JP6690869B2 - 平面導波路及びレーザ増幅器 - Google Patents

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Description

この発明は、第1の励起光を吸収して反転分布を形成することで、信号光を増幅する平板状のコアを備える平面導波路と、平面導波路を備えるレーザ増幅器とに関するものである。
例えば、以下の特許文献1には、添加ガラスを内部クラッドに使用したダブルクラッド構造の光ファイバが開示されている。
添加ガラスを内部クラッドに使用したダブルクラッド構造の光ファイバは、第1の励起光を吸収して反転分布を形成することで、発振光を放出する性質を有するガラスで形成されているコアを備えている。
また、添加ガラスを内部クラッドに使用したダブルクラッド構造の光ファイバは、コアを包含するように、コアの外周に配置されている内部クラッドと、内部クラッドを包含するように、内部クラッドの外周に配置されている外部クラッドとを備えている。
内部クラッドは、コアの屈折率よりも低い屈折率を有するガラスで形成されており、第2の励起光を吸収して反転分布を形成することで、第1の励起光を放出する。第1の励起光は、内部クラッドの発振光である。
内部クラッドは、第1の励起光を放出するため、第1の励起光を光ファイバに導入するため光源を別途用意する必要がない。
外部クラッドは、内部クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有するガラスで形成されており、第1の励起光を全反射する。
コアから放出された発振光は、内部クラッドに全反射されるため、コアに閉じ込められる。
米国特許第5291501A号
従来の添加ガラスを内部クラッドに使用したダブルクラッド構造の光ファイバは、コアが発振することで光を放出するものであり、外部の信号光源から出射された信号光を増幅するためのものではない。
このため、外部の信号光源から出射された信号光を増幅する増幅器として使用した場合、コアの寄生発振が発生する。コアの寄生発振が発生することで、信号光源から出射された信号光だけでなく、信号光の波長と異なる波長の光についても増幅してしまうため、信号光の増幅率が低下してしまう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、コアの寄生発振を防止することができる平面導波路及び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は、第1の励起光を吸収して反転分布を形成することで、信号光を増幅する平板状のコアと、コアにおける2つの平面のうちの一方の平面に接合されており、第2の励起光を吸収して反転分布を形成することで、第1の励起光を放出し、かつ、信号光を反射する平板状の第1の内部クラッドと、第1の内部クラッドにおける2つの平面のうち、コアが接合されている平面と反対側の平面に接合されており、第1の励起光を反射する平板状の第1の外部クラッドと、コアにおける2つの平面のうち、第1の内部クラッドが接合されている平面と反対側の平面に接合されており、第1の励起光及び信号光のそれぞれを反射する平板状の第2の外部クラッドと、コアと、第1の内部クラッドと、第1及び第2の外部クラッドとにおける2つの端面のうちの一方の端面に配置され、信号光の波長を含む波長帯の光を透過させて、第1の励起光を反射する第1の誘電体多層膜と、2つの端面のうちの他方の端面に配置され、信号光の波長を含む波長帯の光を透過させて、第1の励起光を反射する第2の誘電体多層膜とを備えるようにしたものである。
この発明によれば、コアと、第1の内部クラッドと、第1及び第2の外部クラッドとにおける2つの端面のうちの一方の端面に配置され、信号光の波長を含む波長帯の光を透過させて、第1の励起光を反射する第1の誘電体多層膜と、2つの端面のうちの他方の端面に配置され、信号光の波長を含む波長帯の光を透過させて、第1の励起光を反射する第2の誘電体多層膜とを備えるように構成したので、コアの寄生発振を防止することができる効果がある。
実施の形態1による平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。 実施の形態1による他の平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。 実施の形態1による他の平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。 実施の形態2による平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。 実施の形態3による平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。 実施の形態4による平面導波路を含むレーザ増幅器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、添付の図面に従って説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。
図1において、信号光源1は、信号光2を平面導波路3に出射する光源である。
平面導波路3は、コア11、第1の内部クラッド12、第1の外部クラッド13、第2の外部クラッド14、第1の誘電体多層膜15、第2の誘電体多層膜16及びヒートシンク17を備えており、信号光源1から出射された信号光2を増幅し、増幅後の信号光2を出射する伝送路である。
図1では、光軸に平行な方向をz軸、平面導波路3における平面と垂直な方向をy軸としている。
また、y軸及びz軸のそれぞれと垂直な方向をx軸としている。
励起光源5は、第2の励起光6を平面導波路3に出射する光源であり、レーザダイオードなどのインコヒーレント光源が一般的に使用される。平面導波路3では、光源の配置が比較的自由であるため、励起光源5として、フラッシュランプ、LED(Light Emitting Diode)などのインコヒーレント光源を用いることも可能である。
