ラージモードエリア・マルチモード・ハイブリッド光ファイバおよびそれを用いた装置
【課題】ラージモードエリア・マルチモード・ハイブリッド光ファイバおよびそれを用いた装置を提供する。
【解決手段】ラージモードエリア光ファイバが、そのコア領域内で信号放射の多重横モードを支持するように構成される。このファイバは、異なる特性を有する少なくとも２つの軸セグメントを含むハイブリッド設計である。第１の軸セグメントでは、コア内の横方向屈折率プロファイルが、径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とする。第１のセグメントは、複数の横モードを支持する。第２の軸セグメントでは、コア内の横方向屈折率プロファイルは、第１のセグメントのそれよりも均一である。２つのセグメントは、互いに断熱結合される。例示的には、第２のセグメントは、他の構成要素との結合を容易にするファイバの末端部である。
【解決手段】ラージモードエリア光ファイバが、そのコア領域内で信号放射の多重横モードを支持するように構成される。このファイバは、異なる特性を有する少なくとも２つの軸セグメントを含むハイブリッド設計である。第１の軸セグメントでは、コア内の横方向屈折率プロファイルが、径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とする。第１のセグメントは、複数の横モードを支持する。第２の軸セグメントでは、コア内の横方向屈折率プロファイルは、第１のセグメントのそれよりも均一である。２つのセグメントは、互いに断熱結合される。例示的には、第２のセグメントは、他の構成要素との結合を容易にするファイバの末端部である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバに関し、より詳細には、高出力光増幅器またはレーザ応用分野向けのラージモードエリア（ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ：ＬＭＡ）マルチモード光ファイバおよび結合効率の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００６年１２月５日に出願した「Ｇａｉｎ−Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ，Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ，Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ，Ｈｙｂｒｉｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓａｍｅ」という名称の米国特許出願第１１／６３３，９９９号の優先権を主張する。
【０００３】
光ファイバの高性能および費用対効果により、希土類添加ファイバ増幅器（ＲＥＤＦＡ）、特にエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦＡ）が、例えば長距離トランスポートやＣＡＴＶ応用分野などの石英系光ファイバ通信システムに広く使用されている。希土類添加ファイバ（ＲＥＤＦ）、特にエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）の革新的な設計および最適化はともに、これらの応用分野で重要な役割を果たしてきた。具体的には、光のモード・フィールドを限定しかつエルビウム分布を制御する設計が、低・中光出力レベルで光の効率的な低雑音増幅を可能にする。一方、高出力応用例の場合、ラージモードエリア（ＬＭＡ）ファイバは、信号強度を低下させ、それによって有害な非線形効果を低減し、またポンプ吸収効率を増大させる。高出力ＲＥＤＦＡおよび希土類添加ファイバレーザ（ＲＥＤＦＬ）、特にイッテルビウム添加ファイバ（ＹＤＦ）を使用したものは、従来の通信事業以外にも多くの応用分野を有する。例えば高出力ＬＭＡ ＹＤＦは、溶接および切断、レーザ測距および目標識別、医療応用および汚染検出、ならびに自由空間通信（例えば衛星相互間）に使用される。
【０００４】
ＬＭＡファイバの光学特性は、その横方向屈折率プロファイル（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）の細部に敏感に依存する。世間一般の通念は、望ましいＬＭＡファイバが１．０に非常に近いＭ２を有する基本モードを有することを決定づけて、基本横モードの光フィールドがガウス形状に非常に近いことを意味する。というのは、コア内の横方向屈折率プロファイルは本質的に均一であり、すなわち、屈折率プロファイルはコアの横断面内で本質的に均一であるからである。Ｍ２は、モードフィールドと真のガウス関数との相似性を評価するものである。さらに具体的には、Ｍ２＝１．０はガウス形状を有するモードに対するものであり、Ｍ２＞１．０は他のすべてのモードフィールド形状に対するものである。１．０に非常に近いＭ２は低損失光結合を容易にし、さらに、ファイバから出て来るビームを効率的に平行にするかあるいは回折限界スポットにしっかりと集光することができる。しかし、ＬＭＡファイバを理想的な基本モード（Ｍ２＝１．０）および均一なコア屈折率プロファイルで製作することは、そのプロファイルが縦軸近傍の屈折率の低下（中心ディップ（ｃｅｎｔｅｒ ｄｉｐ）またはバーンオフ（ｂｕｒｎｏｆｆ）としても知られる）を示す傾向があるために困難となりうる。さらに、１．０に非常に近い基本横モードＭ２を有するＬＭＡファイバは、ほぼ同じコア径であるが顕著な中心ディップを有するファイバの基本横モードよりも小さい有効面積を示し、したがって低い望ましくない光学非線形性の閾値を示す。最後に、ＬＭＡ ＥＤＦのコアの横方向屈折率プロファイルが本質的に均一でありかつ基本モードのＭ２が１．０に非常に近いとき、基本モードとドープされたコアの外側領域との重なりは比較少ない。その結果、基本モードは低い増幅効率となりうるが、高次モードは望ましくない増幅となりうる。
【０００５】
前述の検討は、ＬＭＡ ＲＥＤＦに焦点を当てているが、多くの点で（ｉ）クロムなどの、他の利得を発生する種（ｇａｉｎ−ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｓｐｅｃｉｅｓ：利得発生種）が添加されたＬＭＡファイバ、および（ｉｉ）利得発生種が添加されていないＬＭＡファイバに同様に適用可能である。後者の場合、例えば、ＬＭＡファイバは、利得発生ファイバ（ＧＰＦ）または他の装置のピグテールを含むことができ、あるいは単純に多段光増幅器の段を結合するファイバ・セグメントとすることができる。
【非特許文献１】Ｐ．Ａ．Ｂｅｌａｎｇｅｒ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２１０７〜２１０９頁（１９９３））
【非特許文献２】Ｈ．Ｙ．Ｔａｍ、「Ｅｌｅｃｔｒ．Ｌｅｔｔ．」（Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１７、１５９７〜１５９９頁（１９９１））
【非特許文献３】Ａ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｐｌｉｃｉｎｇ」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（２００５））
【非特許文献４】Ｒ．Ｍ．Ｗｏｏｄ、「Ｌａｓｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄａｍａｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｂｒｉｓｔｏｌ＆Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ（２００３））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、当技術分野では光結合効率を向上させたＬＭＡファイバが依然として必要である。
【０００７】
高出力光ファイバ増幅器およびレーザ用途に適したそのようなＬＭＡファイバも必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、ＬＭＡ光ファイバが、そのコア領域内に信号放射の多重横モードをサポートするように構成される。このファイバは、大きく異なる特性を有する少なくとも２つの軸セグメントを含むハイブリッド設計である。第１の軸セグメントでは、コア内の横方向屈折率プロファイルが、径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とする。第１のセグメントは、複数の横モードを支持する。第２の軸セグメントでは、コア内の横方向屈折率プロファイルは、第１のセグメントのそれよりも均一である。２つのセグメントは互いに断熱結合される。一実施形態では、２つのセグメントは第３のセグメントによって互いに断熱結合されるが、第３のセグメントは、利得発生ファイバである必要はないがそれであってもよい。例示的には、第２のセグメントは、他の構成要素との結合を容易にするファイバの末端部である。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、第１のセグメントにおいてＭ１２＞１．０であり、第２のセグメントにおいてＭ２２＜＜Ｍ１２である。好ましい実施形態では、Ｍ１２＞＞１．０およびＭ２２〜１．０である。
【００１０】
さらに他の実施形態では、ＬＭＡファイバはファイバスタブに結合される。
【００１１】
本発明は、その様々な特徴および利点とともに、添付図面に関連してなされる以下のより詳細な説明から容易に理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
一般的な光ファイバ増幅器の構造
典型的な光ファイバ増幅器１０は、図１に示されているように、結合装置１４と利用装置２０を光学的に結合するＧＰＦ１２を含む。装置１４は、遠隔通信応用分野では波長分割マルチプレクサとして知られ、高出力非遠隔通信応用分野ではポンプ結合器として知られている。話を簡単にするために、以下では高出力非遠隔応用分野に関連して本発明について説明する。この場合、ポンプ結合器１４は、光入力信号源１６の出力と光ポンプ源１８の出力とをＧＰＦ１２の中で結合する。従来のファイバ２２を介してポンプ結合器１４の入力部に結合されている入力信号源１６は、第１の波長の光入力信号を生成し、一方、従来のファイバ２４を介してポンプ結合器１４のもう１つの入力部に結合されているポンプ源１８は、第２の波長の光ポンプ信号を生成する。
【００１３】
当技術分野で周知のように、ポンプ信号はＧＰＦ１２内に反転分布を生成し、それによって入力源１６からの入力信号を増幅する。増幅された入力信号は、ＧＰＦ１２に沿って利用装置２０まで伝搬する。高出力の応用例では、利用装置２０には、多くの周知のデバイスまたは装置、例えば他の光増幅器、ビームコリメータ、レンズ系、工作物（例えば切断または溶接用）などを含むことができ、一方、遠隔通信用途では、利用装置２０には、光受信器、光変調器、光結合器または光スプリッタ、端末装置などを含むことができる。これらのうちのいくつかは、標準的なピグテールコネクタ（図示せず）を介してＧＰＦ１２に結合されうる。
【００１４】
例示的には、入力源１６は、ＧＰＦ１２の利得発生種の増幅範囲にある波長の比較的低出力の光入力信号を生成するレーザであり、一方、ポンプ源１８は、入力信号の所望の増幅を引き起こすより短い中心波長で比較的高い光出力（例えば約１５０ｍＷを超える）ポンプ信号を生成する半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）またはＬＥＤアレイである。好ましくは、ＧＰＦ１２はイッテルビウム添加ファイバであり、信号源１６は約１０８０ｎｍの中心波長を有する入力信号を生成し、ポンプ源１８は約９１５ｎｍあるいは約９７５ｎｍの中心波長のポンプ信号を生成する。この場合、ポンプ源として半導体レーザを使用することもできるが、ＬＥＤを使用してより全体的な光をファイバの中で結合させることができるで、ＬＥＤ、特にＬＥＤアレイが好ましいことを留意しておく。
【００１５】
図１の光増幅器は、一般的な共伝搬ポンプ構成（ｃｏ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｐｕｍｐ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）（すなわち、ポンプ信号および入力信号がＧＰＦの中を同方向に伝搬する）を示すが、逆伝搬構成（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）（すなわち、ポンプ信号および入力信号がＧＰＦの中を逆方向に伝搬する）を使用することも可能である。さらに、多数の多種多様な光増幅器が縦一列に配置されてもよく、その方式は、高出力多段階システムの総利得を増大させるためのものとして当技術分野でよく知られている。ポンプ・エネルギもまた、ＧＰＦの中で横方向に結合されうる。
【００１６】
さらに、適切な周知の光共振器（例えば、１対の離間されたファイバグレーティング）が設けられたときに、ＧＰＦと共振器の組合せはレーザとして機能することができる。
【００１７】
ハイブリッドＬＭＡファイバの設計
