JP6655927B2 - 平面導波路型レーザ増幅器 - Google Patents

Description

この発明は、信号光の高効率な増幅と発振動作を実現する平面導波路型レーザ増幅器に関するものである。

平面導波路型レーザ増幅器では、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。
この平面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、導波路の厚さが薄く、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１に開示されている平面導波路型レーザ増幅器では、コアを構成している平板状のレーザ媒質として、信号光の伝搬方向である光軸に対して垂直な断面内に光学軸を有する複屈折材料が用いられている。このため、コアは、ｘ偏光及びｙ偏光に対して、異なる屈折率を有する材料が用いられている。
クラッドは、ｘ偏光及びｙ偏光に対して、同じ屈折率を有する材料が用いられている。
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。

レーザ媒質のｘ偏光に対する屈折率は、クラッドのｘ偏光に対する屈折率より小さい。また、レーザ媒質のｙ偏光に対する屈折率は、クラッドのｙ偏光に対する屈折率より大きい。
このため、ｘ偏光及びｙ偏光のうち、ｘ偏光が、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ｙ偏光がコア内に閉じ込められ、この全反射条件を満たすｙ偏光に対してレーザ発振が可能となる。これにより、特許文献１の平面導波路型レーザ増幅器では、直線偏光出力を得ることができる。

国際公開第２００９/０１６７０３号

従来の平面導波路型レーザ増幅器は以上のように構成されているので、直線偏光出力を得ることができるが、単一横モードで信号光を出力すると同時に、信号光の高出力化に必要な励起光の高次横モード化を図る構成にはなっていない。このため、単一横モードで高出力な信号光を出力することができ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、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる平面導波路型レーザ増幅器を得ることを目的とする。

この発明に係る平面導波路型レーザ増幅器は、励起光を吸収して利得を発生している際に信号光が入射されると、その信号光を増幅するレーザ媒質からなる平板状のコアと、コアの平板面に接合されるクラッドとを備え、クラッドが、コア内での信号光の伝搬方向である光軸と直交し且つコアの平板面に平行な偏光方向と、当該光軸及び当該偏光方向に直交する偏光方向との２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成され、コア及びクラッドによって、前記コア内で、２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光を単一横モード化し、前記コア内で、他方の偏光方向の偏光を高次横モード化し、コアに入射される信号光が、単一横モードの偏光方向の偏光を有する信号光であり、コアに入射される励起光が、高次横モードの偏光方向の偏光を有する励起光であるようにしたものである。

この発明によれば、クラッドが、コア内での信号光の伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成され、コア及びクラッドによって、２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されており、コアに入射される信号光が、単一横モードの偏光方向の偏光を有する信号光であり、コアに入射される励起光が、高次横モードの偏光方向の偏光を有する励起光であるように構成したので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。 図１の平面導波路型レーザ増幅器におけるｙ−ｚ平面図である。 図１の平面導波路型レーザ増幅器におけるｘ−ｙ平面図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光（信号光Ｓ、励起光Ｅ）の伝搬モードを模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光（信号光Ｓ、励起光Ｅ）の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。 図６の平面導波路型レーザ増幅器におけるｙ−ｚ平面図である。 図６の平面導波路型レーザ増幅器におけるｘ−ｙ平面図である。 この発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光（信号光Ｓ、励起光Ｅ）の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態３による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。 図１０の平面導波路型レーザ増幅器におけるｙ−ｚ平面図である。 図１０の平面導波路型レーザ増幅器におけるｘ−ｙ平面図である。 この発明の実施の形態３による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光（信号光Ｓ、励起光Ｅ）の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態４による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。 図１４の平面導波路型レーザ増幅器におけるｘ−ｙ平面図である。 マルチモード半導体レーザの遅軸方向をリッジ型導波路のｙ軸方向に結合する場合の平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。 半導体レーザを平面導波路型レーザ増幅器の励起光源として使用する場合の結合光学系の一例を示す構成図である。 半導体レーザを平面導波路型レーザ増幅器の励起光源として使用する場合の結合光学系の一例を示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
また、図２は図１の平面導波路型レーザ増幅器におけるｙ−ｚ平面図であり、図３は図１の平面導波路型レーザ増幅器におけるｘ−ｙ平面図である。
図１から図３において、平板状のコア１は等方性媒質のレーザ媒質から構成されており、側面から入射された励起光Ｅを吸収して反転分布状態を形成することで利得を発生し、反転分布状態を形成しているときに、側面から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Ｓを増幅して、増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力する。

