JP2006295195A - 高出力短パルス伝送用光ファイバシステム - Google Patents

Abstract

【課題】非線形性による歪を最小にしながら高出力の極めて短いパルスを伝送する光ファイバシステムを提供する。
【解決手段】本発明は、非線形性による歪が最小で超短パルスを伝送する光ファイバシステムであり、数次モードファイバの高次モード（ＨＯＭ）で光パルスを伝送する。ファイバをＨＯＭの分散が非常に大きいように設計することで伝送ファイバの分散長Ｌ_Ｄを極めて小さく、好ましくは非線形長Ｌ_ＮＬよりも小さくする。これにより、光パルスが受ける、非線形に起因する障害が最小となり、短パルス／高いピークパワーレベルを伝送ファイバの出力部で再生できるシステムが設計可能となる。
【選択図】図９

Description

本発明は、非常に短い高出力の光パルスを発生させる光ファイバシステムに関する。

（以下の節の一部は必ずしも従来技術ではない）
高いパルスエネルギー、良好なビーム品質、および優れた光特性を持つ光パルスを発生させる光ファイバレーザが利用可能である。これらの光パルスレーザの用途がいくつかあり、物質中の超高速電子処理を研究するための時間分解形の近接場走査型光学顕微鏡（Ｎear-field Ｓcanning Ｏptical Ｍicroscopy：ＮＳＯＭ）によるポンププローブ実験（S. Smith、N.C.R. Holme、 B. Orr、 R. Kopelman and T.B.Norris、 "Ultrafast measurement in GaAs thin films using NSOM," Ultramicroscopy、vol. 71, pp. 213-223, 1998を参照）から、色素の２フォトン蛍光発光（A. Lago, A.T. Obeidat, A.E. Kaplan, J.B. Khurgin, P.L. Shkilnikov and M.D. Stern, "Two-photon-induced fluorescence of biological markers based on optical fiber," Optics Letters, vol. 20, pp. 2054-2056, 1995を参照）、生体組織中の生体作用の研究（G. Alexandrakis, E.B. Brown, R. T. Tong, T.D. McKee, R.B. Campbell, Y. Boucher, and R.K. Jain, "Two-photon fluorescence correlation microscopy reveals the two-photon natures of transport in tumors," Nature Medicine, vol. 10, pp. 203-207, 2004を参照）にまで及んでいる。最後の応用は伝送ファイバを内視鏡として使う非浸潤性のがん検出構想の可能性に対して潜在的効果を有している（E.B. Brown, Y. Boucher, S. Nasser, R.K. Jain, "Measurement of macromolecular diffusion coefficients in human tumors," Microvascular Research, vol. 67, pp. 231-236, 2004を参照）。

生体組織の研究の場合、ｆｓ（フェムト秒）パルスは２フォトン処理（2-photon process）を介して蛍光を励起するポンプビームとして機能する。多光子処理（multi-photon process）はその性質から効率が悪いので、高いピーク出力を必要とする。しかし、平均出力を高くすることは組織損傷の原因となるので、発生源の平均出力を上げることによってこれを達成することはできない。したがって、通常そのような用途には、パルスエネルギーが１ｎJ程度で平均出力が約１００ｍＷあるいはそれ以下に保持された、持続時間が約１００ｆｓのパルスを必要とする。そのような仕組みに一般的に使われるレーザ発生源は、約８０ＭＨｚの繰返し周期で非常に高いピーク出力を出せるモードロックＴｉ：サファイアレーザである。

伝送ファイバは、好ましくは（通常）長さ１〜２ｍのファイバを通して高出力、短パルスを伝播し、レーザ出力と特性が近い出力をもたらす。しかし、伝送ファイバの出力に影響する２つの物理的制約がある。導波路分散と同様、物質に起因して、ファイバの分散が、ファイバ入力時の１００ｆｓのパルスをファイバからの出力時に１０〜２０ｐｓの長いパルスへ変化させるパルスの広がりにつながる。さらに、ピークパワーレベルが非常に高いので、自己位相変調（Ｓelf Ｐhase Ｍodulation：ＳＰＭ）による非線形の位相のずれがパルスのスペクトル幅の狭小化、さらにパルスの広がりにつながる。分散効果は線形であり、したがってＴｉ：サファイア出力とファイバ入力との間でバルクの線形チャープ要素によって補償されてもよい。線形チャープ要素はパルスの伸張、圧縮に使われるバルクグレーティング、あるいはプリズム対であってもよい。そのような要素は任意の量の正または負の分散を与えることが出来る。この用途のために、それらは、特定の長さのファイバ内視鏡／伝送媒体の分散と大きさが等しく、符号が反対の分散を与えるように調整されてもよい。

