JPH08502606A - マルチモードイメージング素子及びこれを有するリングレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの端部１５，１９を有する方形の導波路１４′が設けられたマルチモードイメージング素子において、導波路中の放射の不所望な反射を回避するために端部における窓１６，１８，２０，２２間の面１７，２１に反射低減手段、例えば反射防止被膜２４，２５を設ける。このようなマルチモードイメージング素子をリングレーザにおけるカップラとして用いると、リングレーザの放射スペクトルは不所望なスペクトル成分を有さなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】 マルチモードイメージング素子及びこれを有するリングレーザ 本発明は放射を分割又は結合するマルチモードイメージング素子に関するもの であり、この素子は導波路を有し、この導波路の一端には、放射を導波路内に又 は導波路から伝達させる少なくとも１つの窓が設けられている。本発明は、マル チモードイメージング素子が設けられたリングレーザにも関するものである。 マルチモードイメージング素子はマルチモード干渉素子やマルチモード導波路 としても知られている。以後、“マルチモードイメージング”をＭＭＩと略記す る。 ＭＭＩ素子は特に、ドイツ連邦共和国特許第ＤＥ２５０６２７２号明細書から 既知である。この素子は、他の素子とのその集積化の適合性が満足なものであり 、製造公差が広く、偏光及び放射波長に対する感応性がなく、放射損失が低く、 多様性がある為に、集積化した光学系における放射分割器又は放射結合器として 用いるのに極めて適している。 ＭＭＩ素子の適用に関しては、スイスのヌーシャテルで開催されたＥＣＩＯ’ ９３の会報の第２−２４及び２−２５頁に記載された論文“Design and fabrica tion of integrated ＩｎＧａＡｓＰ ring lasers with ＭＭＩ outcouplers” （Ｍ．Ｊ．Ｎ van Stralen氏等著）に記載されている。この適用では、ＭＭＩ素 子がリングレーザからの放射を２つの出力導波路に結合するのに用いられている 。ＭＭＩ素子は２つの端部を有し、各端部に２つの窓が設けられており、このＭ ＭＩ素子は放射を発生するレーザリングの一部となるようにリングレーザ内に配 置されている。レーザリングの放射は各端部で１つの窓、すなわち計２個の窓を 経て出力導波路に与えられる。レーザリング、ＭＭＩ素子及び導波路を有するリ ングレーザは単一の基板上に集積化されている。 この既知の構造の欠点は、出力導波路における放射のスペクトルがあらゆる状 況の下でリングレーザの所望のレーザモードを有するばかりではなく、多数の他 の不所望なスペクトル成分をも有するということである。 本発明の目的は、特に上述した問題点を有さないＭＭＩ素子を提供せんとする にある。 本発明は、放射を分割又は結合するマルチモードイメージング素子であって、 このイメージング素子は導波路を具え、この導波路は当該導波路内に又は当該導 波路から放射を伝送する少なくとも１つの窓が設けられた端部を有しているマル チモードイメージング素子において、 前記の端部のうち前記の窓の外部に位置する部分に、導波路の長手軸線の方向 での放射の反射を低減させる手段が設けられていることを特徴とする。 本発明は、既知のリングレーザの問題点は、２つの端部のうち窓の外部に位置 する部分でＭＭＩ素子内の放射を反射することにより生じるという新規な認識を 基に成したものである。これらの部分は入射放射をＭＭＩ導波路の長手軸線の方 向に反射する為、２つの端部間で定在波が生じるおそれがある。リングレーザへ の前述した適用の場合、ＭＭＩ導波路の内部空間にレーザ活性媒体が充填され、 ２つの端部が共振空胴のミラーを構成する。この共振空胴内で発生された放射は リングレーザの出力導波路内に不所望なスペクトル成分を導入する。端部での反 射を低減させることにより、共振空胴におけるレーザ作用が少なくなり、不所望 なスペクトル成分が小さくなる。 