(57)【要約】【課題】光導波路の伝搬モードを任意に調整することが可能な光導波路を提供すること。【解決手段】入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させる。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
上記発熱光を、上記導波路用ロッドの光軸に平行方向の側面より入射させたことを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項３】
上記発熱光を、上記導波路用ロッドの光軸に垂直方向の端面より入射させたことを特徴とする請求項１記載の光導波路。
【請求項４】
上記導波路用ロッドは、光軸と直交する断面外形が多角形に形成されたことを特徴とする請求項１、２、又は３記載の光導波路。
【請求項５】
上記導波路用ロッドは、光軸と直交する断面外形が矩形に形成され、導波路用ロッド内の熱を光軸に平行方向の向かい合った一組の側面から排熱する排熱部材を備えたことを特徴とする請求項１、２、又は３記載の光導波路。
【請求項６】
入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させることを特徴とする光導波路。
【請求項７】
上記クラッド部材は、上記導波路用ロッドの屈折率よりも小さな屈折率を有することを特徴とする請求項６記載の光導波路。
【請求項８】
上記クラッド部材は、光軸と直交する断面外形が多角形に形成されたことを特徴とする請求項６記載の光導波路。
【請求項９】
上記クラッド部材は、光軸と直交する断面外形が伝搬するスキュー光低減用の凸凹を有する円形状に形成されたことを特徴とする請求項６記載の光導波路。
【請求項１０】
上記導波路用ロッドは、励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成し、上記発熱光を上記レーザ媒質を励起する上記励起光としたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項１１】
上記導波路用ロッドは、光軸と直交する断面外形が円形状に形成されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項１２】
上記導波路用ロッドは、光軸と直交する断面外形が円形に形成され、かつ、上記円形の半径を上記導波路用ロッドを伝搬させる回折限界のレーザ光のビーム半径がほぼ変化せずに伝搬するビーム半径の１．２倍から１．７倍にしたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項１３】
入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させることを特徴とするレーザ増幅器。
【請求項１４】
入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させることを特徴とするレーザ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信用光導波路において任意の伝搬モードが要求される光導波路や、レーザレーダ用レーザ光源や加工用レーザ光源など、高ビーム品質・高出力パワーが要求されるレーザ増幅器に適した、伝搬モードを調節可能な光導波路（本願では熱導波型光導波路と称す）と、該光導波路を応用したレーザ増幅器（本願では熱導波型レーザ増幅器と称す）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路は、光が伝搬するコア部とその周辺のクラッド部の屈折率差を利用して、光をコア部に閉じこめて伝搬させるものである。光導波路には様々なものがあるが、例えば、材料の中にＧｅイオンやＴｉイオンを添加してコア部とクラッド部の屈折率を変化させることにより、導波路を形成している。
従来の光導波路の一例として、光ファイバについて、簡単に説明する。
図９に従来の光ファイバの構造図を示す。この従来の光ファイバは、Ｇｏｖｉｎｄ　Ｐ．　Ａｇｒａｗａｌ著「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃｓ」、ｐ４に示されたものである。図９（ａ）、図９（ｂ）は従来の光ファイバの構造を示す図である。図９（ａ）は光ファイバの正面構造図、図９（ｂ）は光ファイバの屈折率プロファイルである。正面とは光ファイバの光軸と直交した平面による光ファイバの切断面を意味している。
図において、１００は従来の光ファイバ、１０１はコア、１０２はクラッドである。コア１０１とクラッド１０２から光ファイバ１００が構成されている。クラッド１０２の屈折率はコア１０１の屈折率よりも小さくなるように調整されている。
光ファイバの正規化周波数Ｖは、次の式（１）で表される。
【０００３】
【数１】
2004078076.tif 000003
【０００４】
式（１）において、ａは光ファイバ１００のコア１０１半径、λは光ファイバ１００を伝搬するレーザ光の波長、ｎ１は光ファイバ１００のコア１０１の屈折率、ｎ２は光ファイバ１００のクラッド１０２の屈折率である。
