(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ種でドープされたガラス基板を含み、かつ該基板とは異なる屈折率を有する基板内のチャンネルによって画成される１つ又はこれより多い導波部を有する光装置において、
上記基板がＥｒ及びＹｂでドープされた燐酸アルカリガラスであって、Ｙｂ：Ｅｒのドーパントの重量比が、約３：１から約８：１までの範囲である光装置。
【請求項２】
２つ又はこれより多い導波部を有する請求項１に記載の光装置。
【請求項３】
上記導波部が、Ｅｒ及びＹｂでドープされた燐酸アルカリガラスを含み、その屈折率が上記基板のそれよりも高くなるように処理されたものである請求項２に記載の光装置。
【請求項４】
該光装置が、基板に形成されるべき導波部に対応する幅及び長さの孔部を有するガラス基板にマスクを当て、イオン交換溶剤との接触によるイオン交換を実行して孔部を介して導波部を形成することにより調製されたものである請求項３に記載の光装置。
【請求項５】
該光装置が、基板に形成されるべき導波部に対応する幅及び長さの孔部を有するガラス基板にマスクを当て、フォトリソグラフィを実行して孔部を介して導波部を形成することにより調製されたものである、請求項３に記載の光装置。
【請求項６】
注入されたときにレーザ効果を生じさせる、上記導波部と共同する反射部材をさらに含んでいる、レーザの形態の請求項１に記載の光装置。
【請求項７】
上記反射部材が、基板上に設けられた回折格子である請求項６に記載の光装置。
【請求項８】
上記反射部材が、基板上に設けられたＤＢＲ格子である請求項６に記載の光装置。
【請求項９】
波長１５ｍｍ以下のレーザの形態である、請求項６に記載の光装置。
【請求項１０】
Ｙｂ：Ｅｒのドーパントの重量比が約４：１である、請求項１に記載の光装置。
【請求項１１】
上記基板中のＥｒ濃度が６×１０２０イオン／ｃｍ３以下である、請求項１に記載の光装置。
【請求項１２】
上記基板中のＥｒ濃度が約１×１０２０イオン／ｃｍ３である、請求項１に記載の光装置。
【請求項１３】
上記基板は、１．１５重量％のＥｒ２Ｏ３及び４．７３重量％のＹｂ２Ｏ３でドープされたものである、請求項１に記載の光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
連邦政府後援のリサーチ及び開発の下で成された発明に対する権利に関する陳述
これら発明の態様のいくつかはＮＩＳＴ（標準及び技術の国家制定）からの支持により開発されたものである。合衆国政府は、これら発明のうち、あるものについては権利を有することができる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、光学及びレーザの分野に関し、特に、ガラス基盤上に１つ以上の光学導波管を集積し、また、その中にレーザを形成する方法及び装置に関する。
【０００３】
発明の背景
電気通信事業では、一般に、多量のデータを短時間に伝送するために光ファイバを使用している。光ファイバ通信システムの１つの一般的な光源は、エルビウムのドープ処理されたガラスを用いて形成されたレーザである。このようなシステムの１つは、エルビウムのドープ処理されたグラスファイバを用いて約１.５３６マイクロメータの波長で発光するレーザを形成し、約０.９８マイクロメータの波長で動作する赤外線光源によってポンプ動作される。ガラス基盤内に導波管を形成する利用可能な方法は、ナジャフィ (Najafi) 等による１９９２年１月１４日発行の米国特許 5,080,503 に開示されており、参照のためにここに記載する。レーザ用として便利な燐酸ガラスについては、ヘイデン (Hayden) による１９９４年８月２日発行の米国特許 5,334,559 に開示されており、参照のためにここに記載する。集積光レーザについては、マローン (Malone) 等による１９９６年２月１３日発行の米国特許 5,491,708 に開示されており、参照のためにここに記載する。
【０００４】
集積光学システムの技術では、安価に大量生産が可能なルーチンおよび他の構成要素とともに、１つ以上のハイパワーレーザを有することが必要である。システムは高度に再生可能、正確かつ安定性があらねばならない。
【０００５】
発明の概要
本発明は、その実施例から、ガラス基盤上にハイパワーレーザを有する光学システムを形成するためのシステムと方法、及び、上記によるガラス基盤構成の光学システムと該光学システムを動作させる方法を提供する。本発明は更にガラス基盤上に光導波管を形成する方法に関し、該方法は多数の導波管を備え、異なる波長を有する少なくとも２個の導波管を有する基盤を形成することを含む。
【０００６】
更に本発明の実施例は、レーザ素子でドープ処理され、基盤内の溝で規定された１つ以上、好ましくは多数の導波管を有するガラス基盤を含むレーザ要素を提供する。（ここで使用の「基盤内の溝」とは、他の構造または基盤の層で覆われたか否かにかかわらず、基盤上または基盤内に形成された任意の溝を含む広い意味である。）各基盤の導波管（または「溝」）は、基盤に関して屈折率の増加した領域として基盤内に形成されている。ガラス基盤は、光学的に注入可能なレーザ素子（好ましくはＥｒ，Ｙｂ，Ｎｄ，Ｈｏ，Ｔｍ，Ｓｍ，Ｔｂ，ＤｙまたはＰｒなどの希土類元素、またはこれら元素の組合せ、例えばＥｒとＹｂとの組合せなど）でドープ処理され、複数の周波数でレーサ発光可能なレーザ媒体を形成する。フィードバック構成のためにミラーまたは分散ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射格子を導波管の長さ方向に配置して、レーザ共振器空洞を形成してもよい。１つ以上のミラーまたは反射格子が、レーザ出力を提供するために部分的に反射状態とされる。
【０００７】
レーザ要素は個々の導波管の単一体の配列構成をなし、配列導波管は異なる共振特性の（即ち、異なる波長で共振する）レーザ共振器空洞を形成する構成としてもよい。レーザ要素はこのように、複数の選択波長でレーザ光を出力するレーザシステムの一部として使用してもよい。本発明のいくつかの実施例では、導波管空洞の共振特性は、基盤内に形成された溝の幅を調整し、導波管の有効屈折率を変えることにより、変化される。有効屈折率は、以下に説明するように、導波管が形成される拡散条件を変えることにより、変化させることができる。従って、有効屈折率を変えることは、空洞により保持された長手モードの波長を決定する導波管空洞の有効長さを変えることになる。他の実施例では、導波管空洞の共振特性は、空洞を規定するために使用された反射格子のピッチを変えることにより、個々に選択され、伝達された光モードに対する有効屈折率を用いて、格子によって反射された光の波長を決定する。更に他の実施例では、所望の光波長を保持するレーザ共振器空洞の長さを選択するために、導波管上の格子の配置が変えられる。
【０００８】
好ましい実施例では、１つまたは多数の導波管は、レーザ素子の一部であることは任意であり、ガラス基盤から構成され、該ガラス基盤はＥｒまたはＹｂ／Ｅｒなどの希土類元素でドープ処理された燐酸アルカリガラスである。Ｙｂ／Ｅｒでドープ処理されたガラスの場合は、最大のレーザ効率のためには、Ｙｂ／Ｅｒの比率は約１：１から８：１までであり、特に３：１から８：１までであることが好ましい。これは、希土類元素でドープ処理されたレーザガラスにおける最良のエルビウムとイッテルビウム希土類イオン濃度に関する調査の結果、特に、エルビウムとイッテルビウムの１.５４ミクロンのレーザ源と電気通信及びデータ伝送の分野で採用されている増幅器として発見されたものである。
【０００９】
この調査の前は、このような適用のエルビウム・イッテルビウムでドープ処理されたガラスは、典型的には、低濃度のエルビウム（通常１ｗｔ％Ｅｒ２Ｏ３成分よりはるかに低い）と対応する高濃度のイッテルビウム成分（典型的には、ガラスに入射された各１個のエルビウムイオンに対して１０個以上のイッテルビウムイオンのイオン比率）とによって特徴付けられていたもので、このようなガラスは、例えば、米国特許 5,334,559 と米国特許 5,491,708 に開示されている。このような高レベルのＹｂは、最初は、珪酸と燐酸ガラスの形成による従来の経験に基づいて、高出力パワーと高スロープ効率をもたらすものと期待されていた、例えば、米国特許 4,962,067 参照。従来技術では、低レベルのエルビウムドーピング（高々０.１５モル％Ｅｒ２Ｏ３）が自己冷却効果を避けるために必要であり、イッテルビウム成分は、レーザガラス内に吸収された光を注入する量を最適化するために、可能な限り高く（基本的には、入射Ｙｂ２Ｏ３をガラスの溶解限度に近い、少なくとも６モル％Ｙｂ２Ｏ３に）設定されるべきことが記載されていた。
【００１０】
しかし、本発明によれば、Ｙｂ／Ｅｒの比率が１：１から８：１までの希土類成分のガラス（特に、ＮＩＳＴ−１ＴまたはＩＯＧ−１と呼ばれるガラス、１.１５ｗｔ％Ｅｒ２Ｏ３と４.７３ｗｔ％Ｙｂ２Ｏ３成分を有するナトリウム・アルミニウム・燐酸ガラス）は、より高い出力パワー（従来の１６ｍＷに比べて１８０ｍＷまで）とより高いスロープ効率（従来の２７％に比較して少なくとも２８％）を表すことが発見された。
【００１１】
本発明者等は、最初は、従来のガラスの低い特性はガラス内に残った少なくとも一部の残留水酸基群に起因するものと思った。ガラス内で励起したイオンは、ガラス内で水酸基周期振動の付帯事項としてエネルギー交換することが知られており、効果的に励起状態のイオンから蓄積エネルギーを奪うかまたは増幅レーザ発光を生成するのに使用される。この可能性を調査するために、異なる水酸基成分を用いて０.５ｗｔ％Ｅｒ２Ｏ３と８.９４ｗｔ％Ｙｂ２Ｏ３成分を有するナトリウム・アルミニウム・燐酸ガラスのグループが準備された。これらガラス内の残留水酸基成分は３.０ｕｍで測定された赤外吸収に比例し、その詳細を表１に示す。
表１−ナトリウム・アルミニウム・燐酸ガラスにおける水酸基成分調査
溶融ＩＤ            ３.０ｕｍ［ｃｍ−１］での吸収
ＮＩＳＴ−１Ｌ            ０.７２
ＮＩＳＴ−１Ｈ            １.７７
ＮＩＳＴ−１Ｊ            ６.０２
【００１２】
この作業の結果、残留水酸基成分は確かにレーザ特性に有害であるが、それだけでは、これら３つのガラスに構成された装置の性能の低下にはつながらないことが示された。実際、溶融状態のＮＩＳＴ−１ＨとＮＩＳＴ−１Ｌは３.０ｕｍでの吸収で２.０ｃｍ−１によって特徴づけられ、そのレベルはレーザ特性に重大な影響を及ぼさないのに充分低いことが予想された。特に、溶融ＮＩＳＴ−１Ｌにおける吸収レベルは１.０ｃｍ−１より低く、従来技術において示した閾値は所与のレーザガラスのレーザ性能を評価することの結果ではない。Cook, L.M. et al, Proc SPIE Vol. 505, 102-111ページ（１９８４年）参照。
【００１３】
その結果、ＥｒとＹｂについての選択ドーピングレベルは最善のレベルからほど遠いものであるのが判明した。特に、ガラス中のＹｂドーピング濃度とＥｒドーピング濃度、それにＹｂ／Ｅｒドーピング比の間にはトレードオフの関係が成り立っていた。例えば、最初に示したように、Ｙｂドーピングを多くするほど、レーザ特性が良くなると普通考えられていた。しかし、本発明者は、それよりもＥｒ量とＹｂ／Ｅｒ比とを最適化する別の研究を採った。この研究には、Ｙｂ−Ｅｒ間の交差緩和効率（cross-relaxation efficiency）とレーザキャビティ(laser cavity)内に反転したＥｒイオンの総数との間の相対特性（relative performance）上の妥協点を評価することを含んでいる。
【００１４】
Ｙｂ−Ｅｒのエネルギー遷移機構による交差緩和係数を求めるためにＮＩＳＴ−１ガラスのスペクトル評価を行った。本発明者らは、ガラス中でのエルビウムイオンに対するイッテルビウムの交差緩和ηは下記のようなると推断した。
η＝１−τＹｂ−Ｅｒ／τＹｂ
ここで、τＹｂ−Ｅｒは、試料中にＥｒとともにドープされたＹｂ３＋が２Ｆ５／２準位にある寿命（測定値は１．７９×１０−３秒）であり、τＹｂはエルビウムを含まない試料中にドープされたＹｂ３＋が２Ｆ５／２準位にある寿命（測定値は１．３７×１０−３秒）である。また、ηは０．８７と算出された。このモデル方法の詳細については、レーザ特性がはるかに劣るケイ酸ガラスへの応用に関してではあるが、本明細書の一部として添付した付帯書類における論文ＥとしてのＳＰＩＥの記事に記載されている。
【００１５】
このドーピング選択モデル法によって以下のような結論が得られた。即ち、ガラス中のＥｒ濃度を一定としてガラスに添加するＹｂを増加させると、ＥｒイオンとＹｂイオンとの間の平均距離は減少し、その結果、Ｙｂ−Ｅｒ間のエネルギー転移の交差緩和効率が増加する。ここでの問題点は、より多い励起エネルギー（pump energy）がより近い間隔に吸収されることにある。その結果、より少ないＥｒイオンは所定範囲に反転し、そのため３準位のＥｒイオンレーザにおける付加的な再吸収損失と同様に利用可能な利得はより少なくなる。このためレーザ性能は劣化する。この欠点のために閾値はより高くなり、スロープ効率（slope efficiency）はより低くなる。最適性能を得るためには、励起エネルギーの関数としてのＹｂ−Ｅｒの交差緩和と反転イオン（inverted ions）の総数との両方を同時に最適化しなければならない。ある特定の装置の場合、励起波長（光励起波長９８０ｎｍでの吸収断面積は１４．５×１０−２１ｃｍ２）でのイッテルビウムの吸収特性と意図したデバイス長さ（２．２ｃｍ）に基づき、モデル化の結果、ガラスは１．１５重量％のＥｒ２Ｏ３と４．７３重量％のＹｂ２Ｏ３とがドープされ、Ｅｒ濃度が１×１０２０イオン／ｃｍ３となっていた。６×１０２０イオン／ｃｍ３までのＥｒ濃度を利用できるが、全体のドーピング濃度は、ガラス母材（glass host）への希土類イオンの溶解度により限られている。この溶解度のレベルは、米国特許５，０７７，２４０号と米国特許第５，０３９，６３１号に示されているように、１ｃｍ３当たり１０×１０２０希土類イオン程度である。高性能のレーザデバイスのためには、エルビウムのドーピングレベルは従来技術レベルにおける最大値の２倍、選択元素のイッテルビウム濃度は従来技術レベルの１／４から１／５であるという従来の知識に反して、これらの普通でないドーピングレベルが選択された。発見された最適ドーピングレベルによって達成された結果に基づいて得られるレーザによって、遠隔通信やデータ転送ハイエンドのダイオードレーザで現在利用できるものより大きなパワーを得ることができる。従来の一般的なダイオードレーザは２〜２０ｍＷの出力を有している。本発明のレーザは利用可能な励起パワーによってのみ限定される出力、即ち、２０ｍＷを超え、例えば２５−１８０ｍＷの出力を有している。このような高出力レベルを有するので、ネットワークでの不経済な光学的増幅を行う必要がなく、大都市エリアネットワークにガラス導波路レーザを利用することができる。この利点は、特に波長１５ｍｍ以下のレーザに関して明らかである。
【００１６】
好ましい実施の態様としては、ドーピングレベル、即ち、Ｅｒイオンの濃度は、０より多く、５×１０２０イオン／ｃｍ３または６×１０２０イオン／ｃｍ３以下であり、Ｅｒ／Ｙｂ比はおよそ４：１である。しかし、およそ１：１、１．５：１、２：１、２．５：１、３：１、３．５：１、４：１、４．５：１、５：１、５．５：１、６：１、６．５：１、７：１、７．５：１、８：１のいずれかの比を利用してもよい。
【００１７】
別の好ましい実施の態様としては、改良型イオン交換法を用いて、ガラス基板上の導波路を画定しているチャネルを形成している。一般的にガラス基板の表面は、一又は複数のチャネル（多重導波路の実施形態に関する）に対応する一以上のラインアパーチャを有するマスク層を介してイオン交換溶剤に対して露出している。
【００１８】
製造手順には、通常のマイクロリソグラフィ法によって形成されたチャネルアパーチャを介するＫ＋−Ｎａ＋のイオン交換を用いたガラス基板への導波路形成が含まれている。例えば、硝酸カリウムＫＮＯ３溶液をアルミナからなるマスク層を介して供給してＫ＋−Ｎａ＋のイオン交換をさせることができる。基板でのＫ＋イオンからＮａ＋イオンへの交換によって基板の他の部分より高い屈折係数の露出部分が形成され、導波路が画定される。さらに、導波路を形成するイオン交換のために硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸ルビジウム、硝酸セシウム、硝酸銅、硝酸銀、硝酸タリウムの群から選ばれた少なくとも一種の硝酸塩の溶解物を用いてもよい。
【００１９】
しかし、本発明者らは箱型炉の開放雰囲気においてアルミニウムるつぼ内でイオン交換させた場合、ガラスがかなりエッチングされることを見出した。そのため、本発明によって、例えばパイレックス（登録商標）製るつぼの如くのホウケイ酸ガラス製るつぼ内でイオン交換を行わせることで、アルミニウムるつぼによる場合と比較すると、硝酸カリウムＫＮＯ３のイオン交換の溶解によって生じるリン酸ガラスの表面損傷や表面エッチングの量を劇的に減らすことができた。さらに、１２０℃以上、好ましくは約１２０℃で、不活性なアルゴン雰囲気中、２４−４８時間の間、硝酸カリウムＫＮＯ３をベーキングすることによって溶解物の水分量の制御が行われる。さらに、スパッタ法又はＣＶＤ堆積法により形成されたＳｉＯ２バッファ層被覆によって表面反射損失を減らすことができる。
【００２０】
イオン交換プロセスの結果、僅かだけ埋没している導波管の屈折率が表面より僅か下方において最大となるようにすることができる。これによって、もう一つの利点として、散乱損失を減らすことができる。この利点をさらに強めて、電界を用いた電界イオン交換プロセス（field assisted ion-exchange process）を伝達して行われるレーザ発振のために最適化された形状とサイズを備えたチャネルを与えてもよい。ここで、上記電界は、特に、硝酸ナトリウム溶液電極または固体の銀電極を用いて印加され、時間の関数で変化する。また、導波路の屈折率プロファイルをより適応させるために時間の関数で温度を変化させてもよい。
【００２１】
この実施の態様によって、イオン交換した導波路から出力されるレーザは、２０ｍＷを超え、特に２５ｍＷ以上、１８０ｍＷ以下に達する高出力と、２８％以上の高いスロープ効率（slope efficiency）（ディー・バービル（D. Barbier）らの「Conference on Optical Amplifiers and Applications」、１９９５によるリン酸ガラスでの先行技術では、１６ｍＷの出力と２７％のスロープ効率である）を得ることができる。さらに、光ファイバからの励起光の高い結合効率（coupling efficiency）は、カリウム−ナトリウム間のイオン交換で生じる低い屈折率によって実現できる。また、光ファイバへの信号光の高い結合効率も、カリウム−ナトリウム間のイオン交換で生じる低い屈折率によって実現できる。
【００２２】
上記イオン交換法に基板として用いられるガラスは、リン酸ナトリウム−アルミニウムの処方、例えば、前述した組成物や、米国特許第5,334,559号、米国特許第5,491,708号に記載されているガラスであっても良い。特別な応用例としては、希土類、特に上述のＥｒ／Ｙｂ比でドープされたリン酸ナトリウム−アルミニウムのカテゴリに、上述のガラス調製材に見出される。希土類の選択は、エルビウムとイッテルビウムを含み、現在の商業的利用性や、安価かどうか、半導体励起レーザと１．５μｍ、特に１．５４μｍのテレコミュニケーションの波長領域での発振を比較して検討され、イッテルビウム単独では、標準化された時計用の１．０μｍでのレーザ光源が得られ、ネオジミウムは、小さいローカル光ネットワーク用の波長１．０６μｍのレーザ光源や、ガス検知用等の光センサ用のレーザ光源が得られる。しかし、上述のイオン交換プロセス用の利用可能なデバイスの別の例として、他の希土類元素をドープされたガラスも含んでおり、例えば、Ｐｒレーザ、Ｈｏレーザ、Ｔｍレーザ、同様にＤｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂレーザを得ることができる。下記の表４にはエメット（Ｅｍｍｅｔｔ）らによる「高出力固体レーザシステムの今後の発展」、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ  Ｆｕｓｉｏｎ、Ｖｏｌ．ＩＶ、ローレンスリバモア国立研究所、ＵＣＲＬ−５３３４４、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ、１９８２に記載されている波長を転載している。
【００２３】
表４  希土類ドーパントを含む場合の概算波長
Ｅｒ      1520−1610nm
Ｙｂ       985−1250nm
Ｐｒ      1300−1400nm
Ｈｏ      2000−2200nm
Ｔｍ      1600−2100nm
Ｎｄ       860− 900nm、1020−1100nm、1320−1390nm
【００２４】
本発明のこの実施の態様によれば、高出力パワーをもたらし、また、従来技術に比べてレーザ照射に低い励起の閾値と高いスロープ効率（slope efficiency）とを示す微細な導波路を有するレーザ光源が作製できる。
【００２５】
上述の方法や他の方法でイオン交換を実現するさらに好ましい態様において、発明者は、周囲の雰囲気を除去してイオン交換プロセスを実現することによって、周囲の空気中にある水蒸気を伴うガラス表面の反応によって生じる表面エッチングを減らすという利点がある。本発明のこの態様のプロセス条件によって、上述の導波路の状態や導波路特性に影響を与える化学的攻撃の形跡を基板に残すことなく、イオン交換法によってリン酸ガラス基板に導波路を形成することができる。
【００２６】
本発明の実施の形態は、導波管レーザに関する。導波管レーザは、高出力動作が可能であり、低いポンプ閾値レベルおよび高い勾配効率（slope efficiency）を呈する。これらの導波管は、イオン交換技術を利用して、希土類ドープトリン酸塩レーザガラス内に設けられる。基本的な２つの技術が広く用いられている。まず、あるタイプのイオンが、ガラス表面の選択された領域内で別のタイプのイオンに交換される。イオンは、所望の導波管内での屈折率が、周辺の基板ガラス内の屈折率よりも高くなるよう選択される。ここで、イオン源は、しばしば塩浴（salt batch）としても説明される溶解電解漕から得られる。溶解電解漕へは、ガラスが沈められる。
【００２７】
周知の塩浴は、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、および／または硝酸銀のような他の塩などのアルカリ塩を含む。導波管内でより高い屈折率が必要であることに加え、塩浴の同一性の選択（salt bath identity selection）における第２の基準は、ガラス構造内でより高い移動性を有し、許容可能な拡散率に見合った融点を有し、かつ利用された塩の融点を表すイオンを選択することである。
【００２８】
第２の技術では、ガラス内に位置されるイオンは、まず１以上のガラス表面に固体として作用する。そして、ガラス表面上には電極が配置され、ガラスを通過する電界がイオン交換工程の進行を助ける。なお、場合によっては、イオン源は電極として作用することもある。例えば、銀イオン交換の場合である。
【００２９】
加えて、両タイプのイオン交換技術は、所望の導波管を提供できる。
【００３０】
本発明のレーザ用基板として使用されるガラスは、例えば、米国特許第5,334,559号に列挙されている合成物などの、リン酸ナトリウムアルミニウムからなる。リン酸ガラス内で導波管レーザを生成するための、導波管を製造する簡単な例が、米国特許第5,491,708号に開示されている。
【００３１】
リン酸ガラスは、典型的には化学的な持続性に劣る点で特徴付けられ、特に、酸溶液による作用、および直接的な水の作用（direct water attack）を受けやすい。これは、周知の市販のリン酸ガラスでの化学抵抗テストの研究により証明できる。例えば、Scott Optical Glass Catalog を参照されたい。自然界においては強酸性ではないものの、水は、ガラス構造内でリン酸の部位に作用し、ガラス表面上に、残りのガラスへの酸の作用をもたらす、リン酸膜を形成する。
