ラマン・レーザ発振（Ｒａｍａｎｌａｓｉｎｇ）用途における使用のためのフィルタ・ファイバおよびそれを製造するための技術
光導波路は、波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、波長動作範囲内での目標波長における負分散の値とをファイバにもたらすように構築された屈折率変化を有する。さらに、屈折率変化は、目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフをファイバにもたらすようにさらに構築され、それにより、ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径に対して、目標波長におけるマクロな曲げ損失と目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違をもたらし、それにより、ラマン散乱が、目標波長より長い波長において防止される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれた、２００９年５月１１日に出願した米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号の優先利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、光ファイバのデバイスおよび方法に関し、詳細には、ラマン・レーザ発振用途における使用のための改良されたフィルタ・ファイバ、およびそのようなファイバを設計し、製造するための技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
通常、ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器は、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、他など、レーザ活性（ｌａｓｅｒ−ａｃｔｉｖｅ）希土類イオンでドープされた光ファイバに基づく。光ファイバ内の誘導ラマン散乱（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、これらの希土類ドープ・ファイバが動作しない波長領域において非線形利得をもたらすために使用されうる有用な効果である。誘導ラマン散乱は、レーザ・ビームがラマン活性ファイバ（Ｒａｍａｎ−ａｃｔｉｖｅ ｆｉｂｅｒ）を通って伝播するときに発生し、「ストークス・シフト（Ｓｔｏｋｅｓ ｓｈｉｆｔ）」として知られる、波長の予測可能な増加を結果としてもたらす。ある長さのラマン活性ファイバの入力端および出力端において、一連の波長特定反射器格子を設けることによって、入力波長を選択された目標波長に変換するために、多段の一連のストークス・シフトを生成することができる。
【０００４】
図１は、従来技術による例示的システム２０の図であり、誘導ラマン散乱が、１５５０ｎｍ領域における利得をもたらすエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）をポンピングするための、１４８０ｎｍにおける高パワー出力８０を発生させるために使用される。図示のように、システム２０は、モノリシックＹｂ−ファイバ・レーザ（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｙｂ−ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）４０と、多段ラマン共振器（ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）（ＣＲＲ）６０との２段を含む。
【０００５】
レーザ４０では、活性媒体が、１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲内で動作する、ある長さの二重クラッド（ｄｏｕｂｌｅ−ｃｌａｄ）Ｙｂドープ・ファイバ４２によってもたらされる。高反射器格子ＨＲ１が、ファイバ入力端４４に設けられ、出力カプラ格子ＯＣ１が、ファイバ出力端４６に設けられる。ファイバ４２の高反射器ＨＲ１と出力カプラＯＣ１との間の部分は、レーザ空胴（ｌａｓｅｒ ｃａｖｉｔｙ）４８として機能する。ポンピング・エネルギーが、複数のポンプ・ダイオード５０によってファイバ４２に供給され、ポンプ・ダイオードは、テーパ化ファイバ束（ｔａｐｅｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ）ＴＦＢ１でファイバ４２に結合される。本例では、レーザ４０は、出力５２として波長１１１７ｎｍにおけるシングル・モード放射を供給する。
【０００６】
レーザ出力が、多段ラマン共振器６０をポンピングするために使用される。共振器６０は、ラマン活性ファイバ６２を含む。複数の入力格子６４が、ファイバ入力端６６に設けられ、複数の出力格子６８が、ファイバ出力端７０に設けられる。複数の入力格子６４が高反射器ＨＲ２〜ＨＲ６を含み、複数の出力格子６８が高反射器ＨＲ７〜ＨＲ１１および出力カプラＯＣ２を含む。
【０００７】
１１７５ｎｍから１４８０ｎｍまでの範囲の例示的波長が、入力高反射器ＨＲ２〜ＨＲ６、出力高反射器ＨＲ７〜ＨＲ１１および出力カプラＯＣ２に対して示される。図１に見られるように、入力格子６４および出力格子６８は、個々のストークス・シフトで分離されるネストされた一連の波長整合対（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｍａｔｃｈｅｄ ｐａｉｒ）を含む。入力格子６４、出力格子６８およびラマン・ファイバ６２は、ネストされた一連のラマン空胴７２をもたらす。図１は、格子６４および６８を使用して構築された多段ラマン共振器６０を示すが、類似の共振器が、融合ファイバ（ｆｕｓｅｄ−ｆｉｂｅｒ）・カプラおよびＷＤＭループ・ミラーなどの他の構造など、他の波長選択素子を使用して構築されてよいことは、よく知られている。
【０００８】
Ｙｂ−ドープ・ファイバ・レーザ４０の１１１７ｎｍの出力５２は、入力として共振器６０に投入され、広範囲にわたる多段の一連のストークス・シフトをもたらし、１１１７ｎｍの入力から１４８０ｎｍのシステム出力８０まで、波長の段階的増加を結果としてもたらす。それゆえ、出力８０の１つの用途は、基本モードにおいて高パワーのシリカ・ベース・エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）をポンピングするために使用されてよく、そのことが、１５３０〜１５９０ｎｍの領域における利得をもたらす
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、システム２０において、ある量のラマン散乱が、目標波長が達成された後でも発生し続ける。したがって、高パワーにおいて、光が次の不要な高次ストークス・シフトに転移されるため、かなりの量のポンピング・エネルギーが失われる可能性がある。この不要なストークス・シフトが、所望の出力波長で得ることができるパワーの量を制限する。さらに、ＣＲＲの出力８０が、ＥＤＦＡをポンピングするために使用されるならば、不要な高次のストークス・シフトは、潜在的に、ＥＤＦＡ内で増幅される信号波長に干渉する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従来技術の上記その他の問題が、本発明によって対処され、本発明の一態様は、ラマン・レーザ発振用途における使用のためのフィルタ・ファイバおよびそのようなファイバを設計し、製造するための技術に関する。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、光ファイバは、波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、波長動作範囲内での目標波長における負分散（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）の値とをファイバにもたらすように構築された屈折率変化を有する光導波路（ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を備える。さらに、屈折率変化は、目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフをファイバにもたらすようにさらに構築され、それにより、ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径（ｂｅｎｄｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ）に対して、目標波長におけるマクロな曲げ損失（ｍａｃｒｏｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ）と目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違（ｄｉｓｐａｒｉｔｙ）をもたらし、それにより、ラマン散乱が、目標波長より長い波長において本質的に防止される。
