JP4159881B2 - 光源を光導波路要素に適合化するように設計された光集積結合コンポーネント及びこれを含むパワーレーザ。 - Google Patents

光源を光導波路要素に適合化するように設計された光集積結合コンポーネント及びこれを含むパワーレーザ。 Download PDF

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Description

本発明は、その内部に導波路が形成される光基板から形成される光集積結合コンポーネントに係る。
光通信においては、光増幅器がしばしば用いられる。通常、増幅機能は、光ファイバ或いは光集積導波路内に、電力Pi（入力電力）及び波長λsを有する増幅されるべき光信号と、電力Pp（ポンプ電力）及び波長λpを有するポンプ信号を同時に注入することで達成される。これにより、電力（出力電力）Po＝GPiを有する増幅された光信号が得られる。ここで、Gは光増幅器の利得を表が、ポンプ電力が高いほど、利得Gは高くなる。ポンプ電力は、典型的には、約１．５５μｍなる波長λsを有し、例えば、希土類イオンにてドープされたシリカ或いはガラスを用いる現在の光増幅器においては１００から１０００ｍWの間である。
このような高いポンプ電力は、現時点においては、トランスバースマルチモード型の半導体ポンプレーザダイオードによってしか得られない。
既知のポンプダイオードは、大きな幅の、つまり、典型的には約１００マイクロメートルの幅を有する単一ストライプダイオード、或いはマルチストライプダイオードから形成される。これらタイプのレーザダイオードは、しばしば、異なる空間方向を有する多数のモードを放出する。
ただし、増幅されるべき光信号及びポンプ信号を伝播するように設計された光ファイバ或いは光導波路は、モノモードとして、或いは限られた数のモードのみを伝播するように構成される。このため、ポンプダイオードとして用いられるパワーレーザダイオードによって放出される空間振幅分布と光集積導波路或いは光ファイバを用いて伝播することができるモードの振幅分布との間には大きな差異が存在する。このような整合の悪さは、現実には、レーザダイオードから増幅構造への電力注入効率の悪さとして現れる。このため、ある与えられた増幅利得を得るためには、ポンプレーザダイオードの電力を過大にすることが要求され、この結果、レーザダイオードのコスト並びに動作時の電力消費の増加を招く。逆に、ポンプ電力を一定として場合は、得られる増幅利得が相対的に低くなる。
合衆国特許5,513,196号は、基本トランスバースモードを選択する、レーザダイオードに結合された周波数選択機能を遂行するようにする設計された構造を開示する。
本発明の目的は従来のデバイスの短所を克服すること、より具体的には、とりわけ、光増幅器で用いられる、パワーレーザダイオードにより放出される電力により、できるだけ安定的な放射を行えるようにする結合コンポーネントを提供することにある。
本発明によると、この目的が添付のクレームに記載される結合コンポーネントによって達成される。
本発明による結合コンポーネントは、光源を、光導波路要素に適合化するように設計された光集積結合コンポーネント（integrated-optics component）から成り、その内部に、複数の導波路、並びに、順番に、光源と対面するように配置された入力導波ゾーンと、入力ゾーンより狭い少なくとも一つのモノモード・出力導波路を有する出力ゾーンと、出力導波路を有する入力導波ゾーンより狭い出力ゾーンと、入力導波ゾーンと出力ゾーンとを接続する少なくとも一つの断熱テーパリングゾーンを有するフィルタリング手段とを含む光基板を備える。本発明によると、入力導波ゾーンは、結合コンポーネントの入力と観測平面との間に所定の長さの回折ゾーンを形成し、この観測平面の所定の位置に配置された少なくとも２つのフィルタリング窓は、断熱テーパリングゾーンの入力を形成し、光源からの光波を、光波の複数のモードの一つを選択して、出力ゾーンに導く。
一つの好ましい実施例においては、回折ゾーンの長さは、L2/4λ以上、好ましくは、２．５ｍｍ以上とされる。ここで、Lは照射される入力導波ゾーンの幅を表し、λは光源によって放出される光の波長を表す。
本発明のもう一つの実施例においては、出力導波路と関連して反射手段が設けられ、この結合コンポーネントは、反射性の背面と放射面とを備えるトランスバースマルチモード光源と共同して、トランスバースモノモードパワーレーザを形成するように設計され、この光源の放出面はアンチグレア外面を形成するように処理され、これによってマルチモード光源の背面とこの反射手段との間に単一の所定のモードに関して発振する拡張レーザ空洞が形成される。
この反射手段は、ブラッグ格子から構成することも、或いは出力ゾーンの出力端の所に配置された反射層から構成することもできる。この反射手段は、更に、出力導波路の出力端の所の閉ループ及びこれと関連する生成された光の一部をタップオフ（帰還）するための少なくとも一つの結合器から構成することもできる。
本発明は、更に、反射性の背面と放出面によって区画される内部レーザ空洞を有するマルチモードレーザダイオードを備えるモノモードパワーレーザにも係る。このパワーレーザは、本発明による結合コンポーネントを備え、レーザダイオードの放出面はアンチグレア外面を形成するように処理され、これによってマルチモードレーザダイオードの背面と反射手段との間に拡張レーザ空洞が形成される。
