JP2014029537A - ガラス大コア光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】大パワー光ビームの伝達が可能な全ガラス・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を提供する。
【解決手段】光ファイバ１００は、コア領域１０１と、コア領域１０１を囲繞するＮ＞２層の低屈折率特徴１０２とを含む全ガラス・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）であって、実質的に、コア領域１０１によって境界を定められた領域の中で、基本モードを伝播しかつ誘導するように構成されている、全ガラス・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）である。
【選択図】図１Ｂ

Description

様々な実施形態は、例えば大コア寸法の光ファイバおよび単一モード伝播をサポートする光ファイバなどの光ファイバ、並びに、例えばレーザ、増幅器およびレーザに基づいた材料処理システムなどのファイバを使用するデバイスおよびシステムに関する。

単一モード光ファイバは、高品質光ビーム用の可撓性伝達媒体を実現する。従来の単一モード・ファイバは、一般に、９μｍ未満のコア直径を持っている。しかし、従来の単一モード・ファイバの小さなコア直径は、大パワー光ビームの伝達にあまり適していない。

これらのファイバ中を伝播する高光強度のビームは、自己位相変調、ラマン散乱、ブリュアン散乱などのような強い非線形効果を引き起こすことがある。自己位相変調は、パルス歪みにつながることがある。ラマンおよびブリュアン散乱は、伝送中の大きなパワー損失につながることがある。

最近、希土類イオンおよびラマン効果に基づいたファイバ・レーザは、それの固体同等物に比べて多くの用途に有利点があり、そのパワー・レベルは改善され続けている。単一モード・ファイバ・レーザまたは増幅器からの出力パワーのさらなるスケーリングに対する１つの限界は、非直線性である。しかし、上限は、遥かに大きなコア直径を使用する設計によって広がる可能性がある。

単一モード光ファイバが必要とされている。また、それらのファイバは非常に大きな波長範囲にわたって動作することが望ましいことがある。使用および製造の容易さは、また、増加した使用につながる可能性のある考慮すべき事項である。

米国仮特許出願第６０／９７５，４７８号 米国仮特許出願第６１／０８６，４３３号 米国特許出願第１０／８４４，９４３号 米国特許出願第１１／１３４，８５６号 米国特許出願第１１／３２３，１７７号 米国特許第５，８１８，６３０号

Ｂｉｒｋｓ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２２巻、３号、１９９７年７月１日、９６１〜９６３頁 Ｍａｒｔｉｎｅｚ，Ｆ．、Ｈｕｓｅｙ，Ｃ．Ｄ．、「（Ｅ）ＥＳＩ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｍｏｄｅ−ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｒｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖ １３５、２０２〜２１０頁（１９８８年） Ｋｎｉｇｈｔ他、「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｅ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．ＡＭ．Ａ１５巻、７４８〜７５２頁（１９９８年） Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ他、「Ｍｏｄａｌ ｃｕｔｏｆｆ ａｎｄ ｔｈｅ Ｖ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２８巻、１８７９〜１８８１頁（２００３年） Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１０巻、３４１〜３４８頁、２００２年 Ｋｕｈｌｍｅｙ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１０巻、１２８５〜１２９０頁、２００２年 Ｌｉｍｐｅｒｔ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１４巻、２７１５〜２７２０頁、２００６年 Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１３巻、７６２２〜７６３０頁、２００５年 Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、１９９８年、１５３頁のＧｈａｔａｋ、「Ｂｕｔｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ」

様々な実施形態は、単一モード・ファイバおよび大コア・ファイバを含む。いくつかの実施形態では、ファイバは、大きな波長範囲にわたって動作することができる。

クラッド特徴が配置されているクラッド材料に対して非常に低い相対屈折率差を生じさせることができる材料（例えば、フッ素添加石英ガラス）を含むクラッド特徴を含んだファイバを備える様々な実施形態がまた説明される。この相対屈折率差は、（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁によって特徴付けられることがあり、ここで、ｎ₁は、クラッド特徴が含まれているクラッド材料の屈折率であり、ｎ₂はクラッド特徴の屈折率である。

様々な実施形態では、モード・フィルタリングおよび単一モード伝播を実現するために、クラッド特徴の構成、例えば、クラッド特徴のサイズおよび間隔は、基本モードの閉込めを可能にしそれにもかかわらず第２モードおよびより高次のモードの漏れを可能にするように、選ばれることがある。

曲げ損失性能は、低相対屈折率差で悪くなることが一般に知られている。この傾向は、実験およびシミュレーションによって確認された。しかし、驚いたことには、モード・フィルタリングのかなり大きな改善が低相対屈折率差で達成可能であり、そして一方では曲げ損失性能が依然として妥当であることも発見された。特に、小さな相対屈折率差は、比較的大きいが妥当な曲げ損失を可能にしながら、より優れたモード・フィルタリングと、使用および製造の容易さとを可能にすることができる。

したがって、様々な実施形態では、ファイバは、コアがクラッド特徴によって少なくとも部分的に囲繞された状態で形成される。クラッドは、屈折率ｎ₁を持つ第１のクラッド材料と、第２の屈折率ｎ₂を持つ第２のクラッド材料から形成されたクラッド特徴とを含み、ｎ₂＜ｎ₁であり、相対屈折率差（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁は小さい。

ある実施形態では、非常に小さな相対屈折率差（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁が、改善されたモード・フィルタリングおよび十分に低いモード損失を可能にする。

ある実施形態では、相対屈折率差は、約４．５×１０^-3未満であることがある。ある実施形態では、相対屈折率差は、約１×１０^-3未満であることがある。ある実施形態では、相対屈折率差は、約８×１０^-4未満であることがある。

いくつかの実施形態では、構成が、少なくとも約１ｄＢ／ｍのより高次のモードの損失を実現することがある。いくつかの実施形態では、構成が、少なくとも約５ｄＢ／ｍのより高次のモードの損失を実現することがある。いくつかの実施形態では、構成が、少なくとも約１０ｄＢ／ｍのより高次のモードの損失を実現することがある。

いくつかの実施形態では、ファイバ直径は、より高次のモードの損失を大きくしながら、基本モードの低損失を実現するように構成されることがある。例えば、様々な実施形態で、基本モードの損失は約０．１ｄＢ／ｍ以下であることがあり、いくつかの実施形態でより高次のモードの損失は約１ｄＢ／ｍ以上であることがある。他の実施形態では基本モードの損失は約１ｄＢ／ｍ以下であることがあり、いくつかの実施形態でより高次のモードの損失は約１０ｄＢ／ｍ以上であることがある。

ある実施形態では、ファイバは、１０ｃｍ以上の曲げ半径を持っている。

ある実施形態では、ファイバは「全ガラス」であることがある。コア、クラッド特徴が配置されているクラッド材料、並びにクラッド特徴は、ファイバの長さの少なくとも一部にわたってガラスを含むことがある。

様々な実施形態では、ファイバ設計は、より高次のモードの漏れが助長される漏れチャネル・ファイバ（ＬＣＦ）、フォトニック結晶ファイバ、エンドレス単一モード・フォトニック結晶ファイバ（５００ｎｍを超えるまたは１０００ｎｍを超える波長範囲を持ち、例えば、少なくとも４５８ｎｍから１５５０ｎｍまでの波長範囲を持っている）および／または大コア設計を含むことがある。

少なくとも１つの実施形態では、光ファイバは、いくつかのガラス特徴によって囲繞されたコアを含み、ガラス特徴の位置、形および寸法が、単一モード動作およびファイバの第２モードに対する少なくとも１ｄＢ／ｍの損失を実現する。

少なくとも１つの実施形態では、ファイバは、第１のクラッド材料中に規則的または不規則なアレイで配列された多くの第２のガラス特徴によって囲繞されたコアを含み、特徴の位置、形および寸法が単一モード動作を可能にし、さらに相対屈折率差が約４．５×１０^-3未満である。いくつかの実施形態では、相対屈折率差は約１．０×１０^-3未満である。

少なくとも１つの実施形態では、ファイバは、第１のクラッド材料中に規則的または不規則なアレイで配列された複数の第２のガラス特徴によって囲繞されたコアを含み、特徴の位置、形および数が広い波長範囲（例えば、少なくとも約５００ｎｍ）にわたって単一モード動作を可能にし、相対屈折率差が約４．５×１０^-3未満である。いくつかの実施形態では、波長範囲は５００から１０００ｎｍ、例えば８００ｎｍである。いくつかの実施形態では、相対屈折率差は約１．０×１０^-3未満である。

少なくとも１つの実施形態では、ファイバは、より高次のモードと基本モードの間に大きな差別的モード損失を生じさせるように構成される。例えば、第１次モードの損失は約０．１ｄＢ／ｍ以下であることがあり、いくつかの実施形態で高次モードの損失は約１ｄＢ／ｍ以上であることがある。

少なくとも１つの実施形態は、ある１つの波長を持つ少なくとも１つのより低次のモード（例えば、基本モード）を伝播し、一方、前記波長で、前記波長を持つより高次のモードに前記少なくとも１つのより低次のモードよりも高い損失を生じることによって、前記より高次のモードの伝播を制限する光ファイバを含む。光ファイバは、屈折率ｎ₁を持つ材料を含む第１のクラッド領域と、屈折率ｎ₂を持つ材料を含む１つまたは複数のクラッド特徴を含む第２のクラッド領域と、前記第２のクラッド領域によって少なくとも部分的に囲繞されたコア領域とを含むことがある。クラッド特徴は、前記より低次のモードの伝播をコア領域に実質的に閉じ込めるように構成されている。クラッド特徴は、低相対屈折率差Δ_c＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁を生成する材料を含み、少なくとも１つのより高次のモードの損失は少なくとも約１ｄＢ／ｍである。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのより高次のモードの損失は少なくとも約５ｄＢ／ｍである。

様々実施形態で、光ファイバは、ファイバの長さに直交する六角形状の断面を持っている。六角形状の断面は、丸められた角を持っている。ある実施形態では、ファイバはダブル・クラッド・ファイバであることがあり、ファイバの六角形状外周が、励起を誘導する領域の反射性境界を形成している。丸められた角を持つ六角形の形の断面を持ったそのようなダブル・クラッド・ファイバは、励起モード混合に有益である可能性がある。完全円形境界の場合には、中心の不純物添加されたコアを通らないスキュー光線がある。六角形の境界を持つある実施形態は、そのようなモードが存在できないようにするか、またはそのようなモードの存在を減少させるので、コアの中心を通過する光の量を少なくとも増加させることができる。

様々な実施形態で、クラッド特徴は、不純物添加され、クラッド特徴が配置されている背景クラッド材料よりも低い屈折率を持っている。

少なくとも１つの実施形態は、第１のクラッド材料および第１の屈折率ｎ₁を持つファイバを含む。クラッド特徴は第１のクラッド材料中に配置されている。第２のクラッドのクラッド特徴は第２の屈折率ｎ₂を持っている。少なくとも１つのクラッド特徴は、非回転対称である。予め選ばれた外径および特徴間の相対的間隔が、基本モード損失よりも少なくとも約５ｄＢ大きなより高次のモードの損失を生じることがある。ファイバ出力で測定できるモード・プロファイルは、モード・プロファイルの少なくとも中心部の実質的な部分で、例えばパワー半値点間または１／ｅ²強度点間で、ほぼ回折で制限されている。

光利得媒体を形成するために、コアは希土類を添加されることがある。本発明の様々な実施形態は、レーザ増幅器、レーザ、短または超短パルス発生装置、Ｑスイッチ・レーザおよび他のシステムで利用されることがある。

様々な実施形態で、ファイバは、第１の屈折率ｎ１を持つ第１のクラッド材料を含む第１のクラッド領域を備える。ファイバは、また、屈折率ｎ２を持つ第２のクラッド材料を含む１つまたは複数のクラッド特徴を含む第２のクラッド領域を備える。ファイバは、また、第２のクラッド領域によって少なくとも部分的に囲繞されたコア領域を含む。第１および第２のクラッド領域は、コア領域が少なくとも１つのより低次のモードを伝播するように構成されることがある。少なくとも１つの実施形態では、第１のクラッド領域の寸法と、クラッド特徴の寸法、配列および数の１つまたは組合せとが、基本モードの損失よりも大きなより高次のモードの損失を生じる。