したがって、分散問題がある程度まで効果的に処理されるとしても、非線形ＳＰＭ効果は元に戻すことが出来ない。それゆえに、多くのファイバ伝送方式は、ＳＰＭ効果を打ち消すために、特別のファイバあるいは複雑なパルスの位相工学技術を対象とする。

高性能システムの場合、伝送ファイバは低損失のシングルモードファイでもなければならない。マルチモードでの伝播は、ファイバからの出力の焦点をしっかり合わせる能力が低下する。しっかりと焦点が合った出力は狭い領域に高いピークパワーのパルスを集中させることが出来、顕微鏡で高解像を可能にするのと同じように、効果的な２フォトン蛍光を可能にする。また、マルチモードでの伝播は、モード分散に起因してパルス幅も広がり、ピークパワーが低下して、非線形測定技術の効率が低下する。

全長が短いとしても多重曲げを受ける可能性のある内視鏡などの用途においては、曲げ損失が低いことが望ましい。接続損失は、ファイバ出力のコリメータ要素（collimating element）を連結することを含む。この要素は出力を非常に小さな点に焦点を合わせる。コリメータ要素としては、ファイバＧＲＩＮレンズ、あるいはモード変換器のような薄膜ベースの光学回折要素、あるいはその他のビーム整形要素がある。一般に、そのような微小なビーム整形要素はエポキシでファイバ片に接着されるが、非常に高いピークパワーがファイバから射出されることを考慮すると、長周期グレーティング、あるいはＧＲＩＮレンズのようなモード変換要素が使われることが望ましい。なぜなら、それらはファイバベースで作られており、ファイバの出力端に容易に融着接続が出来、低損失で高出力を扱えるからである。

伝送ファイバの基準となる候補は、運用時の所望の波長においてシングルモードである（ドープされたコアと石英クラッドの）標準ファイバである。通常、所望の運用波長は〜８００ｎｍ（Ｔｉ：サファイアレーザの場合）で、この波長における標準シングルモードファイバ（ＳＭＦ）の有効断面積（Ａ_ｅｆｆ）は＜２５μｍ^２である。このファイバは前述の基準をすべて満たしているが、パルスエネルギーが０．１ｎＪより大きい場合ではＳＰＭがパルスをひどく変形させる。パルス幅が急速に２５０ｆｓ以上に広がる（望ましいパルス幅は２００ｆｓより狭い）。

ＳＰＭ問題に対するさまざまな解決方法がこれまでに提案されている。これらの中にはマルチモードファイバを使っているものがあるが、大きなＡ_ｅｆｆ中での信号伝播を可能にするために強制的に基底モードで信号伝播をさせ、ＳＰＭを減少させている。F. Helmchen, D.W. Tank and W. Denk, "Enhanced two-photon excitation through optical fiber by single-mode propagation in a large core," Applied Optics, vol. 41, pp. 2930-2934, 2002を参照のこと。しかし、この方法で得られるパルス幅は、特に２フォトン用途にはまだ好ましくない程度に大きい。

前記解決方法のうちの他のものはコアが大きい、マルチモードの微細構造ファイバを使うものである。D. Ouzounov, K. Moll, M. Foster, W. Zipfel, W.W. Webb and A.L. Gaeta, "Delivery of nanojoule femtosecond pulses through large-core microstructured fibers," Optics Letters, vol. 27, pp. 1513-1515, 2002を参照のこと。微細構造ファイバは、ガラスファイバ中を走る空気孔の光結晶によって導かれ、これがモード結合問題を軽減している。しかし、微細構造ファイバ中で基底モードにだけ効果的に結合するとすることは問題であることは明らかであり、かなりのパワーが高次のモードに失われる。これはシステムに好ましくないモード雑音を生じさせる。さらに、微細構造ファイバは標準のドープファイバと比較して幾何学的な制御性（geometric control）が劣り、更なる雑音源となる大きな偏波モード分散（ＰＭＤ）を生じさせる楕円形状になりやすい難点がある。

