はレーザ光4のビーム半径がω0/5の時の伝搬モードを表している。
レーザ光4が固有モードと異なるビームサイズで入射した場合、導波路用ロッド1の中で集光を繰り返しながら伝搬し、導波路用ロッド1の中に閉じこめられる。この時の集光位置の間隔Lは式(4)のように計算される。
【0028】
【数4】
【0029】
この時、導波路用ロッド1内を伝搬するレーザ光4のビームサイズの最大値ωMaxと最小値ωMinの積は常に一定となり、式(5)のように計算される。
【0030】
【数5】
【0031】
すなわち、ビーム半径が5ω0で入射したビームの伝搬モード7は導波路用ロッド1に入射すると集光して距離L/2の位置で最小のビーム半径ω0/5となる。また、ビーム半径がω0/5で入射したビームの伝搬モード8は導波路用ロッド1に入射すると拡がって距離L/2の位置で最大のビーム半径5ω0となる。したがって、導波路用ロッド1に入射したレーザ光4のビーム半径は、導波路用ロッド1を伝搬する間に固有モード半径ω0と等しいか、または、固有モード半径ω0よりも大きくなる場所が必ず存在する。以上より、レーザ光4を導波路用ロッド1に閉じこめて伝搬させるためには、導波路用ロッド1の半径r0は固有モード半径ω0よりも大きくなければならない。
なお、伝搬モード7、8はレーザ光4が平面波として入射した場合を示したが、レーザ光4が、集光状態、または、発散状態で導波路用ロッド1に入射した場合にも、式(4)、式(5)の関係を満たすように伝搬する。
式(3)で表される屈折率分布を有する導波路用ロッド1の、回折限界のガウスビームに対する固有モード半径ω0は、レーザ光の波長をλとすると式(6)で計算される。
【0032】
【数6】
【0033】
高次のモードに対する固有モード半径は、式(6)で表される回折限界のガウスビームに対する固有モード半径よりも大きくなる。
【0034】
導波路用ロッド1の側面温度がT0でほぼ一様とする方法としては、図示は省略するが、ロッドの周りに水を流す、金属フォルダに接着し発熱光2を入射するための穴を開ける、等の方法が用いられる。
【0035】
導波路用ロッド1の材料としては、レーザ光4を吸収せず、発熱光2を吸収して熱を発生する材料であれば良い。一例として、図3に一般的な光学材料であるBK7の吸収スペクトルを示す。導波路用ロッド1の材料としてBK7を使用し、発熱光2として波長約3μmの光を用いれば、波長0.2〜2.0μmのレーザ光4に対して、熱導波型光導波路として使用することができる。このように、レーザ光4の波長に応じて導波路用ロッド1の材料を選択すれば、任意の波長のレーザ光4に対応した導波路を形成することができる。
【0036】
式(3)で示したように、n3は単位体積あたりの発熱量Qに比例する。したがって、単位体積あたりの発熱量Qを変化させることにより、固有モード半径ω0、集光位置の間隔Lを任意に変化させることが可能であり、発熱光2の出力を変化させることにより導波路用ロッド1内のレーザ光4の伝搬モードを自由に調整することができる。
また、導波路用ロッド1の長さを変化させた場合、単位体積あたりの発熱量Qが同じになるように発熱光2の出力を調整すれば、同じ伝搬モードで長さの異なる導波路を形成することができる。
【0037】
なお、導波路用ロッド1の光軸5付近の屈折率が導波路用ロッド1の側面の屈折率に比べて大きくなっていれば、レーザ光4は導波路用ロッド1に閉じこめられて伝搬することができるため、側面の温度が一様であること、および、単位体積あたりの発熱量Qが一定であることは必須条件ではない。
【0038】
なお、上記の例では、導波路用ロッドの光軸に垂直な断面を円形とした。円形にすれば光軸5に軸対称な屈折率分布が発生するため、軸対称な形状を有するレーザ光4の伝搬に適している。
【0039】
一方、導波路用ロッド1の光軸5付近の屈折率が導波路用ロッド1の側面の屈折率に比べて大きくなっていれば、レーザ光4は導波路用ロッド1に閉じこめられるため、ロッドの光軸に垂直な断面は任意の形状で良く、特に、断面形状が多角形の場合、側面が平面となるため、排熱が容易となるという利点がある。
