JP2013247193A - 平面光導波路及び光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】平面光導波路を用いた光増幅器において、平面光導波路のコア層とクラッド層との間の境界面に垂直な第１の端面と、この第１の端面に対向しかつ平行でない第２の端面とに信号光を反射する手段を設けていたので、平面光導波路の製造が技術的に難しくなり、コストが高価になるという課題があった。
【解決手段】第１の端面２１０を上面から下面にかけて傾斜して形成し、外部から入射された信号光１１０を全反射してコア層を伝搬させ、伝搬してきた信号光１１０を第２の端面２１１が平面光導波路１０の外部上方又は内部に全反射させるので、信号光を反射する手段が不要になり、製造が容易でかつコストを低減できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平面光導波路及び平面光導波路を用いた光増幅器に関するものである。

従来、ダブルクラッド型平面光導波路を使用した光増幅器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この光増幅器におけるダブルクラッド型平面光導波路では、コア層とクラッド層との間の境界面に垂直な第１の端面と、第１の端面に対向し境界面に垂直な第２の端面の両方に信号光を反射する信号光反射手段を設けることにより、信号光をマルチパス伝搬させダブルクラッド型平面光導波路の光増幅器を高効率化していた。その一方で、第１の端面と第２の端面とを平行でなくすることにより、ダブルクラッド型平面光導波路内部で発生する寄生発振と増幅された自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）を抑制していた。

特開２００９−２７７９４３号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、上記したようにダブルクラッド型平面光導波路の第１の端面及び第２の端面の両方に光反射手段を設けなければならず、ダブルクラッド型平面光導波路の製造が技術的に難しくなり、コスト的に高価になるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、製造が容易で、コスト負担が少ない平面光導波路及び光増幅器を得ることを目的とする。

本発明に係る平面光導波路は、下部第１クラッド層、コア層、上部第１クラッド層が順に積層され形成された平面光導波路であって、前記上部第１クラッド層の上面から前記下部第１クラッド層の下面にかけて傾斜して形成されるとともに、外部から入射された信号光を全反射して前記コア層を伝搬させる第１の端面と、前記第１の端面と平行でなく、前記第１の端面に対向するとともに、前記コア層を伝播してきた前記信号光を、前記平面光導波路の外部上方又は前記平面光導波路の内部に全反射させる第２の端面と、前記上部第１クラッド層の上面から前記下部第１クラッド層の下面にかけて傾斜して形成された第３の端面と、前記上部第１クラッド層の上面から前記下部第１クラッド層の下面にかけて傾斜して形成された第４の端面と、を備えたことを特徴とする。

本発明の平面光導波路によれば、上面から下面にかけて傾斜して形成され入射された信号光を全反射する第１の端面と、第１の端面と平行でなく、かつ対向する第２の端面とを有するので、信号光を反射する手段を設ける必要がなく平面光導波路の製造を容易にでき、コストが低減できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る平面光導波路の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る平面光導波路内での励起光と信号光の伝播を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る光増幅器の他の例についての構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態７に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態８に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態９に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１０に係る光増幅器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１０に係るダブルクラッド型平面光導波路の構成を示す図である。

実施の形態１．
以下図面を用いて本発明の実施の形態１を説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る平面光導波路の構成を示す図である。図２は本発明の実施の形態１に係る光増幅器の構成を示す図である。図３は本発明の実施の形態１に係る平面光導波路内での励起光と信号光の伝播を説明するための図である。図４は本発明の実施の形態１に係る光増幅器の他の例についての構成を示す図である。

図１（ｂ）に示すように、光増幅器は、コア層とその周辺のクラッド層の屈折率の差を利用して、光をコア層に閉じ込めて伝搬させる平面光導波路１０と、平面光導波路１０を励起するための励起光１００を生成し平面光導波路１０に入力する励起光入力手段２０と、信号光１１０を生成し平面光導波路１０へ信号光１１０を入力する信号光入力手段３０とを備えている。なお、矢印は、励起光１００と信号光１１０の進行方向を示している。

この励起光入力手段２０としては、励起光１００を平面光導波路１０に入力させる機能を持つものであればよく、半導体レーザなどを用いることができる。

信号光入力手段３０として、半導体レーザの出力光を集光レンズで集光させる構成を用いることができる。この信号光入力手段３０としては、信号光１１０を平面光導波路１０に入力させる機能を持つものであればよく、半導体レーザなどを用いることができる。

平面光導波路１０は、光導波路積層部１１と、信号光の波長帯の光を反射させない信号光無反射手段１４と、励起光の波長帯の光を反射させない励起光無反射手段１６とを有する。なお、平面光導波路１０は図１に示すように六面体であり、ここで言う六面体とは、平面光導波路１０の一部が面取りされている場合の構成も含む概念である。

信号光無反射手段１４には信号光の波長帯の光を反射させない無反射コーティング（ＡＲコーティング：anti-reflection coating）を用いることができる。また、信号光無反射手段１４として、平面光導波路１０に信号光１１０が入射する部分をブリュースタ角に形成する方法などを用いれば、平面光導波路１０の信号光１１０入力部分からＡＲコーティングを排除することができ、信号光１１０によるＡＲコーティングの損傷を避けることができる。

励起光無反射手段１６には励起光の波長帯の光を反射させないＡＲコーティングを用いることができる。また、励起光無反射手段１６として、平面光導波路１０に励起光１００が入射する部分をブリュースタ角に形成する方法などを用いれば、平面光導波路１０の励起光１００入力部分からＡＲコーティングを排除することができ、励起光１００によるＡＲコーティングの損傷を避けることができる。