本発明の他の長所及び特徴が、単に例示として与えられ、添付の図面に示される、本発明の特定の実施例の以下の説明から一層明白になるものである。
本発明による結合コンポーネント（coupling component）は、集積オプティクス（integrated optics）として実現される。これは、その内部に複数の導波路が形成される光基板（optics substrate）１から形成され、光源、例えば、半導体から形成されるトランスバースマルチモードパワーレーザダイオード（transverse multimode power laser diode）２と協働するように設計される。つまり、光源（トランスバースマルチモードパワーレーザダイオード）２を、光導波要素（guided optics element）、例えば、光ファイバ（図示せず）、或いは光導波増幅器（guided optics amplifier）、或いは（高いパワーの）モノモード光源（monomode wave source）を必要とする他の任意のコンポーネントに適合化するように設計される。
レーザダイオード２は、広い単一ストライプレーザダイオード（図１から３）であっても、或いはマルチストライプレーザダイオード（図４、5、及び８）であっても構わない。単一ストライプレーザダイオードのストライプ幅を広げることで、或いはマルチストライプレーザダイオードにおいては細いストライプを複数用いることで、放出される光電力を増加することができる。マルチストライプレーザダイオードの場合、モノモードから成る複数の狭いストライプが結合されると多数のトランスバースモードが放出される。これは、広い単一ストライプレーザダイオードについても同様であり、例えば、L＝100μｍなるストライプ幅を有するレーザダイオード（図６）では、約２００のトランスバースモードが放出され得る。。両方のケースにおいて、パワーレーザダイオードの放出特性は、導波路或いはモノモード光ファイバに光を注入するためには、十分な適合性を有しない。
図１から８及び図１６においては、ダイオード２及び結合コンポーネントは、ダイオードと（結合コンポーネントがその内部に形成される）半導体との接合平面に対して平行な正面図にて示される。図５から８には、レーザダイオード２の出力の所での光の伝播方向に対して平行な、レーザダイオード２及び結合コンポーネントの縦方向の対称軸Sが示される。レーザダイオード２は、図面の平面に対して垂直な放出面（emitting face）３を有する。
放出面３に対して平行な平面内の、レーザダイオード２の出力の所では、レーザダイオード２によって放出される光波のトランスバース基本モード及び一次高調波の振幅分布は、図１から８の平面に対して垂直な第一の軸に沿って、非常に制限されているとみなすことができ、典型的には、約１μｍ幅とされる。これと、（ほとんど対称なプロフィルと、通常は第一の軸に沿って６から１０μｍの間の幅を有する）モノモード光導波路との結合については、はなんの問題も有さない。ただし、広い単一ストライプレーザダイオードの場合、図１から８の平面内の軸Sに対して垂直な第二の軸S'（図５）に沿っての様々なトランスバースモードの振幅分布は、導波ゾーンを構成するストライプの内側においては、実質的に正弦関数から成り、ストライプの外側においては、高調波の次数とともに次第に減少する指数関数タイプから成る。同様に、マルチストライプレーザダイオードについても、第二の軸に沿っての振幅分布は指数関数タイプから成る。両方のケースにおいて、（ほとんど対称なプロフィルと、通常、第二の軸S'に沿って６から１０μｍの間の幅を有する）モノモード導波路との結合は非常に効率的であるとはいえない。
考慮される２つのタイプのレーザダイオード２によって放出される様々なトランスバースモードは、レーザダイオード２の出力の所の、結合コンポーネントの入力から距離Dだけ離れた所に（図６から８）、その光強度が図１から８の平面内の軸軸Sに対して垂直な第二の軸S'に沿ってローブ或いは光のピークを示す干渉縞タイプの回折模様を形成する。これらローブの幅は、レーザダイオードによって放出される光の波長、結合コンポーネント１の入力面と観測平面との間の距離D、及び入力の所の照射される導波ゾーンの幅、つまり、単一ストライプダイオードの場合はストライプの幅L、マルチストライプ構成（図８）の場合は全長L、の関数として決まる。単一ストライプレーザダイオードの場合は、ある特定のトランスバースモードは２つの別個のローブから成る回折模様を与え、これらが重なって、基本モードの励振が選択（優先）された場合の基本モードに対応する単一ローブが形成される。マルチストライプレーザダイオードの場合は、少なくとも２つの別個のローブが観測される。実際には、これらローブの振幅は急速に低減し、顕著な振幅を有するローブは４つ以上は観測されない。つまり、高いストライプ間結合係数を有するマルチストライプレーザダイオードでは２つのプローブが観測され、低いストライプ間結合係数を有するマルチストライプレーザダイオードでは４つのプローブが観測されるにとどまる。