他の選択肢は、信号が中央部の空気コア中を伝播する光バンドギャップファイバの利用である。この場合、多くの信号エネルギーは空気中に存在するので、ＳＰＭに起因するパルス幅の広がりは無視できる程度である。しかし、光バンドギャップファイバはドープファイバに比較して製造が難しく、したがって費用効率が高い解決方法ではない。幾何学的な規則性の問題が極端に悪化し、高いＰＭＤとそれに伴う問題が生じる可能性につながる。また、接続が光バンドギャップ効果を消滅させて大きな損失を生じるために、モード整形要素をファイバ出力に接続することが出来ないことにも苦しむ。

他の提案は、標準ファイバでの非線形広がりと戦うために効果的なパルス整形方式を使うことである。パルスは一時的にチャープ（chirp）され、伝送ファイバに導かれる前にスペクトル的に狭められる。この方法は短いパルスを生じるが、パワーレベルが低くなり、２フォトン用途には好ましくない。
米国特許第６，７６８，８３５号 S. Smith、N.C.R. Holme、 B. Orr、 R. Kopelman and T.B.Norris、 "Ultrafast measurement in GaAs thin films using NSOM" (Ultramicroscopy、vol. 71, pp. 213-223, 1998) A. Lago, A.T. Obeidat, A.E. Kaplan, J.B. Khurgin, P.L. Shkilnikov and M.D. Stern, "Two-photon-induced fluorescence of biological markers based on optical fiber" (Optics Letters, vol. 20, pp. 2054-2056, 1995) G. Alexandrakis, E.B. Brown, R. T. Tong, T.D. McKee, R.B. Campbell, Y. Boucher, and R.K. Jain, "Two-photon fluorescence correlation microscopy reveals the two-photon natures of transport in tumors" (Nature Medicine, vol. 10, pp. 203-207, 2004) E.B. Brown, Y. Boucher, S. Nasser, R.K. Jain, "Measurement of macromolecular diffusion coefficients in human tumors" (Microvascular Research, vol. 67, pp. 231-236, 2004) F. Helmchen, D.W. Tank and W. Denk, "Enhanced two-photon excitation through optical fiber by single-mode propagation in a large core" (Applied Optics, vol. 41, pp. 2930-2934, 2002) D. Ouzounov, K. Moll, M. Foster, W. Zipfel, W.W. Webb and A.L. Gaeta, "Delivery of nanojoule femtosecond pulses through large-core microstructured fibers" (Optics Letters, vol. 27, pp. 1513-1515, 2002) S. Ramachandran, M. Yan, E. Monberg, F. Dimarcello, P. Wisk and S. Ghalmi, "Record bandwidth microbend gratings for spectrally flat variable optical attenuators," (IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 15, pp. 1561-1563, 2003)

低い伝送および曲げ損失、ＧＲＩＮと他のレンズとの接続、および高い生産性と制御性などの標準ファイバの利点を維持しながら、非線形ＳＰＭによる有害な影響を最小限にできる新規の試みは、技術に極めて大きな利点をもたらすであろう。

前記課題を解決するべく、本発明者らは、非線形性による歪を最小にしながら高出力の極めて短いパルスを伝送する光ファイバシステムを発明した。即ち、本発明のシステムは、２、３のモードを伝播するファイバのＨＯＭ（Higher Order Mode：高次モード）における光パルスの伝送に基づく。本発明のファイバは、ＨＯＭに対する分散が非常に大きくなるようにデザインされている。このことが、伝送ファイバの分散長Ｌ_Ｄが極めて短い、好ましくは非線形長Ｌ_ＮＬよりも短い、という結果となる。

