JP6447342B2 - 平面導波路、レーザ増幅器及びレーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、平面導波路、レーザ増幅器及びレーザ発振器に関するものである。

平面導波路型レーザは、レーザ光の進行方向に伸長した薄い平板状のレーザ媒質の上下両面を、レーザ媒質よりも屈折率の低いクラッドで挟み込んだ構造を有し、レーザ媒質を導波路としても機能させる構造を有する。この平面導波路型レーザは、導波路厚さが薄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た場合でも大きな利得が得られ、高効率な増幅および発振動作が実現可能である。

従来技術の例として、特許文献１の平面導波路型レーザ装置が知られている。従来の平面導波路型レーザ装置は、複屈折を有する平板状のレーザ媒質と、レーザ媒質の厚さ方向に垂直な面の少なくとも一方の面に接合されるクラッドと、によって導波路を形成するとともに、レーザ媒質に入射される励起光によって発生した利得でレーザ光を増幅し、レーザ発振を行う平面導波路型レーザ装置であって、レーザ媒質は、レーザ光の進行方向である光軸に垂直な断面内に光学軸を有する複屈折材料からなる。

クラッドは、ｘ偏光及びｙ偏光に対して異なる屈折率を有する等方性媒質である。ここで、ｘ偏光は、電界がｘ軸方向に振動する光であり、ｙ偏光は、電界がｙ軸方向に振動する光である。クラッドのｘ偏光に対する屈折率は、レーザ媒質のｘ偏光に対する屈折率より小さい。また、クラッドのｙ偏光に対する屈折率は、レーザ媒質のｙ偏光に対する屈折率より大きい。このような材料をクラッドとして用いるようにしたので、ｘ偏光かｙ偏光のいずれかが、コアとクラッドとの境界面において全反射条件を満たさなくなり、全反射条件を満たすいずれか一方の偏光がコア内に閉じ込められ、いずれか一方の偏光に対してレーザ発振が可能となる。つまり、特許文献１の平面導波路型レーザ装置は、直線偏光出力を得ることができる。

国際公開番号 ＷＯ２００９/０１６７０３号

しかしながら、上記特許文献１による平面導波路型レーザ装置では、コアに用いられるレーザ媒質として、複屈折材料を適用することが必須である。等方性媒質と複屈折材料とでは、熱膨張係数が異なるため、コアとクラッドの接合が難しいという課題があった。このため、製造が難しく、コストを下げることが難しかった。

本発明は、上記のような問題点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も、直線偏光を出力できる平面導波路を得ることを目的とする。

本発明の平面導波路は、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光を含む光が入射され、光の電界に対して平行な応力に対する光弾性係数と光の電界に対して垂直な応力に対する光弾性係数とが異なる等方性のレーザ媒質を有し、入射された光に対し、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで異なる損失を与える損失部を有するコアと、コアの上面及び下面に接合され、コアより屈折率の低い媒質からなるクラッドと、コアに位置に依存しない一様な熱を与える発熱源と、光の光軸に対して対称に設けられ、光軸と垂直な方向からコアの側面部を冷却する冷却器とを備える。

本発明によれば、ｘ偏光とｙ偏光とに異なる損失を与えることができ、損失が大きい偏光の伝搬は抑制され、損失が小さい偏光が伝搬するので、コア１に等方性材料を用いても、直線偏光が得られるという効果がある。

実施の形態１に係る平面導波路の一構成例を示す図である。 実施の形態１に係る平面導波路のｙ−ｘ平面図である。 実施の形態１に係る平面導波路のｚ−ｘ平面図である。 コア１の温度分布を示す図である。 コア１の屈折率分布を示す図である。 固有モードのビーム幅と異なるビーム幅を持つ光のコア１内の伝搬形状を示す図である。 図６の断面Ａ−Ａにおける光強度を示す図である。 固有モードのビーム幅と同じビーム幅をもつｙ偏光、及び固有モードのビーム幅と異なるビーム幅をもつｘ偏光の伝搬形状を示す図である。 固有モードのビーム幅と同じビーム幅をもつｙ偏光、及び固有モードのビーム幅より小さいビーム幅をもつｘ偏光の伝搬形状を示す図である。 実施の形態１に係る平面導波路における、空隙４の他の構成例を示す図である。 実施の形態１に係る平面導波路において、空隙４をスリット形状としたときの構成例を示す図である。 図１１に示した平面導波路のｙ−ｘ平面図である。 図１１に示す平面導波路における光の伝搬形状を示す図である。 空隙４をスリット形状にしたときの他の構成例を示す図である。 実施の形態２に係るリッジ型平面導波路の一構成例を示す図である。 実施の形態２に係るリッジ型平面導波路の一構成例を示す図である。 実施の形態３に係るレーザ増幅器の一構成例を示す図である。 実施の形態３に係るレーザ増幅器のｚ−ｘ平面図である。 実施の形態３のレーザ増幅器の他の構成例を示す図である。 コア１の冷却方法の他の例を示す図である。 実施の形態４に係るレーザ発振器の一構成例を示す図である。

