JP2008518443A - 複数の空気孔を有する二重クラッド型希土類ドープ単一偏波光ファイバ - Google Patents

複数の空気孔を有する二重クラッド型希土類ドープ単一偏波光ファイバ Download PDF

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Abstract

光ファイバは、(i)第1の屈折率nを有するシリカベース希土類ドープコア、(ii)コアを囲み、n>nであるような第2の屈折率nを有し、光ファイバの長さにわたり長さ方向に延びる複数の空気孔を有する、シリカベース内層クラッド、(iii)内層クラッドを囲む、n>nであるような第3の屈折率nを有するシリカベース外層クラッドを有する。この光ファイバは、動作波長範囲内で単一偏波モードをサポートする。

Description

本発明は全般的には光導波ファイバに関し、さらに詳しくは、単一偏波特性を示す希土類ドープ光ファイバに関する。
本発明の一部はDARPA(米国国防省高等研究計画局)と結ばれた契約第MDA972-02-3―004号の下で米国政府の支援によりなされた。米国政府は本発明の特許請求項の内のいくつかにおいて一定の権利を有し得る。
本発明は全般的には二重クラッド型希土類ドープ光ファイバに関し、特に、高パワー光源とともに使用するか、または光ファイバレーザ及び光増幅器において使用するに適する総ガラス希土類ドープ光ファイバに関する。
光ファイバは、大容量であり、電気雑音に対して不感であることから、遠距離通信に対して重用される媒体となっている。単層クラッド型希土類ドープ光ファイバは光増幅器及びファイバレーザの分野で広く用いられてきた。このタイプのファイバは、(本明細書においては光ポンプまたはポンプとも称される)高パワー光源から希土類ドープファイバコアへの多モード光の高効率結合が困難であることから、高パワー多モード光源を扱える能力が低い。
この問題を解決するため及びファイバレーザの出力パワーを高めるため、当業者は(本明細書では二重クラッド型光ファイバと称される)二重クラッド構造をもつ光ファイバを利用している。二重クラッド型希土類ドープ光ファイバは、コア、コアを囲む内層クラッド及び内層クラッドを囲む外層クラッドを有するファイバである。Ybドープコア及びコアを囲む2つのクラッド層をもつ光ファイバは、例えば、特許文献1,2,3及び4に開示されている。
二重クラッド型光ファイバは、ポンプによって供給される光パワーの維持/利用において単層クラッド型光ファイバより効率が高いため、10〜100Wの間の光パワーを供給する光源の利用が必要な用途に用いられている。この比較的高い効率は、ファイバにおいて光ポンプパワーのクラッド−コア間結合が利用されることによる。さらに詳しくは、二重クラッド型希土類ドープ光ファイバは光ポンプから内層クラッドに光を受け入れ、次いで、光ファイバの長さに沿ってコア−内層クラッド界面を介して光を希土類ドープコアに転送する。すなわち、光ファイバは、このポンプ光を希土類ドープコアに結合することによって、内層クラッドを通って伝搬する多モード光のかなりの部分を波長がより長い単一モード出力に変換する。
二重クラッド型光ファイバの内層クラッドは外層クラッドより高い屈折率を有し、したがって、ポンプエネルギーは内層クラッド内部に閉じ込められ、コアに向けられる。光ファイバは、光ファイバを強力な光ポンプでポンピングするとより高い電子エネルギー準位に励起することができる、コア内の希土類ドーパントの存在によって光学的に活性である。クラッドポンピングはファイバ増幅器において利用することができ、あるいは高パワー単一モードファイバポンプレーザを構成するために用いることができる。
単ストライプ−大面積ダイオードレーザは今も、最も効率が高く、最も安価なポンプ源である。半導体レーザ技術における最近の進歩によって、出力パワーが10Wをこえる単ストライプ−多モード−大面積レーザダイオードが作成できるようになっている。
半導体レーザ技術における最近の進歩により、光源内に組み込まれた中間ファイバに直接結合される、単ストライプ−大面積レーザダイオードまたは単ストライプ−大面積レーザダイオードバーを利用する光源の作成が可能になっている。そのような光源の最大出力パワーは中間ファイバの出力端において976nmの波長で150Wより大きい。中間ファイバ直径及び光源の開口数NAはそれぞれ200μm及び0.22である。
二重クラッド型レーザにおいて、光ファイバの外層クラッドは光ポンプによって供給されたポンピング光を光ファイバの多モード内層クラッド内に閉じ込める。光ファイバの断面積がかなり小さいコアには一般に、単一モード出力信号におけるレーザ発振能力を与えるために、少なくとも1つの希土類元素、例えばネオジムまたはイッテルビウムがドープされる。一般に、ネオジムまたはイッテルビウムがドープされた二重クラッド型ファイバは、(それぞれ、800nmまたは915nmにおいて)1つまたはいくつかの高パワー大面積ダイオードレーザでポンピングされて、(1060nmのネオジム4準位遷移または1030nm〜1120nmのイッテルビウム4準位遷移における)単一横モード出力を発生する。すなわち、従来の二重クラッド構成は、ポンピングエネルギーを受け入れ、デバイスの長さに沿ってコアに転送するための、多モード内層クラッドを用いるファイバのポンピングを容易にする。二重クラッド型レーザの出力は、縦続ラマンレーザをポンピングして、波長を、エルビウムのポンピングに適する、約1480nmに変換するために用いることもできる。
どれだけのポンプ光を二重クラッド型ファイバの内層クラッドに結合できるかはクラッド寸法及び開口数NAに依存する。知られているように、高効率結合のためには、内層クラッドの「エタンデュ」([開口数]×[開口寸法またはスポット寸法])を光ポンプのエタンデュ以上とすべきである。光源(光ポンプ)の開口数及びスポット寸法が軸によって異なる場合、より高い結合効率を得るためには、内層クラッドのエタンデュをx方向及びy方向のいずれにおいてもポンプのエタンデュと同じにするかまたはそれより大きくすべきである。
