JP5495943B2 - 平面導波路型レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、平面光導波路を用いた光増幅器および光発振器を備える平面導波路型レーザ装置に関するものである。

従来、平面型光導波路を用いる光増幅器や光発振器において、コア層、クラッド、ヒートシンク、冷却装置の励起光の光軸に対して垂直な断面の厚さ方向において、各層の厚さが一定の各層からなるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２９６６７１号公報

上述したような従来の平面型光導波路に励起光を入力すると、励起光照射領域における局所的な励起光吸収により、コア層の、励起光進行方向に対して垂直な方向において、励起照射領域近傍と遠方の間で温度分布が生じる。その結果、コア層内の屈折率に不均一性が生じ、熱レンズ効果が発生するが、この熱レンズ効果の大小は、入力励起光パワーに依存して変化する。このため、光増幅器において、励起光と対向して信号光を入力し、導波路内でビームオーバーラップを図る際には、励起光の導波路内ビーム形状が変化し、その結果、固定された光学系では励起光パワー変化時に安定したビームオーバーラップ効率が得られず、出力低下の原因になるという問題があった。

さらに、光増幅器および光発振器において、出力光をある定点で受光する際には、励起光パワーの増減による熱レンズ効果の変化により、ビームパターンやビーム品質が変化・劣化するという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、平面型光導波路のコア層における温度分布の不均一性を軽減し、発生する熱レンズ効果を抑制することで、励起光パワーの増減に伴う、出力光パワーの低下およびビーム品質の劣化の少ない平面光導波路型レーザ装置を得るものである。

この発明に係る平面導波路型レーザ装置は、平板状をなし、励起光の光軸に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有するコア層と、前記コア層の一面に接合されたクラッドと、前記クラッドの一面側に接合剤を介して接合され、励起光の光軸に垂直な断面の幅方向の励起光照射位置遠方で励起光照射位置に比べて大きい熱抵抗を有する導波路内温度調整部と、前記導波路内温度調整部の前記幅方向の熱抵抗の変化により前記コア層内の温度分布が小さくなるよう前記コア層内で発生した熱を前記クラッドと前記導波路内温度調整部を介して排熱する冷却装置とを備えるものである。

この発明によれば、平面型光導波路のコア層における温度分布の不均一性を軽減し、発生する熱レンズ効果を抑制することで、励起光パワーの増減に伴う、出力光パワーの低下およびビーム品質の劣化の少ない光増幅器および光発振器を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す側面図である。 図１のａ−ａ’断面を励起光入力手段側から見た断面図である。 従来技術における励起時の導波路内温度分布計算結果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１における励起時の導波路内温度分布計算結果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態２における励起時の導波路内温度分布計算結果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す側面図である。 図８のａ−ａ’断面を励起光入力手段側から見た断面図である。 この発明の実施の形態４に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成の一例として、導波路のコア層の上部に上部クラッドおよび基板が接合されている場合の構成を示す側面図である。 従来技術における励起時のコア層内温度分布計算結果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態４における励起時のコア層内温度分布計算結果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す側面図である。 図１３のａ−ａ’断面を励起光入力手段側から見た断面図である。 この発明の実施の形態５に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成の一例として、導波路に上部クラッド、および基板が接合されている場合の構成を示す側面図である。 図１５のａ−ａ’断面を励起光入力手段側から見た断面図である。 従来技術における励起時のコア層内温度分布と、基板上面の温度分布との計算例を示す図である。 この発明の実施の形態４における励起時のコア層内温度分布と、基板上面の温度分布との計算例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について、添付の図面に従って説明する。なお、以降では、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

実施の形態１．
図１と図２は、この発明の実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す図であり、図１は側面図であり、図２は図１のａ−ａ’断面を励起光入力手段１側から見た断面図である。

図１と図２に示される本実施の形態１に係る光増幅器は、励起光入力手段１と、励起光進行方向を表す光軸７に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有する平面状のコア層２と、コア層２の下側に接合されたクラッド３と、コア層２の下面に接合されたクラッド３の下面に接合された導波路内温度調整部４と、導波路内温度調整部４の下面に接して配置されている冷却装置５とを備えている。

ここで、励起光入力手段１としては、半導体レーザまたは半導体レーザを集光させる構成を用いることができる。なお、励起光入力手段１としては、励起光をコア層２に入力させる機能を持つものであれば、どのような構成を用いても良い。

