JP6811898B1 - 平面導波路型増幅器およびレーザレーダ装置 - Google Patents

平面導波路型増幅器およびレーザレーダ装置 Download PDF

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Abstract

平面導波路型増幅器（１）は、平板状のコア（７１）と、コア（７１）の第１の主面に設けられた第１のクラッド（７２）と、コア（７１）の第２の主面に設けられた第２のクラッド（７２）を有した平面導波路（７）を備え、信号光（Ａ）および励起光（Ｂ）が、コア（７１）の内部において互いの光路が重なりジグザグに伝搬するように平面導波路（７）に入射され、コア（７１）は、三準位系の活性イオンとなる希土類元素を含む増幅媒体であり、励起光（Ｂ）の強度の低下に応じて信号光（Ａ）を吸収する。

Description

本開示は、平面導波路型増幅器およびこれを備えたレーザレーダ装置に関する。
平面導波路型増幅器は、平板状の光導波路（以下、平面導波路と記載する）に伝送された光を増幅する光増幅器である。例えば、特許文献１には、平面導波路の内部で信号光を複数回反射させながら伝搬させる光増幅器が記載されている。特許文献１に記載された光増幅器において、平面導波路内のコアが励起光によって励起され、信号光が、励起されたコア内で複数回反射しながら伝搬する。これにより、信号光は増幅される。
また、特許文献１に記載された光増幅器において、励起光は、平面導波路内のコア全体を励起しており、コア内で信号光が通過しない部分も励起される。コア内で信号光が通過しない部分は信号光の増幅に寄与しないため、励起光のエネルギーが信号光の増幅に使用可能なエネルギーに変換される効率が低下する。
例えば、光導波路は、信号光の伝送方向に伸長したコアを有しており、コア内で信号光が通過しない部分では、励起光のエネルギーが当該コアに蓄えられ、利得を持った状態となる。一方、光導波路内で信号光が通過する部分では、コアに蓄えられていたエネルギーが信号光の増幅に使用されるので、信号光が通過しない部分との間で相対的な利得が低下する。
光導波路内で信号光が通過しない部分では、前述したように利得を持った状態になっている。このため、コア全体から自然放出される自然放出光、あるいは信号光の一部が散乱した散乱光が、光導波路内の信号光が通過しない部分において増幅されると、自然放出増幅光（以下、ＡＳＥと記載する）が発生するか、寄生発振が起こる。ＡＳＥと寄生発振はいずれも増幅器の出力を制限する要因となる。平面導波路型増幅器がレーザレーダ装置に使用された場合、強いＡＳＥの存在は、レーザレーダ装置における信号対雑音比（以下、Ｓ／Ｎ比と記載する）の劣化要因となる。
特開２０１２−１６０６４５号公報
従来の光増幅器は、励起光によって光導波路内で信号光が通過しない部分も励起されることによりＡＳＥが発生するので、レーザレーダ装置に使用された場合にＳ／Ｎ比が低下するという課題があった。
本開示は上記課題を解決するものであり、ＡＳＥの発生を抑制することができる平面導波路型増幅器およびこれを備えたレーザレーダ装置を得ることを目的とする。
本開示に係る平面導波路型増幅器は、励起光によって励起された状態で信号光を増幅する平板状のコアと、コアにおける第１の主面に設けられ、コアから伝搬してき光を当該コアへ反射する第１のクラッドと、コアにおける第１の主面とは反対側の第２の主面に設けられ、コアから伝搬してきた光を当該コアへ反射する第２のクラッドとを有した平面導波路を備え、信号光および励起光は、コアの内部において互いの光路が重なりかつ互いに逆方向でジグザグに伝搬し、かつコアの内部に信号光および励起光が通過しない部分を形成するように平面導波路に入射され、コアは、三準位系の活性イオンとなる希土類元素を含み、励起光が通過しない部分において信号光の散乱光および自然放出増幅光を吸収する増幅媒体である。
本開示によれば、平板状のコアと、コアの第１の主面に設けられた第１のクラッドと、コアの第２の主面に設けられた第２のクラッドを有した平面導波路を備え、信号光および励起光が、コアの内部において互いの光路が重なりジグザグに伝搬するように平面導波路に入射され、コアは、三準位系の活性イオンとなる希土類元素を含む増幅媒体であり、励起光の強度の低下に応じて信号光を吸収する。これにより、平面導波路において信号光が通過しない部分が励起され難くなり、平面導波路における励起光の強度が低い部分では、コアによって信号光の散乱光が吸収されるので、本開示に係る平面導波路型増幅器は、ＡＳＥの発生を抑制することができる。
実施の形態１に係る平面導波路型増幅器の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る平面導波路型増幅器が有する平面導波路の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る平面導波路型増幅器の第１の変形例の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る平面導波路型増幅器の第２の変形例の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る平面導波路型増幅器の第３の変形例の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る平面導波路型増幅器の第４の変形例の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る平面導波路型増幅器が有する平面導波路の構成を示す断面図である。 実施の形態３に係るレーザレーダ装置の構成例を示すブロック図である。
実施の形態１．
以下に説明する実施の形態において、平板状の光導波路は、光学的な特性を有する物質（以下、光学材料と記載する）で作成され、光が伝搬する伝送路である。また、光導波路は、光を伝搬するだけでなく、光の伝搬に必要な電気素子および光路を分岐または結合するための構造が組み込まれている。以下の説明において、光導波路の「構造」という用語は、光導波路の寸法といった機械的な構造に加え、使用される光学材料およびその特性も含む概念で用いられる。また、「平板状」という用語には、シート状の形状も含まれる。
図１は、実施の形態１に係る平面導波路型増幅器１の構成を示すブロック図である。平面導波路型増幅器１は、信号光Ａを増幅する増幅器であり、図１に示すように、信号光源２、入射光学系３、出射光学系４、波長分離フィルタ５、励起光源６および平面導波路７を備える。信号光源２は、信号光Ａを出射する光源である。励起光源６は、励起光Ｂを出射する光源である。平面導波路７は、全反射膜８、全反射膜９、全反射膜１０、反射防止膜１１および反射防止膜１２を備える。
