大コア穴あきファイバ
【課題】大きなコア寸法を持つファイバとレーザ及び増幅器としてこのファイバを用いたデバイスとシステムを提供する。
【解決手段】大きなコアの穴あきファイバは、少数の層に配置された大きな穴で形成されたクラッド領域を有する。コアの周りの穴の層或いは列の数は、信号の基本モードと高次モードの漏れ損失を調整するために使用され、漏れで非基本モードが実質上除去されることを可能にする。基本モードの望ましい漏れ損失での望ましい動作をもたらすために、漏れ損失の細かい調整が穴寸法及び或いは穴間隔を調節することで行われる。結果としての穴あきファイバは、シングルモードを伝搬する従来のファイバと通常のファイバと比べるとき、大きな穴寸法と間隔とをもち、大きなコアをもつ。穴あきファイバの選択されたモードの動作に対して、曲げ損失とモード間隔のような他の損失メカニズムが利用される。
【解決手段】大きなコアの穴あきファイバは、少数の層に配置された大きな穴で形成されたクラッド領域を有する。コアの周りの穴の層或いは列の数は、信号の基本モードと高次モードの漏れ損失を調整するために使用され、漏れで非基本モードが実質上除去されることを可能にする。基本モードの望ましい漏れ損失での望ましい動作をもたらすために、漏れ損失の細かい調整が穴寸法及び或いは穴間隔を調節することで行われる。結果としての穴あきファイバは、シングルモードを伝搬する従来のファイバと通常のファイバと比べるとき、大きな穴寸法と間隔とをもち、大きなコアをもつ。穴あきファイバの選択されたモードの動作に対して、曲げ損失とモード間隔のような他の損失メカニズムが利用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、参照によってここに完全に組み込まれた、２００４年１月１６日出願の題名が“大コア穴あきファイバ”（代理人包帯IMRAA.024PR）の米国仮出願６０／５３６，９１４の利益を請求する。
【０００２】
本教えは、一般的には光ファイバに関し、特に、大きなコア寸法をもつシングルモード及びマルチモード穴あきファイバと、レーザ及び増幅器としてそのようなファイバを使用するデバイス及びシステムと、に関する。
【背景技術】
【０００３】
穴あきファイバは、コアの回りに配置された“穴”の配置によって光ガイドが規定される光ファイバである。そのような穴は、コアより低い屈折率をもち、コアより低い有効屈折率をもつクラッド領域を集合的に形成する。
【０００４】
より一般的には、穴あきファイバは、マトリックス中に配置された複数のクラッド造作（feature）、例えば穴、を有するファイバを指すために、ここでは使用され、そのクラッド造作は、そのマトリックスと異なる屈折率をもつこともできる。従って、クラッド造作に入射する光は、それから反射或いは散乱される。
【０００５】
フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）は、穴が規則的に配置される穴あきファイバである。一つの配置では、クラッド領域が６角形の隙間無い詰め物の形態に配置された穴で形成され、コアがそのような６角形パターンクラッド領域の中心領域に形成される。中心穴と一つ又はそれ以上の穴の“リング”とが広がったアレーの穴の中に別な方法で位置する中心領域にコアは位置することができる。従って、前述のやり方で形成されたＰＣＦは、コア寸法とクラッド領域厚さとをもつ。
【０００６】
従来のファイバでのように、ＰＣＦにおけるシングルモードのみ支持された伝播は、多くの応用で望ましい。シングルモード伝播レジームで動作する従来のＰＣＦは、従来の穴のないシングルモードファイバに似ているコア寸法とクラッド領域厚さとをもっている。そのような従来のシングルモードファイバと通常のＰＣＦとの一つの制限は、コア寸法が相対的に小さい値に限定されることである。そのような小さいコアファイバでは、高い光パワーレベルがコアとファイバの特性に非線形性を誘起するピーク強度をもたらす。従って、そのようなファイバの高パワー応用は、現実でないか不可能である。
【発明の開示】
【０００７】
ここに記載されたある実施例では、シングル光モードを伝播するための大コアファイバが、レーザと増幅器に使用され、且つその他のシステムのために使用される。例えば、本発明の一実施例は、基本モードを伝播させ、高次モードを抑制する光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、実質上複数の列Ｎに配列されており、前記複数のクラッド造作は、前記基本モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズをもたらすための十分な平均間隔Λ、（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、及び（iii）前記基本モードの伝播を支持し、前記複数の高次モードの伝播を抑制するのに適した平均列数Ｎ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、増加した有効なコアサイズと十分な閉じ込めとをもたらすようにするために、少なくとも約０．３５である比ｄ／Λを与える値をそれぞれもち、前記平均列数Ｎは、シングルモード伝播をもたらすようにするために、約４以下である。
【０００８】
本発明の別の実施例は、シングル光モードを伝播させるための光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記基本モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の実質的な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、少なくとも約２０マイクロメートルの有効コアサイズを与えるために、少なくとも約２０マイクロメートルの値をもつ。
【０００９】
本発明の別の実施例は、基本モードを伝播させ、高次モードを抑制する光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記マトリックスの一部分に配列された前記複数のクラッド造作は、平均厚さｔをもち、前記複数のクラッド造作は、前記基本モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズをもたらすための十分な平均間隔Λ、（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、及び（iii）前記クラッド造作を含む前記マトリックスの前記部分は、前記基本モードの伝播を支持し、前記複数の高次モードの伝播を抑制するために、適当な平均厚さｔをもつ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、増加した有効コアサイズと十分な閉じ込めとをもたらすようにするために、少なくとも約０．４である比ｄ／Λを与える値をそれぞれもち、前記平均厚さは、シングルモード伝播をもたらすようにするために、約ｄ＋３Λ以下である。
【００１０】
本発明の別の実施例は、シングル光モードを伝播させるための光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記基本モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、少なくとも約４０マイクロメートルの有効コアサイズをもたらす値をそれぞれもつ。
【００１１】
本発明の別の実施例は、シングル光モードを伝播させるための光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングル光モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄは、前記平均間隔Λに実質上等しい。
【００１２】
本発明の別の実施例は、シングルモードを伝播させるための光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングルモードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとの間の差が前記平均間隔Λの約５０％未満である。
【００１３】
本発明の別の実施例は、基本モードプロフィールをもつ基本モードと異なるモードプロフィールをもつ複数の高次モードとを支持する光ファイバを有する光ファイバアッセンブリを備える。その光ファイバアッセンブリは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、前記コア領域に光を結合するために前記コア領域に関して配置された光結合器と、を有し、前記複数のクラッド造作は、光の伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記コア領域は、前記基本光モードと前記複数の高次モードとの伝播を支持するようにするため十分大きく、前記光結合器は、前記基本モードのモードプロフィールに十分にマッチングする光分布をもつ光を出力するべく形成され、それによって前記複数の高次モードより前記ファイバの前記シングルモードに多くの前記光を十分に結合する。
【００１４】
本発明の別の実施例は、基本光モードと複数の高次モードとを支持する光ファイバを通して光を伝播させる方法を有する。その基本モードは、空間分布のモードプロフィールをもつ。その方法は、光ファイバのコア領域に光を結合するステップと、前記コア領域に沿って前記光を伝播させるステップと、前記コア領域に沿っての前記光の前記伝播をクラッド領域に形成された複数のクラッド造作でしっかりと閉じ込めるステップと、を有し、クラッド領域で囲まれた前記コア領域は、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含み、十分沢山の前記光が前記複数の高次モードより前記基本モードに結合される。
【００１５】
本発明の別の実施例は、光増幅を与える中空コアフォトニックバンドギャップファイバを有する。その中空コアフォトニックバンドギャップファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれた中空コア領域と、前記中空コア領域を通しての前記光の伝播が利得領域で与えられる利得で増幅されるように前記中空領域に近い方に配置されている光利得をもつ利得領域とを、有し、前記中空コア領域は、その中に形成された中空領域をもち、前記複数のクラッド造作は、前記中空コア領域に光の伝播をしっかりと閉じ込めるためにフォトニックバンドギャップを形成するべく配置されている。
【００１６】
光ファイバを有する本発明の別の実施例は、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、少なくとも一つのモードフィルタと、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、実質上複数の列Ｎに配列されており、前記複数のクラッド造作は、光の伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄと、基本モード及び複数の高次モードの伝播を支持するための平均列数と、をもち、前記モードフィルタは、前記基本モードが優位になり、前記高次モードが抑制されるように、前記基本モードより前記高次モードにしっかりと多くの損失を導入することで高次モードを抑制する。
【００１７】
ここに記載された光ファイバは、多くの応用に使用される。そのファイバは、例えば利得ファイバとして使用され、且つファイバレーザとファイバ増幅器を含むレーザと増幅器に用いられる。その他の使用も可能である。
【００１８】
例えば、光ファイバ増幅器を有する本発明の別の実施例は、シングルモードを伝播するための光利得ファイバを有し、前記光利得ファイバは、光利得を与え、前記光利得ファイバは、（i）マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域、及び（ii）前記クラッド領域で囲まれたコア領域、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングルモードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとの差が前記平均間隔Λの約５０％未満である。
【００１９】
光ファイバ増幅器を有する本発明の別の実施例は、ポンプ光源と、シングルモードを伝播するための光利得ファイバを有し、前記光利得ファイバは、光利得を与え、前記光利得ファイバは、（i）マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域、及び（ii）前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングル光モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄは、前記平均間隔Λに実質上等しい。
【００２０】
ＣＷファイバレーザを有する本発明の別の実施例は、少なくとも部分的反射面で形成された共振キャビティと、前記共振キャビティ内の光ファイバと、を有し、前記光ファイバは、光利得を持ち、前記光ファイバは、シングル光モードを伝播し、前記光ファイバは、（i）マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域、及び（i）前記クラッド領域で囲まれたコア領域、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングル光モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、少なくとも約２０マイクロメートルの有効コアサイズを与えるために、少なくとも約２０マイクロメートルの値をもつ。
その他の実施例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ａ及びＢは、比較的大きなコアを通してシングルモードのみの伝播を促進する複数の“穴”或いはクラッド造作で区切られたクラッド領域をもつ模範的な穴あきファイバを模式的に示している。
【図２】Ａ及びＢは、２次元表示の模範的な単純立方体アレー状に配置された複数の穴或はクラッド造作をもつフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）の一実施例を模式的に示しており、ここで、穴の寸法、穴の間隔、穴の層或いは列の数、及び／或いは穴の組成は、比較的大きなコアのシングルモードのみの伝播を可能にするために、変えられる。
【図３】Ａ及びＢは、２次元表示の模範的な６角形近接パックアレー状に配置された複数の穴或いはクラッド造作をもつＰＣＦの一実施例を模式的に示しており、ここで、穴の寸法、穴の間隔、穴の層或いは列の数、及び／或いは穴の組成は、比較的大きなコアのシングルモードのみの伝播を可能にするために、変えられる。
【図４Ａ】図３Ａ及びＢの６角形近接パックアレーの様々な実施例を示し、比較的大きなコアの回りにアレー状に配置された様々な数の穴／クラッド造作の“リング”（例えば、列或いは層）を示している。ここで、リングの数は、光信号の様々な光モードの漏れ損失に影響を与えるために使用される。
【図４Ｂ】図３Ａ及びＢの６角形近接パックアレーの様々な実施例を示し、比較的大きなコアの回りにアレー状に配置された様々な数の穴／クラッド造作の“リング”（例えば、列或いは層）を示している。ここで、リングの数は、光信号の様々な光モードの漏れ損失に影響を与えるために使用される。
【図４Ｃ】図３Ａ及びＢの６角形近接パックアレーの様々な実施例を示し、比較的大きなコアの回りにアレー状に配置された様々な数の穴／クラッド造作の“リング”（例えば、列或いは層）を示している。ここで、リングの数は、光信号の様々な光モードの漏れ損失に影響を与えるために使用される。
【図５】Ａ−Ｃは、様々なモードの漏れ損失に影響を与えるために、穴の寸法がどのように変えられるかを模式的に示している。
【図６】Ａ−Ｃは、様々なモードの漏れ損失に影響を与えるために、穴の間隔がどのように変えられるかを模式的に示している。
【図７】シングル光モードだけの伝播の支持を可能にする比較的大きなコアをもち、且つマルチモード支持のために複数の穴で形成された外側クラッド領域をさらに有するＰＣＦの一実施例を模式的に示している。
【図８】シングルモード伝播を可能にする比較的大きなドープコア領域をもつＰＣＦの一実施例を模式的に示す。
【図９】Ａ−Ｆは、偏光保持（ＰＭ）シングルモード伝播を促進するように比較的大きなコアの回りに配置された対称な穴配列をもつ穴あきファイバの様々な実施例を模式的に示す。
【図１０Ａ】異なる数の内側“リング”或いは層を除去することでＰＣＦの有効コア寸法がどのように変えられるかを模式的に示しており、ここで、そのようなコア寸法は、比較的大きなコアを通しての選ばれたモードの伝播を可能にするために使用される。
【図１０Ｂ】異なる数の内側“リング”或いは層を除去することでＰＣＦの有効コア寸法がどのように変えられるかを模式的に示しており、ここで、そのようなコア寸法は、比較的大きなコアを通しての選ばれたモードの伝播を可能にするために使用される。
【図１０Ｃ】異なる数の内側“リング”或いは層を除去することでＰＣＦの有効コア寸法がどのように変えられるかを模式的に示しており、ここで、そのようなコア寸法は、比較的大きなコアを通しての選ばれたモードの伝播を可能にするために使用される。
【図１０Ｄ】異なる数の内側“リング”或いは層を除去することでＰＣＦの有効コア寸法がどのように変えられるかを模式的に示しており、ここで、そのようなコア寸法は、比較的大きなコアを通しての選ばれたモードの伝播を可能にするために使用される。
【図１１】コアの中空領域の回りに配置された利得を与えるためのドープリング或いは環状部分をもつＰＣＦの一実施例を模式的に示す。
【図１２】基本モードと１次モードに対しての層数に関する損失を示す。
【図１３】基本モードと１次モードに対しての曲げ半径の逆数に関する損失を示す。
【図１４】基本モードと１次モードに対しての曲げ半径の逆数に関する有効モード屈折率を示す。
【図１５】ＰＣＦの二つの模範的な穴或いはクラッド造作を模式的に示しており、ここで、量ｄは、各穴の径を表し、Λは、穴の間隔を表す。
【図１６】Ａ−Ｃは、ＰＣＦの動作特性を示す模式的な表示であり、ここで、シングルモードとマルチモードは、λ／Λ対ｄ／Λプロット上で異なる数の層を表す曲線で分けられる。
【図１７】異なる形状と寸法をもつ二つの模範的な穴造作を模式的に示す。
【図１８】Ａ及びＢは、穴あきファイバの動作特性を示す模式的な表示であり、ここで、シングルモードとマルチモードは、λ／Λavg対ｄavg／Λavgプロット上でクラッド領域の異なる有効厚さを表す曲線で分けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本技術の概念と他の概念、優位性、及び新奇な特徴は、以下の詳細な記述と添付図から明らかになる。図中、類似要素は類似引用符号をもつ。
【００２３】
本教えは、一般に穴あきファイバ、フォトニック結晶ファイバ、及びフォトニックバンドギャップファイバに関連する。ここに記載のためと、最近使用される技術用語に関して、穴あきファイバは、光導波が規則的或いは不規則的に配置されたクラッド造作（features）或いは“穴”で基本的に規定される光ファイバである。ここで使用されるように、穴は、マトリックス材料中に配置された造作を意味し、マトリックス材料と比べて異なる屈折率のような光学特性をもつ。穴は、オープンで空か、又は空気、ガス、液体で満たされ、或いは例えばガラス、ポリマー、或いは他の物質又は材料のような他の透明或いは不透明材料を有してもよい。フォトトニック結晶ファイバ（ＦＣＦ）は、実質上規則的に配置された穴をもつ穴あきファイバである。フォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）は、動作波長でブラッグ条件を満たす穴又はクラッド造作の適当な間隔と配列をもち、フォトニックバンドギャップ効果で光導波を基本的に規定するＰＣＦである。
