JP2007165906A - 希土類ドープ大モードエリア・マルチモード光ファイバおよびそれを使ったデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＭＡ ＲＥＤＦの光結合効率を改善する方法を提供する。
【解決手段】大モードエリア、希土類ドープ光ファイバが、そのコア領域内の信号放射の多重横断モードに対応するように構成される。ファイバは、異なる特性を有する少なくとも２つの軸方向部分を含む設計である。第１の軸方向部分において、横断屈折率プロファイルは半径方向に一定ではなく、屈折率の半径方向のくぼみによって特徴付けられている。第１の部分は２つ以上の横断モードに対応する。第２の軸方向部分においては、横断屈折率プロファイルは第１の部分のプロファイルよりもより一定である。２つの部分は互いに断熱的に結合される。具体的には、第２の部分は他の構成要素への結合を容易にするファイバの終端部分である。１つの実施例において、第１の部分ではＭ_１ ^２＞１．０、第２の部分ではＭ_２ ^２＜＜Ｍ_１ ^２である。好ましい実施例においてはＭ_１ ^２＞＞１．０、Ｍ_２ ^２〜１．０である。
【選択図】図２

Description

本発明は光ファイバ、特に高出力光増幅器、あるいはレーザ応用および結合効率改善用の希土類ドープ大モードエリア・マルチモード光ファイバに関する。

高い性能とコスト効率の故に、希土類ドープファイバ増幅器（ＲＥＤＦＡ）、特にエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、例えば長距離伝送およびＣＡＴＶ用途などの石英ファイバ光通信システムに広く使われている。希土類ドープファイバ（ＲＥＤＦ）、特にエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）の革新的な設計および最適化が共にこれらの用途に決定的な役割を果たした。特に、光学的モードフィールドを限定し、エルビウム分布をコントロールする設計は光学的パワーの低、および中レベルにおける光の高効率、低ノイズ増幅を可能にしている。一方、高出力用途においては小さい開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）の大モードエリア（ＬＭＡ）ファイバが信号強度を下げ、それによって有害な非線形効果を低減し、またポンプ吸収効率を増加させる。高出力のＲＥＤＦＡおよび希土類ドープファイバレーザ（ＲＥＤＦＬ）、特にイットリビウムドープファイバ（ＹＤＦ）を利用するものは、従来の遠距離通信工業以外でも多くの用途がある。例えば、高出力のＬＭＡ、ＹＤＦは溶接、切断、距離測定および標的指示用のレーザ、医学用途および汚染検出、および（例えば衛星間の）自由空間通信に使われる。

ＬＭＡファイバの光学的特性は、その横断屈折率プロファイルに敏感に依存している。従来の通念によれば、好ましいＬＭＡファイバは１．０に極めて近いＭ^２の基本モードを持ち、それは屈折率プロファイルがコアの軸方向断面全体にわたって基本的に一定であるので、基底横断モードの光の場がガウス分布に極めて近いことを意味する。Ｍ^２はモードフィールドと真のガウス分布関数とで相似である。特にガウス分布形のモードでＭ^２＝１．０、そして他のすべてのモードフィールド形に対してＭ^２＞１．０である。１．０に極めて近いＭ^２は低損失光結合を容易にし、さらにはファイバから射出されるビームが効果的にコリメートされる、あるいは回折限界点に厳密に集光される。しかしながら、理想的な基底モード（Ｍ^２＝１．０）と一定のコア屈折率プロファイルを持つＬＭＡファイバを作ることは、プロファイルが縦軸近傍でくぼみ（中央部くぼみ、あるいはバーンオフとしても知られている）を示す傾向があるために困難である。さらに、１．０に極めて近い基底横断モードＭ^２を持つＬＭＡファイバは、より小さな有効断面積、つまり類似のコア径を持つがはっきりしたくぼみを持たない基底横断モードのファイバよりも、好ましくない光学的非線形性に対して低いしきい値を示す。最終的にＬＭＡ ＥＤＦのコアの横断屈折率プロファイルが本質的に一定でかつ基底モードのＭ^２が極めて１．０に近いとき、基底モードとドープされたコアの外側領域との間の重なりは比較的少ない。結果として基底モードは増幅効率が低く、高次モードは好ましくない増幅をすることになる。
Ｐ. Ａ. Ｂｅｌａｎｇｅｒ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（Ｖｏｌ. ３２、 Ｎｏ. ９、 第２１０７頁乃至第２１０９頁（１９９３））