また、信号光入力手段６としては、ファイバレーザまたはファイバレーザを集光させる構成を用いることができる。なお、信号光入力手段６としては、信号光をコア層２に入力させる機能を持つものであれば、どのような構成を用いても良い。

コア層２は、光軸７に垂直な断面が典型的には、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有し、コア層２の材質は、励起光１０を吸収して、信号光１１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１０がコア層２を伝搬する際に励起光１０が吸収されて、信号光１１がコア層２を伝搬する際に信号光１１が増幅される。

クラッド３は、コア層２に比べて小さな屈折率を有し、コア層２のｘｚ平面に平行な一つの面に接合される。

クラッド３と導波路内温度調整部４との間は、金属半田や光学接着剤、熱伝導接着剤などの接合剤で接合しても良い。また、クラッド３のコア層２が接合されている面に対向した面（図１，２のクラッド３の下面）は、接合剤との接合強度を上げるため、メタライズを行っても良い。

導波路内温度調整部４は、熱抵抗の異なる複数種の材料（熱抵抗の低い材料から順に４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・とする）で構成され、光軸７に垂直な断面の幅方向（ｘ方向）に多層構造をなし、クラッド３と接合される。

すなわち、導波路内温度調整部４は、励起光１０の光軸７に垂直な断面の幅方向であるｘ方向の、励起光照射位置（励起光照射領域）８の近傍では小さい熱抵抗を有し、励起光照射位置８の遠方では大きい熱抵抗を有するもので、励起光照射位置８の近傍から遠方になるにつれて、熱伝導率が徐々に低い材料となるように材料を並べ、光軸７に垂直な断面の幅方向（図２のｘ方向）に対し多層構造を有する。

冷却装置５は、導波路内温度調整部４のクラッド３が接合されている面に対向した面（図１，２の導波路内温度調整部４の下面）のｘｚ平面に平行な面に接して配置され、典型的には、水冷およびペルチェ素子を用いることができる。なお、冷却装置５としては、コア層２に励起光１０が吸収される際に発生する熱を、クラッド３および導波路内温度調整部４を介して排熱するものであれば、どのような構成を用いても良い。

コア層２で発生した熱は、クラッド３および導波路内温度調整部４を介して冷却装置５と接することにより排熱される。

次に、この実施の形態１に係る平面型光導波路のコア層内温度分布について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態１の導波路内温度調整部４として、励起光の光軸７に対して垂直な断面の幅方向に対し、２材料３層から成る場合を例として示す。

図３に、従来技術における励起時の導波路内温度分布の数値計算結果の一例を示す。導波路内温度分布の数値計算は以下の方法で得ることができる。

ある物質内の２次元の熱伝導方程式は、物質の温度θ［Ｋ］、物質のｘ方向、ｙ方向それぞれの熱伝導率λｘ，λｙ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、発生熱量［Ｗ／ｍ^３］、物質の密度［ｋｇ／ｍ^３］、物質の比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］を用いて、次の式（１）で表される。

ここで、励起光入力手段１がＣＷ動作の場合、式（１）の時間微分項は０となる。また、簡単のため、物質のｘ方向、ｙ方向それぞれの熱伝導率が等しいとし、λｘ＝λｙ＝λとすると、熱伝導方程式は次のラプラス方程式（２）となる。

式（２）の離散化を考えると、例えばｘ方向の微分は微小区間Δｘでのθの差分となるので、次の式（３）となる。

式（３）を２次元に拡張して用いると、式（２）は次の式（４）で表される。

式（４）のように、物質の境界を除く内部の各点の温度θ（ｘ，ｙ）は、物質を微小な格子点に分割した場合の、ｘ方向、ｙ方向それぞれの隣接する4点の温度、θ（ｘ＋Δｘ,ｙ）、θ（ｘ−Δｘ，ｙ）、θ（ｘ，ｙ＋Δｙ）、θ（ｘ，ｙ−Δｙ）と、励起領域に相当する範囲の格子点に発熱密度Ｑ［Ｗ／ｍ^３］を与えることで得られることが分かる。

物質の境界では、式（３）の離散化では、隣接する格子点が存在しないため、式（４）を用いて温度分布を求めることはできない。そのため、物質外部との接触条件に応じて、境界面温度固定、断熱境界面、境界面熱流速付与、線形熱伝達などの境界条件を与えることで物質内全体の温度分布θ（ｘ，ｙ）を得る。

以上の手順で、２階常微分方程式（２）は、（分割格子点数−境界格子点数）個の式（４）で表す方程式、および境界格子点数個の境界条件を表す式での連立方程式に変換される。

