JPH05291657A

JPH05291657A - 光導波路型リングレーザ

Info

Publication number: JPH05291657A
Application number: JP9119392A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitagawa; 毅北川; Katsunari Okamoto; 勝就岡本; Makoto Yamada; 誠山田; Masaharu Horiguchi; 正治堀口; Kuninori Hattori; 邦典服部; Manabu Oguma; 学小熊
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-04-10
Filing date: 1992-04-10
Publication date: 1993-11-05

Abstract

(57)【要約】【構成】平面基板上に、少なくとも１種類以上の希土
類イオンを少なくとも一部に添加した光導波路からなる
リング共振器を有する光導波路型リングレーザであっ
て、リング共振器内に、光の透過帯域がリング共振器の
縦モード周波数間隔より狭い位相シフトグレーティング
と光アイソレータとを具備する。【効果】位相シフトグレーティング及び光アイソレー
タをリング共振器内に付設することにより、任意の波長
に設定された位相シフトグレーティング透過波長におい
て安定性の高い単一縦モードレーザ発振動作が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信，光情報処理，
光計測などの分野において、光源としての利用価値が高
い光導波路型希土類イオン添加ガラスリングレーザの構
造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ｅｒ，Ｎｄ，Ｐｒなどの希土類イオンを
コアに添加した石英系光導波路型リングレーザは、小さ
い励起光強度の発振しきい値と高い変換効率を得ること
ができ、縦モード間隔を精密に制御でき、金属薄膜ヒー
タを用いて熱光学効果により発振周波数を調整可能であ
る等の特徴を有する。このため、光通信，光情報処理，
光計測などの広い分野において様々な応用が期待されて
いる。とりわけ、活性イオンとして、Ｅｒイオンを添加
した光導波路型レーザは、光通信に重要な１.５μｍ帯
に発光帯を有するので極めて利用価値が高い。Ｅｒイオ
ンは、０.８２μｍ帯，０.９８μｍ帯及び１.４８μｍ
帯など近赤外領域に吸収帯を有し、これらに適合した波
長の光で励起され、１.５μｍ帯の光を誘導放出する。

【０００３】従来の光導波路型リングレーザは、励起光
導入発振光導出用方向性結合器の結合率波長特性によ
り、励起光スルー型及び励起光クロス型の２種類に大別
される。励起光スルー型の方向性結合器は、石英系光導
波回路の製造工程に適しており、高い歩留まりで所要の
結合率特性を実現できる。これをリングレーザの入出力
ポートとして利用する場合には、リング共振器内に交差
導波路を組み込むことが必要となる。本出願人らにより
以前に発明された（特願平３−２８１５７９号）励起光
スルー型方向性結合器を有する光導波路型リングレーザ
の構造を図６に示す。この光導波路型リングレーザは、
リング共振器６５と、リング共振器６５への励起光導入
及びリング共振器６５からの発振光導出に用いられる方
向性結合器６３と交差６４とを有する。方向性結合器６
３は、励起光波長で結合率が小さく、１.５μｍ帯の発
振波長で結合率が大きい結合波長特性を有する。この光
導波路型リングレーザの一方の導波路端面である励起光
入力ポート６１より励起光を入射すると、励起光は励起
光導入用光導波路６２を経て方向性結合器６３を介して
リング共振器６５に導入され、リング共振器６５内のＥ
ｒイオンを励起する。励起Ｅｒイオンの誘導放出に基づ
く増幅度がリング共振器６５の周回光損失より大きくな
るとリングレーザは発振を開始し、方向性結合器を介し
て導出された１.５μｍ帯のレーザ発振光が発振光導出
用光導波路６６を経て他方の導波路端面である発振光出
力ポート６７より出力される。この際、リング共振器６
５中に狭帯域透過フィルタを配備することにより、レー
ザ発振波長を１.５μｍ帯の任意の波長に制御すること
ができる。リング共振器６５上に形成された金属薄膜ヒ
ータに電圧を印加し、熱光学効果により導波路の屈折率
を変えることにより、リング共振器６５の共振周波数間
隔（数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚ）の範囲内でレーザ発振光
周波数を微調整できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】石英系ガラスに添加し
たＥｒイオンの増幅利得帯域は８ｎｍ（約１ＴＨｚ）と
広く、波長制御用狭帯域透過フィルタを配備する場合に
も透過帯域は０.１ｎｍ（約１３ＧＨｚ）以上であり、
帯域内に複数の共振器縦モードが存在することがあっ
た。このため、温度や励起光強度の変動により発振モー
ドのホッピングが生じ易く、発振周波数が不安定であっ
た。また、レーザ発振光の周波数可変範囲がリング共振
器６５の共振周波数間隔に制限されていた。このため、
１.５μｍ帯の任意の波長で安定に発振し、周波数可変
範囲の広い単一縦モード光導波路型レーザの開発が待た
れていた。

