偏光保持ファイバ、システム及びファイバレーザ
【課題】偏光モード結合の量と偏光モード分散とを減らすと共に偏光保持能を増加させたファイバを提供すること、及び大きな外側クラッドがファイバコア内モード結合の減少を確実にしながらポンプ光が内側クラッド内を導波されるような偏光保持ファイバ、システム及びファイバレーザを提供する。
【解決手段】偏光保持ファイバが、希土類ドープ材料でドープされた、マルチモードファイバコアと、マルチモードファイバコアを囲む第１クラッドと、第１クラッド内に設けられた応力生成領域であって、ファイバの特定の長さの範囲において波形歪みを生じさせることなく、マルチモードファイバコアにシングルモードの光を伝搬させる大きさの複屈折を、マルチモードファイバコアに生成する応力生成領域とを備える。
【解決手段】偏光保持ファイバが、希土類ドープ材料でドープされた、マルチモードファイバコアと、マルチモードファイバコアを囲む第１クラッドと、第１クラッド内に設けられた応力生成領域であって、ファイバの特定の長さの範囲において波形歪みを生じさせることなく、マルチモードファイバコアにシングルモードの光を伝搬させる大きさの複屈折を、マルチモードファイバコアに生成する応力生成領域とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（本発明の分野及び概説）
本発明は、単一偏光光ファイバ、すなわち、強い偏光保持あるいは偏光保持特性を備えている光ファイバと、希土類をドープした同じものの変形で形成されるファイバレーザとに関する。
【０００２】
本発明によれば、理想的な偏光保持光ファイバは、様々な代替技術で作られる。一実施形態によれば、ファイバは、ファイバコア内の応力の減少を通しての偏光モード結合を最小にするべくファイバ径の増加による外面的曲げ及び温度変化に対して、偏光不感受性にされる。あるいは、偏光モード結合は、ファイバ−クラッド界面での応力を最小にするべく特殊なクラッド技術によって減らされる。応力誘起技術は、ファイバの複屈折を最適にするためにクラッド内に使われる。
【０００３】
そのような偏光保持ファイバの希土類ドープ多重クラッド変形物は、高パワーレーザ光源として理想的であり,高パワーレーザダイオードによる有効なポンピングを可能にする。ファイバレーザは,連続波モードあるいはパルスモードのいずれでも動作することができ、偏光の安定性が最重要である場合はいつでもファイバレーザ及び増幅器のデザインに大きな優位性を与える。特に,そのようなファイバの有益な応用は、高パワー単一周波数ファイバ増幅器,高パワーパルスファイバ増幅器あるいはモードロックファイバレーザを含んでいる。これらデバイスの非線形性は、ファイバコアを囲む円形内部クラッドを合体させることで、良好な偏光保持特性を維持しながら最小化される。内部クラッドは,ファイバの最初の短い区間での大きなポンプ吸収を起こさせ、ファイバの次の長い区間でのポンプ吸収を減少させる端面ポンプ増幅器構成におけるファイバの長さ方向の非均一なポンプ吸収を規定する。その結果として,最初の短いファイバ区間の利得は最大化され、反面ファイバの非線形性は最小化される。非均一なポンプ吸収の有効性は、中心コアがコア径と内部クラッド径を増加させる多モードの伝播を可能にすることでさらに最大化され、第一内部クラッドに結合されたポンプ光に対する捕獲割合を増大させる。
【０００４】
内部コアは,高レベルのリン,ゲルマニウム,あるいはアルミニウムドーパントを加えるプリフォーム生成過程を通して直接成長させられる。円形内部クラッドは、プリフォームの濃度減少ドーピング領域から形成される。プリフォームの２番目の非ドープ領域は２番目の外部クラッドになる。円形内部クラッドは,内部クラッドに比べ低い屈折率の適当なチューブで覆うことでも形成される。その付加されたチューブは、外側の２番目のクラッドになる。一般に、この２番目のクラッドの外形は、ポンプ光の全体にわたる有効な吸収を与えるために非円形あるいは非均一である。
【０００５】
有効なポンプ吸収は、外側被覆と単一非円形クラッドを合体させることによっても達成される。ここで、被覆の屈折率は、クラッドの屈折率より低い。特に、非円形クラッドは、例えば５角形あるいは７角形を含む非対称等辺多角形をした外形線をもっている。あるいは、非円形クラッドは例えば６角形あるいは８角形を含む非対称非等辺多角形をした外形線をもっている。そのような形状はクラッド内での反射をランダムにし、規則的な繰り返し時間及び距離での反射を強化しないながらも、それによってクラッド内でのモードミキシングを増進する。このクラッド構造内の円形あるいは非円形応力生成領域は、偏光保持動作を達成するために、そのようなファイバに組み入れられる。
【０００６】
モードロックファイバレーザの場合,偏光安定動作は,中間の複屈折をもつファイバで,すなわちそのファイバの二つの偏光軸の間の群速度ウオークオフがパルス幅に比べ小さい場合に達成され,パルスの安定性を非常に高める。結果として、特に小型の偏光不感の受動型モードロックファイバレーザは、ファイバレーザ共振器内に可飽和吸収体を用いることで作られる。
【０００７】
モードロックレーザの偏光安定動作も高複屈折ファイバ区間を有する単一偏光ファイバ共振器で達成され、ここで、各ファイバ区間での二つの偏光軸間の群速度ウオークオフは、パルス幅に比べて大きい。この場合、パルスの安定性は、可飽和吸収体の主キャリア寿命が各高複屈折ファイバ区間での群速度ウオークオフ時間より小さいときに、保証される。
【０００８】
より一般的に、受動モードロックレーザ共振器内に漏れ反射がある場合、パルスの安定性は、主パルスと漏れ反射で発生される’漏れ’パルスの間の時間遅れが共振器内可飽和吸収体の寿命より長いとき、保証される。受動モードロックマルチモードファイバレーザの場合、パルスの安定性は、基本モードと次の高次モードの間の群速度ウオークオフ時間が共振器内可飽和吸収体の寿命より長いとき、達成される。
【０００９】
一層より一般的に、少なくとも共振器内パルス幅に匹敵する寿命をもつ可飽和吸収体と共振器内フィルタとを用いることで、チャープパルスをもつ受動モードロックファイバレーザの高パワー動作が達成される。チャープパルスは、減少したピークパワーと広がった時間幅とをもつ。ファイバレーザの出力部で、パルスは、大きく増加したピークパワーと大きく減少した時間幅とをもつバンド幅限界まで時間的に再圧縮される。レーザの安定性は、共振器内ファイバの分散が正であることを要求し、共振器内フィルタは、利得媒質のバンド幅より小さいバンド幅をもたなければならない。可飽和吸収体の主寿命は、最大共振器内パルス幅の約５倍より短い必要があり、可飽和吸収体は、飽和の２倍以上で動作する必要がある（可飽和吸収体に衝突するパルスエネルギは、可飽和吸収体の飽和エネルギより少なくとも２倍高くなければならない）。そのようなレーザでのチャープ再圧縮可能パルスの安定な発振は、容易にπを超える大きな共振器内自己位相変調の値で特徴付けらる。結果として,発生したパルスの光学バンド幅は,共振器内フィルタのバンド幅を超える。したがって、共振器内パルスの形は、ソリトンあるいはガウシアン型で近似することができず、むしろ放物線あるいはガウシアンパルスに比べ大きく減少したパルスウイングをもつパルスに似ている。この共振器デザインは,中複屈折の低偏光モード結合ファイバデザインと両立でき、さらにマルチモードファイバの使用は、出力パワーを増大させる。
【背景技術】
【００１０】
（本発明の背景）
最近の数年間における先進光学技術の開発は、通常の固体レーザの一般的な代替としてのファイバレーザの使用を大いに推奨した。固体レーザに比べて,ファイバレーザは,性能の妥協なしに集積化と小型化のための特殊なポテンシャルを提供し,以前は固体レーザに近づけなかった実世界の応用に複雑なレーザ処理機能を用いることを可能にする。これらの進歩における最も重要な面の一つは,２重クラッドファイバ増幅器デザインを用いることであり,このデザインは,広範なパワー拡大可能ダイオードレーザでファイバレーザをポンピングすることを可能にし、出力パワーが連続波動作で１００Ｗ域までなるファイバレーザを提供する(V.Dominic他’１１０Ｗファイバレーザ’,Conf. on Lasers and Electro-Optics, CLEO, 1999, paper,CPD11)。
【００１１】
しかしながら、これら高出力パワーは、現在まで固体レーザとは著しく異なり、ランダム偏光の出力ビームで得られただけである。固体レーザでは、はっきりと定められた偏光状態をもつ出力ビームの発生は問題がない。明らかに、固体レーザを完全に置き換えるためのファイバレーザあるいは特に２重クラッドファイバレーザに対して、制御できる偏光出力状態をもつファイバレーザの製作が求められる。
【００１２】
これまで、はっきりと定められた偏光状態が２重クラッドファイバレーザから発生可能ないくつかの方法が提案されてきた。一つの研究では、楕円ファイバコアの使用あるいはファイバクラッドへの応力生成領域の導入による高複屈折増幅ファイバの使用が開示された（M.E.Fermann他 ’シングルモード増幅器と圧縮器’、米国特許第５，８１８，６３０号， M.E.Fermann他 ’マルチモードファイバのモードロック技術と小型高パワーファイバレーザパルス光源の製作’、USAN 09/199,728 filed November 25,1998、これら両方はここに参考文献として組み入れられている）。２重クラッドファイバへの応力生成領域の導入は、後にDiGiovanniによって米国特許第５，９４９，９４１号に繰り返された。しかしながら、DiGiovanniは、非対称形の外側クラッドの中への応力生成領域の使用を明細書に記載している。非円形応力生成領域は、一般的に作ることが難しく、且つ非対称クラッド形状はそのようなファイバの劈開の可能性と他の円形ファイバに融着させる可能性を阻害する。
【００１３】
最近、偏光保持ファイバ増幅器がKlinerらによって説明された（D.A.V.Kliner他 ’２重クラッド蝶タイ状ファイバを使った偏光保持増幅器’Opt. Lett.,Vol.26.,pp.184-186(2001)）。Kliner他による後の研究で、Fermann他による’６３０号特許でのデザインの暗示の特殊な実施が議論された。Klinerらは、応力生成領域が内径２０μｍに及ぶ１５０μｍのクラッド径をもつファイバを用いており、このことは、応力生成領域がファイバの複屈折を最大にするためコアに非常に接近していることを暗示している。この研究では、１．２×１０-4（波長１０００ｎｍで８ｍｍのビート長に相当する）と同じくらい高い複屈折が偏光保持動作を達成するために必要とされた。さらに、二つの応力生成領域だけがクラッドに組み入れられ、２重クラッドファイバは、円形ガラスファイバクラッドと円形ポリマクラッドからなるだけである。
【００１４】
しかしながら、Klinerらによって議論されたような応力生成領域を２重クラッドに使用することは問題である。なぜなら、ファイバプリフォームの複雑さを増大させ、プリフォーム表面の加工が必要なときは常に応力のかかったプリフォームがだめになりやすいからである。この一例は、吸収を最大にするために使用された矩形状クラッド（Snitzer他 ’光ファイバレーザと増幅器’米国特許第４，８１５，０７９号参照）である。しかしながら、応力生成領域は、クラッドを伝搬するモードを混合する有益な効果をもっており、ポンプ吸収の増大をもたらす。
【００１５】
次に、ポンプモードとしてクラッドを伝搬するモードに言及する。ポンプモードのモード混合を最大にし且つポンプ吸収を最適化するために、ファイバの外径に近接する応力生成領域は、最適化される。反面、ファイバコアから離れた応力生成領域は、より小さな複屈折を生成し、ファイバの偏光保持能を低下させる。一般的に、最適ポンプモード混合と最適偏光保持とに必要なことは異なり、最適なポンプモード混合の存在下で良好な偏光保持を達成する技術は記載されていない。
【００１６】
同様に、楕円コアの使用は、一般的に安定な偏光状態を維持するための十分な複屈折をいつも生成しない。さらに、楕円ファイバコアの使用により誘起される複屈折の量は、基本モードサイズの増加と共に減少する、ここで、大きな基本モードサイズは高パワー応用に向いている。
【００１７】
また別の提案では、非対称空気孔（A.Ortigossa他 ’高複屈折フォトニック結晶ファイバ’、Opt. Lett.,25,1325-1327(2000)）が偏光保持効果を得るために使用されてきた。しかしながら、このようなデザインは、６３μｍの外側ファイバ径に関して使用されただけである。したがって、偏光安定動作を達成するためには、波長１．５４μｍでは１ｍｍ未満の偏光ビート長が必要とされた。外側ファイバ径あるいはファイバ被覆の最適化、あるいは偏光保持ファイバ増幅器としてのそのようなファイバの使用については何も記載されていない。偏光安定出力を発生させるための別の取り組みとして、小さなドラムに巻き付けたファイバの使用が提案された（ＭＥ．Fermann他 ’集積化受動モードロックファイバレーザとその製作法’、米国特許第６，０７２，８１１号，Koplow他’外部供給の応力誘起複屈折を用いた偏光保持２重クラッドファイバ増幅器’、Opt. Lett.,vol.25,pp.387(2000)）。しかしながら、きついコイルはファイバの寿命を減少させるので問題である。寿命問題のために、制御して曲げることは小さい外径（≒＜２００μｍ）のファイバに限定される。明らかに、きつく巻かれたファイバは、長く延びるファイバのリード部を経由しての信号のファイバ供給を許容しない。さらに、高パワーファイバレーザを本当に発生させるためには、より大きな径のファイバの使用が、半導体レーザからのより多くのパワーをファイバに結合させることができるので、明らかに有利である。
【００１８】