図１、２及び６は、単に例示として、基本モードにて励振される広い単一ストライプレーザダイオードとの関連で用いられる結合コンポーネントを示す。この結合コンポーネントは、レーザダイオード２の放出平面３に対して平行な観測平面内に、軸Sに沿って、結合コンポーネントの入力から少なくとも距離D（図６）だけ離れた所に、単一のローブを有する回折模様を生成する。
図３、４、及び７は、広い単一ストライプレーザダイオード、或いはマルチストライプレーザダイオード２との関連で用いられる結合コンポーネントを示す。この結合コンポーネントは、高い結合係数を有し、少なくとも距離Dだけ離れた所に、２つのプローブを有する回折模様を生成する。
図５及び８は、マルチストライプレーザダイオード２との関連で用いられる結合コンポーネントを示す。この結合コンポーネントは、低いストライプ間結合係数を有し、少なくとも距離Dだけ離れた所に、４つの重要なローブを有する回折模様を生成する。
説明の全ての結合コンポーネントは、レーザダイオード２にて放出される光が結合コンポーネント内に最適に注入されるように設計された空間特性を有する導波路から成る入力導波ゾーン４を備える。この入力導波ゾーン４は、図１から８の平面内の軸Sに対して垂直な第二の軸に沿って入力幅L1を有する。この入力幅L1は、レーザダイオード２の、大きな単一のストライプ、或いはセットされたマルチストライプの幅Lよりも大きい。この入力導波ゾーンは、軸Sに沿って、レーザダイオード２の放出面３に対面する、結合コンポーネントの入力から少なくとも距離Dだけ延びる。この入力導波ゾーンの幅は、一定にすることも（図１）、或いは、このゾーン内の光伝播条件を最適化し、損失を最小化するために、距離Dを通じて、高々出力幅L２まで、次第に広げることもできる（図２から８）。
この入力導波ゾーン４は、更に、結合コンポーネントに注入される光の回折が平坦となるように設計された長さDの回折ゾーンを形成する。基本モードにて放出し、単一のローブのみを生成する広い単一ストライプレーザの特別のケースにおいては、この特別の伝播条件とは、距離Dが零近傍に選択されることを意味する。ただし、実際には、入力導波ゾーンは、レーザダイオード２との結合機能を遂行するためには、軸Sに沿って、常に、２から３ミリメートルなる最小長を有することを要求され、この距離Dは、２．５ｍｍ以上、好ましくは、１０から２５ｍｍの間とされる。
図１から５に示されるように、結合コンポーネントは、入力導波ゾーン４の下流に、断熱テーパリングゾーン（adiabatic tapering zone）5を含む少なくとも一つの中間導波路から成るフィルタリング手段を備える。断熱テーパリングゾーン5は、入力導波ゾーン４と、この結合コンポーネントの（好ましくは、トランスバースモノモード導波路から成り、かつ、好ましくは、集積オプティクスとして実現される、少なくとも一つの出力導波路６を有する）出力ゾーンとの間の最適な適合化が確保され、伝播損失が最小となるように設計される。
図１及び２の、単一の回折ローブを有する特定の実施例においては、この断熱テーパリングゾーン5は、入力導波ゾーン４を形成する導波路の延長として形成される。この断熱テーパリングゾーン5は、通常は５から１０μｍの間の直径を有するモノモード導波路６の寸法まで規則的にテーパリングする。
本発明によると、観測平面の所定の位置に、断熱テーパリングゾーン5の入力を形成する少なくとも２つのフィルタリング窓７が配置される。それぞれ、２つ或いは４つの回折ローブを有する図３から５の特定の実施例においては、結合コンポーネントは、それぞれ、断熱テーパリングゾーン5を含む２つ或いは４つの中間導波路を備える。各断熱テーパリングゾーン5は、幅L3なるフィルタリング窓７を、上述の第二の軸（図６から８）に沿って、その幅が規則的に減少する導波路を介して、好ましくは、トランスバースモノモード導波路8a、8b(図３及び４)、8c、8d、8e、8f（図5)から成る接続導波路に接続する。上述の観測平面内の、結合コンポーネントの入力面から距離Dだけ離れた所に配置されるフィルタリング窓７は、この平面内に形成される回折ローブを選択し、これらを関連する断熱テーパリングゾーン5内に注入するように設計される。
フィルタリング窓７は、特定のトランスバース光伝播モードを優先する、つまり、特定のトランスバースモードを選択するように設計される。フィルタリング窓７は、結合コンポーネント内に、集積オプティクスとして、入力ゾーン、断熱テーパリングゾーン、及び出力ゾーンと同時に、非常に簡単に実現することができる。この結合コンポーネントは、こうして、結合コンポーネントの入力面から距離Dだけ離れた所の回折模様の振幅分布を利用する。フィルタリング窓７は、上述の観測平面内に、選択された位置に存在する回折模様の光の部分のみが透過（通過）することを許す断熱テーパリングゾーンの入力開口を形成する。
回折ローブが１つしか存在しない場合は、フィルタリング窓の幅L3は、回折ローブの幅と等しくされ、好ましくは、入力ゾーンの出力幅L2と等しくされる（図１及び２）。ただし、これは、図６に示すように、入力ゾーンの出力幅より小さくすることもできる。回折ローブが２つ或いは４つ存在する場合は、これらローブ間の上述の第二の軸に沿っての距離は、レーザダイオード２によって放出される光の波長、距離D、考慮されるトランスバースモードに対する放出ゾーン（単一ストライプ或いはマルチストライプ）の幅、及び考慮されるトランスバースモードの次数によって決まる。フィルタリング窓の寸法（幅L3）と位置（間隔L4）は、選択されたトランスバースモードのみが透過を許され、そのモードの光の強度が関連するフィルタリング窓の中心の位置で最大となるように選択される。
