WO2010134178A1 - 光導波路型偏光子、それを用いた光スイッチング装置及びｑスイッチレーザ装置 - Google Patents

光導波路型偏光子、それを用いた光スイッチング装置及びｑスイッチレーザ装置 Download PDF

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WO2010134178A1
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waveguide
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refractive index
optical waveguide
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陽介 秋野
嘉仁 平野
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三菱電機株式会社
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
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    • G02B6/276—Removing selected polarisation component of light, i.e. polarizers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/115—Q-switching using intracavity electro-optic devices

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide polarizer, and in particular, to TE light (polarization whose electric field is parallel to the substrate) and TM light (polarization whose magnetic field is parallel to the substrate), which are two polarizations propagating in the optical waveguide.
  • an optical waveguide polarizer that leaks TE light from the waveguide and transmits only TM light, or leaks TM light from the waveguide and transmits only TE light, and light using the same
  • the present invention relates to a switching device and a Q-switch laser device.
  • a conventional waveguide polarizer for example, a waveguide layer, a first cladding layer, a second cladding layer, and a substrate are stacked, and the first cladding layer has a high It is composed of a multilayer thin film in which refractive index layers and low refractive index layers are alternately stacked, and the TM mode equivalent refractive index is smaller than the TE mode equivalent refractive index of the first cladding layer. If the thickness is set to maximize the loss of the TM mode, the TE mode maintains a low loss, the TE mode is transmitted, the TM mode is leaked, and light including two polarized waves of TE and TM is obtained. A technique has been proposed in which the light is separated, the TM mode is radiated to the substrate with very high efficiency, and only the TE mode passes with low loss (see, for example, Patent Document 1).
  • a waveguide substrate As another example of a conventional waveguide polarizer, a waveguide substrate, an optical waveguide provided on the substrate and having a higher refractive index than the substrate, and metal layers disposed on both sides of the optical waveguide. Proposed is an optical waveguide type polarizer that absorbs TE light by the complex refractive index of the metal layer, attenuates the TE light, and separates the TM light from the TE light (for example, see Patent Document 2).
  • a metal film is provided on the surface of the waveguide to cause loss in the longitudinal direction, and the waveguide surface and the metal film are disposed more than the core of the waveguide.
  • a technique for providing a dielectric film having a low refractive index to improve the polarization extinction ratio has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
  • a resonator including an output mirror and a total reflection mirror, and a laser rod, a polarizer, and a Pockels cell, which are laser light sources disposed in the resonator
  • the flash lamp that excites the laser rod and the Pockels cell driving circuit that changes the voltage applied to the Pockels cell.
  • the polarization direction in the resonator is controlled by the voltage applied to the Pockels cell.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 4-125602 page 4, FIG. 1
  • Japanese Patent Laid-Open No. 4-156423 page 4, FIG. 1
  • JP-A-8-304647 first page, FIG. 1
  • Japanese Patent Laid-Open No. 61-168979 page 5, FIG. 1
  • the conventional waveguide polarizer disclosed in Patent Document 1 realizes a polarization function by forming a clad layer with a multilayer thin film in which a high refractive index layer and a low refractive index layer are alternately stacked. It is necessary to strictly control the thickness of the layer, and processing is not easy. In general, when the number of layers of the film is increased or the film thickness is increased, the light intensity resistance tends to be weakened. When used in a Q-switch laser polarizer, the light intensity inside the resonator is increased. There was a problem that damage occurred.
  • the conventional waveguide polarizer disclosed in Patent Document 2 has a problem that the extinction ratio of the polarizer is not so high because the TM light is absorbed by the metal films provided on both sides of the optical waveguide. There was a point.
  • the conventional waveguide polarizer disclosed in Patent Document 3 is a dielectric having a refractive index lower than that of the waveguide layer between the metal film and the waveguide layer as compared with the waveguide disclosed in Patent Document 2.
  • a film is provided to improve the polarization extinction ratio of the polarizer, it is necessary to control the film thickness of the dielectric film, and processing is not easy.
  • the light intensity resistance tends to be weakened.
  • the light intensity inside the resonator is increased. There was a problem that damage occurred.
  • the conventional Q-switched laser device disclosed in Patent Document 4 uses a Pockel cell and a polarizing beam splitter to obtain a giant pulse. However, since it is bulky, the entire system becomes large, and the Pockels cell Since the thickness is several millimeters, the voltage required to rotate the polarized light by 90 ° is very high.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to obtain an optical waveguide type polarizer that is easy to process and realizes a very good extinction ratio.
  • the present invention also provides an optical switching device that can obtain a very stable output using an optical waveguide polarizer, and a Q-switched laser that is very small and can realize low-voltage driving of a Pockels cell.
  • the aim is also to obtain a device.
  • the present invention provides a birefringent waveguide layer, a cladding layer provided on an upper surface and a lower surface of the waveguide layer, and an outer surface of at least one of the cladding layers, and attenuates incident light.
  • an optical loss means wherein the cladding layer is configured such that the refractive index is high for one refractive index of the waveguide layer and the refractive index is low for the other refractive index.
  • the TE light and the TM light are separated by guiding one of the TE light and TM light incident on the waveguide layer, leaking the other and attenuating by the light loss means.
  • This is an optical waveguide polarizer.
  • the present invention provides a birefringent waveguide layer, a cladding layer provided on an upper surface and a lower surface of the waveguide layer, and an outer surface of at least one of the cladding layers, and attenuates incident light.
  • an optical loss means wherein the cladding layer is configured such that the refractive index is high for one refractive index of the waveguide layer and the refractive index is low for the other refractive index.
  • the TE light and the TM light are separated by guiding one of the TE light and TM light incident on the waveguide layer, leaking the other and attenuating by the light loss means. Therefore, processing is easy and a very good extinction ratio can be obtained as a polarizer.
  • FIG. 1 and 2 are configuration diagrams showing a waveguide polarizer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. In each figure, the same numerals indicate the same or corresponding parts.
  • the waveguide polarizer 1 includes an optical loss means 2, a cladding layer 3, a waveguide layer 4, and a heat sink 5.
  • the waveguide polarizer 1 has a clad layer 3 entirely provided on the upper and lower surfaces of the waveguide layer 4.
  • the cladding layer 3 provided on the upper surface of the waveguide layer 4 is referred to as a first surface 3 a of the cladding layer 3
  • the cladding layer 3 provided on the lower surface of the waveguide layer 4 is the second surface of the cladding layer 3.
  • 2 is referred to as a surface 3b (see FIGS. 3 and 4).
  • the optical loss means 2 is entirely provided on the outer sides of the first surface 3a and the second surface 3b of the cladding layer 3, respectively.
  • the optical loss means 2 provided on the first surface 3 a of the cladding layer 3 is referred to as the first surface 2 a of the optical loss means 2, and the optical loss provided on the second surface 3 b of the cladding layer 3.
  • the means 2 will be referred to as the second surface 2b of the light loss means 2 (see FIGS. 3 and 4).
  • the heat sink 5 is provided on the lower surface of the second surface 2 b of the light loss means 2, releases heat generated in the operation of the waveguide polarizer 1 to the outside, and cools the waveguide polarizer 1.
  • the waveguide layer 4 is made of a birefringent material having at least a plurality of refractive indexes of ordinary refractive index and extraordinary refractive index.
  • the clad layer 3 has a higher refractive index than the ordinary refractive index (or extraordinary refractive index) of the waveguide layer 4. Consists of lowering material.
  • the waveguide layer 4 separates light by guiding a part of the incident light, leaking the remaining part and attenuating the light by the light loss means 2. In the first embodiment, only TE light (or TM light) is leaked from the waveguide layer 4 with respect to TE light and TM light propagating in the waveguide layer 4, and only TM light (or TE light) is leaked. Is guided.
  • the propagating light L1 having polarized light having a relationship in which the refractive index of the cladding layer 3 is lower than the refractive index of the waveguide layer 4 is transmitted from the first surface 4a which is one of the side surfaces of the waveguide 4 as shown in FIG.
  • the first surface 4a of the cladding layer 3 and the waveguide layer 4 When entering the waveguide 4, light propagates toward the interface between the first surface 3 a of the cladding layer 3 and the waveguide layer 4, and the first surface 3 a of the cladding layer 3 and the waveguide layer 4 Light is reflected at the interface.
  • the reflected light propagates toward the second surface 3b of the cladding layer 3 provided on the opposite side to the first surface 3a of the cladding layer 3, and is guided to the second surface 3b of the cladding layer 3.
  • the light is reflected again at the interface with the waveguide layer 4 and propagates toward the first surface 3 a of the cladding layer 3. While repeating this, the light propagates, and then the light is emitted from the second surface 4 b of the waveguide layer 4.