短パルスの伝播に使われるファイバの分散および非線形の効果の相対的な大きさは、式（１）で与えられる２つの特性長さである分散長Ｌ_Ｄ、および非線形長Ｌ_ＮＬによって簡潔に記述される。

ここで、τは歪んでいないパルス幅、β_２はファイバ導波路の分散、ｃは光の速さ、ωはパルスの中心周波数、ｎ_２はファイバ材料の非線形応答、Ｐ_ｐｅａｋはファイバ中のパルスのピークパワー、Ａ_ｅｆｆは有効断面積、λはパルスの中心波長である。これらの特性長さは、対応する欠陥によって極端に歪む前にパルスが伝播できる最大の距離を表す。分散は容易に補償できるが、ＳＰＭはできないので、Ｌ_ＮＬに比較してＬ_Ｄは可能な限り小さくなるようにファイバを設計することが望ましい。この場合、高度にチャープ（chirp）されたパルスがファイバ中に出射され、ファイバ中を伝播するにしたがって圧縮され、ファイバの出力端の近くでのみ最短の持続時間と最も高いピークパワー（したがってＳＰＭの影響がかなり大きくなる）に達する。別の言葉でいえば、以下の（２）式の条件

に対して、顕著な非線形パルス歪みを起こすだけの高いピークパワーで十分に長い距離をパルスが伝播しないので、高いエネルギーパルス伝播を容易にする。

標準ＳＭＦにおける１ｎＪエネルギーでの８００ｎｍ、１００ｆｓの場合、特性長さの代表値はＬ_Ｄ〜９ｃｍ、Ｌ_ＮＬ〜１．３ｃｍ（ＳＭＦの対応する分散は−１００ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ）である。このように、Ｌ_Ｄ＞＞Ｌ_ＮＬで、非線形効果が支配的となり、０．１ｎＪより低いパルスエネルギーに対してのみ歪みのないパルスを生じる（つまり、０．１ｎＪより低いパルスエネルギーに対してのみＬ_Ｄ／Ｌ_ＮＬ比が本質的に１よりも小さくなるということである）。この問題に対処するために効果的な現在のファイバ設計は、先に述べたように、信号伝播のためにＡ_ｅｆｆを大きくすることで条件（２）を満足することに集約される。これは、Ｌ_ＮＬをＬ_Ｄ（公称一定で、ＳＭＦに等しい値に保持される）よりも極端に大きくすることである。

ここに提案する新しいクラスの光ファイバ設計は、条件（２）を満足する革新的な方法を生成する。Ａ_ｅｆｆ（したがってＬ_ＮＬ）を増加させるかわりに、あるひとつの特定のＨＯＭに対して非常に高い負の分散を生じるように特別に設計されたファイバの高次モード（ＨＯＭ）で信号が伝播される。したがって、条件（２）はＬ_ＮＬを公称一定でＳＭＦのＬ_ＮＬに等しい値に保持することにより満足されるが、Ｌ_ＤはファイバのＨＯＭにより与えられる（負の）分散の大きさが増すことによって極端に短くなる。

特別に設計された数次モードファイバのＨＯＭは、この用途に特に適している。なぜならば、ＨＯＭは非常に高い分散値を示すが、大きなＡ_ｅｆｆ、および伝送と曲げに対して非常に低い損失を保持しているからである。ファイバのＬＰ_１１モードは１５５０ｎｍの運用波長において−７００ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの大きさの分散を持つことが実証されている。また、１５５０ｎｍの運用波長においてＬＰ_０２モードは−２１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの分散とわずか０．４５ｄＢ／ｋｍの損失であり、４６６ｐｓ／ｎｍ−ｄＢという非常に高い性能指数（ＦＯＭ＝分散／損失）を生じる。これらのファイバの大きな分散とＡ_ｅｆｆは、シングルモード分散補償ファイバを使う通信システムと比較して非線形歪みを軽減するので、通信用パルスに対して５０％程度まで長い伝送距離を可能にする。

