JPWO2017026005A1 - 平面導波路型レーザ装置 - Google Patents

Abstract

励起光（５）を吸収するレーザ媒質からなるコア（１）の上面（１ａ）及び下面（１ｂ）に、そのレーザ媒質より屈折率が小さいクラッド（２），（３）が接合されている平面導波路と、コア（１）の側面（１ｃ），（１ｄ）に励起光（５）を出射する励起光発生源（４ａ），（４ｂ）と、コア（１）の側面（１ｅ），（１ｆ）に形成されているレーザ光高反射膜（６ａ），（６ｂ）とを備え、コア（１）の側面（１ｅ），（１ｆ）に対応しているクラッド（２）の側面（２ｅ），（２ｆ）の構造が、一部の面が凹んでいるリッジ構造（２０）であるように構成する。これにより、導波路層構造に平行な方向であるｙ軸方向に対しても導波モードを形成して、レーザ光（１１）の波面状態や伝搬方向の変化を抑制することができる。

Description

この発明は、レーザ媒質からなるコア内でレーザ光をジグザグに伝搬させることで、レーザ光を増幅する平面導波路型レーザ装置に関するものである。

以下の特許文献１には、レーザ媒質からなるコアの４つの側面のうち、対向している２の側面にレーザ光を反射する反射膜が形成されている平面導波路型レーザ装置が開示されている。
この平面導波路型レーザ装置では、コア内に入射されたレーザ光が、２つの反射膜間で反射を繰り返しながらジグザグに伝搬することで、レーザ光を増幅している。
また、以下の特許文献１には、反射膜が形成されている２の側面の間に傾斜角を持たせている平面導波路型レーザ装置も開示されている。
この平面導波路型レーザ装置では、レーザ光の入射部から入射されたレーザ光がコア内でジグザグに伝搬されたのちに折り返し反射され、折り返し反射されたレーザ光がコア内で逆方向にジグザグに伝搬されることで、入射部と同じ位置からレーザ光が出射されている。

以下の特許文献１に開示されている平面導波路型レーザ装置では、レーザ媒質であるコア内でのレーザ光の伝搬経路長を長くすることができるため、高利得なレーザ光の増幅が可能となる。
また、この平面導波路型レーザ装置では、レーザ媒質であるコアの側面から励起光が入射されるため、レーザ光と励起光のオーバーラップを高めることができ、レーザ光の効率の良い増幅を行うことができる。

米国特許第２００３／００６３８８４号明細書

従来の平面導波路型レーザ装置は以上のように構成されているので、入射された励起光がレーザ媒質で吸収されることで、コア内で熱が発生し、その励起光の伝搬方向に沿って温度分布が生じる。また、励起光の強度分布がある場合にも温度分布が生じる。この温度分布が生じると、熱レンズ効果によって、コア内で屈折率の分布が生じ、この屈折率の分布が、コア内を伝搬するレーザ光のビーム伝搬状態に影響を与えるという課題があった。
即ち、従来の平面導波路型レーザ装置では、屈折率が異なるコアとクラッドが重ねられているため、平面導波路の厚さ方向（導波路層構造に垂直な方向）に対して導波モードが形成され、平面導波路の厚さ方向には、レーザ光を所定の伝搬モードで伝搬させることが可能である。この伝搬モードは、コアの厚さや、コアとクラッドの屈折率差を適切に設定することで制御することができる。
一方、導波路層構造に平行な方向については、導波モードが形成されず、入射されたレーザ光がそのまま空間を伝搬する。このとき、レーザ光は、熱レンズ効果等の影響を受けるため、レーザ光の波面状態が変化して、ビーム品質の劣化が生じるとともに、ビームの伝搬方向が変化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、導波路層構造に平行な方向に対しても導波モードを形成して、レーザ光の波面状態や伝搬方向の変化を抑制することができる平面導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る平面導波路型レーザ装置は、励起光を吸収するレーザ媒質からなるコアの上面及び下面に、そのレーザ媒質より屈折率が小さいクラッドが接合されている平面導波路と、コアの側面に励起光を出射する励起光発生源と、コアの４つの側面のうち、励起光発生源から励起光が出射される側面と異なる２つの対向している側面に形成されているレーザ光の反射膜とを備え、平面導波路の４つの側面の中で、励起光発生源から励起光が出射される側面と異なる２つの対向している側面のうち、少なくとも一方の側面の構造が、一部の面が凹んでいるリッジ構造であるようにしたものである。