一般に、内層クラッドと外層クラッドの間の屈折率差に関係付けられる、内層クラッドの開口数NAは高いことが望ましい。周知の構成において、第1のクラッド層(内層クラッド)はガラスでつくられ、第2の層(外層クラッド)は、内層クラッドの開口数NAを高めるために、屈折率が比較的低いプラスチック(例えばフッ素化ポリマ)でつくられる。そのようなプラスチックは、多くの用途に対して望まれる熱安定性に欠け、第1のクラッド層から離層し、水分損傷を受け易いことがある。さらに、このタイプの二重クラッド型光ファイバは比較的低パワー(20W未満)の光源とともに持続的に使用するだけに適し得る。(100Wをこえる)高パワー源が利用される場合、特にファイバが曲げられていると、このタイプの光ファイバは発熱し、外層クラッドのポリマ材料は炭化するかまたは燃えてデバイス故障に至る。中程度のパワー(20Wから100W以下)では、ポリマの外層クラッドは比較的急速に老化し、機械的及び光学的特性を失い、脆くなって、デバイス寿命を短くする。
総ガラス−Ybドープ光ファイバも知られている。そのようなファイバの例が特許文献5に開示されている。しかし、開示されているファイバは、比較的小さな外層クラッド直径及びNAを有し、したがって光ファイバの外への光漏れのため結合効率が低いから、高パワー用途には適していない。すなわち、光の内の比較的多くの分量が光ファイバに入らず、失われる。これは光パワーの内の少量だけがファイバに結合される必要がある場合の用途においては問題となり得ないが、そのようなファイバは光源パワーが100W以上の高パワー用途に対して有効ではない。
単一偏波光ファイバは、超高速通信システムに、あるいは、光コンポーネント(レーザ、EDFA(エルビウムドープファイバ増幅器)、光計測器、光干渉型センサ、ジャイロスコープ等)に接続してこれらの光コンポーネントとともに使用するためのカップラファイバとしての使用に、有用である。偏波特性(単一偏波)は単一偏波帯域内の直交する2つの偏波の内の1つ、かつその1つだけを、伝搬させ、他方の偏波は伝送損失を劇的に高めることによって抑制する。
(偏波保存ファイバと称されることもある)偏波保持ファイバは2つの概ね直交する軸上で入力偏波を保存することができる。そのようなファイバは単一偏波ファイバではない。普通の偏波保存ファイバは応力複屈折部材を有し、図1Aに示されるように、クラッド領域14'で囲まれた円形コア12'を有する。コア12'及びクラッド領域14'は光導波路の形成に用いられる通常の材料で形成される。コア材料の屈折率はクラッド材料の屈折率より大きい。
図1Aにおいて、クラッド14'の材料の熱膨張係数(CTE)とは異なるCTEを有するガラス材料で形成された2つの応力誘起領域13'が直径方向でコア12'の両側にある。そのようなファイバが線引きされるときには、長さ方向に延びる応力誘起領域13'及びクラッド領域の収縮量が異なり、よって領域13'は張力歪または圧縮歪状態におかれるであろう。歪誘起複屈折(あるいは応力誘起複屈折と称される)がファイバに付与され、よって2つの直交する基本偏波モードの間の結合を弱める。これらの応力誘起領域13'を有するそのようなファイバが単一偏波特性を提供しないことは当然である。
単一モード光ファイバの偏波性能の若干の改善が、相異なる偏光成分の減結合手段として、ファイバコアの形状を細長くするかまたは歪ませることによって達成された。細長コアをもつそのような光ファイバ導波路の例が、特許文献6,7及び8に開示されている。しかし、コアだけを非円形形状とすることは一般に、所望の単一偏波特性を提供するに十分ではない。このタイプの光ファイバは比較的低い(すなわち10−5以下の)複屈折を有することにも注意されたい。さらに、これらのファイバは光学的に活性なファイバではなく、したがってレーザまたは増幅器ファイバとしての使用に適していない。
米国特許第6477307号明細書 米国特許第6483973号明細書 米国特許第5966491号明細書 米国特許第5949941号明細書 米国特許第6411762号明細書 米国特許第4184859号明細書 米国特許第4274854号明細書 米国特許第4307938号明細書
したがって、単一偏波性能を有すると同時に光増幅媒質としての使用に適するであろうし、容易に作成可能でもある、光ファイバを得ることが進行中の開発分野となっている。
定義
以下の定義及び用語は技術上普通に用いられている。
屈折率プロファイル−屈折率プロファイルは、ファイバの選択された部分にわたる屈折率(Δ%)と(光ファイバの中心線から測定される)光ファイバ半径の間の関係である。
複屈折−複屈折は2つの偏波モードの実効屈折率の間の差である。
半径−ファイバのセグメントの半径は一般に、用いられる材料の屈折率が異なる組成についてとる点に関して定められる。例えば、セグメントの第1の点は中心線上にあるから、中心コアの内半径はゼロである。中心コアセグメントの外半径は導波路の中心線から正のデルタを有する中心コアの屈折率の最終点まで引かれた半径である。第1の点が中心線から外れているセグメントについては、導波路の中心線から第1の屈折率点の位置までの半径がそのセグメントの内半径である。同様に、導波路の中心線からセグメントの最終屈折率点の位置までの半径がそのセグメントの外半径である。例えば、中心コアを囲む屈折率下げドープされた環状セグメントは環状セグメントとクラッドの間の界面にある外半径を有することになろう。
相対屈折率パーセントΔ%−Δ%は式:
Δ%=100×(n −n )/2n
によって定められる屈折率の相対尺度を表し、ここで、nはiとして表される屈折率プロファイルセグメントの最大屈折率であり、基準屈折率nはクラッド層の屈折率にとられる。セグメントのいかなる点もクラッドに対して測られた随伴相対屈折率を有する。
本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、偏波保存(保持)特性を示すと同時に光増幅媒質としての使用に適する光ファイバが提供される。本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、単一偏波帯域(SPB)内で単一偏波特性を示す希土類ドープ光ファイバが提供される。ファイバパラメータはSPBが動作波長帯域と一致するように選ばれることが好ましい。
本発明にしたがえば、光ファイバは:
(i) 第1の屈折率nを有する、シリカベース希土類ドープコア:
(ii) コアを囲む、n>nであるような第2の屈折率nを有し、光ファイバの長さにわたって長さ方向に延びる複数の空気孔を有する、シリカベース内層クラッド;
(iii) 内層クラッドを囲む、n>nであるような第3の屈折率nを有する、シリカベース外層クラッド;
を有し、
光ファイバは動作波長範囲内で単一偏波モードをサポートする。
本発明の光ファイバの一利点は、利得を生じさせ、よってレーザまたは光増幅器に使用できると同時に、(i)単一偏波ファイバとして動作して、10nmより広く、さらに一層好ましくは15nmより広い、単一偏波帯域SPB幅を示し、(ii)比較的大量の光パワーを扱うことができる、能力である。本発明の光ファイバの別の利点は、利得ファイバとしてもSPファイバとしても働くから、利得ファイバと単一偏波ファイバを接続し合せる必要がなくなり、よって、接続損失が低減され、総ファイバ長が短くなると同時に、2本のファイバの接続にともなう作業及び費用がなくなる。
さらに詳しくは、これらの実施形態において、一方の偏波の実効屈折率はSPB内でその偏波が伝搬できないような実効屈折率であるが、他方の直交偏波にはその偏波がまだSPB内を伝搬できるであろう、異なる実効屈折率がともなう。したがって、比較的簡単な構造をもつ希土類ドープファイバによってSPB内の単一偏波伝搬が提供される。本発明にしたがう光ファイバの実施形態のいくつかにおいて、SPB幅は20〜40nmである。
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、当業者には、説明から、あるいは以下の詳細な説明、特許請求の範囲、さらに添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することにより、ある程度は容易に明らかであろう。
本発明の、その例が添付図面に示される、現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、同じかまたは同様の要素を指すために図面を通して同じ参照数字が用いられる。本発明にしたがう二重クラッド型単一偏波光ファイバの一実施形態が図1Bに簡略に示され、全体として参照数字10で示される。図1Bに示される光ファイバ10は、第1の屈折率nを有する、細長い、シリカベース希土類ドープコア12,コア12を囲む、n>nであるような第2の屈折率nを有する、第1のシリカベースクラッド層(内層クラッド)14及び、第1のクラッド層14を囲む、第3の屈折率n3を有する、シリカベース外層クラッド16を有する。内層クラッド14は、好ましくは、直径方向でコア12の両側に位置し、ファイバ10の長さにわたりコア12に沿って延びる、少なくとも2つの空気孔24,26を収める。空気孔24,26は、図1Bに示される線A-Aに沿う内層クラッド14の実効屈折率を下げ、このファイバの単一偏波特性を強めるかまたは可能にする。コア12,内層クラッド14及び外層クラッド16はガラスでつくられる。保護被覆18が外層クラッド16を囲む。外装被覆18は、例えば、比較的軟質の一次被覆及び一次被覆の上に施された比較的硬質の二次被覆を一般に含む、有機被覆とすることができる。
この実施形態においてはシリカベースコア12にYbがドープされるが、Erなどの別の希土類材料を利用することもできる。コア12は少なくとも1つの屈折率上げドーパントも含有することができる。さらに、外層クラッド16は、n>nとするような、屈折率下げドーパントを含有することが好ましい。内層クラッド直径DINは少なくとも125μmであることが好ましく、少なくとも200μmであることがさらに好ましい。内層クラッド直径DINは少なくとも225μmであることがさらに一層好ましく、少なくとも250μmであることが最も好ましい。出願人等は、2つの空気孔がファイバを単一偏波ファイバとすると同時に、光ファイバの厚い内層クラッド14と総ガラス構成が、相乗して、光ファイバの高エネルギー源への結合を可能にし、光ファイバを損傷させずに高パワーをコアに結合するように、働くことを見いだした。空気孔の寸法は、ファイバコアの所望の(短軸)寸法に依存して、好ましくは直径で7〜12μmの範囲で変わり得る。
外層クラッド16は比較的薄いことが好ましく、壁厚は80μmより薄く、約5μmと35μmの間であることが好ましい。外層クラッド16の壁厚は約10μm〜25μmの間であることが最も好ましい。ファイバコア12の直径Dは約5μm〜20μmであることが好ましく、内層クラッド直径DINは約125μm〜2000μmであることが好ましく、約125μm〜1500μmであることがさらに好ましい。DINは約125μm〜350μmであることがさらに一層好ましい。外層クラッド直径(DOUT)は約145〜2100μmであることが好ましく、約145μm〜1600μmであることがさらに好ましく、DOUTは約145μm〜500μmであることがさらに一層好ましい。内層クラッド14の断面が円形でない場合、DINは内層クラッド断面の外周上の一点から断面の外周上の対向点までの最小距離として定義される。外層クラッド16が円形でない場合もあり得ることに注意されたい。外層クラッド16が円形ではない場合、DOUTは外層クラッド断面の外周上の一点から外層クラッド断面の外周上の対向点までの最小距離として定義される。内層クラッド14の断面積はコア12の断面積の少なくとも200倍であることが好ましい。内層クラッド14の断面積はコア12の断面積の300倍と3000倍の間であることがさらに一層好ましい。例えば、内層クラッド14の断面積はコア12の断面積の、500倍、700倍、1000倍、1200倍、1500倍、1600倍、2000倍または2500倍とすることができる。
この実施形態にしたがえば、ファイバコア12は重量%で:
希土類 0.1〜2.5重量%
P 0〜5重量%
Al 0.5〜15重量%
Ge 0.1〜15重量%
F 0〜1重量%
を含有する。
