JPWO2017216865A1 - 平面導波路 - Google Patents

Abstract

光を伝搬する平板であるコア（１１）と、コア（１１）の上面に接合された状態で、光を反射する平板であるクラッド（１２）と、コア（１１）の下面に接合された状態で、光を反射する平板であるクラッド（１３）とを備え、クラッド（１２），（１３）が、材質が異なる複数の膜が積層されている多層膜であるように構成する。これにより、コア（１１）の材料として、低屈折率な材料を用いることが可能になり、使用可能なコア（１１）の材料の制限が緩和される。

Description

この発明は、コアの上面及び下面にクラッドが接合されている平面導波路に関するものである。

一般的な平面導波路では、光の伝搬するコアと、そのコアの上面に接合された状態で、その光を反射する第１のクラッドと、そのコアの下面に接合された状態で、その光を反射する第２のクラッドとを備えている。
以下の特許文献１には、第１及び第２のクラッドとして、屈折率がコアの屈折率よりも低い材料を用いることで、コアに入射された光が、第１及び第２のクラッドとコアの界面で全反射するようにしている平面導波路が開示されている。

ＷＯ２００９／０１６７０３号公報

従来の平面導波路は以上のように構成されているので、第１及び第２のクラッドとして、屈折率がコアの屈折率よりも低い材料を用いることができれば、光をコア内に閉じ込めることができる。しかし、コアの材料として、低屈折率な材料を用いる場合、光学的性質や物理的性質を考慮すると、屈折率がコアの屈折率よりも低いクラッドの材料が見当たらないことがある。このため、コアの材料として、低屈折率な材料を用いることができず、使用可能なコアの材料が制限され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、コアの材料として、低屈折率な材料を用いることができる平面導波路を得ることを目的とする。

この発明に係る平面導波路は、光を伝搬する平板であるコアと、コアの上面に接合された状態で、光を反射する平板である第１のクラッドと、コアの下面に接合された状態で、光を反射する平板である第２のクラッドとを備え、第１及び第２のクラッドが、材質が異なる複数の膜が積層されている多層膜であるものである。

この発明によれば、第１及び第２のクラッドとして、材質が異なる複数の膜が積層されている多層膜を用いるように構成したので、コアの材料として、低屈折率な材料を用いることができる効果がある。

この発明の実施の形態１による平面導波路を示す構成図である。 信号光２１の波数ベクトルを示す説明図である。 低次モード光と高次モード光を示す説明図である。 Ｎｄ：ＹＶＯ_４で形成されたコア１１に対して、成膜方法が異なる成膜装置（１）、成膜装置（２）、成膜装置（３）によって、全反射を利用したクラッドを接合した際のクラッドへの信号光２１のしみ出し量と導波路損失の測定結果を示す説明図である。 信号光２１における０次モード光及び１次モード光での電界分布としみ出しを示す説明図である。 １組の薄膜１２ａ，１２ｂを１往復する際の光路が２πの位相に相当する旨を示す説明図である。 ＴＥモードのパワー分布を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による平面導波路を示す構成図である。 この発明の実施の形態３による平面導波路を示す構成図である。性を示す説明図である。

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による平面導波路を示す構成図である。
図１において、平面導波路１０はコア１１、クラッド１２及びクラッド１３を備えている。
コア１１は光である信号光２１を伝搬する平板である。
コア１１は信号光２１に対して透明な材料であるガラスなどで形成されており、図１の例では、コア１１の屈折率がｎ_１１、コア１１の厚さがｄ_１１である。
図中、コア１１の厚さ方向がｘ軸、コア１１の側面方向がｙ軸、信号光２１の伝搬方向である光軸がｚ軸である。

第１のクラッドであるクラッド１２はコア１１の上面に接合された状態で、信号光２１を反射する平板である。
クラッド１２は複数の膜が積層されている多層膜であり、例えば、薄膜１２ａと薄膜１２ｂが交互に積層されている。
図１の例では、薄膜１２ａと薄膜１２ｂのセットが、３セット積層されているが、１セット以上積層されていればよい。
薄膜１２ａと薄膜１２ｂは、材質が異なる材料で形成されており、例えば、成膜が可能な誘電体材料であるＳｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＭｇＯ，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，ＣａＦ_２，ＭｇＦ_２などの中から、２種類の誘電体材料が選択されて、薄膜１２ａと薄膜１２ｂが形成されている。
図１の例では、薄膜１２ａの屈折率がｎ_１２ａ、薄膜１２ｂの屈折率がｎ_１２ｂであり、薄膜１２ａの膜厚がｄ_１２ａ、薄膜１２ｂの膜厚がｄ_１２ｂである。
薄膜１２ａ，１２ｂの屈折率ｎ_１２ａ，ｎ_１２ｂのうち、どちらかの屈折率、あるいは、両方の屈折率が、コア１１の屈折率ｎ_１１より高くてもよい。

