光導波路型Ｑスイッチ素子およびＱスイッチレーザ装置
【課題】高い消光比、超小型、低駆動電圧を実現した光導波路型Ｑスイッチ素子およびＱスイッチレーザ装置を得る。
【解決手段】コア５およびクラッド４ａ、４ｂからなる平面導波路構造の光導波路３と、光損失手段７ａ、７ｂおよび電極２ａ、２ｂと、電極２ａ、２ｂに電圧を印加するＱスイッチ駆動装置６とを備える。クラッド４ａ、４ｂはコア５の上下面に設けられ、光損失手段７ａ、７ｂはクラッド４ａ、４ｂの上下面に設けられ、電極２ａ、２ｂは光損失手段７ａ、７ｂの上下面に設けられる。コア５は、電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化し、電界未印加時はクラッド屈折率よりも高く、電界印加時は、高電位側の屈折率がクラッド屈折率よりも低くなる。
【解決手段】コア５およびクラッド４ａ、４ｂからなる平面導波路構造の光導波路３と、光損失手段７ａ、７ｂおよび電極２ａ、２ｂと、電極２ａ、２ｂに電圧を印加するＱスイッチ駆動装置６とを備える。クラッド４ａ、４ｂはコア５の上下面に設けられ、光損失手段７ａ、７ｂはクラッド４ａ、４ｂの上下面に設けられ、電極２ａ、２ｂは光損失手段７ａ、７ｂの上下面に設けられる。コア５は、電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化し、電界未印加時はクラッド屈折率よりも高く、電界印加時は、高電位側の屈折率がクラッド屈折率よりも低くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気光学効果を用いた光導波路型Ｑスイッチ素子（たとえば、平面導波路型Ｑスイッチ素子）、および、このＱスイッチ素子を用いて共振器内のＱ値を変えてジャイアントパルスを得るためのＱスイッチレーザ装置、に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、Ｑスイッチ素子の一例として、ポッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）効果を有する電気光学結晶を用いたＱスイッチ素子が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
この種のＱスイッチ素子は、偏光分離スプリッタと、薄膜偏光子などの偏光子とを組み合わせて共振器内に構成されており、ポッケルスセルの偏光の向きを電気的に制御して偏光子の透過成分と反射成分との比を変更し、共振器内のＱ値を変えることにより、Ｑスイッチパルスを得るようになっている
【０００３】
また、従来から、光導波路型Ｑスイッチ素子の一例として、可飽和吸収体を光導波路材料に用いたＱスイッチ素子も提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
この種の光導波路型Ｑスイッチ素子において、可飽和吸収体は、光を吸収すると除々に透明になる物質であり、共振器内に挿入すると励起開始時は損失となり、レーザ発振を抑制しつつ徐々に透明になり、利得が損失よりも大きくなると、急速にレーザ発振を開始してＱスイッチパルスを得るようになっている。
【０００４】
さらに、従来から、出力鏡および全反射鏡からなる共振器と、この共振器内に配置されたレーザ光の発生源（レーザロッド、偏光子およびポッケルスセル）と、レーザロッドを励起するフラッシュランプと、ポッケルスセルへの印加電圧を変化させるポッケルスセル駆動回路と、により構成されたＱスイッチレーザ装置が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００５】
この種のＱスイッチレーザ装置においては、ポッケルスセルへの印加電圧によって共振器内の偏光方向の制御を行い、偏光子との組み合わせによって共振器内のＱ値を変えることにより、ジャイアントパルスを得るようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−６４４４８号公報（第７頁、第１図）
【特許文献２】特開昭６１−１６８９７９号公報（第５頁、第１図）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｊ．Ｉ．Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ「Ｅｎｄ−ｐｕｍｐｅｄ、ｐａｓｓｉｖｅｌｙ Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｙｂ：ＹＡＧ ｄｏｕｂｌｅ−ｃｌａｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｌａｓｅｒ」ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２７，ＮＯ．２４／Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １５，２００２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＱスイッチ素子およびＱスイッチレーザ装置は、特許文献１に記載のＱスイッチ素子、および特許文献２に記載のＱスイッチレーザの場合、偏光を９０°回転させるために、高電圧（数１００〜数ｋＶ）であって、高速な立ち下がりまたは立ち上がり時間（約１０ｎｓ）のスイッチング電圧を駆動可能なスイッチング回路が必要となるうえ、偏光子などの偏光制御素子を共振器内に挿入する必要があるので、部品点数が多くなるという課題があった。
また、Ｎｄ：ＹＡＧなどの材料をレーザ媒質に用いた場合には、熱複屈折によるＤｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ損失（偏光解消損失）が生じて、効率が低下するという課題があった。
【０００９】
また、非特許文献１に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子においては、可飽和吸収体の残留損失によって効率が低下するという課題があった。
また、ピークパワーを大きくするためには、可飽和吸収体の光学濃度（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）を濃くする必要があり、このときの残留損失が光学濃度に比例して大きくなることから、効率低下が大きくなるという課題があった。
さらに、可飽和吸収体は正確なパルスの発振タイミングの制御が困難であり、励起光の強度ばらつきなどに起因する発振タイミングのばらつきが大きいという課題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高い消光比、超小型、低駆動電圧を実現した光導波路型Ｑスイッチ素子を得ることを目的とする。
また、光導波路型Ｑスイッチ素子を用いたＱスイッチレーザ装置においては、部品点数が少なく、小型で、高効率が期待でき、正確なタイミング制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る光導波路型Ｑスイッチ素子は、コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、光導波路の上下面に設けられた光損失手段および電極と、電極に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Ｑスイッチ素子であって、クラッドは、コア内の光を閉じ込めるために、コアの上下面に設けられ、光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、クラッドの平面に対し平行で、かつコアと対向する両端面に設けられ、電極は、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段の平面に対し平行で、かつクラッドと対向する両端面に設けられるとともに、Ｑスイッチ駆動装置と電気的に接続され、コアは、電気光学結晶を有し、両端面の電極の相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなり、コア内の屈折率は、電界が印加されていない場合は、上下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、両端面の電極の相互間に正の電界が印加されて、上面の電極が高電位になり、下面の電極が低電位になった場合は、上面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、両端面の電極の相互間に負の電界が印加されて、上面の電極が低電位になり、下面の電極が高電位になった場合は、下面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ上面のクラッドの屈折率よりも高くなるように設定されたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、電気光学効果による光偏向、または光導波路内の屈折率変化によって、光導波路とクラッドとの屈折率差を逆転させて、クラッド膜の光の閉じ込め機能を取り除くことを利用し、偏光を利用したポッケルスセルや可飽和吸収体を用いることなく、高消光比および小型化を実現した光導波路型Ｑスイッチ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光導波路型Ｑスイッチ素子を示す斜視図である。
【図２】図１内のＡ−Ａ’線による断面図である。
【図３】電界が印加されない場合の図１の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図４】電界印加時の図１の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図５】光導波路内の屈折率変化と電界との関係の計算結果を示す特性図である。
【図６】コア５に厚さ４０μｍのＫＴＮおよびＴａ２Ｏ５の屈折率と印加電圧の関係の計算結果を示す特性図である。
【図７】各種金属材料の入射角依存性の計算結果を示す特性図である。
【図８】各種金属材料の入射角依存性の計算結果を示す特性図である。
【図９】この発明の実施の形態１の他の構成例を示す斜視図である。
【図１０】電界が印加されない場合の図９の動作をＢ−Ｂ’線による断面図で示す説明図である。
【図１１】電界印加時の図９の動作をＢ−Ｂ’線による断面図で示す説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態２に係る光導波路型Ｑスイッチ素子を示す斜視図である。
【図１３】図１２内のＣ−Ｃ’線による断面図である。
【図１４】電界が印加されない場合の図１２の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図１５】電界印加時の図１２の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態３に係る光導波路型Ｑスイッチ素子を示す斜視図である。
【図１７】図１６内のＤ−Ｄ’線による断面図である。
【図１８】電界が印加されない場合の図１６の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図１９】電界印加時の図１６の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図２０】この発明の実施の形態４に係る光導波路型Ｑスイッチ素子を示す斜視図である。
【図２１】図２０内のＥ−Ｅ’線による断面図である。
【図２２】電界が印加されない場合の図２０の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図２３】電界印加時の図２０の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図２４】この発明の実施の形態５に係るＱスイッチレーザを示す斜視図である。
【図２５】この発明の実施の形態５に係るＱスイッチレーザの他の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光導波路型Ｑスイッチ素子１を示す斜視図であり、図２は図１内のＡ−Ａ’線による断面図である。
図１、図２において、光導波路型Ｑスイッチ素子１は、平面導波路構造（平面導波路型Ｑスイッチ素子）からなり、上下面の電極２ａ、２ｂと、上下面のクラッド４ａ、４ｂおよびコア５により構成される光導波路３と、Ｑスイッチ駆動装置６と、上下面の光損失手段７ａ、７ｂと、を備えている。
【００１５】
コア５のｘ−ｚ平面に平行な両端面には、クラッド４ａ、４ｂが設けられている。
また、クラッド４ａ、４ｂのｘ−ｚ平面に平行で、かつコア５と対向する両端面には、光損失手段７ａ、７ｂが設けられている。
さらに、光損失手段７ａ、７ｂのｘ−ｚ平面に平行で、かつクラッド４ａ、４ｂと対向する両端面には、電極２ａ、２ｂが設けられており、両端面（上下面）の電極２ａ、２ｂの各々には、Ｑスイッチ駆動装置６の出力端子が電気的に接続されている。
【００１６】
光導波路３に入射した入射光Ｌ１は、コア５内をｚ軸方向に伝搬し、出射光Ｌ２として放出される。すなわち、ｚ軸は、光導波路３に対して光軸に平行である。
光導波路３のｘ−ｚ面方向に対して平行で、かつ光伝搬方向（ｚ軸）に対して直角なｘ軸は、光導波路３に対して遅軸となる。また、光導波路３のｘ−ｚ面方向に対して垂直なｙ軸は、光導波路３に対して速軸となる。
なお、平面導波路構造とは、層状構造によって入射光Ｌ１を閉じ込め、ｘ−ｚ平面に沿う方向にのみに光波を伝搬させる光導波路３のことをいう。
【００１７】
次に、図３〜図５を参照しながら、図１および図２に示したこの発明の実施の形態１による光伝搬動作について説明する。
図３および図４は入射光Ｌ１の伝搬動作を示す説明図であり、図３は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合の動作を示し、図４は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合の動作を示している。
【００１８】
また、図５は光導波路３内の屈折率ｎの分布状態を示す説明図であり、図５（ａ）は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合を示し、図５（ｂ）は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合を示している。
【００１９】
まず図３に示すように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、光Ｌ１がコア５の入射面５ａから入射して光導波路３内を伝搬すると、ｙ軸方向に関しては、コア５と上面クラッド４ａとの界面、および、コア５と下面クラッド４ｂとの界面で、臨界角θｃよりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００２０】