ファイバコア12内の希土類ドーパントは、利得またはレーザ発振作用を可能にする活性イオンを与える。例示的な希土類ドーパントは、Yb,Er,Nd,Tm,Sm及びTbである。コア12内の希土類ドーパントの量は0.5重量%から1.5重量%であることが好ましい。コアガラスの軟化温度を低めるためにリンをコア材料に添加することができ、これは、コアが内付けCVDプロセスで作成される場合に利点となり得る。リンは屈折率上げドーパントとして利用することもできる。しかし、リンが多すぎる(10%以上)と、レーザ発振作用を阻止し得る誘導ラマン散乱による非線形性が現れる。抗凝集剤としてコアにアルミニウムを添加することができる(例えば、Ybの凝集防止には、Ybに対するAlの比が5:1〜10:1であることが好ましい)。コア12は、屈折率上げドーパントであるゲルマニウム及び/または屈折率下げドーパントであり、抗凝集剤でもあるフッ素を含有することもできる。
コア12の組成の好ましい範囲は重量%で:
希土類 0.3〜1重量%
P 0〜2重量%
Al 2〜8重量%
Ge 3〜15重量%,及び
F 0.1〜0.5重量%
である。Ybドープコア12は、1.03〜1.11μm範囲においてレーザ発振するであろう。
内層クラッド14は高NAを得るために5重量%〜30重量%のGeを含有することが好ましい。内層クラッド14は5重量%〜20重量%のGeを含有することがさらに好ましい。多くの用途に対しては、5重量%〜10重量%のGeで十分であることに注意されたい。
外層クラッド16の屈折率下げドーパントはフッ素及び/またはホウ素を重量%で:
F 0.5〜5重量%
B 0.5〜20重量%
含むことが好ましい。
外層クラッド16に対する(1つまたはそれより多くの)ドーパントの量は、好ましくは0.15から0.5の間の内層クラッドNAが得られるように選ばれる。しかし、外層クラッド16はB及び/またはFの内の少なくとも1つを含有することが好ましい。Bの量は少なくとも3重量%であることが好ましい。外層クラッド16は、8重量%より多くのBとともに、1重量%より多くのFが含有することが好ましく、2重量%より多くのFを含有することがさらに好ましい。外層クラッド16は、5重量%より少ないF及び15重量%より少ないBを含有することが好ましい。さらに一層好ましいB及びFの量は、Fが2〜4重量%及びBが3〜15重量%である。
本発明の二重クラッド型光ファイバの別の実施形態が図2A〜2Cに簡略に示され、同じかまたは機能的に同様な要素は同じ参照数字で示されるいくつかの例示的または代表的な実施形態を参照して本明細書で全般的に説明される。図2A〜2Cの光ファイバの内層クラッド14は非円形である。非円形内層クラッド14の利点は、非円形であることによって光ポンプパワーのコア12への吸収が改善されることである。細長コア12は、内層クラッドの幾何学的中心に配置することができ、あるいは内層クラッドの幾何学的中心からずらして配置することができる。
光ファイバコア12は、図1B及び2A〜2Cに示されるように、楕円形であることが好ましいが、他の細長形状を有することもできる。少なくとも2つの空気孔24,16がコアに隣接し、少なくとも一部は内層クラッド14内に配置される。細長(楕円形)コア12が、空気孔24,26とともに、この光ファイバを単一偏波(SP)ファイバにする。楕円形コア12のアスペクト比(短軸に対する長軸の比)は少なくとも1.5:1であることが好ましく、2:1と10:1の間であることが、これらのアスペクト比によりコア12の複屈折が向上するから、さらに好ましい。
コアデルタは1%Δより小さく、0.5%Δより小さいことが好ましい。コア12の開口数NAは(高パワーレーザ用途に対しての)0.05と(低パワーレーザ用途に対しての)0.25の間である。コア12の開口数NAは(n −n 1/2と定義され、ここで、nはコア12の屈折率であり、nは内層クラッド14の屈折率である。
シリカベース内層クラッド14は、図1Bに示されるように(中心を外して配置されたコアに好ましく)円形外周を有するかまたは図2A〜2Cに示されるように非円形外周を有する。内層クラッド14の開口数NAは(n −n 1/2と定義され、ここでnは外層クラッド16の屈折率である。内層クラッドの開口数NAは0.15と0.45の間であることが好ましく、0.3と0.4の間であることがさらに好ましい。
一般に、ファイバレーザまたは増幅器に用いることができるであろう二重クラッド構造は2つのクラッド層を有する。第1の(内層の)多モードクラッド層は多モードポンピングコアとして作用する。内層クラッド14はコア12に隣接し、第2の(外層の)クラッド層16が第1のクラッド層すなわち内層クラッド14を囲む。コア12はコアレーザ発振波長において単一モードまたは多モードとすることができる。内層クラッド14は入力(ポンピング)光に対して高開口数NAをもつ導波路として働く。すなわち、内層クラッドはポンプキャビティとして働く。内層クラッド直径が大きくなるほど、光源から内層クラッド内に結合されるポンプ光が多くなる。第1の多モード内層クラッドの断面積(DINは図2A〜2Cに見られるように内層クラッドの短径寸法である)は所望の形状、例えばポンプ源のニアフィールド形状に整合する形状を有するか、あるいは光源から内層クラッドへの(ポンプ)光の結合効率を高めるいずれか別の形状を有するように設計することができる。内層クラッドの開口数は、レーザダイオードのような、光源の出力を捕捉するに十分に大きくなければならない。最近の半導体レーザ技術の進歩により、光源内に組み込まれた中間ファイバに直接結合されたディスクリート大面積レーザダイオードあるいは大面積レーザダイオードアレイを利用する光源の作成が可能になっている。この光源の出力パワーは中間ファイバの出力端において976nmで150Wより大きい。中間ファイバの直径及び光源のNAはそれぞれ200μm及び0.22である。
この光源からの光は次いで、NAが大きい大口径レンズを介して二重クラッド型光ファイバに結合される。この手法により、85〜90%の結合効率を得ることができる。
以下の実施例によって本発明はさらに明確になるであろう。
実施例1
図3A及び3Bは本発明の第1の例示的光ファイバの相対屈折率プロファイルを簡略に示す。さらに詳しくは、図3A及び3Bは光ファイバの(純シリカの屈折率に対する)屈折率パーセントデルタ対コア中心から測られた距離を示す。図3Aは、例えば、図1Bに示されるファイバの線Y-Yに沿う、空気孔を含まない領域にかけてとられた屈折率プロファイルを簡略に示す。図3Bは同じファイバの、但し(例えば、図1Bに示されるファイバの線A-Aに沿う)空気孔24を含む領域にかけてとられた、屈折率プロファイルを簡略に示す。