実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る平面導波路の一構成例を示す図である。
本平面導波路は、コア１（コアの一例）、クラッド２ａ（クラッドの一例）及び２ｂ（クラッドの一例）、ヒータ３（発熱源の一例）、空隙４（損失部の一例）、ファン５ａ（冷却器の一例）及び５ｂ（冷却器の一例）を備える。ここで、ａ、ｂは、同じ機能を有する構成要素に付与している。ａ、ｂを省略して数字を示す場合は、ａ及びｂの両方を示すものとする。

図１において、レーザ光の伝搬方向である光軸がｚ軸であり、コア１の側面方向がｘ軸であり、コア１の厚さ方向がｙ軸である。

コア１は、ｘ偏光（ＴＥ偏光の一例）及びｙ偏光（ＴＭ偏光の一例）を含む光が入射され、等方性のレーザ媒質を有する平板状のコアである。ここで、ＴＥ偏光とは、入射面に対して電界成分が垂直である光をいう。ＴＭ偏光とは入射面に対して電界成分が平行である光をいう。平面導波路における入射面は、ｙ−ｚ平面である。等方性のレーザ媒質とは、結晶構造が等方性であるレーザ媒質である。コア１のレーザ媒質において、信号光であるレーザ光が入射され、入射されたレーザ光の電界に対して平行な応力に対する光弾性係数とレーザ光の電界に対して垂直な応力に対する光弾性係数とが異なる。コア１のレーザ媒質としては、例えば、リン酸ガラス、ケイ酸ガラス、フッ化物ガラス、ＹＡＧ、ＹＧＡＧ、セラミックＹＡＧ、セラミックＬｕ２Ｏ３などが用いられる。

クラッド２ａは、コア１の上面に設けられた平板状のクラッドである。クラッド２ａは、等方性媒質であり、コア１の屈折率より小さい屈折率を持つ。クラッド２ｂとしては、例えば、リン酸ガラス、ケイ酸ガラス、フッ化物ガラス、ＹＡＧ、ＹＧＡＧ、セラミックＹＡＧ、セラミックＬｕ２Ｏ３、ＳｉＯ２膜、Ｔａ２Ｏ５膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＭｇＦ２膜などが用いられる。クラッド２ａとコア１間の屈折率差により、コア１の端面から入射された光は、クラッド２ａとコア１間の境界面で全反射し、光はコア１内に閉じ込められる。

クラッド２ｂは、コア１の下面に設けられた平板状のクラッドである。クラッド２ｂは、等方性媒質であり、コア１の屈折率より小さい屈折率を持つ。クラッド２ｂとしては、例えば、リン酸ガラス、ケイ酸ガラス、フッ化物ガラス、ＹＡＧ、ＹＧＡＧ、セラミックＹＡＧ、セラミックＬｕ２Ｏ３ＳｉＯ２膜、Ｔａ２Ｏ５膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＭｇＦ２膜などが用いられる。クラッド２ｂとコア１間の屈折率差により、コア１の端面から入射された光は、クラッド２ｂとコア１間の境界面で全反射し、光はコア１内に閉じ込められる。

ヒータ３は、コア１に熱を与えるヒータである。ヒータ３は、コア１に発熱量Ｑを与える。Ｑはコア１に与える単位体積当たりの熱量である。図１では、クラッド２ｂを介して熱を与えているが、クラッド２ａを介してコア１に熱を与えるようにしても良いし、クラッド２ａ及び２ｂの両方を介してコア１に熱を与えるようにしても良い。

空隙４は、コア１に設けられた空隙である。
図２は、実施の形態１に係る平面導波路のｙ−ｘ平面図である。
平面導波路の厚さ方向（ｙ軸方向）に対して、同じ方向に、空隙４は設けられている。空隙４には空気が存在する。空気とコア１とは屈折率が異なるため、コア１と空隙４との境界面において光は反射される。したがって、空隙４は、コア１内を伝搬する光に損失を与える。コア１と空隙４との境界面は、光学研磨されていない粗し面としても良い。伝搬する光は、その粗し面で乱反射するため、損失をより大きくできる。

また、ここでは、光を反射させる構成として、空隙４に空気が充填されている例を示したが、コア１と異なる屈折率を持てば、空気の代わりに、他の材料が空隙４に充填されても良い。例えば、空隙４に光を吸収する材料を充填して、損失を与えるようにしても良い。また、空隙４の代わりに、コア１において結晶格子の規則性を乱す格子欠陥部を設け、その部分で光を反射させるようにしても良い。

ファン５は、コア１の側面を冷却するファンである。ファン５の代わりに、ヒートシンクを用いて、コア１の側面から熱を逃がす構成にしても良い。

まず、コア１内で生じる熱レンズ効果について説明する。
図３は、実施の形態１に係る平面導波路のｚ−ｘ平面図である。図３において、点線の矢印は、ファン５により放熱される熱を示している。レーザ光７は、コア１に入射するレーザ光であり、ｘ偏光及びｙ偏光を含む。

ヒータ３は、クラッド２ｂを介してコア１に熱を与えている。ファン５は、コア１の側面を冷却している。これにより、コア１の温度分布は、中央部の温度が高く、側面部の温度が低い分布になる。