正規化周波数Ｖ＜２．４０５を満たす光ファイバでは、光ファイバをレーザ光は単一モードのみで伝搬し、シングルモード光ファイバと呼ばれる。一方、Ｖ＞２．４０５を満たす光ファイバでは、複数の伝搬モードが存在し、マルチモード光ファイバと呼ばれる。
一般的な光ファイバの材料として用いられるのは、石英ガラスである。コアとクラッドの屈折率の差は、製作中に添加物イオンを加えることによって作られる。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）やリン（Ｐ）を純粋な石英ガラスに加えると屈折率が増加し、コアの材料として用いられる。また、ホウ素（Ｂ）やフッ素（Ｆ）を純粋な石英ガラスに加えると屈折率が減少し、クラッドの材料として用いられる。
このように構成された従来の光ファイバ１００では、コア１０１の屈折率とクラッド１０２の屈折率の差を利用して、レーザ光を光ファイバに閉じこめて伝搬させることが可能である。
ところで、光導波路においては、例えば、入射したレーザ光のビーム半径に適した伝搬モードに調整したり、レーザ光による導波路の損傷を抑制するため伝搬モードのビーム半径を大きくするなど、光導波路内の伝搬モードを任意に調整したい場合がある。しかしながら、従来の光導波路では、コアとクラッドの屈折率を添加物イオンなどで調整しているため、一度作成した導波路の伝搬モードを任意に調整することはできなかった。
また、高出力で回折限界のレーザ光を伝搬させるために、光導波路の伝搬モードを単一モードにしてコア半径を大きくしたい場合がある。しかし、式（１）から分かるように、単一モードのみで伝搬する条件Ｖ＜２．４０５を満たしてコア半径ａを大きくするには、コア屈折率ｎ１とクラッド屈折率ｎ２との差を小さくする必要がある。例えば、波長１．５μｍにおけるシングルモード光ファイバでコア直径を１５μｍ程度まで拡大した報告はあるものの、さらにコア半径ａを大きくするには、コア屈折率ｎ１とクラッド屈折率ｎ２との差を一層小さくする必要があり、製造が困難となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光導波路は以上のように構成されているので、光導波路の伝搬モードを任意に調整することはできないという課題があった。
また、高出力で回折限界のレーザ光を伝搬させるためにコア径を大きくすると、コア屈折率とクラッド屈折率の差が小さくなり、製造が困難という課題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光導波路の伝搬モードを任意に調整することが可能な光導波路を提供することを目的とする。
また、この発明は、伝搬モードを任意に調整することが可能なレーザ増幅器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係わる発明の光導波路は、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるものである。
【０００８】
請求項２に係わる発明の光導波路は、上記発熱光を、上記導波路用ロッドの光軸に平行方向の側面より入射させたものである。
【０００９】
請求項３に係わる発明の光導波路は、上記発熱光を、上記導波路用ロッドの光軸に垂直方向の端面より入射させたものである。
【００１０】
請求項４に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、光軸と直交する断面外形を多角形に形成したものである。
【００１１】
請求項５に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、光軸と直交する断面外形を矩形に形成し、導波路用ロッド内の熱を光軸に平行方向の向かい合った一組の側面から排熱する排熱部材を備えたものである。
【００１２】
請求項６に係わる発明の光導波路は、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるものである。
【００１３】
請求項７に係わる発明の光導波路は、上記クラッド部材が、上記導波路用ロッドの屈折率よりも小さな屈折率を有するものである。
【００１４】
請求項８に係わる発明の光導波路は、上記クラッド部材を、光軸と直交する断面外形を多角形に形成したものである。
【００１５】
請求項９に係わる発明の光導波路は、上記クラッド部材を、光軸と直交する断面外形を伝搬するスキュー光低減用の凸凹を有する円形状に形成したものである。
【００１６】
請求項１０に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成し、上記発熱光を上記レーザ媒質を励起する上記励起光としたものである。
【００１７】
請求項１１に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、光軸と直交する断面外形を円形状に形成したものである。
【００１８】