回折ゾーンの長さLは、フィルタリング窓７が配置される回折ゾーンの端における回折現象が、回折ゾーンの入力における光の振幅分布のフーリエ変換となるように計算される。つまり、以下の関係が満たされるように決められる：

L２/4D≦λ/１０、つまり、D≧１０L2/４λ

ここで、Lは照射される入力ゾーンの幅を表し、λは光源から放出される光の波長を表す。例えば、L＝１００μｍ、λ＝０．９８μｍの場合、D≧２５ｍｍとなる。
実際には、以下の関係、つまり：

L２/4D≦λ、つまり、D≧L2/４λ

が満たされる限り、回折振幅分布と要求されるフーリエ変換との間の差はほとんど存在せず、上の例では、D≧２．５ｍｍとなる。
回折ゾーンに対する寸法は、
波長λ＝１．５５μｍ、幅L＝１００μｍ、及び入力幅L１≧１００μｍに対して、それぞれ、以下の通りとなる：

回折ローブが一つの場合（図１、２及び６）は：
D＝１０ｍｍに対しては、L２≒L3≒３００μｍ
D＝２０ｍｍに対しては、L２≒L3≒５００から６００μｍ

回折ローブが２つの場合、つまり、例えば、六次トランスバースモードが選択（優先）される広い単一ストライプレーザダイオード、或いはピッチｐ＝１７μｍなるストライプ間隔を有し、各ストライプによって約１２μｍなる直径の光線が放出されるマルチストライプレーザダイオードの場合（図３、４及び７）は：
D＝１０ｍｍに対しては、L２≒８００から９００μｍ
L３≒２００μｍ
L４≒６００μｍ
D＝２０ｍｍに対しては、L２≒１．６から１．８ｍｍ
L３≒４００μｍ
L４≒１．２ｍｍ

回折ローブが４つの場合、つまり、例えば、ｐ＝１７μｍなるストライプ間隔と低い結合効率を有し、各ストライプによって約６μｍなる直径を有する光線が放出されるマルチストライプレーザダイオードの場合（図５及び８）は：
D＝１０ｍｍに対しては、L３≒２λD/L≒２００μｍ
L４≒λD/ｐ≒６００μｍ
D＝２０ｍｍに対しては、L３≒４００μｍ
L４≒１．２ｍｍ
複数のフィルタリング窓７を用いることで、レーザダイオード２の、窓が一つしか存在しないとき選択される基本モードより高次のモードを選択することができる。このように、高次のモードを選択することで、それら高次のモードがレーザダイオードのより滑らかな電気ポンピング（electric pumping）を伴う複数のローブから成る強度分布を有する限り、レーザダイオードのより安定な放出を達成することができる。好ましくは、その放出ローブ間の距離が概ねレーザダイオード材料内のキャリアの拡散長（diffusion length）Dｆ、典型的には２から３マイクロメータに等しいローブが優先（選択）される。このようなローブを選択すると、より安定な放出が得られるとともに、レーザモジュール間の競合（competition）も低減する。このように多数のローブを有するトランスバース高調波モードを用いると、放出されるべき強度がストライプ幅全体により良く分布され、ダイオードの電気ポンピングが最も有効に活かせる。好ましくは、例えば、典型的には、約２μｍなる拡散長Dfに等しいローブ間距離を有する２０から５０個のローブから成るトランスバースモードを選択される。
上に説明の全ての実施例において、軸Sは、レーザダイオード２、入力ゾーン４及びフィルタリング窓７に対する対称軸から成る。
少なくとも２つのフィルタリング窓７を含む結合コンポーネントにおいては（図３から５）、断熱テーパリングゾーン５は、軸Sの各側に対称的に配置され、これらの原点の所で、軸Sに対して軸Sから離れるように傾けられる。
結合コンポーネントの出力ゾーンにおいては、従来のタイプのY-ジャンクションにて、中間導波路が２つずつグループ化され、出力モノモード導波路６へと終端する。図３及び４の特定の実施例においては、軸Sに対して対称な単一のY-ジャンクションにて、接続導波路8aと8bが出力導波路６に接続される。４つのフィルタリング窓７と４つの断熱テーパリングゾーン５を有する図５の特定の実施例の場合は、Y-ジャンクションの縦続（cascade）が必要となる。こうして、図５においては、反対称なY-ジャンクション9aによって、２つの断熱テーパリングゾーン５の出力の所に、両方とも軸Sの一方側に置かれた、２つの接続導波路8cと8dが接続導波路8gに接続され、同様にして、反対称なY-ジャンクション9bによって、両方とも軸Sの反対側に置かれた他の２つの接続導波路8eと8fがもう一つの接続導波路8hに接続される。そして、これらY-ジャンクション9a、9bと縦続に配置された第三の対称Y-ジャンクション9cによって、これら接続導波路8g、8hが出力導波路６に接続される。
接続導波路を有する結合コンポーネントにおいては、これらY-ジャンクションに入力される光信号の位相を調節し、対応するY-ジャンクションの出力導波路上への集光を最適化するために、これらY-ジャンクションの入力導波路間の任意の可能な幾何的位相シフト（geometiric phase shifts）を遂行する位相シフタ１０が、これら接続導波路の一つの所に従来のやり方にて配置される（図４の8a、図５の8d、8e、8g）。必要とされる位相シフトは、従来のやり方にて、考慮される導波路を局所的に加熱することで調節される。これは、例えば、レーザマイクロ加熱、加熱マイクロ素子による近接加熱、或いは導波路の上方に配置された加熱電極によって達成される。
