JP2009038371A - 曲げ補償型光ファイバにおける共振結合による高次モードの抑制 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ファイバ曲がり部で、基本モードではなく少なくとも1つのHOMの選択的共振結合があるように、屈折率プロファイルおよび曲げ半径が構成される。実施形態では、コア領域において基本横モードおよび少なくとも1つの高次横モードの信号光の伝搬を導波するように構成される。クラッド領域は外側クラッド領域および環状トレンチ領域を含む。外側クラッド領域よりも高い屈折率を有し、トレンチ領域は、軸方向に延びる少なくとも1つの隆起屈折率ペデスタル領域を含む。曲がり部分内で、少なくとも1つのペデスタル領域が、(i)少なくとも1つの横モードの伝搬を導波し、(ii)ファイバが半径の所定半径内に曲げられる場合、コア領域の高次横モード(HOM)のうちの少なくとも1つをペデスタル領域の少なくとも1つの横モードに共振的に結合させるように構成される。
【選択図】図5
Description
本発明による事前補償ファイバの第1の考慮事項は、ファイバまたはファイバ部分の曲がりが十分に大きくファイバ性能に重要な影響を及ぼす場合を理解することである。したがって、図2に戻ると、ファイバ10’が半径Rbendまで曲げられる場合、形体14.1の中心の屈折率プロファイルは量Δnbendだけ増加するが、モード16、18の実効屈折率差(または間隔)Δnspは、両方のモードがコア領域に集中されるので比較的一定のままである。対処されるべき問題は、選択的共振結合が阻害されるほどRbendが小さくなるのはいつかである。より詳細には、(i)不要なHOM18と形体モード20との間の共振結合が妨害され、(ii)基本モード16と形体モード20(または形体14.1の任意の他のモード)との間の共振結合が好ましくなく導入されるほどRbendが小さくなるのはいつかである。分析によれば、Δnbendが等式(1)に示されるようなΔnspに匹敵する場合、Rbendは小さすぎることが示される。
Δnbend=(npedRped/Rbend)〜Δnsp (1)
明らかに、Δnbend=Δnspの場合、性能は曲がったファイバで著しく悪化するであろうが、これらの2つのパラメータが1桁以内である場合でさえ性能はそれでもなお不十分であることがある。しかし、この問題への適切な解決策は、大きいコアのファイバ(例えばLMAファイバ)では直ちに実用的でなくなる、単に曲げ半径を制限することには存在しない。例えば、シミュレーションによれば、このタイプのファイバは50cmもの大きさの曲げ半径でも許容できない基本モード損失を有し、本質的に選択性を有さないことが示される。しかし、以下で説明される本発明の原理に従って事前補償されたファイバは、LMAファイバさえも約15cmの曲げ半径でさえ所望の選択性を示す。
ncore>nped>noc (2)
ntr<noc (3)
しかし、本発明によるファイバは厳密に式(2)または式(3)に従う必要はない。したがって、例えば、ntrがnocよりも小さい必要はないが、このタイプの設計ではペデスタル・モード20が外側クラッド領域54に放射するのを可能にする。図6Bのファイバ60のntr〜nocに示されるように、このタイプの設計ではペデスタル・モード20は、外側クラッド領域54への放射(トンネリング)によってまたはペデスタル領域68.Nに含まれた損失機構67によって抑制することができる。そのような損失機構は、例えば、既知の吸収または散乱中心を含む。あるいは、利得生成ファイバでは、ペデスタル・モード20が基本モード16よりも低い利得重なりを有するようにペデスタル領域を構成することができる。
neq=nmat(1+x/Rcorr) (4)
ここで、xは曲がりの外側の方へのファイバ断面中の位置であり、Rcorrは物理的曲げ半径Rに一定の補正率を乗算することにより得られた補正曲げ半径であり、すなわちシミュレーション・モデルが応力に対して補償されない場合Rcorr=Rbendであり、応力補正率(1/0.8)が含まれる場合Rcorr=Rbend/0.8である。等式(4)は、曲がり形状の既知の等角写像によって得られた。
