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技術 シングルモード動作を維持したままクラッド吸収を増加させたダブルクラッドの利得をもたらすファイバ

出願人 オーエフエスファイテル,エルエルシー
発明者 ティエリーエフ.トーネー
出願日 2013年8月29日 (7年2ヶ月経過) 出願番号 2013-177744
公開日 2014年3月17日 (6年8ヶ月経過) 公開番号 2014-049763
状態 特許登録済
技術分野 光ファイバ、光ファイバ心線 レーザ(2)
主要キーワード 刺激発光 屈曲損失 シングル信号 利用デバイス 動径座標 方向断面積 マルチモ 例示的実施
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

シングル信号モードの動作を維持したままポンプ光クラッド吸収が増加するように設計されたダブルクラッドGPFを提供すること。

解決手段

シングルモードで、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバのクラッド吸収は、コア領域内側クラッド領域の間に配置されたトレンチ領域を含んでいるファイバ設計で増加する。クラッド吸収の増加は、シングルモード動作を維持したまま実現される。

概要

背景

ダブルクラッドファイバ(DCF)設計を有するシングルモードGPFは、優れたビーム品質を必要とする高出力光ファイバ・レーザーおよび増幅器に共通して使用されている。図7は周知のDCF 70を示しており、これは、コア領域70.1、コア領域を取り囲む内側クラッド領域70.3、および内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域70.4を備える。コア領域および内側クラッド領域によって形成された導波路は主として、シングルモード、すなわち、好ましくは基本(LP01)モードでの信号光伝搬サポートして導くように構成されている。

適切にポンピングされたとき利得をもたらすために、コア領域は、増幅される信号光または生成されるレーザー光波長に依拠して、利得をもたらす種、通常は1つまたは複数の希土類元素(例えばEr、Yb、Tm、Nd)あるいは1つまたは複数の非希土類元素(例えばCr、Bi)でドープされる。内側クラッド領域を介して(通って)コア領域に結合される(放たれる)マルチモード・ポンプ光は、内側クラッド領域と外側クラッド領域の間の境界面70.5から反射され、ファイバ軸を下って伝搬するときポンプ光がコア領域を横切り、コア領域の中の特定のドーパント(すなわち利得をもたらす種)によって吸収される。このように、ポンプ光のエネルギーが、(主に)ファイバのコア領域を同時に下って伝搬している信号光を増幅する。

増幅プロセス(すなわちポンプ光から信号光へのエネルギー伝達)の効果は、次式で与えられる(ポンプ光の)クラッド吸収として知られているパラメータ(αclad)によって部分的に求められ、

αclad=αd(Ad/Aclad) (1)

この式で、αdは、利得をもたらす種でドープされたファイバの一部分(例えば図7のコア領域70.1であり、以下では利得領域と称する)におけるポンプ光の材料吸収であり、Adは利得領域の横方向断面積であり、Acladは、内側クラッド領域70.3の内部の全体の横方向断面積(例えば円形の断面を有する内側クラッド領域についてはπDic2/4)である。また、材料吸収は次式で与えられ、

αd=Ndσd (2)

この式で、Ndは利得領域の利得をもたらす種の体積濃度であり、σdは、ポンプ光波長における利得領域マトリクス(例えば水晶またはガラス)のドーパントの吸収断面積である。

ポンプ光のクラッド吸収を増加する能力は有利であろう。光ファイバ・レーザーおよび増幅器では、所与出力パワーに対して、ポンプ光吸収の増加は利得の増加を意味し、その結果として、より短い増幅器のファイバ長およびより短いレーザーの空胴共振器の長さで、所望の出力パワーを達成し得ることを意味する。また、ファイバ長がより短ければ、誘発ラマン散乱SRS)などの非線形効果発現が低減され、ファイバ・レーザー出力の安定性および長期信頼性の改善に有益であり得る。

式(1)および(2)は、ファイバの、コア領域70.1、より正確にはドープ領域Adの、利得をもたらす種の濃度Ndを増加するだけでクラッド吸収を増加し得ることを示唆しているように思われるかも知れない。しかし、商業上重要な特定の希土類元素の種(特にYb)では、ポンプ光で誘起される光黒化により利得をもたらす種の濃度が制限され、それによって、濃度を増加するだけで達成することができるクラッド吸収は制限される。

クラッド吸収を増加するための代替手法は、例えばコア領域の直径を増大して、単に利得領域の面積を増加することであろう。しかし、コア領域の直径を増大しすぎると、ファイバの、シングル信号モードで動作し続ける能力に悪影響があり、すなわち、高次信号モード(HOM)が伝搬し得るようになる。HOMの励起により、非常に有害で、ファイバ・レーザーまたは増幅器のアーキテクチャを損傷し得る出力不安定性が生じる可能性がある。コア領域のサイズに対するこの制約によっても、従来のDCFの達成可能なモード・フィールド径MFD)が不適当に制限される。

したがって、シングルモード動作を維持したまま、ファイバの利得領域の内部の利得をもたらす種の濃度を増す必要もなく、ダブルクラッドGPFのクラッド吸収の増加を達成する必要性がある。

約16μmの規模のMFDをサポートすることができるダブルクラッドGPFに対する必要性もある。

概要

シングル信号モードの動作を維持したままポンプ光のクラッド吸収が増加するように設計されたダブルクラッドGPFを提供すること。シングルモードで、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバのクラッド吸収は、コア領域と内側クラッド領域の間に配置されたトレンチ領域を含んでいるファイバ設計で増加する。クラッド吸収の増加は、シングルモード動作を維持したまま実現される。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
5件

この技術が所属する分野

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請求項1

ダブルクラッドの、利得をもたらす光ファイバであって、前後軸を有するコア領域と、前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを備え、前記コア領域およびクラッド領域が、基本的な横モード信号光伝搬サポートして前記軸の方向に導くように構成されており、前記クラッド領域が、前記コア領域を取り囲むトレンチ領域、前記トレンチ領域を取り囲む内側クラッド領域、および前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域を含み、前記外側クラッド領域が前記内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、前記内側クラッド領域が前記外側クラッド領域の屈折率と前記コア領域の屈折率の間の屈折率を有し、前記トレンチ領域が前記内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、少なくとも前記コア領域には、前記ファイバに適切なポンピングエネルギー印加されたとき前記信号光に利得をもたらす、少なくとも1つの利得をもたらす種が含まれ、前記コア領域およびクラッド領域は、前記基本モードが主に前記コア領域において導かれ、前記トレンチ領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δntrが、絶対値で、前記コア領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δncoreより小さくなるように構成されており、それによって、前記信号光のシングルモード動作を維持したまま、前記コア領域の直径および前記ファイバのクラッド吸収が、どちらも、前記トレンチ領域のなく、相当する、利得をもたらすファイバと比較して増加され得る、ファイバ。

請求項2

少なくとも前記コア領域がYbでドープされており、前記基本モードが、約6〜16μmのモード・フィールド径MFD)によって特徴付けられ、前記コア領域およびクラッド領域が、前記トレンチ領域のない、相当する、利得をもたらすファイバと比較して、前記クラッド吸収が約26〜69%増加するように構成されている、請求項1に記載のファイバ。