本発明で使用する光ファイバは低いＬ_Ｄ／Ｌ_ＮＬ比を有しており、それは、前述のように、ｆｓレーザパルス伝送システムの高出力パルス伝播を可能にする。好ましい実施例において、この比は１よりも小さく、好ましくは０．５よりも小さい。ここに述べる具体的な光ファイバはパルス伝播のためにファイバのＬＰ_０２を利用するが、任意のＨＯＭに対して類似の設計を行うことが可能である。そのような設計はどのような運用波長に対しても適用可能であるが、以下に記載の例示的な設計は主に８００ｎｍ波長範囲で運用されるＴｉ：サファイアレーザパルスのファイバ伝送のために最適化されている。それは本発明のデバイスが好ましく機能する波長範囲は７００−９００であることを示唆している。しかし、他の波長形態でも有用であることがわかっている。対照として、本発明を例示するための具体的光ファイバ設計がＳＭＦと比較でき、それはＬ_Ｄ／Ｌ_ＮＬ比が〜６．９２であり、０．１ｎＪまでのパルスエネルギーで歪みのないパルスを生成する（ファイバで達成可能な最大の歪みのないパルスエネルギーは、おおまかにはＬ_Ｄ／Ｌ_ＮＬ比（−Ｌ_ＮＬの値は、無歪みの幅と同様、パルスエネルギーに依存する−）に比例し、これは、ここに例示されるすべての場合について１００ｆｓ幅の１ｎＪパルスに対して計算されている）。いくつかの好ましい実施例において、目的は１よりも小さいＬ_Ｄ／Ｌ_ＮＬ比を達成することである。これらの特別に設計されたＨＯＭをサポートする数次モードファイバは、２つの点で標準のマルチモードファイバと区別できる。第一に、多くのモードで導波路分散が無視でき、すべてのモードの分散が石英ガラスの材料分散と類似しているマルチモードファイバと違って、それらはある特定の所望のＨＯＭに対して大きく分散的であるように意図して設計されている。第二に、曲げが加わったときのモード間の結合を避けるために、所望のＨＯＭ伝播の伝播定数が他のモードから十分に分離されるように設計されている。

図１は、低いＬ_Ｄ／Ｌ_ＮＬ比のＬＰ_０２モードで伝わる１００ｆｓ、１ｎＪパルスを生成するように作られたファイバの実験的に測定された屈折率プロファイルを示す。図２は、このファイバで測定された分散を示す。図３は、ＬＰ_０２モードのＡ_ｅｆｆを示す。図２、および図３から明らかなように、このファイバのＬＰ_０２モードはＳＭＦと比較して約８倍大きい負の分散（分散長Ｌ_Ｄが１／８に減少することに相当する）を有している。同時に、Ａ_ｅｆｆは８４０ｎｍにおいて約２５μｍ^２で、それはＳＭＦに類似（ＳＭＦ Ａ_ｅｆｆ〜２０μｍ^２）している。モード結合と曲げ損失はＡ_ｅｆｆの二乗で増加するので、Ａ_ｅｆｆをＳＭＦと同等に保持することは在来型の大きなＡ_ｅｆｆ設計に対する顕著な利点である。曲げ損失、あるいはモード結合の大きい伝送ファイバは、例えば、操作中にファイバが本質的に曲がることが予想される内視鏡用途など、多くの場合おいて適していない。約８００ｎｍで使われる伝送ファイバの損失を低減するために、Ａ_ｅｆｆは５０μｍ^２以下に保持されてもよい。

図１に例示される新規のＨＯＭファイバの特性がわかると、１００ｆｓ、１ｎＪパルスのＬ_Ｄ／Ｌ_ＮＬ比が〜０．６９であり、これはＳＭＦと比較して取り出し可能な歪みのないパルスエネルギーの大きさの増加量の水準に至っていると見積もることが出来る。このため、これらのファイバは１ｎＪまでのエネルギーの短い（１００ｆｓ）パルス伝送をサポートすることができる。