  • the second surface 4b of the waveguide layer 4 is a side surface opposite to the first surface 4a of the waveguide layer 4.
  • the propagating light L2 having a polarization in which the polarization direction of the propagating light L1 is rotated by 90 ° and the refractive index of the cladding layer 3 is higher than the refractive index of the waveguide layer 4 is as shown in FIG.
  • the light enters the waveguide layer 4 from the first surface 4a of the waveguide layer 4, the light propagates toward the interface between the first surface 3a of the cladding layer 3 and the waveguide layer 4, and the cladding layer 3 And enters the first surface 2 a of the light loss means 2.
  • the light intensity is partially attenuated by the first surface 2 a of the light loss means 2, and the remaining light passes through the first surface 3 a of the cladding layer 3, the waveguide layer 4, and the second surface 3 b of the cladding layer 3. Passes and enters the second surface 2b of the light loss means 2.
  • the light intensity is partially attenuated by the second surface 2 b of the light loss means 2, and the remaining light passes through the second surface 3 b of the cladding layer 3, the waveguide layer 14, and the first surface 3 a of the cladding layer 3. Passes and enters the first surface 2a of the light loss means 2.
  • the light propagates while repeating this, and the remaining light is emitted from the second surface 4 b of the waveguide layer 4.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the calculation results of the incident angle dependency of various metal materials. 5 (a) is silver, (b) is copper, (c) is nickel, (d) is gold, (e) is lead, (f) is aluminum, (g) is chromium, and (h) is titanium. FIG. 5A to 5H show characteristics with respect to light having a wavelength of 1064 nm that is generally used as laser oscillation light.
  • the characteristic for S-polarized light is indicated by a curve a
  • the characteristic for P-polarized light is indicated by a curve b.
  • the TM polarization mode is incident as P-polarized light. Therefore, nickel, lead, chromium, and titanium have an incident angle of 80 degrees or less and reflectivity of 0.15 to 0.7, which gives a large loss to light leaking outside the cladding layer 3. It is desirable to form the light loss means 2 from any one of lead, chromium and titanium.
  • the present invention is not limited to this case, and the light loss means 2 may be formed of any one of gold, silver, copper, and aluminum. Therefore, the material is appropriately determined according to the operating environment or the like.
  • the loss effect can be enhanced by scattering the light by roughening the interface of the cladding layer 3 in contact with the light loss means 2 by back sputtering or the like.
  • the material of the clad 3 layer is higher in refractive index than the ordinary refractive index of the waveguide layer 4, and lower in refractive index than the extraordinary refractive index, or the waveguide layer 4 A material having a higher refractive index than the extraordinary refractive index and a lower refractive index than the ordinary refractive index is used.
  • the material of the waveguide layer 4 is a biaxially uniaxial or biaxial crystal, and has an ordinary refractive index higher than that of the cladding layer 3, and an extraordinary refractive index. Or a material having a low ordinary refractive index and a high extraordinary refractive index.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing calculation results of wavelength dependence of various waveguide layer materials and cladding layer materials.
  • 6A is a characteristic diagram when YVO 4 is used for the waveguide layer 4 and Ta 2 O 5 is used for the clad layer 3
  • FIG. 6B is a graph showing YLF for the waveguide layer 4 and the clad layer 3. It is a characteristic view when SiO 2 is used.
  • the characteristic of the waveguide layer 4 with respect to the ordinary refractive index is represented by a curve c
  • the characteristic of the waveguide layer 4 with respect to the extraordinary refractive index is represented by a curve d
  • the characteristic of the cladding layer 3 with respect to the refractive index is indicated by a curve e.
  • FIG. 6 (a) when the waveguide layer 4 is YVO 4 and the cladding layer 3 is Ta 2 O 5 , Since the relationship of extraordinary refractive index of YVO 4 > refractive index of Ta 2 O 5 > ordinary refractive index of YVO 4 is maintained, YVO 4 is formed in the waveguide layer 4 and Ta 2 O 5 is formed in the cladding layer 3. Good.
  • the refractive index of SiO 2 and the YLF are within a wavelength range of 0.5 ⁇ m or less and 2.0 ⁇ m or more. Since the extraordinary refractive index is almost the same and the relationship that the ordinary refractive index of YLF is larger than the refractive index of SiO 2 and the extraordinary refractive index of YLF is maintained, YLF is used for the waveguide layer 4 and SiO 2 is used for the cladding layer 3. , May be formed.
  • the direction of polarized light that feels ordinary refractive index and the direction of polarized light that feels extraordinary refractive index are determined by the crystal axis direction of the waveguide layer 4.
  • the polarization direction of the light to be made can be selected.
  • TM light propagates and TE light
  • a-axis of YVO 4 is made perpendicular to the interface between the optical loss means 2 and the cladding layer 3
  • TE light can propagate and TM light can leak.
  • the waveguide loss is such that light incident on the cladding layer 3 at an angle larger than the critical angle is confined in the waveguide layer 4, so that the total reflection critical angle is set as a condition that the number of reflections is minimized in each optical loss means 2.
  • the number of reflections can be calculated and derived from the thickness and length of the waveguide layer 4.
  • R indicates the reflectance of the light loss means.
  • the refractive index of the clad layer 3 of the waveguide polarizer 1 is 2.08 (assuming Ta 2 O 5 )
  • the refractive index of the waveguide layer 4 is 2.165 (assuming YVO 4 )
  • the optical loss means 2 The thickness of the waveguide layer 4 is 100 ⁇ m, the length is 5 mm, and the optical loss means 2 is provided on both upper and lower surfaces of the cladding layer 3 to leak TE light.
  • the crystal axis of YVO 4 is determined so as to transmit TM light
  • the total reflection critical angle of the light propagating in the waveguide layer 4 with respect to the cladding layer 3 is 73.9 °
  • the number of reflections is 14.4 times
  • the loss is -29 [dB].
  • the propagation loss of TM light propagating in the waveguide layer 4 when the length is 5 mm is about 2%, the loss is ⁇ 0.09 [dB], and the TE light loss 29 [dB] is converted to the polarization quenching.
  • the ratio is 28.9 [dB], and a very high extinction ratio can be realized.
  • a material having birefringence is used for the waveguide layer 4, and the upper and lower cladding layers 3 are always provided with the waveguide layer 4.
  • a material having a high refractive index with respect to the refractive index (or extraordinary refractive index) and conversely with an extraordinary refractive index (or ordinary refractive index) a material having a low refractive index is used. Since the means 2 is provided, the direction of polarization to be transmitted can be selected by the crystal axis, and a high polarization extinction ratio can be realized.
  • FIG. 7 and 8 are configuration diagrams showing a waveguide polarizer, FIG. 7 is a perspective view, and FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 7 and 8, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
  • the waveguide polarizer 11a includes an optical loss means 12, a cladding layer 13, a waveguide layer 14 having a planar structure (hereinafter referred to as a planar waveguide layer 14), and a heat sink 15. Consists of.
  • the planar structure refers to a structure in which a waveguide and a clad have a layered structure, light is confined in a direction perpendicular to the waveguide surface, and light waves are spatially propagated in a horizontal direction.
  • the waveguide polarizer 11 a has a clad layer 13 entirely provided on the upper and lower surfaces of the planar waveguide layer 14.
  • the clad layer 13 provided on the upper surface of the planar waveguide layer 14 is referred to as a first surface 13a of the clad layer 13, and the clad layer 13 provided on the lower surface of the planar waveguide layer 14 is clad.
  • the second surface 13b of the layer 13 is referred to as the second surface 13b of the layer 13 (see FIGS. 9 and 10).
  • the light loss means 12 is provided on the entire surface outside the second surface 13 b of the cladding layer 13.
  • the light loss means 12 provided on the second surface 13b of the cladding layer 13 is referred to as the second surface 12b of the light loss means 12 (see FIGS. 9 and 10).
  • the difference in configuration between the second embodiment and the first embodiment is that, in the second embodiment, the optical loss means 12 is provided only in the lower cladding layer 13 and the waveguide layer 14 has a planar structure. It is a point. Since other configurations are the same as the configurations and materials of the corresponding parts of the first embodiment, the description thereof is omitted here.
  • the propagation light L1 having polarized light having a relationship in which the refractive index of the cladding layer 13 is lower than the refractive index of the planar waveguide layer 14 is a first surface that is one side surface of the planar waveguide 14.
  • the light enters the planar waveguide 14 from 14a the light propagates toward the interface between the first surface 13a of the cladding layer 13 and the planar waveguide 14, and the first surface 13a of the cladding layer 13 and the planar surface are in contact with each other. Light is reflected at the interface with the mold waveguide 14.
