(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ポンプに結合するための第１端部と、該第１端部の反対側にある第２端部とを有する平面導波路（PWG）を含む光学増幅器であって：
第１クラッド層と；
第２クラッド層と；
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間にあり、一様にドーピングされたコア層であり、該コア層は、当該光学増幅器の前記ＰＷＧの長さに沿って一様な全吸収パワーを達成するように前記第１端部での小さな厚さ及び前記第２端部での大きな厚さを有するテーパーが付けられ、前記PWGの長さに沿った如何なる点においても、前記第１クラッド層が前記第２クラッド層よりも大きな厚さを有する、コア層と；
を有する、光学増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載された光学増幅器であって、前記第１クラッド層が、前記PWGの長さに沿って比例的にテーパーが付けられ、前記第１端部での大きな厚さ及び前記第２端部での小さな厚さを有し、前記第2クラッド層が前記PWGの長さに沿って一定の厚さを有し、前記PWGが長さに沿って一様な全体厚を有するよう形成される、
ことを特徴とする光学増幅器。
【請求項３】
請求項１に記載された光学増幅器であって、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層が、前記PWGの長さに沿って一定の厚さを有し、前記PWGが長さに沿って前記コア層の可変厚さに比例して変化する全体厚を有するよう形成されている、
ことを特徴とする光学増幅器。
【請求項４】
請求項1に記載された光学増幅器であって、前記コア層が、前記PWGの一端から他端に対するテーパー比率３：１を有する、
ことを特徴とする光学増幅器。
【請求項５】
請求項1に記載された光学増幅器であって、前記コア層の厚さが、前記第１端部における約２５ミクロンから前記第２端部における約７５ミクロンまで変化する、
ことを特徴とする光学増幅器。
【請求項６】
請求項1に記載された光学増幅器であって、前記第１クラッド層が、前記PWGの長さに沿って比例的にテーパーが付けられ、前記第１端部での大きな厚さ及び前記第２端部での小さな厚さを有し、前記コア層の厚さに対して逆比例的であり、
前記第２クラッド層が前記PWGの長さに沿って一定の厚さを有して、前記PWGがその長さに沿って一様な全体厚を有して形成されている、
ことを特徴とする光学増幅器。
【請求項７】
請求項６に記載された光学増幅器であって、前記コア層の対応する側をエバネッセント波（e-wave）被覆として機能する材料の一様な層でコーティングすることにより、前記第２クラッド層が形成されている、
ことを特徴とする光学増幅器。
【請求項８】
請求項１に記載された光学増幅器であって、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層がそれぞれ、前記PWGの長さに沿って一定の厚さを有し、前記PWGが長さに沿って前記コア層の可変厚さに比例して変化する全体厚を有するよう形成されている、
ことを特徴とする光学増幅器。
【請求項９】
請求項１に記載された光学増幅器を含むマッハ・ツェンダー干渉計。
【請求項１０】
請求項１に記載された光学増幅器を含む波長分割マルチプレクサ。
【請求項１１】
請求項１に記載された光学増幅器を含むレーザー兵器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して平面導波路に関し、より詳細には、テーパー付きコア厚を有する、端部でポンピングされる平面導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学導波路は、光学スペクトル内の電磁波をガイド（guide）する。光学導波路は、光学通信システム内で伝送媒体として使用することができる。導波路は、例えばエルビウムドープ光ファイバ増幅器（Erbium-doped  fiber  amplifier）などの光学増幅器として用いることもできる。