図１（ｃ）に示すように、光導波路積層部１１は、下部第１クラッド層２と、コア層３と、上部第１クラッド層４とが順に積層されて形成される。光導波路積層部１１は、下部第１クラッド層２とコア層３との間の第１の境界面２００と、コア層３と上部第１クラッド層４との間の第２の境界面２０１とを有する。

なお、この実施の形態１では、第１の境界面２００と第２の境界面２０１が平面であって平行である場合を説明するが、第１の境界面２００と第２の境界面２０１は必ずしも平行でなくても良い。

図１（a）、（b）、（c）に示すように、光導波路積層部１１は、第１の境界面２００に垂直でない第１の端面２１０と、第１の端面２１０に平行でなく、第１の端面２１０に対向する、つまり第１の端面２１０の反対側にある第２の端面２１１と、第１の境界面２００に垂直でなく、かつ第１の端面２１０の左側にある第３の端面２１２と、第３の端面２１２に平行でなく、第１の端面２１０の右側、つまり、第３の端面２１２に対向する第４の端面２１３とを有する。

図１の例では、第１の端面２１０と第２の端面２１１は、上部第１クラッド層４の上面から下部第１クラッド層２の下面にかけて傾斜して形成される構成となっている。ここで、上部第１クラッド層４の上面は下部第１クラッド層２の下面よりも面積が大きくなるよう傾斜される。第２の端面２１１、第３の端面２１２、第４の端面２１３についても、上部第１クラッド層４の上面から下部第１クラッド層２の下面にかけて傾斜して形成され、上部第１クラッド層４の上面は下部第１クラッド層２の下面よりも面積が大きい。

次に、図２を用いて実施の形態１に係る光増幅器の動作について説明する。平面光導波路１０の上方には、信号光１１０を全反射する全反射手段が設けられる。図２の説明では、全反射手段を例えば全反射鏡４０として説明を行う。まず、励起光入力手段２０によって生成された励起光１００は、励起光無反射手段１６により反射されることなく平面光導波路１０に入力される。

一方、信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、全反射鏡４０−１により平面光導波路１０の方向へ全反射され、平面光導波路１０に入射する。それから、信号光１１０は平面光導波路１０の第２の端面２１１によって平面光導波路１０の内部に全反射される。つまり信号光１１０は、第２の端面２１１によって全反射されてコア層３を導波する。それから、信号光１１０は、第１の端面２１０によって平面光導波路１０の外部上方に全反射される。それから、信号光１１０は、全反射鏡４０−２により全反射され、全反射鏡４０−３に入射する。それから、信号光１１０は、全反射鏡４０−３に全反射され、平面光導波路１０に入射する。それから、信号光１１０は平面光導波路１０の第２の端面２１１に全反射され、コア層３を導波する。以降も上記と同様である。

なお、ここでは入射された信号光１１０は第２の端面２１１により全反射され、コア層３の導波するものとして説明を行ったが、入射された信号光１１０は第１の端面２１０により全反射され、コア層３を導波し、第２の端面２１１により平面光導波路１０外部に全反射されてもよい。その場合、全反射鏡４０−１は第１の端面２１０の上方に設けられ、全反射鏡４０−１により第１の端面２１０方向に全反射されることとなる。

このように、第１の端面２１０と第２の端面２１１が上部第１クラッド層４の上面から前記下部第１クラッド層６の下面にかけて傾斜して形成され、外部から入射してきた信号光１１０を全反射させコア層３を少なくとも１回以上往復させてマルチパス伝搬させるので、光増幅器を高効率化できるとともに、平面光導波路１０の製造を技術的に容易にし、コストを低減させることが可能となる。

また、第１の端面２１０と第２の端面２１１とが傾斜して形成され、かつ、これら以外の１対の組となる第３の端面及び第４の端面についても、それぞれ平行でなく、傾斜して形成されているので、平面光導波路１０内部で発生した寄生発振とＡＳＥは、平面光導波路１０の外部に全反射させられ抑制されるので、光増幅器全体としての増幅性能の低下を防ぐことが可能となる。

図３に示すように、平面光導波路１０において、信号光１１０がコア層３を伝搬できるように、下部第１クラッド層２と上部第１クラッド層４の屈折率は、コア層３の屈折率よりも小さい値に設定されている。

また、平面光導波路１０において、励起光１００がコア層３を伝搬できるように、下部第１クラッド層２と上部第１クラッド層４の屈折率は、コア層３の屈折率よりも小さい値に設定されている。

なお、この実施の形態１では、下部第１クラッド層２と上部第１クラッド層４の屈折率が等しい場合を説明するが、励起光１００と信号光１１０がコア層を伝搬できるような構成であれば、下部第１クラッド層２と上部第１クラッド層４の屈折率は異なっても良い。

平面光導波路１０のコア層３の材質は、励起光１００を吸収して、信号光１１０を増幅させるためのレーザ媒質である。コア層３の媒質としては、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅなどが用いられる。励起光１００がコア層３を伝播する際に励起光１００が吸収されて、信号光１１０がコア層３を伝播する際に信号光１１０が増幅される。

このとき、平面光導波路を使用した光増幅器において、信号光１１０を一定の増幅率を得るためには、信号光１１０が平面光導波路を通過する光路長がある一定の長さである必要がある。