【００１２】
本発明の他の態様が、以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術による多段ラマン共振器システムの図である。
【図２】本発明の一態様による、縮尺通りに描かれていない断面図である。
【図３】本発明の態様による例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明の態様による例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明の態様による例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布を示すグラフである。
【図３Ｃ】本発明の態様による例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布を示すグラフである。
【図４】ＬＰ０１カットオフ波長と、結果としてもたらされる１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失との間の関係を示す、７５ｍｍおよび１９０ｍｍのスプール径でそれぞれ評価された一対のグラフのうちの、７５ｍｍのスプール径に対するグラフである。
【図５】ＬＰ０１カットオフ波長と、結果としてもたらされる１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失との間の関係を示す、７５ｍｍおよび１９０ｍｍのスプール径でそれぞれ評価された一対のグラフのうちの、１９０ｍｍのスプール径に対するグラフである。
【図６】１５９０ｎｍにおいて一定のＬＰ０１カットオフ波長をもたらすＷ型屈折率分布（Ｗ−ｓｈａｐｅｄ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）における、コア半径およびコア屈折率の曲線（ｃｏｎｔｏｕｒ）を示すグラフである。
【図７】本発明によるプロトタイプのフィルタ・ファイバ設計における、減衰と波長との間の関係を示すグラフである。
【図８Ａ】４つの例示的ファイバ設計に対する仕様を説明する、一連の表のうちの１つである。
【図８Ｂ】４つの例示的ファイバ設計に対する仕様を説明する、一連の表のうちの１つである。
【図８Ｃ】４つの例示的ファイバ設計に対する仕様を説明する、一連の表のうちの１つである。
【図９】本発明の種々の説明された態様による一般的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、高パワー・ラマン・レーザ発振用途における使用のためのフィルタ・ファイバ、およびそのようなファイバを設計し、製造するための技術について、本発明の種々の態様による具体的な例が説明される。
【００１５】
上述の図１で示されるラマン・レーザ発振システム２０が、本議論に対する背景（ｃｏｎｔｅｘｔ）を提供するために使用される。具体的には、本議論のために、本明細書で説明される技術によって構築されたフィルタ・ファイバが、例えば、ＣＲＲ ６０におけるラマン・ファイバ６２の代わりに使用されてよいことが企図される。その場合には、ＣＲＲは、適切な長さのフィルタ・ファイバを設けることにより、かつ多段の一連のストークス・シフトを作成するように構成された波長を有する、入力格子と出力格子との適切な複数組を、ファイバの入力端および出力端に設けることによって作製され、結果として、入力波長を所望の目標波長まで、段階的に変換する。
【００１６】
しかし、今説明されたフィルタ・ファイバおよび技術は、他のラマン・レーザ発振のシステムおよび構成に対して実施されてよいことが理解されよう。例えば、本発明は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体を本明細書に組み込まれた、２００９年５月１１日に出願した米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号に記載されたレーザ発振システム、またはそれらの変形のうちのいずれかと共に実施されてよい。
【００１７】
以下に詳細に議論されるように、本発明によるフィルタ・ファイバは、波長動作範囲にわたって、超連続体（ｓｕｐｅｒ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）を生成することなく複数のストークス・シフトを可能にするように構築される。そのようなフィルタ・ファイバは、目標波長を超える波長に対して有害なポンプ・エネルギーの消耗を防止し、結果として、高次ストークス・シフトを介するラマン散乱を防止するように構築される。
【００１８】
これらの所望の特性は、以下の、すなわち、
（ａ）超連続体の生成を回避するための、その動作範囲にわたる正常分散（すなわち、負分散）、
（ｂ）目標波長における小さな有効面積、すなわち、所望のパワー・レベルにおいて波長動作範囲にわたって複数のストークス・シフトを可能にするのに十分に小さい有効面積、
（ｃ）１００メートル以上の長さのファイバにおいて容認されうる低損失、および
（ｄ）目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１モード・カットオフ
の属性を含むようにフィルタ・ファイバを構築することによって達成され、それにより、ＬＰ０１カットオフ波長は、選択された曲げ直径に対して、目標波長におけるマクロな曲げ損失と目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違をもたらす。
【００１９】
本議論は、ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）の単位を有する分散パラメータＤを利用することに留意されたい。Ｄの負の値が正常分散を構成し、Ｄの正の値が異常分散を構成する。異常分散領域（ｒｅｇｉｍｅ）では、変調不安定性（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）およびソリトン形成（ｓｏｌｉｔｏｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）などの現象が発生し、それらのいずれも、正常分散領域には存在しない。標準的シングル−モード・ファイバは、１３００ｎｍ付近の波長でゼロ分散を、そしてゼロ分散の波長より長い波長で異常分散を有することに留意されたい。
【００２０】
本発明の実施によれば、ＬＰ０１カットオフは、目標波長を超えて１／２〜１ストークス周波数だけシフトする波長にあり、それにより、所与のスプール径（例えば、７５ｍｍ、１９０ｍｍ）に対して、選択されたＬＰ０１モード・カットオフは、目標波長におけるマクロな曲げ損失（例えば、０．０１ｄＢ／ｋｍ未満）と第１のストークス・シフトにおけるマクロな曲げ損失（例えば、３００ｄＢ／ｋｍ超）との間の大きな差違を結果としてもたらす。
【００２１】
本発明の一態様によれば、これらのファイバの属性（ａｔｔｒｉｂｕｔｅ）は、Ｗ型屈折率分布の使用を介して達成される。本発明の態様は、本明細書で説明されるように、他の屈折率分布形状および他の屈折率変化を使用して実施されうることが理解されよう。
【００２２】
ＬＰ０１モードが、選択されたカットオフ波長を超えて誘導され得ない、Ｗ型フィルタ・ファイバは、Ｓ−帯域エルビウム−ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）用途のために使用されてきた。また、Ｗ型フィルタ・ファイバは、高パワーＹｂファイバ増幅器におけるラマン散乱を抑えるために使用されてきた。これらの初期の用途のいずれにおいても、広い波長範囲にわたるフィルタ・ファイバの分散は、重視すべき事項ではない。
【００２３】
ラマン・レーザ発振用途は、離散した周波数におけるラマン利得を必要とする。しかし、十分に高いパワーが異常分散を有するファイバに投入されると、離散した周波数におけるラマン利得の代わりに、超連続体の生成が、変調不安定性によって発生する可能性がある。それゆえ、本発明によるファイバは、波長動作範囲にわたって正常分散を示すように構築される。
【００２４】
所与のファイバにおけるラマン利得は、ポンプ・パワー強度と関係するので、ラマン利得は、ファイバのモーダル有効面積（ｍｏｄａｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）に逆比例する。それゆえ、本発明によるファイバは、小さな有効面積を有するように構築される。しかし、ラマン・レーザにおけるファイバ長さは、およそ１００メートル以上になる傾向があるので、ファイバのパワー損失もまた、重要な役割を果たす。
【００２５】
