JP2008535248A - 大パワー信号伝送光ファイバを利用する光学系及びそのような光学系の動作方法 - Google Patents

Abstract

光学系は屈折率がｎ_２の少なくとも１つのクラッド層で囲まれた屈折率がｎ_１の利得発生コアをもつ光ファイバを備え、クラッド層は屈折率が、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_２'であるような、ｎ_２'の少なくとも１つの屈折率低下領域を有し、コアは信号波長λ_１において基本空間モードで、及び、波長λ_２で光パワーを発生するに十分なパワーレベルで、信号を伝搬し、ここでλ_２＞λ_１であり、光ファイバは少なくとも１つの遮断基本空間モード波長λ_Ｃを有し、λ_１＜λ_Ｃ及びλ_２＞λ_Ｃである。

Description

本発明は全般的には大パワー光信号を伝搬するために光ファイバを利用する光学系に関し、さらに詳しくは、大パワー領域で動作する希土類ドープ光ファイバを備えるレーザ、レーザ増幅器及び発振器に関する。

光ファイバは、大容量であり、電気雑音を受け付けないことから、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いる。このタイプのファイバは、（本明細書では光ポンプまたはポンプとも称される）大パワー光源から希土類ドープファイバコアへの多重モード光の高効率結合が困難なことから、大パワー多重モード光源への適合能力が比較的低い。

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）二重クラッド型構造をもつ光ファイバを利用する。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層クラッド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、光ポンプで供給される光パワーの保持／利用において単層クラッド型光ファイバより高効率であるから、１０〜１００ワットの間の光パワーを供給する光源の利用を必要とする用途に用いられている。この高効率は、このファイバでは光ポンプパワーのクラッド−コア結合が利用されていることによる。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い、コア−内層クラッド界面を介して光を希土類コアに転送する。すなわち、光ファイバは、ポンプ光を希土類ドープコアに結合することによって、内層クラッドを通して伝搬される多重モード光のかなりの部分をより長波長の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、次いでコアに導かれる。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希土類ドーパントがコア内に存在するから、光学的に活性である。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、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、ネオジムドープまたはイッテルビウムドープ二重クラッド型ファイバは、（１０６０ｎｍネオジム４準位遷移または１０３０ｎｍ〜１１２０ｎｍイッテルビウム４準位遷移において）単一横モード出力をつくるため、１つまたはいくつかの（８００ｎｍまたは９１５ｎｍにおいて）大パワー／大面積ダイオードレーザでポンピングされる。すなわち、従来の二重クラッド構成では、ポンプエネルギーの受け入れ及びファイバの長さに沿うファイバコアへのポンプエネルギーの転送のために多重モード内層クラッドを用いる光ファイバのポンピングが容易になる。クラッド層ポンピングはファイバ増幅器に利用するか、または大パワー単一モードファイバポンプレーザの構築に用いることができる。

ファイバレーザ用途において、Ｎｄ，ＹｂまたはＥｒなどの希土類は、利得を示すためには全イオンの少なくとも５０％が上位準位にある（すなわち少なくとも５０％反転状態にある）ことが必要な、３準位遷移を有する。そのような３準位遷移の結果、Ｎｄドープ光ファイバでは８８０〜９２０ｎｍ，Ｙｂドープ光ファイバでは９６５〜１０２０ｎｍ，Ｅｒドープ光ファイバでは１５１０〜１５４０ｎｍの波長範囲における利得の発生（またはレーザ発振）が生じる。これらの全てにおいて、希土類イオンは競合する４準位遷移を有し、４準位遷移は利得を示すために、３％から４％でしかない、かなり低い反転レベルしか必要としない。４準位遷移に対応する波長は、Ｙｂドープ及びＮｄドープ光ファイバにおいて１０５０〜１１００ｎｍであり、Ｅｒドープ光ファイバにおいて１５６０〜１６００ｎｍである。与えられた光ファイバ長及び与えられた二重クラッド構造に対して、４準位遷移は、３準位遷移よりかなり低いポンプパワーレベルにおいて、透明状態（すなわち利得がファイバ内損失に達したときの状態）またはレーザ閾値に達する。光ファイバが４準位系として利得を示すかまたはレーザ発振を開始してしまうと、光ファイバは３準位系として動作せず、望ましくない波長範囲にある利得波長またはレーザ発振波長を与える。