図1では、励起光源5が、平面導波路3の−z方向及び+x方向(または、−x方向)に配置されている例を示している。
図1の例では、励起光源5から出射された第2の励起光6が第1の誘電体多層膜15を通過しているように描いている。しかし、励起光源5の位置が、平面導波路3の+x方向、または、−x方向にずれているため、実際には、励起光源5から出射された第2の励起光6は、紙面の手前側又は奥側から平面導波路3に入射されており、第1の誘電体多層膜15を通過していない。
励起光源5が配置される位置は、励起光源5から出射された第2の励起光6が平面導波路3に入射される位置であればよく、図1に示す位置に限るものではない。
例えば、後述する第1の誘電体多層膜15として、第2の励起光6を透過させる多層膜が用いられている場合には、励起光源5は、平面導波路3の−z方向に配置されていても、平面導波路3の+x方向、または、−x方向にずれている必要はない。
コア11は、第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4を吸収して反転分布を形成し、輻射遷移によって利得を発生する平板状の利得発生部材である。
コア11は、第1の励起光4を吸収して反転分布を形成することで、信号光源1から出射された信号光2を増幅し、増幅後の信号光2を外部に出射する。
コア11としては、Er(エルビウム)、Yb(イッテルビウム)、Tm(ツリウム)、Nd(ネオジム)及びHo(ホルミウム)などの希土類元素を添加したガラスが用いられる。
また、コア11として、Nd:YVO4(ネオジウム:イットリウム・四酸化バナジューム)のような希土類を添加した結晶、Yb:YAG(イッテルビウム・ドウプ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット)のような希土類元素添加結晶材料を原料としたセラミック、もしくは、Cr:YAG(クロム・ドウブ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット)、Ti:Sapphire(チタンサファイア)などの遷移金属を添加した結晶が用いられる。
第1の内部クラッド12は、コア11における2つの平面のうちの一方の平面に接合されている。
図1の例では、コア11における2つの平面は、コア11の上面と下面であり、第1の内部クラッド12は、コア11の上面と接合されている。
第1の内部クラッド12は、励起光源5から出射された第2の励起光6を吸収して反転分布を形成し、輻射遷移によって利得を発生する平板状の利得発生部材である。
第1の内部クラッド12は、第2の励起光6を吸収して反転分布を形成することで、第1の励起光4を放出し、かつ、信号光2を反射する。
第1の内部クラッド12としては、Er、Yb、Tm、Nd及びHoなどの希土類元素を添加したガラス、Nd:YVO4のような希土類を添加した結晶、Yb:YAGのような希土類元素添加結晶材料を原料としたセラミック、もしくは、Cr:YAG、Ti:Sapphireなどの遷移金属を添加した結晶のうち、コア11の励起波長を発振可能な材料が用いられる。
第1の外部クラッド13は、第1の内部クラッド12における2つの平面のうち、コア11が接合されている平面と反対側の平面に接合されている。
図1の例では、第1の内部クラッド12における2つの平面は、第1の内部クラッド12の上面と下面であり、第1の外部クラッド13が第1の内部クラッド12の上面と接合されている。
第1の外部クラッド13は、例えば、平板状の光学ガラスであり、第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4を反射する。
第2の外部クラッド14は、コア11における2つの平面のうち、第1の内部クラッド12が接合されている平面と反対側の平面に接合されている。
図1の例では、第2の外部クラッド14は、コア11の下面と接合されている。
第2の外部クラッド14は、例えば、平板状の光学ガラスであり、第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4及び信号光2のそれぞれを反射する。
第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14は、同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。
第1の誘電体多層膜15は、コア11、第1の内部クラッド12、第1の外部クラッド13及び第2の外部クラッド14を備える平面導波路3における2つの端面のうちの一方の端面に配置されている。
図1の例では、平面導波路3における2つの端面は、平面導波路3の図中左側の端面と右側の端面であり、第1の誘電体多層膜15は、左側の端面に配置されている。
第1の誘電体多層膜15は、信号光源1から出射された信号光2の波長を含む波長帯の光を透過させて、第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4を反射する。
第1の誘電体多層膜15としては、信号光2の波長を含む波長帯で高透過率であり、かつ、第1の励起光4の波長を含む波長帯で高反射率であるような多層膜が用いられる。
この実施の形態1では、第1の誘電体多層膜15が、平面導波路3の左側の端面に付着される構成を想定しているが、第1の誘電体多層膜15が付着されているガラス基板が、平面導波路3の左側の端面の近傍に配置される構成であってもよい。
第2の誘電体多層膜16は、平面導波路3における2つの端面のうちの他方の端面に配置されている。
図1の例では、第2の誘電体多層膜16は、右側の端面に配置されている。
第2の誘電体多層膜16は、コア11から出射された信号光2の波長を含む波長帯の光を透過させて、第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4を反射する。
第2の誘電体多層膜16としては、信号光2の波長を含む波長帯で高透過率であり、かつ、第1の励起光4の波長を含む波長帯で高反射率であるような多層膜が用いられる。