導波路がいかなるレーザ活性媒体をも有さないＭＭＩ素子の適用においても、 本発明による手段を用いて大きな利点、例えば入力導波路及び出力導波路にまた がる放射の不所望な分布を生ぜしめる内部反射を低減させるという利点を得るこ とができる。 反射を低減させる手段は反射防止被膜又は放射吸収被膜又は拡散散乱面又は傾 斜面を有し、これにより反射放射を、所望の放射分布に妨害を及ぼさない方向に 案内するようにするのが好ましい。 前記のドイツ連邦共和国特許明細書の図１６は端部に傾斜面を有するＭＭＩ素 子を示している。しかし、これらの面は窓であり、窓間の領域ではない。図示の ＭＭＩ素子では窓が端部の全面を覆っている。更に、傾斜面は導波路の長手軸線 の方向での反射の低減機能を有さない。 本発明の上述した及びその他の特徴は後に説明する実施例を参照することから 明らかとなるであろう。 図面において、 図１は既知のリングレーザを示し、 図２は既知のリングレーザのスペクトルを示し、 図３ａ及び３ｂは既知のＭＭＩ素子における所望な強度分布及び不所望な強度 分布を示し、 図４ａ，４ｂ，４ｃ及び４ｄは本発明によるＭＭＩカップラの４つの実施例を 示し、 図５はＭＭＩカップラをパワーコンバイナとして示している。 図１は特に前記の論文“Design and fabrication of integrated ＩｎＧａＡ ｓＰ ring lasers with ＭＭＩ outcouplers”から既知のリングレーザ１を示し 、この場合全出力パワーが単一の導波路で得られる。レーザ放射は、環状の導波 路、すなわち２つの放射ビームが互いに反対方向に移動するレーザリング２で発 生される。ＭＭＩカップラ３はレーザリング２からの放射ビームの一部を導波路 ４及び５に結合する。ＭＭＩコンバイナ６は導波路４及び５の放射を合成して出 力導波路７に供給する。このレーザリング１は半導体構造中に集積化されている 。素子２〜７で占められる全領域はレーザ活性領域である。すなわち、所定の共 振基準を満足する共振空胴がこの領域に存在する場合には、この共振空胴でレー ザ放射が発生される。 図２は既知のリングレーザの出力導波路７における放射スペクトルの一例を示 す。図２の横軸には波長λがマイクロメートルの単位でプロットされ、縦軸には スペクトル成分の強度がデシベルの単位でプロットされている。この放射スペク トルはリングレーザの幾何学的形状や、リングレーザを活性化する電流の強度の ような動作条件に著しく依存する。スペクトル成分１０はリングレーザの所望の レーザモードである。スペクトル成分１０は不所望な放射モードを構成する。個 別のスペクトル成分１１間の距離は約２５０μｍの共振空胴長に対応する。 ＭＭＩカップラ３における不所望な放射モードの発生はこのようなカップラに おける放射の強度分布を参照することにより理解しうる。図３ａはカップラ３の 方形のＭＭＩ導波路１４における強度分布を示しており、この導波路の両端１５ 及び１９にはそれぞれ窓１６，１８及び２０，２２がそれぞれ設けられており、 且つこれら窓間に中間面１７及び２１がそれぞれ設けられている。ＭＭＩカップ ラ及びこれに連結された入力及び出力導波路は一般に同一の材料から造られてい る為、窓はＭＭＩ導波路１４の境界を表わす仮想の面である。１．６μｍの波長 の放射に対し適した代表的なＭＭＩカップラは２３３μｍの長さ、７μｍの幅及 び図面の平面に対し垂直な方向での０．２μｍの活性層の厚さを有し、端部の窓 の直径は２．５μｍである。 図３ａは、レーザリング２からの放射がＭＭＩ導波路の窓１６を経て入り２つ の窓２０及び２２にわたって等しく配分された状態の放射の強度分布を示す。導 波路に明るく示す領域では放射強度が高く、暗く示す領域では放射強度が低い。 ＭＭＩカップラの動作は、窓１６に入る放射の強度分布に応じた強度分布が、導 波路の寸法に応じた特定の伝搬特性を有する導波路を通る異なる横放射モードに より窓２０及び窓２２の双方の領域に形成される、換言すれば、入力窓１６の強 度分布は出力窓２０，２２の各々にいわゆる結像されるという認識に基づいてい る。その結果、窓１６を経てＭＭＩ導波路１４に入る放射パワーは２つの窓２０ 及び２２にわたって配分される。 図３ｂは図３ａにおけるのと同じＭＭＩ導波路１４を示すが、この場合不所望 な強度分布を有し、不所望な案内モードが発生される。