請求項3

前記MFDが約6〜8μmであり、前記コア領域の半径が約2.9〜4.1μmであり、前記コア領域の屈折率差異が約4.3×l0−3〜7.8×l0−3であり、前記トレンチ領域の屈折率差異が約−0.5×10−3から−4.0×l0−3であり、前記トレンチ領域の最小幅が約1.5〜7.0μmである、請求項2に記載のファイバ。

請求項4

前記MFDが約10〜16μmであり、前記コア領域の半径が約4.6〜8.7μmであり、前記コア領域の屈折率差異が約1.1×l0−3〜2.8×l0−3であり、前記トレンチ領域の屈折率差異が約−0.15×10−3から−0.8×l0−3であって、前記トレンチ領域の最小幅が約2.5〜10.0μmである、請求項2に記載のファイバ。

請求項5

前記トレンチ領域の少なくとも一部分が、少なくとも1つの利得をもたらす種も含んでいる、請求項1に記載のファイバ。

請求項6

前記コア領域、前記トレンチ領域および前記内側クラッド領域がシリカを含み、前記外側クラッド領域が、低屈折率ポリマーダウンドープされたシリカ、およびエア・クラッド構造から成る群から選択される、請求項1に記載のファイバ。

請求項7

前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域が、前記ファイバの前記クラッド吸収(αclad)を、類似のMFDを有するが前記トレンチ領域のないファイバと比較して、約30%増加させるように構成されており、αclad=αd(Ad/Aclad)であって、αdは、前記ファイバの、利得をもたらす種を含んでいる前記領域の吸収係数であり、Adは、前記ファイバの、利得をもたらす種を含んでいる前記領域の横方向の断面積であり、Acladは、前記外側クラッドの内部に含まれる前記ファイバの全体の横方向の断面積である、請求項1に記載のファイバ。

請求項8

前記コア領域およびクラッド領域が、前記信号光の前記基本モードのみをサポートして導くように構成されている、請求項1に記載のファイバ。

請求項9

前記コア領域およびクラッド領域が、前記信号光の前記基本モードおよび高々約1次〜4次のモードをサポートして導くように構成されている、請求項1に記載のファイバ。

請求項10

前記ポンピング・エネルギーが、マルチモード・ポンプ光ソースによって供給され、前記コア領域およびクラッド領域は、前記ポンプ光が前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合され得るように構成されている、請求項1に記載のファイバ。

請求項11

前記コア領域に印加されるポンプ光に応答して、前記コア領域に結合された前記信号光を増幅するための請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光ファイバであって、前記ポンプ・エネルギーのソースが、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合される光ファイバを備える、光学装置

請求項12

ポンプ・エネルギーの前記ポンプ・ソースが、マルチモード・ポンプ光を供給し、前記ポンプ光および前記信号光を前記コア領域に結合するための結合器をさらに含む、請求項11に記載の装置。

請求項13

前記ファイバ、前記ソースおよび前記結合器が、光増幅器として構成されている、請求項12に記載の装置。

請求項14

空胴共振器と、前記共振器の内部に配置された、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光ファイバと、ポンプ・エネルギーを、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合するためのカプラとを備え、そのことにより前記コア領域の内部の刺激発光として前記信号を生成する、光学装置。

請求項15

前記ファイバ、前記共振器および前記カプラがレーザーとして構成されている、請求項14に記載の光学装置。

請求項16

利得をもたらすコア領域、前記コア領域を取り囲む内側クラッド領域、および前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッドを含んでいる、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバのクラッド吸収を増加する方法であって、(a)前記コア領域と前記内側クラッド領域の間にトレンチ領域を形成するステップであって、前記コア領域の直径が、トレンチ領域のなく、相当する、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバのコア領域の直径より大きいステップと、(b)前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、(i)前記トレンチ領域の屈折率が前記内側クラッド領域の屈折率より低く、(ii)前記トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差Δntrが、前記コア領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δncoreより小さくなるように構成するステップと、(c)信号光の基本モードが、前記コア領域においてサポートされ導かれることが可能で、また、マルチモード・ポンプ光が、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合され得るように、前記コア領域、トレンチ領域、および内側クラッド領域を構成するステップとを含む、方法。

請求項17

ステップ(a)、(b)および(c)は、前記基本モードが約6〜16μmのモード・フィールド径(MFD)によって特徴付けられるように前記コア領域、トレンチ領域およびクラッド領域を構成し、前記コア領域およびクラッド領域は、前記クラッド吸収が約26〜69%増加するように構成される、請求項16に記載の方法。

請求項18

ステップ(a)、(b)および(c)は、前記MFDが約6〜8μmであり、前記コア領域の半径が約2.9〜4.1μmであり、前記コア領域の屈折率差異が約4.3×l0−3〜7.8×l0−3であり、前記トレンチ領域の屈折率差異が約−0.5×10−3から−4.0×l0−3であって、前記トレンチ領域の幅が約1.5〜7.0μmであるように前記コア領域、トレンチ領域およびクラッド領域を構成する、請求項17に記載の方法。

請求項19

ステップ(a)、(b)および(c)は、前記MFDが約10〜16μmであり、前記コア領域の半径が約4.6〜8.7μmであり、前記コア領域の屈折率差異が約1.1×l0−3〜2.8×l0−3であり、前記トレンチ領域の屈折率差異が約−1.5×10−3から−0.15×l0−3であって、前記トレンチ領域の最小幅が約2.5〜10.0μmであるように前記コア領域およびクラッド領域を構成する、請求項17に記載の方法。

請求項20

ステップ(a)は、前記トレンチ領域の少なくとも一部分が、少なくとも1つの利得をもたらす種も含むように前記トレンチ領域を形成する、請求項16に記載の方法。

請求項21

ステップ(a)、(b)および(c)は、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域がシリカを含み、前記外側クラッド領域が、低屈折率ポリマー、ダウンドープされたシリカ、およびエア・クラッド構造から成る群から選択されるように構成する、請求項16に記載の方法。

請求項22

ステップ(a)、(b)および(c)は、前記ファイバの前記クラッド吸収(αclad)が、前記トレンチ領域のない類似のファイバと比較して、少なくとも約30%増加するように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成し、αclad=αd(Ad/Aclad)であって、αdは、前記ファイバの利得をもたらす種を含んでいる領域の吸収係数であり、Adは、前記ファイバの利得をもたらす種を含んでいる前記領域の横方向の断面積であり、Acladは前記ファイバの全体の横方向の断面積である、請求項16に記載の方法。

請求項23

ステップ(a)、(b)および(c)は、前記ファイバが前記信号光の前記基本モードのみをサポートして導くように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成する、請求項16に記載の方法。

請求項24

ステップ(a)、(b)および(c)は、前記ファイバが前記信号光の前記基本モードおよび高々約1次〜4次のモードをサポートして導くように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成する、請求項16に記載の方法。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本出願は、2012年8月29日に出願した「DOBLE CLAD, GAIN PRODCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLEMODE OPERATION」という名称の米国仮出願第61/694,709号からの優先権を主張するものである。それに加えて、本出願は、「GAIN−PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLE−MODE OPERATION」という名称の出願番号_(T.F.Taunay 19)と同時に出願されたものである。

0002

本発明は、シングル信号モードまたは少数信号モードのいずれかをサポートする利得をもたらすファイバ(GPF)に関し、より詳細には、シングル信号モードの動作を維持したままポンプ光クラッド吸収が増加するように設計されたダブルクラッドGPFに関する。