この実施の形態1では、第2の誘電体多層膜16が、平面導波路3の右側の端面に付着される構成を想定しているが、第2の誘電体多層膜16が付着されているガラス基板が、平面導波路3の右側の端面の近傍に配置される構成であってもよい。
ヒートシンク17は、第2の外部クラッド14における2つの平面のうち、コア11が接合されている平面と反対側の平面に配置されている。
図1の例では、第2の外部クラッド14における2つの平面は、第2の外部クラッド14の上面と下面であり、ヒートシンク17は、第2の外部クラッド14の下面に配置されている。
ヒートシンク17は、コア11又は第1の内部クラッド12で生じている熱を外部に排出する部材である。
図1では、ヒートシンク17が第2の外部クラッド14の下面に配置されている例を示しているが、図2に示すように、ヒートシンク17が第1の外部クラッド13の上面に配置されていてもよい。
また、図3に示すように、ヒートシンク17が、第2の外部クラッド14の下面に配置され、かつ、第1の外部クラッド13の上面に配置されていてもよい。
図2及び図3は、実施の形態1による他の平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。
この実施の形態1では、コア11としては、Ho添加ガラスが用いられる例を説明する。
Ho添加ガラスは、上準位寿命が長く、増幅器及びQスイッチパルスレーザに適しているが、Ho添加ガラスを励起させるには、1.9μm又は1.1μmの光が必要となる。
励起用に1.1μmの光を使用する場合、量子欠損が大きいため、発熱が大きくなり易く、高強度化の妨げとなることがある。
励起用に1.9μmの光を使用する場合、発熱が大きくなり難く、高強度化が可能であるが、一般的には、1.9μmの高強度の光を出射するレーザダイオード (Laser Diode)などの光源の入手が困難である。
しかし、第1の内部クラッド12として、Tm添加ガラスが用いられる場合、Tm添加ガラスは、0.79μmの励起光を吸収して、1.9μmの利得を発生するため、コア11としては、Ho添加ガラスを用いることができる。0.79μmの高強度の光を出射する光源は、入手が容易な光源である。
この実施の形態1では、0.79μmの光を第2の励起光として出射する光源として、励起光源5が用いられる。
この実施の形態1では、コア11としては、Ho添加ガラスが用いられ、第1の内部クラッド12として、Tm添加ガラスが用いられる例を説明する。しかし、この実施の形態1では、コア11において、反転分布の形成に用いる第1の励起光4を放出可能な第1の内部クラッド12であればよく、コア11及び第1の内部クラッド12の材料が、上記の例に限るものではない。
この実施の形態1では、コア11の屈折率がn、第1の内部クラッド12の屈折率がn11、第1の外部クラッド13の屈折率がn21及び第2の外部クラッド14の屈折率がn22であるとする。これらの屈折率n,n11,n21,n22は、一般的なダブルクラッド型の導波路と同様に、以下の式(1)(2)を満たすように設定されている。
> n11 >> n21 (1)
11 >> n22 (2)
この実施の形態1では、コア11の屈折率nと第1の内部クラッド12の屈折率n11とが近い値に設定されて、コア11をシングルモード、もしくは、少数モード導波路として使用するものとする。
例えば、n=1.533、n11=1.530に設定されているとき、コア11の厚さ(y方向の寸法)が10μmであれば、波長2.0μmの光は、コア11の内部をシングルモードで伝搬される。
また、この実施の形態1では、第1の内部クラッド12の屈折率n11と、第1の外部クラッド13の屈折率n21及び第2の外部クラッド14の屈折率n22とが、大きく離れた値に設定されているものとする。このように設定されていれば、コア11及び第1の内部クラッド12の領域は、マルチモード導波路となり、導波路の開口数(以下、NAと称する)が大きくなる。
例えば、n11=1.530、n21=n22=1.470に設定されていれば、NAは、0.42となり、平面導波路3は、広がり角が大きい光の導光が可能となる。
高強度の信号光を増幅することが可能なレーザ増幅器を作成する場合、レーザ増幅器における平面導波路3が熱を発生して、平面導波路3が高温となるため、平面導波路3における第2の外部クラッド14にヒートシンク17が設けられている。
平面導波路3における第2の外部クラッド14は、平板であるため、ヒートシンク17との接触面積が大きく、ヒートシンク17において、高い排熱能力が得られる。
第2の外部クラッド14の厚さ(y方向の寸法)を薄くすることで、ヒートシンク17の排熱効果が高まり、発熱源であるコア11及び第1の内部クラッド12から生じた熱を容易に排出することができるようになる。
次に、平面導波路3を含むレーザ増幅器の動作について説明する。
励起光源5は、第2の励起光6を平面導波路3に出射する。
励起光源5から出射された第2の励起光6は、平面導波路3における第1の内部クラッド12及びコア11に入射される。
コア11及び第1の内部クラッド12の領域は、NAを大きくとることができるため、励起光源5が、例えば、レーザダイオードのように、安価かつ高出力であるが、ビーム品質が悪い光源であっても、第2の励起光6を容易に入射させることができる。
第2の励起光6は、±z方向に入射される場合、コア11及び第1の内部クラッド12の領域を伝搬されながら、第1の内部クラッド12に吸収されるため、吸収長を長くとることができる。
また、第2の励起光6は、±y方向に入射される場合、第1の内部クラッド12において、十分に吸収されるようにするには、第1の内部クラッド12の厚さを厚くする工夫、あるいは、第1の内部クラッド12の添加物であるTmの濃度を濃くして、吸収係数を高める工夫などが必要になる。
第1の内部クラッド12は、励起光源5から出射された第2の励起光6が入射されると、第2の励起光6を吸収して反転分布を形成し、輻射遷移によって、第1の励起光4に対する利得を発生する。
第1の内部クラッド12は、利得を発生した第1の励起光4を放出する。第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4は、コア11に入射される。