この設計範囲の柔軟性が、図４に例示された屈折率プロファイルを持つ理論的に設計されたファイバによってさらに例示される。図５、および図６は、それぞれこのファイバの８００ｎｍにおけるＬＰ_０２モードに対する分散、およびＡ_ｅｆｆを示す。明らかなように、−２３００ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの大きさの分散値が同様のＡ_ｅｆｆ（〜２１μｍ^２）で容易に得られる。結果としてこのファイバのＬ_Ｄ／Ｌ_ＮＬ比は０．２９（ＳＭＦよりも２４倍小さい）であり、エネルギーが２．４ｎＪの大きさで歪みのない１００ｆｓパルスを生成する。この値は、生体組織の生体内がん検出のための２フォトン蛍光画像化などいくつかの用途に求められる代表的なパルスエネルギーを簡単に上回る。

ＨＯＭは、大きな分散量に加えて、所望の分散プロファイルを達成するためのより高度の設計自由度をももたらす。図２および図５の分散プロファイルは、高い分散量に加えて高い負の分散スロープを持っていることに留意されたい。大きなＡ_ｅｆｆを持つ微細構造のファイバ、および以前この用途に使われた従来型のＳＭＦを含むすべてのファイバは、類似の高い分散スロープ値を持っている。このことは、光がファイバに入射する前に使われるもっとも一般的に適用されるバルクの光ベースパルスチャーピング（chirping）要素がパルスに対して無視できる程度の分散スロープを与えるために、問題を引き起こす。結果として、ＳＰＭの非線形性がないとしても、バルクの光パルス伸張器とファイバの間の分散スロープの不整合から生じる補償されない分散に起因して、ファイバ出力の再圧縮されたパルスが元のレーザパルスと比較してしばしば広がりを持つ。ＨＯＭの分散制御の柔軟性は、任意の所望の分散スロープの達成を可能にする。図７は、それぞれＬＰ_０２モードの高い負の分散を生じるファイバＡ、Ｂ、およびＣに対応する３つの異なる屈折率プロファイルを示す。これら３つのファイバに対する分散カーブが図８に示される。７９５ｎｍ〜８０５ｎｍの波長範囲（影をつけた領域は運用の波長帯）で、ファイバＡのプロファイルは標準のＳＭＦ、あるいは大面積微細構造ファイバのように負の分散スロープを生成するが、ファイバＢ、およびＣのプロファイルはそれぞれゼロ、および正の分散スロープ値を生成する。このことは、任意の種類のバルク光パルス伸張器の設計とも整合する効果的な分散を可能にする。

ここに例示する独創的なファイバ設計は、高出力ファイバ伝送システムで使われる。図９は典型的なデバイスの模式図を示す。そのファイバ装置は、バルク光パルス伸張器（pulse stretcher）のついた短パルスレーザを含むアセンブリによって先導されている（パルス伸張器は一対のバルクグレーティングとして例示されているが、同等の機能は一対のプリズム、あるいは光バンドギャップファイバのような特製の分散要素によっても達成できる。）。そして、名目上ガウス空間プロファイルを持つ入射ビームをファイバのＨＯＭプロファイルと整合するように変換するモードコンバータを経由して、信号がＨＯＭファイバに入射する。バルク回折光要素は、９９％以上の変換効率で広帯域モード変換を達成するために使用できる。好ましい構成図は、米国特許第６，７６８，８３５号で開示されるように、いわゆる転回点（Ｔurn-Ａround-Ｐoint:ＴＡＰ）で機能するファイバ中の長周期グレーティングを使用する。前述の特許は、光ファイバのＴＡＰに関してより詳細を参照するために、ここに取り上げられる。それは、ここに開示される分散ＨＯＭファイバに類似のファイバ中に形成されるモード変換器について記述している。これらのモード変換器は、０．２ｄＢ以下の損失で９９．９９７％に達するモード変換効率を達成するように作られる。

多くの用途において、ファイバ出力のハイパワーパルスは大きな２フォトン蛍光（２-Photon fluorescence）を得るために小さなスポット径部分に焦点を合わせられる。前述のように、ＨＯＭファイバをマルチモードファイバと混同すべきではない。信号は明確な単一モードでファイバから出射する。したがって、それは任意の所望のスポットサイズを得るために、従来のガウスビームと同一の方法によりレンズで焦点を合わせることができる。図１０−１３はこれを図示したもので、ＨＯＭファイバのＬＰ_０２モードのモード画像を示し、それは似ているが、ファイバの後に設けられるコリメート装置（collimating device）を通った後、空間的に縮小されたモードパターンである。図１０は標準のバルク光レンズの使用を示し、他方、図１１はファイバベースのＧＲＩＮレンズの使用を示している。逆に、図１２において、もしガウス出力が所望であれば、前述のものと類似のＴＡＰグレーティングが使われてもよい。図１３で、コリメート要素は複雑な空間パターンをガウスパターンに変換できる種々のビーム整形要素の任意のひとつを一般的に示している。