【0040】
また、図2においてレーザ光4は導波路用ロッド1の光軸上をまっすぐに伝搬しているが、導波路用ロッド1はあらかじめ曲がったものを用いるか、または、導波路用ロッド1が破損しない程度に曲げて使用しても良い。この場合でも、レーザ光4は導波路用ロッド1に閉じこめられるため、レーザ光4は導波路用ロッド1に沿って伝搬し、曲がった導波路を形成することができる。
【0041】
また、発熱光光源3は一つの場合を示したが、ロッドの周囲に複数配置しても良い。このように構成すれば、大きな発熱量が得られると共に、導波路用ロッド1内の発熱の分布を小さくして、均一な発熱を得ることができる。
【0042】
また、導波路用ロッド1の固有モード半径ω0は、回折限界のガウスビームの時が最も小さく、ビーム品質が悪くなると大きくなる。したがって、回折限界のガウスビームの固有モード半径ω0を導波路用ロッド1の半径r0よりもわずかに小さくすれば、単一モードのみを伝搬する光導波路を構成することができる。
固有モード半径ω0は導波路用ロッド1内で発生する発熱量Qで調整可能なため、例えば、半径r0の大きな導波路用ロッド1を用いて、高出力なレーザ光4を入射した時に損傷が発生しないような大きな固有モード半径ω0を得ることが可能であり、回折限界の高出力なレーザ光を伝搬させることが可能である。ここで、回折限界のガウスビームに対して損失が小さく、高次モードのビームに対して損失が大きくなるように、回折限界のガウスビームの固有モード半径ω0は導波路用ロッド1の半径r0の1/1.2〜1/1.7程度とするのが望ましい。なお、導波路用ロッド1を伝搬させる回折限界のレーザ光のビーム半径がほぼ変化せずに伝搬するビーム半径は、発熱による屈折率分布が式(3)で表わされる導波路用ロッド1に対して、式(6)で表わされるビーム半径である。
【0043】
このような熱導波型光導波路では、発熱光で発生する熱を用いてレーザ光を導波路用ロッド内に閉じこめて伝搬させることができるので、発熱光の出力を変化させることにより、導波路用ロッド内の伝搬モードを任意に調整することができるという利点がある。
【0044】
また、導波路用ロッドの長さを変化させた場合、単位体積あたりの発熱量が同じになるように発熱光を調整することにより、同じ伝搬モードを得ることができるため、任意の長さの導波路を形成することができるという利点がある。
【0045】
さらにまた、曲がった導波路用ロッドを用いれば、レーザ光は導波路用ロッドに沿って伝搬するため、曲がった導波路を形成することができるという利点がある。
【0046】
また、導波路用ロッドの断面を円形にすれば光軸に対して軸対称な屈折率分布が発生するので、軸対称な形状を有するレーザ光を伝搬させる時に損失の少ない導波路が形成できるという利点がある。
【0047】
また、導波路用ロッドの側面を多角形にすれば、導波路用ロッドの側面が平面になるので、排熱が容易になるという利点がある。
【0048】
また、回折限界のガウスビームの固有モード半径を導波路用ロッドの半径よりもわずかに小さくすれば、高次のモードが導波路用ロッド内を伝搬できないため、単一モードのみを伝搬する光導波路を形成できるという利点がある。
【0049】
実施の形態2
図1では導波路用ロッド1の側面から発熱光2を入射した場合を図示したが、導波路用ロッド1が細い場合、発熱光2を十分に吸収させることができず、効率的に熱を発生させることができない。そこで、図4に示したように導波路用ロッド1の光軸に垂直な端面から入射しても良い。図において、9はダイクロイックミラー、図1と共通の符号は同一又は相当する構成を示している。ダイクロイックミラー9は、レーザ光4を透過し、発熱光2を反射する。
【0050】
次に動作について説明する。
発熱光2はダイクロイックミラー9により反射されて、導波路用ロッド1に入射して吸収され、熱を発生する。レーザ光4はダイクロイックミラー9を透過して導波路用ロッド1に入射し、発熱で発生する屈折率分布により、導波路用ロッド1に閉じこめて伝搬される。この時、発熱光2は導波路用ロッド1の長さ方向で吸収されるため、吸収の効率が高くなり、効率的に熱を発生させることが可能である。