本発明の一態様によれば、図４Ａに示されているように、ＬＭＡ ＧＰＦ１２’は、直径ｄｏのクラッド領域１２．２で囲まれた直径ｄｃのコア領域１２．１を含む。ラージモードエリア（ＬＭＡ）という語句を次のように定義する。ＬＭＡファイバのコア領域およびクラッド領域は、従来の単一モードファイバのそれよりも実質的に大きい有効モード面積を生み出すように構成される。例えば、約１０８０ｎｍの波長では従来の単一モードファイバは、例示的に約５０μｍ２のモード面積を有するが、同一波長でＬＭＡファイバは約１００μｍ２のモード面積を有することができる。同様に、約１５５０ｎｍの波長では従来の単一モードファイバは、例示的に約８０μｍ２のモード面積を有するが、同一波長でＬＭＡファイバは約１６０μｍ２のモード面積を有することができる。これらの例示は、ＬＭＡファイバが同一波長で単一モードファイバの２倍のモード面積を有することを示すが、他の比率もまた、ＬＭＡ ＧＰＦの特定用途および所望の性能に応じて適切にすることができる。
【００１８】
コア領域１２．１の屈折率は、クラッド領域１２．２の屈折率よりも高くなっていて、屈折率の差がΔｎで示されている。図示されていないが、クラッドは内側の（低くなった）クラッド領域と外側のクラッド領域とを含むことがあり、外側クラッド領域の屈折率がコアの屈折率と内側クラッド領域の屈折率との間にあることがよく知られている。
【００１９】
いずれにしても、コア領域およびクラッド領域は、源１６（図１）からその中を伝搬する入力信号放射の多重横モードの伝搬を支持するように構成される。本発明の一態様によれば、ＧＰＦ１２’は、図２に示されているように、それが、異なる特性を有する少なくとも２つの軸セグメント、すなわち例えばＬＭＡ軸断熱セグメント１２ａによって互いに断熱結合されたＬＭＡ軸入力セグメント１２ｉとＬＭＡ軸末端セグメント１２ｔとを含むという点で、ハイブリッドファイバである。さらに、ハイブリッドファイバ１２’は、その入力端（図示せず）またはその出力端（図２に示されている）あるいはその両方にＬＭＡ末端セグメントを含むことができる。
【００２０】
より具体的には、ある意味では末端セグメントおよび入力セグメントは、それらが図４Ｂおよび４Ｃに示されているようにそれぞれ異なる横方向屈折率プロファイルを有するという点で異なる特性を有する。一般に、末端セグメント１２ｔのコア領域内の横方向屈折率プロファイルは、入力セグメント１２ｉのそれよりも均一である。その均一度は、例えばプロファイル形状のフーリエ変換の高周波成分によって測定される。したがって、フーリエ変換が少ない高周波成分を含むプロファイルは、フーリエ変換がより多くの高周波成分を含むプロファイルよりも均一であると考えられる。簡単なプロファイルの相対的均一性の目視観測は、しばしばこのタイプの定量分析と一致し、例えば、図４Ｂは、末端セグメント１２ｔのコア領域内のプロファイルが本質的に一定の横方向屈折率を示すことから、そのフーリエ変換の高周波成分が少ないことを示し、一方、図４Ｃは、入力セグメント１２ｉのコア領域内のプロファイルが横方向屈折率の顕著な中心ディップを示すことから、そのフーリエ変換の高周波成分が多いことを示す。したがって、図４Ｃに示されているように、入力セグメント１２ｉでは、コア領域１２．１の横方向屈折率プロファイルは径方向に均一ではなく、すなわち、その屈折率プロファイルは、コア領域１２．１の中心またはその近傍の横方向屈折率が図４Ｄに示されているようにΔｎｄ分だけ低下している顕著なディップ１２．１ｄを示す。対照的に、末端セグメント１２ｔでは、コア領域内の横方向屈折率プロファイルは、図４Ｂに示されているようにさらにほぼ均一である（すなわち径方向に一定である）。
【００２１】
さらに、入力セグメント１２ｉは、複数の多重横モードを支持するように構成される。
【００２２】
顕著な横方向屈折率のディップ１２．１ｄの特徴を設計する際は、ディップのΔｎｄの大きさがコアとクラッドの屈折率差Δｎの約１００％程度であることが好ましい。Δｎのサイズは、コア領域および／またはクラッド領域に添加されうるＧｅ、Ｐ、Ａｌ、Ｆなどの、ＧＰＦの利得発生ドーパントならびに任意の屈折率を変えるドーパントに依存し、例えば、Ｙｂ添加ファイバではΔｎ〜０．００５であり、Ｅｒ：Ｙｂ添加ファイバではΔｎ〜０．０１である。全く逆に、ディップの大きさは、Δｎの約５％以上であるべきである。範囲の下端は、以下に論じるように、横モード形状を純粋なガウス形から十分に摂動を引き起こす必要性によって主として決定される。一方、ディップの幅または直径ｄｄは、システムに使用される光のほぼ最小波長よりも大きくすべきである（例えば、通常は信号波長よりも短いポンプ波長よりも大きくすべきである）。全く逆に、ディップの最大幅ｄｄは、コア領域１２．１の直径ｄｃと同等とすることができるが、典型的には約ｄｃ／３である。これらの条件の目的は、光がディップによって引き起こされた屈折率の摂動を「受ける」ことである。さらに、ディップは円錐形として示されているが、他の幾何形状（例えば円筒形）ならびにさらに複雑な形状が適している可能性もある。
【００２３】
別の意味では、末端セグメントおよび入力セグメントは、それらのＭ２パラメータが互いに異なるので異なる特性を有する。ここで、Ｍ２は、参照により本明細書に組み込まれている、Ｐ．Ａ．Ｂｅｌａｎｇｅｒの「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２１０７〜２１０９頁（１９９３））に記載されているように、ファイバの基本横モードが理想的なガウス関数を有するという類似性を定義する。（本明細書は、ステップインデックス光ファイバのＬＰ０１基本モードに対してＭ２を定義しているが、この定義は、本明細書に記載されているタイプの横方向屈折率プロファイルに中心ディップを有するファイバを含むすべての光ファイバに有効である。）具体的には、入力セグメント１２ｉはパラメータＭ１２を特徴とし、末端セグメント１２ｔはパラメータＭ２２を特徴とし、不等式Ｍ１２＞１．０およびＭ２２＜＜Ｍ１２を満たしている。好ましい実施形態では、Ｍ１２＞＞１．０およびＭ２２〜１．０である。理論的には、Ｍ２は任意に大きくすることができるが、実際には、ＧＰＦのＭ２は、典型的にはほぼ１＜Ｍ２＜１０の範囲にある。さらに、例えばＭ２〜１．０６は、通常はＭ２２〜１．０という意味で小さいと考えられるが、例えばＭ２〜１．３は、Ｍ１２＞＞１．０という意味で大きいと考えられる。
【００２４】
さらに、入力セグメント１２ｉと末端セグメント１２ｔは、図２に示されているように、例えばＬＭＡ断熱セグメント１２ａによって互いに断熱結合される。一般に、そのような結合器により、入力セグメント内を特定の横モードで伝搬するエネルギが末端セグメント内で他の横モードにあまり結合されず、またその逆でもある。当技術分野でよく知られている断熱結合の技法および設計には、直径が結合領域に沿って軸方向に滑らかに増大する（または減少する）ようにコア領域を物理的に先細りにすること、あるいは、ドーパントの密度が結合領域に沿って軸方向に徐々に増加する（または低下する）ようにドーパント濃度を化学的に段階状にすることが含まれる。後者の場合、好ましい技法は、所望のドーパント分布が達成されるように、（ｉ）ＧＰＦを（例えば従来のトーチで）加熱してファイバ内にドーパントを拡散させること、および（ｉｉ）ファイバに沿ったトーチの長手方向の位置によりファイバに加える熱量を制御可能に変更することを含む。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、Ｈ．Ｙ．Ｔａｍの「Ｅｌｅｃｔｒ．Ｌｅｔｔ．」（Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１７、１５９７〜１５９９頁（１９９１））を参照のこと。
【００２５】
セグメントのＭ２パラメータの設計とセグメント間の断熱遷移の使用とを組み合わせることにより、基本横モードの結合が改善し、入力セグメントから末端セグメントまで高次横モードに対する結合が著しく低減する。
【００２６】
本発明の他の利点は、例えば、ＧＰＦの末端セグメントとバルク（非ファイバ）光学素子（例えば望遠鏡）との間の結合が、適切なレンズまたはレンズ系を使用して自由空間内で実現される場合に、融着接続（異なる単一モード・ファイバを結合するための典型的な従来技術の手法）がない場合にも前述の原理が適用されうることである。
【００２７】
さらに、光ファイバとバルク光学素子の間の相互接続部の性能を向上させるための従来技術の技法は、本発明と組み合わせることができる。例えば、従来技術では、光ファイバの終端のファセットを光伝搬の軸に対してわずかな角度（一般に２度〜１０度）で劈開または研磨することにより、そのファセットからの光の反射を大幅に減少させることができることが知られている。
【００２８】
上記の波長帯の範囲で動作する、当技術分野で周知の典型的な石英系ＧＰＦでは、コア領域１２．１に、少なくとも１つの利得発生種（例えば、希土類元素（例えばＥｒ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｔｍ、Ｎｄおよび／またはＰｒ）またはクロム（Ｃｒ））ならびに１つまたは複数の屈折率を変える物質（例えばＧｅ、ＰまたはＡｌ（屈折率を増加させる）またはＦ（屈折率を減少させる））がドープされる。クラッド領域１２．２は、純粋石英でもよく、あるいはドープされてもよい。例示的には、ドーピング・レベルは、前述のように、コアとクラッドの間の屈折率ステップΔｎが使用されるドーパントに応じて約０．００５〜０．０１の範囲にあり、かつ入力セグメント内の屈折率ディップΔｎｄがΔｎとほぼ同サイズになるように選択される。
【００２９】
さらに、多重横モードを支持するファイバの場合、コアの直径ｄｅは例示的に約２０μｍである。そのようなファイバの外径ｄｏは、一般に約１２５μｍ〜６００μｍの範囲にある。さらに、入力セグメント１２ｉはファイバ１２’の全長の主要分画であるが、末端セグメント１２ｔは比較的小さい分画であることは明らかであり、例えば、末端セグメントの長さは例示的に約５００μｍ未満であり、入力セグメントの長さは例示的に１ｍまたは１ｋｍ程度である。
【００３０】
最後に、このハイブリッド設計が、概してＬＭＡファイバに、すなわち利得発生種を含むＬＭＡファイバ（ＧＰＦなど）ならびにそれを含まないＬＭＡファイバに適用可能であることを、当業者なら容易に理解するであろう。より具体的には、そのようなＬＭＡファイバは、多段光増幅器の段を相互接続することができ、あるいはＧＰＦまたは他の装置のピグテールを含むことができる。急速に拡散する希土類ドーパントがＬＭＡファイバに不在である場合、ファイバには、加熱処理（以下でより詳細に論じる）の間に十分急速に拡散して末端セグメント１２ｔの形成を可能にする他の種がドープされるべきである。
【００３１】
ファイバ終端の処理
上述のように、高Ｍ２ＬＭＡ光ファイバは、ファイバのＭ２を局所的に低下させるドーパント拡散を誘導するように局所加熱することができる。ファイバを十分な温度に加熱すること（例えば、石英ファイバを約２０００℃の融着接続温度付近またはそれを超える温度に加熱すること）により、屈折率を変えるドーパントの実質的な拡散を誘導し、それによってファイバの横方向屈折率プロファイルの著しい変化を誘導する。そのようなドーパントの拡散は、基本ＬＰ０１モードのＭ２を高める中心ディップ、リッジ、または他の屈折率プロファイルフィーチャを抑制するために使用される。本発明の多くの（すべてではない）実施では、基本横ＬＰ０１モードのＭＦＤ（従来の「ピーターマンＩＩ（Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ ＩＩ）」の定義を用いたモード・フィールド径）が、以下の熱誘導拡散を実際に減少させる。
【００３２】
本発明では、線引きされたＬＭＡ光ファイバ（ｄｒａｗｎ ＬＭＡ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ）が、ファイバのＬＰ０１基本モードのＭ２を高める屈折率プロファイル内の中心ディップまたは他のフィーチャを抑制するドーパント拡散を誘導するために、高温（＞＞１２００℃、石英ファイバの場合）に局所加熱される。図５の曲線５．１は、初期ＭＦＤが１３．４μｍでありかつ初期Ｍ２が約１．３２であるＥｒ：Ｙｂ添加ファイバに関する論理的な線引きされたままのファイバ（ａｓ−ｄｒａｗｎ ｆｉｂｅｒ）の屈折率プロファイルを示す。この模擬屈折率プロファイルに深い中心ディップが見える。このような石英ファイバ設計を約２１００℃で約２５秒間加熱することにより、屈折率プロファイルが修正され（曲線５．２）、したがって最終ＭＦＤが１３．３μｍになり、初期Ｍ２が約１．０に低下（改善）される。ファイバ１２’の末端セグメント１２ｔ（図２）にこの修正を加えることにより、用いられる結合技術（従来の融着接続、コネクタ接続、自由空間結合、ＧＲＩＮファイバ・レンズなど）にかかわらず、このファイバの出入りの結合効率が著しく向上する。対応する横ＬＰ０１モード・フィールド形状（強度フィールド）が、図６に示されている。
【００３３】