請求項１２に係わる発明の光導波路は、上記導波路用ロッドを、光軸と直交する断面外形を円形に形成し、かつ、上記円形の半径を上記導波路用ロッドを伝搬させる回折限界のレーザ光のビーム半径がほぼ変化せずに伝搬するビーム半径の１．２倍から１．７倍にしたものである。
【００１９】
請求項１３に係わる発明のレーザ増幅器は、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるものである。
【００２０】
請求項１４に係わる発明のレーザ増幅器は、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をより詳細に説明するために、図面を用いて説明する。
実施の形態１
図１はこの発明の実施の形態１による光導波路（以下、本願発明の光導波路を熱導波型光導波路と呼ぶ。）の一例を示す構成図である。図において、１は導波路用ロッド、２は導波路用ロッドに照射される光であって導波路用ロッドが吸収して熱を発生させる光である発熱光、３は発熱光を出射する発熱光光源、４はレーザ光、５は導波用ロッド１とレーザ光４が共有する光軸である。
【００２２】
次に動作について説明する。
発熱光光源３より出射した発熱光２は、導波路用ロッド１に吸収され、導波路用ロッド１の内部で熱を発生する。導波路用ロッド１の単位体積あたりの発熱量Ｑが一定で、導波路用ロッド１の側面温度がＴ０でほぼ一様の場合、導波路用ロッド１の温度分布は式（２）のように計算される。なお、ここでは導波路用ロッド１の光軸５に直交する断面が円形の場合の計算式を示す。
【００２３】
【数２】
2004078076.tif 000004
【００２４】
ここで、Ｋは熱伝導度、ｒ０は導波路用ロッド１の半径、ｒは光軸５からの距離である。一般的なガラスや結晶では、屈折率は温度にほぼ比例する。従って、導波路用ロッド１の屈折率分布ｎｒ（ｒ）は式（３）のように計算される。
【００２５】
【数３】
2004078076.tif 000005
【００２６】
ここで、ｎ０は導波路用ロッド１の光軸５における屈折率、Ａは導波路用ロッド１の材料の特性から与えられる定数である。すなわち、導波路用ロッド１に、中心からの距離ｒの二乗に比例した屈折率分布（二乗屈折率分布）が生じる。ここで生じる屈折率変化は、屈折率自身の温度依存性の他、応力により発生する屈折率変化も含む。
【００２７】
ここで、導波路用ロッド１の内部で熱が発生した時の、導波路用ロッド１に入射したレーザ光４の動作について、図２を用いて説明する。式（２）で表される屈折率分布を持ち、定数Ａが正の値を有する場合、すなわち、導波路用ロッド１の光軸５付近の屈折率が、導波路用ロッド１の側面付近の屈折率に比べて大きくなる場合、導波路用ロッド１は、伝搬によりビーム半径が変化しない条件（固有モード）が存在する。図において、６〜８はレーザ光４が平面波で入射した時の導波路用ロッド１内の伝搬形状を示しており、６はレーザ光４のビーム半径が導波路用ロッド１の固有モード半径ω０と等しい時の伝搬モード、７はレーザ光４のビーム半径が５ω０の時の伝搬モード、８はレーザ光４のビーム半径がω０／５の時の伝搬モードを表している。
レーザ光４が固有モードと異なるビームサイズで入射した場合、導波路用ロッド１の中で集光を繰り返しながら伝搬し、導波路用ロッド１の中に閉じこめられる。この時の集光位置の間隔Ｌは式（４）のように計算される。
【００２８】
【数４】
2004078076.tif 000006
【００２９】
この時、導波路用ロッド１内を伝搬するレーザ光４のビームサイズの最大値ωＭａｘと最小値ωＭｉｎの積は常に一定となり、式（５）のように計算される。
【００３０】
【数５】
2004078076.tif 000007
【００３１】
すなわち、ビーム半径が５ω０で入射したビームの伝搬モード７は導波路用ロッド１に入射すると集光して距離Ｌ／２の位置で最小のビーム半径ω０／５となる。また、ビーム半径がω０／５で入射したビームの伝搬モード８は導波路用ロッド１に入射すると拡がって距離Ｌ／２の位置で最大のビーム半径５ω０となる。したがって、導波路用ロッド１に入射したレーザ光４のビーム半径は、導波路用ロッド１を伝搬する間に固有モード半径ω０と等しいか、または、固有モード半径ω０よりも大きくなる場所が必ず存在する。以上より、レーザ光４を導波路用ロッド１に閉じこめて伝搬させるためには、導波路用ロッド１の半径ｒ０は固有モード半径ω０よりも大きくなければならない。
なお、伝搬モード７、８はレーザ光４が平面波として入射した場合を示したが、レーザ光４が、集光状態、または、発散状態で導波路用ロッド１に入射した場合にも、式（４）、式（５）の関係を満たすように伝搬する。
式（３）で表される屈折率分布を有する導波路用ロッド１の、回折限界のガウスビームに対する固有モード半径ω０は、レーザ光の波長をλとすると式（６）で計算される。
【００３２】
【数６】
2004078076.tif 000008
【００３３】
高次のモードに対する固有モード半径は、式（６）で表される回折限界のガウスビームに対する固有モード半径よりも大きくなる。
【００３４】