したがって、本発明のフィルタ・ファイバは、小さな有効面積、低損失および正常分散を有するファイバを提供して、所望の目標波長へのラマン散乱を促進するために、初期のフィルタ・ファイバとはかなり異なって構築される。ファイバは、所望の目標波長より長い波長におけるラマン散乱を防ぐために、ＬＰ０１モードのカットオフのフィルタリング特性を使用する。
【００２６】
次に、上の属性を有するように構築されたフィルタ・ファイバを設計するための具体的な技術が説明される。本議論の目的のために、所望の目標波長が１４８０ｎｍであり、１４８０ｎｍの後の最初のストークス・シフトが１５９０ｎｍであるものと仮定される。しかし、説明されたファイバおよび技術が、他の波長において使用されるように適合されてよいことは、本説明から明らかとなろう。
【００２７】
図２は、本発明の第１の態様によるファイバ１００の一例の、縮尺通り描かれていない断面を示す。ファイバ１００は、複数の異なる同心領域、すなわち、
外部半径ｒ１および屈折率ｎ１を有するコア１０１と、
コア１０１を取り囲み、外部半径ｒ２および屈折率ｎ２を有する内側クラッド１０３と、
内側クラッド１０３を取り囲み、外部半径ｒ０および屈折率ｎ０を有する外側クラッド１０５と
を生成するように化学的にドープされた、シリカ（ＳｉＯ２）または他の適切な材料から作製された光導波路を備える。
【００２８】
また、コアと内側クラッドとの境界１０２、および内側クラッドと外側クラッドとの境界１０４が、図２に示される。
【００２９】
ファイバ領域のそれぞれは、外側クラッドの屈折率ｎ０を基準値として使用して決定される、個々の「屈折率差」Δｎ、すなわち、
外側クラッド１０５に対して、Δｎ０＝ｎ０−ｎ０＝０、
コア１０１に対して、Δｎ１＝ｎ１−ｎ０、
内側クラッド１０３に対して、Δｎ２＝ｎ２−ｎ０
を有する。
【００３０】
図３は、本発明の態様による第１の例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布（ＲＩＰ）１２０である。ＲＩＰ １２０は、ファイバ領域１０１、１０３、１０５に対して、個々の外部半径ｒ０−ｒ２および屈折率差Δｎ０−Δｎ２をグラフの形で示す。
【００３１】
図３に示されるように、ＲＩＰ １２０は、従来から、Ｗ型分布と呼ばれる。Ｗ型分布は、コア１０１に対応し、比較的狭い外部半径ｒ１および比較的大きい正の屈折率差Δｎ１を有する、中央突出（ｃｅｎｔｒａｌ ｓｐｉｋｅ）１２１を含む。中央突出１２１は、内側クラッド１０３に対応し、コアの外部半径ｒ１に比べて比較的大きい外部半径ｒ２を有し、（Δｎ０に比べて）比較的小さい負の屈折率差Δｎ２を有する、溝（ｔｒｅｎｃｈ）１２３で取り囲まれる。溝１２３は、外側クラッド１０５に対応し、外部半径ｒ０および屈折率差Δｎ０を有する、比較的平らな外部領域１２５によって取り囲まれる。
【００３２】
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の他の態様によるファイバの第２および第３の例の、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布１２０’および１２０”を示す。ＲＩＰ １２０’およびＲＩＰ １２０”は共に、所望のフィルタリング効果を達成する、中央突出１２１’／１２１”、溝１２３’／１２３”、および外側クラッド１２５’／１２５”を含み、ｒ０’／ｒ０”、ｒ１’／ｒ１”、ｒ２’／ｒ２”、Δｎ０’／Δｎ０”、Δｎ１’／Δｎ１”、およびΔｎ２’／Δｎ２”に対する個々の値を有するＷ型である。
【００３３】
次に、所与の目標波長に対する適切な屈折率分布に到達するための技術が説明される。
【００３４】
本明細書で説明されるラマン・フィルタ・ファイバ設計では、ポンプ・エネルギーが目標波長における利得をもたらし、目標波長を超える高次のストークス散乱で消耗されることはない。本議論の目的のために、所望の目標波長が１４８０ｎｍであり、１４８０ｎｍの後の最初のストークス・シフトが１５９０ｎｍであることが仮定される。しかし、説明されたファイバおよび技術が、他の波長において使用されるように適合されてよいことは、本説明から明らかとなろう。
【００３５】
本発明によるフィルタ・ファイバは、目標波長すなわち１４８０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失において、第１のストークス・シフト波長すなわち１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失に比べてかなりの差違をもたらすように構築される。今説明されたラマン・フィルタリング用途は、この減衰の差違を利用する。
【００３６】
使用時に、ラマン・ファイバは、通常、知られている直径を有するスプールに巻き付けられる。したがって、典型的なラマン・レーザ発振用途では、ラマン・ファイバは、知られている曲げ直径において、マクロな曲げ損失を受ける。
【００３７】
図４は、７５ｍｍのスプール径で評価された、ＬＰ０１カットオフ波長と、結果としてもたらされる１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失との間の関係を示すグラフ１４０であり、図５は、１９０ｍｍのスプール径で評価された、ＬＰ０１カットオフ波長と、結果としてもたらされる１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失との間の関係を示すグラフ１５０である。
【００３８】
図４に示されるグラフ１４０は、ＬＰ０１カットオフ波長が１５４０ｎｍと１６１０ｎｍとの間にあるとき、７５ｍｍの直径のスプールに巻き付けられたラマン・ファイバは、１４８０ｎｍにおいて０．０１ｄＢ／ｋｍ未満のマクロな曲げ損失を有し、１５９０ｎｍにおいて１００ｄＢ／ｋｍより大きいマクロな曲げ損失を有することが期待されることを示す。同様に、図５に示されるグラフ１５０は、ＬＰ０１カットオフ波長が１５１０ｎｍと１５９０ｎｍとの間にあるとき、１９０ｍｍの直径のスプールに巻き付けられたラマン・ファイバは、１４８０ｎｍにおいて０．０１ｄＢ／ｋｍ未満のマクロな曲げ損失を有し、１５９０ｎｍにおいて１００ｄＢ／ｋｍより大きいマクロな曲げ損失を有することが期待されることを示す。目標波長とストークス波長との間の減衰において描かれた１０４の桁の差が、高次のラマン散乱を防ぐために、著しいフィルタリング効果をもたらす。本発明の実施によれば、次のストークス次数におけるパワーは、前のストークス次数より小さいかまたは前のストークス次数に匹敵し、出力波長より２０ｄＢ低い。
【００３９】
図６は、１５９０ｎｍにおいて一定のＬＰ０１カットオフ波長をもたらす、図３Ａ〜図３Ｃに示されるようなＷ型屈折率分布における、コア半径およびコア屈折率の曲線を示すグラフ１６０である。これらのＷ型設計では、コアは、−０．００８のΔｎ屈折率差および１２μｍの外部半径を有する溝領域で取り囲まれる。溝領域は、非ドープのシリカでさらに取り囲まれる。また、図６は、１５９０ｎｍのＬＰ０１カットオフ波長を得るファイバ設計に対する、右垂直軸上に示された目盛りを有する、１４８０ｎｍにおける色分散（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）を示す。また、１４８０ｎｍにおける有効面積が示される。この数値は、上の属性を持つためのそのようなＷ型屈折率分布における、コア半径およびコア屈折率に関する設計空間を特定する。これらの設計は、１５９０ｎｍにストークス波長を有する、１４８０ｎｍの目標波長に対して行われているが、類似の設計が、他の目標波長における用途に対して行われてよい。７５ｍｍのスプール直径に対して、これらの設計は、１４８０ｎｍにおいて０．０１ｄＢ／ｋｍ未満、および１５９０ｎｍにおいて３００ｄＢ／ｋｍ超のマクロな曲げ損失を示す。
【００４０】
他の溝半径および溝屈折率が、Ｗ型フィルタ・ファイバ設計のために使用されてよい。一般に、より小さい外部溝半径およびより小さい溝の屈折率の大きさが、有効面積およびマクロな曲げ損失の両方を増加させる。以下の表は、同じ１５９０ｎｍのＬＰ０１カットオフを維持しながら、異なる溝屈折率および溝外部半径を有する設計における特性の比較を示す。１９０ｍｍのより大きなスプール直径を使用することによって、ラマン・フィルタ・ファイバは、望ましい負分散および１．４８μｍにおける低い曲げ損失を維持しながら、より大きい有効面積を有することができる。また、全体としてファイバの減衰を低減する、より小さいコア屈折率を有する設計を選択することも望ましい。
【００４１】