この特定の例の場合、ＬＰ０１基本モードで案内される所与の出力量に対して、線引きされたままのファイバのピーク光強度が加熱処理されたファイバ内に生じるピーク光強度の約３７％しかないことに留意することが重要である。したがって、図５に示されている横方向屈折率プロファイル（曲線５．１）を用いて設計されたＬＭＡ光ファイバが、図５に示されている拡散屈折率プロファイル（曲線５．２）をもたらすように局所加熱処理されたセグメント１２ｔで各端部において終端処理された場合、ファイバの大部分で受けるピーク光強度は比較的低くなり、したがって、望ましくない非線形光学効果（例えば誘導ブリルアン散乱や誘導ラマン散乱）の発現の閾値が比較的高くなる。一方、末端セグメント１２ｔ内のＭ２が１．０に近づくので、結合効率はファイバ終端で優れている。光強度は、ファイバの加熱処理された末端セグメントの短い（＜約５００μｍ）領域内でのみ増加するはずである。有害な非線形光学効果がピーク強度ならびにファイバ・セグメントの長さに対応するので、高い光強度は、ファイバの短い末端セグメントについては許容されうる。
【００３４】
ファイバ終端は、従来の融着接続機を用いて加熱処理することができる。ファイバが加熱処理された領域の内部で劈開または研磨される場合、線引きされたままのＬＰ０１モード・フィールドが非常に非ガウス的であるファイバのＬＰ０１基本横モードに対する効率的な光結合を得るために、自由空間結合（例えば従来のバルク・レンズによる）を使用することができる。あるいは、修正された融着接続プロセスの一部として加熱処理を組み入れることもできる。図６における線引きされたままの（加熱されていない）ファイバ（曲線６．１）のＭＦＤに整合するガウス場との間の予想結合損失は約０．７ｄＢであるが、加熱処理されたファイバ（曲線６．２）の対応する予想結合損失は約０．０１ｄＢ未満である。さらに、ガウス・エネルギの１０％超が線引きされたままのファイバの望ましくないＬＰ０２モードに結合されるが、加熱処理されたファイバのＬＰ０２モードに結合されたエネルギ量は測定できない。
【００３５】
ＬＭＡファイバの加熱処理された領域と線引きされたままの領域との間の遷移領域内でエネルギがＬＰ０１基本モードから確実に損失しないようにするためには、遷移は先に論じたように段階的かつ断熱的になされるべきである。遷移領域における屈折率プロファイルの変化は、その長さに沿って非常にゆるやかでなければならない。熱誘導ドーパント拡散によって遷移領域を形成する場合、遷移領域に加えられる熱量をその長さに沿って変えることによって、例えば広い（すなわち扇形に展開された）熱源を選択するかあるいはより集中的な熱源を遷移領域に沿って走査することによって、段階的遷移を達成することができる。この変化がどれだけゆるやかに生じなければならないかは、当技術分野で周知の原理に従って、屈折率プロファイルおよび動作波長の細部によって決まる。遷移損失を最小限に抑える適切な加熱条件を見いだすために、屈折率プロファイルならびに実験的プロセス最適化に基づいた数値シミュレーションを容易に使用することができる。
【００３６】
上述のように、本発明は、ＬＭＡファイバと他の光ファイバとの間の境界面にまたはその近傍に適用される修正された融着接続プロセスの一部として実施することができる。この場合、光伝搬軸に対して横断方向のドーパント拡散により、ＬＭＡファイバの末端セグメント（例えば図２の１２ｔ）の屈折率プロファイルが修正され、それによってその末端セグメント内により有利なＭ２が生成される。必然的にＬＭＡファイバから他のファイバへの、そしてまた他のファイバからＬＭＡファイバへのスプライス接続部を横切る軸方向の少量の相互拡散があることも知られている。融着接続部を横切るそのような相互拡散は、融着接続部の反射率を実質的に低減することが知られており、そのことは、高出力ファイバ・レーザなどの、光の反射からの帰還に敏感な光ファイバ装置を組み立てるときに有利となりうる。（参照により本明細書に組み込まれている、Ａ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎの「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｐｌｉｃｉｎｇ」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（２００５）を参照のこと。）したがって、本発明はまた、ＬＭＡファイバと他のファイバの間の末端融着接続部での反射率を低減するという付加的な便益も提供することができる。
【００３７】
当技術分野では、所与の温度で様々な化学ドーパント種が様々な速度で拡散することも知られている。フッ素、アルミニウム、エルビウム、イッテルビウムなどのファイバドーパントが、ゲルマニウムよりもより急速に拡散することが知られており、したがって、これらのドーパントは、本発明を実施するために上述の技法に従ってドーパント拡散を受けやすいＬＭＡファイバを製作する場合に好ましい。したがって、ファイバは、Ｆ、Ａｌまたはその両方がドープされた非利得発生ＬＭＡファイバとすることができ、あるいは、ファイバの特定の用途に応じて、Ｅｒ、Ｙｂまたはその両方がドープされ、場合によりＦ、Ａｌまたはその両方もドープされた利得発生ＬＭＡファイバとすることもできる。
【００３８】
製造上の限界により、ＬＭＡファイバの屈折率プロファイルに小さな方位変動を偶然に導入することもある。そのような方位の不均一性は、従来の非ＬＭＡファイバのモードフィールド形状にごくわずかな影響しか及ぼさないが、ＬＭＡファイバでは、屈折率プロファイルにおける小さな（約０．０００５）方位の不均一性でも、モードの光強度が最高屈折率の方位セクタに集まるのを促進することがある。所期の基本モードが図６の曲線６．１と同様に環状である場合、そのような小さな方位の不均一性は、環状ではなく三日月形の強度分布を生成することがある。一般に、方位角方向に対称の光信号と非方位角方向に対称のモードとの間の光結合は非効率的である。本発明は、ドーパント拡散ファイバの末端セグメント（例えば図２の１２ｔ）が実質的に方位角方向に対称のモード・フィールドを有するととともに、ファイバの非方位角方向に対称の（非拡散）部分と方位角方向に対称の（拡散）部分との間の断熱遷移セグメント（例えば図２の１２ａ）が容易に実現されうるので、この問題を軽減することができる。
【００３９】
動作理論
ＬＭＡファイバの基本横モードがＭ２＞１．０を有する場合、その結合損失（自由空間または融着接続）が上昇し、ファイバから出て来る基本横モードの入力信号は、小さいスポットサイズにまで容易にぴったりと集束することまたは容易にコリメートすることはできない。しかし、高いＭ２（＞１．０）を有する特定の利点がある。具体的には、基本横モードフィールドが大きいＭ２値を有するファイバは一般に、同一コア径であるが小さいＭ２を有するファイバよりも大きな有効モード面積を、したがって低いピーク光強度を示す。したがって、高いＭ２を有するファイバは、ＳＢＳ（誘導ブリルアン散乱）およびＳＲＳ（誘導ラマン散乱）などの望ましくない光学非線形性の発現のより高い閾値を示す。この便益に加えて、ＬＭＡ ＧＰＦの場合、高いＭ２を有するファイバ（例えば、図４Ｃに入力ファイバセグメント１２ｉとして示されているような、コア領域の屈折率の顕著な中心ディップによる）は、コア領域内の利得発生ドーパントとコア領域内を伝搬する入力信号の基本横モードフィールドとの間の優れた重複を示す。したがって、高いＭ２を有するファイバを設計することにより、基本横モードの増幅効率を高めることができ、かつ望ましくない高次横モードの増幅効率を低下させることができる。
【００４０】
これらの利点は、３つのＬＭＡファイバ、すなわち高いＭ２を有する理論上の線引きされたままのファイバ（曲線５．１、６．１）と、同様に高いＭ２を有する理論上の均一ステップ・インデックス・ファイバ（曲線５．３、６．３）と、そのＭ２を低下させるように熱処理されたファイバ（曲線５．２、６．２）とを比較している図５および６から明らかである。それらの屈折率プロファイルが図５で比較されており、それらの対応する基本ＬＰ０１横モードの１５５０ｎｍでの光強度分布が図６で比較されている。線引きされたままのファイバとステップインデックスファイバにおける光強度は、それらがともに同じ光出力量を表すように、ファイバの加熱処理された部分におけるピーク強度に対して正規化されている。
【００４１】
より具体的には、例えば図２の入力ファイバセグメント１２ｉに対応する線引きされたままのファイバは、コア領域の横方向屈折率の（先に定量化されたような）顕著な中心ディップを、したがって約１．３２という高い基本モードＭ２と約２５９μｍ２という比較的大きい有効モード面積とを示す。線引きされたままのファイバも均一ステップインデックスファイバも、Δｎ〜０．０１およびｄｃ〜２０μｍを有する。しかし、均一ステップインデックスファイバは、約１．０５の基本モードＭ２と約２００μｍ２の縮小された有効面積とを有する。図６は、高いＭ２を有するファイバのコア領域屈折率プロファイルと強度分布との間の優れた重複を示すために、これらのファイバについて正規化強度分布を屈折率プロファイルと比較している。
【００４２】
一方、例えば図２の末端ファイバセグメント１２ｔに対応する加熱処理されたファイバでは、加熱処理により、Ｍ２は１．３２から約１．０に改善され（低下し）、有効モード面積は２５９μｍ２から１３９μｍ２に縮小され、ピーク光強度が約０．３７から１．０に高められ、周知の「ピーターマンＩＩ」のＭＦＤは実質的に変化しななかった（線引きされたままのファイバと加熱処理されたファイバのどちらに対しても約１３．３μｍ）。理想的な均一ステップ・インデックス・プロファイルの屈折率プロファイルおよび対応する正規化強度分布は、比較のためにも示されている（曲線５．３、６．３）。
【００４３】
最後に、図７は、線引きされたままのファイバ（曲線５．１、７．１）の基本横モードと屈折率プロファイルの重複と、図５、６に関連して上述した理想的な均一ステップインデックスファイバ（曲線５．３、７．３）とを比較している。屈折率プロファイルおよび光強度は、それら自体に対して個別に正規化されている。図７は、ステップインデックスファイバの外側コア領域のかなりの部分が比較的低い光強度を受けるが、線引きされたままのファイバのより大きな部分がより高い光強度を受けることを示している。したがって、線引きされたままのファイバは、横モードフィールドと利得発生ドーパントがより良く重複し、そのことは、線引きされたままのファイバもより良い増幅効率を示すことを意味する。
【００４４】
代替実施形態
上述の構成が、本発明の原理の応用例を示すために考案されうる多くの考えられる特定の実施形態を例示したにすぎないことを理解されたい。多くの様々な他の構成が、これらの原理に従って本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によって考案されうる。
【００４５】
具体的には、図３に示されているように、ＬＭＡ光ファイバ１２”は、ＬＭＡ断熱結合器１２ａ１によって入力セグメント１２ｉに断熱結合されているＬＭＡ末端セグメント１２ｔに加えて、ファイバの終端部間の位置にあるＬＭＡ中間セグメント１２ｍを含むことができる。中間セグメント１２ｍもまた、例示的にＬＭＡ断熱結合器１２ａ２および１２ａ３によって入力セグメント１２ｉに断熱結合されている。末端セグメント１２ｔのように、中間セグメント１２ｍの基本横モードＭ２は、入力セグメント１２ｉのそれよりも小さく、１．０に近いことが好ましい。そのような中間セグメント１２ｍの１つの応用例が、望ましくない高次の横モードをフィルタにかけて除去することである。
【００４６】
さらに、光増幅器応用例との関連で本発明について説明してきたが、その応用例が、ＧＰＦに結合する必要のある任意の装置（例えばファイバレーザ）にまで拡大されうることを当業者なら容易に理解するであろう。
【００４７】
さらに、図２の結合器１２ａのような断熱結合領域は、ＧＰＦである必要はない。それは単純に、利得発生種がドープされていないが、ファイバセグメント１２ｉの屈折率プロファイルに類似の屈折率プロファイルに中心ディップが設けられたファイバの一部とすることができる。その場合このセグメントは、セグメント１２ｉおよび１２ｔの間に断熱遷移部を設けるために、先に論じたように周知の方法で設計されることになる。実際には、先に述べたように、図２および３のファイバ１２’および１２”全体は、特定の応用例に応じて、非利得発生種を含むＬＭＡとすることができる。
【００４８】
最後に、図８に、ハイブリッドＬＭＡファイバが自由空間を介して利用装置に結合される本発明の一実施形態を例示する。より具体的には、光学装置８０が、ファイバスタブ８４に結合されたハイブリッドＬＭＡファイバ８２を含み、ファイバスタブ８４は、レンズ（またはレンズ系）８６で例示された利用装置に自由空間を介して結合される。もちろんファイバスタブ８４は、その放射（光）出力を他の利用装置（図示せず）に結合させることができる。この関連では、融着接続がバットカップリング（ｂｕｔｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）よりも好ましい。
【００４９】
図２を参照して既述したように、ハイブリッドＬＭＡファイバ８２は、互いに縦一列に配置された入力セグメント８２ｉと断熱セグメント８２ａと末端セグメント８２ｔとを含む。顕微鏡写真８３および８５で示されているように、入力セグメント８２ｉ内のモード・フィールドは非ガウス性であるが、末端セグメント８２ｔ内のそれは本質的にガウス性である。
【００５０】
一般に、スタブ８４の屈折率は、軸断面内で（または軸断面にわたって）本質的に均一（すなわち一定）である。かならずではないが、スタブ８４の屈折率が一方の軸方向断面から他方の軸方向断面まで均一であることが一般に好ましい。例示的には、スタブ８４は、典型的な約５００μｍの長さを有するコアのない石英ファイバを含む。
【００５１】