【０００５】そこで本発明では、発振波長の制御性に優
れ、周波数可変範囲の広い単一縦モード光導波路型レー
ザの構造を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光導波路型リングレーザは、平面基板上
に、少なくとも１種類以上の希土類イオンを少なくとも
一部に添加した光導波路からなるリング共振器を有する
光導波路型リングレーザであって、前記リング共振器内
に、光の透過帯域がリング共振器の縦モード周波数間隔
より狭い位相シフトグレーティングと光アイソレータと
を具備することを特徴とするものである。

【０００７】請求項２記載の光導波路型リングレーザ
は、請求項１記載の光導波路型リングレーザにおいて、
前記位相シフトグレーティングと光アイソレータを前記
リング共振器内の希土類イオン添加光導波路部よりも光
学的に後方の位置に配置することを特徴とするものであ
る。

【０００８】

【作用】希土類イオン添加光導波路で構成したリング共
振器内に、位相シフトグレーティングと光アイソレータ
を設け、位相シフトグレーティングの狭帯域透過特性を
利用して単一縦モード発振を得る。尚、希土類イオンに
は、例えば、Ｅｒ，Ｎｄ，Ｐｒ等を適用できるが、中で
もＥｒが最も好ましい。位相シフトグレーティング透過
帯域をリング共振器の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ：
Free Spectral Range）より小さく、阻止帯域をリング
レーザの増幅利得帯域より大きく設定することにより、
増幅利得帯域内にただ一つの縦モードのみが存在する共
振器を構成し、グレーティング透過波長における単一縦
モード発振を可能とする。グレーティングを反射ミラー
とするファブリペロ共振器の、グレーティング阻止波長
域における縦多モード発振を抑えるため、リング共振器
内に光アイソレータを導入し、一方向に進行する伝搬光
のみをレーザ発振させることが単一モード動作に必要不
可欠である。

