(57)【要約】  平面導波路（１０）が、光を伝搬する平板状のコア（１１）と、コア（１１）の両面側にそれぞれ設けられ、励起光（３１）に対して増幅光（２１）よりも高い反射率を有する外部クラッド（１２），（１３）と、コア（１１）と外部クラッド（１２），（１３）との間に設けられ、コア（１１）よりも低い屈折率を有する内部クラッド（１４），（１５）を備える。この構成において、外部クラッド（１２），（１３）は、材質の異なる複数の膜が積層された多層膜である。
2018087845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、平面導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダブルクラッド型の平面導波路は、光を伝搬させるコアの両面にそれぞれクラッドが積層された導波路であり、コアに利得発生部材を使用することで光増幅器として機能する。
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。【０００３】
また、ダブルクラッド型の平面導波路には、コアの両面側にそれぞれ設けられた外部クラッドと、コアの少なくとも一方の面と外部クラッドとの間に設けられた内部クラッドとを備えるものがある。この平面導波路において、コアを伝搬する増幅光は、内部クラッドで反射されてコア側に戻され、励起光は、外部クラッドで反射されてコア側に戻される。【０００４】
例えば、特許文献１に記載された導波路は、前述したダブルクラッド型の平面導波路である。この平面導波路では、内部クラッドがコアよりも低い屈折率の材料で構成されており、外部クラッドが、内部クラッドよりも低い屈折率の材料で構成されている。
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。【０００５】
なお、平面導波路を伝搬する光のうち、広がり角が小さい光は、コアに閉じ込められ、広がり角がより大きい光は、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００９／０１６７０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
どの程度の広がり角の光を平面導波路の内部に閉じ込められるかは、コアとクラッドの屈折率で決まり、これは導波路の開口数（ＮＡ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ以下、ＮＡと記載する）と呼ばれている。
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。【０００８】
この発明は上記課題を解決するもので、低い屈折率の材料でコアを構成しても、励起光に対して高いＮＡとなる平面導波路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る平面導波路は、光を伝搬する平板状のコアと、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、コアの少なくとも一方の面と第１のクラッドとの間に設けられ、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る。この構成において、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。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、材質が異なる複数の膜が積層された多層膜で第１のクラッドが構成されているので、低い屈折率の材料でコアを構成しても、励起光に対して高いＮＡとなる平面導波路を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る平面導波路の構成を示す図である。
【図２】平面導波路における寄生発振の概要を示す図である。
【図３】励起光と増幅光とに対する外部クラッドの反射特性を示すグラフである。
【図４】実施の形態１に係る平面導波路、増幅光光源、結合光学系および励起光源の配置例を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る平面導波路、増幅光光源、結合光学系および励起光源の他の配置例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る平面導波路の構成を示す図である。
【図７】増幅光の波数ベクトルの概要を示す図である。
【図８】増幅光の低次モード光および高次モード光の概要を示す図である。
【図９】クラッドへの増幅光のしみ出し量と導波路損失の測定結果との関係を示すグラフである。
【図１０】増幅光の０次モード光と１次モード光とにおける電界分布とクラッドへのしみ出しを示す図である。
【図１１】増幅光が膜間を１往復したときの光路が２πの位相に相当する多層膜を示す図である。
【図１２】励起光に対する外部クラッドの反射特性を示すグラフである。
【図１３】この発明の実施の形態３に係る平面導波路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
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。
【００１３】
コア１１は、信号光である増幅光２１が伝搬する平板状の部材である。