【００２４】
図１Ａは、穴あきファイバ１００の一部分を示し、図１Ｂは、線１Ｂ−１Ｂと交差する穴あきファイバ１００の模範的な断面を模式的に示す。その断面が示すように、穴あきファイバ１００は、平均内半径ρと平均外半径Ｒとをもつリング状又は環状領域で区切られるクラッド領域１０２を有する。そのクラッド領域１０２は、複数の穴又はクラッド造作１１０を有する。
【００２５】
内半径ρは、穴あきファイバ１００のコア１０６を定める。コア１０６は、外側領域１１２及び／或いは穴１１０の間のスペース（穴が形成されるマトリックス）と同じような材料で作られているか、或いは作られていない。様々な実施例では、コア１０６、穴１１０の間のスペース、及び外側領域１１２は、第１屈折率ｎ１をもつガラスで作られる。
【００２６】
ある実施例では、穴１１０は、真空に限定されないで、ガス、混合ガス、第二タイプのガラス、或いは他の固体又は液体材料を含む、ｎ１より小さい第２屈折率ｎ２をもつ材料で作られる。（対照的に、様々な実施例のフォトニックバンドギャップファイバは、コア１０６又は回りのマトリックスの屈折率より大きな第２屈折率ｎ２をもつ材料で作られる穴或いはクラッド造作を有する。）図１Ｂに示すように、穴１１０は、異なる寸法（寸法ｄiで例示された）をもつこともできる。さらに、穴１１０の間隔も違ってもよい（間隔Λiで例示された）。さらに、穴１１０は、丸く描かれているが、他の非円形穴も使用される。
【００２７】
本教えの一つの概念は、パラメータの選択的操作或いはクラッド領域の有効厚さ（Ｒ−ρ）、平均穴サイズ（ｄ）、平均穴間隔（Λ）、穴構造、のようなパラメータの組み合わせに関係する。上記したように、穴は、異なる材料で作られる。穴は、上記のように限定される必要がなく大きな屈折率をもつことができるが、この記載の部分のためには、コアより小さい屈折率をもつと仮定される。穴あきファイバの前述の特性を操作することで、コアを伝播する異なるモードの光信号の漏れ損失を選択的に制御することができる。例えば、様々な実施例において、一つのモードが十分小さい漏れ損失で伝播し、実質上他の全てのモードが十分大きな漏れ損失で伝播する。
【００２８】
ここに使用されたように、シングルモードとマルチモードファイバは、従来の非穴あきファイバで使用された定義と矛盾なく定義される。従来のファイバの場合、シングルモードとマルチモードファイバは、一般的にステップインデックスファイバの場合π（開口数）（コア径）／波長に等しいＶ値で定められる。非ステップインデックスファイバの場合、開口数とコア径は、ステップインデックスファイバに対する等価値で計算される。（例えば、Martinez, F., Husey, C.D., “(E)ESI determination from mode-field diameter and refractive index profile measurements on single-mode fibers ” IEEE Proceedings V135,pp.202-210,(1988)を参照。）Ｖ＜２．４の関係を満たすファイバの場合、基本モードのパワーは、次の高次モードのパワーより十分大きい。又、Ｖ＞２．４のファイバの場合、基本モードの上の少なくとも次のモードは、基本モードに比べ十分大きなパワーをもつことができる。従って、従来のシングルモードとマルチモードファイバは、Ｖ＜２．４とＶ＞２．４の関係でそれぞれ十分に定められる。Ｖ＝２．４は、最低次モード以外の任意のモードの伝播に対するカッオフである。
【００２９】
穴あきファイバにおいて、開口数は、コアとクラッドの屈折率差で求まる。しかしながら、ステップインデックスファイバに対して等価値であるコア径は、計算が難しい。様々な文献（例えば、(1) Knight et al, “Properties of photonic crystal fiber and the effective index model” J. Opt. Soc., Am. A Vo.15,pp.748-752,(1998)及び(2) Mortensen et al., “Modal cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers” Opt. Lett. V.28, pp.1979-1881,(2003)参照）が、コア径が穴のピッチ或いは距離Λに等しくされるなら、シングルモードより大きな任意のモードの伝播のためのカットオフＶは、２．５（例えば、Knight et al参照）とπ（例えば、Mortensen et al参照）であると報告している。ここに記載された様々な実施例の場合、Ｖカットオフが２．４０５、２．５或いはπであるかどうかは、重大でない。ここに記載された穴あきファイバの様々な実施例は、シングル光モード伝播を支持する従来の光ファイバの可能なコア径より十分大きいコア径をもつ。従って、マルチモードファイバがＶ＞πとして定められ、コア径がピッチ又は平均ピッチに等しくされるこの技術分野に我々は最近の研究を用いることができる。逆に言えば、ここではシングルモードファイバが、Ｖ＜πとして定められる。
【００３０】
上述のように、穴あきファイバは、特定のモードに損失を与えるべくデザインされる。例えば、穴サイズ、間隔、及び穴の数は、Ｖ＞πのマルチモードファイバ中の高次モードの伝播に損失を与えるべく選定される。穴の数が減少すると、高次モードの光はコアに閉じ込められなくなり、ファイバから逃げ出す。マルチモードファイバ（Ｖ＞π）に導入されるそのような損失は、例えば、高次モードの伝播に損失を導入するためにファイバを曲げることで与えられるモードフィルタリングを含むπより大きなＶナンバーをもつ従来の非穴あきファイバに、類似している。（モードフィルターは、例えば、参照によってここに組み込まれた１９９８年１０月６日にファーマン他に交付された題名が“Single-mode Amplifier and Compressors Based on Multi-mode Fibers”の米国特許５，８１８，６３０、に記載されている。）基本モードが曲げマルチモードファイバ中を伝播する唯一のモードであるように、基本モードより高次のモード各々に損失を与えるため十分な曲げが与えられる。同様に、約πより大きなＶナンバーをもつマルチモード穴あきファイバは、高次モードが減衰されるように高次モードに損失を導入するデザインをもつ。
【００３１】
図２ＡとＢ及びその後の図は、様々な輪郭の中で規則的に離間した穴をもつ様々な穴あきファイバを描いている。このように、これら穴あきファイバは、上で明らかにされた定義に従ってＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバ）と呼ばれる。その他の点で述べたのでない限り、様々なＰＣＦに関して開示された概念は、例えば、非対称はもちろん、図１ＡとＢに関連して上に記載された模範的な穴あきファイバのような非周期的な構造、及び変化する次数をもつ他の構造、にも適用される。さらに、ここでのＰＣＦの穴の様々な幾何学配置は、模範的であり、構成、配置及び造作特性における広い範囲の変化が可能であるので、本教示の目的を制限するべく解釈されない。
【００３２】
図２ＡとＢは、２次元表示の単純立方体アレーに配置された複数の穴１３０をもつ模範的なＰＣＦ１２０を示している。コア１２６は、単純立方体アレーの中心穴（図２Ｂで取り去られた）なしで作られる穴無し領域で規定される。従って、コアサイズの大きさは２ρであり、アレーから無くなった中心穴の直径に一致する。模範的な１層クラッド領域１２２は、例えば内側リング１２４ａ（半径ρ）と第１層の穴１３０を囲む外側リング１２４b（半径Ｒ）との間に位置する。さらなる穴の層が、図２Bに示す第１層の向こうに配置され得る。さらに、コアは、中心穴より多くを取り去ることで作り変えられ得る（この場合、アレー中の列或いは層の数は、その他の点で一つより多い）。
【００３３】
模範的なクラッド領域１２２は、直径２ρが穴径ｄと穴間隔Λに匹敵するコア１２６を与える。相対的に大きな穴寸法及びそれによる相対的に大きな穴間隔を選定することで、対応するコア径は相対的に大きくなる。シングル光モードのみの伝播は、ｄ、Λの値及び／或いは層数を選択的に調整することで達成される。
【００３４】
図３Ａ及びＢは、２次元表示の模範的な６角形近接パックアレー状に配置された複数の穴１５０をもつ模範的なＰＣＦ１４０を示す。コア１４６は、図３Bで６角形穴から取り去られた中心穴と重複する領域である。さらに、コアは、中心穴より多くを取り去ることで規定され得る（この場合、アレー中の列或いは層の数は、その他の点で一つより多い）。
【００３５】
模範的なクラッド領域１４２は、直径２ρが穴の大きさｄと穴間隔Λに一般的に匹敵するコア１４６を与える。相対的に大きな穴寸法及びそれによる相対的に大きな穴間隔を選定することで、対応するコア径は相対的に大きくなる。シングルモード伝播、支持された高次モードの伝播を除外してしまうほどのシングル光モードのみの伝播は、ｄ、Λの値及び／或いは層数を選択的に調整することで達成される。
【００３６】
図３Ｂに示された模範的なファイバ及びここに開示された他の穴あきファイバは、例えば、プリフォームにガラス毛細管を積層することで作られる。中心の一つ或いはそれ以上の毛細管は、コアを形成するために一つ／複数のガラスロッドと置き換えられる。後述のような幾つかの実施例では、コア形成ロッドが、利得媒質を与えるために希土類イオンでドープされる。その後そのプリフォームは、従来のファイバ引き延ばしタワーで類似断面をもつファイバに引き延ばされる。なお、穴あきファイバを作る別の方法も用いられる。
【００３７】
一実施例において、ここで開示された大きなコアデザインは、特にコア全体及び好ましくはファイバの断面全体（クラッド領域中、穴と穴の間のギャップ領域）で十分均一な屈折率分布をもつ。コア径が約４０〜１００μｍ（ここに開示されたような）の範囲であるとき、この均一性は、ファイバのコア内の任意のローカルな導波路作用を十分に除去するためにますます重要になる。
【００３８】
ところで、図４Ａ−Ｃは、６角形配置の穴或いは造作で形成されたクラッド領域をもつＰＣＦの様々な実施例を示す。図４Ａ−Ｃに示された模範的なＰＣＦにおいて、コア寸法は、穴間隔と穴寸法に匹敵する。従って、相対的に大きな穴サイズと間隔を選定することで、相対的に大きなコア寸法が達成され得る。
【００３９】
そのような相対的に大きなコアをデザインする一つの方法は、必要なコア寸法を決めて始めることである。次に、穴径ｄが穴間隔Λに十分等しいように６角形近接パックアレーの穴或いは造作が、配置される。コアを作るために、中心の穴（及びことによると中心穴の回りのさらなる穴）が、取り去られる。その結果としての“クラッド”領域は、隣接した穴が十分近接又は接触する近接パック穴の一つ或いはそれ以上のリング或いは列を有する。そのような近接パックは、高次モードの漏れを減らすので、例えば、隣接の穴がもはや接触しない又は互いに接近しないように穴寸法を減らすか、穴間隔を増やすか或いはそれらの組み合わせを行うことで、漏れ“パス”が与えられ、漏れが大きくされる。
【００４０】
図４Ａは、１層又は１列（Ｎ＝１）の穴１７０で形成されたクラッド領域１６２をもつＰＣＦ１６０の一実施例を示す。クラッド領域１６２の内側部分１６４aは、一般に半径ρもつコア１６６をもたらし、クラッド領域１６２の外側部分１６４bは、外径Ｒをもつ。図４Ａに示されたＰＣＦ１６０において、穴径ｄは、穴間隔Λより小さい。Ｎ＝１のＰＣＦの一実施例において、穴径ｄは、約７５μｍであり、穴間隔Λは、約８０μｍであり、その結果、約８５μｍであるコア径２ρ（＝２Λ−ｄ）をもたらす。
【００４１】
図４Ｂは、２層又は２列（Ｎ＝２）の穴１７０で形成されたクラッド領域１８２をもつＰＣＦ１８０の一実施例を示す。クラッド領域１８２の内側部分１８４aは、一般に半径ρもつコア１８６をもたらし、クラッド領域１８２の外側部分１８４bは、外径Ｒをもつ。図４Ｂに示されたＰＣＦ１８０において、穴径ｄは、穴間隔Λより小さい。Ｎ＝２のＰＣＦの一実施例において、穴径ｄは、約３５μｍであり、穴間隔Λは、約４０μｍであり、その結果、約４５μｍであるコア径２ρ（＝２Λ−ｄ）をもたらす。
【００４２】
図４Ｃは、３層又は３列（Ｎ＝３）の穴２１０で形成されたクラッド領域２０２をもつＰＣＦ２００の一実施例を示す。クラッド領域２０２の内側部分２０４aは、一般に半径ρもつコア２０６をもたらし、クラッド領域２０２の外側部分２０４bは、外径Ｒをもつ。図４Ｃに示されたＰＣＦ２００において、穴径ｄは、穴間隔Λより小さい。Ｎ＝３のＰＣＦの一実施例において、穴径ｄは、約１５μｍであり、穴間隔Λは、約２０μｍであり、その結果、約２５μｍであるコア径２ρ（＝２Λ−ｄ）をもたらす。
【００４３】
以下に示された表１は、図４Ａ〜４Ｃに関連して上記されたＰＣＦの様々な特性を、Philip Russell: “Photonic crystal fibers,” Science, vol.299,p.358-62, 2003, Bouwmans et al.: “High-power Er:Yb fiber laser with very high numerical aperture pump-cladding waveguide,” Applied Physics Letters, vol. 83,p.817-18, 2003, Furusawa et al.:“Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding,” Optics Express, vol. 9, p. 714-20, 2001,及びWadsworth et al.: “High power air clad photonic crystal fiber laser,” Optics Express, vol. 11, p. 48-53, 2003と比較して要約している。この表において、“モード伝播”は、シングル光モードの伝播のみが支持されるか又はマルチ光モードがファイバを伝播するかを示すシングルモード（ＳＭ）又はマルチモード（ＭＭ）であり、Ｎは、リング又は列（層）の数を示し、ｄは穴径であり、Λは穴間隔、２ρはコアが６角形近接パックアレーの取り除かれた中心穴一つに対応する場合、近似的に２Λ−ｄに等しいコア径の大きさであり、λは、真空中での動作波長、Δｎはモード間隔（測定値と計算値の両方）、NAは開口数（測定値と計算値）、及びＶは（２ρ）（NA）π／λと表される規格化された周波数パラメータである。文献〔１〕は、Philip Russell: “Photonic crystal fibers,” Science, vol.299,p.358-62, 2003を示し、文献〔２〕は、Bouwmans et al.:“High-power Er:Yb fiber laser with very high numerical aperture pump-cladding waveguide,” Applied Physics Letters, vol. 83,p.817-18, 2003を、文献〔４〕は、Furusawa et al.:“Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding,”Optics Express, vol. 9, p. 714-20, 2001を、文献〔５〕は、Wadsworth et al.:“High power air clad photonic crystal fiber laser,” Optics Express, vol. 11, p. 48-53, 2003を、示し、各文献は、ここに参照によって完全に組み込まれている。
【００４４】
表１から、従来のシングルモードＰＣＦは、相対的に小さいコアサイズに対応する相対的に小さな値のｄ／Λをもつことがわかる。さらに、それらのクラッド領域は、相対的に大きな数の列又は層の穴を含む。従って、シングル光モードを伝播させるこれら従来のＰＣＦのクラッド領域は、非穴あきシングルモードファイバのクラッド（例えば、僅かに低い屈折率をもつ）に似ている。
【００４５】
表１は、文献欄に“図４Ｂ”と“図４Ａ”と示されるシングル光モードのみを伝播する模範的な大コアＰＣＦの詳細をさらに示している。これら二つのＰＣＦは、ここに記載された様々なデザインと技術を具体化している。後述の幾つかの技術が、これら二つの模範的なＰＣＦの数値シミュレーションを行うために使用された。
【００４６】
測定された屈折率差Δｎmeasは、ファイバ出力端の測定された開口数（NA）から導出される。そのような測定の正確さは、理想から劣る。この値は、比較のために有効なパラメータであるので、その屈折率差は、各ケースに対して与えられたｄとΛから計算された。これらの計算値は、直接測定で得られた値より正確である。
【００４７】
【表１】
【００４８】
計算したΔｎcalは、等価クラッドインデックスを最初に計算することで得られ、これは、あらゆる方向に無限に広がるクラッドの基本的な単位セルをもつ構造の有効基本モードインデックスである。この計算は、各々のケースに対して十分な分解能をもつ有限要素モデルで行われた。Δｎcalの値は、ガラス屈折率と等価クラッド屈折率の差を計算することで決められる。
【００４９】
上述のように、２ρは、等価コア径の大きさであり、１個の穴（例えば、ロッドから取り去られた）がコアを形成する場合２Λ−ｄと見なされる。３つの欠落ロッド或いは３つの穴がコアを形成する場合、コア径の値は、例えば、Mortensen et al:“Improved large-mode-area endlessly single-mode photonic crystal fibers”, Optics Letters, vol.28,pp.393-395,2003から得られる。
【００５０】
表１に関連して上述したように、Ｖパラメータは、（２ρ）（NA）π／λと近似される規格化周波数パラメータ（Ｖナンバーとも呼ばれる）である。ＶmeasとＶcalは、それぞれ測定Ｖ値と計算Ｖ値を示す。従来のファイバでは、Ｖ＜２．４０５がシングルモードファイバの領域を示す。表１に示すように、シングルモード伝播のみを支持する上から５列内の全てのＰＣＦの場合、計算Ｖナンバーは、２．４０５未満（Ｖcal＜２．４０５）であるか或いは、それに非常に近い。それに対して、ここに記述されたデザインと技術に基づき、シングル光モードのみの伝播が支持されるＮ＝２（図４Ｂ）とＮ＝１（図４Ａ）の場合の計算Ｖ値は、それぞれ７．８と９．７５である。そのような大きなＶ値は、従来の非穴あきファイバの場合のマルチモードファイバと、従来のＰＣＦでのマルチモード伝播と関係づけられる。
【００５１】
表１の最初の５列内にあるシングルモードＰＣＦの全てにおいて、ｄ／Λ＜０．６であるのに対して、ここに記載されたデザインと技術に基づくＮ＝２とＮ＝１の実施例のＰＣＦは、ｄ／Λ＞０．６をもつ。従って、ここに記載されたこれらＰＣＦの相対的な穴径は、従来のＰＣＦのそれより非常に大きい。幾つかの実施例において、ファイバは、大きなコア径のために大きなΛを有し、λ／Λ＜０．３である。その上、そのような興味のある領域における穴サイズｄは、波長λ及び穴又は散乱造作間のギャップ（例えば、ガラスマトリックス領域）に比べ非常に大きい。
【００５２】
上述のような一つの可能な動作領域では、シングルモード動作（シングル光モードのみが支持され、高次モードが抑制される）が達成される。ＰＣＦは、基本モードに対して低い伝送損失を維持しながら、高次モードに対してはデバイスの長さに渡り十分なパワー漏れを可能にするべくデザインされる。穴の層の数（Ｎ）を調節することでその漏れ損失を最適化する幾つかの実行可能な方法とその穴の特性とがより詳細に後述される。