クラッド２ａはコア１内での信号光Ｓの伝搬方向（進行方向）である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア１の平板面である下面に接合されている。
クラッド２ｂはコア１内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア１の平板面である上面に接合されている。
コア１及びクラッド２ａ，２ｂによって、２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されている。
この実施の形態１では、コア１の上面と下面の双方にクラッド２が接合されている例を示しているが、コア１の上面と下面のうち、少なくとも一方の面にクラッド２が接合されていればよい。

図１から図３では、コア１の上面及び下面に平行な面内で、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軸方向を信号光Ｓの光軸としている。
クラッド２ａ，２ｂの屈折率における３つの主軸（ｎＸ軸、ｎＹ軸、ｎＺ軸）のうち、主軸（ｎＺ軸）が、クラッド２ａ，２ｂの厚さ方向であるｙ軸方向と光軸がなすｙｚ面内で、光軸に対してθだけ傾けられている。
このように、クラッド２ａ，２ｂの主軸（ｎＺ軸）が光軸に対して傾斜していることで、ｙ軸方向の偏光であるｙ偏光に対して単一横モードが形成される。
このとき、クラッド２ａ，２ｂの主軸（ｎＸ軸）は、図３に示すように、光軸に対して直交している。

コア１の屈折率ｎ_ｃは、クラッド２ａ，２ｂの主軸（ｎＸ軸）での屈折率ｎ_ｘ、主軸（ｎＹ軸）での屈折率ｎ_ｙ、主軸（ｎＺ軸）での屈折率ｎ_ｚとの関係で、下記の式（１）を満足する材料で構成されている。
ｎ_ｘ＜ｎ_ｙ＜ｎ_ｃ＜ｎ_ｚ
または
ｎ_ｙ＜ｎ_ｘ＜ｎ_ｃ＜ｎ_ｚ
（１）

次に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、側面から励起光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、反転分布状態を形成することで利得を発生する。
平板状のコア１は、反転分布状態を形成しているときに、側面から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Ｓを増幅して、増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力する。

この実施の形態１では、平面導波路型レーザ増幅器が、単一横モードで高出力な信号光を出力することができるようにするため、クラッド２ａ，２ｂの主軸（ｎＺ軸）が、光軸に対してθだけ傾けられ、コア１の屈折率ｎ_ｃが、式（１）の関係を満足する屈折率に設定されている。
また、コア１に入射される励起光Ｅが、コア１の平面方向であるｘ軸方向の偏光を有する励起光であるようにしている。

以下、式（１）の関係を満足するコア１及びクラッド２ａ，２ｂ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よいことは言うまでもない。
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２ａ，２ｂ → ＫＴＰ

例えば、コア１の材料がＥｒ，Ｙｂ：ＹＡＧである場合、コア１は、波長１６１５ｎｍにおいて、約１．８０６の屈折率ｎ_ｃを有する。
また、クラッド２ａ，２ｂの材料がＫＴＰである場合、クラッド２ａ，２ｂは、ｙ偏光を有する波長１６１５ｎｍにおいて、主軸（ｎＹ軸）での屈折率ｎ_ｙが約１．７３６、主軸（ｎＺ軸）での屈折率ｎ_ｚが約１．８１４になる。
したがって、コア１の屈折率ｎ_ｃと、クラッド２ａ，２ｂにおける主軸（ｎＹ軸、ｎＺ軸）での屈折率ｎ_ｙ，ｎ_ｚとの関係は、下記の式（２）のようになり、式（１）の関係を満足している。
ｎ_ｙ（約１．７３６）＜ｎ_ｃ（約１．８０６）＜ｎ_ｚ（約１．８１４） （２）

ここで、光軸と主軸（ｎＺ軸）のなす角θにおけるクラッド２ａ，２ｂのｙ軸方向の偏光の屈折率ｎ_ｙｚ（λ，θ）は、下記の式（３）で表される。

式（３）において、λは波長である。

このとき、ｙ軸方向の偏光を有する信号光Ｓが単一横モードとなるように、光軸と主軸（ｎＺ軸）のなす角θを定めれば、ｙ軸方向の偏光を有する信号光Ｓを高ビーム品質で伝搬させることができる。
光軸と主軸（ｎＺ軸）のなす角θが、下記の式（４）の関係を満足すれば、ｙ軸方向の偏光を有する信号光Ｓが単一横モードになる。