不要な４準位レーザ発振または利得の問題は一般に、４準位遷移における利得を抑制するための誘電体フィルタのようなフィルタを付加するか、あるいは局所反転を高めるためにより高いポンプパワー密度を「促進」する二重クラッドの内層クラッド面積を選ぶことによって、解決される。しかし、３準位波長において付加損失を与えないように、ダイクロイックフィルタを十分に分光的に尖鋭にすることは困難である。すなわち、そのようなフィルタは３準位波長にパワー損失をもたらす。さらに、そのようなダイクロイックフィルタは光学系全体をさらに複雑にし、費用をさらに高める。より高いポンプパワー密度の提供は一般にクラッド層対コア比が比較的小さい光ファイバを利用することで達成される。この手法はポンプパワー密度を高めて３準位反転を促進するが、ポンプパワーの光ファイバへの結合を困難にし、及び／または効率を低め、ポンプパワー結合系を複雑にする。

さらに、光ファイバが大パワー光信号を発生及び伝搬する場合並びに光パワーがラマン閾値レベルを上回る場合、信号光は誘導ラマン散乱によって長波長側にシフトし、動作波長においてパワー損失をもたらして、さらなるパワー増強を妨げる。

誘導ラマン散乱の問題は一般に、ファイバコア直径を大きくし、コアの開口数を小さくすることによって解決される。しかし、開口数が小さく、コア直径が大きい光ファイバでは曲げ誘起損失が非常に大きくなりがちである。さらに、標準の直径ではないから、そのようなファイバは、既存のファイバまたはファイバ処理技術（ファイバクリーヴァー及び融着接続）に適合できないため、処理が困難である。最後に、そのようなファイバをコア直径がより小さい光ファイバと融着接続すると、信号パワーは第２の光ファイバのより小さなコアに高効率で結合されず、コア寸法の不整合により大量の信号パワーが接続部で失われる。

単一偏波光ファイバは、超高速伝送光学系に、または光コンポーネント（レーザ、ＥＤＦＡ、光計測器、干渉計センサ、ジャイロスコープ等）とともに用いるため及びこれらの光コンポーネントとの接続のためのカ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つの偏光の内の一方、しかもその一方だけを伝搬させ、他方の偏光はその伝送損失を劇的に高めることによって抑制する。
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

本発明の課題は、大パワーレーザまたは光増幅器に使用でき、誘導ラマン散乱及び／または４準位遷移によるパワー損失を回避でき、他の光ファイバとの接続が容易で効率が高い、光ファイバ及びそのような光ファイバを備える光学系を提供することである。

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相対屈折率（Δ％）と（光ファイバの中心線から測定した）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、中心コアは、セグメントの第１の点が中心線上にあるから、ゼロの内半径を有する。中心線から離れた第１の点を有するセグメントに対し、第１の屈折率点の位置までの導波路中心線の半径がそのセグメントの内半径である。同様に、導波路中心線からその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層の間の界面にある外半径を有するであろう。

相対屈折率パーセントΔ％−用語Δ％は式：
Δ％＝１００×（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃ ^２）/２ｎ_ｉ ^２
で定義される屈折率の相対尺度を表す。ここで、ｎ_ｉはｉで指定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_ｃはクラッド層の屈折率にとられる。セグメント内の全ての点はクラッド層に対して測定される付随相対屈折率を有する。