図３ａに示すカップラと して動作する導波路１４は、中間面１７が導波路中の放射モードにより中間面２ １上に結像されるような寸法を有する。２３３μｍの相対距離を有する２つの中 間面は共振空胴のミラーを構成する。このようなミラーの反射係数は空気で囲ま れた半導体材料を有する共振空胴の場合約０．３０である。共振空胴がレーザ活 性媒体を有する場合には、中間面での反射により強度が増大するレーザ放射がこ の共振空胴で発生される。その結果、図２で１１で示す不所望なスペクトル成分 がリングレーザ１のスペクトル中に生じる。 図４ａは本発明によるＭＭＩカップラを示す。導波路１４′の２つの中間面１ ７及び２１に、すなわち窓の外部に位置する導波路端部の部分に反射防止被膜２ ４及び２５がそれぞれ設けられている。これらの被膜は、放射強度が図３ａに示 す分布に対し低い導波路の領域にある。従って、反射防止被膜はこの分布に殆ど 影響を及ぼさず、図４ａに示す導波路の結合機能は図３ａに示す導波路の結合機 能に等しくなる。図３ｂに示すような不所望な放射分布の強度は反射防止被膜の 領域で高い。従って、被膜はこの分布に著しい影響を与える。被膜は非反射性で ある為、中間面１７及び２１がミラーを構成する共振空胴のＱ（クォリティ・フ ァクタ）は低く、従って図３ａに示す共振空胴におけるよりもこの共振空胴にお けるレーザ作用が可成り小さくなる。従って、このようなＭＭＩカップラが設け られたリングレーザは、主としてレーザリングの所望のスペクトル成分を有する スペクトルを呈ずるようになる。このようなリングレーザの製造は実質的に前記 の論文“Design and fabrication of integrated ＩｎＧａＡｓＰ ring lasers with ＭＭＩ outcouplers”に記載されており、ここで本発明によれば２つの反 射防止被膜を加える必要がある。 これらの被膜はＭＭＩ素子の製造処理にほんのわずかな製造工程を加えるだけ で設けることができる。これらの被膜は例えば、４分の１波長の厚さの材料Ｓｉ Ｏ_x又はＨｆＯ_xを有するようにしうる。各中間面上には多層被膜を設けることも できる。これら層を端部上に設けるばかりではなく、ＭＭＩ導波路の全構造上に 設ける場合には、これらの層を設けるのが簡単化される。導波路の長手側面上の 反射防止被膜はＭＭＩ素子の動作に殆ど影響を及ぼさない。反射防止被膜は、共 振空胴を囲む、ある製造処理に必要な誘電体被膜としても機能する。 図４ｂは本発明によるＭＭＩカップラの第２実施例を示す。２つの中間面１７ 及び２１には放射吸収層２６及び２７がそれぞれ設けられている。これらの層は 反射防止被膜２４及び２５に匹敵しうるように導波路１４″の不所望な放射モー ドに影響を及ぼし、カップラにおけるレーザ作用を可成り低減させる。放射吸収 層は例えば、ポンピングを行わないレーザ活性材料を有するようにしうる。 図４ｃ及び４ｄは本発明によるＭＭＩカップラの第３及び第４実施例をそれぞ れ示す。図４ｃにおける２つの中間面１７′及び２１′は導波路の長手軸線２３ に対し斜行している。中間面１７′が不所望な放射モードにより中間面２１′上 に結像されなければ、これらの両面間の導波路で構成される共振空胴はもはや共 振基準を満足せず、導波路中にレーザ作用が殆ど生じない。２つの中間面をそれ ぞれ２つの面２７，２８及び２９，３０を以って構成し、これらの２つの面が相 俟って図４ｄに示すように屋根型部を構成するようにする場合にも上述したこと が言える。図４ｄに示すような屋根型部は図３ａに示す既知の平坦な中間面１７ ，２１よりも簡単に製造しうる。図４ｃ及び４ｄに示す実施例では、斜行面の法 線は図面の平面内にある。しかし、これらの斜行面はこれらの法線が図面の平面 内に存在しないように傾斜させることができる。 斜行面１７′，２１′，２７〜３０を充分に斜行させれば、不所望な放射モー ドは減衰される。その理由は、斜行面に入射される放射が、ＭＭＩ導波路の案内 モードを発生しえない方向に反射される為である。端部での反射は、ＭＭＩ導波 路の端部のうち窓の外部の部分を粗面にし、もはやいかなる鏡面反射も生じない ようにすることによっても低減せしめうる。 図４につき説明したすべての実施例は導波路中にレーザ活性媒体を有している 。