式（４）において、ｔはコア１の厚さである。

また、コア１の材料がＥｒ，Ｙｂ：ＹＡＧである場合、コア１は、波長９４０ｎｍにおいて、約１．８１７の屈折率ｎ_ｃを有する。
クラッド２ａ，２ｂの材料がＫＴＰである場合、クラッド２ａ，２ｂは、ｘ偏光を有する波長９４０ｎｍにおいて、主軸（ｎＸ軸）での屈折率ｎ_ｘが約１．７４１になる。
したがって、コア１の屈折率ｎ_ｃと、クラッド２ａ，２ｂにおける主軸（ｎＸ軸）での屈折率ｎ_ｘとの関係は、下記の式（５）のようになり、式（１）の関係を満足している。
ｎ_ｘ（約１．７４１）＜ｎ_ｃ（約１．８１７） （５）

光軸に対して直交しているクラッド２ａ，２ｂの主軸（ｎＸ軸）での屈折率ｎ_ｘがコア１の屈折率ｎ_ｃより小さい場合（式（５）の条件を満足している場合）、励起光Ｅの高次横モード化が図られるが、例えば、コア１の厚さが１０μｍである場合、モード数が１１になる。
これにより、コア１の平面方向であるｘ軸方向の偏光を有する励起光Ｅが高次横モード化されて伝搬される。

ここで、図４はこの発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光（信号光Ｓ、励起光Ｅ）の伝搬モードを模式的に示す説明図である。
図４では、信号光Ｓが単一横モードで伝搬されており、励起光Ｅが高次横モード（０次の横モード、１次の横モード、２次の横モード、・・・）で伝搬されていることを示している。

図５はこの発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光（信号光Ｓ、励起光Ｅ）の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。
図５では、ｙ偏光を有する信号光Ｓの高次モードが放射モードとなり、単一横モードで伝搬されていることを示している。図中、破線は信号光Ｓの高次モードが放射モードとなって、信号光Ｓの高次モードがコア１の外部に放射されていることを示している。
また、図５では、ｘ偏光を有する励起光Ｅは高次横モードで伝搬されていることを示している。

次に、この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ増幅器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（１）を満足する材料で構成されているクラッド２を接合する。ここでは、説明の便宜上、コア１のｚｘ面（下面）にクラッド２ａを接合するものとする。ただし、コア１のｚｘ面（下面）に接合するクラッド２ａは、屈折率における３つの主軸（ｎＸ軸、ｎＹ軸、ｎＺ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。
コア１のｚｘ面に対するクラッド２ａ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とクラッド２ａ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。
最後に、未だクラッド２ｂを接合していないコア１のｚｘ面（上面）に対して、クラッド２ｂ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２ｂは、屈折率における３つの主軸（ｎＸ軸、ｎＹ軸、ｎＺ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。

次に平面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について説明する。
単一横モードのレーザ光を出力する光源としては、例えば、シングルモードファイバ出力のレーザ光源、リッジ型導波路レーザ、その他固体レーザなどが挙げられる。
また、高次横モードのレーザ光を出力する光源としては、例えば、高出力なマルチモード半導体レーザ、マルチモードファイバ出力のレーザ光源、平面導波路レーザ、その他固体レーザなどが挙げられる。
一般に、高出力な光源は、高次横モードのレーザ光を出力することが多く、レーザ光におけるビームの広がり角が、０次モードの広がり角と比べて大きい。このため、高出力なレーザ光である励起光を効率良く、単一横モードで信号光Ｓを伝搬する平面導波路と結合することが困難である。
しかし、この実施の形態１では、例えば、半導体レーザから出力された高出力なレーザ光が励起光Ｅとしてコア１の側面から入射されると、その励起光Ｅがコア１内で高次横モード化されるため、その励起光Ｅは、単一横モードで信号光Ｓを伝搬する平面導波路と効率良く結合される。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、クラッド２ａ，２ｂが、コア１内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成され、クラッド２ａ，２ｂの屈折率における３つの主軸（ｎＸ軸、ｎＹ軸、ｎＺ軸）のうち、主軸（ｎＺ軸）がｙ軸方向とｚ軸方向がなすｙｚ面内で、ｚ軸方向からθだけ傾けられており、コア１が、クラッド２ａ，２ｂにおける主軸（ｎＺ軸）での屈折率ｎ_ｚより小さく、かつ、主軸（ｎＸ軸、ｎＹ軸）での屈折率ｎ_ｘ，ｎ_ｙより大きい屈折率ｎ_ｃを有する材料で構成されており、コア１に入射される励起光Ｅが、コア１の平面方向であるｘ軸方向の偏光を有する励起光であるように構成したので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる効果を奏する。即ち、高ビーム品質で、かつ、高出力な増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、コア１を構成しているレーザ媒質が等方性媒質である例を示したが、レーザ媒質が複屈折性媒質であるものであってもよい。