本発明の一態様にしたがえば、光学系は、屈折率がｎ_２の少なくとも１つのクラッド層で囲まれた、屈折率がｎ_１の利得発生コアをもつ光ファイバを備え、クラッド層は屈折率が、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_２'であるような、ｎ_２'の少なくとも１つの屈折率低下領域を含む。コアは、信号波長λ_１において、及び波長λ_２において光パワーを発生するに十分なパワーレベルで、基本空間モードで信号を伝搬し、ここでλ_２＞λ_１である。光ファイバは少なくとも１つの遮断基本空間モード波長λ_Ｃを有し、ここで、λ_１＜λ_Ｃ及びλ_２＞λ_Ｃである。

本発明の実施形態のいくつかにしたがえば、単一偏波帯域（ＳＰＢ）内で信号偏波特性を示す希土類ドープ光ファイバが提供される。このファイバのパラメータは、ＳＰＢが動作波長λ_１に一致し、波長λ_２がＳＰＢの外にあるように選ばれる。

しかし、実施形態のいくつかにしたがえば、ＳＰＢはゼロであり、希土類ドープファイバは単一偏波ファイバ（ＳＰＦ）ではない。そのような実施形態においては、λ_２＞λ_Ｃのようにファイバ遮断波長λ_Ｃが設定されているために不要な波長λ_２が光ファイバでフィルタリングされる限り、光学系は所望の波長λ_１において利得を与えるかまたはレーザ発振することが可能になる。

本発明の光学系の利点の１つは、大きな利得を生じるかまたは大きな光パワーを処理することができ、したがって大パワーレーザまたは光増幅器での使用が可能であり、同時に、ＳＲＳまたは「４準位」信号によるパワー損失を排除できる、能力である。本発明の光ファイバの別の利点は、大パワー用途において大コア直径ファイバの使用を必要とされないから、他の光ファイバとの接続が簡単になり、効率が高くなる。

本発明の光学系のいくつかの実施形態において、光ファイバは、ＳＰＢ内の注目する信号波長を伝搬し、ＳＲＳにともなう波長における光パワーの伝搬を排除するかまたは、３準位光学系において、４準位利得にともなう信号を排除するために用いられる、単一偏波ファイバである。

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、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、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って認められるであろう。

その例が添付図面に示されている本発明の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能である限り必ず、全図面を通して、同じかまたは同様の要素を指して同じ参照数字を用いる。

本発明の一態様にしたがえば、光ファイバ１０は、屈折率がｎ_２の少なくとも１つのクラッド層１４で囲まれた、屈折率がｎ_１の利得発生コア１２を有する。クラッド層１４は屈折率が、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_２'であるような、ｎ_２'の少なくとも１つの屈折率低下領域１５を含む。そのような例示的ファイバの断面が、例えば、図１Ａに示される。コア１２は利得を発生し、波長λ_２において光パワーを生成するに十分なパワーレベルで、信号波長λ_１において基本空間モードで信号を伝搬する。ここでλ_２＞λ_１である。光ファイバは、λ_１＜λ_Ｃ及びλ_２＞λ_Ｃであるような、少なくとも１つの遮断基本空間モード波長λ_Ｃを有する。このことが図１Ｂに示される。屈折率低下領域１５は、少なくとも１つ、さらに好ましくは少なくとも２つの、屈折率ｎ_２'＝１の空気充満孔２４，２６であることが好ましい。あるいは、クラッド層の残り部分の材料より低い屈折率を有する屈折率下げドープされたシリカベースロッドを孔２４，２６に入れることができる。ファイバコア１２は本発明の実施形態のいくつかにおいて円形であるが、別の実施形態においては細長い。実施形態のいくつかにおいてコアは、例えば、楕円形である。別の細長コア形状も用いることができる。