この発明によれば、平面導波路の４つの側面の中で、励起光発生源から励起光が出射される側面と異なる２つの対向している側面のうち、少なくとも一方の側面の構造が、一部の面が凹んでいるリッジ構造であるように構成したので、導波路層構造に平行な方向に対しても導波モードを形成して、レーザ光の波面状態や伝搬方向の変化を抑制することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置を示す上面図である。 図１のＡ−Ａ’線に沿って紙面に対して垂直な面内での断面図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置の平面導波路を構成しているコア１及びクラッド２の側面１ｅ，２ｅを示す斜視図である。 レーザ媒質で吸収される励起光パワーと、レーザ媒質であるコア１の温度及び屈折率とを示す説明図である。 この発明の実施の形態１による他の平面導波路型レーザ装置の平面導波路を構成しているコア１及びクラッド２の側面１ｅ，２ｅを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による他の平面導波路型レーザ装置の平面導波路を構成しているコア１及びクラッド２の側面１ｅ，２ｅを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による他の平面導波路型レーザ装置を示す上面図である。 この発明の実施の形態１による他の平面導波路型レーザ装置を示す上面図である。 この発明の実施の形態１による他の平面導波路型レーザ装置の平面導波路を構成しているコア１及びクラッド２の側面１ｅ，２ｅを示す斜視図である。 この発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ装置を示す上面図である。 この発明の実施の形態３による平面導波路型レーザ装置を示す上面図である。

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、添付の図面にしたがって説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置を示す上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿って紙面に対して垂直な面内での断面図である。また、図３はこの発明の実施の形態１による平面導波路型レーザ装置の平面導波路を構成しているコア１及びクラッド２の側面１ｅ，２ｅを示す斜視図である。
図１から図３において、コア１は励起光５を吸収するレーザ媒質で形成されており、コア１の主面である上面１ａ及び下面１ｂには、そのレーザ媒質より屈折率が小さいクラッド２，３が接合されている。
このコア１とクラッド２，３から平面導波路が構成されている。

ここで、レーザ媒質であるコア１は、１軸方向に厚さが薄い平板の形状である。図１から図３では、コア１の厚さ方向をｚ軸として、コア１の平面内の２軸をｘ軸，ｙ軸としている。
図中、コア１において、ｘｙ平面と平行な面が上面１ａ及び下面１ｂであり、ｚ軸方向に平行な４つ面が側面１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆである。
この実施の形態１では、コア１の側面１ｃ，１ｄが、コア１の主面である上面１ａ及び下面１ｂに対して、ほぼ垂直になっている例を示しているが、コア１の側面１ｃ，１ｄが、コア１の上面１ａ及び下面１ｂに対して傾斜するように角度を持たせてもよい。この場合、コア１の側面１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆで生じる周回パスによる自然放射増幅光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）や寄生発振を防ぐことができる。
コア１のレーザ媒質としては、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏなどの活性媒質が添加されている結晶、セラミック、ガラスなどの一般的な固体レーザ材料を使用することができる。固体レーザ材料としては、レーザ発振又は増幅を行うレーザ光の波長に合わせて好適なものが選択される。

クラッド２の４つの側面のうち、側面２ｅはコア１の側面１ｅに対応し、側面２ｆはコア１の側面１ｆに対応している。
クラッド２はコア１の上面１ａに接合され、クラッド３はコア１の下面１ｂに接合されているが、コア１の上面１ａ及び下面１ｂに対するクラッド２，３の接合は、例えば、光学材料を原料とする膜を蒸着することで行われる。あるいは、光学材料をオプティカルコンタクト又は拡散接合等によってコア１及びクラッド２，３と光学的に接合することで行われる。
なお、クラッド２，３は、図示せぬ基板に接合されていてもよい。また、その基板は、図示せぬヒートシンクに接合されていてもよい。その基板及びヒートシンクは、クラッド２，３のうち、いずれか一方のクラッドの外側に接合されているものであってもよいし、両方のクラッドの外側に接合されているものであってもよい。それらの接合は、熱伝導率が良い接合材を用いるのが好ましい。

励起光発生源４ａはコア１の側面１ｃに近接して配置されている第１の光源であり、励起光発生源４ａはコア１の側面１ｃに励起光５を出射する。
励起光発生源４ｂはコア１の側面１ｄに近接して配置されている第２の光源であり、励起光発生源４ｂはコア１の側面１ｄに励起光５を出射する。
励起光発生源４ａ，４ｂとして、例えば、マルチエミッタ半導体レーザ、ブロードエリアＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やファイバ出力ＬＤの出力ファイバが配列上に設置されているものを使用することができる。図１及び図２では省略しているが、励起光発生源４ａ，４ｂには、必要に応じて冷却用のヒートシンクが接合される。

励起光発生源４ａ，４ｂでは、励起光５が平面導波路の内部に閉じ込められてｙ方向に伝搬されるように、広がり角が好適な励起光５を出射する。このとき、励起光５のｘ軸方向の大きさは、レーザ媒質であるコア１のｘ軸方向の大きさとほぼ等しいことが好ましい。
図１及び図２の例では、励起光発生源４ａ，４ｂがコア１の側面１ｃ，１ｄに近接して配置されているが、励起光発生源４ａ，４ｂとコア１の側面１ｃ，１ｄとの間にレンズ等の光学部品を設置することで、コリメート又は集光状態の励起光５がコア１に入射されるようにしてもよい。
また、コア１の側面１ｃ，１ｄには、励起光５を透過する反射防止膜が施されていてもよい。
また、図１及び図２の例では、励起光発生源４ａ，４ｂがコア１の側面１ｃ，１ｄに近接して配置されているが、励起光発生源４ａ又は励起光発生源４ｂのいずれか一方が、コア１の側面１ｃ又は側面１ｄに近接して配置されていればよい。