図3Cは、本発明の第1の例示的光ファイバの、Y-Y軸に沿う、コア中心から測定された、屈折率(純シリカの屈折率に対するパーセントデルタ)プロファイルを示す。この光ファイバは図2Bに示される断面を有する。この内層クラッド断面の対向する2つの平な辺の間の距離DINは260μmである。屈折率パーセントデルタは(n −n )/2n と定義され、ここで、i=1,2または3であり、nは純シリカの屈折率である。この光ファイバは、Ybドープコア12,Ge-シリカ内層クラッド(%デルタ〜0.46)及びフッ素とホウ素がドープされた外層クラッド16を有する。
図3Cは、コア12の相対屈折率差(パーセントデルタ)が約0.56であり、フッ素/ホウ素ドープ外層クラッド16が約−1.4の屈折率パーセントデルタを有することを示す。Ybドープファイバコアは約1μmの波長に対して単一モードである。コア12にエルビウムがドープされていれば、光ファイバは1.55μmのレーザ発振波長において単一モードになるであろう。光ファイバ10はコア12について比較的小さいNA(約0.065)を有し、内層クラッド14について大きいNA(0.30)を有する(NAは(n −ni+1 1/2で定義される)。この内層クラッドのNAはポンプ源のNAより大きく、ポンプ光の90%以上の高い結合効率を可能にすることが好ましい。小さなコアNA(0.065)により、大きなコア径(直径10.5μm)で単一モード動作が可能になる。コアNAがより大きければ(例えば0.13であれば)、単一モードであるためにはコア直径がより小さく(例えば約5μmで)なければならない。コア直径が大きくなり、コアNAが小さくなるほど、コア12は単一モードのままでいることが可能になり、同時に、コアが内層クラッドから取り込むことができるポンプパワーが大きくなり、またファイバのパワーハンドリング能力を高めることが可能になる。この例示的光ファイバの特定の組成は:
コア12: 0.6重量%Yb,4.5重量%Al
3.0重量%GeO,0.2重量%F;
内層クラッド14:8.5重量%GeO
外層クラッド16:9重量%B及び2.7重量%F;
である。
それぞれのドーパントの量は高レーザ効率を保証するために最適化される。好ましい内層クラッド形状は円対称ではなく、よってポンプ光吸収を最大化する。
OVD(外付けCVD)プロセスでつくられた二重クラッド型ファイバはより高パワーのファイバレーザデバイスでの使用に特に適する。図4及び5は図2Bの光ファイバに対応する。さらに詳しくは、図4は図2BのファイバのYbドープコアにおいて達成された、例えば1280nmにおいて3dB/kmの、低受動損失を示す。コアの(背景損失とも称される)受動損失は、YbまたはEr等のような活性ドーパントによる吸収効果がないコアによる固有損失である。図5Aはこのファイバの単一モードファイバレーザ効率を示す。さらに詳しくは、図5Aは出力パワー(W)対入力パワー(W)のグラフである。光ポンプ波長は976nmである。光ポンプは、ファイバ結合半導体レーザダイオードバー(GaAs/InGaAs)である。この光ポンプからの出力を図2Bの二重クラッド型光ファイバの内層クラッド14に投入した。このファイバレーザは低閾値及び(グラフの勾配から定められる)52%のレーザ発振効率を示す。このファイバは良好なパワーハンドリング能力を有し、100Wをこえる光(ポンプ)パワーを供給する光源で十分良く動作する。本実施例の光ファイバ10は(ポンプパワーを内層クラッドに投入したときに)0.1〜2dB/mの範囲の単位長当り吸収を有する。
図5Bは図2Bに示される二重クラッド型単一偏波ファイバで測定された透過スペクトルである。単一偏波帯域幅は、レーザ発振がおこる1080nmを中心とする、約20nmである。この例示的ファイバにおいて、第1の遮断波長λ1は約1070nmであり、第2の遮断波長λ2は約1090nmである。
実施例2
図6は本発明の第2の例示的光ファイバの、空気孔24,26と交差しない領域にわたる(例えば軸Y-Yに沿う)、屈折率プロファイルを示す。さらに詳しくは、図6は第2の例示的光ファイバについての屈折率デルタ%対半径を示す。この光ファイバは、1100nmのレーザ発振波長において多モードであるYbドープシリカベースコア12,屈折率がほとんど同じ(デルタ%〜0)2つの区画を有するシリカベース内層クラッド14,及びフッ素がドープされた外層クラッド16を有する。内層クラッドのNAは0.16である。図6は、コア12の屈折率差(デルタ%)が約0.7であり、フッ素ドープ外層クラッド16が約−0.7の屈折率デルタ%を有することを示す。
図6に示される二重クラッド型光ファイバはファイバレーザデバイスでの使用にも適する。図7は図6の光ファイバに対応する。さらに詳しくは、図7は、図6のファイバのYbドープコアにおいて達成された、例えば1280nmにおいて2dB/kmより小さい、低受動損失を示す。この光ファイバは10Wをこえるパワーで良好なパワーハンドリング能力を有する。
第2の実施例の光ファイバについての特定の組成は:
コア12: 0.8重量%Yb,9.5重量%P
5.4重量%GeO
内層クラッド14:純シリカ;
外層クラッド16:2.3重量%F;
である。
実施例2の光ファイバは、コア12の(短軸に沿う)寸法に依存して、20nm〜40nmの単一偏波範囲を有するであろう。
ファイバ作成のためのプロセス
図1B及び2A〜2Cのファイバは外付けCVD(OVD)プロセスで作成される。OVDプロセスは、スートプリフォームを作成するため、炎内で酸素と反応する(シリカ及び所望のドーパントを含む)所望の蒸気成分からスート粒子を形成してベイトロッド上に堆積させることによって光ファイバを作成する方法である。スートプリフォームは次いで、ベイトロッドを取り外してから、高温炉内で固結されて中実ガラスにされる。コア/内層クラッド/外層クラッド構成は、スートプリフォーム形成プロセスにおいてそれぞれの層に対して異なる蒸気成分を用いることによって達成される。コアプリフォームが初めに作成され、次いで固結され、コア/内層クラッドプリフォームの形成及び固結が続き、続いてコア/内層クラッドプリフォームに外層クラッド外付けCVDプロセス及び別の固結工程が施される。最終プリフォームは次いで、既知のファイバ線引き方法によって、線引きされて二重クラッド型単一偏波光ファイバ10にされる。