図９に記された入射、および状況に応じて出射する信号をモード間で変換するモード変換器は長周期グレーティングであるが、モード変換器は任意の適当な設計でよい。モード変換機能性は、ファイバ内グレーティングモード変換器を用いて伝送ファイバ内で達成されてもよい。逆に、ホログラフィ自由空間モード変換器、あるいはテーパー化された中空コアファイバが使われてもよい。

前述のように、異なる形式のモード変換器が本発明で使われてよいが、モード変換装置の機能性を得るために好ましい方式は広帯域の長周期ファイバグレーティング（ＬＰＧ）である。低コスト、低損失のモード変換装置を可能にするために、ＬＰＧはＨＯＭファイバそのものの内部に形成されてもよい。５００ｎｍの大きさの波長範囲をカバーする広帯域モード変換器が知られている。より詳細は、S. Ramachandran, M. Yan, E. Monberg, F. Dimarcello, P. Wisk and S. Ghalmi, "Record bandwidth microbend gratings for spectrally flat variable optical attenuators," IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 15, pp. 1561-1563, 2003、およびS. Ramachandranの米国特許第6,768,835号を参照のこと。この両方を、参照のためにここに取り上げる。

本発明の短パルス装置の出力は、標準的なコリメート装置を用いて自由空間に伝播されるとして示され、あるいは推測されるが、他の形態の媒体と結合されてもよい。

図７のようなプロファイルを持つ光ファイバを作る方法はよく知られており、また十分に発達している。コア領域は一般に、屈折率が最大の位置で１０ｗｔ％以下で、かつ所望のプロファイル形状を与えるために半径方向に濃度勾配をつけてゲルマニウムをドープされた石英からなっている。中心コアは、一般に２０ミクロンより小さい半径を有している。内側のクラッド領域はドープされない、あるいはわずかにドープされてもよい。

前述のように、ＨＯＭをサポートするよう特別に設計された光ファイバは、光ファイバ中を伝播する光のエネルギーのかなりの部分（一般的には主要な部分）は基底モードＬＰ_０１よりも高いモードにある。好ましいＨＯＭはＬＰ_０２からＬＰ_０、_１０まで、およびＬＰ_１１からＬＰ_１、_１０までである。

ここに述べたシステムにおいて、パルスをチャープするために使われる要素はパルス伸張器といわれるもので、当業者にはよく知られた用語である。これらの要素の他の記述については、参考としてここに取り上げる以下を参照のこと。
http://www-phys.llnl.gov/Organization/VDivision/Research/USP/USPFacilityVirtualTour/cpa.html
パルス伸張器の好ましい選択はバルク光学系で機能するもの、つまり光パルスが伸張要素を通って伝播するものである。高品質なグレーティングおよびプリズムが、この範疇に属する。

前述の装置の操作は、ＨＯＭファイバにおいてかなり高い分散を有することに一部依存する。実際の分散値は変動するが、一般的な分散値は−１５０ｐｓ／ｎｍ-ｋｍより小さい（つまり、よりマイナス）。伝送ファイバの長さは、一部は分散値によって決定される。品質的な意味では、その長さは、ＨＯＭファイバの分散が、ＨＯＭファイバの入力に現れるパルス伸張器による公称分散を光パルスが著しい非線形歪を受ける前に補償するものである。その長さは一般に１〜２０ｍである。通常、この比較的短い長さがこのファイバと通信用ファイバとを区別していることは明らかである。

理論的には、ここに述べられた装置は広い帯域のパルス周波数、およびパルス幅で機能するが、本発明は好ましくは、パルスがフェムト秒（つまり、１ピコ秒よりも短い）かあるいはそれより短い装置を指向している。好ましい実施例において、パルスは２００フェムト秒よりも短い。