例えば、コア直径が１０μｍの二重クラッド型イッテルビウムドープファイバレーザを考察する。ラマン閾値に達するに必要な臨界ポンプパワーＰ_Ｏ ^臨界は、式（１）：

から推定することができる。ここで、Ａ_実効は横モード電場の実効面積、Ｌ_実効はファイバの実効長、ｇ_Ｒはラマン利得である。ファイバが以下のパラメータ：Ａ_実効＝７８.５μｍ^２，Ｌ_実効＝２０ｍ，ｇ_Ｒ＝１０^−１３ｍ/Ｗを有していれば、ラマンパワー閾値は６２８Ｗである。このポンプパワーレベルにおいてラマン散乱は、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）によりλ_１に対してストークスシフトされた波長λ_２において光パワーを発生するであろう。信号波長λ_１において、このファイバで６２８Ｗをこえる出力パワーを達成するためには、ラマン散乱を抑圧しなければならない。レーザの動作波長がλ_１＝１０６４ｎｍであれば、ラマン散乱光はほぼ４４０ｃｍ^−１，すなわち１１１６ｎｍに生じるであろう。ファイバがこれらの２つの波長の間に、例えば１１００ｎｍに、遮断基本波長λ_Ｃが生じるように設計されていれば、ラマン波長λ_２はフィルタリング除去されるであろう。したがって、誘導ラマン散乱による損失は排除されるかまたは最小限に抑えられる。

本発明の少なくとも１つの実施形態にしたがえば、波長λ_２は誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）により波長λ_１に対してストークスシフトされ、光ファイバは。この波長（λ_１）において信号を伝搬し、波長λ_２にともなう不要な信号はフィルタリング除去するため、（空気で満たされているかまたは屈折率がクラッド層の残りに部分に対して比較的低いシリカ材料ベースで埋められた）少なくとも１つの孔を利用する。あるいは、波長λ_１は「３準位」利得を受ける信号に対応し、波長λ_２は「４準位」利得を受ける信号に対応して、光ファイバは、波長λ_１にある信号は伝搬させ、波長λ_２にある信号はフィルタリング除去するため、（空気で満たされているかまたは屈折率がクラッド層の残りに部分に対して比較的低いシリカ材料ベースで埋められた）少なくとも１つの孔を利用する。このことが図１Ｃに示される。

いくつかの実施形態において、光ファイバ１０は単一偏波ファイバであり、単一偏波帯域（ＳＰＢ）を定める２つの遮断基本空間モード波長（すなわち、λ_Ｃ１及びλ_Ｃ２）を有する。この光ファイバは、ＳＰＢ内の注目する信号波長を伝搬するため及びＳＲＳにともなう波長における光パワーの伝搬を排除するため、あるいは、３準位光学系においては、４準位利得にともなう波長を排除するために用いられる。さらに詳しくは、このファイバのパラメータは、λ_２は第２の遮断波長より長い（すなわちλ_２＞λ_Ｃ，ここでλ_Ｃ＝λ_Ｃ２）から、ＳＰＢが動作波長λ_１に一致し、波長λ_２がＳＰＢの外にあるように、選ばれる。

本発明のいくつかの別の実施形態にしたがえば、ＳＰＢはゼロに等しく、希土類ドープ光ファイバ１０は単一偏波ファイバではない。これは、例えば、孔２４，２６を小さく（直径を３μｍより小さく）するか、またはコアデルタを比較的小さく（０.２％未満、好ましくは０.１％未満）とするか、あるいはコア１２とそれぞれの孔の間隔を約３μｍより大きくすることによって、達成される。

そのような光ファイバは、損失がファイバのバックグラウンド伝搬損失よりも１０ｄＢ高い波長として定義される、ただ１つの遮断基本空間モード波長λ_Ｃを有するであろう。しかし、λ_１＜λ_Ｃ及びλ_２＞λ_Ｃである限り、長い方の不要な波長λ_２はフィルタリング除去され、所望の波長λ_１では光ファイバを通る伝搬が可能になる。したがって、このタイプの光ファイバも信号波長λ_１を伝搬させるため及びＳＲＳにともなう波長λ_２における光パワーの伝搬はフィルタリング除去するか、あるいは、３準位光学系においては、４準位利得にともなう波長λ_２における光信号をフィルタリング除去するために用いることができる。