動作中、末端セグメント８２ｔ内に生成されたガウスモード（顕微鏡写真８５）はスタブ８４に入り、そこでその波面８７．１は回折によって空間的に広がる。そのモードがスタブ８４の出力端から発出したとき、その波面８７．２は本質的に球面であり、したがってレンズ８６などの従来のバルク光学系構成要素に適合する。レンズ８６は、適切な利用装置（図示せず）に結合される本質的に平面の波面８７．３を形成する。
【００５２】
図８の実施形態は、双方向矢印８１および８９で示されているように、光が様々な構成要素を通ってどちらの方向にも伝搬することができるという点で相互関係にある。すなわち、光をＬＭＡファイバ８２の中で結合しレンズ８６から外へ放出することができ、あるいは反対に、光をレンズ８６の中で結合しファイバ８２から外へ放出することができる。
【００５３】
好ましくは、ファイバ８２およびスタブ８４は、それらの境界面で高強度の光スポットの形成に不利に作用するように互いに結合される（この関連では、融着接続がバットカップリングよりも好ましい）。損傷に対する固有の閾値光強度が、自由表面においてよりも連続的なバルク材内部のほうがずっと高いことが知られている。さらに、自由表面は、光損傷の核生成場所として働くことがある汚染の潜在的場所である。したがって、スタブ８４により、最高光強度が、バルクの中だけで、例えば汚染されないかつ光損傷に対する固有の閾値が最高のファイバ８２とスタブ８４の境界面で達成されるようになる。参照により本明細書に組み込まれる、Ｒ．Ｍ．Ｗｏｏｄ の「Ｌａｓｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄａｍａｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｂｒｉｓｔｏｌ＆Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ（２００３））を参照のこと。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来技術のＲＥＤＦＡの概略ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、入力セグメント１２ｉ、断熱結合セグメント１２ａ、および低Ｍ２末端セグメント１２ｔを示す、ＬＭＡ光ファイバ１２’の概略図である。
【図３】本発明の他の実施形態による、さらに別の低Ｍ２セグメント１２ｍが１対の断熱結合セグメント１２ａ２および１２ａ３の間に配置されているのを示す、ＬＭＡ光ファイバ１２”の概略図である。
【図４】図４Ａは、ＬＭＡ光ファイバの伝搬軸を通してみた概略断面図であり、図４Ｂは、本発明の他の実施形態による、図４Ａに示されているＬＭＡ光ファイバの末端セグメントの概略的な横方向屈折率プロファイルの図であり、図４Ｃは、本発明の他の実施形態による、コア領域の中心またはその近傍のプロファイルにおける顕著なディップを示す、図４Ａに示されているＬＭＡ光ファイバの入力セグメントの概略的な横方向屈折率プロファイルの図であり、そして図４Ｄは、図４Ｃのコア領域の概略屈折率プロファイルの顕著なディップの拡大図である。
【図５】線引きされたままのファイバ（曲線５．１）、加熱処理されたファイバ（曲線５．２）、および均一ステップインデックスファイバ（曲線５．３）に関する、半径方向位置に対するコアおよびクラッドの横方向屈折率ステップ（Δｎ）のグラフである。
【図６】線引きされたままのファイバ（曲線６．１）、加熱処理されたファイバ（曲線６．２）、および均一ステップインデックスファイバ（曲線６．３）に関する、基本横モード（ＬＰ０１）の正規化光強度のグラフである。
【図７】顕著な中央ディップを有するファイバに関するとともに、線引きされたままのファイバ（曲線７．１）の基本横モードとインデックスプロファイルの重複と、図５のファイバ設計の理想的な均一ステップインデックスファイバ（曲線７．３）とを比較した径方向位置に対する均一ステップインデックスファイバに関する正規化光強度のグラフである。
【図８】本発明のもう１つの実施形態による、ファイバスタブに結合されたＬＭＡハイブリッドファイバの概略断面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバに関し、より詳細には、高出力光増幅器またはレーザ応用分野向けのラージモードエリア（ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ：ＬＭＡ）マルチモード光ファイバおよび結合効率の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００６年１２月５日に出願した「Ｇａｉｎ−Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ，Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ，Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ，Ｈｙｂｒｉｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓａｍｅ」という名称の米国特許出願第１１／６３３，９９９号の優先権を主張する。
【０００３】
光ファイバの高性能および費用対効果により、希土類添加ファイバ増幅器（ＲＥＤＦＡ）、特にエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦＡ）が、例えば長距離トランスポートやＣＡＴＶ応用分野などの石英系光ファイバ通信システムに広く使用されている。希土類添加ファイバ（ＲＥＤＦ）、特にエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）の革新的な設計および最適化はともに、これらの応用分野で重要な役割を果たしてきた。具体的には、光のモード・フィールドを限定しかつエルビウム分布を制御する設計が、低・中光出力レベルで光の効率的な低雑音増幅を可能にする。一方、高出力応用例の場合、ラージモードエリア（ＬＭＡ）ファイバは、信号強度を低下させ、それによって有害な非線形効果を低減し、またポンプ吸収効率を増大させる。高出力ＲＥＤＦＡおよび希土類添加ファイバレーザ（ＲＥＤＦＬ）、特にイッテルビウム添加ファイバ（ＹＤＦ）を使用したものは、従来の通信事業以外にも多くの応用分野を有する。例えば高出力ＬＭＡ ＹＤＦは、溶接および切断、レーザ測距および目標識別、医療応用および汚染検出、ならびに自由空間通信（例えば衛星相互間）に使用される。
【０００４】
ＬＭＡファイバの光学特性は、その横方向屈折率プロファイル（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）の細部に敏感に依存する。世間一般の通念は、望ましいＬＭＡファイバが１．０に非常に近いＭ２を有する基本モードを有することを決定づけて、基本横モードの光フィールドがガウス形状に非常に近いことを意味する。というのは、コア内の横方向屈折率プロファイルは本質的に均一であり、すなわち、屈折率プロファイルはコアの横断面内で本質的に均一であるからである。Ｍ２は、モードフィールドと真のガウス関数との相似性を評価するものである。さらに具体的には、Ｍ２＝１．０はガウス形状を有するモードに対するものであり、Ｍ２＞１．０は他のすべてのモードフィールド形状に対するものである。１．０に非常に近いＭ２は低損失光結合を容易にし、さらに、ファイバから出て来るビームを効率的に平行にするかあるいは回折限界スポットにしっかりと集光することができる。しかし、ＬＭＡファイバを理想的な基本モード（Ｍ２＝１．０）および均一なコア屈折率プロファイルで製作することは、そのプロファイルが縦軸近傍の屈折率の低下（中心ディップ（ｃｅｎｔｅｒ ｄｉｐ）またはバーンオフ（ｂｕｒｎｏｆｆ）としても知られる）を示す傾向があるために困難となりうる。さらに、１．０に非常に近い基本横モードＭ２を有するＬＭＡファイバは、ほぼ同じコア径であるが顕著な中心ディップを有するファイバの基本横モードよりも小さい有効面積を示し、したがって低い望ましくない光学非線形性の閾値を示す。最後に、ＬＭＡ ＥＤＦのコアの横方向屈折率プロファイルが本質的に均一でありかつ基本モードのＭ２が１．０に非常に近いとき、基本モードとドープされたコアの外側領域との重なりは比較少ない。その結果、基本モードは低い増幅効率となりうるが、高次モードは望ましくない増幅となりうる。
【０００５】
前述の検討は、ＬＭＡ ＲＥＤＦに焦点を当てているが、多くの点で（ｉ）クロムなどの、他の利得を発生する種（ｇａｉｎ−ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｓｐｅｃｉｅｓ：利得発生種）が添加されたＬＭＡファイバ、および（ｉｉ）利得発生種が添加されていないＬＭＡファイバに同様に適用可能である。後者の場合、例えば、ＬＭＡファイバは、利得発生ファイバ（ＧＰＦ）または他の装置のピグテールを含むことができ、あるいは単純に多段光増幅器の段を結合するファイバ・セグメントとすることができる。
【非特許文献１】Ｐ．Ａ．Ｂｅｌａｎｇｅｒ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２１０７〜２１０９頁（１９９３））
【非特許文献２】Ｈ．Ｙ．Ｔａｍ、「Ｅｌｅｃｔｒ．Ｌｅｔｔ．」（Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１７、１５９７〜１５９９頁（１９９１））
【非特許文献３】Ａ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｐｌｉｃｉｎｇ」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（２００５））
【非特許文献４】Ｒ．Ｍ．Ｗｏｏｄ、「Ｌａｓｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄａｍａｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｂｒｉｓｔｏｌ＆Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ（２００３））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、当技術分野では光結合効率を向上させたＬＭＡファイバが依然として必要である。
【０００７】
高出力光ファイバ増幅器およびレーザ用途に適したそのようなＬＭＡファイバも必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、ＬＭＡ光ファイバが、そのコア領域内に信号放射の多重横モードをサポートするように構成される。このファイバは、大きく異なる特性を有する少なくとも２つの軸セグメントを含むハイブリッド設計である。第１の軸セグメントでは、コア内の横方向屈折率プロファイルが、径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とする。第１のセグメントは、複数の横モードを支持する。第２の軸セグメントでは、コア内の横方向屈折率プロファイルは、第１のセグメントのそれよりも均一である。２つのセグメントは互いに断熱結合される。一実施形態では、２つのセグメントは第３のセグメントによって互いに断熱結合されるが、第３のセグメントは、利得発生ファイバである必要はないがそれであってもよい。例示的には、第２のセグメントは、他の構成要素との結合を容易にするファイバの末端部である。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、第１のセグメントにおいてＭ１２＞１．０であり、第２のセグメントにおいてＭ２２＜＜Ｍ１２である。好ましい実施形態では、Ｍ１２＞＞１．０およびＭ２２〜１．０である。
【００１０】
さらに他の実施形態では、ＬＭＡファイバはファイバスタブに結合される。
【００１１】
本発明は、その様々な特徴および利点とともに、添付図面に関連してなされる以下のより詳細な説明から容易に理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
一般的な光ファイバ増幅器の構造
典型的な光ファイバ増幅器１０は、図１に示されているように、結合装置１４と利用装置２０を光学的に結合するＧＰＦ１２を含む。装置１４は、遠隔通信応用分野では波長分割マルチプレクサとして知られ、高出力非遠隔通信応用分野ではポンプ結合器として知られている。話を簡単にするために、以下では高出力非遠隔応用分野に関連して本発明について説明する。この場合、ポンプ結合器１４は、光入力信号源１６の出力と光ポンプ源１８の出力とをＧＰＦ１２の中で結合する。従来のファイバ２２を介してポンプ結合器１４の入力部に結合されている入力信号源１６は、第１の波長の光入力信号を生成し、一方、従来のファイバ２４を介してポンプ結合器１４のもう１つの入力部に結合されているポンプ源１８は、第２の波長の光ポンプ信号を生成する。
【００１３】
当技術分野で周知のように、ポンプ信号はＧＰＦ１２内に反転分布を生成し、それによって入力源１６からの入力信号を増幅する。増幅された入力信号は、ＧＰＦ１２に沿って利用装置２０まで伝搬する。高出力の応用例では、利用装置２０には、多くの周知のデバイスまたは装置、例えば他の光増幅器、ビームコリメータ、レンズ系、工作物（例えば切断または溶接用）などを含むことができ、一方、遠隔通信用途では、利用装置２０には、光受信器、光変調器、光結合器または光スプリッタ、端末装置などを含むことができる。これらのうちのいくつかは、標準的なピグテールコネクタ（図示せず）を介してＧＰＦ１２に結合されうる。