第２のクラッドであるクラッド１３はコア１１の下面に接合された状態で、信号光２１を反射する平板である。
クラッド１３はｙｚ平面に対して、クラッド１２が線対称に配置された構造を有している。そのため、クラッド１３はクラッド１２と同様に、薄膜１２ａと薄膜１２ｂが交互に積層されている。
クラッド１２及びクラッド１３は信号光２１がコア１１側からθ_２１の角度（以下、「伝搬角θ_２１」と称する）で入射された際、９９％以上の反射率を有している。

この実施の形態１では、信号光２１の偏光が薄膜１２ａ，１２ｂの厚さ方向に垂直である場合をＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）モードと称し、ＴＥモードの偏光をＴＥ偏光と称する。
また、薄膜１２ａ，１２ｂの厚さ方向と信号光２１の伝搬方向を含む面に平行な信号光２１の偏光をＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）モードと称し、ＴＭモードの偏光をＴＭ偏光と称する。
したがって、図１の信号光２１がｙ偏光であるときにＴＥモードとなり、ｘ偏光であるときにＴＭモードとなる。

図１の平面導波路１０では、理由は後述するが、コア１１の屈折率ｎ_１１が、クラッド１２，１３である多層膜に含まれている薄膜１２ａ，１２ｂの屈折率ｎ_１２ａ，ｎ_１２ｂより低い場合でも、信号光２１をコア１１内に閉じ込めることができる。
したがって、一般的な平面導波路では、コアに入射された光をクラッドとコアの界面で全反射させるために、屈折率がコアの屈折率よりも低い材料でクラッドを形成する必要があるが、この実施の形態１では、薄膜１２ａ，１２ｂの屈折率ｎ_１２ａ，ｎ_１２ｂをコア１１の屈折率ｎ_１１より低くする必要がないため、コア１１の屈折率に制限がない。このため、任意の材料で形成されているコア１１を用いて、平面導波路１０を形成することが可能になる。

次に動作について説明する。
真空中でλ_２１の波長を有する信号光２１は、コア１１内を伝搬角θ_２１で伝搬される。
図２は信号光２１の波数ベクトルを示す説明図である。
信号光２１のｘ方向の波数として、コア１１における波数の垂直成分をｋ_２１１１、薄膜１２ａにおける波数の垂直成分をｋ_{２１１２ａ}、薄膜１２ｂにおける波数の垂直成分をｋ_{２１１２ｂ}とすると、波数の垂直成分ｋ_２１１１，ｋ_{２１１２ａ}，ｋ_{２１１２ｂ}は、下記の式（１）〜（３）のように定義される。以下では、説明の簡単化のため、波数の垂直成分ｋ_２１１１，ｋ_{２１１２ａ}，ｋ_{２１１２ｂ}を波数ｋ_２１１１，ｋ_{２１１２ａ}，ｋ_{２１１２ｂ}のように簡略して表記する。

平面導波路１０内では、信号光２１の伝搬角θ_２１は飛び飛びの値をとり、コア１１とクラッド１２の界面で、信号光２１の入射光と反射光の位相がπだけ変化していると仮定すると、下記の式（４）を満足するコア１１における波数ｋ_２１１１から、式（１）によって伝搬角θ_２１が決まる。式（４）において、ｍ＝０，１，２，３，・・・である。

飛び飛びの値をとる伝搬角θ_２１のうち、角度が大きい伝搬角θ_２１の順に０次、１次、２次・・・の伝搬角θ_２１とする。
以下、伝搬角θ_２１が０次の信号光２１（以下、「０次モード光」と称する）だけが伝搬可能な導波路をシングルモード導波路と称し、伝搬角θ_２１が低次の信号光２１（以下、「低次モード光」と称する）の伝搬は可能であるが、高次の信号光２１（以下、「高次モード光」と称する）の伝搬ができない導波路を低次モード導波路と称する。
図３は低次モード光と高次モード光を示す説明図である。