したがって光結合効率を改善するＬＭＡ ＲＥＤＦの技術には課題が残っている。また、高出力増幅およびレーザ用途に適するＬＭＡ ＲＥＤＦにも課題がある

本発明の一面によれば、ＬＭＡ ＲＥＤＦはコア領域内で信号放射の多重横断モードをもつように構成される。本願発明のファイバは極めて異なる特性を持つ少なくとも２つの軸方向部分を含む複合設計である。第１の軸方向部分において横断屈折率プロファイルは半径方向に一定ではなく、屈折率の半径方向くぼみによって特徴付けられる。第１の部分は２つ以上の横断モードに対応する。第２の軸方向部分においては、横断屈折率プロファイルは第１の部分のそれよりもより一定である。２つの部分は互いに断熱的に結合される。実際には、第２の部分は他の構成部品への結合を容易にするファイバの終端部である。

本発明の一実施例において、第１の部分においてＭ_１ ^２＞１．０であり、第２の部分においてはＭ_２ ^２＜＜Ｍ_１ ^２である。好ましい実施例においてはＭ_１ ^２＞＞１．０であり、Ｍ_２ ^２〜１．０である。

本発明のよりよい理解のために、添付の図、および添付の請求の範囲を参酌して以下に説明する。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。

一般的なＲＥＤＦＡの構造
図１に示すように、一般的なＲＥＤＦＡ１０はＲＥＤＦ１２を含み、結合機器１４と利用機器２０とを光学的に結合する。遠距離通信用途においては、機器１４は波長分割多重装置として知られ、高出力の非遠距離通信用途ではポンプ結合器として知られている。以後、簡単化のために、われわれは本発明を高出力の非遠距離通信用途との関連について述べることにする。この場合、ポンプ結合器１４は光入力信号源１６と光ポンプ源１８とをＲＥＤＦ１２に結合させる。入力信号源１６が第１の波長の光入力信号を発生し、それが従来型のファイバ２２を経由してポンプ結合器１４の入力に結合されるのに対して、ポンプ源１８が第２の波長の光ポンプ信号を発生し、それが従来型のファイバ２４によってポンプ結合器１４の別の入力に結合される。

よく知られているように、ポンプ信号はＲＥＤＦ中で反転分布を生じ、入力源１６からの入力信号を増幅する。増幅された入力信号はＲＥＤＦ１２に沿って利用機器２０に伝播する。高出力用途において、後者は数多くの機器、装置、例えば別のＲＥＤＦＡ、ビームコリメータ、レンズシステム、作業要素（例えば切断、あるいは溶接用）を含んでもよく、それに対して遠距離通信用途においては利用機器２０は光受信器、光変調器、光結合器あるいは分岐器、あるいは一部の端末装置を含んでもよい。これらのいくつかは標準のピッグテールコネクタ（図示しない）を経てＲＥＤＦ１２に結合されてもよい。

具体的には、入力源１６はＲＥＤＦ１２の希土類の増幅範囲の波長で比較的低いパワーの光入力信号を発生するレーザであり、それに対してポンプ源１８は所望のレベルに増幅した入力信号を生起するより短い中心波長の比較的高い光パワー（例えば約１５０ｍＷ以上）のポンプ信号を発生する光放射ダイオード（ＬＥＤ）あるいはＬＥＤアレイである。好ましくは、ＲＥＤＦ１２はイットリビウムドープファイバであり、信号源１６は約１０８０ｎｍの中心波長を持つ入力信号を発生し、ポンプ源１８は約９１５ｎｍ、あるいは約９７５ｎｍの中心波長を持つポンプ信号を発生する。また半導体レーザもポンプ源として使われてもよいが、より多くの光がＬＥＤによってファイバ中に結合されるので、ＬＥＤ、特にＬＥＤアレイが好ましいことをここに特記する。

図１のＲＥＤＦＡは一般的な共通に伝播するポンプ構成を表しているが（つまりポンプおよび入力信号がＲＥＤＦを経て同じ方向に伝播する）、反対方向に伝播する構成（つまりポンプと入力信号がＲＥＤＦを経て反対の方向に伝播する）を用いることも可能である。さらに、数多くのＲＥＤＦＡがタンデム（ｔａｎｄｅｍ）に配置されてもよく、それは高出力多段システムの全体の利得を増加させる技術でよく知られている方式である。ポンプエネルギーはＲＥＤＦＡの中で横断方向に結合されてもよい。