【００５３】
ここに記載のデザインと技術を具体化する大コアシングルモードＰＣＦの場合、好ましい動作領域は、Ｎ≦３でｄ／Λ≧０．３５である。より一層好ましくは、ｄ／Λ≧０．７５である。コアサイズは、約２０から３００マイクロメートルの間或いは、より好ましくは約３０から１５０マイクロメートルの間である。穴あきファイバ又はＰＣＦの幾つかの模範的な実施例において、ｄ／Λ＞０．６、Ｎ≦４及びλ／Λ＜０．３である。穴あきファイバ又はＰＣＦの他の実施例では、例えば、ｄ／Λ＞０．７５、Ｎ≦２及びλ／Λ＜０．３である。しかしながら、異なるファイバデザインの範囲は、広い変更が可能であるので、これらのパラメータに限定されない。
【００５４】
次に、与えられた数の穴の層に対して、穴の大きさと穴の間隔を調節することで、漏れ損失がどのように変えられるかを図５と６は示している。図５と６を描くためにＮ＝２形状が使用されているが、その概念は、他のＮ形状に当てはまることがわかる。
【００５５】
図５Ａ−Ｃは、実質的に一定の穴間隔Λをもつ三つの模範的なＰＣＦ２４０、２５０、２６０を示す。図５Ａに示すように、第１の模範的なクラッド領域２４４は、穴間隔Λで配置された第１の径ｄ1をもつ２層の穴２４２を有する。そのような形状は、第１コア径２ρ1をもつ第１コア２４６及び第１ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ−ｄ1をもたらす。
【００５６】
図５Ｂに示すように、第２の模範的なクラッド領域２５４は、穴間隔Λで配置された第２の径ｄ2をもつ２層の穴２５２を有する。そのような形状は、第２コア径２ρ2をもつ第２コア２５６及び第２ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ−ｄ2をもたらす。
【００５７】
図５Ｃに示すように、第３の模範的なクラッド領域２６４は、穴間隔Λで配置された第３の径ｄ3をもつ２層の穴２６２を有する。そのような形状は、第３コア径２ρ3をもつ第３コア２６６及び第３ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ−ｄ3 をもたらす。
【００５８】
図５Ａ−Ｃから、穴径が減少する（ｄ1＞ｄ2＞ｄ3）と、穴間のギャップが増大し（Λ−ｄ1＜Λ−ｄ2＜Λ−ｄ3）、それにより一層大きな漏れ損失を可能にすることがわかる。また、穴径が増大すると、コアサイズが増大する（ρ1＜ρ2＜ρ3）ことがわかる。従って、穴間隔が与えられる場合、穴サイズを選定することで、所望のギャップ（及びことによるとその対応するコアサイズ）を選定することができる。
【００５９】
図６Ａ−Ｃは、実質的に一定の穴寸法ｄをもつ三つの模範的なＰＣＦ２７０、２８０、２９０を示す。図６Ａに示すように、第１の模範的なクラッド領域２７４は、第１穴間隔Λ1で配置された径ｄをもつ２層の穴２７２を有する。そのような形状は、第１コア径２ρ1をもつ第１コア２７６及び第１ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ１−ｄをもたらす。
【００６０】
図６Ｂに示すように、第２の模範的なクラッド領域２８４は、第２穴間隔Λ2で配置された径ｄをもつ２層の穴２８２を有する。そのような形状は、第２コア径２ρ2をもつ第２コア２８６及び第２ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ2−ｄをもたらす。
【００６１】
図６Ｃに示すように、第３の模範的なクラッド領域２９４は、第３穴間隔Λ3で配置された径ｄをもつ２層の穴２９２を有する。そのような形状は、第３コア径２ρ3をもつ第３コア２９６及び第３ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ3−ｄをもたらす。
【００６２】
図６Ａ−Ｃから、穴間隔が増大する（Λ1＜Λ2＜Λ3）と、穴間のギャップも増大し（Λ−ｄ1＜Λ−ｄ2＜Λ−ｄ3）、それにより一層大きな漏れ損失を可能にすることがわかる。また、穴間隔が増大すると、コアサイズが増大する（ρ1＜ρ2＜ρ3）ことがわかる。従って、穴寸法が与えられる場合、穴間隔を選定することで、所望のギャップ（及びことによるとその対応するコアサイズ）を選定することができる。
【００６３】
図５と６に関して上述した漏れ調節は、穴サイズと穴間隔を独立に調節することでなされる。望ましい漏れ特性を達成するために、穴サイズと穴間隔をいくらか組み合わせて調節することで漏れを調節することもできる。さらに、望ましい結果をどうしても達成するためには、穴サイズと間隔が層から層に変わることもできる。
【００６４】
図７−９は、比較的大きなコアを組み入れ、シングルモード伝播が可能な様々な実施例のＰＣＦを示している。ここでは、シングルモードのみが伝播し、高次モードの伝播は抑制される。図７は、比較的大きなコア３０４のシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３０２をもつ模範的なＰＣＦ３００を示している。そのＰＣＦ３００は、ＰＣＦ３００の外側部分３１２に配置された外側クラッド３０６をさらに有する。模範的な外側クラッド３０６は、６角形に配置された複数の穴３１０を有する。一実施例では、その外側クラッド３０６の６角形は、クラッド領域３０２の６角形と実質的に中心を共有している。
【００６５】
そのような“二重クラッド”ファイバは、例えば、ファイバ増幅器、レーザ、ＣＷまたはパルス光源、或いはファイバがポンプされるその他デバイス及びシステムに使用され得る。穴によって形成された外側クラッドは、従来の二重クラッドファイバを凌ぐ多数の優位な特性をもたらすことができる。一つの可能な優位性は、従来の二重クラッドファイバの低屈折率ポリマーコーティングが削除されることである。低屈折率ポリマーコーティングは、熱と高い光パワーで比較的容易に損傷されるので、高パワー応用に信頼性と安定性の問題を潜在的に生じさせる。別の可能な優位性は、従来の二重クラッドファイバと比べると、比較的高い開口数が達成され得ることである。この特性は、より小さいポンプ導波路を可能にし、従ってより短いデバイス長をもたらすかも知れない、改善されたポンプとレーザ光とのオーバラップを可能にする。より短いデバイスは、よりコンパクトで経済的であることに加えて、レーザと増幅器のピークパワーを制限する非線形効果を減らす。
【００６６】
図８は、比較的大きなコア領域を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３２２をもつ模範的なＰＣＦ３２０を示している。そのＰＣＦ３２０は、コア領域に配置されたドープコア３２４をさらに有する。そのようなドープコアＰＣＦは、クラッド領域３２２の周りの外側領域３２６に配置された複数の穴で形成された外側クラッドを含むことができる。一実施例では、ＰＣＦ３２０をファイバレーザまたはファイバ増幅器のような利得媒質として使用されるようにするため、そのドープコア３２４は、希土類ドープコアを有する。
【００６７】
図９Ａ−Ｄは、比較的大きなコア領域のシングルモード伝播を可能にするクラッド領域をもつ様々な実施例のＰＣＦを示している。そのクラッド領域は、それぞれのコアを通して伝播するシングルモード偏光光信号の偏光保持を容易にする非対称性を含む。
【００６８】
図９Ａは、比較的大きなコア領域を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３３２をもつ模範的なＰＣＦ３３０を示している。その模範的なＰＣＦ３３０において、コア領域は、利得媒質を与えるためにドープコア３４０で満たされている。クラッド領域３３２は、一つまたはそれ以上の層を形成する複数の第一穴３３４を有する。クラッド領域３３２は、第一穴３３４と異なる第二穴３３６で導入された非対称性を含む。一実施例において、第二穴３３６は、第一穴３３４より小さく、コア領域の反対側に配置され、それによって光信号電場の優先的な方位合わせを可能にする。
【００６９】
図９Ｂは、比較的大きなコア領域３６０を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３３２（図９Ａに類似の）をもつ模範的なＰＣＦ３５０を示している。クラッド領域３３２とそこの非対称性とがコア３６０を通しての偏光保持シングルモード伝播を可能にする。
【００７０】
図９Ｃは、比較的大きなコア領域を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３７２をもつ模範的なＰＣＦ３７０を示している。図９ＡのＰＣＦ３３０に類似して、模範的なＰＣＦ３７０は、利得媒質を与えるためにドープコア３８０をもつ。クラッド領域３７２の非対称性は、コア３８０の周りに配置された小さな穴３７６（穴３７４より小さい）で達成され、それによって光信号電場の優先的な方位合わせを可能にする。
【００７１】
図９Ｄは、比較的大きなコア領域４００を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３７２（図９Ｃに類似の）をもつ模範的なＰＣＦ３９０を示している。クラッド領域３７２とそこの非対称性とがコア４００を通しての偏光保持シングルモード伝播を可能にする。
【００７２】
図９Ｅと９Ｆに示すように、第一の大きな穴３３４の組の位置と第二の小さな穴３３４の組の位置とは、大きな穴３３４の間隔（ｓ1）が小さな穴３３６の間隔（ｓ2）に近似的に等しくなる（ｓ1≒ｓ2）ように選定される。（これら間隔ｓ1、ｓ2と穴３３４、３３６の普遍的な位置とは、例えば、穴３３４、３３６の中心から測定される。）この形状は、多くの応用に望ましいより一層円形の基本モードを与える。様々な好ましい実施例において、これらの穴３３４、３３６の位置は、上述したような平均間隔Λをもつ格子（例えば、一般的な６角形格子）に一致する格子点に設定される。或いは、小さい穴３３６がより近づけられる（図９Ｅの幻影の穴参照）か或いは大きな穴３３４（図９Ｆの幻影の穴参照）が遠ざけられる。図９Ｅは、格子位置に関して特にファイバの中心方向にシフトされた小さい穴３３６を示している。反対に、図９Ｆは、格子位置に関して特にファイバの中心から遠ざかる方向にシフトされた大きな穴３３４を示している。他の形状も可能である。
【００７３】
図２−９に関連して上述された様々なＰＣＦは、それぞれの中心穴がもしそうでなかったら配置される領域を占めるコアをもつ。比較的大きなコアは、その上、他の領域の面積を含むことができる。一例として、第１層の二つの近接する穴は、６角形状クラッド領域の幾何学的中心から僅かに外れる三角形状コアを産出するために取り除かれる。別の例では、寸法が第１層の外周に近似する大きなコアを産出するように第１層のすべてが取り除かれる。
【００７４】
与えられた長さのＰＣＦの場合、そのような拡大されたコアは、基本モードの損失に関しての非基本（高次）モードの大きな漏れ損失に依存するシングルモード伝播を支持できるか或いはできない。上述の穴あきクラッドの様々な特性（穴サイズ、穴間隔、層数、穴構造、他）は、その拡大されたコアを通してのシングルモード伝播を達成するために調節される。また、穴あきクラッドの様々な特性は、数個の選択されたモードの光信号の伝播を可能にするために選定される。
【００７５】
ここで使用されたように、“光信号”は、伝播される光エネルギまたはパワーを広く意味し、音声、データまたは情報のための光キャリアに限定されない。例えば、光信号は、光ファイバ増幅器を伝播する光またはファイバ光学レーザ或いは光源の出力に対応する。
【００７６】
本教えの一面は、マルチモードを支持するファイバを通してのシングルモード信号伝播に関する。穴あきファイバでの“モード選択”が異なるモードの相対的な漏れ損失に依存するので、穴あきファイバは、幾つかの非基本モードの伝播を可能にするべく形成され、これら高次モードを“含む”（すなわち、漏れで十分な損失を与えない）べくクラッド領域を形成する。マルチモード（例えば、約２０モードまたはそれ以上）または“数”モード伝播のためのそのような穴あきファイバは、例えば、図１０ＡとＢに示されたように、一つまたはそれ以上の内側層を取り除くことで作られる。
【００７７】
図１０Ａで、模範的なＰＣＦ４１０は、６角形アレー穴４１４で形成されたクラッド領域４１２を有する。一実施例で、コア２４０は、中心穴と第１層穴とがもしそうでなかったら形成される領域に形成される。その模範的なＰＣＦ４１０は、外側領域４１６に配置された外側クラッドをさらに含むことができる。
【００７８】
図１０Ｂで、模範的なＰＣＦ４３０は、６角形アレー穴４３４で形成されたクラッド領域４３２を有する。一実施例で、コア４４０は、第２層の穴をさらに取り除くことで形成される。その模範的なＰＣＦ４３０は、外側領域４１６に配置された外側クラッドをさらに含むことができる。従って、もたらされるコア４４０（及び図１０Aのコア４２０）は、比較的大きく、動作を損なう光非線形効果を引き起こす過剰な強度レベルに達すること無く高パワー光信号を処理することができる。
【００７９】
図１０ＣとＤは、数個の光モードを支持する与えられた長さのＰＣＦを通してシングルモード信号が如何にして伝播するかを示している。図１０Ｃにおいて、“数”モードを支持する一実施例のＰＣＦ４５０は、比較的大きなコア４６０の周りのクラッド領域を形成する２（模範的）層の穴４５４a、４５４bを有する。外側クラッド４５６が図１０Ｃに示されているが、そのような造作（feature）は、幾つかの実施例では必要でない。
【００８０】
図１０Ｃに示すように、高次モードなしのシングルモード信号が信号光源４６２からＰＣＦ４５０のコア４６０に入射される。シングルモード信号４６６は、長さＬのＰＣＦ４５０を十分生き延びシングルモード信号４６６として出現するように示されている。シングルモード信号の生き残りは、比較的大きなモード間隔のＰＣＦによって促進される。マルチ光モードを支持するＰＣＦは、大きなコア（潜在的に数百ミクロンの直径をもつ）をもちながら、約０．００１より大きい、基本モードと次の高次モードとの間の大きなモード間隔をもつようにデザインされる。大きなモード間隔は、相互モード結合を減少させる。従って、マルチモードの伝播を支持するＰＣＦに入射された基本モード信号（図１０Ｃの４６４）は、与えられた長さのＰＣＦを通して強固にシングルモード導波されると期待される。
【００８１】
マルチ光モードを支持するファイバにシングルモードを入射させるために、様々な技術が用いられる。例えば、コア領域に光を結合するために、光結合器がコア領域に関して配置される。光結合器は、基本モードのモードプロファイルに十分マッチングする光分布をもつ光を出力するべく形成される。それによってより多くの光が高次モードよりファイバの信号モードに十分結合される。光結合器は、例えばレンズまたは適当な特性（例えば、光パワー、開口数、他）をもつその他の光学系を有し、基本モードのモードプロファイルのサイズに十分合致するサイズに光を集光するためにコア領域に関して配置される。また、光結合器は、基本モードのモードプロファイルに十分合致する分布をもつ光を出力する導波路を有する。他の技術も同様に用いられる。
【００８２】
図１０Ｄは、例えば２０またはそれより多い光モードをもつ高パワーマルチモード信号をシングルモード信号４８６に減少させる模範的な光信号伝播システム４７０のブロック図を示している。図１０Ａ−Ｃと関連して上述したような“数”個の光モードを支持する一つまたはそれ以上のセグメントのＰＣＦが用いられる。多数のモードをもつ模範的な信号４７２は、数個の光モードを支持する第１長さＬ1をもつ第１ＰＣＦ４７４に入射されように示されている。第１長さＬ1を通過した後、多数のモード信号４７２は、数モード信号４７６に減らされる。何故なら、数モード以外のモードが漏れによって失われるからである。その“数”モード信号４７６は、数モード信号４７６から非基本モードを濾過して取り除くフィルタ４８０をその後通過するように示されている。フィルタ４８０は、基本モードを通過させ、高次モードのパワーを十分除去するように形成されている。そのようなモードフィルタリングは、テーパー、曲げ、高次モードを漏れモードに結合するための長周期格子のような格子、及び利得／損失プロフィール、のようなデバイス及び／或いは技術で実施される。モードフィルタは、１９９８年１０月６日にFermann他に交付された題名が“Single-mode Amplifier and Compressors Based on Multi-mode Fibers”（代理人包帯IM-59）で、参照によってここに組み込まれた米国特許5,818,630に記載されている。図１０Ｄに示されるように、シングルモード信号４８２は、フィルタ４８０から出る。そのシングルモード信号４８２は、次に、出力のシングルモード信号４８６をもたらすために、数モード伝播を支持する第２ＰＣＦ（長さＬ2）を通して導波される。
【００８３】
本教えの別の面は、与えられた信号波長に対するブラッグ条件を満たすアレーまたは格子に配置された複数の穴をもつＰＣＦに関する。上記した通り、そのようなＰＣＦは、ＰＢＦ（フォトニックバンドギャップファイバ）と呼ばれる。図１１は、ファイバ材料４７６に配置された穴４９４のアレー４９２をもつ模範的なＰＢＦ４９０を示している。アレー４９２は、信号が伝播するコア領域５００の境界を定める。
【００８４】
ＰＢＦは、平均屈折率差よりブラッグ反射または散乱に依存するので、コアは、低屈折率をもつことができる。従って、コアは、空にされるかまたは空気或いは他のガス或いは非常に低い非線形効果を持つ媒質で満たされ得る。そのような優位性は、非線形効果の著しい減少をもたらすことができ、非常に高い光パワーが非線形歪みを被ることなくこれらＰＢＦ中を伝播することができる。
【００８５】
一実施例において、コア５００は、コアの中心の周りに配置されたリング形状または環状ドープ領域５０２をさらに有する。図１１はファイバの断面図であるので、ドープ領域５０２は、中空光円筒形状をもつドープ部分を有する。従って、ドープリング５０２の空の内側領域５０４は、ＰＢＦの非線形効果を減らすために空気または他のガスで満たされる。様々な他の形状が可能である。例えば、ドープ領域は、直線で囲まれており、図１１に示された観点から見たとき、正方形または長方形断面をもつ。また、ドープ領域の断面図は、３角形、５角形、６角形、８角形であるか、或いは任意の広い様々な規則的または不規則的形状をもつこともできる。この領域は、また連続する必要がなく、丸い突出部或いは分割部を有することもできる。例えば、ドープ領域は、中空コアに関し反対側に位置する二つ或いはそれ以上の部分を有することもできる。なお、他の変形が可能である。しかしながら、様々な実施例において、ＰＢＦのドープ領域５０２は、レーザと増幅器に対して利得を与えることができ、そのようなレーザと増幅器は非常に高い出力をもつことができる。
【００８６】
図１２−１４は、穴あきファイバの様々な特性と基本及び１次モードを特徴づけるコンピュータシミュレーションの結果とを示す。図１２は、基本及び１次モードに対する損失プロフィール５１０を層数の関数として示す。このシミュレーションの場合、穴寸法と穴間隔は、それぞれｄ＝３５μｍ及びＬ＝４０μｍであった（従って、約４５μｍのコア径をもつ）。Ｎ＝２のデータ点は、図４Ｂと関連して上述されたクラッド領域形状に対応し、Ｎ＝１のデータ点は、第２層が取り除かれたクラッド領域に対応する。
【００８７】
漏れ損失が層数に強く依存することがわかる。予想されたように、Ｎの減少（Ｎ＝２からＮ＝１への）は、両モードに対してパワー漏れの増加をもたらす。基本モードの場合、Ｎの減少（２から１への）は、３桁より大きな漏れ増加を引き起こす。１次モードの場合、Ｎの同じ減少は、約２桁の漏れ増加を引き起こす。
【００８８】