ファイバコア内でのモード制御を単純化するためと、光ファイバのコア内のモード結合を減少させるために、これまでに大きな外径ファイバの使用が提案された（M.E.Fermann及びD.Harter ’マルチモード光ファイバに基づくシングルモード増幅器及び圧縮器’米国特許第５，８１８，６３０号）。この取り組みの限界は、典型的なファイバレーザと増幅器の閾値がポンプ強度に直接比例するということである。このように、より大きな外側のファイバ径は、議論されているファイバ増幅器あるいはレーザのより高い閾値と低効率動作とを引き起こす。
【００１９】
ファイバコア内でのモード結合を減らすための提案された別の方法は、二つのタイプの被覆を用いることである。ファイバのガラス表面を囲む最初の被覆は、相応して減少したヤング率と小さなポアッソン比をもつ軟らかい被覆であると提案された。二番目の硬い被覆は外側からファイバを保護するために提案され、二番目の被覆は増加したヤング率と大きなポアッソン比をもつ（S.T.Shiue ’長時間の静水圧誘起微少曲げ損失を最小にするための２重被覆光ファイバのデザイン’、Opt. Lett.,26,128-130(2001)）。しかしながら、そのようなファイバの希土類ドーピングは考えられていないし、さらに、ファイバの偏光保持能を最適化するための被覆デザインは何も与えられていない。
【００２０】
一般的に,これまでの方法はどれも、複屈折ファイバにおける偏光モード結合の量を最小にする方法を暗示していない。複屈折ファイバにおける偏光モード結合の量を減少させることができる現在までの唯一の技術は,ファイバ複屈折の最大化であった。対照的に、偏光モード結合の量と偏光モード分散とを減らすためと,小さな複屈折の値で光ファイバの偏光保持能を増やすために、我々はここに大きいファイバ径あるいは最適ファイバ被覆の使用を開示する。さらに,我々は、外側のガラスクラッドを相対的に小さな内側円形クラッドに付加することで、大きな外側クラッドがファイバコア内モード結合の減少を確実にしながらポンプ光が内側クラッド内を導波されるような偏光保持大外径ファイバ増幅器あるいはレーザの効率を改善することを開示する。偏光保持光ファイバの効率の類似の改善は、最適化されたファイバ被覆と共に,相対的に小さいファイバクラッド径を使用することで達成される。高パワーファイバ増幅器の非線形性を最小化するために、マルチモードファイバ増幅器の使用が提案された(米国特許第５,８１８,６３０号とM.E.Fermann他,米国特許第.５，８８０，８７７号、参照)。これら両特許には、偏光保持ファイバと２重クラッドファイバの使用が開示されている。ここに参照された’８７７号には、ファイバコアを囲む内側クラッドの使用も開示されている。しかしながら,これらの特許はクラッド形状を制御して高パワーファイバ増幅器の非線形性を最小化する方法を開示していない。
【００２１】
クラッド形状は,ファイバの長さに沿う均一なポンプ吸収率を作り出すために、一般に最適化される（Snitzer他、米国特許第４，８１５，０７９号、Martin H,Muendel他、米国特許第５，５３３，１６３号、D.J.DiGiovanni他、米国特許第５，９６６，４９１号、及びS.Grubb他、米国特許第６，１５７，７６３号、参照）。Snitzer他にはシングルモードコアをもつ矩形クラッドが開示されており、Muendel他には平面を張る多角形がクラッド形状に対して開示されており,Grubb他では、内側ファイバクラッドの外側の二つの垂直面が均一なポンプ吸収を与える。D.J.DiGiovanni他では、３重クラッドが均一なポンプ吸収を与えており、ここで、最初のクラッドは非対称形状をしており、２番目のクラッドは円形で、３番目のクラッド材はポリマ被覆材である。さらに、DiGiovanniは、最初のクラッドに非円形の応力生成領域を用いることも提案している。
【００２２】
これらの特許はいずれも、クラッド内でのポンプ吸収を最適化するため、あるいはそのようなファイバを真直ぐ融着できるようにするための５角形,７角形あるいは歪んだ６角形のような対称クラッド形状の使用を、開示していない。さらに、DiGiovanniは、クラッド内への円形応力生成領域の使用を開示していない。さらに,これら参考特許のどれも、非均一なポンプ吸収率を与えるための円形内側クラッドを開示していない。同様に、これら特許のどれも、非均一なポンプ吸収を与えるための円形内側クラッドをもつマルチモードコアを開示していない。
【００２３】
モードロックファイバレーザの分野では、高複屈折ファイバの区間で安定な動作をするために、いくつかの技術が開示されている。一つのアプローチでは、偏光依存損失の導入が、一つの偏光軸に沿って確実に動作するために、提案された（M.E.Fermann他、米国特許第５，６２７，８４８号；M.E.Fermann他、米国特許第６，０７２，８１１号と一緒に、類似技術としてのH.Lin他、米国特許第６，０９７，７４１号も参照のこと）。最初の’８４８号特許には、フィルタあるいはバルクの回折格子のような波長調節要素の使用が開示されている。しかしながら、中複屈折ファイバのファイバ区間をもつモードロックレーザを安定に動作させることができるファイバデザインは,全然開示されていない。Fermannの’８１１号特許には、安定モードロック動作は、波長１．５５μｍで＜４ｍｍの偏光ビート長をもつ高複屈折ファイバ区間を必要とすることが開示されている。そこで議論された例では、波長１．５５μｍで＜４ｍｍのビート長が偏光安定動作を得るために使われた。さらに,上記３つの特許のいずれも、いくつかの区間の高複屈折ファイバをもつファイバレーザでパルスの安定を達成する具体的な可飽和吸収体を記述していない。
【００２４】
モードロックファイバレーザにおいて、取得可能な出力パワーを増大させるためにいくつかの技術が同様に提案されてきた。（好ましくない）高い偏光感受性の共振器と関連して、異なる値の分散をもつファイバの使用が記述されている（田村他’拡張パルスファイバレーザ、米国特許第５，５１３，１９４号）。別の技術は、大きな値の負（ソリトン−支持）分散をもつシステムを動作させるための高チャープファイバ回折格子の使用を暗示している（M.E.Fermann他’モードロックレーザにおいて発振パルス幅の分散制御によって高パワー光パルスを発生させる技術’、米国特許第５，４５０，４２７号参照）。高チャープファイバ回折格子の使用の欠点は、発生したパルス長が全誘起負分散の平方根に比例して増加するということであり、このことは、明らかに達成可能な短パルスに役立たない。
【００２５】
最後に,別の方法は、基本モードサイズの増加と可能な出力発振パワーの増加とのために、マルチモードファイバの使用を必要とする（M.E.Fermann,USAN09/199,728,filed November 25,1998）。しかしながら、非均一なポンプ吸収の使用はこの点について暗示されなかった。さらに、そのようなレーザの安定性を最適化するための具体的な可飽和吸収体のザインは全然開示されなかったし、偏光補償素子なしでレーザの安定性を最適化するための具体的なファイバデザインは開示されなかった。
【００２６】
さらに、今日までに実証されたすべてのモードロック技術（例えば,Fermnn他6,072,811;Lin他6,097,741；田村他5,513,194；Fermann他5,450,427；Fermann他USAN09/199,728）は、共振器内の自己位相変調の最大値を約πにするだけのように、制限される。レーザ共振器内の自己位相変調の量が、発生した光パルスのピークパワーに直接比例するので、少量の許容できる自己位相変調は明らかに制限要因である。そのようなレーザシステムの別の特徴は,少量の自己位相変調により,発振スペクトルパルス幅がどんな共振器内フィルタのバンド幅より小さい、ということである（田村他，’ソリトンファイバレーザでのフィルタリングの最適化’IEEE Photonics Techn.Lett.,6,1433-1435,(1994)参照）。大きな自己位相変調量が存在するとき、光パルスのバンド幅は、どんな共振器内光学要素のバンド幅限界よりも大きい、レーザ動作を可能にする具体的な可飽和吸収体デザインは全然開示されなかった。
【００２７】
モードロックレーザの分野外では、放物線パルスの使用が、ファイバ増幅器からの取出し可能な出力パワーの増大のために、提案された（M.E.Fermann他、’モジュール化、波長可変,高エネルギ超短パルスファイバ光源’USAN09/576,772,filed May23,2000）。しかしながら,放物線パルスのファイバ共振器への使用は開示されなかったし、さらにモードロックファイバ共振器の出力パワーの最適化のための放物線パルスの有効な使用方法は、今日まで全然開示されなかった。さらに,放物線パルスが、＞πの共振器内自己位相変調の値をもつモードロックファイバレーザの製作を可能にし、その結果、光出力パルスのバンド幅が、任意の共振器内バンド幅制限光学要素のバンド幅限界より大きくなる、ということは開示されなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
上記従来の技術の問題点を解決する偏光保持ファイバ、システム及びファイバレーザを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、理想的な偏光保持光ファイバに関する。このファイバでは、偏光モード結合と偏光モード分散が、いくつかの技術で、特にファイバ径の増加によるファイバコア応力の減少で、制限される。結果として,多くのより小さい次元のモード結合とモード分散が、小さい径のファイバに比べ達成される。一般に、応力生成領域は、そのようなファイバに偏光保持動作を最適にするために導入される。これら応力生成領域は円形形状である。
【００３０】
そのようなファイバに希土類をドープすることで、高パワーで良好な偏光ファイバレーザ及び増幅器が偏光補償素子なしで作られる。そのようなファイバレーザのレーザあるいは増幅器閾値と効率は、少なくとも一つの’ソフト’及び一つの’ハード’被覆層と共に小さな内側クラッド径を使用することで最適化され、ここで、最初の被覆が’ソフト’で２番目の’ハード’被覆は拡大した径をもつ。
【００３１】
レーザあるいは増幅器の閾値も、５角形、７角形あるいは歪んだ６角形のような非円形で面を張らない対称なクラッド形状を用いることで、最小化される。そのようなファイバレーザ及び増幅器の連続波、パルス、あるいはモードロック動作のいずれも可能である。そのようなファイバレーザの非線形性は、ファイバコアを囲む小さな円形内側クラッドを追加することによる、非均一なポンプ吸収を与えることで、最小化される。そのようなクラッド構造でのラセン状光線の減少された吸収は、ファイバの長さに沿ってのポンプ吸収の減少をもたらす。結果として、大きな利得が、高いポンプ吸収をもつ短い区間のファイバで生成されるだけである。デバイスの総合効率は、ファイバコアサイズに関して内側クラッドのサイズを制限することで保証される。大きな量のポンプ光は、マルチモードコアが使用されるとき内側クラッドに結合される。
【００３２】
ファイバレーザがモードロックモードで動作するとき、偏光安定動作は、中複屈折ファイバで達成される。この場合、ファイバの二つの偏光固有モード間の偏光ウオークオフは、発生したパルス幅に比べて小さいということが保証される。任意の径のファイバでは、偏光安定モードロック動作は、高複屈折ファイバ区間をもつファイバ共振器で可能である。受動モードロックは、共振器内に可飽和吸収体を導入することで可能にされる。モードロックの安定性は、可飽和吸収体の寿命が各ファイバ区間での偏光固有モード間のシングル−パス群遅延より小さいときに保証される。
【００３３】
より一般的には、受動モードロックレーザ共振器で漏れ反射がある場合、パルスの安定性は、主パルスと漏れ反射で発生した’漏れ’パルスとの間の時間遅延が共振器内可飽和吸収体の寿命より長いとき、保証される。特に、安定な受動モードロックマルチモードファイバレーザは、可飽和吸収体の寿命がファイバ内の最初のモードと次の高次モードとの間のシングル−パス群遅延より短いときに、作られる。
【００３４】
代替として、高パワーのファイバレーザは、強く吸収する可飽和吸収体はもちろん、正分散の希土類ドープ増幅器ファイバと狭バンドパスフィルタとを使用して作られる。この条件では,厳密に放物線に近づく共振器内での生成パルス（以下では放物線パルスと呼ぶ）は安定で、共振器内での自己位相変調の大きな増大を可能にし、反面、ガウシアンあるいはsech2型パルスに基づく共振器に比べパワーの増大を可能にする。そのような共振器デザインは、中複屈折低偏光モード結合ファイバのデザイン及び出力パワーの更なる増大のためのマルチモードファイバと両立もできる。ファイバレーザ共振器内での高エネルギ放物線パルスの生成は、共振器内利得媒質のバンド幅あるいは共振器内フィルタバンド幅より大きい光パルスのバンド幅で、一般的に特徴づけられる。さらに、共振器内での高エネルギ放物線パルスの安定性は、可飽和吸収体の寿命が共振器内での最大パルス幅の約５倍より短いときに保証される。共振器の安定性は,可飽和吸収体を深い飽和状態で動作させることによって、すなわち、飽和エネルギの少なくとも２倍のパルスエネルギを吸収体に照射することによって、さらに高められる。可飽和吸収体の最適な位置は、共振器内フィルタの後で、これら両方の素子は、共振器の出力端に位置する。共振器内の分散素子による部分的な分散補償の付加は、パルスの安定性をさらに高める。これらの分散素子は,理想的には可飽和吸収体の前に配置される。可飽和吸収体の線形損失は、吸収体への光照射の光吸収を用いての可飽和吸収体の光学的加熱によってさらに増大される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による大きな径の偏光保持ファイバを図式的に例証している。