さらに、適当なよく知られた光共振器（例えば相隔たるファイバグレーティング）が与えられると、ＲＥＤＦはレーザとして機能してもよい。

複合ＲＥＤＦ設計
図４Ａに示すように、本発明の一態様によれば、ＬＭＡ ＲＥＤＦ１２’は直径ｄ_Ｏのクラッド領域１２．２に囲まれる直径ｄ_Ｃのコア領域１２．１を含む。われわれは用語「大モードエリア（ＬＭＡ）」を次のように定義する。ＬＭＡファイバのコアおよびクラッド領域は、従来のシングルモードファイバの有効モードエリアよりも本質的に大きい有効モードエリアを形成するように構成される。例えば、波長約１０８０ｎｍで従来のシングルモードファイバは約５０μｍ^２のモードエリアを持つが、同じ波長でＬＭＡファイバは約１００μｍ^２のモードエリアを持つ。同様に波長約１５５０ｎｍで従来のシングルモードファイバは約８０μｍ^２のモードエリアを持つが、同じ波長でＬＭＡファイバは約１６０μｍ^２のモードエリアを持つ。これらの実例は、ＬＭＡファイバが同じ波長でシングルモードファイバの２倍の大きさのモードエリアを持つことを示唆しているが、他の比率もＬＭＡ ＲＥＤＦの特定用途および所望の能力に対して適している。

コア領域１２．１の屈折率はΔｎで表される屈折率差だけクラッド領域のそれよりも高い。図示しないが、外側クラッド領域の屈折率がコアと内側クラッド領域の屈折率の間であるように、クラッドが内側（「落ち込んだ」）クラッド領域と外側クラッド領域を含んでもよいことがよく知られている。

どちらの場合でも、コアとクラッド領域は信号源１６（図１）からその内部に伝播する入力信号放射の多重横断モードの伝播に対応するように構成される。本発明の一態様によれば、ＲＥＤＦ１２’は、図２に示すように、複合ファイバであって、それには異なる特性を持つ少なくとも２つの軸方向部分、すなわち、例えばＬＭＡ軸方向断熱部分１２ａによって互いに断熱的に結合されたＬＭＡ軸方向入力部分１２ｉとＬＭＡ軸方向終端部分１２ｔとを含むる。さらに、複合ファイバ１２’はその入力端（図示しない）、あるいは出力終端（図２に示すように）、あるいはそれら両方にＬＭＡ終端部分を含んでもよい。

特に、ある意味で、終端部分および入力部分はそれぞれ図４Ｂおよび４Ｃに示すように異なる横断屈折率プロファイル（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）という異なる特性を持つ。一般に、終端部分１２ｔのコア領域の横断屈折率プロファイルは、入力部分１２ｉのそれよりもより一定である。一定の程度は、例えば、プロファイル形状のフーリエ変換の高周波成分によって測定される。こうして、フーリエ変換が高周波成分をほとんど含まないプロファイルはフーリエ変換がより多くの高周波成分を含むプロファイルよりもより一定であると考えられる。単純なプロファイルの相対的な一定性の視覚的観察は、しばしばこの形式の定量的解析と一致する。例えば、図４Ｂは終端部分１２ｔのコア領域のプロファイルが基本的に一定の横断屈折率を示すので、そのフーリエ変換には高周波成分が少ないが、それに対して図４Ｃは入力部分１２ｉのコア領域のプロファイルが横断屈折率に顕著な中央部くぼみを示すので、そのフーリエ変換にはより多くの高周波成分を含んでいる。このように、図４Ｃに示すように、入力部分１２ｉにおいてコア領域１２．１の横断屈折率プロファイルは半径方向には一定ではなく、つまり、図４Ｄに示すようにコア領域１２．１の中心あるいはその近傍で屈折率プロファイルがΔｎ_ｄの量だけ減少する顕著なくぼみ１２．１ｄを屈折率プロファイルが示すということである。反対に、図４Ｂに示すように、終端部分１２ｔではコア領域の屈折率プロファイルはより一定（あるいは半径方向に一定）に近い。

さらに、入力部分１２ｉは複数の横断モードに対応するように構成される。

顕著な横断屈折率のくぼみ１２．１ｄの特性を設計する場合、われわれはくぼみのΔｎ_ｄの大きさがΔｎ（コア対クラッドの屈折率差）の約１００％よりも大きくないようにする。コアおよび／あるいはクラッド領域に加えられるＧｅ、Ｐ、Ａｌ、あるいはＦのような屈折率を変化させる何らかのドーパントと同様に、ΔｎのサイズはＲＥＤＦの希土類ドーパントに依存する。例えば、ＹｂドープしたファイバではΔｎ〜０．００５、それに対してＥｒ：ＹｂドープしたファイバではΔｎ〜０．０１である。逆に、くぼみの大きさはΔｎの約５％よりも小さくすべきではない。以下に議論されるように、範囲の下限は主として純ガウス分布から横断モード形状を十分に揺らがせるための必要性によって決定される。反対に、幅あるいはくぼみの直径ｄ_ｄは、おおよそシステムで使われる光の最小波長よりも大きくあるべきである（例えば、一般に信号波長よりも短いポンプ波長より長い）。逆に、くぼみの最大幅ｄ_ｄはコア領域１２．１の直径ｄ_ｃに等しくてもよいが、一般に約ｄ_ｃ／３である。これらの条件の目的は、くぼみによって生成される屈折率の中で光に揺らぎを「生じさせる」ということである。さらに、くぼみは円錐状として描かれるが、より複雑な形状と同様に、他の幾何学的形状（例えば円筒形）であってもよい。