実際の計算方法としては、初期条件として、全格子点にある温度θ_０を与えておき、順番に式（４）または境界条件式を解くことで、全点の温度分布はθ_１に更新される。初期に与えた温度分布は適当なものなので、更新された温度分布θ_１とθ_０には差が生じる。そして、更新された温度分布θ_１を用いて、再度全点の温度分布を、式（４）と境界条件式を用いて解くと、さらに更新された温度分布θ_２となり、温度分布θ_２とθ_１の差は、温度分布θ_１とθ_０の差に比べて小さくなる。これを繰り返すと、更新される前の温度分布θ_ｎと更新後の温度分布θ_ｎ＋１がほぼ変わらなくなり、この時の温度分布は、全点で式（４）を満たしており、連立方程式の解となる。

図３に示した、従来技術における励起時の導波路内温度分布例は、上記の計算方法において、温度分布を計算する物質としてコア層２にＮｄ：ＹＶＯ４（Ｎｄは１ａｔ％）として熱伝導率１１．２［Ｗ／Ｋ・ｍ］、発生熱量Ｑ［Ｗ／ｍ^３］の領域・強度として、励起光１０に対応した値である、発光波長８０８．５［ｎｍ］、ｂビーム径（１／ｅ^２）１５０×１２ｕｍ²、励起光密度１．６１×１０^１２［Ｗ／ｍ^３］、境界条件として、コア層２の下面のクラッド３に接合された面には、理想的に冷却装置５の温度として１５℃の固定温度を与え、コア層２の下面のクラッド３に接合された面以外の全面は、理想的に室温として２５℃の固定温度を与え計算した結果である。

図４に、実施の形態１の場合での励起時の導波路内温度分布の計算結果の一例を示す。ここで、コア層２の下面のクラッド３に接合された面において、ｘ方向に熱抵抗の異なる３層構造を有することを再現するため、上記境界条件でコア層２のクラッド３に接合された面に与える固定温度を、励起領域近傍で０℃、遠方で２５℃の異なる温度を与えることで再現した。その他の、温度分布を計算する物質、発生熱量、コア層２の下面のクラッド３に接合された面以外の全面の条件は、図３の場合と同じである。

この結果、励起領域における導波路内温度Ｔ_ｎｅａr［Ｋ］と非励起領域における導波路内温度Ｔ_fａr［Ｋ］の差が、従来技術導波路での温度差に比べて小さくなっていることが分かる。

ここで、導波路内に、励起領域中心から等方的に温度分布ｎ（ｒ）が存在する場合に生じる熱レンズの焦点距離ｆ［ｍ］は、物質の厚さｔ［ｍ］、励起光の光軸方向の物質の長さＬ［ｍ］、物質の屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴ［１／Ｋ］、導波路内の励起領域と非励起領域での温度差ΔＴ＝Ｔ_ｎｅａr−Ｔ_fａr［Ｋ］を用いて次の式（５）で表される。

式（５）より熱レンズの焦点距離ｆ［ｍ］は、導波路内の励起領域と非励起領域での温度差ΔＴが小さいほど長くなるので、導波路内温度分布を抑えることで熱レンズの影響を軽減できることがわかる。

よって、実施の形態１の場合、従来技術に比べて導波路内温度分布の不均一性を軽減することで、熱レンズ効果を抑制することができ、その結果、励起光パワー増減時のビームオーバーラップの変化やビーム品質の劣化の影響の少ない光増幅器を得ることができる。

実施の形態２．
次に、この実施の形態２に係る平面型光導波路のコア層内温度分布について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態２としての導波路内温度調整部４として、励起光の光軸７に対して垂直な断面の幅方向に対し、３材料５層から成る場合を例として示す。

この実施の形態２に係る平面型光導波路のコア層内温度分布の基本的な計算方法については実施の形態１に係る平面型光導波路のコア層内温度分布計算と同様なので、重複する説明を省略する。

図５は、この発明の実施の形態２に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す断面図である。なお、図５は、図１のａ−ａ’断面を励起光入力手段１側から見た状態に相当する断面図である。

図６に、実施の形態２の場合での励起時の導波路内温度分布の計算結果の一例を示す。ここでは、コア層２の下面のクラッド３に接合された面において、ｘ方向に励起領域近傍、励起領域端、励起領域遠方の順に熱抵抗が順に増大する５層構造を有することを再現するため、計算時境界条件に、コア層２のクラッド３に接合された面に与える固定温度を、順に高くなるよう異なる温度（０℃、１０℃、２５℃）を与えることで再現した。