【図２】ａは本発明によるファイバの典型的な屈折率分布を図解している。ｂは別のプリフォーム作製技術で作製されたファイバの屈折率分布を図解している。
【図３】ａは出力端ポンピングを用いた本発明によるファイバレーザの構成を図解している。ｂは図３ａのファイバレーザの利得分布を図解している。
【図４】ａは第１クラッドに導入された応力ロッドをもつ本発明による円形コアファイバを図解している。ｂは複屈折を最適化するために第１クラッドに空気孔が導入された図４ａの代替物を図解している。
【図５】ａはソフトな内側被覆とハードな外側被覆を用いる楕円コアファイバの実施形態を図解している。ｂは空気孔を有するクラッドで囲まれた円形コアを用いているが,図５ａに似ているファイバを図解している。
【図６】ａはポリマ被覆の形の外側クラッドで囲まれた５角形の外形線をもつ内側クラッドを備えたファイバを図解している。ｂは７角形の外形線とポリマで被覆の形の外側クラッドをもつ内側クラッドを備えたファイバを図解している。ｃは、非対称形状の外形線の非等辺６角形、すなわち一辺が短くポリマ被覆の形の外側クラッドをもつ６角形をした内側クラッドを備えたファイバを図解している。
【図７】ａは、非円形の応力生成領域とポリマ被覆の形の外側クラッドと合体した５角形の外形線をもつ内側クラッドを備えた偏光保持ファイバを図解している。ｂは、円形応力生成領域とポリマ被覆の形の外側クラッドと合体した７角形の外形線をもつ内側クラッドを備えた偏光保持ファイバを図解している。ｃは、非対称形状の外形線の非等辺６角形、すなわち円形応力生成領域とポリマ被覆の形の外側クラッドと合体した一辺が短い６角形をした内側クラッドを備えた偏光保持ファイバを図解している。
【図８】マルチモードコアを含むことができる側方ポンプのモードロックファイバ増幅器を図解している。
【図９】共振器内に高複屈折ファイバ区間を有するファイバレーザへの本発明の応用を図解している。
【図１０】きつく巻き付けられた近似的に等方性のファイバを有するファイバレーザへの本発明の応用を図解している。
【図１１】分散補償を備えた端面ポンプのモードロックファイバレーザを図解している。
【図１２】図９に類似の実施形態を図解しており,ここでは、分散補償がファイバ内回折格子である。
【図１３】放物線パルスの生成を可能にするために出力のバンド幅が共振器内フィルタのバンド幅より大きいファイバレーザの実施形態を図解している。
【図１４】図１１のレーザにおけるフィルタの透過スペクトルと出力パルスのスペクトルの比較をしている。
【図１５】正分散で動作する導波路型増幅器システムの一般化された描写である。
【図１６】偏光保持ファイバレーザシステムの一般的な例を図解している。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
偏光保持型で大きな径のファイバの模式図が図１に示されている。ファイバコアは,ファイバの偏光軸を決めるために楕円形をしている。ファイバは、円形（あるいは非均一）の内側第１クラッドと非均一（あるいは円形）の外側第２クラッドとを有する。ここで,括弧は円形と非均一クラッドの位置が置き換え可能であることを示している。第２クラッドの屈折率は第１クラッドの屈折率より低い。原理的には、どんなクラッド形状でも、非均一なクラッドが第１クラッドであろうと第２クラッドであろうと、非均一なクラッドに使用することができる。適当な屈折率差をもつ任意のガラス組成も使用できるが、第１クラッドはゲルマニウムドープシリカからなり、第２クラッドは最大屈折率差を得るためにフッ素化ガラスからなる。
【００３７】
ファイバは円形プリフォームから出発して作られ、そのときプリフォームは両側が楕円形に加工される。加熱といくつかの付加的な引き伸ばしにより、表面張力を利用して、プリフォームは円形に戻り、円形の内側クラッドを形成する。結果として、ファイバコアは楕円であり、内側クラッドは円形である。第２クラッドは、適当な第２クラッド材料（弗化あるいは硼化珪酸塩）の基体チューブを円形プリフォームに被せ、そのあと元のファイバプリフォームにそのチューブを融着することで作られる。第２クラッドは第２クラッドの外側を任意の形状にするために加工される。低屈折率をもつ３番目のクラッド（被覆）は、適当なポリマ材料で第２クラッドを被覆することで作られる。そのようなファイバの屈折率分布が図２ａに示されている。
【００３８】
あるいは、第１クラッドは,プリフォームの作製中、ゲルマニウム,アルミニウムあるいはリン珪酸塩を大量にドープしたファイバコアの回りに直接堆積される。この第１クラッドはコアに比べドーピングレベルを減らして作られる。クラッドの開口数は大量のポンプ光を結合できるようにするため大きく（０．１５より大きく）あるべきであり、円形あるいは楕円形（図示せず）の断面をもつことができる。外側クラッドはプリフォーム基体材料を適当に加工することで作られ、その後に上述のように被覆される。そのようなファイバの屈折率分布が図２ｂに示される。
【００３９】
図１に示すファイバの中央部あるいはファイバコアは、偏光保持増幅器としてファイバを使用できるようにするため任意の希土類ドープ材料でドープされる。この場合、上で議論したような円形の内側クラッドをもつファイバデザインは,図３ａに示すように、ファイバ増幅器の出力端からの端面ポンピングが実施されるとき、ファイバの長さに沿う非均一な吸収係数を保証する。ここで、信号光は左側から注入され、ポンプ光は右側のファイバ増幅器の出力端から注入される。内側クラッド内でのラセン光線の減少した吸収のため、ポンプ光の有効吸収係数はファイバに沿って減少する。結果として、単位長さ当たりの有効信号利得は、増幅器の出力端に向かって大きく増大し、図３ｂに図解するように増幅器の出力端区間でのみ大きな利得をもつ構造を作る。長さＬのファイバ増幅器で達成できるピークパワーは、一般に、Ｌeff＝［１−ｅｘｐ（−ｇＬ）］／ｇ（一定利得ｇの場合）で与えられる有効増幅器長に反比例し、増幅器の出力端での大きな利得は、短い有効増幅器長を作り出し、相応して大きなピークパワーをもつ光信号の発生を可能にする。非均一な２番目のクラッドは、第１と第２クラッドの界面間での散乱はもちろん、２番目のクラッドを伝搬する光線に対して有効な吸収を与える。
【００４０】
２番目のファイバクラッドは取り除くことができるが、そのときファイバはファイバ内での偏光モード結合を最小にするために＞１５０μｍの外径をもつべきである。ファイバの外側は任意の形状をもつことができる。図４ａと図４ｂに示すように、最適な複屈折の度合を得るために、任意の応力生成領域(図４ａ)あるいは選択的なファイバ孔(図４ｂ)がファイバクラッドに導入される。内側のクラッド内の応力生成領域（あるいは空気孔）は、図４ｂに示すように異なる形状をもつことができる。応力生成領域あるいは空気孔がないと、ファイバコアの主／副軸の比は１．１より大きくなければならない。応力生成領域があると、円形のファイバコアを使用できる。２番目のクラッドの中に含まれるものがあってもなくても、ファイバの全外径は、１５０μｍより大きくなければならず、ファイバ複屈折は１×１０-6より大きくなければならない。ファイバの外側は、ファイバの保護のためにポリマ被覆で囲まれる。ファイバの偏光保持能をさらに増大させるために、ソフトな内側被覆とハードな外側被覆がファイバの外側に用いられる。そのような被覆材の可能な選択は、シリコーン内側被覆とアクリル外側被覆との使用である。この場合、任意のファイバ径が使用でき、２番目のクラッドは取り除くことができる。そのような偏光保持ファイバの二つの例が図５に示されており、ここで、図５ａは楕円コアを有し、図５ｂは僅かに非対称な空気孔で囲まれた円形コアを有している。図４と５に示されたファイバの中央部あるいはファイバコアは、偏光保持増幅器としてファイバを使用できるようにするために任意の希土類ドーピング材でドープされる。
【００４１】
図４ａに示すデザインのファイバの典型的な偏光保持能が下の表１に記載されている。ファイバは近似的に円形コアをもち、ファイバ１以外のすべてはクラッド内に応力生成領域が導入されている。ファイバは２ｍの長さで、１０ｃｍの径のリールに巻かれているファイバは”２重クラッド”で、１番目のクラッドと低屈折率のポリマ被覆とを有する本当の２番目のクラッドはない。ファイバはＹｂで約２モル％のドーピングレベルにドープされた。偏光消光比は、光がファイバの第１偏光軸の入力端に結合されるとき、ファイバの第２偏光軸（ファイバ出力端で測定された）に結合される光の量である。
【００４２】
ファイバ３と４を比較することによっても、ファイバ５と６を比較することによっても、ファイバでの偏光消光比は、同じ偏光ビート長の場合、単純にファイバの外径を増大させることで、一般的に改善されることがわかる。ここでコア径の変化は全体のファイバ径に比例し、偏光保持能に直接影響することはない。偏光消光比はファイバの偏光保持能の測定値であるので、ファイバ径の僅かな増加が偏光保持能を一桁増大させる。この利点はファイバ複屈折の任意の値に対して持続するが、外径が１２５μｍの通常のファイバが、中間値で明らかに最も有利であり、与えられた大きさの複屈折の場合偏光保持動作をさせない。この中間値は１×１０-6から１×１０-4の複屈折の値を含む。ここでは、この範囲の複屈折をもつファイバを中複屈折ファイバと呼ぶことにする。１μｍの波長で、中複屈折に対して相当する偏光ビート長は、それぞれ１００ｃｍと１．０ｃｍの間である。
【表１】
【００４３】
有効な２重クラッドファイバは、一つの内側クラッドとポリマ被覆の形の外側クラッドとだけをもつファイバの実装によっても作られる。この場合、５角形の内側クラッドは図６ａ）に示すように実装される。ここでコアはマルチモードあるいはシングルモードである。そのようなクラッド形状は、ポンプモード結合を最適にし、ファイバ内でのポンプ吸収を最適にする小さな内角をもつ。大きなポンプ吸収は、高パワーパルス増幅器としてのそのようなファイバの応用にとって、明らかに有益である。７角形のクラッド形状は、図６ｂ）に示すように同様に可能である。７角形はクラッド面間の内角がより小さいためにより少ないポンプモード結合をもたらすが、そのような構造の完全な円への非常な近接のためにそのようなファイバは融着が容易で、多くの応用に望ましい。
【００４４】
これら二つのクラッドは対称であるが、平面を張ることはないということを忘れないで欲しい。しかしながら、そのようなクラッドは、ラセン光線の有効な吸収をもたらすファイバ内ポンプモードのモード結合を可能にする。結果として生じる均一なポンプ吸収により、そのようなファイバは、高ピークパワーパルス用増幅器として使われたとき、最も高い可能なパワーを得るために使われる必要がない。代わりに、９辺あるいは１１あるいは、一般的に（２ｎ−１）辺の多角形、ここでｎ＞４、も実装される（図示せず）。
【００４５】
ラセン光線の改善された吸収は、図６ｃ）に示すような径的に非対称で非等辺の６角形を使うことで達成される。そのようなクラッド形状の対称性の減少レベルのために、よりよいポンプモード結合が得られ、ポンプモード結合の最大化をもたらす。多重被覆と２番目の非円形内側クラッドを合体させるこれらのクラッドデザインの変更も可能であるということを忘れないで欲しい（図示せず）。
【００４６】
図７に示すファイバデザインの偏光保持動作を可能にするために、非円形の応力生成領域が追加される。例えば、図７ａに示すように、非円形（あるいは円形）の応力生成領域が図６ａからのファイバ断面に追加される。５角形ファイバと一緒の円形応力生成領域は別々に示されない。そのようなファイバは、シングルモードあるいはマルチモードコアをもつことができる。円形の応力生成領域は７角形ファイバと共に図７ｂに示されている。一般に、円形の応力生成は、任意の２重クラッドあるいは３重クラッドファイバに合体され、ここで、１番目の内側及び／あるいは２番目の内側クラッドの両者は、非均一である。図７ｃは偏光保持ファイバの別の実施であり、径的に対称で非等辺の６角形を合体させている。図６と図７における本発明の形態の各々で、ファイバコアは、マルチモードあるいはシングルモードでよい。
【００４７】
表１に挙げられたファイバは、受動モードロックＹｂファイバレーザの共振器の一部としても試験された。本発明のモードロックシステムの一般化された図解が図８に示されている。ファイバは、クラッドに結合された高パワーポンプレーザからの空間的にインコヒーレントな光で側方ポンプされた。バンドパスフィルタ（Ｆ）は、中心波長１０４０ｎｍで３ｎｍのスペクトルバンド幅をもっていた。偏光子（Ｐ）はファイバの偏光軸の一つに調整された。可飽和吸収体は、ヒートシンクに取り付けられた金フィルムの上に堆積された０．６４μｍの厚さと１０４０ｎｍのバンドエッジをもつＡｌＩｎＧａＡｓのフィルムであった。その吸収体のキャリア寿命は、１ｐｓのオーダであった。４％反射の垂直に劈開された共振器内ファイバ端は、出力結合ミラーとして役立った。ファイバ長さが２ｍの場合、レーザは、ファイバのコアサイズに依存する平均パワー１０−４０ｍＷで、繰り返し≒５０ＭＨｚのパルスを発生した。発生したパルス幅は典型的に２ｐｓであった。
【００４８】
しかしながら、低複屈折と相応して長いビート長とをもつファイバだけが安定なモードロックを起こした。その理由は、小さい値の複屈折の場合、第１偏光軸を伝搬する主信号と第２偏光軸を伝搬する任意の２番目の信号は、一緒にロックし、共振器内で発振できる単一結合偏光状態を発生するからである。ファイバの複屈折が高すぎると、主信号と２番目の信号がロックしなくなり、モードロック過程の不安定で時間的に変化する動作をもたらす。単一偏光状態で安定なモードロックパルスを得るためには、外径が＞１２５μｍの中複屈折ファイバの使用で可能になるように、小さい複屈折の値に対しては大きな偏光消光比が必要とされる。さらに、径が＞１２５μｍのファイバの使用は、ファイバをより曲がり難くくし、ファイバの曲がりがある場合偏光モード結合を小さくもする、すなわち、大きな径のファイバは、小さな径のファイバに比べ偏光消光比の低下が小さいコイルを可能にする。偏光モード結合を最適化するために、二つのファイバクラッド及び／あるいは二つ（あるいはそれ以上）の適当に選定された被覆材層も実装される。