例えば、平面光導波路における信号光１１０に対する小信号利得係数がｇ０ ［１／ｍ］であり、信号光１１０が平面光導波路を通過する光路長がＬ［ｍ］である場合に、信号光１１０の光パワーが平面光導波路１０に蓄えられている光パワーよりも十分に小さい場合、信号光１１０の入力時の光パワーＰｉ ｎ ［Ｗ］と増幅された光パワーＰｏｕ ｔ ［Ｗ］の関係は、以下の式（１）で表される。

増幅される光パワーＰｏｕ ｔ ［Ｗ］はＬが大きい程大きくなる。Ｌは信号光１１０がコア層３を通過する回数に比例して大きくなるため、より大きな増幅光パワーＰｏｕ ｔ ［Ｗ］を得るためには、信号光１１０を平面光導波路１０内でマルチパスさせ、コア層３の通過回数を大きくする必要がある。

ここで、例として、平面光導波路のコア層３の屈折率をｎ１＝１．８とすると、信号光１１０が第１の端面２１０または第２の端面２１１で反射される際に、信号光１１０が第１の端面２１０または第２の端面２１１に入射する角度をθとすると、θ＜３３．７°の場合では信号光１１０が屈折成分と反射成分に分かれ、θ＞３３．７°の場合では信号光は全反射される。

この実施の形態１に係る光増幅器で、平面光導波路１０において、信号光１１０を第１の端面２１０と第２の端面２１１での入射角θが３３．７°以上になるようにすれば、反射時に信号光の損失をなくして、コア層３をマルチパスさせることができる。

以上のように、本発明の実施の形態１によれば、平面光導波路１０における第１の端面２１０と第２の端面２１１が上部第１クラッド層４の上面から前記下部第１クラッド層６の下面にかけて傾斜して形成され、外部から入射してきた信号光１１０を全反射させることによりマルチパス伝搬させるので、第１の端面２１０と第２の端面２１１には信号光１１０を反射させるための手段を設ける必要はなく、平面光導波路１０の製造を技術的に容易にし、コストを低減させることが可能となる。

また、第１の端面２１０と第２の端面２１１とが傾斜して形成され、かつ、これら以外の１対の組となる第３の端面及び第４の端面についても、それぞれ平行でなく、傾斜して形成されている。そのため、平面光導波路１０内部で発生した寄生発振とＡＳＥを、平面光導波路１０の外部に全反射させて抑制することができる。そのため、実施の形態１に係る平面光導波路１０を用いた光増幅器は、光増幅器全体としての増幅性能の低下を防ぐことが可能となり、増幅の高効率化が可能となる。

なお、これまで全反射手段として全反射鏡４０を用いて説明を行ったが、図４に示すように、複数の反射部分が一体化された構造体であるプリズム４１を用いて信号光１１０を伝送させてもよい。平面光導波路１０の第１の端面２１０により全反射され平面光導波路１０から出力された信号光１１０は、プリズム４１の下面４１aからプリズム４１に入射し、プリズム４１の一方の傾斜面４１bで全反射し、プリズム４１内を伝送され、プリズム４１の傾斜面４１bと対向する傾斜面４１cで全反射され、プリズム４１の下面４１aから出射し、再度平面光導波路１０に入射する。平面光導波路１０から出力された複数回の信号光１１０は、一つのプリズム４１の全反射により、平面光導波路１０に信号光１１０が複数回入射される。

平面光導波路１０の上部の信号光１１０の反射位置に全反射鏡４０を個々に配置する方法では、一枚の全反射鏡４０の向きが変わった時に、それ以降の信号光１１０の反射方向が変わってしまう。プリズム４１のように、複数の反射面が一体化された構造であれば、プリズム４１の反射面の相対的な角度は常に保持されているので、平面光導波路１０に対してプリズム４１の角度が変化しても、プリズム４１からの信号光１１０の出射光軸方向はプリズム４１の角度が変化する前の方向に維持することができる。したがって、平面光導波路１０とプリズム４１の相対的な角度が変化しても、平面光導波路１０を通過する信号光１１０のパスを維持することができ、信号光１１０の平面光導波路１０通過部の変化による平面光導波路１０の増幅特性の劣化を抑制することができる。

実施の形態２．
以下図面を用いて本発明の実施の形態２に係る光増幅器について説明する。図５は本発明の実施の形態２に係る光増幅器の構成を示す図である。実施の形態１の光増幅器の構成に相当する部分には図１及び図２と同一符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る光増幅器は、平面光導波路１０Ａと、励起光入力手段２０と、信号光入力手段３０とを備えている。なお、矢印は、励起光１００と信号光１１０の進行方向を示している。

平面光導波路１０Ａは、光導波路積層部１１Ａと、信号光を反射させる信号光反射手段１２と、信号光無反射手段１４と、励起光無反射手段１６から構成されている。

信号光反射手段１２は信号光の波長帯の光を反射させる全反射コーティング（ＨＲコーティング：high-reflection coating）を用いることができる。

光導波路積層部１１Ａは、第１の境界面２００に垂直な第２の端面２１１と、第２の端面２１１に対向し、第１の境界面２００に垂直でない、つまり上部第１クラッド層４の上面から下部第１クラッド層２の下面にかけて傾斜して形成される第１の端面２１０と、第１の境界面２００に平行でなく、かつ第１の端面２１０の左側にある第３の端面２１２と、第１の境界面２００に平行でなく、かつ第１の端面２１０の右側にある第４の端面２１３とを有する。第１の端面２１０と第２の端面２１１とは平行でない。