さらに詳しくは、図1B及び2A〜2Cの二重クラッド型希土類ドープ単一偏波ファイバを作成するために以下の工程が用いられる。
1.コアケーン形成: コアケーンが初めに形成される。コアは、例えば、標準的OVDプロセスによって作成される。コア材料は重層付け工程中にベイトロッド上に堆積される。ファイバコアケーンの作成に用いられる例示的な蒸気前駆体材料は、Yb(fod),AlCl、SiF,SiCl,GeCl及びホウ酸トリエチルである。Ybに加えて、またはYbの代りに、他の希土類材料を用いることができる。コア堆積プロセス中、出願人等は一様なAlCl気相給送を達成した。これは、図8に簡略に示されるAlCl給送のためのキャリアガス30として(アルゴンガスの代りに)加熱された不活性ヘリウムを用いることで達成された。固体AlClが蒸気相(気相)に変わる際には、大量の熱が消費される。ヘリウムガスは高い熱伝導度を有し、効率的に熱をAlClに伝達して、一定のAlCl蒸気圧を維持する。150℃から180℃の範囲内の温度にあるヘリウムガスが供給されることが好ましい。図8に示されるように、Heガスヒーター32によって加熱されたHeガスがAlCl容器52を入れているオーブン52に供給される。比較的高いヘリウムガス温度が、AlCl収納容器52を約140℃〜160℃の一定温度に維持するに役立つ。本実施例の光ファイバを作成するためには、ヘリウムガスをヒーター32によって168℃に加熱し、容器52の温度を145℃で一定に保った。容器温度が高くなるほどプリフォーム内のAl濃度が高くなる。さらに、コアドーピングプロセスを通して給送を最も一様にするために、ヘリウムガス流量も調節した。本実施例においては、10%流量勾配(リットル/分)を給送に用いた(コア及びクラッド層の他の全てのドーパントに対しては後のパスになるにほど流量を増加させた)。加熱されたヘリウムガスが、加熱されたガス配管54を通してAlCl蒸気をフレームバーナー(ガスバーナー)56に送る。本実施例のコアプリフォームを作成するために、100パスのコア堆積プロセスを、1.2リットル/分(パス#1)で開始し、(パス#100の)1.65リットル/分で終了して、約2mm〜3mmのスートプリフォームコア厚を得た。加熱ヘリウムベースAlCl給送は、ファイバコアを形成するためだけではなく、その他のファイバ層(例えばクラッド層)への、そのような層のAlドーピングが望ましければ、Alドーピングを与えるためにも用いることができる。さらに、加熱ヘリウム補助給送は、AlClとは別の、同じく吸熱性の(すなわち熱を吸収する)材料にも用いることができる。ヘリウムガスの代りにアルゴンガスを用いてAlClを給送することもできるが、ヘリウムガスによるAlCl給送で、より高いAl濃度一様性が得られる(図9を見よ)。Alの存在がコア内の(1つまたはそれより多くの)希土類ドーパントの凝集防止に役立つから、Alはコア層全体にわたって一様に分布することが好ましい。これにより、低減された消光による高レーザ/増幅器効率が得られる。この給送プロセスは、比較的高い(すなわちシリカより高い)屈折率をもつファイバ層が必要な場合に、(例えばGeを置き換えるために)Alがドープされた伝送ファイバ(すなわちコアに希土類を含有しないファイバ)に用いることもできる。
図10に示されるように、AlClの加熱ヘリウム給送により、プリフォームコア全体にわたって極めて一様なYb及びAlの分布が得られ、この結果、ファイバコア12内の一様なYb及びAl濃度が得られた。さらに詳しくは、得られたコア内のAl濃度のばらつきは、特に3重量%をこえる最大Al濃度に対して、2重量%より小さく、好ましくは0.5重量%より小さく、さらに好ましくは0.25重量%より小さい。与えられたいずれのファイバ層(例えば、コア、クラッド層等)においても、Al濃度の最小重量%に対する最大重量%の比は、特に3重量%をこえる最大Al濃度に対して、2:1より小さく、好ましくは1.5:1より小さく、さらに好ましくは1.2:1より小さく、さらに一層好ましくは1.1:1より小さい。
Yb蒸気給送はアルゴンガスで行われ、有機金属Yb(fod)を150℃〜180℃の範囲の温度に加熱することで達成されて、Yb濃度が約0.2重量%〜3重量%のスートプリフォームコアが得られる。本実施例の光ファイバ10を作成するためには、163℃のYb(fod)収納容器を用いて、約0.6重量%のYb濃度を得た。他の材料の給送は100℃より低い温度における通常の酸素給送によって行った。
さらに詳しくは、本発明の一実施形態にしたがえば、Yb(fod),AlCl,SiF,SiCl及びGeClがガスバーナー56に給送される(図11を見よ)。ガスバーナー56は約2000℃の温度で稼動する。それぞれのコア(またはクラッド)段階に対して給送されるあらかじめ量が定められた様々な気相材料がバーナー56に供給される酸素によって運ばれ、バーナー炎58内で反応して、所望のガラススート粒子が形成される。スート粒子は次いで熱泳動機構によって回転しているベイトロッド59またはコアケーン60上に堆積して、Ybドープ単一モードコアをもつ単一偏波ファイバの作成に用いられるように設計された、スートプリフォーム62になる。
コアスートプリフォーム層が重層付けされ、スートプリフォーム62が室温に冷却された後、ベイトロッド59がコアスートプリフォーム62の中心から取り外される。コアスートプリフォーム62は次いで固結されて(中実ガラスに緻密化されて)、コアケーン62Bに線引きされる、中実ガラスプリフォーム62Aになる。
