(57)【要約】      （修正有）【課題】多重モード光導波路におけるモードフィルターリング及び選択方法と、それを利用する光導波路増幅器、半導体レーザー、ＶＣＳＥＬに関する。【解決手段】モードフィルターリング方法は、コアとクラッドでなる多重モード光導波路のクラッド部分の横方向へ屈折率が周期的に変化する構造を有するようし、ある特定モードの断面方向波長に対してのみ反射率を大きくし、その他のモードに対しては反射率を小さくすることによって、多重モードのある特定モードのみが導波路に沿って透過されることを特徴とする。周期的な屈折率によるフィルターリング又は選択効果をＥＤＦ、半導体レーザー及びＶＣＳＥＬ等に適用すれば、従来の製品より断面積が非常に大きいながら、単一モードで作動する、性能が格段と高い高出力（ｈｉｇｈｐｏｗｅｒ）単一モード増幅器、レーザーなどを作製することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとクラッドでなる多重モード光導波路のクラッド部分の横方向へ屈折率が周期的に変化する構造を有するようにして、ある特定モードの断面方向波長に対してのみ反射率を大きくし、その他のモードに対しては反射率を小さくすることによって、多重モードのある特定モードのみが導波路に沿って透過されることを特徴とする多重モード光導波路におけるモードフィルターリング方法。
【請求項２】
前記コアのサイズを大きくし、周期的屈折率によるクラッドの反射率が基底モードに対してのみ高い反射率になるようにして、基底モードのみが透過されることを特徴とする請求項１記載の多重モード光導波路におけるモードフィルターリング方法。
【請求項３】
前記クラッド部分に屈折率が相違する物質を利用して、リング又は四角形の形態のうちいずれか一つの形態で配置しクラッド部分の横方向へ屈折率を周期的に変化させることを特徴とする請求項１記載の多重モード光導波路におけるモードフィルターリング方法。
【請求項４】
コアとクラッドでなる多重モード光導波路の横断面に対して屈折率を周期的に変化させることによって、多重モードのある特定モードのみを導波路に沿って透過させるようにして、望むモードを選択し、望まないモードは除去することを特徴とする多重モード光導波路におけるモード選択方法。
【請求項５】
コアとクラッドでなる多重モード光導波路のコアのサイズを大きくし、クラッドの屈折率構造によるクラッドの反射率が、単一モードに対してのみ高い反射率になるようにして、単一モードのみが透過するようにする単一モードであると共に、モードフィールドのサイズを大きくすることを特徴とする多重モード光導波路におけるモードフィルターリングを利用する光導波路増幅器。
【請求項６】
コアとクラッドでなる多重モード光導波路のコアのサイズを大きくし、クラッドの屈折率構造によるクラッドの反射率が単一モードに対してのみ高い反射率になるようにして、単一モードのみが透過するようにする単一モードであると共に、モードフィールドのサイズを大きくし、レーザー媒体の断面積を大きくすることを特徴とする多重モード光導波路におけるモードフィルターリングを利用する半導体レーザー。
【請求項７】
前記半導体レーザーの上下クラッド部分に屈折率が周期的に変化する構造を有することになり、モードフィールドのサイズが大きく形成されることを特徴とする請求項６記載の多重モード光導波路におけるモードフィルターリングを利用する半導体レーザー。
【請求項８】
前記半導体レーザーの左右クラッド部分に屈折率が周期的に変化する構造をさらに有することを特徴とする請求項７記載の多重モード光導波路におけるモードフィルターリングを利用する半導体レーザー。
【請求項９】
コアとクラッドでなる多重モード光導波路のコアのサイズを大きくし、クラッドの屈折率構造による反射率が単一モードに対してのみ高い反射率になるようにして、単一モードのみが透過するようにする単一モードであると共に、レーザー媒体の断面積を大きくすることを特徴とする多重モード光導波路におけるモードフィルターリングを利用するＶＣＳＥＬ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、  多重モード光導波路におけるモードフィルターリング及び選択方法と、それを利用する光導波路増幅器、半導体レーザー、ＶＣＳＥＬ｛Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ｝に関し、より詳しくは、光導波路のクラッド部分の横方向へ周期的に変化する屈折率を与えることによって得られるフィルターリング又は選択効果によって、断面方向に対し単一モードのみを導波させることができ、これをＥＤＦ、半導体レーザー、ＶＣＳＥＬ等の光素子に適用することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、シリカガラスに通気孔（ａｉｒ  ｈｏｌｅ）が周期的に配置された構造を有してクラッドを形成する光子結晶光繊維（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｆｉｂｅｒ）の製作方法及びその光透過特性に関する研究が活発に進行されている。
このような光子結晶光繊維では、一般の光繊維の透過特性と相反するか、又は、説明し難い驚くべき効果を有していることが知られている。