次に、この実施の形態１に係る光増幅器の動作について説明する。励起光入力手段２０によって生成された励起光１００は、励起光無反射手段１６より平面光導波路１０Ａに入力される。一方、信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、信号光無反射手段１４より平面光導波路１０Ａに入力される。

信号光１１０は、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０に入力され、平面光導波路１０Ａの第１の端面２１０によって全反射され、コア層３を導波する。それから、信号光１１０は、第２の端面２１１に設けられた信号光全反射手段１２によって全反射され、再びコア層３を導波する。それから、信号光１１０は、第１の端面２１０によって全反射され、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０Ａから平面光導波路１０Ａの外部に出力される。

平面光導波路１０Ａから出力された信号光１１０は、平面光導波路１０Ａの上方に配置された全反射鏡４０により全反射され、再び平面光導波路１０Ａに入力される。平面光導波路１０Ａに入射された信号光１１０は、平面光導波路１０の第１の端面２１０によって全反射され、コア層３を導波し、第２の端面２１１において信号光全反射手段１２によって全反射され、再びコア層３を導波し、第１の端面２１０によって全反射され、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０から出力される。

以上のように、本発明の実施の形態２によれば、平面光導波路１０Ａにおいて、第１の端面２１０については上部第１クラッド層４の上面から前記下部第１クラッド層６の下面にかけて傾斜して形成するとともに、第１の端面２１０に対向する第２の端面２１１については、第１の端面２１０と平行でなく、第１の境界２００に垂直とし、信号光全反射手段１２を設けるようにした。そのため、第１の端面２１０には信号光１１０を反射させるための手段を設ける必要がなく、平面光導波路１０の製造を技術的に容易にし、コストを低減させることが可能となる。

また、第１の端面２１０と第２の端面２１１以外の１対の組となる第３の端面及び第４の端面についても、それぞれ平行でなく、傾斜して形成されているので、平面光導波路１０内部で発生した寄生発振とＡＳＥを、平面光導波路１０Ａの外部に全反射させて抑制することができる。そのため、実施の形態２に係る平面光導波路１０Ａを用いた光増幅器は、光増幅器全体としての増幅性能の低下を防ぐことが可能となり、増幅の高効率化が可能となる。

実施の形態３．
以下図面を用いて本発明の実施の形態２に係る光増幅器について説明する。図６は本発明の実施の形態３に係る光増幅器の構成を示す図である。実施の形態１の光増幅器の構成に相当する部分には図１及び図２と同一符号を付してその説明を省略する。実施の形態３においては、励起光入力手段２０Ａが複数の励起光出力エミッタを有し、それぞれのエミッタから等間隔で平面光導波路１０に励起光１００が入力される点において実施の形態１と異なる。

実施の形態３に係る光増幅器の動作について説明する。信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０に入力され、第２の端面２１１によって全反射され、コア層３を導波し、第１の端面２１０によって全反射され、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０から出力される。このとき信号光１１０の光軸は励起光入力手段２０Ａの一つのエミッタから出力される励起光１００と同軸となるように調整される。

平面光導波路１０から出力された信号光１１０は、全反射鏡４０により反射され、再び信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０に入力され、平面光導波路１０の第１の端面２１０によって全反射され、コア層３を導波し、第２の端面２１１によって全反射され、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０から出力される。このとき信号光１１０励起光入力手段２０Ａの一つのエミッタから出力される励起光１００と同軸となるように調整される。

以上のように、本発明の実施の形態３によれば、励起光１００が平面光導波路１０を通過する部分と信号光１１０が平面光導波路１０を通過する部分を同一にしたため、励起光１００によって平面光導波路１０内部に生成される利得分布と信号光１１０のオーバーラップ効率が高くなり、実施の形態１、実施の形態２と比較して、さらに光増幅器を高効率化することができる。

なお、これまで複数のエミッタを有する励起光入力手段２０Ａについて説明したが、複数の励起光出力口があれば、例えば複数のシングルエミッタ励起光を並べる構成でも同様の効果が得られる。複数のシングルエミッタ励起光であれば、エミッタの間隔を等間隔ではなく、個別に任意の間隔に並べることができる、信号光１１０が平面光導波路１０を通過する間隔が等間隔でなくても、信号光１１０と励起光１１０の光軸を合わせることができる。

実施の形態４．
以下図面を用いて本発明の実施の形態４に係る光増幅器について説明する。図７は本発明の実施の形態４に係る光増幅器の構成を示す図である。実施の形態２の光増幅器の構成に相当する部分には図１、図２、及び図５と同一符号を付してその説明を省略する。

実施の形態４に係る光増幅器は、平面光導波路１０Ｂと、励起光入力手段２０Ａと、信号光入力手段３０とを備えている。なお、矢印は、励起光１００と信号光１１０の進行方向を示している。

平面光導波路１０Ｂは、光導波路積層部１１Ａと、信号光１１０を反射し励起光１００を透過する二色性膜１７と、信号光無反射手段１４と、励起光無反射手段１６から構成されている。

実施の形態４に係る光増幅器の動作について説明する。励起光入力手段２０Ａによって生成された励起光１００は、励起光を透過し信号光を反射する二色性膜１７から平面光導波路１０に入力される。ここで励起光入力手段２０Ａからは複数の励起光出力エミッタを有し、それぞれのエミッタは等間隔で平面光導波路１０Ｂに入力されている。