第1の内部クラッド12が第1の励起光4を放出するため、レーザ増幅器は、第1の励起光4を出射する光源等を実装する必要がない。
信号光源1は、信号光2を平面導波路3に出射する。
平面導波路3の端面に配置されている第1の誘電体多層膜15は、信号光源1から出射された信号光2を透過させる。第1の誘電体多層膜15を透過した信号光2は、平面導波路3のコア11に入射される。
コア11は、第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4が入射されると、第1の励起光4を吸収して反転分布を形成し、輻射遷移によって、信号光2に対する利得を発生する。
コア11は、信号光2が入射されると、信号光2を増幅する。
平面導波路3の端面に配置されている第2の誘電体多層膜16は、コア11により増幅された信号光2を透過させる。第2の誘電体多層膜16を透過した信号光2は、平面導波路3の外部に出射される。
ここで、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16のそれぞれは、第1の励起光4の波長を含む波長帯で高反射率を有する多層膜が用いられる。このため、第1の励起光4は、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16によって反射されるため、第1の誘電体多層膜15と第2の誘電体多層膜16との間で、コア11及び第1の内部クラッド12の領域を伝搬されながら、往復される。
第1の励起光4は、第1の内部クラッド12を伝搬されているとき、第1の内部クラッド12によって利得が与えられるため、レーザ発振する。
レーザ発振している第1の励起光4は、平面導波路3の外部に放出されることなく、第1の誘電体多層膜15と第2の誘電体多層膜16との間で、コア11及び第1の内部クラッド12の領域を伝搬されているとき、コア11に吸収される。
コア11は、第1の励起光4を吸収することで、信号光2に対する利得を発生するため、信号光源1から出射された信号光2が入射されると、信号光2を増幅する。
なお、第1の励起光4は、レーザ発振しているため強度が上がり、また、直接コア11に吸収されるため効率が良い。
このとき、信号光2の波長と近い波長帯において、レーザ発振が発生すると、コア11に蓄えられているエネルギーである信号光2に対する利得が浪費されてしまうため、信号光2の増幅効率を高めるには、信号光2の波長と近い波長帯での寄生発振を防ぐ必要がある。
この実施の形態1では、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16は、信号光2の波長と近い波長帯として、信号光2の波長を含む波長帯において、高透過率である多層膜が用いられるため、信号光2の波長と近い波長帯は、第1の誘電体多層膜15又は第2の誘電体多層膜16を透過して、平面導波路3の外部に放出される。このため、信号光2の波長と近い波長帯での寄生発振を防ぐことができる。
以上の実施の形態1は、コア11、第1の内部クラッド12、第1の外部クラッド13及び第2の外部クラッド14における2つの端面のうちの一方の端面に配置され、信号光2の波長を含む波長帯の光を透過させて、第1の励起光4を反射する第1の誘電体多層膜15と、2つの端面のうちの他方の端面に配置され、信号光2の波長を含む波長帯の光を透過させて、第1の励起光4を反射する第2の誘電体多層膜16とを備えるように構成したので、コア11の寄生発振を防止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、第1の内部クラッド12を備える平面導波路3を含むレーザ増幅器を示している。
この実施の形態2では、第1の内部クラッド12及び第2の内部クラッド18を備える平面導波路3を含むレーザ増幅器について説明する。
図4は、実施の形態2による平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。図4において、図1と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
第2の内部クラッド18は、コア11と第2の外部クラッド14との間に接合されている。
第2の内部クラッド18は、励起光源5から出射された第2の励起光6を吸収して反転分布を形成し、輻射遷移によって利得を発生する平板状の利得発生部材である。
第2の内部クラッド18は、第2の励起光6を吸収して反転分布を形成することで、第1の励起光4を放出し、かつ、信号光2を反射する。
第2の内部クラッド18としては、Er、Yb、Tm、Nd及びHoなどの希土類元素を添加したガラス、Nd:YVO4のような希土類を添加した結晶、Yb:YAGのような希土類元素添加結晶材料を原料としたセラミック、もしくは、Cr:YAG、Ti:Sapphireなどの遷移金属を添加した結晶のうち、コア11の励起波長を発振可能な材料が用いられる。
第2の内部クラッド18は、第1の内部クラッド12と同じ材質を用いるようにしてもよい。また、第2の内部クラッド18は、第1の内部クラッド12と異なる材料であるが、第1の内部クラッド12と同じ添加物が添加されている材料を用いるようにしてもよい。同じ添加物としては、Tmなどの添加物が考えられる。
例えば、ガラスには、消泡を行うなどの目的で添加物が添加されることがあるが、この実施の形態2での添加物は、レーザなどの発光に関わる添加物である。第2の内部クラッド18は、第1の内部クラッド12と同じ添加物が添加されている材料を用いることで、第2の励起光6を吸収して、第1の励起光4に対する利得を発生させることができる。
この実施の形態2では、コア11の屈折率がn、第1の内部クラッド12の屈折率がn11、第2の内部クラッド18の屈折率がn12、第1の外部クラッド13の屈折率がn21及び第2の外部クラッド14の屈折率がn22であるとする。これらの屈折率n,n11,n21,n22は、一般的なダブルクラッド型の導波路と同様に、以下の式(3)(4)を満たすように設定されている。
