JPWO2018087845A1 - 平面導波路 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、利得発生部材は、信号光である増幅光と励起光との2種類の光を伝搬させることにより、励起光を吸収して反転分布を形成することで増幅光を増幅する部材である。
上記平面導波路を伝搬する光のうち、コアと内部クラッドとの界面で全反射した光は、コアに閉じ込められ、内部クラッドと外部クラッドとの界面で全反射した光は、コアと内部クラッドとがなす領域に閉じ込められる。
一般に増幅光の広がり角は小さくしたいという要望があり、また、励起光の広がり角は大きい方が平面導波路の高出力化を図ることができる。
しかしながら、フッ化物ガラスなどの低い屈折率の材料をコアに使用した場合、光学的性質と物理的性質とを考慮すると、外部クラッドの材料として励起光に対して必要なNAを満たすものがない。このため、コアに低い屈折率の材料を使用できず、コアに使用可能な材料が制限されるという課題があった。
さらに、平面導波路を上記光増幅器として機能させる場合に、広がり角の大きい安価な励起光源を使用できないため、コストの上昇が懸念される。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る平面導波路10の構成を示す図であって、平面導波路10が、増幅光21を増幅させる光増幅器である場合を示している。
平面導波路10は、コア11の両面側にそれぞれ外部クラッド12と外部クラッド13とを備え、コア11の一方の面と外部クラッド12との間に内部クラッド14、コア11の他方の面と外部クラッド13との間に内部クラッド15を備えている。
増幅光21は、図1において実線で示す光である。一方、励起光源32から放射された励起光31は、図1において点線で示す光である。
なお、図1では、コア11の厚さ方向がx軸方向であり、コア11の側面に垂直な方向がy軸方向であり、コア11に増幅光21が伝搬される光軸方向がz軸方向である。
また、コア11の屈折率をn11、コア11の厚さをd11とする。
利得発生部材とは、励起光31を吸収して反転分布を形成することで、輻射遷移により利得を発生する部材である。
利得発生部材としては、例えば、Er、Yb、Tm、Ndなどの希土類元素が添加されたガラス、Nd:YVO4のような希土類が添加された結晶、Yb:YAGのような希土類元素が添加された結晶を原料としているセラミックが挙げられる。
または、Cr:YAGまたはTi:Sapphireなどの遷移金属が添加されている結晶を使用してもよい。
また、平面導波路10の厚さ方向と増幅光21または励起光31の伝搬方向とを含む面に平行な偏光は、TM(Transverse Magnetic field)モードと呼ばれており、TMモードの偏光がTM偏光である。
なお、図1では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。
また、外部クラッド12と外部クラッド13とは、材質の異なる複数の膜が積層された多層膜で構成されている。多層膜には、コア11と内部クラッド14,15とで構成される導波路のNAが、励起光31に対して0.38以上、増幅光21に対して0.38以下となる多層膜が用いられる。
例えば、成膜が可能な誘電体材料であるSiO2、Ta2O5、MgO、Nb2O5、TiO2、CaF2、MgF2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とが形成される。薄膜13aと薄膜13bについても同様である。
なお、薄膜12aと薄膜12bの材料の組み合わせと薄膜13aと薄膜13bの材料の組み合わせとが同じであってもよいが、互いに異なっていてもよい。
薄膜12aの屈折率n12aと薄膜12bの屈折率n12bとの一方の屈折率または両方の屈折率が、コア11の屈折率n11よりも高くてもよい。
薄膜13aの屈折率はn13a、薄膜13bの屈折率はn13bであり、薄膜13aの膜厚はd13a、薄膜13bの膜厚はd13bであるものとする。
同様に、薄膜13aの屈折率n13aと薄膜13bの屈折率n13bのうちの一方の屈折率または両方の屈折率が、コア11の屈折率n11よりも高くてもよい。
内部クラッド14は、コア11の一方の面と外部クラッド12との間に設けられ、内部クラッド15は、コア11の他方の面と外部クラッド13との間に設けられている。
さらに、内部クラッド14の屈折率n14は、コア11の屈折率n11よりも低く、内部クラッド15の屈折率n15は、コア11の屈折率n11よりも低くなっている。
(n11−0.01)<n14<n11 (1)
(n11−0.01)<n15<n11 (2)
ただし、伝搬角θ31が90°付近でない場合は、上記式(1)と上記式(2)とから明らかなようにコア11と内部クラッド14,15とが非常に近い屈折率を有するので、コア11と内部クラッド14,15との各界面での屈折角はごく僅かな値となる。
このため、励起光31は、コア11においても、内部クラッド14,15においても、伝搬角θ31で伝搬するとみなせる。