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。
【００１４】
コア１１は、増幅光２１を増幅させる作用のある利得発生部材で構成されている。
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。
【００１５】
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垂直な偏光は、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ）モードと呼ばれており、ＴＥモードの偏光がＴＥ偏光である。
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。
【００１６】
外部クラッド１２および外部クラッド１３は、第１のクラッドを具体化した構成要素であり、励起光３１を反射してコア１１側へ戻す平板状の部材である。なお、外部クラッド１２と外部クラッド１３は、励起光３１に対して増幅光２１よりも高い反射率をそれぞれが有しており、ｙｚ平面に関して対称な位置に配置されている。
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。
【００１７】
図１中の拡大図で示すように、外部クラッド１２は、薄膜１２ａと薄膜１２ｂとが交互に積層された多層膜であり、外部クラッド１３は、薄膜１３ａと薄膜１３ｂとが交互に積層された多層膜である。すなわち、外部クラッド１２，１３は、材質の異なる複数の膜の組が１つ以上積層された多層膜で構成されている。
【００１８】
薄膜１２ａと薄膜１２ｂは、材質が異なる材料で形成されている。
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。
【００１９】
また、平面導波路１０において、薄膜１２ａの屈折率をｎ１２ａ、薄膜１２ｂの屈折率をｎ１２ｂとし、薄膜１２ａの膜厚をｄ１２ａ、薄膜１２ｂの膜厚をｄ１２ｂとする。
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。
【００２０】
内部クラッド１４および内部クラッド１５は、第２のクラッドを具体化した構成要素であり、励起光３１を反射してコア１１側へ戻す平板状の部材である。
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。
【００２１】
なお、内部クラッド１４の屈折率ｎ１４と内部クラッド１５の屈折率ｎ１５は、コア１１の屈折率ｎ１１との間で、下記式（１）と下記式（２）の関係を有している。
（ｎ１１−０．０１）＜ｎ１４＜ｎ１１      （１）
（ｎ１１−０．０１）＜ｎ１５＜ｎ１１      （２）
【００２２】
励起光源３２から放射された励起光３１は、コア１１の内部と内部クラッド１４，１５の内部とを、これらの屈折率に応じた伝搬角で伝搬する。
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。
【００２３】
一般的なダブルクラッド型の平面導波路では、実現可能なＮＡに制限がある。
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。
【００２４】
励起用のマルチモードレーザダイオードのＮＡは、０．３５を上回ることがある。このため、マルチモードレーザダイオードを平面導波路の励起光源として用いる場合、レンズなどの光学系が必要となる。
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。
【００２５】
これに対して、コア１１の屈折率ｎ１１を高めれば、全反射で実現可能な平面導波路のＮＡが向上するが、寄生発振が起こり易くなる。
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。
【００２６】
なお、下記式（３）に示す条件を満たすと、図２に示す増幅光２１の経路が導波路内部の全反射のみで形成される。ただし、ｎｃｌａｄは、外部クラッド１２と外部クラッド１３の屈折率のうち、高い方を表す。
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）
【００２７】
そこで、平面導波路１０では、外部クラッド１２，１３として、励起光３１に対して広範囲に亘る角度で９９％以上の反射率となり、かつ増幅光２１に対して反射率を抑制した多層膜を用いている。すなわち、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以上となり、増幅光２１に対して０．３８以下となる多層膜が用いられる。これにより、励起光３１に対するＮＡが高くかつ増幅光２１の寄生発振が抑制された平面導波路１０を得ることができる。
【００２８】
例えば、平面導波路１０において、内部クラッド１４の屈折率ｎ１４と内部クラッド１５の屈折率ｎ１５とがともに１．４２であり、コア１１の屈折率ｎ１１が屈折率ｎ１４，ｎ１５よりも３／１０００大きいものとする。また、コア１１、内部クラッド１４および内部クラッド１５の厚さの合計が１２０μｍであるものとする。
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。
【００２９】