様々な実施形態は、高ピーク・パワーのほぼ回折で制限されたパルスを発生させるファイバ増幅器システムまたはファイバ・レーザを含むことがある。例として、出力パルス・エネルギーは、約１μＪから１０ｍＪ、または約１００μＪから１ｍＪの範囲にあることがある。出力パルス幅は、１ｎｓ未満であり、１ｋＨｚを超える繰返し率で発生されることがある。出力パルスには、非線形効果に関連した歪みがないことがある。例えば、いくつかの実施形態では、ファイバ光増幅器システムは、ほぼ回折で制限された入力空間プロファイルを持つ光パルスを供給する光パルス供給源と、光励起源と、本明細書で開示された光ファイバのどれかと、を含む。いくつかのそのような実施形態では、ファイバのコア領域の少なくとも一部が希土類を添加されている。ファイバは、さらに、光励起源から励起エネルギーを受け取るように構成された励起用クラッドと、受け取られた励起エネルギーの一部をコア領域に伝えるための励起ガイドとを含むことがある。ファイバは、ほぼ回折で制限された出力空間プロファイルを持つ出力パルスおよび約１０μＪから約１０ｍＪまでの範囲のエネルギーを持つ少なくとも１つの出力パルスを生成するために、パルスを受け取りさらにパルスを増幅するように構成されていることがある。

本明細書で開示されたファイバのいくつかの実施形態は、２以上の層のクラッド特徴を持つ大コア全ガラス・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を含むことがある。

いくつかの実施形態では、ＬＣＦまたはＰＣＦは、不均一な屈折率、例えば放物線状屈折率変化を持つコアの一部の中で基本モードが誘導されるように構成されることがある。モードの直径は、ＬＣＦのコア直径の部分、例えば約５０％であることがある。

様々な実施形態で、全ガラスＬＣＦは、実質的に一様な屈折率を持つコアの一部の中で基本モードが誘導されるように構成されることがある。

少なくとも１つの実施形態では、ＬＣＦまたはＰＣＦは、基本モードがコアの少なくとも一部の中で誘導されるようにＬＣＦまたはＰＣＦの屈折率プロファイルを調整することを含む方法によって作られることがある。応力光学効果が、屈折率プロファイルを調整するために利用されることがある。光ファイバを作るいくつかの方法において、方法は、ファイバの第１のクラッド領域の寸法の変化に即して、モード閉込め損失およびモード屈折率のうちの少なくとも１つの変化を決定すること、および、少なくとも１つのより高次のモードの損失と少なくとも１つのより低次のモードの損失の約１０を超える比を生じるように第１のクラッド領域の寸法を選ぶことを含む。

少なくとも１つの実施形態では、全ガラス・ファイバは、第１の熱膨張係数を持つ第１のクラッド材料を含むことがある。クラッド特徴は、第２の熱膨張係数を持つ第２のクラッド材料から形成される。クラッド特徴は、第１のクラッド材料の中に配置されることがある。クラッド特徴に隣接した領域に、屈折率の局部的増加が存在することがある。クラッド特徴の第１の内側の層によって境界を定められるコア領域は、コア部内の相対屈折率差が約１．０×１０^-3未満であるように不均一な屈折率プロファイルを持っていることがある。この屈折率差は、コアの少なくとも一部の中で、例えば屈折率導波機構によって、基本モードを誘導するのに十分であることがある。

様々な実施形態は、大コア全ガラス漏れチャネル・ファイバ（ＬＣＦ）を含むことがある。少なくとも１つの実施形態では、全ガラスＬＣＦは、約３０μｍから約２００μｍまでの範囲の直径を持つコアを含むことがある。少なくとも１つの実施形態では、全ガラスＬＣＦは、基本モードの損失よりも約１ｄＢ／ｍ大きなより高次のモードの損失を生じることがある。他の実施形態では、全ガラスＬＣＦは、基本モードの損失よりも約５ｄＢ／ｍ大きいより高次のモードの損失を生じることがある。

様々な実施形態は、大コア全ガラス偏光保持ＬＣＦまたはＰＣＦを含むことがある。

偏光保持ファイバの実施形態は、第１の屈折率ｎ１を持つ第１のクラッド材料を含む第１のクラッド領域と、ｎ１よりも小さな第２の屈折率ｎ２を持つ第２のクラッド材料を含む１つまたは複数のクラッド特徴を含む第２のクラッド領域と、（ｎ１−ｎ２）／ｎ１によって特徴付けられる、約４．５×１０^-3よりも小さな相対屈折率差とを備える。第２のクラッド領域は、さらに、第２の屈折率と異なる屈折率を持つ応力要素を含む。ファイバは、また、第２のクラッド領域によって少なくとも部分的に囲繞されたコア領域を含む。第１および第２のクラッド領域は、第１のクラッド領域の寸法と、クラッド特徴および応力要素の寸法、配列および数の１つまたは組合せとが、ビーム偏光を保持しながら基本モードの損失よりも大きなより高次のモードの損失を生じるような具合に、コア領域が基本モードを伝播しかつビーム偏光を保持するように、構成される。

様々な実施形態で、より高次のモードの損失と基本モードの損失の比は、第１のクラッド領域の寸法を予め選ぶことによって実質的に最大にされることがある。少なくとも１つの実施形態では、モード閉込め損失の変化対第１クラッドが、その比を大きくし、または実質的に最大にすることがある。少なくとも１つの実施形態では、その寸法は第１クラッド領域の直径であることがある。

様々な実施形態は、ファイバ・レーザ、ファイバ増幅器、および／または伝送ファイバを利用する、レーザに基づいた材料処理システムを含むことがある。レーザ、増幅器、または伝送ファイバは、全ガラス大コアＬＣＦまたはＰＣＦを含むことがある。材料処理は、約１μｍから約２５０μｍの範囲のスポット・サイズで行われることがある。

いくつかの実施形態は、「全ガラス」設計または、少なくとも、バルク光学部品の数を減少させる構成を利用することがある。統合構成が、ファイバ・レーザ、ファイバ増幅器、またはファイバに基づいた伝送システムで利用されることがある。例えば、バルク光学部品は、エネルギーを大モード増幅器に結合するために必要でないことがある。単一モードまたは数モード入力ファイバは、光源からパルスを送り出すために大モード・ファイバに結合されることがある。入力ファイバのコアから大モード・ファイバに結合されるパワーが、突合せ結合で得られるものよりも実質的に大きくなるような方法で、大モード・ファイバと入力ファイバがつなぎ合わされることがある。例えば、接合中に、例えばファイバ端部を加熱するように１つまたは複数の電気アークを加えることによって、入力ファイバのコアが広げられることがある。さらに、入力ファイバの出力のモードが、大モード・ファイバのモードに実質的に整合されることがある。

いくつかの実施形態では、パワー結合は、結合損失を約３ｄＢ未満に制限するだけ十分に高いことがある。いくつかの実施形態では、パワー結合は、結合損失を約１．５ｄＢ未満に制限するだけ十分に高いことがある。

本発明の実施形態は、赤外、可視、および／または紫外波長を利用して金属、半導体、および誘電体材料をレーザに基づいて修正するシステムで使用されることがある。本明細書で説明されるファイバ、レーザ、および／または増幅器の実施形態は、レーザ・レーダ・システム、材料処理システム、電気通信システム、および多くの他のシステムで使用されることがある。