信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、信号光無反射手段１４より平面光導波路１０Ｂに入力される。信号光１１０は、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０Ｂに入力され、第１の端面２１０によって全反射され、コア層３を導波する。このとき信号光１１０の光軸は励起光入力手段２０Ａの一つのエミッタから出力される励起光１００と同軸となるように調整される。

信号光１１０は第２の端面２１１に設けられた二色性膜１７によって全反射され、再びコア層３を導波し、第１の端面２１０によって全反射され、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０Ｂから出力される。このとき励起光入力手段２０Ａの光軸は、信号光１１０の光軸と同軸になるように調整されている。平面光導波路１０Ｂから出力された信号光１１０は、全反射鏡４０により反射され、再び信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０Ｂに入力される。

以上のように、本発明の実施の形態３によれば、励起光１００が平面光導波路１０Ｂを通過する部分と信号光１１０が平面光導波路１０Ｂを通過する部分を同一にしたため、励起光１００によって平面光導波路１０Ｂ内部に生成される利得分布と信号光１１０のオーバーラップ効率が高くなり、光増幅器を高効率化することができる。

実施の形態５．
以下図面を用いて本発明の実施の形態５に係る光増幅器について説明する。図８は本発明の実施の形態５に係る光増幅器の構成を示す図である。実施の形態１の光増幅器の構成に相当する部分には図１及び図２と同一符号を付してその説明を省略する。

実施の形態５に係る光増幅器の動作について説明する。励起光入力手段２０によって生成された励起光１００は、励起光無反射手段１６より平面光導波路１０に入力される。

信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、信号光無反射手段１４より平面光導波路１０に入力される。信号光１１０は、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０に入力され、第２の端面２１１によって全反射され、コア層３を導波する。この時、コア層３を導波する信号光１１０の断面の水平方向をＹ、垂直方向をＸとする。信号光１１０は第１の端面２１０によって全反射され、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０から上方に出力される。

第１の境界面２００に対して垂直に平面光導波路１０から出力された信号光１１０は、１枚目の全反射鏡４０aにより境界面２００に対して平行に全反射され、２枚目の全反射鏡４０bにより境界面２００に対して平行のままに９０°折り返され、３枚目の全反射鏡４０cによって境界面２００に対して垂直に折り返され、信号光無反射手段１４より平面光導波路１０に入力され、第２の端面２１１によって全反射され、コア層３を導波する。このとき、２回目にコア層３を導波する信号光１１０の断面は水平方向がＸ、垂直方向がＹとなっている。最初にコア層３を導波する信号光１１０の断面方向に対して、次にコア層３を導波する信号光１１０の断面方向が９０°回転している。つまり、信号光１１０の断面の水平方向と垂直方向とを入れ替える。

以上のように、本発明の実施の形態５によれば、信号光１１０の断面の水平、垂直方向を、平面光導波路１０の通過ごとに９０°回転させることができるので、信号光１１０の不均一な励起を補償して均一な増幅光強度分布を維持することができる。つまり、平面光導波路１０が水平方向、垂直方向に不均一な励起分布を持つときに、コア層３を通過する信号光１１０の断面方向が常に一定のために増幅光が不均一な増幅強度となることを防ぐことが可能となる。

実施の形態６．
以下図面を用いて本発明の実施の形態６に係る光増幅器について説明する。図９は本発明の実施の形態６に係る光増幅器の構成を示す図である。実施の形態１の光増幅器の構成に相当する部分には図１及び図２と同一符号を付してその説明を省略する。実施の形態６においては、平面光導波路１０と、平面光導波路１０上方に設けられた全反射鏡４０との間に、信号光１１０を通過させる空間フィルタ５０を設けている点において他の実施の形態と異なる。

実施の形態６に係る光増幅器の動作について説明する。信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、平面光導波路１０に入力され、第１の端面、あるいは第２の端面により全反射され、コア層３を導波する。コア層３で増幅を受けた信号光１１０は、第１の端面、あるいは第２の端面により全反射され、信号光無反射手段１４で反射されず、平面光導波路１０から出力される。信号光１１０は空間フィルタ５０を通過し、全反射鏡４０によって反射され、再び空間フィルタ５０を通過して、信号光無反射手段１４で反射されず、平面光導波路１０に入力される。

平面光導波路１０に入力する信号光１１０の空間モードが単一モードの場合、信号光１１０はコア層３を導波し増幅される際に、平面光導波路１０から出力された後の信号光１１０の空間モードが、単一モードの他に高次モードを含んだ多モードとなる場合がある。この実施の形態６に係る光増幅器では、平面光導波路１０の上部で信号光１１０の経路に空間フィルタ５０が配置されているため、空間フィルタ５０の径を適正に設定すれば、信号光１１０が空間フィルタ５０を通過する際に、信号光１１０に含まれる高次モードが除去され、信号光１１０の空間モードを単一モードに戻すことができ、常に単一モードの増幅光が得られる効果がある。

以上のように、本発明の実施の形態６によれば、平面光導波路１０と、平面光導波路１０上方に設けられた全反射鏡４０との間に、信号光１１０の高次モードを除去するための空間フィルタ５０を設けたので、常に単一モードの増幅光が得られるという効果がある。

なお、これまで説明した空間フィルタ５０は、平面光導波路１０と全反射鏡４０との間に設ける代わりに、全反射鏡４０間に設けてもよい。なお、実施の形態６は、他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

