円筒状ベクトルビームを生成するシステム及び技法
【課題】光ファイバ・デバイスに関し、円筒状ベクトルビームを生成するシステム及び技法を提供する
【解決手段】本願発明は、基本ＬＰ０１モードでの信号伝搬に対応する入力光ファイバと、円筒状偏光のＴＭ０１モードとＴＥ０１モード並びに混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードを含むモードの線形結合を含む高次ＬＰ１１モード出力へ基本ＬＰ０１モードを変換するモードコンバータデバイスを有する。少なくとも１つの円筒状偏光モードへの結合が最小のクロスカップリングで可能とするために、少なくとも１つの円筒状偏光モードが他のモードの実効屈折率から十分に分離された実効屈折率を有するよう、スカラのＬＰ１１モードのモード輝度プロファイルのピーク振幅に近接した急峻な屈折率ステップを含む屈折率プロファイルを有する位相設計されたファイバを当該ＬＰ１１モード出力は伝搬する。
【解決手段】本願発明は、基本ＬＰ０１モードでの信号伝搬に対応する入力光ファイバと、円筒状偏光のＴＭ０１モードとＴＥ０１モード並びに混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードを含むモードの線形結合を含む高次ＬＰ１１モード出力へ基本ＬＰ０１モードを変換するモードコンバータデバイスを有する。少なくとも１つの円筒状偏光モードへの結合が最小のクロスカップリングで可能とするために、少なくとも１つの円筒状偏光モードが他のモードの実効屈折率から十分に分離された実効屈折率を有するよう、スカラのＬＰ１１モードのモード輝度プロファイルのピーク振幅に近接した急峻な屈折率ステップを含む屈折率プロファイルを有する位相設計されたファイバを当該ＬＰ１１モード出力は伝搬する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光ファイバ・デバイス及び方法に関し、詳細には円筒状ベクトルビームを生成するための改善されたシステム及び技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒状ベクトルビームは、ビーム軸の周りで回転対称な偏光状態を有する偏光ビームであり、放射状偏光ビーム及び方位偏光ビームを含む。放射状偏光ビームは、その固有の特性のために、最近、とりわけ興味深いものとなっている。放射状偏光ビームが高開口数システムで合焦されたときに生成される縦電界成分が、光軸に沿ってゼロ・ポインティングベクトルを有する高輝度をもたらす。この特性によって、回折限界、機能強化されたレーザ加工、効率的なレーザ・ピンセット及び量子情報のための原子双極子状態の調整によって受け入れられる大きさに収まる縦場スポット・サイズ（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ−ｆｉｅｌｄ ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ）が使用可能になる。
【０００３】
自由空間共振器またはファイバを使用して放射状偏光ビームを生成する現行の手法は、不安定性の問題を伴う。ファイバ・ベースの手法で克服しなければならない問題の１つに、放射状偏光ビームが、同一モード輝度プロファイルを共有するが異なった偏光ベクトル配向を有する、ほとんど縮退の他のモードと光ファイバ内で共存することがある。これらのモード間の偶然な結合によって、所望の放射状偏光モードではなく、よりよく知られている、回転に関して不安定な第１高次反対称（ｆｉｒｓｔ ｈｉｇｈｅｒ−ｏｒｄｅｒ ａｎｔｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）ＬＰ１１モード・パターンが生じる。
【０００４】
マルチモード・ファイバにおいて、ほとんど縮退する４つのモードのうちのいずれか２つのモードの結合から生じる、回転に関して不安定なＬＰ１１モードは、同一輝度パターンであるが異なる偏光配向で従来の基本ＬＰ０１モードが２倍縮退する一般的なシングルモード・ファイバ（ＳＭＦ）と似ている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＰ１１フィールド・パターンは、ファイバ中の最も軽微な摂動に対してさえ、回転するだけでなくその偏光ベクトルの配向も変化する。実際、以前の、ファイバを用いて放射状偏光モードを生成する試みで実現されたものは、非常に短く直線のセグメントで、かつ／またはバルク・レーザロッドとともに使用されるものに類似した空胴内の低いモード純度であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、従来技術のこれらの問題及び他の問題に対処し、本発明の一態様は、円筒状偏光ビーム（例えば放射状偏光ビーム、方位偏光ビーム）を生成する技法を提供する。基本ＬＰ０１モードでの信号伝搬に対応する入力光ファイバが提供される。基本ＬＰ０１モードが高次ＬＰ１１モード出力に変換されるモードコンバータ・デバイスに入力ファイバが結合される。高次ＬＰ１１モードは、円筒状偏光のＴＭ０１モードとＴＥ０１モード並びに混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードを含む、モードの線形結合からなる。ＬＰ１１モードの出力は、屈折率プロファイルを有する位相設計（ｐｈａｓｅ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）されたファイバを通って伝搬し、このプロファイルは、少なくとも１つの円筒状偏光モードが他のモードのそれぞれの実効屈折率から十分離れた実効屈折率を有してこの少なくとも１つの円筒状偏光モードと他のモードの結合が最小限になるように、スカラのＬＰ１１モードのモード輝度プロファイルのピーク振幅に近接した急峻な屈折率ステップを含む。そこで、所望の円筒状偏光のモードが出力としてもたらされる。
【０００７】
本発明のその他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１高次ＬＰ１１モードのモードフィールド像の図である。
【図２】図２Ａ乃至図２Ｄは、ＬＰ１１モードに関してほとんど縮退する４つのモードの一連のモードフィールド像の図である。
【図３】スカラのＬＰ１１モードに関するモード輝度プロファイルの図である。
【図４】本発明の一態様によって位相設計されたファイバ向けの所望の屈折率プロファイルの図である。
【図５】図４の屈折率プロファイルに従って製造されたファイバの断面図（原寸に比例しない）である。
【図６】図４の屈折率プロファイルに従って製造されたファイバから得られた実際の屈折率プロファイルの上に図３のモード輝度プロファイルを重ねた合成プロファイルの図である。
【図７】本発明によって分離されたＬＰ１１モードの波長に対して実効屈折率ｎｅｆｆをプロットしたグラフである。
【図８】図８及び図８Ａは、本発明のさらなる態様によって基本ＬＰ０１を円筒状偏光ビームに変換するためのモジュールの図である。
【図９】本発明による位相設計されたファイバの偏光特性を試験するための装置の図である。
【図１０】本発明によって分離されたＬＰ１１モードの波長に対して変換のパーセント値をプロットしたグラフである。
【図１１】図９の試験装置を使用して得られた結果を示す一連の近接場の像の図である。
【図１２】本発明による位相設計されたファイバの偏光特性を試験するための、一連の捩り及び曲げによってファイバが摂動される装置の図である。
【図１３】図１２の試験装置から生成された１対のポアンカレ球の図である。