  • the reflected light propagates toward the second surface 13b of the clad layer 13 provided on the opposite side to the first surface 13a of the clad layer 13, and the second surface 13b of the clad layer 13 and the planar surface.
  • the light is reflected again at the interface with the mold waveguide 14 and propagates toward the first surface 13 a of the cladding layer 13. While repeating this, the light propagates, and then the light is emitted from the second surface 14 b of the planar waveguide 14.
  • the second surface 14 b of the planar waveguide layer 14 is a side surface opposite to the first surface 14 a of the planar waveguide layer 14.
  • the propagation light L2 having a polarization in which the polarization direction of the propagation light L1 is rotated by 90 ° and the refractive index of the cladding layer 13 is higher than the refractive index of the planar waveguide layer 14 is shown in FIG.
  • the light when light enters the planar waveguide layer 14 from the first surface 14 a of the planar waveguide layer 14, the light travels toward the interface between the first surface 13 a of the cladding layer 13 and the planar waveguide 14.
  • Propagates passes through the cladding layer 13, is reflected by the interface between the cladding layer 13 and air, and passes through the first surface 13a of the cladding layer 13, the planar waveguide layer 14, and the second surface 13b of the cladding layer 13. Passes and enters the second surface 12b of the light loss means 12.
  • the light intensity is partially attenuated by the second surface 12b of the light loss means 2, and the remaining light is the second surface 13b of the cladding layer 13, the planar waveguide layer 14, and the first surface of the cladding layer 13.
  • the light passes through 13a and is reflected by the interface between the cladding layer 13 and air. By repeating this, the light propagates and the remaining light is emitted from the second surface 14 b of the planar waveguide 14.
  • the propagation lights L1 and L2 can be spatially propagated in the lateral direction to expand the beam width, power scaling is easy, and high output can be realized. Become. Other operations are the same as those of the optical waveguide polarizer 1 according to the first embodiment of the present invention, and have the same effects.
  • the waveguide layer 14 is made of a material having birefringence, and the upper and lower cladding layers 13 are normally provided with the waveguide layer 14.
  • FIG. 11 and 12 are configuration diagrams showing a waveguide type polarizer, FIG. 11 is a perspective view, and FIG. 12 is a cross-sectional view. 11 and 12, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts. 11 and 12, the waveguide polarizer 11b includes an optical loss means 12, a cladding layer 13, a waveguide 14 having a planar structure (hereinafter referred to as a planar waveguide), and a heat sink 15.
  • a planar waveguide hereinafter referred to as a planar waveguide
  • the difference in configuration between the third embodiment and the second embodiment is that, in the third embodiment, the light loss means 12 is provided outside both the upper and lower cladding layers 13. Since other configurations are the same, the description thereof is omitted here.
  • Propagating light L1 having polarized light having a relationship in which the refractive index of the cladding layer 13 is lower than the refractive index of the planar waveguide layer 14 is obtained from the first surface 14a of the planar waveguide layer 14 as shown in FIG.
  • the light enters the mold waveguide layer 14 light propagates toward the interface between the first surface 13 a of the cladding layer 13 and the planar waveguide layer 14, and the planar surface and the first surface 13 a of the cladding layer 13. Light is reflected at the interface with the waveguide layer 14.
  • the reflected light propagates toward the second surface 13b of the clad layer 13 provided on the opposite side to the first surface 13a of the clad layer 13, and the second surface 13b of the clad layer 13 and the planar surface.
  • the light is reflected at the interface with the mold waveguide layer 14 and propagates toward the first surface 13 a of the cladding layer 13.
  • the light propagates while repeating this, and then the light is emitted from the second surface 14b of the planar waveguide layer 14.
  • the propagating light L2 having a polarization in which the polarization direction of the propagating light L1 is rotated by 90 ° and the refractive index of the cladding 13 is higher than the refractive index of the planar waveguide 14 is as shown in FIG.
  • the light enters the planar waveguide layer 14 from the first surface 14 a of the planar waveguide layer 14 the light is directed toward the interface between the first surface 13 a of the cladding layer 13 and the planar waveguide layer 14.
  • Propagate pass through the first surface 13 a of the cladding layer 13, and enter the first surface 12 a of the light loss means 12.
  • the light intensity is partially attenuated by the first surface 12 a of the light loss means 12, and the remaining light is the first surface 13 a of the cladding layer 13, the planar waveguide layer 14, and the second surface of the cladding layer 13.
  • 13 b passes through the second surface 12 b of the light loss means 12.
  • the light intensity is partially attenuated by the second surface 12b of the light loss means 2, and the remaining light is the second surface 13b of the cladding layer 13, the planar waveguide layer 14, and the first surface of the cladding layer 13.
  • the light passes through 13 a and enters the first surface 12 a of the light loss means 12. By repeating this, the light propagates and the remaining light is emitted from the second surface 12 b of the planar waveguide 14.
  • the propagation lights L1 and L2 can be spatially propagated in the lateral direction to expand the beam width, power scaling is easy, and high output can be realized.
  • Other operations are the same as those of the optical waveguide polarizers 1 and 11a according to the first and second embodiments of the present invention, and have the same effects.
  • the optical waveguide polarizer 11b As described above, in the optical waveguide polarizer 11b according to the third embodiment of the present invention, a material having birefringence is used for the waveguide layer 14, and the upper and lower clad layers 13 are normally provided with the waveguide layer 14.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a configuration of an optical switching device according to Embodiment 4 of the present invention.
  • an optical switching device 20 includes a pumping light source 21, a laser medium 22, a polarizer 11, a Pockels cell 23, a heat sink 24, a Pockels cell driving device 25, and a first reflecting means 26 (not shown).
  • the second reflecting means 27 (not shown) and the electrode 28 (not shown) are included.
  • the excitation light source 21 and the laser medium 22 constitute a laser light source.
  • PL is excitation light
  • OL oscillation light
  • SL switched output light.
  • the waveguide polarizer 11a or 11b shown in the second and third embodiments is used as the polarizer 11.
  • the first reflecting means 26 is provided on the end face of the laser medium 22 on the excitation light source 21 side, and the second reflecting means 27 is provided on the short face of the laser medium 22 on the side where the excitation light source 21 is not adjacent.
  • the first reflection means 26 has a function of preventing the excitation light PL from being reflected and totally reflecting the oscillation light OL, and the second reflection means 27 is one for the oscillation light OL.
  • the first reflecting means 26 and the second reflecting means 27 form a resonator.
  • the laser medium 22 preferably has a planar structure, has a high gain with respect to the wavelength of the excitation light PL, and is excellent in mechanical strength and thermal conductivity.
  • the electrodes 28 are provided on the upper and lower surfaces of the Pockels cell 23, and each electrode 28 is electrically connected to the Pockels cell driving device 25.
  • the Pockels cell 23 has electrodes on both sides parallel to the optical axis direction, and has a function of changing the direction of polarization of light incident on the Pockels cell 23 according to the voltage between the electrodes. A material with a high constant and a high damage threshold is desirable.
  • the excitation light source 21, the laser medium 22, the Pockels cell 23, and the polarizer 11 are provided on the heat sink 24, and the excitation light source 21, the laser medium 22, the Pockels cell 23, and the waveguide type polarizer 11 are arranged in this order.
  • the excitation light PL emitted from the excitation light source 21 enters the laser medium 22, the vertical component of the excitation light PL propagates through the waveguide, the planar component spatially propagates, and optically excites the laser medium 22.
  • the CW oscillation light OL having only the TE mode or the TM mode is generated from the second reflecting means 27 provided in the laser medium 22.
  • the oscillation light OL is incident on the Pockels cell 23, and the voltage between the electrodes 28 of the Pockels cell 23 is changed by the Pockels cell driving device 25, thereby rotating the polarization direction of the oscillation light OL and alternating the TE light or TM light.
  • the polarizer 11 guides TE light (or TM light), leaks TM light (or TE light), and generates switching light SL.
  • the oscillation light can also follow and be turned on / off.
  • the solid-state laser since the solid-state laser generates relaxation oscillation immediately after oscillation, the laser output immediately after switching is unstable. Therefore, high-speed switching is not suitable.
  • the waveguide type polarizer 11a or 11b according to the second or third embodiment of the present invention is used. Since the thickness of the Pockels cell 23 can be reduced by using the waveguide, the Pockels cell 23 can be driven at a low voltage, a stable output can be obtained, and the laser medium 22 has a planar structure. Therefore, high output can be achieved.
  • FIG. 16 is a perspective view showing a configuration of a Q-switch laser apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
  • a Q-switch laser device 30 includes an excitation light source 31, a laser medium 32, a polarizer 11, a Pockels cell 33, a heat sink 34, a Pockels cell driving device 35, and a first reflection (not shown). It comprises means 36, second reflecting means 37 (not shown), and electrode 38 (not shown).