漏れチャネル光ファイバおよびパラメータすなわちピッチ∧、ホール直径ｄ、コア半径ρおよびファイバ直径２ρ₀を模式的に示す側面図および断面図である。例のファイバは、また、被覆と、ホールの向こうのクラッド領域とを含む。漏れチャネル・ファイバは、光学モードを誘導するための大きなエア・ホールを含むことがある。本発明の少なくとも１つの実施形態では、漏れチャネル・ファイバは、完全「全ガラス」設計で、第２のクラッド材料（エア・ホール以外の）として商業的に利用可能なフッ素添加シリカを含み、第２のクラッド材料と他のクラッド材料の間に小さな相対屈折率Δｃが生じている。（ガラス・クラッド特徴を使用することは、コア直径が同じであるがクラッド特徴がエア・ホールを含む場合と比べてより大きなクラッド特徴をもたらすことがある。） 漏れチャネル光ファイバおよびパラメータすなわちピッチ∧、ホール直径ｄ、コア半径ρおよびファイバ直径２ρ₀を模式的に示す側面図および断面図である。例のファイバは、また、被覆と、ホールの向こうのクラッド領域とを含む。漏れチャネル・ファイバは、光学モードを誘導するための大きなエア・ホールを含むことがある。本発明の少なくとも１つの実施形態では、漏れチャネル・ファイバは、完全「全ガラス」設計で、第２のクラッド材料（エア・ホール以外の）として商業的に利用可能なフッ素添加シリカを含み、第２のクラッド材料と他のクラッド材料の間に小さな相対屈折率Δｃが生じている。（ガラス・クラッド特徴を使用することは、コア直径が同じであるがクラッド特徴がエア・ホールを含む場合と比べてより大きなクラッド特徴をもたらすことがある。） 本発明の実施形態に対応して、イッテリビウム添加大コアおよび多材料クラッドを含むダブル・クラッド偏光保持（ＰＭ）ファイバを模式的に示す断面図である。 使用されることがある他のクラッド特徴の形を示す。様々な異なるクラッド特徴の断面が示されているが、クラッド特徴設計はこれらに限定されない。 図１Ｂと同様な例の漏れチャネル光ファイバの推定閉込め損失およびモード屈折率対ｄ／∧を示すグラフであり、クラッド特徴が配置されているクラッド材料は、直径が無限でありかつ被覆されていないと仮定された。相対屈折率差Δ_c（例えば、僅かな屈折率変化）は、Δ_c＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁で与えられ、ｎ₁は背景クラッド材料（シリカ）の屈折率であり、ｎ₂はホール中の材料の屈折率である。この例では、石英ガラスの屈折率は、１．０５μｍの例の設計波長で１．４４４であると仮定されており、溶融石英ガラスに関してΔ_c＝８．３×１０^-4である。このグラフは、５０μｍのコア直径を持つ漏れチャネル・ファイバの、１．０５μｍの波長での基本モードと第２モードの両方の閉込め損失およびモード屈折率を示す。 ホール中にフッ素添加シリカがあり５０μｍのコア直径で、ただし一定のｄ／∧＝０．６７５である場合に、ｎ₁＝１．４４４の溶融石英に関して、図２に対応する１．０５μｍの波長において、推定閉込め損失およびモード屈折率対相対屈折率差Δ_cを示すグラフである。 ５０μｍのコア直径を持つ図１の漏れチャネル・ファイバに関して、ｎ₁＝１．４４４の溶融石英とフッ素添加石英ガラス（ホールに取って代わる第２のクラッド材料）との相対屈折率差に対するｄ／∧の推定設計上限および下限（第１次およびより高次のモードの望ましい損失レベル、それぞれ０．１ｄＢ／ｍおよび１ｄＢ／ｍに基づいた）を、１．０５μｍの波長で示すグラフである。このグラフは、また、基本モードと第２モードのモード屈折率間の屈折率差Δｎの変化をΔｃの関数として示している。 曲げ半径に対する基本モードおよび第２モードの推定曲げ損失およびモード屈折率を示すグラフである。このグラフは、５０μｍのコア直径、ｄ／∧＝０．６７３、１．０５μｍの波長、および２つのガラス間の相対屈折率差Δ_c＝８．３×１０^-4を持っている漏れチャネル・ファイバに関して、２つの方向の曲がりのシミュレーション結果を示す。 １．０５μｍの波長で２つのガラス間の相対屈折率差Δ_c＝８．３×１０^-4を持つ漏れチャネル・ファイバに関して、コア直径に対するｄ／∧の設計の上限と下限およびΔｎの推定依存性を示すグラフである。 ４８．６μｍのコア直径、ｄ／∧＝０．８、および２つのガラス間の相対屈折率差Δ_c＝８．３×１０^-4を持つ製作された漏れチャネル・ファイバの断面を示す写真（顕微鏡像）である。 図７の製作された漏れチャネル・ファイバ（４８．６μｍのコア直径）を使用して２つの直交方向に沿って得られた測定モード・プロファイル（例えば、モードの「近視野」分布）を示す。 図７の製作された漏れファイバのいくつかの曲げ半径で得られた測定曲げ損失対曲げ半径およびそれらの測定値に基づいた曲線フィット性を示すグラフである。 １１０μｍのコア直径を持つ製作された漏れチャネル・ファイバを使用して、２つの直交方向に沿って得られた測定モード・プロファイル（例えば、モード「近視野」分布）を示す。 １１０μｍのコア直径を持つ図１０の製作された漏れチャネル・ファイバのいくつかの曲げ半径で得られた測定曲げ損失対曲げ半径およびそれらの測定値に基づいた曲線フィット性を示すグラフである。 非円形の形を持つ製作されたファイバの写真（顕微鏡像）であり、第２のクラッドのガラス特徴はほぼ回転対称である。 非円形の形および１５２μｍのコアを持ち、さらに高度に非回転対称（例えば、非円形）な６個の低屈折率クラッド特徴およびこれらの特徴の向こうのクラッド領域を含む他の製作されたファイバの写真（顕微鏡像）である。しかし、これらの特徴は、コアのまわりの回転対称路上に、例えばリングに沿って配置されている。 図１３Ａの製作されたファイバを使用して２つの直交方向に沿って得られた測定モード・プロファイル（モード「近視野」分布）を示す。 図１３Ａの製作されたファイバのいくつかの曲げ半径で得られた測定曲げ損失対曲げ半径およびそれらの測定値に基づいた曲線フィット性を示すグラフである。 非円形の形、１６８μｍのコアを持ち、非円形／高度非回転対称な６つの低屈折率クラッド特徴およびこれらの特徴の向こうのクラッド領域を含む他の製作されたファイバの写真である。（しかし、これらの特徴は、コアの周りの回転対称路に、例えばリングになって配置されている。） 図１４Ａの製作されたファイバを使用して２つの直交方向に沿って得られた測定モード・プロファイル（モード「近視野」分布）を示す。 推定閉込め損失およびモード屈折率対ファイバ直径を示すグラフである。２つの直交方向に対応する基本モードおよび第２次モードのプロファイルが、対応する変化を示すように重ね合わされている。 推定閉込め損失およびモード屈折率対ファイバ直径を示すグラフであり、ファイバ直径が変化するにつれて変化する損失および図１５の被覆と異なった被覆屈折率を示している。 推定閉込め損失およびモード屈折率対被覆屈折率を示すグラフである。 推定閉込め損失およびモード屈折率対波長を示すグラフである。 ３層（Ｎ＝３）の六角形状に配置されたホールを持つファイバを模式的に示す断面図と、ピッチ∧、ホール直径ｄ、およびコア半径ρの定義である。 基本モードおよび第２モードのシミュレートされた閉込め損失対ｄ／∧を示すグラフである。本発明の例の実施形態は、２または３層（Ｎ＝２、Ｎ＝３）のファイバを含むことがある。これらのグラフは、第２モードの損失の対応する第２次導関数を示す。この例では、Δｎ＝１．２×１０^-3およびλ／∧の規格化波長＝１０^-2である。 規格化波長λ／∧対ｄ／∧を示すグラフであり、エア・ホールおよび全ガラス・ファイバの単一モード動作の領域を示す。 実効モード屈折率対ファイバ直径を示すグラフであり、基本モード、第２次モード、いくつかのより高次のモード、および本明細書で「反交差点」と呼ばれる不連続を示す。いくつかの計算された例のモード・プロファイルも示されている。図２２Ａ〜２２Ｆは、図２２の計算された例のモード・プロファイルを示すより大きな図である。 閉込め損失およびモード屈折率対ファイバ直径を示すグラフであり、さらに反交差点における基本モードと第２次モードの相対的閉込め損失を示す。いくつかの計算された例のモード・プロファイルも示されている。図２３Ａ〜２３Ｄは、図２３の例のモード・プロファイルを示すより大きな図である。 閉込め損失および第２次モードと基本モードの損失比対波長を示すグラフである。いくつかの計算された例のモード・プロファイルも示されている。 図２４の例のモード・プロファイルを示すより大きな図である。 図２４の例のモード・プロファイルを示すより大きな図である。 製作された漏れモード・ファイバの性能を示すグラフである。いくつかの例のモード・プロファイルも示されている。２ｄＢ／ｍでの測定臨界曲げ半径が差込み図にプロットされている。図２５Ａおよび２５Ｂは、図２５の例のモード・プロファイルを示すより大きな図である。図２５Ｃは、２ｄＢ／ｍでの測定臨界曲げ半径を示す図２５の差込み図のより大きな図である。 ファイバ増幅器システム中の製作された光ファイバの性能を示すグラフである。図２６は、また、ファイバの断面および出力モードを示す。 図２６に示されたファイバの断面のより大きな図である。 図２６に示された出力モードのより大きな図である。 多モード励起源によって励起されるファイバ増幅器またはレーザで使用されることがある、希土類イオンを添加されたコアを含む大モード面積ファイバの実施形態を模式的に示す。 大モード面積ファイバ増幅器を利用する、レーザに基づいた材料処理システムの実施形態を模式的に示す。 図２６のファイバの測定された２次元屈折率プロファイルを示す３次元図であり、低屈折率特徴の近くでの屈折率の増加を示す。 ３層を持つ製作された全ガラスＬＣＦのいくつかの特性を示す。図２８Ａは、ファイバの断面を示す。 ３層を持つ製作された全ガラスＬＣＦのいくつかの特性を示す。図２８Ｂは、測定２次元屈折率プロファイルを示す。 ３層を持つ製作された全ガラスＬＣＦのいくつかの特性を示す。図２８Ｃは、７８０ｎｍから１１００ｎｍまでの範囲のいくつかの様々な波長で測定されたいくつかのモード・プロファイルを示す。 図２８ＡのＬＣＦと同じプリフォームから線引きされ製作されたファイバを使用していくつかの波長で得られたモード・フィールド測定を示す。 図２８Ｂの２次元屈折率プロファイルの一部分を示すグラフである。 ２層のクラッド特徴を持つ製作されたＬＣＦの断面を示す。ここで、ｄ／∧≒０．６である。 ２層のクラッド特徴を持つＬＣＦの基本モードおよび第２次モードの閉込め損失を示すグラフである。 不純物添加コアを持つ大コアＬＣＦおよび単一モード・ファイバの実施形態を模式的に示す、接合前の断面である。 接合後の図３３ＡのＬＣＦおよび単一モード・ファイバを模式的に示す断面であり、単一モード・ファイバの広がったモード・フィールドを模式的に示す。 クラッド特徴に対してＬＣＦ出力のモード・プロファイルを模式的に示し、基本コア・モードの伝播およびＬＣＦ導波を示す。 製作されたＬＣＦの出力を示す写真であり、ＬＣＦと単一モード・ファイバは、図３３Ｂに示されるように接合された。この写真は、クラッド特徴に対して基本コア・モードを示し、ＬＣＦ導波を実証している。

上で述べられたように、本発明の様々な実施形態は、単一モード・ファイバと大コア・ファイバを含む。

一般に、従来の単一モード・ファイバはだいたい、９μｍ未満のコア直径を持っている。従来のファイバは、コア直径がさらに大きな場合、より多くのモードをサポートする。

しかし、フォトニック結晶ファイバは、それの曲がる能力を犠牲にしてそのファイバの等価開口数を事実上減少させることによって、僅かにより大きなコア直径での単一モード動作を可能にすることができる。フォトニック結晶ファイバは、クラッド中にだいたい六角形配列になった大きなアレイのエア・ホールを含む。ホール・サイズが十分に小さい場合、フォトニック結晶ファイバは、また、全波長スペクトル（例えば、４５８ｎｍから１５５０ｎｍまで）にわたって単一モード光ファイバとして動作することができる。そのようなファイバは、エンドレス単一モード・ファイバと呼ばれることがある。例えば、Ｂｉｒｋｓ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２２巻、３号、１９９７年７月１日、９６１〜９６３頁を参照されたい。

漏れチャネル・ファイバ（ＬＣＦ）では、光学モードは、エア・ホールのような僅かしかない大きなクラッド特徴によって誘導される。エア・ホールは、より高次のモードから光エネルギーが漏れることを可能にする間隔を持つことがある。より高次のモードが漏洩されることで基本モードがサポートされることがある。

漏れモード・ファイバ、「ホーリー・ファイバ」、フォトニック結晶ファイバ、フォトニック・バンドギャップ・ファイバなどの態様および設計は、本発明の譲受人に譲渡された以下の開示で開示されている。すなわち、（ｉ）２００５年７月２１日に米国特許公開第２００５／０１５７９９８号として公開された「Ｌａｒｇｅ Ｃｏｒｅ Ｈｏｌｅｙ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の２００４年５月１３日に出願された米国特許出願第１０／８４４，９４３号、（ｉｉ）２００６年１１月２３日に米国特許公開第２００６／０２６３０２４号として公開された「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の２００５年５月３０日に出願された米国特許出願第１１／１３４，８５６号、（ｉｉｉ）２００６年８月３１日に米国特許公開第２００６／０１９３５８３号として公開され現在米国特許第７，２０９，６１９号である「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の２００５年１２月３０日に出願された米国特許出願第１１／３２３，１７７号。米国特許出願第１０／８４４，９４３号、１１／１３４，８５６号、および１１／３２３，１７７号（およびこれらの対応する公開）の開示は、それらの全体が参照して本明細書に組み込まれる。

フォトニック結晶ファイバと漏れチャネル・ファイバの両方の設計は、ガラス・マトリックス中のエア・ホールを使用し、空気とガラスの間の大きな屈折率差の恩恵を受けることがある。この屈折率差は、相対屈折率差Δ_c＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁として特徴付けられる。ここで、ｎ₁は、背景クラッド材料（第１のクラッド材料）の屈折率であり、ｎ₂は、ホール中の材料（第２のクラッド材料）の屈折率である。ファイバのホールと残り部分（他のクラッド材料）の間の大きな屈折率差が、単一モード動作のための高いモード閉込めおよび優れた曲げ損失性能（低曲げ損失）を可能にする。比較的大きな相対屈折率差Δ_cは、また、十分なモード・フィルタリングを可能にする。

しかし、長期の環境暴露からエア・ホールを密封するために、ファイバの２つの端部の小さな部分が、エア・ホールをつぶすように加熱される。これらの処理された端面は、しばしば、ファイバに沿った不均一なつぶれのために出力モード・パターンを歪ませる。また、エア・ホールのサイズは、ファイバ線引き中に、ホールの与圧、線引き温度、プリフォーム供給速度およびファイバ線引き速度の組合せによって制御される。このプロセスは、特に高い表面張力を持つ小さなエア・ホールの寸法が線引き条件に対して非常に敏感な大コア・フォトニック結晶ファイバの場合に、再現性を制限することがある。

本発明の実施形態は、一般に、漏れチャネル・ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、エンドレス単一モード・フォトニック結晶ファイバ、および他の設計の改善を可能にする。そのような改善は、製造上の有利点を含むことがある。

本明細書で説明される様々な実施形態で、クラッドは、第１のクラッド材料中に配置された第２の材料を少なくとも含むクラッド特徴を備える。（いくつかの実施形態では、２以上の材料がクラッド特徴に使用される。例えば、ある実施形態では、４つのフッ素添加シリカ特徴および２つのホウ素添加シリカ応力棒が使用される。）第１の材料は屈折率ｎ₁を持ち、第２の材料は屈折率ｎ₂を持っている。このファイバのある特性は、第１および第２の材料の相対屈折率の影響を受けることが知られている。