図６はこの発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
また、図７は図６の平面導波路型レーザ増幅器におけるｙ−ｚ平面図であり、図８は図６の平面導波路型レーザ増幅器におけるｘ−ｙ平面図である。
図６から図８において、平板状のコア３は複屈折性媒質（複屈折材料）のレーザ媒質から構成されており、側面から入射された励起光Ｅを吸収して反転分布状態を形成することで利得を発生し、反転分布状態を形成しているときに、側面から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Ｓを増幅して、増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力する。
この実施の形態２では、平板状のコア３における屈折率の主軸の１つであるｃ軸（結晶軸）が、コア３の厚さ方向であるｙ軸方向と平行になるように向けられている。

クラッド４ａはコア３内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア３の平板面である下面に接合されている。
クラッド４ｂはコア３内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア３の平板面である上面に接合されている。
コア３及びクラッド４ａ，４ｂによって、２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されている。
この実施の形態２では、コア３の上面と下面の双方にクラッド４が接合されている例を示しているが、コア３の上面と下面のうち、少なくとも一方の面にクラッド４が接合されていればよい。
この実施の形態２では、クラッド４ａ，４ｂの屈折率がコア３の屈折率より僅かに小さく、クラッド４ａ，４ｂにおける屈折率の主軸の１つであるｃ軸が、光軸の方向であるｚ軸方向と平行になるように向けられている。
また、コア３に入射される信号光Ｓがｘ偏光を有する信号光であり、コア３に入射される励起光Ｅがｙ偏光を有する励起光であるようにしている。

次に動作について説明する。
平板状のコア３は、レーザ媒質で構成されているため、側面から励起光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、反転分布状態を形成することで利得を発生する。
平板状のコア３は、反転分布状態を形成しているときに、側面から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Ｓを増幅して、増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力する。

この実施の形態２では、平面導波路型レーザ増幅器が、コア３内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の偏光のうち、ｘ軸方向の偏光であるｘ偏光に対して単一横モードが形成されて、ｙ偏光に対して高次横モードが形成されるようにするため、クラッド４ａ，４ｂの屈折率がコア３の屈折率より僅かに小さい関係を有するコア３及びクラッド４ａ，４ｂの材料を選定する。ここで、「僅かに小さい関係」とは、波長、コア３の厚さ、コア３の屈折率とクラッド４ａ，４ｂの屈折率から定まるモード数が１となるような、コア３及びクラッド４ａ、４ｂの屈折率の差の関係を示すものである。
また、コア３における屈折率のｃ軸がｙ軸方向と平行になるように向けられ、クラッド４ａ，４ｂにおける屈折率のｃ軸がｚ軸方向と平行になるように向けられている。
図６〜８の例では、ｘ偏光に対して単一横モードが形成されて、ｙ偏光に対して高次横モードが形成されているが、ｙ偏光に対して単一横モードが形成されて、ｘ偏光に対して高次横モードが形成されているものであってもよい。ただし、この場合には、コア３に入射される信号光Ｓがｙ偏光を有する信号光であって、コア３に入射される励起光Ｅがｘ偏光を有する励起光であるようにする必要がある。

クラッド４ａ，４ｂの屈折率は、上述したように、コア３の屈折率より僅かに小さいが、以下、この屈折率の関係を満足するコア３及びクラッド４ａ，４ｂ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、他の組み合わせであってもよいことは言うまでもない。
コア３ → Ｅｒ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＶＯ４、
Ｅｒ，Ｙｂ：ＹＶＯ４、または、Ｎｄ：ＹＶＯ４
クラッド４ａ，４ｂ → ＹＶＯ４