  • the excitation light source 31 and the laser medium 32 constitute a laser light source.
  • PL excitation light
  • FL oscillation light.
  • the waveguide polarizer 11a or 11b shown in the second and third embodiments is used as the polarizer 11.
  • the electrodes 38 are provided on the upper and lower surfaces of the Pockels cell 33, and each electrode 38 is electrically connected to the Pockels cell driving device 35.
  • the first reflecting means 36 is provided on the end face of the laser medium 32 on the excitation light source 31 side, and the second reflecting means 37 is provided on the end face of the polarizer 11 on the side where the Pockel cell 33 is not adjacent.
  • the first reflecting means 36 has a function of preventing the excitation light PL from being reflected and totally reflecting the oscillation light OL, and the second reflection means 37 partially reflects the oscillation light OL.
  • a resonator is formed by the first reflecting means 36 and the second reflecting means 37.
  • the excitation light source 31, the laser medium 32, the polarizer 11, and the Pockels cell 33 are provided on the heat sink 34, and the excitation light source 31, the laser medium 32, the Pockels cell 33, and the polarizer 11 are arranged in this order.
  • the excitation light source 31 desirably outputs excitation light PL having a plurality of emitters, a small divergence angle with respect to the plane direction of the laser medium 32, and an oscillation wavelength that the laser medium 32 absorbs well.
  • an LD (Laser Diode) array is used as the excitation light source 31.
  • the laser medium 32 preferably has a planar structure, has a high gain with respect to the wavelength of the excitation light PL, and is excellent in mechanical strength and thermal conductivity.
  • the Pockels cell 33 has a planar structure, has electrodes on both sides parallel to the optical axis direction, and has a function of changing the polarization of light incident on the Pockels cell 33 according to the voltage between the electrodes.
  • a material with a high electro-optic constant and a high damage threshold is desirable.
  • Excitation light PL emitted from the excitation light source 31 enters the laser medium 32.
  • the excitation light PL incident on the laser medium 32 propagates in the waveguide in the vertical direction, spatially propagates in the plane direction, and optically excites the laser medium 32.
  • the Pockels cell driving device 35 provides electrodes 38 provided on the upper and lower surfaces of the Pockels cell 33 so that the refractive index of the planar waveguide layer 14 of the polarizer 11 is lower than the refractive index of the cladding layer 13. Control the voltage between. Thereby, the light propagating in the resonator is attenuated by the light loss means 12 of the polarizer 11 and suppresses the oscillation of the laser.
  • the Pockels cell driving device 35 causes the Pockels cell driving device 35 to make the refractive index of the planar waveguide layer 14 of the polarizer 11 higher than the refractive index of the cladding layer 13.
  • the voltage between the electrodes 38 provided on the upper and lower surfaces of 33 is controlled.
  • the Q-switched laser device When the gain is higher than the loss, the number of photons suddenly increases in the resonator, pulse light PL having a high peak value is generated, and the second reflecting means 37 provided on the end face of the polarizer 11 causes the resonator to A part of the pulsed light PL generated inside is taken out and output as oscillation light OL.
  • the Q-switched laser device According to the fifth embodiment generates a giant pulse by changing the Q value in the resonator.
  • the number of parts can be reduced by providing the laser medium with a waveguide-type polarizer function. It is.
  • the beam width can be expanded in the lateral direction, the consistency with the LD array is high, power scaling is easy, and high output can be realized.
  • the thickness of the Pockels cell 33 can be reduced by forming a waveguide, the half-wave voltage necessary for rotating the polarization in the Pockels cell 33 by 90 ° can be very low. .
  • the waveguide polarizer 11a or 11b according to the second or third embodiment of the present invention is used as the polarizer 11.