背景技術

0003

ダブルクラッド・ファイバ(DCF)設計を有するシングルモードGPFは、優れたビーム品質を必要とする高出力光ファイバ・レーザーおよび増幅器に共通して使用されている。図7は周知のDCF 70を示しており、これは、コア領域70.1、コア領域を取り囲む内側クラッド領域70.3、および内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域70.4を備える。コア領域および内側クラッド領域によって形成された導波路は主として、シングルモード、すなわち、好ましくは基本(LP01)モードでの信号光伝搬をサポートして導くように構成されている。

0004

適切にポンピングされたとき利得をもたらすために、コア領域は、増幅される信号光または生成されるレーザー光波長に依拠して、利得をもたらす種、通常は1つまたは複数の希土類元素(例えばEr、Yb、Tm、Nd)あるいは1つまたは複数の非希土類元素(例えばCr、Bi)でドープされる。内側クラッド領域を介して(通って)コア領域に結合される(放たれる)マルチモード・ポンプ光は、内側クラッド領域と外側クラッド領域の間の境界面70.5から反射され、ファイバ軸を下って伝搬するときポンプ光がコア領域を横切り、コア領域の中の特定のドーパント(すなわち利得をもたらす種)によって吸収される。このように、ポンプ光のエネルギーが、(主に)ファイバのコア領域を同時に下って伝搬している信号光を増幅する。

0005

増幅プロセス(すなわちポンプ光から信号光へのエネルギー伝達)の効果は、次式で与えられる(ポンプ光の)クラッド吸収として知られているパラメータ(αclad)によって部分的に求められ、

αclad=αd(Ad/Aclad) (1)

この式で、αdは、利得をもたらす種でドープされたファイバの一部分(例えば図7のコア領域70.1であり、以下では利得領域と称する)におけるポンプ光の材料吸収であり、Adは利得領域の横方向断面積であり、Acladは、内側クラッド領域70.3の内部の全体の横方向断面積(例えば円形の断面を有する内側クラッド領域についてはπDic2/4)である。また、材料吸収は次式で与えられ、

αd=Ndσd (2)

この式で、Ndは利得領域の利得をもたらす種の体積濃度であり、σdは、ポンプ光波長における利得領域マトリクス(例えば水晶またはガラス)のドーパントの吸収断面積である。

0006

ポンプ光のクラッド吸収を増加する能力は有利であろう。光ファイバ・レーザーおよび増幅器では、所与出力パワーに対して、ポンプ光吸収の増加は利得の増加を意味し、その結果として、より短い増幅器のファイバ長およびより短いレーザーの空胴共振器の長さで、所望の出力パワーを達成し得ることを意味する。また、ファイバ長がより短ければ、誘発ラマン散乱SRS)などの非線形効果発現が低減され、ファイバ・レーザー出力の安定性および長期信頼性の改善に有益であり得る。

0007

式(1)および(2)は、ファイバの、コア領域70.1、より正確にはドープ領域Adの、利得をもたらす種の濃度Ndを増加するだけでクラッド吸収を増加し得ることを示唆しているように思われるかも知れない。しかし、商業上重要な特定の希土類元素の種(特にYb)では、ポンプ光で誘起される光黒化により利得をもたらす種の濃度が制限され、それによって、濃度を増加するだけで達成することができるクラッド吸収は制限される。

0008

クラッド吸収を増加するための代替手法は、例えばコア領域の直径を増大して、単に利得領域の面積を増加することであろう。しかし、コア領域の直径を増大しすぎると、ファイバの、シングル信号モードで動作し続ける能力に悪影響があり、すなわち、高次の信号モード(HOM)が伝搬し得るようになる。HOMの励起により、非常に有害で、ファイバ・レーザーまたは増幅器のアーキテクチャを損傷し得る出力不安定性が生じる可能性がある。コア領域のサイズに対するこの制約によっても、従来のDCFの達成可能なモード・フィールド径MFD)が不適当に制限される。

0009

したがって、シングルモード動作を維持したまま、ファイバの利得領域の内部の利得をもたらす種の濃度を増す必要もなく、ダブルクラッドGPFのクラッド吸収の増加を達成する必要性がある。

0010

約16μmの規模のMFDをサポートすることができるダブルクラッドGPFに対する必要性もある。

0011

米国特許第5,864,644号
米国特許第6,826,335号
米国特許第5,907,652号
米国特許第5,937,134号

先行技術

0012

P.A. Belanger、Optical Engineering、Vol.32、No.9、2107〜2109頁、(1993)
Specialty Optical Fibers Handbook、ed. Mendez and Moore、Ch. 7.2.3、「Rare Earth Fibers」、DiGiovanni et. al.、Academic Press (2007)

課題を解決するための手段

0013

本発明の一態様によれば、利得領域の利得をもたらす種の濃度を増加する必要なくクラッド吸収を増加させたダブルクラッドGPFが提供される。この設計により、MFDおよびシングルモード動作を維持したままコア領域の直径を増加することが可能になる。シングルモード動作は、ファイバが、シングル信号モード(好ましくは基本モード)のみ、またはいくつかの信号モード(好ましくは、基本モードに高々約1次〜4次のHOMを加えたもの)をサポートすることを意味する。好ましくは、ファイバは基本モードのみで動作する。

0014

したがって、本発明の一実施形態によれば、GPFは、前後軸を有するコア領域と、コア領域を取り囲むクラッド領域とを備える。コア領域およびクラッド領域は、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして、(主に)コア領域において軸の方向に導くように構成されている。クラッド領域は、コア領域を取り囲むトレンチ領域と、トレンチ領域を取り囲む内側クラッド領域と、内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域とを含む。外側クラッド領域は、内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、内側クラッド領域は、外側クラッド領域の屈折率とコア領域の屈折率の間の屈折率を有し、トレンチ領域は、内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有する。少なくともコア領域は、適切なポンピング・エネルギーがファイバに印加されるとき、例えばマルチモード・ポンプ光が内側クラッド領域を介して(通って)コア領域に結合される(放たれる)とき、信号光に利得を与える、少なくとも1つの利得をもたらす種を含む。コア領域およびクラッド領域は、基本モードが主にコア領域において導かれて、その結果、トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差より小さくなるように構成される。この状態は、Ybでドープされたコア領域、Tmでドープされたコア領域、およびErでドープされたコア領域を有するいくつかの設計を利用する多数のGPF設計(特に、MFDに対するコア半径の比が約0.6未満のもの)に対して有効であることが判明している。

0015

一方、Erでドープされたコア領域を利用する他のGPFの実施形態では、コア領域およびクラッド領域は、やはり、基本モードが主にコア領域において導かれるように構成され、その結果、トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差より大きくなる。これらの実施形態では、MFDに対するコア半径の比が、約0.6より大きい。

0016

本発明のいくつかの実施形態の計算は、(例えば約30%より大きく)クラッド吸収が増加したシングルモードのGPF設計を示す。この計算は、このようなGPF設計のいくつかの実施形態が、所与のクラッド吸収に対して、光黒化によって誘起される光損失を低下し得ることも示す。

