JP6437169B2 - リッジ導波路型レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、リッジ導波路型レーザ装置に関するものである。

リッジ導波路型レーザ装置は、信号光の伝搬方向（進行方向）に伸長している薄い平板状のレーザ媒質からなるコアにおける一対の平板面である上面と下面に、レーザ媒質よりも屈折率が低いクラッドが接合されている構造を有している。更に、一方のクラッド、または一方のクラッド及びコアにリッジ構造を有している。
このリッジ導波路型レーザ増幅器のコアは、導波路としても機能するが、導波路が形成するモードフィールドが小さく、励起密度が高いため、誘導放出断面積が小さなレーザ媒質を用いている場合でも、大きな利得が得られる。
したがって、信号光の高効率な増幅と発振動作を実現することができる。

以下の特許文献に開示されている従来の導波路は、複屈折性の導波路層と、導波路層の上面および下面に設けられたクラッド層と、クラッド層の外側の面に設けられ、入射された光を減衰させる光損失手段とを備え、クラッド層は、導波路層の常屈折率（または異常屈折率）に対しては、屈折率が高く、異常屈折率（または常屈折率）に対しては、屈折率が低くなるように構成されており、導波路層に入射される光のＴＥ光およびＴＭ光のいずれか一方を導波し、他方を漏洩させ光損失手段によって減衰させることによって、ＴＥ光およびＴＭ光を分離する。これにより、加工が容易な構造において、偏光子として非常に良好な消光比を実現することができる。

ＷＯ２０１０／１３４１７８

このように、従来の導波路は、コアが複屈折材料であることが必須である。しかし、必要とされる波長や出力によっては、等方性のレーザ媒質を適用する必要があるが、従来の導波路では、等方性のレーザ媒質を用いて直線偏光が得られないという課題があった。

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、等方性媒質をコアに適用して所望の波長のレーザ光を出力でき、偏光消光比が高いリッジ導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。

本発明のリッジ導波路型レーザ装置は、基板と、基板に接合され、レーザ媒質を有し、基板より屈折率が高いコアと、コアに接合され、コアとともにリッジ導波路を構成し、コアの屈折率より常光屈折率及び異常光屈折率が低い複屈折材料から構成され、常光屈折率と異常光屈折率とが異なるクラッドとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、導波路において等方性媒質をコアに適用しても、信号光の偏光消光比を高める効果がある。

この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置の一構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置のｙ−ｚ平面図である。 この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置のｘ−ｙ平面図である。 この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置の光強度分布を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るリッジ導波路型レーザ装置の一構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係るリッジ導波路型レーザ装置のｙ−ｚ平面図である。 この発明の実施の形態３に係るリッジ導波路型レーザ装置の一構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係るリッジ導波路型レーザ装置のｙ−ｚ平面図である。 この発明の実施の形態３に係るリッジ導波路型レーザ装置のｘ−ｙ平面図である。 リッジ導波路型レーザ装置の端面研磨における面のダレを示す図である。 この発明の実施の形態４に係るリッジ導波路型レーザ装置の一構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４に係るリッジ導波路型レーザ装置のｙ−ｚ平面図である。

実施の形態１.
図１は、この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置の一構成例を示す斜視図である。図１において、Ｓは信号光を示し、Ｓ_ａｍｐは増幅された信号光を示し、ｃは結晶軸を示し、Ｅは励起光を示す。
図２は、この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置のｙ−ｚ平面図である。
図３は、この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置のｘ−ｙ平面図である。
図１から図３では、コア１の上面及び下面に平行な面内において上面及び下面における直交する２つの辺に平行な方向をそれぞれｘ軸とｚ軸とし、ｘ軸とｚ軸の両方に垂直な方向をｙ軸としている。また、ｚ軸方向を励起光Ｅの光軸としている。クラッド３のｃ軸は、ｘ−ｚ平面に垂直な方向である。

本リッジ導波路型レーザ装置は、コア１、基板２、クラッド３、光損失付与部４ａ及び４ｂを備える。

コア１は、リッジ構造部を有し、等方性のレーザ媒質を有する平板状のコアである。リッジ構造部とは、凸形状（ハンプ）における突出部分である。例えば、コア１には、Ｅｒ：Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｌａｓｓ、Ｅｒ、Ｙｂ：Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ，Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、または、Ｐｒ：ＹＡＧなどが用いられる。

基板２は、コア１よりも低い屈折率を有する材料で構成されており、コア１の平面側である下面に接合される基板である。例えば、基板２には、活性イオンが添加されていない無添加ｇｌａｓｓ、無添加ＹＡＧ、クラッド３と同じ材料などが用いられる。なお、基板２は、下部クラッドとも呼ばれる。