例えば、曲げ損失性能は、一般に、低相対屈折率差の場合に悪くなることが知られている。この傾向は、実験とシミュレーションで確認された。しかし、驚いたことには、モード・フィルタリングの著しい改善が低相対屈折率差の場合に達成され得るが、一方で、曲げ損失性能は依然として妥当なままであることも発見された。

そのような低屈折率差ファイバは、ガラス材料中に配置されたガラス・クラッド特徴を含むことがある。ガラス・クラッド特徴は、有利なことには、クラッド中にエア・ホールを製造することに関連した困難を無くするか、少なくとも軽減させる。その上、丸められた角を持つ六角形状断面は、ガラス・クラッド材料中に配置されたガラス・クラッド特徴を含むファイバに容易に形成される。六角形状断面を持つそのようなファイバは、六角形の側壁を少なくとも部分的に用いて励起光を誘導するように構成されたダブル・クラッド・ファイバの中を伝播する励起光をモード混合する際に有利点を示す。

減少した屈折率差を持つ製作されたファイバから得られたシミュレーション結果および測定は、多くの応用に関して十分なモード・フィルタリングおよび十分な曲げ損失性能と共に単一モード動作が達成可能であることを示す。ファイバの様々な実施形態は、一般に、ファイバの出力から放射されるエネルギーが低次モードに相当するように、より高次のモードの損失を生じるように構成される。例えば、ファイバは、基本モードに十分に近いモード・プロファイルを持つ出力を生成することがある。

本明細書で使用されるように、単一モードおよび多モード・ファイバは、伝統的な非ホーリー・ファイバに使用される定義で首尾一貫して定義される。伝統的なファイバにおいて、単一モードおよび多モード・ファイバは、一般に、Ｖ数の点から見て定義され、このＶ数は、ステップ屈折率ファイバの場合、π（開口数）（コア直径）／波長に等しい。非ステップ屈折率ファイバでは、開口数およびコア直径は、ステップ屈折率ファイバとしての相当値を用いて計算することができる（例えば、Ｍａｒｔｉｎｅｚ，Ｆ．、Ｈｕｓｅｙ，Ｃ．Ｄ．、「（Ｅ）ＥＳＩ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｍｏｄｅ−ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｒｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖ １３５、２０２〜２１０頁（１９８８年）を参照されたい）。Ｖ＜２．４の関係を満たすファイバでは、基本モードのパワーは、次のより高次のモードの光パワーよりもかなり大きい。代わりに、Ｖ＞２．４であるファイバでは、基本モードよりも上の少なくとも次のモードが、基本モードに比べてかなり大きなパワーを持つことがある。したがって、単一モードおよび多モードの伝統的なファイバは、Ｖ＜２．４およびＶ＞２．４の関係によってそれぞれ明確に定義される。Ｖ＝２．４は、最低次モード以外のどんなモードの伝播に関してもカットオフである。

ホーリー・ファイバでは、開口数は、コアとクラッドの屈折率の差によって知ることができる。しかし、ステップ屈折率ファイバとしての相当値であるコア直径は、計算するのが困難である。様々な文献（例えば、（１）Ｋｎｉｇｈｔ他、「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｅ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．ＡＭ．Ａ１５巻、７４８〜７５２頁（１９９８年）および（２）Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ他、「Ｍｏｄａｌ ｃｕｔｏｆｆ ａｎｄ ｔｈｅ Ｖ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２８巻、１８７９〜１８８１頁（２００３年）を参照されたい）は、コア直径がピッチまたはホール間の距離∧に等しくされた場合、そのとき、単一モード以外のどんなモードの伝播に対してもカットオフであるＶは、２．５（例えば、Ｋｎｉｇｈｔ他を参照されたい）およびπ（例えば、Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ他を参照されたい）である。本明細書で説明される様々な実施形態に関して、Ｖカットオフが２．４０５か２．５かπであるかどうかは重大でない。本明細書で説明されるホーリー・ファイバの様々な実施形態は、単一光学モードの伝播をサポートする従来の光ファイバで可能なものよりも遥かに大きなコア半径を持っている。したがって、われわれは、多モード・ファイバがＶ＞πの場合として定義されるこの技術分野の最近の研究を利用し、コア直径は、ファイバのピッチまたは平均ピッチに等しくされる。逆に、単一モード・ファイバは、本明細書では、Ｖ＜πであるファイバとして定義される。

ホーリー・ファイバは、特定のモードに対して損失を生じさせるように設計されることがある。ホール・サイズ、ブリッジ、ホールの数は、例えば、Ｖ＞πである多モード・ファイバでより高次のモードの伝播に対して損失を引き起こすように選ばれることがある。ホールの数の減少によって、より高次のモードの光は、コアに閉じ込められないことがあり、ファイバから漏れることがある。Ｖ＞πの多モード・ファイバに生じるそのような損失は、例えばファイバを曲げてより高次のモードの伝播に対して損失を生じさせることによって実現されるモード・フィルタリングを含む、πを超えるＶ数を持つ伝統的な非ホーリー・多モード・ファイバに似ている。（モード・フィルタは、例えば、「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の１９９８年１０月６日にＦｅｒｍａｎｎ他に発行された米国特許第５，８１８，６３０号に記載されている）。基本モードが、曲がった多モード・ファイバを伝播する唯一のモードであるように、基本モードよりも高次のモードの各々に対して損失を引き起こすために、十分な曲げが加えられることがある。同様に、約πを超えるＶ数を持つ多モード・ホーリー・ファイバは、より高次のモードの伝播が減衰するようにこれらのより高次のモードに対して損失を生じさせる設計を備えていることがある。モード・フィルタリングを実現するために、ファイバが曲げられる必要はない。

図１−ａおよび１−ｂは、漏れチャネル・ファイバを示す。例の光ファイバ１００は、クラッド特徴１０２、例えば６つのホール、によって囲繞されたコア１０１を含む。これらの特徴は、ｄの直径と、ピッチとも呼ばれる中心から中心までの間隔∧とを持っている。コアは、最も近いホール間の間隔２ρとして定義される直径を持っている。ファイバ直径は２ρ₀である。この例では、第１のクラッド領域１０３は、低屈折率クラッド特徴１０２の向こうに形成され、被覆１０４が付加されている。規格化されたホール直径ｄ／∧は、第２モードの漏れ損失が基本モードのそれよりもかなり大きくなるように選ばれる。このことは、この組み込みモード・フィルタリングを使用することによって、従来の光ファイバで可能であるよりも遥かに大きなコア直径で実効単一モード動作を可能にする。

図１ｂおよび１ｃは、クラッド特徴として円形のホールを模式的に示す。同様に、ファイバ直径２ρ₀が、例示の円形ファイバに関して示されている。以下の製作されたファイバの例から明らかになるように、クラッド特徴は非円形であることがあり、ファイバの形は少なくとも非円形部を含むことがある。例えば、いくつかの特徴またはクラッドの形は、六角形、八角形に近いことがあり、または、直線部および／または湾曲部を含んで回転非対称であることがある。いくつかの実施形態では、クラッドの形は、不規則で、はっきり定義された標準形でないことがある。

多角形の直径の１つの可能な定義は、任意の対の頂点間の最大距離であり、多角形の最も長い対角線に相当する。さらに、特徴寸法ｄに関して、特に違った風に指定されない限り、ｄ／２は、一般に、２つの最も近い隣り合うものの中心を結ぶ線に沿った特徴の中心から縁までの距離と見なされる。特徴の中心は、非円形または非対称の特徴に関して、「質量中心」または「重心」として計算されることがある。

例として、ファイバ直径の数値は、一般に、図１−ｂに示されるように第１のクラッド１０３の外縁に関係付けられ、このクラッド１０３は、また、いくつかの実施形態で励起ガイドとして利用されることがある。円形ファイバの例では、直径は２ρ₀である。この直径は、コア１０１の中心を通る線に沿った第１のクラッド１０３の外縁までの最大寸法である。

少なくとも１つの実施形態では、クラッド特徴１０２の少なくとも１つは、コア１０１か他のクラッド材料（例えば、第１のクラッド材料）１０３かのどちらかの屈折率よりも低い屈折率を持つ第２の材料ガラスから製作される。いくつかの実施形態は、クラッド特徴１０２とクラッド特徴が配置されている材料との両方がガラスを含む「全ガラス」設計を備える。

例えば、フッ素添加シリカ（クラッド特徴１０２に、全てエア・ホールでなくフッ素添加シリカまたは他の適切な材料が使用される）とクラッド特徴が配置されている他のクラッド材料との間に、非常に小さな相対屈折率差、例えばほぼ８．３×１０^-4のΔ_cが生じる。クラッド材料１０２（第２のクラッド）は、一般に、光ファイバ１０１のクラッド材料１０３（第１のクラッド）の屈折率よりも僅かに低い屈折率を持っている。驚いたことには、フォトニック結晶ファイバと漏れチャネル・ファイバの両方の低損失単一モード動作は、２つのクラッド材料間の相対屈折率差が７×１０^-3よりも実質的に小さい状態で起こることがある。いくつかの実施形態では、相対屈折率差Δ_cは、大コア・ファイバの場合にわずか２×１０^-4である。相対屈折率も同様により小さいことがある。いくつかの実施形態では、Δｃは約１×１０^-3未満、または約４．５×１０^-3未満であることがある。本明細書で説明されるファイバの実施形態では、相対屈折率は、１．０５μｍの公称波長で決定される。数値シミュレーションは、一般に、１．０５μｍの設計波長に基づいて行われたが、波長依存性が定量化され、弱いことが分かった。

さらに、全ガラス・フォトニック結晶ファイバ、エンドレス単一モード光ファイバおよび漏れチャネル・ファイバは、従来の光ファイバに匹敵する使用の容易さ並びに製造の容易さを可能にすることがある。上で説明されたように、そのような「全ガラス」・ファイバの有利点には、十分に低い曲げ損失、エア・ホールのないことによる製造された製品および性能の改善された再現性、および、例えば丸められた角を持って作られた六角形の形を容易に取るファイバ断面の形がある。

一般に、非常に小さな相対屈折率は、妥当な曲げ損失性能も実現しながら、単一モード動作のための十分なモード・フィルタリングを可能にする。より大きなΔ_cは優れたモード・フィルタリングおよび曲げ性能を意味するが、十分に小さな相対屈折率差は、単一モードおよび曲げ損失の制御を可能にする。また、上で説明されたように、第１の背景クラッド材料の屈折率とホールの中の第２のクラッド材料の屈折率との間の減少したまたは最小の有用屈折率差が、製造性および性能をかなり改善する。相対屈折率差Δ_c＝約８．３×１０^-4を持つフッ素添加シリカが前の設計で使用されたエア・ホールに取って代わる状態でいくつかの漏れチャネル・ファイバを製作して得られた結果が、以下に述べられている。製作された漏れチャネル・ファイバを備える実施形態は、多くの応用に十分な曲げ損失性能を生じるように決定された。

上で説明されたように、曲げ損失性能は、低相対屈折率差の場合に悪くなることが知られ、出願者の実験とシミュレーションで確認された。しかし、出願者は、低相対屈折率差を用いてモード・フィルタリングのかなりの改善を発見し、また曲げ損失性能が妥当であることを知った。この設計、例えば「全ガラス」設計は、クラッド特徴がエア・ホールを含む同等な漏れチャネル・ファイバと比較して改善されたモード・フィルタリングを可能にする。

はるかに小さな屈折率差を２つのクラッド材料間に持ついくつかの実施形態では、広く入手可能な高純度溶融石英ガラスが第１のクラッド・ガラス１０３として使用可能であり、一方で、フッ素または／およびホウ素を添加された他の高純度石英ガラスが第２のクラッド・ガラス１０２として使用可能である。フッ素およびホウ素の添加レベルが低い場合には、２つのクラッド材料は、優れた機械的、化学的、物理的および熱的共存可能性を持っている。商業的に利用可能なフッ素添加シリカが、ホール１０２の材料として使用されることがあり、高純度石英ガラスが第１のクラッド１０３の材料として使用されることがある。他の材料および設計も可能である。