同様に、導波路内温度調整部４の、励起光の光軸７に対し垂直な断面の幅方向（ｘ方向）に、励起領域中心から遠方になるにつれて、徐々に熱抵抗の高い物質が並ぶ多層構造を用いることで、従来技術よりも導波路内温度分布の不均一性が抑えられた光増幅器が得られることに加え、高次収差の少ない温度分布が得られる。

実施の形態３．
次に、この実施の形態３に係る平面型光導波路のコア層内温度分布について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態３に係る平面型光導波路のコア層内温度分布の基本的な計算方法については上記の実施の形態１に係る平面型光導波路のコア層内温度分布計算と同様なので、重複する説明を省略する。

図７は、この発明の実施の形態３に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す断面図である。なお、図７は、図１のａ−ａ’断面を励起光入力手段１側から見た状態に相当する断面図である。

この実施の形態３の場合、導波路内温度調整部４の、励起光の光軸７に対し垂直な断面の幅方向（ｘ方向）に、励起領域近傍と遠方で異なる熱抵抗を持たせる手段として、導波路内温度調整部４の厚さを変化させている。図７では、導波路内温度調整部４の厚さが連続的（円形状）に変化する例を示したが、これは、励起光照射位置８の近傍のみ薄い矩形状の厚さ変化など、励起光照射位置８の近傍で低い熱抵抗、遠方では高い熱抵抗を与えられるものであれば、どのような形状でもよい。

この結果、導波路内温度調整部４に１種類の物質のみを用いた場合でも、実施の形態１と同様の効果を実現可能となる。

実施の形態４．
図８と図９は、この発明の実施の形態４に係る平面導波路型レーザ装置の構成を示す図であり、図８は側面図であり、図９は図８のａ−ａ’断面を励起光入力手段１側から見た断面図である。

図８と図９に示される本実施の形態４による平面導波路型レーザ装置は、励起光入力手段１と、励起光進行方向を表す光軸７に対し垂直な断面の厚さ方向（図８のｙ方向）に導波路構造を有する平面状のコア層２と、コア層２の下側に接合された下部クラッド３と、下部クラッド３の下面に接合されたヒートシンク２６と、ヒートシンク下面に接触した導波路内温度分布調整部２５と、励起光入力手段および励起光をモニターする励起光モニター部２０と、信号処理部（信号演算部）２１とを備えている。なお、導波路の構成は、実施の形態１と同様であり、重複する説明を省略する。

下部クラッド３とヒートシンク２６との間は、必要であれば、金属半田や光学接着剤、熱伝導接着剤などの接合剤で接合しても良い。また、下部クラッド３のコア層２が接合されている面に対向した面は、接合剤との接合強度を上げるため、メタライズを行っても良い。

導波路内温度分布調整部２５は、複数の調整手段２５ａ，２５ｂを有している。調整手段２５ａ，２５ｂは、励起光照射位置８の近傍箇所と遠方箇所とで、機能的または物質的に独立しており、異なる温度設定可能な物質で構成され、励起光の光軸７に垂直な断面の幅方向に多層構造（ｘ方向に並べられた構造）をなし、ヒートシンク２６下面に接触および接合される。また、調整手段２５ａ，２５ｂは、ヒートシンク２６との接触部分の温度が、外部から入力された信号によって設定された温度となるように排熱する。なお、調整手段２５ａ，２５ｂには、例えばペルチェ素子による電子冷却器等を用いることができる。

導波路内温度分布調整部２５における励起光照射位置８の近傍箇所の調整手段２５ａでは任意の設定温度Ｔ１とし、導波路内温度分布調整部２５における励起光照射位置８の遠方箇所の調整手段２５ｂでは設定温度Ｔ２(＞Ｔ１)として、異なる温度に設定することによって、励起時の導波路内温度分布を軽減することが可能となる。

コア層２で発生した熱は、下部クラッド３およびヒートシンク２６を介して、導波路内温度分布調整部２５の調整手段２５ａ，２５ｂによって排熱される。

なお、導波路において、必要に応じて、コア層２の上部に多層構造物質が接合されていても良い。

図１０は、この発明の実施の形態４に係る平面導波路型レーザ装置の構成の一例として、導波路のコア層２の上部に上部クラッド２２、および基板２３が接合されている場合の構成を示す側面図である。