【図１４】本発明による技法の全体的な流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上記の問題他は本発明によって対処されるが、その態様は、円筒状偏光ビーム（例えば放射状偏光ビーム、方位偏光ビーム）を生成するためのインファイバ・システム及び方法を対象とする。これらの放射状偏光ビームは光ファイバ中の安定したモードとして生成され、多くの科学技術の用途向けに魅力的なものである。説明された技法は、厳密に円筒状に対称であるにもかかわらず偏光維持する新規の部類のファイバをもたらす。
【００１０】
以下に詳細に説明するように、ＬＰ１１モードは４つの要素モード（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｍｏｄｅ）の線形結合からなる。ＬＰ１１モードはほぼ縮退であるため、４つの要素モードのそれぞれは、互いに大きさは近接するが同じではない伝搬定数を有している。一般的には、４つの要素モードの伝搬定数間の分離量は非常に小さく、従来技術では、４つの要素モードのうちのいずれかへ結合することは、１またはそれ以上の他の要素モードへのかなりのクロスカップリング量なくして、不可能ではないにしても、非常に困難である。本願発明は、ある選択された要素モードと他の３つの要素モードの伝搬定数の分離を大きく増加するファイバと技術を提供する。
【００１１】
ある選択された要素モードの実効屈折率ｎｅｆｆの他の要素モードのそれぞれの屈折率からの分離に関し、特定の状況に応じて、本願発明の特徴をここに記載する。所与のモードの実効屈折率ｎｅｆｆは、その伝搬定数βと以下のように関連する。
β＝（２πｎｅｆｆ）／λ
即ち、所与の波長λに対し、所与のモードの実効屈折率ｎｅｆｆはその伝搬定数βに比例する。それ故に、用語「伝搬定数」を用いる本願明細書における記載は、「実効屈折率」にも同様に適用可能である。このことは、２つの量が所与の波長で互いに比例することから理解すべきである。
【００１２】
本願発明の一態様は、反対称ＬＰ１１モードの偏光縮退を高めて、当該ＬＰ１１モードのベクトル成分の伝搬定数を大きな量だけ分離させるような、位相設計されたファイバを提供する。説明されたファイバは、放射状偏光ＴＭ０１モード並びに基本ＬＰ０１モード及びガウス形ＬＰ０１モード向けの安定した誘導を提供する。
【００１３】
入力が従来のガウスビームであるとき、著しく向上した伝搬定数の分離によって、優れたモード純度（すなわち９９．６％以上）で単一の希望モード（例えば放射状偏光ＴＭ０１モード）のファイバグレーティング・ベースの励起が可能になる。さらに、本明細書に説明された技法はいろいろな用途があり、また、高出力レーザ、広帯域放射源などを含むがこれらに限定さない任意の放射源からガウス形の入力を受け取ってこのガウス形の入力を放射状偏光ビームまたは方位偏光ビームの出力に変換することができるファイバ・デバイスを作製するのに用いられ得ることが理解されよう。
【００１４】
ファイバ中の群遅延または分散の技術は周知であるが、位相自体を変更する実証はほとんどない。この点に関する一例に、インデックスまたは寸法形状が十分楕円状に製作され、直交偏光を伴う基本モード間の実効屈折率ｎｅｆｆにおける差で少なくとも１×１０−４である偏光維持ファイバ（ＰＭＦ）がある。
【００１５】
したがって、ここで説明された技法は、放射状ベクトルモードに関する伝搬定数において大きな分離を提供する新規の部類のＰＭＦを提供する。この構造が、幾何学的楕円形または楕円状のインデックスを必要としないことにさらに留意されたい。説明された技法は、円筒状に対称な最初のＰＭＦを提供する。
【００１６】
円筒状に対称なＰＭＦの開発によって、以下を含むいくつかの波及効果を得る。（ａ）説明されたモードが、大きなモード領域を放射状に実現することができるので、高出力ＰＭＦレーザ及び増幅器が実現可能であり、（ｂ）特別なＰＭＦ接続具は不要であり、さらに、接続に先立つＰＭＦファイバの位置合わせがもはや必要でないため偏光消光比（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ：ＰＥＲ）が改善され得、また、（ｃ）円筒状に対称なＰＭＦは、他のタイプのＰＭＦと比べて製造コストをより低くすることができる。
【００１７】
図１は、従来のファイバでの第１高次モードＬＰ１１に関するモードフィールドの輝度パターン２０を示す。前述のように、ＬＰ１１モードは反対称（ａｎｔｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）であり、回転に関して不安定である。ＬＰ１１モードは、実際には、ほとんど縮退する４つの放射状ベクトルのモード、ＴＭ０１、ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）、ＨＥ２１（ｏｄｄ）、及びＴＥ０１の線形結合である。図２Ａ〜図２Ｄは、これらの各モードのそれぞれのモードフィールド輝度パターンを示す一連の像である。さらに、図２Ａ〜図２Ｄには、モードのベクトル表現が矢印によって示されている。
【００１８】
切り離して見ると、図２Ａに示されたＴＭ０１モードは放射状偏光ビームをもたらし、ＴＥ０１モードは方位偏光ビームをもたらすことが理解されよう。しかし、これらのモードは、他のモード、ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）及びＨＥ２１（ｏｄｄ）とのクロスカップリングによって不明瞭になっている。さらに、一般的なマルチモード・ファイバでは、示された４つのモードは、互いに異なるものではあるが非常に接近した伝搬定数を有する。したがって、他のモードからＴＭ０１モードまたはＴＥ０１モードのいずれかを抽出するのに従来の技法を用いることができない。
【００１９】
本発明の一態様は、円筒状偏光のＴＭ０１モード及びＴＥ０１モードの伝搬定数と、混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードの伝搬定数の間の差を大いに拡大する新規の偏光維持ファイバ（ＰＭＦ）を提供する。伝搬定数が著しく異なると、所望の円筒状偏光モードに高いモード純度で結合することができる。さらに、新規のＰＭＦは円筒状に対称であり、このことは、前述の様々な理由で有利である。
【００２０】
この新規のＰＭＦの設計は１次の摂動的解析に基づくものであり、この解析は、インデックス・ステップでスカラのモード輝度が高いとき伝搬定数に対するベクトル補正が大きくなることを示す。ほとんど縮退する４つのモードは、電界の大きさが同一であり、電界配向だけが異なる。したがって、それらの伝搬定数β＝２πｎｅｆｆ／λは、ファイバ導波路中のインデックス・ステップで様々な電界配向から生じるベクトル補正を除いて類似である。
【００２１】
各モードに対するこの補正の量は、次式の１次の摂動的解析から得ることができる。
【数１】
上式において、
【数２】
である。ここで、Ｅ（ｒ）はスカラのモードに関する電界プロファイルであり、Ｆ（ｒ）は正規化されたファイバのインデックス・プロファイルである。
【００２２】
式（１）〜式（５）から、Ｉ１及びＩ２に対する適当な値を有する屈折率プロファイル、すなわちＬＰ１１スカラ場Ｅ（ｒ）のピーク振幅に近接した急峻な屈折率ステップ∂Ｆ（ｒ）／∂ｒを有する屈折率プロファイルを有する導波路を設計することにより、縮退分割の向上が可能であることが理解されよう。
【００２３】
図３は、スカラのＬＰ１１モードのモード輝度プロファイル３０を示し、導波路を横切る半径方向の位置（Ｘ軸）に対するモード輝度（Ｙ軸）がプロットされている。Ｘ軸上の「０」の値は、導波路の軸中心を表す。説明と比較のために、モード輝度は便宜的な単位で表現されている。図３に示されるように、本実施例では、スカラのＬＰ１１モードは、全体的にＭ形の輝度プロファイルを有し、導波路の中心のまわりで対称であって、約±４マイクロメートルでピーク３２を有する。