そのような強いＮ依存性の故に、特定の応用に対するＰＣＦをデザインするための一つのアプローチは、層或いは列の数Ｎの選定で漏れ損失を最初荒く調節することである。漏れ損失が望ましい一般的な或いは広い範囲に入ったら、漏れ損失の微調節は、穴サイズを変えることで実施される。予想されたように、且つ図５Ａ−Ｃと関連して上述されたように、より小さいな穴は、一般的により高いパワー漏れをもたらす。
【００８９】
より高次モード場合、一般的にパワー漏れの増加は、より小さい穴の場合も、異なる値のＮの場合も十分に大きい。従って、シングル光モードだけを伝播させるＰＣＦをデザインするためには、与えられた長さに渡って第１次モードを十分除去するためのＮの値と穴サイズとを選定することが、より高次モードも十分除去されるということを保証する。
【００９０】
ファイバレーザ、増幅器及びデリバリファイバのようなＰＣＦのある応用において、ファイバ長は、数メートルのオーダ或いはそれ未満である。そのような応用において、ｄ／Λ＞０．６の場合、Ｎ≦３がシングルモード動作を達成する。好ましくは、ｄ／Λ≧０．７５。
【００９１】
図１３は、ｄ＝３５μｍ、Λ＝４０μｍ（したがって、約４５μｍのコア径）を備える２層の空気封入穴をもつ模範的なＰＣＦの曲げの関数としての損失プロフィール５２０を示す。基本モードは、空気／穴境界で大きく閉じ込められる。この特性は有益な低い曲げ損失をもたらし、曲げ領域でのモードがその空気−穴境界の強い制限の結果として十分減らされるという事実から起こる。非常に小さい曲げ半径、すなわち約２５ｍｍ（曲げ半径の逆数が約０．０４ｍｍ−１）での基本モードの曲げ損失は大きいが、１次モードの曲げ損失は以下に記述されるモード減少効果で十分減らされる。
【００９２】
曲げ損失は、曲げを通しての伝播と関連させて伝播損失と通常呼ばれる。図１３に示す結果を得るために、直線ファイバモードから曲げファイバモードへのモード遷移損失は、モデルで説明されなかった。そのような遷移損失は、遷移の特徴に依存し、遅い断熱遷移では無視できる。
【００９３】
ＰＣＦの曲げ量は、基本モードと１次モードのどのぐらいのパワーが曲げで失われるかを決めるために使われることがわかる。曲げ誘起損失のデザインを手助けするために、以下に記載するＰＣＦでの曲げ損失の幾つかの特性が有益である。
【００９４】
このようなタイプのファイバ（たとえば、大きな穴のＰＣＦ）の曲げ感度は、非常に低い。この結果は、モード領域が曲げ径の減少と共に漸進的に減らされるという事実による。これは、大きな近くの空気穴にモード場がしみ出すことが制限されるという事実から生じる。この特性は、曲げによる非常に少ないレベルの場の歪でモード場が中心から退去させられる従来のファイバ及び通常のＰＣＦと大きく異なる。したがって、従来の非穴あきファイバ及び通常のＰＣＦでは、モード場がコア−クラッド境界を越えて移動し、大きな曲げ損失を生成する。従来のファイバ及び通常のＰＣＦでの大きなコアデザインでは、この影響が特に正しい。
【００９５】
図１４は、図１３の模範的な大きなコアのＰＣＦ（２層の穴、Ｎ＝２、ｄ＝３５μｍ、Λ＝４０μｍの）の場合、基本モードと１次モードの有効モードインデックスが曲げ半径の逆数の関数としてどのように変化するかを示している。基本モード曲線と１次モード曲線との差は、基本モードと１次モードとの間のモード間隔に相当する。モード間隔は、測定された範囲の曲げの至る所で約０．００５より大きいことがわかる。そのようなモード間隔（０．００５）は、通常のＰＣＦと従来のファイバのそれより非常に大きい。その高いモード間隔は、非常に低い相互モード結合を示し、ロバストなシングルモード動作の指標でもある。高いモード間隔（約０．００５）の結果として、たとえば、模範的なＮ＝２のＰＣＦ場合、事実上の相互モード結合を許すべく十分な位相整合のためにはサブミリメートル周期の摂動が必要である。
【００９６】
高いモード間隔は、より大きなコア径までにも達する。（図４ＡのＮ＝１の大きなコアＰＣＦのような）コア径が約１００μｍのオーダであるファイバの場合、次の高次モードに対する基本モードの間隔は、従来の非穴あきファイバと通常のＰＣＦのそれより未だ十分大きい。また、この特性は、比較的低い相互モード結合を生成する。
【００９７】
コアサイズがさらに増大すると、モード間隔は一般的に減少する。この傾向は、増大する曲げ損失と共に、ついには最大コア径の上限を定める。それにもかかわらず、シングルモード伝播を支持する最も大きな従来のＰＣＦ（たとえば、コア径２８μｍをもつ表１の文献［４］を参照）より１桁大きいコア径の増大が、ここに記載された技術とデザインで可能になる。
【００９８】
図１５−１６は、大きなコアをもつ様々なＰＣＦをシングルモードだけを伝播するように特徴付ける方法を示している。図１５は、穴或いはクラッド造作５５０の模範的な対を示し、穴径ｄと穴間隔Λを示している。上述のような６角形に配置された穴は、図１６Ａ−Ｃに示されたように、λ／Λとｄ／Λの間の様々な関係をもたらす。他の形状も可能である。
【００９９】
図１６Ａは、ＰＣＦに対するλ／Λ対ｄ／Λのプロットにおいて、マルチ光モードが伝播するマルチモード（ＭＭ）伝播レジームからシングル光モードが伝播するシングルモード（ＳＭ）伝播レジームを分離する曲線５６２を示している。ＳＭ伝播レジームで動作する従来のＰＣＦは、比較的小さいコアサイズと比較的大きな数の穴の層（Ｎ≧４）とをもち、全断面プロフィールは一般的に従来のファイバに類似している。そのようなファイバの場合、ｄ／Λの値はλ／Λがゼロに近いとき限界で、約０．３５である。したがって、ｄ／Λ≧０．４である図１６Ａの曲線５６２の右領域（すなわち、間隔に関係する穴サイズが増加するｄ／Λ）は、ＰＣＦをＭＭファイバにし、それによってＳＭ動作のための動作可能なコアサイズを制限する。
【０１００】
図１６Ｂは、図４Ｂ及び表１と関連して上述されたＮ＝２の実施例の場合の曲線５８２を示している。その実施例において、λ／Λが約０．１に等しいとき、（ｄ／Λ）２の値は、約０．８８である（１０メートルのファイバの場合、しかしこの値はより長いファイバの場合より大きい）。したがって、利用できるＳＭ伝播レジームは、矢印５８４で示すように、曲線５６２から曲線５８２に都合よく拡張される。間隔に関係する一層大きな穴サイズが、ＳＭ動作を維持しながら使用される。大きな穴サイズを選ぶことで、対応する穴間隔は、表１に関連して上で見たように、同様に大きなコアサイズをもたらす。
【０１０１】
図１６Ｃは、図４Ａ及び表１と関連して上述されたＮ＝１の実施例の場合の曲線５９２を示している。その実施例において、λ／Λが約０．１に等しいとき、（ｄ／Λ）１の値は、約０．９４である（１０メートルのファイバの場合、しかしこの値はより長いファイバの場合より大きい）。したがって、利用できるＳＭ伝播レジームは、矢印５９４で示すように、曲線５６２から曲線５９２に都合よく拡張され、それによってＳＭ動作のためにより一層大きなコアサイズを与える。
【０１０２】
図１７−１８は、穴あきファイバの状況における図１５−１６で上述されたＳＭ伝播レジーム拡張の一般化された概念を示している。図１７に示し、図１ＡとＢとに関連して上述したように、ＳＭで動作できる都合よく大きなコアをもつ穴あきファイバは、少なくとも部分的に不規則な或いは乱れた配列の穴を持つことができる。さらに、その穴は、均一なサイズ或いは形状でなければならない必要がない。そのような非均一な穴が図１７に描かれており、そこでは、二つの模範的な穴６００と６０２とは、それぞれ円形と矩形である。さらに、円形穴６００は、ｄｉの大きさを持つべく示され、矩形穴６０２は、ｄｊの大きさを持つべく示されている。二つの模範的な穴６００と６０２の間の模範的な間隔は、Λｋと表示されている。
【０１０３】
クラッド領域がそのような非均一穴で形成される穴あきファイバの場合、穴間隔パラメータと穴寸法パラメータとは、平均値ｄａｖｇとΛａｖｇと表される。そのような平均パラメータを使うと、類似のλ／Λ対ｄ／Λの関係（図１６の関係のような）が示される。図１８Ａは、λ／Λａｖｇ−ｄａｖｇ／Λａｖｇ空間において、ＭＭ伝播レジームからＳＭ伝播レジームを分離する曲線６１２を示している。値（ｄａｖｇ／Λａｖｇ）ｍｉｎは、λ／Λａｖｇがゼロに近づくと限界のｄａｖｇ／Λａｖｇの値を意味する。従来のＰＣＦの場合、約０．３５であるｄ／Λの閾値に類似し、（ｄａｖｇ／Λａｖｇ）ｍｉｎは、相対的に小さい平均寸法をもつコアの周りに相対的に厚い平均厚さをもつクラッド領域をもつ従来の穴あきファイバの場合の閾値を意味する。
【０１０４】
図１８Ｂは、図１６Ｂ−Ｃに関連して上述されたやり方に類似のやり方でＳＭ伝播レジームを拡張する概念を示している。利用できるＳＭ伝播レジームは、矢印６２４で示すように、曲線６１２から曲線６２２に都合よく拡張され、それによってＳＭ動作のためにより一層大きな平均コアサイズを与える。大きな平均穴サイズを選ぶことで、対応する平均穴間隔は、同様に大きな平均コアサイズをもたらす。
【０１０５】
ここに開示された様々なファイバは、例えば、利得ファイバ、増幅器、ファイバ増幅器とファイバレーザのようなレーザ、及びその他のシステムにも使用される。例えば、これらのファイバは、高パワーパルス及びＣＷレーザシステム或いは光源を製作するために用いられる。ここに開示された様々なファイバは、高パワーパルス及びＣＷレーザシステム或いは光源を製作するために用いられる。これらのシステムは、ポンプと、利得媒質を与えるための１本のファイバと、共振器を形成するためのファイバの２つの端部の一対のミラーとを有する。単一偏光モードのみが伝播する単一偏光モード動作を達成するために、偏光素子が加えられる。共振器内分散制御のために分散素子も加えられる。ここに開示されたファイバは、１つまたはそれ以上のポンプと、ポンプ結合器と、できる限りのアイソレータとを備えるパルス及びＣＷ光増幅器の利得媒質を構成することもできる。ここに開示されたファイバは、ファイバデリバリシステムの一部を形成するために使用される。デリバリシステムでは、レーザの出力が集光素子或いはスプライスを通してファイバに入射され、ファイバの出力が付加的な光学系でターゲットに向けられる。その他の形状及び使用が可能である。
【０１０６】
ここに開示されたファイバは、短い引っ張りデータ（haul data）電送用にＭＭ通信ファイバを交換するために、通信応用にも利用される。ファイバのシングルモード特性は、伝送システムのバンド幅を改善すると同時に、大きなコアサイズは、低コストとロバストなコネクターを可能にする。そのような応用では、第２ガラスが穴の代わりに使用され得る。なおその他の応用が可能である。
【０１０７】
上に開示した本発明の実施例は、上で開示した実施例に応用したような発明の基本的な新しい特徴を、示し、記述し、且つ指摘したが、示されたデバイス、システム、及び／または方法の詳細な形態における、様々な脱落、代用、変更が本発明の目的から逸脱することなく当業技術者によって行われる。従って、発明の目的は前述に制限されないが、添えられたクレームで規定されるべきである。
【０１０８】
この明細書で述べられた全ての公開文献と特許文献は、この発明が属する技術の当業者の技術レベルを示している。まるで各個々の公開文献或いは特許文献が参照によって組み込まれていることを明確にそれぞれ示すように、全ての公開文献と特許文献は、ある程度ここに参照によって組み込まれている。
【技術分野】
【０００１】
この出願は、参照によってここに完全に組み込まれた、２００４年１月１６日出願の題名が“大コア穴あきファイバ”（代理人包帯IMRAA.024PR）の米国仮出願６０／５３６，９１４の利益を請求する。
【０００２】
本教えは、一般的には光ファイバに関し、特に、大きなコア寸法をもつシングルモード及びマルチモード穴あきファイバと、レーザ及び増幅器としてそのようなファイバを使用するデバイス及びシステムと、に関する。
【背景技術】
【０００３】
穴あきファイバは、コアの回りに配置された“穴”の配置によって光ガイドが規定される光ファイバである。そのような穴は、コアより低い屈折率をもち、コアより低い有効屈折率をもつクラッド領域を集合的に形成する。
【０００４】
より一般的には、穴あきファイバは、マトリックス中に配置された複数のクラッド造作（feature）、例えば穴、を有するファイバを指すために、ここでは使用され、そのクラッド造作は、そのマトリックスと異なる屈折率をもつこともできる。従って、クラッド造作に入射する光は、それから反射或いは散乱される。
【０００５】
フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）は、穴が規則的に配置される穴あきファイバである。一つの配置では、クラッド領域が６角形の隙間無い詰め物の形態に配置された穴で形成され、コアがそのような６角形パターンクラッド領域の中心領域に形成される。中心穴と一つ又はそれ以上の穴の“リング”とが広がったアレーの穴の中に別な方法で位置する中心領域にコアは位置することができる。従って、前述のやり方で形成されたＰＣＦは、コア寸法とクラッド領域厚さとをもつ。
【０００６】
従来のファイバでのように、ＰＣＦにおけるシングルモードのみ支持された伝播は、多くの応用で望ましい。シングルモード伝播レジームで動作する従来のＰＣＦは、従来の穴のないシングルモードファイバに似ているコア寸法とクラッド領域厚さとをもっている。そのような従来のシングルモードファイバと通常のＰＣＦとの一つの制限は、コア寸法が相対的に小さい値に限定されることである。そのような小さいコアファイバでは、高い光パワーレベルがコアとファイバの特性に非線形性を誘起するピーク強度をもたらす。従って、そのようなファイバの高パワー応用は、現実でないか不可能である。
【発明の開示】
【０００７】
ここに記載されたある実施例では、シングル光モードを伝播するための大コアファイバが、レーザと増幅器に使用され、且つその他のシステムのために使用される。例えば、本発明の一実施例は、基本モードを伝播させ、高次モードを抑制する光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、実質上複数の列Ｎに配列されており、前記複数のクラッド造作は、前記基本モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズをもたらすための十分な平均間隔Λ、（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、及び（iii）前記基本モードの伝播を支持し、前記複数の高次モードの伝播を抑制するのに適した平均列数Ｎ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、増加した有効なコアサイズと十分な閉じ込めとをもたらすようにするために、少なくとも約０．３５である比ｄ／Λを与える値をそれぞれもち、前記平均列数Ｎは、シングルモード伝播をもたらすようにするために、約４以下である。
【０００８】
本発明の別の実施例は、シングル光モードを伝播させるための光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記基本モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の実質的な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、少なくとも約２０マイクロメートルの有効コアサイズを与えるために、少なくとも約２０マイクロメートルの値をもつ。
【０００９】
本発明の別の実施例は、基本モードを伝播させ、高次モードを抑制する光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記マトリックスの一部分に配列された前記複数のクラッド造作は、平均厚さｔをもち、前記複数のクラッド造作は、前記基本モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズをもたらすための十分な平均間隔Λ、（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、及び（iii）前記クラッド造作を含む前記マトリックスの前記部分は、前記基本モードの伝播を支持し、前記複数の高次モードの伝播を抑制するために、適当な平均厚さｔをもつ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、増加した有効コアサイズと十分な閉じ込めとをもたらすようにするために、少なくとも約０．４である比ｄ／Λを与える値をそれぞれもち、前記平均厚さは、シングルモード伝播をもたらすようにするために、約ｄ＋３Λ以下である。
【００１０】
本発明の別の実施例は、シングル光モードを伝播させるための光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記基本モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、少なくとも約４０マイクロメートルの有効コアサイズをもたらす値をそれぞれもつ。
【００１１】
本発明の別の実施例は、シングル光モードを伝播させるための光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングル光モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄは、前記平均間隔Λに実質上等しい。
【００１２】
本発明の別の実施例は、シングルモードを伝播させるための光ファイバを有する。その光ファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングルモードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとの間の差が前記平均間隔Λの約５０％未満である。
【００１３】
本発明の別の実施例は、基本モードプロフィールをもつ基本モードと異なるモードプロフィールをもつ複数の高次モードとを支持する光ファイバを有する光ファイバアッセンブリを備える。その光ファイバアッセンブリは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、前記コア領域に光を結合するために前記コア領域に関して配置された光結合器と、を有し、前記複数のクラッド造作は、光の伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記コア領域は、前記基本光モードと前記複数の高次モードとの伝播を支持するようにするため十分大きく、前記光結合器は、前記基本モードのモードプロフィールに十分にマッチングする光分布をもつ光を出力するべく形成され、それによって前記複数の高次モードより前記ファイバの前記シングルモードに多くの前記光を十分に結合する。
【００１４】
本発明の別の実施例は、基本光モードと複数の高次モードとを支持する光ファイバを通して光を伝播させる方法を有する。その基本モードは、空間分布のモードプロフィールをもつ。その方法は、光ファイバのコア領域に光を結合するステップと、前記コア領域に沿って前記光を伝播させるステップと、前記コア領域に沿っての前記光の前記伝播をクラッド領域に形成された複数のクラッド造作でしっかりと閉じ込めるステップと、を有し、クラッド領域で囲まれた前記コア領域は、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含み、十分沢山の前記光が前記複数の高次モードより前記基本モードに結合される。
【００１５】