すなわち、本発明の光学系の利点の１つは、大きな利得を発生することができるかまたは大きな光パワーを処理することができ、したがって大パワーレーザまたは光増幅器に使用することができ、一方ＳＲＳまたは「４準位」信号によるパワー損失を排除できる、能力である。本発明にしたがう光学系の別の利点は、大パワー用途において大直径コアファイバを使用する必要がなくなることから、他の光ファイバとの接続が容易になり、効率が高くなることである。本発明にしたがう光学系のまた別の利点は、４準位信号を排除するためにダイクロイックフィルタを使用する必要がなくなるかまたは最小限で済むことである。

本発明の一態様にしたがえば、光学系の動作方法は：
ａ．（ｉ）屈折率がｎ_１の利得発生コア光ファイバ及び（ii）コアを囲み、屈折率がｎ_２であり、屈折率が、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_２'であるような、ｎ_２'である少なくとも１つの屈折率低下領域を含む、少なくとも１つのクラッド層を有し、少なくとも１つの遮断基本空間モード波長λ_Ｃを有する、光ファイバを提供する段階、
ｂ．コアを光ポンピングし、光ファイバのコア内に信号波長λ_１において光利得を発生して、λ_２＞λ_１及びλ_２＜λ_Ｃである、波長λ_２において光パワーを発生するに十分なパワーレベルで、コアを通して信号波長λ_１における基本空間モードで信号を伝搬する段階、
ｃ．波長λ_２における基本空間モードでの信号の伝搬は妨げ、同時に波長λ_１における基本空間モードでは信号を伝搬し、よって波長λ_１の信号から波長λ_２の信号へのパワーシフトによるパワー損失を最小限に抑える段階、
を含む。

本発明にしたがう光ファイバ１０の二重クラッド型単一偏波光ファイバ１０の一実施形態が、図１Ｄに簡略に示される。この光ファイバ１０は、第１の屈折率ｎ_１を有するシリカベース希土類ドープコア１２及び少なくとも１つのクラッド層を有する。本例において、光ファイバ１０は、シリカベース細長コア１２，コア１２を囲む、ｎ_１＞ｎ_２であるような、第２の屈折率ｎ_２を有する第１のシリカベースクラッド層１４（内層クラッド）及び、第１のクラッド層１４を囲む、ｎ_２＞ｎ_３であるような、第３の屈折率ｎ_３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には、コア１２に近接し、コア１２の両側に直径上で対向して配置されることが好ましい、少なくとも２つの孔２４，２６がある。孔２４，２６は光ファイバ１０の長さにしたがって縦方向に延びる。本例示的実施形態において、孔２４，２６は空気で満たされて、（孔の屈折率は低く、ｎ_２'＝１であるから）内層クラッド１４の（図１Ｄの線Ａ−Ａに沿う）実効屈折率を下げ、この光ファイバの単一偏波特性を強めるかまたは可能にする。あるいは、屈折率ｎ_２より低い屈折率ｎ_２'をもつシリカベースガラスロッドを孔２４，２６に入れることができる。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ことが好ましい。保護被覆１８が外層クラッド１６を囲む。この光ファイバ１０は、λ_２が光ファイバの単一偏波帯域の外にあるように、動作波長範囲内の単一偏波モードをサポートする。

外部保護被覆１８は、例えば、一般に軟質一次被覆及び一次被覆に重ねて施される硬質二次被覆を有する、有機被覆とすることができる。

図１Ｄに示される本光ファイバにおいて、シリカベースコア１２にはＹｂがドープされているが、Ｅｒのようなその他の希土類材料を用いることもできる。コア１２は少なくとも１つの屈折率上げドーパントを含むこともできる。さらに、外層クラッド１６は、ｎ_２＞ｎ_３とするような、屈折率下げドーパントを含むことが好ましい。内層クラッド直径Ｄ_内層は、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Ｄ_内層は、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、光ファイバの肉厚内層クラッド１４及び全ガラス構成が共働して、光ファイバの高エネルギー源への結合を可能し、光ファイバを損傷させずにコアへの大パワーの結合を可能にするように作用して、２つの空気孔が本ファイバを単一偏波ファイバとすることを見いだした。空気孔の寸法はファイバコアの所望の（短軸）寸法に依存して変わることができ、直径が７μｍから２０μｍであることが好ましい。