【００２４】
図４は、本発明の一態様によって位相設計されたファイバ導波路向けの所望の屈折率プロファイル４０を示す。繰り返しになるが、説明と比較の目的のために、屈折率プロファイルは便宜的な単位で表現されている。ファイバは、半径ｒｃｌａｄｄｉｎｇ（図５）及び屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有する外側クラッディング領域４２を含む。クラッディング屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇは、他のファイバ領域の実効屈折率Δｎを求めるのに基準値として用いられる。
【００２５】
ファイバは、半径ｒｃｏｒｅ及び屈折率ｎｃｏｒｅを有する平坦なコア領域４４を含む。コアの実効屈折率Δｎｃｏｒｅは、ｎｃｏｒｅからクラッディング屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇを減じることにより求められる。すなわち、Δｎｃｏｒｅ＝ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇである。本実施例のファイバでは、Δｎｃｏｒｅはゼロと等しい。
【００２６】
コア領域４４は、ｒｃｏｒｅと等しい内側半径、外側半径ｒｒｉｎｇ、及び屈折率ｎｒｉｎｇを有するリング領域４６に囲まれる。図４に示されるように、リング領域４６は比較的大きな実効屈折率Δｎｒｉｎｇ＝ｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有し、急峻なステップとして示されている。リング領域４６は外側クラッディング領域４２に囲まれている。
【００２７】
上記で論じられたように、ステップが急峻なリング領域４６は、図３に示されたスカラのＬＰ１１モード３０のモード輝度プロファイルの振幅ピーク３２に近接して配置される。リングの実効屈折率Δｎｒｉｎｇは、ＬＰ１１モードの伝搬定数の所望の分離をもたらすために十分に大きい値を有するべきである。一般に、Δｎｒｉｎｇは約０．０１５以上であるべきである。詳細には、ｎｒｉｎｇ−ｎｃｏｒｅ及びｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇは、どちらも約０．０１５以上であるべきである。
【００２８】
図５は、図４に示された屈折率プロファイル４０に従って製造されたファイバ５０の断面図（原寸に比例しない）である。ファイバは外側クラッディング５２、コア領域５４、及びリング領域５６を含む。ファイバ５０は、内付け化学気相堆積（ＭＣＶＤ）技法または他の適当な技法を用いて、ＳｉＯ２または他の適当な材料から製作することができる。外側クラッディング領域５２及びコア領域５４は非ドープである。リング領域５６は、インデックスを上げる適当なドーパントまたはＧｅＯ２などのドーパントの混合物でそれをドープすることにより形成される。
【００２９】
図６は、図４に示された所望の屈折率プロファイル４０に従って製造されたファイバの実際の屈折率プロファイル６１の上に重ねたスカラのＬＰ１１モードの輝度プロファイル３０を示す合成プロファイル６０を示している。図６に示されるように、実際の屈折率プロファイル６１は、実質的に平坦な外側クラッディング領域６２、コア領域６４、及びリング領域６６を含む。もちろん、実際のファイバでは、通常は、リング領域６６向けに完全に正方形の「ステップ」を得ることは不可能である。しかし、一般に、所望の結果を達成するために、リング領域内でのｎｃｏｒｅからｎｒｉｎｇへの移行及びｎｒｉｎｇからｎｃｌａｄｄｉｎｇへの移行は、どちらも約１マイクロメートル以下の半径方向の幅を有するべきである。
【００３０】
図７は、ベクトル成分ＴＭ０１、ＨＥ２１（ｅｖｅｎ ａｎｄ ｏｄｄ）及びＴＥ０１の波長に対してｎｅｆｆをプロットしたグラフ７０である。従来のファイバでは、３つの曲線は図７のグラフ７０のスケールでは判別不能である。放射状偏光ＴＭ０１モードのｎｅｆｆが、他の導波モードから少なくとも１×１０４だけ分離されていることが認められる。この分離値は、従来のＰＭファイバで達成されたモードの分離に似ていることに留意されたい。
【００３１】
前述の位相設計されたファイバは、ほぼガウス形の形状を有する基本ＬＰ０１モードを、放射状偏光モードに変換するための全ファイバのモジュールを構成するために使用することができる。図８は、そのようなモジュール８０の図（原寸に比例しない）を示し、これは、マイクロベンド格子８２または他の適当なモードコンバータ・デバイスと、説明された位相設計ファイバ８４を結合することにより構成されたものである。ＬＰ０１モードは、標準的なシングルモード・ファイバ（ＳＭＦ）（図示せず）などの適当なファイバを通って供給され、マイクロベンド格子８２への入力として供給される。次いで、マイクロベンド格子８２は、基本ＬＰ０１モードを第１高次ＬＰ１１モードに変換する。次いで、ＬＰ１１モードは、位相設計されたファイバ８４への入力として供給され、結果としてモードの前述の分離がもたらされる。ＴＭ０１モードと結合することにより放射状偏光ビームが得られる。ＴＥ０１モードと結合することにより方位偏光ビームが得られる。
【００３２】
図８は、モード変換ファイバ８２が、説明されたモードを伝搬させる第２のファイバ８４から分離されている一般的な実施例を示すことに留意されたい。図８Ａ（原寸に比例しない）に示された本発明の別の態様によれば、位相設計されたファイバ８４’の一部分の中に格子８２’を直接製作することにより、本発明によるモジュール８０’が構成される。
【００３３】
図９は、説明された位相設計ファイバの偏光特性を試験するための装置９０を示す。図９に示されるように、位相設計されたファイバ９１は、マイクロベンド格子９２に結合される。数本のシングルモード・ファイバ（ＳＭＦ）９３が、ファイバ９１及び格子９２を、入力端で可変波長外部空洞レーザ９４及び偏光制御器９５に接続し、かつ出力端で光スペクトル・アナライザ（ＯＳＡ）９６に接続するのに使用される。試験結果は、赤外線カメラ９７を使用して記録される。
【００３４】
図１０はＯＳＡのプロット１００を示し、波長に対して変換効率のパーセントがプロットされている。試験の結果、約９９．６％の変換効率ηが示された。
【００３５】
図１１は、実験的に記録された一連の近視野像１１０を示し、鮮やかな環状の輝度プロファイルを与える。偏光制御器を用いてビーム経路中で像回転を行うことによって、放射状偏光ＴＭ０１モード及び方位偏光ＴＥ０１モードの生成が確かになる。ビーム通路中の偏光子なしで、環状の形状が得られる。偏光子を用いると、偏光子で整合された投影だけが伝送され、放射状のベクトルモードの組合せではなく、鮮やかなＴＭ０１モード及びＴＥ０１モードの生成が確かになる。
【００３６】
図１２は、説明されたファイバを使用したＰＭ動作をさらに例証する一対の試験装置１２０及び１２０’を示す。装置１２０の中心に、位相設計された１本のファイバ１２１がある。ＬＰ０１モードでデバイスの両端にアクセスすることができるように、入力格子１２２及び出力格子１２３によって、入力ＳＭＦ １２４及び出力ＳＭＦ １２５に×印のところで接続可能になる。入力ＳＭＦ １２４は外部空洞レーザ１２６に接続され、出力ＳＭＦ １２５は民生用の偏光アナライザ１２７に接続される。比較のために、装置１２０’は装置１２０の要素を含むが、ＰＭファイバ１２１、入力格子１２２及び出力格子１２３は、１本のＳＭＦ １２８で置換されている。