図７は、本発明によるプロトタイプのフィルタ・ファイバ設計における、減衰と波長との間の関係を示すグラフ１７０である。多数の異なる外側クラッド直径、すなわち、１２０μｍ（曲線１７１）、１２１μｍ（曲線１７２）、１２２μｍ（曲線１７３）、１２５μｍ（曲線１７４）、１３０μｍ（曲線１７５）および１４０μｍ（曲線１７６）に対して、実験データが生成された。これらのファイバは、同じプレフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）から引かれたので、それらのコア直径はクラッド直径に比例し、例えば１４０μｍのクラッド直径のファイバにおけるコア直径は、１２０μｍのクラッド直径のファイバにおけるコア直径より約１６．７％大きい。曲線１７１〜曲線１７６は、説明されたフィルタリング効果を示し、すなわち、フィルタ・ファイバは、カットオフ波長の下で低い減衰を有し、カットオフ波長の上で高い減衰を有する。さらに、曲線１７１〜曲線１７６は、外側クラッド直径が、所望のカットオフ波長を有するフィルタ・ファイバの設計において考慮されるべき、付加的なパラメータであることを示す。例えば、外側クラッド直径を修正することが、設計工程の終盤に向けて、カットオフ波長を微調整するために利用されてよい。
【００４２】
図８Ａ〜図８Ｃは、図３、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに対して上で説明された４つの例示的ファイバに対する仕様および測定された性能を説明する、一連の表１８０〜１８２である。図８Ａにおいて説明される表１８０は、ファイバ１（図３）、ファイバ２（図３Ａ）、ファイバ３（図３Ｂ）およびファイバ４（図３Ｃ）に対して、以下の詳細事項、すなわち、
（ａ）コア半径ｒ１（μｍ）、
（ｂ）コア屈折率差Δｎ１、
（ｃ）溝半径ｒ２（μｍ）
（ｄ）溝の屈折率差Δｎ２、
（ｅ）ＬＰ０１カットオフ波長（ｎｍ）、
（ｆ）１４８０ｎｍにおける分散（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）、
（ｇ）１４８０ｎｍにおける有効面積Ａｅｆｆ（μｍ２）
を説明する。
【００４３】
図８Ｂにおいて説明される表１８１は、７５ｍｍの曲げ半径に対して、１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおける４つのファイバに対する曲げ損失を説明する。図８Ｃにおいて説明される表１８２は、１９０ｍｍの曲げ半径に対して、１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおける４つのファイバに対する曲げ損失を説明する。表１８１および表１８２に示されるように、説明されたファイバ設計は、目標波長１４８０ｎｍにおける曲げ損失と、目標波長を１ストークス・シフトだけ超える、１５９０ｎｍにおける曲げ損失とにおいて、著しい差を結果としてもたらす。
【００４４】
図９は、本明細書で説明された本発明の種々の態様によるフィルタ・ファイバを設計するための、一般的な方法２００を説明する流れ図である。方法は、以下の構成要素を含む、
箱２０１：波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、波長動作範囲内での目標波長における負分散の値とをファイバにもたらすように構築された屈折率変化を有する光導波路を設ける
箱２０２：目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフをファイバにもたらすようにファイバを構築し、それにより、ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径に対して、目標波長におけるマクロな曲げ損失と、目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に、差違をもたらす
箱２０３：それにより、ラマン散乱が、目標波長より長い波長において防止される。
【００４５】
上の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にするであろう詳細を含むが、説明は本質的に例示的であり、本発明の多くの改変形態および変更形態が、これらの教示の恩恵を受けるそれらの当業者には明らかとなることを認識されたい。したがって、本明細書における本発明は、本明細書に添付された特許請求の範囲によってのみ定義され、特許請求の範囲は、従来技術によって容認される限り広く解釈されることが企図される。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれた、２００９年５月１１日に出願した米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号の優先利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、光ファイバのデバイスおよび方法に関し、詳細には、ラマン・レーザ発振用途における使用のための改良されたフィルタ・ファイバ、およびそのようなファイバを設計し、製造するための技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
通常、ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器は、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、他など、レーザ活性（ｌａｓｅｒ−ａｃｔｉｖｅ）希土類イオンでドープされた光ファイバに基づく。光ファイバ内の誘導ラマン散乱（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、これらの希土類ドープ・ファイバが動作しない波長領域において非線形利得をもたらすために使用されうる有用な効果である。誘導ラマン散乱は、レーザ・ビームがラマン活性ファイバ（Ｒａｍａｎ−ａｃｔｉｖｅ ｆｉｂｅｒ）を通って伝播するときに発生し、「ストークス・シフト（Ｓｔｏｋｅｓ ｓｈｉｆｔ）」として知られる、波長の予測可能な増加を結果としてもたらす。ある長さのラマン活性ファイバの入力端および出力端において、一連の波長特定反射器格子を設けることによって、入力波長を選択された目標波長に変換するために、多段の一連のストークス・シフトを生成することができる。
【０００４】
図１は、従来技術による例示的システム２０の図であり、誘導ラマン散乱が、１５５０ｎｍ領域における利得をもたらすエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）をポンピングするための、１４８０ｎｍにおける高パワー出力８０を発生させるために使用される。図示のように、システム２０は、モノリシックＹｂ−ファイバ・レーザ（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｙｂ−ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）４０と、多段ラマン共振器（ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）（ＣＲＲ）６０との２段を含む。
【０００５】
レーザ４０では、活性媒体が、１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲内で動作する、ある長さの二重クラッド（ｄｏｕｂｌｅ−ｃｌａｄ）Ｙｂドープ・ファイバ４２によってもたらされる。高反射器格子ＨＲ１が、ファイバ入力端４４に設けられ、出力カプラ格子ＯＣ１が、ファイバ出力端４６に設けられる。ファイバ４２の高反射器ＨＲ１と出力カプラＯＣ１との間の部分は、レーザ空胴（ｌａｓｅｒ ｃａｖｉｔｙ）４８として機能する。ポンピング・エネルギーが、複数のポンプ・ダイオード５０によってファイバ４２に供給され、ポンプ・ダイオードは、テーパ化ファイバ束（ｔａｐｅｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ）ＴＦＢ１でファイバ４２に結合される。本例では、レーザ４０は、出力５２として波長１１１７ｎｍにおけるシングル・モード放射を供給する。
【０００６】
レーザ出力が、多段ラマン共振器６０をポンピングするために使用される。共振器６０は、ラマン活性ファイバ６２を含む。複数の入力格子６４が、ファイバ入力端６６に設けられ、複数の出力格子６８が、ファイバ出力端７０に設けられる。複数の入力格子６４が高反射器ＨＲ２〜ＨＲ６を含み、複数の出力格子６８が高反射器ＨＲ７〜ＨＲ１１および出力カプラＯＣ２を含む。
【０００７】
１１７５ｎｍから１４８０ｎｍまでの範囲の例示的波長が、入力高反射器ＨＲ２〜ＨＲ６、出力高反射器ＨＲ７〜ＨＲ１１および出力カプラＯＣ２に対して示される。図１に見られるように、入力格子６４および出力格子６８は、個々のストークス・シフトで分離されるネストされた一連の波長整合対（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｍａｔｃｈｅｄ ｐａｉｒ）を含む。入力格子６４、出力格子６８およびラマン・ファイバ６２は、ネストされた一連のラマン空胴７２をもたらす。図１は、格子６４および６８を使用して構築された多段ラマン共振器６０を示すが、類似の共振器が、融合ファイバ（ｆｕｓｅｄ−ｆｉｂｅｒ）・カプラおよびＷＤＭループ・ミラーなどの他の構造など、他の波長選択素子を使用して構築されてよいことは、よく知られている。
【０００８】