【００３２】
リン酸ガラスはまた、耐アルカリ性に劣る。この現象の例は、Schott からのLaser Glass Brochure （レーザガラスパンフレット）で明らかにされている。パンフレットのすべてのリン酸レーザガラスは、同パンフレットに列挙されているシリカレーザガラスと比較すると、耐アルカリ性に劣る。塩浴内に存在する水酸化物イオン（ＯＨ−）は、Ｋ＋および／またはＮａ＋などの存在するアルカリイオンと化合でき、イオン交換のために塩浴に沈められたリン酸ガラスの表面に作用するアルカリ溶液をなす。
【００３３】
Schott Glass Technologies (SGT) とNational Institute of Standards and Technology (NIST) は共同研究活動の契約をし、希土類ドープトリン酸レーザガラスにおける小型レーザ導波管の製造を通じて、より進歩した導波レーザ源を開発する。これらの導波管は、周辺環境からのカリウムイオンまたは銀イオンによる基板ガラス内のナトリウムイオンの交換を含むイオン交換技術により、ガラス内に設けられる。イオン交換位置は、まず、典型的には５０μｍよりも小さい幅の、ガラス表面上の狭い縞である、導波管領域を規定するマスクの設置を行うことで規定される。
【００３４】
この作業により現像されたリン酸ガラスは、良好な化学的持続性を呈するよう設計されており、従来の技術水準のリン酸光学ガラスよりも、化学的耐性が勝るという特徴を有しているが、更なる改良が要求されている。特に、得られた結果の導波管は、光学的な質が劣るという性質が観察される。より具体的には、ガラス表面には、肉眼で白い汚れが観察される。加えて、導波管のセクションは、何時でも以下の欠点を呈することがわかっている。すなわち、ａ）予期できない位置において、導波管の幅が狭くなっていること、ｂ）（他の欠陥とは独立して）予期できない位置において、導波管の幅が広くなっていること、ｃ）周辺の、非交換のガラス基板に対して、くぼんだ領域が存在すること、である。
【００３５】
この理論によって束縛するつもりはないにしても、イオン交換の間のリン酸ガラスの化学的作用の支配的な仕組みは、塩浴内、または、電界の補助を受けたイオン交換の間に、ガラス／電極界面内で捕らえられた、残留水酸基イオンによるものであると考えられていた。その仕組みは以下のとおりである。周辺環境からのＯＨ群がガラスに入り、ガラス構造を担う、中心的なリン／酸素塩基を壊す。すなわち、P-O-P-O-P-O-P + OH −＞ P-O-P-OH  HO-P-O-P である。作用が適度な場合においては、中心的な構造を失ったことにより、ガラスの持続性はさらに低下する。作用がもっとも厳しい場合においては、リンはガラスを離れて表面に移動し、設けられた導波管内で多くの欠陥として観察される白濁を呈すると予想される。
【００３６】
溶融した塩浴イオン交換工程での有力な水源は、開始時の塩内での残留水酸基であると考えられていた。その理由は、これらの化学薬品は本来的に水を含むからである。この水を制御する方法は、以下のように考えられた。すなわち、「結びつける（tie-up）」ための塩浴への化学変化を起こすものの添加である。これは、粉末アルミニウム、珪酸、無水酸化アルミニウム、珪藻土、遊離P2O5、ＯＨと反応して揮発性ハロゲン化ガスをなす化学薬品を含むハロゲンなどを含む。そして、塩浴を通過する乾燥ガスの沸騰（bubbling）により、直接水を除去する（direct water removal）脱水を行う。
【００３７】
第２の水源は、イオン交換炉内での周辺空気である。ここで、言及すべき効率的かつ調整的な        動作を、以下に説明する。すなわち、乾燥ガスの上昇した温度において、環境からの塩浴の分離の間、炉環境を取り除くことである（好ましくは塩浴の挿し込みに先立って、しかし塩浴の挿し込み中でもよい）。その理由は、炉を高温にした後に開放される非活動状態の期間に、炉の大部分中の空間が、水雰囲気に対してスポンジとして作用するからである。
【００３８】
第３のＯＨ群の源は、取り扱われるガラスの表面部分に現に吸着された水である。リン酸塩ガラスは、周辺雰囲気から、その表面に水を吸着することで知られている。同じ計測温度では、リン酸塩ガラスに入り込む水の拡散係数は、シリカガラスのそれよりも、５、６オーダほど大きいと評価されている。そのような表面に吸着された水は、水酸基を与え、後の処理の間に、例えば、電界の補助を受けたイオン交換の間に、ガラスとさらに再び反応する。
【００３９】
導波管の欠点を理解し、制御し、除去するために、以下の多くの手段が講じられている。
【００４０】
１）現在のアルミニウムイオン交換るつぼ炉は、ガラス基板の挿入前に、溶融物を通過して、乾燥した、反応する可能性のあるガスの沸騰を可能にするよう修正される。反応性ガスの役割は、会合の間も強調されてきた。通常の「乾燥」ガスは、さらに溶融物を乾燥させるガス沸騰をさせることなく、塩浴内の水分と素早く化学平衡に到達する。溶融物内での反応ガス（特に塩素の使用）は、溶融物と沸騰の間の化学勾配を効果的に維持し、かつさらなる乾燥作用を生じさせて、溶融物から沸騰へと拡散させながら水と反応する。
【００４１】
２）イオン交換炉は、ガス除去ラインに設けられ、水分を取り除く目的で炉に圧力をかける。塩浴への挿入前に炉を除去するには注意が必要である。炉の空間は、熱せられると、水分を発する主要な源と考えられていたからである。
【００４２】
３）代替のるつぼ炉の材料が考慮されている。特に、Schott は、化学的な調合の目的で行った、イオン交換リン酸塩ガラスについての試行から、溶解したシリカるつぼ炉が、処理されたガラスの化学的な破壊作用の観点から改善された性能が提示されるということを信じた理由があった。
【００４３】
４）更なる乾燥、または、溶融物内で、水酸基群と「結びつく」ことができる他の化学薬品もまた、話題に上っているが、再検討会合の終了時には、明確な実現計画が明らかにされていない。
【００４４】
５）イオン交換実験室内で、炉を周辺の大気に対して開けることなく、あらかじめ熱したガラス板を、あらかじめ熱した、おそらくは乾燥している塩浴に配置し、および／または、除去できるように、修正が予定された。このステップは、一連のすべてのイオン交換工程の間、ガラス／塩浴システムを、室内空気から隔離しておく機会を与える。
【００４５】
６）溶融塩浴は、水酸基、または、周辺環境および処理されたガラス基板から時間を経て他の汚染を蓄積すると考えられているので、塩浴は、特に欠陥問題の目に見える証拠が最初に得られた場合には、より頻繁に代える必要がある。
【００４６】
上記の訂正ステップは、リン酸ガラス基板の化学作用に関連した導波管欠陥を発生させずに導波管レーザ源の作製を可能とする。これにより、これらの導波管源の商業化がより容易になる。この発明を用いないと、大規模な製造環境において製造される素子において再生可能な性能レベルが、素子性能に影響を与える欠陥の生成に関連した残余水酸基からの予期できない化学作用による高い製造コストに関連した低い生産性及び不安定な性能のうちの少なくともいずれかを示すことが予想される。
【００４７】
本発明のさらなる実施形態は、基板上に複数の導波管を有する光学的素子に対するものである。上記のプロセスは、単一の導波管やそれらに基くレーザを作製するのにも適しているが、さらに、複数の導波管とそれに基くレーザを有した基板を作製するのに適している。
【００４８】
複数の導波管を含む基板は、写真平板技術及び前述のイオン交換方法により実現できる。双方とも、導波管を構成するチャネルを定義する基板上にマスクを適用する。基板上に複数のチャネルに対しマスクを適用することにより、その中に複数の導波管を有する基板が形成できる。さらに、異なる屈折率を有し、これにより、レーザ素子に組み入れられたときに異なる波長でのレージングを実現することが可能な複数の導波管は、異なる幅のチャネルを定義したマスクを適用することにより形成できる。結果として生ずる、写真平板技術またはイオン交換技術により形成される導波管は異なる幅を有し、これにより屈折率を異ならせ、これによって導波管がポンピングされることに依存して異なる波長で動作可能なレーザを提供するためにレーザ素子において使用できる。言いかえれば、導波管は、ポンピングされたときに選択された波長で個別のレージング動作を実現する個別の共振特性を持ったレーザ共振空洞を形成する。これらの導波管はまた、前述または後述の任意の方法でそれらの特性を変更するために修正可能である。複数の導波管素子を実現するために使用される基板は、好ましくは前述のガラスに基いている。
【００４９】
本発明の他の実施形態は、一の基板内の一の導波管または複数の導波管の波長の修正またはチューニングに対してなされたものである。これは、基板の加熱により可能であり、それにより導波管の波長を変更する。少なくとも一の導波管を含む基板がレーザ素子の部分であるとき、その加熱により回折格子の周期の拡張によるレーザ波長が増加することが予想できる。しかしながら、発明者が発見したことは、前述のように、基板においてチャネルとして提供された固体導波管を含む基板に関し、加熱が導波管の波長の変更においてきめ細かいチューニング効果を有しているということである。これにより、例えば、半導体ＤＦＢレーザの波長が加熱時に増加する間、本発明の導波管を有するレーザ素子の加熱時の波長の増加は、温度の関数として非常に小さくなる。例えば、温度の関数としての波長の増加は、半導体ＤＦＢレーザに対するものよりもほぼ１５倍低くなる。発明者は、波長を増加するガラスを加熱により膨張させている間、増加の拡大が、導波管を形成するガラスの温度で、屈折率を減少させる温度により相殺されるということを発見した。この背景にある理論およびそれを支持する実験は、補足（Appendix）の論文Ｅとして添付したJournal of Non-Crystalline solids(JNCS)の論文、特に、第１４頁と図１４に記載されている。それゆえ、本発明によれば、安定した波長を維持するための温度制御に必要な要件は本発明による導波管により緩和され、すなわち、温度変動がチューニング上の重要な効果を有さず、きま細かいチューニングを実現する。
【００５０】
本発明の別の態様において、能動的ガラス部（例えば希土酸化物がドープされた）と、受動的ガラス部（例えば、ランタンがドープされた）の領域を持つ、１つまたは複数の導波管であって能動的な導波管を製造するために有利であり得る。これは好ましくは能動部と受動部が別々に用意して、ともに結合することによりなされる。ともに結合されるそれらの部分の例には、前述の単一または複数の導波管素子が含まれる。結合動作を完了することが可能な複数の技術があり、ＵＶの利用や、市場において利用可能な熱硬化エポキシ接着剤（thermally curable epoxy adhesives）が含まれる。接着材料を必要としない他の技術があり、それには結合される部分が高温融解処理により結合される処理が含まれる。
【００５１】
本発明によれば、そのように結合された部分は次の様にして形成され得る。結合されるガラスブロックは、最初に、１つ以上の素子を生産するのに適したサイズにカットされる。その後、結合される表面が研磨され、磨かれる。高品質の磨きは必須ではないが、有益である。しかしながら、６００gritのエメリー研磨紙による単純な研磨が適当である。次に、サンプルは光学産業において周知の方法を用いて徹底的に磨かれる。そして、結合表面は直接コンタクトに配置され、複数積層構造を形成する。そして、ガラス片の融解は、アセンブリ全体を、ガラスの相変位点Ｔgより高い温度（一般に約１００°Ｃより上）まで、融解が行なわれる期間の間、好ましくは０．５から２時間の間加熱することにより行なわれる。その後、融解した部分は、例えば、Ｔgより上の３０°Ｃまで冷却され、熱的に均一になるよう例えば２−４時間保持され、例えば３０°Ｃから５０°Ｃのゆっくりとした冷却傾斜下降により室温まで冷却される。融解された結合部分はその後、切断され、研磨され、必要に応じて磨かれる。導波管は融解したブロック内に融解が起こる前に設けられ得る。その場合、融解したブロックは伝達において整列してなければならない。もしくは、導波管は融解の後に設けられ得る。
【００５２】
上記のＮＩＳＴ−１Ｔのようなガラスについて膨張計によって測定されたガラス変位点Ｔｇは４７４°Ｃである。その結果として、良好な融解温度は、約５００°Ｃの制御された冷却開始点のとき、５７５°Ｃから５９０°Ｃである。ＮＩＳＴ−１Ｔガラスの軟化点は５６０°Ｃから５６５°Ｃの範囲にあることに留意すべきである。このことから、それは、融解がガラスの軟化点より高い温度でなされると言うことと等しい。
【００５３】
融解プロセスの一つの不利な点は、熱膨張、Ｔｇにおいて、例えば、Ｔｇに対して±３０°Ｃの範囲及び熱膨張において±１０から±１０×１０-7／Ｋの範囲で、接合部が非常に等しい必要があるということである。熱膨張における高い不一致は、結合されたアセンブリを室温まで冷却する間の不均一な熱的収縮によるガラス／ガラス境界点で高いレベルの残余ストレスを生ずる。この基準（criteria）は、ＮＩＳＴ−１Ｔガラスにおける活性希土類イオンをランタンに置き換え、能動材料を作製することにより、すぐに満たされる。このような方法で、これらの特性の変化は、ナトリウム−アルミニウム−リン酸ベースのガラス組成を変更なしで最小化される。もし、必要であれば、基本的な組成もまたＴｇと熱膨張値とを近づけるために変更できる。しかし、これは、イオン交換特性を大きく変更することなく可能であり、それにより、作製されたアセンブリの受動及び能動部分の両方における導波管の製造が、イオン交換動作を変更する異なる融解特性を調整するために最小限の調整により行なわれる。
【００５４】
前述の方法で作製された導波管は同一または異なる波長の複数または単一の導波管を有しており、格子パターンの導波管を設けることによって、レーザの作製において有益である。前述のタイプの導波管からレーザを生成する方法の例は、添付の補足における論文Ａ、Ｂ、Ｃにおいて開示されており、それらは参照されることにより本文中に組み入れられる。これらの引例は、導波管の製造に一般的に適用できる方法についても論じており、それらの教示は参照することによりさらに本文中に組み入れられる。通常、レーザは導波管の両端に反射素子を設けることにより導波管から生成される。反射素子は当業者に周知である。実施形態として、両端において鏡が設けられ、光学的に端面が磨かれた導波管が含まれる。さらなる好ましい実施形態は、導波管の一端に回折格子を有する導波管を提供する。好ましい実施形態において、格子は導波管を含むガラス基板上のエッチングにより与えれる。格子の好ましい一つの種類は周知のＤＢＲ格子である。そのような格子は、せまい反射線を与えて、これにより、せまい波長を有するレーザを与えることから、有利である。
【００５５】
一つの実施形態は、蒸発源ビームに対して６０度傾斜した試料にクロムコーティングを蒸発させることにより、フォトレジスト格子を作製する。これにより、格子を構成するフォトレジストバーの上部に固い金属コーティングを施し、より多くの選択的な格子のスパッタエッチングを可能とし、そのエッチング処理に対しより高いＤＣバイアス電圧を利用可能とする。
【００５６】
ある実施態様は、光学フェーズマスク（phase mask）を用いた標準的なフォトレジスト（photoresist）におけるＤＢＲ回折格子の露光を与えている。これに加えて、スパッタリング（sputtering）或いはＣＶＤ堆積による酸化珪素（ＳｉＯ２）バッファ層コーティング（buffer layer coating）を設けることは、表面散乱損失を減少せしめるであろう。標準的なフォトレジストを燐酸塩ガラスに対して適切に固着させることは難しいのであるが、燐酸塩ガラスの表面に、例えば１−２ｎｍのスパッタ堆積されたＳｉＯ２を適用すれば、処理中フォトレジストの固着性を大幅に向上させるであろう。
【００５７】
ある実施態様は、フォトレジスト現像中フォトレジスト回折格子マスクの回折効率を積極的にモニタすることに備えたものである。このことは、フォトレジスト回折格子のコントラスト（contrast）を最も効果的にし、それにより、エッチング選択性を高める。
【００５８】
ある実施態様は、標準的な反応−イオン−エッチング・システムにおけるＡｒ−イオン・スパッタリングによる回折格子のエッチングを与えるものである。無水珪酸（シリカ：silica）ガラスの反応−イオン−エッチングでの場合と同様に、ＣＦＣ（chlorinated fluoro-carbon：塩化フッ化炭素）の放出は何ら認められない。
【００５９】
ある実施態様は、その上にプリントされた多重ピッチフェーズマスク（pitch phase mask）を有するシリカ板を用いた単一露光において、ウエハ（wafer）上の各単一ガラスチップ上に構成されたフォトレジストにおいて露光された数多くの回折格子を与えるものである。
【００６０】
ある実施態様は、低圧下でのアルゴンガスのみを用いた改良された等方性のプラズマエッチングにより、過剰な損失を伴うことのない近似的に正弦曲線の回折格子を与える。
【００６１】
ある実施態様は、より低い回折格子散乱損失をもたらす平滑な表面を残すアルゴンイオンプラズマにおける等方性のエッチングを与える。
【００６２】
ある実施態様は、フォトレジストのフェーズマスク露光および単一基板上で１つ以上の周期を有するフェーズマスクを用いたディファレンシャルライン（differential line）幅の制御による精確なライン幅をもった各回折格子を与える。
【００６３】
ある実施態様は、当該アレイ（array）における各導波管が異なる回折率を有する光学的導波管のアレイにわたって単一ピッチ回折格子をプリントすることにより選択されたレーザ波長を与える。
【００６４】
ある実施態様は、各導波管が回折格子に変化に富んだ角度で交差する同一の光学的導波管のアレイ上に単一ピッチ回折格子を構成することによって選択されたレーザ波長を与える。
【００６５】
ある実施態様は、電場が時間の関数として変化するフィールドアシスティド（field assisted）イオン−交換プロセスを用いたレーザ操作を最適化するモード場の形状およびサイズを与える。
【００６６】
ある実施態様においては、本発明は、分光器的に優れた燐酸塩ガラスにおいて、例えば初期レーザライン幅が５００ｋＨｚであった、モノリシック（monolithic）な単一周波数の導波管レーザをもたらし得る。
【００６７】
本発明は、導波管の有効指数が既知であれば、予知することができる放出波長を与える。
本発明は、例えば８０ｍＷまでの高出力をもたらす（Ｅｒドープ（dope）処理されたＤＢＲレーザに対する従前の技術の状態は、デンマーク・マイクロエレクトロニック・センタ（Denmark Microelectronic Centrc 工科大学による２ｍｗであった。技術は、Ｅｒでドープ処理されスパッタ堆積されたシリカであった。）。
【００６８】
本発明は、ＤＢＲ表面解放回折格子を用いＹｂ／Ｅｒドープ処理された燐酸塩ガラスレーザを明示している。１９９７年４月２９日にIEEE フォトニクス・テクノロジ・レター（Photonics Technology Letter：光通信学技術レター）におけるリーハイ大学アンド・ルーセント（Lehigh University & Lucent）のＡ．イェニエイ（A. Yeniay）等により、このような種類の従来の最善のデバイス（device）は、外部繊維の回折格子を用いており、７０ｍＷの組み合わされたポンプ出力で２．２ｍＷを創成していた。このイェニエイ（Yeniay）のデモンストレーションは、単一周波数のレーザとして働くものではなかった。
【００６９】
本発明は、２６パーセントという高いスロープ（slope）効率を与える（同様のデバイスに対する従前の技術の状態は、リーハイ大学アンド・ルーセント（Lehigh University & Lucent）のＡ．イェニエイ（A. Yeniay）等による約１１パーセントであった。）。
【００７０】
以上で論議した特徴の幾つかの特定の実施態様を以下に与えるが、本発明はそれらに限定されるものでは決してない。
【００７１】
本発明は、ガラス基板の表面上に（或いは表面内に）導波管を形成するプロセスを与える。ある一つの実施態様においては、基板の表面に形成された導波管チャンネル（channel）の回折率を変えることにより、写真石版技術が導波管を規定する。ある一つのかかる実施態様においては、米国デュイア（Duryea）, PAのスコットガラステクノロジ社（Schott Glass Technologies, Inc.,）から入手できるＩＯＧ−１レーザガラスのスラブ（slab）から、約１０ｃｍ×１０ｃｍ×１ｍｍのガラスウエハが切り出される。”トップ（top）”主面を含む重要な表面（ここに、”トップ”は、操作において用いられるときは、方位を指称し、必ずしもデバイスの配置を指称するものではない）は、光学的な平滑さまで研磨される。本発明のある実施態様によれば、ガラスウエハは、複数のセグメント（segment）を有している。
【００７２】
ある実施態様では、さいの目形に切り離され個々に包装される多数の（例えば、ある実施態様では、１００個のデバイスの）独立したセグメント（各々が１つの光学システムを形成している）を形成するように、ウエハのトップ表面が処理される。例えば、ある実施態様では、各セグメントは約１．５cm×０．５cmにさいの目形にされたウエハの一部分である。
【００７３】
今一つの実施態様は、８つのセット（set：組）に編成された４０のレーザ導波管を有するセグメントに注力している。このセグメントは、例えば、アペンディックス（Appendix）のペーパ（paper）A，ペーパＢ，及び／又はペーパＣに記載された方法の一つに従って処理することができる（例えば、ある実施態様では、各セットが５つの導波管を有し；今一つの実施態様では、１つの導波管が使用され、他の４つの導波管は一つ若しくはそれ以上の導波管が適正に機能しない場合における冗長構成を付与するように、１つの組が使用される）。この実施態様では、各セットは、レーザ光のミラー（mirror：鏡）を形成する回折ブラッグ（Bragg）反射面（ＤＢＲ）で上張りされており、各ＤＢＲは、異なる出力波長で共振するように設計された異なる間隔に製作される。ある実施態様では、４０の導波管のうちの８つだけが、それぞれのレーザ光に対して使用され；他のものは冗長構成用に設けられている。このように、１つのセットに対するＤＢＲは、当該セットの５つの導波管全てが同一の波長でレーザ光を発し、これら導波管のどれでもが、当該セットの所望の波長のためのレーザとして用いることができるように設定されている。しかしながら、ＤＢＲの各々は、異なる出力波長用に設計されている。このように、８つのＤＢＲによって調整される８つの所定の波長の１つで各々光線を出力する８つのレーザ光を発する導波管を設けるように、セグメントが設計される。ある実施態様では、１つの入力ミラー（例えば、多層誘電性のミラー）が、ＤＢＲに対向するセグメントの端面に配置されている。他の実施態様では、レーザ発光のために望ましいフィードバック（feedback）機能およびpump-light-launching機能を付与するために、当該面に対して外部ミラーが設置されている。入力ミラーは、ポンプ波長（ある実施態様では、０．９８マイクロメータ）でできるだけ多くの光を伝送するように、一方、出力波長（ある実施態様では、ＤＢＲに対応することにより調整された結果として選択された波長約１．５４マイクロメータ）。ある実施態様では、稠密波長分割多重送信（ＤＷＤＭ）を用いた通信システムにセグメントが用いられ、そこでは、例えば、４０の異なる波長が異なるチャンネルの情報を搬送するように各々変調され、そして、４０のチャンネル全てが単一の光ファイバを通過する。ある一つのかかる実施態様では、各チャンネルの波長は、隣り合うチャンネルの波長と０．８ナノメータだけ異なっている。従って、セグメントは、例えば、１．５３６０，１．５３６８，１．５３７６，１．５３８４，１．５４００，１．５４０８及び１．５４１６マイクロメータの波長でレーザ光を出力するように設計し得るであろう。システムの他のセグメントは、他の８つの波長でレーザ光を発するように設計し得るであろう。従って、４０チャンネルのシステムでも、従来のアプローチ（approach）における場合のように４０の異なる部品数ではなく、５つのかかる異なる部品数（つまり、独自の部品設計）を要するだけである。