【００３７】
そのＰＭ能力を試験するために、ファイバを摂動させながら、図１３のポアンカレ球表現１３０’及び１３０として偏光の出力状態（ＳＯＰ）が記録された。摂動１２９及び１２９’は、１ｃｍまでの曲率半径Ｒｃでの複数のねじれ及び屈曲から成る。図１３は、そのような摂動が、ＳＭＦの場合にはポアンカレ球まで満たしているが（球１３０’）、説明されたファイバではＳＯＰで小さな変化しか生じないことを示す（球１３０）。検出器が後続する回転偏光子で測定されたＰＥＲは、２８．７ｄＢであった。偏光子を固定すると、０．６ｄＢの出力偏位（出力急騰：ｐｏｗｅｒ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）が記録された。この偏位（急騰）を２経路の干渉計におけるランダム結合によるものと仮定して、２９．２ｄＢのモード消衰レベルを算定したところ、測定されたＰＥＲとほとんど同一であった。ＰＥＲのレベルが高いとＰＭ動作が確かになるが、これらの値は民生用のＰＭファイバに対して競争力がない。しかし、概念的に類似の理論上最適化されたファイバの構造は、民生用ＰＭファイバのものより高いＰＥＲ値の可能性を促進し、非常に大きなｎｅｆｆ分離を示す。
【００３８】
図１４は、一般に、円筒状偏光ビーム向けの、本発明の前述の態様による全体的な技法１４０の流れ図である。ステップ１４１で、ガウス形のＬＰ０１モード入力が高次ＬＰ１１モードに変換される。ステップ１４２で、所望の円筒状偏光モード（例えばＴＭ０１モードまたはＴＥ０１モード）が他のモードから分離されるように、ＬＰ１１モードは、スカラのＬＰ１１モード輝度プロファイルのピーク振幅のところに、またはその近くに、急峻な屈折率ステップがある屈折率プロファイルを有する導波路を通して供給される。ステップ１４３で、所望の円筒状偏光モードが結合される。
【００３９】
要約すると、寸法形状及び屈折率において、とてもよく環状に対称な最初のＰＭファイバであると考えられるものが本明細書で説明されている。これらの特性は、ＰＭファイバ・デバイスの簡単な接続及び構成を容易にし、従来のＰＭファイバより高い伸長率を提供することができる可能性がある。放射状のベクトルモードは、モード領域でかなり大きくなり得るので、このＰＭファイバがかなりの影響を及ぼす可能性がある領域の１つは高出力レーザ及び増幅器である。このファイバは、安定性、耐屈曲性、及び耐モード混合性のある放射状ベクトルビームを生成することができる構造によって概念的に可能になる。格子変換効率が約９９．６％であって、これらのモードを生成するための説明された技法は、現在使用されている非常により複雑な自由空間システムに対する魅力的な代替である。したがって、放射状ベクトルビームに依存する科学技術の多様な領域にも、これらのデバイスを応用することができる。
【００４０】
前述の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にするはずの詳細を含むが、説明は本来例示であって、これらの教示の利益を有する当業者にはその多くの変更形態及び変形形態が明白になるはずであるということを理解されたい。したがって、本明細書の発明が、もっぱら添付の特許請求の範囲によって定義され、かつ特許請求の範囲が従来技術によって認められるように広義に解釈されることが意図されている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光ファイバ・デバイス及び方法に関し、詳細には円筒状ベクトルビームを生成するための改善されたシステム及び技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒状ベクトルビームは、ビーム軸の周りで回転対称な偏光状態を有する偏光ビームであり、放射状偏光ビーム及び方位偏光ビームを含む。放射状偏光ビームは、その固有の特性のために、最近、とりわけ興味深いものとなっている。放射状偏光ビームが高開口数システムで合焦されたときに生成される縦電界成分が、光軸に沿ってゼロ・ポインティングベクトルを有する高輝度をもたらす。この特性によって、回折限界、機能強化されたレーザ加工、効率的なレーザ・ピンセット及び量子情報のための原子双極子状態の調整によって受け入れられる大きさに収まる縦場スポット・サイズ（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ−ｆｉｅｌｄ ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ）が使用可能になる。
【０００３】
自由空間共振器またはファイバを使用して放射状偏光ビームを生成する現行の手法は、不安定性の問題を伴う。ファイバ・ベースの手法で克服しなければならない問題の１つに、放射状偏光ビームが、同一モード輝度プロファイルを共有するが異なった偏光ベクトル配向を有する、ほとんど縮退の他のモードと光ファイバ内で共存することがある。これらのモード間の偶然な結合によって、所望の放射状偏光モードではなく、よりよく知られている、回転に関して不安定な第１高次反対称（ｆｉｒｓｔ ｈｉｇｈｅｒ−ｏｒｄｅｒ ａｎｔｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）ＬＰ１１モード・パターンが生じる。
【０００４】
マルチモード・ファイバにおいて、ほとんど縮退する４つのモードのうちのいずれか２つのモードの結合から生じる、回転に関して不安定なＬＰ１１モードは、同一輝度パターンであるが異なる偏光配向で従来の基本ＬＰ０１モードが２倍縮退する一般的なシングルモード・ファイバ（ＳＭＦ）と似ている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＰ１１フィールド・パターンは、ファイバ中の最も軽微な摂動に対してさえ、回転するだけでなくその偏光ベクトルの配向も変化する。実際、以前の、ファイバを用いて放射状偏光モードを生成する試みで実現されたものは、非常に短く直線のセグメントで、かつ／またはバルク・レーザロッドとともに使用されるものに類似した空胴内の低いモード純度であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、従来技術のこれらの問題及び他の問題に対処し、本発明の一態様は、円筒状偏光ビーム（例えば放射状偏光ビーム、方位偏光ビーム）を生成する技法を提供する。基本ＬＰ０１モードでの信号伝搬に対応する入力光ファイバが提供される。基本ＬＰ０１モードが高次ＬＰ１１モード出力に変換されるモードコンバータ・デバイスに入力ファイバが結合される。高次ＬＰ１１モードは、円筒状偏光のＴＭ０１モードとＴＥ０１モード並びに混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードを含む、モードの線形結合からなる。ＬＰ１１モードの出力は、屈折率プロファイルを有する位相設計（ｐｈａｓｅ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）されたファイバを通って伝搬し、このプロファイルは、少なくとも１つの円筒状偏光モードが他のモードのそれぞれの実効屈折率から十分離れた実効屈折率を有してこの少なくとも１つの円筒状偏光モードと他のモードの結合が最小限になるように、スカラのＬＰ１１モードのモード輝度プロファイルのピーク振幅に近接した急峻な屈折率ステップを含む。そこで、所望の円筒状偏光のモードが出力としてもたらされる。
【０００７】
本発明のその他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１高次ＬＰ１１モードのモードフィールド像の図である。