ここで、信号光２１がコア１１からクラッド１２に入射された際、信号光２１の反射率が９９％以上になる多層膜の材質と膜厚の組み合わせは無数に存在し、自由に設計することができる。
ただし、多層膜に含まれる薄膜１２ａ，１２ｂは、一般的なガラスと比較すると、散乱が大きいため、信号光２１を伝搬する際の損失が大きくなることがある。このため、後述する条件を満足する薄膜１２ａ，１２ｂを用いる必要がある。

図４はＮｄ：ＹＶＯ_４で形成されたコア１１に対して、成膜方法が異なる成膜装置（１）、成膜装置（２）、成膜装置（３）によって、全反射を利用したクラッドを接合した際のクラッドへの信号光２１のしみ出し量と導波路損失の測定結果を示す説明図である。
図４より、クラッドへの信号光２１のしみ出し量が増えると導波路損失が増加し、しみ出し量と導波路損失が正比例する関係にあることが分かる。
しみ出し量は、伝搬する信号光２１の全強度に対して、信号光２１が多層膜に侵入する侵入量の割合を示しており、クラッド１２が信号光２１に対して１００％の反射率を有する場合であっても、信号光２１の一部は多層膜の内部で反射するため、多層膜の内部には一定のエネルギーが存在する。
このとき、コア１１の内部に存在するエネルギーと、多層膜の内部に存在するエネルギーとの割合をしみ出し量と定義する。このしみ出し量は、モード毎に異なる。

図５は信号光２１における０次モード光及び１次モード光での電界分布としみ出しを示す説明図である。
コア１１とクラッド１２の界面で、信号光２１の入射光と反射光の位相がπだけ変化しているとする仮定は、しみ出し量の少ない導波路において良く成立する。
あるモードにおいて、信号光２１のしみ出し量が少なくなる条件は、下記の式（５）を満足する。式（５）において、ｌは任意の整数である。

式（５）を満足する多層膜では、図６に示すように、信号光２１が、多層膜に含まれる複数の薄膜うち、１組の薄膜１２ａ，１２ｂを１往復する際の光路が２πの位相に相当する。そして、膜界面における反射光と強め合う干渉を起こすため、多層膜の層数が少ない場合でも、高い反射率を実現することができる。
図６は１組の薄膜１２ａ，１２ｂを１往復する際の光路が２πの位相に相当する旨を示す説明図である。

ただし、多層膜に含まれる薄膜１２ａ，１２ｂの膜厚ｄ_１２ａ，ｄ_１２ｂは、ある程度の誤差が許容されるため、信号光２１のしみ出し量が少なくなる条件式として、下記の式（６）を満足する場合でも、式（５）を満足する多層膜と同様に、少ない層数で高い反射率を実現することができる。即ち、コア１１の屈折率ｎ_１１が、クラッド１２，１３である多層膜に含まれている薄膜１２ａ，１２ｂの屈折率ｎ_１２ａ，ｎ_１２ｂより低い場合でも、信号光２１をコア１１内に閉じ込めることができる。
したがって、薄膜１２ａ，１２ｂの膜厚ｄ_１２ａ，ｄ_１２ｂは、下記の式（６）を満足するように決定される。

この実施の形態１では、０次モード光の伝搬角θ_２１に対して、式（６）を満足する膜厚ｄ_１２ａ，ｄ_１２ｂの薄膜１２ａ，１２ｂを含む多層膜であるクラッド１２，１３を備えることで、信号光２１における０次モード光のしみ出しを抑制して、導波路損失を低減することができる。また、高次モード光のしみ出し量は多くなるため、低次モード光のみの伝搬が可能になる。

以下、低次モード光のみの伝搬が可能な平面導波路１０として、０次モード光の伝搬角θ_２１に対して、式（６）を満足する平面導波路１０の設計例を説明する。
ここでは、厚さｄ_１１が１０μｍで屈折率ｎ_１１が１．４２のコア１１と、膜厚ｄ_１２ａが２３８ｎｍで屈折率ｎ_１２ａが２．１６の薄膜１２ａと、膜厚ｄ_１２ｂが１２７８ｎｍで屈折率ｎ_１２ｂが１．４５の薄膜１２ｂとが交互に積層された多層膜であるクラッド１２と、クラッド１２と対称な多層膜であるクラッド１３とを備えた平面導波路１０において、信号光２１が真空中で波長１．５５μｍの光である場合を考える。
式（４）及び式（１）によれば、０次モード光の伝搬角θ_２１は、１．５１６２ｒａｄとなり、薄膜１２ａにおける波数ｋ_{２１１２ａ}は６．６１×１０^６ｍ^−１、薄膜１２ｂにおける波数ｋ_{２１１２ｂ}は１．２３×１０^６ｍ^−１となる。
したがって、薄膜１２ａ，１２ｂにおける光路長は、位相に換算すると、共に約π／２になるため、式（７）を満足する。