0017

それに加えて、他の計算は、このようなGPF設計のいくつかの実施形態が、屈曲損失の増加を伴うことなくシングルモードで動作し得ることを示す。

0018

本発明の別の態様によれば、ダブルクラッドの利得をもたらすファイバのクラッド吸収を増加させる方法は、(a)コア領域と内側クラッド領域の間にトレンチ領域を形成するステップと、(b)コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、(i)トレンチ領域の屈折率が内側クラッド領域の屈折率より低く、(ii)トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値より小さくなるように構成するステップと、(c)コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、信号光の基本モードをサポートし、同モードを主にコア領域において導き、さらには、マルチモード・ポンプ光を、内側クラッド領域を介して(通って)コア領域に結合する(放つ)ことができるように構成するステップとを含む。

0019

本発明は、添付図面とともに解釈される以下のより詳細な説明から、本発明のさまざまな特徴および利点とともに容易に理解され得る。

図面の簡単な説明

0020

本発明の例示的実施形態によるダブルクラッドGPFの概略の横断面図である。
図1のGPFの例示的屈折率プロファイルの概略図である。
従来設計によるステップ屈折率コア(SIC)ファイバの屈折率プロファイルのグラフ30、および本発明の例示的実施形態によるトレンチ領域を有するGPFの屈折率プロファイルのグラフ31を示す図である。(図3に示されたファイバは、どちらもダブルクラッドGPFであるが、説明を簡単にするために、外側クラッド領域は示されていない。)図3のグラフ32および33は、それぞれが、SICファイバおよびGPFに関する計算された基本モード出力も示している。図2と比較して、図3が示すのは第1象限および第4象限の屈折率プロファイルのみであるが、第2象限および第3象限の対応するプロファイルは、それぞれ第1象限および第4象限のプロファイルの鏡像であることが理解される。屈折率のくぼみ34は、ファイバを製作するのに用いられ得る特定のプロセスのアーチファクト、すなわち、それだけではないが、GeO2またはP2O5など、コア領域の共通ドーパントの部分的な蒸発に起因する燃切り効果であることに留意されたい。
光黒化、すなわち、600nmから1100nmの範囲のポンプ光波長において、ポンプ光の吸収によって誘起された光(信号)損失を示すグラフである。標準的なSICファイバ(図3の屈折率プロファイル30)に関する結果は曲線40で示されており、本発明のGPF(図3のプロファイル31)に関する結果は曲線41で示されている。
本発明の例示的実施形態によるGPFを利用する例示的光ファイバ増幅器を示す概略ブロック図である。
本発明の例示的実施形態によるGPFを利用する例示的クラッド・ポンプ光ファイバ・レーザーを示す概略ブロック図である。
通常の(従来技術の)設計によるダブルクラッドGPFの概略の横断面図である。

0021

前述のさまざまな図は、原寸に比例しないという点で概略的に示されており、かつ/または、図の簡単さおよび明瞭さのために、示された実際の光ファイバまたは製品の詳細のすべてを含んでいるわけではない。

0022

用語集
ベンディングマクロ・ベンディングは、一般には単にベンディングと称され、ファイバが、少なくともその長さの一部分に沿ってファイバの曲率が比較的一定であるように曲げられる、巻かれる、またはカールされるときに起こる。それと対照的に、マイクロ・ベンディングは、特定のファイバに対して、断熱長の範囲内のスケールで(例えば1ミリメートル程度またはより短いファイバ長さに沿って)曲率変化が著しいときに起こる。このようなマイクロ・ベンディングは、例えば、紙やすりにファイバを押しつけることによる標準的なマイクロ・ベンディング・テストで形成される。

0023

中心波長:本明細書の議論を通じて、波長への言及は、特定の発光の中心波長を意味するように意図されており、すべてのこのような放射は、中心波長の上と下に周知の波長範囲を含んでいる特性線幅を有することが理解される。

0024

ガラス繊維:本明細書で説明されるタイプの光ファイバは、典型的にはガラス(例えばシリカ)で製作されており、コア領域の屈折率およびクラッド領域の屈折率が、当技術分野で周知のように、1つまたは複数のドーパント(例えばP、Al、Ge、F、Cl)の量およびタイプ、またはファイバの製造中に組み込まれた中空の空隙によって制御される。これらの屈折率ならびにコア領域/クラッド領域の厚さ/直径により、当技術分野で周知のように、重要な動作パラメータが決定される。このようなガラス繊維はまた、適切にポンピングされたときに利得をもたらすために、1つまたは複数の利得をもたらす種(希土類元素の種(例えばEr、Yb、Tm、Dy、Hoなど)または非希土類元素(例えばBi、Cr))でドープされる。

0025

屈折率:屈折率(index and indices)という用語は、屈折率(refractive index and refractive indices)を意味するものとする。特定の領域(例えばクラッド領域)が微細構造(例えば、(例えば低屈折率ガス液体もしくは固体で)満たされた孔または満たされていない孔(例えば気孔))を含んでいる設計では、このような領域の屈折率は、その領域の中で伝搬する光に見られる平均屈折率を意味するように意図されている。

0026

屈折率プロファイル:図2図3の概略屈折率プロファイルは、光ファイバにおいて観測可能な屈折率の実際の微細な変化の平均を示す。それに加えて、屈折率プロファイルのさまざまな領域は長方形として示され得るが、このような領域の境界は、水平または垂直である必要はなく、1つまたは複数が傾斜していてもよく、例えば、領域は台形または三角形でもよい。

0027

LMA:高出力用途では、大きなモード面積(LMA)のファイバは、約90λ2以上の基本モードの有効面積を有するものと定義され、λは信号の波長である。例えば、1060nm(1.06μm)の波長では、大きなモード面積は約100μm2以上の有効面積で構成され、1550nm(1.55μm)の波長では、大きなモード面積は216μm2以上の有効面積で構成される。

0028

M2:LMAファイバ光学的特性は、その横方向の屈折率プロファイルの詳細に対して高感度である。一般通念によれば、望ましいLMAファイバは、M2がほとんど1.0の基本モードを有し、これは、コア領域の内部の横方向の屈折率プロファイルが基本的に均一である、すなわち、屈折率プロファイルが、コア領域の横断面の内部で基本的に均一であるという仮定の下で、基本的横モードの光場が、ほとんどガウス形状であることを意味する。M2によって、モード・フィールドと真のガウス関数の間の類似性が評価される。より具体的には、ガウス形状を有するモードではM2=1.0であり、他のすべてのモード・フィールド形状ではM2>1.0である。

0029

M2は、参照によって本明細書に組み込まれている、P.A. Belanger、Optical Engineering、Vol.32、No.9、2107〜2109頁、(1993)で説明されているように、ファイバの基本的横モードの理想的なガウス関数に対する類似性を定義するものである。(この論文ステップ形光ファイバのLP01基本モードに関するM2を定義しているが、この定義は、本明細書で説明されるすべての光ファイバに対して有効である。)理論上、M2は、任意の大きさでよいが、実際には、GPFに関するM2は、典型的にはほぼ1<M2<10の範囲内にある。そのうえ、例えばM2が約1.06であると、約1.0のM2という意味では一般的に小さいと見なされるが、例えばM2が約1.3であると、M2>>1.0という意味では大きいと見なされる。