【００４９】
図８に示す共振器も、横モードを１以上維持するコア径１１μｍ（ファイバ＃４）のマルチモードファイバで、安定なパルスを発生した。安定なパルス動作を可能にするためのファイバテーパが、モードフィルタとしてファイバ端近くのファイバに合体された。そのテーパは、個別には示されてない。外径を２００μｍから１００μｍにテーパ化することで、コア径は同様に１１μｍから５．５μｍにテーパ化され、シングルモード動作を可能にする。結果として、ファイバ内の基本モードが９９％の効率で一般的に励起された。この場合に安定なモードロックを確実にするために、可飽和吸収体の寿命は、ファイバ内の基本モードと次の高次モードの間のシングルパス群遅延より短くなければならなかった。その理由は、次の高次モードが共振器の各端部でファイバの基本モードに小さなパルスを結合させるためである。この小さなパルスは、主パルスに関して遅延した時間を得る。しかしながら、その小さなパルスは、２番目の時間遅延パルスの成長のために注入信号を発生する。別のパスの後で、さらに別の時間遅延パルスが発生される。以下同様に発生される。任意の副次的パルスの成長は防止されるが、副次的パルスが可飽和吸収体に強く吸収されるなら、可飽和吸収体の寿命が基本モードと次の高次モードとの間のシングルパス群遅延より短くなければならない。
【００５０】
一般に、共振器内部の疑似反射があると、可飽和吸収体の寿命は、疑似パルス（疑似反射で発生された）と共振器内の主パルスとの間の時間遅延より小さくなければならない。例えば、共振器内に二つの高複屈折ファイバ区間を組み入れたモードロックファイバレーザが図９に示されている。そのファイバ区間の偏光軸は、当然互いに平行あるいは反平行であると考えられる。偏光軸の小さな避け難い調整ミスにより、”間違った”偏光軸を伝搬する小さなパルスがファイバ区間の間の各接続部で発生される。したがってパルスの安定性は、各ファイバ区間での偏光固有モード間のシングルパス群遅延が、発生したパルス幅より大きいことを必要とする。例えば、ファイバ区間が波長１．５５μｍで３ｍｍの偏光ビート長と相応する５×１０-4の複屈折をもつとすると、偏光群遅延は２ｍのファイバ区間で≒３．５ｐｓである。長さ２ｍのファイバ区間の場合、可飽和吸収体は、モードロックレーザの最適な安定化を確実にするために３．５ｐｓ以下の寿命をもたなければならなかった。
【００５１】
多層被覆ファイバあるいは外径が＞１２５μｍのファイバのモード結合の減少度合も、Fermann他の米国特許第６，０７２，８１１号に開示されているように、等方的にきつく張力のかかったファイバコイルの偏光保持能の改善を可能にする。そのようなファイバは、微少曲げが誘導するモード結合にもっと少なく感じるので、改善された偏光消光比が得られる。そのようなファイバは、図８の中あるいは高複屈折ファイバの直接の代替として使用される。近似的に等方的な張力コイルファイバを組み入れたモードロックファイバレーザ共振器が図１０に示されている。最適なレーザの安定性のためにファイバコイル内で偏光状態が近似的に直線であることを確実にするため、ここで、追加の波長板（ｗ１、ｗ２）が共振器の各端部に組み入れられる。
【００５２】
側方ポンプよりむしろ２色ビームスプリッタを通しての端面ポンプモードロック発振器が、図１１に示されるように用いられる。利得ファイバは、中複屈折、高複屈折あるいはマルチモードファイバを組み入れることができる。真直ぐ劈開したファイバ端は、出力結合の量を減らすために誘電体ミラーでコートされる。あるいは、外部ミラーも出力結合器として使用された。一つあるいは二つのバルク回折格子対、プリズム対あるいはグリズム（grism）対、のような分散補償素子（ＤＣ）も、より短いパルスを発生させるためとモードロック動作を簡単にするために共振器内に組み入れられる。さらに、可飽和吸収体ミラー（ＳＡ）は標準ミラーで置き換えられ、追加の光変調器が能動型モードロックを通しての短パルスの発生を可能にするために共振器（個々に示されない）内に組み入れられる。光学フィルタ（Ｆ）もそのような共振器の一部である。
【００５３】
モードロック発振器も、図１２に示すように共振器構成部品のさらなる集積化のために利得ファイバに直接描画されたファイバ回折格子を使うことで作られる。また、利得ファイバは、中複屈折、高複屈折、あるいはマルチモード（ＭＭ）ファイバを組み入れることができる。回折格子は、必要な出力特性のレーザに応じてチャープあるいはアンチャープされる。ポンプ光が可飽和吸収体のファイバ端から注入されるか、あるいは、側方ポンプの形が用いられるとすると、付加的な信号増幅のための付加的な増幅器ファイバが、共振器のファイバ回折格子端に融着され、その結果、非常にコンパクトな高パワーファイバレーザがもたらされる。そのようなシステム構成は、個別には示されていない。
【００５４】
モードロックファイバレーザの一実施形態が図１３に示されている。分散補償素子（ＤＣ）の組み入れは選択性であるが、分散補償素子が負分散を与え、全（正）ファイバ分散の約５０％補償するなら最良のシステム性能が得られる。フィルタ（Ｆ）は、ファイバの利得バンド幅（ＦＷＨＭ）以下のバンド幅（ＦＷＨＭ）をもつ。ＮｄあるいはＹｂファイバレーザの場合、最適なフィルタバンド幅は、１−３０ｎｍの範囲である。その利得ファイバは、正分散をもつ。そのファイバは、偏光保持型で中複屈折型であり、高複屈折ファイバあるいはＭＭファイバが用いられる。偏光子はファイバの一つの偏光軸に調節される。放物線型パルスの生成は、高吸収性の可飽和吸収体を使用するときに可能になる。その可飽和吸収体の線形吸収は９０％である。可飽和吸収体も深い飽和状態で動作すると、共振器内で高パワーパルスが分解する傾向が抑制される。結果として、線形にチャープした高パワーの放物線型パルスが発生される。放物線型パルスは相対的に自己位相変調に不感であるので、放物線型パルスのエネルギは、ソリトンやガウシアン型パルスに比べ非常に高い。放物線型パルスを得るためのキーパラメータは、発生した出力パルスのスペクトルバンド幅で、これは共振器内のフィルタのバンド幅より大きく、その特徴は、他のモードロック技術では得られない。モードロックＹｂ発振器の場合に得られるパルススペクトルの典型的な例を共振器内のフィルタのバンド幅と比較して図１４に示す。共振器内のフィルタのバンド幅に比べて増加したそのスペクトルバンド幅は、理想的な度合であり、それによって共振器内のパルスは放物線型のパルス形状になる。高パワーの放物線型パルスの発生は示されるようなファブリ−ペロ型共振器に限定されないが、共振器内の正分散増幅導波路や狭いバンドパスフィルタをもつ任意の導波路型レーザ共振器デザインが実施される。パルスのバンド幅が、共振器内のフィルタのバンド幅を越えるときはいつでも、近似的な放物線型パルスの生成が起こる。放物線型パルスの発生の最適な安定性は、吸収体の寿命が発生したパルスの最大幅の５倍より短いときに保証され、発生したパルスの１倍以下の寿命の可飽和吸収体が望ましい。
【００５５】
図１３に示す放物線型パルス発振器の特定のデザイン例では、共振器内のＹｂファイバ長が４ｍで、光学フィルタは１０ｎｍのバンド幅をもち、吸収体の非飽和損失が９０％で、可飽和吸収体が分散補償素子を有する共振器内の端部に配置された。その可飽和吸収体は４ｐｓの寿命をもっていた。分散補償素子は、正のファイバ分散の５０％を補償するように調整された。出力結合ミラーは１．０５μｍの信号波長に対して８０％の反射率をもっていた。レーザは、２０ｎＪのパルスエネルギに相当する５００ｍＷ以上の平均パワーをもつパルスを発生した。そのパルスは近似的に線形チャープしており、別の分散補償素子（図示せず）のセットで近似的にバンド幅限界まで再圧縮された。
【００５６】
上のシステムは、正分散増幅導波路をもつユニット、部分的な分散補償、光学バンドパスフィルタ及び振幅変調機構を有する正分散体制で動作する図１５に示すような一般的な光学システムの一表示である。一般に、部分的な分散補償、すなわちフィルタリング機能と振幅変調機能も導波路素子で与えられる。そのような光学システムは、ファブリ−ペロレーザ共振器、リングレーザ共振器の一部、あるいは電気通信で用いられるような長距離光伝送システムの一部である。
【００５７】
偏光保持の中複屈折ファイバは、他のファイバレーザあるいは増幅器の応用にも使用される。そのようなファイバの偏光保持増幅器としての一般的な例が図１６に示されている。この例では、信号光が偏光保持ファイバと偏光保持融着を通してＰＭ増幅器に結合される。そのような融着は、融着前に二つのファイバを適切に回転させることで達成される。その増幅器は端面ポンプあるいは側方ポンプされる。ポンプ光は、増幅器ファイバの端部か増幅器ファイバ内のどこかを通して注入される。
【００５８】
本発明に対する修正や変更は、前述の開示や教示からその技術に熟練した人には明らかであり、本発明は請求項で判断されるということを意図している。
【技術分野】
【０００１】
（本発明の分野及び概説）
本発明は、単一偏光光ファイバ、すなわち、強い偏光保持あるいは偏光保持特性を備えている光ファイバと、希土類をドープした同じものの変形で形成されるファイバレーザとに関する。
【０００２】
本発明によれば、理想的な偏光保持光ファイバは、様々な代替技術で作られる。一実施形態によれば、ファイバは、ファイバコア内の応力の減少を通しての偏光モード結合を最小にするべくファイバ径の増加による外面的曲げ及び温度変化に対して、偏光不感受性にされる。あるいは、偏光モード結合は、ファイバ−クラッド界面での応力を最小にするべく特殊なクラッド技術によって減らされる。応力誘起技術は、ファイバの複屈折を最適にするためにクラッド内に使われる。
【０００３】
そのような偏光保持ファイバの希土類ドープ多重クラッド変形物は、高パワーレーザ光源として理想的であり,高パワーレーザダイオードによる有効なポンピングを可能にする。ファイバレーザは,連続波モードあるいはパルスモードのいずれでも動作することができ、偏光の安定性が最重要である場合はいつでもファイバレーザ及び増幅器のデザインに大きな優位性を与える。特に,そのようなファイバの有益な応用は、高パワー単一周波数ファイバ増幅器,高パワーパルスファイバ増幅器あるいはモードロックファイバレーザを含んでいる。これらデバイスの非線形性は、ファイバコアを囲む円形内部クラッドを合体させることで、良好な偏光保持特性を維持しながら最小化される。内部クラッドは,ファイバの最初の短い区間での大きなポンプ吸収を起こさせ、ファイバの次の長い区間でのポンプ吸収を減少させる端面ポンプ増幅器構成におけるファイバの長さ方向の非均一なポンプ吸収を規定する。その結果として,最初の短いファイバ区間の利得は最大化され、反面ファイバの非線形性は最小化される。非均一なポンプ吸収の有効性は、中心コアがコア径と内部クラッド径を増加させる多モードの伝播を可能にすることでさらに最大化され、第一内部クラッドに結合されたポンプ光に対する捕獲割合を増大させる。
【０００４】
内部コアは,高レベルのリン,ゲルマニウム,あるいはアルミニウムドーパントを加えるプリフォーム生成過程を通して直接成長させられる。円形内部クラッドは、プリフォームの濃度減少ドーピング領域から形成される。プリフォームの２番目の非ドープ領域は２番目の外部クラッドになる。円形内部クラッドは,内部クラッドに比べ低い屈折率の適当なチューブで覆うことでも形成される。その付加されたチューブは、外側の２番目のクラッドになる。一般に、この２番目のクラッドの外形は、ポンプ光の全体にわたる有効な吸収を与えるために非円形あるいは非均一である。
【０００５】
有効なポンプ吸収は、外側被覆と単一非円形クラッドを合体させることによっても達成される。ここで、被覆の屈折率は、クラッドの屈折率より低い。特に、非円形クラッドは、例えば５角形あるいは７角形を含む非対称等辺多角形をした外形線をもっている。あるいは、非円形クラッドは例えば６角形あるいは８角形を含む非対称非等辺多角形をした外形線をもっている。そのような形状はクラッド内での反射をランダムにし、規則的な繰り返し時間及び距離での反射を強化しないながらも、それによってクラッド内でのモードミキシングを増進する。このクラッド構造内の円形あるいは非円形応力生成領域は、偏光保持動作を達成するために、そのようなファイバに組み入れられる。
【０００６】
モードロックファイバレーザの場合,偏光安定動作は,中間の複屈折をもつファイバで,すなわちそのファイバの二つの偏光軸の間の群速度ウオークオフがパルス幅に比べ小さい場合に達成され,パルスの安定性を非常に高める。結果として、特に小型の偏光不感の受動型モードロックファイバレーザは、ファイバレーザ共振器内に可飽和吸収体を用いることで作られる。
【０００７】
モードロックレーザの偏光安定動作も高複屈折ファイバ区間を有する単一偏光ファイバ共振器で達成され、ここで、各ファイバ区間での二つの偏光軸間の群速度ウオークオフは、パルス幅に比べて大きい。この場合、パルスの安定性は、可飽和吸収体の主キャリア寿命が各高複屈折ファイバ区間での群速度ウオークオフ時間より小さいときに、保証される。
【０００８】
より一般的に、受動モードロックレーザ共振器内に漏れ反射がある場合、パルスの安定性は、主パルスと漏れ反射で発生される’漏れ’パルスの間の時間遅れが共振器内可飽和吸収体の寿命より長いとき、保証される。受動モードロックマルチモードファイバレーザの場合、パルスの安定性は、基本モードと次の高次モードの間の群速度ウオークオフ時間が共振器内可飽和吸収体の寿命より長いとき、達成される。
【０００９】