【００７４】
今一つの実施態様では、セグメントが多重波長レーザ源の要素として使用される。この実施態様では、ポンプ光源（例えば、約０．９８マイクロメータでレーザ光を発する半導体レーザダイオード；この光源は、ことによると０．９６マイクロメータ程度の低い、また、１．００マイクロメータ程度の高い帯域の周波数を発する、非常に「ノイズィ（noisy）」なものであっても、例えば１．５３６０マイクロメータでレーザ光を放射するための好適な光源を与えるものである。）は、導波管セットの中の選択された導波管の端末に突き合わせることにより、好適なランチ−エンドミラー（launch-end mirror）を介して結合される。ある一つのかかる実施態様では、８つのポンプレーザダイオードが用いられる。セグメントの他端側では、各ファイバそれぞれが８つの各セットのトップつまり最初の導波管の放射端末に光学的に結合されるように、８つの光学ファイバがアライメントブロック（alignment block）によって保持されている。最初の導波管の何れか一つでも不作動の場合には、上記アライメントブロックは８セットの次の導波管に結合すべく移動させられることができる。
【００７５】
今一つの実施態様では、各導波管セットの中間の導波管に接続された出力ファイバを備えた今一つの多重波長レーザ源の要素として、セグメントが使用される。異なるポンピング機構が使用可能であり、そこでは、各ポンプは、ポンプから導波管への光の集中を助勢するレンズ（従来の凸型レンズ又は回折若しくはホログラフィックレンズであっても良い）を介して結合される。
【００７６】
今一つの実施態様では、単一波長のレーザ源の要素として使用される。この実施態様は、８つの利用可能なものの中から選択された一つの出力波長を与える。この実施態様は、また、ポンプレーザダイオードから所望の導波管への光線を結合するための光学ファイバを与えるものである。上述のポンプ結合方法及び装置の如何なるものも、他の論議された実施態様においても利用可能であることが理解されるべきである。
【００７７】
別の実施の形態では、導波管、ＤＢＲミラー及び任意の入力ミラーを備えたレーザを有するセグメントが設けられている。単一ミラーは外部発射ミラーを持つ。他の実施の形態では、単一波長ですべてが動作する冗長導波管や、特定波長に調整されるＤＢＲを各々が有する他の導波管や、両方共設けられたものがあり、これらはすべて単一セグメントに一体的に取り付けられている。
【００７８】
別の実施の形態では、本発明の他の実施の形態の一つにかかるセグメントを有するパッケージ装置が設けられている。この装置は、密封パッケージを持ち、この実施の形態では、ファイバにより供給され、出力ファイバに接続されている。この実施の形態には上述したレーザが設けられているが、これは別の状況では受動装置である。このような装置は、上述したようにノイズを含むポンプ光入力を取り、異なる周波数で「きれいな」レーザ出力光を出力する。出力は安定し、非常に狭い波長スペクトルを持つ。
【００７９】
別の実施の形態では、本発明の他の実施の形態の一つにかかるセグメントを有する集積装置が設けられている。装置には、ポンプレーザダイオード、光検出器（例えば、光感知ダイオード）、サーミスタのような能動素子が設けられており、これらの素子は電気的に接続されている。幾つかの実施の形態には、一定温度を維持するために、（装置を加熱及び／又は冷却するための抵抗や熱電装置のような）温度維持装置が設けられている。幾つかの実施の形態にはまた、出力光についての情報を符号化する出力変調器が設けられている。そのような幾つかの実施の形態にはまた、変調された光を単一ファイバに結合する出力結合器が設けられている。
【００８０】
別の実施の形態では、ポンプレーザダイオードを他の実施の形態で記載したセグメントに直接（突き合せ）接続したレーザが記載されている。
【００８１】
別の実施の形態では、ポンプレーザダイオードを本発明の実施の形態の一つにかかるセグメントにレンズ結合したトップレーザが設けられている。
【００８２】
主として燐酸塩ガラスにおけるＥｒレーザマニホルドは高位状態の寿命が長いので、本発明にかかる導波管を組み込んだレーザは、現在の高級技術水準の半導体レーザよりも狭いライン幅を潜在的に持っている。シャロウ−タウネス（Schallow-Townes）関係により、ダイオードレーザの約１０〜１００ｋＨｚに比べて、固体レーザには１Ｈｚ以下の究極の限界が与えられる。本発明のレーザは、今日使用されている標準的ＷＤＭレーザ源の典型的な１ＭＨＺのレーザライン幅よりもはるかに優れた５００ｋＨｚ以下あるいはこれに等しいライン幅を持っていることが立証された。
【００８３】
固体導波管レーザの相対強度ノイズ（ＲＩＮ）は、アナログファイバ電気通信用半導体レーザに勝る格別の利点である。これは、近い将来公になることが予想されているアナログ変調周波数のマルチＧＨｚ伝送レートへの増大に共ない、正に真実である。ショットノイズ光子統計を超えて過剰なのは、５００ｋＨｚ近辺に発生する緩和発振ピークである。５００ｋＨｚを超えると、導波管レーザではＲＩＮは急速に落ちる。高ガラス飽和出力と組み合わせると、これは、ノイズが非常に低いレーザが達成できることを意味している。逆に、半導体レーザは通常３〜１０ＧＨｚの間に緩和発振を持ち、これは光アナログ通信においては潜在的に重要な周波数域である。
【００８４】
レーザ導波管を含む活性ガラスに取り付けられたガラスの受動部内にＤＢＲ格子を取り付けることは利点がある。これは、ポンプライトがＤＢＲ格子に到達すると、反射される代わりに鋭角で導波管の外部で結合されるので、ポンプライト強度はＤＢＲ格子内を横断するにつれて非常に早く減少する。ＤＢＲ格子がエルビウムがドープされたガラスに形成されると、ＤＢＲ格子内部の活性ガラス内の励起エルビウムイオンの数は、自然発生ノイズを増大させる。また、効率を減少させるレーザキャビティ内のロスを生じさせる。
【００８５】
本発明の別の実施の形態は、図２に示されるように、Ｌａがドープされたガラスに融解したＮｄドープ燐酸塩ガラスに単一周波数の１．３２〜１．４μｍのレーザを作ることである。本発明においては、上述したイオン交換プロセスを使用して、Ｎｄ−Ｌａが融解した基板に導波管が作製される。ＤＢＲ格子が基板のＬａ部に書き込まれる。Ｎｄは１．３μｍに近い３レベルレーザシステムとして作用するので、ＤＢＲ格子を基板の受動部に書き込むことは重要である。このデザインは、上述したように、ロスとノイズを最小にするので、レーザ効率が増大する。格子の周期は、１．３２〜１．４μｍの範囲の単一波長を反射して、この範囲の単一周波数レーザを生成するように、作製される。多くの吸水ピークが光スペクトラムのこの範囲に発生するので、このようなレーザは、高純度ガスにおける低レベルの水の濃度を検出する高パワーレーザ源として使用することができる。
【００８６】
最後に、ここに説明したガラス導波管レーザは、半導体レーザのように、波長ドリフトを全く受けることがない。半導体レーザは古くなるにつれて、レーザキャビティ内の光強度が高いと、半導体材料の屈折率が変化し、その結果、レーザキャビティ光学特性が変化するので、レーザの波長が時間とともにドリフトする。幾つかの点で、半導体レーザの縦モードは周波数間隔が大きいので、材料変化は、大きい波長シフトを引き起こす縦モードホップが発生するほど厳しいものである。ＷＤＭネットワークでこのような事象が発生すると、その作用は普通破局的で、問題の根源を切り離している短時間に、ネットワーク全体がダメージを受ける可能性がある。この作用は燐酸塩ガラスでは十分に研究されていないが、我々の直感では、効果はさほど大きくはない。縦モードはまた非常に近い（ＷＤＭチャネル交差内）ので、エージングが燐酸塩ガラスに起これば、モードホッピングはさほど厳しいものではない。
【００８７】
従って、ここに記載した装置は、現在の半導体ベースのレーザ源に代わって、１．５μｍの電気通信帯における電気通信やデータ伝送に適用することができる。出力パワーは、今日市販されている安価な９８０ｎｍクラスのポンプレーザで供給するときに必要なパワー（２０ｍＷ）を超えている。
【００８８】
ここに記載した装置はまた、エルビウムやネオジムの希土類をそれぞれ使用して、１．５μｍかあるいは約１．０μｍで動作するローカル光ネットワーク用の小さくてコンパクトなレーザ源を提供することができる。特に、発明者らは、個々の航空機、自動車、船舶等の内部のローカルネットワークで使用される１．０μｍの安価でコンパクトで効率的なレーザ源の必要性を予見している。ここで、光伝送の距離が短いと、拡散作用による歪が蓄積することなく、従来の光ファイバ（１．３μｍと１．５μｍで最適化されているが、１．０μｍで拡散の問題がある）を使用することができるとともに、１．３μｍや１．５μｍでの検知器より安価で操作しやすく維持しやすい１．０μｍで敏感な検知器を採用できるという利点もある。
【００８９】
様々な希土類種及びその組み合わせが、本発明のガラス形成においてサポートされている。本発明のレーザ構造と組み合わせると、多くのレーザ波長は、光技術を完備した診断及び分光分析用コヒーレント光源として有用である。
【００９０】
本願が優先権を主張する１９９９年１月２７日に出願された米国仮出願第６０／１１７，４７７号及び１９９９年１０月２９日に出願された米国仮出願第６０／１６２，４５８号と同様、既に引用した、あるいは、以下に引用するすべての出願、特許及び公開公報の内容のすべてはここに記載されているものとする。
【００９１】
（実施例）
上述及び以下の実施例において、すべての温度は補正せずに℃で表しており、別段の記載がなければ、すべての部及び百分率は重量で表している。
【００９２】
実施例１：Ｅｒ／Ｙｂ比
１．１５重量％のＥｒ２Ｏ３、４．７３重量％のＹｂ２Ｏ３と表２に示されるＮＩＳＴ−１Ｔと命名した高燐含有物を有するＥｒとＹｂがともにドープされたガラスが以下のように作製された。化合物を適当量計量し所望の組成を生成し、１２００℃を超える温度でシリカるつぼ内で溶解させ、カレットと呼ばれる一定の光学特性のガラス状の材料を作製した。レーザ作製に使用される高光学特性のガラスを得るために、このカレットはプラチナるつぼ内で１２００℃〜１３００℃の温度で再溶解させた。この溶解が完了すると、スチール製のモールドに溶解したガラスを鋳込む前に、溶解したガラスを攪拌し、１４００℃までの温度で３時間精製した。鋳造したガラスは、３０℃／時の冷却率で室温まで冷却する前に、５３０℃で２時間焼鈍した。
【００９３】
表２−ＮＩＳＴ−１Ｔの構成例
酸化物                  モル％
Ｐ２Ｏ５                  ６０
Ａｌ２Ｏ３                １３
Ｎａ２Ｏ                  ２４
Ｌａ２Ｏ３                １．１
Ｅｒ２Ｏ３                ０．４
Ｙｂ２Ｏ３                １．５
【００９４】
製造されたガラスキャスティングは、第１に、次の特性結果を備えた特徴サンプルを生ずるべくカットされた。
表３−ＮＩＳＴ−１Ｔの特性の特徴結果
0004832644.tif 000002
【００９５】
これらの測定された特性に基づき、このガラス合成物の先の溶融物から知られる期待された結果と比較して、調製されたガラスの固有の化学的な同一性が確かめられた。それは、屈折率，ｎｄ，アッべ（Ａｂｂｅ）数，ｖｄ、及び、濃度，ρが、表３に示される許容範囲内の期待値と一致する場合に、その合成が意図されたものであるという高い信頼性を得るための、ガラス産業における一般的な実施事項である。ガラスへの希土類の記録された入力重量と組み合わされる、測定された光学特性及び測定された濃度値が、次の付加的な特性の算出を可能とした。
【００９６】
表４−ＮＩＳＴ−１Ｔの算出された特性結果
0004832644.tif 000003
【００９７】
希土類の含有量の値は、このように照合された。３８のガラスプレートが、製造されたキャスティングからの残りのガラスから調製された。各プレートは、厚さが５０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍと特定され、５０ｍｍ×５０ｍｍの面上で、ショット（Ｓｃｈｏｔｔ）の工業用フィルタガラスの製品ラインに標準的に適用される高品質の光沢剤で磨かれた。
【００９８】
導波レーザは、ＮＩＳＴ−１Ｔの燐酸塩ガラスにて組み立てられた。導波部は、３〜８μｍの幅範囲を有するチャネルアパーチャを通じたＫ＋−Ｎａ＋の交換により形成された。アパーチャは、２００ｎｍ厚のＡｌのマスクレイヤーにエッチングで作られた。標準的な金属析出及びマイクロリソグラフィー技術が、導波部マスクを形成するのに採用された。交換は、箱形炉において、４時間、３７５℃で、溶融されたＫＮＯ３を含有する薄いアルミニウム製のるつぼ内で行なわれた。
【００９９】
イオン交換された試料は、グリコサレート・ワックス（ｇｌｙｃｏｔｈａｌａｔｅ ｗａｘ）を用いる類似したガラスでブロックされ、リゾノイド・ブレード（ｒｅｓｏｎｏｉｄ ｂｌａｄｅ）を採用した自動ウエハダイシングソーを用いてさいの目状に切られた。試料は、約２．２ｃｍ×１ｃｍの寸法にカットされた。導波部端部の切子面は、平坦なガラスラッピングブロック上で、２５μｍサイズ及び９μｍサイズのＡｌ２Ｏ３の粉末グリット（ｇｒｉｔ）を用いて、粗く磨かれた。粗磨き後、自動研磨機上のソフトラッピング材料上に分配されたセリウム酸化物と水の混合物を用いて、最終的な研磨が行なわれた。研磨の完了後、サンプルは、超音波のプロセスにより、アセトン（ａｃｅｔｏｎ）にてブロックを解かれた。
【０１００】
イオン交換された導波部の特性を判断するために、幾つかの測定が行なわれた。サンプル内の位置のファンクションとしての屈折率は、屈折による近傍位置の走査の方法を用いて解析された。導波部の横方向の寸法は、光を導波部の一端部へ結合し、他端部から較正された赤外線カメラ上に放射される光をイメージ化することにより測定された。
【０１０１】
Ｙｂ／Ｅｒで共通にドープされるレーザをテストするために、我々は、典型的に、チューナブルなＴｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザを用いて、導波部をポンピングした。図１は、レーザ測定装置の構成を概略的に示している。広帯域の誘電性のミラーを、研磨された導波部の端面に配置することによって、レーザキャビティが形成された。ミラーは、端面とミラーとの間に屈折率適合用のオイルを備えつつ、小さなバネクリップによって所定位置に保持された。ポンプレーザの光は、４Ｘの顕微鏡対物レンズとともに、ミラーの１つを通じて発せられた。レーザ出力および吸収されないポンプ光は、１６Ｘの顕微鏡対物レンズと平行にされ、フィルタを用いて隔てられた。ポンプ光の出射時にそれが通過させられるミラーは、１５４０及び９６０ｎｍでそれぞれ＞９９．９％及び１５％の反射率を有した。出力カプラは、１５４０ｎｍで８０％，９６０ｎｍで１５％の反射率を有した。導波部の長さおよびキャビティ出力のカプリングはいずれも最適化されなかった。この例の付加的な情報が、添付された付録の用紙Ｄとして提供されるＪＮＣＳの論説にて見出され得る。
【０１０２】
溶融されたＮＩＳＴ−１Ｔにおける希土類含有物の独自の組が、従来技術で観察されるよりも、（僅か１６ｍＷの従来の高さと比べ、１８０ｍＷまでの）高い出力パワー及び（２７％の従来の高さと比べ、少なくとも２８％の）高いスロープ効率を指示すべく採用された。バービャー，ディー（Ｂａｒｂｉｅｒ，Ｄ．）その他による、光学通信（会議，発行，第４４８）の、Ｖｏｌ．４の４１−４４頁における第１１回国際会議及び第２３回ヨーロッパ会議，集積光学及び光ファイバ通信を参照せよ。
【０１０３】
例２：イオン交換
導波レーザが、例１にて説明した、Ｙｂ／Ｅｒで共通にドープされる、また、Ｙｂでドープされる（ＮＩＳＴ−１Ｔ及びＮＩＳＴ−１Ｘに等しい）ＩＯＧ−１の燐酸ガラスにおいて組み立てられた。Ｙｂ／Ｅｒガラスが、１．１５重量％のＥｒ２Ｏ３（１．０×１０２０イオン／ｃｍ３）及び４．７３重量％のＹｂ２Ｏ３（４．０×１０２０イオン／ｃｍ３）でドープされた。Ｙｂでドープされたレーザに関し、ガラスが、４．７３重量％のＹｂ２Ｏ３（４．０×１０２０イオン／ｃｍ３）でドープされた。導波部が、３〜８μｍの幅範囲を有するチャネルアパーチャを通じ、Ｋ＋−Ｎａ＋交換により形成された。アパーチャは、２００ｎｍ厚のＡｌマスクレイヤーにエッチングで作られた。標準的な金属析出及びマイクロリソグラフィー技術が、導波部マスクを形成するために採用された。交換は、箱形炉において、４時間、３７５℃で、溶融されたＫＮＯ３を含有する薄いアルミニウム製のるつぼ内で行なわれた。最初のイオン交換は、水蒸気又は酸素のイオン交換溶媒との相互作用を回避するためのステップをとらなかった。その後の実験は、この処理が、反復性及び導波レーザの産出力に関して、信頼し得るものでないことを明らかにした。イオン交換された試料は、グリコサレートワックスを用いる類似したガラスでブロックされ、リゾノイドブレードを採用した自動ウエハダイシングソーを用いてさいの目状に切られた。試料は、約２．２ｃｍ×１ｃｍの寸法にカットされた。導波部は、２．２ｃｍ長の寸法に平行していた。導波部端部の切子面は、平坦なガラスラッピングブロック上で、２５μｍサイズ及び９μｍサイズのＡｌ２Ｏ３の粉末グリットを用いて、粗く磨かれた。粗磨き後、自動研磨機上のソフトラッピング材料上に分配されたセリウム酸化物と水の混合物を用いて、最終的な研磨が行なわれた。研磨の完了後、サンプルは、超音波のプロセスにより、アセトンにてブロックを解かれた。
【０１０４】
イオン交換された導波部の特性を判断するために、幾つかの測定が行なわれた。サンプル内の位置のファンクションとしての屈折率は、屈折による近傍位置の走査の方法を用いて解析された。導波部の横方向の寸法は、光を導波部の一端部へ結合し、他端部から較正された赤外カメラ上に放射される光をイメージ化することにより測定された。
【０１０５】
Ｙｂ／Ｅｒで共通にドープされるファブリ−ぺロット・レーザ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｌａｓｅｒ：エッチングされた格子を備えないレーザ）をテストするために、我々は、典型的に、チューナブルなＴｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザを用いて、導波部をポンピングした。図１は、レーザ測定装置の構成を概略的に示している。広帯域の誘電性のミラーを、研磨された導波部の端面に配置することによって、レーザキャビティが形成された。ミラーは、端面とミラーとの間に屈折率適合用のオイルを備えつつ、小さなバネクリップによって所定位置に保持された。ポンプレーザの光は、４Ｘの顕微鏡対物レンズとともに、ミラーの１つを通じて発せられた。レーザ出力および吸収されないポンプ光は、１６Ｘの顕微鏡対物レンズと平行にされ、フィルタを用いて隔てられた。ポンプ光の出射時にそれが通過させられるミラーは、１５４０および９６０ｎｍでそれぞれ＞９９．９％及び１５％の反射率を有した。出力カプラは、１５４０ｎｍで８０％，９６０ｎｍで１５％の反射率を有した。導波部の長さおよびキャビティ出力のカプリングはいずれも最適化されなかった。
【０１０６】
Ｙｂでドープされた導波レーザは、図１に示されるものと動揺の較正を用いてテストされた。Ｙｂ３＋デバイスは、１０ｍｍ長であった。ポンプ入力ミラーは、９５０ｎｍで５０％、また、１０３０ｎｍで９８％の反射率を有した。１０２０ｎｍで７％及び２１％の透過率を備えた２つの出力カプラが吟味された。これらの出力カプラは、９５０ｎｍで、それぞれ、３２％及び３４％の反射率を有した。
【０１０７】
例３：周囲の環境から保護されたるつぼイオン交換
ウエハーの両面への液化硝酸塩触媒を用いたイオン交換で援護された電界の目的のために David Funk により設計された密閉Ａｌるつぼを使用して、イオン交換後に欠陥のないガラスが観察された。ガラスシールへの研磨されたＡｌが漏れたエッジのまわりで腐食されたが、チャンバーへエアーが漏れなかった内部では欠陥および腐食は皆無であった。その結果、実験により、気密のグラファイトガスケット材料でるつぼをシールすることが導かれる。このことは、ＮＩＳＴ-1(IOG-1) 無欠陥/無腐食の燐酸塩ガラスにおいて、イオン交換の繰返し可能なデモンストレーションに導かれる。
【０１０８】
導波管の領域内では処理は完全にガラスの腐食が排除されたが、残りの腐食は軽減され、そして一様であり、そして又、Ａｌマスクをエッチングするために用いたエッチング材料はサンプルから洗い流された。
【０１０９】
例４：
モノリスティックで単一周波数の分配されたブラッジ リフレクタ(ＤＢＲ)の導波管レーザは、波長１５３６ｎｍの連続的にデモンストレートされる動作を持つ。そのレーザは、イオン交換により、Ｙｂ／Ｅｒの共にドープされた燐酸塩ガラス内で導波管を形成することにより組立てられた。各レーザに対するスロープの効率は、浮かべたポンプのパワーの機能として、２６％であり、しきい値は浮かべたポンプパワーの５０ｍＷで起きる。８０ｍＷの出力は、３５０ｍＷの結合されたポンプパワーで達成された。各レーザは、単一の縦モードで安定した動作を示し、そしてすべてが５００ｋＨｚ程度のライン幅を有する。効果的にインデックスを変える導波管のくしは、単一期間の格子付けを用いる波長の選択を可能にする。
【０１１０】
この記述は最初報告されたモノリスティック、単一周波数のＤＢＲ、Ｙｂ３＋/Ｅｒ２＋の共にドープされた燐酸塩ガラス内の導波管レーザである。過去数年にわたって、新しい遠隔通信サービス、ケーブルテレビ(ＣＡＴＶ)およびデータ通信により発生した遠隔通信のハンド幅に対する要求の成長が、同じ光ファイバチャンネル内でいくつかの異なる波長で情報が同時に送信される波長多重分割(ＷＤＭ)の迅速な開発を進めさせた。ＷＤＭシステムの開発は、半導体の分配されたフィードバック(ＤＦＢ)レーザのごとき既存の技術の使用を従うことが困難な半導体レーザソースに要求を置いた。このようなシステムに対する関心事は波長の選択性、レーザ寿命に対する波長の安定性、整合能力、プロセスの効率、パワー限界およびコストを含む。
【０１１１】
Ｅｒ３＋イオンを用いた、集積化単一周波数のソリッドステートレーザは、別のＷＤＭ遠隔通信システムの使用やＣＡＴＶの使用に対し、極めて期待でき、かつ、負けない、ＤＦＢへの選択性を提供する。導波管のいくつかのデモンストレーションおよびファイバレーザ技術は、文献で議論されてきた。ソリッドステートのウェーブガイドレーザの重要な1つの利点は、シングルガラスチップ上で多くの波長で動作するレーザアレイに対する可能性を提供する。希土酸化物をドープした導波管レーザは、高い輝度、低ノイズ及び光ファイバとの結合容易性を備えたキロヘルツのライン幅をも提供できる。
【０１１２】
波長１５３５nmでの単一の横方向のモードの導波管は、０．９９×１０２２イオン/cm3および３．９７×１０２０Ｙb3+イオン目/cm3をドープした商業利用できる燐酸塩アルカリガラスで組立てられる。７．８燐酸塩ガラスは、感光効率が均一でかつ、濃度抑制のオンセット前に大きいドーピング濃度が可能なので、イッテルビウムおよびエルビウムイオンに対して極めて良好な主な材料である。２００nm厚のアルミニゥムマスク層内で３から８μｍ幅のラインの隙間を用いて、そのガイドはＮａ＋のためにＫ＋のイオン交換によって形成された。の交換時間は、３７５℃で溶解したＫＮＯ３を含むアルミニウムるつぼ内で４時間であった。イオン交換後に屈折の近接フィールド走査を用いサンプルの検査により、マスク開口部に対応するガラス表面の部分に、イオン交換の間により、ほぼ１μｍのくぼみが表れた。その交換の間のガラスのエッチングの背後の機構は、現在、調査中であり、吸湿性の溶解硝酸塩内の残りの水分により生じたと考察されている。1000xのNomarski のコントラスト顕微鏡を用いて観察したとき、くぼみ領域ガラスの表面性質は、ガラスの元の表面と同一に見え、そして明らかに重大な拡散ロスを生じない。
【０１１３】
ウェーブガイドの端面は、チャンネルと垂直に研磨された。格子組立て前の導波管の長さは２．２cmであった。単一の横モードで示された導波管のモードフィールドの寸法の測定は、各導波管にてサポートされた。６．５μｍのマスク開口で形成されたガイドのために、モード電界強度の１／ｅの全幅は、波長１．５４μｍで１６μ幅、１１μｍ深さであった。それは９７７ｎｍのポンプ波長で複数の横モードをサポートした。しかしながら、デバイスがレーザを発光している時、ポンプエネルギーは、元来、１３μｍ幅で９．５μｍ深さの１／ｅ次の最低次元の横モード内で限定された。強度特性の全測定は、見積もられた実験値の±１０％以内であった。