  • the Pockels cell 33 can be driven at a low voltage because the Pockels cell 33 can be reduced in size and can be reduced in thickness by using a waveguide, and the laser medium 22 has a planar structure. Therefore, high output can be achieved.

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Abstract

　この発明は、複屈折性の導波路層４と、導波路層４の上面および下面に設けられたクラッド層３と、クラッド層３の外側の面に設けられ、入射された光を減衰させる光損失手段２とを備え、クラッド層３は、導波路層４の常屈折率（または異常屈折率）に対しては、屈折率が高く、異常屈折率（または常屈折率）に対しては、屈折率が低くなるように構成されており、導波路層４に入射される光のＴＥ光およびＴＭ光のいずれか一方を導波し、他方を漏洩させ光損失手段２によって減衰させることによって、ＴＥ光およびＴＭ光を光分離する。これにより、加工が容易な構造において、偏光子として非常に良好な消光比を実現することができる。

Description

光導波路型偏光子、それを用いた光スイッチング装置及びＱスイッチレーザ装置
　本発明は光導波路型偏光子に関し、特に、光導波路内を伝搬する２つの偏波であるＴＥ光（電界が基板に平行な偏波）及びＴＭ光（磁界が基板に平行な偏波）に対して、ＴＥ光を導波路から漏洩し、ＴＭ光のみを透過させるか、あるいは、ＴＭ光を導波路から漏洩し、ＴＥ光のみを透過させる光導波路型偏光子、および、それを用いた光スイッチング装置およびＱスイッチレーザ装置に関する。
　従来の導波路型偏光子の一例として、例えば、導波路層と、第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、基板とを、積層して構成し、第１のクラッド層は、高屈折率層と低屈折率層とを交互に重ねた多層薄膜で構成されており、第１クラッド層のＴＥモードの等価的な屈折率に対してＴＭモードの等価的な屈折率の方が小さくなり、ＴＭモードの損失が最大になる厚さに設定すれば、ＴＥモードは低損失を保持して、ＴＥモードは透過、ＴＭモードは漏洩となり、ＴＥおよびＴＭの２つの偏波を含む光にそれぞれ光分離され、ＴＭモードは非常に高効率で基板へ放射され、ＴＥモードのみを低損失で通過させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　また、従来の他の導波路型偏光子の一例として、導波路基板と、当該基板に設けられ、当該基板よりも屈折率が高い光導波路と、光導波路の両側に配置された金属層とから構成され、金属層の複素屈折率によってＴＥ光に対して吸収作用を生じさせ、ＴＥ光の光を減衰させ、ＴＭ光とＴＥ光の光分離を行う光導波路型偏光子を提案している（例えば、特許文献２参照）。
　さらに、従来の別の導波路型偏光子の一例として、導波路の表面に縦方向を損失させるために金属膜を設け、導波路の表面と金属膜との間に、導波路のコアよりも屈折率の低い誘電体膜を設け、偏光消光比を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
　また、従来のＱスイッチレーザ装置の一例として、出力鏡および全反射鏡からなる共振器と、この共振器内に配置されたレーザ光の発生源であるレーザロッド、偏光子、および、ポッケルスセルと、レーザロッドを励起するフラッシュランプと、ポッケルスセルに印加する電圧を変化させるポッケルスセル駆動回路とで構成され、ポッケルスセルに印加した電圧によって、共振器内の偏光方向の制御を行い、偏光子との組み合わせによって、共振器内のＱ値を変えて、ジャイアントパルスを得ているものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開平４－１２５６０２号公報（第４頁、第１図） 特開平４－１５６４２３号公報（第４頁、第１図） 特開平８－３０４６４７号公報（第１頁、第１図） 特開昭６１－１６８９７９号公報（第５頁、第１図）
　特許文献１に開示された従来の導波路型偏光子は、クラッド層を高屈折率層と低屈折率層とを交互に重ねた多層薄膜で構成させることで偏光機能を実現させており、クラッド層の膜厚を厳しく制御する必要があり、加工が容易ではない。また、一般的に、膜の層数の増加や膜厚を厚くすると光強度耐性が弱くなる傾向にあり、Ｑスイッチレーザ用偏光子に用いる場合、共振器内部の光強度が高くなるため、薄膜にダメージが発生するという問題点があった。
　特許文献２に開示された従来の導波路型偏光子は、光導波路の両側に設けられた金属膜によって、ＴＭ光も少なからず吸収されるため、偏光子の消光比は、さほど高くないという問題点があった。
　特許文献３に開示された従来の導波路型偏光子は、特許文献２に開示された導波路に対して、金属膜と導波路層との間に導波路層よりも屈折率が低い誘電体膜を設け、偏光子の偏光消光比の向上を図っているが、誘電体膜の膜厚を制御する必要があり、加工が容易ではない。また、一般的に、膜の層数の増加や膜厚を厚くすると光強度耐性が弱くなる傾向にあり、Ｑスイッチレーザ用偏光子に用いる場合、共振器内部の光強度が高くなるため、薄膜にダメージが発生するという問題点があった。
　特許文献４に開示された従来のＱスイッチレーザ装置は、ポッケルセルと偏光ビームスプリッタを用いて、ジャイアントパルスを得ているが、バルクであるために、システム全体が大型になり、また、ポッケルスセルの厚みも数ｍｍとなるため、偏光を９０°回転させるのに必要となる電圧も非常に高くなるという問題点があった。
　本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、加工が容易で、非常に良好な消光比を実現する光導波路型偏光子を得ることを目的としている。また、本発明は、光導波路型偏光子を用いて、非常に安定した出力が得られる光スイッチング装置、および、非常に小型で、ポッケルスセルの低電圧駆動を実現することが可能なＱスイッチレーザ装置を得ることも目的としている。
　この発明は、複屈折性の導波路層と、前記導波路層の上面および下面に設けられたクラッド層と、少なくとも１つの前記クラッド層の外側の面に設けられ、入射された光を減衰させる光損失手段とを備え、前記クラッド層は、前記導波路層の１つの屈折率に対しては、屈折率が高く、他の１つの屈折率に対しては、屈折率が低くなるように構成されており、前記導波路層に入射される光のＴＥ光およびＴＭ光のいずれか一方を導波し、他方を漏洩させ前記光損失手段によって減衰させることによって、ＴＥ光およびＴＭ光を光分離する光導波路型偏光子である。
　この発明は、複屈折性の導波路層と、前記導波路層の上面および下面に設けられたクラッド層と、少なくとも１つの前記クラッド層の外側の面に設けられ、入射された光を減衰させる光損失手段とを備え、前記クラッド層は、前記導波路層の１つの屈折率に対しては、屈折率が高く、他の１つの屈折率に対しては、屈折率が低くなるように構成されており、前記導波路層に入射される光のＴＥ光およびＴＭ光のいずれか一方を導波し、他方を漏洩させ前記光損失手段によって減衰させることによって、ＴＥ光およびＴＭ光を光分離する光導波路型偏光子であるので、加工が容易で、偏光子として非常に良好な消光比が得られる。
本発明の実施の形態１に係る光導波路型偏光子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る光導波路型偏光子の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光導波路型偏光子の動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る光導波路型偏光子の動作を示す説明図である。 各種金属材料の入射角依存性の計算結果を示す特性図である。 各種導波路材料及びクラッド材料の波長依存性の計算結果を示す特性図である。 本発明の実施の形態２に係る光導波路型偏光子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る光導波路型偏光子の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る光導波路型偏光子の動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る光導波路型偏光子の動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態３に係る光導波路型偏光子の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る光導波路型偏光子の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る光導波路型偏光子の動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態３に係る光導波路型偏光子の動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態４に係る光導波型スイッチ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５に係る光導波路型Ｑスイッチレーザの構成を示す斜視図である。
　実施の形態１．
　図１および図２は、本発明の実施の形態１による導波路型偏光子を示す構成図であり、図１は斜視図、図２は、図１のＡ－Ａ’断面図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図１および図２において、導波路型偏光子１は、光損失手段２と、クラッド層３と、導波路層４と、ヒートシンク５とで構成される。