0030

M2が1.0にとても近ければ、ファイバから出現するビームが、回折限界点に、効率的に視準され得るか、または厳密に合焦され得る。

0031

したがって、M2は、ビーム品質と一般的に称されるものの周知の測度である。

0032

モード:(1つまたは複数の)モードという用語は、電磁波(例えば、光増幅器の場合には増幅される信号光を含んでいる信号光、またはレーザーの場合には刺激発光を含んでいる信号光)の(1つまたは複数の)横モードを意味するものとする。

0033

モード・サイズ:光モードのサイズは、次式で与えられる光モードの有効面積Aeffによって特徴付けられ、

0034

この式で、Eはモードの電界の横方向の空間的包絡線であり、積分はファイバの横方向の断面積にわたって遂行されるものと理解される。モード・フィールドの形状が軸対称(すなわち、ファイバの回転の前後軸のまわりで対称)のガウス関数に近いとき、モード・フィールドの直径(MFD)は、モードの直径の適切なメトリックであり、次式で表わされてよく

0035

この式で、rは動径座標である。モード・フィールドの形状が、線対称のガウス関数に正確に等しければ、Aeff=π×MFD2/4となる。

0036

光黒化:光黒化は、光ファイバにおける色中心の吸収の可逆生成である。例えば、Ybで高度にドープされたファイバが強いポンプ放射に晒されると、時間が経つにつれて信号が劣化する。この光黒化は、たいていはガラスにおける色中心の形成によるものであり、975nmのあたりの強い吸収を伴って、可視波長における強い吸収として現れる。Specialty Optical Fibers Handbook、ed. Mendez and Moore、Ch. 7.2.3、「Rare Earth Fibers」、DiGiovanni et. al.、Academic Press (2007)が、参照によって本明細書に組み込まれる。

0037

半径/直径:前述の議論(および以下の議論)における半径という用語および直径という用語の使用は、さまざまな領域(例えばコア、トレンチ、クラッド)の横断面が円形および/または環状であることを意味するが、実際にはこれらの領域は非円形でもよく、例えば、長方形、楕円多角形不規則な形状、または他のより複雑な形状でもよい。それにもかかわらず、当技術分野では一般的に、半径および/または直径という用語が、簡単さおよび明瞭さのために用いられる。

0038

信号伝搬:信号光は、ファイバに沿って伝搬するとき、実際には前後軸に交差することがあるが、当技術分野では、全般的な伝搬の方向が前後軸(例えば図1の軸10.5)に沿っていると適正に述べられることは十分に理解される。

0039

シングルモード:シングル横モードの光伝搬への言及は、本質的にはまたは事実上シングルモードである伝搬を含むように意図されており、すなわち、実質的な意味では、他のすべてのモードの完全な抑制が必ずしも可能でないことがある。しかし、シングルモードは、他のこのようなモードの強度が、意図された用途にとっては低い、または取るに足りないものであることを意味する。したがって、シングルモード・ファイバという用語は、たった1つのモード(好ましくは基本モード)またはいくつかのモード(すなわち基本モードおよび高々約1次〜4次の高次モード(HOM))で動作するファイバを意味する。

0040

抑制されたHOM:HOMを抑制しなければならない度合いは、特定の用途に依拠する。多くの用途では、全体的または完全な抑制が必要とされることはなく、これは、比較的低い強度のHOMの継続的な存在が許容され得ること意味する。多くの例では、基本モードの減衰と比較して、HOMの高度の減衰がもたらされれば十分であり得る。この抑制を、相対的抑制または選択的抑制と称する。いずれにしても、HOMを抑制すると、例えばビーム品質が改善され、総計挿入損が減少し、信号モードの雑音が減少し、マイクロベンド損失が減少することにより、システム性能が改善される。

0041

横断面:横断面というは、ファイバの前後軸に対して垂直な面におけるファイバの断面を意味する。

0042

非ドープ:非ドープまた意図的でないドープという用語は、ファイバの領域またはこのような領域を形成するために使用される開始チューブには、製造中に、この領域に意図せず付加された、または制御されていないドーパントが含まれることを意味するが、この用語は、製造プロセス中に本質的に組み込まれる可能性がある低レベルバックグラウンド・ドープを除外するものではない。

実施例

0043

ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバ設計
本発明の実施形態は、利得をもたらす種/ドーパントの濃度を増加する必要なくクラッド吸収を増加させた、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバ(GPF)設計を示す。具体的には、このファイバ設計は、コア径の増大を可能にするトレンチ領域を含み、これによって、式(1)で示されるように、結果的にクラッド吸収が増加する。すなわち、αclad=αd(Ad/Aclad)である。シングルモード動作については、心線対照Δncoreは約8×10−3未満にするべきである。(Δncore>8×10−3は、シングルモード動作を保つために、対応してコア領域の直径をより小さくすることを意味し、したがってクラッド吸収も低下することに留意されたい。)

0044

それと対照的に、一般通念では、約1080nmの動作波長では、(遮断波長が約1030nmのLP11を実現するために)Δncoreが約2.0×10−3〜2.2×10−3でMFD≒11μmのLMAファイバを使用する。しかし、本発明の範囲は、ほぼ16μmと大きなMFDを有するLMAファイバばかりでなく、例えば6μmといったより小さなMFDを有するファイバも包含する。

0045

次に図面に移って、図1は、本発明の例示的実施形態によるダブルクラッドGPF 10を示す。GPF 10は、前後軸10.5を有するコア領域10.1、およびコア領域10.1を取り囲む領域10.2、10.3、および10.4を備えるクラッド領域を備える。コア領域およびクラッド領域は、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして、主にコア領域において軸10.5の方向に導くように構成されている。それに加えて、クラッド領域は、マルチモード・ポンプ光の伝搬をサポートして導くように構成されている。

0046

クラッド領域は、コア領域10.1を取り囲むトレンチ領域10.2と、トレンチ領域10.2を取り囲む内側クラッド領域10.3と、内側クラッド領域10.3を取り囲む外側クラッド領域10.4とを含む。

0047

内側クラッド領域10.3の外部周囲10.6は、図を簡単にするだけのために円形として示されている。実際には、この境界は、ポンプ光のヘリカル・モードの形成を抑止し、すべてのポンプ・モードのコア領域に対するオーバーラップを増加するために一般的には非円形であることが周知である。

0048

図2に示されるように、さまざまな屈折率差Δnは内側クラッド領域10.3の屈折率に対して定義され、したがって、内側クラッド領域10.3の屈折率はゼロとラベル表示されている。したがって、外側クラッド領域10.4は内側クラッド領域10.3の屈折率より低い屈折率Δnocを有し、内側クラッド領域10.3は、外側クラッド領域10.4の屈折率とコア領域10.1の屈折率(Δncore)の間の屈折率を有し、トレンチ領域10.2は内側クラッド領域10.3の屈折率より低い屈折率Δntrを有する。

0049

少なくともコア領域10.1は、適切なポンピング・エネルギーがファイバに印加されたとき、すなわち、内側クラッド領域10.3を介して(通って)コア領域10.1に結合されたとき、信号光に利得をもたらす、少なくとも1つの、利得をもたらす種を含む。ポンプ光は、コア領域を縦横に横切って(利得をもたらす種によって吸収されながら)、内側クラッドの内部をマルチモードの様式で伝搬する。