さらに、図示はしていないが、発熱光2の入射端面と反対側の面に発熱光2を全反射するコーティングやミラーを設置すれば、反対側の面から外に漏れ出す発熱光が減少し、発熱光2の吸収が増えるため、一層効率的に熱を発生させることが可能となる。
【0051】
また、図4では発熱光2を光軸5に垂直な端面からレーザ光4と同じ方向に入射させる場合を示したが、反対側の端面から入射してもよい。
さらにまた、発熱光光源3とダイクロイックミラー9を、導波路用ロッド1の光軸に垂直な2つの面の両方に配置して、発熱光2を2方向から入射しても良い。このように構成すれば、大きな発熱量が得られると共に、導波路用ロッド1内の発熱の分布を小さくして、均一な発熱が得られるという利点がある。
【0052】
実施の形態3
導波路用ロッド内の単位体積あたりの発熱量を一定にするため、発熱光は導波路用ロッド内で均一に吸収されることが望ましい。しかし、導波路用ロッドの一つの端面より発熱光を入射した場合、入射面に近いところでは強く吸収され、入射面から離れるに従い発熱光が減少するため、発熱量に分布が生じる。特に、発熱光の吸収が大きい材料を用いた場合、入射面の反対側の面ではほとんど熱が発生しない状況が生じる。この実施の形態3では、このような問題を解決する熱導波型光導波路について説明する。
【0053】
図5(a)はこの発明の実施の形態3による熱導波型光導波路を示す構成図、図5(b)は図5(a)の熱導波型光導波路の光軸に垂直な断面形状を示す説明図である。図4と共通の符号は同一又は相当する構成を示している。図において、10は発熱光4をほとんど吸収せずに伝搬させるクラッドである。
【0054】
次に動作について説明する。
発熱光光源3より出力された発熱光2は、ダイクロイックミラー9に反射されて、導波路用ロッド1、または、クラッド10の光軸5に垂直な端面から入射する。発熱光2はクラッド10の内面で反射を繰り返しながら伝搬し、導波路用ロッド1を通過した成分が吸収されて熱を発生する。この時、導波路用ロッド1の吸収係数をα、導波路用ロッド1の光軸に垂直な断面の面積をS1、クラッド10の光軸に垂直な断面の面積をS2とすると、単位長さあたりに吸収される発熱光2の入射した発熱光2のパワーに対する割合は式(7)で計算される。
【0055】
【数7】
【0056】
ここで、zは導波路用ロッド1の入射端面からの距離である。
吸収量の一例として、導波路用ロッド1の長さ10cm、吸収係数α=1(cm−1)とし、導波路用ロッド1のみで吸収させた時、S1/(S1+S2)=0.1となる大きさのクラッド10を用いた時、および、S1/(S1+S2)=0.1となる大きさのクラッド10を用いて発熱光2の入射端面の反対側の面に発熱光2を全反射するコーティングやミラーを設置した時の、単位長さあたりに吸収される発熱光2の割合を図6に示す。
導波路用ロッド1のみで吸収させた時、発熱光2が約5cm伝搬したところでほとんど吸収されてしまうためロッドの長さ方向に大きな分布が発生するのに対して、クラッド10を用いた時には発熱光2の全吸収量は減少するがロッドの長さ方向の分布は小さくなる。クラッド10を用いて発熱光2の入射端面と反対側の面に発熱光2を全反射するコーティングやミラーを設置した時は、発熱光2の全吸収量が増加すると共に、長さ方向の発熱光2の吸収量の分布はさらに小さくなる。
【0057】
導波路用ロッド1内にレーザ光4が閉じこめられているので、クラッド10の屈折率はどの様な値でも良いが、導波路用ロッド1の屈折率に対して小さくすれば、発熱光2を入射していない時にもレーザ光4が導波路用ロッド1に閉じこめられるため、導波路用ロッド1を伝搬するレーザ光4の損失が減少する。したがって、クラッド10の屈折率は導波路用ロッド1の屈折率よりも小さいことが望ましい。
【0058】