図１ｃは、「全ガラス」設計の他の例、ダブル・クラッド偏光保持イッテルビウム添加大コア・ファイバである。（上で述べられたように、そのようなダブル・クラッド配列が非円形例えば六角形の断面を持つファイバに含まれるとき、励起混合が高められることがある。）コア１０１の内部のイッテルビウム添加領域１０５は、２ｄ₀の直径と、周囲のガラスにぴったり整合された屈折率とを持っている。２つの応力要素１０６は、周囲のガラスと実質的に異なる熱膨張係数および他の低屈折率特徴１０２の屈折率と異なる屈折率を持っている。応力要素１０６は、また、他の低屈折率特徴１０２と異なる寸法およびサイズを持っていることがある。応力要素１０６は、ホウ素添加石英ガラスから作ることができる。この例では、ガラス１０７は、励起用クラッドを実現する低屈折率ガラスであり、フッ素および／またはホウ素添加石英ガラスから作ることができる。

図１のファイバの組み立ては、一般に、漏れファイバ設計の組み立ての標準的な方法を用いて行われることがある。例えば、フッ素添加シリカの棒が、最初にシリカの管の中に挿入されて、所望の直径および所望の比のフッ素添加シリカと石英ガラスを持つステッキ状のものに引き伸ばされる。それから、このステッキ状のものは、ステッキ状のシリカと共に、所望の構成で六角形状のスタックに積み重ねられる。次に、このスタックはシリカの管の中に挿入されてファイバに線引きされる。非円形（例えば、六角形ファイバ）ファイバを製造するために、シリカの管内の真空が、時には低線引き温度と組み合わせて使用されることがある。イッテルビウム添加ファイバまたは／および偏光保持ファイバを作るために、イッテルビウム添加シリカの棒または／および応力棒が、時には、スタックの状態で使用されることがある。一般に、低相対屈折率「全ガラス」組み立ては、例えば、上で説明されたように漏れファイバの全体的な製造を簡単にすることがある。

図１−ｄは、使用されることがある他のクラッド特徴の形を示す。示されるように、クラッド特徴の断面は、円形の形に限定されない。図１−ｄは、いくつかの他の可能な形１２０〜１２７を示し、これらの形も使用することができる。したがって、クラッド特徴の構成、例えば、クラッド特徴の形、寸法、材料、屈折率などが変化することがある。その変化はクラッド特徴の周囲に限定されず、さらに内部の特徴および設計もまた含むことがある。例えば、図１−ｄの断面１２８、１３０および１３２は、含有物が埋め込まれている材料と異なった屈折率を持つ１つまたは複数のそんな含有物１２９、１３１および１３３を示す。なおその上、これらの内部特徴は、例えば、形、サイズ、配列、材料、屈折率などがさまざまであることがある。さらに他の設計が可能である。

図２〜１８は、様々なシミュレーション結果を示し、いくつかの製作されたファイバを測定および他の情報に基づいて特徴付けている。例えば、異なるジオメトリ、コア・サイズ、直径、および被覆を持つファイバが述べられる。図２〜６のグラフに対応する計算結果は、クラッド領域１０３が無限（例えば、無限大の直径）であり、かつ被覆１０４がないという仮定で得られた。いくつかの計算結果は、有限な直径および被覆屈折率の変化の効果を実証している。また、シミュレーションは、一般に、１．０５μｍの設計波長に基づいて行われたが、波長依存性が定量化され、弱いことが分かった。通常の製造公差のために実際にはいくらか変化することがある、設計波長に近い一般的な値の屈折率ｎ＝１．４４４を、溶融石英ガラスは持つものと仮定されている。製作されたファイバおよび測定されたモード・プロファイルを示す例もまた含まれる。

図２は、１．０５μｍの波長において、５０μｍのコア直径を持つ漏れチャネル・ファイバでの基本モードおよび第２次モードの閉込め損失およびモード屈折率を示す。石英ガラスの屈折率は、１．４４４であると仮定されている。シリカよりも低い相対屈折率差Δ_c＝８．３×１０^-4を持つ商業的に利用可能なフッ素添加シリカが、６つのクラッド特徴に使用されている。曲線２０１、２０２、２０３および２０４は、それぞれ、基本モードの閉込め損失、第２モードの閉込め損失、基本モードのモード屈折率、および第２モードのモード屈折率である。閉込め損失２０１および２０２が、様々な規格化ホール直径ｄ／∧に対してプロットされている。閉込め損失は小さなクラッド特徴直径の方に向かって増加し、第２モードの閉込め損失、曲線２０２は、ｄＢ／ｍで表されたとき、基本モードの閉込め損失、曲線２０１のおおよそ２７倍であることが分かり、驚いたことには、Δ_c＝８．３×１０^-4という小さな相対屈折率差が組み込みモード・フィルタリングのレベルを損なわないことを示している。規格化ホール直径ｄ／∧の下限２０５を見つけるために０．１ｄＢ／ｍという最大基本モード損失が使用され、規格化ホール直径ｄ／∧の上限２０６を見つけるために１ｄＢ／ｍという最小第２モード損失が使用された。

図３は、１．０５μｍの波長において、５０μｍコア直径およびｄ／∧＝０．６７５を持つ漏れチャネル・ファイバに関して、ｎ＝１．４４４の溶融石英とホール中のガラス（クラッド特徴）の屈折率差への閉込め損失およびモード屈折率の依存性を示す。曲線３０１、３０２、３０３および３０４は、それぞれ、基本モードの閉込め損失、第２モードの閉込め損失、基本モードのモード屈折率、および第２モードのモード屈折率である。閉込め損失は、屈折率差の減少と共に増加している。

図４は、１．０５μｍの波長において、５０μｍのコア直径を持つ漏れチャネル・ファイバに関して、ｎ＝１．４４４の溶融石英とホール中のガラス（クラッド特徴）の屈折率差への、ｄ／∧の設計の上限および下限の依存性を示す。規格化ホール直径ｄ／∧の下限を見つけるために０．１ｄＢ／ｍという最大基本モード損失が使用され、規格化ホール直径ｄ／∧の上限を見つけるために１ｄＢ／ｍという最小第２モード損失が使用された。曲線４０１、４０２および４０３は、それぞれ、規格化ホール直径ｄ／∧の下限、規格化ホール直径ｄ／∧の上限、および基本モードと第２モードのモード屈折率間の屈折率差Δｎである。設計の上限および下限のホール直径がより小さな相対屈折率差の方に向かって増加するほかに、設計スペースがまた小さな相対屈折率差の方に向かってしだいに小さくなっているが、設計スペースは、この例では、わずかΔ_c＝３．５×１０^-4くらいの相対屈折率差で依然として利用可能である。

図５は、５０μｍのコア直径、ｄ／∧＝０．６７３、１．０５μｍの波長および相対屈折率差Δ_c＝８．３×１０^-4を有する漏れチャネル・ファイバに関して、曲がりの２つの方向に対応した基本モードおよび第２モードの曲げ損失を示す。ＡＡ曲げ方向５０１は、曲げ面が２つのクラッド特徴の中心を横切るときである。ＢＢ曲げ方向５０２は、曲げ面がクラッド特徴を横切らないときである。曲線５０３、５０４、５０５、５０６、５０７および５０８は、それぞれ、ＡＡ曲げ方向に対応した基本モードの損失、ＢＢ曲げ方向に対応した基本モードの損失、ＡＡ曲げ方向に対応した第２モードの損失、ＢＢ曲げ方向に対応した第２モードの損失、基本モードのモード屈折率および第２モードのモード屈折率である。損失は、臨界曲げ半径より上でゆるやかに変化し、臨界曲げ半径より下で非常に急速に増加することが、基本モードおよび第２モードの損失曲線５０３、５０４、５０５および５０６から分かる。第２モードは、基本モードに比べてより大きな臨界曲げ半径を持っている。第２モードの臨界曲げ半径より下でかつ基本モードの臨界曲げ半径より上のコイル半径で動作するとき、極端に高い第２モード損失および同時に低い基本モード損失が得られることがある。

図６は、１．０５μｍの波長において、相対屈折率差Δ_c＝８．３×１０^-4を持つ漏れチャネル・ファイバに関して、ｄ／∧の設計の上限および下限のコア直径への依存性を示す。曲線６０１、６０２および６０３は、規格化クラッド特徴直径ｄ／∧の下限、規格化クラッド特徴直径ｄ／∧の上限、および基本モードと第２モードのモード屈折率間の屈折率差Δｎである。図４の例のように、規格化ホール直径ｄ／∧の下限を見つけるために０．１ｄＢ／ｍという最大基本モード損失が使用され、規格化ホール直径ｄ／∧の上限を見つけるために１ｄＢ／ｍという最小第２モード損失が使用された。設計スペースのｄ／∧の下限および上限は、大コア直径に対して、小さなクラッド特徴直径に向かう傾向があることが分かる。大きなクラッド特徴は、小さなコア直径に使用される。この構成では相対クラッド特徴直径は一般に１に近づくことができるだけであるので、設計スペースは、ほぼ２４μｍ未満のコア直径では存在しなくなる。

図６の設計限界は、真っ直ぐなファイバに関するものである。実際の場合にはぐるぐる巻きが使用されることが多いので、図６の設計スペースは、ファイバがより良い曲げ性能を示すように僅かにより大きなｄ／∧の方へ動かされることが多い。また、例えば所定の性能のための「限界」が本明細書で述べられているが、ある実施形態は、例えば、異なる性能が求められるとき、または他の理由のために、これらの限界を超えた状態になることがある。

図７は、４８．６μｍのコア直径、ｄ／∧＝０．８を持つ製作された漏れチャネル・ファイバの断面を示す写真（顕微鏡像）である。ファイバの実効面積は約１３４０μｍ²である。クラッド特徴はフッ素添加シリカを含み、クラッド特徴を囲繞する材料は、フッ素のない石英ガラスを含む。ガラスのこの組合せは、相対屈折率差Δ_c＝８．３×１０^-4をもたらす。プリフォームは、相対クラッド特徴直径ｄ／∧＝０．８を与えるようにシリカの棒を積み重ね（フッ素添加シリカの棒の上へシリカの管をつぶすことによって作られた６つの棒）、次に、引き伸ばしてより小さなステッキ状のものにすることによって、作られた。２つのファイバが、２４４μｍおよび５５２μｍの直径で線引きされて、それぞれ、約１３４０μｍ²の実効面積を持つ４８．６μｍのコア直径と約５９４０μｍ²の実効面積を持つ１１０μｍのコア直径を生じた。４８．６μｍのコア直径を持つ製作された漏れチャネル・ファイバ７００の断面が図７に示され、コア７０１は、６つの低屈折率フッ素添加シリカ領域７０２によって実質的に囲繞されており、７０３は、低屈折率クラッド特徴の向こうのクラッド領域である。

図８は、ファイバ７００の出力の測定された近視野モード・パターン８００を示す。水平および垂直方向に沿ったモード・プロファイルが、また、８０１および８０２でそれぞれ示されている。

図９は、ファイバ７００を様々な直径のコイルにぐるぐる巻きながらファイバ７００の出力を測定することによって得られた曲げ損失９０１を示す。曲線９００は、測定データ９０１へのフィット性である。ファイバ７００は、例えば、かなり大きな損失を招くことなしに３０ｃｍ直径のコイルにぐるぐる巻くことができる。

図１０は、１１０μｍの直径を持つファイバの出力から測定された近視野モード・パターンを示す。垂直および水平軸に沿ったモード・プロファイルが、１００１および１００２でそれぞれ示されている。この場合、ほぼ７メートルのファイバが、測定のために、ただ１つのほぼ２メートルのコイル直径にぐるぐる巻かれた。

図１１は、図１０のファイバの測定曲げ損失１１００を、測定データ１１００へのフィット性１１０１と共に示す。この例の最小曲げ半径は、約６０ｃｍである。

さらなるシミュレーション結果および測定結果が、非円形の形、異なる直径、被覆有り、および他の変化を持つファイバに対応して得られた。

図１２は、非円形のほぼ六角形の形を持つ他の製作されたファイバ１２００を示す。図１２に示されたファイバ１２００の断面は、丸められた角が間にある６つの辺を持っている。この六角形のジオメトリは、ダブル・クラッド・ファイバ中での励起モード混合を助長する。コア１２０１および低屈折率特徴１２０２は、また、非円形でほぼ六角形である。クラッド領域１２０３は、低屈折率クラッド特徴１２０２の向こうに広がっている。