クラッド３は、コア１内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸に直交する２つの偏光方向で屈折率が異なる複屈折材料で構成されるクラッドである。クラッド３は、コア１の平板面である上面に接合されている。例えば、クラッド３には、水晶、ＫＴＰなどが用いられる。

光損失付与部４ａ及び４ｂは、リッジ構造部の側面に設けられており、レーザ光に損失を与える光損失付与部である。例えば、光損失付与部４ａ及び４ｂは、コア１のリッジ構造部の側面を粗し面とすることで形成する。粗し面とは、表面粗さＲａ＝４ｎｍ以上の面である。また、光損失付与部４ａ及び４ｂは、リッジ構造部の側面にレーザ光を吸収する膜を付加することで形成しても良い。

なお、リッジ構造部は、コア１を凸形状（ハンプ）にすることで形成しても良いし、後述するように平板のコア１の一部にクラッド３を接合し、コア１及びクラッド３で凸形状の構造を形成して、構成しても良い。

ここで、コア１とクラッド３との屈折率関係について説明する。
コア１の屈折率をｎ_ｃとし、クラッド３のｃ軸方向の異常光屈折率をｎ_ｅとし、c軸に垂直な方向の常光屈折率をｎ_ｏとすると、ｎ_ｃは、下記の式（１）または（２）を満足する。

式（１）または式（２）に加えて、コア１の屈折率ｎ_ｃは、基板２の屈折率ｎ_ｓとの関係で、下記の式を満足する材料で構成されている。

以下、式（１）の関係を満足するコア１及びクラッド３の具体的な材料の組み合わせを例示する。ただし、具体的な材料の組み合わせは一例に過ぎず、式（１）の関係を満足する材料であれば、他の組み合わせであっても良い。
組合せ１
コア１ → Ｅｒ：Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｌａｓｓ、
Ｅｒ，Ｙｂ：Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｌａｓｓ、
Ｙｂ：Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｌａｓｓ、
クラッド３ → 水晶

組合せ２
コア１ → Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ、
Ｅｒ，Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＡＧ、
Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、または、Ｐｒ：ＹＡＧ
クラッド３ → ＫＴＰ

ここでは、コア１の材料がＥｒ：Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｌａｓｓであり、クラッド３の材料が水晶である場合を例に説明する。この場合、コア１は、波長１５３５ｎｍにおいて、１．５１５〜１．５４１の屈折率ｎ_ｃを有するが、ここでは、屈折率１．５４１とする。
また、クラッド３は、波長１５３５ｎｍにおいて、異常光線（ｃ軸）での屈折率ｎ_ｅが約１．５３６、常光線での屈折率ｎ_ｏが約１．５２８である。

次に、この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置の動作について説明する。

平板状のコア１は、レーザ媒質で構成されているため、端面から励起光Ｅが入射されると、その励起光Ｅを吸収することで反転分布状態を形成する。また、コア１は、反転分布状態を形成することで利得を発生する。
コア１は、反転分布状態を形成しているときに、レーザ光である信号光Ｓが入射されると、その利得によって信号光を増幅する。ここでは、入射される信号光をｘ偏光として説明するが、ｙ偏光であっても良い。

コア１にｘ偏光が入射されても、導波路の製作過程や、ヒートシンクに接着する際に、リッジ導波路の内部で応力が発生して、リッジ導波路の内部で予期せぬ屈折率分布が発生し、入射した信号光Ｓの偏光が保持されなくなる。この場合、コア１内でｙ偏光の成分が発生する。

図４は、この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置の光強度分布を示す図である。なお、図４中の両矢印は、偏光方向を示している。
上記で示した材料の場合、ｘ偏光及びｙ偏光に対するコア１の屈折率は、１．５４１であり、ｘ偏光に対するクラッド３の屈折率は、１．５２８であり、ｙ偏光に対するクラッド３の屈折率は、１．５３６であるので、ｘ偏光よりｙ偏光の方がコア１とクラッド３との屈折率差が小さい。
したがって、コアとクラッドの屈折率差が小さいｙ偏光の方が、クラッド３側へのパワーの分布が、ｘ偏光に比べて大きくなる。したがって、ｙ軸方向のパワー分布は、ｘ偏光とｙ偏光とで差が発生する。
コア１のリッジ構造部の厚さが１０μｍ、コア１のリッジ構造部以外の部分の厚さ（平坦部の厚さ）が８μｍ、リッジ構造部のリッジ幅が約４０μｍの場合、図４に示すように、全体のパワーに対するリッジ構造部のパワーは、ｙ偏光で２４％、ｘ偏光で１３％になる。