【０００９】

【実施例】以下、実施例により詳細に説明する。図１に
本発明による光導波路型リングレーザの構成を示す。符
号１１は励起光入力ポート、１２は励起光導入用導波
路、１３は方向性結合器、１４はＥｒ添加光導波路で構
成したリング共振器、１５は位相シフトグレーティン
グ、１６は光アイソレータ、１７は発振光導出用導波
路、１８は発振光出力ポートである。図１では、発振光
の光路に着目してリング共振器１４を示したので、例示
した従来の光導波路型リングレーザが有する交差部は明
示していない。位相シフトグレーティング１５は、光導
波路に形成した屈折率構造の周期変調（グレーティン
グ）の位相がグレーティングの途中でシフトした構造を
有するもので、狭帯域透過特性を示す。即ち、位相シフ
トグレーティング１５は図２に示すようなもので、下部
クラッド層２２と光導波路コア２１と上部クラッド層２
３が順に積層されてなるもので、光導波路コア２１にグ
レーティング２４が形成されている。そしてさらに、グ
レーティング２４には位相シフト部２５が形成されてい
る。このような位相シフトグレーティング１５を有する
光導波路は、通常、高精度フォトマスクを用いた露光及
びエッチング工程により導波路コア膜に凹凸を形成した
後、エッチングにより矩形コアに加工され、オーバクラ
ッド層により埋め込まれて作製される。図３に、本発明
者らにより計算された（アプライド・オプティクス２
６巻１６号３４７４〜３４７８頁，１９８７年）、位相
シフトグレーティングの反射特性を示す。図３中、横軸
は、グレーティング結合率とグレーティング長の積で規
格化してあり、光周波数に相当する。位相シフト量が０
の場合には、位相シフトの無いグレーティングであり、
広帯域の反射帯（阻止帯）を有する。位相シフト量が増
すと阻止帯の中に狭帯域の透過帯が現れ、位相シフト量
πで阻止帯の中央に透過帯が現われる。この透過帯は、
位相シフト部で分離される二つのグレーティングの干渉
により、発生するものである。グレーティング周期や結
合率，長さなどを適当に調整することにより、所望の狭
帯域透過特性を有する位相シフトグレーティングが得ら
れる。この位相シフトグレーティング透過特性を縦モー
ド選択フィルタに利用する。

【００１０】１.５μｍ帯用光アイソレータとして、光
導波路型リングレーザとの集積化に適したものが開発さ
れている（１９９０年電子情報通信学会春季全国大会講
演予稿集，Ｃ−２９１，４−３４６ページ）。図４に、
その構造を示す。Ｂｉイオンで置換したＹＩＧ磁気光学
結晶４１を誘電体と金属の交互多層膜からなる微小偏光
子４２で挟み込んだ構造で、厚さ２００μｍ以下の薄型
であると同時に、導波路型リングレーザの単一偏波動作
に適した高偏波依存性を有する。光の伝搬方向に平行に
磁場を印可することにより、磁気光学効果により高いア
イソレーションを得ることができる。これをリング共振
器内に組み込むには、光路となる光導波路を横切るよう
にエッチングや機械加工により挿入溝を形成し、この挿
入溝に薄型光アイソレータを適当な偏光方向となるよう
に配備し、光導波路と屈折率の整合した光学接着剤で埋
め込んで固定後、この上に磁場印加用の磁石を配置す
る。光アイソレータの挿入損失を低減化するには、光ア
イソレータ本体の低損失化を図るとともに、実装におけ
る回折損失を低減することが必要である。光アイソレー
タの損失低減には、ファラデー回転係数が大きく、か
つ、吸収損失の小さい高品質な磁気光学結晶を使用し、
磁気光学結晶や微小偏光子に界面の反射を抑える無反射
コーティングを施すことが有効である。回折損失を低減
するには、薄型アイソレータの利用により、挿入溝の幅
を０.３ｍｍ以下と狭くし、光を入出射する光導波路端
部に、例えば、屈折率制御添加物の熱拡散部あるいはア
ップテーパやダウンテーパを設け、モードフィールド径
を拡大する方法が効果的である。これらの低損失化技術
を適用することにより、挿入損失１ｄＢ以下、アイソレ
ーション２０ｄＢ以上の高品質集積アイソレータが実現
できる。

【００１１】光アイソレータは、励起効率の高い０.９
８μｍ帯の励起光を吸収するので、なるべく励起光強度
が小さい位置に配置することが望ましい。図１に示すよ
うに、光アイソレータ１６を、励起光がリング共振器１
４内を周回して方向性結合器１３より出射する直前の位
置に配置するか、もしくは、リング共振器１４の一部を
Ｅｒ添加導波路で構成したＥｒ添加導波路部の光学的後
方に配備することが好適である。