別の意味で、終端および入力部分はそれらのＭ^２パラメータが互いに異なるという異なった特性を持つ。ここでＭ^２は、参考文献として取り上げるＰ．Ａ．Ｂｅｌａｎｇｅｒの「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」（Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、第２１０７頁乃至第２１０９頁（１９９３））に記されるように、ファイバの基底横断モードが理想的なガウス関数に対して持つ同一性を定義する（この文献はステップインデックス型光ファイバの基底モードＬＰ_０１に対するＭ^２を定義しているが、この定義は、ここに述べるタイプの横断屈折率プロファイルに中心部くぼみを持つファイバを含むすべての光ファイバに対して有効である）。特に、入力部分１２ｉはパラメータＭ_１ ^２によって特徴付けられ、終端部分１２ｔはパラメータＭ_２ ^２によって特徴付けられ、以下の不等号性が満足される。
Ｍ_１ ^２＞１．０および Ｍ_２ ^２＜＜Ｍ_１ ^２
好ましい実施例においては、Ｍ_１ ^２＞＞１．０およびＭ_２ ^２〜１．０である。理論的には、Ｍ^２は任意の大きさでよいが、実際にはＲＥＤＦのＭ^２は通常およそ１＜Ｍ^２＜１０である。さらに、Ｍ^２〜１．０６は、例えば、Ｍ_２ ^２〜１．０からすると一般に小さいと考えられ、それに対してＭ^２〜１．３は、例えば、Ｍ_１ ^２＞＞１．０からすると大きいと考えられる。

さらに、入力部分１２ｉおよび終端部分１２ｔは、例えば図２に示されるように、ＬＭＡ断熱部分１２ａの方法によって互いに断熱的に結合される。一般に、そして反対に、そのような結合器は、入力部分の中を特定の横断モード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍｏｄｅ）で伝播するエネルギーが終端部分の他の横断モードとそれほど顕著には結合しないことを保証している。技術的にはよく知られている断熱的な結合技術と設計は、直径が結合領域に沿って軸方向に滑らかに増加（あるいは減少）するように物理的にコア領域を先細にする、あるいはドーパントの密度が結合領域に沿って軸方向に徐々に増加（あるいは減少）するようにドーパントの濃度を化学的に少しずつ変化させることを含む。後者の場合、好ましい技術は所望のドーパント分布が得られるように（ｉ）ドーパントをファイバ中に拡散させるために（例えば従来型のトーチにより）ＲＥＤＦを加熱する、（ｉｉ）ファイバに沿うトーチの長手方向の位置でファイバに加えられる熱量を制御して変化させることを含む。

各部分のＭ^２パラメータ設計の組合せ、およびそれらの間の断熱的遷移を用いることは、入力部分から終端部分まで、基底横断モードの結合を改善し、より高次の横断モードへの結合を顕著に減少させる。

本発明の他の利点は、これまで述べた理論が融着接続（異なるシングルモードファイバを結合するための典型的な従来技術の方法）をしない場合でも適用できる。例えばＲＥＤＦの終端部分とバルク（ファイバでない）の光学要素（例えば望遠鏡）を結合するときに適当なレンズあるいはレンズシステムを使って自由空間でそれを達成できることである。

上に議論された波長範囲で使われる技術的によく知られた代表的なシリカベースのＲＥＤＦで、コア領域１２．１は少なくとも１つの希土類元素（例えば、Ｅｒ、 Ｙｂ、 Ｔｂ、 Ｔｍ、 Ｎｄ、および／あるいは Ｐｒ）と、Ｇｅ、ＰあるいはＡｌ（屈折率を増加させる）あるいはＦ（屈折率を減少させる）のような１つ以上の屈折率を変化させる物質がドープされる。クラッド領域１２．２は純シリカでもよく、あるいはドープされてもよい。具体的には、ドーピングレベルはコアとクラッドの間の屈折率の段差Δｎが、先に議論したように、使われるドーパントにより０．００５から０．０１の範囲にわたり、入力部分の屈折率のくぼみΔｎ_ｄがおよそΔｎと同じ大きさになるように選ばれる。