このような熱導波型光導波路では、クラッド10の光軸に垂直な断面の面積S2を調整することにより、導波路用ロッドの長さ方向の発熱量を調整できるため、導波路用ロッド1の材料として発熱光2の吸収が大きな材料を用いた場合にも、発熱量の長さ方向の分布を小さくすることができる。
【0059】
また、大きな発熱を得るためには、高出力の発熱光2を導波路用ロッド1に入射させる必要がある。発熱光光源としては、高出力半導体レーザやランプが用いられるが、一般にこれらの光源からの出力光は高次のモードを含み、ビーム品質が低くなる。ビーム品質の低いビームは集光してもビーム径が大きくなってしまうため、導波路用ロッド1に効率よく入射させることは困難となる。クラッド10を用いた場合、発熱光2をクラッド10内に入射すれば、発熱光2はクラッド10内を伝搬して導波路用ロッド1に吸収されるので、ビーム品質の悪い発熱光2をもちいた場合でも、導波路用ロッド1に効率よく発熱光を吸収させることが可能である。
【0060】
また、図5(a)では発熱光2を光軸5に垂直な端面からレーザ光4と同じ方向に入射させる場合を示したが、反対側の端面から入射してもよい。
さらにまた、発熱光光源3とダイクロイックミラー9を、導波路用ロッド1の光軸に垂直な2つの面の両方に配置して、発熱光2を2方向から入射しても良い。このように構成すれば、大きな発熱量が得られると共に、導波路用ロッド1内の発熱の分布を小さくして、均一な発熱が得られるという利点がある。
【0061】
また、図5(b)では、クラッド10の正面の外径は円形として図示しているが、この実施の形態3はこれに限定されるものではなく、多角形や、円形に対して凸凹を有する花びら型など、クラッド10の正面の外径を任意に選択することができる。クラッド10の外径が円形の場合には、クラッド10を伝搬する発熱光の一部は、導波路用ロッド1を通過せずに伝搬するスキュー光となるため、導波路用ロッド1に吸収されず、発熱光の吸収効率が低下してしまう。これに対して、クラッド10の外径を多角形や花びら形にした場合、このスキュー光の割合が減少するため、導波路用ロッド1に吸収される割合が増加し、効率よく熱を発生させることが可能になる。
【0062】
実施の形態4
導波路用ロッドの側面全体の温度を一様にした場合、導波路用ロッドの半径方向と半径方向に垂直な周方向で発生する熱応力が異なるため、熱応力により発生する屈折率変化が半径方向と周方向で異なる状況が発生し、半径方向と周方向に複屈折軸を有する熱複屈折が発生する。この導波路用ロッドに偏光状態が直線偏光のレーザ光が入射すると、熱複屈折の軸と直線偏光の方向が一致しているところでは偏光状態は変化しないが、熱複屈折の軸と直線偏光の方向が一致していないところでは導波路用ロッドから出力されるレーザ光の偏光状態が変化する。さらに、半径方向と周方向で伝搬モードが異なるため、出力されるレーザ光のビーム品質が低下する。この実施の形態4では、このような問題を解決する熱導波型光導波路について説明する。
【0063】
図7はこの発明の実施の形態4による熱導波路型光導波路の形状を示す光軸に垂直な方向の断面図である。図において、11は光軸と直交する断面外形が矩形に形成された導波路用ロッド、12は導波路用ロッド11内の熱を光軸に平行方向の向かい合った一組の側面から排熱するヒートシンクである。導波路用ロッド11はヒートシンク12からx軸方向に排熱を行い、ヒートシンク12が接していない一組の平行な面は、空気に接しており、ほぼ断熱されている。
【0064】
次に動作について説明する。
導波路用ロッド11内の温度分布は、ヒートシンク12により排熱を行っているx軸方向のみに発生し、y軸方向には発生しない。従って、導波路用ロッド11のx軸方向の屈折率分布n(x、y)は式(8)のように計算される。
【0065】
【数8】
【0066】
ここで、x、yは、導波路用ロッド11の中心からのx軸方向、y軸方向の位置を表し、A’は導波路用ロッド11の材料の特性から与えられる定数である。
なお、導波路用ロッド11のx軸方向については、n3をn4と置き換えることにより、式(4)式(6)の関係が適用できる。
【0067】