【０１１４】
ＤＢＲ表面軽減の格子付けは、一直線のレーザビームを２つのビームに分離する９０度の角をShipley 1805のフォトレジストによる０．５μｍ厚の層で写真的に組立てられた。２つのビーム角度を変化できるように、そのコーナーは回転ステージ上に装着された。コーナーの一方の面はミラーであり、他方の表面はサンプルの保持のために、真空チャックである。４５７．８nmのArイオン層からの光は、２０Ｘの対物レンズを用い、１５μｍのピンホールを通じて合焦させることにより特別にフィルター処理された。そのビームは、焦点長３５０mmの直径７６mmのレンズを用いて平行光にされた。露光角は、Λ＝５０７．８nmのピッチで格子を書けるようにセットされた。１．５１５±０．００３の見積もられた実効屈折率を有する導波管のために、このピッチは、λ＝１５３８．６nm±３nmでのレーザ動作を備えるべきである。フォトレジストに対する露光時間は、露光領域０．４４cm2(０．８cm長さ×０．５５cm幅)の各アーム内で３．８５nW入射で１８秒であった。格子付けは、希釈されないShipley CD-30８の現像液内で現像された。現像の間、６３２．８nmのHeNeレーザからの光の回折がモニターされた。第１次の回折パワーが到達した時、格子は除去され、リンスされそして乾燥される。
【０１１５】
Arイオンスパッタリングにより、フォトレジストパターンをガラスへ移すことにより、ＤＢＲ格子付けが形成される前に、電子ビーム蒸着面に対し６０°傾いた標本を有する、４０nmのCrが表面に堆積された。このように標本を装着すると、Crを格子ラインのトップにのみ堆積させ、溝内には堆積せず、その結果、耐久性のあるエッチマスクが与えられる。格子付けは、６．６７Pa(50mTorr)Arイオンプラズマの反応性イオンエッチングシステムを用い、２０分間、ガラス内でエッチングされた。周波数１３．５ＭＨＺで３６５Ｗで実効したとき、む低い圧力プラズマは、１７００Ｖの大きい自己バイアス電圧を生じた。電極の間隔は３．２cmであった。エッチング後、サンプルは超音波によりフォトレジストが８５℃で除去され清潔にされた。添付の図１のペーパーＤは、完成したＤＢＲレーザアレイを図示したものである。
【０１１６】
導波管レーザの空洞部は、薄く、高い反射性(１５４０nmでＲ＝９９．９％、９９７nmでＲ＝１５％)の誘電性ミラーをポンプ入力面に設置することにより形成される。そのミラーはスプリングのクリップにより設置され、インデックス整合用流体がミラーと導波管の面との間に使用される。ＤＢＲ格子付けは、レーザ出力カプラーとして使用される。開口数０．１の４ｘ対物レンズを用い、Ti-Al２Oi３からの光を９７７nmの導波管に結合させることにより、レーザをテストした。発射効率は６５から７１％と見積もられた。発射効率を決定するために、入力ミラーのフレネル反射率、発射対象物のロスおよび超過結合ロスを測定した。添付の図１０のペーパーＤは、発射されたポンプパワーおよびレーザのスペクトラムの関数としてレーザ出力を示す。導波管に対する導波管拡散開口は８μｍであった。結合ファクターを７１％とした時、発射されたポンプパワーの関数としてのスロープ効率は、２６％と計算される。
【０１１７】
Rigrodの理論から導いた単純化したレーザ公式を用い格子の反射率を概算した。
Ｐ１／Ｐ２＝(Ｉ−Ｒ１)／(Ｉ−Ｒ２)・Ｒ２／Ｒ１
Ｐ１は格子端での出力パワー、Ｐ２は格子と対向する端部での出力パワーである。Ｒ１は格子反射率、Ｒ２は取り付けたミラーの反射率である。Ｒ２のために、反射率が８０および９０％の２つのミラーを使用した。両ケースに対し、格子係数Ｒ１を６５％と計算した。
【０１１８】
縦方向モードのレーザ構造を調査するために、レーザ出力を、フリースペクトラム範囲が１２４ＧＨzの光ファイバ スキャニング Fabry-Perot 干渉計に結合した。添付の図１１のペーパーＤは、結合したポンプパワーが３００ｍＷを超過しないとき、レーザは単一の縦モードで動作したことを示している。レーザーはＴＨ極性化を備えた強健に単一の周波数で、モードの転位は観察されなかった。図１１における挿入図は、結合したポンプパワーが３００ｍＷを超過したとき、第２の縦モードが現れたことを示す。このポンプ状況では、レーザは、不安定でモードの転位、単一周波数動作および２重の周波数動作を示した。縦方向モード間の周波数間隔を測定することにより、レーザ空洞部の物理的長さは１．４cmと決定した。
【０１１９】
我々は、７５ＭＨＺ周波数シフトを有する従来のオートダイン構造を用いてレーザの線幅を測定した。２個のアーム間の路長差は、ガウス線形用３０ｋＨｚの線幅分解能限界に対応する１０ｋｍであった。光線幅がフィードバックにより狭くなるのを防止するために両方のアームに光アイソレーションを用いたけれども、レーザの出力端はベベリングされなかった。付録の論文Ｄの図１２は、オートダインスペクトルを示す。この測定から我々が得たレーザ線幅は５００ｋＨｚであった。
【０１２０】
最後に、我々は、０．１ｎｍの分解能を有する自動スペクトル分析機を用いてチップ上の他の導波管のレーザ波長を測定した。チップ上の１１個の導波管の内７個がレーザ発振を示した。より小さい伝搬モード数は、グレーティングの４５％透過率損失に打ち勝つことができないようにゲインの減少を生じたので、より小さいアパーチャを介して形成される導波管は閾値を達成しなかった。付録の論文Ａの図Ａ５は、我々が導波管を走査した時の波長傾向の変化を示す。波長は拡散アパーチャ幅が増加するにつれて増加し、これは、アパーチャ幅が増加するにつれて増加する有効インデックスと整合する。
【０１２１】
この例は、１５３６ｎｍ波長の近傍で働く高パワーで、極めて単一の周波数で、且つ、集積されたＤＢＲ導波管レーザのアレイを表示した。レーザのスロープ効率は、生じた励起パワーに基づく２６％であり、又、閾値は、９７７ｎｍの波長で励起した時に５０ｍＷ未満であった。レーザの線幅は５００ｋＨｚと測定され、その出力はＴＥモードで線形に偏光させられた。我々は、現在、レーザの温度安定性と相対雑音強度（ＲＩＮ）を研究している。我々は、ダイオードレーザ励起により、ＲＩＮは、単一周波数ファイバレーザで提供された他の結果に類似していて、１０ＭＨＺより上で約１５０ｄｂ／Ｈｚより下になると期待している。
【０１２２】
我々は、グレーティング反射率が増加する時、出力のパワーと効率は増加する一方、閾値パワーは減少すると予想している。これは、グレーティング製造工程にほんの僅かの調整をするだけで可能である。更なる改良は、導波管端面に高反射体を直接被覆することによっても実現されるだろう。我々は、いくつかの出力波長を有するレーザを単一のガラス基板上に集積できることを示した。この例は、国際電気通信連合（ＩＴＵ）グリッドに合致する波長を有する、安定した、多波長のＷＤＭ源を、イオン交換によって形成されてＹｂ／Ｅｒを共にドーピングしたガラス導波管に各種の周期のいくつかのグレーティングを書込むことによって実現できることを示す。
【０１２３】
例５
１．５μｍＥｒ３＋遷移に基づくコンパクトな固体レーザは光ファイバ通信システム源として有望である。Ｙｂ２＋は、Ｅｒ３＋よりもはるかに大きい９８０ｎｍ近くの吸収断面を有すると共に、その励起状態エネルギーをＥｒ３＋レーザの上方レベルまで効率的に伝達するから、Ｙｂ２＋はＥｒ３＋レーザの感光剤として一般に使用されている。特に、Ｅｒ３＋／Ｙｂ３＋ガラス導波管は、Ｅｒ３＋をドーピングした又はＥｒ３＋／Ｙｂ３＋を共にドーピングしたガラスファイバーとバルク結晶質又はガラスホスト内のレーザに対していくつかの利点を有する。イオン交換した導波管を、装置をファイバレーザよりも大幅に短くする大きなイッテルビウム濃度（約５−１５％）を有するガラス内に製造することができる。これは、熱的及び機械的な応力で引き起こされる複屈折によって生じるより低い偏光及び出力パワー雑音とより小さい装置体積に帰着する。
【０１２４】
短い（約１−２ｃｍ）レーザキャビティは、又、高パルス反復速度（ＧＨｚ）の受動的にモードロックしたレーザを実現する可能性の点で重要である。バルク装置と異なり、導波管レーザは、動作パワー又は励起レーザ横モードプロファイルと独立した単一横モードで動作すると共に、バルクミラーの心合せを必要としないように設計し得る。更に、導波管内のモードフィールドサイズは、光ファイバ系と効率的に結合するように光ファイバのそれと厳密に合致するように設計し得る。現時点までのＥｒ３＋／Ｙｂ３＋ガラス導波管レーザの欠点は、これらの装置から得られる相対的に低い出力パワー（数ミリワットまで）であった。増大した出力パワーはこれらの装置の有用性を大きく高めるだろう。本論文は、９７９ｎｍにおける６１１ｍＷの生じた励起パワーに対して約１５４０ｎｍにおいて１６８ｍＷの出力パワーを生じたＥｒ３＋／Ｙｂ３＋を共にドーピングしたリン酸塩ガラス導波管レーザを記載する。
【０１２５】
導波管は市販されているリン酸塩ガラスで製造された。ガラスは、１．１５重量％Ｅｒ２Ｏ３（０．９９×１０２０イオン／ｃｍ３）と４．７３重量％Ｙｂ２Ｏ３（３．９７×１０２０イオン／ｃｍ３）で共にドーピングされた。導波管は、幅が３〜８μｍの範囲のチャネルアパーチャを有する２００ｎｍ厚のＡｌマスク層を介したＫ＋とＮａ＋の交換によって形成された。その交換は、ＡｌるつぼのＫＮＯ２メルト内で３７５℃で４時間で起こった。ここで報告するレーザ結果は、６．５μｍ幅のマスクアパーチャに対するものである。イオン交換工程後のサンプルの検査により、マスク開口の位置に対応するガラス面の領域は、交換工程中に１又は２ミクロンだけへこんでいることが判明した。エッチングされたチャネルの幅は、マスクアパーチャの幅に近いと共に、幅及び深さにおいて一様であった。
【０１２６】
別の実施形態において、交換されたサンプル内の位置の関数としての屈折率が、屈折近視野掃引法を使用して分析された。付録の論文Ｂの図Ｂ１は、６３３ｎｍの波長に対して６．５μｍマスクアパーチャを形成した導波管の中心におけるインデックス深度プロファイルを示す。この方法は、相対位置と絶対インデックス値を、夫々、０．７μｍと０．００１の精度で決定できる。
【０１２７】
別の実施形態において、導波管の横モードは、問題の波長における光を導波管の一端に結合すると共に、他端から出る光を較正された赤外線カメラ上で結像することによって特徴付けられる。この方法を使用して決定されるモード寸法の不確実性は約１０％である。その装置は、幅１４．５μｍで深さ７．５μｍ（１／ｅ点において測定）の寸法を有する１．５４μｍにおいて単一の横モードを支持した。導波管は、９８０ｎｍにおいて複数の横モードを支持した。しかしながら、装置が発振していた時、励起エネルギーは、幅６．４μｍで深さ３．６μｍの寸法を有する低次横モード内に主として閉じ込められた。
【０１２８】
別の実施形態において、装置はＴｉ３＋サファイアレーザで励起された。導波管レーザキャビティは、薄い誘電体ミラーを研磨した導波管端面によって形成された。ミラーが小型ばねクリップによって所定位置に保持され、又、屈折率整合油が、損失を減少するようにミラーと導波管の端面の間に使用された。励起レーザが、４Ｘ顕微鏡対物レンズでミラーの内の一つを介して発せられた。レーザ出力と非吸収励起が、１６Ｘ顕微鏡対物レンズで平行にされると共に、フィルタを使用して分離された。レーザキャビティは長さが２０ｍｍであった。励起が発せられるミラーは、１５３６ｎｍと９８０ｎｍにおいて、夫々、＞９９．９％と１５％の反射力を有していた。
【０１２９】
出力カプラーは、１５３６ｎｍにおいて８０％の反射力を有すると共に、入射励起パワーの８５％を伝送した。導波管長もキャビティ出力カップリングも最適化されなかった。励振効率は、入力ミラーと励振対物レンズの伝送による損失を含めて≦７１％であると推定された。２個の異なる励起波長に対するレーザ出力パワー特性が付録の論文Ｂの図２に図示されている。９７９ｎｍで励起される時、発せられた励起パワー閾値は５１ｍＷであった。１６８ｍＷの最大出力パワーが、発せられた９７９ｎｍ励起パワーの６１１ｍＷに対して得られた。より低い閾値を、Ｙｂ３−吸収ピークの励起レーザの電源を切ることによって得ることができた。９６０ｎｍの励起波長に対して、閾値は２３ｍＷであった。両励起波長に対するスロープ効率は約２８％であった。
【０１３０】
上記のブロードバンドキャビティを使用して、Ｅｒ３＋／Ｙｂ３＋レーザは、いつかの波長で同時に動作した。１５３６．０ｎｍ、１５４０．７ｎｍと１５４４．８ｎｍで同時動作を示す典型的なレーザスペクトルが付録の論文Ｂの図Ｂ３に図示されている。平行にされた１．５μｍレーザ出力のいくらかをプリズムに通過させて、誘電体ミラーを使用してそのプリズムを介して導波管内に反射させることによって、動作波長を変移させることができた。これは、弱く結合された外部キャビティを形成した。そのプリズムを回転することによって、１５３６ｎｍから１５９５ｎｍに及ぶ波長を生成することができた。
【０１３１】
多くの３レベル希土類レーザの共通の特徴は、励起レーザパワーの小さい変動によって生じ得る持続し張振動である。約０．５ＭＨＺから１．５ＭＨＺに及ぶ周波数における出力パワーの変動がこのレーザにおいて観測された。変動の振幅は励起パワーと共に減少した。付録の論文Ｂの図Ｂ４は、閾値の真上及び閾値の９．４倍の励起パワーレベルに対して時間の関数としての出力パワーを示す。低励起パワーにおいて、平均パワーの約３０％（ピークピーク）の出力パワー変動が観測された。高励起パワーにおいて、その変動は平均パワーの約５％（ピークピーク）に減少した。Ｔｉ３＋サファイア励起レーザは、約２−３％の出力パワー変動を示した。励起源としてダイオードレーザを使用することは、Ｅｒ３＋レーザのはるかに静かな動作に帰着するはずである。
【０１３２】
ここで、１．５μｍにおいて１６０ｍＷを超過する出力パワーが、簡単な熱イオン交換処理を用いて製造されたガラス導波路レーザから得ることができる。キャビティーの長さ及び結合の調整とともに、（電界によって援助されたイオン交換と、製造された、埋め込まれた複数の導波路とを組み込むことのような）導波路の製造プロセスにおける導波路の幾何学的形状を最適化する改善は、これらのデバイスの性能を改善する。
【０１３３】
実施例６：
Ｅｒ３＋及びＹｂ３−を共にドープされたガラス中の導波路レーザ及び増幅器は、１．５μｍの近くで動作するコンパクトな多機能デバイスのための有望な候補である。不均一な広がりを持つようにされたガラスホストから結果的に生じる大きな利得の帯域幅は、これらのデバイスを、波長分割多重のアプリケーションにおいて有用な狭い輝線の光源のために理想的なものにする。それに加えて、短いキャビティーの長さのために、これらの導波路レーザは、半導体の飽和性吸収体を用いる、高い反復速度（ＧＨｚ）のモード同期レーザの可能性を提供する。そのようなレーザは、ソリトン通信システムのための光源として理想的である。リモートセンシングや距離測定のような、目に安全な波長を必要とする他のアプリケーションは、これらの材料に基づく、コンパクトで高いパワーのｃｗ又はＱスイッチの導波路レーザ光源から利益を得ることができる。それに加えて、１５３０乃至１５５０ｎｍの範囲で利得を提供する光増幅器を実現することができる。
【０１３４】
協働的なアップコンバージョンの有害な効果を減少させるために、これらのデバイスでは、Ｅｒ３＋の濃度を相対的に低く（〜１重量％）保持する必要があることが知られている。しかしながら、活性化するＹｂ３＋の濃度は、いかなるイオン間の相互作用によっても制限されず、デバイスの性能に対して有意な効果を有することが期待される。さまざまな著者が、この問題について理論的に研究している。この実施例は、３：１，５：１及び８：１のＹｂ３＋：Ｅｒ３＋の比を有するケイ酸塩ガラスにおいて、Ｋ＋−Ｎａ＋のイオン交換によって製造された導波路レーザに対する実験結果を報告している。それに加えて、本願出願人は、ホスト材料とイオン交換処理のパラメータとを最適に選択することを通じて、信号モード量を増大させることと、ポンプ信号のオーバーラップを最適化することとを可能にする方法を示す。その結果物は、９７４．５ｎｍにおいて３９８ｍＷの励振されたポンプパワーを用いて、１．５４μｍにおいて約１９．６ｍＷのレーザ光を発生させるＥｒ３＋／Ｙｂ３＋導波路レーザである。
【０１３５】
デバイスは、商業的に利用可能なレーザガラスにおいて製造することができる。上記ガラスは、リンを含まない、混合されたアルカリの、ケイ酸亜鉛のガラスである。通常は、３つすべてのガラスには、１重量％のＥｒ２Ｏ３（０．８５×１０２０ｃｍ−３）がドープされ、ＮＩＳＴ１０Ａ，ＮＩＳＴ１０Ｃ，及びＮＩＳＴ１０Ｅと指定されるガラスはそれぞれ、３：１（２．４７×１０２０個のＹｂ３−イオンｃｍ−３）、５：１（４．１６×１０２０ｃｍ−３）、及び８：１（６．８３×１０２０ｃｍ−３）の比で、Ｅｒ３＋：Ｙｂ３＋を含んでいる。報告された結果物は、１５０ｎｍの厚さのＡｌマスク層における３μｍの開口を通じてイオン交換することによって取得された。上記イオン交換は、４００°Ｃで１４時間の間、１００％のＫＮＯ３の溶融物の中で実行された。
【０１３６】
信号波長における導波路の光学モードは、出力が赤外線カメラ上に結像されたときに、導波路に１．５μｍのＬＥＤを結合することによって評価された。導波路は、信号波長において、（１／ｅ個のポイントで測定された）２０．５±２．１μｍの幅と１１．５±１．２μｍの深さの寸法の単一の横モードをサポートした。ホストガラスは、カリウムを含む混合されたアルカリのガラスなので、イオン交換処理による付加的なカリウムの導入は、非常に小さな屈折率の変化をもたらす。結果として、光学モードはしっかりと閉じ込められていない。複数の導波路は、ポンプ波長において複数の横モードをサポートしたが、デバイスがレーザ光を発生しているときのポンプモードの試験は、最低次のモードのみが励起されたことを示した。その結果は、ポンプ及び信号のモードの間の非常に良好なオーバーラップを得る。ポンプモードは、１５．２±１．５μｍの幅と７．０±０．７μｍの深さであると測定された。
【０１３７】
導波路損失は、Ｙｂ３＋の広い吸収のピークから離れた８６０ｎｍにおいて評価された。レーザサンプルと同様に準備された複数のサンプルに対して実行されたカットバック測定は、ＮＩＳＴ１０Ａに対して０．２５±０．１１ｄＢ／ｃｍ、ＮＩＳＴ１０Ｃに対して０．３２±０．０８ｄＢ／ｃｍ、及び、ＮＩＳＴ１０Ｅに対して０．６６±０．１２ｄＢ／ｃｍの平均の導波路損失を示した。ポンプ光に対する結合効率は、８６０ｎｍにおいてポンプのスループットを測定することと、上に報告された損失の数値を用いて、導波路損失とともに入力及び出力の光学装置からの損失を補正することとによって決定された。典型的には、結合効率は５０％と７０％の間に低下した。結合効率は、８６０ｎｍと９７５ｎｍにおいて同一であることが仮定された。
【０１３８】
レーザの特性を決定するために、複数の誘電体の鏡が、屈折率整合剤（index matching fluid）を用いて導波路レーザサンプルの研磨された端面のファセットに設けられ、小さなクリップによって適切に保持された。入力鏡は、１５３６ｎｍにおいて９９．９％の反射率を有し、ポンプ波長において、９０％よりも大きい透過率を有していた。６０乃至９８％の範囲の反射率を有するさまざまな出力結合器が用いられた。また、すべての出力結合器はポンプ波長において透過性であった。導波路のデバイスは、このガラスホストにおけるＹｂ３＋の吸収スペクトルのピークである９７４．５ｎｍにおいて動作する、Ｔｉ：サファイアレーザによってポンピングされた。ポンプ光は、４倍（０．１０ＮＡ）の顕微鏡の対物レンズを用いて導波路に結合され、出力信号の光は、２０倍の対物レンズによって集光された。信号のパワーを測定するために、導波路からの出力光は、ＩｎＧａＡｓパワーメータ上に焦点を合わされた。
【０１３９】
レーザの性能は、出力結合器の反射率とともに、デバイスの長さの関数として調査された。付録の書面Ｃにおける図Ｃ１は、Ｅｒ３＋イオンに対して５倍のＹｂ３＋イオンを有するガラスに製造された１．６８ｃｍの長さのデバイスについて、２つの異なる出力結合器に係る、励振されたポンプパワーに対するレーザ信号のパワーをプロットしたものを示す。スロープ効率とレーザのしきい値は、直線をレーザのデータに合わせることによって決定された。最低のしきい値は、出力結合器として９８％の反射器を用いたときに達成された。このデバイスは、約５９ｍＷの励振されたポンプパワーのしきい値で、レーザ光を発生した。このデバイスのスロープ効率は、励振されたポンプパワーに関して２．０％であった。最高のスロープ効率は、出力結合器として用いられた７０％の反射器によって実現された。この場合、８６ｍＷの励振されたポンプパワーのしきい値を用いて、６．５％のスロープ効率が達成された。３９８ｍＷの励振されたポンプパワーに対して、このレーザは１９．６ｍＷの出力パワーを発生した。
【０１４０】
各ホストガラスについて、出力結合器の反射率に対するスロープ効率のプロットが、添付された付録の書面Ｃの図Ｃ２に表されている。最高のスロープ効率を与えるために実験的に決定された、各ガラスにおけるデバイスの長さのデータがプロットされている。また、各ホストにおける最高のスロープ効率の性能が、表１の中で比較されている。
【０１４１】
【表１】
Ｙｂ３＋：Ｅｒ３＋の異なるドーパントの比を有してＩＯＧ１０ケイ酸塩ガラスにおいて製造された最高のスロープ効率のデバイスに関する性能データ
0004832644.tif 000004
【０１４２】
実験結果は、光学的なドーパントの比が、各Ｅｒ３＋に対して５倍のＹｂ３＋に近いことを示している。ドーパントの比を３：１から５：１に増加させることは、スロープ効率における改善をもたらす。ドーパントの比をさらに８：１まで増大させることは、デバイスの効率を改善しないが、ポンプパワーの必要条件において実質的な不利益をもたらす。最近の研究は、精密なスカラーモデルを用いて、上記の結果を拡張することに向けられてきた。それに加えて、ホストガラスのカリウム含有物の代替物は、モデルの値を調整し、ポンプしきい値の必要条件を減少させるような方法で、調査されている。
【０１４３】
付録  −  文献  A−E
文献A
Yb/Er-co-ドープされた硫化物ガラス中の1536nmでの配分されたブラッグ反射器ウエーブガイドレーザーの列＊
（＊アメリカ合衆国政府の寄稿。著作権の対象外。）
デビッド・エル・ヴェッセイ、デビッド・エス・ファンク、ノーマン・エイ・サンフォード
ナショナル・インステイチュート・オブ・スタンダーズ・アンド・テクノロジー、光電子部
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【０１４４】
我々は、1536nm近辺で作動している、モノリシック、単一周波数の配分されたブラッグ反射器（DBR)ウエーブガイドレーザーの列を成功裡に論証した。レーザーはイオン交換によってYb/Er-co-ドープされた硫化物ガラス中にウエーブガイドを形成することによって作成した。動作を始めたポンプの動力の機能としての各レーザーの傾斜の能率は26%であり、敷居値は動作を始めたポンプの動力の50mWで起こる。連結したポンプ動力350mWで80mWの出力が達成された。各レーザーは単一の長いモードで安定した動作を表し、そして全ては500kHz未満のライン幅を持っている。変化する有効指標を持ったウエーブガイドの櫛によって単一期間のグレーテイングを用いて波長の選択ができるようになる。
【０１４５】
我々は、本状で、Yb3-/Hr3+の共ドープされた硫化物ガラス中にモノリシック、単一周波数の配分されたブラッグ反射器（DBR)ウエーブガイド・レーザーについて記述した。過去数年にわたって、新規遠隔通信サービス、ケーブルテレビジョン(CATV)、及びデータ通信によって生み出された波長に対する需要の伸張のために、情報が同一の光ファイバー・チャンネルの幾つかの異なった波長に同時に送信される、波長分割多重化（WDM)の急速な発展を進めた。WDMシステムの開発は、半導体配分されたフィードバック（DFB)レーザーのような既存の技術を用いて対応するのが困難なレーザー源泉に対する需要を齎した。そのようなシステムに対する関心の問題点としては、波長の選択性、レーザーの寿命期間中の波長の安定性、同調可能性、プロセス収率、動力限定、及びコストがある。