平面導波路（PWG）は、単一の横軸内で光学波をガイドする特定のタイプの導波路である。PWGは、平面的であり、高い屈折率の中間（コア）層が低い屈折率のクラッド層により両側を包囲された３層のサンドイッチ幾何形状を有する。PWGは、典型的には、高いアスペクト比（例えば、１００対１又はそれ以上）を有し、すなわち、１つの横軸内で薄く、他の軸内で幅広であり、ある配置（例えば、PWG増幅器）における取り付け及び熱除去を容易にする大きな平面的表面領域を有する。中間層の屈折率が包囲するクラッド層よりも高いので、全反射により光を中間層内に閉じ込めることができる。コア層の一端中へ光を入射させることにより、PWGの導波モードが励起される。
【０００３】
PWGはしばしば、レーザーダイオードなどのレーザー内で用いられる。PWGはまた、マッハ・ツェンダー干渉計及び波長分割マルチプレクサなどの多くの光学要素内で用いられる。レーザーダイオードの空洞は、大抵、直方体光学導波路として建造される。
【０００４】
PWG増幅器は、レーザービームなどの光学信号をブーストするための導波路を用いる光学増幅器である。増幅は、典型的には、PWGのドーピングされたコア内のドーパントイオンからのフォトンの誘導放出により得られる。典型的には、コアは一定のドーピングレベルを有する。ポンプレーザーがイオンをより高いエネルギーレベルへと励起し、より高いエネルギーレベルからイオンは信号波長でのフォトンの誘導放出を介して低エネルギーへと戻る遷移をなしうる。励起されたイオンは、自然に減衰（自然放出）でき、或いはガラスマトリクスのフォトンとの相互作用を含む非放射過程を通じて減衰できる。これらの２つのタイプの減衰メカニズムは、光増幅の効率を減少させる誘導放出に匹敵する。より高いレーザー利得媒体（増幅器）に対する主要な障壁は、デバイスに沿った最大温度である。最大温度は、デバイスの破壊又は機能障害を導き得る。温度プロフィールは、ポンプ光がPWG内へと入力されるところでピークとなる。大きな温度勾配はまた、PWGの波面誤差（wavefront  errors）を導く。単位長当たりのピーク熱負荷に比例する熱効果によって、電力スケーリング（power  scaling）が究極的に制限される。
【０００５】
波面とは、同一位相を有する点の軌跡であり、すなわち、二次元での直線又は曲線、又は3次元での波動伝搬の表面である。大電力PWG増幅器内での波面歪みが、PWGのガイドされない横方向軸内での熱勾配から生じる。これらの横方向軸内での熱勾配を最小化することが、高出力パワーにおける高いビーム品質動作を可能にする。従来の大電力PWGレーザーは、PWGの両側に適用される冷却方法に対称構造を用いる。
【０００６】
平面的な導波路は、歴史的に、一様なコア厚さ及び一様なクラッド層厚さで製作されてきた。このことは、端部ポンピングされるPWGにポンプパワーが結合される場所で、より高熱を導く。熱的効果により電力スケーリング（power  scaling）が基本的に制限されるので、非一様加熱を伴うデバイスは、より一様な加熱を伴うデバイスの電力スケーリングポテンシャルに到達することができない。熱一様性を改良しようとした従来の試みは、利得媒体中でドーピング勾配や区分ドーピングを用いて熱的一様性を改良するものであった。しかし、ドーピング勾配を伴うレーザー利得媒体を製作する方法は未成熟で実施が複雑であった。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
いくつかの実施形態において、本発明は、製造が単純化された兵器級のパワーレベルに対するスケーラビリティ（scalability）のために最適化されたPWGまたはレーザー利得媒体（増幅器）幾何形状である。本発明は、製造困難な（従来案による）ドーピングレベル勾配を要求せずに、利得媒体中で高度に一様化されたポンプ分布を達成する。レーザー利得媒体のコア層が、長さに沿ってテーパー付き構造を有する。
【０００８】
いくつかの実施形態において、本発明は、光ポンプに結合するための第１端部と、第１端部の反対側の第２端部とを有する平面導波路（PWG）である。PWGが、第１クラッド層；第２クラッド層；及び第１クラッド層と第２クラッド層との間にある一様にドーピングされたコア層を有する。コア層は、第１端部で薄く、第２端部で厚いテーパーが付けられ、コア厚対クラッド層厚の比が第１端部で小さく、第２端部で大きい。