さらに、多重横断モードに対応するファイバについて、コア直径ｄ_ｃは具体的には約２０μｍである。そのようなファイバの外径ｄ_ｏは、一般におよそ１２５μｍから６００μｍの範囲にある。さらに、入力部分１２ｉはファイバ１２’の全長の大部分であり、それに対して終端部分１２ｔはかなり小さな部分である。具体的には終端部分は長さが約５００μｍ未満であり、それに対して入力部分は具体的には長さが１ｍあるいは１ｋｍのオーダである。

ファイバの終端処理
上に述べたように、Ｍ^２が高くなったファイバは局部的にファイバのＭ^２を減少させるドーパントの拡散を促すために局部的に加熱することが出来る。ファイバを十分な温度（例えば、融着接続温度である約２０００度Ｃ付近）に加熱すると、屈折率を変化させるドーパントの十分な拡散が促進され、それによってファイバの横断屈折率プロファイルに十分な変化を生じさせる。そのようなドーパントの拡散は、中央部のくぼみ、うね、あるいはその他の基底ＬＰ_０１モードのＭ^２を増加させる屈折率プロファイルの特性を抑制するために用いられる。本発明の多くの（すべてではない）実施例において、基底横断ＬＰ_０１モードのＭＦＤ（モードフィールド径）は、実際に次の加熱による拡散によって減少する。

本発明においては、線引きされたファイバは中央部のくぼみ、あるいはファイバのＬＰ_０１基底モードのＭ^２を上昇させる他の屈折率プロファイル特性を抑制するドーパントの拡散を促進させるために、部分的に高温（＞＞１２００度Ｃ）に加熱される。図５の曲線５．１は、Ｅｒ：Ｙｂをドープし初期ＭＦＤ（従来型の「Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ ＩＩ」定義による）が１３．４μｍであり、初期Ｍ^２〜１．３２である線引された状態のファイバの屈折率プロファイルの理論値を示す。著しい中央部のくぼみが、この模擬屈折率プロファイルに見られる。そのような設計のファイバを約２５秒間、約２１００度Ｃに加熱すると、最終的なＭＦＤが１３．３μｍで初期のＭ^２が約１．０に減少（改善）されるように屈折率プロファイル（曲線５．２）を修正することが期待される。この修正をファイバ１２’（図２）の終端部分１２ｔに適用すると、使われている（従来形式の融着接続、コネクタ接続、自由空間接続、ＧＲＩＮファイバレンズなど）結合技術に関係なくこのファイバへの、あるいはファイバからの結合効率を顕著に改善できることが期待できる。それに対応する横断ＬＰ_０１モードフィールド形状が図６に示される。

この特別な例で、ＬＰ_０１基底モードで導かれたパワーの投入量に対して線引された状態のファイバのピーク光強度は熱処理したファイバに生じるピーク光強度の約３７％に過ぎないことに注目することが重要である。したがって、図５（曲線５．１）に示される横断屈折率プロファイルを持つように設計された光ファイバが図５（曲線５．２）に示される拡散した屈折率プロファイルを生じるように部分的に熱処理された部分１２ｔで各端部を終端処理されると、大半のファイバで認められるピーク光強度はかなり低く、好ましくない非線形光効果（例えば、誘導ブリリュアン散乱、あるいは誘導ラマン散乱）が始まる閾値はかなり高いと予想される。一方、終端部分１２ｔのＭ^２は１．０に近づくので、結合効率はファイバの終端点でたいへんよくなる。光強度はファイバの熱処理した終端部分の短い（＜約５００μｍ）領域内でのみ高くなると予想される。有害な非線形光効果はファイバ部分の長さと同様ピーク強度に対応するので、高い光強度はファイバの短い終端部分全体にわたって許容される。

ファイバの終端部は従来の融着接続器を用いて加熱することが出来る。ファイバが熱処理された領域内の被覆を除去されたり、あるいは研磨されるならば、線引された状態のファイバのＬＰ_０１モードフィールド形状がまさに非ガウス分布であるファイバのＬＰ_０１基底横断モードへの効率のよい光結合を得るために自由空間結合（例えば、従来から行われているバルクのレンズによって）が使われる。あるいは、熱処理は融着接続工程の一部として採用されうる。図６（曲線６．１）の線引された状態の（熱処理されていない）ファイバのＭＦＤに適合するガウス場の間の予測される結合損失は約０．７ｄＢであり、それに対して熱処理されたファイバ（曲線６．２）について予測される結合損失は約０．０１ｄＢよりも小さい。さらに、ガウス分布エネルギーの１０％以上が線引された状態のファイバの好ましくないＬＰ_０２モードに結合されるのに対して、熱処理されたファイバのＬＰ_０２モードに結合されるエネルギーの量は測定可能な範囲外である。