必要であれば、Y-ジャンクションの代りに方向性結合器を用いることもできる。この場合は、好ましくは、結合器の２つの入力は、単一の導波路上に２つの入力波が集光できるよう直交位相に構成され、そして、位相シフタ１０が対応するように配置される。
ただし、上に説明の結合コンポーネントでは、電力損失が過大になりすぎることがある。これを改善するためには、光源から放出される光の波モード（wave mode）を増幅するための手段が結合コンポーネントと関連して設けられる。一つの好ましい実施例においては、出力ゾーンの所に、出力導波路６によって輸送される光の一部をレーザダイオード２の方向に帰還するために反射要素（reflecting elements）、或いは帰還要素が設けられる。これら帰還要素は、結合コンポーネントの出力の所に所望の電力（パワー）を得るためには、高い（ただし、１よりは小さな）反射係数を有することを要求される。これら帰還要素を設けることで、この結合コンポーネントは、トランスバースモノモードレーザダイオード２と協力して、結合コンポーネントにて選択されたトランスバースモードにて発振し、出力モノモード導波路６の出力の所に最適の光電力を供給する拡張レーザ空洞（extended laser cavity）を有するトランスバースモノモードパワーレーザを形成することができる。レーザダイオード２は、通常は、反射性の背面１１と放出面３によって区画される内部レーザ空洞（internal laser cavity）を有する。反射性の放出面３は、通常は、放射面３によって反射される光の量を最小限に抑えるため、レーザダイオード２の内部レーザ空洞内の発振を防止するため、及び一方側はレーザダイオード２の反射性の背面１１にて、そして他方側は結合コンポーネントの出力ゾーン内に配置された帰還要素にて区画される拡張レーザ空洞内のレーザ発振を選択するために、アンチグレア外面（antiglare external face）が形成されるように処理されるか、或いはアンチグレア層（antiglare layer）にてカバーされる。必要であれば、結合コンポーネントの入力面にもアンチグレア層が堆積される。ただし、これは、結合コンポーネントの反射係数は本質的に低いことを考えると必須ではない。ただし、レーザダイオード２の反射性の背面１１のアンチグレア処理は、レーザダイオード内に用いられる半導体材料が高い屈折率を有することを考えると必須である。
図１から５及び９に示されるある好ましい実施例によると、これら帰還要素は、出力導波路６上に配置されたブラッグ格子１２（回折格子）によって形成される。これは、結合コンポーネントの外側の出力導波路６に接続された導波路上に配置することもできる。ブラッグ格子は、要求される反射機能と、波長選択機能の両方を遂行する。こうすることで、例えば、拡張レーザ空洞内のレーザ放出のスペクトル帯域幅を光増幅器の最適ポンピングスペクトル帯域幅に同調させることが可能となる。
ある所定の反射係数に対して少数のラインを含む結合効率の高いブラッグ格子では、波長選択性は低く、拡張レーザ空洞は比較的広いスペクトルに渡って発振する。反対に、ある所定の反射係数に対して多数のラインを含む結合効率の低いブラッグ格子では、波長選択性は高く、拡張レーザ空洞は狭いスペクトル内で発振する。ブラッグ格子の結合係数とラインの数を適当に選択することで、放出されるスペクトルの反射係数と幅を適切に調節することができ、こうしてこれらを光増幅器のポンピング効率が最大となるように最適化することができる。
ブラッグ格子は、任意の周知のやり方、例えば、乾式エッチング、湿式エッチング（化学エッチング）、ホトインスクリプション（photoinscription）、マスクを通じての局所的イオン拡散等によって形成することができる。
エッチングブラッグ格子（Etched Bragg gratings）では、通常は、高い結合係数を得ることができる。結合効率を向上するためには、出力導波路６がガラス基板をイオン交換することで形成される場合には、閉じ込め効果（confinment）の大きな面導波路（surface guide）を用いることができる。この周知の技術が図９に示されるが、これは、結合コンポーネントの出力ゾーンの一端のある特定の実施例を側面図にて示す。出力導波路６は、入力側、つまり、図９の左部分内に、閉じ込め効果の小さな第一の埋め込み部分を有する。導波路６は、次に、ブラッグ格子１２と対面するように、基板１の表面の所に、基板面と同一平面となるように、局所的にエッチングされた、閉じ込め効果の大きな狭い第二の部分を含む。導波路６は、次に、出力側、つまり、図９の右部分内に、結合コンポーネントの出力の所で、光要素、例えば、光集積導波路或いは光ファイバと結合するように設計された、閉じ込め効果の小さな第三の埋め込み部分を有する。出力導波路６は、第一と第二の部分間、及び第二と第三の部分間で規則的に変化する寸法と深さを有する。このタイプの構成を用いると、閉じ込め効果の大きな面導波路を用いてブラッグ格子１２が形成されるために結合効率が向上するとともに、出力導波路６の第一と第三の部分内には閉じ込め効果の小さな埋め込み導波路が用いられるために、結合コンポーネントと光導波路或いは光ファイバとの接続が容易となる。