入射光学系３は、信号光源２から伝搬してきた信号光Ａを平面導波路７に結合させる光学系である。また、入射光学系３は、平面導波路７から伝搬してきた反射光またはＡＳＥが信号光源２に入射されないように、その光路を変更する。入射光学系３には、例えば、シリンドリカルレンズおよびアイソレータが用いられ、シリンドリカルレンズによって信号光Ａが平面導波路７へ入射され、信号光源２へ向かう励起光Ｂがアイソレータによって分離される。
全反射膜８と全反射膜９は、図１に示すように、平面導波路７において対向して配置され、全反射膜１０は、平面導波路７の内部において光の往路と帰路が切り替わる切り替え位置に配置されている。反射防止膜１１は、平面導波路７における信号光Ａの入射部分に配置され、反射防止膜１２は、平面導波路７における励起光Ｂの入射部分に配置される。
信号光源２から出射された信号光Ａは、入射光学系３によって平面導波路７に導かれ、反射防止膜１１を通って平面導波路７に入射される。信号光Ａは、平面導波路７の内部において、全反射膜８、全反射膜９および全反射膜１０をそれぞれ反射しながらジグザグな光路で励起光Ｂとは逆方向に伝搬する。信号光Ａは、全反射膜９に対して角度θ９で入射され、全反射膜８に対して角度θ８で入射され、全反射膜１０に対して角度θ１０で入射される。信号光Ａは、全反射膜１０において反射することで往路と帰路が切り替わり、出射側へ伝搬する。
出射光学系４は、励起光源６から伝搬してきた励起光Ｂを平面導波路７に結合させる光学系である。例えば、出射光学系４は、励起光源６から出射された光をコリメートするシリンドリカルレンズによって構成される。波長分離フィルタ５は、信号光Ａを透過し、励起光Ｂを反射することで、信号光Ａの波長と励起光Ｂの波長とを分離する。平面導波路７から出射された信号光Ａは、波長分離フィルタ５を透過して取り出される。
励起光源６から出射された励起光Ｂは、波長分離フィルタ５によって平面導波路７に導かれ、反射防止膜１２を通って平面導波路７に入射される。励起光Ｂは、平面導波路７の内部において、全反射膜８、全反射膜９および全反射膜１０をそれぞれ反射しながら、ジグザグな光路で信号光Ａとは逆方向に伝搬する。なお、励起光Ｂは、全反射膜８に対して角度θ８で入射され、全反射膜９に対して角度θ９で入射され、全反射膜１０に対して角度θ１０で入射される。励起光Ｂは、全反射膜１０において反射することで往路と帰路が切り替わり、出射側へ伝搬する。
信号光Ａおよび励起光Ｂは、平面導波路７の内部において、互いの伝搬光路が重なっている。信号光Ａの伝搬光路と励起光Ｂの伝搬光路が重なる状態は、例えば、互いの光路の光軸が一致している状態に加え、互いの光軸が多少ずれた状態も含まれる。例えば、伝搬光路上の同一位置に信号光Ａと励起光Ｂとが存在すると仮定した場合、この位置における信号光Ａのビーム断面と励起光Ｂのビーム断面が互いの光軸を含んで重なる範囲であればよい。
信号光Ａの伝搬光路と励起光Ｂの伝搬光路とが重なっているので、平面導波路７の内部において信号光Ａが通過しない部分が励起され難くなっている。これにより、自然放出光または信号光Ａの一部が散乱した散乱光が、信号光Ａが通過しない部分で増幅され難い。このため、平面導波路型増幅器１は、ＡＳＥの発生が抑制され、励起光Ｂのエネルギーを効率よく信号光Ａの増幅に使用できる。
なお、全反射膜８、全反射膜９および全反射膜１０は、信号光Ａおよび励起光Ｂの両方を反射する反射膜である。信号光Ａおよび励起光Ｂの両方を反射する反射膜は、信号光Ａを反射して励起光Ｂを透過する波長分離膜に比べて、構造が単純でかつ成膜が容易であるため、低コスト化が可能であり、また反射特性の信頼性も優れている。
図２は、平面導波路型増幅器１が有する平面導波路７の構成を示す断面図である。平面導波路７は、図２に示すように、コア７１、第１のクラッド７２、第２のクラッド７３およびヒートシンク１００を備える。コア７１は、励起光Ｂによって励起されることで信号光Ａを増幅する平板状のコアである。
第１のクラッド７２は、コア７１の第１の主面に接合されて設けられ、コア７１を伝搬してき光をコア７１の内部へ反射する。第２のクラッド７３は、コア７１における第１の主面とは反対側の第２の主面に接合されて設けられ、コア７１を伝搬してきた光をコア７１の内部へ反射する。
コア７１の屈折率ｎ７１と全反射膜８に対する光の角度θ８が下記式（１）に示す全反射条件を満たす場合、平面導波路７は、全反射膜８を有していなくてもよい。また、コア７１の屈折率ｎ７１と全反射膜９に対する光の角度θ９が下記式（１）に示す全反射条件を満たす場合、平面導波路７は、全反射膜９を有していなくてもよい。コア７１の屈折率ｎ７１と全反射膜１０に対する光の角度θ１０が下記式（１）に示す全反射条件を満たす場合、平面導波路７は、全反射膜１０を有していなくてもよい。ただし、下記式（１）において、空気の屈折率は、１（下記式（１）の右辺における分子の値）である。
ｓｉｎθ≧１／ｎ７１ ・・・（１）
コア７１が光の全反射条件を満たす場合、平面導波路７に全反射膜を設ける工程が省略される。コア７１が光の全反射条件を満たす平面導波路７においては、全反射膜を設ける代わりに、表面に保護コーティングを施すことができる。例えば、リン酸ガラスは、吸湿性を持つ欠点があるが、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、ＮｄおよびＨｏといった希土類元素が高濃度に添加されても特性が劣化しにくいという特徴を有する。そのため、希土類元素を高濃度に添加したリン酸ガラスをコア７１に使用することで、平面導波路型増幅器１は高い増幅率を得ることができる。しかし、リン酸ガラスは吸湿性があるため、大気に暴露されることで光学特性が劣化してしまう。コア７１の広い２つの主面には、第１のクラッド７２と第２のクラッド７３とが接合されているため、大気への暴露を防ぐためには側面に保護コーティングを施すことが有効である。この保護コーティングのコーティング材料としてＳｉＯ２薄膜などが使用可能である。
コア７１には、例えば、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、ＮｄおよびＨｏといった希土類元素が添加されたガラス、Ｎｄ：ＹＶＯ４といった希土類が添加された結晶、Ｙｂ：ＹＡＧといった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またはＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅといった遷移金属が添加された結晶が用いられる。これらの光学材料のいずれかを含むコア７１は、励起光Ｂを吸収して反転分布を形成し、輻射遷移により利得を発生する利得発生部材である。
Ｅｒ、ＹｂおよびＴｍといった希土類元素が添加されたコア７１は、いわゆる三準位系の増幅媒質である。これらの希土類元素は、励起されると三準位系の活性イオンとなる。三準位系の活性イオンは、信号光Ａの増幅において３つのエネルギー準位に遷移する活性イオンである。このような希土類元素が添加されたコア７１では、信号光Ａの増幅に十分な強度の励起光Ｂを吸収していれば信号光Ａを増幅し、励起光Ｂの強度が信号光Ａよりも小さくなるか、あるいは励起光Ｂが存在しなくなると、信号光Ａを吸収する。以下、コア７１が、ＥｒとＹｂが共添加されたガラスであるものとする。