【図２】図２Ａ乃至図２Ｄは、ＬＰ１１モードに関してほとんど縮退する４つのモードの一連のモードフィールド像の図である。
【図３】スカラのＬＰ１１モードに関するモード輝度プロファイルの図である。
【図４】本発明の一態様によって位相設計されたファイバ向けの所望の屈折率プロファイルの図である。
【図５】図４の屈折率プロファイルに従って製造されたファイバの断面図（原寸に比例しない）である。
【図６】図４の屈折率プロファイルに従って製造されたファイバから得られた実際の屈折率プロファイルの上に図３のモード輝度プロファイルを重ねた合成プロファイルの図である。
【図７】本発明によって分離されたＬＰ１１モードの波長に対して実効屈折率ｎｅｆｆをプロットしたグラフである。
【図８】図８及び図８Ａは、本発明のさらなる態様によって基本ＬＰ０１を円筒状偏光ビームに変換するためのモジュールの図である。
【図９】本発明による位相設計されたファイバの偏光特性を試験するための装置の図である。
【図１０】本発明によって分離されたＬＰ１１モードの波長に対して変換のパーセント値をプロットしたグラフである。
【図１１】図９の試験装置を使用して得られた結果を示す一連の近接場の像の図である。
【図１２】本発明による位相設計されたファイバの偏光特性を試験するための、一連の捩り及び曲げによってファイバが摂動される装置の図である。
【図１３】図１２の試験装置から生成された１対のポアンカレ球の図である。
【図１４】本発明による技法の全体的な流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上記の問題他は本発明によって対処されるが、その態様は、円筒状偏光ビーム（例えば放射状偏光ビーム、方位偏光ビーム）を生成するためのインファイバ・システム及び方法を対象とする。これらの放射状偏光ビームは光ファイバ中の安定したモードとして生成され、多くの科学技術の用途向けに魅力的なものである。説明された技法は、厳密に円筒状に対称であるにもかかわらず偏光維持する新規の部類のファイバをもたらす。
【００１０】
以下に詳細に説明するように、ＬＰ１１モードは４つの要素モード（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｍｏｄｅ）の線形結合からなる。ＬＰ１１モードはほぼ縮退であるため、４つの要素モードのそれぞれは、互いに大きさは近接するが同じではない伝搬定数を有している。一般的には、４つの要素モードの伝搬定数間の分離量は非常に小さく、従来技術では、４つの要素モードのうちのいずれかへ結合することは、１またはそれ以上の他の要素モードへのかなりのクロスカップリング量なくして、不可能ではないにしても、非常に困難である。本願発明は、ある選択された要素モードと他の３つの要素モードの伝搬定数の分離を大きく増加するファイバと技術を提供する。
【００１１】
ある選択された要素モードの実効屈折率ｎｅｆｆの他の要素モードのそれぞれの屈折率からの分離に関し、特定の状況に応じて、本願発明の特徴をここに記載する。所与のモードの実効屈折率ｎｅｆｆは、その伝搬定数βと以下のように関連する。
β＝（２πｎｅｆｆ）／λ
即ち、所与の波長λに対し、所与のモードの実効屈折率ｎｅｆｆはその伝搬定数βに比例する。それ故に、用語「伝搬定数」を用いる本願明細書における記載は、「実効屈折率」にも同様に適用可能である。このことは、２つの量が所与の波長で互いに比例することから理解すべきである。
【００１２】
本願発明の一態様は、反対称ＬＰ１１モードの偏光縮退を高めて、当該ＬＰ１１モードのベクトル成分の伝搬定数を大きな量だけ分離させるような、位相設計されたファイバを提供する。説明されたファイバは、放射状偏光ＴＭ０１モード並びに基本ＬＰ０１モード及びガウス形ＬＰ０１モード向けの安定した誘導を提供する。
【００１３】
入力が従来のガウスビームであるとき、著しく向上した伝搬定数の分離によって、優れたモード純度（すなわち９９．６％以上）で単一の希望モード（例えば放射状偏光ＴＭ０１モード）のファイバグレーティング・ベースの励起が可能になる。さらに、本明細書に説明された技法はいろいろな用途があり、また、高出力レーザ、広帯域放射源などを含むがこれらに限定さない任意の放射源からガウス形の入力を受け取ってこのガウス形の入力を放射状偏光ビームまたは方位偏光ビームの出力に変換することができるファイバ・デバイスを作製するのに用いられ得ることが理解されよう。
【００１４】
ファイバ中の群遅延または分散の技術は周知であるが、位相自体を変更する実証はほとんどない。この点に関する一例に、インデックスまたは寸法形状が十分楕円状に製作され、直交偏光を伴う基本モード間の実効屈折率ｎｅｆｆにおける差で少なくとも１×１０−４である偏光維持ファイバ（ＰＭＦ）がある。
【００１５】
したがって、ここで説明された技法は、放射状ベクトルモードに関する伝搬定数において大きな分離を提供する新規の部類のＰＭＦを提供する。この構造が、幾何学的楕円形または楕円状のインデックスを必要としないことにさらに留意されたい。説明された技法は、円筒状に対称な最初のＰＭＦを提供する。
【００１６】
円筒状に対称なＰＭＦの開発によって、以下を含むいくつかの波及効果を得る。（ａ）説明されたモードが、大きなモード領域を放射状に実現することができるので、高出力ＰＭＦレーザ及び増幅器が実現可能であり、（ｂ）特別なＰＭＦ接続具は不要であり、さらに、接続に先立つＰＭＦファイバの位置合わせがもはや必要でないため偏光消光比（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ：ＰＥＲ）が改善され得、また、（ｃ）円筒状に対称なＰＭＦは、他のタイプのＰＭＦと比べて製造コストをより低くすることができる。
【００１７】
図１は、従来のファイバでの第１高次モードＬＰ１１に関するモードフィールドの輝度パターン２０を示す。前述のように、ＬＰ１１モードは反対称（ａｎｔｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）であり、回転に関して不安定である。ＬＰ１１モードは、実際には、ほとんど縮退する４つの放射状ベクトルのモード、ＴＭ０１、ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）、ＨＥ２１（ｏｄｄ）、及びＴＥ０１の線形結合である。図２Ａ〜図２Ｄは、これらの各モードのそれぞれのモードフィールド輝度パターンを示す一連の像である。さらに、図２Ａ〜図２Ｄには、モードのベクトル表現が矢印によって示されている。
【００１８】
切り離して見ると、図２Ａに示されたＴＭ０１モードは放射状偏光ビームをもたらし、ＴＥ０１モードは方位偏光ビームをもたらすことが理解されよう。しかし、これらのモードは、他のモード、ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）及びＨＥ２１（ｏｄｄ）とのクロスカップリングによって不明瞭になっている。さらに、一般的なマルチモード・ファイバでは、示された４つのモードは、互いに異なるものではあるが非常に接近した伝搬定数を有する。したがって、他のモードからＴＭ０１モードまたはＴＥ０１モードのいずれかを抽出するのに従来の技法を用いることができない。
【００１９】
本発明の一態様は、円筒状偏光のＴＭ０１モード及びＴＥ０１モードの伝搬定数と、混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードの伝搬定数の間の差を大いに拡大する新規の偏光維持ファイバ（ＰＭＦ）を提供する。伝搬定数が著しく異なると、所望の円筒状偏光モードに高いモード純度で結合することができる。さらに、新規のＰＭＦは円筒状に対称であり、このことは、前述の様々な理由で有利である。