Ｙｂ−ドープ・ファイバ・レーザ４０の１１１７ｎｍの出力５２は、入力として共振器６０に投入され、広範囲にわたる多段の一連のストークス・シフトをもたらし、１１１７ｎｍの入力から１４８０ｎｍのシステム出力８０まで、波長の段階的増加を結果としてもたらす。それゆえ、出力８０の１つの用途は、基本モードにおいて高パワーのシリカ・ベース・エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）をポンピングするために使用されてよく、そのことが、１５３０〜１５９０ｎｍの領域における利得をもたらす
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、システム２０において、ある量のラマン散乱が、目標波長が達成された後でも発生し続ける。したがって、高パワーにおいて、光が次の不要な高次ストークス・シフトに転移されるため、かなりの量のポンピング・エネルギーが失われる可能性がある。この不要なストークス・シフトが、所望の出力波長で得ることができるパワーの量を制限する。さらに、ＣＲＲの出力８０が、ＥＤＦＡをポンピングするために使用されるならば、不要な高次のストークス・シフトは、潜在的に、ＥＤＦＡ内で増幅される信号波長に干渉する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従来技術の上記その他の問題が、本発明によって対処され、本発明の一態様は、ラマン・レーザ発振用途における使用のためのフィルタ・ファイバおよびそのようなファイバを設計し、製造するための技術に関する。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、光ファイバは、波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、波長動作範囲内での目標波長における負分散（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）の値とをファイバにもたらすように構築された屈折率変化を有する光導波路（ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を備える。さらに、屈折率変化は、目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフをファイバにもたらすようにさらに構築され、それにより、ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径（ｂｅｎｄｉｎｇ ｄｉａｍｅｔｅｒ）に対して、目標波長におけるマクロな曲げ損失（ｍａｃｒｏｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ）と目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違（ｄｉｓｐａｒｉｔｙ）をもたらし、それにより、ラマン散乱が、目標波長より長い波長において本質的に防止される。
【００１２】
本発明の他の態様が、以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術による多段ラマン共振器システムの図である。
【図２】本発明の一態様による、縮尺通りに描かれていない断面図である。
【図３】本発明の態様による例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明の態様による例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明の態様による例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布を示すグラフである。
【図３Ｃ】本発明の態様による例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布を示すグラフである。
【図４】ＬＰ０１カットオフ波長と、結果としてもたらされる１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失との間の関係を示す、７５ｍｍおよび１９０ｍｍのスプール径でそれぞれ評価された一対のグラフのうちの、７５ｍｍのスプール径に対するグラフである。
【図５】ＬＰ０１カットオフ波長と、結果としてもたらされる１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失との間の関係を示す、７５ｍｍおよび１９０ｍｍのスプール径でそれぞれ評価された一対のグラフのうちの、１９０ｍｍのスプール径に対するグラフである。
【図６】１５９０ｎｍにおいて一定のＬＰ０１カットオフ波長をもたらすＷ型屈折率分布（Ｗ−ｓｈａｐｅｄ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）における、コア半径およびコア屈折率の曲線（ｃｏｎｔｏｕｒ）を示すグラフである。
【図７】本発明によるプロトタイプのフィルタ・ファイバ設計における、減衰と波長との間の関係を示すグラフである。
【図８Ａ】４つの例示的ファイバ設計に対する仕様を説明する、一連の表のうちの１つである。
【図８Ｂ】４つの例示的ファイバ設計に対する仕様を説明する、一連の表のうちの１つである。
【図８Ｃ】４つの例示的ファイバ設計に対する仕様を説明する、一連の表のうちの１つである。
【図９】本発明の種々の説明された態様による一般的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、高パワー・ラマン・レーザ発振用途における使用のためのフィルタ・ファイバ、およびそのようなファイバを設計し、製造するための技術について、本発明の種々の態様による具体的な例が説明される。
【００１５】
上述の図１で示されるラマン・レーザ発振システム２０が、本議論に対する背景（ｃｏｎｔｅｘｔ）を提供するために使用される。具体的には、本議論のために、本明細書で説明される技術によって構築されたフィルタ・ファイバが、例えば、ＣＲＲ ６０におけるラマン・ファイバ６２の代わりに使用されてよいことが企図される。その場合には、ＣＲＲは、適切な長さのフィルタ・ファイバを設けることにより、かつ多段の一連のストークス・シフトを作成するように構成された波長を有する、入力格子と出力格子との適切な複数組を、ファイバの入力端および出力端に設けることによって作製され、結果として、入力波長を所望の目標波長まで、段階的に変換する。
【００１６】
しかし、今説明されたフィルタ・ファイバおよび技術は、他のラマン・レーザ発振のシステムおよび構成に対して実施されてよいことが理解されよう。例えば、本発明は、本出願の譲受人によって所有され、参照によりその全体を本明細書に組み込まれた、２００９年５月１１日に出願した米国仮特許出願第６１／１７７，０５８号に記載されたレーザ発振システム、またはそれらの変形のうちのいずれかと共に実施されてよい。
【００１７】
以下に詳細に議論されるように、本発明によるフィルタ・ファイバは、波長動作範囲にわたって、超連続体（ｓｕｐｅｒ−ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）を生成することなく複数のストークス・シフトを可能にするように構築される。そのようなフィルタ・ファイバは、目標波長を超える波長に対して有害なポンプ・エネルギーの消耗を防止し、結果として、高次ストークス・シフトを介するラマン散乱を防止するように構築される。
【００１８】
これらの所望の特性は、以下の、すなわち、
（ａ）超連続体の生成を回避するための、その動作範囲にわたる正常分散（すなわち、負分散）、
（ｂ）目標波長における小さな有効面積、すなわち、所望のパワー・レベルにおいて波長動作範囲にわたって複数のストークス・シフトを可能にするのに十分に小さい有効面積、
（ｃ）１００メートル以上の長さのファイバにおいて容認されうる低損失、および
（ｄ）目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１モード・カットオフ
の属性を含むようにフィルタ・ファイバを構築することによって達成され、それにより、ＬＰ０１カットオフ波長は、選択された曲げ直径に対して、目標波長におけるマクロな曲げ損失と目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違をもたらす。
【００１９】
本議論は、ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）の単位を有する分散パラメータＤを利用することに留意されたい。Ｄの負の値が正常分散を構成し、Ｄの正の値が異常分散を構成する。異常分散領域（ｒｅｇｉｍｅ）では、変調不安定性（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）およびソリトン形成（ｓｏｌｉｔｏｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）などの現象が発生し、それらのいずれも、正常分散領域には存在しない。標準的シングル−モード・ファイバは、１３００ｎｍ付近の波長でゼロ分散を、そしてゼロ分散の波長より長い波長で異常分散を有することに留意されたい。