【００１２】〔実施例１〕Ｅｒ添加石英系光導波路によ
り構成されるリング共振器に、λ／２位相シフトグレー
ティング及び光アイソレータを組み込み、レーザ発振実
験を行った。図５に、Ｅｒ添加石英系光導波路型リング
レーザの構造を示す。光導波路型リングレーザは、位相
シフトグレーティング５８及び光アイソレータ７０を組
み込んだ周長１０ｃｍのリング共振器５５（共振周波数
間隔２ＧＨｚ）と、リング共振器５５への励起光導入及
びリング共振器５５からの発振光導出に用いられる方向
性結合器５３と交差５４を有する構造である。光導波路
は、火炎堆積液浸法及び反応性イオンエッチング法でシ
リコン基板上に作製した埋め込み導波路である。コアに
添加したＥｒイオンの濃度は１重量％，コア断面の寸法
は高さ５μｍ幅５μｍ，コア・クラッド間の屈折率差は
０.７５％である。レーザ入出力用方向性結合器５３
は、励起光波長０.９８μｍで結合率が２０％と小さ
く、発振波長１.５５μｍ付近で結合率が９０％と大き
い結合波長特性を有する。λ／２位相シフトグレーティ
ング５８は、コア上面に形成したマスクを用いて反応性
エッチングにより凹凸を形成したレリーフ型構造であ
り、グレーティングコアを埋め込んだ上部クラッド層の
上に金属クロムの薄膜ヒータを積載している。λ／２位
相シフトグレーティング５８は、励起光がリング共振器
５５内を周回し、リング共振器５５から出射する方向性
結合器５３の手前２ｃｍの位置に配置した。グレーティ
ングは、波長１.５５０μｍに広い阻止帯（反射帯）と
狭い透過帯を有し、阻止帯の透過率５％以下、阻止帯域
１０ＧＨｚ以上、透過帯の透過率８０％、透過帯域１.
５ＧＨｚである。

【００１３】光アイソレータ７０は、Ｂｉイオンで置換
したＹＩＧ磁気光学結晶７１を誘電体と金属の交互多層
膜からなる微小偏光子７２で挟み込んだ構造で、厚さ１
７０μｍである。λ／２位相シフトグレーティングと透
過波長の一致する誘電体多層膜狭帯域フィルタ（透過帯
域２０ＧＨｚ，厚さ２０μｍ）を光アイソレータ７０の
一方の微小偏光子７２に接着し、この光アイソレータ７
０を位相シフトグレーティング５８より光学的に後方の
位置に反応性イオンエッチング法により形成した挿入溝
に配備した。挿入溝の幅は２２０μｍ，深さは０.２ｍ
ｍである。光アイソレータ７０をＴＥ偏向光を透過する
ように挿入溝に配置し、紫外線硬化性光学接着剤で固定
して保持した。この上に磁場印加用磁石７４を配置し、
接着剤で固定した。光アイソレータ７０の実装に伴う接
続損失を低減するため、挿入溝の両側の導波路に熱拡散
部を設け、挿入溝端面におけるモードフィールド径を１
５μｍに拡大した。光アイソレータ７０の挿入損失は
０.９ｄＢ，アイソレーションは２２ｄＢである。

【００１４】光導波路型リングレーザの励起光入力ポー
ト５１より、励起光を入射し、レーザ発振実験を行っ
た。回折格子とファブリペロエタロンを内蔵した光スペ
クトル分析器（分解能１００ＭＨｚ）により発振モード
特性を評価した結果、リングレーザが波長１.５５０μ
ｍにおいて長時間安定に単一縦モード発振することを確
認した。リングレーザ発振光は、基板面方向に偏光した
ＴＥモードであった。また薄膜ヒータに直流電圧を印加
することにより、リング共振器５５の共振周波数間隔に
制限されず、１０ＧＨｚ以上にわたり発振周波数を変化
させることができた。