したがって、電界が印加されていない場合（図３）には、ｙ軸方向の入射光Ｌ１のうち臨界角θｃよりも低い伝搬角を有する光導波モード光は、光導波路３内をほとんど損失なく伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
また、ｘ軸方向に関しては、ｚ軸方向（光路方向）に対して平行に光Ｌ１が伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
【００２１】
一方、図４のように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合には、光Ｌ１がコア５の入射面５ａから入射して光導波路３内を伝搬すると、ｙ軸方向に関しては、コア５と下面クラッド４ｂとの界面で、臨界角θｃよりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００２２】
しかし、電界印加によってコア５の屈折率（図５とともに後述する）が変化するので、コア５と上面クラッド４ａとの界面においては、入射光Ｌ１がクラッド４ａを通過して光損失手段７ａまで漏洩し、一部の光Ｌ１が光損失手段７ａにより減衰された状態で、コア５の出射面５ｂから出射される。
また、ｘ軸方向に関しては、ｚ軸方向に平行に光Ｌ１が伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
【００２３】
次に、図５を参照しながら、コア５に電圧が印加された場合の屈折率ｎの変化について説明する。
図５は光導波路型Ｑスイッチ素子１の光導波路３内の屈折率ｎを示す説明図であり、コア５およびクラッド４ａ、４ｂの各位置（ｙ軸方向）に対応した屈折率の状態を、電界の有無に関連して示している。
【００２４】
図５（ａ）は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合の光導波路３内の屈折率ｎの分布状態を示し、図５（ｂ）は電極２ａと電極２ｂとの間に正の電界が印加された場合の光導波路３内の屈折率ｎの分布状態を示す。
【００２５】
まず、電極２ａと電極２ｂとの間に正の電界が印加された場合の光導波路３内の屈折率ｎの変化について説明する。
図５（ａ）のように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合は、コア５内の屈折率ｎ１は、クラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ２よりも高い状態にある。
一方、図５（ｂ）のように、電極２ａと電極２ｂとの間に正の電界が印加されて、電極２ａが高電位になり、電極２ｂが低電位になると、コア５内の屈折率ｎ１は、コア５の電気光学効果により変化して、上面の電極２ａ側ではクラッド４ｂの屈折率ｎ２よりも低くなり、かつ下面の電極２ｂ側ではクラッド４ａの屈折率ｎ２よりも高くなる。
【００２６】
なお、図示しないが、電極２ａと電極２ｂとの間に負の電界が印加されて、電極２ａが低電位となり、電極２ｂが高電位となった場合には、コア５内の屈折率は、図５（ｂ）とは逆に変化して、下面の電極２ｂ側ではクラッド４ｂの屈折率よりも低く、上面の電極２ａ側ではクラッド４ａの屈折率よりも高くなる。
【００２７】
図１〜図４の光導波路型Ｑスイッチ素子１において、クラッド４ａ、４ｂの材質は、電界が印加されない場合（図５（ａ））には、コア５の屈折率に対して屈折率が低くなり、かつ正の電界が印加された場合（図５（ｂ））には、高電位（上面の電極２ａ）側でのコア５の屈折率よりも屈折率が高くなり、低電位（下面の電極２ｂ）側でのコア５の屈折率よりも低くなる材料が用いられる。
【００２８】
また、コア５の材質としては、高い電気光学定数を有する材料が用いられ、１次の電気光学効果（屈折率変化Δｎが印加電界Ｅに比例）を示すポッケルスセル効果、または、２次の電気光学効果（屈折率変化Δｎが印加電界Ｅの２乗に比例）を示すカー効果を有するものが選択される。具体的には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＳｒＢａＮｂ２Ｏ６（ＳＢＮ）、ＫＴａＮｂＯ３（ＫＴＮ）などが望ましい。
【００２９】
ポッケルスセル効果による屈折率変化Δｎと印加電界Ｅ［Ｖ／ｍ］との関係は、屈折率ｎｏと、電気光学定数ｒｅｆｆ［ｍ／Ｖ］と、印加電圧Ｖ［Ｖ］と、光導波路厚ｄ［ｍ］とを用いて、以下の式（１）のように表わされる。
【００３０】
Δｎ＝（ｎｏ）３ｒｅｆｆＥ
＝（ｎｏ）３ｒｅｆｆ（Ｖ／ｄ） ・・・（１）
【００３１】
また、カー効果による屈折率変化Δｎと印加電界Ｅ［Ｖ／ｍ］との関係は、屈折率ｎｏと、ｋｅｒｒ定数Ｓｅｆｆ［ｍ２／Ｖ２］とを用いて、以下の式（２）のように表わされる。
【００３２】
Δｎ＝０．５（ｎｏ）３ＳｅｆｆＥ２ ・・・（２）
【００３３】
図６はコア５およびクラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ１、ｎ２と印加電圧との関係を示す説明図であり、たとえば、コア５（印加電圧＝０）の屈折率ｎ１＝２．１８、ｋｅｒｒ係数Ｓｅｆｆ＝−４．８×１０−１５［ｍ２／Ｖ２］（ＫＴＮ相当）、クラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ２＝２．０８（Ｔａ２Ｏ５相当）、光導波路厚ｄ＝４０μｍ、とした場合の印加電圧に対する特性を示している。
【００３４】
図６から明らかなように、電圧＝０の状態から、約８１［Ｖ］の電圧が印加された場合には、コア５の屈折率ｎ１がクラッド４ａの屈折率ｎ２よりも小さくなり、コア５とクラッド４ａとの間の屈折率の関係は、「ｎ１＞ｎ２」から「ｎ１＜ｎ２」へと逆転する。
【００３５】
また、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されると、コア５内の光Ｌ１は偏向するので、下面の電極２ｂとクラッド４ｂとの間に光損失手段（光吸収手段）７ｂを設け、コア５とクラッド４ｂとの界面での臨界角θｃよりも、光導波路３内の伝搬モードの偏向角θｄの方を大きく設定し、クラッド４ｂに光Ｌ１の一部が屈折するように、電界印加時の損失効果を高めることが可能である。
【００３６】
臨界角θｃと、コア５およびクラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ１、ｎ２との関係は、以下の式（３）のように表わされる。
【００３７】
θｃ＝ｓｉｎ−１｛√（ｎ１２−ｎ２２）／ｎ１｝ ・・・（３）
【００３８】
また、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合の光の偏向角θｄは、コア５の屈折率ｎ１と、ｋｅｒｒ定数Ｓｅｆｆと、結晶の相互作用長ｈと、光導波路厚ｄと、電界Ｅとを用いて、以下の式（４）のように表わされる。
【００３９】
θｄ＝−９／８（ｎ１２）Ｓｅｆｆ（ｈ／ｄ）Ｅ２ ・・・（４）
【００４０】
たとえば、コア５の屈折率ｎ１＝２．１８、ｋｅｒｒ係数Ｓｅｆｆ＝−４．８×１０−１５［ｍ２／Ｖ２］（ＫＴＮ相当）、クラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ２＝２．０８（Ｔａ２Ｏ５相当）、とした場合、式（３）から、臨界角θｃ＝１７．４［°］となる。
ここで、光導波路厚（コア厚）ｄ＝４０μｍで、電圧８１［Ｖ］が印加された場合は、図６から、相互作用長ｈ＝６０μｍでの偏向角θｄは、臨界角θｃよりも大きくなる。
【００４１】
なお、光導波路型Ｑスイッチ素子１において、伝搬光の減衰率を高くするためには、反射率の低い材質で光損失手段７ａ、７ｂを形成することが望ましい。
光導波路３を伝搬している光Ｌ１は、図３、図４のように光損失手段７ａ、７ｂにより多数回反射するので、光損失手段７ａ、７ｂへの入射角度が広範囲にわたることになる。
【００４２】
図７および図８は各種金属材料への入射角度［°］に対する反射率の依存性の計算結果を示す特性図である。
図７、図８において、それぞれ、図７（ａ）は銀、図７（ｂ）は銅、図７（ｃ）はニッケル、図７（ｄ）は金の特性図であり、図８（ａ）は鉛、図８（ｂ）はアルミニウム、図８（ｃ）はクロム、図８（ｄ）はチタン、の特性図を示している。
【００４３】
ここでは、レーザ発振光として、一般的に用いられる波長１０６４ｎｍの光に対する特性を示している。
また、図７、図８では、それぞれ、Ｓ偏光（入射面に対して垂直な偏光方向）に対する特性を曲線ａで示し、Ｐ偏光（入射面に対して水平な偏光方向）に対する特性を曲線ｂで示している。
【００４４】
図７、図８において、光損失手段７ａ、７ｂをクラッド４ａ、４ｂの上下面に設けた場合、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光モードに対しては、Ｐ偏光で入射するので、図７（ｃ）のニッケル、図８（ａ）の鉛、図８（ｃ）、図８（ｄ）のクロムおよびチタンは、入射角度８０［°］以下で、反射率が０．１５〜０．７となる。
【００４５】
したがって、ニッケル、鉛、クロムおよびチタンは、クラッド４ａ、４ｂの外部に漏洩した光に対して大きな損失が与えられるので、光損失手段７ａ、７ｂとして、ニッケル、鉛、クロムおよびチタンのうちのいずれかを用いることが望ましい。
【００４６】
また、光導波路型Ｑスイッチ素子１において、電極２ａ、２ｂの材質として要求される条件は、電気伝導性が高いことであり、たとえば、金、銀、銅、アルミニウム、クロムなどの金属膜を電極２ａ、２ｂとして用いることが望ましい。なお、電極２ａ、２ｂは、光損失手段７ａ、７ｂとして共通に用いることも可能である。
【００４７】
また、伝搬光の減衰を高めるためには、光損失手段７ａ、７ｂに接するクラッド４ａ、４ｂの界面を荒らすことにより光を散乱させて、損失効果を高めることも有効である。
この場合、たとえば、リアクティブイオンエッチングやバックスパッタなどを施すことによって、光損失手段７ａ、７ｂに接するクラッド４ａ、４ｂの界面を荒らすことが有効である。
【００４８】
さらに、図１〜図４では言及しなかったが、図９で示すように、上面の光損失手段７ａに代えて、テーパ形状を有する透明ブロック８を設けることも有効である。
図９はこの発明の実施の形態１の他の構成例を示す斜視図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
【００４９】
図９〜図１１において、透明ブロック８は、光導波路３を構成するコア５の入射面５ａから出射面５ｂに向かうにしたがって、ｙ軸方向の寸度（厚さ）が徐々に大きくなるようなテーパ形状を有する。
【００５０】
図１０および図１１は、図９の構成による光伝搬動作をＢ−Ｂ’線による断面図で示す説明図である。
図１０においては、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されない場合の動作を示しており、図１１においては、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合の動作を示している。
【００５１】
以下、図９〜図１１に示したこの発明の実施の形態１の他の構成例による動作について説明する。
図１０のように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、光Ｌ１がコア５の入射面５ａから入射して光導波路３内を伝搬すると、ｙ軸方向に関しては、コア５と上面クラッド４ａとの界面、および、コア５と下面クラッド４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００５２】
したがって、電界が印加されていない場合（図１０）には、ｙ軸方向の入射光Ｌ１のうち臨界角θｃよりも低い伝搬角を有する光導波モード光は、光導波路３内をほとんど損失なく伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
また、ｘ軸方向に関しては、ｚ軸方向に平行に光Ｌ１が伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
【００５３】
一方、図１１のように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合には、光Ｌ１がコア５の入射面５ａから入射して光導波路３内を伝搬すると、ｙ軸方向に関しては、コア５と下面クラッド４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００５４】
しかし、コア５と上面クラッド４ａとの界面では、コア５の屈折率変化により、クラッド４ａを通過して透明ブロック８まで漏洩し、透明ブロック８と電極２ａとの界面において反射し、点線矢印で示すように、光は、コア５内に入射することなく、透明ブロック８の端面８ｂから放出される。
【００５５】
以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図１１）に係る光導波路型Ｑスイッチ素子１は、コア５およびクラッド４ａ、４ｂからなる平面導波路構造の光導波路３と、光導波路３の上下面に設けられた光損失手段７ａ、７ｂ（透明ブロック８、７ｂ）および電極２ａ、２ｂと、電極２ａ、２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置６と、を備えている。
【００５６】
クラッド４ａ、４ｂは、コア５内の光を閉じ込めるために、コア５の上下面に設けられている。
光損失手段７ａ、７ｂは、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、クラッド４ａ、４ｂの平面に対し平行で、かつコア５と対向する両端面に設けられている。
【００５７】
電極２ａ、２ｂは、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段７ａ、７ｂの平面に対し平行で、かつクラッド４ａ、４ｂと対向する両端面に設けられるとともに、Ｑスイッチ駆動装置６と電気的に接続されている。
【００５８】
すなわち、高い電気光学定数ｒｅｆｆの結晶からなる光導波路（平面導波路）３の上下面にクラッド４ａ、４ｂが設けられ、クラッド４ａ、４ｂの外側上下面に光損失手段７ａ、７ｂが設けられ、光損失手段７ａ、７ｂの外側上下面に電極２ａ、２ｂが設けられ、電極２ａと電極２ｂとの間に電気的に接合されたＱスイッチ駆動装置６が設けられている。
【００５９】
コア５は、電気光学結晶を有し、両端面の電極２ａ、２ｂの相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなる。
コア５内の屈折率ｎ１（図５（ａ））は、電界が印加されていない場合は、上下面のクラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ２よりも高くなるように設定されている。
【００６０】