【０００３】
この効果を説明するために、二つの理論が導入されていた。
一つは、光子バンドギャップ（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｂａｎｄｇａｐ）効果による解析であり、その二つは、屈折率構造に対する電磁気波方程式であるヘルムホルツ方程式（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）を解いて、これに対する有効屈折率（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｉｎｄｅｘ）を計算する解析方法である。
前記一の光子バンドギャップ効果による解析は、クラッドの孔が結晶構造で配列されていることによって、ブラッグ（ｂｒａｇｇ）条件を満足する伝播定数（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）に対して非透過領域であるバンドギャップが形成されるという説明である。
【０００４】
前記二の有効屈折率による方法は、数値的解析が可能であるため、多くの研究者によって報告されている。
その説明によれば、その光繊維はクラッドを形成している多くの孔が平均的にクラッドの屈折率をシリカ屈折率値よりも小さい値に低める効果を有している。従って、入射された光は、孔がないコアが相対的に屈折率を高く感じるため導波されることができるという主張である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記有効屈折率理論と光子バンドギャップ理論を組み合わせ、導波が可能な各種の多重モードのうちクラッドの横方向へ周期的に配置された構造によって形成されるブラッグ（ｂｒａｇｇ）条件を満足する断面方向伝播定数（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）を有する単一モドのみが存在できるという有効屈折率理論に基づいて、このようなモードのフィルターリング又は選択効果によって、一般的に多重モード導波路であると考えられる導波路でクラッド部分に周期的な屈折率構造を形成することによって、ある特定モードのみを選択することができ、このような光子の格子形態のクラッド構造によるモードフィルターリング効果を利用し特殊光導波路と光繊維、及びそれを利用する光素子に各種の重要な特性を有するようにする多重モード光導波路におけるモードフィルターリング及び選択方法とそれを利用する光導波路増幅器、半導体レーザー、及びＶＣＳＥＬを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、コアとクラッドでなる多重モード光導波路のクラッド部分に周期的屈折率構造を有するようにし、ある特定モードの断面方向波長に対しのみ反射率を大きくし、その他のモードに対しては反射率を小さくすることによって、多重モードのある特定のモードのみが導波路に沿って透過されることを特徴とする多重モード光導波路におけるモードフィルターリング方法を提供する。
【０００７】
又、本発明は、コアとクラッドでなる多重モード光導波路の横断面に対し、周期的屈折率変化を与えて多重モードのある特定モードのみを導波路に沿って透過させるようにして、望むモードを選択し、望まないモードは除去することを特徴とする多重モード光導波路におけるモード選択方法を提供する。
【０００８】
更に、本発明は、コアとクラッドでなる多重モード光導波路のコアのサイズを大きくし、クラッドの屈折率構造によるクラッドの反射率が、単一モードに対してのみ高い反射率になるようにした光導波路増幅器、半導体レーザー、及びＶＣＳＥＬを提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添附された図面を参照しながら更に詳しく説明する。
先ず、本発明の基本的構成は、コアとクラッドでなる多重モード光導波路のクラッド部分に周期的な屈折率構造を有するようにして、ある特定モードの断面方向波長に対してのみ反射率を大きくし、その他のモードに対しては反射率を小さくすることによって、多重モードのある特定モードのみが導波路に沿って透過されることを特徴とする。
【００１０】
なお、本発明は、コアとクラッドでなる多重モード光導波路の横断面に対して、周期的な屈折率変化を与えて多重モードのある特定モードのみを導波路に沿って透過させることによって、望むモードを選択し、望まないモードは除去することを特徴とする。
図１は、１次元上で有効屈折率効果（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｒｅｆｒａｃｔｉｃｅ  ｉｎｄｅｘ  ｅｆｆｅｃｔ）によって導波されることができるステップインデックス光導波路の多重モード（１０）を図式化したものである。
図２は、本発明によって、１次元上で有効屈折率理論により導波されることができる多重モードのうちフィルターリング又は選択効果による単一モード導波を説明したものである。
【００１１】