外層クラッド１６の壁厚は比較的薄く、８０μｍ未満で、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から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_Ｃは約５μｍから２０μｍであることが好ましく、内層クラッド直径Ｄ_内層は約１２５μｍから２０００μｍであることが好ましく、約１２５μｍから１５００μｍであることがさらに好ましい。Ｄ_内層は約１２５μｍから３５０μｍであることがさらに一層好ましい。外層クラッドの直径（Ｄ_外層）は約１４５μｍから２１００μｍであることが好ましく、約１４５μｍから１６００μｍの間であることがさらに好ましく、Ｄ_外層は約１４５μｍから５００μｍであることがさらに一層好ましい。内層クラッド１４の断面が円形ではない場合、Ｄ_内層は内層クラッドの断面の一方の辺からその断面の対向する辺までの距離の最小値として定義される。外層クラッド１６が円形では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、Ｄ_外層は外層クラッドの断面の一方の辺から外層クラッドの断面の対向する辺までの距離の最小値として定義される。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。

本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ための活性イオンを提供する。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。リンはコアガラスの軟化温度を下げるためにコア材料に添加することができ、コアガラスは内付けＣＶＤ法で作成されれば有利であり得る。リンは屈折率上げ剤としても用いることができる。しかし、リンが多すぎる（１０％ないしそれ以上である）と誘導ラマン散乱による非線形性が生じ、これはレーザ発振作用を阻止し得る。アルミニウムは（例えば、好ましくは５：１〜１０：１のＡｌ対Ｙｂ比においてＹｂのクラスター形成を防止するための）クラスター形成防止剤としてコアに添加することができる。コア１２は、屈折率上げドーパントとしてのゲルマニウム及び／または、屈折率下げドーパントであり、クラスター形成防止剤でもある、フッ素も含有することができる。

コア１２の好ましい組成範囲は、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％；
Ｆ ０.１〜０.５重量％；
である。Ｙｂドープコアは１.０３〜１.１１μｍの範囲でレーザ発振するであろう。

内層クラッド１４は大ＮＡを与えるために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一層好ましい。５重量％〜１０重量％のＧｅは多くの用途に対して十分に作用す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、重量％で：
Ｆ ０.５〜５重量％；
Ｂ ０.５〜２０重量％；
のフッ素及び／またはホウ素を含有することが好ましい。

外層クラッド１６に対するドーパントの量は、好ましくは０.１５〜０.５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に、８重量％より多いＢとともに含有されるＦは、１重量％より多いことが好ましく、２重量％より多い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。Ｂ及びＦの量は、Ｆが２〜４重量％で、Ｂが３〜１５重量％であることがさらに一層好ましい。

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、同じ参照数字が同じかまたは機能的に同様の要素を指す、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、示される。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、非円形形状により、コア１２への光ポンプパワーの吸収が向上することである。細長コア１２は、内層クラッドの幾何学的中心におくことができ、あるいは内層クラッドの幾何学的中心からずらすことができる。

光ファイバコア１２は、図１Ｄ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、円形あるいはその他の細長形状とすることもできる。コアに隣接して、少なくとも一部が内層クラッド１４内にあるように、少なくとも２つの孔２４，２６が配される。コア１２は、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。楕円コア１２のアスペクト比（長軸対短軸比）は、アスペクト比によりコア１２の複屈折性が向上するから、少なくとも１.５：１であることが好ましく、２：１と１０：１の間であることがさらに好ましい。しかし、上述したように、円形コア構造も用いることができる。