図７はＴＥモードのパワー分布を示す説明図である。
図７において、横軸は平面導波路１０の厚さ方向の位置を示しており、コア１１における厚さ方向の中心が０μｍである。縦軸はパワー密度である。図７では強度と表記している。
図７の例では、シミュレーションなどによって計算すると、０次モード光のしみ出し量は０．０７％、１次モード光のしみ出し量は０．３１％、２次モード光のしみ出し量は０．８４％となる。
図４の成膜装置（１）を使用した場合、モード毎の損失についても、シミュレーションなどによって計算すると、０次モード光の損失が０．６７ｄＢ／ｍｍ、１次モード光の損失が２．９７ｄＢ／ｍｍ、２次モード光の損失が８．０５ｄＢ／ｍｍとなる。
したがって、設計で考慮した０次モード光の損失は、１次モード光や２次モード光と比べて、低い値に抑えられており、低次モード化が可能な平面導波路１０になっている。

例示した屈折率ｎ_１１，ｎ_１２ａ，ｎ_１２ｂを満たす材料として、例えば、コア１１の材料はＥｒ添加フッ化アルミニウムガラス、薄膜１２ａの材料はＴａ_２Ｏ_５、薄膜１２ｂの材料はＳｉＯ_２が挙げられる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、光を伝搬する平板であるコア１１と、コア１１の上面に接合された状態で、光を反射する平板であるクラッド１２と、コア１１の下面に接合された状態で、光を反射する平板であるクラッド１３とを備え、クラッド１２，１３が、材質が異なる複数の膜が積層されている多層膜であるように構成したので、コア１１の材料として、低屈折率な材料を用いることができる効果がある。

なお、０次モード光の伝搬角θ_２１に対して、式（６）を満足する膜厚ｄ_１２ａ，ｄ_１２ｂの薄膜１２ａ，１２ｂを含む多層膜であるクラッド１２，１３を備えることで、信号光２１における０次モード光のしみ出しを抑制して、導波路損失を低減することができる。また、高次モード光のしみ出し量は多くなるため、低次モード光のみの伝搬が可能な平面導波路１０が得られる。

この実施の形態１では、クラッド１２，１３として、２種類の薄膜１２ａ，１３ａが交互に積層されている多層膜の例を示したが、多層膜に含まれる薄膜の種類が２種類であるものに限るものではなく、３種類以上の薄膜が積層されている多層膜であってもよい。
多種の薄膜が積層されている多層膜である場合、低屈折率層から高屈折率層に光が入射される界面から、次の低屈折率層から高屈折率層に光が入射される界面までの光路長を位相に換算した値をφとするとき、下記の式（７）を満足するように設計する。

また、この実施の形態１では、クラッド１３である多層膜が、クラッド１２である多層膜と対称な多層膜である例を示したが、クラッド１３である多層膜は、式（６）を満足する多層膜であればよく、クラッド１２である多層膜と材料や膜厚が異なっていてもよい。
なお、コア１１の材料として、低屈折率のガラスなどを用いる必要がない場合には、クラッド１２又はクラッド１３として、屈折率がコア１１の屈折率よりも低いクラッドを用いるようにしてもよい。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、コア１１によって信号光２１が伝搬されるものを示したが、この実施の形態２では、信号光２１及び励起光３１がコア１１に導光されるものについて説明する。

図８はこの発明の実施の形態２による平面導波路を示す構成図であり、図８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。
励起光源３２は励起光３１を放射する光源である。
光学系３３は励起光源３２から放射された励起光３１をコア１１に導光するための光学系である。
ただし、励起光源３２をコア１１に近接して配置することで、励起光３１をコア１１に導光することが可能である場合には、光学系３３を省略することが可能である。

この実施の形態２では、コア１１の材料として、励起光３１を吸収して反転分布を形成することで、輻射遷移によって利得を発生する利得発生部材を使用する。
例えば、Ｅｒ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｎｄなどの希土類元素が添加されているガラス、Ｎｄ：ＹＶＯ_４のような希土類が添加されている結晶、Ｙｂ：ＹＡＧのような希土類元素が添加されている結晶を原料としているセラミック、あるいは、Ｃｒ：ＹＡＧやＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅなどの遷移金属が添加されている結晶が、励起光３１を吸収して反転分布を形成することで、輻射遷移によって利得を発生する利得発生部材を使用する。
コア１１は、上記のような利得発生部材で形成されている場合、励起光３１を吸収することで、信号光２１を増幅する機能を備える。