レーザ光高反射膜６ａはコア１内を伝搬されているレーザ光１１を反射する反射膜であり、コア１の側面１ｅのうち、外部からレーザ光８が入射される入射部以外の部分に形成されている。図１では、図中、コア１の側面１ｅの右端に入射部が設けられており、レーザ光８が入射方向９でコア１内に入射されている。
レーザ光高反射膜６ｂはコア１内を伝搬されているレーザ光１１を反射する反射膜であり、コア１の側面１ｆのうち、レーザ光１１が出射される出射部以外の部分に形成されている。図１では、図中、コア１の側面１ｆの左端に出射部が設けられており、レーザ光１１が出射方向１０でコア１の外部に出射されている。
レーザ光高反射膜６ａ，６ｂは、例えば、光学材料を原料とする膜（例えば、誘電帯の多層膜）を蒸着することで、コア１の側面１ｅ，１ｆに形成される。

レーザ光反射防止膜７ａはレーザ光８を透過する透過膜であり、コア１の側面１ｅのうち、外部からレーザ光８が入射される入射部に形成されている。
レーザ光反射防止膜７ｂはレーザ光８を透過する透過膜であり、コア１の側面１ｆのうち、コア１内を伝搬されているレーザ光１１が出射される出射部に形成されている。
レーザ光反射防止膜７ａ，７ｂは、例えば、光学材料を原料とする膜（例えば、誘電帯の多層膜）を蒸着することで、コア１の側面１ｅ，１ｆに形成される。

リッジ構造２０は、平面導波路を構成しているクラッド２の一部の面が凹んでいる構造である。即ち、リッジ構造２０は、コア１の側面１ｅ，１ｆに対応しているクラッド２の側面２ｅ，２ｆの一部が、コア１の側面１ｅ，１ｆの面づらからｘ軸方向にセットバックしている構造となっており、クラッド２の側面２ｅ，２ｆに凸凹が形成されている。
リッジ構造２０が形成されることで、平面導波路の側面での厚みが部分的に薄くなり、平面導波路の構造がｙ軸方向に一様でない構造になるため、導波路層構造に平行な方向であるｙ軸方向にも導波モードが形成される。この導波モードは、リッジ構造２０の幅や厚みなどで決定されるが、この実施の形態１では、コア１内に入射されたレーザ光１１の伝搬モードと一致するように決定されている。

図３の例では、コア１の上面１ａに接合されているクラッド２の４つの側面のうち、コア１の側面１ｅに対応している側面２ｅの側において、クラッド２の一部が除去されることで、リッジ構造２０が形成されている。
図３では、クラッド２の側面２ｅに３個のリッジ構造２０が形成されているが、これは一例に過ぎず、１個又は２個のリッジ構造２０、あるいは、４個以上のリッジ構造２０が形成されているものであってもよい。

次に動作について説明する。
コア１内には、外部からレーザ光８が入射方向９で入射される。
励起光発生源４ａから出射された励起光５は、レーザ媒質であるコア１の側面１ｃから入射され、また、励起光発生源４ｂから出射された励起光５は、レーザ媒質であるコア１の側面１ｄから入射される。
コア１内に入射された励起光５は、レーザ媒質で吸収されながら、ｙ軸方向に伝搬される。
コア１内では、励起光５がレーザ媒質に吸収されることで、活性媒質が励起されて反転分布が形成される。反転分布が形成されることで、コア１内を伝搬されるレーザ光１１に対する利得が発生する。

この利得の発生によって、コア１内を伝搬されるレーザ光１１が増幅作用を受けるため、コア１のレーザ出力が増加する。
したがって、レーザ光８としてレーザ種光を準備して、そのレーザ種光をコア１内に入射して増幅させれば、この実施の形態１の平面導波路型レーザ装置は、レーザ増幅器として動作する。
また、平面導波路型レーザ装置のレーザ光軸上に、そのレーザ光軸と直行するように、レーザ光の一部を反射する図示せぬ出力鏡を配置するようにすれば、この実施の形態１の平面導波路型レーザ装置は、レーザ発振器として動作する。
このため、以降の説明では、特に説明がない限り、平面導波路型レーザ装置は、レーザ発振器及びレーザ増幅器の両方に適用される。