ブラッグ格子１２との結合効率は高い必要はない場合は、出力導波路６は、結合ゾーン内の閉じ込め効果の小さな導波路から形成することもできる。
ブラッグ格子１２は、図１から５に示されるように、出力導波路６内を伝播する光の軸Sに対して垂直に配列することも、或いはこの軸に対して９０°とは異なる角度にて傾斜させることもできる。ブラッブ格子１２のピッチは、一定とすることも、可変とすることもできる。
図１０には、帰還要素のもう一つの実施例が示されるが、これは、結合コンポーネントの出力ゾーンの端のある特定の実施例を側面図にて示す。この実施例においては、反射要素１３は結合コンポーネントの出力端の所（図１０の右側）に配置される。この反射要素は、比較的高い反射率（ただし、１より小さい）と、低い透過率を有することを要求される。これは、波長選択性を有するものであっても良い。これは、好ましくは、出力導波路６の出力端の所に、結合コンポーネントの出力面上に、二色性（dichroic）の或いはそうでないミラーを形成する、金属或いは反射マルチ層を堆積することで形成される。モード選択性を高めるために、この上にスペクトルフィルタを張り付けることもできる。
図１１には、帰還要素の第三の実施例が示されるが、これは、結合コンポーネントの出力ゾーンの端のある特定の実施例を正面図にて示す。この実施例においては、出力導波路６は、出力端の所に閉ループ１４を有し、これによって、出力導波路６によってガイドされた光がY-ジャンクション１５を介して帰還されることが確保される。
ループ１４内をガイドされた光の部分の取り出しは方向性結合器１６によって遂行される。図１１においては、この方向性結合器は、基板１内に形成されるループ１４と導波路１７から形成され、これはループ１４の部分に近い結合部分と、２つの対称な出力18a、18bを備える。こうして、このケースにおいては、結合コンポーネントの出力側に２つの光線が得られる。
より一般的には、結合コンポーネントからの出力側に、出力導波路６からの数個の光線を生成することができる。図１２に正面図にて示される結合コンポーネントの出力ゾーンのある特定の実施例は４つの出力19a、19b、19c、19dを含み、これらはブラッグ格子１２の下流に配列されたY-ジャンクション２０、20a、20bの縦続を介して得られる。直列に配列されるY-ジャンクションの数に次第で任意の偶数個の出力を得ることができる。こうして、単一のパワーレーザダイオードから、本発明による結合コンポーネントが高い出力電力の生成を維持でる範囲内で、数個の光増幅器にポンプ信号を供給することができる。帰還要素（図１１においてはブラッグ格子）の下流において出力導波路６を再分割することで、単一の帰還要素を全ての出力に対して用いることができる。
（図１から８及び１３から１５に示すように）レーザダイオード２と結合コンポーネントとは、好ましくは、付き合わせ結合（butt coupling）にて結合され、レーザダイオードの放出面３は結合コンポーネントの入力ゾーンと対面するように配置される。こうすることで、拡張空洞を備える非常にコンパクトなモノモードパワーレーザを得ることができる。レーザダイオード２と結合コンポーネントとの間の損失を最小化することが望まれる。図１から８との関連で説明された様々な要素の寸法は、図１から８の平面内においてはこの必要性を考慮する。ただし、図１から８の平面に対して垂直な、つまり、放出面３に対して平行な平面内においては、一般には、非常に空間的に制限された（典型的には約１μ幅の）、従って、非常に発散性の光線を供給するレーザダイオード２の放出構造と中程度或いは低い閉じ込め効果を有する結合コンポーネントの入力構造との間には、閉じ込め効果の大きな差異が存在する。そして、たとえ、レーザダイオード２と結合コンポーネントとの間の距離が２から３ミクロンに最小化された場合でも、レーザダイオードと結合コンポーネントの導波モードのプロフィルの重なり（overlap）は、必ずしも最適とはならず、これが原因で拡張空洞内での挿入損失が高くなる。
このタイプの損失を最小化するために、結合コンポーネントの入力ゾーンは、好ましくは、上述の第一の軸（垂直軸）に沿ってのモードプロフィルがレーザダイオードの寸法、つまり、約１ミクロンに近い寸法となるように、閉じ込め効果の非常に大きな入力導波路構造から形成される。
図１３は、この要求される特性を満たすダイオードと結合コンポーネント間の結合のある特定の実施例を側面図にて示す。結合コンポーネントの入力ゾーンは、入力側に、基板の平面に垂直な方向に対して閉じ込め効果が大きく、光基板１の表面或いは非常に浅く埋められたところに高い屈折率の変動を与える導波路２１を含む。図１３に示すように、この薄い導波路２１は、半導体ダイオード２の（この半導電接合にて形成される）放出部分２２と対面するように配置される。ただし、閉じ込め効果の高い導波路は、とりわけ、ガラス内のイオン交換によって実現される場合は、閉じ込め効果の低い埋め込み導波路よりも伝播損失が高く、このため、これらを光コンポーネント全体に用いることは望ましくない。このため、図１３においては、閉じ込め効果の高い導波路２１は、入力ゾーンの入力端に局所化され、より厚い埋め込まれた、閉じ込め効果の低い導波路２３にて延長される。好ましくは、基板１上に、レーザダイオードの半導体接合に対して垂直な軸に沿ってレーザダイオードのそれと可能な限り近い導波モードプロフィル（guided mode profile）を得るために、対称化層２４が堆積される。この対称化層は、基板１のそれと等しいか或いはこれより低い屈折率を有する。これは、例えば、基板１がガラスから形成される場合は、シリカから形成される。