励起光源３２から放射された励起光３１は真空中でλ_３１の波長を有し、励起光３１は、コア１１内を伝搬角θ_３１で伝搬される。
また、真空中でλ_２１の波長を有する信号光２１は、コア１１内を伝搬角θ_２１で伝搬される。
励起光３１のｘ方向の波数として、コア１１における波数の垂直成分をｋ_３１１１、薄膜１２ａにおける波数の垂直成分をｋ_{３１１２ａ}、薄膜１２ｂにおける波数の垂直成分をｋ_{３１１２ｂ}とすると、波数の垂直成分ｋ_３１１１，ｋ_{３１１２ａ}，ｋ_{３１１２ｂ}は、下記の式（８）〜（１０）のように定義される。以下では、説明の簡単化のため、波数の垂直成分ｋ_３１１１，ｋ_{３１１２ａ}，ｋ_{３１１２ｂ}を波数ｋ_３１１１，ｋ_{３１１２ａ}，ｋ_{３１１２ｂ}のように簡略して表記する。

平面導波路１０内では、励起光３１の伝搬角θ_３１も、信号光２１の伝搬角θ_２１と同様に、飛び飛びの値をとり、コア１１とクラッド１２の界面で、励起光３１の入射光と反射光の位相がπだけ変化していると仮定すると、下記の式（１１）を満足するコア１１における波数ｋ_３１１１から、式（８）によって伝搬角θ_３１が決まる。式（１１）において、ｍ＝０，１，２，３，・・・である。

飛び飛びの値をとる伝搬角θ_３１のうち、角度が大きい伝搬角θ_３１の順に０次、１次、２次・・・の伝搬角θ_３１とする。
ある導波モードにおいて、励起光３１のしみ出し量が少なくなる条件は、信号光２１と同様に、下記の式（１２）のように記述することができる。

この実施の形態２では、０次のモードの伝搬角θ_２１に対して式（６）を満足し、かつ、０次のモードの伝搬角θ_３１に対して式（１２）を満足する膜厚ｄ_１２ａ，ｄ_１２ｂの薄膜１２ａ，１２ｂを含む多層膜であるクラッド１２，１３を備えることで、信号光２１及び励起光３１における０次モード光のしみ出しを抑制して、利得導波路の損失を低減することができる。また、高次モード光のしみ出し量は多くなるため、低次モード光のみの伝搬が可能になる。

以下、低次モード光のみの伝搬が可能な利得導波路である平面導波路１０として、０次モード光の伝搬角θ_２１，θ_３１に対して、式（６）及び式（１２）を満足する平面導波路１０の設計例を説明する。
ここでは、厚さｄ_１１が１０μｍで屈折率ｎ_１１が１．４２のコア１１と、膜厚ｄ_１２ａが７１８ｎｍで屈折率ｎ_１２ａが２．１６の薄膜１２ａと、膜厚ｄ_１２ｂが９６５ｎｍで屈折率ｎ_１２ｂが１．４５の薄膜１２ｂとが交互に積層された多層膜であるクラッド１２と、クラッド１２と対称な多層膜であるクラッド１３とを備えた平面導波路１０において、信号光２１が真空中で波長１．５５μｍの光であり、励起光３１が真空中で波長９４０μｍの光である場合を考える。

信号光２１に関しては、式（４）及び式（１）によれば、０次モード光の伝搬角θ_２１は、１．５１６ｒａｄとなり、薄膜１２ａにおける波数ｋ_{２１１２ａ}は６．６１×１０^６ｍ^−１、薄膜１２ｂにおける波数ｋ_{２１１２ｂ}は１．２３×１０^６ｍ^−１となる。
したがって、薄膜１２ａにおける光路長は、位相に換算すると４．７４ｒａｄになり、薄膜１２ｂにおける光路長は、位相に換算すると１．１９ｒａｄになり、合計で５．９３ｒａｄになるため、式（７）を満足する。
励起光３１に関しては、式（１１）及び式（８）によれば、０次モード光の伝搬角θ_３１は、１．５３８ｒａｄとなり、薄膜１２ａにおける波数ｋ_{３１１２ａ}は１０．９×１０^６ｍ^−１、薄膜１２ｂにおける波数ｋ_{３１１２ｂ}は２．０×１０^６ｍ^−１となる。
したがって、薄膜１２ａにおける光路長は、位相に換算すると７．８１ｒａｄになり、薄膜１２ｂにおける光路長は、位相に換算すると１．９２ｒａｄになり、合計で９．７３ｒａｄになるため、式（１２）を満足する。