【０１４６】
Er3+イオンを用いた、集積された、単一周波数の、固体レーザーは、未来のWDM通信システムに用いるための、またCATV用の、DFBレーザーに対する極めて有望かつ競争力のある代替物を提供する。ウエーブガイド及びファイバーレーザー技術の幾つかの例示については文献1-5中で論じた。固体ウエーブガイドレーザーの一つの主要な利点は、それらが単一ノガラスチップ上で多くの波長で作動するレーザーの列を作る可能性を与えるということである。稀土ドープしたウエーブガイドレーザーはまた、高い発光、低いノイズ、及び光ファイバーに対する容易な結合を与えることが出来る。3,4,6
1535nmの波長を持った単一逆モードのウエーブガイドを、0.99 x 1020Er3+ions/cm3及び3.97 x 1020Yb5+ions/cm3を共ドープした商業的に利用可能な燐酸塩アルカリガラスに製作した。7,8燐酸塩ガラスは、感作能率がほぼ一定であって、濃度クエンチングの開始より前に大きいドーピング濃縮が可能であるので、イッテブラム及びエルビウムに対して極めて良好なホスト材料である。9 200nmの厚さノアルミニウムのマスク層にエッチした3乃至8μm幅のライン開口を用いてNa+に対するK+のイオン交換によってガイドを形成した。375℃で溶融したKNO3を含むアルミニウム坩堝での交換時間は4時間であった。イオン交換後に屈折近界走査を用いた試料の検査では、マスクの開口の位置に相当するガラス表面の地域は交換行程中約1μm窪んでいた。10交換中のガラスのエッチングの背後の機構は現在調査中であって、それは湿度計窒化物メルト中の残存水によって起こると我々は考える。9 1000Xのノムルスキのコントラスト顕微鏡を用いて観察した、窪んだ地帯のガラスの表面の質はガラスの最初の表面と同一のように見え、また明らかに大きな拡散ロスを生じてはいない。
【０１４７】
ウエーブガイドの端面をチャンネルに垂直に研磨した。格子製作の前のウエーブガイドの長さは2.2cmであった。ウエーブガイドのモードフィールドの寸法の測定では、ウエーブガイドの各々において単一の横断モードが支持されることが示された。6.5μmのマスクの開口をもって形成されたガイドに対しては、モードフィールドの強度の1/e全幅は1.54μmの波長で11μmの深さで16μmの幅であった。それは977nmのポンプ波長での多重横断モードを支持していた。しかし、装置がlasingのときは、ポンプのエネルギーは13μmの幅で9.5μmの深さの1/eの寸法を持った、最低度の横断モード内に主として留まった。強度の輪郭の全ての測定値は±10%の見積もり試験誤差内に入っていた。
【０１４８】
DBR表面レリーフ格子を、コリメートされたレーザービームを二つのビームに分割する90°コーナーを用いて、シップレイの1805xフォトレジストの0.5μmの厚さの層にホログラフィーにより製作した。11 二つのビームの角度を変えることができるようにコーナーを回転ステージの上に取り付けた。コーナーの一つの表面はミラーとし、もう一つの面は試料を保持するため真空チャックとした。20xの対物レンズを用いて15μmのピンホールを通して焦点を当てることにより、457.8nmのArイオンからの光を空間でろ過した。ビームを、350mmの焦点距離の直径76mmのレンズを用いてコリメートした。露出角度は、A=507.8nmのピッチで格子を書くように設定した。1.515±0.003の見積もり有効指数を持ったウエーブガイドに対しては、このピッチはλ=1538.6nm±3nmのレーザー作動を与えるものとなる。フォトレジストの露出時間は0.44cm2の露出地帯(長さ0.8cm幅0.55cm）の各アームに入射する3.85mWを持った18sであった。格子は非希釈のシップレイCD-308現像液で現像した。現像中に、632.8nmのHeNoレーザーからの光の屈折をモニターした。12 一次の屈折力がピークに達したとき、格子を取り除き、リンスし、そして乾燥した。
【０１４９】
Ar-イオンスパッタリングによってフォトレジストパターンをガラスに移す前に、我々は、試料をエレクトロンビーム蒸発源に対して60度傾けて表面に40nmのCrを載せた。このようにして資料を取り付けると、Crは溝の中ではなく、格子の線の上部だけに集積するので、ダブル・エッチ・マスクが出来る。我々は、6.67  Pa  (50mTorr)のAr-イオン・プラズマの反応性イオンエッチングシステムを用いて20分間ガラスに格子をエッチした。低圧プラズマは13.5MHｚの周波数を持ったカプルド・パワー365Wで作動させたとき1700Vの大きい自己バイアス電圧を作り出した。電極の間隔は3.2μmであった。エッチングの後に、試料をフォトレジストストリッパーで85℃で超音波で清浄化した。第1図は完成したDBRレーザーアレイの図示である。この型のりん酸塩ガラスでエッチした典型的な格子の原子力顕微鏡のマイクログラフを参考文献[II]に見出すことが出来る。
【０１５０】
薄い、反射率の高い、(14540nmでR=99.9%、977nmでR=15%)誘電体ミラーをポンプ入力ファセットに載せることによってウエーブガイド・レーザー窪みを形成した。ばねクリップによってミラーを所定位置に保持し、そしてミラーとウエーブガイド・ファセットとの間にインデックス・マッチング液を用いた。レーザー出力カプラーとしてDBR格子を用いた。我々は、0.1の数字上の開口を持った4X対物レンズを用いて977nmの波長に調整したTi:Al2O3レーザーからの光を結合することによってレーザーを試験した。開始効率は65乃至71パーセントと見積もった。開始効率を決定するために、我々は入力ミラーのフレネル反射率、開始対象物の損失、及び過剰結合損失を測定した。第2図は開始ポンプ力の関数としてのレーザー出力の力とレーザーのスペクトルを示す。このウエーブガイドに対するウエーブガイド拡散開口は8μmであった。開始したポンプ力の関数としての傾斜能率は、我々が結合係数を71パーセントと取った場合、26パーセントと計算される。
【０１５１】
我々は、リグロッドの定理から取った簡素化したレーザー式を用いて格子の反射率を見積もった。13
0004832644.tif 000005
(I)
式中、P1は格子端での出力であり、P2は格子と反対の端での出力である。R1は格子の反射率であり、R2は取り付けたミラーの反射率である。我々は、R2について80及び90パーセントの反射率を持った2つのミラーを用いた。両者の場合とも、我々は格子反射率、R1を65パーセントと計算した。
【０１５２】
レーザーの長手モード構造を調査するため、我々は124GHzの自由スペクトル範囲でレーザー出力を光学繊維走査ペブリー・ペロット干渉計に結合させた。第3図は、結合したポンプ力が300mWを超えなかった場合、レーザーは単一の長手モードで作動したことを示している。レーザーはTE偏光を持った強靭な単一周波数で、モードホッピングは見られなかった。第3図の挿図は、結合したポンプ力が300mWを超えたとき、第2の長手モードが現れたことを示している。このポンプレジームでは、レーザーは不安定で、モード・ホッピング、単一周波数作動、及び二重周波数作動を表した。長手モード間の周波数スページングを測定することによって、我々はレーザーの窪みの物理的な長さが1.4cmであると測定した。
我々は、75MHzの周波数シフトを持った通常の自己ヘテロダイン形状を用いてレーザーの線幅を測定した。14 二つの腕の間の路長の差はガウスの線型に対して30kHzの路幅解像力限度に相当する、10kmであった。15 両アームに光学隔離器を用いてフィードバックによる光学的線幅の狭窄を防止した、しかし、レーザーの出力端は斜面にならなかった。第4図は自己ヘテロダイン・スペクトルを示す。我々がこの測定から得たレーザーの線幅は500kHzであった。
【０１５３】
最後に、我々は0.1nmの解像力を持った自動スペクトル・アナライザーを用いてチップ上の他のウエーブガイドのレーザー波長を測定した。チップ上の11のウエーブガイドの内7つはレーザー振動を表した。より小さい開口を通して形成されたウエーブガイドは敷居値を達成しなかった、何故ならば、グレーテイングの45パーセントの転送損失が克服出来なかったように、より小さいモード量は利得の減少を起こしたからである。第5図は、我々がウエーブガイドを走査したときの波長傾向の変化を示す。拡散開口幅が増大するにつれて波長は増大し、これは開口幅が増大するにつれて増大する有効指標と一致している。
【０１５４】
結論として、我々は1536nmの波長で作動する、ハイパワーの、強い単一周波数の、統合した、DBRウエーブガイド・レーザーの配置を論証した。レーザーのスロープ効率は開始ポンプ力に基づいて26パーセントであり、そして敷居値は977nmの波長でポンプしたとき50mW未満である。レーザーの線幅は500kHzと測定され、そして出力はTBモードで直線的に偏光された。我々は現在、レーザーの温度安定性と関係強度ノイズ（RIN)とを調査している。我々は、ダイオード・レーザー・ポンピングでは、RINは単一周波数繊維レーザーについて出された他の結果と同様であって、10MHzより高く-150dB/Hz未満の間になると期待している。3,4 我々は、グレーテイング反射率が増大すれば出力及び効率が増大し、また敷居値の力が減少することを予測する。これは、グレーテイングの製作工程にほんの僅かの調整をしただけで可能である。高度の反射物をウエーブガイド端の小面（ファセット）に直接被覆することによって一層の改良を実現することも出来る。我々は数個の出力波長を持ったレーザーを単一のガラス基板に統合することが出来ることを示した。この論証は、国際遠隔通信連合（ITU)格子に該当する波長を持った、安定した、多重波長の、WDM源が、イオン交換によって形成されたYb/Er-co-ドープしたガラスのウエーブガイドに変化する期間の数個のグレーテイングを書くことによって実現することが出来ることを示している。
【０１５５】
参考文献
1  T.キタガワ、F.ビロドー、B.マロ、S.セリオールト、J.アルバート、D.C.ジンソン、K.O.ヒル、K.ハットリ、及びY.ヒビノ、エレクトロン、レット、30,1311(1994)
2  A.イエンレイ、J.-M.P.デラボー、J.トウールーズ、D.バービエ、T.A.ストラセル、及びJ.R.ポドラザンニ、IEEEBホトニクス・テクノル、レット9、1099(1997)
3  J.T.クリングルボトン、J.L.アルシャンボール、L.レクテイー、J.E.タウンセンド、G.G.ヴィエンヌ、及びD.N.ペイネ、ブレクトロン、レット,30,972(1994)
4  W.H.ロー、B.N.サムソン、L.ドング、G.J.コウイ、及びK.Hsu、J.ライトウエーブテクノル.16,114(1998)
5  G.J.ボスラー、C.J.ブルックス、及びK.A.ウイニック、エレクトロン、レット.31,1162(1995)
6  T.Y.ファン、R.L.ブイア、IEEE  J.クワンタム・エレクトロン、24,895(1988)
7  IOG-1レーザーグラス、ショットグラステクノロジーズ、インコ、400ヨークアヴェニュー、デユリー、PA
8  特定の材料及びプロセス薬品が、プロセスを再生することが出来るようにするためだけに報告され、そして合衆国政府によって裏書されてはいない。他の材料及び薬品も同様に、又はより良く作用すると思われる。
9  P.フルニエ、P.メシュキンファム、M.A.ファルダッド、M.P.アンドリューズ、及びS.I.ナジャフィ、ブレオトロン、レット、33,293(1997)
10  B.グロエブリ、B.ギシン、N.ギシン及びH.ズビンデン、オプト.エンジニアリング、34,2309(1995)、N.H.フォンテーヌ及びM.ヤング、「ファイバー及びウエーブガイドの屈折した近界走査」、J.ライトウエーブ・テクノル.へ提出したもの。
11  D.L.ヴェッセイ、K.J.マロン、J.A.オースト、N.A.サンフォード、及びA.ロシュコ、プロク.7th  Eur.Conf.on  Int.Opt.  p.579、デルフト、(1995)、J.E.ロマン及びK.A.ウイニック、アプル.フィス.レット.61,2744(1992)
12  L.Li,M.Xu,G.L.ステゲマン、C.T.シートン、SPIEプロク.835,72(1987)
13  W.W.リグロッド、J.アプル.フィス.36,2487(1965)
14  D.H.マクマホン、W.A.ダイス、J.ライトウエーブ・テクノル.6,1162(1988)
15  J.W.グッドマン、「統計光学」、ウイリーアンドサンズ、1985、p.168
0004832644.tif 000006
【０１５６】
文献B
エルビウム／イッテルビウム・コドープト・ガラス導波路レーザからの1540nmの170mW cw
D.S.ファンク、D.L.ヴィセイ、P.M.ピータース、N.A.サンフォード
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【０１５７】
1.5μmのEr3+遷移に基づく小型固体レーザは、光ファイバ通信システム用の光源として有望である。Yb3+は、980nm付近でEr3+よりずっと大きい吸収断面を持ち、かつその励起状態エネルギをEr3+レーザの上準位に効率的に移動するので、一般的にEr3+レーザで増感体として使用される。特にEr3+/Yb3+ガラス導波路レーザは、Er3+をドープまたはEr3+/Yb3+をコドープしたガラス・ファイバおよびバルク・クリスタルまたはガラス・ホスト内のレーザを超える幾つかの利点を有する。イオン交換導波路は、デバイスをファイバ・レーザより実質的に短くすることができる、イッテルビウム濃度の大きい（〜5-15%）ガラスに製造することができる。これは結果的に、熱応力および機械的応力に誘発される複屈折によって引き起こされる偏光および出力電力ノイズを低下し、デバイスの容積を縮小する。高いパルス繰返し数（OHz）の受動モード同期レーザを実現する潜在的可能性のため、短い（〜1-2cm）レーザ・キャビティも重要である。バルク・デバイスとは異なり、導波路レーザは、動作電力または励起レーザ横モード・プロファイルとは関係なく単一横モードで作動するように設計することができ、バルク・ミラーの整列を必要としない。加えて、光ファイバ系との効率的な結合のため、導波路のモード・フィールド・サイズを光ファイバのそれとぴったり一致するように設計することができる。現時点までのEr+/Yb3+ガラス導波路レーザの1つの欠点は、これらのデバイスから得られる出力電力（数ミリワット以下）が比較的低いことであった。出力電力が増加すると、これらのデバイスの有用性は大幅に拡大するであろう。この論文では、979nmで611mWの発射ポンプ電力に対し約1540nmで168mWの出力電力を発生してきたcw Er3+/Yb3+コドープト・リン酸塩ガラス導波路レーザについて述べる。
【０１５８】
導波管を商業的に入手できるリン酸塩ガラスで製造した。このガラスは、1.15ｗｔ％のEr3O3（0.99×1020イオン／cm3）および4.73wt%のYb2O3（3.97×1020イオン／cm3）をコドープされた。導波管は、幅3〜8μmの範囲のチャネル・アパーチャを持つ200nm厚さのAlマスク層を通して、K+-Na+交換によって形成した。交換は、Alるつぼで375℃で溶融したKNO3内で4時間行われた。ここで報告するレーザ結果は、6.5μm幅のマスク・アパーチャの場合である。イオン交換工程後の試料の検査から、マスク開口の位置に対応するガラス表面の領域が、イオン交換工程中に1〜2ミクロン凹んだことが明らかになった。エッチングされたチャネルの幅はマスク・アパーチャの幅に近く、幅および深さは均一であった。イオン交換工程中のガラスの明らかなエッチングの背後のメカニズムは現在調査中である。イオン交換後の試料内の位置の関数としての屈折率を、屈折近接場スキャニング法を用いて分析した。図1は、6.5μmのマスク・アパーチャで形成された導波管の中心の屈折率深さグラフを633mnの導波管について示す。この方法により、それぞれ0.7μmおよび0.001の精度で相対位置および絶対屈折率の値を決定することができる。
【０１５９】
関心のある波長の光を導波管の一端に結合し、他端から出てくる光を校正済み赤外カメラに結像させることによって、導波管の横モードを特徴付けた。この方法を用いて決定されるモード寸法の不確定性は〜10％である。このデバイスは、幅14.5μm×深さ7.5μmの寸法を有する1.54μmにおける単一横モードをサポートした（1/eの位置で測定した）。導波管は980nmで多横モードをサポートした。しかしデバイスがレーザを発生したときに、励起エネルギは主として、幅6.4μm×深さ3.6μmの寸法を持つ最も低い次数の横モード内に閉じ込められた。
【０１６０】
デバイスをTi3+サファイア・レーザで励起させた。研磨した導波管端面に薄い誘電ミラーを配置することにより、導波路レーザ・キャビティを形成した。ミラーを小さいばねクリップにより適位置に保持し、損失を減少するためにミラーと導波管端面との間に屈折率整合油を使用した。ミラーの1つと4倍顕微鏡対物レンズを通して励起レーザを発射した。レーザ出力および非吸収ポンプを16倍対物レンズで平行化し、フィルタを用いて分離した。レーザ・キャビティは長さ20mmであった。発射されたポンプが通過するミラーは、1536nmおよび980nmでそれぞれ＞99.9%および＞15%の反射率であった。出力カプラは1536nmで60%の反射率を持ち、入射ポンプ電力の85%を透過した。導波管の長さおよびキャビティ出力カップリングはどちらも最適化しなかった。発射効率は、入力ミラーおよび発射対物レンズの透過による損失を含めて、≦71%と推測された。2つの異なるポンプ波長のレーザ出力電力特性を、図2に示す。979nmでポンピングを行った場合、発射されるポンプ電力しきい値は51mWであった。611mWの979nm発射ポンプ電力に対して、168mWの最大出力電力が得られた。ポンプ・レーザをYb3-の吸収ピーク外に調整することによって、より低い閾値を得ることができた。960nmのポンプ波長の場合、閾値は23mWであった。両方のポンプ波長の場合の勾配効率は〜28%であった。
【０１６１】
上述した広帯域キャビティを使用して、ER3+/Yb3+レーザは通常、同時に幾つかの波長で作動する。1536.0、1540.7、および544.8mnでの同時作動を示す典型的なレーザ・スペクトルを図3に示す。作動の波長は、平行化された1.5μmのレーザ出力の一部をプリズムに通し、誘電ミラーを用いてプリズムを通してそれを反射させることによって、シフトさせることができる。これにより、弱く結合された外部キャビティを形成した。プリズムを回転することによって、1536から1595nmの範囲の波長を発生させることができた。
【０１６２】
多くの3準位希土類レーザの共通する特徴は、励起レーザ電力の小さい変動によって発生し得る持続緩和振動である。このレーザでは、〜0.5から1.5MHzの範囲の周波数で出力電力の変動が得られた。変動の振幅はポンプ電力と共に低下した。図4は、ポンプ電力レベルが閾値のすぐ上および閾値の9.4倍の場合の時間の関数としての出力電力を示す。低ポンプ電力では、平均電力の〜30%（ピークピーク）の出力電力変動が観察された。高ポンプ電力では、変動は平均電力の〜5％（ピークピーク）に低下した。Ti3-サファイア励起レーザは、〜2-3％の出力電力変動を示した。ダイオード・レーザをポンプ光源として使用することにより、結果的にEr3+レーザのずっと（qulater）・・・・な動作が達成されるはずである。
【０１６３】
簡単な熱イオン交換工程を使用して製造されるガラス導波路レーザから、今は1.5μmで160mWを超える出力電力を得ることができる。導波路の形状を最適化するために導波路製造工程を改善すると共に（電界イオン交換の組込みおよび埋込み導波路の製造など）、キャビティ長および出力カップリングを調整することにより、これらのデバイスの性能が改善されるはずである。
0004832644.tif 000007
【０１６４】
文献C
ケイ酸塩ガラス内のイオン交換Er3+/Yb3+ガラス導波路レーザ*
P.M.Peters,D.L.Veasey,D.S.FunkおよびN.A.Sanford
Optoelectronics Division,815.04,National Institute of Standards and Technology,325
Broadway,Boulder,CO 80303
S.N.Houde-Walter
The Institute of Optics,University of Rochester,Rochester,NY・14627
J.S.Hayden
R&D-Materials Group,Schott Glass Technologies,Inc.,400 York Avenue,Duryea,PA 18642
【０１６５】
Er3+/Yb3+を共添加したガラス内の導波路レーザおよび増幅器は、1.5μm近傍で動作する小型多機能デバイスの有望な候補である。不均一に広がったガラスホストから生じる大きな利得帯域幅によって、これらのデバイスは、波長分割多重用途で役立つ狭帯域光源にとって理想的なものとなる。さらに、短いキャビティ長によって、これらの導波路レーザは、半導体可飽和吸収体を用いて高反復率（GHz）モードロックレーザの可能性を提供する。このようなレーザは、ソリトン通信システムの光源として理想的なものとなるだろう。遠隔検知や距離測定といった目に安全な波長を必要とする他の用途は、これらの材料に基づく小型、高出力連続波またはQスイッチ導波路レーザ源から恩恵を受けるだろう。さらに、範囲1530〜1550nmで利得を提供する光学的増幅器を実現できるだろう。
協調アップコンバーションの悪影響を低減するために、これらのデバイス内ではEr3+濃度は比較的低く（〜1wt%）に保持しなければならない。しかし、感光するYb3+の濃度は、どんなイオン−イオン相互作用によっても制限されず、デバイス性能に著しく影響することが期待される。様々な著者が、この問題を理論的に研究している。この文献では、Yb3+:Er3+の比が3:1、5:1、8:1であるケイ酸塩ガラス内で、K+・Na+イオン交換によって製造した導波路レーザについての実験結果を報告する。さらに、信号モード容量をどうしたら増大させることができるかを示し、レーザホスト材料とイオン交換処理のパラメータの賢明な選択によって、ポンプ信号のオーバラップを最適化する。その結果、1.54μmで19.6mWほど出力し、974.5nmの始動ポンプ出力が398mWであるEr3+/Yb3+導波路レーザが得られた。
【０１６６】
デバイスは、市販のレーザガラスで製造した。そのガラスは、リンを含まない混合アルカリ亜鉛ケイ酸塩ガラスである。通常、三種類全てのガラスにEr2O3を1wt%（0.85×1020/cm3）添加し、NIST10A、NIST10C、およびNIST10Eに設計したガラスは、Er3+:Yb3+の比が3:1（2.47×1020Yb3+イオン/cm3）、5:1（4.16×1020/cm3）、および8:1（6.83×1020/cm3）となるように各々含有する。報告した結果は、膜厚150nmのAlマスク層内の3μmの開口部を介してイオン交換することによって得た。このイオン交換は、100%KNO3の溶融物内で400℃で14時間行った。
*米国政府の寄与は、著作権の対象とはならない。
【０１６７】
信号波長における導波路の光学モードは、1.5μmのLEDを導波路に接続することで評価し、その出力は赤外線カメラ上に結像させた。導波路は、信号波長で幅20.5±2.1μm×深さ11.5±1.2μm（1/eのポイントで測定）の大きさの単一横モードをサポートした。ホストガラスがカリウムを含む混合アルカリガラスであるので、イオン交換処理でさらにカリウムを導入すると、非常に小さな屈折率変化が生じる。その結果、光学モードは厳密には制限されない。導波路は、ポンプ波長で複数の横モードをサポートしていたが、デバイスがレーザ発振している間にポンプモードを調べたところ、最も低次のモードだけが励起されることがわかった。その結果、ポンプモードと信号モードの間に優れたオーバラップがあることになる。ポンプモードは、幅15.2±1.5μm×深さ7.0±0.7μmと測定された。