　導波路型偏光子１は、図２に示されるように、導波路層４の上面および下面にクラッド層３が全面的に設けられている。以下では、導波路層４の上面に設けられたクラッド層３を、クラッド層３の第１の面３ａと呼び、導波路層４の下面に設けられたクラッド層３を、クラッド層３の第２の面３ｂと呼ぶこととする（図３および図４参照）。また、クラッド層３の第１の面３ａおよび第２の面３ｂの外側には、それぞれ、光損失手段２が全面的に設けられている。以下では、クラッド層３の第１の面３ａに設けられた光損失手段２を、光損失手段２の第１の面２ａと呼び、クラッド層３の第２の面３ｂに設けられた光損失手段２を、光損失手段２の第２の面２ｂと呼ぶこととする（図３および図４参照）。ヒートシンク５は、光損失手段２の第２の面２ｂの下面に設けられ、導波路型偏光子１の動作に発生する熱を外部に放出し、導波路型偏光子１を冷却する。
　導波路層４は、少なくとも常屈折率と異常屈折率の複数の屈折率を有する複屈折性を有する材料で構成されている。クラッド層３は、導波路層４の常屈折率（又は異常屈折率）に対して屈折率が高く、逆に、導波路層４の異常屈折率（常屈折率）に対しては屈折率が低くなる材料で構成されている。導波路層４は、入射された光の一部を導波させ、残りの一部を漏洩させて光損失手段２によって減衰させることにより、光分離するものである。本実施の形態１においては、導波路層４内を伝搬するＴＥ光及びＴＭ光に対して、ＴＥ光（またはＴＭ光）のみを導波路層４から漏洩させ、ＴＭ光（またはＴＥ光）のみを導波させる。
　次に、図３および図４を用いて動作について説明する。クラッド層３の屈折率が導波路層４の屈折率より低い関係となる偏光を有する伝搬光Ｌ１は、図３に示すように、導波路４の側面の１つである第１の面４ａから導波路４内に入射すると、クラッド層３の第１の面３ａと導波路層４との界面に向かって、光は伝搬し、クラッド層３の第１の面３ａと導波路層４との界面で光は反射される。反射された光は、クラッド層３の第１の面３ａに対して反対側に備えられたクラッド層３の第２の面３ｂに向かって伝搬し、クラッド層３の第２の面３ｂと導波路層４との界面で再び反射し、クラッド層３の第１の面３ａに向かって伝搬する。これを繰り返しながら、光は伝搬し、その後、導波路層４の第２の面４ｂから光は出射される。なお、導波路層４の第２の面４ｂとは、導波路層４の第１の面４ａの反対側の側面である。
　これに対して、伝搬光Ｌ１の偏光方向が９０°回転し、クラッド層３の屈折率が導波路層４の屈折率より高い関係となる偏光を有する伝搬光Ｌ２は、図４に示すように、導波路層４の第１の面４ａから導波路層４内に入射すると、クラッド層３の第１の面３ａと導波路層４との界面に向かって、光は伝搬し、クラッド層３を通過して、光損失手段２の第１の面２ａに入射する。光損失手段２の第１の面２ａによって、光強度が一部減衰され、残存した光は、クラッド層３の第１の面３ａ、導波路層４、クラッド層３の第２の面３ｂを通過し、光損失手段２の第２の面２ｂに入射する。光損失手段２の第２の面２ｂによって、光強度が一部減衰され、残存した光は、クラッド層３の第２の面３ｂ、導波路層１４、クラッド層３の第１の面３ａを通過し、光損失手段２の第１の面２ａに入射する。これを繰り返しながら、光は伝搬し、残存した光は、導波路層４の第２の面４ｂから出射される。
　なお、導波路型偏光子１において、伝搬光の減衰率を高くするためには、反射率の低い材質により光損失手段２を形成するのがよい。導波路層４を伝搬している光は、光損失手段２により、多数回反射するため、光損失手段２への入射角度が広範囲にわたる。図５は、各種金属材料の入射角依存性の計算結果を示す特性図である。図５（ａ）は銀、（ｂ）は銅、（ｃ）はニッケル、（ｄ）は金、（ｅ）は鉛、（ｆ）はアルミニウム、（ｇ）はクロム、（ｈ）はチタンの特性図である。また、図５（ａ）～（ｈ）では、レーザ発振光として一般的に用いられる波長１０６４ｎｍの光に対する特性を示している。また、図５（ａ）～（ｈ）では、Ｓ偏光に対する特性を曲線ａで示し、Ｐ偏光に対する特性を曲線ｂで示している。図５で示すように、光損失手段２（光吸収層）をクラッド層３の上下面に設けた場合、ＴＭ偏光モードに対しては、Ｐ偏光で入射する。従って、ニッケル、鉛、クロム及びチタンは、入射角度８０度以下で、反射率は０．１５～０．７となり、クラッド層３の外部に漏れた光に対して大きな損失が与えられるため、ニッケル、鉛、クロム及びチタンのうちのいずれかにより、光損失手段２を形成するのが望ましい。しかしながら、この場合に限らず、光損失手段２は、金、銀、銅及びアルミニウムのうちのいずれかにより形成するようにしてもよいので、動作環境等に従って適宜材料を決定する。
　さらに伝搬光の減衰を高めるためには、バックスパッタ等によって、光損失手段２に接するクラッド層３の界面を荒らすことによって、光を散乱させ、損失効果を高めることが可能である。
　導波路型偏光子１において、クラッド３層の材質は、導波路層４の常屈折率に対して、屈折率が高く、異常屈折率に対して、屈折率が低い、または、導波路層４の異常屈折率に対して、屈折率が高く、常屈折率に対して、屈折率が低い材料を用いる。
　導波路型偏光子１において、導波路層４の材質は、複屈折性を有する１軸性または２軸性結晶で、クラッド層３の屈折率に対して、常屈折率が高く、異常屈折率が低い、または、常屈折率が低く、異常屈折率が高い関係を有する材料を用いる。
　例えば、上記の導波路層４およびクラッド層３の組み合わせとして、導波路層４にＹＶＯ4を、クラッド層３にＴａ2Ｏ5を用いる組み合わせ、および、導波路層４にＹＬＦを、クラッド層３にＳｉＯ2を用いる組み合わせがある。図６は、各種の導波路層材料及びクラッド層材料の波長依存性の計算結果を示す特性図である。図６（ａ）は、導波路層４にＹＶＯ4、クラッド層３にＴａ2Ｏ5を用いた時の特性図を、図６（ｂ）は、導波路層４にＹＬＦ、クラッド層３にＳｉＯ2を用いた時の特性図である。また、図６（ａ），（ｂ）では、導波路層４の常屈折率に対する特性を曲線ｃ、導波路層４の異常屈折率に対する特性を曲線ｄで示し、クラッド層３の屈折率に対する特性を曲線ｅで示している。図６（ａ）で示すように、導波路層４がＹＶＯ4、クラッド層３がＴａ2Ｏ5のとき、波長０．３～２．０μｍの広範囲において、
　　　ＹＶＯ4の異常屈折率＞Ｔａ2Ｏ5の屈折率＞ＹＶＯ4の常屈折率
の関係は保たれるため、導波路層４にＹＶＯ4、クラッド層３にＴａ2Ｏ5を形成するのがよい。
　また、図６（ｂ）で示すように、導波路層４がＹＬＦ、クラッド層３がＳｉＯ2のとき、波長０．５μｍ以下及び２．０μｍ以上の範囲において、ＳｉＯ2の屈折率およびＹＬＦの異常屈折率がほぼ同じで、ＹＬＦの常屈折率が、ＳｉＯ2の屈折率およびＹＬＦの異常屈折率より大きいという関係が保たれるため、導波路層４にＹＬＦ、クラッド層３にＳｉＯ2として、形成してもよい。
　また、導波路偏光子１において、導波路層４の結晶軸方向により、常屈折率を感じる偏光の方向と異常屈折率を感じる偏光方向が決まるため、導波路層４の結晶軸方向によって、透過させる光の偏光方向を選択することができる。
　例えば、ＹＶＯ4とＴａ2Ｏ5の組み合わせにおいて、光損失手段２とクラッド層３との界面に対して垂直になるように、ＹＶＯ4のｃ軸を設けると、ＴＭ光が伝搬し、ＴＥ光が漏洩され、一方、ＹＶＯ4のａ軸を光損失手段２とクラッド層３との界面に対して垂直にすると、ＴＥ光が伝搬し、ＴＭ光が漏洩されることができる。
　また、導波路損失は、臨界角より大きな角度でクラッド層３に入射する光が導波路層４内に閉じ込められるため、各光損失手段２において反射回数が最も少なくなる条件として全反射臨界角を考え、導波路層４の厚さと長さから反射回数を計算して導き出すことができる。ここで、臨界角φCは、φC＝ｓｉｎ-1（ｎC／ｎG）で表され、ｎCは導波路層４の屈折率、ｎGはクラッド層３の屈折率を示す。
　長さＬ［ｍ］、厚さＴ［ｍ］の導波路層４内に、臨界角で導波路伝搬した時の光損失手段２の反射回数はｎ＝Ｌ／（２・Ｔ／ｔａｎ（９０°－φC））で表される。なお、上下面に光損失手段２を設けた場合は、反射回数は２倍となる。したがって、導波路型偏光子１のシングルパスにおける損失は、ｌｏｓｓ＝１０・ｌｏｇ10（Ｒn）［ｄＢ］で表わされる。ここで、Ｒは光損失手段の反射率を示す。
　例えば、導波路型偏光子１のクラッド層３の屈折率を２．０８（Ｔａ2Ｏ5を想定）、導波路層４の屈折率を２．１６５（ＹＶＯ4を想定）、光損失手段２の反射率を０．６３（Ｃｒ膜を想定）で、導波路層４の厚さを１００μｍ、長さを５ｍｍとし、クラッド層３の上下両面に光損失手段２を設け、ＴＥ光を漏洩、ＴＭ光を透過するようにＹＶＯ4の結晶軸を定めた場合、導波路層４内を伝搬する光のクラッド層３に対する全反射臨界角は７３．９°、反射回数１４．４回、損失は－２９［ｄＢ］となる。
　長さ５ｍｍの時の導波路層４内を伝搬するＴＭ光の伝搬損失は、約２％であるため、損失は－０．０９［ｄＢ］となり、ＴＥ光の損失２９［ｄＢ］から偏光消光比は２８．９［ｄＢ］となり、非常に高い消光比が実現できる。
　以上のように、本発明の実施の形態１による光導波路型偏光子１においては、導波路層４に複屈折性を有する材料を用い、上下のクラッド層３には、導波路層４の常屈折率（又は異常屈折率）に対して、屈折率が高く、逆に、異常屈折率（又は常屈折率）に対しては、屈折率が低い材料を用い、クラッド層３の外側に光損失手段２を設けたので、結晶軸によって透過させる偏光方向を選択でき、高い偏光消光比が実現できる。
　実施の形態２．
　図７および図８は、導波路型偏光子を示す構成図であり、図７は斜視図、図８は、図７のＡ－Ａ’断面図である。なお、図７および図８において、同一符号は、同一または相当部分を示す。図７および図８において、導波路型偏光子１１ａは、光損失手段１２と、クラッド層１３と、プレーナ構造を有する導波路層１４（以下、プレーナ型導波路層１４と呼ぶ）と、ヒートシンク１５で構成される。ここで，プレーナ構造とは，導波路，クラッドが層状構造で，導波路面に垂直な方向に対して，光を閉じ込め，水平な方向に対して，空間的に光波を伝搬させる構造を指す。