図４は、コア１の温度分布を示す図である。縦軸が温度を示し、横軸がｘ方向の位置を示す。コア１は、厚さが薄いため、ｙ軸方向には一様な温度分布を持つと仮定できる。つまり、ｙの位置が変わっても、コア１の温度分布は、図４と同じになる。コア１の側面をファン５が冷却しているため、中央部の温度が高く、側面部の温度が低い温度分布になる。コア１内の温度分布は、以下の式（１）から式（３）で表される。

ここで、Ｔ_ａは、コア１の平均温度、Ｔ_０は、コア１の側面の温度、ΔＴ（ｘ）は、Ｔ_ａとｘにおけるコア１の温度との温度差、ｘは、ｘ方向におけるコア１の中心からの距離、Ｋは、コア１の熱伝導率、ｄは、コア１のｘ方向の長さ、Ｑは、コア１に与えられる単位体積当たりの熱量である。

コア１に、位置に依存しない一様な熱量Ｑを与え、光軸６に対して対称に、コア１の側面を冷却した場合、式（１）から式（３）に示されるように、コア１の温度分布は、距離ｘに対して二乗分布になる。

その場合のコア１の屈折率分布は、式（４）から式（７）で表される。式（４）は、ｘ偏光に対する屈折率の式であり、式（５）は、ｙ偏光に対する屈折率の式である。式（６）は、熱応力σ_ｙｙの式である。式（７）は、式（６）で用いられる係数Ｍｓの式である。

ここで、屈折率ｎに対する添え字ｘは、ｘ偏光を示し、添え字のｙは、ｙ偏光を示す。ｄｎ／ｄＴは、温度変化に対する屈折率変化であり、σ_ｙｙは、ｙ軸に垂直なｘ−ｚ面におけるｙ方向の熱応力である。σ_ｚｚは、ｚ軸に垂直なｘ−ｙ面におけるｚ方向の熱応力である。νはポアソン比であり、Ｋは熱伝導係数であり、αは熱膨張係数であり、Ｅはヤング率である。コア１のレーザ媒質は、ｘ軸に垂直なｙ−ｚ面において温度分布が一定であるので、ｘ軸に垂直なｙ−ｚ面においてｘ方向の熱応力は生じず、σ_ｘｘ＝０である。一方で、σ_ｙｙ及びσ_ｚｚは、コア１の温度分布がｘ軸方向に依存しており、ｙ軸方向とｚ軸方向には温度依存性がなく、温度に対して対称であるため、σ_ｙｙ＝σ_ｚｚである。Ｂ_ｐｅｒは、偏光の電界方向に対して垂直方向の光弾性係数である。Ｂ_ｐａｒａは、偏光の電界方向に対して平行方向の光弾性係数である。ｘ偏光の場合、電界はｘ軸方向であるから、ｘ軸方向と垂直方向であるｙ軸及びｚ軸の光弾性係数は、Ｂ_ｐｅｒである。したがって、式（４）において、σ_ｙｙ及びσ_ｚｚの係数は、Ｂ_ｐｅｒである。ｙ偏光の場合、電界はｙ軸方向であるから、ｙ軸の光弾性係数は、Ｂ_ｐａｒａであり、ｙ軸と垂直であるｚ軸方向の光弾性係数は、Ｂ_ｐｅｒである。したがって、式（５）において、σ_ｙｙの係数は、Ｂ_ｐａｒａであり、σ_ｚｚの係数は、Ｂ_ｐｅｒである。

コア１のレーザ媒質において、Ｂ_ｐｅｒとＢ_ｐａｒａとが異なるため、式（４）と式（５）とでσ_ｙｙの係数が異なる。このため、コア１において、ｘ偏光に対する屈折率分布とｙ偏光に対する屈折率分布とは異なる。

コア１が、二乗温度分布を有する場合、式（４）から式（７）から分かるように、屈折率も距離ｘに対して二乗分布になる。この屈折率分布を、二乗屈折率分布という。

図５は、コア１の屈折率分布を示す図である。
実線はｘ偏光に対する屈折率分布であり、点線はｙ偏光に対する屈折率分布である。コア１において、ｘ偏光の屈折率分布と、ｙ偏光の屈折率分布とは異なることが分かる。これは、上記で述べたように、式（４）及び式（５）において、σ_ｙｙの係数が異なるためである。σ_ｙｙは、式（６）に示されるように、距離ｘに対して二乗の関数になっており、二乗屈折率を生じさせる。

ここでは、コア１の温度分布が二乗分布である場合を説明したが、ｘ偏光に対する屈折率分布とｙ偏光に対する屈折率分布とが異なれば、他の温度分布であっても良い。ただし、コア１が二乗屈折率分布を有する場合、コア１の光の伝搬は、レンズのみで構成された伝搬系と同等になり、コア１からレーザ光が出力される場所に適切なレンズを設置するだけで、容易に平行光にすることが可能である。上記のように、コア１が二乗屈折率分布を有する場合、コア１から出射される光の波面はレンズのみで構成された伝搬系と同等の波面になるため、適切なレンズで集光することにより、波面の曲率を無限大に（波面を平面に）出来るためファイバへ結合できるという利点がある。