導波路用ロッド11のx軸方向には、xの二乗に比例した二乗屈折率分布が生じ、導波路用ロッド11に入射したレーザ光4を閉じこめて伝搬させる。一方、y軸方向は、入射したレーザ光が導波路用ロッド11の内面で全反射を繰り返して伝搬する。
このように構成すれば、温度分布がx軸方向にのみ発生するため、熱複屈折の軸はx軸方向、および、y軸方向に発生する。したがって、直線偏光のレーザ光を入射する場合、偏光方向をx軸方向、または、y軸方向に調整することにより、導波路用ロッド11を出射したレーザ光の偏光は直線偏光を保持し、偏光状態は変化しない。
【0068】
ここで、導波路用ロッド11のヒートシンク12が接していない一組の平行な面は空気に接しているとしたが、導波路用ロッド11の屈折率よりも小さな屈折率を有する断熱材を接触させても同様の効果が得られる。
【0069】
また、ヒートシンク12の材料としては、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の高い材料の他、発熱光を吸収しないガラス材料を用いて、クラッドとして用いても良い。このように構成すれば、導波路用ロッドの光軸に平行な方向に発熱光を入射した時、ヒートシンク12の光軸に垂直な断面の面積を調整することにより、導波路用ロッドの長さ方向の発熱量を調整できるため、導波路用ロッド11の材料として発熱光2の吸収が大きな材料を用いた場合にも、発熱量の長さ方向の分布を小さくすることができる。また、ビーム品質の低い発熱光2をもちいた場合でも、導波路用ロッド11に効率よく発熱光を吸収させることが可能である。
【0070】
実施の形態5
導波路用ロッドの材料としては、レーザ光を吸収せず、発熱光を吸収して熱を発生する材料としたが、導波路用ロッドの材料として希土類イオンを添加したレーザ媒質、発熱光として希土類イオンを励起する励起光を用いても良い。レーザ媒質は希土類イオンが励起光を吸収して、入射するレーザ光に対して利得を発生する。希土類イオンは、励起された準位からレーザ発振を行う準位に遷移する際に、光子の発生を伴わない遷移を行い、熱を発生する。また、レーザ発振を行う準位からさらに励起光を吸収して、レーザ発振の準位と異なる準位に励起されるESA(Excited State Absorption)や、レーザ発振を行う準位の希土類イオン同士がエネルギーを移譲してレーザ発振の準位と異なる準位に励起されるアップコンバージョンなどが存在する。レーザ発振の準位と異なる準位に励起された希土類イオンは、主に、光子の発生を伴わない遷移を行い、熱を発生する。したがって、導波路用ロッドの材料としてレーザ媒質を用いて、発熱光として励起光を用いた場合にも、入射したレーザ光を閉じこめるための屈折率分布が発生するので、導波路用ロッドでレーザ光を閉じこめて、伝搬させることができる。さらに、導波路用ロッドの希土類イオンが励起されて、レーザ光に対して利得を発生するため、レーザ光を増幅しながら伝搬させることができる。
【0071】
実施の形態6
図8はこの発明の熱導波型光導波路を応用したレーザ増幅器(以下、本願発明のレーザ増幅器を熱導波型レーザ増幅器と呼ぶ。)を示す構成図である。図において、13はレーザ媒質、14はレーザ媒質を励起する励起光、15は励起光を出力する励起光光源であり、図1と共通の符号は同一又は相当する構成を示している。
【0072】
次に、動作について説明する。
発熱光光源3より出射した発熱光2は、レーザ媒質13に吸収され、レーザ媒質13の内部で熱を発生する。また、励起光光源15より出射した励起光14は、レーザ媒質13に吸収され、熱を発生すると共に、レーザ光4に対して利得を発生する。レーザ媒質13の中で発生した熱は、レーザ媒質13内に式(3)で計算される屈折率分布を発生する。したがって、レーザ媒質13は、レーザ媒質13に入射したレーザ光4を、利得により増幅しながら伝搬させる。
【0073】