本発明の別の実施例は、光増幅を与える中空コアフォトニックバンドギャップファイバを有する。その中空コアフォトニックバンドギャップファイバは、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれた中空コア領域と、前記中空コア領域を通しての前記光の伝播が利得領域で与えられる利得で増幅されるように前記中空領域に近い方に配置されている光利得をもつ利得領域とを、有し、前記中空コア領域は、その中に形成された中空領域をもち、前記複数のクラッド造作は、前記中空コア領域に光の伝播をしっかりと閉じ込めるためにフォトニックバンドギャップを形成するべく配置されている。
【００１６】
光ファイバを有する本発明の別の実施例は、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域と、前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、少なくとも一つのモードフィルタと、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、実質上複数の列Ｎに配列されており、前記複数のクラッド造作は、光の伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄと、基本モード及び複数の高次モードの伝播を支持するための平均列数と、をもち、前記モードフィルタは、前記基本モードが優位になり、前記高次モードが抑制されるように、前記基本モードより前記高次モードにしっかりと多くの損失を導入することで高次モードを抑制する。
【００１７】
ここに記載された光ファイバは、多くの応用に使用される。そのファイバは、例えば利得ファイバとして使用され、且つファイバレーザとファイバ増幅器を含むレーザと増幅器に用いられる。その他の使用も可能である。
【００１８】
例えば、光ファイバ増幅器を有する本発明の別の実施例は、シングルモードを伝播するための光利得ファイバを有し、前記光利得ファイバは、光利得を与え、前記光利得ファイバは、（i）マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域、及び（ii）前記クラッド領域で囲まれたコア領域、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングルモードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとの差が前記平均間隔Λの約５０％未満である。
【００１９】
光ファイバ増幅器を有する本発明の別の実施例は、ポンプ光源と、シングルモードを伝播するための光利得ファイバを有し、前記光利得ファイバは、光利得を与え、前記光利得ファイバは、（i）マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域、及び（ii）前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングル光モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄは、前記平均間隔Λに実質上等しい。
【００２０】
ＣＷファイバレーザを有する本発明の別の実施例は、少なくとも部分的反射面で形成された共振キャビティと、前記共振キャビティ内の光ファイバと、を有し、前記光ファイバは、光利得を持ち、前記光ファイバは、シングル光モードを伝播し、前記光ファイバは、（i）マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含むクラッド領域、及び（i）前記クラッド領域で囲まれたコア領域、を有し、前記複数のクラッド造作は、平均間隔Λと平均サイズｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、前記シングル光モードの伝播を前記コア領域にしっかりと閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、（i）増加した有効コアサイズ２ρをもたらすための十分な平均間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均サイズｄ、をもち、前記平均サイズｄと前記平均間隔Λとは、少なくとも約２０マイクロメートルの有効コアサイズを与えるために、少なくとも約２０マイクロメートルの値をもつ。
その他の実施例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ａ及びＢは、比較的大きなコアを通してシングルモードのみの伝播を促進する複数の“穴”或いはクラッド造作で区切られたクラッド領域をもつ模範的な穴あきファイバを模式的に示している。
【図２】Ａ及びＢは、２次元表示の模範的な単純立方体アレー状に配置された複数の穴或はクラッド造作をもつフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）の一実施例を模式的に示しており、ここで、穴の寸法、穴の間隔、穴の層或いは列の数、及び／或いは穴の組成は、比較的大きなコアのシングルモードのみの伝播を可能にするために、変えられる。
【図３】Ａ及びＢは、２次元表示の模範的な６角形近接パックアレー状に配置された複数の穴或いはクラッド造作をもつＰＣＦの一実施例を模式的に示しており、ここで、穴の寸法、穴の間隔、穴の層或いは列の数、及び／或いは穴の組成は、比較的大きなコアのシングルモードのみの伝播を可能にするために、変えられる。
【図４Ａ】図３Ａ及びＢの６角形近接パックアレーの様々な実施例を示し、比較的大きなコアの回りにアレー状に配置された様々な数の穴／クラッド造作の“リング”（例えば、列或いは層）を示している。ここで、リングの数は、光信号の様々な光モードの漏れ損失に影響を与えるために使用される。
【図４Ｂ】図３Ａ及びＢの６角形近接パックアレーの様々な実施例を示し、比較的大きなコアの回りにアレー状に配置された様々な数の穴／クラッド造作の“リング”（例えば、列或いは層）を示している。ここで、リングの数は、光信号の様々な光モードの漏れ損失に影響を与えるために使用される。
【図４Ｃ】図３Ａ及びＢの６角形近接パックアレーの様々な実施例を示し、比較的大きなコアの回りにアレー状に配置された様々な数の穴／クラッド造作の“リング”（例えば、列或いは層）を示している。ここで、リングの数は、光信号の様々な光モードの漏れ損失に影響を与えるために使用される。
【図５】Ａ−Ｃは、様々なモードの漏れ損失に影響を与えるために、穴の寸法がどのように変えられるかを模式的に示している。
【図６】Ａ−Ｃは、様々なモードの漏れ損失に影響を与えるために、穴の間隔がどのように変えられるかを模式的に示している。
【図７】シングル光モードだけの伝播の支持を可能にする比較的大きなコアをもち、且つマルチモード支持のために複数の穴で形成された外側クラッド領域をさらに有するＰＣＦの一実施例を模式的に示している。
【図８】シングルモード伝播を可能にする比較的大きなドープコア領域をもつＰＣＦの一実施例を模式的に示す。
【図９】Ａ−Ｆは、偏光保持（ＰＭ）シングルモード伝播を促進するように比較的大きなコアの回りに配置された対称な穴配列をもつ穴あきファイバの様々な実施例を模式的に示す。
【図１０Ａ】異なる数の内側“リング”或いは層を除去することでＰＣＦの有効コア寸法がどのように変えられるかを模式的に示しており、ここで、そのようなコア寸法は、比較的大きなコアを通しての選ばれたモードの伝播を可能にするために使用される。
【図１０Ｂ】異なる数の内側“リング”或いは層を除去することでＰＣＦの有効コア寸法がどのように変えられるかを模式的に示しており、ここで、そのようなコア寸法は、比較的大きなコアを通しての選ばれたモードの伝播を可能にするために使用される。
【図１０Ｃ】異なる数の内側“リング”或いは層を除去することでＰＣＦの有効コア寸法がどのように変えられるかを模式的に示しており、ここで、そのようなコア寸法は、比較的大きなコアを通しての選ばれたモードの伝播を可能にするために使用される。
【図１０Ｄ】異なる数の内側“リング”或いは層を除去することでＰＣＦの有効コア寸法がどのように変えられるかを模式的に示しており、ここで、そのようなコア寸法は、比較的大きなコアを通しての選ばれたモードの伝播を可能にするために使用される。
【図１１】コアの中空領域の回りに配置された利得を与えるためのドープリング或いは環状部分をもつＰＣＦの一実施例を模式的に示す。
【図１２】基本モードと１次モードに対しての層数に関する損失を示す。
【図１３】基本モードと１次モードに対しての曲げ半径の逆数に関する損失を示す。
【図１４】基本モードと１次モードに対しての曲げ半径の逆数に関する有効モード屈折率を示す。
【図１５】ＰＣＦの二つの模範的な穴或いはクラッド造作を模式的に示しており、ここで、量ｄは、各穴の径を表し、Λは、穴の間隔を表す。
【図１６】Ａ−Ｃは、ＰＣＦの動作特性を示す模式的な表示であり、ここで、シングルモードとマルチモードは、λ／Λ対ｄ／Λプロット上で異なる数の層を表す曲線で分けられる。
【図１７】異なる形状と寸法をもつ二つの模範的な穴造作を模式的に示す。
【図１８】Ａ及びＢは、穴あきファイバの動作特性を示す模式的な表示であり、ここで、シングルモードとマルチモードは、λ／Λavg対ｄavg／Λavgプロット上でクラッド領域の異なる有効厚さを表す曲線で分けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本技術の概念と他の概念、優位性、及び新奇な特徴は、以下の詳細な記述と添付図から明らかになる。図中、類似要素は類似引用符号をもつ。
【００２３】
本教えは、一般に穴あきファイバ、フォトニック結晶ファイバ、及びフォトニックバンドギャップファイバに関連する。ここに記載のためと、最近使用される技術用語に関して、穴あきファイバは、光導波が規則的或いは不規則的に配置されたクラッド造作（features）或いは“穴”で基本的に規定される光ファイバである。ここで使用されるように、穴は、マトリックス材料中に配置された造作を意味し、マトリックス材料と比べて異なる屈折率のような光学特性をもつ。穴は、オープンで空か、又は空気、ガス、液体で満たされ、或いは例えばガラス、ポリマー、或いは他の物質又は材料のような他の透明或いは不透明材料を有してもよい。フォトトニック結晶ファイバ（ＦＣＦ）は、実質上規則的に配置された穴をもつ穴あきファイバである。フォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）は、動作波長でブラッグ条件を満たす穴又はクラッド造作の適当な間隔と配列をもち、フォトニックバンドギャップ効果で光導波を基本的に規定するＰＣＦである。
【００２４】
図１Ａは、穴あきファイバ１００の一部分を示し、図１Ｂは、線１Ｂ−１Ｂと交差する穴あきファイバ１００の模範的な断面を模式的に示す。その断面が示すように、穴あきファイバ１００は、平均内半径ρと平均外半径Ｒとをもつリング状又は環状領域で区切られるクラッド領域１０２を有する。そのクラッド領域１０２は、複数の穴又はクラッド造作１１０を有する。
【００２５】
内半径ρは、穴あきファイバ１００のコア１０６を定める。コア１０６は、外側領域１１２及び／或いは穴１１０の間のスペース（穴が形成されるマトリックス）と同じような材料で作られているか、或いは作られていない。様々な実施例では、コア１０６、穴１１０の間のスペース、及び外側領域１１２は、第１屈折率ｎ１をもつガラスで作られる。
【００２６】
ある実施例では、穴１１０は、真空に限定されないで、ガス、混合ガス、第二タイプのガラス、或いは他の固体又は液体材料を含む、ｎ１より小さい第２屈折率ｎ２をもつ材料で作られる。（対照的に、様々な実施例のフォトニックバンドギャップファイバは、コア１０６又は回りのマトリックスの屈折率より大きな第２屈折率ｎ２をもつ材料で作られる穴或いはクラッド造作を有する。）図１Ｂに示すように、穴１１０は、異なる寸法（寸法ｄiで例示された）をもつこともできる。さらに、穴１１０の間隔も違ってもよい（間隔Λiで例示された）。さらに、穴１１０は、丸く描かれているが、他の非円形穴も使用される。
【００２７】
本教えの一つの概念は、パラメータの選択的操作或いはクラッド領域の有効厚さ（Ｒ−ρ）、平均穴サイズ（ｄ）、平均穴間隔（Λ）、穴構造、のようなパラメータの組み合わせに関係する。上記したように、穴は、異なる材料で作られる。穴は、上記のように限定される必要がなく大きな屈折率をもつことができるが、この記載の部分のためには、コアより小さい屈折率をもつと仮定される。穴あきファイバの前述の特性を操作することで、コアを伝播する異なるモードの光信号の漏れ損失を選択的に制御することができる。例えば、様々な実施例において、一つのモードが十分小さい漏れ損失で伝播し、実質上他の全てのモードが十分大きな漏れ損失で伝播する。
【００２８】
ここに使用されたように、シングルモードとマルチモードファイバは、従来の非穴あきファイバで使用された定義と矛盾なく定義される。従来のファイバの場合、シングルモードとマルチモードファイバは、一般的にステップインデックスファイバの場合π（開口数）（コア径）／波長に等しいＶ値で定められる。非ステップインデックスファイバの場合、開口数とコア径は、ステップインデックスファイバに対する等価値で計算される。（例えば、Martinez, F., Husey, C.D., “(E)ESI determination from mode-field diameter and refractive index profile measurements on single-mode fibers ” IEEE Proceedings V135,pp.202-210,(1988)を参照。）Ｖ＜２．４の関係を満たすファイバの場合、基本モードのパワーは、次の高次モードのパワーより十分大きい。又、Ｖ＞２．４のファイバの場合、基本モードの上の少なくとも次のモードは、基本モードに比べ十分大きなパワーをもつことができる。従って、従来のシングルモードとマルチモードファイバは、Ｖ＜２．４とＶ＞２．４の関係でそれぞれ十分に定められる。Ｖ＝２．４は、最低次モード以外の任意のモードの伝播に対するカッオフである。
【００２９】
穴あきファイバにおいて、開口数は、コアとクラッドの屈折率差で求まる。しかしながら、ステップインデックスファイバに対して等価値であるコア径は、計算が難しい。様々な文献（例えば、(1) Knight et al, “Properties of photonic crystal fiber and the effective index model” J. Opt. Soc., Am. A Vo.15,pp.748-752,(1998)及び(2) Mortensen et al., “Modal cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers” Opt. Lett. V.28, pp.1979-1881,(2003)参照）が、コア径が穴のピッチ或いは距離Λに等しくされるなら、シングルモードより大きな任意のモードの伝播のためのカットオフＶは、２．５（例えば、Knight et al参照）とπ（例えば、Mortensen et al参照）であると報告している。ここに記載された様々な実施例の場合、Ｖカットオフが２．４０５、２．５或いはπであるかどうかは、重大でない。ここに記載された穴あきファイバの様々な実施例は、シングル光モード伝播を支持する従来の光ファイバの可能なコア径より十分大きいコア径をもつ。従って、マルチモードファイバがＶ＞πとして定められ、コア径がピッチ又は平均ピッチに等しくされるこの技術分野に我々は最近の研究を用いることができる。逆に言えば、ここではシングルモードファイバが、Ｖ＜πとして定められる。
【００３０】
上述のように、穴あきファイバは、特定のモードに損失を与えるべくデザインされる。例えば、穴サイズ、間隔、及び穴の数は、Ｖ＞πのマルチモードファイバ中の高次モードの伝播に損失を与えるべく選定される。穴の数が減少すると、高次モードの光はコアに閉じ込められなくなり、ファイバから逃げ出す。マルチモードファイバ（Ｖ＞π）に導入されるそのような損失は、例えば、高次モードの伝播に損失を導入するためにファイバを曲げることで与えられるモードフィルタリングを含むπより大きなＶナンバーをもつ従来の非穴あきファイバに、類似している。（モードフィルターは、例えば、参照によってここに組み込まれた１９９８年１０月６日にファーマン他に交付された題名が“Single-mode Amplifier and Compressors Based on Multi-mode Fibers”の米国特許５，８１８，６３０、に記載されている。）基本モードが曲げマルチモードファイバ中を伝播する唯一のモードであるように、基本モードより高次のモード各々に損失を与えるため十分な曲げが与えられる。同様に、約πより大きなＶナンバーをもつマルチモード穴あきファイバは、高次モードが減衰されるように高次モードに損失を導入するデザインをもつ。
【００３１】
図２ＡとＢ及びその後の図は、様々な輪郭の中で規則的に離間した穴をもつ様々な穴あきファイバを描いている。このように、これら穴あきファイバは、上で明らかにされた定義に従ってＰＣＦ（フォトニック結晶ファイバ）と呼ばれる。その他の点で述べたのでない限り、様々なＰＣＦに関して開示された概念は、例えば、非対称はもちろん、図１ＡとＢに関連して上に記載された模範的な穴あきファイバのような非周期的な構造、及び変化する次数をもつ他の構造、にも適用される。さらに、ここでのＰＣＦの穴の様々な幾何学配置は、模範的であり、構成、配置及び造作特性における広い範囲の変化が可能であるので、本教示の目的を制限するべく解釈されない。
【００３２】
図２ＡとＢは、２次元表示の単純立方体アレーに配置された複数の穴１３０をもつ模範的なＰＣＦ１２０を示している。コア１２６は、単純立方体アレーの中心穴（図２Ｂで取り去られた）なしで作られる穴無し領域で規定される。従って、コアサイズの大きさは２ρであり、アレーから無くなった中心穴の直径に一致する。模範的な１層クラッド領域１２２は、例えば内側リング１２４ａ（半径ρ）と第１層の穴１３０を囲む外側リング１２４b（半径Ｒ）との間に位置する。さらなる穴の層が、図２Bに示す第１層の向こうに配置され得る。さらに、コアは、中心穴より多くを取り去ることで作り変えられ得る（この場合、アレー中の列或いは層の数は、その他の点で一つより多い）。
【００３３】
模範的なクラッド領域１２２は、直径２ρが穴径ｄと穴間隔Λに匹敵するコア１２６を与える。相対的に大きな穴寸法及びそれによる相対的に大きな穴間隔を選定することで、対応するコア径は相対的に大きくなる。シングル光モードのみの伝播は、ｄ、Λの値及び／或いは層数を選択的に調整することで達成される。
【００３４】
図３Ａ及びＢは、２次元表示の模範的な６角形近接パックアレー状に配置された複数の穴１５０をもつ模範的なＰＣＦ１４０を示す。コア１４６は、図３Bで６角形穴から取り去られた中心穴と重複する領域である。さらに、コアは、中心穴より多くを取り去ることで規定され得る（この場合、アレー中の列或いは層の数は、その他の点で一つより多い）。
【００３５】
模範的なクラッド領域１４２は、直径２ρが穴の大きさｄと穴間隔Λに一般的に匹敵するコア１４６を与える。相対的に大きな穴寸法及びそれによる相対的に大きな穴間隔を選定することで、対応するコア径は相対的に大きくなる。シングルモード伝播、支持された高次モードの伝播を除外してしまうほどのシングル光モードのみの伝播は、ｄ、Λの値及び／或いは層数を選択的に調整することで達成される。
【００３６】
図３Ｂに示された模範的なファイバ及びここに開示された他の穴あきファイバは、例えば、プリフォームにガラス毛細管を積層することで作られる。中心の一つ或いはそれ以上の毛細管は、コアを形成するために一つ／複数のガラスロッドと置き換えられる。後述のような幾つかの実施例では、コア形成ロッドが、利得媒質を与えるために希土類イオンでドープされる。その後そのプリフォームは、従来のファイバ引き延ばしタワーで類似断面をもつファイバに引き延ばされる。なお、穴あきファイバを作る別の方法も用いられる。