例えば、コア３の材料がＮｄ：ＹＶＯ４であり、クラッド４ａ，４ｂの材料がＹＶＯ４である場合、Ｎｄ：ＹＶＯ４のｃ軸がｙ軸方向と平行になるように向けられ、ＹＶＯ４のｃ軸がｚ軸方向と平行になるように向けられる。
このとき、コア３の材料であるＮｄ：ＹＶＯ４の屈折率は、活性イオンＮｄの添加により、クラッド４ａ，４ｂの材料であるＹＶＯ４の屈折率よりも僅かに大きくなる。このため、ｘ軸方向において、ＹＶＯ４の屈折率よりも、Ｎｄ：ＹＶＯ４の屈折率の方が僅かに高くなる。
したがって、この実施の形態２では、ＹＶＯ４の屈折率よりも、活性イオンＮｄを添加しているＮｄ：ＹＶＯ４の屈折率の方が僅かに高くなるため、ｘ偏光を有する信号光Ｓを単一横モードで伝搬させることが可能になる。
例えば、コア３の側面に入射されるｘ偏光を有する信号光Ｓの波長が、１０６４ｎｍである場合、その信号光Ｓに対するＮｄ：ＹＶＯ４（Ｎｄ濃度１ａｔ．％）の常光線の屈折率が約１．９５７６で、ＹＶＯ４の常光線の屈折率が約１．９５７１である。
したがって、ｘ偏光を有する波長１０６４ｎｍの信号光Ｓが入射されると、その信号光Ｓに対するコア３の屈折率が１．９５７６、クラッド４ａ，４ｂの屈折率が１．９５７１となる。
このとき、例えば、コア３の厚さが１０μｍであれば、モード数が１になる。

また、コア３の側面に入射されるｙ偏光を有する励起光Ｅの波長が、例えば８０８ｎｍである場合、その励起光Ｅに対するＹＶＯ４の常光線の屈折率が約１．９７で、Ｎｄ：ＹＶＯ４（Ｎｄ濃度１ａｔ．％）の異常光線の屈折率が約２．１９である。
したがって、ｙ偏光を有する波長８０８ｎｍの励起光Ｅが入射されると、その励起光Ｅに対するコア３の屈折率が２．１９、クラッド４ａ，４ｂの屈折率が１．９７となる。
このとき、例えば、コア３の厚さが１０μｍであれば、モード数が２４になる。
これにより、ｙ軸方向の偏光を有する励起光Ｅが高次横モード化されて伝搬される。

ここで、図９はこの発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光（信号光Ｓ、励起光Ｅ）の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。
図９では、ｘ偏光を有する信号光Ｓの高次モードが放射モードとなり、単一横モードで伝搬されていることを示している。図中、破線は信号光Ｓの高次モードが放射モードとなって、信号光Ｓの高次モードがコア３の外部に放射されていることを示している。
また、図９では、ｙ偏光を有する励起光Ｅは高次横モードで伝搬されていることを示している。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、コア３及びクラッド４ａ，４ｂが、コア３内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なり、かつ、コア３の屈折率がクラッド４ａ，４ｂの屈折率より大きくなる複屈折材料で構成されて、コア３の屈折率のｃ軸がコア３の厚さ方向に向けられ、クラッド４ａ，４ｂの屈折率のｃ軸が光軸の方向に向けられることで、ｘ偏光に対して単一横モードが形成されて、ｙ偏光に対して高次横モードが形成されており、コア３に入射される信号光Ｓが、ｘ偏光を有する信号光であり、コア３に入射される励起光Ｅが、ｙ偏光を有する励起光であるように構成したので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる効果を奏する。即ち、高ビーム品質で、かつ、高出力な増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力することができる効果を奏する。
また、この実施の形態２では、コア３が複屈折材料で構成されているため、平面導波路の層構造作製時や導波路固定時において、予期せぬ応力分布が発生することによる屈折率分布が発生しても、その屈折率分布の大きさは、元々の材料である複屈折材料と比べて一般に小さいため、直線偏光出力を得ることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、コア１を構成しているレーザ媒質が等方性媒質である例を示したが、レーザ媒質が複屈折性媒質であるものであってもよい。
この実施の形態３では、上記実施の形態２と異なり、レーザ媒質の屈折率の活性化イオン依存性を用いずにモード形成を行っている。

図１０はこの発明の実施の形態３による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
また、図１１は図１０の平面導波路型レーザ増幅器におけるｙ−ｚ平面図であり、図１２は図１０の平面導波路型レーザ増幅器におけるｘ−ｙ平面図である。
図１０から図１２において、平板状のコア５は複屈折性媒質（複屈折材料）のレーザ媒質から構成されており、側面から入射された励起光Ｅを吸収して反転分布状態を形成することで利得を発生し、反転分布状態を形成しているときに、側面から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Ｓを増幅して、増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力する。
この実施の形態３では、平板状のコア５における屈折率の主軸の１つであるｃ軸（結晶軸）が、コア５の平面方向であるｘ軸方向と平行になるように向けられている。