【００２０】
本発明の実施によれば、ＬＰ０１カットオフは、目標波長を超えて１／２〜１ストークス周波数だけシフトする波長にあり、それにより、所与のスプール径（例えば、７５ｍｍ、１９０ｍｍ）に対して、選択されたＬＰ０１モード・カットオフは、目標波長におけるマクロな曲げ損失（例えば、０．０１ｄＢ／ｋｍ未満）と第１のストークス・シフトにおけるマクロな曲げ損失（例えば、３００ｄＢ／ｋｍ超）との間の大きな差違を結果としてもたらす。
【００２１】
本発明の一態様によれば、これらのファイバの属性（ａｔｔｒｉｂｕｔｅ）は、Ｗ型屈折率分布の使用を介して達成される。本発明の態様は、本明細書で説明されるように、他の屈折率分布形状および他の屈折率変化を使用して実施されうることが理解されよう。
【００２２】
ＬＰ０１モードが、選択されたカットオフ波長を超えて誘導され得ない、Ｗ型フィルタ・ファイバは、Ｓ−帯域エルビウム−ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）用途のために使用されてきた。また、Ｗ型フィルタ・ファイバは、高パワーＹｂファイバ増幅器におけるラマン散乱を抑えるために使用されてきた。これらの初期の用途のいずれにおいても、広い波長範囲にわたるフィルタ・ファイバの分散は、重視すべき事項ではない。
【００２３】
ラマン・レーザ発振用途は、離散した周波数におけるラマン利得を必要とする。しかし、十分に高いパワーが異常分散を有するファイバに投入されると、離散した周波数におけるラマン利得の代わりに、超連続体の生成が、変調不安定性によって発生する可能性がある。それゆえ、本発明によるファイバは、波長動作範囲にわたって正常分散を示すように構築される。
【００２４】
所与のファイバにおけるラマン利得は、ポンプ・パワー強度と関係するので、ラマン利得は、ファイバのモーダル有効面積（ｍｏｄａｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）に逆比例する。それゆえ、本発明によるファイバは、小さな有効面積を有するように構築される。しかし、ラマン・レーザにおけるファイバ長さは、およそ１００メートル以上になる傾向があるので、ファイバのパワー損失もまた、重要な役割を果たす。
【００２５】
したがって、本発明のフィルタ・ファイバは、小さな有効面積、低損失および正常分散を有するファイバを提供して、所望の目標波長へのラマン散乱を促進するために、初期のフィルタ・ファイバとはかなり異なって構築される。ファイバは、所望の目標波長より長い波長におけるラマン散乱を防ぐために、ＬＰ０１モードのカットオフのフィルタリング特性を使用する。
【００２６】
次に、上の属性を有するように構築されたフィルタ・ファイバを設計するための具体的な技術が説明される。本議論の目的のために、所望の目標波長が１４８０ｎｍであり、１４８０ｎｍの後の最初のストークス・シフトが１５９０ｎｍであるものと仮定される。しかし、説明されたファイバおよび技術が、他の波長において使用されるように適合されてよいことは、本説明から明らかとなろう。
【００２７】
図２は、本発明の第１の態様によるファイバ１００の一例の、縮尺通り描かれていない断面を示す。ファイバ１００は、複数の異なる同心領域、すなわち、
外部半径ｒ１および屈折率ｎ１を有するコア１０１と、
コア１０１を取り囲み、外部半径ｒ２および屈折率ｎ２を有する内側クラッド１０３と、
内側クラッド１０３を取り囲み、外部半径ｒ０および屈折率ｎ０を有する外側クラッド１０５と
を生成するように化学的にドープされた、シリカ（ＳｉＯ２）または他の適切な材料から作製された光導波路を備える。
【００２８】
また、コアと内側クラッドとの境界１０２、および内側クラッドと外側クラッドとの境界１０４が、図２に示される。
【００２９】
ファイバ領域のそれぞれは、外側クラッドの屈折率ｎ０を基準値として使用して決定される、個々の「屈折率差」Δｎ、すなわち、
外側クラッド１０５に対して、Δｎ０＝ｎ０−ｎ０＝０、
コア１０１に対して、Δｎ１＝ｎ１−ｎ０、
内側クラッド１０３に対して、Δｎ２＝ｎ２−ｎ０
を有する。
【００３０】
図３は、本発明の態様による第１の例示的ファイバに対する、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布（ＲＩＰ）１２０である。ＲＩＰ １２０は、ファイバ領域１０１、１０３、１０５に対して、個々の外部半径ｒ０−ｒ２および屈折率差Δｎ０−Δｎ２をグラフの形で示す。
【００３１】
図３に示されるように、ＲＩＰ １２０は、従来から、Ｗ型分布と呼ばれる。Ｗ型分布は、コア１０１に対応し、比較的狭い外部半径ｒ１および比較的大きい正の屈折率差Δｎ１を有する、中央突出（ｃｅｎｔｒａｌ ｓｐｉｋｅ）１２１を含む。中央突出１２１は、内側クラッド１０３に対応し、コアの外部半径ｒ１に比べて比較的大きい外部半径ｒ２を有し、（Δｎ０に比べて）比較的小さい負の屈折率差Δｎ２を有する、溝（ｔｒｅｎｃｈ）１２３で取り囲まれる。溝１２３は、外側クラッド１０５に対応し、外部半径ｒ０および屈折率差Δｎ０を有する、比較的平らな外部領域１２５によって取り囲まれる。
【００３２】
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の他の態様によるファイバの第２および第３の例の、ほぼ縮尺通りに描かれた屈折率分布１２０’および１２０”を示す。ＲＩＰ １２０’およびＲＩＰ １２０”は共に、所望のフィルタリング効果を達成する、中央突出１２１’／１２１”、溝１２３’／１２３”、および外側クラッド１２５’／１２５”を含み、ｒ０’／ｒ０”、ｒ１’／ｒ１”、ｒ２’／ｒ２”、Δｎ０’／Δｎ０”、Δｎ１’／Δｎ１”、およびΔｎ２’／Δｎ２”に対する個々の値を有するＷ型である。
【００３３】
次に、所与の目標波長に対する適切な屈折率分布に到達するための技術が説明される。
【００３４】
本明細書で説明されるラマン・フィルタ・ファイバ設計では、ポンプ・エネルギーが目標波長における利得をもたらし、目標波長を超える高次のストークス散乱で消耗されることはない。本議論の目的のために、所望の目標波長が１４８０ｎｍであり、１４８０ｎｍの後の最初のストークス・シフトが１５９０ｎｍであることが仮定される。しかし、説明されたファイバおよび技術が、他の波長において使用されるように適合されてよいことは、本説明から明らかとなろう。
【００３５】
本発明によるフィルタ・ファイバは、目標波長すなわち１４８０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失において、第１のストークス・シフト波長すなわち１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失に比べてかなりの差違をもたらすように構築される。今説明されたラマン・フィルタリング用途は、この減衰の差違を利用する。
【００３６】
使用時に、ラマン・ファイバは、通常、知られている直径を有するスプールに巻き付けられる。したがって、典型的なラマン・レーザ発振用途では、ラマン・ファイバは、知られている曲げ直径において、マクロな曲げ損失を受ける。
【００３７】
図４は、７５ｍｍのスプール径で評価された、ＬＰ０１カットオフ波長と、結果としてもたらされる１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失との間の関係を示すグラフ１４０であり、図５は、１９０ｍｍのスプール径で評価された、ＬＰ０１カットオフ波長と、結果としてもたらされる１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおけるマクロな曲げ損失との間の関係を示すグラフ１５０である。
【００３８】
図４に示されるグラフ１４０は、ＬＰ０１カットオフ波長が１５４０ｎｍと１６１０ｎｍとの間にあるとき、７５ｍｍの直径のスプールに巻き付けられたラマン・ファイバは、１４８０ｎｍにおいて０．０１ｄＢ／ｋｍ未満のマクロな曲げ損失を有し、１５９０ｎｍにおいて１００ｄＢ／ｋｍより大きいマクロな曲げ損失を有することが期待されることを示す。同様に、図５に示されるグラフ１５０は、ＬＰ０１カットオフ波長が１５１０ｎｍと１５９０ｎｍとの間にあるとき、１９０ｍｍの直径のスプールに巻き付けられたラマン・ファイバは、１４８０ｎｍにおいて０．０１ｄＢ／ｋｍ未満のマクロな曲げ損失を有し、１５９０ｎｍにおいて１００ｄＢ／ｋｍより大きいマクロな曲げ損失を有することが期待されることを示す。目標波長とストークス波長との間の減衰において描かれた１０４の桁の差が、高次のラマン散乱を防ぐために、著しいフィルタリング効果をもたらす。本発明の実施によれば、次のストークス次数におけるパワーは、前のストークス次数より小さいかまたは前のストークス次数に匹敵し、出力波長より２０ｄＢ低い。