0050

ポンプ光は、光ファイバ技術で周知のさまざまな技法デバイスを使用してファイバ10に結合されて(放たれて)よい。典型的には、これらの技法は、ポンプ光を、内側クラッド領域10.3およびトレンチ領域10.2を介して(通って)コア領域10.1に結合する。実例として、テーパ形ファイバ・バンドル(TFB)カプラが使用されてもよい。TFBカプラは、典型的には、参照によって本明細書に組み込まれているDiGiovanniおよびStentzの米国特許第5,864,644号(1999年)で説明されたタイプのものである。あるいは、ポンプ・ファイバとGPFが、互いに接触して、GPFの全長に沿って配置されるエバセントカプラが使用されてもよい。やはり参照によって本明細書に組み込まれているGrudininらの米国特許第6,826,335号(2004年)で説明されているように、ポンプ・ファイバとGPFは、互いに平行に配置されてもよく、互いに撚り合わせられてもよい。

0051

コア領域10.1およびクラッド領域10.2、10.3、10.4は、基本モードが主にコア領域において導かれるように構成される(すなわち、基本モードのすそがコア領域の外部へ延びトレンチ領域10.2内に及ぶ)。この目的のために、特にトレンチ領域10.2を含む本発明のファイバ設計により、多数のHOMを導入することなくコア領域の直径が増大され得る。上記で定義されたように、本発明の設計は、基本モードおよび高々約1次〜4次のHOMをサポートする限りは、シングルモード動作を達成すると考えられる。

0052

以下でより詳細に論じられるように、本発明のいくつかの実施形態の計算により、本発明のGPF設計は、(例えば約30%より大きく)増加したクラッド吸収率を有することが示される。このようなGPF設計のいくつかの実施形態は、光黒化によって誘起される光損失がより小さいことも計算によって示される。

0053

実例として、GPF 10はシリカで製作され、コア領域10.1は、利得をもたらす種として、Ybでドープされ、かつ、例えばGe、AlおよびPも共にドープされている。トレンチ領域10.2は、例えばFなどの屈折率を低下させる種、またはトレンチ領域の屈折率をコア領域の屈折率より低下させる任意のドーパントもしくはドーパントの組合せでドープされる。内側クラッド領域10.3は非ドープでよく、外側クラッド領域10.4は、典型的には、低屈折率ポリマーダウンドープされたシリカ、または参照によって本明細書に組み込まれているDiGiovanniおよびWindelerの米国特許第5,907,652号(1999年)で説明されているタイプのエア・クラッド構造から成る群から選択される。

0054

外側クラッド領域10.4は、実例として少なくとも0.22のNAを有する。

0055

あるいは、内側クラッド領域は、AlまたはGeなどの屈折率を上昇させるドーパントでドープされてよく、この場合、コア領域10.1およびトレンチ領域10.2の屈折率は、内側クラッド領域10.3に対する屈折率の差を同様に維持したまま上昇することになる。同様に、内側クラッドは、FまたはBなどの屈折率を低下させるドーパントで、他の屈折率の相応した変化を伴ってダウンドープされ得る。

0056

代替のGPF設計
図2に示された代替実施形態では、斜線部分は、利得をもたらす種が、信号光の基本モードの大部分のエネルギーが閉じ込められるコア領域10.1にのみ配置されていることを示す。ただし、このモードのすそはトレンチ領域10.2に及ぶ。しかし、トレンチ領域は利得をもたらす種を含まないので、このすそが増幅されず、それによって、GPFが組み込まれる増幅器またはレーザーの効率が低下する。(このような非効率の発現の1つは、増幅自然放出光(ASE)の生成である。)この影響を緩和するために、コア領域10.1に隣接するトレンチ領域10.2の部分(すなわち、すそが及ぶ部分)も、利得をもたらす種でドープされてよい。

0057

クラッド吸収を増加させる方法
図1および図2の光ファイバ設計の前述の説明から、本発明の別の態様は、シングルモード動作を維持したままダブルクラッドGPFのクラッド吸収を増加する方法であることが明らかであり、この方法は、(a)トレンチ領域のない相当するダブルクラッドGPFのコア径(Dcore)より大きなコア径を有するコア領域10.1を形成するステップと、(b)コア領域10.1と内側クラッド領域10.3の間にトレンチ領域10.2を形成するステップと、(c)コア領域10.1、トレンチ領域10.2、および内側クラッド領域10.3を、(i)トレンチ領域の屈折率が内側クラッド領域10.3の屈折率より低く、また、(ii)絶対値で、トレンチ領域10.2の屈折率と内側クラッド領域10.3の屈折率の間の差Δntrが、コア領域10.1の屈折率と内側クラッド領域10.3の屈折率の間の差Δncoreより小さくなるように構成するステップと、(d)信号光の基本モードが、主にコア領域10.1においてサポートされ導かれることが可能で、また、マルチモード・ポンプ光が、内側クラッド領域10.3を介して(通って)コア領域10.1に結合され得るように、コア領域10.1、トレンチ領域10.2、および内側クラッド領域10.3を構成するステップとを含む。

0058

計算されたGPF設計
提供された本発明の実施形態の実例が、図1図3に示されたタイプのダブルクラッドGPFの設計を説明する。この特定の実施形態に関する性能および設計の計算は、コア領域が、利得をもたらす種Ybでドープされ、かつGe、AlおよびPも共にドープされ、トレンチ領域10.2はFでダウンドープされ、内側クラッド領域は非ドープであると想定する。しかし、これらの計算は、外側クラッド領域が内側クラッド領域より低い屈折率を有する限り、外側クラッド領域10.4を形成するのに用いられる材料には左右されない。

0059

さまざまな材料、寸法および動作条件は、具体例としてのみ提供されるものであり、別様に明白に述べられた場合を除けば、本発明の範囲を制限するようには意図されていない。

0060

より具体的には、本発明のダブルクラッドGPF 10のこの実例の屈折率プロファイルは、図3の曲線31で示され、図3の曲線30で示される標準的なダブルクラッドGPFの屈折率プロファイルと並置されている。所与の波長(例えば1080nm)において、本発明のGPF設計が、所与のMFDに対して、トレンチ領域を含むことにより、標準的なダブルクラッドGPFと比較してコア径を増加することができる様子の一例が、次の表Iに示されている。

0061

0062

コア領域およびトレンチ領域の屈折率差異は、定義上、内側クラッド領域の屈折率に対するものである。どちらの場合も、コア領域は、全体の屈折率差異の少なくとも65%はYbによって与えられるように、Ybでドープされ、かつGe、Al、Pの酸化物およびシリコンフッ化物も共にドープされていると想定されており、例えばYb(1〜2モル%)、GeO2(<0.5モル%)、AI2O3(3.5モル%)、およびP2O5(<0.5モル%)およびSiF4(1モル%)であった。どちらの場合も、内側クラッド領域は非ドープであると想定された。本発明のGPFの場合は、トレンチ領域はFでダウンドープされていると想定された。しかし、ファイバ断面の全域で屈折率差が前述のように構成されている限り、ドーパント(Ge、Al、P、F、B)のいかなる組合せも適切であり得る。

0063

上記の標準的なGPFおよび本発明のGPFは、同一のコアNA(0.08)、(約915nmの波長において)ポンプ光の同一の材料吸収、および約1030nmの波長において同一のHOM(LP11)遮断を有していた。