導波路用ロッド１の側面温度がＴ０でほぼ一様とする方法としては、図示は省略するが、ロッドの周りに水を流す、金属フォルダに接着し発熱光２を入射するための穴を開ける、等の方法が用いられる。
【００３５】
導波路用ロッド１の材料としては、レーザ光４を吸収せず、発熱光２を吸収して熱を発生する材料であれば良い。一例として、図３に一般的な光学材料であるＢＫ７の吸収スペクトルを示す。導波路用ロッド１の材料としてＢＫ７を使用し、発熱光２として波長約３μｍの光を用いれば、波長０．２〜２．０μｍのレーザ光４に対して、熱導波型光導波路として使用することができる。このように、レーザ光４の波長に応じて導波路用ロッド１の材料を選択すれば、任意の波長のレーザ光４に対応した導波路を形成することができる。
【００３６】
式（３）で示したように、ｎ３は単位体積あたりの発熱量Ｑに比例する。したがって、単位体積あたりの発熱量Ｑを変化させることにより、固有モード半径ω０、集光位置の間隔Ｌを任意に変化させることが可能であり、発熱光２の出力を変化させることにより導波路用ロッド１内のレーザ光４の伝搬モードを自由に調整することができる。
また、導波路用ロッド１の長さを変化させた場合、単位体積あたりの発熱量Ｑが同じになるように発熱光２の出力を調整すれば、同じ伝搬モードで長さの異なる導波路を形成することができる。
【００３７】
なお、導波路用ロッド１の光軸５付近の屈折率が導波路用ロッド１の側面の屈折率に比べて大きくなっていれば、レーザ光４は導波路用ロッド１に閉じこめられて伝搬することができるため、側面の温度が一様であること、および、単位体積あたりの発熱量Ｑが一定であることは必須条件ではない。
【００３８】
なお、上記の例では、導波路用ロッドの光軸に垂直な断面を円形とした。円形にすれば光軸５に軸対称な屈折率分布が発生するため、軸対称な形状を有するレーザ光４の伝搬に適している。
【００３９】
一方、導波路用ロッド１の光軸５付近の屈折率が導波路用ロッド１の側面の屈折率に比べて大きくなっていれば、レーザ光４は導波路用ロッド１に閉じこめられるため、ロッドの光軸に垂直な断面は任意の形状で良く、特に、断面形状が多角形の場合、側面が平面となるため、排熱が容易となるという利点がある。
【００４０】
また、図２においてレーザ光４は導波路用ロッド１の光軸上をまっすぐに伝搬しているが、導波路用ロッド１はあらかじめ曲がったものを用いるか、または、導波路用ロッド１が破損しない程度に曲げて使用しても良い。この場合でも、レーザ光４は導波路用ロッド１に閉じこめられるため、レーザ光４は導波路用ロッド１に沿って伝搬し、曲がった導波路を形成することができる。
【００４１】
また、発熱光光源３は一つの場合を示したが、ロッドの周囲に複数配置しても良い。このように構成すれば、大きな発熱量が得られると共に、導波路用ロッド１内の発熱の分布を小さくして、均一な発熱を得ることができる。
【００４２】
また、導波路用ロッド１の固有モード半径ω０は、回折限界のガウスビームの時が最も小さく、ビーム品質が悪くなると大きくなる。したがって、回折限界のガウスビームの固有モード半径ω０を導波路用ロッド１の半径ｒ０よりもわずかに小さくすれば、単一モードのみを伝搬する光導波路を構成することができる。
固有モード半径ω０は導波路用ロッド１内で発生する発熱量Ｑで調整可能なため、例えば、半径ｒ０の大きな導波路用ロッド１を用いて、高出力なレーザ光４を入射した時に損傷が発生しないような大きな固有モード半径ω０を得ることが可能であり、回折限界の高出力なレーザ光を伝搬させることが可能である。ここで、回折限界のガウスビームに対して損失が小さく、高次モードのビームに対して損失が大きくなるように、回折限界のガウスビームの固有モード半径ω０は導波路用ロッド１の半径ｒ０の１／１．２〜１／１．７程度とするのが望ましい。なお、導波路用ロッド１を伝搬させる回折限界のレーザ光のビーム半径がほぼ変化せずに伝搬するビーム半径は、発熱による屈折率分布が式（３）で表わされる導波路用ロッド１に対して、式（６）で表わされるビーム半径である。
【００４３】
このような熱導波型光導波路では、発熱光で発生する熱を用いてレーザ光を導波路用ロッド内に閉じこめて伝搬させることができるので、発熱光の出力を変化させることにより、導波路用ロッド内の伝搬モードを任意に調整することができるという利点がある。
【００４４】
また、導波路用ロッドの長さを変化させた場合、単位体積あたりの発熱量が同じになるように発熱光を調整することにより、同じ伝搬モードを得ることができるため、任意の長さの導波路を形成することができるという利点がある。
【００４５】
さらにまた、曲がった導波路用ロッドを用いれば、レーザ光は導波路用ロッドに沿って伝搬するため、曲がった導波路を形成することができるという利点がある。
【００４６】
また、導波路用ロッドの断面を円形にすれば光軸に対して軸対称な屈折率分布が発生するので、軸対称な形状を有するレーザ光を伝搬させる時に損失の少ない導波路が形成できるという利点がある。
【００４７】
また、導波路用ロッドの側面を多角形にすれば、導波路用ロッドの側面が平面になるので、排熱が容易になるという利点がある。