第１のクラッド７２および第２のクラッド７３は、信号光源２から出射された信号光Ａと励起光源６から出射された励起光Ｂとに対して透明な平板状の光学材料である。第１のクラッド７２および第２のクラッド７３は、例えば、材料に光学ガラスを用いてもよい。第１のクラッド７２および第２のクラッド７３には、通常、同じ光学材料が用いられる。ただし、第１のクラッド７２および第２のクラッド７３には、互いに異なる光学材料を用いることができる。
第１のクラッド７２および第２のクラッド７３には、屈折率がコア７１よりも低い光学材料が使用される。これにより、信号光Ａは、コア７１と第１のクラッド７２との界面で全反射され、コア７１と第２のクラッド７３との界面で全反射されて、コア７１の内部に閉じ込められた状態で伝搬する。
第１のクラッド７２または第２のクラッド７３のうちの少なくとも一方は、コア７１に近い屈折率の光学材料によって形成される。コア７１には、シングルモードまたは少数のモードの信号光Ａが伝搬される。例えば、コア７１の屈折率ｎ７１が１．５３０であり、第１のクラッド７２の屈折率と第２のクラッド７３の屈折率がともに１．５２７であり、コア７１の厚みが７μｍである場合、波長１．５５μｍ（１５５０ｎｍ）の光がシングルモードで伝搬する。
コア７１、第１のクラッド７２および第２のクラッド７３のそれぞれの屈折率が前述の値である平面導波路７には、通常、シングルモードまたは少数のモードの励起光Ｂが伝搬される。この場合、励起光源６には、シングルモード光源といったビーム品質のよい光源が必要である。高出力のシングルモード光源は、通常高価である。ただし、コア７１が、ＥｒとＹｂが共添加されたガラスによって構成される場合、励起光源６として、例えば、Ｙｂ添加ファイバレーザを用いることができる。Ｙｂ添加ファイバレーザは、光ファイバのコアにＹｂが添加されたレーザであり、比較的安価でかつ高出力なシングルモード光源である。
信号光源２は、コア７１が利得を有する波長の光を、信号光Ａとして出射する。また、信号光源２は、図１において記載が省略されたレーザ光源、変調器、前置増幅器およびアイソレータを備える。第１のクラッド７２または第２のクラッド７３のうちの少なくとも一方がコア７１の屈折率に近い屈折率を有した材料で構成されている場合、信号光源２には、シングルモードまたはシングルモードに近い光を出射する、ビーム品質のよい光源が使用される。
コア７１は、励起光Ｂを吸収することにより、信号光Ａを増幅するためのエネルギーが蓄積される。さらに、コア７１は、励起光Ｂの強度の低下に応じて信号光Ａを増幅せず、吸収するように構成されている。ただし、コア７１に入射されてから出射されるまでの間に励起光Ｂの強度が信号光Ａの強度よりも低下しないように、平面導波路７における光の伝搬長と単位長さ当たりの励起光Ｂの吸収率は調整されている。
ＥｒとＹｂが共添加されたガラスによって構成されたコア７１において、Ｙｂ（イッテルビウム）は励起光Ｂを主に吸収し、Ｅｒ（エルビウム）は信号光Ａを主に増幅する。平面導波路７は、例えばコア７１に含まれるＹｂの濃度を変えることにより、コア７１の単位長さ当たりの励起光Ｂの吸収率が調整されている。
また、コア７１の単位長さ当たりの励起光Ｂの吸収率は、励起光Ｂの波長に応じて変化する。例えば、目的の波長の励起光Ｂを出射する励起光源６を選択することで、コア７１の単位長さ当たりの励起光Ｂの吸収率が調整されている。なお、平面導波路型増幅器１において、コア７１の材料と励起光源６との組み合わせは、前述したものに限定されるものではない。
例えば、コア７１にＥｒを含む平面導波路型増幅器１においては、信号光Ａとして波長１５５０ｎｍの光が使用され、励起光Ｂとして波長１４８０ｎｍの光が使用される場合がある。この場合、波長が互いに異なる２つの光を分離または結合する誘電体多層膜を平面導波路７に形成することが考えられる。
しかしながら、波長１５５０ｎｍと波長１４８０ｎｍのように、波長が近い２つの光を分離する誘電体多層膜は、膜数が多く膜応力が高まりやすい。このため、誘電体多層膜が形成された平面導波路７には、膜応力に起因した変形または割れが発生しやすくなる。
平面導波路型増幅器１においては、平面導波路７とは別に波長分離フィルタ５を備えているので、平面導波路７には、信号光Ａと励起光Ｂの両方を反射する全反射膜８、全反射膜９および全反射膜１０が必要である。全反射膜８、全反射膜９および全反射膜１０は、信号光Ａと励起光Ｂの波長が近いほど容易に成膜が可能であり、量子欠損に起因した効率の低下も抑えることができる。
第１のクラッド７２および第２のクラッド７３には、コア７１の屈折率とは異なる屈折率を有した材料によって構成される場合がある。この場合、信号光Ａおよび励起光Ｂは、コア７１の内部において、ともに多数のモードで伝搬するので、平面導波路７は、マルチモードの導波路として機能する。
例えば、コア７１の屈折率が１．５３０であり、厚さが２０μｍであり、第１のクラッド７２および第２のクラッド７３の屈折率がともに１．４７である場合、波長１．５５μｍ（１５５０ｎｍ）の光がマルチモード伝搬する。これにより、励起光源６としてマルチモード光源が使用可能となる。例えば、レーザダイオードは、マルチモード光源であり、励起光源６として使用可能である。
平面導波路７を伝搬する光の強度が高い場合、コア７１が発熱することで高温となる。コア７１で発生した熱を排出するため、図２に示すように、平面導波路７における第２のクラッド７３にはヒートシンク１００が接合されている。平面導波路７における熱流密度をｊとし、熱伝導率をλとした場合に、平面導波路７における温度Ｔの変化は、下記式（２）で表すことができる。
ｊ＝−λｇｒａｄＴ ・・・（２）
平面導波路７における光の伝搬方向に温度は一様とみなせるので、上記式（２）において、平面導波路７の厚さ方向の座標をｚ軸座標とすると、ｚ軸方向の熱流密度ｊｚは下記式（３）で表すことができる。
ｊｚ＝−λ（ｄＴ／ｄｚ） ・・・（３）
例えば、第２のクラッド７３の熱伝導率がおよそ１であり、第２のクラッド７３の厚さが３０μｍである場合、第２のクラッド７３における、コア７１の第２の主面とその反対側の面との温度差が１度になるために必要な熱流密度は、３．３３×１０−２Ｗ／ｍｍ２である。これは、ヒートシンク１００の温度が一定であり、平面導波路７の面積が１０００ｍｍ２であると仮定した場合に、コア７１において３３．３Ｗの熱量が発生すると温度が１度上昇することを意味する。コア７１において最も広い面積を有する主面が、第２のクラッド７３を介してヒートシンク１００に対向しているので、コア７１で発生した熱はヒートシンク１００によって効率よく排出される。これにより、平面導波路７の温度上昇が抑えられる。