上記の設計例では、シミュレーションなどによって計算すると、信号光２１における０次モード光のしみ出し量は０．０７％、１次モード光のしみ出し量は０．２９％、２次モード光のしみ出し量は０．６８％となる。
励起光３１における０次モード光のしみ出し量は０．０３％、１次モード光のしみ出し量は０．１４％、２次モード光のしみ出し量は０．３６％となる。
したがって、信号光２１及び励起光３１における０次モード光の損失は、１次モード光や２次モード光と比べて、低い値に抑えられており、低次モード化が可能な平面導波路１０になっている。

例示した屈折率ｎ_１１，ｎ_１２ａ，ｎ_１２ｂを満たす材料として、例えば、コア１１の材料はＥｒ添加フッ化アルミニウムガラス、薄膜１２ａの材料はＴａ_２Ｏ_５、薄膜１２ｂの材料はＳｉＯ_２が挙げられる。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、励起光３１を吸収して反転分布を形成することで、伝搬する信号光２１を増幅するコア１１と、コア１１の上面に接合された状態で、信号光２１及び励起光３１を反射するクラッド１２と、コア１１の下面に接合された状態で、信号光２１及び励起光３１を反射するクラッド１３とを備え、クラッド１２，１３が、材質が異なる複数の膜が積層されている多層膜であるように構成したので、コア１１の材料として、低屈折率な材料を用いても、信号光２１及び励起光３１をコア１１内に閉じ込めることができる。
また、上記の設計例では、信号光２１と比べて、励起光３１を高次モードまで伝搬可能であるが、これは励起光源３２として、マルチモードの励起光源を使用することが可能であることを意味している。
シングルモード光源よりもマルチモード光源の方が、高出力化が可能で、価格が安く、高出力なレーザ光源を構成することができる。

この実施の形態２では、クラッド１２，１３として、２種類の薄膜１２ａ，１３ａが交互に積層されている多層膜の例を示したが、多層膜に含まれる薄膜の種類が２種類であるものに限るものではなく、３種類以上の薄膜が積層されている多層膜であってもよい。
多種の薄膜が積層されている多層膜である場合、低屈折率層から高屈折率層に光が入射される界面から、次の低屈折率層から高屈折率層に光が入射される界面までの光路長を位相に換算した値をφとするとき、下記の式（１３）を満足するように設計する。

また、この実施の形態２では、クラッド１３である多層膜が、クラッド１２である多層膜と対称な多層膜である例を示したが、クラッド１３である多層膜は、式（６）及び式（１２）を満足する多層膜であればよく、クラッド１２である多層膜と材料や膜厚が異なっていてもよい。
なお、コア１１の材料として、低屈折率のガラスなどを用いる必要がない場合には、クラッド１２又はクラッド１３として、屈折率がコア１１の屈折率よりも低いクラッドを用いるようにしてもよい。
さらに、この実施の形態２では、利得導波路としての平面導波路１０ではなく、信号光２１をｙ方向にも閉じ込めたレーザとしてもよい。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、信号光２１がコア１１によって伝搬されるものを示したが、この実施の形態３では、直線偏光光源２２から放射された信号光２１がコア１１によって伝搬されるものについて説明する。

図９はこの発明の実施の形態３による平面導波路を示す構成図であり、図９において、図１及び図８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。
直線偏光光源２２は信号光２１を放射する信号光源である。
光学系３４は励起光源３２から放射された励起光３１と、直線偏光光源２２から放射された信号光２１とを混合し、信号光２１及び励起光３１をコア１１に導光するための光学系である。

信号光２１がＴＥ偏光でコア１１に入射され、コア１１やクラッド１２，１３として、従来のように、ガラスなどの等方媒質が用いられた場合、熱や応力による複屈折が生じることで、信号光２１の偏光が保持されないことがある。
この実施の形態３では、０次モード光の伝搬角θ_２１，θ_３１に対して、式（６）及び式（１２）を満足する膜厚ｄ_１２ａ，ｄ_１２ｂの薄膜１２ａ，１２ｂを含む多層膜であるクラッド１２，１３を備えることで、信号光２１及び励起光３１における０次モード光のしみ出しを抑制して、導波路損失を低減することができるが、さらに、信号光２１のＴＥ偏光とＴＭ偏光のしみ出し量を制御することで、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の伝搬定数を制御して、信号光２１の偏光が保持されるようにしてもよい。