六角形の外形を持つが丸められた角のある図１２のファイバ１２００を、図７のファイバ７００の円形ジオメトリと対比する。上で説明されたように、ファイバ１２００の丸められた角を持つこの六角形の形は、ファイバの外形が励起ガイドを形成するダブル・クラッド・構成での励起モード混合に有益である。例のプリフォーム製作プロセスにおいて、フッ素添加された棒とシリカの棒が所望の構成にある状態で六角形スタックが形成される。このスタックは、より大きなシリカの管の中に挿入する前に、高温の炉の中でその長さに沿って僅かに溶かされる。ファイバ線引き中に、外側管の内部で僅かな真空が使用される。この真空は、ファイバおよび特徴の六角形の形を形成するのを助けるのに十分である。いくつかの実施形態では、−１．２７ｃｍＨｇ（−０．５ｉｎＨｇ）から−７．６２ｃｍＨｇ（−３ｉｎＨｇ）の真空が、摂氏２０００度の線引き温度で使用されることがある。線引き温度の適切な調整を行えば、より低いおよびより高い真空も同様な結果をもたらすと思われる。

図１３ａは、端面図に相当し、かなり大きな境界変形のある非円形の形および非回転対称（例えば、非円形）な低屈折率特徴を持つ他のファイバ１３００を示す。しかし、これらの特徴は、コアのまわりの回転対称路上に、例えばリングに沿って配置されている。ファイバ１３００は、小さなくぼみのある６つの側面とその間の丸められた角を持っている。製作されたファイバ１３００は、側面と側面の間の距離として定義される１５２μｍの直径を持つコア１３０１を含む。ファイバは、また、円形でない６つの低屈折率特徴１３０２並びにこれらの低屈折率特徴の向こうのクラッド領域１３０３を持っている。この形は、励起混合を高めるのに有用である。上で説明されたように、円形断面を持つファイバでは、ファイバの不純物添加された中心を避けるスキュー光線がファイバの中を伝播することがある。円形状断面からのずれは、利得媒体を添加されたファイバの中心を通過する光線の数を増し、それによって励起の効率を高めることができる。

図１３ｂは、ファイバ１３００の測定された近視野モード・プロファイル１３１０を、垂直および水平方向に沿ったモード・プロファイル１３１１および１３１２それぞれと共に示す。このモードは、１．４の測定されたＭ²を持っている。不十分なモード・フィルタリングが、減少したビーム品質の原因である可能性がある。ほぼ７メートルのファイバが、測定のために図１０のように、ただ１つのほぼ２メートルのコイル直径にぐるぐる巻かれた。

図１３−ｃは、曲げ損失を示す。曲線１３２０は、ファイバ１３００について測定された曲げ損失である。ファイバは、著しい曲げ損失の犠牲なしに０．５ｍの曲げ半径まで曲げることができる。

図１４ａは、端面図に相当し、他の製作されたファイバを示す。製作されたファイバ１４００は、１６８μｍの直径のコア１４０１を持っている。６つの低屈折率特徴１４０２並びにこれらの低屈折率特徴の向こうの領域１４０３がある。このファイバ１４００は、また、かなり大きな境界変形のある非円形の形および非回転対称（例えば、非円形）の低屈折率特徴を持っている。しかし、これらの特徴は、コアのまわりの回転対称路上に、例えばリングに沿って配置されている。ファイバ１４００は、小さなくぼみのある６つの側面とその間の丸められた角を持っている。この形は、また、励起混合を高めるのに有用である。

図１４ｂは、ファイバ１４００から測定された近視野モード・パターン１４１０を示す。１４１１および１４１２は、垂直および水平方向にそれぞれ沿ったモード・プロファイルである。実効モード面積はほぼ１３，９００μｍ²である。このモードは、理論的限界に近い１．１２の測定Ｍ²値を持っている。長さがほぼ０．９メートルの真っ直ぐなファイバが使用された。

図１５は、推定閉込め損失およびモード屈折率対ファイバ直径を示すグラフである。２つの直交方向に対応する基本モードおよび第２次モードのプロファイルが、対応する変化を示すように重ね合わされている。これらのグラフは、計算された基本損失１５００、基本モード屈折率１５０１、第２次モード損失１５０２および第２次モード屈折率１５０３を示す。曲線１５０４、１５０５、１５０６および１５０７は、それぞれ１７９μｍ、２０７．５μｍ、２５１．５μｍ、および２５９μｍのファイバ直径に関してそれぞれ実線と点線の水平および垂直方向に沿った基本モード・プロファイルである。曲線１５０８、１５０９および１５１０は、それぞれ１９６．５μｍ、２１０μｍ、および２４７．５μｍのファイバ直径についてそれぞれ実線と点線の水平および垂直方向に沿った第２次モード・プロファイルである。１．５４の被覆屈折率が仮定されている。非円形ファイバでは、１５００および１５０２のピークは広がると思われる。

この計算は、基本モードと第２次モードの両方の損失がファイバ直径によって変化することを実証している。ある直径で、モードは、ファイバの中心により多く閉じ込められて（１５０５および１５０９で示される）低損失を示す。一方で、ある他の直径で、モードは、中心にあまり閉じ込められず（例えば、基本モードでは１５０４、１５０６、１５０７）より高い損失を示す。

直径の選択が損失に影響を及ぼすことがあるので、第２次モードに対してより高い損失を生じかつ基本モードに対してより低い損失を生じる直径で、または生じるように選ばれた直径で、または生じるように最適化（または、ほぼそのように）された直径で、動作することが有益である可能性がある。

図１６は、推定閉込め損失およびモード屈折率対ファイバ直径をさらに示すグラフであり、ファイバ直径が変化するにつれて変化する損失を示している。図１６は、計算された基本損失１６００、基本モード屈折率１６０１、第２次モード損失１６０２および第２モード屈折率１６０３を示す。ファイバ直径が変化するとき、損失は基本モードと第２モードの両方について変化する。解析のために、ｎ₀＝１．３７＋ｊ^*１０^-8という複素被覆屈折率が仮定された。

図１７は、推定閉込め損失およびモード屈折率対被覆屈折率を示すグラフである。図１７は、計算された基本モード損失１７００、基本モード屈折率１７０１、第２次モード損失１７０２および第２次モード屈折率１７０３対被覆屈折率ｎ₀を示している。もう一度、虚数部分１０^-8を持つ損失の多い被覆が使用された。２４７μｍのファイバ直径が仮定されている。線１７０４は、被覆が、クラッド特徴を囲繞しかつ１．４４４の屈折率のガラスを含む第２のクラッド材料に整合されていることに対応する。線１７０５および１７０６は、それぞれ、被覆屈折率が、クラッド特徴を囲繞しかつガラスを含む第２のクラッド材料に整合されているときの、基本モードおよび第２次モード損失のレベルである。第２次モードと基本モードの間の差損失は、被覆屈折率がクラッド特徴を囲繞するガラスの屈折率と異なっている場合の動作時に遥かに大きいことが分かる。

図１８は、推定閉込め損失およびモード屈折率対波長を示すグラフである。異なる波長に対して計算された基本モード損失１８００、基本モード屈折率１８０１、第２次モード損失１８０２および第２次モード屈折率１８０３は、実用的なファイバを実現することを可能するであろう弱い波長依存性を示している。ここで、ｎ₀＝１．５４であり、ファイバ直径は２４７μｍである。

本発明のいくつかの実施形態は、漏れチャネル・ファイバのほかにフォトニック結晶ファイバを含むことがある。フォトニック結晶ファイバは、Ｂｉｒｋｓ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２２巻、３号、１９９７年７月１日、９６１〜９６３頁に述べられている。

フォトニック結晶ファイバの１つの応用は、エンドレス単一モード・ファイバを設計するためであり、エンドレス単一モード・ファイバでは、単一モード動作が広い範囲の波長にわたって達成される（例えば、４５８ｎｍから１５５０ｎｍまでの波長範囲などの５００ｎｍを超えるまたは１０００ｎｍを超える波長範囲）。これは、相対ホール直径を０．４０６未満に限定することによって達成される。この領域では、より短い波長でより多くの光がガラス中にあり（ホールに対して）、したがって実効クラッド屈折率がより高いことを、実験が実証している。したがって、波長が短くなるとき、ファイバの実効ＮＡが減少する。そのようなフォトニック結晶ファイバのこの分散は、有利なことに、ファイバの単一モード動作をより短い波長に広げるために使用することができる。

特に、この分散は、古典的な単一モード・ファイバがより短い波長で多モードになる古典的なファイバの傾向と逆である。例えば、Ｖ数は、波長に反比例する。したがって、波長が減少するにつれて、Ｖ数は大きくなり、２．４０５を超えるが、２．４０５では、従来のファイバはこれらのより小さな波長で多モードである。

小さなホールのあるフォトニック結晶ファイバでは、実効クラッド屈折率はより小さな波長で大きくなり、より多くの光が背景ガラス中に集められるようになる（クラッド特徴に対して）。この分散は、そうでなければ単一モード動作の範囲をより高い波長に限定するＶ数の波長への逆依存性、を補償する。したがって、これらのフォトニック結晶ファイバにおけるクラッド屈折率のこの分散性は、ファイバの単一モード動作をより短い波長に広げ、エンドレス単一モード動作を可能にするが、これは従来の単一モード・ファイバで可能でない。

単一モード動作を可能にすることに加えて、フォトニック結晶ファイバは、また、大コア単一モード・ファイバを形成することができる。これは、クラッド中のエア・ホール直径を制御することによって非常に小さなファイバ開口数（ＮＡ）を達成するフォトニック結晶ファイバの能力によっている。クラッドは、実効屈折率が空気充填率および波長によって決定される複合物である。したがって、エア・ホールの設計、例えばサイズおよび密度によって、実効屈折率および開口数の制御が行われる。

フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）および漏れチャネル・ファイバ（ＬＣＦ）は、差別化要素としてホールの数を持っている。ＰＣＦは一般に多数のホールを持ち、層（例えば、リング）の数は一般にＮ≧３である。ＰＣＦは、また、ＬＣＦよりも小さなホールを持つことがある。

Ｎ＝３のファイバ１９００の例が図１９に示されており、このファイバは、３つのリングまたは層を含む六角形パターンで配列されたエア・ホール１９０２のアレイによって囲繞されたコア１９０１を持っている。また、ホール直径ｄ、ピッチ∧とも呼ばれる中心間距離、およびコア直径２ρが示されている。

本発明のいくつかの実施形態は、エンドレス単一モード・ファイバ・構成か大コア・ファイバ・構成かのどちらか、あるいはそれらの両方に「全ガラス」（例えば、ガラス・マトリックス材料中に配置されたガラス・クラッド特徴）を実質的に含むことがあり、ガラス特徴１９０２（エア・ホールでなく）は、ガラス・クラッド特徴が配置されている材料の相対屈折率と比べて、またはファイバの残り部分と比較して、非常に低い相対屈折率差を持っている。以下で述べられるように、わずか８．３×１０^-4くらいの、ことによるともっと低い相対屈折率差が、これらのファイバを実現するために使用されることがある。全ガラス・エンドレス単一モード・ファイバおよび大コア・フォトニック結晶ファイバを含む様々な実施形態の設計指針が、本明細書で提供される。

単一モード動作領域を解析するために、第２次モードのカットオフを調べることができる。従来のファイバでは、第２モードのカットオフは、適切に定められたＶ値の数、例えばステップ屈折率ファイバではＶ＝２．４０５、によって容易に得ることができる。物理的には、これは、第２モードの全内部反射条件がちょうど満たされなくなる遷移点である。複合クラッドを持つフォトニック結晶ファイバでは、この点は、同じように容易に定められないことがある。