ファイバの熱処理した領域、および線引された状態の領域の間の遷移領域のＬＰ_０１基底モードからエネルギーが失われないことを確実にするために、先に議論されたように遷移は徐々に、かつ断熱的に行われるべきである。遷移領域における屈折率プロファイルの変化はファイバの長手方向に沿って極めて緩やかでなければならない。加熱によるドーパントの拡散により遷移領域を作る場合、緩やかな遷移はファイバの長さ方向に沿う遷移領域に加えられる熱量を変化させる、例えば広幅の（例えば扇形に広げた）熱源を選択する、あるいはより集中的な熱源を遷移領域に沿って走査させることにより達成される。
当該技術のよく知られた理論によれば、この変化がどのくらい緩やかに生じなければならないかは詳細な屈折率プロファイルと動作波長に依存する。実験に基づく処理の最適化と同様に、遷移損失が最小になるための適切な加熱条件を探すために屈折率プロファイルに基づく数値シミュレーションも容易に行うことが出来る。

動作理論
ＬＭＡの基底横断モードがＭ^２＞１．０であるとき、その結合損失（自由空間あるいは融着接続）が高くなり、ファイバから出射される基底横断モード入力信号は小さなスポットサイズに集中させたり、容易に平行化させたりすることが出来ない。しかし、高いＭ^２（＞１．０）を持つことはある種の利点がある。特に、基底横断モードがより大きなＭ^２の値を持つファイバは、より大きな有効モード断面積、したがって同じコア径でより低いＭ^２のファイバよりも低いピーク光強度を示す。その結果として、高いＭ^２のファイバはＳＢＳ（誘導ブリリュアン散乱）およびＳＲＳ（誘導ラマン散乱）のような好ましくない光学的非線形性の開始に対してより高い閾値を示す。この利点に加えて（例えば、図４Ｃに示す入力ファイバ部分１２ｉのコア領域屈折率プロファイルの顕著な中央部くぼみによる）高いＭ^２を持つファイバは、コア領域の希土類ドーパントと、コア領域を伝播する入力信号の基底横断モードフィールドとの間に極めて良い一致を示す。したがって、高いＭ^２のファイバを設計することにより基底横断モードの増幅効率を増加させ、好ましくない高次横断モードの増幅を低減させることが出来る。

これらの利点は図５−６により明らかであって、それは３つのＬＭＡファイバ：高いＭ^２を持つ理論的な線引された状態のファイバ（曲線５．１、６．１）、同じく高いＭ^２を持つ理論的な一定のステップインデックスファイバ（曲線５．３、６．３）、およびＭ^２を低減するために熱処理されたファイバ（曲線５．２、６．２）を比較している。図５でそれらの屈折率プロファイルが比較され、図６でそれらの１５５０ｎｍにおける対応する基底ＬＰ_０１横断モード光強度プロファイルが比較されている。線引された状態のファイバ、およびステップインデックスファイバの光強度は、その両方が同じ量の光パワーを表すようにファイバの熱処理部分のピーク強度に正規化されている

さらに具体的にいうと、例えば図２の入力ファイバ部分１２ｉに対応する線引された状態のファイバは、（先に数値化されたように）コア領域の横断屈折率に顕著な中央部くぼみを、その結果として約１．３２の高い基底モードＭ^２と約２５９μｍ^２のかなり大きな有効モード断面積を示す。線引された状態のファイバと一定なステップインデックスファイバの両方ともに、Δｎ〜０．０１およびｄｃ〜２０μｍであった。しかしながら、一定のステップインデックスファイバは基底モードＭ^２が約１．０５であり、有効断面積が減少して約２００μｍ^２であった。図６は高いＭ^２を持つファイバのコア領域屈折率プロファイルと強度プロファイルの間の極めて良い一致を例示するために、正規化された強度分布をこれらのファイバの屈折率プロファイルと比較している。

一方、例えば図２の終端ファイバ部分１２ｔに対応する熱処理したファイバでは、熱処理は１．３２から約１．０に改善された（低減された）Ｍ^２をもたらし、有効モード断面積を２５９μｍ^２から１３９μｍ^２に低減し、ピーク光強度を約０．３７から１．０に増加させ、かつよく知られた「ピーターマンＩＩ」ＭＦＤ（線引された状態のファイバおよび熱処理ファイバのいずれに対しても約１３．３μｍ）を実質的には変化させなかった。理想的な一定のステップインデックスプロファイルの屈折率プロファイルと対応する正規化された強度分布が、同じく比較のために示されている（曲線５．３、６．３）。