なお、ヒートシンク１００は、第１のクラッド７２におけるコア７１とは反対側の面に設けられてもよいし、第１のクラッド７２におけるコア７１とは反対側の面および第２のクラッド７３におけるコア７１とは反対側の面との両方に設けられてもよい。このように構成された平面導波路７においても、ヒートシンク１００によってコア７１で発生した熱が効率よく排出される。これにより、平面導波路７の温度上昇が抑えられる。
平面導波路７に入射された信号光Ａは、図２における紙面に垂直な方向で、コア７１と第１のクラッド７２および第２のクラッド７３との界面で全反射することにより平面導波路７の内部に閉じ込められる。また、図２における紙面に水平な方向には、信号光Ａは、コリメート光として自由伝搬する。従って、平面導波路７における信号光Ａは、一般的な光ファイバを伝搬する光と比較してビーム面積が大きく、光ファイバにおける光の出力の制限要因である非線形現象が抑制される。すなわち、平面導波路７は、光ファイバで実現できるピーク出力よりも高いピーク出力まで信号光Ａを増幅することができる。
コア７１における信号光Ａに対する単位長さ当たりの増幅率は、コア７１に使用される材料の誘導放出断面積、最小反転率および希土類イオンの濃度によって決定されている。希土類イオンの濃度は、反転率および増幅に寄与する。コア７１の反転率は、励起光Ｂの光子密度（輝度）に応じて高まる。ただし、コア７１の反転率には上限があり、最大が１である。
コア７１の反転率が高まると、希土類イオンの種類と濃度によっては、アップコンバージョンによる増幅効率の低下が発生する。また、誘導放出断面積と最小反転率は、希土類イオンの種類と信号光Ａの波長によって決定される。従って、信号光Ａの単位長さ当たりの増幅率には上限がある。平面導波路型増幅器１は、信号光Ａの増幅率を高めるために、コア７１の内部に信号光Ａを長距離伝搬させている。
平面導波路型増幅器１において、信号光Ａおよび励起光Ｂは、コア７１の内部で互いの光路が重なり、かつ互いに逆方向でジグザグに伝搬する。信号光Ａは、ジグザグな光路を伝搬するので、コア７１の内部を長距離伝搬する。励起光Ｂは、信号光Ａの光路と自身の光路とが重なっているので、信号光Ａと同様にコア７１の内部を長距離伝搬する。これにより、コア７１における信号光Ａの増幅率が向上する。
また、コア７１に入射されてから出射されるまでの励起光Ｂの光路において信号光Ａの増幅に十分な強度の励起光Ｂが吸収されるので、信号光Ａが効率よく増幅される。コア７１における信号光Ａが通過しない部分は、励起光Ｂが通過しない部分でもあるので、励起光Ｂによって信号光Ａが通過しない部分が励起されにくい。これにより、自然放射光の発生が抑えられ、自然放射光に起因したＡＳＥの発生が抑制される。
コア７１において、三準位系の活性イオンとなる希土類元素は、励起光Ｂが通過しない部分における信号光Ａ、信号光Ａの散乱光およびＡＳＥを吸収する。これにより、ＡＳＥの発生が抑制されるので、励起光Ｂのエネルギーを信号光Ａの増幅に効率よく利用することができ、コア７１における信号光Ａの増幅率の低下を抑制できる。
また、コア７１において、三準位系の活性イオンとなる希土類元素は、励起光Ｂが通過しない部分で寄生発振光を吸収するので、寄生発振が抑制される。従って、平面導波路７における光路が寄生発振が発生しやすいレイアウトであっても、寄生発振が抑制される。これにより、平面導波路７における光路のレイアウトの自由度が向上する。
平面導波路７において、図１に示すように、平板状のコア７１の両側面は互いに平行であり、両側面のうち一方に全反射膜８が設けられ、他方に全反射膜９が設けられている。仮にコア７１全体が励起された場合、不要な光が全反射膜８と全反射膜９との間を往復して増幅され、寄生発振が発生する。平面導波路型増幅器１においては、信号光Ａが、コア７１の内部で励起光Ｂの光路を辿るように伝搬する。これにより、コア７１は、励起光Ｂが通過しない部分に伝搬した不要な光を吸収するので、寄生発振が抑制される。
例えば、レーザレーダ装置は、高い分解能で目標を測定可能であるが、ＡＳＥによってＳ／Ｎ比が大きく影響を受ける。平面導波路型増幅器１は、前述したようにＡＳＥの発生を抑制するので、レーザレーダ装置のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
図３は、平面導波路型増幅器１の第１の変形例である平面導波路型増幅器１Ａの構成を示すブロック図である。平面導波路型増幅器１Ａは、信号光Ａを増幅する増幅器であり、図３に示すように、信号光源２、入射光学系３、出射光学系４、波長分離フィルタ５、励起光源６および平面導波路７Ａを備える。なお、図３において、図１と同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
平面導波路７Ａは、図２に示したコア７１、第１のクラッド７２および第２のクラッド７３を備え、図３に示すように、横幅が徐々に減少する平板形状を有している。平面導波路７Ａの両側面のうちの一方には全反射膜８が設けられ、他方には全反射膜９が設けられている。信号光Ａは、入射光学系３によってコア７１の内部において励起光Ｂの光路と重なりかつ励起光Ｂと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ａに入射される。
信号光Ａは、反射防止膜１１を通して全反射膜９に対して角度θ９で入射され、全反射膜８に対して角度θ８で入射され、平面導波路７Ａの内部で全反射膜８と全反射膜９との間を複数回反射しながら伝搬する。平面導波路７Ａは、横幅が徐々に減少する平板状であるので、信号光Ａは、全反射膜８と全反射膜９との間の反射において往路から帰路に切り替わり、平面導波路７Ａから出射される。平面導波路７Ａから出射された信号光Ａは、出射光学系４を介して波長分離フィルタ５に出力され、波長分離フィルタ５によって取り出される。
励起光Ｂは、入射光学系３によってコア７１の内部において信号光Ａの光路と重なりかつ信号光Ａと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ａに入射される。励起光Ｂは、反射防止膜１２を通して全反射膜８に対して角度θ８で入射され、全反射膜９に対して角度θ９で入射され、平面導波路７Ａの内部で全反射膜８と全反射膜９との間を複数回反射しながら伝搬する。励起光Ｂは、全反射膜８と全反射膜９との間の反射において往路から帰路に切り替わって、平面導波路７Ａから出射される。これにより、平面導波路７Ａは、全反射膜１０が不要である。
図４は、平面導波路型増幅器１の第２の変形例である平面導波路型増幅器１Ｂの構成を示すブロック図である。平面導波路型増幅器１Ｂは、信号光Ａを増幅する増幅器であり、図４に示すように、信号光源２、入射光学系３、出射光学系４、波長分離フィルタ５、励起光源６および平面導波路７Ｂを備える。なお、図４において、図１と同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