また、コア５内の屈折率ｎ１（図５（ｂ））は、両端面の電極２ａ、２ｂの相互間に正の電界が印加されて、上面の電極２ａが高電位になり、下面の電極２ｂが低電位になった場合は、上面のクラッド４ａの屈折率ｎ２よりも低く、かつ下面のクラッド４ｂの屈折率ｎ２よりも高くなるように設定されている。
【００６１】
また、コア５内の屈折率ｎ１は、両端面の電極２ａ、２ｂの相互間に負の電界が印加されて、上面の電極２ａが低電位になり、下面の電極２ｂが高電位になった場合は、下面のクラッド４ｂの屈折率ｎ２よりも低く、かつ上面のクラッドの屈折率ｎ２よりも高くなるように設定されている。
【００６２】
また、光導波路３は、ＫＴＮからなり、クラッド４ａ、４ｂは、Ｔａ２Ｏ５からなり、光損失手段は、金、銀、銅、ニッケル、鉛、アルミニウム、クロム、またはチタンの金属膜からなる。
また、光損失手段７ａ、７ｂに接するクラッド４ａ、４ｂの界面には、損失効果を高めるために、リアクティブイオンエッチングまたはバックスパッタが施されている。
【００６３】
このように、光導波路型Ｑスイッチ素子１を平面導波路構造とすることにより、小型化が容易となる。すなわち、平面導波路構造の光導波路３により電気光学結晶の厚さ（ｙ軸方向の寸度）を薄くすることができるので、低電圧駆動が可能で、さらに、光導波路３内の光伝搬を利用することにより、高い消光比を実現することができる。
【００６４】
さらに、上下面のクラッド４ａ、４ｂの少なくとも一方は、光導波路３の光入射面から光出射面に向かうにしたがって上下方向（ｙ軸方向）の厚さが徐々に大きくなるような、テーパ形状の透明ブロック８（図９〜図１１）により構成されている。
【００６５】
このように、光損失手段７ａに代えて、テーパ状の透明ブロック８（図９〜図１１）を用いることにより、光導波路３内の反射回数を軽減させることができるので、さらに光導波路型Ｑスイッチ素子１の小型化を実現することができる。
【００６６】
この発明の実施の形態１によれば、電気光学効果による光偏向、または電界印加による光導波路３内の屈折率変化を用い、光導波路３とクラッド４ａ、４ｂとの屈折率差を逆転させて、クラッド４ａ、４ｂの光閉じ込め機能を取り除くので、偏光を利用したポッケルスセルや可飽和吸収体を用いることなく、高消光比および小型化を実現した光導波路型Ｑスイッチ素子を得ることができる。
【００６７】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１〜図１１）では、クラッド４ａ、４ｂのｙ軸方向の外側上下面に電極２ａ、２ｂを設けたが、図１２〜図１５のように、クラッド１４ａ、１４ｂのｘ軸方向の側面に電極１２ａ、１２ｂを設けてもよい。
【００６８】
図１２はこの発明の実施の形態２に係る光導波路型Ｑスイッチ素子１１を示す斜視図であり、図１３は図１２内のＣ−Ｃ’線による断面図である。
また、図１４および図１５は、この発明の実施の形態２による動作を断面図で示す説明図であり、図１４は電界が印加されない場合の光導波路型Ｑスイッチ素子１１の動作を示し、図１５は電界印加時の光導波路型Ｑスイッチ素子１１の動作を示している。
【００６９】
図１２〜図１５において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号１１〜１６で示す要素は、前述（図１）の各符号１〜６の要素に対応している。
図１２、図１３において、光導波路型Ｑスイッチ素子１１は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極１２ａ、１２ｂと、クラッド１４ａ、１４ｂおよびコア１５で構成される光導波路１３と、Ｑスイッチ駆動装置１６と、を備えている。
【００７０】
前述と同様に、コア１５のｘ−ｚ平面に平行な両端面（上下面）には、クラッド１４ａ、１４ｂが設けられている。
また、ｘ軸は、光導波路１３に対して遅軸となり、ｙ軸は光導波路１３に対して速軸となり、ｚ軸は、光導波路１３に対して光軸にそれぞれ平行である。
【００７１】
この場合、コア１５のｘ−ｚ平面に対して垂直な両端側面（ｙ−ｚ面）には、第１および第２の電極１２ａ、１２ｂが設けられており、両電極１２ａ、１２ｂには、Ｑスイッチ駆動装置１６が電気的に接続されている。
【００７２】
次に、図１４および図１５を参照しながら、図１２および図１３に示したこの発明の実施の形態２による動作について説明する。
まず図１４のように、電極１２ａと電極１２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、光Ｌ１がコア１５の入射面１５ａから入射すると、前述（図３）と同様に、ｙ軸方向に関しては、コア１５の屈折率が上面クラッド１４ａおよび下面クラッド１４ｂの屈折率よりも高いので、コア１５と上面クラッド１４ａとの界面、およびコア１５と下面クラッド１４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００７３】
したがって、電界が印加されない場合（図１４）には、ｙ軸方向の入射光Ｌ１は、光導波路１３内をほとんど損失なく伝搬し、コア１５の出射面１５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
また、ｘ軸方向に関しては、ｚ軸方向に平行に光Ｌ１が伝搬し、コア１５の出射面１５ｂから光Ｌ２として出射される。
【００７４】
一方、図１５のように、電極１２ａと電極１２ｂとの間に電界が印加された場合には、光Ｌ１がコア１５の入射面１５ａから入射すると、ｙ軸方向に関する伝搬動作は前述（図１４）と同様であるが、ｘ軸方向に関しては、電気光学効果によりコア１５の高電位側（電極１２ａ側）の屈折率が低下するので、入射光Ｌ１が低電位側に偏向される。
したがって、コア１５の出射面１５ｂにおいて、電極１２ｂ側に屈折した状態で、出射光Ｌ２が放出される。
【００７５】
以上のように、この発明の実施の形態２（図１２〜図１５）に係る光導波路型Ｑスイッチ素子１１は、コア１５およびクラッド１４ａ、１４ｂからなる平面導波路構造の光導波路１３と、光導波路１３の両端側面に設けられた電極１２ａ、１２ｂと、電極１２ａ、１２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置１６と、を備えている。
【００７６】
コア１５は、電気光学結晶を有する材料からなり、クラッド１４ａ、１４ｂは、コア１５内の光Ｌ１を閉じ込めるために、コア１５の上下面に設けられるとともに、コア１５の材料よりも屈折率が低い材料からなる。
電極１２ａ、１２ｂは、電気伝導性が高い材料からなり、コア１５のｘ−ｚ平面に対し垂直な両端側面（ｙ−ｚ面）に設けられるとともに、Ｑスイッチ駆動装置１６と電気的に接続されている。
【００７７】
このように、光導波路型Ｑスイッチ素子１１を共振器内に挿入し、励起時にｘ軸方向に関して共振を妨げるように、光軸方向に対して光Ｌ１を偏向することにより（図１５）、高効率なＱスイッチ動作を実現することができる。
【００７８】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態２（図１２〜図１５）では、直方体形状のコア１５を用いたが、図１６〜図１９に示すように、ｘ軸方向に関してテーパ形状を有するコア２５を用いてもよい。
【００７９】
図１６はこの発明の実施の形態３に係る光導波路型Ｑスイッチ素子２１を示す斜視図であり、図１７は図１６内のＤ−Ｄ’線による断面図である。
また、図１８および図１９は、この発明の実施の形態３による動作を断面図で示す説明図であり、図１８は電界が印加されない場合の光導波路型Ｑスイッチ素子２１の動作を示し、図１９は電界印加時の光導波路型Ｑスイッチ素子２１の動作を示している。
【００８０】
図１６〜図１９において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号２１〜２６で示す要素は、前述（図１２）の各符号１１〜１６の要素に対応している。
図１６、図１７において、光導波路型Ｑスイッチ素子２１は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極２２ａ、２２ｂと、クラッド２４ａ、２４ｂおよびコア２５で構成される光導波路２３と、電極２２ａ、２２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置２６と、を備えている。
【００８１】
コア２５のｘ−ｚ平面に平行な両端面（上下面）には、クラッド２４ａ、２４ｂが設けられている。また、コア２５のｘ−ｚ平面に垂直な両端側面（ｙ−ｚ面）には、電極２２ａ、２２ｂが設けられており、両電極２２ａ、２２ｂには、Ｑスイッチ駆動装置２６が電気的に接続されている。
また、ｘ軸は、光導波路２３に対して遅軸となり、ｙ軸は、光導波路２３に対して速軸となり、ｚ軸は、光導波路２３に対して光軸にそれぞれ平行である。
【００８２】
この場合、光導波路２３において、コア２５の断面形状は、第１の電極２２ａから第２の電極２２ｂに向かうにしたがって、ｚ軸方向の寸度（光路方向の長さ）が徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
【００８３】
次に、図１８および図１９を参照しながら、図１６および図１７に示したこの発明の実施の形態３による動作について説明する。
まず図１８のように、電極２２ａと電極２２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、光Ｌ１がコア２５の入射面２５ａから入射すると、ｙ軸方向の光Ｌ１の伝搬は、コア２５の屈折率がクラッド２４ａ、２４ｂの屈折率よりも高いので、コア２５と上面クラッド２４ａとの界面、および、コア２５と下面クラッド２４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００８４】
したがって、電界が印加されていない場合（図１８）において、ｙ軸方向の入射光Ｌ１は、光導波路２３内をほとんど損失なく伝搬し、コア２５の出射面２５ｂからｚ軸に対して平行な向きに出射される。
【００８５】
一方、電界が印加されていない場合（図１８）のｘ軸方向の入射光Ｌ１の伝搬に関しては、光Ｌ１がコア２５の入射面２５ａに入射すると、屈折によりｚ軸方向に対して屈折角θ１だけ傾いた状態で、コア２５内を伝搬し、コア２５の出射面２５ｂまで到達した後、さらに屈折することにより、ｚ軸に対して屈折角θ２だけ傾いて出射光Ｌ２が放出される。
【００８６】
これに対し、図１９のように、電極２２ａと電極２２ｂとの間に電界が印加されると、コア２５の入射面２５ａから入射した光Ｌ１は、ｙ軸方向に関する光Ｌ１の伝搬動作は前述（図１８）と同様であるが、ｘ軸方向の光Ｌ１の伝搬に関しては、電気光学効果によってコア５の高電位側（電極２２ａ側）の屈折率が低下するので、入射時にｚ軸に対して屈折角θ１だけ傾いた光Ｌ１は、コア２５内で低電位側（電極２２ｂ側）に偏向される。
【００８７】
したがって、電界印加時（図１９）においては、コア２５内を伝搬した光Ｌ１は、出射面２５ｂに到達時に、ｚ軸に対して平行（θ２＝０°）になるように偏向され、コア２５の出射面２５ｂから出射される。
【００８８】
以上のように、この発明の実施の形態３（図１６〜図１９）によれば、コア２５（光導波路２３）は、両端側面の電極２２ａ、２２ｂのうちの第１の電極２２ａから第２の電極２２ｂに向かうにしたがって、ｚ軸方向（光路方向）の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有するので、電界印加時（図１９）において、出射光Ｌ２のｚ軸方向に対する傾きを０°にすることができる。
【００８９】
実施の形態４．
なお、上記実施の形態３（図１６〜図１９）では、光導波路２３の両端側面（ｙ−ｚ面）に電極２２ａ、２２ｂを設けた光導波路型Ｑスイッチ素子２１において、ｘ軸方向に関してテーパ形状を有するコア２５を用いたが、図２０〜図２３に示すように、光導波路３３の上下面（ｘ−ｚ面）に電極３２ａ、３２ｂを設けた光導波路型Ｑスイッチ素子３１において、ｙ軸方向に関してテーパ形状を有するコア３５を用いてもよい。
【００９０】
図２０はこの発明の実施の形態４に係る光導波路型Ｑスイッチ素子３１を示す斜視図であり、図２１は図２０内のＥ−Ｅ’線による断面図である。
また、図２２および図２３は、この発明の実施の形態４による動作を断面図で示す説明図であり、図２２は電界が印加されない場合の光導波路型Ｑスイッチ素子３１の動作を示し、図２３は電界印加時の光導波路型Ｑスイッチ素子３１の動作を示している。
【００９１】
図２０〜図２３において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号３１〜３７で示す要素は、前述（図１）の各符号１〜７の要素に対応している。
図２０、図２１において、光導波路型Ｑスイッチ素子３１は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極３２ａ、３２ｂと、クラッド３４ａ、３４ｂおよびコア３５により構成される光導波路３３と、電極３２ａ、３２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置３６と、を備えている。
【００９２】
コア３５のｘ−ｚ平面に平行な両端面（上下面）には、クラッド３４ａ、３４ｂが設けられている。また、クラッド３４ａ、３４ｂのｘ−ｚ平面に平行で、かつコア３５と対向する両端面（上下面）には、光損失手段３７ａ、３７ｂが設けられている。さらに、光損失手段３７ａ、３７ｂのｘ−ｚ平面に平行で、かつクラッド３４ａ、３４ｂと対向する両端面（上下面）には、電極３２ａ、３２ｂが設けられている。
【００９３】
両電極３２ａ、３２ｂには、Ｑスイッチ駆動装置３６が電気的に接続されている。
また、ｘ軸は光導波路３３に対して遅軸、ｙ軸は光導波路３３に対して速軸、ｚ軸は光導波路３３に対して光軸にそれぞれ平行である。
【００９４】
この場合、光導波路３３において、コア３５は、ｙ軸方向に関して、第１の電極３２ａから第２の電極３２ｂに向かうにしたがって、ｚ軸方向の寸度が徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
なお、クラッド３４ａ、３４ｂの材質としては、電極３２ａ、３２ｂへの電界印加の有無にかかわらず、クラッド３４ａ、３４ｂの屈折率がコア３５の屈折率よりも常に低くなるような材質を用いる。
【００９５】
次に、図２２および図２３を参照しながら、図２０および図２１に示したこの発明の実施の形態４による動作について説明する。
まず図２２のように、電極３２ａと電極３２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、ｙ軸方向の光Ｌ１の伝搬に関しては、光Ｌ１がコア３５の入射面３５ａに入射すると、屈折によりｚ軸方向に対して屈折角θ１だけ傾き、上面クラッド３４ａに入射する。
【００９６】