一層より一般的に、少なくとも共振器内パルス幅に匹敵する寿命をもつ可飽和吸収体と共振器内フィルタとを用いることで、チャープパルスをもつ受動モードロックファイバレーザの高パワー動作が達成される。チャープパルスは、減少したピークパワーと広がった時間幅とをもつ。ファイバレーザの出力部で、パルスは、大きく増加したピークパワーと大きく減少した時間幅とをもつバンド幅限界まで時間的に再圧縮される。レーザの安定性は、共振器内ファイバの分散が正であることを要求し、共振器内フィルタは、利得媒質のバンド幅より小さいバンド幅をもたなければならない。可飽和吸収体の主寿命は、最大共振器内パルス幅の約５倍より短い必要があり、可飽和吸収体は、飽和の２倍以上で動作する必要がある（可飽和吸収体に衝突するパルスエネルギは、可飽和吸収体の飽和エネルギより少なくとも２倍高くなければならない）。そのようなレーザでのチャープ再圧縮可能パルスの安定な発振は、容易にπを超える大きな共振器内自己位相変調の値で特徴付けらる。結果として,発生したパルスの光学バンド幅は,共振器内フィルタのバンド幅を超える。したがって、共振器内パルスの形は、ソリトンあるいはガウシアン型で近似することができず、むしろ放物線あるいはガウシアンパルスに比べ大きく減少したパルスウイングをもつパルスに似ている。この共振器デザインは,中複屈折の低偏光モード結合ファイバデザインと両立でき、さらにマルチモードファイバの使用は、出力パワーを増大させる。
【背景技術】
【００１０】
（本発明の背景）
最近の数年間における先進光学技術の開発は、通常の固体レーザの一般的な代替としてのファイバレーザの使用を大いに推奨した。固体レーザに比べて,ファイバレーザは,性能の妥協なしに集積化と小型化のための特殊なポテンシャルを提供し,以前は固体レーザに近づけなかった実世界の応用に複雑なレーザ処理機能を用いることを可能にする。これらの進歩における最も重要な面の一つは,２重クラッドファイバ増幅器デザインを用いることであり,このデザインは,広範なパワー拡大可能ダイオードレーザでファイバレーザをポンピングすることを可能にし、出力パワーが連続波動作で１００Ｗ域までなるファイバレーザを提供する(V.Dominic他’１１０Ｗファイバレーザ’,Conf. on Lasers and Electro-Optics, CLEO, 1999, paper,CPD11)。
【００１１】
しかしながら、これら高出力パワーは、現在まで固体レーザとは著しく異なり、ランダム偏光の出力ビームで得られただけである。固体レーザでは、はっきりと定められた偏光状態をもつ出力ビームの発生は問題がない。明らかに、固体レーザを完全に置き換えるためのファイバレーザあるいは特に２重クラッドファイバレーザに対して、制御できる偏光出力状態をもつファイバレーザの製作が求められる。
【００１２】
これまで、はっきりと定められた偏光状態が２重クラッドファイバレーザから発生可能ないくつかの方法が提案されてきた。一つの研究では、楕円ファイバコアの使用あるいはファイバクラッドへの応力生成領域の導入による高複屈折増幅ファイバの使用が開示された（M.E.Fermann他 ’シングルモード増幅器と圧縮器’、米国特許第５，８１８，６３０号， M.E.Fermann他 ’マルチモードファイバのモードロック技術と小型高パワーファイバレーザパルス光源の製作’、USAN 09/199,728 filed November 25,1998、これら両方はここに参考文献として組み入れられている）。２重クラッドファイバへの応力生成領域の導入は、後にDiGiovanniによって米国特許第５，９４９，９４１号に繰り返された。しかしながら、DiGiovanniは、非対称形の外側クラッドの中への応力生成領域の使用を明細書に記載している。非円形応力生成領域は、一般的に作ることが難しく、且つ非対称クラッド形状はそのようなファイバの劈開の可能性と他の円形ファイバに融着させる可能性を阻害する。
【００１３】
最近、偏光保持ファイバ増幅器がKlinerらによって説明された（D.A.V.Kliner他 ’２重クラッド蝶タイ状ファイバを使った偏光保持増幅器’Opt. Lett.,Vol.26.,pp.184-186(2001)）。Kliner他による後の研究で、Fermann他による’６３０号特許でのデザインの暗示の特殊な実施が議論された。Klinerらは、応力生成領域が内径２０μｍに及ぶ１５０μｍのクラッド径をもつファイバを用いており、このことは、応力生成領域がファイバの複屈折を最大にするためコアに非常に接近していることを暗示している。この研究では、１．２×１０-4（波長１０００ｎｍで８ｍｍのビート長に相当する）と同じくらい高い複屈折が偏光保持動作を達成するために必要とされた。さらに、二つの応力生成領域だけがクラッドに組み入れられ、２重クラッドファイバは、円形ガラスファイバクラッドと円形ポリマクラッドからなるだけである。
【００１４】
しかしながら、Klinerらによって議論されたような応力生成領域を２重クラッドに使用することは問題である。なぜなら、ファイバプリフォームの複雑さを増大させ、プリフォーム表面の加工が必要なときは常に応力のかかったプリフォームがだめになりやすいからである。この一例は、吸収を最大にするために使用された矩形状クラッド（Snitzer他 ’光ファイバレーザと増幅器’米国特許第４，８１５，０７９号参照）である。しかしながら、応力生成領域は、クラッドを伝搬するモードを混合する有益な効果をもっており、ポンプ吸収の増大をもたらす。
【００１５】
次に、ポンプモードとしてクラッドを伝搬するモードに言及する。ポンプモードのモード混合を最大にし且つポンプ吸収を最適化するために、ファイバの外径に近接する応力生成領域は、最適化される。反面、ファイバコアから離れた応力生成領域は、より小さな複屈折を生成し、ファイバの偏光保持能を低下させる。一般的に、最適ポンプモード混合と最適偏光保持とに必要なことは異なり、最適なポンプモード混合の存在下で良好な偏光保持を達成する技術は記載されていない。
【００１６】
同様に、楕円コアの使用は、一般的に安定な偏光状態を維持するための十分な複屈折をいつも生成しない。さらに、楕円ファイバコアの使用により誘起される複屈折の量は、基本モードサイズの増加と共に減少する、ここで、大きな基本モードサイズは高パワー応用に向いている。
【００１７】
また別の提案では、非対称空気孔（A.Ortigossa他 ’高複屈折フォトニック結晶ファイバ’、Opt. Lett.,25,1325-1327(2000)）が偏光保持効果を得るために使用されてきた。しかしながら、このようなデザインは、６３μｍの外側ファイバ径に関して使用されただけである。したがって、偏光安定動作を達成するためには、波長１．５４μｍでは１ｍｍ未満の偏光ビート長が必要とされた。外側ファイバ径あるいはファイバ被覆の最適化、あるいは偏光保持ファイバ増幅器としてのそのようなファイバの使用については何も記載されていない。偏光安定出力を発生させるための別の取り組みとして、小さなドラムに巻き付けたファイバの使用が提案された（ＭＥ．Fermann他 ’集積化受動モードロックファイバレーザとその製作法’、米国特許第６，０７２，８１１号，Koplow他’外部供給の応力誘起複屈折を用いた偏光保持２重クラッドファイバ増幅器’、Opt. Lett.,vol.25,pp.387(2000)）。しかしながら、きついコイルはファイバの寿命を減少させるので問題である。寿命問題のために、制御して曲げることは小さい外径（≒＜２００μｍ）のファイバに限定される。明らかに、きつく巻かれたファイバは、長く延びるファイバのリード部を経由しての信号のファイバ供給を許容しない。さらに、高パワーファイバレーザを本当に発生させるためには、より大きな径のファイバの使用が、半導体レーザからのより多くのパワーをファイバに結合させることができるので、明らかに有利である。
【００１８】
ファイバコア内でのモード制御を単純化するためと、光ファイバのコア内のモード結合を減少させるために、これまでに大きな外径ファイバの使用が提案された（M.E.Fermann及びD.Harter ’マルチモード光ファイバに基づくシングルモード増幅器及び圧縮器’米国特許第５，８１８，６３０号）。この取り組みの限界は、典型的なファイバレーザと増幅器の閾値がポンプ強度に直接比例するということである。このように、より大きな外側のファイバ径は、議論されているファイバ増幅器あるいはレーザのより高い閾値と低効率動作とを引き起こす。
【００１９】
ファイバコア内でのモード結合を減らすための提案された別の方法は、二つのタイプの被覆を用いることである。ファイバのガラス表面を囲む最初の被覆は、相応して減少したヤング率と小さなポアッソン比をもつ軟らかい被覆であると提案された。二番目の硬い被覆は外側からファイバを保護するために提案され、二番目の被覆は増加したヤング率と大きなポアッソン比をもつ（S.T.Shiue ’長時間の静水圧誘起微少曲げ損失を最小にするための２重被覆光ファイバのデザイン’、Opt. Lett.,26,128-130(2001)）。しかしながら、そのようなファイバの希土類ドーピングは考えられていないし、さらに、ファイバの偏光保持能を最適化するための被覆デザインは何も与えられていない。
【００２０】
一般的に,これまでの方法はどれも、複屈折ファイバにおける偏光モード結合の量を最小にする方法を暗示していない。複屈折ファイバにおける偏光モード結合の量を減少させることができる現在までの唯一の技術は,ファイバ複屈折の最大化であった。対照的に、偏光モード結合の量と偏光モード分散とを減らすためと,小さな複屈折の値で光ファイバの偏光保持能を増やすために、我々はここに大きいファイバ径あるいは最適ファイバ被覆の使用を開示する。さらに,我々は、外側のガラスクラッドを相対的に小さな内側円形クラッドに付加することで、大きな外側クラッドがファイバコア内モード結合の減少を確実にしながらポンプ光が内側クラッド内を導波されるような偏光保持大外径ファイバ増幅器あるいはレーザの効率を改善することを開示する。偏光保持光ファイバの効率の類似の改善は、最適化されたファイバ被覆と共に,相対的に小さいファイバクラッド径を使用することで達成される。高パワーファイバ増幅器の非線形性を最小化するために、マルチモードファイバ増幅器の使用が提案された(米国特許第５,８１８,６３０号とM.E.Fermann他,米国特許第.５，８８０，８７７号、参照)。これら両特許には、偏光保持ファイバと２重クラッドファイバの使用が開示されている。ここに参照された’８７７号には、ファイバコアを囲む内側クラッドの使用も開示されている。しかしながら,これらの特許はクラッド形状を制御して高パワーファイバ増幅器の非線形性を最小化する方法を開示していない。
【００２１】
クラッド形状は,ファイバの長さに沿う均一なポンプ吸収率を作り出すために、一般に最適化される（Snitzer他、米国特許第４，８１５，０７９号、Martin H,Muendel他、米国特許第５，５３３，１６３号、D.J.DiGiovanni他、米国特許第５，９６６，４９１号、及びS.Grubb他、米国特許第６，１５７，７６３号、参照）。Snitzer他にはシングルモードコアをもつ矩形クラッドが開示されており、Muendel他には平面を張る多角形がクラッド形状に対して開示されており,Grubb他では、内側ファイバクラッドの外側の二つの垂直面が均一なポンプ吸収を与える。D.J.DiGiovanni他では、３重クラッドが均一なポンプ吸収を与えており、ここで、最初のクラッドは非対称形状をしており、２番目のクラッドは円形で、３番目のクラッド材はポリマ被覆材である。さらに、DiGiovanniは、最初のクラッドに非円形の応力生成領域を用いることも提案している。
【００２２】
これらの特許はいずれも、クラッド内でのポンプ吸収を最適化するため、あるいはそのようなファイバを真直ぐ融着できるようにするための５角形,７角形あるいは歪んだ６角形のような対称クラッド形状の使用を、開示していない。さらに、DiGiovanniは、クラッド内への円形応力生成領域の使用を開示していない。さらに,これら参考特許のどれも、非均一なポンプ吸収率を与えるための円形内側クラッドを開示していない。同様に、これら特許のどれも、非均一なポンプ吸収を与えるための円形内側クラッドをもつマルチモードコアを開示していない。
【００２３】
モードロックファイバレーザの分野では、高複屈折ファイバの区間で安定な動作をするために、いくつかの技術が開示されている。一つのアプローチでは、偏光依存損失の導入が、一つの偏光軸に沿って確実に動作するために、提案された（M.E.Fermann他、米国特許第５，６２７，８４８号；M.E.Fermann他、米国特許第６，０７２，８１１号と一緒に、類似技術としてのH.Lin他、米国特許第６，０９７，７４１号も参照のこと）。最初の’８４８号特許には、フィルタあるいはバルクの回折格子のような波長調節要素の使用が開示されている。しかしながら、中複屈折ファイバのファイバ区間をもつモードロックレーザを安定に動作させることができるファイバデザインは,全然開示されていない。Fermannの’８１１号特許には、安定モードロック動作は、波長１．５５μｍで＜４ｍｍの偏光ビート長をもつ高複屈折ファイバ区間を必要とすることが開示されている。そこで議論された例では、波長１．５５μｍで＜４ｍｍのビート長が偏光安定動作を得るために使われた。さらに,上記３つの特許のいずれも、いくつかの区間の高複屈折ファイバをもつファイバレーザでパルスの安定を達成する具体的な可飽和吸収体を記述していない。
【００２４】