クラッド６ａはコア５内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア５の平板面である下面に接合されている。
クラッド６ｂはコア５内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア５の平板面である上面に接合されている。
コア５及びクラッド６ａ，６ｂによって、２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されている。
この実施の形態３では、コア５の上面と下面の双方にクラッド６が接合されている例を示しているが、コア５の上面と下面のうち、少なくとも一方の面にクラッド６が接合されていればよい。
この実施の形態３では、クラッド６ａ，６ｂにおける屈折率の主軸の１つであるｃ軸が、クラッド６ａ，６ｂにおける厚さ方向であるｙ軸方向と、光軸の方向であるｚ軸方向とがなすｙｚ面内で、光軸に対してθだけ傾けられている。
また、コア５に入射される信号光Ｓがｙ偏光を有する信号光であり、コア５に入射される励起光Ｅがｘ偏光を有する励起光であるようにしている。

次に動作について説明する。
平板状のコア５は、レーザ媒質で構成されているため、側面から励起光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、反転分布状態を形成することで利得を発生する。
平板状のコア５は、反転分布状態を形成しているときに、側面から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Ｓを増幅して、増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力する。

この実施の形態３では、平面導波路型レーザ増幅器が、コア５内での信号光Ｓの伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の偏光のうち、ｙ軸方向の偏光であるｙ偏光に対して単一横モードが形成されて、ｘ軸方向の偏光であるｘ偏光に対して高次横モードが形成されるようにするため、コア５における屈折率のｃ軸がｘ軸方向と平行になるように向けられて、クラッド６ａ，６ｂのｃ軸がｙｚ面内でｚ軸からθだけ傾けられている。このθの傾き角は、上記実施の形態１に記載しているθと同じ目的で傾けられている。即ち、ｙ軸方向の偏光であるｙ偏光に対して単一横モードを形成することを目的としている。

この実施の形態３では、例えば、コア５の材料としてＮｄ：ＧｄＶＯ４を用い、クラッド６ａ，６ｂの材料としてＹＶＯ４を用いるものとする。
この場合、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４における屈折率のｃ軸がｘ軸方向と平行になるように向けられ、ＹＶＯ４における屈折率のｃ軸がｙｚ面内で光軸からθだけ傾けられるが、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４のｃ軸方向の偏光を有する励起光の屈折率と比べて、ＹＶＯ４のｃ軸に垂直な方向の偏光方向を有する励起光の屈折率が小さいため、ｘ偏光を有する励起光Ｅを高次横モード化することが可能である。

ここで、図１３はこの発明の実施の形態３による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光（信号光Ｓ、励起光Ｅ）の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。
図１３では、ｙ偏光を有する信号光Ｓの高次モードが放射モードとなり、単一横モードで伝搬されていることを示している。図中、破線は信号光Ｓの高次モードが放射モードとなって、信号光Ｓの高次モードがコア５の外部に放射されていることを示している。
また、図１３では、ｘ偏光を有する励起光Ｅは高次横モードで伝搬されていることを示している。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、コア５及びクラッド６ａ，６ｂが、コア５内での信号光の伝搬方向である光軸と直交する２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されて、コア５における屈折率のｃ軸がｘ軸方向と平行になるように向けられて、クラッド６ａ，６ｂにおける屈折率のｃ軸がｙｚ面内で光軸からθだけ傾けられることで、ｙ軸方向の偏光であるｙ偏光に対して単一横モードが形成されて、ｘ軸方向の偏光であるｘ偏光に対して高次横モードが形成されており、コア５に入射される信号光Ｓが、ｙ偏光を有する信号光であり、コア５に入射される励起光Ｅが、ｘ偏光を有する励起光であるように構成したので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる効果を奏する。即ち、高ビーム品質で、かつ、高出力な増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐを出力することができる効果を奏する。
また、この実施の形態３では、コア５が複屈折材料で構成されているため、平面導波路の層構造作製時や導波路固定時において、予期せぬ応力分布が発生することによる屈折率分布が発生しても、その屈折率分布の大きさは、元々の材料の複屈折と比べて一般に小さいため、直線偏光出力を得ることができる。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、コア１，３，５の形状が平板状であるものを示したが、コア１，３，５における一対の平板面（上面、下面）のうち、一方の平板面にリッジ構造が設けられているようにしてもよい。