次に、コア１の側面１ｅに形成されているレーザ光反射防止膜７ａからレーザ光８が入射されたのち、ｘｙ平面内で伝搬されるレーザ光１１の伝搬経路について説明する。
レーザ光反射防止膜７ａから入射されるレーザ光８は、入射方向９で示される入射角度を持って入射される。
このため、コア１内を伝搬されるレーザ光１１は、図１に示すように、コア１の側面１ｆに到達する。コア１の側面１ｆにはレーザ光高反射膜６ｂが施されているため、コア１の側面１ｆに到達したレーザ光１１は、コア１の側面１ｆに反射される。
コア１の側面１ｆに反射されたレーザ光１１は、コア１内を再び伝搬され、コア１の側面１ｅに到達する。コア１の側面１ｅにはレーザ光高反射膜６ａが施されているため、コア１の側面１ｅに到達したレーザ光１１は、コア１の側面１ｅに反射される。

レーザ光１１は、レーザ光高反射膜６ａ，６ｂでの反射を繰り返すことでジグザグに伝搬され、図１に示すように、ｙ軸方向に進行する。
レーザ光１１は、レーザ媒質であるコア１内を伝搬される過程で増幅され、レーザ光高反射膜６ａ，６ｂで数回反射された後、レーザ光反射防止膜７ｂが形成されているコア１の側面１ｆに到達する。
これにより、増幅されたレーザ光１１は、レーザ光反射防止膜７ｂを透過し、出射方向１０で示される出射角度を持って外部に出射される。

ここで、レーザ媒質であるコア１のｘｙ面内のｙ方向の幅、ｘ方向の長さ、入射されるレーザ光８のビーム幅、レーザ光反射防止膜７ａ，７ｂの幅は、コア１内を伝搬されるレーザ光１１のビームオーバーラップ効率が高く、レーザ光１１の伝搬経路長が長くなるように設定される。
通常、レーザ光１１の反射回数が多くなるように設定すると、レーザ光１１の伝搬経路長が長くなり、高い利得が得られる。
図１に示すように、レーザ光高反射膜６ａ，６ｂによって反射が繰り返されながらレーザ光１１が伝搬される構成では、レーザ光１１の伝搬経路長を長くとることができるため、高利得で高出力なレーザ出力を得ることができる。

次に、コア１の厚さ方向であるｘｚ面内のレーザ光１１の伝搬について説明する。
コア１とクラッド２，３の間には屈折率の差があるため、コア１の厚さ方向であるｘｚ面内では、レーザ光１１をコア１内に閉じ込めて伝搬させる導波路となる。
レーザ光１１は、導波路において、導波モードと呼ばれる特定の電磁界分布を持って伝搬される。
この導波モードは、レーザ光１１の波長と、コア１とクラッド２，３との間の屈折率差と、コア１の厚さとによって決まる。一般的には、レーザ光１１の波長が長く、屈折率差が小さく、コア１の厚さが薄くなるほど、導波可能なモード数が減少する。単一の導波モードのみが導波可能な導波路はシングルモード導波路と呼ばれる。

図１及び図２に示す導波路形状及びレーザ光伝搬経路では、レーザ光１１がｚ軸方向に導波路の導波モードで伝搬されるため、導波モードを適切に設計することにより出力されるレーザ光のビーム品質を良くすることが可能となる。また、ｚ軸方向へのレーザ光１１の閉じ込めにより、レーザ光１１のパワー密度を大きくすることができるため、高効率なレーザ光の増幅を行うことが可能になる。

励起光発生源４ａ，４ｂから出射された励起光５は、コア１の側面１ｃ，１ｄから入射される。
レーザ媒質であるコア１では、クラッド２，３との屈折率差により、レーザ光１１の場合と同様に、励起光５をコア１内に閉じ込めて伝搬させる導波路となる。つまり、励起光５はｚ軸方向に対して導波モードを形成し、レーザ媒質で吸収されながら、ｙ軸方向に伝搬される。

ここで、励起光５の入射パワーをＰ_ｐｉｎ［Ｗ］、レーザ媒質による励起光５の吸収係数をα_ｐ［１／ｍ］、励起光５の入射端であるコア１の側面１ｄの位置を原点として、ｙ軸方向の伝搬長をＬとすると、励起光パワーＰ_ｐ（Ｌ）は、下記の式（１）のように表される。

また、Ｌ〜（Ｌ＋ΔＬ）までの区間ΔＬで吸収される励起光パワーＰ_ｐａｂｓ（ΔＬ）は、下記の式（２）のように表される。

図４はレーザ媒質で吸収される励起光パワーと、レーザ媒質であるコア１の温度及び屈折率とを示す説明図である。
図１の構成では、コア１の２つの側面１ｃ，１ｄから励起光５が入射されているため、ｙ軸方向では、レーザ媒質で吸収される励起光パワーが、図４（ａ）に示すような曲線の分布（励起光パワー分布）になる。ｙ軸において、この曲線の左端の位置は、コア１の側面１ｃの位置であり、右端の位置は、コア１の側面１ｄの位置である。
レーザ媒質が励起光パワーを吸収することで、レーザ媒質が励起状態になるが、レーザ光１１の誘導放出に関係しないエネルギー準位間の遷移では、熱としてエネルギーが放出される。このため、レーザ媒質で吸収される励起光パワーに応じてコア１の温度が上昇する。
ｙ軸方向では、レーザ媒質であるコア１の温度が、図４（ｂ）に示すような曲線の分布（温度分布）になる。