【００４８】
また、回折限界のガウスビームの固有モード半径を導波路用ロッドの半径よりもわずかに小さくすれば、高次のモードが導波路用ロッド内を伝搬できないため、単一モードのみを伝搬する光導波路を形成できるという利点がある。
【００４９】
実施の形態２
図１では導波路用ロッド１の側面から発熱光２を入射した場合を図示したが、導波路用ロッド１が細い場合、発熱光２を十分に吸収させることができず、効率的に熱を発生させることができない。そこで、図４に示したように導波路用ロッド１の光軸に垂直な端面から入射しても良い。図において、９はダイクロイックミラー、図１と共通の符号は同一又は相当する構成を示している。ダイクロイックミラー９は、レーザ光４を透過し、発熱光２を反射する。
【００５０】
次に動作について説明する。
発熱光２はダイクロイックミラー９により反射されて、導波路用ロッド１に入射して吸収され、熱を発生する。レーザ光４はダイクロイックミラー９を透過して導波路用ロッド１に入射し、発熱で発生する屈折率分布により、導波路用ロッド１に閉じこめて伝搬される。この時、発熱光２は導波路用ロッド１の長さ方向で吸収されるため、吸収の効率が高くなり、効率的に熱を発生させることが可能である。
さらに、図示はしていないが、発熱光２の入射端面と反対側の面に発熱光２を全反射するコーティングやミラーを設置すれば、反対側の面から外に漏れ出す発熱光が減少し、発熱光２の吸収が増えるため、一層効率的に熱を発生させることが可能となる。
【００５１】
また、図４では発熱光２を光軸５に垂直な端面からレーザ光４と同じ方向に入射させる場合を示したが、反対側の端面から入射してもよい。
さらにまた、発熱光光源３とダイクロイックミラー９を、導波路用ロッド１の光軸に垂直な２つの面の両方に配置して、発熱光２を２方向から入射しても良い。このように構成すれば、大きな発熱量が得られると共に、導波路用ロッド１内の発熱の分布を小さくして、均一な発熱が得られるという利点がある。
【００５２】
実施の形態３
導波路用ロッド内の単位体積あたりの発熱量を一定にするため、発熱光は導波路用ロッド内で均一に吸収されることが望ましい。しかし、導波路用ロッドの一つの端面より発熱光を入射した場合、入射面に近いところでは強く吸収され、入射面から離れるに従い発熱光が減少するため、発熱量に分布が生じる。特に、発熱光の吸収が大きい材料を用いた場合、入射面の反対側の面ではほとんど熱が発生しない状況が生じる。この実施の形態３では、このような問題を解決する熱導波型光導波路について説明する。
【００５３】
図５（ａ）はこの発明の実施の形態３による熱導波型光導波路を示す構成図、図５（ｂ）は図５（ａ）の熱導波型光導波路の光軸に垂直な断面形状を示す説明図である。図４と共通の符号は同一又は相当する構成を示している。図において、１０は発熱光４をほとんど吸収せずに伝搬させるクラッドである。
【００５４】
次に動作について説明する。
発熱光光源３より出力された発熱光２は、ダイクロイックミラー９に反射されて、導波路用ロッド１、または、クラッド１０の光軸５に垂直な端面から入射する。発熱光２はクラッド１０の内面で反射を繰り返しながら伝搬し、導波路用ロッド１を通過した成分が吸収されて熱を発生する。この時、導波路用ロッド１の吸収係数をα、導波路用ロッド１の光軸に垂直な断面の面積をＳ１、クラッド１０の光軸に垂直な断面の面積をＳ２とすると、単位長さあたりに吸収される発熱光２の入射した発熱光２のパワーに対する割合は式（７）で計算される。
【００５５】
【数７】
2004078076.tif 000009
【００５６】
ここで、ｚは導波路用ロッド１の入射端面からの距離である。
吸収量の一例として、導波路用ロッド１の長さ１０ｃｍ、吸収係数α＝１（ｃｍ−１）とし、導波路用ロッド１のみで吸収させた時、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＝０．１となる大きさのクラッド１０を用いた時、および、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＝０．１となる大きさのクラッド１０を用いて発熱光２の入射端面の反対側の面に発熱光２を全反射するコーティングやミラーを設置した時の、単位長さあたりに吸収される発熱光２の割合を図６に示す。
導波路用ロッド１のみで吸収させた時、発熱光２が約５ｃｍ伝搬したところでほとんど吸収されてしまうためロッドの長さ方向に大きな分布が発生するのに対して、クラッド１０を用いた時には発熱光２の全吸収量は減少するがロッドの長さ方向の分布は小さくなる。クラッド１０を用いて発熱光２の入射端面と反対側の面に発熱光２を全反射するコーティングやミラーを設置した時は、発熱光２の全吸収量が増加すると共に、長さ方向の発熱光２の吸収量の分布はさらに小さくなる。
【００５７】
導波路用ロッド１内にレーザ光４が閉じこめられているので、クラッド１０の屈折率はどの様な値でも良いが、導波路用ロッド１の屈折率に対して小さくすれば、発熱光２を入射していない時にもレーザ光４が導波路用ロッド１に閉じこめられるため、導波路用ロッド１を伝搬するレーザ光４の損失が減少する。したがって、クラッド１０の屈折率は導波路用ロッド１の屈折率よりも小さいことが望ましい。
