JPH05291658A - 光導波路型リングレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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リングレーザ。 【構成】 平面基板状に、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ファブリペロ干渉計と光ア
イソレータとを具備する。 【効果】 任意の波長に設定されたファブリペロ干渉計
の透過周波数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
な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
た光導波線型レーザは、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。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５に示す。こ
の光導波路型リングレーザは、リング共振器５５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。方向性結合器５３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５１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５２を経て
方向性結合器５３を介してリング共振器５５に導入さ
れ、リング共振器５５内のＥｒ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５
５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５３を介して導出された１.５μ
ｍ帯のレーザ発振光が発振光導出用光導波路５６を経て
発振光出力ポート５７より出力される。リング共振器５
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５５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５５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。

【０００３】

【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。
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リングレーザの構造
を提供することを目的とする。

【０００４】

【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、平面基板状
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
狭いファブリペロ干渉計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。

【０００５】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、
前記ファブリペロ干渉計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。

【０００６】尚、希土類イオンとしては、Ｅｒ，Ｎｄ，
Ｐｒ等が適用できるが、中でもＥｒが最も好ましい。

【０００７】

【作用】少なくとも一部に少なくとも１種類以上の希土
類イオンを添加した光導波路で構成したリング共振器内
に、ファブリペロ干渉計と光アイソレータを設け、ファ
ブリペロ干渉計の狭帯域透過特性を利用して単一縦モー
ド発振を得る。ファブリペロ干渉計の透過帯域をリング
共振器の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ：Free Spectra
l 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、ファブリペロ干渉計の透過波長における単一縦モー
ド発振を可能とする。縦モード選択フィルタ用ファブリ
ペロ干渉計を反射ミラーとするリング共振器の、干渉計
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。

【０００８】

【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。図
１中、符号１１は励起光入力ポート、１２は励起導入用
光導波路，１３は励起光入力発振光出力用方向性結合
器，１４はＥｒ添加光導波路で構成したリング共振器，
１５はファブリペロ干渉計，１６は光アソレータ，１７
は発振光導出用光導波路、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。

【０００９】ファブリペロ干渉計１５は、２枚の反射ミ
ラーを光軸平行に配置した構造を有し、共振周波数で透
過率の高い狭帯域の透過特性を有する。共振器の分解能
の目安として用いられるフィネスＦは次式（１）で求め
られる。

【００１０】

【数１】 式（１）中、Ｒはミラーの反射率である。共振周波数間
隔△ν（自由スペクトルレンジ，ＦＳＲ）は次式（２）
で与えられる。 △ν＝Ｃ／２ｎｌcosθ ・・・（２） 尚、式（２）中、ｎはミラー間媒質の屈折率、ｌはミラ
ー間隔、Ｃは光速である。

【００１１】上記（１），（２）式より、ミラー反射率
を高めることによりフィネスの高い共振特性が得られ、
媒質の屈折率をミラー間隔を適当に調整することにより
ＦＳＲの調節が可能となる。このファブリペロ干渉計の
ＦＳＲをリングレーザの増幅利得帯域より大きく、ＦＳ
Ｒ／Ｆで与えられる透過帯域幅をリング共振器のＦＳＲ
より小さく設定することにより、実質的にリングレーザ
の利得帯域内に唯一の縦モードを有するリング共振器が
実現できる。

【００１２】光導波路型レーザとの集積化に適したファ
ブリペロ干渉計が開発されている（ＩＥＥＥフォトニク
ス・テクノロジー・レターズ、３巻１２号１０９１ペー
ジ〜１０９３ページ、１９９１年）。図２にその構造を
示す。このファブリペロ干渉計１５は、２枚の誘電体多
層膜ミラー２２，２２間に液晶２１が満たされ、その両
誘電体多層膜ミラー２２，２２の外側に透明電極２３，
２３とガラス基板２４，２４が配置されている構造を有
する。電場により液晶の屈折率を変化させて共振周波数
を可変とするために、誘電体多層膜ミラー２２には透明
電極２３が形成されている。これにより、ＦＳＲが１Ｔ
Ｈｚ，透過帯域３ＧＨｚ，波長可変範囲１ＴＨｚ以上の
干渉計を得ることができる。このほかに、ガラス薄板の
両面に高反射ミラーを蒸着した干渉計など各種ファブリ
ペロ干渉計が使用できる。