【００３７】
一実施例において、ここで開示された大きなコアデザインは、特にコア全体及び好ましくはファイバの断面全体（クラッド領域中、穴と穴の間のギャップ領域）で十分均一な屈折率分布をもつ。コア径が約４０〜１００μｍ（ここに開示されたような）の範囲であるとき、この均一性は、ファイバのコア内の任意のローカルな導波路作用を十分に除去するためにますます重要になる。
【００３８】
ところで、図４Ａ−Ｃは、６角形配置の穴或いは造作で形成されたクラッド領域をもつＰＣＦの様々な実施例を示す。図４Ａ−Ｃに示された模範的なＰＣＦにおいて、コア寸法は、穴間隔と穴寸法に匹敵する。従って、相対的に大きな穴サイズと間隔を選定することで、相対的に大きなコア寸法が達成され得る。
【００３９】
そのような相対的に大きなコアをデザインする一つの方法は、必要なコア寸法を決めて始めることである。次に、穴径ｄが穴間隔Λに十分等しいように６角形近接パックアレーの穴或いは造作が、配置される。コアを作るために、中心の穴（及びことによると中心穴の回りのさらなる穴）が、取り去られる。その結果としての“クラッド”領域は、隣接した穴が十分近接又は接触する近接パック穴の一つ或いはそれ以上のリング或いは列を有する。そのような近接パックは、高次モードの漏れを減らすので、例えば、隣接の穴がもはや接触しない又は互いに接近しないように穴寸法を減らすか、穴間隔を増やすか或いはそれらの組み合わせを行うことで、漏れ“パス”が与えられ、漏れが大きくされる。
【００４０】
図４Ａは、１層又は１列（Ｎ＝１）の穴１７０で形成されたクラッド領域１６２をもつＰＣＦ１６０の一実施例を示す。クラッド領域１６２の内側部分１６４aは、一般に半径ρもつコア１６６をもたらし、クラッド領域１６２の外側部分１６４bは、外径Ｒをもつ。図４Ａに示されたＰＣＦ１６０において、穴径ｄは、穴間隔Λより小さい。Ｎ＝１のＰＣＦの一実施例において、穴径ｄは、約７５μｍであり、穴間隔Λは、約８０μｍであり、その結果、約８５μｍであるコア径２ρ（＝２Λ−ｄ）をもたらす。
【００４１】
図４Ｂは、２層又は２列（Ｎ＝２）の穴１７０で形成されたクラッド領域１８２をもつＰＣＦ１８０の一実施例を示す。クラッド領域１８２の内側部分１８４aは、一般に半径ρもつコア１８６をもたらし、クラッド領域１８２の外側部分１８４bは、外径Ｒをもつ。図４Ｂに示されたＰＣＦ１８０において、穴径ｄは、穴間隔Λより小さい。Ｎ＝２のＰＣＦの一実施例において、穴径ｄは、約３５μｍであり、穴間隔Λは、約４０μｍであり、その結果、約４５μｍであるコア径２ρ（＝２Λ−ｄ）をもたらす。
【００４２】
図４Ｃは、３層又は３列（Ｎ＝３）の穴２１０で形成されたクラッド領域２０２をもつＰＣＦ２００の一実施例を示す。クラッド領域２０２の内側部分２０４aは、一般に半径ρもつコア２０６をもたらし、クラッド領域２０２の外側部分２０４bは、外径Ｒをもつ。図４Ｃに示されたＰＣＦ２００において、穴径ｄは、穴間隔Λより小さい。Ｎ＝３のＰＣＦの一実施例において、穴径ｄは、約１５μｍであり、穴間隔Λは、約２０μｍであり、その結果、約２５μｍであるコア径２ρ（＝２Λ−ｄ）をもたらす。
【００４３】
以下に示された表１は、図４Ａ〜４Ｃに関連して上記されたＰＣＦの様々な特性を、Philip Russell: “Photonic crystal fibers,” Science, vol.299,p.358-62, 2003, Bouwmans et al.: “High-power Er:Yb fiber laser with very high numerical aperture pump-cladding waveguide,” Applied Physics Letters, vol. 83,p.817-18, 2003, Furusawa et al.:“Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding,” Optics Express, vol. 9, p. 714-20, 2001,及びWadsworth et al.: “High power air clad photonic crystal fiber laser,” Optics Express, vol. 11, p. 48-53, 2003と比較して要約している。この表において、“モード伝播”は、シングル光モードの伝播のみが支持されるか又はマルチ光モードがファイバを伝播するかを示すシングルモード（ＳＭ）又はマルチモード（ＭＭ）であり、Ｎは、リング又は列（層）の数を示し、ｄは穴径であり、Λは穴間隔、２ρはコアが６角形近接パックアレーの取り除かれた中心穴一つに対応する場合、近似的に２Λ−ｄに等しいコア径の大きさであり、λは、真空中での動作波長、Δｎはモード間隔（測定値と計算値の両方）、NAは開口数（測定値と計算値）、及びＶは（２ρ）（NA）π／λと表される規格化された周波数パラメータである。文献〔１〕は、Philip Russell: “Photonic crystal fibers,” Science, vol.299,p.358-62, 2003を示し、文献〔２〕は、Bouwmans et al.:“High-power Er:Yb fiber laser with very high numerical aperture pump-cladding waveguide,” Applied Physics Letters, vol. 83,p.817-18, 2003を、文献〔４〕は、Furusawa et al.:“Cladding pumped Ytterbium-doped fiber laser with holey inner and outer cladding,”Optics Express, vol. 9, p. 714-20, 2001を、文献〔５〕は、Wadsworth et al.:“High power air clad photonic crystal fiber laser,” Optics Express, vol. 11, p. 48-53, 2003を、示し、各文献は、ここに参照によって完全に組み込まれている。
【００４４】
表１から、従来のシングルモードＰＣＦは、相対的に小さいコアサイズに対応する相対的に小さな値のｄ／Λをもつことがわかる。さらに、それらのクラッド領域は、相対的に大きな数の列又は層の穴を含む。従って、シングル光モードを伝播させるこれら従来のＰＣＦのクラッド領域は、非穴あきシングルモードファイバのクラッド（例えば、僅かに低い屈折率をもつ）に似ている。
【００４５】
表１は、文献欄に“図４Ｂ”と“図４Ａ”と示されるシングル光モードのみを伝播する模範的な大コアＰＣＦの詳細をさらに示している。これら二つのＰＣＦは、ここに記載された様々なデザインと技術を具体化している。後述の幾つかの技術が、これら二つの模範的なＰＣＦの数値シミュレーションを行うために使用された。
【００４６】
測定された屈折率差Δｎmeasは、ファイバ出力端の測定された開口数（NA）から導出される。そのような測定の正確さは、理想から劣る。この値は、比較のために有効なパラメータであるので、その屈折率差は、各ケースに対して与えられたｄとΛから計算された。これらの計算値は、直接測定で得られた値より正確である。
【００４７】
【表１】
【００４８】
計算したΔｎcalは、等価クラッドインデックスを最初に計算することで得られ、これは、あらゆる方向に無限に広がるクラッドの基本的な単位セルをもつ構造の有効基本モードインデックスである。この計算は、各々のケースに対して十分な分解能をもつ有限要素モデルで行われた。Δｎcalの値は、ガラス屈折率と等価クラッド屈折率の差を計算することで決められる。
【００４９】
上述のように、２ρは、等価コア径の大きさであり、１個の穴（例えば、ロッドから取り去られた）がコアを形成する場合２Λ−ｄと見なされる。３つの欠落ロッド或いは３つの穴がコアを形成する場合、コア径の値は、例えば、Mortensen et al:“Improved large-mode-area endlessly single-mode photonic crystal fibers”, Optics Letters, vol.28,pp.393-395,2003から得られる。
【００５０】
表１に関連して上述したように、Ｖパラメータは、（２ρ）（NA）π／λと近似される規格化周波数パラメータ（Ｖナンバーとも呼ばれる）である。ＶmeasとＶcalは、それぞれ測定Ｖ値と計算Ｖ値を示す。従来のファイバでは、Ｖ＜２．４０５がシングルモードファイバの領域を示す。表１に示すように、シングルモード伝播のみを支持する上から５列内の全てのＰＣＦの場合、計算Ｖナンバーは、２．４０５未満（Ｖcal＜２．４０５）であるか或いは、それに非常に近い。それに対して、ここに記述されたデザインと技術に基づき、シングル光モードのみの伝播が支持されるＮ＝２（図４Ｂ）とＮ＝１（図４Ａ）の場合の計算Ｖ値は、それぞれ７．８と９．７５である。そのような大きなＶ値は、従来の非穴あきファイバの場合のマルチモードファイバと、従来のＰＣＦでのマルチモード伝播と関係づけられる。
【００５１】
表１の最初の５列内にあるシングルモードＰＣＦの全てにおいて、ｄ／Λ＜０．６であるのに対して、ここに記載されたデザインと技術に基づくＮ＝２とＮ＝１の実施例のＰＣＦは、ｄ／Λ＞０．６をもつ。従って、ここに記載されたこれらＰＣＦの相対的な穴径は、従来のＰＣＦのそれより非常に大きい。幾つかの実施例において、ファイバは、大きなコア径のために大きなΛを有し、λ／Λ＜０．３である。その上、そのような興味のある領域における穴サイズｄは、波長λ及び穴又は散乱造作間のギャップ（例えば、ガラスマトリックス領域）に比べ非常に大きい。
【００５２】
上述のような一つの可能な動作領域では、シングルモード動作（シングル光モードのみが支持され、高次モードが抑制される）が達成される。ＰＣＦは、基本モードに対して低い伝送損失を維持しながら、高次モードに対してはデバイスの長さに渡り十分なパワー漏れを可能にするべくデザインされる。穴の層の数（Ｎ）を調節することでその漏れ損失を最適化する幾つかの実行可能な方法とその穴の特性とがより詳細に後述される。
【００５３】
ここに記載のデザインと技術を具体化する大コアシングルモードＰＣＦの場合、好ましい動作領域は、Ｎ≦３でｄ／Λ≧０．３５である。より一層好ましくは、ｄ／Λ≧０．７５である。コアサイズは、約２０から３００マイクロメートルの間或いは、より好ましくは約３０から１５０マイクロメートルの間である。穴あきファイバ又はＰＣＦの幾つかの模範的な実施例において、ｄ／Λ＞０．６、Ｎ≦４及びλ／Λ＜０．３である。穴あきファイバ又はＰＣＦの他の実施例では、例えば、ｄ／Λ＞０．７５、Ｎ≦２及びλ／Λ＜０．３である。しかしながら、異なるファイバデザインの範囲は、広い変更が可能であるので、これらのパラメータに限定されない。
【００５４】
次に、与えられた数の穴の層に対して、穴の大きさと穴の間隔を調節することで、漏れ損失がどのように変えられるかを図５と６は示している。図５と６を描くためにＮ＝２形状が使用されているが、その概念は、他のＮ形状に当てはまることがわかる。
【００５５】
図５Ａ−Ｃは、実質的に一定の穴間隔Λをもつ三つの模範的なＰＣＦ２４０、２５０、２６０を示す。図５Ａに示すように、第１の模範的なクラッド領域２４４は、穴間隔Λで配置された第１の径ｄ1をもつ２層の穴２４２を有する。そのような形状は、第１コア径２ρ1をもつ第１コア２４６及び第１ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ−ｄ1をもたらす。
【００５６】
図５Ｂに示すように、第２の模範的なクラッド領域２５４は、穴間隔Λで配置された第２の径ｄ2をもつ２層の穴２５２を有する。そのような形状は、第２コア径２ρ2をもつ第２コア２５６及び第２ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ−ｄ2をもたらす。
【００５７】
図５Ｃに示すように、第３の模範的なクラッド領域２６４は、穴間隔Λで配置された第３の径ｄ3をもつ２層の穴２６２を有する。そのような形状は、第３コア径２ρ3をもつ第３コア２６６及び第３ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ−ｄ3 をもたらす。
【００５８】
図５Ａ−Ｃから、穴径が減少する（ｄ1＞ｄ2＞ｄ3）と、穴間のギャップが増大し（Λ−ｄ1＜Λ−ｄ2＜Λ−ｄ3）、それにより一層大きな漏れ損失を可能にすることがわかる。また、穴径が増大すると、コアサイズが増大する（ρ1＜ρ2＜ρ3）ことがわかる。従って、穴間隔が与えられる場合、穴サイズを選定することで、所望のギャップ（及びことによるとその対応するコアサイズ）を選定することができる。
【００５９】
図６Ａ−Ｃは、実質的に一定の穴寸法ｄをもつ三つの模範的なＰＣＦ２７０、２８０、２９０を示す。図６Ａに示すように、第１の模範的なクラッド領域２７４は、第１穴間隔Λ1で配置された径ｄをもつ２層の穴２７２を有する。そのような形状は、第１コア径２ρ1をもつ第１コア２７６及び第１ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ１−ｄをもたらす。
【００６０】
図６Ｂに示すように、第２の模範的なクラッド領域２８４は、第２穴間隔Λ2で配置された径ｄをもつ２層の穴２８２を有する。そのような形状は、第２コア径２ρ2をもつ第２コア２８６及び第２ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ2−ｄをもたらす。
【００６１】
図６Ｃに示すように、第３の模範的なクラッド領域２９４は、第３穴間隔Λ3で配置された径ｄをもつ２層の穴２９２を有する。そのような形状は、第３コア径２ρ3をもつ第３コア２９６及び第３ギャップ寸法（二つの隣接する穴の間の）Λ3−ｄをもたらす。
【００６２】
図６Ａ−Ｃから、穴間隔が増大する（Λ1＜Λ2＜Λ3）と、穴間のギャップも増大し（Λ−ｄ1＜Λ−ｄ2＜Λ−ｄ3）、それにより一層大きな漏れ損失を可能にすることがわかる。また、穴間隔が増大すると、コアサイズが増大する（ρ1＜ρ2＜ρ3）ことがわかる。従って、穴寸法が与えられる場合、穴間隔を選定することで、所望のギャップ（及びことによるとその対応するコアサイズ）を選定することができる。
【００６３】
図５と６に関して上述した漏れ調節は、穴サイズと穴間隔を独立に調節することでなされる。望ましい漏れ特性を達成するために、穴サイズと穴間隔をいくらか組み合わせて調節することで漏れを調節することもできる。さらに、望ましい結果をどうしても達成するためには、穴サイズと間隔が層から層に変わることもできる。
【００６４】
図７−９は、比較的大きなコアを組み入れ、シングルモード伝播が可能な様々な実施例のＰＣＦを示している。ここでは、シングルモードのみが伝播し、高次モードの伝播は抑制される。図７は、比較的大きなコア３０４のシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３０２をもつ模範的なＰＣＦ３００を示している。そのＰＣＦ３００は、ＰＣＦ３００の外側部分３１２に配置された外側クラッド３０６をさらに有する。模範的な外側クラッド３０６は、６角形に配置された複数の穴３１０を有する。一実施例では、その外側クラッド３０６の６角形は、クラッド領域３０２の６角形と実質的に中心を共有している。
【００６５】
そのような“二重クラッド”ファイバは、例えば、ファイバ増幅器、レーザ、ＣＷまたはパルス光源、或いはファイバがポンプされるその他デバイス及びシステムに使用され得る。穴によって形成された外側クラッドは、従来の二重クラッドファイバを凌ぐ多数の優位な特性をもたらすことができる。一つの可能な優位性は、従来の二重クラッドファイバの低屈折率ポリマーコーティングが削除されることである。低屈折率ポリマーコーティングは、熱と高い光パワーで比較的容易に損傷されるので、高パワー応用に信頼性と安定性の問題を潜在的に生じさせる。別の可能な優位性は、従来の二重クラッドファイバと比べると、比較的高い開口数が達成され得ることである。この特性は、より小さいポンプ導波路を可能にし、従ってより短いデバイス長をもたらすかも知れない、改善されたポンプとレーザ光とのオーバラップを可能にする。より短いデバイスは、よりコンパクトで経済的であることに加えて、レーザと増幅器のピークパワーを制限する非線形効果を減らす。
【００６６】
図８は、比較的大きなコア領域を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３２２をもつ模範的なＰＣＦ３２０を示している。そのＰＣＦ３２０は、コア領域に配置されたドープコア３２４をさらに有する。そのようなドープコアＰＣＦは、クラッド領域３２２の周りの外側領域３２６に配置された複数の穴で形成された外側クラッドを含むことができる。一実施例では、ＰＣＦ３２０をファイバレーザまたはファイバ増幅器のような利得媒質として使用されるようにするため、そのドープコア３２４は、希土類ドープコアを有する。
【００６７】
図９Ａ−Ｄは、比較的大きなコア領域のシングルモード伝播を可能にするクラッド領域をもつ様々な実施例のＰＣＦを示している。そのクラッド領域は、それぞれのコアを通して伝播するシングルモード偏光光信号の偏光保持を容易にする非対称性を含む。
【００６８】
図９Ａは、比較的大きなコア領域を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３３２をもつ模範的なＰＣＦ３３０を示している。その模範的なＰＣＦ３３０において、コア領域は、利得媒質を与えるためにドープコア３４０で満たされている。クラッド領域３３２は、一つまたはそれ以上の層を形成する複数の第一穴３３４を有する。クラッド領域３３２は、第一穴３３４と異なる第二穴３３６で導入された非対称性を含む。一実施例において、第二穴３３６は、第一穴３３４より小さく、コア領域の反対側に配置され、それによって光信号電場の優先的な方位合わせを可能にする。
【００６９】
図９Ｂは、比較的大きなコア領域３６０を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３３２（図９Ａに類似の）をもつ模範的なＰＣＦ３５０を示している。クラッド領域３３２とそこの非対称性とがコア３６０を通しての偏光保持シングルモード伝播を可能にする。
【００７０】
図９Ｃは、比較的大きなコア領域を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３７２をもつ模範的なＰＣＦ３７０を示している。図９ＡのＰＣＦ３３０に類似して、模範的なＰＣＦ３７０は、利得媒質を与えるためにドープコア３８０をもつ。クラッド領域３７２の非対称性は、コア３８０の周りに配置された小さな穴３７６（穴３７４より小さい）で達成され、それによって光信号電場の優先的な方位合わせを可能にする。
【００７１】
図９Ｄは、比較的大きなコア領域４００を通してのシングルモード伝播を可能にするクラッド領域３７２（図９Ｃに類似の）をもつ模範的なＰＣＦ３９０を示している。クラッド領域３７２とそこの非対称性とがコア４００を通しての偏光保持シングルモード伝播を可能にする。
【００７２】
図９Ｅと９Ｆに示すように、第一の大きな穴３３４の組の位置と第二の小さな穴３３４の組の位置とは、大きな穴３３４の間隔（ｓ1）が小さな穴３３６の間隔（ｓ2）に近似的に等しくなる（ｓ1≒ｓ2）ように選定される。（これら間隔ｓ1、ｓ2と穴３３４、３３６の普遍的な位置とは、例えば、穴３３４、３３６の中心から測定される。）この形状は、多くの応用に望ましいより一層円形の基本モードを与える。様々な好ましい実施例において、これらの穴３３４、３３６の位置は、上述したような平均間隔Λをもつ格子（例えば、一般的な６角形格子）に一致する格子点に設定される。或いは、小さい穴３３６がより近づけられる（図９Ｅの幻影の穴参照）か或いは大きな穴３３４（図９Ｆの幻影の穴参照）が遠ざけられる。図９Ｅは、格子位置に関して特にファイバの中心方向にシフトされた小さい穴３３６を示している。反対に、図９Ｆは、格子位置に関して特にファイバの中心から遠ざかる方向にシフトされた大きな穴３３４を示している。他の形状も可能である。