この実施例はレーザダイオード２から結合コンポーネント内への光の注入を改善する。ただし、この実施例は、導波路２１が基板１内のイオン交換によって実現される場合は、結合を完全に最適化することはできない。しかしながら、レーザダイオード接合に対して垂直な上述の第一の軸（縦軸）の方向において、レーザダイオードによって放出されるそれよりは制限の小さなモードが得られる。
図１４と１５に側面図にて示されるダイオードと結合コンポーネント間の結合の特定の実施例は、レーザダイオード２のモード構造をより導波モードプロフィルに近づけ、第一の軸に沿っての結合をさらに改善させる。
図１４及び１５においては、光基板１の平面に対して垂直方向に大きな閉じ込め効果を有する導波路２５が光基板１の表面に形成される。この導波路２５は、基板１内にイオン交換によって実現される第二の導波路の上に重ねられる。第二の導波路は、図９の導波路６と同様に、閉じ込め効果の小さな、厚い、埋め込まれた第一の部分26aと、この延長として表面の所に形成される閉じ込め効果の高い第二のより薄い結合部分26bと、この延長として形成される第一の部分26aと類似の閉じ込め効果の低い第三の部分26cとから構成される。導波路２５は、光基板１の表面上に屈折率の高い薄い（例えば、約０．１μｍの）誘電層を堆積することで実現される。これは、例えば、１．９７なる屈折率の窒化シリコン、或いはアルミナを、プラズマ促進化学蒸着（Plasma Enhanced Chemincal Vapor Deposition, PECVD）、或いは陰極スパッタリングにて堆積することで形成される。
導波路２５は、入力ゾーン４の入力を構成し、第二の導波路に結合され、第二の導波路の第三の部分26cは入力ゾーンの出力を構成する。これら重ねられた導波路間、より具体的には、導波路２５と第二の導波路の第二の結合部分26bとの間の結合は、導波路２５を構成する高い屈折率の層の厚さを規則的に低減することによって得られる規則的な遷移によって達成することもできるし（図１４）、或いは基板１の表面の所の第二の部分26bのレベルの所にブラッグ格子２７を形成することで達成することもできる（図１５）。後者の場合は、ブラッグ格子２７のピッチは、導波路２５の伝播モードと結合部分26bの伝播モードの伝播定数が適合化するように計算される。この解決手段が選択される場合は、これは、図９に示されるブラッグ格子と同一の技術的サイクルにて形成することができる。
図１３の場合と同様に、好ましくは、基板１上に光基板１のそれに近い或いはこれより低い屈折率を有する対称化層２４が堆積される。
レーザダイオード２と結合コンポーネント間の結合は、図１６に正面図にて示されるように、外部光アダプタ要素（external optic adapting elements）２８によって達成することもできる。この場合は、一般的には、第一の軸に沿って上述のようなモードプロフィル適合化構造（mode profile adapting structures）を用いる必要はなく、光アダプタ要素２８がレーザダイオード２からのモードプロフィルが結合コンポーネントのモードプロフィルに適切に変換されるような寸法とされる。ただし、この解決手段は、前の方法よりコンパクトさに欠け、関係する３つの要素、つまり、レーザダイオード２、結合コンポーネント、及びしばしば複数のレンズから構成される光アダプタ要素２８間の整合が必要となる。
結合コンポーネントの様々な実施例を示す図。 結合コンポーネントの様々な実施例を示す図。 結合コンポーネントの様々な実施例を示す図。 結合コンポーネントの様々な実施例を示す図。 結合コンポーネントの様々な実施例を示す図。 １つの回折ローブを有する結合コンポーネントの入力構造を簡略的に示す図。 ２つの回折ローブを有する結合コンポーネントの入力構造を簡略的に示す図。 ４つの回折ローブを有する結合コンポーネントの入力構造を簡略的に示す図。 本発明による結合コンポーネントの反射要素の幾つかの特定の実施例をより詳細に示す図。 本発明による結合コンポーネントの反射要素の幾つかの特定の実施例をより詳細に示す図。 本発明による結合コンポーネントの反射要素の幾つかの特定の実施例をより詳細に示す図。 本発明による結合コンポーネントの出力ゾーンの端のある特定の実施例をより詳細に示す。 本発明によるレーザダイオードと結合コンポーネントの間の結合の幾つかの特定の実施例をより詳細に示す図。 本発明によるレーザダイオードと結合コンポーネントの間の結合の幾つかの特定の実施例をより詳細に示す図。 本発明によるレーザダイオードと結合コンポーネントの間の結合の幾つかの特定の実施例をより詳細に示す図。 レーザ源と本発明による結合コンポーネントとの間の光アダプタ要素を介しての結合を示す図。
符号の説明
１ 光基板
２ トランスバースマルチモードパワーレーザダイオード
３ 放出面
４ 入力導波ゾーン
５ 断熱テーパリングゾーン
６ 出力導波路
７ フィルタリング窓
８ 接続導波路