最後に、図７は図５−６と併せて上記の線引きされた状態のファイバ（曲線５．１、７．１）および理想的な一定のステップインデックスファイバ（曲線５．３、７．３）の基底横断モードおよび屈折率プロファイルの間の重なりを比較している。屈折率プロファイルと光強度はそれぞれ個々に正規化されている。図７は、ステップインデックスファイバの外側コア領域の大部分は相対的に光強度が低いのに対して線引された状態のファイバの大部分は光強度がより高いことを示している。したがって、線引された状態のファイバは横断モードフィールドと希土類ドーパントとの間によりよい一致を持っていて、それは線引された状態のファイバもまたよりよい増幅効率を示すことを意味している。

他の実施例
上記の処理は本発明の理論の応用を説明するために考えられる多くの具体的な実施例の単なる例示であることを理解するべきである。当業者には、多くのかつ異なる他の処理が本発明の精神と範囲から逸脱することなくこれらの理論に従って考えられ得る。

特に、図３に示すように、ＬＭＡ光ファイバ１２’’はＬＭＡ断熱結合器１２ａ_１により入力部分１２ｉに断熱的に結合されているＬＭＡ終端部分１２ｔに加えて、ファイバの端部の間に位置するＬＭＡ中間部１２ｍを含んでもよい。中間部分１２ｍもまた例えばＬＭＡ断熱結合器１２ａ_２および１２ａ_３によって入力部分１２ｉに断熱的に結合される。端末部分１２ｉと同様に、中間部分１２ｍは入力部分１２ｉのそれよりも小さく好ましくは１．０に近い基底横断モードＭ^２を持つ。そのような中間部分１２ｍの１つの用途は、好ましくない高次の横断モードを除去することである。

さらに、われわれは本発明をＥＤＦＡ用途との関連で述べてきたが、その用途はＥＤＦ（例えばファイバレーザ）との結合が必要な、いかなる装置へも拡張できることを当業者は容易に認識するであろう。

従来技術によるＲＥＤＦＡのブロック図である。 本発明の一実施例による入力部１２ｉ、断熱結合部分１２ａ、および低Ｍ^２終端部分１２ｔを示す光ファイバ１２’の概念図である。 本発明の他の実施例による１組の断熱結合部分１２ａ_２、および１２ａ_３の間に配された別の低Ｍ^２部分１２ｍを示す光ファイバ１２’’の概念図である。 伝播軸に沿ったＲＥＤＦの断面概念図である。 本発明のさらに別の実施例による図４Ａに示されるＲＥＤＦ終端部分の横断屈折率プロファイルの概念図である。 本発明のさらに別の実施例による図４Ａに示されるＲＥＤＦ入力部分の横断屈折率プロファイルの概念図である。コア領域の中心部あるいはその近傍の顕著なくぼみを示している。 図４Ｃのコア領域の屈折率プロファイル概念図の顕著なくぼみの拡大図である。 線引された状態のファイバ（曲線５．１）、熱処理したファイバ（曲線５．２）、および一定なステップインデックス型ファイバ（曲線５．３）の半径方向の位置に対するコア−クラッド横断屈折率段差（Δｎ）のグラフを表す図である。 線引された状態のファイバ（曲線６．１）、熱処理したファイバ（曲線６．２）、および一定なステップインデックス型ファイバ（曲線６．３）の基底横断モード（ＬＰ_０１）の正規化された光強度のグラフを表す図である。 顕著な中央部くぼみを持つファイバ、および一定なステップインデックスファイバの半径方向の位置に対する正規化された光強度のグラフを表す図である。基底横断モードと図５のファイバ設計の線引された状態のファイバ（曲線７．１）、および一定なステップインデックス型ファイバ（曲線７．３）の屈折率プロファイルの一致を比較している。

符号の説明

１０ ＲＥＤＦＡ
１２ ＲＥＤＦ
１２．１ コア領域
１２．２ クラッド領域
１２．１ｄ くぼみ
１４ ポンプ結合器
１６ 光入力信号源
１８ ポンプ源
２０ 利用機器
１２’、１２’’ ＬＭＡ ＲＥＤＦ
１２ａ ＬＭＡ軸方向断熱部
１２ｉ ＬＭＡ軸方向入力部分
１２ｔ ＬＭＡ軸方向終端部分
１２ｍ ＬＭＡ中間部

Claims (14)