なお、外部クラッド12,13は、内部クラッド14,15側から伝搬角θ31で入射された励起光31に対して99%以上の反射率を有している。
例えば、コア11の材料としてEr添加リン酸ガラスを用いた場合、コア11の屈折率n11は1.515となる。この場合、上記式(1)と上記式(2)から、内部クラッド14,15の屈折率n14,n15は、およそ1.51と仮定できる。
一方、外部クラッドとして低屈折率の材料であるフッ化物ガラスを用いると、コア11の屈折率n11は1.47となり、平面導波路における励起光に対するNAは約0.35となる。
例えば、マルチモードレーザダイオードが放射する光の縦方向の広がり角が全角45°であると、このマルチモードレーザダイオードと平面導波路とを近接配置して結合させるには、0.38以上のNAが必要である。
図2は、平面導波路における寄生発振の概要を示す図である。図2に示すように、増幅光21の経路が導波路内部の全反射のみで形成されると、損失が非常に少ないことから、レーザ発振してしまう。このような寄生発振によって、コア11を伝搬する増幅光21を増幅させるためのエネルギーが消費される。
外部クラッドの屈折率ncladがフッ化物ガラスと同様の1.47である場合、下記式(3)によれば、コア11の屈折率n11が1.78を超えると、寄生発振を避けることが困難となる。
arcsin(nclad/n11)+arcsin(1/n11)≦π/2 (3)
外部クラッド12である多層膜は、膜厚d12aが119nmで屈折率n12aが2.16の薄膜12aと、膜厚d12bが274nmで屈折率n12bが1.45の薄膜12bと、が交互に10層ずつ積層されているものとする。外部クラッド13である多層膜についても同様に、膜厚d13aが119nmで屈折率n13aが2.16の薄膜13aと、膜厚d13bが274nmで屈折率n13bが1.45の薄膜13bと、が交互に10層ずつ積層されているものとする。
そして、増幅光21を真空中で波長1550nmの光とし、励起光31を真空中で波長940nmの光とする。
なお、上記値の屈折率n11,n14,n15,n12a,n12b,n13a,n13bが得られる材料としては、下記のものがある。
例えば、コア11の材料としてEr添加フッ化アルミニウムガラスが挙げられ、内部クラッド14,15の材料には無添加のフッ化アルミニウムガラス、薄膜12a,13aの材料にTa2O5、薄膜12b,13bの材料にSiO2が挙げられる。
従って、励起光源32から放射される励起光31の縦方向の広がり角が45°であっても、この励起光源32を平面導波路10に近接配置するだけで、十分な設計余裕をもって励起光31を平面導波路10に伝搬させることができる。
なお、増幅光21に対しては、伝搬角θ21が60°以下で反射率が50%以下に抑えられている。
また、図5は、平面導波路10、増幅光光源22、結合光学系23および励起光源32の他の配置例を示す上面図である。
図4および図5において、増幅光光源22は、信号光である増幅光21を放射する光源であり、結合光学系23は、増幅光光源22を平面導波路10に結合するための光学系である。
また、図5に示す増幅装置では、励起光源32と平面導波路10とが並んだ方向(z軸方向)と、平面導波路10と結合光学系23と増幅光光源22とが並んだ方向(y軸方向)とが直交している。
平面導波路10は励起光31に対するNAが高いので、図4および図5に示すように、励起光源32と平面導波路10とを結合するための光学系が不要である。
例えば、多層膜に含まれる薄膜の種類は2種類であってもよいし、3種類以上の薄膜が積層されていてもよい。
ただし、外部クラッド12と外部クラッド13とでは、多層膜に使用する材料あるいは膜厚が互いに異なっていてもよい。
このように構成されているので、低屈折率の材料でコア11を構成しても、励起光31に対して高いNAとなる平面導波路10を得ることができる。
増幅光21は、外部クラッド12,13に入射することはないが、コア11から増幅光21に近い波長で自然放出光が放出された場合、この自然放出光は、外部クラッド12,13に入射される。このとき、図2に示した光の経路が導波路内部の全反射のみで形成されると、寄生発振が発生する。
これに対して、平面導波路10は、外部クラッド12,13が上記多層膜で構成されているので、増幅光21に対する反射率が抑えられて寄生発振を抑制することができる。
さらに、平面導波路10は励起光31を高いNAで入射することができるので、マルチモードの励起光源を使用することが可能である。
なお、マルチモードの光源は、一般にシングルモードの光源よりも価格が安く、高出力のレーザ光源を構成することができる。
上記実施の形態1は、内部クラッド14,15によって増幅光21をコア11側に閉じ込め、外部クラッド12,13によって励起光31をコア11側に閉じ込めるダブルクラッド型の平面導波路を示した。実施の形態2では、内部クラッド15を設けず、外部クラッド13によって増幅光21と励起光31の両方をコア11側に閉じ込める構成について説明する。
なお、図6において、図1と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