励起光14の吸収によりレーザ媒質13の内部に熱が発生するが、励起光14の発熱だけでレーザ光4をレーザ媒質13の内部に閉じこめて伝搬させる場合、レーザ光4の伝搬モードを変化させるために励起光14の出力を調整すると、レーザ媒質13で発生する利得も変化する。上記のような構成では、励起光14の出力でレーザ媒質13で発生する利得を調整し、発熱光2の出力で発生する熱を調整できるので、利得と伝搬モードを独立して調整することができる。したがって、発熱光2の出力を変化させることによりレーザ媒質13のレーザ光4の伝搬モードを自由に調整できるとともに、励起光14の出力を変化させることによりレーザ媒質13の利得を自由に調整することができる。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明によれば、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるので、発熱光の出力を変化させることにより、導波路用ロッド内の伝搬モードを任意に調整することができる。また、導波路用ロッドの長さを変化させた場合、単位体積あたりの発熱量が同じになるように発熱光を調整することにより、同じ伝搬モードを得ることができるため、任意の長さの光導波路を形成することができる。
【0075】
また、請求項2の発明によれば、導波路用ロッド内の熱分布を小さくして、伝搬モードの変化が小さい安定した光導波路を形成することができる。
【0076】
また、請求項3の発明によれば、発熱光の吸収効率が高くなり、効率の高い光導波路を形成することができる。
【0077】
また、請求項4の発明によれば、導波路用ロッドの側面が平面になり、排熱が容易になる。
【0078】
また、請求項5の発明によれば、直線偏光のレーザ光を入射しても偏光状態を変化させない光導波路を形成することができる。
【0079】
さらに、請求項6の発明によれば、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるので、伝搬モードの変化が小さい安定した光導波路を形成することができる。また、ビーム品質の悪い発熱光を用いた場合でも、導波路用ロッドに効率よく発熱光を吸収させることができるので、効率の高い光導波路を形成することができる。
【0080】
また、請求項7の発明によれば、導波路用ロッドを伝搬するレーザ光の損失の小さな光導波路を形成することができる。
【0081】
また、請求項8の発明によれば、スキュー光の割合を減少して効率よく熱を発生することができる。
【0082】
また、請求項9の発明によれば、スキュー光の割合を減少して効率よく熱を発生することができる。
【0083】
また、請求項10の発明によれば、入射したレーザ光を増幅しながら伝搬させることが可能な光導波路を形成することができる。
【0084】
また、請求項11の発明によれば、軸対称な形状を有するレーザ光に対して損失の小さな光導波路を形成することができる。
【0085】
また、請求項12の発明によれば、回折限界のレーザ光のみを伝搬させることが可能な光導波路を形成することができる。
【0086】
さらに、請求項13の発明によれば、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるので、利得と伝搬モードを独立して調整することが可能なレーザ増幅器を形成することができる。
【0087】
さらに、請求項14の発明によれば、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるので、利得と伝搬モードを独立して調整することが可能なレーザ増幅器を形成することができる。また、伝搬モードの変化が小さい安定した光導波路を有するレーザ増幅器を形成することができる。また、ビーム品質の悪い発熱光や励起光を用いた場合でも、導波路用ロッドに効率よく発熱光および励起光を吸収させることができるので、効率の高いレーザ増幅器を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1による熱導波型光導波路の一例を示す構成説明図である。
【図2】図1の熱導波型光導波路の伝搬モードを説明する図である。