> n11 >> n21 (3)
> n12 >> n22 (4)
この実施の形態2では、第2の内部クラッド18が、図1に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3に適用される例を説明するが、第2の内部クラッド18が、図2又は図3に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3に適用されるようにしてもよい。
次に、平面導波路3を含むレーザ増幅器の動作について説明する。
励起光源5は、第2の励起光6を平面導波路3に出射する。
励起光源5から出射された第2の励起光6は、平面導波路3における第1の内部クラッド12、コア11及び第2の内部クラッド18に入射される。
第1の内部クラッド12は、励起光源5から出射された第2の励起光6が入射されると、上記実施の形態1と同様に、第2の励起光6を吸収して反転分布を形成し、輻射遷移によって、第1の励起光4に対する利得を発生する。
第1の内部クラッド12は、利得を発生した第1の励起光4を放出する。第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4は、コア11に入射される。
第2の内部クラッド18は、励起光源5から出射された第2の励起光6が入射されると、第1の内部クラッド12と同様に、第2の励起光6を吸収して反転分布を形成し、輻射遷移によって、第1の励起光4に対する利得を発生する。
第2の内部クラッド18は、利得を発生した第1の励起光4を放出する。第2の内部クラッド18から放出された第1の励起光4は、コア11に入射される。
信号光源1は、信号光2を平面導波路3に出射する。
平面導波路3の端面に配置されている第1の誘電体多層膜15は、信号光源1から出射された信号光2を透過させる。第1の誘電体多層膜15を透過した信号光2は、平面導波路3のコア11に入射される。
コア11は、第1の内部クラッド12及び第2の内部クラッド18のそれぞれから放出された第1の励起光4が入射されると、第1の励起光4を吸収して反転分布を形成し、輻射遷移によって、信号光2に対する利得を発生する。
コア11は、信号光2が入射されると、信号光2を増幅する。
平面導波路3の端面に配置されている第2の誘電体多層膜16は、コア11により増幅された信号光2を透過させる。第2の誘電体多層膜16を透過した信号光2は、平面導波路3の外部に出射される。
ここで、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16のそれぞれは、上記実施の形態1と同様に、第1の励起光4の波長を含む波長帯で高反射率を有する多層膜が用いられる。このため、第1の励起光4は、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16によって反射されるため、第1の誘電体多層膜15と第2の誘電体多層膜16との間で、コア11、第1の内部クラッド12及び第2の内部クラッド18の領域を伝搬されながら、往復される。
第1の励起光4は、第1の内部クラッド12及び第2の内部クラッド18をそれぞれ伝搬されているとき、第1の内部クラッド12及び第2の内部クラッド18によって利得がそれぞれ与えられるため、レーザ発振する。
レーザ発振している第1の励起光4は、平面導波路3の外部に放出されることなく、第1の誘電体多層膜15と第2の誘電体多層膜16との間で、コア11、第1の内部クラッド12及び第2の内部クラッド18の領域を伝搬されているとき、コア11に吸収される。
コア11は、第1の励起光4を吸収することで、信号光2に対する利得を発生するため、信号光源1から出射された信号光2が入射されると、信号光2を増幅する。
このとき、信号光2の波長と近い波長帯において、レーザ発振が発生すると、コア11に蓄えられているエネルギーである信号光2に対する利得が浪費されてしまうため、信号光2の増幅効率を高めるには、信号光2の波長と近い波長帯での寄生発振を防ぐ必要がある。
この実施の形態2では、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16は、信号光2の波長と近い波長帯として、信号光2の波長を含む波長帯において、高透過率である多層膜が用いられるため、信号光2の波長と近い波長帯は、第1の誘電体多層膜15又は第2の誘電体多層膜16を透過して、平面導波路3の外部に放出される。このため、信号光2の波長と近い波長帯での寄生発振を防ぐことができる。
上記実施の形態1では、第1の励起光4を高NAで閉じ込めるために、コア11の上下の層である第1の内部クラッド12と第2の外部クラッド14の屈折率が非対称である例を示している。
この実施の形態2では、コア11と第2の外部クラッド14との間に第2の内部クラッド18が接合されるようにしているので、コア11の上下の層である第1の内部クラッド12と第2の内部クラッド18の屈折率を対称、または、対称に近づけることが可能である。
第1の内部クラッド12の屈折率と、第2の内部クラッド18の屈折率とを同じにすることで、平面導波路3を伝搬する信号光2であるビームのプロファイルが、y方向に対称形となり、平面導波路3から出射される信号光2であるビームの品質が改善される。
この実施の形態2では、第1の内部クラッド12の材料と第2の内部クラッド18の材料とが異なっている場合には、双方の材料に同じ添加物が添付されているものを想定している。第1の内部クラッド12の材料と第2の内部クラッド18の材料とが異なる場合、第1の内部クラッド12と第2の内部クラッド18のそれぞれが、互いに異なる機能をコア11に付加することが可能となる。
例えば、第1の内部クラッド12の材料がガラス、第2の内部クラッド18の材料が複屈折結晶である場合、ガラスは、比較的屈折率の調整が容易であるため、第1の内部クラッド12の屈折率をコア11の屈折率と近い値に設定することで、コア11をシングルモード化することが可能となる。
複屈折結晶は、偏光毎に異なる伝搬定数を持たせることができるため、平面導波路3に偏光保持機能を付与することが可能となる。
実施の形態3.