　導波路型偏光子１１ａは、図８に示されるように、プレーナ型導波路層１４の上面および下面にクラッド層１３が全面的に設けられている。以下では、プレーナ型導波路層１４の上面に設けられたクラッド層１３を、クラッド層１３の第１の面１３ａと呼び、プレーナ型導波路層１４の下面に設けられたクラッド層１３を、クラッド層１３の第２の面１３ｂと呼ぶこととする（図９および図１０参照）。また、クラッド層１３の第２の面１３ｂの外側には、光損失手段１２が全面的に設けられている。以下では、クラッド層１３の第２の面１３ｂに設けられた光損失手段１２を、光損失手段１２の第２の面１２ｂと呼ぶこととする（図９および図１０参照）。
　実施の形態２と実施の形態１の構成の違いは、実施の形態２においては、光損失手段１２が下側のクラッド層１３にのみ設けられている点と、導波路層１４がプレーナ構造を有している点である。他の構成については、実施の形態１の相当部分の構成および材質と同じであるため、ここでは、その説明は省略する。
　次に、図９および図１０を用いて動作について説明する。クラッド層１３の屈折率がプレーナ型導波路層１４の屈折率より低い関係となる偏光を有する伝搬光Ｌ１は、図９に示すように、プレーナ型導波路１４の一側面である第１の面１４ａからプレーナ型導波路１４内に入射すると、クラッド層１３の第１の面１３ａとプレーナ型導波路１４との界面に向かって、光は伝搬し、クラッド層１３の第１の面１３ａとプレーナ型導波路１４との界面で光は反射される。反射された光は、クラッド層１３の第１の面１３ａに対して反対側に備えられたクラッド層１３の第２の面１３ｂに向かって伝搬し、クラッド層１３の第２の面１３ｂとプレーナ型導波路１４との界面で再び反射し、クラッド層１３の第１の面１３ａに向かって伝搬する。これを繰り返しながら、光は伝搬し、その後、プレーナ型導波路１４の第２の面１４ｂから光は出射される。なお、プレーナ型導波路層１４の第２の面１４ｂとは、プレーナ型導波路層１４の第１の面１４ａの反対側の側面である。
　これに対して、伝搬光Ｌ１の偏光方向が９０°回転し、クラッド層１３の屈折率がプレーナ型導波路層１４の屈折率より高い関係となる偏光を有する伝搬光Ｌ２は、図１０に示すように、プレーナ型導波路層１４の第１の面１４ａからプレーナ型導波路層１４内に入射すると、クラッド層１３の第１の面１３ａとプレーナ型導波路１４との界面に向かって、光は伝搬し、クラッド層１３を通過し、クラッド層１３と空気との界面によって反射され、クラッド層１３の第１の面１３ａ、プレーナ型導波路層１４、クラッド層１３の第２の面１３ｂを通過し、光損失手段１２の第２の面１２ｂに入射する。光損失手段２の第２の面１２ｂによって、光強度が一部減衰され、残存した光は、クラッド層１３の第２の面１３ｂ、プレーナ型導波路層１４、クラッド層１３の第１の面１３ａを通過し、クラッド層１３と空気との界面によって反射される。これを繰り返しながら、光は伝搬し、残存した光は、プレーナ型導波路１４の第２の面１４ｂから出射される。ここで、導波路１４がプレーナ構造の場合、伝搬光Ｌ１やＬ２は、横方向に空間的に伝搬してビーム幅を拡大することができ、パワースケーリングが容易で、高出力化が実現可能となる。なお、他の動作については、本発明の実施の形態１による光導波路型偏光子１と同様であり、同様の作用効果を奏する。
　以上のように、本発明の実施の形態２による光導波路型偏光子１１ａにおいては、導波路層１４に複屈折性を有する材料を用い、上下のクラッド層１３には、導波路層１４の常屈折率（又は異常屈折率）に対して、屈折率が高く、逆に、異常屈折率（又は常屈折率）に対しては、屈折率が低い材料を用い、クラッド層１３の外側に光損失手段１２を設けたので、高い偏光消光比が実現できる。また、本実施の形態２においては、さらに、導波路層１４がプレーナ構造を有するようにしたので、高出力化が可能となる。
　実施の形態３．
　図１１および図１２は、導波路型偏光子を示す構成図であり、図１１は斜視図、図１２は断面図である。なお、図１１および図１２において、同一符号は、同一または相当部分を示す。図１１および図１２において、導波路型偏光子１１ｂは、光損失手段１２と、クラッド層１３と、プレーナ構造を有する導波路１４（以下、プレーナ型導波路と呼ぶ）と、ヒートシンク１５で構成される。
　本実施の形態３と実施の形態２との構成の違いは、本実施の形態３においては、上下両方のクラッド層１３の外側に光損失手段１２が設けられている点である。他の構成は同じであるため、ここでは、その説明を省略する。
　次に、図１３および図１４を用いて、動作について説明する。クラッド層１３の屈折率がプレーナ型導波路層１４の屈折率より低い関係となる偏光を有する伝搬光Ｌ１は、図１３に示すように、プレーナ型導波路層１４の第１の面１４ａからプレーナ型導波路層１４内に入射すると、クラッド層１３の第１の面１３ａとプレーナ型導波路層１４との界面に向かって、光は伝搬し、クラッド層１３の第１の面１３ａとプレーナ型導波路層１４との界面で光は反射される。反射された光は、クラッド層１３の第１の面１３ａに対して反対側に備えられたクラッド層１３の第２の面１３ｂに向かって伝搬し、クラッド層１３の第２の面１３ｂとプレーナ型導波路層１４との界面で反射し、クラッド層１３の第１の面１３ａに向かって伝搬する。これを繰り返しながら、光は伝搬し、その後、プレーナ型導波路層１４の第２の面１４ｂから光は出射される。
　これに対して、伝搬光Ｌ１の偏光方向が９０°回転し、クラッド１３の屈折率がプレーナ型導波路１４の屈折率より高い関係となる偏光を有する伝搬光Ｌ２は、図１４に示すように、プレーナ型導波路層１４の第１の面１４ａからプレーナ型導波路層１４内に入射すると、クラッド層１３の第１の面１３ａとプレーナ型導波路層１４との界面に向かって、光は伝搬し、クラッド層１３の第１の面１３ａを通過し、光損失手段１２の第１の面１２ａに入射する。光損失手段１２の第１の面１２ａによって、光強度が一部減衰され、残存した光は、クラッド層１３の第１の面１３ａ、プレーナ型導波路層１４、クラッド層１３の第２の面１３ｂを通過し、光損失手段１２の第２の面１２ｂに入射する。光損失手段２の第２の面１２ｂによって、光強度が一部減衰され、残存した光は、クラッド層１３の第２の面１３ｂ、プレーナ型導波路層１４、クラッド層１３の第１の面１３ａを通過し、光損失手段１２の第１の面１２ａに入射する。これを繰り返しながら、光は伝搬し、残存した光は、プレーナ型導波路１４の第２の面１２ｂから出射される。ここで、プレーナ構造の場合、伝搬光Ｌ１やＬ２は、横方向に空間的に伝搬してビーム幅を拡大することができ、パワースケーリングが容易で、高出力化が実現可能となる。なお、他の動作については、本発明の実施の形態１および２による光導波路型偏光子１および１１ａと同様であり、同様の作用効果を奏する。
　以上のように、本発明の実施の形態３による光導波路型偏光子１１ｂにおいては、導波路層１４に複屈折性を有する材料を用い、上下のクラッド層１３には、導波路層１４の常屈折率（又は異常屈折率）に対して、屈折率が高く、逆に、異常屈折率（又は常屈折率）に対しては、屈折率が低い材料を用い、クラッド層１３の外側に光損失手段１２を設けたので、結晶軸によって透過させる偏光方向を選択でき、高い偏光消光比が実現できる。また、実施の形態２と同様に、導波路層１４がプレーナ構造を有するようにしたので、高出力化が可能となる。さらに、本実施の形態３においては、上下のクラッド層１３に光損失手段１２を設けるようにしたため、実施の形態２による光導波路型偏光子１１ａより、さらに高い損失効果を得ることができる。
　実施の形態４．
　図１５は、本発明の実施の形態４による光スイッチング装置の構成を示す斜視図である。図１５において、光スイッチング装置２０は、励起光源２１と、レーザ媒質２２と、偏光子１１と、ポッケルスセル２３と、ヒートシンク２４と、ポッケルスセル駆動装置２５と、図示しない第１の反射手段２６と、図示しない第２の反射手段２７と、図示しない電極２８で構成される。なお、励起光源２１とレーザ媒質２２とでレーザ光源を構成する。また、ＰＬは励起光、ＯＬは発振光、ＳＬはスイッチングされた出力光である。なお、ここで、偏光子１１として、実施の形態２および３で示した導波路型偏光子１１ａまたは１１ｂを用いることを想定している。
　レーザ媒質２２の励起光源２１側の端面には、第１の反射手段２６が設けられ、レーザ媒質２２の励起光源２１が隣接していない側の短面には第２の反射手段２７が設けられており、第１の反射手段２６は励起光ＰＬに対して反射を防止し、発振光ＯＬに対して、全反射させる機能を有し、第２の反射手段２７は発振光ＯＬに対して一部反射させる機能を有し、第１の反射手段２６と第２の反射手段２７によって共振器を形成する。また、レーザ媒質２２はプレーナ構造を有し、励起光ＰＬの波長に対して高い利得を有し、機械強度及び熱伝導性に優れるものが望ましい。
　ポッケルスセル２３の上面および下面には電極２８が設けられ、各電極２８はポッケルスセル駆動装置２５と電気的に接続されている。ポッケルスセル２３は、このように、光軸方向に対して平行な両面に電極を有し、電極間の電圧によって、ポッケルスセル２３に入射した光の偏光の向きを変える機能を有し、電気光学定数が高く、損傷閾値が高い材料が望ましい。
　励起光源２１とレーザ媒質２２とポッケルスセル２３と偏光子１１は、ヒートシンク２４上に設けられ、励起光源２１、レーザ媒質２２、ポッケルスセル２３、導波路型偏光子１１の順に配置される。
　次に動作について説明する。励起光源２１から出射された励起光ＰＬは、レーザ媒質２２に入射し、励起光ＰＬの垂直方向成分は導波路伝搬し、平面方向成分は空間的に伝搬し、レーザ媒質２２内を光励起し、レーザ媒質２２に設けられた第２の反射手段２７からＴＥモードまたはＴＭモードのみを有するＣＷの発振光ＯＬを発生させる。発振光ＯＬは、ポッケルスセル２３に入射し、ポッケルスセル駆動装置２５によってポッケルスセル２３の電極２８間の電圧を変えることによって、発振光ＯＬの偏光の向きを回転させ、ＴＥ光またはＴＭ光を交互に発生させ、偏光子１１によって、ＴＥ光（またはＴＭ光）を導波、ＴＭ光（またはＴＥ光）を漏洩させ、スイッチング光ＳＬを発生させる。