このように構成することで、前述したように励起光３１に対するＮＡが高くかつ増幅光２１の寄生発振が抑制された平面導波路１０を実現することができる。
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。
【００３０】
図３は、励起光３１と増幅光２１とに対する外部クラッド１２，１３の反射特性を示すグラフであり、伝搬角と反射率との関係を示している。ここで、実線の曲線ａは、励起光３１である９４０ｎｍの光における反射特性を示しており、点線の曲線ｂは、増幅光２１である１５５０ｎｍの光における反射特性を示している。
【００３１】
図３に示すように、励起光３１の伝搬角θ３１が４３°以上で９９％以上の高反射率となっている。このとき、平面導波路１０の外部から見ると、励起光３１に対してＮＡは１となり、任意の角度の光を閉じ込めることが可能となっている。
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。
【００３２】
また、平面導波路１０を光増幅器として備える増幅装置では、下記のような構成部品の配置が考えられる。ここで、図４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の配置例を示す上面図である。
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。
【００３３】
図４に示す増幅装置では、励起光源３２、平面導波路１０、結合光学系２３および増幅光光源２２が、この順で一定の方向に並べて配置されている。一定の方向は、増幅光２１が平面導波路１０を伝搬する光軸方向（ｚ軸方向）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。
【００３４】
これまで、外部クラッド１２，１３として、２種類の薄膜が交互に積層された多層膜を示したが、これに限定されるものではない。
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。
【００３５】
図１で示したように、外部クラッド１２である多層膜と外部クラッド１３である多層膜は、ｙｚ平面に対して対称な関係で配置されている。
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。
【００３６】
また、コア１１の材料として低屈折率のガラスなどを用いない場合、外部クラッド１２または外部クラッド１３を屈折率が低い材料で構成する。これにより、外部クラッド１２または外部クラッド１３における全反射で励起光３１を導波路内部に閉じ込めてもよい。
【００３７】
以上のように、実施の形態１に係る平面導波路１０は、光を伝搬する平板状のコア１１と、コア１１の両面側にそれぞれ設けられ、励起光３１に対して増幅光２１よりも高い反射率を有する外部クラッド１２，１３と、コア１１と外部クラッド１２，１３との間に設けられ、コア１１よりも低い屈折率を有する内部クラッド１４，１５とを備える。外部クラッド１２，１３は、材質の異なる複数の膜が積層された多層膜である。
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。
【００３８】
また、実施の形態１に係る平面導波路１０において、コア１１が、励起光３１を吸収して増幅光２１を増幅する利得発生部材である。
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。
【００３９】
さらに、実施の形態１に係る平面導波路１０において、外部クラッド１２，１３を構成する多層膜は、材質の異なる複数の膜の組が１つ以上積層されている。さらに、多層膜の特性によって、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。これにより、励起光３１に対するＮＡが高く、かつ増幅光２１の寄生発振が抑制された平面導波路１０を得ることができる。
【００４０】
実施の形態２．
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。
【００４１】
図６は、この発明の実施の形態２に係る平面導波路１０Ａの構成を示す図であり、平面導波路１０Ａ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。
【００４２】
外部クラッド１３Ａは、第１のクラッドを具体化した構成要素であって、増幅光２１と励起光３１の両方を反射してコア１１側へ戻す平板状の部材である。また、外部クラッド１３Ａは、励起光３１に対して増幅光２１よりも高い反射率を有する。
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。
【００４３】
真空中で波長λ２１を有する増幅光２１は、コア１１の内部を伝搬角θ２１で伝搬する。図７は増幅光２１の波数ベクトルの概要を示す図であり、コア１１と外部クラッド１３Ａにおける増幅光２１の波数ベクトルを示している。
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。
【００４４】
ｋ２１１１、ｋ２１１３ａおよびｋ２１１３ｂは、下記式（４）〜（６）のように定義される。
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（ｎ１３ａ２−ｎ１１２ｓｉｎ２θ２１）１／２／λ２１    （５）