平面導波路７Ｂは、図２に示したコア７１、第１のクラッド７２および第２のクラッド７３を備え、図４に示すように、横幅が一定な平板形状を有している。平面導波路７Ｂの両側面のうちの一方には全反射膜８が設けられ、他方には全反射膜９が設けられている。信号光Ａは、入射光学系３によってコア７１の内部において励起光Ｂの光路と重なりかつ励起光Ｂと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ｂに入射される。
平面導波路７Ｂにおいては、反射防止膜１１が反射防止膜１２と対向しておらず、反射防止膜１１は、平面導波路７Ｂの長手方向における第１の端部に設けられ、反射防止膜１２は、平面導波路７Ｂの長手方向における第１の端部とは反対側の第２の端部に設けられる。信号光Ａは、反射防止膜１１を通して全反射膜９に対して角度θ９で入射され、全反射膜８に対して角度θ８で入射され、平面導波路７Ｂの内部で全反射膜８と全反射膜９との間を複数回反射しながら伝搬する。
信号光Ａは、平面導波路７Ｂにおける第２の端部に設けられた反射防止膜１２を通じて平面導波路７Ｂから出射される。平面導波路７Ｂから出射された信号光Ａは、出射光学系４を介して波長分離フィルタ５に出力され、波長分離フィルタ５によって取り出される。
励起光Ｂは、入射光学系３によってコア７１の内部において信号光Ａの光路と重なりかつ信号光Ａと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ｂに入射される。励起光Ｂは、反射防止膜１２を通して全反射膜８に対して角度θ８で入射され、全反射膜９に対して角度θ９で入射され、平面導波路７Ｂの内部で全反射膜８と全反射膜９との間を複数回反射しながら伝搬する。励起光Ｂは、平面導波路７Ｂにおける第１の端部に設けられた反射防止膜１１を通じて平面導波路７Ｂから出射される。これにより、平面導波路７Ｂは、全反射膜１０が不要である。
図５は、平面導波路型増幅器１の第３の変形例である平面導波路型増幅器１Ｃの構成を示すブロック図である。平面導波路型増幅器１Ｃは、信号光Ａを増幅する増幅器であり、図５に示すように、信号光源２、入射光学系３、出射光学系４、波長分離フィルタ５、励起光源６および平面導波路７Ｃを備える。なお、図５において、図１と同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
平面導波路７Ｃは、図２に示したコア７１、第１のクラッド７２および第２のクラッド７３を備え、図５に示すように、横幅が一定な平板形状を有している。平面導波路７Ｃの両側面のうちの一方には全反射膜８が設けられ、他方には全反射膜９が設けられている。信号光Ａは、入射光学系３によってコア７１の内部において励起光Ｂの光路と重なりかつ励起光Ｂと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ｃに入射される。
平面導波路７Ｃにおいて、反射防止膜１１および反射防止膜１２は、反射防止膜１１側に平面導波路７Ｃの長手方向に並んで設けられる。信号光Ａは、反射防止膜１１を通して全反射膜９に対して角度θ９で入射され、全反射膜８に対して角度θ８で入射され、平面導波路７Ｃの内部で全反射膜８と全反射膜９との間を複数回反射しながら伝搬する。信号光Ａは、反射防止膜１２を通じて、平面導波路７Ｃから出射される。平面導波路７Ｃから出射された信号光Ａは、出射光学系４を介して波長分離フィルタ５に出力され、波長分離フィルタ５によって取り出される。
励起光Ｂは、入射光学系３によってコア７１の内部において信号光Ａの光路と重なりかつ信号光Ａと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ｃに入射される。励起光Ｂは、反射防止膜１２を通して全反射膜８に対して角度θ８で入射され、全反射膜９に対して角度θ９で入射され、平面導波路７Ｃの内部で全反射膜８と全反射膜９との間を複数回反射しながら伝搬する。励起光Ｂは、反射防止膜１１を通じて平面導波路７Ｃから出射される。これにより、平面導波路７Ｃは、全反射膜１０が不要である。
図６は、平面導波路型増幅器１の第４の変形例である平面導波路型増幅器１Ｄの構成を示すブロック図である。平面導波路型増幅器１Ｄは、信号光Ａを増幅する増幅器であり、図６に示すように、信号光源２、入射光学系３、出射光学系４、波長分離フィルタ５、励起光源６および平面導波路７Ｄを備える。なお、図６において、図１と同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
平面導波路７Ｄは、図２に示したコア７１、第１のクラッド７２および第２のクラッド７３を備えるが、図６に示すように、全反射膜８、全反射膜９、全反射膜１０、反射防止膜１１および反射防止膜１２を備えていない。平面導波路７Ｄにおいて、一定の条件を満たす角度で入射された光は、平面導波路７Ｄの内部で複数回反射してから出射する。平面導波路７Ｄの内部におけるブリュースター角θＢ未満の角度であることが一定の条件である。
例えば、空気の屈折率を１とすると、平面導波路７Ｄの内部におけるブリュースター角θＢは、下記式（４）で表される。コア７１の屈折率が１．５３０であるとき、ブリュースター角θＢは、５８．８°である。
θＢ＝Ａｒｃｔａｎ（ｎ７１） ・・・（４）
角度θ１１およびθ１２が５６．８°に設定された場合、平面導波路７Ｄにおいて、図６の紙面に水平な方向の偏光の信号光Ａは、反射防止膜を設けることなく、フレネル反射による損失を低減することができる。同様に、角度θ８およびθ９を４５．０°に設定することで全反射条件が満たされ、信号光Ａおよび励起光Ｂがコア７１の内部で複数回反射する。
信号光Ａは、入射光学系３によってコア７１の内部において励起光Ｂの光路と重なりかつ励起光Ｂと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ｄに入射される。信号光Ａは、平面導波路７Ｄの入射面に対して角度θ１１で入射され、平面導波路７Ｄの内部の面に対して角度θ９で入射され、この面に対向する面に対して角度θ８で入射され、入射面に対向する面に対して角度θ１２で入射してから、平面導波路７Ｄから出射される。平面導波路７Ｄから出射された信号光Ａは、出射光学系４を介して波長分離フィルタ５に出力され、波長分離フィルタ５によって取り出される。
励起光Ｂは、波長分離フィルタ５および出射光学系４によってコア７１の内部において信号光Ａの光路と重なりかつ信号光Ａと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ｄに入射される。励起光Ｂは、平面導波路７Ｄの入射面に対して角度θ１２で入射され、平面導波路７Ｄの内部の面に対して角度θ８で入射され、この面に対向する面に対して角度θ９で入射され、入射面に対向する面に対して角度θ１１で入射してから、平面導波路７Ｄから出射される。これにより、平面導波路７Ｄは、全反射膜８、全反射膜９、全反射膜１０、反射防止膜１１および反射防止膜１２が不要である。