【００１５】〔実施例２〕リング共振器の１／２周をＥ
ｒ添加光導波路により、残りをＥｒを含有しない光導波
路で構成し、位相シフトグレーティング５８および光ア
イソレータ７０をＥｒ添加導波路部より光学的に後方の
位置に配置して、実施例１と同様の実験を行った。回折
格子とファブリペロエタロンを内蔵した光スペクトル分
析器（分解能１００ＭＨｚ）により発振モード特性を評
価した結果、リングレーザが波長１.５５０μｍにおい
て長時間安定に単一縦モード発振することを確認した。
リングレーザ発振光は、基板面方向に偏光したＴＥモー
ドであった。

【００１６】〔比較例〕実施例１と同様の製造方法によ
り、それぞれλ／２位相シフトグレーティング及び光ア
イソレータのどちらか一方のみを有するリングレーザ２
個を作製し、実施例１と同様のレーザ発振実験を行っ
た。その結果、λ／２位相シフトグレーティングのみを
有するリングレーザは、位相シフトグレーティングの阻
止波長である１.５５０２μｍ付近で縦多モードレーザ
発振することが明かとなった。また、光アイソレータの
みを有するリングレーザは波長１.６０μｍで縦多モー
ドレーザ発振することが明かとなった。

【００１７】上記実施例および比較例より、λ／２位相
シフトグレーティング及び光アイソレータの両方を備え
たリングレーザであれば、長時間安定に単一縦モードレ
ーザ発振動作させることが可能であった。

【００１８】

【発明の効果】位相シフトグレーティング及び光アイソ
レータを、少なくとも１種類以上の希土類イオンを少な
くとも一部に添加した光導波路で構成したリング共振器
内に付設することにより、１.５μｍ帯の任意の波長に
設定された位相シフトグレーティング透過波長におい
て、安定性の高い単一縦モードレーザ発振動作が可能と
なる。特に、偏波依存性の大きい光アイソレータを適当
な方向で配置することにより、レーザ発振光の単一偏波
化も可能となる。本発明のリングレーザは、発振線幅が
狭く、発振周波数可変域も広いことから、光通信や光計
測用の高精度光源として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光導波路型リングレーザを示す構
成図である。

【図２】位相シフトグレーティングを示す断面図であ
る。

【図３】位相シフトグレーティングの反射率光周波数特
性を示すグラフ（Δφは位相シフト量）である。

【図４】光アイソレータの斜視図である。

【図５】実施例１の光導波路型リングレーザを示す構成
図である。

【図６】従来例の光導波路型リングレーザの構成図であ
る。

【符号の説明】

１１，５１，６１励起光入力ポート１２，５２，６２励起光導入用光導波路１３，５３，６３方向性結合器１４，５５，６５リング共振器１５位相シフトグレーティング１６光アイソレータ１７，５６，６６発振光導出用光導波路１８，５７，６７発振光出力ポート２１光導波路コア２２下部クラッド層２３上部クラッド層２４グレーティング２５位相シフト部４１磁気光学結晶４２微小偏光子５８ λ／２位相シフトグレーティング７０光アイソレータ７１磁気光学結晶７２微小偏光子７４磁場印加用磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 27/28 Ａ 9120−2ＫＨ０１Ｓ 3/08 (72)発明者堀口正治東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者服部邦典東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者小熊学東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面基板上に、少なくとも１種類以上の
希土類イオンを少なくとも一部に添加した光導波路から
なるリング共振器を有する光導波路型リングレーザであ
って、前記リング共振器内に、光の透過帯域がリング共振器の
縦モード周波数間隔より狭い位相シフトグレーティング
と光アイソレータとを具備することを特徴とする光導波
路型リングレーザ。
【請求項２】請求項１記載の光導波路型リングレーザ
において、前記位相シフトグレーティングと光アイソレ
ータを前記リング共振器内の希土類イオン添加光導波路
部よりも光学的に後方の位置に配置することを特徴とす
る光導波路型リングレーザ。