図１０において、上部クラッド２２は、コア層２に比べて小さな屈折率を有し、コア層２のｘｚ平面に平行な面のうち、下部クラッド３が接合されている面の対向側の面（図１０のコア層２のｚ上面）に接合される。

基板２３は、主に強度を上げることを目的として、上部クラッド２２のｘｚ平面のうち、コア層２が接合されている面に対向する面（図１０の上部クラッド２２の上面）に接合される。

次に、この実施の形態４に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器において、励起光パワー変化時の熱レンズ効果変動の制御について説明する。

励起光モニター部２０は、励起光入力手段１および励起光１０の状態をモニターする。

励起光モニター部２０がモニターする対象としては、例えば、励起光１０のパワー、励起光入力手段１の駆動電流、または信号光１１の励起波長に整合させるために各励起光パワーで設定される励起光入力手段１の駆動温度などである。なお、励起光モニター部２０がモニターする対象は、ある励起光状態において一意に決まる物理量であれば、どのようなものもモニターの対象とすることができる。

信号処理部２１には、各励起光状態（パワー、駆動電流、整合温度など）において、一意に決まる、調整手段２５ａ，２５ｂに出力するそれぞれの温度Ｔ１，Ｔ２（＞Ｔ１）のマップが予め設定されている。信号処理部２１は、励起光モニター部２０がモニターした励起光状態に対応して温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１）の信号を出力する。

なお、信号処理部２１には、例えば、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）などの信号処理システムを用いることができるが、励起光モニター部２０がモニターした励起光状態に対して一意に決まる温度Ｔ１，Ｔ２を出力できるものであればどのような構成でも良い。

ここで、図１１に、従来技術の導波路における励起時のコア層２内温度分布計算結果例を示す。図１１に示した、従来技術における励起時のコア層２内温度分布計算例は、コア層２にＮｄ：ＹＶＯ_４(Ｎｄは１．０ａｔ％)として熱伝導率１１．２[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ４０[μｍ]、下部クラッド３にＴａ_２Ｏ_５として熱伝導率０．１５[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ０．７[μｍ]、ヒートシンク２６にＳｉとして熱伝導率１４８[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ５００[μｍ]、上部クラッド２２にＳｉＯ_２として熱伝導率１．１８[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ０．７[μｍ]、基板２３にＹＶＯ４として熱伝導率１１．５[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ５００[μｍ]、導波路内温度分布調整部２５を一様物質とし、冷却温度１５℃とした場合の、励起光１０として発光波長８０８．５[ｎｍ]、ビーム半径（１／ｅ^２）１００×１２μｍ^２をコア層２の中心部に入射した場合の計算結果である。

図１２に、実施の形態４の実施例として、導波路の構成および入射する励起光状態は、従来技術における温度分布計算時と同様とし、調整手段２５ａの範囲をｘ方向中心から±５００μｍ、設定温度Ｔ１を０℃、調整手段２５ｂの範囲を調整手段２５ａ以外の全域とし、設定温度Ｔ２を４０℃とした場合の、コア層２内のｘ方向の温度分布計算結果を示す。

この図１２によれば、図１１の従来技術の導波路に比べて、励起時のコア層内温度分布を軽減し、熱レンズ効果を抑制できていることがわかる。

また、各励起光状態（パワーなど）に応じて、調整手段２５ａ，２５ｂの設定温度Ｔ１，Ｔ２を変化させることによって、上記のコア層２内温度分布を一定あるいは変動の小さい状態に保つことにより、励起光状態が変化した場合でも、熱レンズ効果の変動を小さく抑えることができる。従って、出力光パワーの変動およびビーム品質の変動の少ない光増幅器および光発振器を得ることができる。

実施の形態５．
次に、この実施の形態５に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器を用いた光増幅器において、励起光パワー変化時の熱レンズ効果変動の制御について、図面を参照しながら説明する。

図１３と図１４は、この発明の実施の形態５に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成を示す図であり、図１３は側面図であり、図１４は図１３のａ−ａ’断面を励起光入力手段１側から見た断面図である。

導波路を構成するコア層２、下部クラッド３、導波路内温度分布調整部２５およびヒートシンク２６については、上記の実施の形態４に係る平面導波路型レーザ装置と同様なので、重複する説明を省略する。

実施の形態５に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器は、第１および第２の温度モニター部２４ａ，２４ｂ（以下、総称として「温度モニター部２４」ともいう。）と信号処理部２１とを用いて、調整手段２５ａ，２５ｂに出力する温度Ｔ１，Ｔ２を決定する。