0064

本発明のGPFは、標準的なDCFと比較して、多くの優れた光学的特性を有し、すなわち、いくつかの実施形態は、より低い割合の光黒化を示し(すなわち、標準的なDCFと本発明のDCFにおいてクラッド吸収が同一であれば、トレンチ領域が可能にする、より大きなDcoreによって、より低い材料吸収が可能になり、結果としてより低い光黒化がもたらされ)、他の実施形態は、増加したクラッド吸収を示す(すなわち標準的なDCFと本発明のDCFにおいて材料吸収が同一であれば、トレンチ領域が可能にする、より大きなDcoreによって、より低い光黒化ではなく、より高いクラッド吸収がもたらされる)ことが、計算によって示されている。したがって、本発明のGPF設計のいくつかの実施形態は、所与のクラッド吸収に対して、所与のαcladを達成するのに必要とされる、このような利得をもたらす種の体積濃度Ndが低下するので、いくつかの利得をもたらす種(例えばYb)で観測される光黒化のレベルを低下させることができる。光黒化の割合がより低ければ、効率および出力が向上し、クラッド・ポンピングのファイバ・レーザー(例えば図6)の場合には、このポンプ・レーザーに対して、より大きな寿命末期余裕を伴う信頼性の向上をもたらす。600nmから1100nmに及ぶ波長領域にわたって、光黒化によって誘起される光損失の詳細が図4に示されている。曲線40は、標準的なGPF(図3の曲線30で示された屈折率プロファイル)に関する光黒化で誘起された損失を示し、曲線41は、本発明のGPF(図3の曲線31によって示された屈折率プロファイル)に関して、すべての波長において、対応するより低い損失を示す。

0065

一方、クラッド吸収が増加すると、SRS閾値が増加し、出力を増加することができる。これによって設計のフットプリント(GPF長さ)も縮小され、実装が容易になる。この具体例では、クラッド吸収は、標準的なGPFの約0.88dB/mから本発明のGPFの約1.2dB/mへと、30%を上回って増加した。

0066

前述のように、本発明のGPFの特に好ましい特徴は、依然としてシングルモード動作を実現する能力を維持したまま、より大きなコア径が用いられ得ることである。表Iの具体例では、コア径は、標準的なGPFでは約11.8μmであり、本発明のGPFでは約14.0μmであって、ほぼ2.2μm増加した。クラッド・ポンピングのファイバ・レーザ(例えば図6)では、コアがより大きければクラッド吸収が(例えば36%)増加し、したがってレーザーがより短くなって(例えば36%短いダブルクラッドGPF)、実装がより簡単になることを意味する。

0067

コア・サイズがより大きければ、信号光の基本モードと利得領域(すなわち本発明のGPFについてはコア領域10.1)の間のオーバーラップも増加する。したがって、信号光へのエネルギー伝達の効率が改善される。この特徴は、曲線31の屈折率プロファイルを有する本発明のGPFの基本信号モードに関するLP01出力曲線33(図3)を、曲線30の屈折率プロファイルを有する従来のSIC GPFの基本信号モードに関するLP01出力曲線32と対比したとき、その間のオーバーラップを比較することによって示される。

0068

本発明の、イッテルビウム(Yb)でドープされたGPF(トレンチ領域を有するDCF)のさまざまな設計が、標準的なYbでドープされたGPF(トレンチ幅の列の略記N/Aで示されているトレンチ領域のないDCF)の設計と比較して、下の表IIに示されている。表IIには、1080nmの波長におけるMFDが、コア領域およびトレンチ領域のさまざまなパラメータ、すなわちコア半径(Rcore)、コア屈折率差異(Δncore)、トレンチ屈折率差異(Δntr)、および特定のコア半径に対してシングルモード動作を維持するための最小限のトレンチ幅(Wtr)の関数として示されている。特定のMFDのそれぞれの本発明のGPFについて、表IIは、もたらされるコア領域の増加の係数、およびその結果のクラッド吸収(αclad)のパーセント増加も示す。

0069

表IIに列挙された設計の内側クラッド領域および外側クラッド領域に関して、内側クラッド領域の屈折率差は、それが指定された基準であるためゼロであり、(ポンプ光を導く)外側クラッド領域の屈折率差は、少なくとも−15.5×10−3である。内側クラッド領域の厚さは少なくとも50μmであり、外側クラッド領域の厚さは少なくとも10μmである。

0070

0071

要約すると、表IIは、クラッド吸収が約26〜69%増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Ybでドープされた本発明の設計では約6〜18μm(例えば6〜16μm)のMFDを実現し得ることを示している。それに加えて、MFDが約6〜8μmであるとき、コア領域の半径は約2.9〜4.1μmであり、コア領域の屈折率差異Δncoreは約4.3×10−3〜7.8×10−3であり、トレンチ領域の屈折率差異Δntrは約−0.5×10−3から−4.0×10−3であって、トレンチ領域の最小幅は約1.5〜7.0μmである。一方、MFDが約10〜18μm(例えば10〜16μm)であるとき、コア領域の半径は約4.6〜11.0μmであり、コア領域の屈折率差異Δncoreは約0.8×10−3〜2.8×10−3であり、トレンチ領域の屈折率差異Δntrは約−0.15×10−3から−0.8×10−3であって、トレンチ領域の最小幅は約2.5〜10.0μmである。

0072

同様に、下の表IIIおよびIVは、標準的なGPF(トレンチ領域のないDCF)を、コア領域がエルビウム(Er、約1530〜1630nmでの動作用)またはツリウム(Tm、約1940〜2050nmでの動作用)のいずれかでドープされた代替の本発明の設計(トレンチ領域を有するDCF)と比較するための相当するパラメータを説明している。

0073

0074

要約すると、表IIIは、クラッド吸収が約76〜98%増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Erでドープされた本発明の設計では約9〜20μmのMFDを実現し得ることを示している。それに加えて、MFDが約9〜20μmであるとき、コア領域の半径は約4.3〜13.0μmであり、コア領域の屈折率差異Δncoreは約1.0×10−3〜4.5×10−3であり、トレンチ領域の屈折率差異Δntrは約−1.0×10−3から−6.0×10−3であって、トレンチ領域の最小幅は約2.0〜8.0μmである。

0075

Erでドープされた設計の興味深い特徴は、ΔncoreとΔntrの相対的値であり、すなわち、いくつかのErでドープされた設計では、Δntrの絶対値が、Δncoreの絶対値より大きくなり得る。より具体的には、この状態は、Rcore/MFDの比が約0.6以上の、Erでドープされたコア領域の設計のサブセットに対して有効であると判明している。

0076

ErでドープされたGPFのRcore/MFD≧約0.6を上回るもの、および下回るものの挙動に関する理論的な説明は、現在可能ではない。しかし、実際的な見地から(すなわち製造および/または利用を容易にするために)、本発明のGPFは、比較的浅いトレンチを有するのが好ましい。実際、トレンチは、一般に、熱で促進される一般的な接合動作中に急速に拡散するフッ素を付加することによって製作されるので、トレンチがより深ければ、GPFを接合するのがより困難になる。

0077

それと対照的に、表IのYbでドープされた設計のすべて、および表IIIのTmでドープされた設計のすべてにおいては、その逆が真であり、すなわち、絶対値ではΔntr<Δncoreである。