【０００９】
いくつかの実施形態において、第１クラッド層及び第２クラッド層は、PWGの長さに沿って同一の厚さを有する。いくつかの実施形態において、第１クラッド層は、PWGの長さに沿ったあらゆる位置において、第２クラッド層よりも厚い厚さを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明のこれらの及び他の特徴、特色及び利点は、以下の明細書、添付の特許請求の範囲及び添付図面に関してより明白になる。
【図１】代表的なPWGの幾何形状を示す。
【図２】従来技術の三層PWGを示す。
【図３】本発明のいくつかの実施形態に従った、テーパー付きコア厚を有する例示的な対称PWGを示す。
【図４】本発明のいくつかの実施形態に従った、テーパー付きコア厚を有する例示的な非対称PWGを示す。
【図５】本発明のいくつかの実施形態に従ったテーパー付きコア厚、及び従来のPWG形状に従った一様コア層の場合の軸方向ポンプ吸収分布のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
いくつかの実施形態において、本発明は、テーパー付けられたコア形状を有するPWGである。いくつかの実施形態において、PWGは、対称的な（全体）構造を有し、一方側のクラッド層の逆テーパーによって、コアのテーパーが補償される。いくつかの実施形態において、PWGは、非対称的な構造を有し、コアの一方側のクラッド層がコアの反対側のクラッド層よりも薄い。いくつかの実施形態において、本発明は、PWGの長さに沿ってポンプ吸収速度を変化させ、結果としてポンプ入力付近で吸収速度が低く、長さに沿って吸収速度が増大していく。吸収速度の増大はポンプパワーの減少にバランスして、単位長当たりの比較的一様な全吸収パワーを達成する。
【００１２】
本発明は、PWGの両側で最適化された冷却機構を採用する。このようにして、本発明は、緩やかな軸方向熱勾配を最小化する。また、非対称PWGの薄い方のクラッド層上の蛍光の吸収を減少させることにより、本発明はガイドされていない軸方向波面誤差に実質的な改良をもたらす。
【００１３】
本発明のPWGは、光学増幅器、マッハ・ツェンダー干渉計、波長分割マルチプレクサ、又はレーザー兵器において用いることができる。
【００１４】
いくつかの実施形態において、本発明は、テーパー付けられたコア厚及び選択的にテーパー付けられたクラッド層の厚さを用いて、平面的な波長利得媒体の長さに沿って可変なコア／クラッド比をもたらす。クラッド層は一定の厚さを有して良く、或いは整合するような逆テーパーを有しても良く、それにより、複合構造（コア層プラスクラッド層）の外方表面が平行になる。後者の形状により、ポンプ光閉じ込めがデバイスの長さに沿って一定に維持される。いくつかの実施形態において、薄い方のクラッド層は単なる被覆であっても良い。
【００１５】
結果として、本発明のPWGは、ポンプ吸収一様性を達成するためのコア内の可変ドーピングを要求せず、かくして製作が容易になる。さらに、本発明のPWGは、導波路の長さに沿ってほぼ一定のポンプビーム開口数（NA）を有する。
【００１６】
図１は、典型的なPWGの幾何形状を示す。図示されるように、入力信号ビームは、PWGの一端（図では左側）においてコア層内へ導入され、コア層を通って反対端へと伝搬する。PWGは大きな表面面積対容積比を有し、効率的熱除去及び低ストレスを可能にする。大きな信号強度が高効率及び高利得を可能にし、高いアスペクト比が、例えば入手可能なCOTSレーザーダイオードアレイからの単純で効率的なポンプ結合を可能にする。短い長さ及び大きなコア面積が、兵器級パワーでの狭帯域動作を可能にする。設計の単純性が、小寸法軽量のコンパクトなパッケージングを可能にする。
【００１７】