即ち、１次元上でクラッド部分を周期的屈折率構造（１６）を有するようにして形成することによって、有効屈折率効果によって導波されることができる多重モードらのうち前記有効屈折率が最も高い基底モード（１２、ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｍｏｄｅ）を示した図面である。
【００１２】
一般的に、光子格子形態の屈折率構造を有する光導波路に対する電磁気波方程式であるヘルムホルツ方程式（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）を解けば、各種の多重モード（１０）に該当する有効屈折率の解答を得ることができる。
これらの解答に対する断面方向伝播定数（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）は、数学式１を使用して求めることができる。
【数１】
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【００１３】
ここで、  ｎｅｆｆは光導波路モードの有効屈折率である。
上記断面方向伝播定数と断面方向波長（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）は、数学式２に連関される。
【数２】
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前記断面方向波長は、基底モード（１２）が最も長く、高次モード（ｈｉｇｈｅｒ
ｏｒｄｅｒ  ｍｏｄｅ）に行くほど段々短くなる。
【００１４】
図２に示すように、コア径を大きくした１４マイクロメーターであり、１０マイクロメーターを周期として３マイクロメーターの空気層と、７マイクロメーターのシリカが周期的に繰り返されるように形成されたクラッドにより構成された、即ち、周期的な屈折率構造（１６）を有する光子格子構造の１次元光導波路のモードを計算して屈折率のサイズが大きい順序で羅列すると次の表１となる。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
上記数学式  ２を使用し、これらのモードに該当する断面方向波長を計算すると、基底状態である基底モード（１２；Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｍｏｄｅ）の場合のみが２９μｍ付近であり、残りは全部１５μｍ付近であることを分かる。
図３は、１次元上でクラッド部分に周期的屈折率構造（１６）を有するようにして形成することによって、有効屈折率効果によって導波されることができる多重モードのうち有効屈折率が２番目に高い最初に励起されたモード、第１励起モード（１４、ｆｉｒｓｔ  ｅｘｃｉｔｅｄ  ｍｏｄｅ）を示す図面である。
図４は、垂直方向の波長（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）による周期的な屈折率構造の反射率を示した図面である。
図２又は図３に示した周期的な屈折率構造（１６）に対して導波路のコア部分からクラッドの方へ透過する波の断面方向波長に対する反射率を計算すれば図４の通りである。
【００１７】
図４で、２５μｍから３０μｍまでの横断方向波長でのみ反射率が１００％近くになり、残りの波長に対しては反射率が極小さい値を有することを分かる。
このために、残りの高次モードに対する周期的な屈折率構造（１６）を有するクラッドの反射率が非常に低くなり、クラッドの方へ光が漏れ出ることになる。
従って、図３のような高次モードは、クラッドの反射率が低いため長さ方向へ光が導波されることができなく、クラッド部分に漏れることになるが、図２の基底モード（１２）は、クラッドの反射率が１００％近くなるため導波路の長さ方向へ光の導波が可能になる。
【００１８】
即ち、図２は、光導波路のコアを大きくした多重モード光導波路でクラッド部分が周期的な屈折率構造（１６）を有するようにし、クラッドの反射率が基底モード（１２）に対してのみ高い反射率にならしめ、基底モード（１２）のみが透過できるようにすることで、端末モードのモードフィールドのサイズを大きく作製することができることを示している。
このように光導波路のクラッド部分を光子結晶構造に代置し、その周期と屈折率の差異を利用すると、多重モード光導波路のある特定モードのみが導波できるようにする光導波路を作製することができる。
【００１９】
このような原理は、半導体レーザーの内部に長さ方向で周期的な屈折率構造（１６）を使用することによって、長さ方向の各種の多重モード（１０）のうち一つのモードのみが共振するべくフィルターリングさせるＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ：  分布帰還）レーザーやＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）レーザーの原理と非常に類似するが、長さ方向のモードではなく、導波路の断面方向へのモードをフィルターリングさせるという点が相違する。
【００２０】
図５は、周期的屈折率変化によるフィルターリング又は選択効果のＥＤＦ（Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ）応用に関する図面である。