ｋ２１１３ｂ＝２π（ｎ１３ｂ２−ｎ１１２ｓｉｎ２θ２１）１／２／λ２１    （６）
【００４５】
平面導波路１０Ａの内部では、図６に示す増幅光２１の伝搬角θ２１が離散した値をとる。ここで、コア１１と外部クラッド１３Ａとの界面に入射した増幅光２１の位相とこの界面で反射した増幅光２１の位相とがπだけ変化していると仮定する。
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）
【００４６】
なお、励起光３１が伝搬する範囲は、コア１１と内部クラッド１４とに跨がっており、コア１１の厚さｄ１１と内部クラッド１４の厚さｄ１４とは、通常、ｄ１４＞＞ｄ１１となっている。そのため、励起光３１の伝搬角θ３１は増幅光２１に比べて連続的な値をとることができる。
【００４７】
以下、離散した値をとる伝搬角θ２１のうち、角度が大きい伝搬角θ２１の順に、伝搬モードが０次、１次、２次・・・の伝搬角θ２１と呼ぶ。
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。
【００４８】
図８は、増幅光２１の低次モード光および高次モード光の概要を示す図である。なお、実施の形態２に係る平面導波路１０Ａでは、内部クラッド１４を省略しても実質的な動作は同じである。そこで、説明の簡単化のため、図８では、内部クラッド１４の記載を省略している。低次モード光および高次モード光は、コア１１と外部クラッド１２との界面で全反射し、コア１１と外部クラッド１３Ａとの界面で全反射してコア１１の内部を伝搬している。
【００４９】
増幅光２１がコア１１から外部クラッド１３Ａに入射したときに、増幅光２１の反射率が９９％以上になる多層膜の材質と膜厚と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１３ａ，１３ｂは、一般的なガラスに比べて散乱が大きいため、多層膜を伝搬する増幅光２１の損失も大きくなる場合がある。
【００５０】
図９は、クラッドへの増幅光２１のしみ出し量と導波路損失の測定結果との関係を示すグラフである。図９において、コア１１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４で形成されたものを使用している。図９に示すように、クラッドへの増幅光２１のしみ出し量が増えると導波路損失も増加しており、しみ出し量と導波路損失は正比例することが分かる。
【００５１】
なお、上記しみ出し量は、増幅光２１の全強度に対する、多層膜に侵入した増幅光２１の強度の割合を示している。
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。
【００５２】
図１０は、増幅光２１の０次モード光と１次モード光とにおける電界分布とクラッドへのしみ出しを示す図である。なお、図８と同様に、実施の形態２に係る平面導波路１０Ａでは、内部クラッド１４を省略しても実質的な動作は同じである。そこで、説明の簡単化のため、図１０では、内部クラッド１４の記載を省略している。
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。
【００５３】
コア１１と外部クラッド１３Ａとの界面に入射した増幅光２１の位相とこの界面で反射した増幅光２１の位相とがπだけ変化しているという仮定は、増幅光２１のしみ出し量の少ない導波路においてよく成立する。
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）
【００５４】
図１１は、増幅光２１が膜間を１往復したときの光路が２πの位相に相当する多層膜を示す図である。図１１に示すように、上記式（８）の関係を満足する多層膜では、多層膜に積層された複数の薄膜うち、１組の薄膜１３ａと薄膜１３ｂを増幅光２１が１往復したときの光路が２πの位相に相当する。
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。
【００５５】
ただし、薄膜１３ａの膜厚ｄ１３ａと薄膜１３ｂの膜厚ｄ１３ｂとには、ある程度の誤差が許容されている。このため、増幅光２１のしみ出し量が少なくなる条件式として、下記式（９）の関係を満足する場合であっても、増幅光２１をコア１１の内部に閉じ込めることができる。従って、薄膜１３ａ，１３ｂの膜厚ｄ１３ａ，ｄ１３ｂは、下記式（９）の関係を満足するように決定される。
（ｌ−１／４）π＜ｋ２１１３ａｄ１３ａ＋ｋ２１１３ｂｄ１３ｂ＜（ｌ＋１／４）π                                                      （９）
【００５６】
このように、平面導波路１０Ａにおける外部クラッド１３Ａは、０次モード光の伝搬角θ２１に対して上記式（９）の関係を満足する膜厚ｄ１３ａ，ｄ１３ｂの薄膜１３ａ，１３ｂを含む多層膜である。
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。
【００５７】
以下、増幅光２１の０次モード光の伝搬角θ２１に対して、上記式（９）の関係を満足する平面導波路１０Ａの設計例について説明する。ここで、平面導波路１０Ａは、下記のように構成されているものとする。
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。
【００５８】