導波路の損失は、幅の広いYb3+吸収ピークから離れた860nmで評価した。レーザサンプルに対して等しく作成したサンプル上で行ったカットバック測定は、平均的な導波路の損失がNIST10Aの場合0.25±0.11dB/cm、NIST10Cの場合0.32±0.08dB/cm、NIST10Eの場合0.66±0.12dB/cmであることを示していた。ポンプ光のカップリング効率は、860nmでのポンプスループットを測定し、上記の損失の数字を用いて導波路の損失と同様に、入出力光学系からの損失について補正することで決定した。カップリング効率は、一般に50〜70％であった。このカップリング効率は、860nmと975nmで一致すると仮定した。
【０１６８】
レーザ特性については、屈折率整合流体を用いて、導波路レーザサンプルの研磨した端面に誘電体ミラーを接続し、小さなクリップで所定の位置に保持した。入力ミラーの反射率は1536nmで99.9％であり、ポンプ波長での透過率は90％を超えていた。反射率の範囲が60〜98％である様々な出力カプラを用いた。全ての出力カプラはさらに、ポンプ波長で透過型であった。導波路デバイスは、このガラスホストにおけるYb3+吸収スペクトルのピークである、974.5nmで動作するTi：サファイアレーザでポンピングした。ポンプ光は4倍（NA0.10）の顕微鏡の対物レンズで導波路に接続し、出力信号光は20倍の対物レンズで集束させた。信号出力測定のために、導波路からの出力はInGaAsパワーメータ上に集束させた。
【０１６９】
レーザ性能は、出力カプラの反射率と同様にデバイス長の関数として調べた。図1は、1個のEr3+イオンに対して5個のYb3+を備えたガラスで製造した長さ1.68cmのデバイスについて、異なる二つの出力カプラに対してレーザ信号出力と始動ポンプ出力の関係をプロットしたものである。スロープ効率とレーザ閾値は、レーザのデータに直線をフィッティングすることで決定した。最も低い閾値は、98％反射体を出力カプラとして用いることで達成した。このデバイスは、約59mWの始動ポンプ出力閾値でレーザ発振した。このデバイスのスロープ効率は、始動ポンプ出力に対して2.0％であった。最も高いスロープ効率は、70％反射体を出力カプラとして用いることで達成した。この場合、6.5%のスロープ効率を達成し、始動ポンプ出力閾値は86mWであった。始動ポンプ出力が398mWの場合、このレーザは19.6mWの出力を発生した。
【０１７０】
各ホストガラスについてスロープ効率と出力カプラ反射率の関係をプロットしたものが、図2に示されている。最も高いスロープ効率を与えるために実験的に決定した各ガラスのデバイス長に対するデータがプロットされている。各ホストにおける最も高いスロープ効率性能は、（表1）でも比較されている。
0004832644.tif 000008
【０１７１】
（表１）
異なるYb3+：Er3+添加率を備えたIOG10ケイ酸塩ガラスで製造した最も高いスロープ効率デバイスに対する性能データ
0004832644.tif 000009
【０１７２】
実験結果は、最適な添加率がEr3+ 1個に対してYb3+ 5個に近いことを示している。添加率が3:1から5:1に増大すると、スロープ効率が改善される。さらに、添加率が8:1まで増大してもデバイスの効率は改善されず、ポンプ出力要件に実質的な不利益をもたらす。最近の試みは、NISTで開発された厳密なスカラモデルを用いて、上記の結果を拡張する方向で行われた。さらに、ホストガラスのカリウム含有量の変更は、モード容量を調整しポンプ閾値要件を低減する方法として調べられた。
【０１７３】
1  D.Barbier,M.Rattay,F.Saint Andre,G.Class,M.Trouillon,A.Kevorkian,J.-M.P.Dalavaux and E.Murphy,IEEE Photon.Technol.Lett.9,315(1997)
2  F.Di Pasquale and M.Federighi,IEEE J.Quantum Electron.S0 2127(1994)
3  J.Nilsson,P.Scheer and B.Jaskorzynska,IEEE Photon.Technolo.Lett.6 383(1994)
4  IOG-10 laser glass,Schott Glass Technologies,Inc.,400 York Avenue,Duryea,P.A.IOGの商標は、読者が実験を再現できるようにするために使われ、National Institute of Standards and Technologyによる承認を意味するものではない。
5  D.L.Veasey,J.M.Gary and J.Amin,Proc.SPIE 2996 109(1997)
【０１７４】
文献D
りん酸ガラス中のYb/Erコ・ドープされ、かつ、Ybドープされた導波管レーザ
デイビットI．ヴェージイ、デイビッドS．フランク、フィリップM．ピーター、ノーマンA．サンフォード、グレゴリイE．オバースキィ、ノーマン・フォーンテーン、マット・ヤング、アデールP．ペスキン、ウエイ・チン・リュウ、S．N．ヒュード−ウオルタ、ジョセフS．ヘイデン
国立規格および技術研究所、光電子部、325ブロードウエィ、MC815.04バウルデール、CO80303-3328
Eメール: veasey@boulder.nist.gov
国立規格および技術研究所、高性能システムズ・アンド・サービス部、325
ブロードウエィ、MC890.02  バウルデール、CO80303-3328
Eメール: peskin@boulder.nist.gov
ロチェスタ・セオリ・センター
ロチェスタ大学、ロチェスタ、ニューヨーク州14627
Eメール: welin@pas.rochester.edu
光学研究所
ロチェスタ大学、ロチェスタ、ニューヨーク14627
Eメール: shw@optics.rochester.edu
ショット・グラス・テクノロジー・インコーポレイテッド
400ヨーク  アベニュ、デュリア、ペンシルバニア州18642、USA
Ｅメール: jhayden@sg2301.attmail.com
【０１７５】
要約
希土類ドープりん酸ガラスを使用する導波管レーザの開発に関する最近の研究の実験的および理論的結果を提示する。一つの改良が市場から入手可能なYb/Erコ・ドープりん酸ガラス成分内でイオン交換処理を使用する前回報告された導波管レーザ結果通りに達成された。1540nmファブリ−ペロー導波管で200mWに近づく出力電力で30％に近いスロープ効果を証明した。これらのレーザはほぼ70nmで連続してチューニング（調整）可能である。加うるに、Ybドープされたファブリ−ペロー導波管レーザが製造され、試験された。これらのレーザは67％のスロープ効果を伴う1020nm波長の近くで作動する。さらにイオン交換導波管内で格子状にエッチングすることによって1．5μm近くで作動する単一周波数分布ブラッグ反射導波管レーザ列を実現させた。列内の各レーザは異なる波長で作動する。ランチ・ポンプ動力の関数としてのスロープ効果は26％であり、また閾値がランチ・ポンプ動力のほ50mWで発生する。波長の温度チューニングも証明される。
【０１７６】
1．序論
レーザと増幅器のための希土類ドープ材料内の導波管が、多数の異なる方法を使用して製造された。これらの方法には、バルク−ドープされたシリケート・ガラスおよびりん酸ガラス[1-8] 内の熱およびフィールド助長イオン交換、および光学チャネル導波管内に形成されたいくつかの希土類ドープ誘電体フィルムのフィルム蒸着が含まれる。フィルム蒸着または形成方法はrfスパッタリング[9-10]、プラズマ高揚化学蒸着[11]、フレーム加水分解[12]、イオン注入[13]、レーザ・アブレーション[14] およびゾル−ゲル蒸着[15]が含まれる。本文献においては、Yb/Erコ・ドープされた、またYbドープされたりん酸ガラス内のイオン交換によって形成された導波管レーザに対する検討に限定する。これらの測定には単一周波数分布ブラッグ反射器（DBR）導波管レーザのスロープ効率と閾値、波長チューニング、相対的に強いノイズおよびライン幅が含まれる。本文献では、実験的結果と理論的予想を総合したものを使用する導波管レーザの性能を最適化する方法を簡単に説明する。
【０１７７】
2．実験的プロシージャ
2.1  りん酸ガラスの改良
強力な導波管レーザ技術の改良における最も限界的なステップは、多分イオン交換を支持する適切なレーザ・ガラスの設計と実現化にある。ガラス内で処理されなければならないレーザ特性には、レーザ伝送の吸収および放射断面と光学ポンプ・エネルギー・レベルの吸収および放射断面が含まれる。自発的放射寿命は、相対的に長いレーザ伝送寿命とできる限り短いポンプ寿命を有するレーザとポンプの過渡期のために最適化されなければならない。レーザ動作は相互的アップコンバージョンの効果を減少ないし除去することによっても改善される。Yb/Erコ・ドープされたガラスのようなコ・ドープされたガラスにおいて、増感イオンからエネルギー転換効率が試験されなければならない。りん酸ガラス中でErでコ・ドープされるYbは均一に近い増感効率を提供することができる[16]。
【０１７８】
希土類イオン分光特性を適正化することに付加して、ガラスはチャネル導波管の製造を許容する特性を有していなければならない。強固なガラス内で導波管を形成する最も共通の方法は、イオン交換の処理であり、これでガラス内のアルカリ・イオンが大きい分極率を伴うイオンと交換され、これによってガラス面に近い屈折率に増大せしめられる。このような処理は、開始ガラスがNa2OまたはK2Oのようなアルカリ酸化物要素を含んでいる必要がある。これと同時に、リソグラフィ技術による従来の導波管製造中に使用される化学処理は、ホスト・ガラスが化学的耐久性を提供し、これによって基板面がデバイスの処理中に減成されないことが要求される。
【０１７９】
導波管レーザ・ガラスのための最終的必要条件は、希土類ドーピング濃度がキャビティ長さとモード容積の縮小をできる限り大きくすることである。基本ガラス・マトリックスを大きく変化させることなく、有効な(active)希土類イオンのドーピング濃度を変更できることが重要である。この特徴がなければ、処理特性が基本ガラス特性中の変化に順応するように調節する必要がるので、各ドーピング・レベルはユニークな処理チャレンジ（問題）を提供することが多分可能である。
【０１８０】
上述した必要条件に基づいて、優れたレーザおよび分光特性、さらにイオン交換に対する優れた特性を有するガラスを開発した。得られるガラス成分（市場の名称IOG-1[17]による）は、表1の酸化物のモル％で与えられる。Al2O3が主として付加され耐久性が高められる。これは50モル％を超えるP2O5を含有するガラスを含んでいるりん酸が通常、溶融塩槽で反応され、また導波管調整（すなわち、イオン分布バリアを除去する）に使用される他の処理化学剤と反応されるからである。ランタニドの高い総合含有量（表1にR2O3で表わす）の併合も高められた化学的耐久性に寄与し、またガラス特性に対する最小衝撃で活性イオン濃度の変化を許容する。選択されるアルカリ酸化物はNa2Oである。これはナトリウム・イオンがガラス内で非常に移動性があり、またナトリウム・イオンが導波管の調整に対してカリウムまたは銀とも良く交換されるからである。
【０１８１】
全てのガラスが高純度の素材を使用して溶融される。ガラス中の遷移金属含有量は、20ppmのFeと全ての他の共通遷移金属に対して1ppm未満であると推定される。ランタン、エルビウムおよびイッテルビウム希土類化合物が選択され他のランタニド元素（合計1000ppm 未満）の導入を最少にする。溶融および精練温度は一般的に1250から1350℃であり、精練周期は2から3時間である。生成されたガラスはモールドに鋳造され、530℃で2時間焼きなましされ、30℃／時間で室温に冷却される。次に、鋳造ブロックが、屈折率、濃度および3．0μmと3.333 μmの残留水酸基含有量の特徴サンプルを調整するのに使用される。インデックスと濃度の測定が、レーザになる波長における推定インデックス値の計算と、標準技術を使用して希土類インプット濃度を許容する。[18]これらの波長における吸収率がモニターされ、またそれぞれ1.0cm-1と1.8cm-1未満のレベルに維持された。
【０１８２】
2．2  分光測定
Yb/Er コ・ドープされた、また、Yb ドープされたIOG-1ガラス・サンプルがスペクトル吸収の測定のために用意された。両ガラスは4 x 1020cm-3のYb の濃度でドープされ、また1 x 1020cm-3Er イオンを含有するコ・ドープされたサンプルである。特性サンプルの寸法は9mm厚、21mm高さ、10mm幅である。吸収スペクトルは自動分光光度計を使用して測定された。エルビウム・イオンのための放出断面スペクトルが、測定スペクトル吸収を使用するミニスカルコ・アンド・クインバイ[20]によって適用されたマックカンバー[19]の理論を使用して計算された。Yb放出断面は測定された瞬時放出スペクトルから得られ、また測定された放射線崩壊率を得ることによって計測される。放出スペクトルを測定することによって、サンプルが974nmの波長でポンプされ、またスペクトルが0.3mトリプル格子スペクトロメータを使用して記録される。
【０１８３】
コ・ドープされたガラス内の(4)I13/2Erレーザ・マニホルドの寿命が、音響光学モジュレータを使用して50Hzで974nmポンプ・レーザ・ビームをチョップすることで励起パワーの消滅の制限値が測定された。1550nmの波長に近い蛍光崩壊が観測され、1/eの寿命が決定された。(2) F5/2 Yb レベルの寿命が974nmに近い蛍光崩壊の観測によって同様に測定された。
【０１８４】
2.3  導波管レーザ製造工程
導波管レーザがYb/Er コ・ドープされた、また、Yb ドープされたIOG-1りん酸ガラス内で製造された。Yb/Er ガラスが1.15重量％のEr2O3（1.0 x 1020イオン／cm3）と4.73重量％のYb2O3(4.0 x 1020イオン／cm3）でドープされた。Ybドープされたレーザに対して、ガラスは4.73重量％のYb2O3（4.0 x 1020イオン／cm3）でドープされた。導波管が3から8μmの幅の範囲にあるチャネル・アパーチャを介してK+ -Na+ 変換によって形成される。このアパーチャは200nm厚のAl マスク層内にエッチングされた。交換が375℃で4時間溶融KNO3 を含有するるつぼ内で実行される。以下に報告されたYb /Ee レーザ結果は、6.5μmマスク・アパーチャを使用して形成された導波管と、Yb レーザの結果が3μmマスク・アパーチャである。
【０１８５】
分布ブラッグ反射器（DBR）表面リリーフがフォトレジストの0．5μm厚層内で分離コドープされた試料を使用して11個の導波管の櫛型を製造した。90°のコーナーをフォログラフィック（レーザ写真）露光[21]のために二つのビームに分割した。露光角度はΛ＝507.8nm の周期の格子を描くようにセットされた。1.515±0.003 の推定有効指数を有する導波管に対して、この周期が計算されλ＝1538.6nm±3 nmでレーザ操作を提供する。フォトレジストの現像中632.8nm HeNe レーザからの光の回折がモニターされた。[22]最初に回折されたパワーが最大に達し、格子が除去され、リンスされ、乾燥された。
【０１８６】
Ar イオンのスパッタリングによってフォトレジスト・パターンをガラスに転写する前に、試料を60°傾斜させてCr の40nmを表面上に蒸着し、電子ビーム蒸着源とした。この方式による試料の取り付けが、Cr をして格子線上のみに蓄積せしめ、溝には蓄積させず、従って、耐久性のあるエッチング・マスクが提供された。6.67Pa（50-mトル）Ar イオン・プラズマによる反応性イオン・エッチング・システムを使用して20分間ガラス内の格子をエッチングした。低圧プラズマが、周波数13.5MHz で365Ｗの結合電力で稼働されたときに、1700Vの大きい自己バイアス電圧を生成する。電極スペースは3.2cmである。エッチング後、85℃でフォトレジスト・ストリッパ内でサンプルが超音波的に洗浄される。図1は完全なDBRレーザ・アレイの概略を示す。
【０１８７】
2.4  導波管およびレーザ測定
いくつかの測定が、イオン交換導波管の特徴を決定するのに実行された。サンプル内位置の関数としての屈折率が、近接フィールド・スキャニング[23]の方法を使用して分析された。導波管の横断モードの寸法が、光を導波管の一端に結合され、他端から放出される光を、校正赤外線カメラ上に作像することによって測定された。
【０１８８】
Yb/Er コドープされたファブリ−ペロー・レーザ（エッチングされた格子のないレーザ）を試験するために、一般的にチューニング可能なTi:Al2O3 レーザを使用して導波管をポンプした。図2はレーザ測定セットアップの概略を示す。研磨された導波管端面上に広帯域誘電体ミラーを配置してレーザ・キャビティを形成した。このミラーは端面とミラー間にインデックス・マッチング・オイルを伴う小さいばねクリップによって正しい位置に保持される。ポンプ・レーザ光が4X顕微鏡対物レンズを伴うミラーの一つを介して放出された。レーザ出力と非吸収ポンプ光が16X顕微鏡対物レンズで視準され、フィルターを使用して分離された。放出されたミラーを通るポンプ（レーザ）光が、それぞれ1.54と0.96μmで＞99.9％と15％の屈折率を有している。出力カップラは1．54μmで80％、また0．96μmで15％の屈折率を有している。導波管長さもキャビティ出力カップリングも適正化されていない。
【０１８９】
Yb ドープ導波管レーザが図2に示したものと同様のセットアップを使用して試験された。Yb3+ デバイスは10mm長さである。ポンプ入力ミラーが950nmで50％、また1030 nm で98％の屈折率を有している。1020 nm で7％と21％の二つの出力カップラが観察された。これらの出力カップラは、950nmでそれぞれ32％と34％の屈折率を有している。
【０１９０】
図2に示したような形態は、スロープ効率およびYb/Er コドープDBRレーザの閾値の評価にも使用された。DBR格子が端部取付ミラーの代わりに出力カップラとして使用された。レーザの長手方向モード構造を調べるために、レーザ出力を、124GHzのフリー・スペクトル範囲を有する光ファイバー走査ファブリ−ペロー干渉計に結合した。
【０１９１】
75MHz周波数シフト[24]を伴う従来の自己ヘテロダイン形態を使用するDBRレーザのライン幅を測定した。自己ヘテロダイン・システム内の二つのアーム間の経路長さの差は10kmで、これはガウスのライン形状[25]に対して30kHzのライン幅解像度制限に対応している。光学的アイソレータが両アームに使用され、帰還に起因する光学的ライン幅が狭くなることを阻止している。しかし、レーザの出力端は傾斜されていない。
【０１９２】
いくつかの他のレーザ・パラメータがDBRレーザのために測定された。0.1nmの解像度を有する自動スペクトル・アナライザを使用してチップ上の他の導波管のレーザ波長を測定し、波長中の変化を拡散アパーチャ幅の関数として決定する。0.1と1.1GHz間に8μm拡散アパーチャで形成されたDBRレーザの過剰な相対的強度なノイズ（RIN）が、rfスペクトル・アナライザを使用する短いノイズで校正されたRIN測定システムを使用して測定された。格子安定化974nmピッグテール・レーザ・ダイオードがポンプ・ソースとして機能する。ポンプからの光が非球面レンズを使用する導波管レーザに結合された。DBRレーザの出力パワーが測定のために2mWに設定された。DBRレーザの波長は、導波管取付部材と接触した抵抗性ヒーターを使用して30℃から80℃のレーザ・チップの温度を変化させることによって温度調整された。
【０１９３】
3．実験結果
3.1  分光器による結果および寿命
図3aはYb/Er コドープIOG-1内のエルビウム・イオンの吸収および放出断面のスペクトル依存関係を示す。この方法を使用するEr3+ のピーク放出断面が1542nmで6.6 x 10-21cm2 であることが分かった。(4) I13/2Er マニホルドの測定された上方状態寿命が、消滅励起パワーの限界で8.1msであることが測定された。図3bは4 x 1020cm-3のYb 濃度でドープされたIOG-1ガラスのための吸収および放出断面のスペクトル依存関係を示す。(2)F3/2 レーザ・マニホルドのピーク放出断面が1.27 x 10-20 cm2 であり、974nmの波長で発生する。(2) F5/2 レベルの発光寿命が1.4msであることが測定された。ピーク吸収断面が974nmであり、また1.28 x 10-20 cm2 であった。これらの報告された断面の不確定性は≦20％である。Yb/Er 相互緩和効率については検討セクションで述べる。
【０１９４】
3.2  導波管測定結果
イオン交換後、導波管サンプルの視覚検査で、マスク開口部のロケーションに対応するガラス面の領域が交換処理中に約1μmだけくぼんだことが分かった。くぼんだチャネルの幅はマスク・アパーチャの幅に近接しており、また幅と深さにおいて均一である。1000x ノーマスキー・コントラスト顕微鏡を使用して観察されたくぼんだ領域内のガラスの表面品質が、ガラスのオリジナル面と同様に見え、目立った拡散損失は生じていないことは明白である。導波管の端面はチャネルと直交して研磨された。最終サンプル長さは22mmである。
【０１９５】
図4は6.5μmマスク・アパーチャで形成された導波管の中央で屈折光線測定方法から得られた屈折率深さ形状を示す。データが635nmの波長を使用して取られた。空間解像度は〜1μmで、絶対インデックス値の不確定性は〜0.001である。インデックス形態は、カリウム−ナトリウム・イオン交換が代表である0.008の最大インデックス変化を示している。
【０１９６】
導波管は1540nmで16μm幅の11μm深さ（強度形態の1/eポイントで測定して）の寸法を有する単一横断モードを支持する。980nmの多重横断モードを支持する。しかし、デバイスがレーザ処理されるときに、ポンプ・エネルギが、13μm幅と9.5μm深さの寸法を有する最も低いオーダーの横断モード内に主として制限される。この方法を使用して決定されたモード寸法の不確定性は〜10％である。
【０１９７】
3.3  Yb/Er ファブリ−ペロー導波管レーザ測定結果
960nmでポンプされる22mmデバイスのための結合ポンプ・パワーの関数としてのレーザ出力パワーを図5に示す。65と71％間である入射ポンプ・パワーの結合効率を推定した。これには入射ミラーと照射対物レンズの伝送のために損失が含まれている。図5のx軸上に示した結合ポンプ・パワーは71％結合効率を基準にして計算された。パワー測定の不確定性は5％になると推定される。閾値ポンプ・パワーは23mWであり、スロープ効率は28％であった。導波管の一端は実験中に偶発的に削られ、端面を再研磨することが必要になった。797nmでポンプされたときに、得られた20mm長さの導波管レーザの結合ポンプ・パワーの関数としての出力も図5に示す。照射ポンプパワー閾値は51mWであり、170mWの最大出力パワーが照射ポンプ・パワーの610mWに対して得られた。これらのパワー・レベルにおいて、ポンプ・パワーの関数としてスロープ効率内の変化はなく、Yb イオンはYb/Er コドープされたシリカ・ファイバー・レーザ内で実行されるようには飽和されないことが示唆される。[26]
【０１９８】
Yb/Er レーザがいくつかの波長で同時に操作されるのが普通である。1.536、1.541 および1.545 μmにおける同時操作を示す一般的なレーザ・スペクトルを図6に描く。レーザ・スペクトルは、コリメートされた（光線を平行にする）1.5μmレーザ出力をプリズム中を通過させ、これをプリズムを通って戻るように反射させ、さらに誘電体ミラーを使用して導波管に通すことによって波長をシフトすることができる。キャビティを図7aに示す。出力カップラ・ミラーの回転により1536から1595 nm の範囲の波長を生成した。
【０１９９】
レーザの調整は、また図7bに示した長尺キャビティ形状を使用することによって達成される。レーザ出力カップラに対して0.6の屈折率を示す第1オーダーの格子を使用した。格子を回転させ、結合ポンプ・パワーが980nmの波長で280mWであるとき、レーザを1525nmから1564nmまで調整した。波長の関数としてのレーザ出力パワーを図8aに示す。レーザの三つの代表的なスペクトルを図8ｂに示す。
【０２００】
3.4  Yb ドープ導波管レーザ測定結果