コアのΔ％は１％より小さく、０.５％より小さいことが好ましい。コア１２の開口数ＮＡは（大レーザパワー用途用の）０.０３と（小パワー用途用の）０.２５の間である。コア１２の開口数ＮＡは（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１/２として定義され、ここでｎ_１はコア１２の屈折率であり、ｎ_２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１Ｄに示されるように、（好ましくはコアを中心からずらして）円形外周を有することができ、あるいは、図２Ａ〜２Ｃに示されるように、非円形外周を有することができる。内層クラッド１４の開口数ＮＡは（ｎ_２ ^２−ｎ_３ ^２）^１/２として定義され、ここでｎ_３は外層クラッド１６の屈折率である。内層クラッド１４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）多重モードクラッド層は多重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）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はコアのレーザ発振波長において単一モードとするかまたは多重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、開口数ＮＡが大きな導波路としてはたらく。すなわち、内層クラッドはポンプキャビティとしてはたらく。内層クラッドの直径が大きくなるほど、光源から内層クラッドに結合されるポンピング光が多くなる。第１の多重モード内層クラッドの断面（図２Ａ〜２Ｃに見られるように、Ｄ_内層は内層クラッドの短径である）は、例えばポンプ源の近視野形状に一致させた、所望の形状を有するか、あるいは光源から内層クラッドへの（ポンピング）光の結合効率を高めるその他のいずれか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。半導体レーザ技術における近年の進歩により、光源内に組み込まれた中間ファイバに結合された個別のまたはアレイ型の大面積レーザダイオードを利用する光源がつくられている。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０.２２ＮＡである。

光源からの光は次いで、大ＮＡ／大アパーチャレンズを介して、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。

本発明は以下の実施例によってさらに明確になるであろう。

図３Ａ及び３Ｂは図１Ｄに示される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Δ％対コア中心から測定した距離を示す。図３Ａは、例えば図１Ｄ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１Ｄ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、本発明の別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Δ％）の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辺間の距離Ｄ_内層は２６０μｍである。屈折率Δ％は（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｓ ^２）/２ｎ_ｉ ^２で定義され、ここでｉ＝１，２または３であり、ｎ_ｓ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１４（Δ％≒０.４６）並びにフッ素及び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（Δ％）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Δ％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に対して比較的小さい（０.０６５の）ＮＡを有し、内層クラッド１４に対して大きな（０.３０の）ＮＡを有する（ＮＡは（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｉ＋１ ^２）で定義される）。この内層クラッドＮＡはポンプ源のＮＡより大きく、９０％またはそれより高い、高ポンプ光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）が大径コア（直径１０.５μｍ）による単一モード動作を可能にする。コアＮＡが大きく（例えば０.１３に）なると、単一モードであるためにはコア直径が小さく（例えば約５μｍに）ならなければならないであろう。コア直径を大きくしてコアＮＡを小さくすることによって、コア１２が単一モードのままでいながら、コア１２による内層クラッドからのより大きなポンプパワーの取込みが可能になり、ファイバのパワー処理能力も高まる。本例示的光ファイバについての特定の組成は：
コア１２：０.６重量％Ｙｂ_２Ｏ_３，４.５重量％Ａｌ_２Ｏ_３，
３.０重量％ＧｅＯ_２，０.２重量％Ｆ；
内層クラッド１４：８.５重量％ＧｅＯ_２；
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発振効率を確保するために最適化される。好ましい内層クラッド形状は、ポンプ光吸収を最大化するように、円対称ではない。

図４は、図２ＢのファイバのＹｂドープコアで達成される低い、例えば１２８０ｎｍで３ｄＢ/ｋｍの、受動損失を示す。コアの（バックグラウンド損失とも称される）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無い、コア材料による固有損失である。