このとき、コア３５と上面クラッド３４ａとの界面、および、コア３５と下面クラッド３４ｂとの界面で、伝搬角が臨界角よりも大きくなるので、光Ｌ１は、クラッド３４ａ、３４ｂを透過して、光損失手段３７ａ、３７ｂに入射し、光損失手段３７ａ、３７ｂにより一部の光は減衰されて反射する。
以下、反射を何回も繰り返し、最後にコア３５の出射面３５ｂでさらに屈折した後、光Ｌ２は出射面３５ｂから放出される。
【００９７】
一方、図２３のように、電極３２ａと電極３２ｂとの間に電界が印加された場合において、光Ｌ１がコア３５の入射面３５ａから入射すると、ｙ軸方向の光Ｌ１の伝搬動作は前述（図２２）と同様であるが、ｘ軸方向の光Ｌ１の伝搬に関しては、電気光学効果により高電位側（電極３２ａ側）の屈折率が低下するので、ｚ軸方向に対して屈折角θ１だけ傾いた光Ｌ１は、コア３５内で低電位側（電極３２ｂ側）に偏向される。
したがって、コア３５の出射面３５ｂへの到達時に、出射光Ｌ２は、ｚ軸方向に対して平行（θ２＝０°）になるように偏向され、出射面３５ｂから放出される。
【００９８】
以上のように、この発明の実施の形態４（図２０〜図２３）によれば、コア３５およびクラッド３４ａ、３４ｂからなる平面導波路構造の光導波路３３と、光導波路３３の上下面に設けられた光損失手段３７ａ、３７ｂおよび電極３２ａ、３２ｂと、電極３２ａ、３２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置３６と、を備えている。
【００９９】
クラッド３４ａ、３４ｂは、コア３５内の光Ｌ１を閉じ込めるために、コア３５の上下面に設けられるとともに、コア３５の材料よりも屈折率が常に低い材料からなる。
光損失手段３７ａ、３７ｂは、光Ｌ１が接触すると光を減衰させる材料または構造をからなり、クラッド３４ａ、３４ｂの平面に対し平行で、かつコア３５と対向する両端面に設けられている。
【０１００】
電極３２ａ、３２ｂは、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段３７ａ、３７ｂの平面に対し平行で、かつクラッド３４ａ、３４ｂと対向する両端面に設けられるとともに、Ｑスイッチ駆動装置３６と電気的に接続されている。
コア３５は、電気光学結晶を有する材料からなり、光導波路３３は、両端面の電極３２ａ、３２ｂのうちの第１の電極３２ａから第２の電極３２ｂに向かうにしたがって、ｚ軸方向（光路方向）の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
これにより、電界印加時（図２３）において、出射光Ｌ２のｚ軸方向に対する傾きを０°にすることができる。
【０１０１】
実施の形態５．
なお、上記実施の形態１〜４（図１〜図２３）では、光導波路型Ｑスイッチ素子について説明したが、図２４に示すように、前述（図１）の光導波路型Ｑスイッチ素子１を用いてＱスイッチレーザ装置４０を構成してもよい。
【０１０２】
図２４はこの発明の実施の形態５に係るＱスイッチレーザ装置４０を示す斜視図である。
図２４において、Ｑスイッチレーザ装置４０は、光導波路型Ｑスイッチ素子１と、励起光Ｌｐを出射する励起光源４１と、励起光Ｌｐを光導波路型Ｑスイッチ素子１への入射光に変換する平面導波路型レーザ媒質４２と、励起光源４１、平面導波路型レーザ媒質４２および光導波路型Ｑスイッチ素子１が載置されたヒートシンク４３と、光導波路型Ｑスイッチ素子１に電界を印加するＱスイッチ駆動装置４６と、第１の反射手段（図示せず）と、発振光Ｌｏを出射する第２の反射手段４５と、を備えている。
【０１０３】
励起光源４１、平面導波路型レーザ媒質４２、光導波路型Ｑスイッチ素子１および第２の反射手段４５は、Ｑスイッチレーザ装置４０のレーザ光源を構成している。
【０１０４】
平面導波路型レーザ媒質４２は、光導波路型Ｑスイッチ素子１と同じ光導波路の厚さを有する。
励起光源４１、平面導波路型レーザ媒質４２および光導波路型Ｑスイッチ素子１は、近接配置されている。
【０１０５】
図２４においては、煩雑さを回避するために図示しないが、第１の反射手段は、平面導波路型レーザ媒質４２の励起光源４１側の端面に設けられており、励起光Ｌｐに対して反射を防止し、発振光Ｌｏに対して、全反射させる機能を有する。
第２の反射手段４５は、発振光Ｌｏに対して一部反射させる機能を有しており、第１の反射手段、平面導波路型レーザ媒質４２および光導波路型Ｑスイッチ素子１と協働して、レーザ共振器を形成している。
【０１０６】
ヒートシンク４３上においては、励起光源４１、第２の反射手段、平面導波路型レーザ媒質４２、および光導波路型Ｑスイッチ素子１の順に各要素が配列されており、さらに、光導波路型Ｑスイッチ素子１の出射端面には、第２の反射手段４５が配置されている。
【０１０７】
励起光源４１としては、複数のエミッタと、平面導波路型レーザ媒質４２の平面方向に対して小さい広がり角とを有し、平面導波路型レーザ媒質４２が良好に吸収される発振波長の励起光源４１を出力するものを用いることが望ましい。
ここでは、励起光源４１として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）アレイを用いるものとする。
【０１０８】
平面導波路型レーザ媒質４２としては、平面構造を形成し、かつ励起光Ｌｐの波長に対して高い利得を有し、機械強度および熱伝導性に優れるものを用いることが望ましい。
【０１０９】
次に、前述の図１〜図４を参照しながら、図２４に示したこの発明の実施の形態５に係るＱスイッチレーザ装置４０の動作について説明する。
励起光源４１から出射された励起光Ｌｐは、平面導波路型レーザ媒質４２に入射し、平面導波路型レーザ媒質４２に入射した励起光Ｌｐは、垂直方向で光導波路３を伝搬し、平面方向で空間的に伝搬し、平面導波路型レーザ媒質４２内を光励起する。
【０１１０】
励起開始時においては、光導波路型Ｑスイッチ素子１の電極２ａ、２ｂに電気的に接続されたＱスイッチ駆動装置４６を駆動することにより、平面導波路型レーザ媒質４２で発生した自然放出光を、光導波路型Ｑスイッチ素子１により光軸から偏向させる（図４）。
【０１１１】
このように、平面導波路型レーザ媒質４２と光導波路型Ｑスイッチ素子１との間の隙間から一部の光を漏洩させて、共振器のフィードバック機能を失わせることにより、レーザ発振を抑制する。
【０１１２】
その後、平面導波路型レーザ媒質４２中のエネルギーが充分蓄積された後に、Ｑスイッチ駆動装置４６の駆動を停止させると、光導波路型Ｑスイッチ素子１による偏向がなくなるので、共振器のフィードバック機能が発生し、コア５とクラッド４ａ、４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【０１１３】
これにより、光導波路３内をほとんど損失なく光Ｌ１が伝搬することができるので、共振器内のＱ値が急速に向上する。
このように、利得が損失よりも高い場合には、共振器内で光子数が急激に増加して、尖頭値の高いパルスを発生するので、光導波路型Ｑスイッチ素子１の出射端面に設けられた第２の反射手段４５において、共振器内に発生した光の一部が発振光Ｌｏとして取り出され、出力パルスとして発振する。
【０１１４】
なお、図２４では第２の反射手段４５を設けたが、部品点数を削減するために、図２５のように、第２の反射手段４５（図２４）に代えて、光導波路型Ｑスイッチ素子１の出射面５ｂに反射コーティング（図示せず）を施してもよい。
【０１１５】
図２５において、光導波路型Ｑスイッチ素子１の、平面導波路型レーザ媒質４２に対する入射面５ａとは逆側（出射面５ｂ）には、第２の反射手段４５として機能する反射コーティング（図示せず）が施されている。
【０１１６】
以上のように、この発明の実施の形態５（図２４、図２５）に係るＱスイッチレーザ装置４０は、光導波路型Ｑスイッチ素子１を含み、レーザ光を発生する平面構造のレーザ光源（励起光源４１、平面導波路型レーザ媒質４２、光導波路型Ｑスイッチ素子１および第２の反射手段４５）を備えているので、横方向にレーザビーム幅を拡大することができ、ＬＤアレイとの整合性が高く、パワースケーリングが容易で、高出力化を実現することができる。
【０１１７】
なお、図２４、図２５においては、Ｑスイッチレーザ装置４０のレーザ光源として、前述の実施の形態１（図１）のＱスイッチ素子１を用いたが、他の実施の形態２〜４によるＱスイッチ素子１１、２１、３１を用いてもよい。
【０１１８】
いずれのＱスイッチ素子を用いた場合も、小型化が容易で消光比が高いことから、高効率動作が実現可能であり、また、光導波路化により電気光学結晶（コア）の厚さを薄くすることができるので、低電圧印加によるＱスイッチ駆動および電気的スイッチングが可能となり、パルスレーザ出力の正確なタイミング制御が可能となる。
さらに、平面構造を有する平面導波路型レーザ媒質４２を用いることにより、高出力化が可能となる。
【符号の説明】
【０１１９】
１、１１、２１、３１ 光導波路型Ｑスイッチ、２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂ 電極、２ａ、１２ａ、２２ａ、３２ａ 第１の電極、２ｂ、１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ 第２の電極、３、１３、２３、３３ 光導波路、４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ クラッド、４ａ、１４ａ、２４ａ、３４ａ 上面クラッド、４ｂ、１４ｂ、２４ｂ、３４ｂ 下面クラッド、５、１５、２５、３５ コア、５ａ、１５ａ、２５ａ、３５ａ コアの入射面、５ｂ、１５ｂ、２５ｂ、３５ｂ コアの出射面、６、１６、２６、３６、４６ Ｑスイッチ駆動装置、７ａ、７ｂ、３７ａ、３７ｂ 光損失手段、８ 透明ブロック、８ｂ 透明ブロックの端面、４０ スイッチレーザ装置、４１ 励起光源、４２ 平面導波路型レーザ媒質、４３ ヒートシンク、４５ 第２の反射手段、Ｌ１ 入射光、Ｌ２ 出射光、Ｌｏ 発振光、Ｌｐ 励起光、ｎ１ 屈折率、ｎ２ 屈折率、ｎｏ 屈折率、θ１ 屈折角、θ２ 屈折角。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気光学効果を用いた光導波路型Ｑスイッチ素子（たとえば、平面導波路型Ｑスイッチ素子）、および、このＱスイッチ素子を用いて共振器内のＱ値を変えてジャイアントパルスを得るためのＱスイッチレーザ装置、に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、Ｑスイッチ素子の一例として、ポッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）効果を有する電気光学結晶を用いたＱスイッチ素子が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
この種のＱスイッチ素子は、偏光分離スプリッタと、薄膜偏光子などの偏光子とを組み合わせて共振器内に構成されており、ポッケルスセルの偏光の向きを電気的に制御して偏光子の透過成分と反射成分との比を変更し、共振器内のＱ値を変えることにより、Ｑスイッチパルスを得るようになっている
【０００３】
また、従来から、光導波路型Ｑスイッチ素子の一例として、可飽和吸収体を光導波路材料に用いたＱスイッチ素子も提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
この種の光導波路型Ｑスイッチ素子において、可飽和吸収体は、光を吸収すると除々に透明になる物質であり、共振器内に挿入すると励起開始時は損失となり、レーザ発振を抑制しつつ徐々に透明になり、利得が損失よりも大きくなると、急速にレーザ発振を開始してＱスイッチパルスを得るようになっている。
【０００４】
さらに、従来から、出力鏡および全反射鏡からなる共振器と、この共振器内に配置されたレーザ光の発生源（レーザロッド、偏光子およびポッケルスセル）と、レーザロッドを励起するフラッシュランプと、ポッケルスセルへの印加電圧を変化させるポッケルスセル駆動回路と、により構成されたＱスイッチレーザ装置が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００５】
この種のＱスイッチレーザ装置においては、ポッケルスセルへの印加電圧によって共振器内の偏光方向の制御を行い、偏光子との組み合わせによって共振器内のＱ値を変えることにより、ジャイアントパルスを得るようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−６４４４８号公報（第７頁、第１図）
【特許文献２】特開昭６１−１６８９７９号公報（第５頁、第１図）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｊ．Ｉ．Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ「Ｅｎｄ−ｐｕｍｐｅｄ、ｐａｓｓｉｖｅｌｙ Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｙｂ：ＹＡＧ ｄｏｕｂｌｅ−ｃｌａｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｌａｓｅｒ」ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２７，ＮＯ．２４／Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １５，２００２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＱスイッチ素子およびＱスイッチレーザ装置は、特許文献１に記載のＱスイッチ素子、および特許文献２に記載のＱスイッチレーザの場合、偏光を９０°回転させるために、高電圧（数１００〜数ｋＶ）であって、高速な立ち下がりまたは立ち上がり時間（約１０ｎｓ）のスイッチング電圧を駆動可能なスイッチング回路が必要となるうえ、偏光子などの偏光制御素子を共振器内に挿入する必要があるので、部品点数が多くなるという課題があった。
また、Ｎｄ：ＹＡＧなどの材料をレーザ媒質に用いた場合には、熱複屈折によるＤｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ損失（偏光解消損失）が生じて、効率が低下するという課題があった。
【０００９】
また、非特許文献１に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子においては、可飽和吸収体の残留損失によって効率が低下するという課題があった。
また、ピークパワーを大きくするためには、可飽和吸収体の光学濃度（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）を濃くする必要があり、このときの残留損失が光学濃度に比例して大きくなることから、効率低下が大きくなるという課題があった。