レーザ媒質であるコア１の温度が変化することにより、レーザ媒質では屈折率の変化が生じる。
温度Ｔによる屈折率ｎの変化量はｄｎ／ｄＴとして表され、屈折率ｎの変化量ｄｎ／ｄＴがプラスの値をとる場合には、温度上昇によって屈折率ｎが増加し、屈折率ｎの変化量ｄｎ／ｄＴがマイナスの値をとる場合には、温度上昇によって屈折率ｎが減少する。
屈折率ｎの変化量ｄｎ／ｄＴがプラスの値であるとすると、レーザ媒質であるコア１での屈折率は、図４（ｃ）に示すような曲線の分布（レーザ媒質屈折率分布）になる。

このように、励起光発生源４ａ，４ｂから出射された励起光５がコア１内に入射されることで、コア１内では、ｙ軸方向に対して屈折率の分布が生じる。
図１に示すような光路でレーザ光１１が伝搬される場合、レーザ光１１は屈折率分布が生じているレーザ媒質を通過することとなる。
レーザ光１１は、ｚ軸方向には導波路の導波モードで伝搬されるため、屈折分布の影響を受けないが、ｘｙ平面内では、入射されたレーザ光１１の空間モードで伝搬されるため、ｙｚ平面におけるレーザ光１１のビーム断面内で、ビームの領域によって屈折率が異なることになる。
この場合、例えば、レーザ光１１がレーザ光反射防止膜７ａからコア１の側面１ｆに向かう光路では、レーザ光１１の進行方向に向かって右側の屈折率が大きく、左側の屈折率が小さくなる。

このように、レーザ光１１のビーム断面内でビームの領域によって屈折率の差が生じることになり、レーザ光１１は、屈折率が大きい方へと屈折しようとする性質があるため、ｘｙ平面内でレーザ光１１の波面曲率に変化（収差）が生じ、伝搬モードが変化することになる。また、レーザ光１１の進行方向（ｘｙ平面内での伝搬角度）が変化することになる。
このため、反射パスによる長い経路を伝搬する過程で、レーザ光１１の伝搬モード及び進行方向が大きく変化することになり、安定した動作が得られなくなるという問題がある。

そこで、この実施の形態１では、コア１の側面１ｅ，１ｆに対応しているクラッド２の側面２ｅ，２ｆにリッジ構造２０を形成している。
リッジ構造２０は、図３に示すように、平面導波路の構造がｙ軸方向に一様でない構造である。
図１に示すように、コア１の上面１ａに接合されているクラッド２の４つの側面のうち、コア１の側面１ｅ，１ｆに対応している側面２ｅ，２ｆにおいて、レーザ光１１が反射されるコア１の側面１ｅ，１ｆの領域及び当該領域の近傍領域からなる領域（以下、「レーザ光反射領域」と称する）の上部にのみクラッド２があり、そのレーザ光反射領域以外の領域ではクラッド２が取り除かれた構造となっている。つまり、コア１の側面１ｅ，１ｆに対応しているクラッド２の側面２ｅ，２ｆにおいて、レーザ光反射領域の上部では、面づらがコア１の側面１ｅ，１ｆの面づらと一致している。一方、レーザ光反射領域以外の領域の上部では、クラッド２の側面２ｅ，２ｆの面づらが、コア１の側面１ｅ，１ｆの面づらから、ｘ軸方向にセットバックしている構造となっている。このため、クラッド２の側面２ｅ，２ｆの一部の面が凹んでいる構造になっている。

リッジ構造２０が形成されることで、ｙ軸方向に対して、クラッド２が取り除かれているレーザ光反射領域以外の領域では、レーザ光反射領域よりも実行的な屈折率が小さくなっている。このため、ｙ軸方向にも導波モードが形成される。これにより、ｚ軸方向とｙ軸方向の両方に対して、レーザ光１１を導波モードで伝搬させることができる。

コア１内に入射されたレーザ光１１のうち、波面曲率が変化して高次モード化している成分や、レーザ光１１の進行方向（ｘｙ平面内での伝搬角度）が変化している成分は、リッジ構造２０が形成されている部分に入射される際に損失が生じる。
即ち、リッジ構造２０によって形成される導波モードに結合できない成分は放射モードとなり、伝搬されなくなるが、波面曲率が変化して高次モード化している成分や、進行方向が変化している成分は、リッジ構造２０によって形成される導波モードに結合できない成分となるため、放射モードとなり、伝搬されなくなる。したがって、リッジ構造２０が形成されている部分に入射される際に損失が生じる。
これにより、レーザ光１１に対してｚ軸方向だけではなく、ｙ軸方向についても、伝搬モードを低次モード化（高ビーム品質化）することができる。また、レーザ光１１の反射位置を固定することができ、レーザ光１１の伝搬方向を安定化することができる。