出願人等は、固結中の高い温度及び高い下方送込速度の適切な選択の結果として中実ガラスプリフォームの低結晶化形成が得られ、この結果、受動(背景)損失が極めて低い光ファイバが得られ、Alドープブランクにともなう通常の二重再線引きプロセスも不要になることを見いだした。さらに詳しくは、得られるファイバコアの背景損失が1280nmの波長において8dB/kmより小さく、好ましくは3dB/km以下になるように結晶化を最小限に抑えるに十分な速度及び温度で、スートプリフォーム62が炉に対して下方に送り込まれる。図12に示されるように、「コア」スートプリフォーム62は高温(1400℃〜1600℃)の炉64内で固結されて中実ガラスプリフォーム62Aになる。固結中の炉温は1500℃〜1600℃であることが好ましく、1530℃〜1580℃であることがさらに好ましい。本実施例の光ファイバ10を作成するため、出願人等は1550℃の炉温を用いた。出願人等は、1500℃より低い温度ではプリフォームガラスに結晶が形成され、1530℃より高い炉温で結晶化量が大きく低減されることを見いだした。炉内にある間、スートプリフォーム62は炉64に対して7mm/分以上の速度で移動させられる(例えば下方に送り込まれる)。この速度は8mm/分〜12mm/分であることが好ましい。本実施例の光ファイバは9mm/分の速度でスートプリフォーム62を下方に送り込むことで作成した。スートプリフォームを下方に送り込む代りに、スートプリフォームを固定位置に保持して炉を移動させ得ることに注意されたい。したがって、炉に対してスートプリフォームを移動させると明示することによって、出願人等はスートプリフォームと炉の間のいかなる相対運動も包含するつもりである。一般に、炉温が高くなるほど、炉とスートプリフォームの間の相対運動速度を高くすることが推奨される。
上述した高い固結温度及び高速下方送込の結果、光ファイバ10のコア背景損失は8dB/kmより低くなる。さらに好ましくは、光ファイバは5dB/kmより低いコア背景損失を示す。本実施例において、コアの背景損失は3dB/kmより低い。外層クラッドのない(単一モード)光ファイバを作成し、このファイバの背景損失を測定することによって、コア背景損失を測定した。
コアスートプリフォーム62は、クラッド形成プロセス完了後に0.06〜0.1%のコアデルタをもつ、ファイバを作成するに十分な量のGeを含有する。コアプリフォーム62の固結後、上述したように、コアプリフォーム62は線引きされてコアケーン62Bになる。コアケーン62Bは、長さが1mで直径が約8mmであることが好ましい。図14にコアケーン62Bを簡略に示す。
2.第1クラッドブランク形成: (本明細書で第1クラッドブランク63と称される)コア/クラッド(スート)ブランクを形成するため、コアケーン62Bがシリカスートでオーバークラッドされる。第1クラッドブランクは次いで固結されてケーン63Aになる。第1クラッドブランク63の第1クラッドに対するコアの直径比は0.4〜0.6である。ケーン63Aの直径は約42mmである。図15にケーン63Aを簡略に示す。
あるいは、ケーン63Aを形成するために、コアケーン62Aを囲んでシリカスリーブを配置することによるスリーブ掛けプロセスを利用することができる。
3.溝付ケーン形成: ケーン63Aは、光ファイバ10のコア12及び第1クラッド層14に対応する区画112,114を有する。ケーン63Aは、長さが1mで直径が約8mmであることが好ましい。次いで、幅が約6.4mmで深さが約8〜10mmの溝54がケーン63Aの周面に直径方向に対向して長さ方向に研削で付けられ、よって溝付ケーン63Bが形成される(図16を見よ)。溝の深さは第1クラッド層の厚さに依存するが、図16に示されるように、溝の底が(ファイバコア12に対応する)区画112に実質的に接するようにすべきである。溝付ケーン63Bはいかなる研削残渣も除去するために約30分間HFエッチングされ、次いで再線引きされて、適切な寸法の(OD(外径)が約8mmの)ケーンにされる。
溝が付けられて再線引きされたケーン63Bは次いで、図17に示されるように、(例えば約800〜1000グラムの)シリカスート67でオーバークラッドされた1m長のシリカチューブすなわちスリーブ65に挿入されて、中間集成プリフォーム70になる。スリーブ65上のシリカオーバークラッド67は外付けCVD(OVD)法で形成されることが好ましい。例示的なシリカチューブ65は、内径が約8.8mmであり、シリカスート67の層を支持する外径は約11.8mmである。スートを載せているシリカチューブは、エッチングされて再線引きされたケーン63Bのチューブ65への挿入に先立ち、化学溶剤またはアルコール(例えばIPA(イソプロパノール))で、内側も外側も洗浄される。必要であれば、中間集成プリフォーム70の2つの孔24,26をHFでさらにエッチングして孔を拡大することができる。
図17の中間集成プリフォーム70は次いで、図18に示されるように、初めに固結炉64内においてCl雰囲気で乾燥され、次いで炉内でHe含有雰囲気で固結されることによる、通常の固結プロセスにしたがって固結されて、固結プリフォーム70Aになる。固結プリフォーム70Aは次いで、図19に示されるように、再線引きタワー74内に入れられる。好ましい下方送込速度は約7mm/分である。加熱素子75によってプリフォーム70Aに熱が加えられ、張力印加ホイール76によってプリフォーム70Aが線引きされて直径がほぼ7〜8mmのケーン78にされる。(プリフォームから直径がより小さいコアケーンに線引きする)再線引きプロセスが行われている間、空気孔24,26を閉じずにおくに十分な正圧(約1psi(6.89×10Pa))が空気孔24,26に印加される。この圧力は中心コアを若干細長くするに十分であり得る。用いられる圧力は、とりわけ、線引き温度、ガラス粘度及び線引き速度の関数である。
この、今では楕円形の中心コア及び空気孔を有する、ケーン78は、図20に示されるように、約1000グラムのシリカスート67Aでオーバークラッドされた1m長のシリカチューブ65Aに再び挿入されて中間集成プリフォーム70Bになる。この中間集成プリフォーム70Bは前述と同じ態様で固結されて固結ブランク70Cになる。固結ブランク70Cは光ファイバ10のコア及び内層クラッド部分に対する基盤となるであろう。
固結ブランク70Cは次いで、必要であれば、機械加工されて所望の形状にされる。内層クラッドの円対称性を崩すことによってポンプ光吸収効率が高められる。加工済コア/内層クラッドブランク70Dが図21に簡略に示される。加工済ブランク70Dは再び、例えば屈折下げドーパントを含有するSiOでオーバークラッドされ、次いで固結されて固結ブランク71にされる。固結ブランク71の屈折率下げドープされたシリカ層は、光ファイバ10の第2のクラッド層すなわち外層クラッド16を形成するであろう。図22は例示的な固結ブランク71を簡略に示す。オーバークラッド形成にホウ素が用いられる場合は、フッ素環境で固結が行われることが好ましい。本実施例において、屈折率下げドーパントはB及びFである。