【００２０】
この新規のＰＭＦの設計は１次の摂動的解析に基づくものであり、この解析は、インデックス・ステップでスカラのモード輝度が高いとき伝搬定数に対するベクトル補正が大きくなることを示す。ほとんど縮退する４つのモードは、電界の大きさが同一であり、電界配向だけが異なる。したがって、それらの伝搬定数β＝２πｎｅｆｆ／λは、ファイバ導波路中のインデックス・ステップで様々な電界配向から生じるベクトル補正を除いて類似である。
【００２１】
各モードに対するこの補正の量は、次式の１次の摂動的解析から得ることができる。
【数１】
上式において、
【数２】
である。ここで、Ｅ（ｒ）はスカラのモードに関する電界プロファイルであり、Ｆ（ｒ）は正規化されたファイバのインデックス・プロファイルである。
【００２２】
式（１）〜式（５）から、Ｉ１及びＩ２に対する適当な値を有する屈折率プロファイル、すなわちＬＰ１１スカラ場Ｅ（ｒ）のピーク振幅に近接した急峻な屈折率ステップ∂Ｆ（ｒ）／∂ｒを有する屈折率プロファイルを有する導波路を設計することにより、縮退分割の向上が可能であることが理解されよう。
【００２３】
図３は、スカラのＬＰ１１モードのモード輝度プロファイル３０を示し、導波路を横切る半径方向の位置（Ｘ軸）に対するモード輝度（Ｙ軸）がプロットされている。Ｘ軸上の「０」の値は、導波路の軸中心を表す。説明と比較のために、モード輝度は便宜的な単位で表現されている。図３に示されるように、本実施例では、スカラのＬＰ１１モードは、全体的にＭ形の輝度プロファイルを有し、導波路の中心のまわりで対称であって、約±４マイクロメートルでピーク３２を有する。
【００２４】
図４は、本発明の一態様によって位相設計されたファイバ導波路向けの所望の屈折率プロファイル４０を示す。繰り返しになるが、説明と比較の目的のために、屈折率プロファイルは便宜的な単位で表現されている。ファイバは、半径ｒｃｌａｄｄｉｎｇ（図５）及び屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有する外側クラッディング領域４２を含む。クラッディング屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇは、他のファイバ領域の実効屈折率Δｎを求めるのに基準値として用いられる。
【００２５】
ファイバは、半径ｒｃｏｒｅ及び屈折率ｎｃｏｒｅを有する平坦なコア領域４４を含む。コアの実効屈折率Δｎｃｏｒｅは、ｎｃｏｒｅからクラッディング屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇを減じることにより求められる。すなわち、Δｎｃｏｒｅ＝ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇである。本実施例のファイバでは、Δｎｃｏｒｅはゼロと等しい。
【００２６】
コア領域４４は、ｒｃｏｒｅと等しい内側半径、外側半径ｒｒｉｎｇ、及び屈折率ｎｒｉｎｇを有するリング領域４６に囲まれる。図４に示されるように、リング領域４６は比較的大きな実効屈折率Δｎｒｉｎｇ＝ｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有し、急峻なステップとして示されている。リング領域４６は外側クラッディング領域４２に囲まれている。
【００２７】
上記で論じられたように、ステップが急峻なリング領域４６は、図３に示されたスカラのＬＰ１１モード３０のモード輝度プロファイルの振幅ピーク３２に近接して配置される。リングの実効屈折率Δｎｒｉｎｇは、ＬＰ１１モードの伝搬定数の所望の分離をもたらすために十分に大きい値を有するべきである。一般に、Δｎｒｉｎｇは約０．０１５以上であるべきである。詳細には、ｎｒｉｎｇ−ｎｃｏｒｅ及びｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇは、どちらも約０．０１５以上であるべきである。
【００２８】
図５は、図４に示された屈折率プロファイル４０に従って製造されたファイバ５０の断面図（原寸に比例しない）である。ファイバは外側クラッディング５２、コア領域５４、及びリング領域５６を含む。ファイバ５０は、内付け化学気相堆積（ＭＣＶＤ）技法または他の適当な技法を用いて、ＳｉＯ２または他の適当な材料から製作することができる。外側クラッディング領域５２及びコア領域５４は非ドープである。リング領域５６は、インデックスを上げる適当なドーパントまたはＧｅＯ２などのドーパントの混合物でそれをドープすることにより形成される。
【００２９】
図６は、図４に示された所望の屈折率プロファイル４０に従って製造されたファイバの実際の屈折率プロファイル６１の上に重ねたスカラのＬＰ１１モードの輝度プロファイル３０を示す合成プロファイル６０を示している。図６に示されるように、実際の屈折率プロファイル６１は、実質的に平坦な外側クラッディング領域６２、コア領域６４、及びリング領域６６を含む。もちろん、実際のファイバでは、通常は、リング領域６６向けに完全に正方形の「ステップ」を得ることは不可能である。しかし、一般に、所望の結果を達成するために、リング領域内でのｎｃｏｒｅからｎｒｉｎｇへの移行及びｎｒｉｎｇからｎｃｌａｄｄｉｎｇへの移行は、どちらも約１マイクロメートル以下の半径方向の幅を有するべきである。
【００３０】
図７は、ベクトル成分ＴＭ０１、ＨＥ２１（ｅｖｅｎ ａｎｄ ｏｄｄ）及びＴＥ０１の波長に対してｎｅｆｆをプロットしたグラフ７０である。従来のファイバでは、３つの曲線は図７のグラフ７０のスケールでは判別不能である。放射状偏光ＴＭ０１モードのｎｅｆｆが、他の導波モードから少なくとも１×１０４だけ分離されていることが認められる。この分離値は、従来のＰＭファイバで達成されたモードの分離に似ていることに留意されたい。
【００３１】
前述の位相設計されたファイバは、ほぼガウス形の形状を有する基本ＬＰ０１モードを、放射状偏光モードに変換するための全ファイバのモジュールを構成するために使用することができる。図８は、そのようなモジュール８０の図（原寸に比例しない）を示し、これは、マイクロベンド格子８２または他の適当なモードコンバータ・デバイスと、説明された位相設計ファイバ８４を結合することにより構成されたものである。ＬＰ０１モードは、標準的なシングルモード・ファイバ（ＳＭＦ）（図示せず）などの適当なファイバを通って供給され、マイクロベンド格子８２への入力として供給される。次いで、マイクロベンド格子８２は、基本ＬＰ０１モードを第１高次ＬＰ１１モードに変換する。次いで、ＬＰ１１モードは、位相設計されたファイバ８４への入力として供給され、結果としてモードの前述の分離がもたらされる。ＴＭ０１モードと結合することにより放射状偏光ビームが得られる。ＴＥ０１モードと結合することにより方位偏光ビームが得られる。
【００３２】
図８は、モード変換ファイバ８２が、説明されたモードを伝搬させる第２のファイバ８４から分離されている一般的な実施例を示すことに留意されたい。図８Ａ（原寸に比例しない）に示された本発明の別の態様によれば、位相設計されたファイバ８４’の一部分の中に格子８２’を直接製作することにより、本発明によるモジュール８０’が構成される。
【００３３】
図９は、説明された位相設計ファイバの偏光特性を試験するための装置９０を示す。図９に示されるように、位相設計されたファイバ９１は、マイクロベンド格子９２に結合される。数本のシングルモード・ファイバ（ＳＭＦ）９３が、ファイバ９１及び格子９２を、入力端で可変波長外部空洞レーザ９４及び偏光制御器９５に接続し、かつ出力端で光スペクトル・アナライザ（ＯＳＡ）９６に接続するのに使用される。試験結果は、赤外線カメラ９７を使用して記録される。