上記実施の形態2では、コア11と第2の外部クラッド14との間に、第2の励起光を吸収して反転分布を形成することで、第1の励起光を放出する第2の内部クラッド18が接合されている例を示している。
この実施の形態3では、コア11と第2の外部クラッド14との間に、第1の励起光4及び第2の励起光6を透過させて、信号光2を反射する第2の内部クラッド19が接合されている例を説明する。
図5は、実施の形態3による平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。図5において、図1と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
第2の内部クラッド19は、コア11と第2の外部クラッド14との間に接合されている。
第2の内部クラッド19は、第1の内部クラッド12から放出された第1の励起光4及び励起光源5から出射された第2の励起光6のそれぞれを透過させて、信号光を反射する平板状の部材である。
第2の内部クラッド19の材料としては、第1の内部クラッド12に添加されている添加物と同じ添加物が添加されておらず、第1の励起光4及び第2の励起光6のそれぞれを透過させる材質の材料が用いられる。
この実施の形態3では、第2の内部クラッド19が、図1に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3に適用される例を説明するが、第2の内部クラッド19が、図2又は図3に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3に適用されるようにしてもよい。
第2の内部クラッド19は、上記実施の形態2における第2の内部クラッド18と異なり、第2の励起光6を吸収する機能及び第1の励起光4を放出する機能を有していない。
平面導波路3が、第2の内部クラッド19を備えることで、平面導波路3における第2の励起光6の吸収率を調整することができる。
例えば、第1の内部クラッド12が、添加物として、Tmが添加されている材料で形成されている場合、Tmは、三準位であるため、第2の励起光6が弱い条件では、第1の励起光4を吸収してしまう。
Tmによる第2の励起光6の吸収が大き過ぎて、平面導波路3の内部に第2の励起光6が到達しない領域ができてしまうと、第1の励起光4の吸収が発生して、効率の低下を招いてしまう。
この実施の形態3では、平面導波路3が、第2の励起光6を吸収しない第2の内部クラッド19を備えているため、単位長さ当りの第2の励起光6の吸収率を下げて、平面導波路3の内部に第2の励起光6が届くようにすることができる。この単位長さ当りの第2の励起光6の吸収率は、第1の内部クラッド12の厚さと、第2の内部クラッド19の厚さとの比を変えることで調整可能である。
実施の形態4.
上記実施の形態1では、平面導波路3における2つの端面に、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16のそれぞれを配置することで、コア11の寄生発振を防止する例を説明している。
この実施の形態4では、上記実施の形態1よりも更に、コア11の寄生発振の防止効果が高いレーザ増幅器について説明する。
図6は、実施の形態4による平面導波路を含むレーザ増幅器を示す構成図である。図6において、図1と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
端面21は、平面導波路3における2つの端面のうち、図中左側の端面である。
端面22は、平面導波路3における2つの端面のうち、図中右側の端面である。
垂直面23,24は、コア11、第1の内部クラッド12、第1の外部クラッド13及び第2の外部クラッド14におけるそれぞれの平面と垂直な面であり、y軸方向と平行である。
端面21,22は、コア11を伝搬している信号光2が端面21,22に反射された際に、信号光2がコア11から漏出し、第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間を伝搬している第1の励起光4が端面21,22に反射された際に、第1の励起光4が第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間に留まるように、垂直面23,24から傾いている。
この実施の形態4では、端面21と垂直面23との角度がθであり、端面22と垂直面24との角度がθである。
第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16のそれぞれは、信号光2の波長を含む波長帯の光を透過させているので、コア11の寄生発振を防止している。
しかし、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16において、信号光2の波長の近傍の波長帯における反射率は、有限の値である。そのため、コア11における信号光2の利得が大きい場合には、コア11の寄生発振を生じる可能性がある。
コア11の寄生発振が生じるか否かは、コア11における信号光2の利得と、第1の誘電体多層膜15及び第2の誘電体多層膜16による寄生発振の防止効果とのバランスで決まる。
この実施の形態4では、上記実施の形態1よりも、寄生発振の防止効果を高めて、より大きな利得を有するレーザ増幅器を得ることができるようにするため、平面導波路3における2つの端面21,22を、垂直面23,24から傾けている。
コア11を伝搬している信号光2が端面21,22に反射された際に、信号光2がコア11から漏出されるように、平面導波路3における2つの端面21,22を、垂直面23,24から傾けることで、端面21,22に反射された信号光2が再度コア11に入射されること、即ち、端面21,22に反射された信号光2がコア11と再結合されることを防ぐことができる。
ただし、第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間を伝搬している第1の励起光4が端面21,22に反射された際に、第1の励起光4が第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間から漏出されてしまうと、コア11での信号光2に対する利得が減少してしまう。
第1の励起光4が第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間に留まるようにするには、端面21,22と垂直面23,24との角度θ,θが大き過ぎないようにする必要がある。
端面21,22と垂直面23,24との角度θ,θは、以下の条件(1)を満していれば、コア11への信号光2の再結合を防止することができる。
[条件(1)]
arccos(n11/n)<θ
arccos(n11/n)<θ