1. 少なくとも１つの希土類元素がドープされ横断的屈折率プロファイルを有する断面を有するコア領域と、
   前記コア領域に接するクラッド領域とを有する希土類をドープした多重横断モード光ファイバであって、
   前記コア領域およびクラッド領域が、前記コア領域で多重横断モード光信号放射に対応するように構成され、
   前記ファイバは、前記プロファイルが半径方向に一定でなく屈折率の半径方向のくぼみによって特徴付けられ、そして２以上の前記横断モードに対応する第１の軸方向部分を含み、
   前記ファイバは、前記第１の部分と光学的に結合された第２の軸方向部分を有し、前記第２の部分のプロファイルは、前記第１の部分のプロファイルよりも一定であり、そして、
   前記第１及び第２の部分は互いに断熱的に結合されていることを特徴とするファイバ。
2. Ｍ^２が前記ファイバの基底横断モードが理想的なガウス分布関数である類似性を定義するとき、前記第１の部分がパラメータＭ_１ ^２によって特徴付けられ、前記第２の部分がパラメータＭ_２ ^２によって特徴付けられ、Ｍ_１ ^２＞１．０かつＭ_２ ^２＜＜Ｍ_１ ^２であることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
3. Ｍ_１ ^２＞＞１．０かつＭ_２ ^２〜１．０であることを特徴とする請求項２に記載のファイバ。
4. 前記第１の部分が前記ファイバの長さの主要部分を構成し、前記第２の部分が前記ファイバの終端部分を構成することを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
5. 前記ファイバが前記第１の部分に光学的に結合される第３の軸方向部分を含み、前記第３の部分のプロファイルが前記第１の部分のプロファイルよりもより一定で、且つ前記第１の部分に断熱的に結合され、前記第２の部分が前記第１の部分の一端部に配され、前記第３の部分が前記第１の部分の反対側の端部に配されることを特徴とする請求項４に記載のファイバ。
6. 前記コア領域の前記プロファイルがΔｎ_ｄの屈折率くぼみを示し、それが前記コア領域と前記クラッド領域の間の横断屈折率差Δｎのおよそ５−１００％であることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
7. 前記ファイバが基底横断モードで前記信号放射を伝播するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
8. 前記第１の部分が前記ファイバの長さの主要部分を構成し、前記第２の部分が前記ファイバの中間部分を構成することを特徴とする請求項１のファイバ。
9. 前記コアおよびクラッド領域が大モードエリアファイバを形成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
10. 加えられる光ポンプエネルギーに応じて前記信号放射を増幅する請求項１による光ファイバと、前記ポンプエネルギーの発生源と、前記ポンプエネルギーと前記光信号を前記光ファイバに結合する結合器とを含むことを特徴とする光増幅器。
11. 前記光信号が第１の中心波長を有し、前記ポンプエネルギーの発生源が第２の中心波長を有する光ポンプ信号を発生するＬＥＤを含むことを特徴とする請求項１０に記載の増幅器。
12. 少なくとも１つの希土類元素がドープされ、断面が横断屈折率プロファイルであり、加えられる光ポンプエネルギーに応じてその中を伝播する光入力信号を増幅するように構成されたコア領域と、前記コア領域に接するクラッド領域と、前記コアとクラッド領域が前記コア領域内の光放射の多重横断モードに対応するように構成されており、前記プロファイルが半径方向に一定でなく屈折率の半径方向のくぼみによって特徴付けられた２つ以上の横断モードに対応する第１の軸方向部分と、前記第１の部分に光学的に結合され、前記第１の部分よりもより一定なプロファイルと、前記第１の部分の特定の横断モード中を伝播するエネルギーが他の横断モードに顕著には結合されないように互いに断熱的に結合された第２の軸方向部分と、を含む多重横断モードで大モードエリアである光ファイバであって、Ｍ^２が前記ファイバの基底横断モードが理想的なガウス分布関数である類似性を定義するとき、前記第１の部分がパラメータＭ_１ ^２により特徴付けられ、前記第２の部分がパラメータＭ_２ ^２によって特徴付けられ、Ｍ_１ ^２＞１．０、およびＭ_２ ^２＜＜Ｍ_１ ^２であって、前記第２の部分が前記第１の部分の入力端、前記第１の部分の出力端のいずれか、あるいはその両方に配されており、前記光信号の波長とは異なる中心波長において前記光ポンプエネルギーを発生するＬＥＤ、および前記ポンプエネルギーを前記ファイバに結合するためのポンプコンバイナ（結合器）とを含むことを特徴とする、高出力光増幅器。
13. Ｍ_１ ^２＞＞１．０かつＭ_２ ^２〜１．０であることを特徴とする請求項１２に記載の増幅器。
14. 前記コア領域の前記プロファイルがΔｎ_ｄの屈折率くぼみを示し、それは前記コア領域と前記クラッド領域の間の横断屈折率差Δｎのおよそ５−１００％であることを特徴とする請求項１２に記載の増幅器。

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