【００７３】
図２−９に関連して上述された様々なＰＣＦは、それぞれの中心穴がもしそうでなかったら配置される領域を占めるコアをもつ。比較的大きなコアは、その上、他の領域の面積を含むことができる。一例として、第１層の二つの近接する穴は、６角形状クラッド領域の幾何学的中心から僅かに外れる三角形状コアを産出するために取り除かれる。別の例では、寸法が第１層の外周に近似する大きなコアを産出するように第１層のすべてが取り除かれる。
【００７４】
与えられた長さのＰＣＦの場合、そのような拡大されたコアは、基本モードの損失に関しての非基本（高次）モードの大きな漏れ損失に依存するシングルモード伝播を支持できるか或いはできない。上述の穴あきクラッドの様々な特性（穴サイズ、穴間隔、層数、穴構造、他）は、その拡大されたコアを通してのシングルモード伝播を達成するために調節される。また、穴あきクラッドの様々な特性は、数個の選択されたモードの光信号の伝播を可能にするために選定される。
【００７５】
ここで使用されたように、“光信号”は、伝播される光エネルギまたはパワーを広く意味し、音声、データまたは情報のための光キャリアに限定されない。例えば、光信号は、光ファイバ増幅器を伝播する光またはファイバ光学レーザ或いは光源の出力に対応する。
【００７６】
本教えの一面は、マルチモードを支持するファイバを通してのシングルモード信号伝播に関する。穴あきファイバでの“モード選択”が異なるモードの相対的な漏れ損失に依存するので、穴あきファイバは、幾つかの非基本モードの伝播を可能にするべく形成され、これら高次モードを“含む”（すなわち、漏れで十分な損失を与えない）べくクラッド領域を形成する。マルチモード（例えば、約２０モードまたはそれ以上）または“数”モード伝播のためのそのような穴あきファイバは、例えば、図１０ＡとＢに示されたように、一つまたはそれ以上の内側層を取り除くことで作られる。
【００７７】
図１０Ａで、模範的なＰＣＦ４１０は、６角形アレー穴４１４で形成されたクラッド領域４１２を有する。一実施例で、コア２４０は、中心穴と第１層穴とがもしそうでなかったら形成される領域に形成される。その模範的なＰＣＦ４１０は、外側領域４１６に配置された外側クラッドをさらに含むことができる。
【００７８】
図１０Ｂで、模範的なＰＣＦ４３０は、６角形アレー穴４３４で形成されたクラッド領域４３２を有する。一実施例で、コア４４０は、第２層の穴をさらに取り除くことで形成される。その模範的なＰＣＦ４３０は、外側領域４１６に配置された外側クラッドをさらに含むことができる。従って、もたらされるコア４４０（及び図１０Aのコア４２０）は、比較的大きく、動作を損なう光非線形効果を引き起こす過剰な強度レベルに達すること無く高パワー光信号を処理することができる。
【００７９】
図１０ＣとＤは、数個の光モードを支持する与えられた長さのＰＣＦを通してシングルモード信号が如何にして伝播するかを示している。図１０Ｃにおいて、“数”モードを支持する一実施例のＰＣＦ４５０は、比較的大きなコア４６０の周りのクラッド領域を形成する２（模範的）層の穴４５４a、４５４bを有する。外側クラッド４５６が図１０Ｃに示されているが、そのような造作（feature）は、幾つかの実施例では必要でない。
【００８０】
図１０Ｃに示すように、高次モードなしのシングルモード信号が信号光源４６２からＰＣＦ４５０のコア４６０に入射される。シングルモード信号４６６は、長さＬのＰＣＦ４５０を十分生き延びシングルモード信号４６６として出現するように示されている。シングルモード信号の生き残りは、比較的大きなモード間隔のＰＣＦによって促進される。マルチ光モードを支持するＰＣＦは、大きなコア（潜在的に数百ミクロンの直径をもつ）をもちながら、約０．００１より大きい、基本モードと次の高次モードとの間の大きなモード間隔をもつようにデザインされる。大きなモード間隔は、相互モード結合を減少させる。従って、マルチモードの伝播を支持するＰＣＦに入射された基本モード信号（図１０Ｃの４６４）は、与えられた長さのＰＣＦを通して強固にシングルモード導波されると期待される。
【００８１】
マルチ光モードを支持するファイバにシングルモードを入射させるために、様々な技術が用いられる。例えば、コア領域に光を結合するために、光結合器がコア領域に関して配置される。光結合器は、基本モードのモードプロファイルに十分マッチングする光分布をもつ光を出力するべく形成される。それによってより多くの光が高次モードよりファイバの信号モードに十分結合される。光結合器は、例えばレンズまたは適当な特性（例えば、光パワー、開口数、他）をもつその他の光学系を有し、基本モードのモードプロファイルのサイズに十分合致するサイズに光を集光するためにコア領域に関して配置される。また、光結合器は、基本モードのモードプロファイルに十分合致する分布をもつ光を出力する導波路を有する。他の技術も同様に用いられる。
【００８２】
図１０Ｄは、例えば２０またはそれより多い光モードをもつ高パワーマルチモード信号をシングルモード信号４８６に減少させる模範的な光信号伝播システム４７０のブロック図を示している。図１０Ａ−Ｃと関連して上述したような“数”個の光モードを支持する一つまたはそれ以上のセグメントのＰＣＦが用いられる。多数のモードをもつ模範的な信号４７２は、数個の光モードを支持する第１長さＬ1をもつ第１ＰＣＦ４７４に入射されように示されている。第１長さＬ1を通過した後、多数のモード信号４７２は、数モード信号４７６に減らされる。何故なら、数モード以外のモードが漏れによって失われるからである。その“数”モード信号４７６は、数モード信号４７６から非基本モードを濾過して取り除くフィルタ４８０をその後通過するように示されている。フィルタ４８０は、基本モードを通過させ、高次モードのパワーを十分除去するように形成されている。そのようなモードフィルタリングは、テーパー、曲げ、高次モードを漏れモードに結合するための長周期格子のような格子、及び利得／損失プロフィール、のようなデバイス及び／或いは技術で実施される。モードフィルタは、１９９８年１０月６日にFermann他に交付された題名が“Single-mode Amplifier and Compressors Based on Multi-mode Fibers”（代理人包帯IM-59）で、参照によってここに組み込まれた米国特許5,818,630に記載されている。図１０Ｄに示されるように、シングルモード信号４８２は、フィルタ４８０から出る。そのシングルモード信号４８２は、次に、出力のシングルモード信号４８６をもたらすために、数モード伝播を支持する第２ＰＣＦ（長さＬ2）を通して導波される。
【００８３】
本教えの別の面は、与えられた信号波長に対するブラッグ条件を満たすアレーまたは格子に配置された複数の穴をもつＰＣＦに関する。上記した通り、そのようなＰＣＦは、ＰＢＦ（フォトニックバンドギャップファイバ）と呼ばれる。図１１は、ファイバ材料４７６に配置された穴４９４のアレー４９２をもつ模範的なＰＢＦ４９０を示している。アレー４９２は、信号が伝播するコア領域５００の境界を定める。
【００８４】
ＰＢＦは、平均屈折率差よりブラッグ反射または散乱に依存するので、コアは、低屈折率をもつことができる。従って、コアは、空にされるかまたは空気或いは他のガス或いは非常に低い非線形効果を持つ媒質で満たされ得る。そのような優位性は、非線形効果の著しい減少をもたらすことができ、非常に高い光パワーが非線形歪みを被ることなくこれらＰＢＦ中を伝播することができる。
【００８５】
一実施例において、コア５００は、コアの中心の周りに配置されたリング形状または環状ドープ領域５０２をさらに有する。図１１はファイバの断面図であるので、ドープ領域５０２は、中空光円筒形状をもつドープ部分を有する。従って、ドープリング５０２の空の内側領域５０４は、ＰＢＦの非線形効果を減らすために空気または他のガスで満たされる。様々な他の形状が可能である。例えば、ドープ領域は、直線で囲まれており、図１１に示された観点から見たとき、正方形または長方形断面をもつ。また、ドープ領域の断面図は、３角形、５角形、６角形、８角形であるか、或いは任意の広い様々な規則的または不規則的形状をもつこともできる。この領域は、また連続する必要がなく、丸い突出部或いは分割部を有することもできる。例えば、ドープ領域は、中空コアに関し反対側に位置する二つ或いはそれ以上の部分を有することもできる。なお、他の変形が可能である。しかしながら、様々な実施例において、ＰＢＦのドープ領域５０２は、レーザと増幅器に対して利得を与えることができ、そのようなレーザと増幅器は非常に高い出力をもつことができる。
【００８６】
図１２−１４は、穴あきファイバの様々な特性と基本及び１次モードを特徴づけるコンピュータシミュレーションの結果とを示す。図１２は、基本及び１次モードに対する損失プロフィール５１０を層数の関数として示す。このシミュレーションの場合、穴寸法と穴間隔は、それぞれｄ＝３５μｍ及びＬ＝４０μｍであった（従って、約４５μｍのコア径をもつ）。Ｎ＝２のデータ点は、図４Ｂと関連して上述されたクラッド領域形状に対応し、Ｎ＝１のデータ点は、第２層が取り除かれたクラッド領域に対応する。
【００８７】
漏れ損失が層数に強く依存することがわかる。予想されたように、Ｎの減少（Ｎ＝２からＮ＝１への）は、両モードに対してパワー漏れの増加をもたらす。基本モードの場合、Ｎの減少（２から１への）は、３桁より大きな漏れ増加を引き起こす。１次モードの場合、Ｎの同じ減少は、約２桁の漏れ増加を引き起こす。
【００８８】
そのような強いＮ依存性の故に、特定の応用に対するＰＣＦをデザインするための一つのアプローチは、層或いは列の数Ｎの選定で漏れ損失を最初荒く調節することである。漏れ損失が望ましい一般的な或いは広い範囲に入ったら、漏れ損失の微調節は、穴サイズを変えることで実施される。予想されたように、且つ図５Ａ−Ｃと関連して上述されたように、より小さいな穴は、一般的により高いパワー漏れをもたらす。
【００８９】
より高次モード場合、一般的にパワー漏れの増加は、より小さい穴の場合も、異なる値のＮの場合も十分に大きい。従って、シングル光モードだけを伝播させるＰＣＦをデザインするためには、与えられた長さに渡って第１次モードを十分除去するためのＮの値と穴サイズとを選定することが、より高次モードも十分除去されるということを保証する。
【００９０】
ファイバレーザ、増幅器及びデリバリファイバのようなＰＣＦのある応用において、ファイバ長は、数メートルのオーダ或いはそれ未満である。そのような応用において、ｄ／Λ＞０．６の場合、Ｎ≦３がシングルモード動作を達成する。好ましくは、ｄ／Λ≧０．７５。
【００９１】
図１３は、ｄ＝３５μｍ、Λ＝４０μｍ（したがって、約４５μｍのコア径）を備える２層の空気封入穴をもつ模範的なＰＣＦの曲げの関数としての損失プロフィール５２０を示す。基本モードは、空気／穴境界で大きく閉じ込められる。この特性は有益な低い曲げ損失をもたらし、曲げ領域でのモードがその空気−穴境界の強い制限の結果として十分減らされるという事実から起こる。非常に小さい曲げ半径、すなわち約２５ｍｍ（曲げ半径の逆数が約０．０４ｍｍ−１）での基本モードの曲げ損失は大きいが、１次モードの曲げ損失は以下に記述されるモード減少効果で十分減らされる。
【００９２】
曲げ損失は、曲げを通しての伝播と関連させて伝播損失と通常呼ばれる。図１３に示す結果を得るために、直線ファイバモードから曲げファイバモードへのモード遷移損失は、モデルで説明されなかった。そのような遷移損失は、遷移の特徴に依存し、遅い断熱遷移では無視できる。
【００９３】
ＰＣＦの曲げ量は、基本モードと１次モードのどのぐらいのパワーが曲げで失われるかを決めるために使われることがわかる。曲げ誘起損失のデザインを手助けするために、以下に記載するＰＣＦでの曲げ損失の幾つかの特性が有益である。
【００９４】
このようなタイプのファイバ（たとえば、大きな穴のＰＣＦ）の曲げ感度は、非常に低い。この結果は、モード領域が曲げ径の減少と共に漸進的に減らされるという事実による。これは、大きな近くの空気穴にモード場がしみ出すことが制限されるという事実から生じる。この特性は、曲げによる非常に少ないレベルの場の歪でモード場が中心から退去させられる従来のファイバ及び通常のＰＣＦと大きく異なる。したがって、従来の非穴あきファイバ及び通常のＰＣＦでは、モード場がコア−クラッド境界を越えて移動し、大きな曲げ損失を生成する。従来のファイバ及び通常のＰＣＦでの大きなコアデザインでは、この影響が特に正しい。
【００９５】
図１４は、図１３の模範的な大きなコアのＰＣＦ（２層の穴、Ｎ＝２、ｄ＝３５μｍ、Λ＝４０μｍの）の場合、基本モードと１次モードの有効モードインデックスが曲げ半径の逆数の関数としてどのように変化するかを示している。基本モード曲線と１次モード曲線との差は、基本モードと１次モードとの間のモード間隔に相当する。モード間隔は、測定された範囲の曲げの至る所で約０．００５より大きいことがわかる。そのようなモード間隔（０．００５）は、通常のＰＣＦと従来のファイバのそれより非常に大きい。その高いモード間隔は、非常に低い相互モード結合を示し、ロバストなシングルモード動作の指標でもある。高いモード間隔（約０．００５）の結果として、たとえば、模範的なＮ＝２のＰＣＦ場合、事実上の相互モード結合を許すべく十分な位相整合のためにはサブミリメートル周期の摂動が必要である。
【００９６】
高いモード間隔は、より大きなコア径までにも達する。（図４ＡのＮ＝１の大きなコアＰＣＦのような）コア径が約１００μｍのオーダであるファイバの場合、次の高次モードに対する基本モードの間隔は、従来の非穴あきファイバと通常のＰＣＦのそれより未だ十分大きい。また、この特性は、比較的低い相互モード結合を生成する。
【００９７】
コアサイズがさらに増大すると、モード間隔は一般的に減少する。この傾向は、増大する曲げ損失と共に、ついには最大コア径の上限を定める。それにもかかわらず、シングルモード伝播を支持する最も大きな従来のＰＣＦ（たとえば、コア径２８μｍをもつ表１の文献［４］を参照）より１桁大きいコア径の増大が、ここに記載された技術とデザインで可能になる。
【００９８】
図１５−１６は、大きなコアをもつ様々なＰＣＦをシングルモードだけを伝播するように特徴付ける方法を示している。図１５は、穴或いはクラッド造作５５０の模範的な対を示し、穴径ｄと穴間隔Λを示している。上述のような６角形に配置された穴は、図１６Ａ−Ｃに示されたように、λ／Λとｄ／Λの間の様々な関係をもたらす。他の形状も可能である。
【００９９】
図１６Ａは、ＰＣＦに対するλ／Λ対ｄ／Λのプロットにおいて、マルチ光モードが伝播するマルチモード（ＭＭ）伝播レジームからシングル光モードが伝播するシングルモード（ＳＭ）伝播レジームを分離する曲線５６２を示している。ＳＭ伝播レジームで動作する従来のＰＣＦは、比較的小さいコアサイズと比較的大きな数の穴の層（Ｎ≧４）とをもち、全断面プロフィールは一般的に従来のファイバに類似している。そのようなファイバの場合、ｄ／Λの値はλ／Λがゼロに近いとき限界で、約０．３５である。したがって、ｄ／Λ≧０．４である図１６Ａの曲線５６２の右領域（すなわち、間隔に関係する穴サイズが増加するｄ／Λ）は、ＰＣＦをＭＭファイバにし、それによってＳＭ動作のための動作可能なコアサイズを制限する。
【０１００】
図１６Ｂは、図４Ｂ及び表１と関連して上述されたＮ＝２の実施例の場合の曲線５８２を示している。その実施例において、λ／Λが約０．１に等しいとき、（ｄ／Λ）２の値は、約０．８８である（１０メートルのファイバの場合、しかしこの値はより長いファイバの場合より大きい）。したがって、利用できるＳＭ伝播レジームは、矢印５８４で示すように、曲線５６２から曲線５８２に都合よく拡張される。間隔に関係する一層大きな穴サイズが、ＳＭ動作を維持しながら使用される。大きな穴サイズを選ぶことで、対応する穴間隔は、表１に関連して上で見たように、同様に大きなコアサイズをもたらす。
【０１０１】
図１６Ｃは、図４Ａ及び表１と関連して上述されたＮ＝１の実施例の場合の曲線５９２を示している。その実施例において、λ／Λが約０．１に等しいとき、（ｄ／Λ）１の値は、約０．９４である（１０メートルのファイバの場合、しかしこの値はより長いファイバの場合より大きい）。したがって、利用できるＳＭ伝播レジームは、矢印５９４で示すように、曲線５６２から曲線５９２に都合よく拡張され、それによってＳＭ動作のためにより一層大きなコアサイズを与える。
【０１０２】
図１７−１８は、穴あきファイバの状況における図１５−１６で上述されたＳＭ伝播レジーム拡張の一般化された概念を示している。図１７に示し、図１ＡとＢとに関連して上述したように、ＳＭで動作できる都合よく大きなコアをもつ穴あきファイバは、少なくとも部分的に不規則な或いは乱れた配列の穴を持つことができる。さらに、その穴は、均一なサイズ或いは形状でなければならない必要がない。そのような非均一な穴が図１７に描かれており、そこでは、二つの模範的な穴６００と６０２とは、それぞれ円形と矩形である。さらに、円形穴６００は、ｄｉの大きさを持つべく示され、矩形穴６０２は、ｄｊの大きさを持つべく示されている。二つの模範的な穴６００と６０２の間の模範的な間隔は、Λｋと表示されている。
【０１０３】
クラッド領域がそのような非均一穴で形成される穴あきファイバの場合、穴間隔パラメータと穴寸法パラメータとは、平均値ｄａｖｇとΛａｖｇと表される。そのような平均パラメータを使うと、類似のλ／Λ対ｄ／Λの関係（図１６の関係のような）が示される。図１８Ａは、λ／Λａｖｇ−ｄａｖｇ／Λａｖｇ空間において、ＭＭ伝播レジームからＳＭ伝播レジームを分離する曲線６１２を示している。値（ｄａｖｇ／Λａｖｇ）ｍｉｎは、λ／Λａｖｇがゼロに近づくと限界のｄａｖｇ／Λａｖｇの値を意味する。従来のＰＣＦの場合、約０．３５であるｄ／Λの閾値に類似し、（ｄａｖｇ／Λａｖｇ）ｍｉｎは、相対的に小さい平均寸法をもつコアの周りに相対的に厚い平均厚さをもつクラッド領域をもつ従来の穴あきファイバの場合の閾値を意味する。
【０１０４】
図１８Ｂは、図１６Ｂ−Ｃに関連して上述されたやり方に類似のやり方でＳＭ伝播レジームを拡張する概念を示している。利用できるＳＭ伝播レジームは、矢印６２４で示すように、曲線６１２から曲線６２２に都合よく拡張され、それによってＳＭ動作のためにより一層大きな平均コアサイズを与える。大きな平均穴サイズを選ぶことで、対応する平均穴間隔は、同様に大きな平均コアサイズをもたらす。
【０１０５】
ここに開示された様々なファイバは、例えば、利得ファイバ、増幅器、ファイバ増幅器とファイバレーザのようなレーザ、及びその他のシステムにも使用される。例えば、これらのファイバは、高パワーパルス及びＣＷレーザシステム或いは光源を製作するために用いられる。ここに開示された様々なファイバは、高パワーパルス及びＣＷレーザシステム或いは光源を製作するために用いられる。これらのシステムは、ポンプと、利得媒質を与えるための１本のファイバと、共振器を形成するためのファイバの２つの端部の一対のミラーとを有する。単一偏光モードのみが伝播する単一偏光モード動作を達成するために、偏光素子が加えられる。共振器内分散制御のために分散素子も加えられる。ここに開示されたファイバは、１つまたはそれ以上のポンプと、ポンプ結合器と、できる限りのアイソレータとを備えるパルス及びＣＷ光増幅器の利得媒質を構成することもできる。ここに開示されたファイバは、ファイバデリバリシステムの一部を形成するために使用される。デリバリシステムでは、レーザの出力が集光素子或いはスプライスを通してファイバに入射され、ファイバの出力が付加的な光学系でターゲットに向けられる。その他の形状及び使用が可能である。