図５は、図２Ｂに示される二重クラッド型単一偏波ファイバの測定された伝送スペクトルを示す。単一偏波帯域幅は、レーザ発振がおこるλ_１＝１０８０ｎｍを中心として、約２０ｎｍである。本例示的ファイバにおいて、第１の遮断波長λ_Ｃ１は約１０７０ｎｍであり、第２の遮断波長λ_Ｃ２は約１０９０ｎｍである。したがって、λ_Ｃ２より長い波長λ_２で発生される光パワーはフィルタリング除去されるであろう。

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、ステップ屈折率構造が示されるが、別の分布屈折率構造を用いることもできる。さらに、ファイバプロファイルにリング構造を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、本発明はそれらの改変及び変形を包含するとされる。

本発明の一実施形態の簡略な断面図である 図１Ａの光ファイバが波長λ_２で発生する光パワーをどのようにしてフィルタリング除去するかの簡略な説明図である 単一偏波（ＳＰ）光ファイバが波長λ_２で発生する光パワーをどのようにしてフィルタリング除去するかの簡略な説明図である 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 本発明の例示的な光ファイバの、一断面にわたる、相対屈折率プロファイルを簡略に示す 本発明の例示的な光ファイバの、別の断面にわたる、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の光ファイバの単一偏波特性を示すグラフである

符号の説明

１０ 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 孔

Claims (11)

1. 光学系において、
   （ｉ）屈折率がｎ_２の少なくとも１つのクラッド層で囲まれた、屈折率がｎ_１の利得発生コアをもつ光ファイバであって、前記クラッド層は屈折率が、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_２'であるような、ｎ_２'の少なくとも１つの屈折率低下領域を有し、前記コアは信号波長λ_１において基本空間モードで、及び、波長λ_２において光パワーを発生するに十分なパワーレベルで、信号を伝搬し、ここでλ_２＞λ_１であり、前記光ファイバは少なくとも１つの遮断基本空間モード波長λ_Ｃを有し、λ_１＜λ_Ｃ及びλ_２＞λ_Ｃである光ファイバ、
   を備えることを特徴とする光学系。
2. 前記波長λ_２が誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）によって前記波長λ_１に対してストークスシフトされていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記屈折率低下領域が前記光ファイバの長さに沿って延びる少なくとも１つの空気充満孔であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記光ファイバが、
   （ｉ） 第１の屈折率ｎ_１を有するシリカベース希土類ドープコア、
   （ii） 前記コアを囲み、ｎ_１＞ｎ_２であるような、第２の屈折率ｎ_２を有する、シリカベース内層クラッドであって、前記光ファイバの長さにしたがって縦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）前記内層クラッドを囲み、ｎ_２＞ｎ_３であるような、第３の屈折率ｎ_３を有する、シリカベース外層クラッド、
   を有し、
   前記光ファイバは、ＳＲＳが抑制され、前記波長λ_２が前記光ファイバの単一偏波帯域の外にあるような、動作波長範囲内の単一偏波モードをサポートする、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
5. 前記波長λ_２及び前記波長λ_１のいずれにも対応する基本空間モードにおける前記光パワーが前記コア内で発生され、前記波長λ_１が「３準位」利得を受ける前記信号に対応し、前記波長λ_２が「４準位」利得を受ける前記信号に対応し、前記クラッド層が前記コアに近接して配された少なくとも１つの空気孔を有し、よってｎ_２'＝１であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 前記屈折率低下領域が、前記クラッド層内に配され、前記光ファイバの長さに沿って延びる、少なくとも１つのガラスロッドであり、前記光ファイバが前記コアと前記少なくとも１つのクラッド層の間にモートを有していないことを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
7. 前記コアが、円形または細長の希土類ドープコアであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光ファイバ。
8. 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７に記載の光ファイバ。
9. 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７に記載の光ファイバ。
10. 前記コアのΔ％が０.５％またはそれより小さいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
11. 前記波長λ_１が１０００〜１１２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。

Images