以前の研究は、エア・ホール型フォトニック結晶ファイバのモード・カットオフを解析した。初期の解析は、ファイバの実効モード面積の遷移を調べて第２モードがコア中にもはや実質的に拘束されなくなる遷移点を探すことによって、行われた（Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１０巻、３４１〜３４８頁、２００２年）。Ｋｕｈｌｍｅｙ他（Ｋｕｈｌｍｅｙ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１０巻、１２８５〜１２９０頁、２００２年）は、もっとはっきりした遷移点が第２モードの閉込め損失にあることを見出した。この遷移点は、第２モード閉込め損失の第２次導関数のピークを探すことによって正確に突き止めることができる。

図２０は、λ／∧＝１０^-2で相対屈折率差Δｃ＝８．３×１０^-4のファイバの第２モード・カットオフを突き止めるこのプロセスを示す。曲線２００１、２００２、２００３、２００４、２００５、および２００６は、それぞれ、２層ファイバ中の第２モードの閉込め損失、２層ファイバ中の基本モードの閉込め損失、２層ファイバ中の第２モード損失の第２次導関数、３層ファイバ中の第２モードの閉込め損失、３層ファイバ中の基本モードの閉込め損失、および３層ファイバ中の第２モード損失の第２次導関数である。ｄ／∧への強い依存性、すなわち局部拘束領域から緩やかな依存性、すなわち非局在モードへの第２モード損失の遷移点が、曲線２００１および２００４で示されている。この点は、Ｎ＝２の場合に曲線２００３およびＮ＝３の場合に曲線２００６のピークによって突き止められる。使用される層の数は、遷移点の位置に影響を与えないが、第２モード損失の第２次導関数のピークを狭くする。絶対的な損失は、より多くの層を持つファイバでいっそう少なくなる。対照的に、モードが局在化されなくなるにつれて、モードは、微小な曲げおよび巨大な曲げのような摂動に対してより敏感になり、このことが実際のファイバでモードを急速に減衰させる。

Ｋｕｈｌｍｅｙの結果（Ｋｕｈｌｍｅｙ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１０巻、１２８５〜１２９０頁、２００２年）が、図２１に曲線２１０１で示されている。第２モードは、曲線２１０１の左の方では事実上カットオフであろう。エア・ホール型フォトニック結晶ファイバのエンドレス単一モード動作は、ｄ／∧＜０．４０６の場合に当てはまる。曲線２１００は、Δ_c＝８．３×１０^-4の相対屈折率差の場合の第２モード・カットオフである。図２１の上部は、λ／∧が大きな小さなコア直径に関するものであり、一方で、図２１の下部は、λ／∧が小さな大きなコアに関するものである。図２１から理解できるように、エンドレス単一モード動作は、ｄ／∧＜０．４２５でΔ_c＝８．３×１０^-4の場合に達成することができる。大コア領域、図２１の下部では、曲線２１００および２１０１は近接しているが、小コア領域、図２１の上部では、曲線２１００は、より大きなｄ／∧の方へより多く動いている。ある小さなコア直径、すなわちλ／∧＞９．１７×１０^-2では、すべてのｄ／∧について単一モード動作を達成することができる。

計算された第２モード・カットオフは、相対屈折率差Δ_c＝８．３×１０^-4に対応する。Δ_c＝８．３×１０^-4よりも大きな相対屈折率差での第２モード・カットオフは、曲線２１００と２１０１の間に入り、Δ_c＝８．３×１０^-4よりも小さな相対屈折率差での第２モード・カットオフは、曲線２１００より下になるだろう。

単一モード動作をフォトニック結晶ファイバで達成することができ、フォトニック結晶ファイバは、多くの周期的なクラッド特徴を含む大きなクラッドを持っているが、より小さなｄ／∧によるより悪い曲げ性能という犠牲を払っている。他方で、ほんの少数のクラッド特徴、例えば１から３層のホールを必要とする漏れチャネル・ファイバは、十分なレベルのモード・フィルタリングと共により優れた曲げ性能を実現することができる。

さらに、コアは、ただ１つのホールでなく六角形配列の中のもっと多くのホール、例えば７つのホール、を省くことによって、図１９のように形成することができる。（例えば、Ｌｉｍｐｅｒｔ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１４巻、２７１５〜２７２０頁、２００６年およびＳｃｈｒｅｉｂｅｒ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１３巻、７６２２〜７６３０頁、２００５年を参照されたい）。おおよそｄ／∧＜０．２５の小さなホール・サイズが、いくつかの実施形態で設計に使用される。低屈折率差を用いた同様な全ガラス設計がまた可能であるが、エア・ホールの場合に使用されるものよりも僅かに大きなホールをことによると含むかもしれない。

ファイバの曲がる能力は、コア直径がより大きくなるときいっそう悪くなる。ある実施形態では、２ρ＞１００μｍでは、例えば＞１ｍの大きな曲げ直径が使用されることになる。これらのファイバを組み込んだ増幅器は、高濃度不純物添加コアを持つ１メートル未満の短い長さの真っ直ぐなファイバと共に使用するために、主に、設計される。これによって、直線またはほぼ直線の構成がこの寸法を実用的なものにすることができる。いくつかの場合、ファイバは、直径が０．３ｍｍから数ｍｍの短い棒の形を取ることがある。漏れチャネル・ファイバは、十分なモード・フィルタリングを実現して真っ直ぐな場合に動作するように設計されることがある。これは、クラッド特徴の直径を小さくすることによって行われることがあり、結果としてより小さな値の比ｄ／∧になる。

上の例では、シリカおよびフッ素添加ガラスが、第１のクラッド材料および第２のクラッド材料としてそれぞれ使用されたが、フッ素およびホウ素のようなドーパントまたはドーパントの組合せを石英ガラスに添加することで、５×１０^-3までの相対屈折率差を得ることができる。

いくつかの実施形態では、シリカを第１および第２の材料に使用することができるが、これらの材料のただ１つだけが不純物添加されることがあり、例えば不純物添加シリカを含むことがある。様々な実施形態で、例えば、クラッド特徴は不純物添加され、それで、クラッド特徴が配置されている背景クラッド材料よりも低い屈折率を持っている。

他の実施形態では、特徴を不純物添加されない例えばシリカにしながら、背景材料には、例えば、ゲルマニウム、燐、錫、チタンなどの組合せが添加される。屈折率差が生じるように背景材料とクラッド特徴の両方に不純物添加することもできる。他の実施形態では、不純物添加シリカが、第１および第２の材料に使用されるが、第１および第２の材料に対して異なるドーパントまたはドーパント・レベルで使用されることがある。

例えば、３％くらいの相対屈折率差を達成するために、ゲルマニウムまたは／および燐添加石英ガラスが第１のクラッド材料として使用されることがあり、またはフッ素または／およびホウ素添加石英ガラスが第２のクラッド材料に使用されることがある。これらのガラスは、気相堆積技術を用いて高純度であるように作ることができ、物理的、機械的、化学的、および熱的に共存可能である。

他の石英ガラスも使用されることがある。その上、燐酸塩ガラス、亜テルル酸塩ガラス、カルコゲナイド・ガラス、ビスマス・ガラス、フルオリド・ガラス、その他などの他の非石英ガラスもまた、低相対屈折率差の設計を実現するために使用されることがある。いくつかの例では、僅かにより低い屈折率を持つ同じガラスの僅かに修正されたものが、優れた共存可能性を達成するために第２のクラッド材料として使用されることがある。他の材料も使用されることがある。

大コア・ファイバを実現するために本明細書に示された好ましい実施形態は、低屈折率差のクラッド特徴を含む。はるかに大きな屈折率差を持つ特徴が、特徴がエア・ホールである場合のように機能することは、注目するだけの価値がある。

追加のＬＣＦ特性、シミュレーション、および実施形態
図１５〜１８は、閉込め損失対ファイバ直径、被覆屈折率、および波長を示す例を図示している。直径の選択が損失に影響を及ぼす可能性があること、および、第２次モードに対するより高い損失と基本モードに対するより低い損失の両方を生じるように（または、ほぼそのように）直径が最適化されている状態での動作が有益である可能性があること、が開示された。有限なファイバ直径、ファイバ直径の相対的変化、光ファイバの被覆、および波長が、また、様々なやり方でモード・プロファイルに影響を及ぼす可能性がある。

ファイバを被覆するために様々な適切な代替え品が利用可能であるが、一般に使用される被覆は、高屈折率重合体被覆か低屈折率被覆かのどちらかである。高屈折率重合体被覆は一般に標準的な光ファイバに使用されるが、低屈折率被覆は、低屈折率被覆とクラッド領域１０３の間の界面での全内部反射が励起ガイド動作を可能にする状態で、多モード励起をサポートするダブル・クラッド・ファイバを形成するために使用される。

元へ戻って図１−ｂのＬＣＦを参照して、６つの低屈折率特徴１０２によって形成されたコアと、これらの６つの低屈折率特徴の向こうの第１のクラッド領域１０３との間に強い光学的結合が存在する可能性がある。

どんな特定の理論にも与することなく、被覆１０４が含まれた状態でファイバ性能をさらに解析することは得るところが大きい。高屈折率または低屈折率被覆の選択がモードの伝播特性に影響を及ぼす。様々な実施形態は、高いピーク・パワーまたは平均パワーを生成するために、利得ファイバとしてＬＣＦを利用することがある。大パワー多モード励起は、一般に、ダブル・クラッド・ファイバと組み合わせて使用されることがある。

再び図１−ｂを参照して、ＬＣＦ利得ファイバの例は、被覆１０４が低屈折率重合体被覆であるＬＣＦ１００であり、多モード励起は、クラッド１０３と低屈折率被覆１０４の間の界面での全内部反射によって誘導される。単一空間モード・レーザ・ビームが、コア１０１の中で誘導され、そのコアの少なくとも一部が活性イオンを添加されている。

被覆されたファイバを考えるとき、そのようなダブル・クラッドＬＣＦで多くのモードが誘導される。図２２は、２ρ＝５０μｍ、ｄ／∧＝０．７、Δｎ＝１．２×１０^-3、およびｎ_被覆＝１．３７であるＬＣＦについて、計算されたより低次のモードのいくつかを示し、これらの結果は、ファイバ外径を変えることによって得られた。また、背景石英ガラスの分散屈折率は、λ＝１．０５μｍで、標準的な実験式を使ってシミュレートされた。

上で指摘され、図１５〜１８に示されたように、直径の選択は、また、基本モードおよびより高次のモードの閉込め損失にかなり大きな影響を及ぼすことがある。基本コア・モードは線２２０１（図２２において実質的に水平である）によって、第２コア・モードは線２２０２によってそれぞれ表され、第２コア・モードに対応する線２２０２は様々なファイバ直径で顕著な不連続を示している。同様な不連続は、線２２０１に関係したその部分に沿って起こるが、はっきり識別することができない。全てのその他のモードは、事実上、ファイバ直径に強く依存性している一群の曲線として見える線２２０３によって表され、モード屈折率は、全体的に、ファイバ直径の増加につれて増加している。シミュレーションは、断面が２２０４として示される１２５μｍのファイバ直径から断面が２２０５として示される３００μｍのファイバ直径に関して行われた。１２５μｍのファイバ直径での基本モード・プロファイル２２０６および第２モード・プロファイル２２０７が図２２に差込み図として、また図２２Ａおよび２２Ｆに拡大図としてそれぞれ示されている。

従来のファイバの基本コア・モードは、一般に、ＬＰ₀₁またはＴＥＭ₀₁に似たモードに対応する。例えば、１２５μｍでのモード２２０６は、ＴＥＭ₀₀に似ている（図２２Ａを参照されたい）。基本モードは、一般に、最も大きな実効屈折率を持つモードである。