なお、上記値の屈折率ｎ１１，ｎ１３ａ，ｎ１３ｂが得られる材料として、例えば、コア１１の材料にＥｒ添加フッ化アルミニウムガラスが挙げられ、薄膜１３ａの材料にＴａ２Ｏ５が挙げられ、薄膜１３ｂの材料にはＳｉＯ２が挙げられる。
【００５９】
上記構成の平面導波路１０Ａにおいて、０次モード光の伝搬角θ２１は、上記式（４）と上記式（７）とを用いて、１．５１６ｒａｄとなる。
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。
【００６０】
上記構成の平面導波路１０Ａにおける増幅光２１のしみ出し量をシミュレーションで計算すると、０次モード光のしみ出し量は０．１１％となり、１次モード光のしみ出し量は０．４４％となり、２次モード光のしみ出し量は１．１％となる。
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。
【００６１】
図１２は、励起光３１に対する外部クラッド１３Ａの反射特性を示すグラフであって、上記構成の平面導波路１０Ａにおける励起光３１に対する外部クラッド１３Ａの反射特性を示している。図１２に示すように、励起光３１の伝搬角θ３１は、５３°以上で９９％以上の高反射率となっている。
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。
【００６２】
なお、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について述べたが、例えば、図６の構造のように、励起光３１に対して外部クラッド１２が高反射となる構造であればよい。
【００６３】
これまで、外部クラッド１２，１３Ａとして２種類の薄膜が交互に積層された多層膜を示したが、これに限定されるものではない。
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。
【００６４】
また、平面導波路１０Ａを光増幅器として備える増幅装置において、図４および図５に示したように、平面導波路１０Ａ、増幅光光源２２、結合光学系２３および励起光源３２を配置してもよい。
【００６５】
以上のように、実施の形態２に係る平面導波路１０Ａは、コア１１と、コア１１の一方の面に内部クラッド１４を介在させた状態で設けられ、励起光３１に対して増幅光２１よりも高い反射率を有する外部クラッド１２と、コア１１の他方の面に直接接合された状態で設けられ、励起光３１に対して増幅光２１よりも高い反射率を有する外部クラッド１３Ａとを備える。この構成において、外部クラッド１２，１３Ａは材質の異なる複数の膜が積層された多層膜である。
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。
【００６６】
また、実施の形態２に係る平面導波路１０Ａにおいて、外部クラッド１２，１３Ａである多層膜は、材質の異なる複数の膜の組が１つ以上積層されている。この構成において、多層膜では、伝搬モードに応じて多層膜への光のしみ出し量が異なる。特に、多層膜では、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。
【００６７】
実施の形態３．
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。
【００６８】
例えば、コア１１、外部クラッド１３Ａおよび内部クラッド１４が、従来の平面導波路と同様に、ガラスなどの等方媒質を用いて構成された場合、増幅光２１をＴＥ偏光でコア１１に入射しても偏光が保持されないことがある。これは、コア１１において熱あるいは応力により複屈折が発生することに起因する。
【００６９】
そこで、平面導波路１０Ｂでは、ＴＥ偏光の増幅光２１のしみ出し量とＴＭ偏光の増幅光２１のしみ出し量とを変化させて、ＴＥ偏光の増幅光２１における伝搬定数とＴＭ偏光の増幅光２１における伝搬定数とを制御する。これにより、コア１１に入射された増幅光２１の偏光を保持している。
【００７０】
以下、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の増幅光２１における伝搬定数を制御し、さらに増幅光２１の０次モード光の伝搬角θ２１に対して上記式（９）の関係を満足する平面導波路１０Ｂの設計例について説明する。ここで、平面導波路１０Ｂは、下記のように構成されているものとする。
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。
【００７１】
なお、上記値の屈折率ｎ１１，ｎ１３ａ，ｎ１３ｂが得られる材料として、例えば、コア１１の材料にＥｒ添加フッ化アルミニウムガラスが挙げられ、薄膜１３ａの材料にＴａ２Ｏ５が挙げられ、薄膜１３ｂの材料にはＳｉＯ２が挙げられる。
【００７２】
上記実施の形態２では、コア１１と外部クラッド１３Ａとの界面で増幅光２１の入射光の位相と反射光の位相とがπだけ変化していると仮定した。
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）
【００７３】
なお、位相回転量φ２１１４はコア１１と内部クラッド１４との界面での全反射におけるグースヘンシェンシフトに対応している。ただし、臨界角付近の角度である場合、グースヘンシェンシフトは小さい値となる。このため、上記式（１０）は下記式（１１）のように表すことができる。
ｋ２１１１ｄ１１＋φ２１１３＝ｍπ                （１１）
【００７４】