　固体レーザの励起源をＯＮ／ＯＦすることによって、発振光も追従してＯＮ／ＯＦＦすることができるが、固体レーザは、発振直後に緩和振動が発生するため、スイッチング直後のレーザ出力が不安定になり、高速のスイッチングが不適である。
　以上のように、本発明の実施の形態５による光スイッチング装置においては、本発明の実施の形態２または３による導波路型偏光子１１ａまたは１１ｂを用いるようにしたので、小型化が容易で、導波路化によりポッケルスセル２３の厚さを薄くすることができるために、低電圧でポッケルスセル２３の駆動が可能となり、安定した出力が得られ、さらに、レーザ媒質２２がプレーナ構造を有するようにしたので、高出力化が可能となる。
　実施の形態５．
　図１６は、本発明の実施の形態５によるＱスイッチレーザ装置の構成を示す斜視図である。なお、図１６において、Ｑスイッチレーザ装置３０は、励起光源３１と、レーザ媒質３２と、偏光子１１と、ポッケルスセル３３と、ヒートシンク３４と、ポッケルスセル駆動装置３５と、図示しない第１の反射手段３６と、図示しない第２の反射手段３７と、図示しない電極３８で構成される。なお、励起光源３１とレーザ媒質３２とでレーザ光源を構成する。また、ＰＬは励起光、ＦＬは発振光である。なお、ここで、偏光子１１として、実施の形態２および３で示した導波路型偏光子１１ａまたは１１ｂを用いることを想定している。
　ポッケルスセル３３の上面および下面には電極３８が設けられ、各電極３８はポッケルスセル駆動装置３５と電気的に接続されている。
　レーザ媒質３２の励起光源３１側の端面には、第１の反射手段３６が、偏光子１１のポッケルセル３３が隣接していない側の端面には第２の反射手段３７が設けられている。第１の反射手段３６は励起光ＰＬに対して反射を防止し、発振光ＯＬに対して、全反射させる機能を有し、第２の反射手段３７は発振光ＯＬに対して一部反射させる機能を有し、第１の反射手段３６と第２の反射手段３７によって共振器を形成する。
　励起光源３１とレーザ媒質３２と偏光子１１とポッケルスセル３３はヒートシンク３４上に設けられ、励起光源３１、レーザ媒質３２、ポッケルスセル３３、偏光子１１の順に配置される。
　励起光源３１は、複数のエミッタ数と、レーザ媒質３２の平面方向に対して、小さい広がり角と、レーザ媒質３２が良く吸収する発振波長を有する励起光ＰＬを出力するものが望ましい。ここでは、励起光源３１として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）アレイを用いている。
　レーザ媒質３２は、プレーナ構造を有し、励起光ＰＬの波長に対して高い利得を有し、機械強度及び熱伝導性に優れるものが望ましい。
　ポッケルスセル３３は、プレーナ構造を有し、光軸方向に対して平行な両面に対して電極を有し、電極間の電圧によって、ポッケルスセル３３に入射した光の偏光を変える機能を有し、電気光学定数が高く、損傷閾値が高い材料が望ましい。
　次に動作について説明する。励起光源３１から出射された励起光ＰＬは、レーザ媒質３２に入射する。レーザ媒質３２に入射した励起光ＰＬは、垂直方向で導波路伝搬し、平面方向で空間的に伝搬し、レーザ媒質３２内を光励起する。光励起開始時は、偏光子１１のプレーナ型導波路層１４の屈折率がクラッド層１３の屈折率より低くなるように、ポッケルスセル駆動装置３５により、ポッケルスセル３３の上下面に設けられた電極３８間の電圧を制御する。これにより、共振器内を伝搬する光は、偏光子１１の光損失手段１２によって減衰され、レーザの発振を抑制する。こうして、レーザ媒質３２中にエネルギーが蓄積される。次に、レーザ媒質３２中のエネルギーが蓄積された後に、偏光子１１のプレーナ型導波路層１４の屈折率がクラッド層１３の屈折率より高くなるように、ポッケルスセル駆動装置３５により、ポッケルスセル３３の上下面に設けられた電極３８間の電圧を制御する。これにより、偏光子１１内において低損失で共振器内を伝搬することができるため、共振器内のＱ値が急速に向上する。利得が損失より高い場合、共振器内で光子数が急激に増加し、尖頭値の高いパルス光ＰＬが発生し、偏光子１１の端面に設けられた第２の反射手段３７によって、共振器内に発生したパルス光ＰＬの一部が取り出され、発振光ＯＬとして出力される。このように、本実施の形態５によるＱスイッチレーザ装置は、共振器内のＱ値を変えることにより、ジャイアントパルスを生成する。
　なお、レーザ媒質にＮｄ：ＹＶＯ4、Ｅｒ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＬＦを用いる場合は、レーザ媒質に導波路型偏光子の機能を持たせ、部品数の低減を図ることも可能である。
　このように、レーザ媒質２２がプレーナ構造を有する場合、横方向にビーム幅を拡大することができ、ＬＤアレイとの整合性が高く、パワースケーリングが容易で、高出力化が実現可能となる。
　また、ポッケルスセル３３においては、導波路化により、厚さを薄くすることができるため、ポッケルスセル３３内において偏光を９０°回転させるために必要な半波長電圧を非常に低くすることが可能できる。
　例えば、ポッケルスセル３３に厚さ１００μｍ、長さ１０ｍｍ、電気光学定数　５．６１ｐＶ／ｍのＬｉＮｂＯ3を用いた場合、半波長電圧は、Ｖ＝λｄ／２ｎ3ｒ22ｌより、３４Ｖとなり、非常に低い電圧でＱスイッチ駆動させることがわかる。
　以上のように、本発明の実施の形態５によるＱスイッチレーザ装置においては、偏光子１１として、本発明の実施の形態２または３による導波路型偏光子１１ａまたは１１ｂを用いるようにしたので、小型化が容易で、導波路化によりポッケルスセル３３の厚さを薄くすることができるために、低電圧でポッケルスセル３３の駆動が可能となり、さらに、レーザ媒質２２がプレーナ構造を有するようにしたので、高出力化が可能となる。
　１，１１ａ，１１ｂ　導波路型偏光子、２，１２　光損失手段、３，１３　クラッド層、４　導波路層、５，１５　ヒートシンク、１１　偏光子、１４　プレーナ型導波路層、２０　光スイッチング装置、２１　励起光源、２２　レーザ媒質、２３　ポッケルスセル、２４　ヒートシンク、２５　ポッケルスセル駆動装置。

Claims (14)

  1. 　複屈折性の導波路層と、
    　前記導波路層の上面および下面に設けられたクラッド層と、
    　少なくとも１つの前記クラッド層の外側の面に設けられ、入射された光を減衰させる光損失手段と
    　を備え、
    　前記クラッド層は、前記導波路層の１つの屈折率に対しては、屈折率が高く、他の１つの屈折率に対しては、屈折率が低くなるように構成されており、
    　前記導波路層に入射される光のＴＥ光およびＴＭ光のいずれか一方を導波し、他方を漏洩させ前記光損失手段によって減衰させることによって、ＴＥ光およびＴＭ光を光分離する
    　ことを特徴とする光導波路型偏光子。
  2. 　前記導波路層がＹＶＯ4から構成され、前記クラッド層がＴａ2Ｏ5から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型偏光子。
  3. 　前記導波路層がＹＬＦから構成され、前記クラッド層がＳｉＯ2から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型偏光子。
  4. 　前記光損失手段が金から構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  5. 　前記光損失手段が銀から構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  6. 　前記光損失手段が銅から構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  7. 　前記光損失手段がアルミニウムから構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  8. 　前記光損失手段がニッケルから構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  9. 　前記光損失手段が鉛から構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  10. 　前記光損失手段がクロムから構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  11. 　前記光損失手段がチタンから構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  12. 　前記導波路層はプレーナ構造を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子。
  13. 　レーザ光を発生させるレーザ光源と、
    　前記レーザ光が入射されて、前記レーザ光の偏光の向きを変化させることにより、ＴＥ光とＴＭ光とを交互に発生させる導波路型ポッケルスセルと、
    　前記ＴＥ光および前記ＴＭ光が入射され、前記ＴＥ光および前記ＴＭ光のいずれか一方を導波し、他方を漏洩させて、スイッチング光を発生する、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子と
    　を備えたことを特徴とする光スイッチング装置。
  14. 　レーザ光を発生させるレーザ光源と、
    　前記レーザ光が入射されて、前記レーザ光の偏光の向きを変化させることにより、前記レーザ光の発振／停止を制御する導波路型ポッケルスセルと、
    　前記レーザ光が入射され、前記レーザ光を出力パルスとして発振させる、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光導波路型偏光子と
    　を備えたことを特徴とするＱスイッチレーザ装置。
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