HOMを抑制するために、ペデスタル領域58.Nのモードのうちの少なくとも1つがファイバの曲がり部分のコア領域52の少なくとも1つの(不要な)HOMと共振的に結合するように、コア領域52およびペデスタル領域58.Nは構成される。ファイバ50’の曲がり部分の簡単化された等価屈折率プロファイル(図4)に示されるように、好ましくは、コア領域52のHOM18(例示として1次モードとして示された)はペデスタル領域58.Nのモード20と共振するが、コア領域の基本モード16はペデスタル領域のいずれのモードとも共振しない。モード20は一般に最も高いかまたはほとんど最も高い実効屈折率をもつペデスタル領域58.Nのリング・モードのうちの1つであり、モード20は既知の対称原理によってコア領域のHOMへの結合が禁止されない。対照的に、ファイバが直線(またはほとんど直線)である場合、図3の材料屈折率プロファイルに示されるように、コア領域52のモードはペデスタル領域58.Nのモード20と共振しない。この設計は、ファイバ50/50’が光増幅器およびレーザのパッケージ内に含まれるコイル状ファイバなどの曲がりファイバ用途で使用するものなので許容できる。そのような状況下では、ファイバのほとんどが巻かれており、比較的短い部分だけを直線とすることができる。しかし、本発明はそのような用途に限定されない。一般に、本発明は、ファイバの少なくとも一部が十分に曲げられ、曲げの影響が共振結合の選択性を著しく妨害するいかなるファイバにも適用可能である。
曲がりファイバ部分で共振結合が効果的であるようにファイバを事前補償するために、共振結合のために最適化された直線ファイバ設計で開始し、次に、曲がり摂動を事前補償するように直線ファイバのペデスタル領域および外側クラッド領域の屈折率を調整することができる。半径方向位置Rpedおよび方位角位置θで屈折率npedをもつ特定の形体について、事前補償は等式(5)によって与えられる。
Δncomp=−nped(Rped/Rcorr)cos(θ−θbend) (5)
ここで、θbendは曲がりの外側の方への方位角方向である。多数のペデスタル領域を未知の曲げ方位に適合させるために、各々は概算で等式(6)によって与えられる量Δcompだけ低減される。
Δncomp=−nped(Rped/Rcorr) (6)
ここで、Rpedはコア領域52に対する、すなわち軸59に対するペデスタル領域58.Nの中心の半径方向位置である。等式(5)および(6)は、(i)コア・モードの曲げ誘起実効屈折率シフトが、ペデスタル・モードのそれに対して小さい簡単化された計算に基づく。等式(6)は、さらに、(ii)HOM結合の役割を担うペデスタル領域(すなわちクラッド導波路)は曲げの外側のものである[cos(θ−θbend)〜1]を仮定している。しかし、より一般的には、事前補償は、さらに、より詳細なモデル、実験データなどを使用して曲げ誘起の影響を全て含むことができる。このタイプの一般的な計算は、例えば、1つのペデスタル領域だけをもつファイバなどの回転対称でないファイバ設計で、またはペデスタル領域58.Nがトレンチ領域56内で(半径方向にまたは方位角的に)等しく離間されていないファイバ設計で使用されるであろう。
[noc]bent=[noc]straight−Δncomp (7)
およびcos(θ−θbend)=1の場合、
[noc]bent=[noc]straight−noc(Roc/Rcorr) (8)
である。好ましい実施形態では、Rocをちょうど超える半径の等価屈折率は、曲がりファイバ部分の基本コア・モードの実効屈折率とペデスタル・モードの実効屈折率との間にある。この説明の目的では、外側クラッドはトレンチ領域のちょうど外側の領域であり、必ずしもファイバ断面の最も外側の領域とは限らないことが理解されよう。当然、一般に、非常に様々な屈折率をもつ外側クラッド領域の外側の他の領域があり、それはポンプ閉じ込め(二重クラッド)領域、オーバークラッド領域、重合体被覆、またはファイバの外側の空気領域を含むことができる。
以下の説明は、曲がったファイバでのHOM抑制のために本発明の発明原理を組み込む様々な光ファイバ設計のコンピュータ・シミュレーションを述べる。石英系ファイバがシミュレーションの目的のために仮定されているが、特定の材料、寸法、および動作条件は例示のためだけに与えられ、特に明確に述べられない限り本発明の範囲を限定するものではない。
Claims (16)
- 少なくとも曲がった部分を有する光ファイバであって、
長手軸を有するコア領域と、
前記コア領域を囲むクラッド領域とを含み、前記コア領域およびクラッド領域が基本横モードおよび少なくとも1つの高次横モードの信号光の伝搬をサポートし導波するように構成され、前記モードが前記コア領域を本質的に前記軸の方向に伝搬し、
前記クラッド領域が、
外側クラッド領域と、
前記コア領域と前記外側クラッド領域との間に配置された環状トレンチ領域と、
前記トレンチ領域内に配置された、軸方向に延びる少なくとも1つのペデスタル領域とを含み、前記外側クラッド領域の屈折率よりも高い屈折率を有し、前記曲がり部分内で、(i)少なくとも1つの横モードの伝搬をサポートし、(ii)前記コア領域の前記高次横モードのうちの少なくとも1つを前記ペデスタル領域の少なくとも1つの横モードに共振的に結合させるように構成される、光ファイバ。 - 前記少なくとも1つのペデスタル領域が、さらに、前記コア領域の前記基本モードを前記ペデスタル領域のいずれの横モードにも共振的に結合させないように構成される、請求項1に記載のファイバ。
- 前記外側クラッド領域の屈折率が、前記結合した横モードが前記外側クラッド領域に漏れるのを可能にするように十分に高い、請求項1に記載のファイバ。