コア１１においてＴＥモードとＴＭモードとで増幅光２１の位相変化量が異なる場合、すなわち位相回転量φ２１１３が偏光に応じて異なっていると、上記式（１１）から、コア１１における増幅光２１の波数ｋ２１１１が偏光によって異なることがわかる。
【００７５】
例えば、光ファイバにおいて入射光の偏光を保持する場合、光ファイバに応力を加えて偏光ごとに屈折率を変えている。これにより、入射光の伝搬定数が変化するので、入射光の偏光が保持される。
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。
【００７６】
上記構成の平面導波路１０Ｂにおいて、増幅光２１の位相回転量φ２１１３をシミュレーションで計算すると、ＴＥモードの増幅光２１とＴＭモードの増幅光２１とで位相回転量φ２１１３の差が約０．０７７ｒａｄとなる。このため、伝搬定数をモードごとに２．５％程度変化させることができる。
【００７７】
実施の形態３では、外部クラッド１２，１３Ａとして２種類の薄膜が交互に積層された多層膜を示したが、これに限定されるものではない。
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。
【００７８】
また、平面導波路１０Ｂを光増幅器として備える増幅装置において、図４および図５に示したように、平面導波路１０Ｂ、増幅光光源２２、結合光学系２３および励起光源３２を配置してもよい。
【００７９】
以上のように、実施の形態３に係る平面導波路１０Ｂにおいて、実施の形態２で示した構成に加え、外部クラッド１２，１３Ａである多層膜では、偏光によって当該多層膜への光のしみ出し量が異なっており、偏光によって増幅光の位相変化量が異なる。
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。
【００８０】
なお、本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。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
この発明に係る平面導波路は、低い屈折率の材料でコアを構成しても、励起光に対して高いＮＡとなるので、例えば、レーザ装置のレーザ媒質に好適である。
【符号の説明】
【００８２】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  平面導波路、１１  コア、１２  外部クラッド、１２ａ，１２ｂ  薄膜、１３，１３Ａ  外部クラッド、１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ  薄膜、１４，１５  内部クラッド、２１  増幅光、２２  増幅光光源、２３  結合光学系、３１  励起光、３２  励起光源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年5月18日(2017.5.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
この発明に係る平面導波路は、光を伝搬し、励起光を吸収して増幅光を増幅する利得発生部材で構成された平板状のコアと、コアの両面側にそれぞれ設けられ、励起光を反射する、材質の異なる複数の膜の組が１つ以上積層された多層膜で構成された第１のクラッドと、コアの少なくとも一方の面と第１のクラッドとの間に設けられ、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、多層膜は、上下に積層された膜の組を光が１往復したときの光路の位相が、膜界面で反射した光が強め合う干渉を起こす位相に設定され、第２のクラッドは、励起光の伝搬角が増幅光に比べて連続的な値をとるようにコアよりも十分に厚く構成されていることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を伝搬し、励起光を吸収して増幅光を増幅する利得発生部材で構成された平板状のコアと、
前記コアの両面側にそれぞれ設けられ、励起光を反射する、材質の異なる複数の膜の組が１つ以上積層された多層膜で構成された第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、
前記多層膜は、上下に積層された膜の組を光が１往復したときの光路の位相が、膜界面で反射した光が強め合う干渉を起こす位相に設定され、
前記第２のクラッドは、励起光の伝搬角が増幅光に比べて連続的な値をとるように前記コアよりも十分に厚く構成されていること
を特徴とする平面導波路。
【請求項２】
前記第１のクラッド同士に挟まれた部分の開口数は、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。
【請求項３】
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１記載の平面導波路。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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２記載の平面導波路。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【国際調査報告】
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