図１４はこの発明の実施の形態４による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。また、図１５は図１４の平面導波路型レーザ増幅器におけるｘ−ｙ平面図である。
図１４及び図１５において、図１から図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
リッジ部１ａは凸形状の部材であり、コア１の上面に形成されている。リッジ部１ａの部材はコア１の部材と同じであり、コア１の一部をなしている。
図１４及び図１５の例では、リッジ部１ａがコア１の上面に形成されているが、コア１の下面に形成されていてもよい。
また、図１４及び図１５では、上記実施の形態１における平面導波路型レーザ増幅器のコア１がリッジ部１ａを有する例を示しているが、上記実施の形態２，３における平面導波路型レーザ増幅器のコア３，５がリッジ部を有するものであってもよい。

コア１がリッジ部１ａを有するリッジ型導波路の場合、コア１のリッジ部１ａにおける等価屈折率が、コア１のリッジ部１ａ以外の部分における等価屈折率より大きくなる。このため、光軸であるｚ軸方向に垂直な断面において、２方向の光を閉じ込めて導波させる構造になっている。
また、コア１はレーザ媒質で構成されており、モードフィールド径が小さく、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た場合でも大きな利得が得られ、高効率な増幅と発振動作の実現が可能である。
図１４では、上記実施の形態１と同様に、ｙ軸方向のモードが単一横モード化されて、コア５に入射される信号光Ｓが、ｙ偏光を有する信号光である例を示しているが、コア１がリッジ部１ａを有することで、ｘ軸方向のモードを単一横モード化することが可能であり、ｘ軸方向及びｙ軸方向共に良好なビーム品質を得ることが可能である。

ここで、平面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の例を列挙する。
光軸に対して垂直な断面の２方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向）に対して、単一横モードのレーザ光を出力する光源としては、例えば、シングルモードファイバ出力のレーザ光源や、リッジ型導波路レーザ等が挙げられる。
また、光軸に対して垂直な断面の２方向（ｘ軸方向、ｙ軸方向）に対して、断面の一方向（ｙ軸方向）だけに高次横モードのレーザ光を出力して、断面の他方向（ｘ軸方向）には単一横モードのレーザ光を出力する光源として、例えば、高出力なマルチモード半導体レーザや平面導波路レーザが挙げられる。

平面導波路型レーザ増幅器と光源の具体的な構成例として、平面導波路型レーザ増幅器におけるリッジ型導波路のｙ軸方向に対して、例えば、高出力なマルチモード半導体レーザの遅軸方向を直接結合又は光学系を介して結合するものが考えられ、この場合、小型に構成することができる。
図１６はマルチモード半導体レーザの遅軸方向をリッジ型導波路のｙ軸方向に結合する場合の平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
図１６において、高反射膜１１はコア１及びクラッド２ａ，２ｂの図中右側の側面に成膜されており、励起光Ｅを通すが、信号光Ｓを反射させる信号光の反射膜である。
高反射膜１２はコア１及びクラッド２ａ，２ｂの図中左側の側面に成膜されており、信号光Ｓを通すが、励起光Ｅを反射させる励起光の反射膜である。

コア１の図中右側の側面から入射された励起光Ｅは、コア１を構成しているレーザ媒質に吸収されながら、ｚ軸方向と反対方向に伝搬される。
レーザ媒質に吸収されずに残っている励起光Ｅは、高反射膜１２に反射され、その後、ｚ軸方向に伝搬されながら、コア１を構成しているレーザ媒質に吸収される。
コア１の図中左側の側面から入射された信号光Ｓは、コア１を構成しているレーザ媒質で増幅されながら、ｚ軸方向に伝搬される。その後、高反射膜１１に反射された信号光Ｓは、コア１を構成しているレーザ媒質で増幅されながら、ｚ軸方向と反対方向に伝搬され、高反射膜１２から増幅後の信号光Ｓ_ａｍｐとして出力される。

図１７及び図１８は半導体レーザを平面導波路型レーザ増幅器の励起光源として使用する場合の結合光学系の一例を示す構成図である。図１７は結合光学系のｙ−ｚ平面を示し、図１８は結合光学系のｚ−ｘ平面を示している。
図１７及び図１８において、半導体レーザ１３は０次モードのレーザ光と高次モードのレーザ光とを出力する励起光源であり、半導体レーザ１３は０次モードのレーザ光である励起光Ｅがｘ軸方向に出力され、高次モードのレーザ光である励起光Ｅがｙ軸方向に出力されるように配置されている。
コリメートレンズ１４は半導体レーザ１３から出力されたレーザ光を平行光にする光学部品である。
集光レンズ１５はコリメートレンズ１４から出力された平行光をコア１の側面に集光する光学部品である。