【００３９】
図６は、１５９０ｎｍにおいて一定のＬＰ０１カットオフ波長をもたらす、図３Ａ〜図３Ｃに示されるようなＷ型屈折率分布における、コア半径およびコア屈折率の曲線を示すグラフ１６０である。これらのＷ型設計では、コアは、−０．００８のΔｎ屈折率差および１２μｍの外部半径を有する溝領域で取り囲まれる。溝領域は、非ドープのシリカでさらに取り囲まれる。また、図６は、１５９０ｎｍのＬＰ０１カットオフ波長を得るファイバ設計に対する、右垂直軸上に示された目盛りを有する、１４８０ｎｍにおける色分散（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）を示す。また、１４８０ｎｍにおける有効面積が示される。この数値は、上の属性を持つためのそのようなＷ型屈折率分布における、コア半径およびコア屈折率に関する設計空間を特定する。これらの設計は、１５９０ｎｍにストークス波長を有する、１４８０ｎｍの目標波長に対して行われているが、類似の設計が、他の目標波長における用途に対して行われてよい。７５ｍｍのスプール直径に対して、これらの設計は、１４８０ｎｍにおいて０．０１ｄＢ／ｋｍ未満、および１５９０ｎｍにおいて３００ｄＢ／ｋｍ超のマクロな曲げ損失を示す。
【００４０】
他の溝半径および溝屈折率が、Ｗ型フィルタ・ファイバ設計のために使用されてよい。一般に、より小さい外部溝半径およびより小さい溝の屈折率の大きさが、有効面積およびマクロな曲げ損失の両方を増加させる。以下の表は、同じ１５９０ｎｍのＬＰ０１カットオフを維持しながら、異なる溝屈折率および溝外部半径を有する設計における特性の比較を示す。１９０ｍｍのより大きなスプール直径を使用することによって、ラマン・フィルタ・ファイバは、望ましい負分散および１．４８μｍにおける低い曲げ損失を維持しながら、より大きい有効面積を有することができる。また、全体としてファイバの減衰を低減する、より小さいコア屈折率を有する設計を選択することも望ましい。
【００４１】
図７は、本発明によるプロトタイプのフィルタ・ファイバ設計における、減衰と波長との間の関係を示すグラフ１７０である。多数の異なる外側クラッド直径、すなわち、１２０μｍ（曲線１７１）、１２１μｍ（曲線１７２）、１２２μｍ（曲線１７３）、１２５μｍ（曲線１７４）、１３０μｍ（曲線１７５）および１４０μｍ（曲線１７６）に対して、実験データが生成された。これらのファイバは、同じプレフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）から引かれたので、それらのコア直径はクラッド直径に比例し、例えば１４０μｍのクラッド直径のファイバにおけるコア直径は、１２０μｍのクラッド直径のファイバにおけるコア直径より約１６．７％大きい。曲線１７１〜曲線１７６は、説明されたフィルタリング効果を示し、すなわち、フィルタ・ファイバは、カットオフ波長の下で低い減衰を有し、カットオフ波長の上で高い減衰を有する。さらに、曲線１７１〜曲線１７６は、外側クラッド直径が、所望のカットオフ波長を有するフィルタ・ファイバの設計において考慮されるべき、付加的なパラメータであることを示す。例えば、外側クラッド直径を修正することが、設計工程の終盤に向けて、カットオフ波長を微調整するために利用されてよい。
【００４２】
図８Ａ〜図８Ｃは、図３、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに対して上で説明された４つの例示的ファイバに対する仕様および測定された性能を説明する、一連の表１８０〜１８２である。図８Ａにおいて説明される表１８０は、ファイバ１（図３）、ファイバ２（図３Ａ）、ファイバ３（図３Ｂ）およびファイバ４（図３Ｃ）に対して、以下の詳細事項、すなわち、
（ａ）コア半径ｒ１（μｍ）、
（ｂ）コア屈折率差Δｎ１、
（ｃ）溝半径ｒ２（μｍ）
（ｄ）溝の屈折率差Δｎ２、
（ｅ）ＬＰ０１カットオフ波長（ｎｍ）、
（ｆ）１４８０ｎｍにおける分散（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）、
（ｇ）１４８０ｎｍにおける有効面積Ａｅｆｆ（μｍ２）
を説明する。
【００４３】
図８Ｂにおいて説明される表１８１は、７５ｍｍの曲げ半径に対して、１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおける４つのファイバに対する曲げ損失を説明する。図８Ｃにおいて説明される表１８２は、１９０ｍｍの曲げ半径に対して、１４８０ｎｍおよび１５９０ｎｍにおける４つのファイバに対する曲げ損失を説明する。表１８１および表１８２に示されるように、説明されたファイバ設計は、目標波長１４８０ｎｍにおける曲げ損失と、目標波長を１ストークス・シフトだけ超える、１５９０ｎｍにおける曲げ損失とにおいて、著しい差を結果としてもたらす。
【００４４】
図９は、本明細書で説明された本発明の種々の態様によるフィルタ・ファイバを設計するための、一般的な方法２００を説明する流れ図である。方法は、以下の構成要素を含む、
箱２０１：波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、波長動作範囲内での目標波長における負分散の値とをファイバにもたらすように構築された屈折率変化を有する光導波路を設ける
箱２０２：目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフをファイバにもたらすようにファイバを構築し、それにより、ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径に対して、目標波長におけるマクロな曲げ損失と、目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に、差違をもたらす
箱２０３：それにより、ラマン散乱が、目標波長より長い波長において防止される。
【００４５】
上の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にするであろう詳細を含むが、説明は本質的に例示的であり、本発明の多くの改変形態および変更形態が、これらの教示の恩恵を受けるそれらの当業者には明らかとなることを認識されたい。したがって、本明細書における本発明は、本明細書に添付された特許請求の範囲によってのみ定義され、特許請求の範囲は、従来技術によって容認される限り広く解釈されることが企図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバであって、
波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、前記波長動作範囲内での目標波長における負分散の値とを前記ファイバに提供するように構築された屈折率変化を有する光導波路を備え、
前記屈折率変化が、前記目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフを前記ファイバに提供するようにさらに構築され、それにより、前記ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径に対して、前記目標波長におけるマクロな曲げ損失と前記目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違をもたらし、
それにより、ラマン散乱が、前記目標波長より長い波長において防止される、光ファイバ。
【請求項２】
前記選択された曲げ直径に対して、前記目標波長における前記マクロな曲げ損失が０．０１ｄＢ／ｋｍ未満であり、前記目標波長を超える１のストークス・シフトにおける前記マクロな曲げ損失が３００ｄＢ／ｋｍより大きい、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記選択された曲げ直径が、前記フィルタ・ファイバが巻き付けられるファイバ・スプールの曲げ直径に相当する、請求項２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記光導波路が、コアと、前記コアを取り囲む内側クラッドと、前記内側クラッドを取り囲む外側クラッドとを含む複数の同心領域を含み、前記ファイバの領域のそれぞれが、外部半径と屈折率差とを有し、
前記屈折率の分布が、前記ファイバ・コアに対応する中央突起および前記内側クラッドに対応する溝を有し、前記中央突起が正の屈折率差を有し、前記溝が負の屈折率差を有し、
前記外側クラッドが、外部半径ｒ０、屈折率ｎ０および屈折率差Δｎ＝０を有し、
前記コアが、外部半径ｒ１、屈折率ｎ１および屈折率差Δｎ１＝ｎ１−ｎ０を有し、
前記内側クラッドが、外部半径ｒ２、屈折率ｎ２および屈折率差Δｎ２＝ｎ２−ｎ０を有する、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記目標波長が１４８０ｎｍであり、前記光ファイバが、１５９０ｎｍにおける第１のストークス・シフトおよび１５９０ｎｍにおけるＬＰ０１カットオフ波長を有し、