次に、実施の形態１に係る平面導波路の動作について説明する。入射される光のビーム幅が固有モードと異なる場合と、固有モードと同じである場合とに分けて説明する。固有モードとは、ビーム幅が変化しない伝搬モードである。ビーム幅とは、ビームの強度分布がガウス分布に従うとしたときに、強度が中心値の１／ｅ^２となるビーム幅である。

レーザ光が固有モードと異なるビーム幅でコア１に入射した場合、コア１が持つ二乗屈折率分布により、入射された光は、コア１の中で集光を繰り返しながら伝搬する。入射される光は、ｘ偏光成分とｙ偏光成分の両方を有する。

ｘ、ｙの各偏光に対する集光位置Ｌ_ｊ（ｊ＝ｘ、ｙ）は、式（８）で表される。

ここで、ｎ_０は、コア１のｘ＝０の屈折率である。ｎ_ｊは、式（４）及び式（５）で与えられる。

式（８）により、入射される光がｘ偏光か、ｙ偏光かによって、集光位置が異なることがわかる。これは、ｘ偏光とｙ偏光とで屈折率分布が異なるためである。

図６は、固有モードのビーム幅と異なるビーム幅を持つ光のコア１内の伝搬形状を示す図である。図６において、８はｘ偏光の伝搬形状であり、９はｙ偏光の伝搬形状である。

図６に示すように、ｘ偏光は、周期的に集光を繰り返しながら伝搬する。コア１における二乗屈折率分布のため、位置ｘにより偏光の屈折率が異なり、コア中心部から離れた位置では屈折率が低く、コア中心部では屈折率が高い。このため、コア中心部から離れた位置に比べて、コア中心部では光が進みにくい。したがって、波面が収束する形となり、集光される。一方、集光されたレーザ光は回折による広がりによって、発散され、再び集光される。集光と発散を繰り返し、コア１内の光は伝搬する。

ｙ偏光とｘ偏光とで集光位置が異なるため、コア１内を伝搬する光は、ｘ偏光とｙ偏光とで異なる強度分布を持つ。そのため、位置によって、ｘ偏光の強度とｙ偏光の強度とは異なる。光の強度は光子数に比例する。ｘ偏光の強度とｙ偏光の強度とが異なる位置に、空隙４が設けられると、その位置において、強度の高い偏光は、空隙４により反射される光子数が多いので、その損失は大きくなる。一方で、強度が低い偏光は、空隙４により反射される光子数が少ないので、その損失は小さくなる。その結果、損失が大きい偏光は伝搬が抑制され、損失が小さい偏光が伝搬することになる。

空隙４は、周期的に設けても良い。周期的に空隙４を設けることにより、ｘ偏光とｙ偏光との消光比（ｘ偏光とｙ偏光の強度比）を向上させることができ、より純粋な直線偏光を得ることができる。さらに、空隙４の位置が周期的であると、コア１の加工がしやすいという利点がある。

空隙４は、式（９）または式（１０）で示される位置に設けることが好ましい。ここで、ｇａｐ（ｘ，ｚ）は、空隙４の位置を示す。ｘ偏光とｙ偏光とは、集光と発散を繰り返しながら進むので、ω_ｘとω_ｙは、光軸であるｚ軸方向の位置に依存する。

ここで、ω_ｘ（ｚ）は位置ｚにおけるｘ偏光のビーム幅であり、ω_ｙ（ｚ）は位置ｚにおけるｙ偏光のビーム幅である。

図７は、図６の断面Ａ−Ａにおける光強度を示す図である。縦軸が光の強度であり、横軸が、コア１のｘ軸方向の位置である。実線がｘ偏光の強度を示し、点線がｙ偏光の強度を示す。白丸は、空隙４の位置を示す。ω_ｘは、ｘ偏光のビーム幅を示し、ω_ｙは、ｙ偏光のビーム幅を示す。ｇａｐ（ｘ，ｚ）は、式（９）を満たす。つまり、ｙ偏光の強度に対してｘ偏光の強度が著しく小さい位置に、空隙４はある。このため、空隙４は、ｙ偏光に大きな損失を与えるが、ｘ偏光に対してはほとんど損失を与えないことになる。したがって、このような位置に空隙４を設けることにより、伝搬を抑制する偏光に損失を与えつつ、伝搬させる偏光に対しては、その強度が劣化することを防ぐことができる。

次に、固有モードと同じビーム幅を持つ偏光がコア１に入射された場合の動作について説明する。この場合、コア１内でその偏光のビーム幅は変化せずに伝搬する。この場合の固有モードのビーム半幅は、式（１１）で与えられる。なお、ビーム半幅は、ビーム幅の２分の１の幅である。

ここで、ω_０ｘは、ｘ偏光の固有モードのビーム半幅、ω_０ｙは、ｙ偏光の固有モードのビーム半幅、λは、入射光の波長、ｎ_０は、コア１の中心の屈折率である。ｎ_ｊは、式（４）と式（５）で与えられる。ｎ_２ｊは、以下の式（１２）及び式（１３）で表される。