- 前記曲がり部分内の前記少なくとも1つのペデスタル領域の屈折率npedが、前記ペデスタル領域の等価屈折率における予測される反対の曲げ誘起シフトを事前補償するために−0.8nped(Rped/Rbend)にほぼ等しい量だけ低減され、ここで、Rpedが前記軸からの前記ペデスタル領域の中心の距離であり、Rbendが前記曲がり部分の半径である、請求項1に記載のファイバ。
- 前記トレンチ領域内に配置された多数の前記ペデスタル領域を含む、請求項1に記載のファイバ。
- 前記ペデスタル領域が前記トレンチ領域内に円周に配置される、請求項5に記載のファイバ。
- 前記ペデスタル領域が、前記トレンチ領域内において方位的に本質的に等しく離間され、同じ半径にある、請求項6に記載のファイバ。
- 前記ペデスタル領域が前記トレンチ領域内で半径方向に中心に置かれる、請求項7に記載のファイバ。
- 前記ファイバが大モード面積ファイバである、請求項1に記載のファイバ。
- 前記外側クラッド領域の屈折率が前記トレンチ領域の屈折率よりも大きい、請求項1に記載のファイバ。
- 前記外側クラッド領域の屈折率が前記トレンチ領域の屈折率と同等であり、前記コア領域から前記ペデスタル領域内に結合したモードを抑制するために前記ペデスタル領域内に配置された損失手段をさらに含む、請求項1に記載のファイバ。
- 信号光に加えられる光ポンプ・エネルギーに応じて信号光を増幅する大モード面積利得生成光ファイバと、
請求項1に記載のファイバを含む前記利得生成ファイバと、
前記ポンプ・エネルギーの光源と、
前記ポンプ・エネルギーおよび前記信号光を前記利得生成ファイバ内に結合するカプラとを含む光増幅器。 - 信号光に加えられる光ポンプ・エネルギーに応じて信号光を増幅する大モード面積利得生成光ファイバと、
前記利得生成ファイバに結合されたピグテール・ファイバと、
請求項1に記載のファイバを含む前記ファイバのうちの少なくとも1つと、
前記ポンプ・エネルギーの光源と、
前記ポンプ・エネルギーおよび前記信号光を前記利得生成ファイバ内に結合するカプラとを含む光増幅器。 - 少なくとも曲がっている部分を有する大モード面積光ファイバであって、
長手軸を有するコア領域と、
前記コア領域を囲むクラッド領域を含み、前記コア領域およびクラッド領域が基本横モードおよび少なくとも1つの高次横モードの信号光の伝搬をサポートし導波するように構成され、前記モードが前記コア領域を本質的に前記軸の方向に伝搬し、
前記クラッド領域が、
外側クラッド領域と、
前記コア領域と前記外側クラッド領域との間に配置され、前記外側クラッド領域の屈折率よりも低い屈折率を有する環状トレンチ領域と、
前記トレンチ領域内に円周に配置され、前記外側クラッド領域の屈折率よりも高い屈折率を有する軸方向に延びる多数のペデスタル領域とを含み、
前記曲がり部分内で、前記ペデスタル領域および前記外側クラッド領域が、(i)少なくとも1つの横モードの伝搬をサポートし、(ii)前記ファイバが曲がっている場合、前記コア領域の前記高次横モードのうちの少なくとも1つを前記ペデスタル領域のうちの少なくとも1つの横モードに共振的に結合させ、(iii)前記コア領域の前記基本モードを前記ペデスタル領域のいずれの横モードにも共振的に結合させないように構成される、大モード面積光ファイバ。 - 前記ペデスタル領域が、前記トレンチ領域内において方位的に本質的に等しく離間され、同じ半径にある、請求項14に記載のファイバ。
- 光ファイバであって、
曲がっている第1の部分および直線である第2の部分を含み、前記部分の各々が、
長手軸を有するコア領域と、
前記コア領域を囲むクラッド領域とを含み、前記コア領域およびクラッド領域が基本横モードおよび少なくとも1つの高次横モードの信号光の伝搬をサポートし導波するように構成され、前記モードが前記コア領域を本質的に前記軸の方向に伝搬し、
前記クラッド領域が、
外側クラッド領域と、
前記コア領域と前記外側クラッド領域との間に配置された環状トレンチ領域と、
前記トレンチ領域内に配置された軸方向に延びる少なくとも1つのペデスタル領域とを含み、前記外側クラッド領域の屈折率よりも高い屈折率を有し、
前記曲がり部分内で、(i)少なくとも1つの横モードの伝搬をサポートし、(ii)前記コア領域の前記高次横モードのうちの少なくとも1つの選択されたモードを前記ペデスタル領域の少なくとも1つの横モードに共振的に結合させ、(iii)前記コア領域の前記基本モードを前記ペデスタル領域のいずれの横モードにも共振的に結合させないように構成され、
前記直線の部分内で、(i)少なくとも1つの横モードの伝搬をサポートし、(ii)前記コア領域の前記選択されたモードを前記ペデスタル領域のいずれの横モードにも結合させないように構成される、光ファイバ。
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