さらに詳しくは、バーナーに給送されるホウ酸トリエチル及びSiClを用いてB及びSiOを研削済ガラスプリフォーム上に気相成長させてB及びSiOを含むスート層を形成する。Bドープシリカスート層で被覆されたブランク(すなわち、加工済または研削済のガラスプリフォーム)は次いで、固結炉に供給されるSiFガスを用いることによって固結工程中にフッ素がドープされる。この第2の固結工程中、固結炉は1300℃〜1400℃の範囲の温度で稼動する。そのような固結温度において、フッ素はホウ素/シリカスート層内に拡散するが、その下のガラス層までは侵入しない。本実施例の光ファイバは、拡散による十分なフッ素ドープを容易にするために、1350℃の固結温度を用いて作成した。本実施例において、プリフォームの第3の層(外層クラッド)は第2の層(内層クラッド)の形状と同様の形状を有する。
固結ブランク71は次いで、図23に示されるように、線引き炉80内でハンドル81から吊り下げられ、ファイバ82が固結ブランク71から線引きされる。線引き中、孔を閉じずにおくために(約1psaiないしさらに低い)弱い正圧が孔に印加される。これにより、コアは(さらに)楕円形にされる。図1B及び2A〜2Cに示される例示的ファイバにおいて、出願人等は0.1psi(68.9Pa)より低い正圧を用いた。線引き速度は約1m/秒とした。得られたファイバは楕円形コア及び双対空気孔を有する。
認められるはずであるように、中心コアの所望のアスペクト比を達成するための、コアの細長化は、再線引き工程、線引き工程またはこれらの工程の組合せでおこり得る。いずれの場合においても、細長化をおこさせるためにプリフォーム(及びファイバ)の孔に正圧が印加される。
本発明の範囲を逸脱することなく本発明に変形及び改変がなされ得ることが当業者には明らかであろう。例えば、ステップインデックス構造が示されるが、他のグレーデッドインデックス構造を用いることができる。さらに、環構造をファイバプロファイルに付加することもでき、それでも満足に機能するであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
従来技術の光ファイバの簡略な断面図である 本発明の一実施形態の簡略な断面図である 本発明の別の実施形態の簡略な断面図である 本発明のまた別の実施形態の簡略な断面図である 本発明のまた別の実施形態の簡略な断面図である 本発明の例示的光ファイバの1つのファイバ断面にかけての、相対屈折率プロファイルを簡略に示す 本発明の例示的光ファイバの別のファイバ断面にかけての、相対屈折率プロファイルを簡略に示す 本発明にしたがう光ファイバの第1の例の測定された屈折率プロファイルである 図2Bの光ファイバの受動コア損失対波長を示すグラフである 図2Bの光ファイバについての出力パワー対投入パワーのグラフである 図2Bの光ファイバの単一偏波特性を示すグラフである 本発明の光ファイバの別の例の屈折率プロファイルである 図6の光ファイバの受動コア損失対波長を示すグラフである AlCl給送機構の略図である アルゴンガス給送(下の曲線)及び加熱Heガス給送(上の曲線)で得られたプリフォーム内のAl濃度を示す コア光ファイバプリフォーム内のYb及びAl濃度を示すグラフである コアスートプリフォームの作成の略図である スートプリフォームのガラスプリフォームへの固結を示す 例示的ファイバの内層クラッド背景損失を示す 図1B及び2A〜2Cのファイバの作成に利用されるコアケーンを簡略に示す 図1B及び2A〜2Cのファイバの作成に利用されるコア/クラッドケーンを簡略に示す 図1B及び2A〜2Cのファイバの作成に利用される溝付ケーンを簡略に示す 図16の溝付ケーンが挿入されたガラスチューブを簡略に示す 図1B及び2A〜2Cのファイバの作成に利用される例示的固結プロセスを簡略に示す 図1B及び2A〜2Cのファイバの作成に利用される再線引きタワーを簡略に示す シリカスートでオーバークラッドされたシリカチューブを有する中間集成プリフォームを示す 機械加工済コア/内層クラッドブランクを示す コア/内層クラッドブランクが図21に示されるように機械加工され、シリカベース外層クラッド材料でオーバークラッドされた後の固結済ブランクを示す 図1B及び2A〜2Cのファイバの作成に利用されるファイバを線引きするためのプロセスを簡略に示す
符号の説明
10 二重クラッド型単一偏波光ファイバ
12 コア
14 内層クラッド
16 外層クラッド
18 保護被覆
24,26 空気孔

Claims (5)

  1. 光ファイバにおいて、
    (i) 第1の屈折率nを有する、シリカベース希土類ドープコア、
    (ii) 前記コアを囲む、n>nであるような第2の屈折率nを有し、前記光ファイバの長さにわたって長さ方向に延びる複数の空気孔を有する、シリカベース内層クラッド、及び
    (iii) 前記内層クラッドを囲む、n>nであるような第3の屈折率nを有する、シリカベース外層クラッド、
    を有し、
    前記光ファイバが動作波長範囲内で単一偏波モードをサポートすることを特徴とする光ファイバ。
  2. 前記希土類ドープコアが細長コアであることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ。
  3. 前記コアが楕円形であり、前記コアの最小寸法に対する前記コアの最大寸法の比が少なくとも1.5:1であることを特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバ。
  4. 前記希土類ドープコアがYbを含有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光ファイバ。
  5. 前記空気孔が、直径が7〜20μmの円形であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ。
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