図１、図３から図６までに示した平面導波路型増幅器１，１Ａ〜１Ｄにおいて、出射光学系４および波長分離フィルタ５は、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄから信号光Ａが出射される後段側に配置される。信号光Ａおよび励起光Ｂは、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄの内部を互いに逆方向に伝搬する。平面導波路７，７Ａ〜７Ｄの内部において、信号光Ａは増幅されるが、励起光Ｂは吸収される。
信号光Ａおよび励起光Ｂが、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄの内部を互いに逆方向に伝搬するので、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄにおいて信号光Ａの強度が低い部分は励起光Ｂの強度も低い状態であり、信号光Ａが増幅されて強度が高い部分では励起光Ｂの強度も高い状態である。信号光Ａは、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄにおける励起光Ｂの入射の端部を通じて増幅された状態で出射されるので、励起光Ｂの入射端部では、信号光Ａの強度と励起光Ｂの強度がともに高くなっている。これにより、利得の飽和が発生しづらく、高い増幅率が期待できる。これは、平面導波路において信号光および励起光を同一の方向に伝搬させた場合には得られない特有の効果である。
図１、図３から図６までに示した平面導波路型増幅器１，１Ａ〜１Ｄにおいて、出射光学系４および波長分離フィルタ５が、信号光Ａが入射される前段側に配置されてもよい。この構成においては、信号光Ａと励起光Ｂは、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄの内部を互いに順方向に伝搬する。この場合、前述したように、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄの端部において、信号光Ａと励起光Ｂがともに強い状態で存在することがなくなるため、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄの端部のダメージが低減される。
以上のように、実施の形態１に係る平面導波路型増幅器１，１Ａ〜１Ｄは、平板状のコア７１と、コア７１の第１の主面に設けられた第１のクラッド７２と、コア７１の第２の主面に設けられた第２のクラッド７３とを有した平面導波路７，７Ａ〜７Ｄを備え、信号光Ａおよび励起光Ｂが、コア７１の内部において互いの光路が重なりジグザグに伝搬するように平面導波路７，７Ａ〜７Ｄに入射され、コア７１は、三準位系の活性イオンとなる希土類元素を含む増幅媒体であり、励起光Ｂの強度の低下に応じて信号光Ａを吸収する。これにより、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄにおいて信号光Ａが通過しない部分が励起され難くなり、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄにおける励起光Ｂの強度が低い部分では、コア７１によって信号光Ａの散乱光が吸収されるので、実施の形態１に係る平面導波路型増幅器１，１Ａ〜１Ｄは、ＡＳＥの発生を抑制することができる。コア７１における信号光Ａが通過しない部分は、信号光Ａが増幅されず、信号光Ａが吸収されるので、寄生発振およびＡＳＥが抑制される。また、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄは、寄生発振およびＡＳＥを抑制するための特別な構造が不要であり、光路設計の自由度が高い光導波路である。平面導波路７，７Ａ〜７Ｄの内部で信号光Ａが長距離伝搬するので、高い増幅率を実現することができる。
実施の形態１に係る平面導波路型増幅器１，１Ａ〜１Ｄにおいて、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄは、信号光Ａおよび励起光Ｂの両方を反射する全反射膜８および全反射膜９または全反射膜１０を有する。平面導波路７，７Ａ〜７Ｄに入射された信号光Ａおよび励起光Ｂは、全反射膜８および全反射膜９または全反射膜１０における反射によって平面導波路７，７Ａ〜７Ｄから出射される。信号光Ａおよび励起光Ｂの両方を反射する反射膜は、信号光Ａを反射して励起光Ｂを透過する波長分離膜に比べて、構造が単純でかつ成膜が容易であるため、低コスト化が可能であり、また反射特性の信頼性も優れている。
実施の形態１に係る平面導波路型増幅器１，１Ａ〜１Ｄは、第１のクラッド７２におけるコア７１とは反対側の面または第２のクラッド７３におけるコア７１とは反対側の面のうちの少なくとも一方に設けられ、コア７１で発生した熱を排出するヒートシンク１００を備える。ヒートシンク１００を通してコア７１の熱が排出されるので、平面導波路７，７Ａ〜７Ｄにおける温度上昇を抑えることができる。
実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る平面導波路型増幅器が有する平面導波路７Ｅの構成を示す断面図である。実施の形態２に係る平面導波路型増幅器は、図１および図３から図６までにそれぞれ示した平面導波路の代わりに、平面導波路７Ｅを備える。平面導波路７Ｅは、コア７１、第１のクラッド７２、第２のクラッド７３、第１の外部クラッド７４、第２の外部クラッド７５およびヒートシンク１００を備える。
第１の外部クラッド７４は、第１のクラッド７２におけるコア７１とは反対側の面に設けられ、コア７１から第１のクラッド７２を伝搬してきた励起光Ｂを、コア７１の内部へ反射する。第２の外部クラッド７５は、第２のクラッド７３におけるコア７１とは反対側の面に設けられ、コア７１から第２のクラッド７３を伝搬してきた励起光Ｂを、コア７１の内部へ反射する。第１の外部クラッド７４および第２の外部クラッド７５は、励起光Ｂに対して透明な材料の平板であり、光学ガラスを用いることができる。第１の外部クラッド７４および第２の外部クラッド７５は、同じ材料で構成されてもよいし、異なる材料で構成されてもよい。
第１の外部クラッド７４は、第１のクラッド７２よりも屈折率が低い材料で構成され、第２の外部クラッド７５は、第２のクラッド７３よりも屈折率が低い材料で構成されている。平面導波路７Ｅにおいて、コア７１を伝搬する励起光Ｂは、第１のクラッド７２においてコア７１の内部へ反射される。励起光Ｂの一部は、第１のクラッド７２において反射されずに第１のクラッド７２を透過する。第１のクラッド７２へ漏れてきた励起光Ｂは、第１の外部クラッド７４によってコア７１側へ反射される。