このように、クラッド３のｃ軸が、ｘ−ｚ平面に垂直な方向であり、コア１とクラッド３との屈折率関係が式（１）を満足することで、リッジ導波路型レーザ装置は、リッジ構造部においてｘ偏光の光強度分布とｙ偏光の光強度分布とに差を生じさせることができる。

光損失付与部４ａ及び４ｂは、リッジ構造部の側面に設けられているので、光損失付与部４ａ及び４ｂが与える損失は、ｘ偏光とｙ偏光とで異なる。今回の例では、ｙ偏光の方がリッジ構造部のパワーが大きいので、ｙ偏光に対する損失は大きくなる。

なお、光損失付与部４ａ及び４ｂがなくても、界面（側面）で全く損失が無いということはないので、損失は生じる。損失が生じると、光損失付与部４ａ及び４ｂがある場合と同様に、ｙ偏光の方がリッジ構造部のパワーが大きいので、ｙ偏光に対する損失は大きくなる。また、仮に損失が生じないとしても、ｘ偏光の方がクラッド３における光の割合が小さいため、言い換えればｘ偏光の方が利得を与えるコア１との空間的なオーバーラップが高いため、コア１に蓄えられたエネルギーの抜き出しに寄与する光の割合がｙ偏光に比べてｘ偏光の方が高くなるので、ｙ偏光に比べてｘ偏光の方が高い利得を得られ、偏光消光比を高められる。

したがって、ｘ偏光成分に比べて、損失が大きいｙ偏光成分は増幅されにくくなるので、偏光消光比を高めることができる。

次に、この発明の実施の形態１に係るリッジ導波路型レーザ装置の製造方法について説明する。

まず、レーザ媒質が平板状のコア１となるように切断した後、一対の平板面（ｚｘ面）である上面及び下面のうち、一方のｚｘ面を研磨する。

次に、研磨したコア１のｚｘ面に対して、式（３）を満足する材料で構成されている基板２を接合する。コア１のｚｘ面に対する基板２の接合は、オプティカルコンタクト、表面活性化接合、拡散接合などの方法で直接接合する。あるいは、コア１と基板２との熱膨張差を緩和させるようなバッファ層を挟んで接合する。

次に、コア１のｚｘ面のうち、未だ研磨していない方のｚｘ面（上面）を研磨することで、コア１の厚さを所定の厚さに調整する。

次に、基板２を接合していないコア１のｚｘ面（上面）に対して、クラッド３を接合する。ただし、コア１のｚｘ面（上面）に接合するクラッド３は、ｃ軸が図１〜３に示すような方向になっているクラッドである。

次に、リッジ構造部の作製は、レジストをパターニング後、エッチングすることにより作製する。このとき、光損失付与部４ａ及び４ｂに相当するリッジ構造部の側面は、条件出しが不十分であると、一般的には荒れる傾向がある。この場合、リッジ構造部の側面は粗し面となり、リッジ構造部における光を散乱させ、損失を与える。このように、一般的には、リッジ構造部の側面は、光に損失を与える光損失付与部４ａ及び４ｂとなる。

なお、リッジ導波路型レーザ増幅器に励起光を供給する具体的な光源は、半導体レーザ、ファイバレーザ、その他固体レーザなどが挙げられる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、コア１内での信号光の伝搬方向である光軸に直交する２つの偏光方向で屈折率が異なり、２つの偏光の屈折率がコア１の屈折率より低い複屈折材料でクラッド３を構成し、リッジ構造部において２つの偏光の光強度分布に差が生じるようにしたので、コア１に等方性のレーザ媒質を用いても信号光の偏光消光比を高める効果を奏する。

実施の形態２.
実施の形態１では、レーザ増幅器の例を示したが、実施の形態２では、レーザ発振器の例を示す。
図５は、この発明の実施の形態２に係るリッジ導波路型レーザ装置を示す斜視図である。
図６は、この発明の実施の形態２に係るリッジ導波路型レーザ装置におけるｙ−ｚ平面図である。
なお、図５及び図６中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。図５において、Ｓ_oscは発振した信号光を示す。

コーティング５（反射膜の一例）は、励起光入力端面に成膜されており、信号光に対して高反射率を有し、励起光に対して低反射率を有するコーティングである。例えば、コーティング５は、誘電体多層膜が用いられる。

コーティング６（部分反射膜の一例）は、励起光入力端面と対向する端面に成膜されており、信号光の一部を反射する特性を有し、励起光に対して高反射率を有するコーティングである。コーティング６は、コア１及びコーティング５とともに共振器を構成する。例えば、コーティング６は、誘電体多層膜が用いられる。