0078

0079

要約すると、表IVは、クラッド吸収が約41〜53%増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Tmでドープされた本発明の設計では約8〜20μmのMFDを実現し得ることを示している。それに加えて、MFDが約8〜20μmであるとき、コア領域の半径は約3.5〜11.0μmであり、コア領域の屈折率差異Δncoreは約2.35×10−3〜16.0×10−3であり、トレンチ領域の屈折率差異Δntrは約−1.0×10−3から−7.0×10−3であって、トレンチ領域の最小幅は約3.0〜6.0μmである。

0080

前述の機構は、本発明の原理の適用を表すために考案することができる多くの可能な特定の実施形態の単なる実例であることを理解されたい。これらの原理によれば、当業者によって、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多数のさまざまな他の機構が考案され得る。具体的には、本発明のGPFの屈曲感度はトレンチ領域が存在することによって低下し、ファイバが例えば増幅器またはレーザーのパッケージの中で巻かれたとき、屈曲で誘起される影響が緩和される。

0081

適用例:高出力のファイバ増幅器およびレーザー
本発明の適用例の1つが図5に示されており、高出力の光ファイバ増幅器230は、任意選択ピッグテイル・ファイバ235pに光学的に結合されたGPF 235aを備える。GPF 235aは結合器233に光学的に結合されており、ピッグテイル・ファイバ235pは利用デバイス234に光学的に結合されている。GPF 235aは本発明によって設計されており、典型的には増幅器パッケージの内部でピッグテイル235pとともに巻かれている。一般的な市販の増幅器パッケージでは、巻かれたGPFファイバ235aおよびピッグテイル235pは、周知のプレートまたはマンドレル(図示せず)上に取り付けられる。

0082

比較的高出力の適用例では、結合器233は、ポンプ結合器として知られており、光入力信号ソース231および光ポンプ・ソース236の出力をGPF 235aに結合する。ポンプ結合器233は、周知のバル光学構成要素によって形成されてよく、または、前述のように、DiGiovanniおよびStentzによって米国特許第5,864,644号(1999年)で説明されたタイプのテーパ形ファイバ・バンドルによって形成されてよく、またはGrudininらによって米国特許第6,826,335号(2004年)で説明されたタイプのエバネセントカプラによって、または他の既知の方法によって形成されてもよく、これらの特許は、どちらも参照によって本明細書に組み込まれる。入力信号源231が第1の波長の光入力信号を生成し、これが、通常のファイバ232またはバルク光学構成要素(図示せず)を介して結合器233の入力に結合され、一方ポンプ・ソース236が第2の波長の光ポンプ信号を生成し、これが、典型的にはマルチモードの、通常のファイバ237によって結合器233の別の入力に結合される。(結合器233は、図1図3とともに前述されたように、最終的には、信号光をGPF 235aのコア領域に結合し、マルチモード・ポンプ光をGPF 235aの内側クラッド領域に結合する。)

0083

当技術分野で周知のように、ポンプ信号はGPF 235aの中に反転分布を生成し、これによって入力ソース231からの入力信号が増幅される。増幅された入力信号は、GPF 235aに沿って(存在する場合にはピッグテイル235pを通って)利用デバイス234に伝搬する。高出力用途では、利用デバイス234としては、例えば、別の光増幅器、ビーム・コリメータレンズ・システム、切断または溶接の作業が遂行されるべき被加工物といった多種多様な周知のデバイスまたは装置を含んでよい。

0084

実例として、入力ソース231は、GPF 235aの増幅範囲の波長で比較的低パワーの光入力信号を生成するレーザーであり、ポンプ・ソース236は、好ましくは半導体レーザーであるが、任意選択で半導体発光ダイオード(LED)の配列でもあり得る。いずれの場合も、ポンプ・ソース236は、入力信号の所望の増幅をもたらすより短い波長では、比較的高い光パワーの(例えば約150mW超、さらには100W超の)ポンプ信号を生成する。好ましい実施形態では、GPF 235aがイッテルビウムでドープされていると、信号ソース231は約1080nmの波長を有する入力信号を生成し、ポンプ・ソース236は、約915nmの波長で、またはその代わりに約975nmの波長で、ポンプ信号を生成する。

0085

図5の増幅器230は、一般的な共伝搬するポンプ構成(すなわち、ポンプ信号と入力信号が、GPFを通って同じ方向に伝搬する)を示しているが、逆伝搬する構成(すなわち、ポンプ信号と入力信号が、GPFを通って逆方向に伝搬する)を用いることも可能である。それに加えて、多様な増幅器が、当技術分野で周知の高出力多段システムの利得の全体を増加させるための方式であるタンデムに構成されてもよい。ポンプ・エネルギーは、あるいは増幅器に横断的に結合されてもよい。

0086

増幅装置がレーザーとして動作するように構成されていれば、信号ソース231が省略され、上記で説明された信号光は、レーザーによって内部で生成された刺激発光に等しいことになる。

0087

図6には、このようなレーザー200の概略の実施形態が示されている。レーザー200は、高出力215を供給するように設計されている。この基本設計は、DiGiovanniによって米国特許第5,937,134号(1999年)で説明されたものに従っており、この特許も参照によって本明細書に組み込まれる。しかし、図1図3を参照しながら上記で論じたように、この場合、レーザー200の能動媒質は、本発明による設計の、巻かれた、シングルモードの、ダブルクラッドGPFファイバ211を備える。

0088

相当の長さを示すために、位置213で、巻かれたGPF 211の一部分が切り取られて示されている。このようなレーザー構造のファイバの長さは、典型的には1メートルから数十メートル程度である。コイルの直径が実例として約15cmであるので、ファイバ211は多くの巻数を示す。(図5の巻かれた増幅器GPF 235aにも類似の注釈が当てはまり、このような増幅器と同様に、レーザー200の巻かれたGPF 211は、典型的には周知のプレートまたはマンドレル(図示せず)に巻きつけられる。)

0089

レーザーの能動媒質が配置されるのは、GPF 211の端部217、219に(またはその近傍に)、実例としてそれぞれ配置されているブラッググレーティング212および213で形成された空胴共振器の内部である。これらのグレーティングまたは反射器は、典型的にはGPF 211のコア領域において光で誘起される屈折率の変化によって形成される。

0090

能動媒質は、光ポンプ・ソース214によって端面励起され、これによってポンプ光が生成されて、このポンプ光はGPF 211の1つの端部217で内側クラッド領域(図示せず)に結合される。ソース214は、端部217から分離して示されているが、一般的には、端部217が適切なカプラ(図示せず)を介してソース214に取り付けられることが当業者には明らかであろう。ソース214からのポンプ光が、GPF 211のコア領域において(すなわち、そこにある利得をもたらす種によって)吸収され、反転分布をもたらしてレーザー光出力215を生成し、これがGPF 211の反対の端部219から出て来る。

0091

典型的には、ポンプ・ソース214は、半導体レーザー・ダイオード(またはこのようなダイオードの配列)を備える。実例として、レーザー・ダイオードの活性領域は、約980nmの波長でポンプ光を生成するAlGaAs、または1000〜1600nmの範囲のより長い波長でポンプ光を生成するためのInGaAsまたはInGaAsPを含む。あるいは、ポンプ・ソース214は、例えばTサファイア、Ndガラスといった他のタイプの固体レーザーを備えてよく、またはファイバ・レーザーであり得る。

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