図８は、ｙ偏光の固有モードのビーム幅と同じビーム幅をもつｙ偏光、及びｘ偏光の固有モードのビーム幅と異なるビーム幅をもつｘ偏光の伝搬形状を示す図である。８はｘ偏光であり、９はｙ偏光である。空隙４は、ｙ偏光のビーム幅より外側で、ｘ偏光のビーム半幅より内側に位置する。

空隙４はｙ偏光のビーム幅の外側に位置しているので、ｙ偏光が空隙４により反射される量は小さく、ｙ偏光に対する損失は小さい。これに対して、ｘ偏光のビーム幅の内側に空隙４があり、ｘ偏光は空隙４で反射されるので、ｘ偏光に対する損失は大きくなる。したがって、コア１は、損失の小さいｙ偏光を選択的に伝搬させることができる。

図８では、一方の偏光成分の固有モードのビーム幅が、もう一方の偏光成分の最小ビーム幅と等しい場合を示したが、一方の偏光成分の固有モードのビーム幅が、最大ビーム幅と等しい場合でも良い。
図９は、固有モードのビーム幅と同じビーム幅をもつｙ偏光、及び固有モードのビーム幅より小さいビーム幅をもつｘ偏光の伝搬形状を示す図である。
８は、ｘ偏光であり、９は、ｙ偏光である。空隙４は、ｘ偏光のビーム幅より外側で、ｙ偏光のビーム幅より内側に位置する。

ｙ偏光は、空隙４により反射されるため、損失が生じる。しかし、空隙４は、ｘ偏光のビーム幅の外側にあるため、ｘ偏光が空隙４で反射される光子数は少なく、損失も小さい。したがって、コア１は、損失の小さいｘ偏光を選択的に伝搬させることができる。

以上の通り、実施の形態１によれば、ｘ偏光及びｙ偏光を含む光が入射され、熱により熱応力が生じ、熱応力に対して平行方向と垂直方向との光弾性係数が異なる等方性のレーザ媒質からなるコア１を用いる。また、ヒータ３からコア１に熱を与え、コア１の側面をファン５により冷却することにより、中央部の温度が高く、側面部の温度が低いという温度分布をコア１に生じさせる。さらに、コア１内に空隙４を設ける。以上のことにより、コア１は、ｘ偏光とｙ偏光とで異なる屈折率分布を有することになる。これにより、コア１において、ｘ偏光とｙ偏光とは、異なる強度分布を持つようになるで、空隙４はｘ偏光とｙ偏光とに異なる損失を与えることができる。したがって、実施の形態１の導波路において、損失が大きい偏光の伝搬は抑制され、損失が小さい偏光が伝搬するので、コア１に等方性材料を用いても、直線偏光が得られるという効果がある。

また、等方性媒質のコアおよびクラッドを有する導波路において、クラッドのｘ−ｚ全面を接着剤や半田等でヒートシンク等に固定する場合、接着力の不均一性によってコアに歪みが生じ、その歪みによる応力がコア内に発生し、予期せぬ屈折率分布がコア内に発生することがある。その場合、ＴＥ偏光またはＴＭ偏光のいずれか一方の偏光を有するレーザ光がコアに入射されても、コア内における予期せぬ屈折率分布により、偏光が維持されず、偏光が回転する。その結果、一方の偏光が導波路に入射されても、直線偏光出力が得られないことがある。しかし、実施の形態１の導波路によれば、光軸対して対称な熱分布を生じさせているので、光軸の断面において直交するｘ軸とｙ軸とに対して異なる屈折率を発生させることができる。ここで、ｘ軸およびｙ軸は、屈折率の主軸になる。屈折率の主軸があると、屈折率の主軸と偏光の電界方向が一致するように偏光は維持されるので、本導波路は、歪みによる応力がコア１内に生じ、予期せぬ屈折率分布が生じても、偏光が回転することを抑制し、屈折率の主軸方向に偏光を維持する効果を有する。加えて、コア１内に不要な偏光が発生し、偏光が回転しても不要な偏光方向成分に損失を与えることにより伝搬を抑制することが可能であるため、直線偏光が得られるという効果がある。

なお、ここでは、空隙４の位置について、図１に示す位置を例に説明したが、以下に示す位置に空隙４を設けても良い。
図１０は、実施の形態１に係る平面導波路における、空隙４の他の構成例を示す図である。
図１０（ａ）に示すように、クラッド２ａの上面および２ｂの下面からコア１に対して孔をあけて、空隙４を設け、空隙４はコア１を貫通させない構成でも良い。
図１０（ｂ）に示すように、空隙４は、コア１及びクラッド２ａの片側に設ける構成でも良い。
図１０（ｃ）に示すように、クラッド２ａ及び２ｂに空隙を設けず、コア１に空隙４を設ける構成でも良い。
図１０（ｄ）に示すように、コア１の側面（ｙ−ｚ面）から穴をあけて、空隙４を設ける構成でも良い。
図１０（ｅ）に示すように、コア１の片側の側面（ｙ−ｚ面）から穴をあけて、空隙４を設ける構成でも良い。
以上のような構成であっても、コア内の光は空隙４により損失を受け、その損失はｘ偏光とｙ偏光とで異なるので、損失が大きい偏光の伝搬は抑制され、損失が小さい偏光が伝搬するという効果が得られる。