さらに、可飽和吸収体は正確なパルスの発振タイミングの制御が困難であり、励起光の強度ばらつきなどに起因する発振タイミングのばらつきが大きいという課題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高い消光比、超小型、低駆動電圧を実現した光導波路型Ｑスイッチ素子を得ることを目的とする。
また、光導波路型Ｑスイッチ素子を用いたＱスイッチレーザ装置においては、部品点数が少なく、小型で、高効率が期待でき、正確なタイミング制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る光導波路型Ｑスイッチ素子は、コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、光導波路の上下面に設けられた光損失手段および電極と、電極に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Ｑスイッチ素子であって、クラッドは、コア内の光を閉じ込めるために、コアの上下面に設けられ、光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、クラッドの平面に対し平行で、かつコアと対向する両端面に設けられ、電極は、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段の平面に対し平行で、かつクラッドと対向する両端面に設けられるとともに、Ｑスイッチ駆動装置と電気的に接続され、コアは、電気光学結晶を有し、両端面の電極の相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなり、コア内の屈折率は、電界が印加されていない場合は、上下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、両端面の電極の相互間に正の電界が印加されて、上面の電極が高電位になり、下面の電極が低電位になった場合は、上面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、両端面の電極の相互間に負の電界が印加されて、上面の電極が低電位になり、下面の電極が高電位になった場合は、下面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ上面のクラッドの屈折率よりも高くなるように設定されたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、電気光学効果による光偏向、または光導波路内の屈折率変化によって、光導波路とクラッドとの屈折率差を逆転させて、クラッド膜の光の閉じ込め機能を取り除くことを利用し、偏光を利用したポッケルスセルや可飽和吸収体を用いることなく、高消光比および小型化を実現した光導波路型Ｑスイッチ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光導波路型Ｑスイッチ素子を示す斜視図である。
【図２】図１内のＡ−Ａ’線による断面図である。
【図３】電界が印加されない場合の図１の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図４】電界印加時の図１の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図５】光導波路内の屈折率変化と電界との関係の計算結果を示す特性図である。
【図６】コア５に厚さ４０μｍのＫＴＮおよびＴａ２Ｏ５の屈折率と印加電圧の関係の計算結果を示す特性図である。
【図７】各種金属材料の入射角依存性の計算結果を示す特性図である。
【図８】各種金属材料の入射角依存性の計算結果を示す特性図である。
【図９】この発明の実施の形態１の他の構成例を示す斜視図である。
【図１０】電界が印加されない場合の図９の動作をＢ−Ｂ’線による断面図で示す説明図である。
【図１１】電界印加時の図９の動作をＢ−Ｂ’線による断面図で示す説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態２に係る光導波路型Ｑスイッチ素子を示す斜視図である。
【図１３】図１２内のＣ−Ｃ’線による断面図である。
【図１４】電界が印加されない場合の図１２の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図１５】電界印加時の図１２の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態３に係る光導波路型Ｑスイッチ素子を示す斜視図である。
【図１７】図１６内のＤ−Ｄ’線による断面図である。
【図１８】電界が印加されない場合の図１６の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図１９】電界印加時の図１６の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図２０】この発明の実施の形態４に係る光導波路型Ｑスイッチ素子を示す斜視図である。
【図２１】図２０内のＥ−Ｅ’線による断面図である。
【図２２】電界が印加されない場合の図２０の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図２３】電界印加時の図２０の光導波路型Ｑスイッチ素子の動作を断面図で示す説明図である。
【図２４】この発明の実施の形態５に係るＱスイッチレーザを示す斜視図である。
【図２５】この発明の実施の形態５に係るＱスイッチレーザの他の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光導波路型Ｑスイッチ素子１を示す斜視図であり、図２は図１内のＡ−Ａ’線による断面図である。
図１、図２において、光導波路型Ｑスイッチ素子１は、平面導波路構造（平面導波路型Ｑスイッチ素子）からなり、上下面の電極２ａ、２ｂと、上下面のクラッド４ａ、４ｂおよびコア５により構成される光導波路３と、Ｑスイッチ駆動装置６と、上下面の光損失手段７ａ、７ｂと、を備えている。
【００１５】
コア５のｘ−ｚ平面に平行な両端面には、クラッド４ａ、４ｂが設けられている。
また、クラッド４ａ、４ｂのｘ−ｚ平面に平行で、かつコア５と対向する両端面には、光損失手段７ａ、７ｂが設けられている。
さらに、光損失手段７ａ、７ｂのｘ−ｚ平面に平行で、かつクラッド４ａ、４ｂと対向する両端面には、電極２ａ、２ｂが設けられており、両端面（上下面）の電極２ａ、２ｂの各々には、Ｑスイッチ駆動装置６の出力端子が電気的に接続されている。
【００１６】
光導波路３に入射した入射光Ｌ１は、コア５内をｚ軸方向に伝搬し、出射光Ｌ２として放出される。すなわち、ｚ軸は、光導波路３に対して光軸に平行である。
光導波路３のｘ−ｚ面方向に対して平行で、かつ光伝搬方向（ｚ軸）に対して直角なｘ軸は、光導波路３に対して遅軸となる。また、光導波路３のｘ−ｚ面方向に対して垂直なｙ軸は、光導波路３に対して速軸となる。
なお、平面導波路構造とは、層状構造によって入射光Ｌ１を閉じ込め、ｘ−ｚ平面に沿う方向にのみに光波を伝搬させる光導波路３のことをいう。
【００１７】
次に、図３〜図５を参照しながら、図１および図２に示したこの発明の実施の形態１による光伝搬動作について説明する。
図３および図４は入射光Ｌ１の伝搬動作を示す説明図であり、図３は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合の動作を示し、図４は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合の動作を示している。
【００１８】
また、図５は光導波路３内の屈折率ｎの分布状態を示す説明図であり、図５（ａ）は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合を示し、図５（ｂ）は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合を示している。
【００１９】
まず図３に示すように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、光Ｌ１がコア５の入射面５ａから入射して光導波路３内を伝搬すると、ｙ軸方向に関しては、コア５と上面クラッド４ａとの界面、および、コア５と下面クラッド４ｂとの界面で、臨界角θｃよりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００２０】
したがって、電界が印加されていない場合（図３）には、ｙ軸方向の入射光Ｌ１のうち臨界角θｃよりも低い伝搬角を有する光導波モード光は、光導波路３内をほとんど損失なく伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
また、ｘ軸方向に関しては、ｚ軸方向（光路方向）に対して平行に光Ｌ１が伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
【００２１】
一方、図４のように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合には、光Ｌ１がコア５の入射面５ａから入射して光導波路３内を伝搬すると、ｙ軸方向に関しては、コア５と下面クラッド４ｂとの界面で、臨界角θｃよりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００２２】
しかし、電界印加によってコア５の屈折率（図５とともに後述する）が変化するので、コア５と上面クラッド４ａとの界面においては、入射光Ｌ１がクラッド４ａを通過して光損失手段７ａまで漏洩し、一部の光Ｌ１が光損失手段７ａにより減衰された状態で、コア５の出射面５ｂから出射される。
また、ｘ軸方向に関しては、ｚ軸方向に平行に光Ｌ１が伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
【００２３】
次に、図５を参照しながら、コア５に電圧が印加された場合の屈折率ｎの変化について説明する。
図５は光導波路型Ｑスイッチ素子１の光導波路３内の屈折率ｎを示す説明図であり、コア５およびクラッド４ａ、４ｂの各位置（ｙ軸方向）に対応した屈折率の状態を、電界の有無に関連して示している。
【００２４】
図５（ａ）は電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合の光導波路３内の屈折率ｎの分布状態を示し、図５（ｂ）は電極２ａと電極２ｂとの間に正の電界が印加された場合の光導波路３内の屈折率ｎの分布状態を示す。
【００２５】
まず、電極２ａと電極２ｂとの間に正の電界が印加された場合の光導波路３内の屈折率ｎの変化について説明する。
図５（ａ）のように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合は、コア５内の屈折率ｎ１は、クラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ２よりも高い状態にある。
一方、図５（ｂ）のように、電極２ａと電極２ｂとの間に正の電界が印加されて、電極２ａが高電位になり、電極２ｂが低電位になると、コア５内の屈折率ｎ１は、コア５の電気光学効果により変化して、上面の電極２ａ側ではクラッド４ｂの屈折率ｎ２よりも低くなり、かつ下面の電極２ｂ側ではクラッド４ａの屈折率ｎ２よりも高くなる。
【００２６】
なお、図示しないが、電極２ａと電極２ｂとの間に負の電界が印加されて、電極２ａが低電位となり、電極２ｂが高電位となった場合には、コア５内の屈折率は、図５（ｂ）とは逆に変化して、下面の電極２ｂ側ではクラッド４ｂの屈折率よりも低く、上面の電極２ａ側ではクラッド４ａの屈折率よりも高くなる。
【００２７】
図１〜図４の光導波路型Ｑスイッチ素子１において、クラッド４ａ、４ｂの材質は、電界が印加されない場合（図５（ａ））には、コア５の屈折率に対して屈折率が低くなり、かつ正の電界が印加された場合（図５（ｂ））には、高電位（上面の電極２ａ）側でのコア５の屈折率よりも屈折率が高くなり、低電位（下面の電極２ｂ）側でのコア５の屈折率よりも低くなる材料が用いられる。
【００２８】
また、コア５の材質としては、高い電気光学定数を有する材料が用いられ、１次の電気光学効果（屈折率変化Δｎが印加電界Ｅに比例）を示すポッケルスセル効果、または、２次の電気光学効果（屈折率変化Δｎが印加電界Ｅの２乗に比例）を示すカー効果を有するものが選択される。具体的には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＳｒＢａＮｂ２Ｏ６（ＳＢＮ）、ＫＴａＮｂＯ３（ＫＴＮ）などが望ましい。
【００２９】
ポッケルスセル効果による屈折率変化Δｎと印加電界Ｅ［Ｖ／ｍ］との関係は、屈折率ｎｏと、電気光学定数ｒｅｆｆ［ｍ／Ｖ］と、印加電圧Ｖ［Ｖ］と、光導波路厚ｄ［ｍ］とを用いて、以下の式（１）のように表わされる。
【００３０】
Δｎ＝（ｎｏ）３ｒｅｆｆＥ
＝（ｎｏ）３ｒｅｆｆ（Ｖ／ｄ） ・・・（１）
【００３１】
また、カー効果による屈折率変化Δｎと印加電界Ｅ［Ｖ／ｍ］との関係は、屈折率ｎｏと、ｋｅｒｒ定数Ｓｅｆｆ［ｍ２／Ｖ２］とを用いて、以下の式（２）のように表わされる。
【００３２】
Δｎ＝０．５（ｎｏ）３ＳｅｆｆＥ２ ・・・（２）
【００３３】
図６はコア５およびクラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ１、ｎ２と印加電圧との関係を示す説明図であり、たとえば、コア５（印加電圧＝０）の屈折率ｎ１＝２．１８、ｋｅｒｒ係数Ｓｅｆｆ＝−４．８×１０−１５［ｍ２／Ｖ２］（ＫＴＮ相当）、クラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ２＝２．０８（Ｔａ２Ｏ５相当）、光導波路厚ｄ＝４０μｍ、とした場合の印加電圧に対する特性を示している。
【００３４】
図６から明らかなように、電圧＝０の状態から、約８１［Ｖ］の電圧が印加された場合には、コア５の屈折率ｎ１がクラッド４ａの屈折率ｎ２よりも小さくなり、コア５とクラッド４ａとの間の屈折率の関係は、「ｎ１＞ｎ２」から「ｎ１＜ｎ２」へと逆転する。
【００３５】
また、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されると、コア５内の光Ｌ１は偏向するので、下面の電極２ｂとクラッド４ｂとの間に光損失手段（光吸収手段）７ｂを設け、コア５とクラッド４ｂとの界面での臨界角θｃよりも、光導波路３内の伝搬モードの偏向角θｄの方を大きく設定し、クラッド４ｂに光Ｌ１の一部が屈折するように、電界印加時の損失効果を高めることが可能である。
【００３６】
臨界角θｃと、コア５およびクラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ１、ｎ２との関係は、以下の式（３）のように表わされる。
【００３７】
θｃ＝ｓｉｎ−１｛√（ｎ１２−ｎ２２）／ｎ１｝ ・・・（３）
【００３８】