同様に、コア７１を伝搬しする励起光Ｂは、第２のクラッド７３においてコア７１の内部へ反射される。励起光Ｂの一部は、第２のクラッド７３において反射されずに第２のクラッド７３を透過する。第２のクラッド７３へ漏れてきた励起光Ｂは、第２の外部クラッド７５によってコア７１側へ反射される。このようにして、励起光Ｂは、コア７１の内部に閉じ込められた状態で伝搬する。
第１の外部クラッド７４および第２の外部クラッド７５は、ともに第１のクラッド７２および第２のクラッド７３よりも屈折率が低い材料で構成される。このため、コア７１を伝搬する信号光Ａとは異なり、励起光Ｂは、平面導波路７Ｅの内部をマルチモードで伝搬する。すなわち、励起光源６には、マルチモード光源が使用可能である。例えば、励起光源６には、レーザダイオードが使用される。
平面導波路７Ｅは、第１の外部クラッド７４または第２の外部クラッド７５のいずれか一方を備えていなくてもよい。また、平面導波路７Ｅは、第１のクラッド７２または第２のクラッド７３のいずれか一方を備えていなくてもよい。例えば、平面導波路７Ｅは、第１のクラッド７２を備えない場合、第１の外部クラッド７４がコア７１に直接接合された構造となる。また、平面導波路７Ｅは、第２のクラッド７３を備えない場合、第２の外部クラッド７５がコア７１に直接接合された構造となる。
図７に示すように、ヒートシンク１００は、第２の外部クラッド７５における第２のクラッド７３と反対側の面に接合されている。平面導波路７Ｅにおいて発生した熱は、ヒートシンク１００によって放出される。平面導波路７Ｅにおいて、コア７１において最も広い面積を有する主面が、第２のクラッド７３および第２の外部クラッド７５を介してヒートシンク１００に対向しているので、コア７１で発生した熱はヒートシンク１００によって効率よく排出される。これにより、平面導波路７Ｅの温度上昇が抑えられる。
ヒートシンク１００は、第２の外部クラッド７５ではなく、第１の外部クラッド７４に接合されてもよいし、第１の外部クラッド７４と第２の外部クラッド７５との両方に設けられてもよい。
平面導波路７Ｅにおいては、一般的な光ファイバと比べてビーム径の面積が大きく、光ファイバにおける出力の制限要因である非線形現象を抑制できる。平面導波路７Ｅにおいては、光ファイバで実現できるピーク出力よりも高いピーク出力まで信号光Ａを増幅することができる。
信号光Ａは、入射光学系３によってコア７１の内部において励起光Ｂの光路と重なりかつ励起光Ｂと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ｅに入射される。信号光Ａは、平面導波路７Ｅの内部において複数回反射して平面導波路７Ｅから出射される。平面導波路７Ｅから出射された信号光Ａは、出射光学系４を介して波長分離フィルタ５に出力され、波長分離フィルタ５によって取り出される。
励起光Ｂは、波長分離フィルタ５および出射光学系４によってコア７１の内部において信号光Ａの光路と重なりかつ信号光Ａと逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７Ｅに入射される。励起光Ｂは、平面導波路７Ｅの内部において複数回反射して平面導波路７Ｅから出射される。これにより、実施の形態２に係る平面導波路型増幅器は、平面導波路７Ｅの内部で信号光Ａが通過しない部分を励起せず、励起光Ｂのエネルギーを効率よく信号光Ａの増幅に使用することが可能である。
以上のように、実施の形態２に係る平面導波路型増幅器において、平面導波路７Ｅは、第１のクラッド７２におけるコア７１とは反対側の面に設けられ、第１のクラッド７２を伝搬してきた励起光Ｂを、第１のクラッド７２を介してコア７１の内部へ反射する第１の外部クラッド７４、または、第２のクラッド７３におけるコア７１とは反対側の面に設けられ、当該第２のクラッド７３を伝搬してきた励起光Ｂを、第２のクラッド７３を介してコア７１の内部へ反射する第２の外部クラッド７５のうちの少なくとも一方を有する。
信号光Ａが、コア７１の内部においてシングルモードで伝搬する。励起光Ｂは、コア７１が第１のクラッド７２および第２のクラッド７３に挟まれた領域においてマルチモードで伝搬する。これにより、励起光源６としてレーザダイオードのようなマルチモードの光源を使用でき、信号光源２としてシングルモードの光源を使用することが可能である。
実施の形態２に係る平面導波路型増幅器は、第１の外部クラッド７４における第１のクラッド７２とは反対側の面、または、第２の外部クラッド７５における第２のクラッド７３とは反対側の面のいずれかまたは両方に設けられて、コア７１で発生した熱を排出するヒートシンク１００を備える。ヒートシンク１００を通してコア７１の熱が排出されるので、平面導波路７Ｅにおける温度上昇を抑えることができる。
実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係るレーザレーダ装置１３の構成例を示すブロック図である。レーザレーダ装置１３は、例えば測定対象物との距離を計測する装置であり、図８に示すように、信号光源２、入射光学系３、出射光学系４、波長分離フィルタ５、励起光源６、平面導波路７、送受信分離結合光学系１４、望遠鏡１５および受信検波器１６を備える。信号光源２は、種光源２Ａおよび送信光学系２Ｂを備えたパルス光源である。
種光源２Ａは、狭線幅のレーザ光源である。種光源２Ａには、例えば、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）によって波長を安定化したレーザダイオードが用いられる。送信光学系２Ｂは、送信光とローカル光とを分離するビームスプリッタ、送信光に変調をかける周波数変調器、連続光をパルス化する音響光学変調器（ＡＯＭ）およびプリアンプを含む。なお、レーザレーダ装置１３のレーザレーダ方式が、ローカル光が不要なレーザレーダ方式である場合、送信光学系２Ｂは、ビームスプリッタを備えていなくてもよい。ＡＯＭが、送信光の周波数をシフトさせる機能を有する場合、ＡＯＭは、周波数変換器の役割も有する。
図８に示す信号光源２、入射光学系３、出射光学系４、波長分離フィルタ５、励起光源６および平面導波路７は、例えば、図１に示した平面導波路型増幅器１と同一の構成要素である。ただし、平面導波路型増幅器１は、平面導波路７を有していればよく、信号光源２、入射光学系３、出射光学系４、波長分離フィルタ５および励起光源６は、レーザレーダ装置１３が備える構成要素であってもよい。また、平面導波路７は、図３から図６まで示した平面導波路７Ａ〜７Ｄであってもよいし、図７に示した平面導波路７Ｅであってもよい。
送受信分離結合光学系１４は、送信光を望遠鏡１５に出力し、受信光を受信検波器１６に出力する光学系であり、例えば、ビームエキスパンダ、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタおよび波長板を備える。望遠鏡１５は、大気および測定対象物に送信光を照射し、大気中のエアロゾルおよび測定対象物において送信光が散乱した散乱光を、受信光として取り込む。