ＥＤＦのＥｒ添加コア（２０）のサイズを２０〜３０μｍ程度として、周囲に周期的な屈折率変化（２２）を与え、各種の多重モードのうち基底モード（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｍｏｄｅ）の断面方向波長のみの反射率を高くしてＥＤＦ内に基底モードのみが導波できるようにしたものである。
このようにすることによって、単一モードのように作動しながらＥＤＦのＥｒ添加コア（２０）のサイズが非常に大きいので、ＥＤＦ内の光の密度が低くなることができるので、高い出力の増幅器に使用されることができる。
【００２１】
図６は、周期的屈折率変化によるフィルターリング又は選択効果の半導体レーザー応用に関する図面である。
半導体レーザーでは、レーザー利得物質内での過多の光密度がレーザーの寿命と発光特性に大く影響を及ぼす。
一般的に、レーザーの出力を高めるためには、半導体レーザーの導波路の断面積を大きくしなければならないが、  導波路の断面積を大きくすれば多重モード導波路になる。
このとき、導波路のクラッド（３２）部分に周期的な層（ｌａｙｅｒ）を積層し、基底モードの断面方向波長に対してのみ反射率を大きくすると、フィルターリング効果によって導波路の断面積は非常に大きいが、単一モードで作動されることになる。
【００２２】
即ち、図６は、光が通過するレーザー媒体の断面積のサイズを大きくして半導体レーザー上下のクラッド（３２）部分に、周期的な屈折率構造を有するようにしてモードフィールドのサイズを大きくしたものである。
これを利用し半導体レーザー左右のクラッド（３２）部分に、周期的な屈折率構造をさらに有するようにしてモードフィールドのサイズをさらに大きくすることもできる。
【００２３】
図７は、周期的な屈折率変化によるフィルターリング又は選択効果をＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）に応用したものである。
ＶＣＳＥＬの周囲に周期的な屈折率変化を与え、表面から出る光が単一モードを形成するようにし、光が出る部分の面積もフィルターリング又は選択効果によって数１０μｍ程度のサイズで作製して、高い出力のレーザーにする。
光が出る部分の面積、即ち、レーザー発振領域を数１０μｍ程度のサイズで大きく作り、従来のＶＣＳＥＬより高い出力のレーザーになるように、ＶＣＳＥＬの周囲に周期的に屈折率変化を有するように配置されたエアホール（通気孔）を形成することによって、多重モードのうち基底モードのみが共振するようにする。
【００２４】
図８ａは、周期的な屈折率の変化をリング形態で与えることについて、導波路コア（３０）の外側のクラッド部分（３２）を屈折率が相違する物質を利用してリングの形態で配置し周期的な屈折率変化を与える方法を示す図面である。
図８ｂは、周期的な屈折率の変化を四角形態で与えることについて、導波路コア（３０）の外側のクラッド部分（３２）を屈折率が相違する物質を利用して四角形の形態で配置し周期的な屈折率変化を与える方法を示す図面である。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光導波路のクラッド部分に周期的な屈折率変化を与えることによって、得られるフィルターリング又は選択効果によって断面方向に対し単一モードのみが導波されることができる。
又、このような周期的な屈折率によるフィルターリング又は選択効果をＥＤＦ、半導体レーザー及びＶＣＳＥＬ等に適用すれば、従来の製品より断面積が非常に大きいながら、単一モードで作動する性能が格段と高い高出力（ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ）単一モード増幅器、レーザーなどを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図  １】１次元上で有効屈折率効果によって導波されることができるステップインデックス光導波路の多重モードを示す図面である。
【図  ２】本発明に係る多重モードのうち基底モードを示す図面である。
【図  ３】本発明に係る多重モードのうち第１励起モード（ｅｘｃｉｔｅｄ  ｍｏｄｅ）を示す図面である。
【図  ４】本発明に係る垂直方向の波長に対する周期的な屈折率構造の反射率を示す図面である。
【図  ５】本発明の第１応用例としてＥＤＦに適用した図面である。
【図  ６】本発明の第２応用例として半導体レーザーに適用した図面である。
【図  ７】本発明の第３応用例としてＶＣＳＥＬに適用した図面である。
【図  ８ａ】本発明の実施例として周期的な屈折率の変化を与える例示図である。
【図  ８ｂ】本発明の実施例として周期的な屈折率の変化を与える例示図である。
【符号の説明】
１０；多重モード  １２；基底モード
１４；第１励起モード  １６；周期的屈折率構造
２０；Ｅｒ添加コア  ２２；周期的屈折率変化
３０；コア  ３２；クラッド
【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８ａ】
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【図８ｂ】
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