【００５８】
このような熱導波型光導波路では、クラッド１０の光軸に垂直な断面の面積Ｓ２を調整することにより、導波路用ロッドの長さ方向の発熱量を調整できるため、導波路用ロッド１の材料として発熱光２の吸収が大きな材料を用いた場合にも、発熱量の長さ方向の分布を小さくすることができる。
【００５９】
また、大きな発熱を得るためには、高出力の発熱光２を導波路用ロッド１に入射させる必要がある。発熱光光源としては、高出力半導体レーザやランプが用いられるが、一般にこれらの光源からの出力光は高次のモードを含み、ビーム品質が低くなる。ビーム品質の低いビームは集光してもビーム径が大きくなってしまうため、導波路用ロッド１に効率よく入射させることは困難となる。クラッド１０を用いた場合、発熱光２をクラッド１０内に入射すれば、発熱光２はクラッド１０内を伝搬して導波路用ロッド１に吸収されるので、ビーム品質の悪い発熱光２をもちいた場合でも、導波路用ロッド１に効率よく発熱光を吸収させることが可能である。
【００６０】
また、図５（ａ）では発熱光２を光軸５に垂直な端面からレーザ光４と同じ方向に入射させる場合を示したが、反対側の端面から入射してもよい。
さらにまた、発熱光光源３とダイクロイックミラー９を、導波路用ロッド１の光軸に垂直な２つの面の両方に配置して、発熱光２を２方向から入射しても良い。このように構成すれば、大きな発熱量が得られると共に、導波路用ロッド１内の発熱の分布を小さくして、均一な発熱が得られるという利点がある。
【００６１】
また、図５（ｂ）では、クラッド１０の正面の外径は円形として図示しているが、この実施の形態３はこれに限定されるものではなく、多角形や、円形に対して凸凹を有する花びら型など、クラッド１０の正面の外径を任意に選択することができる。クラッド１０の外径が円形の場合には、クラッド１０を伝搬する発熱光の一部は、導波路用ロッド１を通過せずに伝搬するスキュー光となるため、導波路用ロッド１に吸収されず、発熱光の吸収効率が低下してしまう。これに対して、クラッド１０の外径を多角形や花びら形にした場合、このスキュー光の割合が減少するため、導波路用ロッド１に吸収される割合が増加し、効率よく熱を発生させることが可能になる。
【００６２】
実施の形態４
導波路用ロッドの側面全体の温度を一様にした場合、導波路用ロッドの半径方向と半径方向に垂直な周方向で発生する熱応力が異なるため、熱応力により発生する屈折率変化が半径方向と周方向で異なる状況が発生し、半径方向と周方向に複屈折軸を有する熱複屈折が発生する。この導波路用ロッドに偏光状態が直線偏光のレーザ光が入射すると、熱複屈折の軸と直線偏光の方向が一致しているところでは偏光状態は変化しないが、熱複屈折の軸と直線偏光の方向が一致していないところでは導波路用ロッドから出力されるレーザ光の偏光状態が変化する。さらに、半径方向と周方向で伝搬モードが異なるため、出力されるレーザ光のビーム品質が低下する。この実施の形態４では、このような問題を解決する熱導波型光導波路について説明する。
【００６３】
図７はこの発明の実施の形態４による熱導波路型光導波路の形状を示す光軸に垂直な方向の断面図である。図において、１１は光軸と直交する断面外形が矩形に形成された導波路用ロッド、１２は導波路用ロッド１１内の熱を光軸に平行方向の向かい合った一組の側面から排熱するヒートシンクである。導波路用ロッド１１はヒートシンク１２からｘ軸方向に排熱を行い、ヒートシンク１２が接していない一組の平行な面は、空気に接しており、ほぼ断熱されている。
【００６４】
次に動作について説明する。
導波路用ロッド１１内の温度分布は、ヒートシンク１２により排熱を行っているｘ軸方向のみに発生し、ｙ軸方向には発生しない。従って、導波路用ロッド１１のｘ軸方向の屈折率分布ｎ（ｘ、ｙ）は式（８）のように計算される。
【００６５】
【数８】
2004078076.tif 000010
【００６６】
ここで、ｘ、ｙは、導波路用ロッド１１の中心からのｘ軸方向、ｙ軸方向の位置を表し、Ａ’は導波路用ロッド１１の材料の特性から与えられる定数である。
なお、導波路用ロッド１１のｘ軸方向については、ｎ３をｎ４と置き換えることにより、式（４）式（６）の関係が適用できる。
【００６７】
導波路用ロッド１１のｘ軸方向には、ｘの二乗に比例した二乗屈折率分布が生じ、導波路用ロッド１１に入射したレーザ光４を閉じこめて伝搬させる。一方、ｙ軸方向は、入射したレーザ光が導波路用ロッド１１の内面で全反射を繰り返して伝搬する。
このように構成すれば、温度分布がｘ軸方向にのみ発生するため、熱複屈折の軸はｘ軸方向、および、ｙ軸方向に発生する。したがって、直線偏光のレーザ光を入射する場合、偏光方向をｘ軸方向、または、ｙ軸方向に調整することにより、導波路用ロッド１１を出射したレーザ光の偏光は直線偏光を保持し、偏光状態は変化しない。
【００６８】