また、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合の光の偏向角θｄは、コア５の屈折率ｎ１と、ｋｅｒｒ定数Ｓｅｆｆと、結晶の相互作用長ｈと、光導波路厚ｄと、電界Ｅとを用いて、以下の式（４）のように表わされる。
【００３９】
θｄ＝−９／８（ｎ１２）Ｓｅｆｆ（ｈ／ｄ）Ｅ２ ・・・（４）
【００４０】
たとえば、コア５の屈折率ｎ１＝２．１８、ｋｅｒｒ係数Ｓｅｆｆ＝−４．８×１０−１５［ｍ２／Ｖ２］（ＫＴＮ相当）、クラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ２＝２．０８（Ｔａ２Ｏ５相当）、とした場合、式（３）から、臨界角θｃ＝１７．４［°］となる。
ここで、光導波路厚（コア厚）ｄ＝４０μｍで、電圧８１［Ｖ］が印加された場合は、図６から、相互作用長ｈ＝６０μｍでの偏向角θｄは、臨界角θｃよりも大きくなる。
【００４１】
なお、光導波路型Ｑスイッチ素子１において、伝搬光の減衰率を高くするためには、反射率の低い材質で光損失手段７ａ、７ｂを形成することが望ましい。
光導波路３を伝搬している光Ｌ１は、図３、図４のように光損失手段７ａ、７ｂにより多数回反射するので、光損失手段７ａ、７ｂへの入射角度が広範囲にわたることになる。
【００４２】
図７および図８は各種金属材料への入射角度［°］に対する反射率の依存性の計算結果を示す特性図である。
図７、図８において、それぞれ、図７（ａ）は銀、図７（ｂ）は銅、図７（ｃ）はニッケル、図７（ｄ）は金の特性図であり、図８（ａ）は鉛、図８（ｂ）はアルミニウム、図８（ｃ）はクロム、図８（ｄ）はチタン、の特性図を示している。
【００４３】
ここでは、レーザ発振光として、一般的に用いられる波長１０６４ｎｍの光に対する特性を示している。
また、図７、図８では、それぞれ、Ｓ偏光（入射面に対して垂直な偏光方向）に対する特性を曲線ａで示し、Ｐ偏光（入射面に対して水平な偏光方向）に対する特性を曲線ｂで示している。
【００４４】
図７、図８において、光損失手段７ａ、７ｂをクラッド４ａ、４ｂの上下面に設けた場合、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光モードに対しては、Ｐ偏光で入射するので、図７（ｃ）のニッケル、図８（ａ）の鉛、図８（ｃ）、図８（ｄ）のクロムおよびチタンは、入射角度８０［°］以下で、反射率が０．１５〜０．７となる。
【００４５】
したがって、ニッケル、鉛、クロムおよびチタンは、クラッド４ａ、４ｂの外部に漏洩した光に対して大きな損失が与えられるので、光損失手段７ａ、７ｂとして、ニッケル、鉛、クロムおよびチタンのうちのいずれかを用いることが望ましい。
【００４６】
また、光導波路型Ｑスイッチ素子１において、電極２ａ、２ｂの材質として要求される条件は、電気伝導性が高いことであり、たとえば、金、銀、銅、アルミニウム、クロムなどの金属膜を電極２ａ、２ｂとして用いることが望ましい。なお、電極２ａ、２ｂは、光損失手段７ａ、７ｂとして共通に用いることも可能である。
【００４７】
また、伝搬光の減衰を高めるためには、光損失手段７ａ、７ｂに接するクラッド４ａ、４ｂの界面を荒らすことにより光を散乱させて、損失効果を高めることも有効である。
この場合、たとえば、リアクティブイオンエッチングやバックスパッタなどを施すことによって、光損失手段７ａ、７ｂに接するクラッド４ａ、４ｂの界面を荒らすことが有効である。
【００４８】
さらに、図１〜図４では言及しなかったが、図９で示すように、上面の光損失手段７ａに代えて、テーパ形状を有する透明ブロック８を設けることも有効である。
図９はこの発明の実施の形態１の他の構成例を示す斜視図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
【００４９】
図９〜図１１において、透明ブロック８は、光導波路３を構成するコア５の入射面５ａから出射面５ｂに向かうにしたがって、ｙ軸方向の寸度（厚さ）が徐々に大きくなるようなテーパ形状を有する。
【００５０】
図１０および図１１は、図９の構成による光伝搬動作をＢ−Ｂ’線による断面図で示す説明図である。
図１０においては、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されない場合の動作を示しており、図１１においては、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合の動作を示している。
【００５１】
以下、図９〜図１１に示したこの発明の実施の形態１の他の構成例による動作について説明する。
図１０のように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、光Ｌ１がコア５の入射面５ａから入射して光導波路３内を伝搬すると、ｙ軸方向に関しては、コア５と上面クラッド４ａとの界面、および、コア５と下面クラッド４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００５２】
したがって、電界が印加されていない場合（図１０）には、ｙ軸方向の入射光Ｌ１のうち臨界角θｃよりも低い伝搬角を有する光導波モード光は、光導波路３内をほとんど損失なく伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
また、ｘ軸方向に関しては、ｚ軸方向に平行に光Ｌ１が伝搬し、コア５の出射面５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
【００５３】
一方、図１１のように、電極２ａと電極２ｂとの間に電界が印加された場合には、光Ｌ１がコア５の入射面５ａから入射して光導波路３内を伝搬すると、ｙ軸方向に関しては、コア５と下面クラッド４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００５４】
しかし、コア５と上面クラッド４ａとの界面では、コア５の屈折率変化により、クラッド４ａを通過して透明ブロック８まで漏洩し、透明ブロック８と電極２ａとの界面において反射し、点線矢印で示すように、光は、コア５内に入射することなく、透明ブロック８の端面８ｂから放出される。
【００５５】
以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図１１）に係る光導波路型Ｑスイッチ素子１は、コア５およびクラッド４ａ、４ｂからなる平面導波路構造の光導波路３と、光導波路３の上下面に設けられた光損失手段７ａ、７ｂ（透明ブロック８、７ｂ）および電極２ａ、２ｂと、電極２ａ、２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置６と、を備えている。
【００５６】
クラッド４ａ、４ｂは、コア５内の光を閉じ込めるために、コア５の上下面に設けられている。
光損失手段７ａ、７ｂは、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、クラッド４ａ、４ｂの平面に対し平行で、かつコア５と対向する両端面に設けられている。
【００５７】
電極２ａ、２ｂは、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段７ａ、７ｂの平面に対し平行で、かつクラッド４ａ、４ｂと対向する両端面に設けられるとともに、Ｑスイッチ駆動装置６と電気的に接続されている。
【００５８】
すなわち、高い電気光学定数ｒｅｆｆの結晶からなる光導波路（平面導波路）３の上下面にクラッド４ａ、４ｂが設けられ、クラッド４ａ、４ｂの外側上下面に光損失手段７ａ、７ｂが設けられ、光損失手段７ａ、７ｂの外側上下面に電極２ａ、２ｂが設けられ、電極２ａと電極２ｂとの間に電気的に接合されたＱスイッチ駆動装置６が設けられている。
【００５９】
コア５は、電気光学結晶を有し、両端面の電極２ａ、２ｂの相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなる。
コア５内の屈折率ｎ１（図５（ａ））は、電界が印加されていない場合は、上下面のクラッド４ａ、４ｂの屈折率ｎ２よりも高くなるように設定されている。
【００６０】
また、コア５内の屈折率ｎ１（図５（ｂ））は、両端面の電極２ａ、２ｂの相互間に正の電界が印加されて、上面の電極２ａが高電位になり、下面の電極２ｂが低電位になった場合は、上面のクラッド４ａの屈折率ｎ２よりも低く、かつ下面のクラッド４ｂの屈折率ｎ２よりも高くなるように設定されている。
【００６１】
また、コア５内の屈折率ｎ１は、両端面の電極２ａ、２ｂの相互間に負の電界が印加されて、上面の電極２ａが低電位になり、下面の電極２ｂが高電位になった場合は、下面のクラッド４ｂの屈折率ｎ２よりも低く、かつ上面のクラッドの屈折率ｎ２よりも高くなるように設定されている。
【００６２】
また、光導波路３は、ＫＴＮからなり、クラッド４ａ、４ｂは、Ｔａ２Ｏ５からなり、光損失手段は、金、銀、銅、ニッケル、鉛、アルミニウム、クロム、またはチタンの金属膜からなる。
また、光損失手段７ａ、７ｂに接するクラッド４ａ、４ｂの界面には、損失効果を高めるために、リアクティブイオンエッチングまたはバックスパッタが施されている。
【００６３】
このように、光導波路型Ｑスイッチ素子１を平面導波路構造とすることにより、小型化が容易となる。すなわち、平面導波路構造の光導波路３により電気光学結晶の厚さ（ｙ軸方向の寸度）を薄くすることができるので、低電圧駆動が可能で、さらに、光導波路３内の光伝搬を利用することにより、高い消光比を実現することができる。
【００６４】
さらに、上下面のクラッド４ａ、４ｂの少なくとも一方は、光導波路３の光入射面から光出射面に向かうにしたがって上下方向（ｙ軸方向）の厚さが徐々に大きくなるような、テーパ形状の透明ブロック８（図９〜図１１）により構成されている。
【００６５】
このように、光損失手段７ａに代えて、テーパ状の透明ブロック８（図９〜図１１）を用いることにより、光導波路３内の反射回数を軽減させることができるので、さらに光導波路型Ｑスイッチ素子１の小型化を実現することができる。
【００６６】
この発明の実施の形態１によれば、電気光学効果による光偏向、または電界印加による光導波路３内の屈折率変化を用い、光導波路３とクラッド４ａ、４ｂとの屈折率差を逆転させて、クラッド４ａ、４ｂの光閉じ込め機能を取り除くので、偏光を利用したポッケルスセルや可飽和吸収体を用いることなく、高消光比および小型化を実現した光導波路型Ｑスイッチ素子を得ることができる。
【００６７】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１〜図１１）では、クラッド４ａ、４ｂのｙ軸方向の外側上下面に電極２ａ、２ｂを設けたが、図１２〜図１５のように、クラッド１４ａ、１４ｂのｘ軸方向の側面に電極１２ａ、１２ｂを設けてもよい。
【００６８】
図１２はこの発明の実施の形態２に係る光導波路型Ｑスイッチ素子１１を示す斜視図であり、図１３は図１２内のＣ−Ｃ’線による断面図である。
また、図１４および図１５は、この発明の実施の形態２による動作を断面図で示す説明図であり、図１４は電界が印加されない場合の光導波路型Ｑスイッチ素子１１の動作を示し、図１５は電界印加時の光導波路型Ｑスイッチ素子１１の動作を示している。
【００６９】
図１２〜図１５において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号１１〜１６で示す要素は、前述（図１）の各符号１〜６の要素に対応している。
図１２、図１３において、光導波路型Ｑスイッチ素子１１は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極１２ａ、１２ｂと、クラッド１４ａ、１４ｂおよびコア１５で構成される光導波路１３と、Ｑスイッチ駆動装置１６と、を備えている。
【００７０】
前述と同様に、コア１５のｘ−ｚ平面に平行な両端面（上下面）には、クラッド１４ａ、１４ｂが設けられている。
また、ｘ軸は、光導波路１３に対して遅軸となり、ｙ軸は光導波路１３に対して速軸となり、ｚ軸は、光導波路１３に対して光軸にそれぞれ平行である。
【００７１】
この場合、コア１５のｘ−ｚ平面に対して垂直な両端側面（ｙ−ｚ面）には、第１および第２の電極１２ａ、１２ｂが設けられており、両電極１２ａ、１２ｂには、Ｑスイッチ駆動装置１６が電気的に接続されている。
【００７２】
次に、図１４および図１５を参照しながら、図１２および図１３に示したこの発明の実施の形態２による動作について説明する。
まず図１４のように、電極１２ａと電極１２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、光Ｌ１がコア１５の入射面１５ａから入射すると、前述（図３）と同様に、ｙ軸方向に関しては、コア１５の屈折率が上面クラッド１４ａおよび下面クラッド１４ｂの屈折率よりも高いので、コア１５と上面クラッド１４ａとの界面、およびコア１５と下面クラッド１４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００７３】
したがって、電界が印加されない場合（図１４）には、ｙ軸方向の入射光Ｌ１は、光導波路１３内をほとんど損失なく伝搬し、コア１５の出射面１５ｂから出射光Ｌ２として放出される。
また、ｘ軸方向に関しては、ｚ軸方向に平行に光Ｌ１が伝搬し、コア１５の出射面１５ｂから光Ｌ２として出射される。
【００７４】
一方、図１５のように、電極１２ａと電極１２ｂとの間に電界が印加された場合には、光Ｌ１がコア１５の入射面１５ａから入射すると、ｙ軸方向に関する伝搬動作は前述（図１４）と同様であるが、ｘ軸方向に関しては、電気光学効果によりコア１５の高電位側（電極１２ａ側）の屈折率が低下するので、入射光Ｌ１が低電位側に偏向される。
したがって、コア１５の出射面１５ｂにおいて、電極１２ｂ側に屈折した状態で、出射光Ｌ２が放出される。
【００７５】
以上のように、この発明の実施の形態２（図１２〜図１５）に係る光導波路型Ｑスイッチ素子１１は、コア１５およびクラッド１４ａ、１４ｂからなる平面導波路構造の光導波路１３と、光導波路１３の両端側面に設けられた電極１２ａ、１２ｂと、電極１２ａ、１２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置１６と、を備えている。
【００７６】
コア１５は、電気光学結晶を有する材料からなり、クラッド１４ａ、１４ｂは、コア１５内の光Ｌ１を閉じ込めるために、コア１５の上下面に設けられるとともに、コア１５の材料よりも屈折率が低い材料からなる。
電極１２ａ、１２ｂは、電気伝導性が高い材料からなり、コア１５のｘ−ｚ平面に対し垂直な両端側面（ｙ−ｚ面）に設けられるとともに、Ｑスイッチ駆動装置１６と電気的に接続されている。
【００７７】
このように、光導波路型Ｑスイッチ素子１１を共振器内に挿入し、励起時にｘ軸方向に関して共振を妨げるように、光軸方向に対して光Ｌ１を偏向することにより（図１５）、高効率なＱスイッチ動作を実現することができる。