受信検波器１６は、望遠鏡１５によって受信された受信光を検波し、信号処理を行う。例えば、ヘテロダイン測定を行う場合、送信光学系２Ｂによって分離されたローカル光を受信光と干渉させて計測が行われるので、受信検波器１６には、ビームスプリッタおよびバランスドディテクタが含まれる。受信検波器１６および信号光源２は、ファイバで構成されている部分が多いが、これらの校正は自由空間で行ってもよい。
レーザレーダ装置を用いた測定対象物との距離を測定する方法の一つに、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）と呼ばれる方法がある。ＴＯＦは、レーザ光源からパルス光を放出し、測定対象物において散乱されたパルス光を受信することで、パルス光が放出されてから受信されるまでの時間に基づいて測定対象物との距離が測定される。
レーザレーダ装置１３においてＴＯＦによる測定が行われる場合、送受信分離結合光学系１４および望遠鏡１５において生じる内部散乱が強く測定される。内部散乱は、送受信分離結合光学系１４および望遠鏡１５に使用されている、ミラー、レンズ、波長板またはビームスプリッタにおける光の反射または散乱である。大気中のエアロゾルからの散乱光に比べると、内部散乱光は、非常に強く検出される。
送信光のパルスにおける内部散乱は、距離ゼロ、すなわちパルス光が送信された直後に検出されるため、測定すべき散乱光とは時間的に分離可能である。しかしながら、レーザ光源にＡＳＥが混入していた場合、ＡＳＥは、パルスとパルスとの間にも存在する。このため、パルスとパルスとの間に存在するＡＳＥの内部散乱が、本来測定すべき大気中のエアロゾルからの散乱光と同じ時間帯に測定されると、Ｓ／Ｎ比が大きく劣化する。
これに対して、平面導波路７は、ＡＳＥの発生が抑制されるため、レーザレーダ装置１３には、前述したようなＡＳＥに起因した不具合が発生しない。また、信号光Ａおよび励起光Ｂは、コア７１の内部において互いの光路が重なりかつ互いに逆方向でジグザグに伝搬するように平面導波路７に入射され、コア７１の内部において複数回反射しながら伝搬する。コア７１における励起光Ｂによって励起された部分を信号光Ａが長距離伝搬することができ、信号光Ａの高い増幅率が実現される。この効果は、平面導波路７Ａ〜７Ｅにおいても同様の効果が得られる。
平面導波路７は、一般的な光ファイバと比べてビーム面積が大きく、光ファイバにおける出力の制限要因である非線形現象を抑制できる。また、平面導波路７は、光ファイバで実現されるピーク出力よりも高いピーク出力まで信号光Ａを増幅することができる。高いピークパワーは、受信強度に影響し、Ｓ／Ｎ比を向上させ、長距離観測を可能にする。
以上のように、実施の形態３に係るレーザレーダ装置１３は、平面導波路型増幅器１，１Ａ〜１Ｄと、信号光Ａを出射する信号光源２と、励起光Ｂを出射する励起光源６を備える。平面導波路型増幅器１，１Ａ〜１Ｄにおいて、ＡＳＥの発生が抑制されるので、高い増幅率と出力ピークパワーを実現することができ、さらにＳ／Ｎ比が向上し、長距離測定が可能である。
なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。
本開示に係る平面導波路型増幅器は、例えば、レーザレーダ装置に利用可能である。
１，１Ａ〜１Ｄ 平面導波路型増幅器、２ 信号光源、２Ａ 種光源、２Ｂ 送信光学系、３ 入射光学系、４ 出射光学系、５ 波長分離フィルタ、６ 励起光源、７，７Ａ〜７Ｅ 平面導波路、８〜１０ 全反射膜、１１，１２ 反射防止膜、１３ レーザレーダ装置、１４ 送受信分離結合光学系、１５ 望遠鏡、１６ 受信検波器、７１ コア、７２ 第１のクラッド、７３ 第２のクラッド、７４ 第１の外部クラッド、７５ 第２の外部クラッド、１００ ヒートシンク。

Claims (8)

  1. 励起光によって励起された状態で信号光を増幅する平板状のコアと、
    前記コアにおける第１の主面に設けられ、前記コアから伝搬してき光を当該コアへ反射する第１のクラッドと、
    前記コアにおける前記第１の主面とは反対側の第２の主面に設けられ、前記コアから伝搬してきた光を当該コアへ反射する第２のクラッドとを有した平面導波路を備え、
    前記信号光および前記励起光は、前記コアの内部において互いの光路が重なりかつ互いに逆方向でジグザグに伝搬し、かつ前記コアの内部に前記信号光および前記励起光が通過しない部分を形成するように前記平面導波路に入射され、
    前記コアは、
    三準位系の活性イオンとなる希土類元素を含み、
    前記励起光が通過しない部分において前記信号光の散乱光および自然放出増幅光を吸収する増幅媒体であること
    を特徴とする平面導波路型増幅器。
  2. 前記平面導波路は、前記信号光および前記励起光の両方を反射する反射膜を有し、
    前記平面導波路に入射された前記信号光および前記励起光は、前記反射膜における反射によって前記平面導波路から出射されること
    を特徴とする請求項１記載の平面導波路型増幅器。
  3. 前記第１のクラッドにおける前記コアとは反対側の面または前記第２のクラッドにおける前記コアとは反対側の面のうちの少なくとも一方に設けられ、前記コアで発生した熱を排出するヒートシンクを備えたこと
    を特徴とする請求項１記載の平面導波路型増幅器。
  4. 前記平面導波路は、前記第１のクラッドにおける前記コアとは反対側の面に設けられ、前記第１のクラッドを伝搬してきた前記励起光を、前記第１のクラッドを介して前記コアの内部へ反射する第１の外部クラッド、または、前記第２のクラッドにおける前記コアとは反対側の面に設けられ、当該第２のクラッドを伝搬してきた前記励起光を、前記第２のクラッドを介して前記コアの内部へ反射する第２の外部クラッドのうちの少なくとも一方を有したこと
    を特徴とする請求項１記載の平面導波路型増幅器。
  5. 前記平面導波路は、前記信号光および前記励起光の両方を反射する反射膜を有し、
    前記平面導波路に入射された前記信号光および前記励起光は、前記反射膜における反射によって前記平面導波路から出射されること
    を特徴とする請求項４記載の平面導波路型増幅器。
  6. 前記第１の外部クラッドにおける前記第１のクラッドとは反対側の面または前記第２の外部クラッドにおける前記第２のクラッドとは反対側の面のうちの少なくとも一方に設けられ、前記コアで発生した熱を排出するヒートシンクを備えたこと
    を特徴とする請求項４記載の平面導波路型増幅器。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか１項記載の平面導波路型増幅器と、
    前記信号光を出射する信号光源と、
    前記励起光を出射する励起光源と、
    を備えたことを特徴とするレーザレーダ装置。
  8. 前記信号光源は、パルス光源であること
    を特徴とする請求項７記載のレーザレーダ装置。
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