モードロックファイバレーザにおいて、取得可能な出力パワーを増大させるためにいくつかの技術が同様に提案されてきた。（好ましくない）高い偏光感受性の共振器と関連して、異なる値の分散をもつファイバの使用が記述されている（田村他’拡張パルスファイバレーザ、米国特許第５，５１３，１９４号）。別の技術は、大きな値の負（ソリトン−支持）分散をもつシステムを動作させるための高チャープファイバ回折格子の使用を暗示している（M.E.Fermann他’モードロックレーザにおいて発振パルス幅の分散制御によって高パワー光パルスを発生させる技術’、米国特許第５，４５０，４２７号参照）。高チャープファイバ回折格子の使用の欠点は、発生したパルス長が全誘起負分散の平方根に比例して増加するということであり、このことは、明らかに達成可能な短パルスに役立たない。
【００２５】
最後に,別の方法は、基本モードサイズの増加と可能な出力発振パワーの増加とのために、マルチモードファイバの使用を必要とする（M.E.Fermann,USAN09/199,728,filed November 25,1998）。しかしながら、非均一なポンプ吸収の使用はこの点について暗示されなかった。さらに、そのようなレーザの安定性を最適化するための具体的な可飽和吸収体のザインは全然開示されなかったし、偏光補償素子なしでレーザの安定性を最適化するための具体的なファイバデザインは開示されなかった。
【００２６】
さらに、今日までに実証されたすべてのモードロック技術（例えば,Fermnn他6,072,811;Lin他6,097,741；田村他5,513,194；Fermann他5,450,427；Fermann他USAN09/199,728）は、共振器内の自己位相変調の最大値を約πにするだけのように、制限される。レーザ共振器内の自己位相変調の量が、発生した光パルスのピークパワーに直接比例するので、少量の許容できる自己位相変調は明らかに制限要因である。そのようなレーザシステムの別の特徴は,少量の自己位相変調により,発振スペクトルパルス幅がどんな共振器内フィルタのバンド幅より小さい、ということである（田村他，’ソリトンファイバレーザでのフィルタリングの最適化’IEEE Photonics Techn.Lett.,6,1433-1435,(1994)参照）。大きな自己位相変調量が存在するとき、光パルスのバンド幅は、どんな共振器内光学要素のバンド幅限界よりも大きい、レーザ動作を可能にする具体的な可飽和吸収体デザインは全然開示されなかった。
【００２７】
モードロックレーザの分野外では、放物線パルスの使用が、ファイバ増幅器からの取出し可能な出力パワーの増大のために、提案された（M.E.Fermann他、’モジュール化、波長可変,高エネルギ超短パルスファイバ光源’USAN09/576,772,filed May23,2000）。しかしながら,放物線パルスのファイバ共振器への使用は開示されなかったし、さらにモードロックファイバ共振器の出力パワーの最適化のための放物線パルスの有効な使用方法は、今日まで全然開示されなかった。さらに,放物線パルスが、＞πの共振器内自己位相変調の値をもつモードロックファイバレーザの製作を可能にし、その結果、光出力パルスのバンド幅が、任意の共振器内バンド幅制限光学要素のバンド幅限界より大きくなる、ということは開示されなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
上記従来の技術の問題点を解決する偏光保持ファイバ、システム及びファイバレーザを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、理想的な偏光保持光ファイバに関する。このファイバでは、偏光モード結合と偏光モード分散が、いくつかの技術で、特にファイバ径の増加によるファイバコア応力の減少で、制限される。結果として,多くのより小さい次元のモード結合とモード分散が、小さい径のファイバに比べ達成される。一般に、応力生成領域は、そのようなファイバに偏光保持動作を最適にするために導入される。これら応力生成領域は円形形状である。
【００３０】
そのようなファイバに希土類をドープすることで、高パワーで良好な偏光ファイバレーザ及び増幅器が偏光補償素子なしで作られる。そのようなファイバレーザのレーザあるいは増幅器閾値と効率は、少なくとも一つの’ソフト’及び一つの’ハード’被覆層と共に小さな内側クラッド径を使用することで最適化され、ここで、最初の被覆が’ソフト’で２番目の’ハード’被覆は拡大した径をもつ。
【００３１】
レーザあるいは増幅器の閾値も、５角形、７角形あるいは歪んだ６角形のような非円形で面を張らない対称なクラッド形状を用いることで、最小化される。そのようなファイバレーザ及び増幅器の連続波、パルス、あるいはモードロック動作のいずれも可能である。そのようなファイバレーザの非線形性は、ファイバコアを囲む小さな円形内側クラッドを追加することによる、非均一なポンプ吸収を与えることで、最小化される。そのようなクラッド構造でのラセン状光線の減少された吸収は、ファイバの長さに沿ってのポンプ吸収の減少をもたらす。結果として、大きな利得が、高いポンプ吸収をもつ短い区間のファイバで生成されるだけである。デバイスの総合効率は、ファイバコアサイズに関して内側クラッドのサイズを制限することで保証される。大きな量のポンプ光は、マルチモードコアが使用されるとき内側クラッドに結合される。
【００３２】
ファイバレーザがモードロックモードで動作するとき、偏光安定動作は、中複屈折ファイバで達成される。この場合、ファイバの二つの偏光固有モード間の偏光ウオークオフは、発生したパルス幅に比べて小さいということが保証される。任意の径のファイバでは、偏光安定モードロック動作は、高複屈折ファイバ区間をもつファイバ共振器で可能である。受動モードロックは、共振器内に可飽和吸収体を導入することで可能にされる。モードロックの安定性は、可飽和吸収体の寿命が各ファイバ区間での偏光固有モード間のシングル−パス群遅延より小さいときに保証される。
【００３３】
より一般的には、受動モードロックレーザ共振器で漏れ反射がある場合、パルスの安定性は、主パルスと漏れ反射で発生した’漏れ’パルスとの間の時間遅延が共振器内可飽和吸収体の寿命より長いとき、保証される。特に、安定な受動モードロックマルチモードファイバレーザは、可飽和吸収体の寿命がファイバ内の最初のモードと次の高次モードとの間のシングル−パス群遅延より短いときに、作られる。
【００３４】
代替として、高パワーのファイバレーザは、強く吸収する可飽和吸収体はもちろん、正分散の希土類ドープ増幅器ファイバと狭バンドパスフィルタとを使用して作られる。この条件では,厳密に放物線に近づく共振器内での生成パルス（以下では放物線パルスと呼ぶ）は安定で、共振器内での自己位相変調の大きな増大を可能にし、反面、ガウシアンあるいはsech2型パルスに基づく共振器に比べパワーの増大を可能にする。そのような共振器デザインは、中複屈折低偏光モード結合ファイバのデザイン及び出力パワーの更なる増大のためのマルチモードファイバと両立もできる。ファイバレーザ共振器内での高エネルギ放物線パルスの生成は、共振器内利得媒質のバンド幅あるいは共振器内フィルタバンド幅より大きい光パルスのバンド幅で、一般的に特徴づけられる。さらに、共振器内での高エネルギ放物線パルスの安定性は、可飽和吸収体の寿命が共振器内での最大パルス幅の約５倍より短いときに保証される。共振器の安定性は,可飽和吸収体を深い飽和状態で動作させることによって、すなわち、飽和エネルギの少なくとも２倍のパルスエネルギを吸収体に照射することによって、さらに高められる。可飽和吸収体の最適な位置は、共振器内フィルタの後で、これら両方の素子は、共振器の出力端に位置する。共振器内の分散素子による部分的な分散補償の付加は、パルスの安定性をさらに高める。これらの分散素子は,理想的には可飽和吸収体の前に配置される。可飽和吸収体の線形損失は、吸収体への光照射の光吸収を用いての可飽和吸収体の光学的加熱によってさらに増大される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による大きな径の偏光保持ファイバを図式的に例証している。
【図２】ａは本発明によるファイバの典型的な屈折率分布を図解している。ｂは別のプリフォーム作製技術で作製されたファイバの屈折率分布を図解している。
【図３】ａは出力端ポンピングを用いた本発明によるファイバレーザの構成を図解している。ｂは図３ａのファイバレーザの利得分布を図解している。
【図４】ａは第１クラッドに導入された応力ロッドをもつ本発明による円形コアファイバを図解している。ｂは複屈折を最適化するために第１クラッドに空気孔が導入された図４ａの代替物を図解している。
【図５】ａはソフトな内側被覆とハードな外側被覆を用いる楕円コアファイバの実施形態を図解している。ｂは空気孔を有するクラッドで囲まれた円形コアを用いているが,図５ａに似ているファイバを図解している。
【図６】ａはポリマ被覆の形の外側クラッドで囲まれた５角形の外形線をもつ内側クラッドを備えたファイバを図解している。ｂは７角形の外形線とポリマで被覆の形の外側クラッドをもつ内側クラッドを備えたファイバを図解している。ｃは、非対称形状の外形線の非等辺６角形、すなわち一辺が短くポリマ被覆の形の外側クラッドをもつ６角形をした内側クラッドを備えたファイバを図解している。
【図７】ａは、非円形の応力生成領域とポリマ被覆の形の外側クラッドと合体した５角形の外形線をもつ内側クラッドを備えた偏光保持ファイバを図解している。ｂは、円形応力生成領域とポリマ被覆の形の外側クラッドと合体した７角形の外形線をもつ内側クラッドを備えた偏光保持ファイバを図解している。ｃは、非対称形状の外形線の非等辺６角形、すなわち円形応力生成領域とポリマ被覆の形の外側クラッドと合体した一辺が短い６角形をした内側クラッドを備えた偏光保持ファイバを図解している。
【図８】マルチモードコアを含むことができる側方ポンプのモードロックファイバ増幅器を図解している。
【図９】共振器内に高複屈折ファイバ区間を有するファイバレーザへの本発明の応用を図解している。
【図１０】きつく巻き付けられた近似的に等方性のファイバを有するファイバレーザへの本発明の応用を図解している。
【図１１】分散補償を備えた端面ポンプのモードロックファイバレーザを図解している。
【図１２】図９に類似の実施形態を図解しており,ここでは、分散補償がファイバ内回折格子である。
【図１３】放物線パルスの生成を可能にするために出力のバンド幅が共振器内フィルタのバンド幅より大きいファイバレーザの実施形態を図解している。
【図１４】図１１のレーザにおけるフィルタの透過スペクトルと出力パルスのスペクトルの比較をしている。
【図１５】正分散で動作する導波路型増幅器システムの一般化された描写である。
【図１６】偏光保持ファイバレーザシステムの一般的な例を図解している。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
偏光保持型で大きな径のファイバの模式図が図１に示されている。ファイバコアは,ファイバの偏光軸を決めるために楕円形をしている。ファイバは、円形（あるいは非均一）の内側第１クラッドと非均一（あるいは円形）の外側第２クラッドとを有する。ここで,括弧は円形と非均一クラッドの位置が置き換え可能であることを示している。第２クラッドの屈折率は第１クラッドの屈折率より低い。原理的には、どんなクラッド形状でも、非均一なクラッドが第１クラッドであろうと第２クラッドであろうと、非均一なクラッドに使用することができる。適当な屈折率差をもつ任意のガラス組成も使用できるが、第１クラッドはゲルマニウムドープシリカからなり、第２クラッドは最大屈折率差を得るためにフッ素化ガラスからなる。
【００３７】
ファイバは円形プリフォームから出発して作られ、そのときプリフォームは両側が楕円形に加工される。加熱といくつかの付加的な引き伸ばしにより、表面張力を利用して、プリフォームは円形に戻り、円形の内側クラッドを形成する。結果として、ファイバコアは楕円であり、内側クラッドは円形である。第２クラッドは、適当な第２クラッド材料（弗化あるいは硼化珪酸塩）の基体チューブを円形プリフォームに被せ、そのあと元のファイバプリフォームにそのチューブを融着することで作られる。第２クラッドは第２クラッドの外側を任意の形状にするために加工される。低屈折率をもつ３番目のクラッド（被覆）は、適当なポリマ材料で第２クラッドを被覆することで作られる。そのようなファイバの屈折率分布が図２ａに示されている。
【００３８】
あるいは、第１クラッドは,プリフォームの作製中、ゲルマニウム,アルミニウムあるいはリン珪酸塩を大量にドープしたファイバコアの回りに直接堆積される。この第１クラッドはコアに比べドーピングレベルを減らして作られる。クラッドの開口数は大量のポンプ光を結合できるようにするため大きく（０．１５より大きく）あるべきであり、円形あるいは楕円形（図示せず）の断面をもつことができる。外側クラッドはプリフォーム基体材料を適当に加工することで作られ、その後に上述のように被覆される。そのようなファイバの屈折率分布が図２ｂに示される。
【００３９】
図１に示すファイバの中央部あるいはファイバコアは、偏光保持増幅器としてファイバを使用できるようにするため任意の希土類ドープ材料でドープされる。この場合、上で議論したような円形の内側クラッドをもつファイバデザインは,図３ａに示すように、ファイバ増幅器の出力端からの端面ポンピングが実施されるとき、ファイバの長さに沿う非均一な吸収係数を保証する。ここで、信号光は左側から注入され、ポンプ光は右側のファイバ増幅器の出力端から注入される。内側クラッド内でのラセン光線の減少した吸収のため、ポンプ光の有効吸収係数はファイバに沿って減少する。結果として、単位長さ当たりの有効信号利得は、増幅器の出力端に向かって大きく増大し、図３ｂに図解するように増幅器の出力端区間でのみ大きな利得をもつ構造を作る。長さＬのファイバ増幅器で達成できるピークパワーは、一般に、Ｌeff＝［１−ｅｘｐ（−ｇＬ）］／ｇ（一定利得ｇの場合）で与えられる有効増幅器長に反比例し、増幅器の出力端での大きな利得は、短い有効増幅器長を作り出し、相応して大きなピークパワーをもつ光信号の発生を可能にする。非均一な２番目のクラッドは、第１と第２クラッドの界面間での散乱はもちろん、２番目のクラッドを伝搬する光線に対して有効な吸収を与える。