±１０％、
ｒ１＝２．０μｍ
Δｎ１＝０．０１３０８
ｒ２＝１２μｍ
Δｎ２＝−０．００８
である、請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記目標波長が１４８０ｎｍであり、前記光ファイバが、１５９０ｎｍにおける第１のストークス・シフトおよび１５９０ｎｍにおけるＬＰ０１カットオフ波長を有し、
±１０％、
ｒ１＝２．５μｍ
Δｎ１＝０．００９１７
ｒ２＝６μｍ
Δｎ２＝−０．００８
である、請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記目標波長が１４８０ｎｍであり、前記光ファイバが、１５９０ｎｍにおける第１のストークス・シフトおよび１５９０ｎｍにおけるＬＰ０１カットオフ波長を有し、
±１０％、
ｒ１＝２．０μｍ
Δｎ１＝０．０１０９８
ｒ２＝１２μｍ
Δｎ２＝−０．００４
である、請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記目標波長が１４８０ｎｍであり、前記光ファイバが、１５９０ｎｍにおける第１のストークス・シフトおよび１５９０ｎｍにおけるＬＰ０１カットオフ波長を有し、
±１０％、
ｒ１＝１．８μｍ
Δｎ１＝０．０１５２９
ｒ２＝８μｍ
Δｎ２＝−０．００８
である、請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項９】
フィルタ・ファイバを製造する方法であって、
波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、前記波長動作範囲内での目標波長における負分散の値とを前記ファイバに提供するように構築された屈折率変化を有する光導波路を設け、
前記目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフを前記ファイバに提供する屈折率変化を有するように前記ファイバを構築するとを含み、それにより、前記ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径に対して、前記目標波長におけるマクロな曲げ損失と前記目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違をもたらし、
それにより、ラマン散乱が、前記目標波長より長い波長において防止される、方法。
【請求項１０】
前記選択された曲げ直径が、前記フィルタ・ファイバが巻き付けられるファイバ・スプールの曲げ直径に相当する、請求項９に記載の方法。
【請求項１】
光ファイバであって、
波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、前記波長動作範囲内での目標波長における負分散の値とを前記ファイバに提供するように構築された屈折率変化を有する光導波路を備え、
前記屈折率変化が、前記目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフを前記ファイバに提供するようにさらに構築され、それにより、前記ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径に対して、前記目標波長におけるマクロな曲げ損失と前記目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違をもたらし、
それにより、ラマン散乱が、前記目標波長より長い波長において防止される、光ファイバ。
【請求項２】
前記選択された曲げ直径に対して、前記目標波長における前記マクロな曲げ損失が０．０１ｄＢ／ｋｍ未満であり、前記目標波長を超える１のストークス・シフトにおける前記マクロな曲げ損失が３００ｄＢ／ｋｍより大きい、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記選択された曲げ直径が、前記フィルタ・ファイバが巻き付けられるファイバ・スプールの曲げ直径に相当する、請求項２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記光導波路が、コアと、前記コアを取り囲む内側クラッドと、前記内側クラッドを取り囲む外側クラッドとを含む複数の同心領域を含み、前記ファイバの領域のそれぞれが、外部半径と屈折率差とを有し、
前記屈折率の分布が、前記ファイバ・コアに対応する中央突起および前記内側クラッドに対応する溝を有し、前記中央突起が正の屈折率差を有し、前記溝が負の屈折率差を有し、
前記外側クラッドが、外部半径ｒ０、屈折率ｎ０および屈折率差Δｎ＝０を有し、
前記コアが、外部半径ｒ１、屈折率ｎ１および屈折率差Δｎ１＝ｎ１−ｎ０を有し、
前記内側クラッドが、外部半径ｒ２、屈折率ｎ２および屈折率差Δｎ２＝ｎ２−ｎ０を有する、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記目標波長が１４８０ｎｍであり、前記光ファイバが、１５９０ｎｍにおける第１のストークス・シフトおよび１５９０ｎｍにおけるＬＰ０１カットオフ波長を有し、
±１０％、
ｒ１＝２．０μｍ
Δｎ１＝０．０１３０８
ｒ２＝１２μｍ
Δｎ２＝−０．００８
である、請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記目標波長が１４８０ｎｍであり、前記光ファイバが、１５９０ｎｍにおける第１のストークス・シフトおよび１５９０ｎｍにおけるＬＰ０１カットオフ波長を有し、
±１０％、
ｒ１＝２．５μｍ
Δｎ１＝０．００９１７
ｒ２＝６μｍ
Δｎ２＝−０．００８
である、請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記目標波長が１４８０ｎｍであり、前記光ファイバが、１５９０ｎｍにおける第１のストークス・シフトおよび１５９０ｎｍにおけるＬＰ０１カットオフ波長を有し、
±１０％、
ｒ１＝２．０μｍ
Δｎ１＝０．０１０９８
ｒ２＝１２μｍ
Δｎ２＝−０．００４
である、請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記目標波長が１４８０ｎｍであり、前記光ファイバが、１５９０ｎｍにおける第１のストークス・シフトおよび１５９０ｎｍにおけるＬＰ０１カットオフ波長を有し、
±１０％、
ｒ１＝１．８μｍ
Δｎ１＝０．０１５２９
ｒ２＝８μｍ
Δｎ２＝−０．００８
である、請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項９】
フィルタ・ファイバを製造する方法であって、
波長動作範囲にわたって、複数のストークス・シフトをサポートする有効面積と、前記波長動作範囲内での目標波長における負分散の値とを前記ファイバに提供するように構築された屈折率変化を有する光導波路を設け、
前記目標波長より長い波長における有限のＬＰ０１カットオフを前記ファイバに提供する屈折率変化を有するように前記ファイバを構築するとを含み、それにより、前記ＬＰ０１カットオフ波長が、選択された曲げ直径に対して、前記目標波長におけるマクロな曲げ損失と前記目標波長より長い波長におけるマクロな曲げ損失との間に差違をもたらし、
それにより、ラマン散乱が、前記目標波長より長い波長において防止される、方法。
【請求項１０】
前記選択された曲げ直径が、前記フィルタ・ファイバが巻き付けられるファイバ・スプールの曲げ直径に相当する、請求項９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５２７０１４（Ｐ２０１２−５２７０１４Ａ）
【公表日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１０９１８（Ｐ２０１２−５１０９１８）
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３４３２１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３２４０５
【国際公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【出願人】（５０９０９４０３４）オーエフエス ファイテル，エルエルシー (44)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３４３２１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３２４０５
【国際公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【出願人】（５０９０９４０３４）オーエフエス ファイテル，エルエルシー (44)
【Ｆターム（参考）】
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