【図3】導波路用ロッド材料の一例であるBK7(石英ガラス)の吸収スペクトルを示す図である。
【図4】この発明の実施の形態2による熱導波型光導波路を示す構成説明図である。
【図5】この発明の実施の形態3による熱導波型光導波路を示す構成説明図である。
【図6】図5における導波路用ロッドの位置と発熱光の吸収量の関係を示す説明図である。
【図7】この発明の実施の形態4による熱導波型光導波路を示す構成説明図である。
【図8】この発明の実施の形態6による熱導波型レーザ増幅器を示す構成説明図である。
【図9】従来の光導波路の一例である光ファイバを示す構成説明図である。
【符号の説明】
1 導波路用ロッド、2 発熱光、3 発熱光光源、4 レーザ光、5 光軸、6 レーザ光のビーム半径が導波路用ロッドの固有モード半径ω0と等しい時の伝搬モード、7 レーザ光のビーム半径が5ω0の時の伝搬モード、8 レーザ光のビーム半径がω0/5の時の伝搬モード、9 ダイクロイックミラー、10 クラッド、11 導波路用ロッド、12 ヒートシンク、13 レーザ媒質、14 励起光、15 励起光光源、100 従来の光ファイバ、101 コア、102 クラッド。
Claims (14)
- 入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させることを特徴とする光導波路。
- 上記発熱光を、上記導波路用ロッドの光軸に平行方向の側面より入射させたことを特徴とする請求項1記載の光導波路。
- 上記発熱光を、上記導波路用ロッドの光軸に垂直方向の端面より入射させたことを特徴とする請求項1記載の光導波路。
- 上記導波路用ロッドは、光軸と直交する断面外形が多角形に形成されたことを特徴とする請求項1、2、又は3記載の光導波路。
- 上記導波路用ロッドは、光軸と直交する断面外形が矩形に形成され、導波路用ロッド内の熱を光軸に平行方向の向かい合った一組の側面から排熱する排熱部材を備えたことを特徴とする請求項1、2、又は3記載の光導波路。
- 入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させることを特徴とする光導波路。
- 上記クラッド部材は、上記導波路用ロッドの屈折率よりも小さな屈折率を有することを特徴とする請求項6記載の光導波路。
- 上記クラッド部材は、光軸と直交する断面外形が多角形に形成されたことを特徴とする請求項6記載の光導波路。
- 上記クラッド部材は、光軸と直交する断面外形が伝搬するスキュー光低減用の凸凹を有する円形状に形成されたことを特徴とする請求項6記載の光導波路。
- 上記導波路用ロッドは、励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成し、上記発熱光を上記レーザ媒質を励起する上記励起光としたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の光導波路。
- 上記導波路用ロッドは、光軸と直交する断面外形が円形状に形成されたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の光導波路。
- 上記導波路用ロッドは、光軸と直交する断面外形が円形に形成され、かつ、上記円形の半径を上記導波路用ロッドを伝搬させる回折限界のレーザ光のビーム半径がほぼ変化せずに伝搬するビーム半径の1.2倍から1.7倍にしたことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の光導波路。
- 入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させることを特徴とするレーザ増幅器。
- 入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させることを特徴とするレーザ増幅器。
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