【００３４】
図１０はＯＳＡのプロット１００を示し、波長に対して変換効率のパーセントがプロットされている。試験の結果、約９９．６％の変換効率ηが示された。
【００３５】
図１１は、実験的に記録された一連の近視野像１１０を示し、鮮やかな環状の輝度プロファイルを与える。偏光制御器を用いてビーム経路中で像回転を行うことによって、放射状偏光ＴＭ０１モード及び方位偏光ＴＥ０１モードの生成が確かになる。ビーム通路中の偏光子なしで、環状の形状が得られる。偏光子を用いると、偏光子で整合された投影だけが伝送され、放射状のベクトルモードの組合せではなく、鮮やかなＴＭ０１モード及びＴＥ０１モードの生成が確かになる。
【００３６】
図１２は、説明されたファイバを使用したＰＭ動作をさらに例証する一対の試験装置１２０及び１２０’を示す。装置１２０の中心に、位相設計された１本のファイバ１２１がある。ＬＰ０１モードでデバイスの両端にアクセスすることができるように、入力格子１２２及び出力格子１２３によって、入力ＳＭＦ １２４及び出力ＳＭＦ １２５に×印のところで接続可能になる。入力ＳＭＦ １２４は外部空洞レーザ１２６に接続され、出力ＳＭＦ １２５は民生用の偏光アナライザ１２７に接続される。比較のために、装置１２０’は装置１２０の要素を含むが、ＰＭファイバ１２１、入力格子１２２及び出力格子１２３は、１本のＳＭＦ １２８で置換されている。
【００３７】
そのＰＭ能力を試験するために、ファイバを摂動させながら、図１３のポアンカレ球表現１３０’及び１３０として偏光の出力状態（ＳＯＰ）が記録された。摂動１２９及び１２９’は、１ｃｍまでの曲率半径Ｒｃでの複数のねじれ及び屈曲から成る。図１３は、そのような摂動が、ＳＭＦの場合にはポアンカレ球まで満たしているが（球１３０’）、説明されたファイバではＳＯＰで小さな変化しか生じないことを示す（球１３０）。検出器が後続する回転偏光子で測定されたＰＥＲは、２８．７ｄＢであった。偏光子を固定すると、０．６ｄＢの出力偏位（出力急騰：ｐｏｗｅｒ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）が記録された。この偏位（急騰）を２経路の干渉計におけるランダム結合によるものと仮定して、２９．２ｄＢのモード消衰レベルを算定したところ、測定されたＰＥＲとほとんど同一であった。ＰＥＲのレベルが高いとＰＭ動作が確かになるが、これらの値は民生用のＰＭファイバに対して競争力がない。しかし、概念的に類似の理論上最適化されたファイバの構造は、民生用ＰＭファイバのものより高いＰＥＲ値の可能性を促進し、非常に大きなｎｅｆｆ分離を示す。
【００３８】
図１４は、一般に、円筒状偏光ビーム向けの、本発明の前述の態様による全体的な技法１４０の流れ図である。ステップ１４１で、ガウス形のＬＰ０１モード入力が高次ＬＰ１１モードに変換される。ステップ１４２で、所望の円筒状偏光モード（例えばＴＭ０１モードまたはＴＥ０１モード）が他のモードから分離されるように、ＬＰ１１モードは、スカラのＬＰ１１モード輝度プロファイルのピーク振幅のところに、またはその近くに、急峻な屈折率ステップがある屈折率プロファイルを有する導波路を通して供給される。ステップ１４３で、所望の円筒状偏光モードが結合される。
【００３９】
要約すると、寸法形状及び屈折率において、とてもよく環状に対称な最初のＰＭファイバであると考えられるものが本明細書で説明されている。これらの特性は、ＰＭファイバ・デバイスの簡単な接続及び構成を容易にし、従来のＰＭファイバより高い伸長率を提供することができる可能性がある。放射状のベクトルモードは、モード領域でかなり大きくなり得るので、このＰＭファイバがかなりの影響を及ぼす可能性がある領域の１つは高出力レーザ及び増幅器である。このファイバは、安定性、耐屈曲性、及び耐モード混合性のある放射状ベクトルビームを生成することができる構造によって概念的に可能になる。格子変換効率が約９９．６％であって、これらのモードを生成するための説明された技法は、現在使用されている非常により複雑な自由空間システムに対する魅力的な代替である。したがって、放射状ベクトルビームに依存する科学技術の多様な領域にも、これらのデバイスを応用することができる。
【００４０】
前述の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にするはずの詳細を含むが、説明は本来例示であって、これらの教示の利益を有する当業者にはその多くの変更形態及び変形形態が明白になるはずであるということを理解されたい。したがって、本明細書の発明が、もっぱら添付の特許請求の範囲によって定義され、かつ特許請求の範囲が従来技術によって認められるように広義に解釈されることが意図されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基本ＬＰ０１モードからなる光信号を提供し、
（ｂ）前記基本ＬＰ０１モードの光信号の伝搬に対応する入力光ファイバを設け、
（ｃ）モードコンバータデバイスを用いて、円筒状偏光のＴＭ０１モードとＴＥ０１モード並びに混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードの線形結合からなる高次ＬＰ１１モード出力へ、前記ＬＰ０１モードの入力を変換し、
（ｄ）前記ＬＰ１１モード出力を、前記モードコンバータデバイスへ結合されている位相設計されたファイバを通して伝搬させるものであり、前記位相設計されたファイバは、前記円筒状偏光モードのうち少なくとも１つが前記混合モードの実効屈折率から十分に分離された実効屈折率を有するように、前記ＬＰ１１モード出力のモード輝度プロファイルのピーク振幅に近接した急峻な屈折率ステップからなる屈折率プロファイルを有し、さらに、
（ｅ）前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードへ結合し、そして、
（ｆ）前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードを出力として提供する、
ことを特徴とする円筒状偏光ビームを生成する方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードが放射状偏光ＴＭ０１モードである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードが方位偏光ＴＥ０１モードである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードの前記実効屈折率が、前記他のモードの前記それぞれの実効屈折率から少なくとも１×１０−４だけ分離される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記モードコンバータデバイスが、前記位相設計されたファイバの一部分の中に製作された格子である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記格子がマイクロベンド格子である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
位相設計されたファイバであって、
半径ｒｃｏｒｅ、屈折率ｎｃｏｒｅ、及び、外側半径ｒｃｌａｄｄｉｎｇと屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇとを有する外側クラッディング領域に対する実効屈折率Δｎｃｏｒｅ＝ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有するコア領域と、