以下、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の伝搬定数を制御して、信号光２１の偏光が保持される平面導波路１０として、０次モード光の伝搬角θ_２１，θ_３１に対して、式（６）及び式（１２）を満足する平面導波路１０の設計例を説明する。
ここでは、厚さｄ_１１が１０μｍで屈折率ｎ_１１が１．４２のコア１１と、膜厚ｄ_１２ａが７１８ｎｍで屈折率ｎ_１２ａが２．１６の薄膜１２ａと、膜厚ｄ_１２ｂが９６５ｎｍで屈折率ｎ_１２ｂが１．４５の薄膜１２ｂとが交互に積層された多層膜であるクラッド１２と、クラッド１２と対称な多層膜であるクラッド１３とを備えた平面導波路１０において、信号光２１が真空中で波長１．５５μｍの光であり、励起光３１が真空中で波長９４０μｍの光である場合を考える。
この場合、上記実施の形態２で示している設計例と同様であるため、式（６）及び式（１２）を満足し、低次モードのしみ出し量を低く抑えることができるため、信号光２１及び励起光３１が低次モードで伝搬される。

上記実施の形態１，２では、コア１１とクラッド１２の界面で、信号光２１の入射光と反射光の位相がπだけ変化していると仮定したが、実際には、光のしみ出し量に応じて異なる位相変化量となる。
信号光２１のクラッド１２における位相回転量をφ_２１１２、クラッド１３における位相回転量をφ_２１１３とすると、上記の式（４）は、正確には下記の式（１４）のように表される。式（１４）において、ｍ＝０，１，２，３，・・・である。

ＴＥモードとＴＭモードで、位相変化量が異なっている場合、即ち、位相回転量φ_２１１２と位相回転量φ_２１１３が異なっている場合、コア１１における波数ｋ_２１１１が偏光で異なる。
例えば、偏光保持光ファイバでは、応力などによって、偏光毎に屈折率を変えることで、伝搬定数を変化させて、偏光を保持しているが、この実施の形態３では、クラッド１２，１３へのしみ出し量を変化させることで伝搬定数を制御する。
上記の設計例では、シミュレーションなどによって計算すると、φ_２１１２＝φ_２１１３≒０．０１６ｒａｄとなる。
そして、ＴＥモードでは、ｋ_２１１１ｄ_１１≒πとなるが、ＴＭモードでは０．０３ｒａｄ程度のずれが生じるため、伝搬定数を１％程度変化させることができる。

例示した屈折率ｎ_１１，ｎ_１２ａ，ｎ_１２ｂを満たす材料として、例えば、コア１１の材料はＥｒ添加フッ化アルミニウムガラス、薄膜１２ａの材料はＴａ_２Ｏ_５、薄膜１２ｂの材料はＳｉＯ_２が挙げられる。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、信号光２１のＴＥ偏光とＴＭ偏光のしみ出し量を制御することで、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の伝搬定数を制御すれば、信号光２１の偏光を保持することができる。

この実施の形態３では、クラッド１２，１３として、２種類の薄膜１２ａ，１３ａが交互に積層されている多層膜の例を示したが、多層膜に含まれる薄膜の種類が２種類であるものに限るものではなく、３種類以上の薄膜が積層されている多層膜であってもよい。
また、この実施の形態３では、クラッド１３である多層膜が、クラッド１２である多層膜と対称な多層膜である例を示したが、クラッド１３である多層膜は、式（６）及び式（１２）を満足する多層膜であればよく、クラッド１２である多層膜と材料や膜厚が異なっていてもよい。
コア１１の材料として、低屈折率のガラスなどを用いる必要がない場合には、クラッド１２又はクラッド１３として、屈折率がコア１１の屈折率よりも低いクラッドを用いるようにしてもよい。
さらに、この実施の形態３では、利得導波路としての平面導波路１０ではなく、信号光２１をｙ方向にも閉じ込めたレーザとしてもよい。
図９の例では、励起光源３２と直線偏光光源２２が、図中、平面導波路１０の左側に配置されているが、図中、平面導波路１０の右側に配置されていてもよいし、図中、平面導波路１０の上側や下側に配置されていてもよい。ただし、直線偏光光源２２と光学系３４又はコア１１の間に、入射光学系が必要になる場合がある。