図1と同様に、増幅光21および励起光31における、平面導波路10Aの厚さ方向に垂直な偏光がTE偏光である。また、増幅光21および励起光31における、平面導波路10の厚さ方向と増幅光21の伝搬方向とを含む面に平行な偏光がTM偏光である。図6では、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。
なお、平面導波路10Aでは、コア11の他方の面に内部クラッド15が設けられておらず、外部クラッド13Aがコア11の他方の面に直接接合されている。
図6中の拡大図で示すように、外部クラッド13Aは、材質の異なる薄膜13aと薄膜13bとが交互に積層された多層膜で構成されている。
図7に示すように、増幅光21の波数のx方向成分には、コア11における波数のx方向成分k2111、薄膜13aにおける波数のx方向成分k2113a、薄膜13bにおける波数のx方向成分k2113bがある。
以降、波数のx方向成分を、単に、波数k2111、k2113aおよびk2113bと簡略して表記する。
k2111=(2πn11cosθ21)/λ21 (4)
k2113a=2π(n13a 2−n11 2sin2θ21)1/2/λ21 (5)
k2113b=2π(n13b 2−n11 2sin2θ21)1/2/λ21 (6)
この仮定において、コア11が下記式(7)の関係を満足している場合、コア11における波数k2111から、上記式(4)に従って伝搬角θ21を決定することができる。
なお、下記式(7)において、d11はコア11の厚さであり、m=0,1,2,3,・・・である。
k2111d11=(m+1)π (7)
また、0次の伝搬角θ21の増幅光21だけが伝搬可能な導波路をシングルモード導波路と呼ぶ。なお、0次の伝搬角θ21の増幅光21を0次モード光と呼ぶ。
さらに、低次の伝搬角θ21の増幅光21の伝搬は可能であるが、高次の伝搬角θ21の増幅光21の伝搬ができない導波路を低次モード導波路と呼ぶ。
ここで、低次の伝搬角θ21の増幅光21を低次モード光と呼び、高次の伝搬角θ21の増幅光21を高次モード光と呼ぶ。
また、外部クラッド13Aが、増幅光21に対して100%の反射率を有していても、増幅光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している。
このとき、コア11の内部に存在しているエネルギーと、多層膜の内部に存在してい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、前述したモードごとに異なる。
図10における実線の曲線21aは、増幅光21の0次モード光の電界分布を示しており、図10における点線の曲線21bは、増幅光21の1次モード光の電界分布を示している。また、これらのモードの増幅光21は、符号Aと符号Bで示すように、外部クラッド12と外部クラッド13Aにしみ出している。
例えば、あるモードの増幅光21は、多層膜が下記式(8)の関係を満足すると、しみ出し量が少なくなる。ただし、下記式(8)において、lは任意の整数である。
k2113ad13a+k2113bd13b=lπ (8)
そして、上記多層膜では、薄膜界面における反射光が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あっても、高い反射率を実現することができる。
(l−1/4)π<k2113ad13a+k2113bd13b<(l+1/4)π (9)
このように構成することで、増幅光21における0次モード光のしみ出しが抑制され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ので、低次モード光のみの伝搬が可能である。
コア11は厚さd11が10μmで屈折率n11が1.42である。
また、外部クラッド13Aである多層膜は、薄膜13aと薄膜13bとが交互に積層された多層膜である。薄膜13aは、膜厚d13aが426nmで屈折率n13aが2.16の薄膜とし、薄膜13bは、膜厚d13bが229nmで屈折率n13bが1.45の薄膜とする。さらに、増幅光21は真空中で波長が1.55μmの光とし、励起光31は真空中で波長が940μmの光とする。
また、薄膜13aにおける増幅光21の波数k2113aは、6.61×106m−1となり、薄膜13bにおける増幅光21の波数k2113bは、1.23×106m−1となる。さらに、薄膜13aにおける増幅光21の光路長は、位相に換算すると2.81radになり、薄膜13bにおける増幅光21の光路長は、位相に換算すると、0.28radになる。従って、合計で3.10radになるため、上記多層膜は、上記式(9)の関係を満足する。
従って、増幅光21における0次モード光の損失は、1次モード光および2次モード光に比べて低い値に抑えられ、平面導波路10Aは、低次モード光の伝搬が可能な導波路になっている。
例えば、図8に示した構造と同様に、外部クラッド12が外部クラッド13Aと対称の構造である場合、この導波路のNAは0.85となる。
従って、実施の形態1と同様に、上記導波路は、励起光源32から縦方向の広がり角が全角45°で放射された励起光31を十分な設計余裕をもって伝搬させることができる。