図２は、従来の三層PWGを示す。図示するように、セラミック・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）複合コア層が、同じ厚さの２層のセラミック・YAGクラッド層により挟まれる。この構造は、２つの大面積の接合部（bonds）及び全部で６つの接合部を含む。多重コアセクション（プラス端部接合部）が、バランスされた熱リードを達成するが、これは多くの応用のために依然として適切ではない。この典型的なPWGの製造は、多重接合部の複雑性のために長いリードタイムを有する。
【００１８】
図３は、本発明のいくつかの実施形態に従った、テーパー付けられたコア厚を有する例示的な対称PWGを示す。図示されるように、一様にドーピングされたコア３０２が、ポンプ入力端部３０８においてより薄い厚さを有し、導波路の反対端部に向かって厚くなるようにテーパーが付けられている。上方クラッド層３０４及び下方クラッド層３０６が比例的な逆テーパーを有し、全体的な構造が一定の厚さを有する。すなわち、２層のクラッド層は互いに対称的であり、ポンプ入力端部３０８において厚い厚さを有し、テーパー付きコア層とは逆のテーパーが付けられ、導波路の反対端部に向かってより薄い厚さを有する。このようにして、コア層厚対クラッド層厚の比がポンプ入力端部３０８において小さく、結果としてその端部における低いポンプ光吸収をもたらす。コア層厚対クラッド層厚の比は、導波路の長さに沿って他端部に向かって増大する。何故ならば、長さに沿って、コア層はより厚くなり、一方クラッド層はより薄くなるからである。
【００１９】
いくつかの実施形態において、導波路の全体厚は、上述したように、長さに沿って一定である。いくつかの実施形態において、２層のクラッド層の厚さは一定であり、すなわちクラッド層はテーパー付けられていない。このようにして、デバイスの全体厚は、長さに沿って変化する。全体厚の変化はわずかに小さい量だけである。何故ならば、コア層の厚さの変化は、クラッド層の厚さに対して有意ではないからである。結果として、テーパー付けられていないクラッド層を用いることができ、製作が容易である。
【００２０】
いくつかの実施形態において、コア層の変化は十分緩慢であり、ガイドされた軸内でビームが単一モードビーム品質を維持できる。言い換えれば、導波路の位置の関数としてのコア層厚変化が十分緩慢である限り、ガイドされた光が、導波路全長に沿って最低次導波モード内に留まる。
【００２１】
ポンプ速度は、PWGの長さに沿って、コア厚／クラッド厚比の関数であるので、PWGの長さに沿ってポンプ吸収の調整をすることができる。いくつかの実施形態は、３：１までのコア厚テーパー比率を用いる。いくつかの実施形態において、コア厚は、PWGの長さに沿って２５から７５ミクロンまで変化し、ポンプ光は、PWGを通る２つの通路（２パスポンピング）を作る。結果としてのポンプ吸収プロフィールは、吸収されるパワー内の長さ方向の変化を２０％以下に維持する。コア内の一定導波路レベルを用いながらこの吸収されるポンプパワー一様性が達成されるので、PWG製作プロセスを容易にする。クラッド層が一定の厚さを有して良く、コア厚はクラッド層厚に比較して小さいので、導波路の全体厚の変化は最小である。
【００２２】
変形的には、クラッド層は、コア層に対して整合する逆テーパーを有しても良く、それにより複合構造（コア層プラスクラッド層）は、長さに沿って一様な厚さを有する。いくつかの実施形態において、高速軸内の導波路の全体厚は１mmから数mm以下のオーダーであり、導波路の長さは、数十から数百mmのオーダーである。いくつかの実施形態において、導波路長に沿ったコア厚の平均値は数十から数百ミクロンのオーダーであっても良く、コア厚テーパー（導波路の一端におけるコア厚対反対端における厚さの比）は導波路の長さに沿って２から１０倍のオーダーである。
【００２３】
コア厚がポンプ入力端付近で最も薄く、ポンプ入力の反対端で最も厚くなるように、コア層を調整することにより、本発明はデバイス長に沿って比較的に一様な加熱を達成し、粗野な製造プロセスと両立する。
【００２４】