図３では、クラッド２の一部が除去されることで、リッジ構造２０が形成されている例を示している。即ち、レーザ光反射領域以外の領域の上部ではクラッド２を除去することでリッジ構造２０が形成されている。しかし、リッジ構造２０は、これに限るものではない。
例えば、図５に示すように、レーザ光反射領域以外の領域の上部でのクラッド２を完全に除去するのではなく、レーザ光反射領域の上部でのクラッド２の厚さと比べて、レーザ光反射領域以外の領域の上部でのクラッド２の厚さを薄くしているリッジ構造２０であってもよい。
また、リッジ構造２０は、平面導波路を構成しているクラッド２及びコア１の一部が除去されている構造であってもよい。例えば、図６に示すように、レーザ光反射領域以外の領域の上部でのクラッド２を完全に除去するとともに、レーザ光反射領域でのコア１の厚さと比べて、レーザ光反射領域以外の領域でのコア１の厚さを薄くしているリッジ構造２０であってもよい。
リッジ構造２０で形成される導波モードは、リッジ構造２０の形状によって制御できるため、レーザ光の伝搬モードとして、所望する伝搬モードが得られるように、リッジ構造２０を設計すればよい。

また、リッジ構造２０は、研磨、ダイシング、エッチング等による加工によって形成することができるため、レーザ媒質であるコア１に対してクラッド２，３を接合して、平面導波路を作成した後でも、リッジ構造２０を適用することができる。
また、リッジ構造２０は、平面導波路の側面のみに形成しているため、加工が容易である。リッジ構造２０の加工方法は、加工精度やレーザ光１１に対する散乱損失等を考慮して適切な方法が選択される。

リッジ構造２０は、平面導波路の側面の一部に形成されるものであるため、コア１内に入射された励起光５の伝搬に対する影響は小さい。
コア１の側面１ｃ，１ｄから励起光５が入射される構成では、出力の大きな励起光５をコア１内に導入することができるため、励起密度を大きくすることができ、高利得な増幅を行うことができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、コア１の側面１ｅ，１ｆに対応しているクラッド２の側面２ｅ，２ｆの構造が、一部の面が凹んでいるリッジ構造２０であるように構成したので、導波路層構造に平行な方向であるｙ軸方向に対しても導波モードを形成して、レーザ光１１の波面状態や伝搬方向の変化を抑制することができる効果を奏する。

この実施の形態１では、コア１の上面１ａ及び下面１ｂにクラッド２，３が接合されている例を示しているが、さらに、クラッド２，３の外側に別のクラッドが接合されているダブルクラッド構造であってもよい。
この場合、クラッド２の外側に接合されるクラッドを第１の外側クラッド、クラッド３の外側に接合されるクラッドを第２の外側クラッドと称すると、最下層である第２の外側クラッドの上に、クラッド３、コア１、クラッド２、第１の外側クラッドが順番に積層される構造となる。
ダブルクラッド構造では、より輝度の低い高出力な励起光発生源を使用することができ、より高利得な増幅を行うことができる。
ここでは、クラッド２とクラッド３の両方に、外側クラッドを接合する例を示しているが、クラッド２又はクラッド３のいずれか一方に、外側クラッドを接合するものであってもよい。

この実施の形態１では、クラッド２の側面２ｅ，２ｆの構造がリッジ構造２０である例を示しているが、クラッド２の側面２ｅ又は側面２ｆのいずれか一方の構造がリッジ構造２０であるものであってもよい。この場合も、ｙ軸方向に対して導波モードを形成することができるため、同様に、レーザ光１１の波面状態や伝搬方向の変化を抑制することができる。
また、クラッド３の側面の構造がリッジ構造２０であるものであってもよい。

この実施の形態１では、クラッド２の側面２ｅ，２ｆに形成されているリッジ構造２０が、レーザ光反射領域以外の領域の上部ではクラッド２が全て取り除かれている構造であるものを示したが、図７に示すように、レーザ光反射領域の上部の周辺のクラッド２だけが取り除かれている構造であってもよい。
また、レーザ光１１に対する波面状態の変化や伝搬光路変化の影響が小さい部分であるレーザ光８の入射部（レーザ光反射防止膜７ａが形成されている部分）や、レーザ光１１の出射部（レーザ光反射防止膜７ｂが形成されている部分）などでは、リッジ構造２０の形成が省略されていてもよい。
また、リッジ構造２０は、図８に示すように、レーザ光１１の入射角度及び反射角度に沿った角度をつけた構造にしてもよい。図８の例では、リッジ構造２０における凸部の先端の幅ｗ_１が根元の幅ｗ_２より狭くなっている。
このように、角度をつけた構造の場合、リッジ構造２０で形成される導波モードをレーザ光１１の伝搬モードに合わせることが容易になり、レーザ光１１に対する損失を低減させることができる。