実施の形態７．
以下図面を用いて本発明の実施の形態７に係る光増幅器について説明する。図１０は本発明の実施の形態７に係る光増幅器の構成を示す図である。実施の形態１の光増幅器の構成に相当する部分には図１及び図２と同一符号を付してその説明を省略する。実施の形態７においては、平面光導波路１０と全反射鏡４０の間隔を自由に調整することができる点で他の実施の形態と異なる。

実施の形態７に係る光増幅器の動作について説明する。信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、平面光導波路１０に入力され、第１の端面、あるいは第２の端面により全反射され、コア層３を導波する。コア層３で増幅を受けた信号光１１０は、第１の端面、あるいは第２の端面により全反射され、信号光無反射手段１４で反射されず、平面光導波路１０から出力される。信号光１１０は全反射鏡４０によって反射され、信号光無反射手段１４で反射されず、平面光導波路１０に入力される。

平面光導波路１０に入力する信号光１１０の空間モードは単一モードであるとする。信号光１１０はコア層３を導波し増幅される際に、平面光導波路１０から出力された後の信号光１１０の空間モードが単一モードの他に高次モードを含んだ多モードとなる場合がある。この実施の形態７に係る光増幅器では、平面光導波路１０と全反射鏡４０の間隔を自由に調整することができる。信号光１１０のビーム径は、平面光導波路１０を出力した直後においてはほぼ平面光導波路１０の厚さと等しい大きさを持っている。また信号光１１０のビーム径は空間を伝播する間に広がる。平面光導波路１０と全反射鏡４０の間隔が短い場合、平面光導波路１０から出力された信号光１１０のビーム径に対し、全反射鏡４０により反射され再び平面光導波路１０に入力される直前の信号光１１０のビーム径に差がないため、平面光導波路１０に入力される際に、ほぼ全てのモードが再び平面光導波路１０に結合される。

これに対し、平面光導波路１０と全反射鏡４０の間隔を長く取ると、平面光導波路１０から出力された信号光１１０のビーム径に対し、全反射鏡４０に反射され、平面光導波路１０に入力される信号光１１０のビーム径は拡がり、特に拡がり角の大きな高次モード成分のビーム径は平面光導波路１０の厚さよりも大きくなり、平面光導波路１０に結合できなくなる。

以上のように、本発明の実施の形態７によれば、平面光導波路１０と全反射鏡４０の間隔を適性に調整することができるので、コア層３における増幅により多モード化した信号光１１０の高次モード成分の平面光導波路１０へ再入力させず、単一モード成分だけを平面光導波路１０に再入力させ増幅することが可能となり、常に単一モードの増幅光が得られるという効果がある。なお、実施の形態７は、他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

実施の形態８．
以下図面を用いて本発明の実施の形態８に係る光増幅器について説明する。図１１は本発明の実施の形態８に係る光増幅器の構成を示す図である。実施の形態１の光増幅器の構成に相当する部分には図１及び図２と同一符号を付してその説明を省略する。実施の形態８においては、平面光導波路１０と全反射鏡４０の間に、信号光１１０の波面を調整する信号光波面補正手段６０が設けられている点において他の実施の形態と異なる。なお、図１１では、信号波面補正手段６０の１例として、シリンドリカルレンズを用いて説明を行う。

実施の形態８に係る光増幅器の動作について説明する。信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、平面光導波路１０に入力され、第１の端面、あるいは第２の端面により全反射され、コア層３を導波する。コア層３で増幅を受けた信号光１１０は、第１の端面、あるいは第２の端面により全反射され、信号光無反射手段１４で反射されず、平面光導波路１０から出力される。信号光１１０は信号光波面補正手段６０を通過し波面が補正され、全反射鏡４０によって反射され、信号光波面補正手段６０を通過して波面が補正され、信号光無反射手段１４で反射されず、平面光導波路１０に入力される。

平面光導波路１０に入力される信号光１１０の波面は曲率を持っている。信号光１１０の波面の曲率は信号光１１０の伝播や平面光導波路１０により与えられる収差などにより変化するが、信号光波面補正手段６０は、信号光１１０の波面曲率を補正する。そのため、平面光導波路１０を出力した後に変化した信号光１１０の波面の曲率は、信号光波面補正手段６０により補正され、平面光導波路１０に最適な波面曲率で、再び平面光導波路１０に入力することができる。

以上のように、本発明の実施の形態８によれば、平面光導波路１０と全反射鏡４０との間に設けられた信号光波面補正手段６０により信号光１１０の波面の曲率を補正するので、信号光１１０の波面の曲率を、平面光導波路１０にとって最適な値とすることが可能となる。なお、実施の形態８は他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

実施の形態９．
以下図面を用いて本発明の実施の形態９に係る光増幅器について説明する。図１２は本発明の実施の形態９に係る光増幅器の構成を示す図である。実施の形態１の光増幅器の構成に相当する部分には図１及び図２と同一符号を付してその説明を省略する。実施の形態９においては、平面光導波路１０の第１の端面２１０あるいは第２の端面２１１に、入射光のＰ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過する薄膜偏光子７０が施されている点において他の実施の形態と異なる。

実施の形態９に係る光増幅器の動作について説明する。信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、平面光導波路１０に入力され、第１の端面、あるいは第２の端面により反射され、コア層３を導波する。コア層３で増幅を受けた信号光１１０は、第１の端面、あるいは第２の端面により反射され、信号光無反射手段１４で反射されず、平面光導波路１０から出力される。