照射ポンプ・パワーの関数としてのレーザ出力パワーを図9に示す。これらの測定結果に対するポンプの照射効率は45％であった。7％の出力カップラに対して、949nmでポンプされたときの閾値は、結合ポンプ・パワーの18mWであった。21％の出力カップラに対して、閾値ポンプ・パワーは25mWであり、120mWまでの出力パワーが得られた。カップル・ポンプ・パワーに基づくとき、スロープ効率は67％である。
【０２０１】
Yb/Er レーザと同様に、Yb レーザは一般的に同時にいくつかの波長で操作される。低ポンプ・パワーにおいて、より短い波長でより大きい基底状態再吸収損失のためにより長い波長の変換が支配している。導波管内のポンピング強度が増大するにつれて、Yb イオンの基底状態母集団、従って、基底状態再吸収損失が低減し、Yb3+ 放出断面のピークに接近しているより短い波長の変換が好まし。
【０２０２】
Yb ドープ導波管レーザが、1200溝／mmを有する回折格子から第1オーダーの反射を使用する導波管に戻されるコリメートされたレーザ出力パワーのある部分を反射することによって調整された。キャビティは図7bと同様であった。格子の回転が連続的に986nmから1050nmまでレーザを調整した。
【０２０３】
3.4  単一周波数Yb/Er コドープ化DBRレーザ
図10は照射ポンプ・パワー、レーザ・スペクトルの関数としてのDBRレーザ出力パワーを示す。この導波管のための導波管拡散アパーチャは8μmであった。照射ポンプ・パワーの関数としてのスロープ効率は、ポンプ結合係数を71％としたとき、26％である。
リグロード[27]の理論から導出された簡略レーザ式を使用する格子の反射率の推定は：
0004832644.tif 000010
(2)
であり、ここにPl は格子端における出力パワーであり、またP2 は格子の他方端における出力パワーである。R1 は格子反射率であり、またR2 は固定ミラーの反射率である。R2 に対して80および90パーセントの反射率を有する二つのミラーを使用した。両方の場合において、格子反射率R1 を65パーセントとして計算した。
【０２０４】
図11は、結合ポンプ・パワーが300mWを超えないときに、単一長手方向モード上で作動するレーザを示す。このレーザはTE偏光を伴う強固な単一周波数であり、またモード・ホッピングを観測しない。図11中の挿入図は、結合ポンプ・パワーが300mWを超えたときに、現れる第2長手方向モードを示す。このポンプ形態において、レーザは不安定であり、モード・ホッピング、単一周波数操作および二重周波数操作を呈する。長手方向モード間の空間で周波数を測定することによって、レーザ・キャビティの有効な物理的長さが1.4cmであることを決定した。
【０２０５】
図12は自己ヘテロダイン・スペクトルを示す。この測定から得られたレーザのライン幅は、500kHzである。チップ上の11個の導波管の内7個がレーザ発振を呈した。小さいアパーチャによって形成された導波管は、閾値を達成しなかった。これは小さいモードの容積が、格子の35％透過損失を克服できないような利得の縮小を生ぜしめるためである。表3は5から8μmの範囲の拡散アパーチャ幅を有する導波管の櫛状部を走査したレーザ操作波長を示す。概して、波長は、拡散アパーチャ幅が広くなるにつれて長くなり、アパーチャ幅が広くなるにつれて有効インデックスが増加することに一致している。目に見える欠陥が導波管4番に明白であり、これは傾向からずれていることによる。
【０２０６】
RIN測定の結果を図13に示す。図13aはRINが〜0．5GHz以上の周波数に対して-150dB/Hz未満に降下することを示している。データは洗練されていない。RIN中の不確実性は2dB/Hzであると推定される。100kHzと10MHz間の相対的振幅ノイズを（ノイズ・フロアに関して）測定することにより、緩和発振ピークが図13bに示したように350kHz近くに位置することが分かった。これらのノイズ測定はEr ドープされたファイバー・レーザと一致しており、レーザがさらに上方の閾値[26]で操作されるときにより低いRINが期待される。
【０２０７】
温度の関数としての波長を図14に示す。試験レーザの調整範囲は0．8nmの波長△λ内での変化に対して1536nmから1536.8nmまで直線的に変化する。この調整範囲は50℃を越える0.6nmのレーザの予測される調整能力とうまく一致している。この予測はガラスの熱膨張係数と温度の変化の関数としての屈折率に基づいており、また次式によって近似される：
0004832644.tif 000011
(3)
ここに、△は格子周期、またｎはガラスの屈折率である。温度の関数としての波長安定性は、典型的な半導体DFBレーザ[28]のものより概して15倍小さい。従って、安定波長を維持するための温度制御条件が緩和される。
【０２０８】
4．  検討
22mmと20mmの長さがこれらのYb/Er コドープ導波管レーザの最適長さでないことに注意するのが重要である。導波管レーザ・シミュレーション・ツールを使用することにより、長さの関数としてのレーザ出力特性と導波管モード−フィールド・サイズを予測した。シミュレーションは、三次元グリッドに対するYb/Er レーザ・レート式と合同する現象学モデル、前後方向伝搬レーザ信号および前方伝搬ポンプ信号[29]に基づいている。伝搬強度態様は、測定横断レーザ・モード寸法と基本的ポンプ・モード寸法を近似されただ円関数(elliptical functions)によって近似された。モデル中で使用したガラスおよびレーザ・パラメータを表2にリストする。Yb/Er 断面緩和係数（Ccr） および共動するアップコンバージョン係数（Cup） はフィッティング(fitting) パラメータである。実際の測定と分析に基づいた他のレーザと導波管パラメータの妥当な概算（近似値）は他の数値に使用される。図5はレーザ・シミュレーションの結果と比較した実際のレーザ・データを示す。Cer-3.5 x 10-16 cm3/s とCup＝2.5 x 10-18 cm3/s を使用して、ベスト・フィットを得た。Ccrと参照文献6からの断面緩和量的効率
0004832644.tif 000012
(I)
のための近似値を使用して、断面緩和量的効率と97％として計算し、りん酸ガラス(17)のための一般的な効率とした。この式において、寿命τ32が約2.8μsと推定した。
【０２０９】
1から2cmの範囲の異なる導波管レーザ長さを同時に使用することが実行された。図15はいかに出力パワーが、80から95％までの範囲の反射率と結合するいくつかの出力と、500mWの一定レーザ・ポンプ・パワーのためのキャビティ長さの関数として変化するかを示している。図16はモード幅、モード深さおよび最適化導波管レーザの出力ミラー反射率の関数としての出力パワーを示す。最高の解決策が赤でカラーコード化される。すなわち、公称キャビティ長さを1cmとし、また放射974nmポンプ・パワーを500mWと仮定して175から185mWの範囲の連続波出力である。最適解決策は82.9％の出力ミラー反射率と、6μm x 12μmの寸法を有するレーザ・モードと、1.54μmで184mWの連続波出力パワーを有する。最適化（方法）が、導波管ソルバー[31]とレーザ率公式モデル[29]によって駆動される適用性のあるシミュレートされた焼きなましアルゴリズム[30]を使用した。最適化方法の詳細は後の文献で提示する。
【０２１０】
5．結論
要約すると、導波管レーザの製造のためのりん酸をベースにしたレーザ・ガラスの開発への導入を提示した。IOG-1をベースにしたガラス内でイオン交換することにより形成されたYb/Er コドープ導波管レーザに対して得られた最近の結果は、以前に証明された導波管レーザへの劇的な改善を示す。本文献に提示されたレーザは、飽和することなく200mWに近い1500nmの電気通信ウインドウ内で出力パワーを生成した。28％の傾斜効率が達成された。波長調整が外部キャビティを使用して70nmを超えて実行された。Yb/Er ドープ導波管レーザのシミュレーションは、レーザ性能のさらなる改良が出力結合、キャビティ長さおよびドーピング濃度を適正にすることによって可能であることを示している。1536nmで単一長手方向モード上で作動する低ノイズDBRレーザが、製造され試験された。製造工程は、波長−分割−マルチプレックス電気通信のためのITUグリッド（通信網）と一致する波長を伴うモノリシック（単一の）レーザ列に適用することができる。これらの結果に付加して、986から1050nmの波長範囲に渡って動作するりん酸ガラス内のYb ドープ導波管レーザを実演した。効果を一体化した光学レーザのこれらの実演は、導波管レーザがこれまで半導体レーザ源の領域にあった多数の適用例に使用可能な期待できる新しい技術であることを明白に示した。
【０２１１】
認証
著者はロチェスタ大学の努力を支持するためにナショナル・サイエンス・ファウンデーション(PHY-94-15583)と、U.S.アーミィ・リサーチ・オフィス(DAAH04-95-0300)を認証する。
0004832644.tif 000013
【０２１２】
表2  モデルであるYb/Erコドープ導波管レーザに使用されるパラメータ
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【０２１３】
表3  導波管、マスク・アパーチャ幅および対応するDBRレーザ出力波長のリスト
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【０２１４】
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【０２１５】
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【０２１６】
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【０２１７】
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【０２１８】
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【０２１９】
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【０２２０】
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【０２２１】
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【０２２３】
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【０２２４】
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【０２２５】
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【０２２６】
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【０２２７】
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【０２２８】
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【０２２９】
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【０２３０】
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【０２３１】
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【０２３２】
参考文献
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【０２３３】
図の説明
図1：単一ピッチ格子を使用して実現された分布ブラッグ反射器導波管レーザ列と有効インデックスが変化する拡散導波管。
図2：ファブリ−ペロー導波管の試験ベッドの概略。
図3：a)IOG-1りん酸ガラス内のEr3+ イオンのための波長の関数としての放出および吸収断面。スペクトル放出がマックカンバーの方法を使用して、計算された。b)IOG-1内のYb3+ イオンのための波長の関数としての放出および吸収断面。
0004832644.tif 000034
によって規定されたスペクトル幅を指示。
図4：反射近フィールド走査方法を使用して得られたEr3+/Yb3+りん酸ガラス導波管の635nmにおいて測定された屈折率深さ形態。
図5：20mmと22mm長さのEr3+/Yb3+導波管レーザのためのポンプ・パワーの関数として1540nm出力パワー。20mm長さデバイスを979nmでポンプされ、また22mmデバイスを960nmでポンプされた。さらに、導波管レーザ・モデルを使用するデータに対する理論的フィットを示す。
図6：ファブリ−ペロー導波管レーザのための典型的な多重波長出力。
図7：導波管レーザの調整のために使用された拡張キャビティ設計。a)プリズム調整された弱結合キャビティ、b)格子調整拡張キャビティ。
図8：a)格子調整ファブリ−ペロー（F-P）導波管レーザから得られた調整曲線、b)F-P導波管レーザの典型的な多重波形出力スペクトル。
図9：1.02μmの波長で作動するYb ドープ導波管レーザのための結合ポンプ・パワーの関数としての出力パワー。実線はスロープ効率がここから導出されるデータに対する最高の直線フィットを示す。
図10：照射977nmポンプ・パワーの関数としての1536.3nmで単一周波数レーザ出力パワー。破線はここから導出されるデータに対する最高の直線フィットを示す。挿入図は直線スケール上のDBRレーザのスペクトルを示す。
図11：単一周波数操作を示すDBRレーザ出力のファブリ−ペロー（FP）インターフェローメータ。挿入図は300mW を超えるポンプ・パワー（Pp）のための二重周波数操作を示す。長手方向モード・スペーシングは7.2GHzであり、1.4cmの光学キャビティ長さに対応。
図12：75MHzにおける自己ヘテロダイン・ビート・スペクトル。全幅、最大ライン幅の半分がほぼ500kHzである。
図13：a)0.1から1.1GHzの周波数帯域内で相対的強度ノイズ（RIN）がショット・ノイズ構成ＲＩＮシステムを使用、b)300kHz近くの緩和発振ノイズ・ピークを示す校正されていない振幅ノイズ・スペクトル。下方の曲線は、測定システムのノイズ・フロワを表わす。
図14：温度関数としてのDBR導波管レーザの波長。破線は波長傾向に従った目の助けをするためのものである。
図15：出力カップラ反射率のいくつかの値のためのレーザ長さの関数としてシミュレートされた出力パワー、b)1cm長さのレーザ・キャビティのためのモード−フィールド直径の関数としてのシミュレートされた出力パワー。
図16：最適化導波管レーザのための1．54μmにおける導波管のモード幅と高さの関数としての出力パワーと、最適化導波管レーザのための出力ミラー反射率。mWにおける出力パワーの範囲がカラー・バーによって指示される。
【０２３４】
文献E
Er及びEr／Yb注入導波路レーザの厳密スカラー設計＊
デビット  エル  ビーセイ＠、ジョン  エム  ガリー、及びジェイミン  アミン国立規格技術研究所、ボールダー、コロラド州80303−3328
＊：合衆国政府の貢献、著作権の支配下にない。
＠電子メールアドレス：veasey@boulder.nist.gov
【０２３５】
要約
希土類元素注入導波路レーザの特性を予測する厳密スカラーモデルが開発された。そのモデルは2つの非同次波動方程式からなり、1つの方程式は前方伝搬レーザ信号出力に関し、他方の方程式は後方伝搬レーザ信号に関するものである。これらの方程式は1つの前方伝搬、ポンピング信号を表す非同次波動方程式と一緒になる。これらの3つの波動方程式は空間依存レーザ速度方程式と一緒になって時間依存微分方程式のシステムを作る。この大きなシステムの方程式は適切な初期及び境界条件を用いて、空間近似値のコロケーションを用いる線の方法によって解決される。このシステムの解決によって時間及び位置依存レーザ信号出力、ポンピング出力、及び任意の導波モードに対応する導波路レーザ共振器内の分布密度を予測するデータを生成する。この新しいモデルで立てた仮説は、レーザ共振器内の横方向領域が長手方向位置の機能と同じ形状を維持し、空間ホールバーニングと定在波の効果を無視することである。我々はこのモデルをEr及びEr／Yb注入レーザの連続波及びQ切換えレーザ性能を予測するのに使用していた。我々は実際に研究室で連続波のYb／Er注入導波路レーザを作動させて良好な比較結果が得られた。Er注入及び注入Yb／Er注入Q切換えレーザのシミュレーションの結果は500Wオーダの高い最高出力と1nsのパルス幅を達成できることを示すことが紹介された。
キーワード：導波路、レーザ、Q切換え、エルビウム、イッテルビウム、設計、イオン交換、光源
【０２３６】
2．序論
過去何年にもわたってバルクガラス1−6、誘電体膜7並びにLiNbO3及びLiTaO38−10といった電子光学ホストなどの誘電性の材料における半導体導波路レーザ光源の開発にかなり興味を持たれていた。このような光源の興味は、1．55μｍ帯で作動する光学的通信システムでエルビウム注入ファイバーアンプの開発が成功することによって最初に起こさせた。希土類元素注入ガラス導波路レーザは半導体レーザの対応物よりいくつかの利点がある。利点の中には半導体レーザより緩やかな製造公差のため、製造コストを低くされ、広い波長領域で調節可能で、本質的に低い相対強度ノイズ（RIN）、及び細いレーザ線幅を含む。加えて、ビームの外形及び開口数は光学ファイバーにほとんどぴったり一致させることができる。更にビームの外形及び開口数は高出力パルス作動に必要な高エネルギー保持能力も示す。プレーナー導波路装置の基本的な制限の1つは共振器長さが短いことが求められていることである。これは、光学的なポンピングされる閾値が長さが任意に延ばすことができるファイバーレーザより幾分高いことである。この問題を解決するために、いくつかの異なった提案が実行された。1つは活動イオンの注入濃度を上げることである。このことは材質の単位長さ当りの利得を上げ、そのため閾値を下げる。しかし、注入濃度が上げられた時、ほとんどの主材料に濃度クエンチのリスクが存在する。このことは上げられた共同の準位上昇変換11によって性能劣化にダメージを与えることになる。導波路レーザ光源の最適化をする他の解決策としては、主材料の最適化、（共振器長及び出力カプラーの反射率の賢明な選択による）共振器設計の最適化、ポンピングのカップリングの最適化、及び（イッテリビウム（Yb）にエルビウム（Er）といった共通ドーパントの投入による）ポンピング率の最適化といったものが含まれる。導波路の指数特性を注意深く設計することも非常に大切で、その特性は理想的なモード領域や信号波とポンピング波の重なりを生成する。理想的な性能を達成するために、上記の全てを同時に行うための注意をしなければならない。この課題は多数のパラメータ、極めて非線形のシステムを取り扱うので明らかに平凡でない。これらの理由により、我々は連続波モード及びパルス作動モードのための導波路レーザ性能を正確に予測するためのレーザモデルを開発した。この予測設計ツールは有用であり、かつ確実に製造可能な製品となる理想的な導波路レーザ設計を決定させることができる。
【０２３７】
3．モデルの形成
我々のモデルでは、できるだけ少ない条件にすると同時にシミュレーションのために現実的なコンピュータのランタイムを維持して現実的な導波路レーザのモデルを試みた。典型的な導波路レーザ及び共振器の図は図1に示す。
0004832644.tif 000035
我々は導波路レーザ共振器で正確に伝搬を表す波動方程式を導き出すために幾分古典的なやり方を用いて基本的な微分の計算から始めた。同様の波動方程式の導出は、ミリオニ及びエバリ12により発表された。我々もまた伝搬信号がレーザ共振器内で結合される幾分古典的なレーザ率方程式を用いた。多重周波数及び複数のエネルギー準位を有するシステムのために我々が開発したモデルは本項で述べる。
【０２３８】
モデルは2つの特定のタイプの方程式にグループ分けされる。これらは時間依存スカラー波動方程式と時間／空間依存レーザ率方程式である。波動方程式はレーザ共振器内の光学振動数の前方及び後方伝搬を数学的に示している。簡単にするため、我々はこの論文で発表されたモデルでは2個の光学振動数のみを含めた。これらの光学振動数はλ＝1542nmにおけるレーザ信号周波数とλ＝980nmにおけるポンピング信号である。この簡略化で3個の1次波動方程式が生成される。1つは前方伝搬レーザ信号であり、1つは後方伝搬レーザ信号であり、1つは前方伝搬ポンピング信号である。コンピュータ・コードは、各波長及び伝搬方向に関する追加の波動方程式を加えることにより、簡単に他の振動数を適応させることができる。
【０２３９】
これらの波動方程式は
0004832644.tif 000036
(1)
0004832644.tif 000037
(2)
0004832644.tif 000038
(3)
【０２４０】
これらの式は時間依存レーザ率方程式のセットと結合される。式中のエネルギ準位分布密度Ni＝Ni（t,z,r,θ）は時間と位置の関数である。
率方程式は、
0004832644.tif 000039
（4）
である。
【０２４１】
これらの方程式は材料内の希土類イオンエネルギー準位が吸収、誘導放出並びに長手方向及び横方向寸法の関数としての自然放出によって構成され、かつ劣化される比率を示している。このセットの方程式はパスカル13によって発表された。セット内の多くのレート方程式はシミュレーション内で追跡したいと思う多くのエネルギー準位によって決定される。本論文のEr／Ybが共に注入されたシステムに関して、セット中に6度の従属方程式が存在し、そのことは6個のエネルギー準位を追跡することを意味する。このシステムでは2度の従属不変方程式が存在する。他の興味あるエネルギー準位の遷移を把握するレート方程式のセットを変更することは簡単である。このことは、多くの希土類元素注入レーザ及びアンプを設計するのに大きな自由度が得られる。伝搬モード領域の横方向依存性は、横方向領域の解又は2つの横方向寸法の機能とする導波路に関する測定された横方向領域をサンプリングすることにより、把握される。レーザシート方程式のセットの各サンプル点は、主材料に静止イオンを有する横方向領域の相互作用を把握するためにモデルに挿入される。
【０２４２】
P＋及びP−はレーザ共振器内の長手方向位置の関数としての前方及び後方伝搬レーザ出力である。Ppはレーザ共振器内の前方伝搬ポンピング出力である。この場合におけるポンピング出力は反射率Ｒ2を有する出力カプラと対向する端部から発射されると想定される。レーザ信号の光学出力（W／cm2）はP±（z,t）|Es（r,θ）|2であり、ここで|Es|2は正規化強度分布でありcm−2の単位を有する。ポンピング信号PPは同様のやり方で処理される。NiはEr／Ybが共に注入された材料の種々のエネルギー準位の分布密度である。NiはErの4I15／2の基底状態であり、N2はErの4I13／2レーザ準位であり、N3はErの980nmにおける4I11／2ポンピング準位であり、N4はErの800nmにおける4I9／2ポンピング準位及び準位上昇変換準位であり、N5はYbの2F7／2の基底状態であり、N6はYbの2F5／2ポンピング準位である。図2はEr／Ybが共に注入されたシステムのエネルギー準位図を示す。Ybポンピング準位は非常に広いエネルギー幅を有することを示すために分割して示す。
0004832644.tif 000040
CupはEr4I13／2レーザ準位からの共通準位上昇変換係数であり、Cup3は980nmにおけるEr4I11／2ポンピング準位からの共通準位上昇変換係数であり、CcrはYb2F5／2レベルからEr4I11／2レベルへの横断緩和係数又は綱前方結合であり、C14は共通準位下降変換係数又は共通準位上昇変換係数の逆の係数である。Aは第1の添え字付エネルギー準位から第2の添え字付エネルギー準位までの非放射自然放出率である。Cは真空中の光速であり、ngはレーザモードの有効指数であり、npはポンピングモードの有効指数であり、αsはレーザ共振器の内側の長手方向位置及び時間の関数としての利得係数である。