【００４０】
２番目のファイバクラッドは取り除くことができるが、そのときファイバはファイバ内での偏光モード結合を最小にするために＞１５０μｍの外径をもつべきである。ファイバの外側は任意の形状をもつことができる。図４ａと図４ｂに示すように、最適な複屈折の度合を得るために、任意の応力生成領域(図４ａ)あるいは選択的なファイバ孔(図４ｂ)がファイバクラッドに導入される。内側のクラッド内の応力生成領域（あるいは空気孔）は、図４ｂに示すように異なる形状をもつことができる。応力生成領域あるいは空気孔がないと、ファイバコアの主／副軸の比は１．１より大きくなければならない。応力生成領域があると、円形のファイバコアを使用できる。２番目のクラッドの中に含まれるものがあってもなくても、ファイバの全外径は、１５０μｍより大きくなければならず、ファイバ複屈折は１×１０-6より大きくなければならない。ファイバの外側は、ファイバの保護のためにポリマ被覆で囲まれる。ファイバの偏光保持能をさらに増大させるために、ソフトな内側被覆とハードな外側被覆がファイバの外側に用いられる。そのような被覆材の可能な選択は、シリコーン内側被覆とアクリル外側被覆との使用である。この場合、任意のファイバ径が使用でき、２番目のクラッドは取り除くことができる。そのような偏光保持ファイバの二つの例が図５に示されており、ここで、図５ａは楕円コアを有し、図５ｂは僅かに非対称な空気孔で囲まれた円形コアを有している。図４と５に示されたファイバの中央部あるいはファイバコアは、偏光保持増幅器としてファイバを使用できるようにするために任意の希土類ドーピング材でドープされる。
【００４１】
図４ａに示すデザインのファイバの典型的な偏光保持能が下の表１に記載されている。ファイバは近似的に円形コアをもち、ファイバ１以外のすべてはクラッド内に応力生成領域が導入されている。ファイバは２ｍの長さで、１０ｃｍの径のリールに巻かれているファイバは”２重クラッド”で、１番目のクラッドと低屈折率のポリマ被覆とを有する本当の２番目のクラッドはない。ファイバはＹｂで約２モル％のドーピングレベルにドープされた。偏光消光比は、光がファイバの第１偏光軸の入力端に結合されるとき、ファイバの第２偏光軸（ファイバ出力端で測定された）に結合される光の量である。
【００４２】
ファイバ３と４を比較することによっても、ファイバ５と６を比較することによっても、ファイバでの偏光消光比は、同じ偏光ビート長の場合、単純にファイバの外径を増大させることで、一般的に改善されることがわかる。ここでコア径の変化は全体のファイバ径に比例し、偏光保持能に直接影響することはない。偏光消光比はファイバの偏光保持能の測定値であるので、ファイバ径の僅かな増加が偏光保持能を一桁増大させる。この利点はファイバ複屈折の任意の値に対して持続するが、外径が１２５μｍの通常のファイバが、中間値で明らかに最も有利であり、与えられた大きさの複屈折の場合偏光保持動作をさせない。この中間値は１×１０-6から１×１０-4の複屈折の値を含む。ここでは、この範囲の複屈折をもつファイバを中複屈折ファイバと呼ぶことにする。１μｍの波長で、中複屈折に対して相当する偏光ビート長は、それぞれ１００ｃｍと１．０ｃｍの間である。
【表１】
【００４３】
有効な２重クラッドファイバは、一つの内側クラッドとポリマ被覆の形の外側クラッドとだけをもつファイバの実装によっても作られる。この場合、５角形の内側クラッドは図６ａ）に示すように実装される。ここでコアはマルチモードあるいはシングルモードである。そのようなクラッド形状は、ポンプモード結合を最適にし、ファイバ内でのポンプ吸収を最適にする小さな内角をもつ。大きなポンプ吸収は、高パワーパルス増幅器としてのそのようなファイバの応用にとって、明らかに有益である。７角形のクラッド形状は、図６ｂ）に示すように同様に可能である。７角形はクラッド面間の内角がより小さいためにより少ないポンプモード結合をもたらすが、そのような構造の完全な円への非常な近接のためにそのようなファイバは融着が容易で、多くの応用に望ましい。
【００４４】
これら二つのクラッドは対称であるが、平面を張ることはないということを忘れないで欲しい。しかしながら、そのようなクラッドは、ラセン光線の有効な吸収をもたらすファイバ内ポンプモードのモード結合を可能にする。結果として生じる均一なポンプ吸収により、そのようなファイバは、高ピークパワーパルス用増幅器として使われたとき、最も高い可能なパワーを得るために使われる必要がない。代わりに、９辺あるいは１１あるいは、一般的に（２ｎ−１）辺の多角形、ここでｎ＞４、も実装される（図示せず）。
【００４５】
ラセン光線の改善された吸収は、図６ｃ）に示すような径的に非対称で非等辺の６角形を使うことで達成される。そのようなクラッド形状の対称性の減少レベルのために、よりよいポンプモード結合が得られ、ポンプモード結合の最大化をもたらす。多重被覆と２番目の非円形内側クラッドを合体させるこれらのクラッドデザインの変更も可能であるということを忘れないで欲しい（図示せず）。
【００４６】
図７に示すファイバデザインの偏光保持動作を可能にするために、非円形の応力生成領域が追加される。例えば、図７ａに示すように、非円形（あるいは円形）の応力生成領域が図６ａからのファイバ断面に追加される。５角形ファイバと一緒の円形応力生成領域は別々に示されない。そのようなファイバは、シングルモードあるいはマルチモードコアをもつことができる。円形の応力生成領域は７角形ファイバと共に図７ｂに示されている。一般に、円形の応力生成は、任意の２重クラッドあるいは３重クラッドファイバに合体され、ここで、１番目の内側及び／あるいは２番目の内側クラッドの両者は、非均一である。図７ｃは偏光保持ファイバの別の実施であり、径的に対称で非等辺の６角形を合体させている。図６と図７における本発明の形態の各々で、ファイバコアは、マルチモードあるいはシングルモードでよい。
【００４７】
表１に挙げられたファイバは、受動モードロックＹｂファイバレーザの共振器の一部としても試験された。本発明のモードロックシステムの一般化された図解が図８に示されている。ファイバは、クラッドに結合された高パワーポンプレーザからの空間的にインコヒーレントな光で側方ポンプされた。バンドパスフィルタ（Ｆ）は、中心波長１０４０ｎｍで３ｎｍのスペクトルバンド幅をもっていた。偏光子（Ｐ）はファイバの偏光軸の一つに調整された。可飽和吸収体は、ヒートシンクに取り付けられた金フィルムの上に堆積された０．６４μｍの厚さと１０４０ｎｍのバンドエッジをもつＡｌＩｎＧａＡｓのフィルムであった。その吸収体のキャリア寿命は、１ｐｓのオーダであった。４％反射の垂直に劈開された共振器内ファイバ端は、出力結合ミラーとして役立った。ファイバ長さが２ｍの場合、レーザは、ファイバのコアサイズに依存する平均パワー１０−４０ｍＷで、繰り返し≒５０ＭＨｚのパルスを発生した。発生したパルス幅は典型的に２ｐｓであった。
【００４８】
しかしながら、低複屈折と相応して長いビート長とをもつファイバだけが安定なモードロックを起こした。その理由は、小さい値の複屈折の場合、第１偏光軸を伝搬する主信号と第２偏光軸を伝搬する任意の２番目の信号は、一緒にロックし、共振器内で発振できる単一結合偏光状態を発生するからである。ファイバの複屈折が高すぎると、主信号と２番目の信号がロックしなくなり、モードロック過程の不安定で時間的に変化する動作をもたらす。単一偏光状態で安定なモードロックパルスを得るためには、外径が＞１２５μｍの中複屈折ファイバの使用で可能になるように、小さい複屈折の値に対しては大きな偏光消光比が必要とされる。さらに、径が＞１２５μｍのファイバの使用は、ファイバをより曲がり難くくし、ファイバの曲がりがある場合偏光モード結合を小さくもする、すなわち、大きな径のファイバは、小さな径のファイバに比べ偏光消光比の低下が小さいコイルを可能にする。偏光モード結合を最適化するために、二つのファイバクラッド及び／あるいは二つ（あるいはそれ以上）の適当に選定された被覆材層も実装される。
【００４９】
図８に示す共振器も、横モードを１以上維持するコア径１１μｍ（ファイバ＃４）のマルチモードファイバで、安定なパルスを発生した。安定なパルス動作を可能にするためのファイバテーパが、モードフィルタとしてファイバ端近くのファイバに合体された。そのテーパは、個別には示されてない。外径を２００μｍから１００μｍにテーパ化することで、コア径は同様に１１μｍから５．５μｍにテーパ化され、シングルモード動作を可能にする。結果として、ファイバ内の基本モードが９９％の効率で一般的に励起された。この場合に安定なモードロックを確実にするために、可飽和吸収体の寿命は、ファイバ内の基本モードと次の高次モードの間のシングルパス群遅延より短くなければならなかった。その理由は、次の高次モードが共振器の各端部でファイバの基本モードに小さなパルスを結合させるためである。この小さなパルスは、主パルスに関して遅延した時間を得る。しかしながら、その小さなパルスは、２番目の時間遅延パルスの成長のために注入信号を発生する。別のパスの後で、さらに別の時間遅延パルスが発生される。以下同様に発生される。任意の副次的パルスの成長は防止されるが、副次的パルスが可飽和吸収体に強く吸収されるなら、可飽和吸収体の寿命が基本モードと次の高次モードとの間のシングルパス群遅延より短くなければならない。
【００５０】
一般に、共振器内部の疑似反射があると、可飽和吸収体の寿命は、疑似パルス（疑似反射で発生された）と共振器内の主パルスとの間の時間遅延より小さくなければならない。例えば、共振器内に二つの高複屈折ファイバ区間を組み入れたモードロックファイバレーザが図９に示されている。そのファイバ区間の偏光軸は、当然互いに平行あるいは反平行であると考えられる。偏光軸の小さな避け難い調整ミスにより、”間違った”偏光軸を伝搬する小さなパルスがファイバ区間の間の各接続部で発生される。したがってパルスの安定性は、各ファイバ区間での偏光固有モード間のシングルパス群遅延が、発生したパルス幅より大きいことを必要とする。例えば、ファイバ区間が波長１．５５μｍで３ｍｍの偏光ビート長と相応する５×１０-4の複屈折をもつとすると、偏光群遅延は２ｍのファイバ区間で≒３．５ｐｓである。長さ２ｍのファイバ区間の場合、可飽和吸収体は、モードロックレーザの最適な安定化を確実にするために３．５ｐｓ以下の寿命をもたなければならなかった。
【００５１】
多層被覆ファイバあるいは外径が＞１２５μｍのファイバのモード結合の減少度合も、Fermann他の米国特許第６，０７２，８１１号に開示されているように、等方的にきつく張力のかかったファイバコイルの偏光保持能の改善を可能にする。そのようなファイバは、微少曲げが誘導するモード結合にもっと少なく感じるので、改善された偏光消光比が得られる。そのようなファイバは、図８の中あるいは高複屈折ファイバの直接の代替として使用される。近似的に等方的な張力コイルファイバを組み入れたモードロックファイバレーザ共振器が図１０に示されている。最適なレーザの安定性のためにファイバコイル内で偏光状態が近似的に直線であることを確実にするため、ここで、追加の波長板（ｗ１、ｗ２）が共振器の各端部に組み入れられる。
【００５２】
側方ポンプよりむしろ２色ビームスプリッタを通しての端面ポンプモードロック発振器が、図１１に示されるように用いられる。利得ファイバは、中複屈折、高複屈折あるいはマルチモードファイバを組み入れることができる。真直ぐ劈開したファイバ端は、出力結合の量を減らすために誘電体ミラーでコートされる。あるいは、外部ミラーも出力結合器として使用された。一つあるいは二つのバルク回折格子対、プリズム対あるいはグリズム（grism）対、のような分散補償素子（ＤＣ）も、より短いパルスを発生させるためとモードロック動作を簡単にするために共振器内に組み入れられる。さらに、可飽和吸収体ミラー（ＳＡ）は標準ミラーで置き換えられ、追加の光変調器が能動型モードロックを通しての短パルスの発生を可能にするために共振器（個々に示されない）内に組み入れられる。光学フィルタ（Ｆ）もそのような共振器の一部である。
【００５３】
モードロック発振器も、図１２に示すように共振器構成部品のさらなる集積化のために利得ファイバに直接描画されたファイバ回折格子を使うことで作られる。また、利得ファイバは、中複屈折、高複屈折、あるいはマルチモード（ＭＭ）ファイバを組み入れることができる。回折格子は、必要な出力特性のレーザに応じてチャープあるいはアンチャープされる。ポンプ光が可飽和吸収体のファイバ端から注入されるか、あるいは、側方ポンプの形が用いられるとすると、付加的な信号増幅のための付加的な増幅器ファイバが、共振器のファイバ回折格子端に融着され、その結果、非常にコンパクトな高パワーファイバレーザがもたらされる。そのようなシステム構成は、個別には示されていない。
【００５４】