本発明の様々な他の変形が、当業者によって為されるであろう。本発明の原理や同等物に基本的に依拠して発展させられた本明細書の明確な教授からの全ての変形事例は、記載され権利範囲を主張された本発明の範囲にあると見做されるものである。

特別に設計された数次モード／ＨＯＭ光ファイバの屈折率を示す図である。 図１の光ファイバ中でのＬＰ_０２モード伝播の分散を示す図である。 図１の光ファイバの有効断面積（Ａ_ｅｆｆ）を示す図である。 他の数次モード／ＨＯＭ光ファイバの屈折率を示す図である。 図４の光ファイバのＬＰ_０２分散を示す図である。 図４の光ファイバのＡ_ｅｆｆを示す図である。 本発明における使用に適する３種類の異なる光ファイバＡ、Ｂ、およびＣの屈折率を示す図である。 図７の光ファイバＡ、Ｂ、およびＣのＨＯＭ ＬＰ_０２の分散を示す図である。 本発明の一実施例による短パルス伝送システムの模式図である。 光コリメート要素を示す図９のシステムの模式図である。 光コリメート要素を示す図９のシステムの模式図である。 光コリメート要素を示す図９のシステムの模式図である。 光コリメート要素を示す図９のシステムの模式図である。

Claims (20)

1. （ａ）パルス幅がＷである光パルスが発生する工程と、
   （ｂ）パルス伸張器を介して前記光パルスが伝播する工程と、
   （ｃ）前記光パルスの伝播モードを高次モード（ＨＯＭ）へ変換する工程と、
   （ｄ）長さＬの光ファイバに沿って前記光パルスを出力に伝播する工程とを含み、前記長さＬは前記出力部におけるパルス幅Ｗ_ｏがＷに略等しくなるように選択されることを特徴とする方法。
2. 前記長さＬが２０メートルよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記光パルスが２００フェムト秒よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. （ａ）光パルスの発生源と、
   （ｂ）前記光パルスの発生源に結合されたパルス伸張器と、
   （ｃ）前記パルス伸張器に結合されたモード変換器と、
   （ｄ）ＨＯＭをサポートする、前記モード変換器に結合された光ファイバとを含むことを特徴とする光デバイス。
5. 前記光パルスは７００乃至９００ｎｍの範囲の波長を有することを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
6. 前記光ファイバは、−１５０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍよりも小さい分散値を有することを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。
7. 前記光ファイバは分散長Ｌ_Ｄと非線形長Ｌ_ＮＬとを有し、前記Ｌ_Ｄは前記Ｌ_ＮＬよりも短いことを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
8. 前記光ファイバは分散長Ｌ_Ｄと非線形長Ｌ_ＮＬとを有し、前記Ｌ_Ｄは０．５Ｌ_ＮＬよりも短いことを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
9. 前記光ファイバは５０μｍ^２よりも狭い有効断面積（Ａ_ｅｆｆ）を有することを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。
10. 前記光パルスの発生源は短パルスレーザであることを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
11. 前記光パルスは２００フェムト秒よりも短いことを特徴とする請求項１０に記載の光デバイス。
12. 前記短パルスレーザはチタン／サファイアレーザであることを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
13. 前記モード変換器は長周期グレーティングからなることを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
14. 前記長周期グレーティングはＴＡＰを有することを特徴とする請求項１３に記載の光デバイス。
15. 前記パルス伸張器はバルク光要素からなることを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
16. 前記光ファイバがコリメート要素で終端することを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
17. 前記光ファイバの長さが２０メートルよりも短いことを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
18. ＨＯＭをサポートし、分散長Ｌ_Ｄと非線形長Ｌ_ＮＬとを有し、前記Ｌ_Ｄが前記Ｌ_ＮＬよりも短いことを特徴とする光ファイバ。
19. 前記Ｌ_Ｄは０．５Ｌ_ＮＬよりも短いことを特徴とする請求項１８に記載の光ファイバ。
20. 前記光ファイバはＬＰ_０２をサポートすることを特徴とする請求項１８に記載の光ファイバ。
    

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