【０２４３】
方程式（1−3）の右辺の第2の項は各ポイントZ及び時間tにおける誘導放出又は吸収及び過剰な導波路損失によるレーザ線幅内の出力の寄与あるいは損失を示す。n0xm0は横方向寸法及び2次元グリッド内のノード数を示しており、そこでの強度はサンプリングされ、そこでNiは算出される。
利得あるいは損失係数αsは正規化された伝搬出力分布の重複積分及び分布密度を算出し、それから放出又は吸収断面を乗ずることによりブジャレクレブ14にならって計算される。
0004832644.tif 000041
(5)
σ21及びσ12はレーザ波長における主材料の放出断面及び吸収断面である。導波路中の正規化強度伝搬はZとは無関係と考え、以下の（6）式の要求によって正規化される。
0004832644.tif 000042
(6)
Zの機能としての利得係数とtは（7）式で与えられる。
0004832644.tif 000043
(7)
αisは導波路損失係数であり、それは希土類元素イオンによらない散乱及び吸収からの過剰な導波路損失を把握するために除かれる。この期間では他の位置依存損失を加えることも可能であり、その損失は製造パラメータ又は共振器形状の関数である。例えば、位置及び時間依存期間は、導波路装填材料からの鏡体損失又は局部集中損失又は共振器内カプラーを把握するために追加することができる。
【０２４４】
ポンピング吸収係数αpは、以下の式で与えられるようにErイオン及びYbイオンに関する基底状態分布の重複積分と正規化ポンピング強度|Ep|2を演算し、更にポンピング吸収断面を乗ずることにより同様に算出される。
0004832644.tif 000044
(8)
αipは980nmポンピング波長における過剰な吸収及び散乱損失である。ポンピング強度|Ep|2は信号領域として同じ方法で正規化される。それは（9）式に記載される。
0004832644.tif 000045
(9)
【０２４５】
方程式（1）及び（2）の右辺の第3項は、伝搬光学出力τ21への自然出力の寄与を示している。τ21はレーザ準位の自然放出寿命である。係数Bspは（10）式で与えられる。
0004832644.tif 000046
(10)
ここでηはレーザ線幅内の自然放出効率で、導波路開口数の立体角に対する方程式自然放出スペクトルの周波数を超える積分の時期を決める球面の立体角の比によって近似される。hνは単一レーザ光子のエネルギーである。この自然放出の近似値はブジャクレグ14により述べられた方程式バンド幅近似値と同じである。
W21、W12、W13、W56及びW65は長手方向及び横方向寸法の関数としての誘導放出率及び吸収率であり、式（11）で与えられる。
0004832644.tif 000047
(11)
【０２４６】
我々はErモデルに対して（デサブァイバ15によって概説された）ような他の準位を加える計画がまだないモデルでは他のエネルギー準位を含めていない。このことは装置性能上の励起状態吸収（ESA）及びその効果の考察を可能にする。各追加のエネルギー準位は各横方向領域のサンプル点に関するレート方程式に対する追加の方程式を加える。
方程式（1）−（4）は適切な初期条件と境界条件で同時に解かなければならない。これらの条件は、システムが作動するレーザ又はアンプ状態を決定する。レーザモデルに関して、初期条件は以下の形態をとる。
0004832644.tif 000048
(12)
【０２４７】
これらの条件は、レーザシステムが当初静止しており、ポンピング波がサンプルにおいて著しい影響を及ぼす分布密度のない伝搬された単一共振器長を有することを想定している。このことはポンピングに関して初期条件におけるはっきりした断絶を回避することを完了する。
境界条件はP＋、P−及びPＰの値に以下のように課す。
0004832644.tif 000049
(13)
R1はレーザのポンピング入力端における高反射ミラーの反射率であり、R2はレーザの出力カプラーの反射率であり、αsatは出力カップリングミラーのすぐ内側のレーザ共振器内にある薄肉の任意の吸収スイッチの時間変化吸収係数である。Lsatはexp（−αsatLsat）の減衰を有するスイッチを設ける薄肉アブソーバの有効長である。Ppoはサンプルの入力端において送り出され、時間0から一定に保持されるポンピング出力である。Lは共振器長である。連続波作動に関してαsatは0に設定され、Q切換え作動に関してαsatは時間通りに吸収係数の依存性を示す関数に設定される。これは実際のQ切換の概略説明である。我々は強度の関数を切換えする吸収係数を簡単に生成することができ、従って可飽和アブソーバを有し、モデルに更に何の複雑性も取り入れることなしに受動Q−切換えを設計することが簡単にできる。
【０２４８】
4．解決法
ここで、我々のモデルは初期値問題の形態の多くのセットの結合微積分方程式からなる。解決手順の第1のステップは積分を変換して法則化されたガウス−ラゲール求項式16で計算できる。以下に示す式に与えられる楕円状の電子領域を表すために円柱座標を用いる。
0004832644.tif 000050
(14)
方程式（5）及び（8）の積分は以下の形態を有する。
0004832644.tif 000051
(15)
S＝2β□θ□r2でφ＝θの変換における積分は以下のようになる。
0004832644.tif 000052
(16)
これは積分変数S中のガウム−ラゲール求積式の使用が要求されている形態である。一旦、ｓ内の概略積分が使われているポイントのｎ0が選択されると、それからポイントの位置と求積法の対応する重みがライブラリ、ルーチン16によって決定される。それからSを越える積分は以下の式に近づく。
0004832644.tif 000053
(17)
Wjは求積法ルーチンによって生成された重みである。台形法則はφをこえる積分を近似するのに使われる。しかし、問題は双曲線初期値の問題となる横方向（S、φ）面にわたって打ち切られる。
0004832644.tif 000054
(18)
ベクトルU（z、t）は離散ポイント（Zi、Sj、φk）における解の値を含む。1≦I≦I0、1≦j≦n0、1≦k≦m0に対してU（t）＝（Pi＋、Pi、Pip、N1j、j、k．．．N4ijk）である。
【０２４９】
次に3次エルミート配列17による近似値はこれらの方程式をZ−方向に離散させていた。まず装置の長さを含むZ1＜Zi+1を有する節点Ziのセットが選択される。解は各節点における解ベクトルU及びその空間導関数Uzの値によって表される。これらの値は各部分区間（Zi、Zi+1）で3次多項式を決定する。これらの多項式は解を近似するのに使用されていた各区間内の空間導関数はこれらの多項式を微分することにより決定される。各節点におけるUの値及びその導関数により表されたU（Z）の代わりに、各部分区間内の2つのガウス求積点におけるU（Z）の値によって3次多項式を決定することが便利である。更にU（0）及び端点におけるU（L）の値が必要である。ガウス求積点と端点は配置点であり、そこで部分微分方程式の右辺の値が求められる。このことは通常の微分方程式（ODE）のシステムとなる。それは線近似方法18である。最後にODEのシステム内の不明のベクトルはW（t）＝（（Pv＋, Pv−, Pvｐ,N1vjk．．．N4vjk）であり、ここでPは次の配置点Zvでの近似値である。ここで1≦n≦2I0である。従って全体の不明関数は（3＋n0m0）2I0である。我々が使用している一般的な計算はI0＝10、n0＝16及びm0＝1であるが、我々はm0を12まで使用した。このODEシステムはペッツゾイド19による3次ドメイン・ソフトウェア・パッケージを用いて解決された。
【０２５０】
5．連続波レーザの成果
我々は今回連続波モード及びQ−切換えモードで作動するEr／Ybを共に注入した導波路レーザの性能を予測するために従属モデルを用いた。両方の場合において、全てのイオンが基底状態にあると見なされ、共振器内のレーザ信号出力が0である時に静止状態にあると当初想定される。ポンピングはt〜0の時に作動し、分布が逆に作用することになしにレーザ共振器の他端に瞬時に伝搬するように想定される。この2cm導波路レーザの手順で約0．1nsを必要とする。この時点で解法を開始し、レーザ共振器出力とエネルギーレベル分布は位置と時間の関数として軌跡を描く。
【０２５１】
定常状態の解決に関して、レーザ共振器からの出力が定常状態に達するまでコードか作動する。解決策が我々が求めている全てであるなら、明らかに定常状態のレーザ性能を解決するのに計算上最も効果的な方法ではない。我々の主目的は時間応答を予測することであるので、我々は更に効果的な定常状態計算コードを導入していない。閾値以下及び閾値以上の作動期間中に、我々はレーザ共振器内の時間依存出力と反転分布内の変量を解く。
【０２５２】
図3はYb濃度が3：1から10：1に上昇すると同時にEr濃度の一定が保たれない時の結合されたポンピング出力の関数としての導波路レーザの予測された定常状態出力を示している。これらのシミュレーションの全てはS内の16の横方向節点を使って行われた。S寸法を7節点だけ使用しても同様の結果が得られた。楕円形領域に関する解決策は一般的にそれらの使用円形領域の数パーセント内であるので、我々は計算時間を一定にするためφ内の1つの節点だけを使用した。
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図3：Yb濃度が上昇すると同時にEr濃度が1×1020ions／cm3で一定である時の結合されたポンピング出力の関数としての予測された出力のプロットである。
図4：Yb／Er共注入レーザの理論データと実験データの比較である。表1はレーザ装置の設計に用いたパラメータの束を示した。そこには可変パラメータとしてエネルギー準位上昇変換率（Cup）とYb−Er交差軽減係数（Ccr）を有する。フィット1に関してCup＝1×10−18cm3／sでCcr＝0．75×10−17cm3／sである。フィット2に関して、Cup＝1×10−18cm3／sでCcr＝1×10−17cm3／sである。フィット3ではCup＝0でCcr＝0．75×10−17cm3／sを示す。表1はこれらのシミュレーションに使用されたパラメータの値が示されている。これらのパラメータは我々がNIST−10と呼ぶリンが入っていないアルカリケイ酸塩ガラスに近いものである。Er／Yb共注入材料の誘導放出断面のような我々には不正確なバラメータはNIST−102,3,11,13,20を構成するのと同様のYb／Er及びEr注入ガラス上の文字を調べることにより得られる。導波路近視野像吸収断面、及び寿命といった他のパラメータは、モデルに組み込まれ、測定される。
【０２５３】
交差軽減係数が左側が一定の時、Ybの変量に関する図3のような曲線を生成するのは有益でない。この係数 CcrはYb濃度の有力な関数であり、Yb濃度が上昇している時に上昇する。この上昇の主目的は平均のYbイオンがErイオンに近づき、従って転送効率が上昇する。Er／Yb共注入ガラス内のエネルギー転移の議論はローマン、他2,21により発表されている。彼らは交差軽減係数を決定するのに用いることができる式を発表している。この幾分近似的な式を用いて、ローマンの装置に関してCcr係数が約0．5×10−17cm3／sであることが分かった。この計算は2Fn／2Yb準位では2．0msの寿命であり、4In／2Er準位では10μsの寿命であると想定されている。ローマンはまたYb濃度の関数として効率が上昇することを示していた。図3で生成されたデータに関して、Yb濃度が2．47×1020ions／cm3から8．5×1020ions／cm3まで変化している時に交差軽減係数は0．75×10−17cm3／sから5×10−17cm3／sに連続的に増加すると想定される。これらの数は同様のガラスの組成の基準2及び21から推論されたものと近い。我々は非常に近い将来NIST−10ガラス内のYbの色々な濃度に関するパラメータの測定をするつもりである。Yb濃度が上昇したときに転送効率が一定である場合、レーザの性能は同じ長さのサンプルで、低下したポンピング効率により、実際に少し低下する。レーザ閾値は更に高Yb濃度では上昇する。これはYb濃度が上昇した時に、ほとんどのポンピングはレーザの前端で吸収され、従って装置の出力端のポンピングが減少するという事実によるものである。これは出力端に向けてのレーザ共振器内の吸収損失を上昇させる効果を有し、従って閾値は上昇する。ドープした濃度やサンプル長さは同時に最適化されることがシミュレーションから明らかである。出力曲線の曲率は、ファーマン、他22に報告されたようにポンピング出力が上昇した時に上方のYb準位の緩やかな飽和になる。
【０２５４】
我々はEr及びEr／Ybが注入されたいくつかのNIST−10導波路サンプルのレーザ作動を実証した。導波路は溶融塩イオン変換によって作られた。手順の詳細は以下の出版物に続く。図4は研究室データとシミュレーションから得られた予測値とを比較したものを示す。これらの理論的曲線を生成するために、我々のガラスに関する系統的な方法でこれらの分光のパラメータが決定されていないので適切なパラメータとして我々はYb−Er交差軽減係数Ccrと不変の準位上昇変換係数Cupを用いた。フィットに用いた値は図4に示してあり、典型的な値はNIST−10ケイ酸塩ガラス102,3,11,13,20に用いられた注入濃度のための文献に引用されている。全てのフィットのために、導波路の1542nm信号波長での過剰損失は0．15dB／cmに設定されており、それは1300nmにおける0．2dB／cmの測定値より幾分低い。ポンピング波長における過剰損失は0．3dB／cmに設定されている。我々が考えるこれらの値はポンピング及び信号領域の現実的な損失値であり、1300nmにおいて削減方法によって測定された値が与えられる。実線で示されたフィット1は傾斜効率と閾値に対して3つのフィットの中で最も低く、我々はそれが我々の実験的なエラーとなると考えている。しかし、我々の出力測定のエラーは完全に特徴づけたわけではない。フィット2は交差軽減係数がわずかに0．75×10−17cm3／sから1．0×10−17cm3／sに上昇し、準位上昇変換率が一定に保持される効果を示している。この少しの変化はポンピング効率を上昇させるためのレーザの出力を上昇させる効果を有するが、閾値は少しも変化しない。このことは導波路中の低い伝搬損失により最もありそうなことである。フィット3はシミュレーションからの一定の準位上昇変換効率を除くと共に0．75×10−17cm3／sの元の値における交差軽減係数を保持する効果を示している。この効果は少しの量によってレーザ出力を上昇させ、従ってモデルに使用された低い準位下降変換率が少しの性能悪化もしないことを示している。図5はいかにして傾斜効率とこのレーザの閾値が出力カプラ反射率の関数として変化するかを示したプロットである。図4に示された実験的なレーザ特性は、98％の出力カプラ反射率で使われている。この作動ポイントは丸印がついたダイヤモンドのマークでマークされている。この作動ポイントは低閾値作動には良いが、高出力用には不十分である。なお、これは高出力が望まれたときは不十分な作動ポイントであるが、低レーザ閾値のポイントである。出力及び閾値間の良き妥協点は98％反射率から75％反射率へ出力カプラを調整することである。このことは傾斜効率をほぼ4倍上昇させると共に閾値を2倍にだけするものである。このことは正確なレーザモデルの必要性の優れた実測であり、これで最適化された希土類元素注入導波路レーザの早い設計の収束を可能とする。図5のプロットはレーザ傾斜効率（左軸）と共振器出力反射率R2の関数としてのレーザ閾値（右軸）の相関関数を示している。装置の傾斜効率は研究室の実証の丸印がついたダイヤモンドのマークでマークされている。
0004832644.tif 000056
【０２５５】
6．Q−切換レーザシミュレーション
最後に我々は時間依存レーザシミュレーションをQ−切換え導波路レーザのモデルで行った。我々は共振器構造として図1を用いた。そこでのQ−切換えは導波路facetの端部に取付けられた作動スイッチである。結合されたミラーはスイッチ材料の後側に置かれている。このようなスイッチは半導体複数量子井戸構造を用いることで可能となる。このことはQ−切換が作動した時、レーザの閾値より高い分布転移を瞬時に生成するためのポンピングが可能となる。我々は余弦S状屈曲関数を用いて5nsの間開く作動Q−切換えをプログラムした。初期消光はα1＝50設定され、それはレーザの閾値をLsat＝0．5mnに保持する。結合されたポンピング出力は200MWに設定され、スイッチが開く前に2msの間ポンピングされる。我々のモデルが他のQ−切換モデルと比べて唯一にしたことは、我々は高Q共振器又は共振器内で均一な強度を有するものであることを想定していない。我々は平面波電子領域も想定しておらず、我々は一般的な2、3種類のレベル及び遷移の代わりに数種類のそれらを含んでおり、我々はポンピング強度の飽和を進む。更に、エネルギー準位分布密度の分布がポンピング又は信号領域のように同じ形状を想定することをしていない。分布は位置及び強度の関数として可変自由にされている。
【０２５６】
図6は図4のフィット1で用いられたパラメータと同じものが用いるQ−切換パルスシミュレーションのグループである。これらのシミュレーションは出力カップラ反射率のみ変化する。反射率は減少するので出力の取出しに関するほとんど理想的なポイントは到達し、わずかに狭いパルス発振をし、更に高いピーク出力を有する。この共振器長の最適値は約80％反射で、ピーク出力予想が346Wである。反射率がこの点を越えて減少した時、レーザ共振器内の光子の平均寿命と一緒の共振器の周回利得は幅の広いパルスとなり少ないピーク出力を有する。我々はまだパルス幅を決定する中心となるファクタを決定していない。多くのパラメータがパルス幅判定に含まれていることが分かった。共振器長を2cmから1．4cmに縮めることによりピークパルス出力が更に最適化されることを示す。この点で、最適化パルスは幅が少し狭くなり、励起ピーク出力は400Wを越える。パルスに影響する近視野寸法、信号ポンピング重複、Yb注入濃度及びEr注入濃度といった他の重要なパラメータは詳細に調べられた。
【０２５７】
7．まとめ
要約すれば、我々は統合された光導波路レーザのシミュレーションに使われる時間依存モデルの詳細を提供した。そのモデルは非常に少ない近似値を有する導波路レーザを扱う。我々が行った近似は信号及びポンピングフェーズの追跡に関したものである。我々はレーザ共振器内の波動伝搬の位相を追跡しなかった。このことは共振器定在波や空間ホールバーニングといった予測した効果やこれらの効果に関する分布濃度や強度の相関関係が得られなかった。
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図6：実証したEr／Yb共注入導波路レーザからのQ−切換えパルスの予測。
出力カプラの反射率は98％から65％に変化した。示したグラフは最適化したパルス（最も高いピーク出力と小さい幅）は反射率が80％に最適化された時引き出される、R2＝98％パルスでのFWHMパルス幅は1．58nsであり、R2＝90％パルス幅では1．5nsであり、R2＝80％パルス幅の時は1．68nsであり、R2＝65％パルス幅の時は2．32nsである。我々が行った他の近似は、導波路中の強度分布はZ又は時間の関数として変化せず、自然放出は多くの周波数中に離散されない。本形態でのモデルは我々に正確なモデル導波路レーザとアンプを提供した。我々はそのモデルを予測方法に使用し、連続波Yb／Er共注入導波路レーザの研究室結果をシミュレートした。シミュレーションから傾斜効率データのフィットは適切な入力パラメータの全てに関して優れた現実的な値を使用している。更に、我々はEr／Yb共注入ガラス導波路レーザの予測されたQ−切換性能を報告し、1−2cmオーダのサンプル長さに関する何百ワットに到達できるピーク出力値を示した。これらのシミュレーションでは作成された導波路レーザのパラメータが使用された。我々は設計空間について十分吟味しなかったし、更に最適化された設計が実現できると強く信じている。設計空間及びレーザパラメータ内の相互作用の完全な研究は現在進行中である。ここで議論されなかったシミュレーションは、1KWオーダの出力は共振器設計の最適化及びポンピング及び信号案内波の重複を最大にする導波路インデックス形状の入念な工業技術を通して達成できる。
【０２５８】
このモデルはレーザ及びアンプ用のいくつかの異なった希土類元素システムのモデルに広範囲に用いられることが予想される。この作業は導波路及びファイバーレーザの設計を最適化したり、最も重要な主パラメータを決定するためにも行われた。この方法でモデルは、レーザ性能が最も効率を持つパラメータを表すために測定ツールとして作用する。これらのパラメータは更に適切な主材料の開発を促進するために更に正確に測定される。これらのシミュレーションは、希土類元素材料と装置の我々の現在の仕事に関するすこぶる有益なツールなったことを証明する。
謝辞
著者はNISTのBradley Alpertに対して有用な議論及び方程式ソルバーの開発に多大な利益を得た
【０２５９】
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11．M. Federighi およびF. Di Pasquale, “高Er3+/Yb3+濃度を有する珪酸塩導波路アンプの性能における対誘発エネルギ転移の効果”、IEEE光通信技術レター、7巻、P303〜P305（1995）
12．P.W. MilonniおよびJ.H. Eberly, “レーザ”、ニューヨーク、ウィレイ、1988、ch.10
13．F. Di PasqualeおよびM. Federighi,“高Er3+/Yb3+濃度共注入ガラス導波路アンプの改良利得特性”、ＩＥＥＥ量子電子工学誌、30巻、P2127〜P2131（1994）
14．A. Bjarklev, “光学ファイバアンプ：設計とシステム応用”、アクテック・ハウス、ボストンーロンドン  ch5 （1993）
15．E. Desurvire, “エルビウム注入ファイバアンプ”、ウィルレイ、ニューヨーク州、Ｐ278（1994）
16．G. Golub およびJ. Welsch, “ガラス量子法則”、マス・コンプ、22巻、P221〜P230（1969）
17．M. Schultz, “スプライン解析”、プレスティンホール、イングリウッド・クリフ、ニュージャージー州（1973）
18．M. David, “化学技術者向け数値法則と設計”、ウィルレイ、ニューヨーク（1984）
19．Petzoid, “DASSLの詳説：差動／代数システムソルバー”、プロシージャIMACS世界会議、モントリオール、カナダ（1982）
20．J.E. Roman, M. Hempstead, C. Ye, S. Nouh, P. Camy, P. Laborde およびC. Lerminiaux, “エルビウム注入ガラス内の1．7μm励起状態吸収測定”、応用物理レター、64巻、P470〜P472（1995）
21．J.E. Roman, M. Hempstead, W.S. Brocklesby, S. Nouh, J.S. Wilkinson, P. Camy, C. Lerminiaux. およびA. Beguin, “燐酸塩のない珪酸塩ガラス内の1．5μmにおけるダイオードポンピングイオン交換Er/Tb導波路レーザ”、第7回集積光学欧州会議、ポストデッドライン紙、P13〜P16（デルフト1995）
22．M.E. Fermann, D. C. Hanna, D.P. Shepherd, P.J. SuniおよびJ.E. Townsend, “1．56μmにおけるYb好感度化Ｅｒファイバレーザの効果的な作動”、電子工学レター、24巻、P1133〜P1136（1988）
【０２６０】
表1  モデルであるYb/Erコドープ導波管レーザに使用されるパラメータ
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【図面の簡単な説明】
【図１】  導波レーザ用のテスト装置の模式図である。
【図２】  ＩＯＧ−１が融合された燐酸ガラス基板の模式図である。
【図１】
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【図２】
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