図１１に示すように、従来技術のような各層の厚みが一定な導波路では、励起光照射位置８の近傍と励起光照射位置８から離れた位置では、コア層２内に温度分布が発生する。

温度モニター部２４ａは、コア層２上部のｘ方向に関して中心付近、また、ｚ方向に関して、励起光１０の入射側端面付近に接触されており、励起時のコア層２内の温度上昇の著しい部分の温度をモニターする。

温度モニター部２４ｂは、コア層２上部のｘ方向に関して端付近、また、ｚ方向に関して、励起光１０の入射側端面付近に接触されており、励起時のコア層２内の温度上昇の少ない部分の温度をモニターする。

コア層２の温度分布は、ｘ方向中心および励起光１０の入射側端面で最大となるため、温度モニター部２４ａの接触位置もその位置が望ましいが、ｘ方向中心から外れた位置、および励起光１０の入射側端面からｚ軸方向に奥まった位置でも、温度分布のモニターは可能である。同様に、温度モニター部２４ｂの励起光１０の入射側端面からｚ方向にずれても温度モニターは可能である。

実施の形態５の信号処理部２１は、温度モニター部２４ａと温度モニター部２４ｂとからのモニター値を読み取り、その差が減少するように、極端にいえば、０となるように、調整手段２５ａ，２５ｂにそれぞれ温度Ｔ１，Ｔ２（＞Ｔ１）の信号を与える。

この結果、各励起光状態（パワーなど）に応じて、時々刻々と調整手段２５ａ，２５ｂの設定温度Ｔ１，Ｔ２を変化させることが可能となり、励起光状態が変化した場合でも、熱レンズ効果の変動を小さく抑えることができる。他の信号処理部２１の構成は、実施の形態４と同様である。

なお、導波路は、必要に応じて、コア層２の上部にも、多層構造の物質が接合されていても良い。

図１５と図１６は、この発明の実施の形態５に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器の構成の一例として、導波路に上部クラッド２２、および基板２３が接合されている場合の構成を示す図であり、図１５は側面図であり、図１６は図１５のａ−ａ’断面を励起光入力手段１側から見た断面である。なお、上部クラッド２２、および基板２３が接合されている場合の導波路の構成は、実施の形態４に係る平面導波路型レーザ装置の光増幅器と同様なので、重複する説明を省略する。

コア層２の上部に、上部クラッド２２および基板２３が存在する場合においても、励起光１０の入射時のコア層２内温度分布を推定することができる。

多層構造物質の内層に、励起光吸収による発熱がある場合の、物質上端面（図１４の基板２３の上面に対応）と発熱の存在する層（図１４のコア層２の中心に対応）の温度分布の関係を以下に示す。

ポアソン方程式の解、つまり各層の温度をＴ_ｉ（ｘ，ｙ）とすると、Ｔ_ｉ（ｘ，ｙ）は、次の式（６）のフーリエ級数展開で表せ、β_ｉ，ｎおよびγ_ｉ，ｎを、境界条件を満足するように求めれば温度分布が得られる。

ただし、この式（６）におけるｋ_ｎ＝２πｎ／Ｂであり、ｎは整数である。
なお、導波路のｘ方向の対称性より、ｓｉｎ（ｋ_ｎ・ｘ）項は発生しない。

コア層２内の励起光１０の入射中心よりも下側の半分を第１層とし、下側に向かって順に下部クラッド３を第３層とし、ヒートシンク２６を第５層として、奇数層に定義すると、ヒートシンク２６層は、第（２ｂ−１）層と表すことができる。

コア層２内の励起光１０の入射中心よりも上側の半分を第２層とし、上側に向かって順に上部クラッドを第４層とし、基板２３を第６層として、偶数層に定義すると、基板２３層は、第２ａ層と表すことができる。

導波路外周面のうち、導波路内温度分布調整部２５に接する面以外は、空気と接しているため、導波路内温度分布調整部２５による排熱に比べて、断熱面と近似することができる。

導波路と空気との間の面を断熱面と近似すると、境界条件は次の式（７），（８）となる。

ただし、Ｂは導波路のｘ方向の幅である。

また、導波路内温度分布調整部２５による放熱が理想的であると仮定すれば、ヒートシンク２６下部の、導波路内温度分布調整部２５に接する面での境界条件は、次の式（９）となる。