この実施の形態１では、レーザ光反射領域以外の領域の上部でクラッド２を除去することでリッジ構造２０が形成されているものを示しているが、図９に示すように、クラッド２が除去された領域に、クラッド２よりも屈折率が小さい低屈折率材料３０が形成されているものであってもよい。
低屈折率材料３０は、クラッド２よりも屈折率が小さいため、ｙ軸方向に対しても導波モードが形成される。低屈折率材料３０が形成されることで、レーザ媒質であるコア１に対する汚れや埃の付着を防ぐことができる。また、クラッド２を基板等に接合する際に生じる応力を緩和させることができる。なお、低屈折率材料３０はクラッド２よりも厚さを薄くして設けてもよい。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、コア１における側面１ｅと側面１ｆが平行であるものを示したが、コア１における側面１ｅと側面１ｆの間に傾斜角が設けられているものであってもよい。

図１０はこの発明の実施の形態２による平面導波路型レーザ装置を示す上面図であり、図１０において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。符号“４０”はコア１における側面１ｅと側面１ｆの間の傾斜角を示している。
図１０の平面導波路型レーザ装置では、図１の平面導波路型レーザ装置と比べて、レーザ光反射防止膜７ｂの位置が異なり、レーザ光１１の出射方向１０が異なっている。また、リッジ構造２０を形成している範囲が異なっている。

次に動作について説明する。
コア１内には、上記実施の形態１と同様に、外部からレーザ光８が入射方向９で入射されるが、コア１の側面１ｆが側面１ｅに対して、傾斜角４０の角度だけ傾斜しているため、レーザ光１１が反射を繰り返す毎に、コア１の側面１ｅ，１ｆに対するレーザ光１１の入射角度が小さくなる。
コア１の側面１ｅ，１ｆに対するレーザ光１１の入射角度が０度となる位置で、レーザ光１１の伝搬方向が反転して、折り返し反射が行われる。
図１０の例では、折り返し反射後のレーザ光１１の伝搬経路が、折り返し反射前のレーザ光１１の伝搬経路と交差しており、図中右上に施されているレーザ光反射防止膜７ｂから出射方向１０でレーザ光１１が外部に出射されている。
レーザ光１１の伝搬経路は、コア１における側面１ｅと側面１ｆの間の傾斜角４０と、レーザ光８の入射方向９とによって決定される。

図１０の平面導波路型レーザ装置では、図１の平面導波路型レーザ装置よりも、レーザ媒質であるコア１内でのレーザ光１１の伝搬経路長を長くすることができるため、高利得な増幅を行うことができる。また、レーザ媒質でレーザ光１１が通過する面積が増加するため、励起分布とのオーバーラップが向上し、レーザ光１１を効率よく増幅させることができるようになる。さらには、エネルギーの抜き出しがよくなることにより、ＡＳＥを抑制して高効率な増幅を行うことができるようになる。

図１０の平面導波路型レーザ装置では、レーザ光１１の重なりによって、レーザ光１１のパワー密度を大きくして、エネルギーの抜き出しを大きくすることができるが、レーザ光１１が重なっている部分では、伝搬モードが劣化することがある。即ち、ビーム品質が劣化することがある。
しかし、リッジ構造２０が形成されているため、レーザ光１１の伝搬モードを制御することができる。したがって、レーザ光１１の波面状態や伝搬方向の変化を抑制して安定した動作を得ることができる。

図１０の平面導波路型レーザ装置では、リッジ構造２０が、レーザ光８の入射部及び出射部に近い範囲にだけ形成されている。図中、右側の方にはリッジ構造２０が形成されているが、左側の方にはリッジ構造２０が形成されていない。
このため、リッジ構造２０によって制御可能な範囲が、レーザ光１１の入射部付近の初期の伝搬モードと、出射部付近の伝搬モードとに限られるが、レーザ光パワーが大きくなるのは出射部付近であるため、出射部付近の伝搬モードを制御できれば、レーザ光の伝搬モードを安定化させる効果が大きくなる。したがって、リッジ構造２０によって制御可能な範囲が限定されていても、安定した動作を得ることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、図１０において、右上に施されているレーザ光反射防止膜７ｂから出射方向１０でレーザ光１１が外部に出射されるものを示したが、レーザ光反射防止膜７ａが施されているコア１の側面１ｅから、出射方向１０でレーザ光１１が外部に出射されるようにしてもよい。
図１１はこの発明の実施の形態３による平面導波路型レーザ装置を示す上面図であり、図１１において、図１０と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。

次に動作について説明する。
コア１内には、レーザ光８が入射方向９で入射されるが、コア１の側面１ｆが側面１ｅに対して、傾斜角４０の角度だけ傾斜しているため、レーザ光１１が反射を繰り返す毎に、コア１の側面１ｅ，１ｆに対するレーザ光１１の入射角度が小さくなる。
上記実施の形態２と同様に、コア１の側面１ｅ，１ｆに対するレーザ光１１の入射角度が０度となる位置で、レーザ光１１の伝搬方向が反転して、折り返し反射が行われる。
上記実施の形態２における図１０の例では、折り返し反射後のレーザ光１１の伝搬経路が、折り返し反射前のレーザ光１１の伝搬経路と交差しているが、図１１の例では、折り返し反射後のレーザ光１１の伝搬経路が、折り返し反射前のレーザ光１１の伝搬経路と同軸になっている点で相違している。
このため、折り返し反射後のレーザ光１１は、レーザ光反射防止膜７ａが施されているコア１の側面１ｅから、出射方向１０でレーザ光１１が外部に出射される。したがって、レーザ光の入射部と出射部が同じになっている。