【００１４】
例示的には、入力源１６は、ＧＰＦ１２の利得発生種の増幅範囲にある波長の比較的低出力の光入力信号を生成するレーザであり、一方、ポンプ源１８は、入力信号の所望の増幅を引き起こすより短い中心波長で比較的高い光出力（例えば約１５０ｍＷを超える）ポンプ信号を生成する半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）またはＬＥＤアレイである。好ましくは、ＧＰＦ１２はイッテルビウム添加ファイバであり、信号源１６は約１０８０ｎｍの中心波長を有する入力信号を生成し、ポンプ源１８は約９１５ｎｍあるいは約９７５ｎｍの中心波長のポンプ信号を生成する。この場合、ポンプ源として半導体レーザを使用することもできるが、ＬＥＤを使用してより全体的な光をファイバの中で結合させることができるで、ＬＥＤ、特にＬＥＤアレイが好ましいことを留意しておく。
【００１５】
図１の光増幅器は、一般的な共伝搬ポンプ構成（ｃｏ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｐｕｍｐ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）（すなわち、ポンプ信号および入力信号がＧＰＦの中を同方向に伝搬する）を示すが、逆伝搬構成（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）（すなわち、ポンプ信号および入力信号がＧＰＦの中を逆方向に伝搬する）を使用することも可能である。さらに、多数の多種多様な光増幅器が縦一列に配置されてもよく、その方式は、高出力多段階システムの総利得を増大させるためのものとして当技術分野でよく知られている。ポンプ・エネルギもまた、ＧＰＦの中で横方向に結合されうる。
【００１６】
さらに、適切な周知の光共振器（例えば、１対の離間されたファイバグレーティング）が設けられたときに、ＧＰＦと共振器の組合せはレーザとして機能することができる。
【００１７】
ハイブリッドＬＭＡファイバの設計
本発明の一態様によれば、図４Ａに示されているように、ＬＭＡ ＧＰＦ１２’は、直径ｄｏのクラッド領域１２．２で囲まれた直径ｄｃのコア領域１２．１を含む。ラージモードエリア（ＬＭＡ）という語句を次のように定義する。ＬＭＡファイバのコア領域およびクラッド領域は、従来の単一モードファイバのそれよりも実質的に大きい有効モード面積を生み出すように構成される。例えば、約１０８０ｎｍの波長では従来の単一モードファイバは、例示的に約５０μｍ２のモード面積を有するが、同一波長でＬＭＡファイバは約１００μｍ２のモード面積を有することができる。同様に、約１５５０ｎｍの波長では従来の単一モードファイバは、例示的に約８０μｍ２のモード面積を有するが、同一波長でＬＭＡファイバは約１６０μｍ２のモード面積を有することができる。これらの例示は、ＬＭＡファイバが同一波長で単一モードファイバの２倍のモード面積を有することを示すが、他の比率もまた、ＬＭＡ ＧＰＦの特定用途および所望の性能に応じて適切にすることができる。
【００１８】
コア領域１２．１の屈折率は、クラッド領域１２．２の屈折率よりも高くなっていて、屈折率の差がΔｎで示されている。図示されていないが、クラッドは内側の（低くなった）クラッド領域と外側のクラッド領域とを含むことがあり、外側クラッド領域の屈折率がコアの屈折率と内側クラッド領域の屈折率との間にあることがよく知られている。
【００１９】
いずれにしても、コア領域およびクラッド領域は、源１６（図１）からその中を伝搬する入力信号放射の多重横モードの伝搬を支持するように構成される。本発明の一態様によれば、ＧＰＦ１２’は、図２に示されているように、それが、異なる特性を有する少なくとも２つの軸セグメント、すなわち例えばＬＭＡ軸断熱セグメント１２ａによって互いに断熱結合されたＬＭＡ軸入力セグメント１２ｉとＬＭＡ軸末端セグメント１２ｔとを含むという点で、ハイブリッドファイバである。さらに、ハイブリッドファイバ１２’は、その入力端（図示せず）またはその出力端（図２に示されている）あるいはその両方にＬＭＡ末端セグメントを含むことができる。
【００２０】
より具体的には、ある意味では末端セグメントおよび入力セグメントは、それらが図４Ｂおよび４Ｃに示されているようにそれぞれ異なる横方向屈折率プロファイルを有するという点で異なる特性を有する。一般に、末端セグメント１２ｔのコア領域内の横方向屈折率プロファイルは、入力セグメント１２ｉのそれよりも均一である。その均一度は、例えばプロファイル形状のフーリエ変換の高周波成分によって測定される。したがって、フーリエ変換が少ない高周波成分を含むプロファイルは、フーリエ変換がより多くの高周波成分を含むプロファイルよりも均一であると考えられる。簡単なプロファイルの相対的均一性の目視観測は、しばしばこのタイプの定量分析と一致し、例えば、図４Ｂは、末端セグメント１２ｔのコア領域内のプロファイルが本質的に一定の横方向屈折率を示すことから、そのフーリエ変換の高周波成分が少ないことを示し、一方、図４Ｃは、入力セグメント１２ｉのコア領域内のプロファイルが横方向屈折率の顕著な中心ディップを示すことから、そのフーリエ変換の高周波成分が多いことを示す。したがって、図４Ｃに示されているように、入力セグメント１２ｉでは、コア領域１２．１の横方向屈折率プロファイルは径方向に均一ではなく、すなわち、その屈折率プロファイルは、コア領域１２．１の中心またはその近傍の横方向屈折率が図４Ｄに示されているようにΔｎｄ分だけ低下している顕著なディップ１２．１ｄを示す。対照的に、末端セグメント１２ｔでは、コア領域内の横方向屈折率プロファイルは、図４Ｂに示されているようにさらにほぼ均一である（すなわち径方向に一定である）。
【００２１】
さらに、入力セグメント１２ｉは、複数の多重横モードを支持するように構成される。
【００２２】
顕著な横方向屈折率のディップ１２．１ｄの特徴を設計する際は、ディップのΔｎｄの大きさがコアとクラッドの屈折率差Δｎの約１００％程度であることが好ましい。Δｎのサイズは、コア領域および／またはクラッド領域に添加されうるＧｅ、Ｐ、Ａｌ、Ｆなどの、ＧＰＦの利得発生ドーパントならびに任意の屈折率を変えるドーパントに依存し、例えば、Ｙｂ添加ファイバではΔｎ〜０．００５であり、Ｅｒ：Ｙｂ添加ファイバではΔｎ〜０．０１である。全く逆に、ディップの大きさは、Δｎの約５％以上であるべきである。範囲の下端は、以下に論じるように、横モード形状を純粋なガウス形から十分に摂動を引き起こす必要性によって主として決定される。一方、ディップの幅または直径ｄｄは、システムに使用される光のほぼ最小波長よりも大きくすべきである（例えば、通常は信号波長よりも短いポンプ波長よりも大きくすべきである）。全く逆に、ディップの最大幅ｄｄは、コア領域１２．１の直径ｄｃと同等とすることができるが、典型的には約ｄｃ／３である。これらの条件の目的は、光がディップによって引き起こされた屈折率の摂動を「受ける」ことである。さらに、ディップは円錐形として示されているが、他の幾何形状（例えば円筒形）ならびにさらに複雑な形状が適している可能性もある。
【００２３】
別の意味では、末端セグメントおよび入力セグメントは、それらのＭ２パラメータが互いに異なるので異なる特性を有する。ここで、Ｍ２は、参照により本明細書に組み込まれている、Ｐ．Ａ．Ｂｅｌａｎｇｅｒの「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２１０７〜２１０９頁（１９９３））に記載されているように、ファイバの基本横モードが理想的なガウス関数を有するという類似性を定義する。（本明細書は、ステップインデックス光ファイバのＬＰ０１基本モードに対してＭ２を定義しているが、この定義は、本明細書に記載されているタイプの横方向屈折率プロファイルに中心ディップを有するファイバを含むすべての光ファイバに有効である。）具体的には、入力セグメント１２ｉはパラメータＭ１２を特徴とし、末端セグメント１２ｔはパラメータＭ２２を特徴とし、不等式Ｍ１２＞１．０およびＭ２２＜＜Ｍ１２を満たしている。好ましい実施形態では、Ｍ１２＞＞１．０およびＭ２２〜１．０である。理論的には、Ｍ２は任意に大きくすることができるが、実際には、ＧＰＦのＭ２は、典型的にはほぼ１＜Ｍ２＜１０の範囲にある。さらに、例えばＭ２〜１．０６は、通常はＭ２２〜１．０という意味で小さいと考えられるが、例えばＭ２〜１．３は、Ｍ１２＞＞１．０という意味で大きいと考えられる。
【００２４】
さらに、入力セグメント１２ｉと末端セグメント１２ｔは、図２に示されているように、例えばＬＭＡ断熱セグメント１２ａによって互いに断熱結合される。一般に、そのような結合器により、入力セグメント内を特定の横モードで伝搬するエネルギが末端セグメント内で他の横モードにあまり結合されず、またその逆でもある。当技術分野でよく知られている断熱結合の技法および設計には、直径が結合領域に沿って軸方向に滑らかに増大する（または減少する）ようにコア領域を物理的に先細りにすること、あるいは、ドーパントの密度が結合領域に沿って軸方向に徐々に増加する（または低下する）ようにドーパント濃度を化学的に段階状にすることが含まれる。後者の場合、好ましい技法は、所望のドーパント分布が達成されるように、（ｉ）ＧＰＦを（例えば従来のトーチで）加熱してファイバ内にドーパントを拡散させること、および（ｉｉ）ファイバに沿ったトーチの長手方向の位置によりファイバに加える熱量を制御可能に変更することを含む。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、Ｈ．Ｙ．Ｔａｍの「Ｅｌｅｃｔｒ．Ｌｅｔｔ．」（Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１７、１５９７〜１５９９頁（１９９１））を参照のこと。
【００２５】
セグメントのＭ２パラメータの設計とセグメント間の断熱遷移の使用とを組み合わせることにより、基本横モードの結合が改善し、入力セグメントから末端セグメントまで高次横モードに対する結合が著しく低減する。
【００２６】
本発明の他の利点は、例えば、ＧＰＦの末端セグメントとバルク（非ファイバ）光学素子（例えば望遠鏡）との間の結合が、適切なレンズまたはレンズ系を使用して自由空間内で実現される場合に、融着接続（異なる単一モード・ファイバを結合するための典型的な従来技術の手法）がない場合にも前述の原理が適用されうることである。
【００２７】
さらに、光ファイバとバルク光学素子の間の相互接続部の性能を向上させるための従来技術の技法は、本発明と組み合わせることができる。例えば、従来技術では、光ファイバの終端のファセットを光伝搬の軸に対してわずかな角度（一般に２度〜１０度）で劈開または研磨することにより、そのファセットからの光の反射を大幅に減少させることができることが知られている。
【００２８】
上記の波長帯の範囲で動作する、当技術分野で周知の典型的な石英系ＧＰＦでは、コア領域１２．１に、少なくとも１つの利得発生種（例えば、希土類元素（例えばＥｒ、Ｙｂ、Ｔｂ、Ｔｍ、Ｎｄおよび／またはＰｒ）またはクロム（Ｃｒ））ならびに１つまたは複数の屈折率を変える物質（例えばＧｅ、ＰまたはＡｌ（屈折率を増加させる）またはＦ（屈折率を減少させる））がドープされる。クラッド領域１２．２は、純粋石英でもよく、あるいはドープされてもよい。例示的には、ドーピング・レベルは、前述のように、コアとクラッドの間の屈折率ステップΔｎが使用されるドーパントに応じて約０．００５〜０．０１の範囲にあり、かつ入力セグメント内の屈折率ディップΔｎｄがΔｎとほぼ同サイズになるように選択される。
【００２９】
さらに、多重横モードを支持するファイバの場合、コアの直径ｄｅは例示的に約２０μｍである。そのようなファイバの外径ｄｏは、一般に約１２５μｍ〜６００μｍの範囲にある。さらに、入力セグメント１２ｉはファイバ１２’の全長の主要分画であるが、末端セグメント１２ｔは比較的小さい分画であることは明らかであり、例えば、末端セグメントの長さは例示的に約５００μｍ未満であり、入力セグメントの長さは例示的に１ｍまたは１ｋｍ程度である。
【００３０】
最後に、このハイブリッド設計が、概してＬＭＡファイバに、すなわち利得発生種を含むＬＭＡファイバ（ＧＰＦなど）ならびにそれを含まないＬＭＡファイバに適用可能であることを、当業者なら容易に理解するであろう。より具体的には、そのようなＬＭＡファイバは、多段光増幅器の段を相互接続することができ、あるいはＧＰＦまたは他の装置のピグテールを含むことができる。急速に拡散する希土類ドーパントがＬＭＡファイバに不在である場合、ファイバには、加熱処理（以下でより詳細に論じる）の間に十分急速に拡散して末端セグメント１２ｔの形成を可能にする他の種がドープされるべきである。
【００３１】
ファイバ終端の処理
上述のように、高Ｍ２ＬＭＡ光ファイバは、ファイバのＭ２を局所的に低下させるドーパント拡散を誘導するように局所加熱することができる。ファイバを十分な温度に加熱すること（例えば、石英ファイバを約２０００℃の融着接続温度付近またはそれを超える温度に加熱すること）により、屈折率を変えるドーパントの実質的な拡散を誘導し、それによってファイバの横方向屈折率プロファイルの著しい変化を誘導する。そのようなドーパントの拡散は、基本ＬＰ０１モードのＭ２を高める中心ディップ、リッジ、または他の屈折率プロファイルフィーチャを抑制するために使用される。本発明の多くの（すべてではない）実施では、基本横ＬＰ０１モードのＭＦＤ（従来の「ピーターマンＩＩ（Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ ＩＩ）」の定義を用いたモード・フィールド径）が、以下の熱誘導拡散を実際に減少させる。