上記では空隙４が孔状のものについて説明したが、空隙４は、スリット形状にしても良い。
図１１は、実施の形態１に係る平面導波路において、空隙４をスリット形状としたときの構成例を示す図である。
図１２は、図１１に示した平面導波路のｙ−ｘ平面図である。
図１１に示すようなスリット形状で空隙４を構成することにより、コア１及びクラッド２を、スリットを設けた形で作成し、それらを接合して平面導波路を構成できるので、平面導波路を作成した後に加工する必要がなくなるという利点がある。これにより、加工費等を低減できる。

図１３は、図１１に示す平面導波路における光の伝搬形状を示す図である。８がｘ偏光であり、９がｙ偏光である。スリット形状の空隙４により、ｘ偏光は反射され、その伝搬が抑制されるため、ｙ偏光を選択的に通過させることができる。スリット形状の空隙４は、片方の偏光の伝搬を効果的に抑制するためには、光軸６に対して対称に設けることが望ましいが、必ずしも対称でなくても良い。空隙４をスリット形状にしたことにより狭められたコア１のｘ方向の幅は、例えばｘ偏光のビーム半幅より大きく、ｙ偏光のビーム半幅より小さくするように決定する。これによりｙ方向の伝搬を効果的に抑制できる。

なお、図１１では、クラッド２にもスリットを設けているが、コア１にのみ設けるようにしても良い。
図１４は、空隙４をスリット形状にしたときの他の構成例を示す図である。図１４に示す構成にしても、スリットにより、コア１においてｘ偏光またはｙ偏光の伝搬を抑制するので、直線偏光の光を得ることができる。
実施の形態２．
実施の形態１では、コア１の形状が平板状の平面導波路について説明したが、実施の形態２では、コアの形状がリッジ型のリッジ型平面導波路について説明する。導波路構造をリッジ型とすることにより、ｙ軸方向だけでなく、ｘ軸方向にも光を閉じ込めることができる。

図１５は、実施の形態２に係るリッジ型平面導波路の一構成例を示す図である。
なお、図１５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。実施の形態１と比べて、コア１の代わりに、中央に凸字型の突起部があるコア１０を備え、コア１０の突起部にクラッド２ａが接合されている点が異なる。リッジ型構造とは、中央に凸字型の突起部がある構造をいう。

次に、実施の形態２に係るリッジ型平面導波路の動作について説明する。
ヒータ３及びファン５を用いて、コア１に二乗の温度分布を生じさせ、コア１にｘ偏光とｙ偏光とで異なる屈折率分布を生じさせる。これにより、ｘ偏光とｙ偏光とで異なる強度分布を生じさせ、空隙４により、ｘ偏光に対してとｙ偏光に対してとで異なる損失を与える。損失が大きい偏光の伝搬を抑制し、損失が小さい偏光を伝搬させ、直線偏光を得る動作については、実施の形態１と同じであるので説明を省略する。

リッジ型平面導波路においてｘ軸方向にも光を閉じ込める動作について説明する。
図１６は、実施の形態２に係るリッジ型平面導波路のｙ−ｘ平面図である。
図１６において、ｘ軸方向の位置によってコア１０の厚さは異なる。等価屈折率法を用いて考えると、コア１０の厚さが異なると、コア１０の等価屈折率は異なる。したがって、コア１０は、ｘ軸方向の位置によって屈折率が異なる。

コア１０の厚さが薄い部分の等価屈折率をｎ_ｃとし、厚さが厚い部分の等価屈折率をｎ_ｒとする。ｎ_ｃ＜ｎ_ｒである。ｘ軸方向の屈折率関係を見ると、ｎ_ｒをｎ_ｃが挟み込む関係となっており、ｙ軸方向における、コア１０とクラッド２ａ、２ｂとの屈折率関係と同様である。

したがって、等価的には、コア１０はｘ軸方向にもクラッドを設けた場合と同様に考えられ、ｘ軸方向にも光が閉じ込められる。

以上のように構成した実施の形態２のリッジ型平面導波路であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態２のリッジ型平面導波路は、ｙ軸だけでなく、ｘ軸方向にも光を閉じ込められるようになるので導波路の伝搬損失を小さくできる。また、リッジ型平面導波路を用いてレーザ増幅器を構成した場合、励起光をコア１のｘ軸方向にも閉じ込めることができるので、レーザ増幅器の利得を向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、平面導波路について説明したが、実施の形態３では、実施の形態１の平面導波路を用いたレーザ増幅器について説明する。

図１７は、実施の形態３に係るレーザ増幅器の一構成例を示す図である。
なお、図１７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。実施の形態１と比べて、励起光光源１２を備え、励起光１３をコア１に入射し、ファン５ａ、５ｂの代わりに、ヒートシンク１１ａ、１１ｂを備えている点が異なる。