平面光導波路１０に入力される信号光１１０の偏光が直線偏光（例えばＰ偏光）であるとき、平面光導波路１０に入力されコア層３で増幅される信号光１１０の偏光は、コア層３でのランダムな偏光の増幅や偏光軸の回転によって、Ｐ偏光とＳ偏光が混在したランダム偏光となる可能性がある。

コア層３における増幅によって成長した信号光１１０のＳ偏光は、第１の端面あるいは第２の端面における反射の際に薄膜偏光子７０によって平面光導波路１０外部に放出除去され、一方Ｐ偏光は反射の際に薄膜偏光子７０によって全反射され、信号光無反射手段１４で反射されず、全反射鏡４０で反射され、再び平面光導波路１０に入力される。

以上のように、本発明の実施の形態９によれば、平面光導波路１０の第１の端面２１０あるいは第２の端面２１１に、入射光のＰ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過する薄膜偏光子７０が施されているので、信号光１１０のＰ偏光のみを選択的に増幅し、直線偏光の増幅光を得ることができる。なお、実施の形態９は、他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。

実施の形態１０．
以下図面を用いて本発明の実施の形態１０に係る光増幅器について説明する。図１３は本発明の実施の形態１０に係る光増幅器の構成を示す図である。図１４は本発明の実施の形態１０に係るダブルクラッド型平面光導波路の構成を示す図である。実施の形態１の光増幅器の構成に相当する部分には図１及び図２と同一符号を付してその説明を省略する。

図１３に示すように、本発明の実施の形態１０に係る光増幅器は、平面光導波路１０Ｃと、励起光入力手段２０と、信号光入力手段３０とを備えている。なお、矢印は、励起光１００と信号光１１０の進行方向を示している。

平面光導波路１０Ｃは、光導波路積層部１１Ｂと、励起光無反射手段１６と、信号光無反射手段１４と、自然放出光除去手段１８とを有する。

自然放出光除去手段１８は平面光導波路１０内で発生する自然放出光を除去するものであり、第３の端面２１２と第４の端面２１３の表面精度を低下させて散乱面とする方法や、第３の端面２１２と第４の端面２１３に自然放出光の波長を吸収する膜を付加する方法などが使用できる。

光導波路積層部１１Ｂは、第１の境界面２００に垂直でない第１の端面２１０と、第１の端面２１０に平行でなく、第１の端面２１０の反対側にある第２の端面２１１と、第１の境界面２００に垂直でなく、かつ第１の端面２１０の左側にある第３の端面２１２と、第３の端面２１２に平行でなく、かつ第３の端面２１２の右側にある第４の端面２１３とを有する。図１３の例では、第３の端面２１２及び第４の端面２１３は、第１の境界面２００に垂直な構成となっている。

実施の形態１０に係る光増幅器の動作について説明する。励起光入力手段２０によって生成された励起光１００は、励起光無反射手段１６より平面光導波路１０に入力される。信号光入力手段３０によって生成された信号光１１０は、信号光無反射手段１４より平面光導波路１０に入力される。信号光１１０は、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０に入力され、第２の端面２１１によって全反射され、コア層３を導波し、第１の端面２１０によって全反射され、信号光無反射手段１４によって反射されずに平面光導波路１０から出力される。自然放出光除去手段１８は、この過程で平面光導波路１０Ｃ内部に発生する自然放出光を除去する。

以上のように、本発明の実施の形態１０によれば、平面光導波路１０Ｃにおける第１の端面２１０と第２の端面２１１は平行でないので、平面光導波路１０の内部で発生する自然放出光は寄生発振を起こす前に導波路の外側に出力され、また、第３の端面２１２と第４の端面２１３に自然放出光除去手段１８が付加されているので、平面光導波路１０の内部で発生する自然放出光は寄生発振を起こす前に、自然放出光除去手段１８により除去される。その結果、平面光導波路１０Ｃの内部で発生する寄生発振を防止あるいは抑制できる。また、平面光導波路１０Ｃの内部で発生する自然放出光が平面光導波路１０を伝搬する光路長が短くなるため、ＡＳＥを防止あるいは抑制できる。

なお、これまで平面光導波路１０Ｃの光導波路積層部１１Ｂは、下部第１クラッド層２と、コア層３と、上部第１クラッド層４とが順に積層されて形成されたものとして説明したが、この構成に限定されず、例えば図１４に示すようなダブルクラッド型平面光導波路８０であってもよい。

ダブルクラッド型平面光導波路８０は、下部第２クラッド層１、下部第１クラッド層２、コア層３、上部第１クラッド層４、上部第２クラッド層５が順に積層されて形成される。各層の屈折率については、励起光１００が下部第１クラッド層２、コア層３及び上部第１クラッド層４を伝搬できるように、下部第２クラッド層１の屈折率は下部第１クラッド層２の屈折率と上部第１クラッド層４の屈折率よりも小さい値に設定されており、また、上部第２クラッド層５の屈折率は下部第１クラッド層２の屈折率と上部第１クラッド層４の屈折率よりも小さい値に設定されている。

なお、ここでは下部第２クラッド層１と上部第２クラッド層５の屈折率が等しいとして説明するが、励起光１００が下部第１クラッド層２、コア層３及び上部第１クラッド層４を伝搬できるような構成であれば、下部第１クラッド層１と上部第２クラッド層５の屈折率は異なっていても良い。