【００３２】
本発明では、線引きされたＬＭＡ光ファイバ（ｄｒａｗｎ ＬＭＡ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ）が、ファイバのＬＰ０１基本モードのＭ２を高める屈折率プロファイル内の中心ディップまたは他のフィーチャを抑制するドーパント拡散を誘導するために、高温（＞＞１２００℃、石英ファイバの場合）に局所加熱される。図５の曲線５．１は、初期ＭＦＤが１３．４μｍでありかつ初期Ｍ２が約１．３２であるＥｒ：Ｙｂ添加ファイバに関する論理的な線引きされたままのファイバ（ａｓ−ｄｒａｗｎ ｆｉｂｅｒ）の屈折率プロファイルを示す。この模擬屈折率プロファイルに深い中心ディップが見える。このような石英ファイバ設計を約２１００℃で約２５秒間加熱することにより、屈折率プロファイルが修正され（曲線５．２）、したがって最終ＭＦＤが１３．３μｍになり、初期Ｍ２が約１．０に低下（改善）される。ファイバ１２’の末端セグメント１２ｔ（図２）にこの修正を加えることにより、用いられる結合技術（従来の融着接続、コネクタ接続、自由空間結合、ＧＲＩＮファイバ・レンズなど）にかかわらず、このファイバの出入りの結合効率が著しく向上する。対応する横ＬＰ０１モード・フィールド形状（強度フィールド）が、図６に示されている。
【００３３】
この特定の例の場合、ＬＰ０１基本モードで案内される所与の出力量に対して、線引きされたままのファイバのピーク光強度が加熱処理されたファイバ内に生じるピーク光強度の約３７％しかないことに留意することが重要である。したがって、図５に示されている横方向屈折率プロファイル（曲線５．１）を用いて設計されたＬＭＡ光ファイバが、図５に示されている拡散屈折率プロファイル（曲線５．２）をもたらすように局所加熱処理されたセグメント１２ｔで各端部において終端処理された場合、ファイバの大部分で受けるピーク光強度は比較的低くなり、したがって、望ましくない非線形光学効果（例えば誘導ブリルアン散乱や誘導ラマン散乱）の発現の閾値が比較的高くなる。一方、末端セグメント１２ｔ内のＭ２が１．０に近づくので、結合効率はファイバ終端で優れている。光強度は、ファイバの加熱処理された末端セグメントの短い（＜約５００μｍ）領域内でのみ増加するはずである。有害な非線形光学効果がピーク強度ならびにファイバ・セグメントの長さに対応するので、高い光強度は、ファイバの短い末端セグメントについては許容されうる。
【００３４】
ファイバ終端は、従来の融着接続機を用いて加熱処理することができる。ファイバが加熱処理された領域の内部で劈開または研磨される場合、線引きされたままのＬＰ０１モード・フィールドが非常に非ガウス的であるファイバのＬＰ０１基本横モードに対する効率的な光結合を得るために、自由空間結合（例えば従来のバルク・レンズによる）を使用することができる。あるいは、修正された融着接続プロセスの一部として加熱処理を組み入れることもできる。図６における線引きされたままの（加熱されていない）ファイバ（曲線６．１）のＭＦＤに整合するガウス場との間の予想結合損失は約０．７ｄＢであるが、加熱処理されたファイバ（曲線６．２）の対応する予想結合損失は約０．０１ｄＢ未満である。さらに、ガウス・エネルギの１０％超が線引きされたままのファイバの望ましくないＬＰ０２モードに結合されるが、加熱処理されたファイバのＬＰ０２モードに結合されたエネルギ量は測定できない。
【００３５】
ＬＭＡファイバの加熱処理された領域と線引きされたままの領域との間の遷移領域内でエネルギがＬＰ０１基本モードから確実に損失しないようにするためには、遷移は先に論じたように段階的かつ断熱的になされるべきである。遷移領域における屈折率プロファイルの変化は、その長さに沿って非常にゆるやかでなければならない。熱誘導ドーパント拡散によって遷移領域を形成する場合、遷移領域に加えられる熱量をその長さに沿って変えることによって、例えば広い（すなわち扇形に展開された）熱源を選択するかあるいはより集中的な熱源を遷移領域に沿って走査することによって、段階的遷移を達成することができる。この変化がどれだけゆるやかに生じなければならないかは、当技術分野で周知の原理に従って、屈折率プロファイルおよび動作波長の細部によって決まる。遷移損失を最小限に抑える適切な加熱条件を見いだすために、屈折率プロファイルならびに実験的プロセス最適化に基づいた数値シミュレーションを容易に使用することができる。
【００３６】
上述のように、本発明は、ＬＭＡファイバと他の光ファイバとの間の境界面にまたはその近傍に適用される修正された融着接続プロセスの一部として実施することができる。この場合、光伝搬軸に対して横断方向のドーパント拡散により、ＬＭＡファイバの末端セグメント（例えば図２の１２ｔ）の屈折率プロファイルが修正され、それによってその末端セグメント内により有利なＭ２が生成される。必然的にＬＭＡファイバから他のファイバへの、そしてまた他のファイバからＬＭＡファイバへのスプライス接続部を横切る軸方向の少量の相互拡散があることも知られている。融着接続部を横切るそのような相互拡散は、融着接続部の反射率を実質的に低減することが知られており、そのことは、高出力ファイバ・レーザなどの、光の反射からの帰還に敏感な光ファイバ装置を組み立てるときに有利となりうる。（参照により本明細書に組み込まれている、Ａ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎの「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｆｕｓｉｏｎ Ｓｐｌｉｃｉｎｇ」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（２００５）を参照のこと。）したがって、本発明はまた、ＬＭＡファイバと他のファイバの間の末端融着接続部での反射率を低減するという付加的な便益も提供することができる。
【００３７】
当技術分野では、所与の温度で様々な化学ドーパント種が様々な速度で拡散することも知られている。フッ素、アルミニウム、エルビウム、イッテルビウムなどのファイバドーパントが、ゲルマニウムよりもより急速に拡散することが知られており、したがって、これらのドーパントは、本発明を実施するために上述の技法に従ってドーパント拡散を受けやすいＬＭＡファイバを製作する場合に好ましい。したがって、ファイバは、Ｆ、Ａｌまたはその両方がドープされた非利得発生ＬＭＡファイバとすることができ、あるいは、ファイバの特定の用途に応じて、Ｅｒ、Ｙｂまたはその両方がドープされ、場合によりＦ、Ａｌまたはその両方もドープされた利得発生ＬＭＡファイバとすることもできる。
【００３８】
製造上の限界により、ＬＭＡファイバの屈折率プロファイルに小さな方位変動を偶然に導入することもある。そのような方位の不均一性は、従来の非ＬＭＡファイバのモードフィールド形状にごくわずかな影響しか及ぼさないが、ＬＭＡファイバでは、屈折率プロファイルにおける小さな（約０．０００５）方位の不均一性でも、モードの光強度が最高屈折率の方位セクタに集まるのを促進することがある。所期の基本モードが図６の曲線６．１と同様に環状である場合、そのような小さな方位の不均一性は、環状ではなく三日月形の強度分布を生成することがある。一般に、方位角方向に対称の光信号と非方位角方向に対称のモードとの間の光結合は非効率的である。本発明は、ドーパント拡散ファイバの末端セグメント（例えば図２の１２ｔ）が実質的に方位角方向に対称のモード・フィールドを有するととともに、ファイバの非方位角方向に対称の（非拡散）部分と方位角方向に対称の（拡散）部分との間の断熱遷移セグメント（例えば図２の１２ａ）が容易に実現されうるので、この問題を軽減することができる。
【００３９】
動作理論
ＬＭＡファイバの基本横モードがＭ２＞１．０を有する場合、その結合損失（自由空間または融着接続）が上昇し、ファイバから出て来る基本横モードの入力信号は、小さいスポットサイズにまで容易にぴったりと集束することまたは容易にコリメートすることはできない。しかし、高いＭ２（＞１．０）を有する特定の利点がある。具体的には、基本横モードフィールドが大きいＭ２値を有するファイバは一般に、同一コア径であるが小さいＭ２を有するファイバよりも大きな有効モード面積を、したがって低いピーク光強度を示す。したがって、高いＭ２を有するファイバは、ＳＢＳ（誘導ブリルアン散乱）およびＳＲＳ（誘導ラマン散乱）などの望ましくない光学非線形性の発現のより高い閾値を示す。この便益に加えて、ＬＭＡ ＧＰＦの場合、高いＭ２を有するファイバ（例えば、図４Ｃに入力ファイバセグメント１２ｉとして示されているような、コア領域の屈折率の顕著な中心ディップによる）は、コア領域内の利得発生ドーパントとコア領域内を伝搬する入力信号の基本横モードフィールドとの間の優れた重複を示す。したがって、高いＭ２を有するファイバを設計することにより、基本横モードの増幅効率を高めることができ、かつ望ましくない高次横モードの増幅効率を低下させることができる。
【００４０】
これらの利点は、３つのＬＭＡファイバ、すなわち高いＭ２を有する理論上の線引きされたままのファイバ（曲線５．１、６．１）と、同様に高いＭ２を有する理論上の均一ステップ・インデックス・ファイバ（曲線５．３、６．３）と、そのＭ２を低下させるように熱処理されたファイバ（曲線５．２、６．２）とを比較している図５および６から明らかである。それらの屈折率プロファイルが図５で比較されており、それらの対応する基本ＬＰ０１横モードの１５５０ｎｍでの光強度分布が図６で比較されている。線引きされたままのファイバとステップインデックスファイバにおける光強度は、それらがともに同じ光出力量を表すように、ファイバの加熱処理された部分におけるピーク強度に対して正規化されている。
【００４１】
より具体的には、例えば図２の入力ファイバセグメント１２ｉに対応する線引きされたままのファイバは、コア領域の横方向屈折率の（先に定量化されたような）顕著な中心ディップを、したがって約１．３２という高い基本モードＭ２と約２５９μｍ２という比較的大きい有効モード面積とを示す。線引きされたままのファイバも均一ステップインデックスファイバも、Δｎ〜０．０１およびｄｃ〜２０μｍを有する。しかし、均一ステップインデックスファイバは、約１．０５の基本モードＭ２と約２００μｍ２の縮小された有効面積とを有する。図６は、高いＭ２を有するファイバのコア領域屈折率プロファイルと強度分布との間の優れた重複を示すために、これらのファイバについて正規化強度分布を屈折率プロファイルと比較している。
【００４２】
一方、例えば図２の末端ファイバセグメント１２ｔに対応する加熱処理されたファイバでは、加熱処理により、Ｍ２は１．３２から約１．０に改善され（低下し）、有効モード面積は２５９μｍ２から１３９μｍ２に縮小され、ピーク光強度が約０．３７から１．０に高められ、周知の「ピーターマンＩＩ」のＭＦＤは実質的に変化しななかった（線引きされたままのファイバと加熱処理されたファイバのどちらに対しても約１３．３μｍ）。理想的な均一ステップ・インデックス・プロファイルの屈折率プロファイルおよび対応する正規化強度分布は、比較のためにも示されている（曲線５．３、６．３）。
【００４３】
最後に、図７は、線引きされたままのファイバ（曲線５．１、７．１）の基本横モードと屈折率プロファイルの重複と、図５、６に関連して上述した理想的な均一ステップインデックスファイバ（曲線５．３、７．３）とを比較している。屈折率プロファイルおよび光強度は、それら自体に対して個別に正規化されている。図７は、ステップインデックスファイバの外側コア領域のかなりの部分が比較的低い光強度を受けるが、線引きされたままのファイバのより大きな部分がより高い光強度を受けることを示している。したがって、線引きされたままのファイバは、横モードフィールドと利得発生ドーパントがより良く重複し、そのことは、線引きされたままのファイバもより良い増幅効率を示すことを意味する。
【００４４】
代替実施形態
上述の構成が、本発明の原理の応用例を示すために考案されうる多くの考えられる特定の実施形態を例示したにすぎないことを理解されたい。多くの様々な他の構成が、これらの原理に従って本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によって考案されうる。
【００４５】
具体的には、図３に示されているように、ＬＭＡ光ファイバ１２”は、ＬＭＡ断熱結合器１２ａ１によって入力セグメント１２ｉに断熱結合されているＬＭＡ末端セグメント１２ｔに加えて、ファイバの終端部間の位置にあるＬＭＡ中間セグメント１２ｍを含むことができる。中間セグメント１２ｍもまた、例示的にＬＭＡ断熱結合器１２ａ２および１２ａ３によって入力セグメント１２ｉに断熱結合されている。末端セグメント１２ｔのように、中間セグメント１２ｍの基本横モードＭ２は、入力セグメント１２ｉのそれよりも小さく、１．０に近いことが好ましい。そのような中間セグメント１２ｍの１つの応用例が、望ましくない高次の横モードをフィルタにかけて除去することである。
【００４６】
さらに、光増幅器応用例との関連で本発明について説明してきたが、その応用例が、ＧＰＦに結合する必要のある任意の装置（例えばファイバレーザ）にまで拡大されうることを当業者なら容易に理解するであろう。