【０１０６】
ここに開示されたファイバは、短い引っ張りデータ（haul data）電送用にＭＭ通信ファイバを交換するために、通信応用にも利用される。ファイバのシングルモード特性は、伝送システムのバンド幅を改善すると同時に、大きなコアサイズは、低コストとロバストなコネクターを可能にする。そのような応用では、第２ガラスが穴の代わりに使用され得る。なおその他の応用が可能である。
【０１０７】
上に開示した本発明の実施例は、上で開示した実施例に応用したような発明の基本的な新しい特徴を、示し、記述し、且つ指摘したが、示されたデバイス、システム、及び／または方法の詳細な形態における、様々な脱落、代用、変更が本発明の目的から逸脱することなく当業技術者によって行われる。従って、発明の目的は前述に制限されないが、添えられたクレームで規定されるべきである。
【０１０８】
この明細書で述べられた全ての公開文献と特許文献は、この発明が属する技術の当業者の技術レベルを示している。まるで各個々の公開文献或いは特許文献が参照によって組み込まれていることを明確にそれぞれ示すように、全ての公開文献と特許文献は、ある程度ここに参照によって組み込まれている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングル光モードを伝播させるための光ファイバであって、前記光ファイバは、
マトリックス内に配置された複数の穴状のクラッド造作を含むクラッド領域、前記複数のクラッド造作は、平均中心間間隔Λと平均径ｄとをもち及び前記クラッド領域で囲まれたコア領域とを有し、
前記複数のクラッド造作は、前記シングル光モードの伝播を前記コア領域に閉じ込めるよう、（i）増加した有効コア径２ρをもたらすための十分な平均中心間間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均径ｄ、をもち、
前記平均径ｄと前記平均中心間間隔Λのそれぞれは、２０ミクロン以上の有効コア径をもたらすよう２０ミクロン以上である光ファイバ。
【請求項２】
前記平均径ｄと前記平均中心間間隔Λは３０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記平均径ｄと前記平均中心間間隔Λは４０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記有効コア径は３０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記有効コア径は４０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記有効コア径は６０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記有効コア径は８０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記コア領域は中空である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記クラッド領域は穴状のクラッド造作の第１と第２の組みを含み、前記クラッド造作の第１の組はシングルモードの伝播を支持するよう構成され、前記クラッド造作の第２の組はポンピング伝播のための多重モードの伝播を支持するよう構成されている、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
前記第２の組のクラッド造作は前記第１の組のクラッド造作よりその径が大きい請求項９に記載の光ファイバ。
【請求項１１】
前記クラッド造作は、前記コア領域を伝播する光の偏光を維持するよう２つ折り対称である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１２】
Ｖ値は２．４より大きい請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１３】
利得を与えるドーパントを含む請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１４】
基本モードプロフィールをもつ基本モードと、異なるモードプロフィールをもつ複数の高次モードとを支持する光ファイバを有する光ファイバアッセンブリであって、前記光ファイバアッセンブリは、
マトリックス内に配置された複数の穴状のクラッド造作を含むクラッド領域と、
前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、
前記コア領域に光を結合するために前記コア領域に関して配置された光結合器とを有し、
前記複数のクラッド造作は、光の伝播を前記コア領域に閉じ込め、前記コア領域は前記基本光モードと前記複数の高次モードとの伝播を支持するに十分大きく、前記光結合器は前記基本モードのモードプロフィールにマッチングする光分布をもつ光を出力するべく形成され、それによって前記複数の高次モードより前記ファイバの前記シングルモードに多くの前記光を結合するファイバアッセンブリ。
【請求項１５】
前記光ファイバは、穴あきファイバを含む請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項１６】
前記光ファイバは、フォトニック結晶ファイバを含む請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項１７】
前記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバを含む請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項１８】
前記クラッド領域と前記コア領域とは、前記基本モードと高次モードの各々に対して有効屈折率をもたらし、前記基本モードの前記有効屈折率と前記高次モードの前記有効屈折率とは、前記基本モードと前記高次モードとの間の結合が十分減らされるような０．００１より大きな差をもつ請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項１９】
前記光結合器は、光パワーをもち、前記基本モードの前記モードプロフィールのサイズにマッチするサイズに集光するべく前記コア領域に関して配置されたレンズを備える請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項２０】
基本光モードと複数の高次モードとを支持する光ファイバを通して光を伝播させる方法であって、前記基本モードは、空間分布のモードプロフィールをもち、前記方法は、
光ファイバのコア領域に光を結合するステップ、
前記コア領域に沿って前記光を伝播させるステップ、そして
前記コア領域に沿っての前記光の前記伝播をクラッド領域に形成された複数の穴状のクラッド
造作でしっかりと閉じ込めるステップとを有し、
クラッド領域で囲まれた前記コア領域は、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含み、前記光が前記複数の高次モードよりも前記基本モードにその多くを結合している方法。
【請求項２１】
前記光が前記基本モードの前記モードプロフィールに十分マッチする強度分布をもつように前記光ファイバの前記コア領域に前記光を集光するステップをさらに有する請求項２０の方法。
【請求項２２】
光増幅を与える中空コアフォトニックバンドギャップファイバであって、前記中空コア
フォトニックバンドギャップファイバは、
マトリックス内に配置された複数の穴状のクラッド造作を含むクラッド領域と、
前記クラッド領域で囲まれた中空コア領域と、
前記中空コア領域を通しての前記光の伝播が利得領域で与えられる利得で増幅されるように前記中空領域に近い方に配置されている光利得をもつ利得領域とを有し、
前記中空コア領域は、その中に形成された中空領域をもち、前記複数のクラッド造作は、前記中空コア領域に光の伝播を閉じ込めるためにフォトニックバンドギャップを形成するべく配置されている中空コアフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項２３】
前記利得領域は、利得を与える材料でドープされる請求項２２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項２４】
前記利得領域は、前記中空コア領域を囲む環状領域を含む請求項２２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項２５】
マトリックス内に配置された複数の穴状のクラッド造作を含むクラッド領域と、
前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、
少なくとも一つのモードフィルタとを有し、
前記複数のクラッド造作は、平均中心間間隔Λと平均径ｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、複数の列Ｎに配列されており、前記複数のクラッド造作は、光の伝播を前記コア領域に閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、基本モード及び複数の高次モードの伝播を支持するための平均中心間間隔Λと平均径ｄと平均列数とをもち、前記モードフィルタは、前記基本モードが優位になり、前記高次モードが抑制されるように、前記基本モードより前記高次モードに多くの損失を導入することで高次モードを抑制している光ファイバ。
【請求項２６】
前記モードフィルタは、とびとびのモードフィルタを含む請求項２５の光ファイバ。
【請求項２７】
前記モードフィルタは、連続のモードフィルタを含む請求項２５の光ファイバ。
【請求項２８】
前記モードフィルタは、曲がった光ファイバ、利得プロフィールをもつ光ファイバ、損失プロフィールをもつ光ファイバ、テーパファイバ、及び長周期格子の群から選ばれるフィルタを含む請求項２５の光ファイバ。
【請求項１】
シングル光モードを伝播させるための光ファイバであって、前記光ファイバは、
マトリックス内に配置された複数の穴状のクラッド造作を含むクラッド領域、前記複数のクラッド造作は、平均中心間間隔Λと平均径ｄとをもち及び前記クラッド領域で囲まれたコア領域とを有し、
前記複数のクラッド造作は、前記シングル光モードの伝播を前記コア領域に閉じ込めるよう、（i）増加した有効コア径２ρをもたらすための十分な平均中心間間隔Λ、及び（ii）前記コア領域内への光の十分な閉じ込めをもたらすための十分な平均径ｄ、をもち、
前記平均径ｄと前記平均中心間間隔Λのそれぞれは、２０ミクロン以上の有効コア径をもたらすよう２０ミクロン以上である光ファイバ。
【請求項２】
前記平均径ｄと前記平均中心間間隔Λは３０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記平均径ｄと前記平均中心間間隔Λは４０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記有効コア径は３０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記有効コア径は４０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記有効コア径は６０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記有効コア径は８０ミクロン以上である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記コア領域は中空である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記クラッド領域は穴状のクラッド造作の第１と第２の組みを含み、前記クラッド造作の第１の組はシングルモードの伝播を支持するよう構成され、前記クラッド造作の第２の組はポンピング伝播のための多重モードの伝播を支持するよう構成されている、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
前記第２の組のクラッド造作は前記第１の組のクラッド造作よりその径が大きい請求項９に記載の光ファイバ。
【請求項１１】
前記クラッド造作は、前記コア領域を伝播する光の偏光を維持するよう２つ折り対称である請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１２】
Ｖ値は２．４より大きい請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１３】
利得を与えるドーパントを含む請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１４】
基本モードプロフィールをもつ基本モードと、異なるモードプロフィールをもつ複数の高次モードとを支持する光ファイバを有する光ファイバアッセンブリであって、前記光ファイバアッセンブリは、
マトリックス内に配置された複数の穴状のクラッド造作を含むクラッド領域と、
前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、
前記コア領域に光を結合するために前記コア領域に関して配置された光結合器とを有し、
前記複数のクラッド造作は、光の伝播を前記コア領域に閉じ込め、前記コア領域は前記基本光モードと前記複数の高次モードとの伝播を支持するに十分大きく、前記光結合器は前記基本モードのモードプロフィールにマッチングする光分布をもつ光を出力するべく形成され、それによって前記複数の高次モードより前記ファイバの前記シングルモードに多くの前記光を結合するファイバアッセンブリ。
【請求項１５】
前記光ファイバは、穴あきファイバを含む請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項１６】
前記光ファイバは、フォトニック結晶ファイバを含む請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項１７】
前記光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバを含む請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項１８】
前記クラッド領域と前記コア領域とは、前記基本モードと高次モードの各々に対して有効屈折率をもたらし、前記基本モードの前記有効屈折率と前記高次モードの前記有効屈折率とは、前記基本モードと前記高次モードとの間の結合が十分減らされるような０．００１より大きな差をもつ請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項１９】
前記光結合器は、光パワーをもち、前記基本モードの前記モードプロフィールのサイズにマッチするサイズに集光するべく前記コア領域に関して配置されたレンズを備える請求項１４の光ファイバアッセンブリ。
【請求項２０】
基本光モードと複数の高次モードとを支持する光ファイバを通して光を伝播させる方法であって、前記基本モードは、空間分布のモードプロフィールをもち、前記方法は、
光ファイバのコア領域に光を結合するステップ、
前記コア領域に沿って前記光を伝播させるステップ、そして
前記コア領域に沿っての前記光の前記伝播をクラッド領域に形成された複数の穴状のクラッド
造作でしっかりと閉じ込めるステップとを有し、
クラッド領域で囲まれた前記コア領域は、マトリックスに配置された複数のクラッド造作を含み、前記光が前記複数の高次モードよりも前記基本モードにその多くを結合している方法。
【請求項２１】
前記光が前記基本モードの前記モードプロフィールに十分マッチする強度分布をもつように前記光ファイバの前記コア領域に前記光を集光するステップをさらに有する請求項２０の方法。
【請求項２２】
光増幅を与える中空コアフォトニックバンドギャップファイバであって、前記中空コア
フォトニックバンドギャップファイバは、
マトリックス内に配置された複数の穴状のクラッド造作を含むクラッド領域と、
前記クラッド領域で囲まれた中空コア領域と、
前記中空コア領域を通しての前記光の伝播が利得領域で与えられる利得で増幅されるように前記中空領域に近い方に配置されている光利得をもつ利得領域とを有し、
前記中空コア領域は、その中に形成された中空領域をもち、前記複数のクラッド造作は、前記中空コア領域に光の伝播を閉じ込めるためにフォトニックバンドギャップを形成するべく配置されている中空コアフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項２３】
前記利得領域は、利得を与える材料でドープされる請求項２２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項２４】
前記利得領域は、前記中空コア領域を囲む環状領域を含む請求項２２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバ。
【請求項２５】
マトリックス内に配置された複数の穴状のクラッド造作を含むクラッド領域と、
前記クラッド領域で囲まれたコア領域と、
少なくとも一つのモードフィルタとを有し、
前記複数のクラッド造作は、平均中心間間隔Λと平均径ｄとをもち、前記複数のクラッド造作は、複数の列Ｎに配列されており、前記複数のクラッド造作は、光の伝播を前記コア領域に閉じ込め、前記複数のクラッド造作は、基本モード及び複数の高次モードの伝播を支持するための平均中心間間隔Λと平均径ｄと平均列数とをもち、前記モードフィルタは、前記基本モードが優位になり、前記高次モードが抑制されるように、前記基本モードより前記高次モードに多くの損失を導入することで高次モードを抑制している光ファイバ。
【請求項２６】
前記モードフィルタは、とびとびのモードフィルタを含む請求項２５の光ファイバ。
【請求項２７】
前記モードフィルタは、連続のモードフィルタを含む請求項２５の光ファイバ。
【請求項２８】
前記モードフィルタは、曲がった光ファイバ、利得プロフィールをもつ光ファイバ、損失プロフィールをもつ光ファイバ、テーパファイバ、及び長周期格子の群から選ばれるフィルタを含む請求項２５の光ファイバ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−１３８１４３（Ｐ２０１１−１３８１４３Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４２５４（Ｐ２０１１−１４２５４）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【分割の表示】特願２００６−５４９５５４（Ｐ２００６−５４９５５４）の分割
【原出願日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【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２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【分割の表示】特願２００６−５４９５５４（Ｐ２００６−５４９５５４）の分割
【原出願日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【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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