式（７）〜（９）の各境界条件の温度Ｔに、式（６）のフーリエ級数展開を代入し、励起光１０を入射するコア層２内での温度分布の連続性を用いて、係数γに対して次の式（１０）〜（１３）の関係が得られる。

ただし、λ_ｉはｉ番目の層の熱伝導率[Ｗ／ｍ・Ｋ]を示し、ｔ_ｉはｉ番目の層の厚み[ｍ]を示す。

また、これと同様に、式（６）の係数βに対して、次の式（１４）〜（１８）の関係が得られる。

ただし、Ａ[ｍ]は、励起光照射位置（励起光入射領域）８のｘ方向の幅を表し、Ｂ[ｍ]は、導波路のｘ方向の幅を表し、Ｊは、コア層２内の中心の発熱のｘｚ平面方向の熱流束[Ｗ／ｍ^２]を表す。

以上、式（１０）〜式（１８）から、ある層の温度分布がわかれば、導波路内層の温度分布が逐次的に計算できることがわかる。

図１７に示した、従来技術における励起時のコア層２内温度分布とモニターする基板２３上面の温度分布との計算例は、上記の計算方法において、コア層２にＮｄ：ＹＶＯ_４(Ｎｄは１．０ａｔ％)として熱伝導率１１．２[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ４０[μｍ]、下部クラッド３にＴａ_２Ｏ_５として熱伝導率０．１５[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ０．７[μｍ]、ヒートシンク２６にＳｉとして熱伝導率１４８[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ４５０[μｍ]、上部クラッド２２にＳｉＯ_２として熱伝導率１．１８[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ０．７[μｍ]、基板２３にＹＶＯ４として熱伝導率１１．５[Ｗ／ｍ・Ｋ]および厚さ５００[μｍ]、導波路内温度分布調整部２５を一様物質とし、冷却温度１５℃とした場合の、励起光１０として発光波長８０８．５[ｎｍ]、ビーム半径（１／ｅ^２）１００×１２μｍ^２をコア層２の中心部に入射した場合の計算結果である。

図１７によれば、基板２３上面での温度分布は、コア層２内の温度分布に比べ、分布は緩和されているものの、ｘ方向中心付近とｘ方向端付近とで温度分布が発生していることが分かる。

温度モニター部２４ａは、ｘ方向中心付近の温度（図１７の（ア））を読み取り、温度モニター部２４ｂは、ｘ方向端付近の温度（図１７の（イ））を読み取る。両者の温度差が減少するような、あるいは０となるような、調整手段２５ａ，２５ｂのそれぞれの温度Ｔ１，Ｔ２の信号が、信号処理部２１から出力される。

図１８に、コア層２の上部に上部クラッド２２および基板２３が存在する場合における、実施の形態５の計算結果の一例を示す。図１８の計算結果は、調整手段２５ａの範囲を、ｘ方向中心から±５００μｍとし、調整手段２５ａに与える温度Ｔ１として０℃とし、調整手段２５ｂの範囲を調整手段２５ａ以外の全域とし、調整手段２５ｂに与える温度Ｔ２として４０℃とした場合の計算結果である。

この図１８によれば、基板２３の上面での、ｘ方向中心付近とｘ方向端付近での温度差が減少すると共に、コア層２内の、ｘ方向中心付近とｘ方向端付近での温度差も減少していることがわかる。

励起光１０のパワーが変化した場合、基板２３の上面でのｘ方向中心付近とｘ方向端付近での温度差を０、あるいは一定に保つように信号処理部２１から出力される温度Ｔ１，Ｔ２を操作することによって、各励起光状態において、一定の熱レンズ効果、あるいは変動を抑えた熱レンズ効果を得ることができる。従って、出力光パワーの変動およびビーム品質の変動の少ない光増幅器および光発振器を得ることができる。

なお、実施の形態４，５では、導波路内温度分布調整部２５が、ｘ方向中心付近での調整手段２５ａ、およびそれ以外の領域での調整手段２５ｂの、２種類３層構造の場合を示したが、この層構造はさらに多層構造（２種類以上・３層以上の層構造）となっても良い。すなわち、導波路のｘ方向の中心付近から調整手段２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，・・・とし、それぞれに与える設定温度をＴ１，Ｔ２（＞Ｔ１），Ｔ３（＞Ｔ２），・・・と設定することができる。

この場合、層構造を多層（層数がｉ）にし、各調整手段２５ｉの幅を小さくすることで、より詳細で、かつ局所的な温度操作が可能であり、励起光１０のビーム径が変化した場合においても、一定の熱レンズ効果、あるいは変動を抑えた熱レンズ効果を得ることができる。