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。

この発明は、コアの上面及び下面にクラッドが接合されている平面導波路に適している。

１０ 平面導波路、１１ コア、１２ クラッド（第１のクラッド）、１２ａ，１２ｂ 薄膜、１３ クラッド（第２のクラッド）、１４ クラッド（第３のクラッド）、１５ クラッド（第４のクラッド）、２１ 信号光、２２ 直線偏光光源、３１ 励起光、３２ 励起光源、３３ 光学系、３４ 光学系。

この発明に係る平面導波路は、光を伝搬する平板であるコアと、コアの上面に接合された状態で、光を反射する平板である第１のクラッドと、コアの下面に接合された状態で、光を反射する平板である第２のクラッドとを備え、第１及び第２のクラッドが、材質が異なる複数の膜の組が１つ以上積層されている多層膜であり、同じ組に属している複数の膜における膜厚が、複数の膜における波数と、光が同じ組に属している複数の膜を１往復する際の光路との関係から、多層膜へしみ出す光が少なくなるように決定されているものである。

この発明に係る平面導波路は、光を伝搬する平板であるコアと、コアの上面に接合された状態で、光を反射する平板である第１のクラッドと、コアの下面に接合された状態で、光を反射する平板である第２のクラッドとを備え、第１及び第２のクラッドが、材質が異なる複数の膜の組が１つ以上積層されている多層膜であり、同じ組に属している複数の膜における膜厚が、複数の膜における波数と、光が同じ組に属している複数の膜を１往復する際の光路との関係から決定され、同じ組に属している膜の数が２つであり、２つの膜における膜厚がそれぞれｄ _ａ ，ｄ _ｂ 、２つの膜における波数の垂直成分がそれぞれｋ _ａ ，ｋ _ｂ 、光が２つの膜を１往復する際の光路がｌ×π（ｌは１以上の整数）で表される場合、２つの膜における膜厚ｄ _ａ ，ｄ _ｂ が、下記の条件式を満たす膜厚に決定されているものである。

Claims (10)

1. 光を伝搬する平板であるコアと、
   前記コアの上面に接合された状態で、前記光を反射する平板である第１のクラッドと、
   前記コアの下面に接合された状態で、前記光を反射する平板である第２のクラッドとを備え、
   前記第１及び第２のクラッドは、材質が異なる複数の膜が積層されている多層膜であることを特徴とする平面導波路。
2. 前記複数の膜は、前記コアの屈折率よりも高い屈折率を有していることを特徴とする請求項１記載の平面導波路。
3. 前記多層膜は、材質が異なる複数の膜の組が１つ以上積層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。
4. 同じ組に属している複数の膜における膜厚は、前記複数の膜における波数と、前記光が同じ組に属している複数の膜を１往復する際の光路との関係から決定されていることを特徴とする請求項３記載の平面導波路。
5. 同じ組に属している膜の数が２つであり、２つの膜における膜厚がそれぞれｄ_ａ，ｄ_ｂ、前記２つの膜における波数の垂直成分がそれぞれｋ_ａ，ｋ_ｂ、前記光が前記２つの膜を１往復する際の光路がｌ×π（ｌは１以上の整数）で表される場合、
   前記２つの膜における膜厚ｄ_ａ，ｄ_ｂは、下記の条件式を満たす膜厚に決定されていることを特徴とする請求項４記載の平面導波路。
   

   
6. 前記２つの膜における膜厚は、前記コアから前記第１及び第２のクラッドに対して前記光が入射される角度である伝搬角のうち、０次の伝搬角について、前記条件式を満たす膜厚に決定されていることを特徴とする請求項５記載の平面導波路。
7. 前記コアは、励起光を吸収して反転分布を形成することで、前記伝搬する光である信号光を増幅する利得発生部材であり、
   前記２つの膜における膜厚は、前記励起光の波長から決まる波数及び前記信号光の波長から決まる波数の双方について、前記条件式を満たす膜厚に決定されていることを特徴とする請求項５記載の平面導波路。
8. 励起光を放射する励起光源を備え、
   前記励起光源から放射された励起光が前記コアに導光されることを特徴とする請求項１記載の平面導波路。
9. 前記多層膜では、前記光におけるＴＥ偏光の位相変化量と、前記光におけるＴＭ偏光の位相変化量とが異なっていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路。
10. 前記コアは、励起光を吸収して反転分布を形成することで、前記伝搬する光である信号光を増幅する利得発生部材であることを特徴とする請求項９記載の平面導波路。

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