モードロックファイバレーザの一実施形態が図１３に示されている。分散補償素子（ＤＣ）の組み入れは選択性であるが、分散補償素子が負分散を与え、全（正）ファイバ分散の約５０％補償するなら最良のシステム性能が得られる。フィルタ（Ｆ）は、ファイバの利得バンド幅（ＦＷＨＭ）以下のバンド幅（ＦＷＨＭ）をもつ。ＮｄあるいはＹｂファイバレーザの場合、最適なフィルタバンド幅は、１−３０ｎｍの範囲である。その利得ファイバは、正分散をもつ。そのファイバは、偏光保持型で中複屈折型であり、高複屈折ファイバあるいはＭＭファイバが用いられる。偏光子はファイバの一つの偏光軸に調節される。放物線型パルスの生成は、高吸収性の可飽和吸収体を使用するときに可能になる。その可飽和吸収体の線形吸収は９０％である。可飽和吸収体も深い飽和状態で動作すると、共振器内で高パワーパルスが分解する傾向が抑制される。結果として、線形にチャープした高パワーの放物線型パルスが発生される。放物線型パルスは相対的に自己位相変調に不感であるので、放物線型パルスのエネルギは、ソリトンやガウシアン型パルスに比べ非常に高い。放物線型パルスを得るためのキーパラメータは、発生した出力パルスのスペクトルバンド幅で、これは共振器内のフィルタのバンド幅より大きく、その特徴は、他のモードロック技術では得られない。モードロックＹｂ発振器の場合に得られるパルススペクトルの典型的な例を共振器内のフィルタのバンド幅と比較して図１４に示す。共振器内のフィルタのバンド幅に比べて増加したそのスペクトルバンド幅は、理想的な度合であり、それによって共振器内のパルスは放物線型のパルス形状になる。高パワーの放物線型パルスの発生は示されるようなファブリ−ペロ型共振器に限定されないが、共振器内の正分散増幅導波路や狭いバンドパスフィルタをもつ任意の導波路型レーザ共振器デザインが実施される。パルスのバンド幅が、共振器内のフィルタのバンド幅を越えるときはいつでも、近似的な放物線型パルスの生成が起こる。放物線型パルスの発生の最適な安定性は、吸収体の寿命が発生したパルスの最大幅の５倍より短いときに保証され、発生したパルスの１倍以下の寿命の可飽和吸収体が望ましい。
【００５５】
図１３に示す放物線型パルス発振器の特定のデザイン例では、共振器内のＹｂファイバ長が４ｍで、光学フィルタは１０ｎｍのバンド幅をもち、吸収体の非飽和損失が９０％で、可飽和吸収体が分散補償素子を有する共振器内の端部に配置された。その可飽和吸収体は４ｐｓの寿命をもっていた。分散補償素子は、正のファイバ分散の５０％を補償するように調整された。出力結合ミラーは１．０５μｍの信号波長に対して８０％の反射率をもっていた。レーザは、２０ｎＪのパルスエネルギに相当する５００ｍＷ以上の平均パワーをもつパルスを発生した。そのパルスは近似的に線形チャープしており、別の分散補償素子（図示せず）のセットで近似的にバンド幅限界まで再圧縮された。
【００５６】
上のシステムは、正分散増幅導波路をもつユニット、部分的な分散補償、光学バンドパスフィルタ及び振幅変調機構を有する正分散体制で動作する図１５に示すような一般的な光学システムの一表示である。一般に、部分的な分散補償、すなわちフィルタリング機能と振幅変調機能も導波路素子で与えられる。そのような光学システムは、ファブリ−ペロレーザ共振器、リングレーザ共振器の一部、あるいは電気通信で用いられるような長距離光伝送システムの一部である。
【００５７】
偏光保持の中複屈折ファイバは、他のファイバレーザあるいは増幅器の応用にも使用される。そのようなファイバの偏光保持増幅器としての一般的な例が図１６に示されている。この例では、信号光が偏光保持ファイバと偏光保持融着を通してＰＭ増幅器に結合される。そのような融着は、融着前に二つのファイバを適切に回転させることで達成される。その増幅器は端面ポンプあるいは側方ポンプされる。ポンプ光は、増幅器ファイバの端部か増幅器ファイバ内のどこかを通して注入される。
【００５８】
本発明に対する修正や変更は、前述の開示や教示からその技術に熟練した人には明らかであり、本発明は請求項で判断されるということを意図している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類ドープ材料でドープされた、マルチモードファイバコアと、
前記マルチモードファイバコアを囲む第１クラッドと、
前記第１クラッド内に設けられた応力生成領域であって、ファイバの特定の長さの範囲において波形歪みを生じさせることなく、前記マルチモードファイバコアにシングルモードの光を伝搬させる大きさの複屈折を、前記マルチモードファイバコアに生成する応力生成領域
とを備えることを特徴とする偏光保持ファイバ。
【請求項２】
前記シングルモードが基本モードであることを特徴とする請求項１に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項３】
前記応力生成領域が、少なくとも１の応力ロッドを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項４】
前記応力生成領域が、円形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項５】
前記第１クラッドを囲む被覆を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項６】
前記第１クラッドを囲む第２クラッドと、
前記第２クラッドを囲む被覆と、
を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項７】
少なくとも１００：１の偏光消光比を、２ｍのファイバの長さの範囲において示すことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項８】
前記複屈折が、１×１０-6より大きな値であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項９】
前記複屈折が、１×１０-6と１×１０-4の間の値であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項１０】
前記複屈折がモード結合とモード分散の少なくとも一方を制限することにより、前記特定の長さの範囲において前記波形歪みを生じさせることなく、前記マルチモードファイバコアに前記シングルモードの光を伝搬させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項１１】
前記ファイバの外径が少なくとも１２５μｍであり、前記マルチモードファイバコア中の偏光モード結合の量を最小にする手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項１２】
前記第１クラッドに、少なくとも１の空気孔を更に備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項１３】
信号源と、
前記信号源からの信号光を受光するように配置された、請求項１に記載の前記偏光保持ファイバからなる利得ファイバと、
前記利得ファイバをポンピングする少なくとも１のダイオードレーザと、
を備えることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項１４】
前記偏光保持ファイバに融着された他の偏光保持ファイバを更に備え、
互いに融着された２の偏光保持ファイバが、前記前記信号源からの前記信号光を結合するように配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のファイバレーザ。
【請求項１５】
共振器と、
請求項１に記載の前記偏光保持ファイバからなる利得ファイバと、
前記利得ファイバをポンピングする少なくとも１のダイオードレーザと、
を備えることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項１６】
可飽和吸収体を有するモードロック機構を更に備えることを特徴とする請求項１５に記載のファイバレーザ。
【請求項１７】
楕円の断面を有するマルチモードのファイバコアと、
前記ファイバコアを囲む第１クラッドと、
前記第１クラッドを囲む被覆と、
を有し、前記第１クラッドが、５角形、７角形、非対称非等辺６角形、非対称非等辺８角形、あるいはｎ＞４で（２ｎ−１）の辺をもつ多角形の断面形状をもち、前記ファイバコアにシングルモードの光を伝搬させることを特徴とする偏光保持ファイバ。
【請求項１８】
楕円の断面を有するマルチモードのファイバコアと、
前記ファイバコアを囲む第１クラッドと、
前記第１クラッドを囲む第２クラッドと、
前記第２クラッドを囲む被覆と、
を有し、前記第１クラッドは円形断面をもち、前記第２クラッドは非円形断面をもち、前記ファイバコアにシングルモードの光を伝搬させることを特徴とする偏光保持ファイバ。
【請求項１】
希土類ドープ材料でドープされた、マルチモードファイバコアと、
前記マルチモードファイバコアを囲む第１クラッドと、
前記第１クラッド内に設けられた応力生成領域であって、ファイバの特定の長さの範囲において波形歪みを生じさせることなく、前記マルチモードファイバコアにシングルモードの光を伝搬させる大きさの複屈折を、前記マルチモードファイバコアに生成する応力生成領域
とを備えることを特徴とする偏光保持ファイバ。
【請求項２】
前記シングルモードが基本モードであることを特徴とする請求項１に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項３】
前記応力生成領域が、少なくとも１の応力ロッドを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項４】
前記応力生成領域が、円形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項５】
前記第１クラッドを囲む被覆を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項６】
前記第１クラッドを囲む第２クラッドと、
前記第２クラッドを囲む被覆と、
を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項７】
少なくとも１００：１の偏光消光比を、２ｍのファイバの長さの範囲において示すことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項８】
前記複屈折が、１×１０-6より大きな値であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項９】
前記複屈折が、１×１０-6と１×１０-4の間の値であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項１０】
前記複屈折がモード結合とモード分散の少なくとも一方を制限することにより、前記特定の長さの範囲において前記波形歪みを生じさせることなく、前記マルチモードファイバコアに前記シングルモードの光を伝搬させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項１１】
前記ファイバの外径が少なくとも１２５μｍであり、前記マルチモードファイバコア中の偏光モード結合の量を最小にする手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項１２】
前記第１クラッドに、少なくとも１の空気孔を更に備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の偏光保持ファイバ。
【請求項１３】
信号源と、
前記信号源からの信号光を受光するように配置された、請求項１に記載の前記偏光保持ファイバからなる利得ファイバと、
前記利得ファイバをポンピングする少なくとも１のダイオードレーザと、
を備えることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項１４】
前記偏光保持ファイバに融着された他の偏光保持ファイバを更に備え、
互いに融着された２の偏光保持ファイバが、前記前記信号源からの前記信号光を結合するように配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のファイバレーザ。
【請求項１５】
共振器と、
請求項１に記載の前記偏光保持ファイバからなる利得ファイバと、
前記利得ファイバをポンピングする少なくとも１のダイオードレーザと、
を備えることを特徴とするファイバレーザ。
【請求項１６】
可飽和吸収体を有するモードロック機構を更に備えることを特徴とする請求項１５に記載のファイバレーザ。
【請求項１７】
楕円の断面を有するマルチモードのファイバコアと、
前記ファイバコアを囲む第１クラッドと、
前記第１クラッドを囲む被覆と、
を有し、前記第１クラッドが、５角形、７角形、非対称非等辺６角形、非対称非等辺８角形、あるいはｎ＞４で（２ｎ−１）の辺をもつ多角形の断面形状をもち、前記ファイバコアにシングルモードの光を伝搬させることを特徴とする偏光保持ファイバ。
【請求項１８】
楕円の断面を有するマルチモードのファイバコアと、
前記ファイバコアを囲む第１クラッドと、
前記第１クラッドを囲む第２クラッドと、
前記第２クラッドを囲む被覆と、
を有し、前記第１クラッドは円形断面をもち、前記第２クラッドは非円形断面をもち、前記ファイバコアにシングルモードの光を伝搬させることを特徴とする偏光保持ファイバ。
【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】
【公開番号】特開２０１２−２５３３７８（Ｐ２０１２−２５３３７８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８１６１３（Ｐ２０１２−１８１６１３）
【出願日】平成２４年８月２０日（２０１２．８．２０）
【分割の表示】特願２００９−１４２２３７（Ｐ２００９−１４２２３７）の分割
【原出願日】平成１４年３月１５日（２００２．３．１５）
【出願人】（５９３１８５６７０）イムラ アメリカ インコーポレイテッド (65)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２０日（２０１２．８．２０）
【分割の表示】特願２００９−１４２２３７（Ｐ２００９−１４２２３７）の分割
【原出願日】平成１４年３月１５日（２００２．３．１５）
【出願人】（５９３１８５６７０）イムラ アメリカ インコーポレイテッド (65)
【Ｆターム（参考）】
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