例えば、多層膜に含まれる薄膜の種類は2種類であってもよいし、3種類以上の薄膜が積層されていてもよい。
このように構成されているので、低屈折率の材料でコア11を構成しても、励起光31に対して高いNAとなる平面導波路10Aを得ることができる。
また、平面導波路10Aは励起光31を高いNAで入射することができるので、マルチモードの励起光源を使用することが可能である。
なお、マルチモードの光源は、一般にシングルモードの光源よりも価格が安く、高出力のレーザ光源を構成することができる。
このように構成することで、増幅光21における0次モード光のしみ出し量が抑えられて導波路損失を低減することができる。
また、増幅光21における高次モード光のしみ出し量が多くなることから、増幅光21における低次モード光のみの伝搬が可能な平面導波路10Aが得られる。
実施の形態3は、増幅光光源から放射された直線偏光の増幅光を、偏光を保持したままコアに伝搬する平面導波路について説明する。
図13は、この発明の実施の形態3に係る平面導波路10Bの構成を示す図であって、平面導波路10Bが、増幅光21を増幅させる光増幅器である場合を示している。
なお、図13において、図1および図6と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
コア11は厚さd11が10μmで屈折率n11が1.42である。
また、外部クラッド13Aである多層膜は、薄膜13aと薄膜13bとが交互に積層された多層膜である。
薄膜13aは、膜厚d13aが426nmで屈折率n13aが2.16の薄膜とし、薄膜13bは、膜厚d13bが229nmで屈折率n13bが1.45の薄膜とする。さらに、増幅光21は真空中で波長が1.55μmの光とし、励起光31は真空中で波長が940μmの光とする。
しかしながら、実際は、位相変化量が一定の値になるのではなく、外部クラッド13Aへの増幅光21のしみ出し量に応じて異なる位相変化量となる。
例えば、外部クラッド13Aにおける増幅光21の位相回転量をφ2113とし、内部クラッド14における増幅光21の位相回転量をφ2114とすると、上記式(7)は、正確には下記式(10)で表すことができる。ただし、m=1,2,3,・・・である。
k2111d11+φ2113+φ2114=mπ (10)
k2111d11+φ2113=mπ (11)
これに対して、平面導波路10Bでは、外部クラッド13Aである多層膜を、偏光に応じて増幅光21の位相変化量が異なるように構成している。このように構成することで、偏光に応じて増幅光21の外部クラッド13Aへのしみ出し量が変化し、偏光に応じて増幅光21の伝搬定数が変化する。これにより、コア11に入射された増幅光21の偏光を保持することができる。
例えば、多層膜に含まれる薄膜の種類は2種類であってもよいし、3種類以上の薄膜が積層されていてもよい。
このように構成することで、上記実施の形態2と同様の効果が得られ、さらにTEモードとTMモードとで増幅光21の伝搬定数が制御されて増幅光21の偏光を保持することができる。
Claims (9)
- 光を伝搬する平板状のコアと、
前記コアの両面側にそれぞれ設けられ、励起光に対して増幅光よりも高い反射率を有する第1のクラッドと、
前記コアの少なくとも一方の面と前記第1のクラッドとの間に設けられ、前記コアよりも低い屈折率を有する第2のクラッドとを備え、
前記第1のクラッドは、材質の異なる複数の膜が積層された多層膜であること
を特徴とする平面導波路。 - 前記コアは、励起光を吸収して増幅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1記載の平面導波路。
- 前記多層膜は、材質の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。
- 開口数は、励起光に対して0.38以上であり、増幅光に対して0.38以下であることを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
- 同じ組に属する複数の膜は、複数の膜のそれぞれを伝搬する増幅光の波数と、この組を増幅光が1往復したときの光路との関係に基づいて決定される膜厚を有することを特徴とする請求項3記載の平面導波路。
- 前記多層膜では、光の伝搬モードに応じて当該多層膜への光のしみ出し量が異なることを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
- 前記多層膜では、光の伝搬モードが高次側になるにつれてしみ出し量が増加することを特徴とする請求項6記載の平面導波路。
- 前記多層膜では、偏光に応じて当該多層膜への光のしみ出し量が異なることを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
- 前記多層膜では、偏光に応じて増幅光の位相変化量が異なることを特徴とする請求項1記載の平面導波路。
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