コア層３の材質は、励起光１００を吸収して、信号光１１０を増幅させるためのレーザ媒質である。これにより、励起光１００がコア層３を伝播する際に励起光１００が吸収されて、信号光１１０がコア層３を伝播する際に信号光１１０が増幅される。

このようなダブルクラッド型平面光導波路８０を用いた光増幅器では、増幅される信号光１１０が平面光導波路１０のコア層３を伝搬するため、コア層３の厚さを小さくすることにより、信号光１１０が導波路１０に入力される際に許容可能な開口数（ＮＡ）を小さくすることができ、その結果、シングルモード、あるいは低次のマルチモードでの光増幅が可能である。一方、励起光１００は平面光導波路１０の下部第１クラッド層２、コア層３及び上部第１クラッド層４を伝搬するため、下部第１クラッド層２及び上部第１クラッド層４の厚さを大きくすることにより、励起光１００が導波路１０に入力される際に許容可能な開口数を大きくすることができ、その結果、マルチモードの励起光を出力する励起光源からの励起光の効率の良い結合が得られる。

なお、ダブルクラッド型平面光導波路８０は、他の実施の形態においても用いることが可能である。

１ 下部第２クラッド層、２ 下部第１クラッド層、３ コア層、４ 上部第１クラッド層、５ 上部第２クラッド層、１０ 平面光導波路、１１ 光導波路積層部、１２ 信号光反射手段、１４ 信号光無反射手段、１６ 励起光無反射手段、１７ 二色性膜、１８ 自然放出光除去手段、２０ 励起光入力手段、３０ 信号光入力手段、４０ 全反射鏡、４１ プリズム、５０ 空間フィルタ、６０ 信号光波面補正手段、７０ 薄膜偏光子、８０ ダブルクラッド型平面光導波路、１００ 励起光、１１０ 信号光、２００ 第１の境界面、２０１ 第２の境界面、２１０ 第１の端面、２１１ 第２の端面、２１２ 第３の端面、２１３ 第４の端面

Claims (12)

1. 下部第１クラッド層、コア層、上部第１クラッド層が順に積層され形成された平面光導波路であって、
   前記上部第１クラッド層の上面から前記下部第１クラッド層の下面にかけて傾斜して形成されるとともに、外部から入射された信号光を全反射して前記コア層を伝搬させる第１の端面と、
   前記第１の端面と平行でなく、前記第１の端面に対向するとともに、前記コア層を伝播してきた前記信号光を、前記平面光導波路の外部上方又は前記平面光導波路の内部に全反射させる第２の端面と、
   前記上部第１クラッド層の上面から前記下部第１クラッド層の下面にかけて傾斜して形成された第３の端面と、
   前記上部第１クラッド層の上面から前記下部第１クラッド層の下面にかけて傾斜して形成された第４の端面と、を備えたことを特徴とする平面光導波路。
2. 前記第２の端面は前記上部第１クラッド層の上面から前記下部第１クラッド層の下面にかけて傾斜して形成され、入射された前記信号光を前記平面光導波路の外部上方又は前記平面光導波路の内部に全反射させることを特徴とする請求項１に記載の平面光導波路。
3. 前記第２の端面は前記上部第１クラッド層と前記コア層との間の境界面と垂直に形成され、前記信号光を前記平面光導波路の内部に全反射させる信号光反射手段が設けられることを特徴とする請求項１に記載の平面光導波路。
4. 前記平面光導波路は六面体であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の平面光導波路。
5. 前記第１の端面には、前記入射される信号光のＰ偏光を反射し、Ｓ偏光を通過させる薄膜偏光子が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の平面光導波路。
6. 前記第３の端面と前記第４の端面には、内部で発生した自然放出光を除去する自然放出光除去手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の平面光導波路。
7. 前記第２の端面は前記上部第１クラッド層と前記コア層との間の境界面と垂直に形成され、入射された励起光を透過させるとともに入射された前記信号光を反射させる二色性膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の平面光導波路。
8. 下部第２クラッド層、下部第１クラッド層、コア層、上部第１クラッド層、上部第２クラッド層が順に積層され形成された平面光導波路であって、
   前記上部第２クラッド層の上面から前記下部第２クラッド層の下面にかけて傾斜して形成されるとともに、外部から入射された信号光を全反射して前記コア層を伝搬させる第１の端面と、
   前記第１の端面と平行でなく、前記第１の端面に対向するとともに、前記コア層を伝播してきた前記信号光を、前記平面光導波路の外部上方又は前記平面光導波路の内部に全反射させる第２の端面と、
   前記上部第２クラッド層の上面から前記下部第２クラッド層の下面にかけて傾斜して形成された第３の端面と、
   前記上部第２クラッド層の上面から前記下部第２クラッド層の下面にかけて傾斜して形成された第４の端面と、を備えたことを特徴とする平面光導波路。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の平面光導波路と、
   前記平面光導波路の上方に設けられ、前記平面光導波路から上方に全反射された信号光を全反射して前記平面光導波路に入射させる全反射手段と、を備えた光増幅器。
10. 前記全反射手段は、前記信号光の断面の水平方向と垂直方向とを入れ替えて前記平面光導波路に入射させることを特徴とする請求項９に記載の光増幅器。
11. 前記平面光導波路と前記全反射手段との間には、前記信号光の高次モードを除去するためのフィルタが設けられていることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の光増幅器。
12. 前記平面光導波路と前記全反射手段との間には、前記信号光の波面の曲率を補正するための信号光波面補正手段が設けられていることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の光増幅器。

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