【００４７】
さらに、図２の結合器１２ａのような断熱結合領域は、ＧＰＦである必要はない。それは単純に、利得発生種がドープされていないが、ファイバセグメント１２ｉの屈折率プロファイルに類似の屈折率プロファイルに中心ディップが設けられたファイバの一部とすることができる。その場合このセグメントは、セグメント１２ｉおよび１２ｔの間に断熱遷移部を設けるために、先に論じたように周知の方法で設計されることになる。実際には、先に述べたように、図２および３のファイバ１２’および１２”全体は、特定の応用例に応じて、非利得発生種を含むＬＭＡとすることができる。
【００４８】
最後に、図８に、ハイブリッドＬＭＡファイバが自由空間を介して利用装置に結合される本発明の一実施形態を例示する。より具体的には、光学装置８０が、ファイバスタブ８４に結合されたハイブリッドＬＭＡファイバ８２を含み、ファイバスタブ８４は、レンズ（またはレンズ系）８６で例示された利用装置に自由空間を介して結合される。もちろんファイバスタブ８４は、その放射（光）出力を他の利用装置（図示せず）に結合させることができる。この関連では、融着接続がバットカップリング（ｂｕｔｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）よりも好ましい。
【００４９】
図２を参照して既述したように、ハイブリッドＬＭＡファイバ８２は、互いに縦一列に配置された入力セグメント８２ｉと断熱セグメント８２ａと末端セグメント８２ｔとを含む。顕微鏡写真８３および８５で示されているように、入力セグメント８２ｉ内のモード・フィールドは非ガウス性であるが、末端セグメント８２ｔ内のそれは本質的にガウス性である。
【００５０】
一般に、スタブ８４の屈折率は、軸断面内で（または軸断面にわたって）本質的に均一（すなわち一定）である。かならずではないが、スタブ８４の屈折率が一方の軸方向断面から他方の軸方向断面まで均一であることが一般に好ましい。例示的には、スタブ８４は、典型的な約５００μｍの長さを有するコアのない石英ファイバを含む。
【００５１】
動作中、末端セグメント８２ｔ内に生成されたガウスモード（顕微鏡写真８５）はスタブ８４に入り、そこでその波面８７．１は回折によって空間的に広がる。そのモードがスタブ８４の出力端から発出したとき、その波面８７．２は本質的に球面であり、したがってレンズ８６などの従来のバルク光学系構成要素に適合する。レンズ８６は、適切な利用装置（図示せず）に結合される本質的に平面の波面８７．３を形成する。
【００５２】
図８の実施形態は、双方向矢印８１および８９で示されているように、光が様々な構成要素を通ってどちらの方向にも伝搬することができるという点で相互関係にある。すなわち、光をＬＭＡファイバ８２の中で結合しレンズ８６から外へ放出することができ、あるいは反対に、光をレンズ８６の中で結合しファイバ８２から外へ放出することができる。
【００５３】
好ましくは、ファイバ８２およびスタブ８４は、それらの境界面で高強度の光スポットの形成に不利に作用するように互いに結合される（この関連では、融着接続がバットカップリングよりも好ましい）。損傷に対する固有の閾値光強度が、自由表面においてよりも連続的なバルク材内部のほうがずっと高いことが知られている。さらに、自由表面は、光損傷の核生成場所として働くことがある汚染の潜在的場所である。したがって、スタブ８４により、最高光強度が、バルクの中だけで、例えば汚染されないかつ光損傷に対する固有の閾値が最高のファイバ８２とスタブ８４の境界面で達成されるようになる。参照により本明細書に組み込まれる、Ｒ．Ｍ．Ｗｏｏｄ の「Ｌａｓｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄａｍａｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｂｒｉｓｔｏｌ＆Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ（２００３））を参照のこと。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来技術のＲＥＤＦＡの概略ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、入力セグメント１２ｉ、断熱結合セグメント１２ａ、および低Ｍ２末端セグメント１２ｔを示す、ＬＭＡ光ファイバ１２’の概略図である。
【図３】本発明の他の実施形態による、さらに別の低Ｍ２セグメント１２ｍが１対の断熱結合セグメント１２ａ２および１２ａ３の間に配置されているのを示す、ＬＭＡ光ファイバ１２”の概略図である。
【図４】図４Ａは、ＬＭＡ光ファイバの伝搬軸を通してみた概略断面図であり、図４Ｂは、本発明の他の実施形態による、図４Ａに示されているＬＭＡ光ファイバの末端セグメントの概略的な横方向屈折率プロファイルの図であり、図４Ｃは、本発明の他の実施形態による、コア領域の中心またはその近傍のプロファイルにおける顕著なディップを示す、図４Ａに示されているＬＭＡ光ファイバの入力セグメントの概略的な横方向屈折率プロファイルの図であり、そして図４Ｄは、図４Ｃのコア領域の概略屈折率プロファイルの顕著なディップの拡大図である。
【図５】線引きされたままのファイバ（曲線５．１）、加熱処理されたファイバ（曲線５．２）、および均一ステップインデックスファイバ（曲線５．３）に関する、半径方向位置に対するコアおよびクラッドの横方向屈折率ステップ（Δｎ）のグラフである。
【図６】線引きされたままのファイバ（曲線６．１）、加熱処理されたファイバ（曲線６．２）、および均一ステップインデックスファイバ（曲線６．３）に関する、基本横モード（ＬＰ０１）の正規化光強度のグラフである。
【図７】顕著な中央ディップを有するファイバに関するとともに、線引きされたままのファイバ（曲線７．１）の基本横モードとインデックスプロファイルの重複と、図５のファイバ設計の理想的な均一ステップインデックスファイバ（曲線７．３）とを比較した径方向位置に対する均一ステップインデックスファイバに関する正規化光強度のグラフである。
【図８】本発明のもう１つの実施形態による、ファイバスタブに結合されたＬＭＡハイブリッドファイバの概略断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸断面が横方向屈折率プロファイルを有するコア領域と、
前記コア領域に隣接するクラッド領域とを含む多重横モード光ファイバであって、
前記コア領域およびクラッド領域が、前記コア領域内に光信号放射の多重横モードをサポートするように構成され、
前記ファイバが第１の軸セグメントを含み、前記第１の軸セグメントでは、前記プロファイルが、径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とし、前記第１のセグメントが前記横モードのうちの複数をサポートし、
前記ファイバが、前記第１のセグメントに光学的に結合された第２の軸セグメントを有し、前記第２のセグメントの前記プロファイルが、前記第１のセグメントのそれよりも均一であり、そして、
前記セグメントが互いに断熱結合されることを特徴とする多重横モード光ファイバ。
【請求項２】
前記第１のセグメントがパラメータＭ１２を特徴とし、前記第２のセグメントがパラメータＭ２２を特徴とし、ここで、Ｍ２は、前記ファイバの基本横モードが理想的なガウス関数を有するという類似性を定義し、Ｍ１２＞１．０かつＭ２２＜＜Ｍ１２であることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項３】
Ｍ１２＞＞１．０かつＭ２２〜１．０であることを特徴とする請求項２に記載のファイバ。
【請求項４】
前記第１のセグメントが前記ファイバの長さの主要部分を含み、前記第２のセグメントが前記ファイバの末端部を含むことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項５】
前記ファイバが前記第１のセグメントに光学的に結合された第３の軸セグメントを含み、前記第３のセグメントの前記プロファイルが前記第１のセグメントのそれよりも均一でありかつ前記第１のセグメントに断熱結合され、前記第２のセグメントが前記第１のセグメントの一端に位置し、そして前記第３のセグメントが前記第１のセグメントの反対端に位置することを特徴とする請求項４に記載のファイバ。
【請求項６】
前記コア領域の前記プロファイルが、前記コア領域と前記クラッド領域との間の横屈折率の差Δｎの約５〜１００％であるΔｎｄの屈折率のディップを示すことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項７】
ファイバが基本横モードで前記信号放射を伝搬させるように構成されることを特徴とする請求項１のファイバ。
【請求項８】
前記第１のセグメントが前記ファイバの長さの主要部分を含み、前記第２のセグメントが前記ファイバの中間部分を含むことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項９】
前記コア領域およびクラッド領域がラージモードエリアファイバを形成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項１０】
前記ラージモードエリアファイバは利得発生ファイバを含むことを特徴とする請求項９に記載のファイバ。
【請求項１１】
前記ラージモードエリアファイバはピグテールファイバを含むことを特徴とする請求項９に記載のファイバ。
【請求項１２】
光ポンプ・エネルギの印加に応動して前記信号放射を増幅する請求項１０に記載の光ファイバと、
前記ファイバの一端に結合されかつ光ファイバスタブ内を伝搬する放射線を回折させるように構成された前記光ファイバスタブとを含む光ファイバ装置。
【請求項１３】
前記スタブがコアのないファイバを含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記スタブの屈折率が前記スタブの軸断面内で本質的に均一であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記スタブの屈折率が前記スタブの一方の軸断面から他方の軸断面まで本質的に均一であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
光ポンプエネルギの印加に応動して前記信号放射を増幅する請求項１０に記載の光ファイバと、
前記ポンプエネルギの源と、
前記ポンプエネルギと前記光信号を前記光ファイバの中で結合させる結合器とを含む光増幅器。
【請求項１７】
前記光信号が第１の中心波長を有し、前記ポンプエネルギの源が第２の中心波長を有する光ポンプ信号を生成する半導体光源を含むことを特徴とする請求項１６に記載の増幅器。
【請求項１８】
高出力光増幅器であって、
少なくとも１つの利得発生種がドープされた、軸断面が横屈折率プロファイルを有するコア領域を含み、
前記コア領域が光ポンプエネルギの印加に応動して伝搬する光入力信号を増幅するように構成されており、さらに、
前記コア領域に隣接するクラッド領域を含む多重横モードラージモードエリアハイブリッド光ファイバを含み、
前記コア領域およびクラッド領域が、前記コア領域内で光放射の多重横モードをサポートするように構成され、
前記ファイバが、前記プロフィアルが径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とする第１の軸セグメントを含み、前記第１のセグメントが前記横モードのうちの複数をサポートし、
前記ファイバが、前記第１のセグメントに光学的に結合された第２の軸セグメントを有し、前記第２のセグメントの前記プロファイルが前記第１のセグメントのそれよりも均一であり、
前記第１のセグメント内を特定の横モードで伝搬するエネルギが、前記第２のセグメント内で他の横モードにあまり結合されないように、前記セグメントが互いに断熱結合され、
前記第１のセグメントがパラメータＭ１２を特徴とし、前記第２のセグメントがパラメータＭ２２を特徴とし、ここで、Ｍ２が、前記ファイバの基本横モードが理想的なガウス関数を有するという類似性を定義し、Ｍ１２＞１．０かつＭ２２＜＜Ｍ１２であり、前記第２のセグメントが、前記第１のセグメントの入力端または出力端あるいは両方に位置し、前記増幅器はさらに、
前記光ポンプエネルギを、前記光信号の中心波長とは異なる中心波長で生成するＬＥＤと、
前記ポンプエネルギを前記ファイバの中で結合させるポンプ結合器とを含むことを特徴とする高出力光増幅器。
【請求項１９】
Ｍ１２＞＞１．０かつＭ２２〜１．０であることを特徴とする請求項１８に記載の増幅器。
【請求項２０】
前記コア領域の前記プロフィアルが、前記コア領域と前記クラッド領域との間の横屈折率の差Δｎの約５〜１００％であるΔｎｄの屈折率のディップを示すことを特徴とする請求項１８に記載の増幅器。
【請求項２１】
前記ファイバの一端に結合されかつ伝搬する放射線を回折させるように構成された光ファイバスタブをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の増幅器。
【請求項２２】
前記スタブがコアのないファイバを含むことを特徴とする請求項２１に記載の増幅器。
【請求項２３】
前記スタブの屈折率が前記スタブの軸断面内で本質的に均一であることを特徴とする請求項２１に記載の増幅器。
【請求項２４】