ここで、導波路用ロッド１１のヒートシンク１２が接していない一組の平行な面は空気に接しているとしたが、導波路用ロッド１１の屈折率よりも小さな屈折率を有する断熱材を接触させても同様の効果が得られる。
【００６９】
また、ヒートシンク１２の材料としては、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の高い材料の他、発熱光を吸収しないガラス材料を用いて、クラッドとして用いても良い。このように構成すれば、導波路用ロッドの光軸に平行な方向に発熱光を入射した時、ヒートシンク１２の光軸に垂直な断面の面積を調整することにより、導波路用ロッドの長さ方向の発熱量を調整できるため、導波路用ロッド１１の材料として発熱光２の吸収が大きな材料を用いた場合にも、発熱量の長さ方向の分布を小さくすることができる。また、ビーム品質の低い発熱光２をもちいた場合でも、導波路用ロッド１１に効率よく発熱光を吸収させることが可能である。
【００７０】
実施の形態５
導波路用ロッドの材料としては、レーザ光を吸収せず、発熱光を吸収して熱を発生する材料としたが、導波路用ロッドの材料として希土類イオンを添加したレーザ媒質、発熱光として希土類イオンを励起する励起光を用いても良い。レーザ媒質は希土類イオンが励起光を吸収して、入射するレーザ光に対して利得を発生する。希土類イオンは、励起された準位からレーザ発振を行う準位に遷移する際に、光子の発生を伴わない遷移を行い、熱を発生する。また、レーザ発振を行う準位からさらに励起光を吸収して、レーザ発振の準位と異なる準位に励起されるＥＳＡ（Ｅｘｃｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）や、レーザ発振を行う準位の希土類イオン同士がエネルギーを移譲してレーザ発振の準位と異なる準位に励起されるアップコンバージョンなどが存在する。レーザ発振の準位と異なる準位に励起された希土類イオンは、主に、光子の発生を伴わない遷移を行い、熱を発生する。したがって、導波路用ロッドの材料としてレーザ媒質を用いて、発熱光として励起光を用いた場合にも、入射したレーザ光を閉じこめるための屈折率分布が発生するので、導波路用ロッドでレーザ光を閉じこめて、伝搬させることができる。さらに、導波路用ロッドの希土類イオンが励起されて、レーザ光に対して利得を発生するため、レーザ光を増幅しながら伝搬させることができる。
【００７１】
実施の形態６
図８はこの発明の熱導波型光導波路を応用したレーザ増幅器（以下、本願発明のレーザ増幅器を熱導波型レーザ増幅器と呼ぶ。）を示す構成図である。図において、１３はレーザ媒質、１４はレーザ媒質を励起する励起光、１５は励起光を出力する励起光光源であり、図１と共通の符号は同一又は相当する構成を示している。
【００７２】
次に、動作について説明する。
発熱光光源３より出射した発熱光２は、レーザ媒質１３に吸収され、レーザ媒質１３の内部で熱を発生する。また、励起光光源１５より出射した励起光１４は、レーザ媒質１３に吸収され、熱を発生すると共に、レーザ光４に対して利得を発生する。レーザ媒質１３の中で発生した熱は、レーザ媒質１３内に式（３）で計算される屈折率分布を発生する。したがって、レーザ媒質１３は、レーザ媒質１３に入射したレーザ光４を、利得により増幅しながら伝搬させる。
【００７３】
励起光１４の吸収によりレーザ媒質１３の内部に熱が発生するが、励起光１４の発熱だけでレーザ光４をレーザ媒質１３の内部に閉じこめて伝搬させる場合、レーザ光４の伝搬モードを変化させるために励起光１４の出力を調整すると、レーザ媒質１３で発生する利得も変化する。上記のような構成では、励起光１４の出力でレーザ媒質１３で発生する利得を調整し、発熱光２の出力で発生する熱を調整できるので、利得と伝搬モードを独立して調整することができる。したがって、発熱光２の出力を変化させることによりレーザ媒質１３のレーザ光４の伝搬モードを自由に調整できるとともに、励起光１４の出力を変化させることによりレーザ媒質１３の利得を自由に調整することができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるので、発熱光の出力を変化させることにより、導波路用ロッド内の伝搬モードを任意に調整することができる。また、導波路用ロッドの長さを変化させた場合、単位体積あたりの発熱量が同じになるように発熱光を調整することにより、同じ伝搬モードを得ることができるため、任意の長さの光導波路を形成することができる。
【００７５】
また、請求項２の発明によれば、導波路用ロッド内の熱分布を小さくして、伝搬モードの変化が小さい安定した光導波路を形成することができる。
【００７６】
また、請求項３の発明によれば、発熱光の吸収効率が高くなり、効率の高い光導波路を形成することができる。
【００７７】
また、請求項４の発明によれば、導波路用ロッドの側面が平面になり、排熱が容易になる。
【００７８】
また、請求項５の発明によれば、直線偏光のレーザ光を入射しても偏光状態を変化させない光導波路を形成することができる。
【００７９】