【００１３】一方、光導波路型リングレーザとの集積化
に適した１.５μｍ帯用光アイソレータも開発されてい
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３に、その構
造を示す。図３に示す光アイソレータは、Ｂｉイオンで
置換したＹＩＧ磁気光学結晶３１を誘電体と金属の交互
多膜層からなる微小偏光子３２で挟み込んだ構造で、厚
さ２００μｍ以下と薄型であると同時に、光導波路型リ
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加することにより、
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み固定後、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１
ｄＢ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。

【００１４】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、励起光が共振器１４内を
周回し、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に後方の
位置に配備することが好適である。

【００１５】（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、ファブリペロ干渉計及び
光アイソレータを組み込みレーザ発振実験を行った。図
４に、その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、縦モード選択用
ファブリペロ干渉計４８及び光アイソレータ６０を組み
込んだ周長１０ｃｍのリング共振器４５（共振周波数間
隔２ＧＨｚ）と、リング共振器４５への励起光導入及び
リング共振器４５からの発振光導出に用いられる方向性
結合器４３と交差４４を有する構造である。光導波路
は、火炎堆積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４３
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。

【００１６】縦モード選択用ファブリペロ干渉計４８
は、前述の液晶充填構造であり、透明電極を使用し、励
起光がリング共振器４５内を周回し、出射する方向性結
合器４３の手前２ｃｍの位置に配置した。ファブリペロ
干渉計４８は、ＦＳＲが１ＴＨｚ，透過帯域３ＧＨｚ，
波長可変範囲１ＴＨｚ以上の特性である。

【００１７】光アイソレータ６０は、Ｂｉイオンで置換
したＹＩＧ磁気光学結晶６１を誘電体と金属の交互多層
膜からなる微小偏光子６２で挟み込んだ構造で、厚さ１
７０μｍである。透過波長１.５５０μｍの誘電体多層
膜狭帯域フィルタ（透過帯域２０ＧＨｚ，厚さ２０μ
ｍ）を光アイソレータ６０の一方の微小偏光子６２に接
着し、これをファブリペロ干渉計４８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２００μｍ，深さは０.２
ｍｍである。光アイソレータ６０は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６３を配置
し、接着剤で固定した。縦モード選択用ファブリペロ干
渉計４８及び光アイソレータ６０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１０μｍ
に拡大した。光アイソレータ６０の挿入損失は０.９ｄ
Ｂ，アイソレーションは２２ｄＢである。

【００１８】光導波路型リングレーザの励起光入力ポー
ト４１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１.５５０μm
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Ｔ
Ｅモードであった。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４５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。

【００１９】（実施例２）リング共振器部の１／２周を
Ｅｒ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、石英ガラス薄板の両面に誘電体多層膜反
射ミラーを蒸着したファブリペロ干渉計（ＦＳＲ１ＧＨ
ｚ，フィネス３００）及び実施例１で使用した光アイソ
レータ６０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。

【００２０】（比較例）実施例１と同様の製造方法によ
り、それぞれファブリペロ干渉計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、
ファブリペロ干渉計のみを有するリングレーザは、ファ
ブリペロ干渉計の阻止波長である１.５７μｍ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。

【００２１】上記実施例および比較例より明らかなよう
に、ファブリペロ干渉計及び光アイソレータの両方を備
えた光導波路型リングレーザにおいては、長時間安定に
単一縦モード発振動作させることが可能である。

【００２２】

【発明の効果】ファブリペロ干渉計および光アイソレー
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
されたファブリペロ干渉計の透過周波数において、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。本発明の光導波路型リングレーザは、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の構成図
である。

【図２】ファブリペロ干渉計の断面図である。

【図３】光アイソレータの斜視図である。

【図４】実施例１で使用した光導波路型リングレーザの
構成図である。

【図５】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】

１１，４１，５１ 励起光入力ポート １２，４２，５２ 励起光導入用光導波路 １３，４３，５３ 方向性結合器 １４，４５，５５ リング共振器 １５ ファブリペロ干渉計 １６ 光アイソレータ １７，４６，５６ 発振光導出用光導波路 １８，４７，５７ 発振光出力ポート ２１ 液晶 ２２ 誘電体多層膜ミラー ２３ 透明電極 ２４ ガラス基板 ３１ 磁気光学結晶 ３２ 微小偏光子 ４８ ファブリペロ干渉計 ６０ 光アイソレータ ６１ 磁気光学結晶 ６２ 微小偏光子 ６３ 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 9120−2Ｋ Ｈ０１Ｓ 3/08 (72)発明者 首藤 啓三 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面基板状に、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ファブリペロ干渉計と光ア
   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。
2. 【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、前記ファブリペロ干渉計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。