【００７８】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態２（図１２〜図１５）では、直方体形状のコア１５を用いたが、図１６〜図１９に示すように、ｘ軸方向に関してテーパ形状を有するコア２５を用いてもよい。
【００７９】
図１６はこの発明の実施の形態３に係る光導波路型Ｑスイッチ素子２１を示す斜視図であり、図１７は図１６内のＤ−Ｄ’線による断面図である。
また、図１８および図１９は、この発明の実施の形態３による動作を断面図で示す説明図であり、図１８は電界が印加されない場合の光導波路型Ｑスイッチ素子２１の動作を示し、図１９は電界印加時の光導波路型Ｑスイッチ素子２１の動作を示している。
【００８０】
図１６〜図１９において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号２１〜２６で示す要素は、前述（図１２）の各符号１１〜１６の要素に対応している。
図１６、図１７において、光導波路型Ｑスイッチ素子２１は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極２２ａ、２２ｂと、クラッド２４ａ、２４ｂおよびコア２５で構成される光導波路２３と、電極２２ａ、２２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置２６と、を備えている。
【００８１】
コア２５のｘ−ｚ平面に平行な両端面（上下面）には、クラッド２４ａ、２４ｂが設けられている。また、コア２５のｘ−ｚ平面に垂直な両端側面（ｙ−ｚ面）には、電極２２ａ、２２ｂが設けられており、両電極２２ａ、２２ｂには、Ｑスイッチ駆動装置２６が電気的に接続されている。
また、ｘ軸は、光導波路２３に対して遅軸となり、ｙ軸は、光導波路２３に対して速軸となり、ｚ軸は、光導波路２３に対して光軸にそれぞれ平行である。
【００８２】
この場合、光導波路２３において、コア２５の断面形状は、第１の電極２２ａから第２の電極２２ｂに向かうにしたがって、ｚ軸方向の寸度（光路方向の長さ）が徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
【００８３】
次に、図１８および図１９を参照しながら、図１６および図１７に示したこの発明の実施の形態３による動作について説明する。
まず図１８のように、電極２２ａと電極２２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、光Ｌ１がコア２５の入射面２５ａから入射すると、ｙ軸方向の光Ｌ１の伝搬は、コア２５の屈折率がクラッド２４ａ、２４ｂの屈折率よりも高いので、コア２５と上面クラッド２４ａとの界面、および、コア２５と下面クラッド２４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【００８４】
したがって、電界が印加されていない場合（図１８）において、ｙ軸方向の入射光Ｌ１は、光導波路２３内をほとんど損失なく伝搬し、コア２５の出射面２５ｂからｚ軸に対して平行な向きに出射される。
【００８５】
一方、電界が印加されていない場合（図１８）のｘ軸方向の入射光Ｌ１の伝搬に関しては、光Ｌ１がコア２５の入射面２５ａに入射すると、屈折によりｚ軸方向に対して屈折角θ１だけ傾いた状態で、コア２５内を伝搬し、コア２５の出射面２５ｂまで到達した後、さらに屈折することにより、ｚ軸に対して屈折角θ２だけ傾いて出射光Ｌ２が放出される。
【００８６】
これに対し、図１９のように、電極２２ａと電極２２ｂとの間に電界が印加されると、コア２５の入射面２５ａから入射した光Ｌ１は、ｙ軸方向に関する光Ｌ１の伝搬動作は前述（図１８）と同様であるが、ｘ軸方向の光Ｌ１の伝搬に関しては、電気光学効果によってコア５の高電位側（電極２２ａ側）の屈折率が低下するので、入射時にｚ軸に対して屈折角θ１だけ傾いた光Ｌ１は、コア２５内で低電位側（電極２２ｂ側）に偏向される。
【００８７】
したがって、電界印加時（図１９）においては、コア２５内を伝搬した光Ｌ１は、出射面２５ｂに到達時に、ｚ軸に対して平行（θ２＝０°）になるように偏向され、コア２５の出射面２５ｂから出射される。
【００８８】
以上のように、この発明の実施の形態３（図１６〜図１９）によれば、コア２５（光導波路２３）は、両端側面の電極２２ａ、２２ｂのうちの第１の電極２２ａから第２の電極２２ｂに向かうにしたがって、ｚ軸方向（光路方向）の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有するので、電界印加時（図１９）において、出射光Ｌ２のｚ軸方向に対する傾きを０°にすることができる。
【００８９】
実施の形態４．
なお、上記実施の形態３（図１６〜図１９）では、光導波路２３の両端側面（ｙ−ｚ面）に電極２２ａ、２２ｂを設けた光導波路型Ｑスイッチ素子２１において、ｘ軸方向に関してテーパ形状を有するコア２５を用いたが、図２０〜図２３に示すように、光導波路３３の上下面（ｘ−ｚ面）に電極３２ａ、３２ｂを設けた光導波路型Ｑスイッチ素子３１において、ｙ軸方向に関してテーパ形状を有するコア３５を用いてもよい。
【００９０】
図２０はこの発明の実施の形態４に係る光導波路型Ｑスイッチ素子３１を示す斜視図であり、図２１は図２０内のＥ−Ｅ’線による断面図である。
また、図２２および図２３は、この発明の実施の形態４による動作を断面図で示す説明図であり、図２２は電界が印加されない場合の光導波路型Ｑスイッチ素子３１の動作を示し、図２３は電界印加時の光導波路型Ｑスイッチ素子３１の動作を示している。
【００９１】
図２０〜図２３において、同一符号は同一または相当部分を示す。また、各符号３１〜３７で示す要素は、前述（図１）の各符号１〜７の要素に対応している。
図２０、図２１において、光導波路型Ｑスイッチ素子３１は、前述と同様に、平面導波路構造を有し、電極３２ａ、３２ｂと、クラッド３４ａ、３４ｂおよびコア３５により構成される光導波路３３と、電極３２ａ、３２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置３６と、を備えている。
【００９２】
コア３５のｘ−ｚ平面に平行な両端面（上下面）には、クラッド３４ａ、３４ｂが設けられている。また、クラッド３４ａ、３４ｂのｘ−ｚ平面に平行で、かつコア３５と対向する両端面（上下面）には、光損失手段３７ａ、３７ｂが設けられている。さらに、光損失手段３７ａ、３７ｂのｘ−ｚ平面に平行で、かつクラッド３４ａ、３４ｂと対向する両端面（上下面）には、電極３２ａ、３２ｂが設けられている。
【００９３】
両電極３２ａ、３２ｂには、Ｑスイッチ駆動装置３６が電気的に接続されている。
また、ｘ軸は光導波路３３に対して遅軸、ｙ軸は光導波路３３に対して速軸、ｚ軸は光導波路３３に対して光軸にそれぞれ平行である。
【００９４】
この場合、光導波路３３において、コア３５は、ｙ軸方向に関して、第１の電極３２ａから第２の電極３２ｂに向かうにしたがって、ｚ軸方向の寸度が徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
なお、クラッド３４ａ、３４ｂの材質としては、電極３２ａ、３２ｂへの電界印加の有無にかかわらず、クラッド３４ａ、３４ｂの屈折率がコア３５の屈折率よりも常に低くなるような材質を用いる。
【００９５】
次に、図２２および図２３を参照しながら、図２０および図２１に示したこの発明の実施の形態４による動作について説明する。
まず図２２のように、電極３２ａと電極３２ｂとの間に電界が印加されていない場合において、ｙ軸方向の光Ｌ１の伝搬に関しては、光Ｌ１がコア３５の入射面３５ａに入射すると、屈折によりｚ軸方向に対して屈折角θ１だけ傾き、上面クラッド３４ａに入射する。
【００９６】
このとき、コア３５と上面クラッド３４ａとの界面、および、コア３５と下面クラッド３４ｂとの界面で、伝搬角が臨界角よりも大きくなるので、光Ｌ１は、クラッド３４ａ、３４ｂを透過して、光損失手段３７ａ、３７ｂに入射し、光損失手段３７ａ、３７ｂにより一部の光は減衰されて反射する。
以下、反射を何回も繰り返し、最後にコア３５の出射面３５ｂでさらに屈折した後、光Ｌ２は出射面３５ｂから放出される。
【００９７】
一方、図２３のように、電極３２ａと電極３２ｂとの間に電界が印加された場合において、光Ｌ１がコア３５の入射面３５ａから入射すると、ｙ軸方向の光Ｌ１の伝搬動作は前述（図２２）と同様であるが、ｘ軸方向の光Ｌ１の伝搬に関しては、電気光学効果により高電位側（電極３２ａ側）の屈折率が低下するので、ｚ軸方向に対して屈折角θ１だけ傾いた光Ｌ１は、コア３５内で低電位側（電極３２ｂ側）に偏向される。
したがって、コア３５の出射面３５ｂへの到達時に、出射光Ｌ２は、ｚ軸方向に対して平行（θ２＝０°）になるように偏向され、出射面３５ｂから放出される。
【００９８】
以上のように、この発明の実施の形態４（図２０〜図２３）によれば、コア３５およびクラッド３４ａ、３４ｂからなる平面導波路構造の光導波路３３と、光導波路３３の上下面に設けられた光損失手段３７ａ、３７ｂおよび電極３２ａ、３２ｂと、電極３２ａ、３２ｂに電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置３６と、を備えている。
【００９９】
クラッド３４ａ、３４ｂは、コア３５内の光Ｌ１を閉じ込めるために、コア３５の上下面に設けられるとともに、コア３５の材料よりも屈折率が常に低い材料からなる。
光損失手段３７ａ、３７ｂは、光Ｌ１が接触すると光を減衰させる材料または構造をからなり、クラッド３４ａ、３４ｂの平面に対し平行で、かつコア３５と対向する両端面に設けられている。
【０１００】
電極３２ａ、３２ｂは、電気伝導性が高い材料からなり、光損失手段３７ａ、３７ｂの平面に対し平行で、かつクラッド３４ａ、３４ｂと対向する両端面に設けられるとともに、Ｑスイッチ駆動装置３６と電気的に接続されている。
コア３５は、電気光学結晶を有する材料からなり、光導波路３３は、両端面の電極３２ａ、３２ｂのうちの第１の電極３２ａから第２の電極３２ｂに向かうにしたがって、ｚ軸方向（光路方向）の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する。
これにより、電界印加時（図２３）において、出射光Ｌ２のｚ軸方向に対する傾きを０°にすることができる。
【０１０１】
実施の形態５．
なお、上記実施の形態１〜４（図１〜図２３）では、光導波路型Ｑスイッチ素子について説明したが、図２４に示すように、前述（図１）の光導波路型Ｑスイッチ素子１を用いてＱスイッチレーザ装置４０を構成してもよい。
【０１０２】
図２４はこの発明の実施の形態５に係るＱスイッチレーザ装置４０を示す斜視図である。
図２４において、Ｑスイッチレーザ装置４０は、光導波路型Ｑスイッチ素子１と、励起光Ｌｐを出射する励起光源４１と、励起光Ｌｐを光導波路型Ｑスイッチ素子１への入射光に変換する平面導波路型レーザ媒質４２と、励起光源４１、平面導波路型レーザ媒質４２および光導波路型Ｑスイッチ素子１が載置されたヒートシンク４３と、光導波路型Ｑスイッチ素子１に電界を印加するＱスイッチ駆動装置４６と、第１の反射手段（図示せず）と、発振光Ｌｏを出射する第２の反射手段４５と、を備えている。
【０１０３】
励起光源４１、平面導波路型レーザ媒質４２、光導波路型Ｑスイッチ素子１および第２の反射手段４５は、Ｑスイッチレーザ装置４０のレーザ光源を構成している。
【０１０４】
平面導波路型レーザ媒質４２は、光導波路型Ｑスイッチ素子１と同じ光導波路の厚さを有する。
励起光源４１、平面導波路型レーザ媒質４２および光導波路型Ｑスイッチ素子１は、近接配置されている。
【０１０５】
図２４においては、煩雑さを回避するために図示しないが、第１の反射手段は、平面導波路型レーザ媒質４２の励起光源４１側の端面に設けられており、励起光Ｌｐに対して反射を防止し、発振光Ｌｏに対して、全反射させる機能を有する。
第２の反射手段４５は、発振光Ｌｏに対して一部反射させる機能を有しており、第１の反射手段、平面導波路型レーザ媒質４２および光導波路型Ｑスイッチ素子１と協働して、レーザ共振器を形成している。
【０１０６】
ヒートシンク４３上においては、励起光源４１、第２の反射手段、平面導波路型レーザ媒質４２、および光導波路型Ｑスイッチ素子１の順に各要素が配列されており、さらに、光導波路型Ｑスイッチ素子１の出射端面には、第２の反射手段４５が配置されている。
【０１０７】
励起光源４１としては、複数のエミッタと、平面導波路型レーザ媒質４２の平面方向に対して小さい広がり角とを有し、平面導波路型レーザ媒質４２が良好に吸収される発振波長の励起光源４１を出力するものを用いることが望ましい。
ここでは、励起光源４１として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）アレイを用いるものとする。
【０１０８】
平面導波路型レーザ媒質４２としては、平面構造を形成し、かつ励起光Ｌｐの波長に対して高い利得を有し、機械強度および熱伝導性に優れるものを用いることが望ましい。
【０１０９】
次に、前述の図１〜図４を参照しながら、図２４に示したこの発明の実施の形態５に係るＱスイッチレーザ装置４０の動作について説明する。
励起光源４１から出射された励起光Ｌｐは、平面導波路型レーザ媒質４２に入射し、平面導波路型レーザ媒質４２に入射した励起光Ｌｐは、垂直方向で光導波路３を伝搬し、平面方向で空間的に伝搬し、平面導波路型レーザ媒質４２内を光励起する。
【０１１０】
励起開始時においては、光導波路型Ｑスイッチ素子１の電極２ａ、２ｂに電気的に接続されたＱスイッチ駆動装置４６を駆動することにより、平面導波路型レーザ媒質４２で発生した自然放出光を、光導波路型Ｑスイッチ素子１により光軸から偏向させる（図４）。
【０１１１】
このように、平面導波路型レーザ媒質４２と光導波路型Ｑスイッチ素子１との間の隙間から一部の光を漏洩させて、共振器のフィードバック機能を失わせることにより、レーザ発振を抑制する。
【０１１２】
その後、平面導波路型レーザ媒質４２中のエネルギーが充分蓄積された後に、Ｑスイッチ駆動装置４６の駆動を停止させると、光導波路型Ｑスイッチ素子１による偏向がなくなるので、共振器のフィードバック機能が発生し、コア５とクラッド４ａ、４ｂとの界面で、臨界角よりも低い伝搬角を有する光導波モード光に関して全反射する。
【０１１３】
これにより、光導波路３内をほとんど損失なく光Ｌ１が伝搬することができるので、共振器内のＱ値が急速に向上する。
このように、利得が損失よりも高い場合には、共振器内で光子数が急激に増加して、尖頭値の高いパルスを発生するので、光導波路型Ｑスイッチ素子１の出射端面に設けられた第２の反射手段４５において、共振器内に発生した光の一部が発振光Ｌｏとして取り出され、出力パルスとして発振する。
【０１１４】
なお、図２４では第２の反射手段４５を設けたが、部品点数を削減するために、図２５のように、第２の反射手段４５（図２４）に代えて、光導波路型Ｑスイッチ素子１の出射面５ｂに反射コーティング（図示せず）を施してもよい。