前記スタブの屈折率が前記スタブの一方の軸断面から他方の軸断面まで本質的に均一であることを特徴とする請求項２３に記載の増幅器。
【請求項２５】
第１のファイバセグメントと第２のファイバセグメントとを含む多重横モード光ファイバであって、
前記セグメントのそれぞれが、コア領域と、前記コア領域に隣接するクラッド領域とを有し、前記コア領域のそれぞれの軸断面が横方向屈折率プロファイルを有し、
前記コア領域およびクラッド領域が、前記コア領域内で光信号放射の多重横モードをサポートするように構成され、
前記第１の軸セグメント内の前記プロファイルが、径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とし、前記第１のセグメントが前記横モードのうちの複数をサポートし、
前記第２の軸セグメントが前記第１のセグメントに光学的に結合され、前記第２のセグメントの前記プロフィアルが前記第１のセグメントのそれよりも均一であり、
前記セグメントが互いに断熱結合されることを特徴とする多重横モード光ファイバ。
【請求項２６】
前記光ファイバが利得発生ファイバを含むことを特徴とする請求項２５に記載のファイバ。
【請求項２７】
前記光ファイバがピグテールファイバを含むことを特徴とする請求項２５に記載のファイバ。
【請求項２８】
光ポンプエネルギの印加に応動して前記信号放射を増幅することを特徴とする請求項２６に記載の光ファイバと、
前記ファイバの一端に結合されかつ伝搬する放射線を回折させるように構成された光ファイバスタブとを含むことを特徴とする光ファイバ装置。
【請求項２９】
前記スタブがコアのないファイバを含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記スタブの屈折率が前記スタブの任意の軸断面内で本質的に均一であることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記スタブの屈折率が前記スタブの一方の軸断面から他方の軸断面まで本質的に均一であることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記第１のセグメントと第２のセグメントとの間に軸方向に配置された第３のセグメントをさらに含み、前記第３のセグメントが前記第１のセグメントと第２のセグメントを互いに断熱結合するように構成されることを特徴とする請求項２５に記載のファイバ。
【請求項３３】
前記第３のセグメントが光学利得を示さないことを特徴とする請求項３２に記載のファイバ。
【請求項３４】
前記第１のセグメントおよび第２のセグメントが利得発生ファイバであり、前記第３のセグメントが利得発生ファイバでないことを特徴とする請求項３３に記載のファイバ。
【請求項１】
軸断面が横方向屈折率プロファイルを有するコア領域と、
前記コア領域に隣接するクラッド領域とを含む多重横モード光ファイバであって、
前記コア領域およびクラッド領域が、前記コア領域内に光信号放射の多重横モードをサポートするように構成され、
前記ファイバが第１の軸セグメントを含み、前記第１の軸セグメントでは、前記プロファイルが、径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とし、前記第１のセグメントが前記横モードのうちの複数をサポートし、
前記ファイバが、前記第１のセグメントに光学的に結合された第２の軸セグメントを有し、前記第２のセグメントの前記プロファイルが、前記第１のセグメントのそれよりも均一であり、そして、
前記セグメントが互いに断熱結合されることを特徴とする多重横モード光ファイバ。
【請求項２】
前記第１のセグメントがパラメータＭ１２を特徴とし、前記第２のセグメントがパラメータＭ２２を特徴とし、ここで、Ｍ２は、前記ファイバの基本横モードが理想的なガウス関数を有するという類似性を定義し、Ｍ１２＞１．０かつＭ２２＜＜Ｍ１２であることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項３】
Ｍ１２＞＞１．０かつＭ２２〜１．０であることを特徴とする請求項２に記載のファイバ。
【請求項４】
前記第１のセグメントが前記ファイバの長さの主要部分を含み、前記第２のセグメントが前記ファイバの末端部を含むことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項５】
前記ファイバが前記第１のセグメントに光学的に結合された第３の軸セグメントを含み、前記第３のセグメントの前記プロファイルが前記第１のセグメントのそれよりも均一でありかつ前記第１のセグメントに断熱結合され、前記第２のセグメントが前記第１のセグメントの一端に位置し、そして前記第３のセグメントが前記第１のセグメントの反対端に位置することを特徴とする請求項４に記載のファイバ。
【請求項６】
前記コア領域の前記プロファイルが、前記コア領域と前記クラッド領域との間の横屈折率の差Δｎの約５〜１００％であるΔｎｄの屈折率のディップを示すことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項７】
ファイバが基本横モードで前記信号放射を伝搬させるように構成されることを特徴とする請求項１のファイバ。
【請求項８】
前記第１のセグメントが前記ファイバの長さの主要部分を含み、前記第２のセグメントが前記ファイバの中間部分を含むことを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項９】
前記コア領域およびクラッド領域がラージモードエリアファイバを形成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項１０】
前記ラージモードエリアファイバは利得発生ファイバを含むことを特徴とする請求項９に記載のファイバ。
【請求項１１】
前記ラージモードエリアファイバはピグテールファイバを含むことを特徴とする請求項９に記載のファイバ。
【請求項１２】
光ポンプ・エネルギの印加に応動して前記信号放射を増幅する請求項１０に記載の光ファイバと、
前記ファイバの一端に結合されかつ光ファイバスタブ内を伝搬する放射線を回折させるように構成された前記光ファイバスタブとを含む光ファイバ装置。
【請求項１３】
前記スタブがコアのないファイバを含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記スタブの屈折率が前記スタブの軸断面内で本質的に均一であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記スタブの屈折率が前記スタブの一方の軸断面から他方の軸断面まで本質的に均一であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
光ポンプエネルギの印加に応動して前記信号放射を増幅する請求項１０に記載の光ファイバと、
前記ポンプエネルギの源と、
前記ポンプエネルギと前記光信号を前記光ファイバの中で結合させる結合器とを含む光増幅器。
【請求項１７】
前記光信号が第１の中心波長を有し、前記ポンプエネルギの源が第２の中心波長を有する光ポンプ信号を生成する半導体光源を含むことを特徴とする請求項１６に記載の増幅器。
【請求項１８】
高出力光増幅器であって、
少なくとも１つの利得発生種がドープされた、軸断面が横屈折率プロファイルを有するコア領域を含み、
前記コア領域が光ポンプエネルギの印加に応動して伝搬する光入力信号を増幅するように構成されており、さらに、
前記コア領域に隣接するクラッド領域を含む多重横モードラージモードエリアハイブリッド光ファイバを含み、
前記コア領域およびクラッド領域が、前記コア領域内で光放射の多重横モードをサポートするように構成され、
前記ファイバが、前記プロフィアルが径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とする第１の軸セグメントを含み、前記第１のセグメントが前記横モードのうちの複数をサポートし、
前記ファイバが、前記第１のセグメントに光学的に結合された第２の軸セグメントを有し、前記第２のセグメントの前記プロファイルが前記第１のセグメントのそれよりも均一であり、
前記第１のセグメント内を特定の横モードで伝搬するエネルギが、前記第２のセグメント内で他の横モードにあまり結合されないように、前記セグメントが互いに断熱結合され、
前記第１のセグメントがパラメータＭ１２を特徴とし、前記第２のセグメントがパラメータＭ２２を特徴とし、ここで、Ｍ２が、前記ファイバの基本横モードが理想的なガウス関数を有するという類似性を定義し、Ｍ１２＞１．０かつＭ２２＜＜Ｍ１２であり、前記第２のセグメントが、前記第１のセグメントの入力端または出力端あるいは両方に位置し、前記増幅器はさらに、
前記光ポンプエネルギを、前記光信号の中心波長とは異なる中心波長で生成するＬＥＤと、
前記ポンプエネルギを前記ファイバの中で結合させるポンプ結合器とを含むことを特徴とする高出力光増幅器。
【請求項１９】
Ｍ１２＞＞１．０かつＭ２２〜１．０であることを特徴とする請求項１８に記載の増幅器。
【請求項２０】
前記コア領域の前記プロフィアルが、前記コア領域と前記クラッド領域との間の横屈折率の差Δｎの約５〜１００％であるΔｎｄの屈折率のディップを示すことを特徴とする請求項１８に記載の増幅器。
【請求項２１】
前記ファイバの一端に結合されかつ伝搬する放射線を回折させるように構成された光ファイバスタブをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の増幅器。
【請求項２２】
前記スタブがコアのないファイバを含むことを特徴とする請求項２１に記載の増幅器。
【請求項２３】
前記スタブの屈折率が前記スタブの軸断面内で本質的に均一であることを特徴とする請求項２１に記載の増幅器。
【請求項２４】
前記スタブの屈折率が前記スタブの一方の軸断面から他方の軸断面まで本質的に均一であることを特徴とする請求項２３に記載の増幅器。
【請求項２５】
第１のファイバセグメントと第２のファイバセグメントとを含む多重横モード光ファイバであって、
前記セグメントのそれぞれが、コア領域と、前記コア領域に隣接するクラッド領域とを有し、前記コア領域のそれぞれの軸断面が横方向屈折率プロファイルを有し、
前記コア領域およびクラッド領域が、前記コア領域内で光信号放射の多重横モードをサポートするように構成され、
前記第１の軸セグメント内の前記プロファイルが、径方向に均一でなくて屈折率の放射状ディップを特徴とし、前記第１のセグメントが前記横モードのうちの複数をサポートし、
前記第２の軸セグメントが前記第１のセグメントに光学的に結合され、前記第２のセグメントの前記プロフィアルが前記第１のセグメントのそれよりも均一であり、
前記セグメントが互いに断熱結合されることを特徴とする多重横モード光ファイバ。
【請求項２６】
前記光ファイバが利得発生ファイバを含むことを特徴とする請求項２５に記載のファイバ。
【請求項２７】
前記光ファイバがピグテールファイバを含むことを特徴とする請求項２５に記載のファイバ。
【請求項２８】
光ポンプエネルギの印加に応動して前記信号放射を増幅することを特徴とする請求項２６に記載の光ファイバと、
前記ファイバの一端に結合されかつ伝搬する放射線を回折させるように構成された光ファイバスタブとを含むことを特徴とする光ファイバ装置。
【請求項２９】
前記スタブがコアのないファイバを含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記スタブの屈折率が前記スタブの任意の軸断面内で本質的に均一であることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記スタブの屈折率が前記スタブの一方の軸断面から他方の軸断面まで本質的に均一であることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記第１のセグメントと第２のセグメントとの間に軸方向に配置された第３のセグメントをさらに含み、前記第３のセグメントが前記第１のセグメントと第２のセグメントを互いに断熱結合するように構成されることを特徴とする請求項２５に記載のファイバ。
【請求項３３】
前記第３のセグメントが光学利得を示さないことを特徴とする請求項３２に記載のファイバ。
【請求項３４】
前記第１のセグメントおよび第２のセグメントが利得発生ファイバであり、前記第３のセグメントが利得発生ファイバでないことを特徴とする請求項３３に記載のファイバ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１４６０１５（Ｐ２００８−１４６０１５Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００７−１５８７６４（Ｐ２００７−１５８７６４）
【出願日】平成１９年６月１５日（２００７．６．１５）
【出願人】（３０２００３３１４）フルカワ エレクトリック ノース アメリカ インコーポレーテッド (75)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５８７６４（Ｐ２００７−１５８７６４）
【出願日】平成１９年６月１５日（２００７．６．１５）
【出願人】（３０２００３３１４）フルカワ エレクトリック ノース アメリカ インコーポレーテッド (75)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]