次に、この発明の実施の形態２に係るリッジ導波路型レーザ装置の動作について説明する。
励起光Ｅが、コア１に入射され、コア１内部で信号光が発生する。コア１内部で発生した信号光は、コーティング５及びコーティング６で反射され、下記の式の発振条件を満足するとレーザ発振する。そして、発振光Ｓ_ｏｓｃがコーティング６から出力される。

ここで、ｇ_０はコア１で発生する小信号利得係数、α_ｓは共振器内部損失である。共振器内部損失とは、コーティング５と６との間におけるリッジ導波路で発生する散乱による損失、吸収による損失、コーティング５がコートされているリッジ導波路の端面における結合損失、及びコーティング６がコートされているリッジ導波路の端面における結合損失などの損失の総和である。Ｌはリッジ導波路の長さ、Ｔはコーティング６の発振光の透過率である。

内部で生じる信号光においてｘ偏光とｙ偏光の強度分布は、実施の形態１の場合と同様であり、全体のパワーに対するリッジ構造部のパワーは、ｘ偏光とｙ偏光とで差が生じる。
そして、ｘ偏光とｙ偏光とに対して光損失付与部４ａ及びｂが与える損失は異なるので、上式のα_ｓは、偏光方向によって値が異なる。このため、損失が小さい偏光に対して発振し、もう一方の偏光の発振を抑制できる。

以上で明らかなように、この発明の実施の形態２によれば、コア１内での信号光の伝搬方向である光軸に直交する２つの偏光方向で屈折率が異なり、コア１の屈折率より低い複屈折材料でクラッド３を構成し、２つの偏光の光強度分布に差を与え、一方の偏光に対して損失が大きくなるように構成したので、直線偏光の発振光Ｓ_ｏｓｃを出力することができる。

実施の形態３.
実施の形態１では、光損失付与部４ａ及び４ｂがリッジ構造部の側面に構成され、２つの偏光に損失差を与える例を示したが、実施の形態３では、クラッド３の常光線屈折率と異常光線屈折率の間の屈折率を有する光学材料７で、リッジ構造部周囲を埋め尽くすことで、２つの偏光に損失差を与える例を示す。

図７は、この発明の実施の形態３に係るリッジ導波路型レーザ装置を示す斜視図である。
図８は、この発明の実施の形態３に係るリッジ導波路型レーザ装置におけるｙ−ｚ平面図である。
図９は、この発明の実施の形態３に係るリッジ導波路型レーザ装置におけるｘ−ｙ平面図である。
なお、図７、図８、及び図９中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。

光学材料７は、屈折率をｎ_ａとしたときに、下記の条件を満たす光学材料である。光学材料７は、コア１におけるリッジ導波路の平坦部に接合される。平坦部とは、リッジ導波路における突出部でない部分である（図９参照）。例えば、光学材料７は、誘電体膜、光学的に使用可能な接着剤などが用いられる。

または

基板８は、リッジ導波路の端面研磨時の面ダレを防ぐための補強基板である。例えば、基板８は、基板２と同じ材料、ガラス、セラミック、結晶などが用いられる。

次に、この発明の実施の形態３に係るリッジ導波路型レーザ装置の動作について説明する。

図９に示すように、ｘ偏光及びｙ偏光に対するリッジ導波路におけるリッジ構造部の等価屈折率をそれぞれｎ_ｃ２ｘ、ｎ_ｃ２ｙとし、ｘ偏光及びｙ偏光に対するリッジ導波路における平坦部の等価屈折率をそれぞれｎ_ｃ１ｘ、ｎ_ｃ１ｙとする。

式（５）の条件では、ｎ_ａ＜ｎ_ｃであるので、リッジ構造部と平坦部との等価屈折率関係は、下記のようになる。

式（７）に示すように、ｙ偏光に対して平坦部の等価屈折率がリッジ構造部の等価屈折率より低いので、ｙ偏光は、導波モードとなり、光がリッジ構造部に閉じ込められる。
一方、式(８)に示すように、ｘ偏光に対して平坦部の等価屈折率がリッジ構造部の等価屈折率より高いので、ｘ偏光は、放射モードとなり、光は閉じ込められない。