条件(1)において、nは、コア11の屈折率、n11は、第1の内部クラッド12の屈折率である。
また、端面21,22と垂直面23,24との角度θ,θは、以下の条件(2)を満していれば、第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間からの第1の励起光4の漏出を防止することができる。
[条件(2)]
θ<arccos(n21/n11
θ<arccos(n22/n
θ<arccos(n21/n11
θ<arccos(n22/n
条件(2)において、n21は、第1の外部クラッド13の屈折率、n22は、第2の外部クラッド14の屈折率である。
例えば、コア11の屈折率がn=1.533、第1の内部クラッド12の屈折率がn11=1.530、第1の外部クラッド13の屈折率がn21=1.470、第2の外部クラッド14の屈折率がn22=1.470である場合、角度θ,θとして、3.585073〜16.09893の角度に設定すれば、信号光2の再結合と第1の励起光4の漏出とを防止することができる。
以上の実施の形態4は、端面21,22は、コア11を伝搬している信号光2が端面21,22に反射された際に、信号光2がコア11から漏出し、第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間を伝搬している第1の励起光4が端面21,22に反射された際に、第1の励起光4が第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間に留まるように、垂直面23,24から傾いている。したがって、上記実施の形態1よりも、寄生発振の防止効果を高めて、より大きな利得を有するレーザ増幅器を得ることができる。
この実施の形態4では、図1に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3における2つの端面21,22が、垂直面23,24から傾けられている例を示しているが、上記実施の形態2における図4に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3における2つの端面21,22が、垂直面23,24から傾けられているようにしてもよい。
図4に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3は、第2の内部クラッド18を備えているので、端面21,22と垂直面23,24との角度θ,θは、以下の条件(3)を満しているとき、コア11への信号光2の再結合を防止することができる。
[条件(3)]
arccos(n11/n)<θ
arccos(n12/n)<θ
arccos(n11/n)<θ
arccos(n12/n)<θ
条件(3)において、n12は、第2の内部クラッド18の屈折率である。
また、端面21,22と垂直面23,24との角度θ,θは、以下の条件(4)を満しているとき、第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間からの第1の励起光4の漏出を防止することができる。
[条件(4)]
θ<arccos(n21/n11
θ<arccos(n22/n12
θ<arccos(n21/n11
θ<arccos(n22/n12
この実施の形態4では、図1に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3における2つの端面21,22が、垂直面23,24から傾けられている例を示しているが、上記実施の形態3における図5に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3における2つの端面21,22が、垂直面23,24から傾けられているようにしてもよい。
図5に示すレーザ増幅器に含まれる平面導波路3は、第2の内部クラッド19を備えているので、端面21,22と垂直面23,24との角度θ,θは、以下の条件(5)を満しているとき、コア11への信号光2の再結合を防止することができる。
[条件(5)]
arccos(n11/n)<θ
arccos(n13/n)<θ
arccos(n11/n)<θ
arccos(n13/n)<θ
条件(5)において、n13は、第2の内部クラッド19の屈折率である。
また、端面21,22と垂直面23,24との角度θ,θは、以下の条件(6)を満しているとき、第1の外部クラッド13と第2の外部クラッド14との間からの第1の励起光4の漏出を防止することができる。
[条件(6)]
θ<arccos(n21/n11
θ<arccos(n22/n13
θ<arccos(n21/n11
θ<arccos(n22/n13
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。
この発明は、第1の励起光を吸収して反転分布を形成することで、信号光を増幅する平板状のコアを備える平面導波路に適している。
また、この発明は、平面導波路を備えるレーザ増幅器に適している。
1 信号光源、2 信号光、3 平面導波路、4 第1の励起光、5 励起光源、6 第2の励起光、11 コア、12 第1の内部クラッド、13 第1の外部クラッド、14 第2の外部クラッド、15 第1の誘電体多層膜、16 第2の誘電体多層膜、17 ヒートシンク、18 第2の内部クラッド、19 第2の内部クラッド、21,22 端面、23,24 垂直面。

Claims (12)

  1. 第1の励起光を吸収して反転分布を形成することで、信号光を増幅する平板状のコアと、
    前記コアにおける2つの平面のうちの一方の平面に接合されており、第2の励起光を吸収して反転分布を形成することで、前記第1の励起光を放出し、かつ、前記信号光を反射する平板状の第1の内部クラッドと、
    前記第1の内部クラッドにおける2つの平面のうち、前記コアが接合されている平面と反対側の平面に接合されており、前記第1の励起光を反射する平板状の第1の外部クラッドと、
    前記コアにおける2つの平面のうち、前記第1の内部クラッドが接合されている平面と反対側の平面に接合されており、前記第1の励起光及び前記信号光のそれぞれを反射する平板状の第2の外部クラッドと、
    前記コアと、前記第1の内部クラッドと、前記第1及び第2の外部クラッドとにおける2つの端面のうちの一方の端面に配置され、前記信号光の波長を含む波長帯の光を透過させて、前記第1の励起光を反射する第1の誘電体多層膜と、
    前記2つの端面のうちの他方の端面に配置され、前記信号光の波長を含む波長帯の光を透過させて、前記第1の励起光を反射する第2の誘電体多層膜と
    を備えた平面導波路。