【０１１５】
図２５において、光導波路型Ｑスイッチ素子１の、平面導波路型レーザ媒質４２に対する入射面５ａとは逆側（出射面５ｂ）には、第２の反射手段４５として機能する反射コーティング（図示せず）が施されている。
【０１１６】
以上のように、この発明の実施の形態５（図２４、図２５）に係るＱスイッチレーザ装置４０は、光導波路型Ｑスイッチ素子１を含み、レーザ光を発生する平面構造のレーザ光源（励起光源４１、平面導波路型レーザ媒質４２、光導波路型Ｑスイッチ素子１および第２の反射手段４５）を備えているので、横方向にレーザビーム幅を拡大することができ、ＬＤアレイとの整合性が高く、パワースケーリングが容易で、高出力化を実現することができる。
【０１１７】
なお、図２４、図２５においては、Ｑスイッチレーザ装置４０のレーザ光源として、前述の実施の形態１（図１）のＱスイッチ素子１を用いたが、他の実施の形態２〜４によるＱスイッチ素子１１、２１、３１を用いてもよい。
【０１１８】
いずれのＱスイッチ素子を用いた場合も、小型化が容易で消光比が高いことから、高効率動作が実現可能であり、また、光導波路化により電気光学結晶（コア）の厚さを薄くすることができるので、低電圧印加によるＱスイッチ駆動および電気的スイッチングが可能となり、パルスレーザ出力の正確なタイミング制御が可能となる。
さらに、平面構造を有する平面導波路型レーザ媒質４２を用いることにより、高出力化が可能となる。
【符号の説明】
【０１１９】
１、１１、２１、３１ 光導波路型Ｑスイッチ、２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂ 電極、２ａ、１２ａ、２２ａ、３２ａ 第１の電極、２ｂ、１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ 第２の電極、３、１３、２３、３３ 光導波路、４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ クラッド、４ａ、１４ａ、２４ａ、３４ａ 上面クラッド、４ｂ、１４ｂ、２４ｂ、３４ｂ 下面クラッド、５、１５、２５、３５ コア、５ａ、１５ａ、２５ａ、３５ａ コアの入射面、５ｂ、１５ｂ、２５ｂ、３５ｂ コアの出射面、６、１６、２６、３６、４６ Ｑスイッチ駆動装置、７ａ、７ｂ、３７ａ、３７ｂ 光損失手段、８ 透明ブロック、８ｂ 透明ブロックの端面、４０ スイッチレーザ装置、４１ 励起光源、４２ 平面導波路型レーザ媒質、４３ ヒートシンク、４５ 第２の反射手段、Ｌ１ 入射光、Ｌ２ 出射光、Ｌｏ 発振光、Ｌｐ 励起光、ｎ１ 屈折率、ｎ２ 屈折率、ｎｏ 屈折率、θ１ 屈折角、θ２ 屈折角。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、前記光導波路の上下面に設けられた光損失手段および電極と、前記電極に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Ｑスイッチ素子であって、
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられ、
前記光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、前記クラッドの平面に対し平行で、かつ前記コアと対向する両端面に設けられ、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記光損失手段の平面に対し平行で、かつ前記クラッドと対向する両端面に設けられるとともに、前記Ｑスイッチ駆動装置と電気的に接続され、
前記コアは、電気光学結晶を有し、前記両端面の電極の相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなり、
前記コア内の屈折率は、
前記電界が印加されていない場合は、前記上下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、
前記両端面の電極の相互間に正の電界が印加されて、上面の電極が高電位になり、下面の電極が低電位になった場合は、上面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、
前記両端面の電極の相互間に負の電界が印加されて、上面の電極が低電位になり、下面の電極が高電位になった場合は、前記下面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ前記上面のクラッドの屈折率よりも高くなることを特徴とする光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項２】
前記光導波路は、ＫＴＮからなり、
前記クラッドは、Ｔａ２Ｏ５からなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項３】
前記光損失手段は、金、銀、銅、ニッケル、鉛、アルミニウム、クロム、またはチタンの金属膜からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項４】
前記光損失手段に接する前記クラッドの界面に、リアクティブイオンエッチングまたはバックスパッタが施されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項５】
前記上下面のクラッドの少なくとも一方は、前記光導波路の光入射面から光出射面に向かうにしたがって上下方向の厚さが徐々に大きくなるようなテーパ形状の透明ブロックからなることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項６】
コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、前記光導波路の両端側面に設けられた電極と、前記電極に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Ｑスイッチ素子であって、
前記コアは、電気光学結晶を有する材料からなり、
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられるとともに、前記コアの材料よりも屈折率が低い材料からなり、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記コアの平面に対し垂直な両端側面に設けられるとともに、前記Ｑスイッチ駆動装置と電気的に接続されることを特徴とする光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項７】
前記光導波路は、前記両端面の電極のうちの第１の電極面から第２の電極面に向かうにしたがって、光路方向の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有することを特徴とする請求項６に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項８】
コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、前記光導波路の上下面に設けられた光損失手段および電極と、前記電極に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Ｑスイッチ素子であって、
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられるとともに、前記コアの材料よりも屈折率が常に低い材料からなり、
前記光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造をからなり、前記クラッドの平面に対し平行で、かつ前記コアと対向する両端面に設けられ、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記光損失手段の平面に対し平行で、かつ前記クラッドと対向する両端面に設けられるとともに、前記Ｑスイッチ駆動装置と電気的に接続され、
前記コアは、電気光学結晶を有する材料からなり、
前記光導波路は、前記両端面の電極のうちの第１の電極面から第２の電極面に向かうにしたがって、光路方向の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有することを特徴とする光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子を含み、レーザ光を発生する平面構造のレーザ光源を備えたことを特徴とするＱスイッチレーザ装置。
【請求項１】
コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、前記光導波路の上下面に設けられた光損失手段および電極と、前記電極に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Ｑスイッチ素子であって、
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられ、
前記光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造からなり、前記クラッドの平面に対し平行で、かつ前記コアと対向する両端面に設けられ、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記光損失手段の平面に対し平行で、かつ前記クラッドと対向する両端面に設けられるとともに、前記Ｑスイッチ駆動装置と電気的に接続され、
前記コアは、電気光学結晶を有し、前記両端面の電極の相互間に電界が印加されると電気光学効果によって屈折率が変化する材料からなり、
前記コア内の屈折率は、
前記電界が印加されていない場合は、前記上下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、
前記両端面の電極の相互間に正の電界が印加されて、上面の電極が高電位になり、下面の電極が低電位になった場合は、上面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ下面のクラッドの屈折率よりも高くなり、
前記両端面の電極の相互間に負の電界が印加されて、上面の電極が低電位になり、下面の電極が高電位になった場合は、前記下面のクラッドの屈折率よりも低く、かつ前記上面のクラッドの屈折率よりも高くなることを特徴とする光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項２】
前記光導波路は、ＫＴＮからなり、
前記クラッドは、Ｔａ２Ｏ５からなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項３】
前記光損失手段は、金、銀、銅、ニッケル、鉛、アルミニウム、クロム、またはチタンの金属膜からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項４】
前記光損失手段に接する前記クラッドの界面に、リアクティブイオンエッチングまたはバックスパッタが施されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項５】
前記上下面のクラッドの少なくとも一方は、前記光導波路の光入射面から光出射面に向かうにしたがって上下方向の厚さが徐々に大きくなるようなテーパ形状の透明ブロックからなることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項６】
コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、前記光導波路の両端側面に設けられた電極と、前記電極に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Ｑスイッチ素子であって、
前記コアは、電気光学結晶を有する材料からなり、
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられるとともに、前記コアの材料よりも屈折率が低い材料からなり、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記コアの平面に対し垂直な両端側面に設けられるとともに、前記Ｑスイッチ駆動装置と電気的に接続されることを特徴とする光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項７】
前記光導波路は、前記両端面の電極のうちの第１の電極面から第２の電極面に向かうにしたがって、光路方向の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有することを特徴とする請求項６に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項８】
コアおよびクラッドからなる平面導波路構造の光導波路と、前記光導波路の上下面に設けられた光損失手段および電極と、前記電極に電圧をオンオフ可能に印加するＱスイッチ駆動装置と、を備えた光導波路型Ｑスイッチ素子であって、
前記クラッドは、前記コア内の光を閉じ込めるために、前記コアの上下面に設けられるとともに、前記コアの材料よりも屈折率が常に低い材料からなり、
前記光損失手段は、光が接触すると光を減衰させる材料または構造をからなり、前記クラッドの平面に対し平行で、かつ前記コアと対向する両端面に設けられ、
前記電極は、電気伝導性が高い材料からなり、前記光損失手段の平面に対し平行で、かつ前記クラッドと対向する両端面に設けられるとともに、前記Ｑスイッチ駆動装置と電気的に接続され、
前記コアは、電気光学結晶を有する材料からなり、
前記光導波路は、前記両端面の電極のうちの第１の電極面から第２の電極面に向かうにしたがって、光路方向の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有することを特徴とする光導波路型Ｑスイッチ素子。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の光導波路型Ｑスイッチ素子を含み、レーザ光を発生する平面構造のレーザ光源を備えたことを特徴とするＱスイッチレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１１−２４７９１２（Ｐ２０１１−２４７９１２Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７６５５（Ｐ２０１０−１１７６５５）
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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