図１１の平面導波路型レーザ装置では、図１の平面導波路型レーザ装置よりも、レーザ媒質であるコア１内でのレーザ光１１の伝搬経路長を長くすることができるため、高利得な増幅を行うことができる。また、レーザ媒質でレーザ光１１が通過する面積が増加するため、励起分布とのオーバーラップが向上し、レーザ光１１を効率よく増幅させることができるようになる。さらには、エネルギーの抜き出しがよくなることにより、ＡＳＥを抑制して高効率な増幅を行うことができるようになる。

また、図１１の平面導波路型レーザ装置では、コア１の側面１ｆにはレーザ光反射防止膜７ｂを施す必要がないため、加工が容易になる。
なお、レーザ光の入射光と出射光は、光サーキュレータを用いることで光路を分離することができ、光サーキュレータは、偏光子とファラデーローテータ、または、偏光子と波長板などの組み合わせにより構成することができる。

図１１の平面導波路型レーザ装置では、レーザ光１１の重なりによって、レーザ光１１のパワー密度を大きくして、エネルギーの抜き出しを大きくすることができるが、レーザ光１１が重なっている部分では、伝搬モードが劣化することがある。即ち、ビーム品質が劣化することがある。
しかし、リッジ構造２０が形成されているため、レーザ光１１の伝搬モードを制御することができる。したがって、レーザ光１１の波面状態や伝搬方向の変化を抑制して安定した動作を得ることができる。

図１１の平面導波路型レーザ装置では、リッジ構造２０が、レーザ光８の入射部及び出射部に近い範囲にだけ形成されている。図中、右側の方にはリッジ構造２０が形成されているが、左側の方にはリッジ構造２０が形成されていない。
このため、リッジ構造２０によって制御可能な範囲が、レーザ光１１の入射部付近の初期の伝搬モードと、出射部付近の伝搬モードとに限られるが、レーザ光パワーが大きくなるのは出射部付近であるため、出射部付近の伝搬モードを制御できれば、レーザ光の伝搬モードを安定化させる効果が大きくなる。したがって、リッジ構造２０によって制御可能な範囲が限定されていても、安定した動作を得ることができる。

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。

この発明に係る平面導波路型レーザ装置は、導波路層構造に平行な方向に対しても導波モードを形成して、レーザ光の波面状態や伝搬方向の変化を抑制する必要があるものに適している。

１ コア、１ａ コアの上面、１ｂ コアの下面、１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ コアの側面、２ クラッド、２ｅ，２ｆ クラッドの側面、３ クラッド、４ａ 励起光発生源（第１の光源）、４ｂ 励起光発生源（第２の光源）、５ 励起光、６ａ，６ｂ レーザ光高反射膜（レーザ光の反射膜）、７ａ，７ｂ レーザ光反射防止膜、８ 外部から入射されるレーザ光、９ 入射方向、１０ 出射方向、１１ 伝搬されるレーザ光、２０ リッジ構造、３０ 低屈折率材料、４０ 傾斜角。

Claims (7)

1. 励起光を吸収するレーザ媒質からなるコアの上面及び下面に、前記レーザ媒質より屈折率が小さいクラッドが接合されている平面導波路と、
   前記コアの側面に励起光を出射する励起光発生源と、
   前記コアの４つの側面のうち、前記励起光発生源から励起光が出射される側面と異なる２つの対向している側面に形成されているレーザ光の反射膜とを備え、
   前記平面導波路の４つの側面の中で、前記励起光発生源から励起光が出射される側面と異なる２つの対向している側面のうち、少なくとも一方の側面の構造が、一部の面が凹んでいるリッジ構造であることを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
2. 前記リッジ構造は、前記平面導波路を構成している前記クラッドの一部の面が凹んでいる構造であることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。
3. 前記リッジ構造は、前記平面導波路を構成している前記クラッド及び前記コアの一部が除去されている構造であることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。
4. 前記コア内に入射されたレーザ光の伝搬モードに対応する導波モードが前記リッジ構造によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。
5. 前記平面導波路を構成している前記クラッドの外側に別のクラッドが接合されていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。
6. 前記励起光発生源は、
   前記コアの４つの側面の中の１つの側面に励起光を出射する第１の光源と、
   前記コアの４つの側面のうち、前記第１の光源から励起光が出射される側面と対向している側面に励起光を出射する第２の光源とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。
7. 前記レーザ光の反射膜が形成されている２つの対向している側面の間に傾斜角が設けられていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。

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