  2. 前記第2の外部クラッドにおける2つの平面のうち、前記コアが接合されている平面と反対側の平面に、前記コア又は前記第1の内部クラッドで生じている熱を排出するヒートシンクが配置されていることを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
  3. 前記第1の外部クラッドにおける2つの平面のうち、前記第1の内部クラッドが接合されている平面と反対側の平面に、前記コア又は前記第1の内部クラッドで生じている熱を排出するヒートシンクが配置されていることを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
  4. 前記コアと前記第2の外部クラッドとの間に接合されており、前記第2の励起光を吸収して反転分布を形成することで、前記第1の励起光を放出し、かつ、前記信号光を反射する平板状の第2の内部クラッドを備えたことを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
  5. 前記コアと前記第2の外部クラッドとの間に接合されており、前記第1及び第2の励起光を透過させて、前記信号光を反射する平板状の第2の内部クラッドを備えたことを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
  6. 前記2つの端面は、前記コアを伝搬している前記信号光が当該端面に反射された際に、前記信号光が前記コアから漏出し、前記第1の外部クラッドと前記第2の外部クラッドとの間を伝搬している前記第1の励起光が当該端面に反射された際に、前記第1の励起光が前記第1の外部クラッドと前記第2の外部クラッドとの間に留まるように、前記コア、前記第1の内部クラッド、前記第1の外部クラッド及び前記第2の外部クラッドにおけるそれぞれの平面と垂直な面から傾いていることを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
  7. 前記2つの端面のうちの一方の端面と前記垂直な面との角度θと、前記2つの端面のうちの他方の端面と前記垂直な面との角度θとは、
    前記コアの屈折率がn、前記第1の内部クラッドの屈折率がn11、前記第1の外部クラッドの屈折率がn21及び前記第2の外部クラッドの屈折率がn22であれば、以下の条件を満していることを特徴とする請求項6記載の平面導波路。
    [条件]
    arccos(n11/n)<θ
    arccos(n11/n)<θ
    θ<arccos(n21/n11
    θ<arccos(n22/n
    θ<arccos(n21/n11
    θ<arccos(n22/n
  8. 前記2つの端面は、前記コアを伝搬している前記信号光が当該端面に反射された際に、前記信号光が前記コアから漏出し、前記第1の外部クラッドと前記第2の外部クラッドとの間を伝搬している前記第1の励起光が当該端面に反射された際に、前記第1の励起光が前記第1の外部クラッドと前記第2の外部クラッドとの間に留まるように、前記コア、前記第1の内部クラッド、前記第2の内部クラッド、前記第1の外部クラッド及び前記第2の外部クラッドにおけるそれぞれの平面と垂直な面から傾いていることを特徴とする請求項4記載の平面導波路。
  9. 前記2つの端面のうちの一方の端面と前記垂直な面との角度θと、前記2つの端面のうちの他方の端面と前記垂直な面との角度θとは、
    前記コアの屈折率がn、前記第1の内部クラッドの屈折率がn11、前記第2の内部クラッドの屈折率がn12、前記第1の外部クラッドの屈折率がn21及び前記第2の外部クラッドの屈折率がn22であれば、以下の条件を満していることを特徴とする請求項8記載の平面導波路。
    [条件]
    arccos(n11/n)<θ
    arccos(n12/n)<θ
    arccos(n11/n)<θ
    arccos(n12/n)<θ
    θ<arccos(n21/n11
    θ<arccos(n22/n12
    θ<arccos(n21/n11
    θ<arccos(n22/n12
  10. 前記2つの端面は、前記コアを伝搬している前記信号光が当該端面に反射された際に、前記信号光が前記コアから漏出し、前記第1の外部クラッドと前記第2の外部クラッドとの間を伝搬している前記第1の励起光が当該端面に反射された際に、前記第1の励起光が前記第1の外部クラッドと前記第2の外部クラッドとの間に留まるように、前記コア、前記第1の内部クラッド、前記第2の内部クラッド、前記第1の外部クラッド及び前記第2の外部クラッドにおけるそれぞれの平面と垂直な面から傾いていることを特徴とする請求項5記載の平面導波路。
  11. 前記2つの端面のうちの一方の端面と前記垂直な面との角度θと、前記2つの端面のうちの他方の端面と前記垂直な面との角度θとは、
    前記コアの屈折率がn、前記第1の内部クラッドの屈折率がn11、前記第2の内部クラッドの屈折率がn13、前記第1の外部クラッドの屈折率がn21及び前記第2の外部クラッドの屈折率がn22であれば、以下の条件を満していることを特徴とする請求項10記載の平面導波路。
    [条件]
    arccos(n11/n)<θ
    arccos(n13/n)<θ
    arccos(n11/n)<θ
    arccos(n13/n)<θ
    θ<arccos(n21/n11
    θ<arccos(n22/n13
    θ<arccos(n21/n11
    θ<arccos(n22/n13
  12. 信号光を出射する信号光源と、
    第1の励起光を吸収して反転分布を形成することで、前記信号光源から出射された信号光を増幅する平板状のコアと、
    前記コアにおける2つの平面のうちの一方の平面に接合されており、第2の励起光を吸収して反転分布を形成することで、前記第1の励起光を放出し、かつ、前記信号光を反射する平板状の第1の内部クラッドと、
    前記第1の内部クラッドにおける2つの平面のうち、前記コアが接合されている平面と反対側の平面に接合されており、前記第1の励起光を反射する平板状の第1の外部クラッドと、
    前記コアにおける2つの平面のうち、前記第1の内部クラッドが接合されている平面と反対側の平面に接合されており、前記第1の励起光及び前記信号光のそれぞれを反射する平板状の第2の外部クラッドと、
    前記コアと、前記第1の内部クラッドと、前記第1及び第2の外部クラッドとにおける2つの端面のうちの一方の端面に配置され、前記信号光の波長を含む波長帯の光を透過させて、前記第1の励起光を反射する第1の誘電体多層膜と、
    前記2つの端面のうちの他方の端面に配置され、前記信号光の波長を含む波長帯の光を透過させて、前記第1の励起光を反射する第2の誘電体多層膜と
    を備えたレーザ増幅器。
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