なお、実施の形態１〜３では、下部クラッド３の下面に接合された、ｘ方向に異なる熱抵抗値の物質で層構造をなす導波路内温度調整部４を用いた構成について説明した。また、実施の形態４，５では、各励起光パワーに応じてｘ方向中心付近とｘ方向端付近で異なる温度設定可能な調整手段２５ａ，２５ｂを有する導波路内温度分布調整部２５を用いた構成について説明した。しかしながら、これらの例に限定するものではなく、実施の形態１〜３の導波路内温度調整部４と、実施の形態４，５の導波路内温度分布調整部２５とを併せて用いることもできる。

１ 励起光入力手段、２ コア層、３ クラッド，下部クラッド、４ 導波路内温度調整部、５ 冷却装置、６ 信号光入力手段、７ 励起光の光軸、８ 励起光照射位置、１０ 励起光、１１ 信号光、２０ 励起光モニター部、２１ 信号処理部、２２ 上部クラッド、２３ 基板、２４ 温度モニター部、２４ａ，２４ｂ 第１および第２の温度モニター部、２５ 導波路内温度分布調整部、２５ａ，２５ｂ 調整手段、２６ ヒートシンク。

Claims (5)

1. 平板状をなし、励起光の光軸に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有するコア層と、
   前記コア層の一面に接合されたクラッドと、
   前記クラッドの一面側に接合剤を介して接合され、励起光の光軸に垂直な断面の幅方向の励起光照射位置遠方で励起光照射位置に比べて大きい熱抵抗を有する導波路内温度調整部と、
   前記導波路内温度調整部の前記幅方向の熱抵抗の変化により前記コア層内の温度分布が小さくなるよう前記コア層内で発生した熱を前記クラッドと前記導波路内温度調整部を介して排熱する冷却装置と
   を備えることを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
2. 請求項１に記載の平面導波路型レーザ装置において、
   前記導波路内温度調整部は、励起光照射位置から遠方になるにつれて、熱伝導率が徐々に低い材料となるように材料を並べ、光軸に垂直な断面の幅方向に対し多層構造を有することを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
3. 請求項１に記載の平面導波路型レーザ装置において、
   前記導波路内温度調整部は、励起光照射位置から遠方になるにつれて厚さを徐々に厚くすることで、異なる熱抵抗を持たせる
   ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
4. 平板状をなし、励起光の光軸に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有するコア層と、
   前記コア層の一面に接合されたクラッドと、
   前記クラッドの一面側に接合されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクの一面側に接するように励起光の光軸に垂直な断面の幅方向に並べられ、それぞれ異なる温度設定が可能であり、前記ヒートシンクとのそれぞれの接触部分の温度が、外部から入力された信号によって設定された温度となるように、前記ヒートシンクの熱を排熱する複数の調整手段を有する導波路内温度分布調整部と、
   励起光状態をモニターする励起光モニター部と、
   前記励起光モニター部からの信号に応じて、予め設定されたマップに従って、前記導波路内温度分布調整部の前記幅方向の温度設定の変化により前記コア層内の温度分布が小さくなるよう前記複数の調整手段のそれぞれに、異なる温度の信号を出力可能な信号処理部と
   を備えることを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
5. 平板状をなし、励起光の光軸に対し垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有するコア層と、
   前記コア層の一面に接合されたクラッドと、
   前記クラッドの一面側に接合されたヒートシンクと、
   前記ヒートシンクの一面側に接するように励起光の光軸に垂直な断面の幅方向に並べられ、それぞれ異なる温度設定が可能であり、前記ヒートシンクとのそれぞれの接触部分の温度が、外部から入力された信号によって設定された温度となるように、前記ヒートシンクの熱を排熱する複数の調整手段を有する導波路内温度分布調整部と、
   前記コア層の他面の導波路中心部の温度と前記コア層の他面の導波路端部の温度とをそれぞれモニターする第１および第２の温度モニター部と、
   前記第１および第２の温度モニター部を介して測定した前記コア層の他面の導波路中心部および導波路端部の温度差が０となるあるいは減少し、前記導波路内温度分布調整部の前記幅方向の温度設定の変化により前記コア層内の温度分布が小さくなるよう前記複数の調整手段のそれぞれに、異なる温度の信号を出力可能な信号処理部と
   を備えることを特徴とする平面導波路型レーザ装置。

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