１０ 位相シフタ
１１ 反射背面
１２ ブラッグ格子
１３ 反射要素
１４ 閉ループ
１６ 方向性結合器
２８ 外部光アダプタ要素

Claims (16)

  1. 光源を光導波路要素に適合化するように設計された光集積結合コンポーネントであって、その内部に、導波路及び、順番に、前記光源と対面するように配置された入力導波ゾーンと、少なくとも一つのモノモード出力導波路を備える前記入力導波ゾーンより狭い出力ゾーンと、前記入力導波ゾーンと前記出力ゾーンとを接続する少なくとも一つの断熱テーパリングゾーンを備えるフィルタリング手段とを含む光基板を備え、前記入力導波ゾーンが、この結合コンポーネントの入力と観測平面との間に所定の長さを有する回折ゾーンを形成し、前記観測平面の所定の位置に配置された少なくとも２つのフィルタリング窓が、前記光源からの光波を前記出力ゾーンに導くとともにこの光波の複数のモードの一つを選択するための、前記断熱テーパリングゾーンの入力を形成することを特徴とする結合コンポーネント。
  2. 前記回折ゾーンの長さがL2/4λ以上であり、Lは前記照射される入力導波ゾーンの幅を表し、λは前記光源によって放出される光の波長を表すことを特徴とする請求項1記載の結合コンポーネント。
  3. 前記回折ゾーンの長さが２．５ｍｍ以上とされることを特徴とする請求項２記載の結合コンポーネント。
  4. ２つのフィルタリング窓と、前記入力導波ゾーンを２つの関連する接続導波路に接続する２つの断熱テーパリングゾーンと、前記接続導波路を前記出力導波路に接続する一つのY-ジャンクションとを備えることを特徴とする請求項1から３のいずれかに記載の結合コンポーネント。
  5. ４つのフィルタリング窓と、前記入力導波ゾーンを４つの関連する接続導波路に接続する４つの断熱テーパリングゾーンとを備え、これら接続導波路がY-ジャンクションの縦続を介して前記出力導波路に接続するされることを特徴とする請求項1から３のいずれかに記載の結合コンポーネント。
  6. 前記出力導波路と関連して反射手段が設けられ、結合コンポーネントが、反射性の背面と放射面とを含むトランスバースマルチモード光源と共同してトランスバースモノモードパワーレーザを形成するように設計され、前記マルチモード光源の放出面がアンチグレア外面を形成するように処理され、これによって前記マルチモード光源の背面と前記反射手段との間に単一の所定のモードに関して発振する拡張レーザ空洞が形成されることを特徴とする請求項1から５のいずれかに記載の結合コンポーネント。
  7. 前記反射手段がブラッグ格子から成ることを特徴とする請求項６記載の結合コンポーネント。
  8. 前記反射手段が前記出力ゾーンの出力端の所に配置された反射層から成ることを特徴とする請求項６記載の結合コンポーネント。
  9. 前記出力導波路が、その出力端の所に、反射手段を形成し、Y-ジャンクションを介して自身への光の帰還を確保する閉ループを含み、この閉ループと関連する方向性結合器が前記結合コンポーネントの出力を形成することを特徴とする請求項６記載の結合コンポーネント。
  10. 前記光源が広い単一ストライプレーザダイオードから成り、前記結合コンポーネントの前記入力導波ゾーンが前記ストライプの幅以上の入力幅を有することを特徴とする請求項1から９のいずれかに記載の結合コンポーネント。
  11. 前記光源がマルチストライプ配列から構成されるレーザダイオードから成り、前記結合コンポーネントの前記入力導波ゾーンが前記マルチストライプ配列の幅以上の入力幅を有することを特徴とする請求項1から９のいずれかに記載の結合コンポーネント。
  12. 前記入力導波ゾーンが入力側に前記基板の平面に対して垂直の方向に大きな光閉じ込め効果を有する導波路を備えることを特徴とする請求項1から１１のいずれかに記載の結合コンポーネント。
  13. 前記入力ゾーン内の光閉じ込め効果の大きな導波路が前記光基板の表面の所に、第二の導波路の上に、かつ、これと結合されるように形成され、前記第二の導波路が、前記光基板内にイオン交換により形成され、閉じ込め効果の大きな結合部分と前記入力ゾーンの出力を形成する閉じ込め効果の小さな部分とを備えることを特徴とする請求項1２記載の結合コンポーネント。
  14. 前記入力ゾーン内の閉じ込め効果の大きな導波路と前記第二の導波路の結合部分との間の結合が前記閉じ込め効果の大きな導波路の厚さを規則的に低減することで達成されることを特徴とする請求項１３記載の結合コンポーネント。
  15. 前記入力ゾーン内の閉じ込め効果の大きな導波路と前記第二の導波路の結合部分との間の結合が、前記基板の表面の所の、前記第二の導波路の結合部分のレベルの所に、ブラッグ格子を形成することによって達成されることを特徴とする請求項１３記載の結合コンポーネント。
  16. 反射性の背面と放出面によって区画される内部レーザ空洞を有するマルチモードレーザダイオードを備えるマルチモードパワーレーザであって、請求項1から１５のいずれかに記載の結合コンポーネントを備え、前記レーザダイオードの放出面がアンチグレア外面を形成するように処理され、これによって前記背面と反射手段との間に拡張レーザ空洞が形成されることを特徴とするモノモードパワーレーザ。
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