前記コア領域を囲むリング領域とを備え、前記リング領域は、ｒｃｏｒｅと等しい内側半径、外側半径ｒｒｉｎｇ、ｎｃｌａｄｄｉｎｇより大きな屈折率ｎｒｉｎｇ、及び、正の実効屈折率Δｎｒｉｎｇ＝ｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有し、
ｒｃｌａｄｄｉｎｇ、ｒｃｏｒｅ、ｒｒｉｎｇ、Δｎｃｏｒｅ、及びΔｎｒｉｎｇの値によって、前記ファイバが、前記ファイバを伝搬する光信号の高次ＬＰ１１モードのモード輝度プロファイルのピーク振幅値に近接した屈折率ステップを有し、
前記高次ＬＰ１１モードは、前記円筒状偏光のＴＭ０１モードとＴＥ０１モード並びに混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードの線形結合からなり、
前記他のモードへの最小結合とともに前記少なくとも１つの円筒状偏光モードへの結合を可能とするために前記円筒状偏光モードのうち少なくとも１つが前記混合モードの実効屈折率から十分に分離された実効屈折率を有するよう、前記屈折率のステップが十分に急峻であることを特徴とするファイバ。
【請求項８】
Δｎｃｏｒｅ＝０であり、
ｎｒｉｎｇ−ｎｃｏｒｅ及びｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇがどちらも約０．０１５以上であり、
ｎｒｉｎｇとｎｃｏｒｅの間並びにｎｃｏｒｅとｎｃｌａｄｄｉｎｇの間の移行が、どちらも約１マイクロメートルの半径方向の幅を有する請求項７に記載のファイバ。
【請求項９】
前記ファイバの一部分の中に製作された格子をさらに含み、基本ＬＰ０１入力モードと前記高次ＬＰ１１モードの間のモード変換をもたらす請求項８に記載のファイバ。
【請求項１０】
前記格子がマイクロベンド格子である請求項９に記載のファイバ。
【請求項１】
（ａ）基本ＬＰ０１モードからなる光信号を提供し、
（ｂ）前記基本ＬＰ０１モードの光信号の伝搬に対応する入力光ファイバを設け、
（ｃ）モードコンバータデバイスを用いて、円筒状偏光のＴＭ０１モードとＴＥ０１モード並びに混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードの線形結合からなる高次ＬＰ１１モード出力へ、前記ＬＰ０１モードの入力を変換し、
（ｄ）前記ＬＰ１１モード出力を、前記モードコンバータデバイスへ結合されている位相設計されたファイバを通して伝搬させるものであり、前記位相設計されたファイバは、前記円筒状偏光モードのうち少なくとも１つが前記混合モードの実効屈折率から十分に分離された実効屈折率を有するように、前記ＬＰ１１モード出力のモード輝度プロファイルのピーク振幅に近接した急峻な屈折率ステップからなる屈折率プロファイルを有し、さらに、
（ｅ）前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードへ結合し、そして、
（ｆ）前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードを出力として提供する、
ことを特徴とする円筒状偏光ビームを生成する方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードが放射状偏光ＴＭ０１モードである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードが方位偏光ＴＥ０１モードである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの分離された円筒状偏光モードの前記実効屈折率が、前記他のモードの前記それぞれの実効屈折率から少なくとも１×１０−４だけ分離される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記モードコンバータデバイスが、前記位相設計されたファイバの一部分の中に製作された格子である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記格子がマイクロベンド格子である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
位相設計されたファイバであって、
半径ｒｃｏｒｅ、屈折率ｎｃｏｒｅ、及び、外側半径ｒｃｌａｄｄｉｎｇと屈折率ｎｃｌａｄｄｉｎｇとを有する外側クラッディング領域に対する実効屈折率Δｎｃｏｒｅ＝ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有するコア領域と、
前記コア領域を囲むリング領域とを備え、前記リング領域は、ｒｃｏｒｅと等しい内側半径、外側半径ｒｒｉｎｇ、ｎｃｌａｄｄｉｎｇより大きな屈折率ｎｒｉｎｇ、及び、正の実効屈折率Δｎｒｉｎｇ＝ｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇを有し、
ｒｃｌａｄｄｉｎｇ、ｒｃｏｒｅ、ｒｒｉｎｇ、Δｎｃｏｒｅ、及びΔｎｒｉｎｇの値によって、前記ファイバが、前記ファイバを伝搬する光信号の高次ＬＰ１１モードのモード輝度プロファイルのピーク振幅値に近接した屈折率ステップを有し、
前記高次ＬＰ１１モードは、前記円筒状偏光のＴＭ０１モードとＴＥ０１モード並びに混合ＨＥ２１（ｅｖｅｎ）モード及び混合ＨＥ２１（ｏｄｄ）モードの線形結合からなり、
前記他のモードへの最小結合とともに前記少なくとも１つの円筒状偏光モードへの結合を可能とするために前記円筒状偏光モードのうち少なくとも１つが前記混合モードの実効屈折率から十分に分離された実効屈折率を有するよう、前記屈折率のステップが十分に急峻であることを特徴とするファイバ。
【請求項８】
Δｎｃｏｒｅ＝０であり、
ｎｒｉｎｇ−ｎｃｏｒｅ及びｎｒｉｎｇ−ｎｃｌａｄｄｉｎｇがどちらも約０．０１５以上であり、
ｎｒｉｎｇとｎｃｏｒｅの間並びにｎｃｏｒｅとｎｃｌａｄｄｉｎｇの間の移行が、どちらも約１マイクロメートルの半径方向の幅を有する請求項７に記載のファイバ。
【請求項９】
前記ファイバの一部分の中に製作された格子をさらに含み、基本ＬＰ０１入力モードと前記高次ＬＰ１１モードの間のモード変換をもたらす請求項８に記載のファイバ。
【請求項１０】
前記格子がマイクロベンド格子である請求項９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９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【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】
【公開番号】特開２００９−１９３０７０（Ｐ２００９−１９３０７０Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９３９９（Ｐ２００９−２９３９９）
【出願日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【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２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【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）】
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