半導体レーザ１３から出力されたレーザ光である励起光Ｅは、コリメートレンズ１４によって平行光にされたのち、集光レンズ１５によってコア１の側面に集光される。
これにより、半導体レーザ１３から出力されたレーザ光は励起光Ｅとして平面導波路型レーザ増幅器のコア１に入射される。
この平面導波路型レーザ増幅器の動作は、図１６の平面導波路型レーザ増幅器の動作と同じである。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 平板状のコア、１ａ リッジ部、２ａ，２ｂ クラッド、３ 平板状のコア、４ａ，４ｂ クラッド、５ 平板状のコア、６ａ，６ｂ クラッド、１１，１２ 高反射膜、１３ 半導体レーザ、１４ コリメートレンズ、１５ 集光レンズ。

Claims (9)

1. 励起光を吸収して利得を発生している際に信号光が入射されると、前記信号光を増幅するレーザ媒質からなる平板状のコアと、
   前記コアの平板面に接合されるクラッドとを備え、
   前記クラッドが、前記コア内での信号光の伝搬方向である光軸と直交し且つ前記コアの平板面に平行な偏光方向と、当該光軸及び当該偏光方向に直交する偏光方向との２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成され、
   前記コア及び前記クラッドによって、前記コア内で、前記２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光を単一横モード化し、前記コア内で、他方の偏光方向の偏光を高次横モード化し、
   前記コアに入射される信号光が、前記単一横モードの偏光方向の偏光を有する信号光であり、前記コアに入射される励起光が、前記高次横モードの偏光方向の偏光を有する励起光であることを特徴とする平面導波路型レーザ増幅器。
2. 前記クラッドの屈折率における３つの主軸のうち、１つの主軸が前記クラッドにおける厚さ方向と前記光軸がなす面内で前記光軸から傾けられ、前記コアが、前記クラッドにおける前記１つの主軸での屈折率より小さく、かつ、前記クラッドにおける残り２つの主軸での屈折率より大きい屈折率を有する材料で構成されることで、前記コア内で、前記２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光を単一横モード化し、前記コア内で、他方の偏光方向の偏光を高次横モード化することを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ増幅器。
3. 前記コアが、前記２つの偏光方向の屈折率が異なり、かつ、前記コアの屈折率が前記クラッドの屈折率より大きくなる複屈折材料で構成されて、前記コアの屈折率の主軸が前記コアの厚さ方向に向けられ、前記クラッドの屈折率の主軸が前記光軸の方向に向けられることで、前記コア内で、前記２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光を単一横モード化し、前記コア内で、他方の偏光方向の偏光を高次横モード化することを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ増幅器。
4. 前記コアが、前記２つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されて、前記コアの屈折率の主軸が前記コアの平面方向に向けられ、前記クラッドの屈折率の主軸が前記クラッドにおける厚さ方向と前記光軸がなす面内で前記光軸から傾けられることで、前記コア内で、前記２つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光を単一横モード化し、前記コア内で、他方の偏光方向の偏光を高次横モード化することを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ増幅器。
5. 前記コアにおける一対の平板面のうち、一方の平板面に、凸形状の部材であるリッジ部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の平面導波路型レーザ増幅器。
6. 前記コアに入射される励起光が、半導体レーザから出力されたレーザ光であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の平面導波路型レーザ増幅器。
7. 前記コアは、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｅｒ，Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ又はＰｒ：ＹＡＧで構成されており、
   前記クラッドは、ＫＴＰで構成されていることを特徴とする請求項２記載の平面導波路型レーザ増幅器。
8. 前記コアは、Ｅｒ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｅｒ，Ｙｂ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＶＯ４又はＮｄ：ＧｄＶＯ４で構成されており、
   前記クラッドは、ＹＶＯ４で構成されていることを特徴とする請求項３記載の平面導波路型レーザ増幅器。
9. 前記コアは、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４で構成されており、
   前記クラッドは、ＹＶＯ４で構成されていることを特徴とする請求項４記載の平面導波路型レーザ増幅器。

Images