ヒートシンク１１ａは、クラッド２ｂの下面に設けられ、クラッド２ｂを介してコア１の熱を排熱するヒートシンクである。ヒートシンク１１ａは、光軸に対して垂直な面から排熱できる位置であれば、どこに設置しても良い。
ヒートシンク１１ｂは、光軸に対してヒートシンク１１ａと対称な位置に設けられ、クラッド２ｂを介してコア１の熱を排熱するヒートシンクである。

励起光光源１２は、コア１に励起光１３を入射する励起光光源である。励起光光源１２には、例えば、半導体レーザやランプなどが用いられる。

次に、実施の形態３に係るレーザ増幅器の動作について説明する。
図１８は、実施の形態３に係るレーザ増幅器のｚ−ｘ平面図である。
励起光光源１２は、励起光１３をコア１に入射する。励起光１３は、コア１内の電子をポンピングさせ、コア１において反転分布状態を形成する。

また、励起光光源１２は、励起光１３をコア１に入射することによって、コア１に熱を与える。
コア１に生じた熱は、ヒートシンク１１ａ、１１ｂにより、排熱される。ヒートシンク１１ａ、１１ｂは、光軸に対して対称に設けられており、光軸に対して垂直な面から熱を排熱しているので、コア１の温度分布は、中央部の温度が高く、側面部の温度が低い温度分布になる。

コア１に、そのような温度分布が生じると、熱応力により、実施の形態１で説明した屈折率分布が生じる。その結果、ｘ偏光に対する屈折率分布とｙ偏光に対する屈折率分布は異なる。

したがって、コア１に入射されるレーザ光７は、コア１内において、ｘ偏光に対する強度分布とｙ偏光に対する強度分布は異なる。また、コア１に入射されるレーザ光７は、コア１において反転分布状態が形成されていることから、誘導放出により、光の強度が増幅される。

コア１に入射された光は増幅されるが、実施の形態１で述べたように、ｘ偏光もしくはｙ偏光は、空隙４により損失が与えられる。ｘ偏光とｙ偏光とでは、強度分布が異なるため、空隙４が与える損失も異なる。したがって、利得より損失が大きい偏光の場合、その偏光は伝搬が抑制される。一方で、損失より利得が大きい偏光は、コア１内を増幅するとともに伝搬し、コア１から出力される。

以上のように構成した実施の形態３では、実施の形態１で説明した導波路に、励起光源１２から励起光１３をコア１に入射することにより、コア１に熱を与えるとともに、電子をポンピングし反転分布状態を形成する。これにより、実施の形態３に係るレーザ増幅器は、偏光を選択して増幅することができ、増幅した直線偏光を出力できる。

また、等方性媒質のコアおよびクラッドを有するレーザ増幅器において、クラッドのｘ−ｚ全面を接着剤や半田等でヒートシンク等に固定する場合、接着力の不均一性によってコアに歪みが生じ、その歪みによる応力がコア内に発生し、予期せぬ屈折率分布がコア内に発生することがある。その場合、ＴＥ偏光またはＴＭ偏光のいずれか一方の偏光を有するレーザ光がコアに入射されても、コア内における予期せぬ屈折率分布により、不要な偏光が発生するため、偏光が維持されず、偏光が回転する。その結果、不要な偏光に対しても誘導放出が発生するため、その分、所望の偏光に対する誘導放出の割合が弱められる。このため、従来のレーザ増幅器では、直線偏光が得られないことがある。しかし、実施の形態３のレーザ増幅器によれば、コア１において光軸対して対称な熱分布を生じさせているので、光軸の断面において直交するｘ軸とｙ軸とに対して異なる屈折率を発生させることができる。ここで、ｘ軸およびｙ軸は、屈折率の主軸になる。屈折率の主軸があると、屈折率の主軸と偏光の電界方向が一致するように偏光は維持されるので、本導波路は、歪みによる応力がコア１内に生じ、予期せぬ屈折率分布が生じても、偏光が回転することを抑制し、屈折率の主軸方向に偏光を維持する効果を有する。加えて、偏光が回転しても、不要な偏光には損失を与えることにより、不要な偏光の光強度を弱めることが可能で、光強度の強い所望の偏光による誘導放出の割合を高めることが可能である。これにより、不要な偏光の増幅は抑制され、所望の偏光が増幅されるので、所望の偏光に対する増幅率を高めつつ、直線偏光出力が得られるという効果がある。

なお、ここでは、ｘ軸方向から、言い換えれば光軸と垂直な方向から、励起光１３をコア１に入射する構成について説明したが、他の方向から励起光１３をコア１に入射させるようにしても良い。
図１９は、実施の形態３のレーザ増幅器の他の構成例を示す図である。光軸と平行な方向から、励起光１３をコア１に入射する構成である。
また、コア１の冷却方法としては、ヒートシンク１１ａ、１１ｂに限らず他の方法を用いても良い。
図２０は、コア１の冷却方法の他の例を示す図である。ファン５ａ、５ｂを用いて、平面導波路の側面を冷却するようにしても良い。