しかし、本発明をレーザ活性媒体が導波路中に存在しないＭＭＩカップラに用 いても極めて有利である。この場合、本発明による反射低減手段は、窓にわたっ て放射を不所望に再分布させるおそれのある導波路中の反射を抑圧する。設計値 に正確に等しい長さ及び幅を有する図３ａに示すようなＭＭＩ素子によっては、 入力窓１６に供給されるパワーのうちのほんのわずかな部分のみが同じ窓に反射 されるにすぎない。しかし、製造誤差の為に長さ又は幅が設計値から例えば５％ 相違した場合には、ＭＭＩ素子により窓１６に反射されるパワーは１００倍に増 大する。ＭＭＩ素子をある分野に適用する場合、例えばＭＭＩ素子をパワーコン バイナとして適用したり、コヒーレント検出装置に用いたりする場合には、入力 窓の方向への反射を極めて低くする必要がある。 前者の適用例は異なるレーザからの放射パワーを合成するものである。図５は 、２つのレーザ３３，３４により供給される放射を合成するパワーコンバイナ３ ２の形態のＭＭＩ素子を示す。レーザとパワーコンバイナとは１つの基板上に集 積化しうる。レーザの放射は２つの導波路３５，３６を経てパワーコンバイナの 入力窓３７，３８に案内される。パワーコンバイナは、入力窓３７と出力窓３８ とを１つの出力窓３９上に結像するような構造を有する。従って、入力窓に供給 される放射パワーは出力窓で合成され、この出力窓から導波路４０が更にパワー を案内する。入力窓から到来する放射のうちのわずかな部分が出力窓３９の側方 の 面４１，４２に達する。通常のパワーコンバイナは放射のこの部分を入力窓に向 けて反射し、これら入力窓でこの放射の一部を導波路３５，３６を経てレーザ３ ３，３４に帰還させる。このような放射の帰還はレーザのパワー及びスペクトル に悪影響を及ぼす。ＤＦＢ（分布帰還型）レーザは、通常のパワーコンバイナを 用いた場合に各レーザとパワーコンバイナとの間に６０ｄＢよりも大きなアイソ レーションを有するデュアルアイソレートを配置する必要がある程度に帰還に感 応しやすい。パワーコンバイナ３２を本発明により構成すれば、すなわち、パワ ーコンバイナの面４１，４２及び４３を反射防止又は吸収面に形成するか或は斜 行面又は屋根型として形成すれば、帰還強度が可成り減少する。 上述したところでは、本発明を２つの端部を有するＭＭＩ素子につき説明した が、図４に示すような、ＭＭＩカップラにおける反射低減手段は１つ又は２つ又 はそれよりも多い端部を有するあらゆる種類のＭＭＩ素子にも用いうるものであ る。これには、方向性カップラ、９００ハイブリッド、Ｎ×Ｎパワースプリッタ 、スターカップラ、マッハーツェンダー干渉計に基づくＮ×Ｎスイッチ、マルチ プレクサ及びデマルチプレクサを含むものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．放射を分割又は結合するマルチモードイメージング素子であって、このイメ ージング素子は導波路を具え、この導波路は当該導波路内に又は当該導波路から 放射を伝送する少なくとも１つの窓が設けられた端部を有しているマルチモード イメージング素子において、 前記の端部のうち前記の窓の外部に位置する部分に、導波路の長手軸線の方向 での放射の反射を低減させる手段が設けられていることを特徴とするマルチモー ドイメージング素子。 ２．請求項１に記載のマルチモードイメージング素子において、放射の反射を低 減させる前記の手段が反射防止被膜を有していることを特徴とするマルチモード イメージング素子。 ３．請求項１に記載のマルチモードイメージング素子において、放射の反射を低 減させる前記の手段が吸収被膜を有していることを特徴とするマルチモードイメ ージング素子。 ４．請求項１に記載のマルチモードイメージング素子において、前記の端部のう ち窓の外部に位置する部分が前記の長手軸線に対して斜行するように配置されて いることを特徴とするマルチモードイメージング素子。 ５．請求項１〜４のいずれか一項に記載のマルチモードイメージング素子におい て、導波路の内部空間がレーザ活性媒体を有していることを特徴とするマルチモ ードイメージング素子。 ６．請求項１〜５のいずれか一項に記載のマルチモードイメージング素子が設け られていることを特徴とするリングレーザ。