さらに、請求項６の発明によれば、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生する導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させ、端面から入射されるレーザ光を上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるので、伝搬モードの変化が小さい安定した光導波路を形成することができる。また、ビーム品質の悪い発熱光を用いた場合でも、導波路用ロッドに効率よく発熱光を吸収させることができるので、効率の高い光導波路を形成することができる。
【００８０】
また、請求項７の発明によれば、導波路用ロッドを伝搬するレーザ光の損失の小さな光導波路を形成することができる。
【００８１】
また、請求項８の発明によれば、スキュー光の割合を減少して効率よく熱を発生することができる。
【００８２】
また、請求項９の発明によれば、スキュー光の割合を減少して効率よく熱を発生することができる。
【００８３】
また、請求項１０の発明によれば、入射したレーザ光を増幅しながら伝搬させることが可能な光導波路を形成することができる。
【００８４】
また、請求項１１の発明によれば、軸対称な形状を有するレーザ光に対して損失の小さな光導波路を形成することができる。
【００８５】
また、請求項１２の発明によれば、回折限界のレーザ光のみを伝搬させることが可能な光導波路を形成することができる。
【００８６】
さらに、請求項１３の発明によれば、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるので、利得と伝搬モードを独立して調整することが可能なレーザ増幅器を形成することができる。
【００８７】
さらに、請求項１４の発明によれば、入射される所定の光である発熱光を吸収して熱を発生し、かつ、入射される所定の光である励起光を吸収して利得を発生するレーザ媒質で形成された導波路用ロッドと、上記導波路用ロッドの側面外周に設けられ、入射される上記発熱光を伝搬させるクラッド部材と、上記発熱光を出力する発熱光光源と、上記励起光を出力する励起光光源とを備え、上記発熱光を上記クラッド部材へ光軸に垂直方向の端面より入射させ、上記クラッド部材を伝搬させながら上記導波路用ロッドに吸収させ、上記導波路用ロッドが少なくとも上記発熱光を吸収して発生した熱により光軸上の屈折率が側面の屈折率よりも大きい屈折率分布を発生させると共に上記励起光を吸収して利得を発生し、端面から入射されるレーザ光を上記利得により増幅しながら上記屈折率分布により導波路用ロッドに閉じこめて伝搬させるので、利得と伝搬モードを独立して調整することが可能なレーザ増幅器を形成することができる。また、伝搬モードの変化が小さい安定した光導波路を有するレーザ増幅器を形成することができる。また、ビーム品質の悪い発熱光や励起光を用いた場合でも、導波路用ロッドに効率よく発熱光および励起光を吸収させることができるので、効率の高いレーザ増幅器を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による熱導波型光導波路の一例を示す構成説明図である。
【図２】図１の熱導波型光導波路の伝搬モードを説明する図である。
【図３】導波路用ロッド材料の一例であるＢＫ７（石英ガラス）の吸収スペクトルを示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２による熱導波型光導波路を示す構成説明図である。
【図５】この発明の実施の形態３による熱導波型光導波路を示す構成説明図である。
【図６】図５における導波路用ロッドの位置と発熱光の吸収量の関係を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態４による熱導波型光導波路を示す構成説明図である。
【図８】この発明の実施の形態６による熱導波型レーザ増幅器を示す構成説明図である。
【図９】従来の光導波路の一例である光ファイバを示す構成説明図である。
【符号の説明】
１　導波路用ロッド、２　発熱光、３　発熱光光源、４　レーザ光、５　光軸、６　　レーザ光のビーム半径が導波路用ロッドの固有モード半径ω０と等しい時の伝搬モード、７　レーザ光のビーム半径が５ω０の時の伝搬モード、８　レーザ光のビーム半径がω０／５の時の伝搬モード、９　ダイクロイックミラー、１０　クラッド、１１　導波路用ロッド、１２　ヒートシンク、１３　レーザ媒質、１４　励起光、１５　励起光光源、１００　従来の光ファイバ、１０１　コア、１０２　クラッド。
【図１】
2004078076.tif 000011
【図２】
2004078076.tif 000012
【図３】
2004078076.tif 000013
【図４】
2004078076.tif 000014
【図５】
2004078076.tif 000015
【図６】
2004078076.tif 000016
【図７】
2004078076.tif 000017
【図８】
2004078076.tif 000018
【図９】
2004078076.tif 000019