図４は、本発明のいくつかの実施形態に従った、テーパー付きコア厚を有する例示的な非対称PWGを示す。図示されているように、（一様にドーピングされた）コア層４０２は、ポンプ入力端４０８においてより薄い厚さを有し、導波路の他端に向かって厚くなるテーパーを有する。これらの非対称実施形態において、クラッド層の１つ、例えば上方クラッド層４０４が、他の（このケースでは、下方の）クラッド層４０６よりも実質的に厚い。すなわち、２層のクラッド層が互いに対して非対称である。下方のクラッド層４０６は、上方クラッド層４０４よりもかなり薄く、コア層に付着された単なる被覆であって良い。すなわち、非対称PWGは、第１クラッド層（本実施形態では頂部クラッド層）、第２クラッド層（本実施形態では、底部クラッド層）を含み、第１クラッド層は第２クラッド層よりも厚い厚を有する。
【００２５】
いくつかの実施形態において、上方クラッド層４０４は、比例的な逆テーパーを有して、一定厚の全体構造をなす。すなわち、上方クラッド層４０４は、ポンプ入力端４０８においてより厚い厚さを有し、テーパー付きコアとは逆のテーパーが付けられ、導波路の他端に向かって薄くなる。このようにして、コア厚対クラッド層厚の比はポンプ入力端において小さく、結果として、その端部において低いポンプ光吸収をもたらす。この比は、導波路の長さに沿って、他端に向かって増大する。何故ならば、長さに沿って、コア層が厚くなり、クラッド層が薄くなるからである。
【００２６】
いくつかの実施形態において、導波路の全体厚は、長さに沿って一定である。他の実施形態において、上方クラッド層の厚さが一定であり、すなわち上方クラッド層がテーパー付けられていない。このようにして、デバイスの全体厚が長さに沿って少しだけ変化する。何故ならば、コア層の厚の変化は上方クラッド層の厚さに対して有意でないからである。結果として、テーパーのない上方クラッド層を用いることができ、製作を容易にしうる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、非対称テーパー導波路上のコア層の一方側は、エバネッセント波（e-wave）被覆として機能する材料の一様な層で全体をコーティングされる。被覆層は、代表的には数ミクロン厚である。これらの実施形態において、コア層の反対側にある（厚い）クラッド層のみがコア厚／クラッド層厚比の変化における役割を果たす。
【００２８】
いくつかの実施形態において、例えば透明又は鏡状の熱インターフェイスにより、蛍光の吸収を最小化するように、薄い方のクラッド層上の冷却が構成される。過剰なガイドされていない増幅された自然な放出（amplified  spontaneous  emission  (ASE)）を最小化し、利得媒体中の寄生振動を除去する目的のため、蛍光の吸収量の制御をもたらすように、厚い方のクラッド層上の冷却が構成される。利得媒体中の寄生振動は、利得クランピング（gain  clamping）をもたらし、或いはPWG増幅器性能の全体的な低下をもたらし得る。
【００２９】
図５は、本発明のいくつかの実施形態に従ったテーパー付きコア層及び従来のPWG構成に従った一様コア厚についての、軸方向ポンプ吸収分布のグラフを示す。図示されているように、一様コア厚の従来デバイスの場合、（単位長さ当たりの）ポンプ吸収はポンプ入力端で最大であり、他端に向かってデバイスの長さに沿って減少する。この例において、一様コア厚の従来デバイスのポンプ吸収は、ポンプ入力端での３５０AUから他端での１２０AUまで、すなわち２３０AUの範囲に亘り変化している。
【００３０】
対照的に、テーパー付きコア層を有する本発明のデバイスの場合、ポンプ吸収は、デバイスの長さに沿って大体一様であり、最大変化が２０５AUと１８０AUとの間である。すなわち、本発明は、デバイスの長さに沿って比較的一様な加熱を達成し、製作がより容易である。
【００３１】
本発明の広範な発明ステップから逸脱することなく、上述の本発明の実施形態に対して、多様な修正がなされうることが当業者に認識される。本発明は特定の実施形態や開示した構成に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義される発明の範囲内で如何なる変化、適応や修正をも含むよう意図されていることが、当業者に理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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