なお、式（６）の条件では、リッジ構造部と平坦部との等価屈折率関係は、下記のようになる。

この場合、ｘ偏光が導波モードとなり、ｙ偏光が放射モードとなる。

このように、式（７）及び式（８）、または式（９）及び式（１０）の条件下では、ｘ偏光またはｙ偏光のいずれか一方の偏光に対して、ｘ軸方向の閉じ込めができなくなるので、ｘ偏光とｙ偏光とで伝搬損失に差が生じる。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、クラッド３の常光線屈折率と異常光線屈折率との間の屈折率を有する光学材料７をリッジ導波路の平坦部に接合することで、偏光に対してリッジ構造部の等価屈折率と平坦部の等価屈折率との関係を変化させ、一方の偏光に対してｘ軸方向の閉じ込めが出来なくなるようにしたので、直線偏光の信号光を出力することができる。

なお、実施の形態３では、コア１の形状は平板であるが、実施の形態１と同様に凸形状にしても良い。

図７から図９において基板８を示しているが、基板８は必須ではない。ただし、基板８を有することで、以下に示すように、端面研磨におけるコア１の端面のダレを防ぐことができる。
図１０は、リッジ導波路型レーザ装置の端面研磨における面のダレを示す図である。基板８がない場合、端面の端の部分と中央の部分において研磨時に発生する熱的な条件が異なることなどにより、端面のダレが生じる。端面のダレが発生すると光損失が発生する。

実施の形態４.
実施の形態３では、クラッド３の常光線屈折率と異常光線屈折率との間の屈折率を有する光学材料７をリッジ導波路の平坦部に接合することで、ｘ偏光とｙ偏光とに損失差を与える増幅器の例を示したが、実施の形態４では、その場合の発振器の例を説明する。

図１１は、この発明の実施の形態４に係るリッジ導波路型レーザ装置を示す斜視図である。
図１２は、この発明の実施の形態４に係るリッジ導波路型レーザ装置におけるｙ−ｚ平面図である。
なお、図１１及び図１２中、図７と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。図１１において、Ｓ_oscは発振した信号光を示す。

次に、この発明の実施の形態４に係るリッジ導波路型レーザ装置の動作について説明する。
励起光Ｅが、コア１に入射され、コア１内部で信号光が発生する。コア１内部で発生した信号光は、コーティング５及びコーティング６で反射され、式（４）の発振条件を満足するとレーザ発振する。そして、発振光Ｓ_ｏｓｃがコーティング６から出力される。

このとき、リッジ導波路の平坦部に接合された光学材料７はクラッド３の常光線屈折率と異常光線屈折率との間の屈折率を有するので、実施の形態３と同様に、ｘ偏光またはｙ偏光のいずれか一方に対してｘ軸方向の閉じ込めができなくなり、ｘ偏光とｙ偏光とで伝搬損失に差が生じる。

したがって、伝搬損失が大きい方の偏光が放射モードとなり、伝搬損失が小さい方の偏光が導波モードとなる。導波モードの偏光はコーティング５及びコーティング６で反射され、レーザ発振し、コーティング６から出力される。

以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、クラッド３の常光線屈折率と異常光線屈折率との間の屈折率を有する光学材料７をリッジ導波路の平坦部に接合することで、ｘ偏光とｙ偏光とで伝搬損失に差を生じさせ、伝搬損失の小さい偏光を発振させるので、直線偏光の発振光Ｓ_ｏｓｃを出力することができる。

なお、上記実施の形態１乃至４において、クラッド３が一軸結晶の例を示したが、二軸結晶でもよい。

１ コア、２ 基板、３ クラッド、４ａ ４ｂ 光損失付与部、５ コーティング、６ コーティング、７ 光学材料、８ 基板。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板に接合され、レーザ媒質を有し、前記基板より屈折率が高いコアと、
   前記コアに接合され、前記コアとともにリッジ導波路を構成し、前記コアの屈折率より常光屈折率及び異常光屈折率が低い複屈折材料から構成され、前記常光屈折率と前記異常光屈折率とが異なるクラッドと、
   を備えたことを特徴とするリッジ導波路型レーザ装置。
2. 前記コアはリッジ構造部を有し、
   光に損失を与える光損失付与部を前記リッジ構造部の側面に設けたことを特徴とする請求項１に記載のリッジ導波路型レーザ装置。
3. 前記光損失付与部は、粗し面であることを特徴とする請求項２に記載のリッジ導波路型レーザ装置。
4. 前記常光屈折率と前記異常光屈折率との間の屈折率を有し、前記リッジ導波路の平坦部に接合された光学材料と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のリッジ導波路型レーザ装置。
5. 前記コアに接合され、前記コアに入射される励起光を透過させ、前記コア内で生じた信号光を反射する反射膜と、
   前記反射膜と対向し、前記コアに接合され、前記励起光を反射させ、前記信号光の一部を反射させる部分反射膜と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のリッジ導波路型レーザ装置。

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