実施の形態４．
実施の形態１では、平面導波路について説明したが、実施の形態３では、実施の形態１の平面導波路を用いたレーザ発振器について説明する。

図２１は、実施の形態４に係るレーザ発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図２１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。実施の形態３と比べて、共振器として全反射ミラー１４、出力ミラー１５を備え、レーザ光７を入射していない点が異なる。

全反射ミラー１４は、光軸に対して垂直な面に設けられ、入射してきた光を全反射するミラーである。
出力ミラー１５は、入射してきた光を反射率１未満で反射し、一部の光を透過するミラーである。出力光１６は、出力ミラーより透過してきた光である。

次に、実施の形態４に係るレーザ発振器の動作について説明する。
励起光光源１２は、コア１の側面に励起光１３を出力する。コア１は、励起光１３が入射されることにより、電子がポンピングされ、反転分布状態が形成される。その後、電子が励起状態から基底準位に遷移するときに、発光が起こる。発光により、コア１では誘導放出が生じ、光が増幅されるとともにコア１を伝搬する。コア１が発した光が全反射ミラー１４と出力ミラー１５とで反射されることで、コア１に戻される。コア１に光が反射されて戻ることで、反射された光が増幅される。全反射ミラー１４と出力ミラー１５で構成される共振器内の周回の利得が、出力ミラー１５の透過率を含む、共振器内の周回の損失を上回ればレーザ発振が起こり、出力ミラー１５から出力光１６が出力される。

このとき、実施の形態１で説明したように、空隙４によるコア１内の各偏光に損失が与えられる。損失が大きい偏光は、伝搬が抑制されるので発振せず、損失が小さい偏光に対して発振するので、本レーザ発振器からは、直線偏光が出力される。

以上のように構成した実施の形態４では、実施の形態３で説明したレーザ増幅器に対して、全反射ミラー１４と出力ミラー１５とを設けることで共振器を構成し、直線偏光を出力することができる。

１ １０ コア、２ａ ２ｂ クラッド、３ ヒータ ４ 空隙 ５ａ ５ｂ ファン、６ 光軸、７ レーザ光、８ ｘ偏光、９ ｙ偏光 １１ａ １１ｂ ヒートシンク １２ 励起光光源、 １３励起光、１４ 全反射ミラー、１５ 出力ミラー、１６ 出力光。

Claims (8)

1. ＴＥ偏光及びＴＭ偏光を含む光が入射され、前記光の電界に対して平行な応力に対する光弾性係数と前記光の電界に対して垂直な応力に対する光弾性係数とが異なる等方性のレーザ媒質を有し、入射された前記光に対し、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで異なる損失を与える損失部を有するコアと、
   前記コアの上面及び下面に接合され、前記コアより屈折率の低い媒質からなるクラッドと、
   前記コアに位置に依存しない一様な熱を与える発熱源と、
   前記光の光軸に対して対称に設けられ、前記光軸と垂直な方向から前記コアの側面部を冷却する冷却器と、
   を備えた平面導波路。
2. 前記コアの側面方向における温度分布が二乗分布である請求項１記載の平面導波路。
3. 前記コアに周期的に前記損失部を設けた請求項１または請求項２に記載の平面導波路。
4. 前記損失部は、空隙である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の平面導波路。
5. 前記損失部は、スリットである請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の平面導波
   路。
6. 前記コアはリッジ構造を有し、前記コアと前記クラッドとでリッジ型平面導波路を構成する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の平面導波路。
7. 平面導波路を用いたレーザ増幅器であって、
   ＴＥ偏光及びＴＭ偏光を含む光が入射され、前記光の電界に対して平行な応力に対する光弾性係数と前記光の電界に対して垂直な応力に対する光弾性係数とが異なる等方性のレーザ媒質を有し、入射された前記光に対し、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで異なる損失を与える損失部を有するコアと、
   前記コアの上面及び下面に接合され、前記コアより屈折率の低い媒質からなるクラッドと、
   前記コアに励起光を入射するとともに、位置に依存しない一様な熱を与える励起光光源と、
   前記光の光軸に対して対称に設けられ、前記光軸と垂直な方向から前記コアの側面部を冷却する冷却器と、
   を備えたレーザ増幅器。
8. 平面導波路を用いたレーザ発振器であって、
   ＴＥ偏光及びＴＭ偏光を含む光が入射され、前記光の電界に対して平行な応力に対する光弾性係数と前記光の電界に対して垂直な応力に対する光弾性係数とが異なる等方性のレーザ媒質を有し、入射された前記光に対し、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで異なる損失を与える損失部を有するコアと、
   前記コアの上面及び下面に接合され、前記コアより屈折率の低い媒質からなるクラッドと、
   前記コアに励起光を入射するとともに、位置に依存しない一様な熱を与える励起光光源と、
   前記光の光軸に対して対称に設けられ、前記光軸と垂直な方向から前記コアの側面部を冷却する冷却器と、
   前記光軸に対して垂直な面に設けられ、前記コアから出射される光を全反射する全反射ミラーと、
   前記全反射ミラーと向かい合って設けられ、前記コアから出射される光を反射し、一部を透過する出力ミラーと、
   を備えたレーザ発振器。

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