図２２は、ファイバ直径が増加するにつれて、ＬＣＦの基本コア・モードがもはや基本モードでなくなることを示している。例えば、約１６５μｍを超えると、基本モードの形は、モード２２０８で例示されるように変わる（図２２Ｂを参照されたい）。さらに、直径ほぼ２３５μｍでのＬＣＦの基本モードは、高度非ガウス・プロファイルを持ち、それのパワーの大部分が６つの低屈折率特徴の向こうの第２のクラッド領域１０３中にある状態のモード２２１１である（図２２Ｄを参照されたい）。言い換えると、十分に大きなファイバ直径では、基本コア・モードは、ＬＣＦファイバのより高次のモードである。いずれにしても、特に指定されない限り、本明細書で指定されるような基本モードは、基本コア・モードに相当する。

しかし、基本コア・モードを励起し伝播することは、一般に、各ＬＣＦの詳細な解析、または従来の光学システムを超えるものを必要としない。例えば、ＴＥＭ₀₀に似たモードの励起は、このモードに適切に相関付けされたパターンを持つ入力ビームをコアに集束することを必要とするだけである。望ましくないより高次のモードは、ＬＣＦを伝播している間に抑制されるので、極端に近い整合は一般に必要でない。

明らかな不連続がある図２２の位置は、「反交差点」（例えば、モードが互いに交差する）と呼ばれ、相対閉込め損失にとって意味がある。強いおよび弱い反交差点が図２２に示されており、それぞれ、モード屈折率の比較的大きなおよび小さな大きさの不連続にそれぞれ対応している。どんな２つの別個のモードも同じモード屈折率を持つことはできず、それで反交差点が生じる。反交差点は、図２３に示されるように様々なモードの相対閉込め損失と相互関係があり、以下のパラグラフでさらに述べられる。強い反交差点は、強く相互作用するモードに対応し、例えば、同様な空間的特徴を持つ２２０８と２２０９に対応する。そのようなモードは、値が近いモード屈折率を持っている。１つの例は、約１７０μｍでの基本コア・モード２２０８または約１３５μｍでの第２コア・モード２２０９である。弱い反交差点では、例えば約１９５μｍでの交差モード２２１０、モードの空間的変化はいっそうはっきり認められる。したがって、反交差点は、モード差別を高めるために利用されることがあり、あるファイバ実施形態では重要である。

多くのもっと強い反交差点が第２コア・モードには存在している。したがって、ファイバ増幅器またはレーザで利用される実施形態では、第２次モードは、そのパワーのより大きな部分を利得のないクラッド中に持っていることがある。より重要なことには、いくつかの場合に、第２次モード誘導のためにガラス被覆境界により強く頼ることが、ガラス被覆界面での摂動誘起結合だけでなく、巨大および微小な曲げによる被覆および他のモードへのパワー漏れを大きくする。

上の観察は、第２次モードに対するより高い損失と基本モードに対するより低い損失の両方を生じるファイバ直径を選ぶことが有益である可能性があることをさらに裏付ける。様々な実施形態で、ファイバ直径は、第２コア・モードが強い反交差点にあるように選ばれる。結果として、コアで、より高次のモードの抑制および非常に改善された単一モード動作が起こる。

低屈折率被覆がダブル・クラッド・構成で一般的であることを認めながら、低または高屈折率被覆の選択がどのように伝播に影響を及ぼすかをさらに解析することは得るところが大きい。無損失低屈折率被覆を持つダブル・クラッドＬＣＦにおいて、全ての導波モードは理論的に無損失である。ガラス１０３と被覆１０４の境界で、導波モードの多数に対して全内部反射が起こる。全てのモードが誘導されるが、内部クラッド特徴１０２からの誘導が少なくガラス１０３と被覆１０４の界面によって誘導されるモードは、巨大および微小な曲げの影響をはるかに受けやすい。影響され易さは、はるかに大きな空間的存在およびガラスと被覆の界面欠陥によって生じることがある。パワーはこれらのモード間に結合され、コア中でのこれらのモードの実効伝播距離を減少させる。これらの条件の下での、コア中の強い単一モード伝播は、基本コア・モードだけに起こる。コアが活性イオンを添加されている場合には、基本コア・モードだけが強く増幅される。しかし、これは、より高次のモードの抑制の決定的な要素ではない。

低屈折率被覆を持つＬＣＦとは異なり、高屈折率被覆を持つＬＣＦでは全てのモードが漏れ易い。誘導のために低屈折率被覆を強く頼りし内部クラッド特徴をあまり頼りにしないモードは、急に漏れ出す。この場合、閉込め損失は、モードがどんなに内部クラッド特徴によって誘導されるかの良い目安を与え、したがって伝播におけるモード差別の良い目安を与える。より高い屈折率の被覆が、いくらかの損失にもかかわらずより低いものと取り替えられたとき、それぞれのモード・プロファイルはもとのままである。したがって、高屈折率被覆の場合の解析は、低屈折率被覆の場合のモード強さの良い目安を与える。

いくらかの伝送損失を除いて、図２２に示された例のＬＣＦの相対的閉込めのピーク位置は、被覆の選択の影響をあまり大きく受けない。ｎ_被覆＝１．５４の高屈折率被覆およびλ＝１．０５μｍの場合の図２２の同じＬＣＦの閉込め損失が図２３に示されている。線２３０１および２３０３は、それぞれ、基本モードおよび第２モードの実効屈折率である。破線２３０２および実線２３０４は、それぞれ、基本モードおよび第２モードの閉込め損失である。閉込め損失のピークは、強い反交差点からである。ピークは、低屈折率被覆を持つ図２２に示されたものと同じ位置のままであることは興味深いことである。反交差点にあるおよび反交差点から離れた例の基本モード・プロファイルが、図２３にそれぞれ差込み図２３０６および２３０５として、さらにそれぞれ図２３Ｂおよび２３Ｄに拡大図として示されている。反交差点にあるおよび反交差点から離れた例の第２次モード・プロファイルが、図２３にそれぞれ差込み図２３０８および２３０７として、またそれぞれ図２３Ａおよび２３Ｃに拡大図として示されている。

再び図２３を参照して、第２次モードと基本モードの閉込め損失の高い比が、いくつかのファイバ直径で達成可能であり、この例では、直径約２１５μｍで最大になっている。閉込め損失が考慮すべき唯一の要素である場合には、１つの実施形態では、より高次のモードの損失を最大にするためのはっきりした選択は、この比が直径の小さな変化に対して急速に変化する可能性があることを承知しながら、約２１５μｍのファイバ直径である。モード差別の著しい増大は、強い第２コア・モード反交差点で動作するようにあるファイバ直径のファイバを設計することによって、高屈折率被覆か低屈折率被覆かのどちらかで達成することができる。

しかし、特定の設計上の考慮すべき事項は、他の利点を達成するために、より高次のモードの非最大損失を生じるファイバ直径を選ぶことになることがある。様々な実施形態において、ファイバの第１クラッド寸法、例えば円形の第１クラッドの直径２ρ₀の選択は、コストおよび様々な設計目標に基づいて行われることがある。例えば、増幅器またはレーザでは、設計上の考慮すべき事項は利得媒体を励起することにある。高輝度励起ダイオードの現在のコストは比較的高いので、いくつかの実施形態ではモード２３０８に対応するより大きなファイバ直径が好ましいことがある。図２３は、第２次モードと基本モードの閉込め損失の比がより大きな直径で最大にならず、１００：１をさらに超えること示している。より大きなファイバ直径は、比較的低輝度の励起ダイオードに関して、励起ガイドへの励起光結合を容易にする。

逆に言えば、設計目標がピーク・パルスまたはＣＷパワーを大きくするまたは最大にすることである場合には、高輝度ダイオードおよび最先端技術を用いた伝達光学部品が、より小さな直径のファイバにエネルギーを結合するために、例えば、第２次モード損失を増加または最大にしかつ基本モード損失を減少または最小にする近似的な直径にエネルギーを結合するために、利用されることがある。伝達光学部品は、単一の高輝度ダイオードまたはアレイまたは複数のダイオードからエネルギーを送り出すための小型光学素子を含むことがある。ファイバ直径が非常に大きい場合には、例えば、いくつかの実施形態で３００μｍを超える場合には、ビーム伝播に影響を及ぼす他の考慮すべき事項が生じる。したがって、いくつかのＬＣＦ実施形態は、安価なダイオードおよび大きな励起用クラッド寸法を利用することがあるが、一方で、他のものは、より小さな直径の励起ガイドおよび高輝度ダイオードを利用することがある。いくつかの実施形態では、より小さな直径の励起ガイドおよび高輝度ダイオードが、ファイバの減少した長さに増大した励起パワーを生じさせ、顕著な非線形効果なしに高ピーク・パワーをもたらす。

したがって、様々な実施形態では、約１２５μｍから３００μｍの範囲のファイバ直径が利用されることがあり、基本モード閉込め損失と第２次モード閉込め損失の比は、一般に１０を超えることがあり、または約１０から１００の範囲にあることがある。いくつかの実施形態では、閉込め損失比が１００を超えることがある。例えば、閉込め損失の比は最高約５００であることがあり、または長さが数メートル（例えば、１ｍ、２ｍ、５ｍ）のファイバでは、ことによると１０００に近づくことがある。より高次のモードの損失は、５ｍの長さで１０〜２０ｄＢを超えることがあり、約１〜４ｄＢ／ｍ、３〜６ｄＢ／ｍの範囲または他の範囲にあることがある。

励起エネルギーは、図１ｂに示されるように、クラッド領域１０３と被覆１０４の間の界面での全内部反射によって誘導されることがある。様々な実施形態では、図１ｃに示されるように、低屈折率ガラス１０７が励起用クラッドを形成することがある。いくつかの実施形態では、励起用クラッドはエア・ホールのアレイとして形成されることがある。

いくつかの実施形態は、クラッド領域１０３を励起ガイドとして利用することがある。領域１０３は、約１５０〜４００μｍの範囲の直径を持っていることがあり、また約５００μｍを超えることがある。コア寸法は、約５０〜１５０μｍの範囲にあることがある。いくつかの実施形態では、コア寸法は、励起ガイド寸法の約２０〜４０％であることがあり、また、より高次のモードの損失を最大にし、および／または曲げ損失を最小にするように十分に小さいことがある。

低屈折率被覆を持つＬＣＦの例および特性が、ダブル・クラッド・ファイバの特性を説明するために使用されてきた。他の適切な代替え物が利用されることもある。例えば、少なくとも１つの実施形態では、低屈折率のガラスが、低屈折率被覆の代替えとして使用されることがある。このガラスは、高濃度フッ素添加シリカであることがある。他の代替え物は、低屈折率被覆に取って代わる１つまたは複数の層のエア・ホールであることがある。再び図１Ｂを参照すると、エア・ホールの層は、被覆１０４に取って代わるように形成されることがある。さらに、追加のシリカ（図示されない）が、高濃度フッ素添加シリカおよびエア・ホールの向こうに付け加えられることがある。多くの変形が可能である。

また、ＬＣＦの波長敏感特性は興味深いものである。図２４は、２６８μｍのファイバ直径で、強い第２コア・モード反交差点で動作するＬＣＦの例を示す。基本モードおよび第２モードの閉込め損失２４０１および２４０２それぞれは、ある範囲の波長についてシミュレートされた。基本モード・プロファイル２４０５および第２モード・プロファイル２４０６は、図２４に差込み図として、また図２４Ａの拡大図に示されている。図２４は、３３７もの損失比２４０３α_2nd／α_FMがλ＝１．０５μｍで達成され、さらにα_2nd／α_FMが優に２００ナノメートルの範囲にわたって１００よりも大きいことを実証し、低屈折率特徴の向こうの領域を考慮に入れないで、標準的なＬＣＦの損失比２４０４と比較して少なくとも１桁の改善を表している。本明細書で使用されるような共鳴エンハンスメントは、例えば図２３および２４に示されるように、強められた第２次モード抑制を意味する。しかし、いくつかのファイバ実施形態において、このエンハンスメントをもたらすのは、予め選ばれた直径であって波長ではない。強められた高次抑制は、いくつかの実施形態で、少なくとも適切な直径を選び、および／または一般にＬＣＦを第２次モード反交差点で動作させることによって得られる。例えば、図２４に示されるように、この２６８μｍ直径のファイバ実施形態を約１．０５μｍの波長で動作させることは、より高次のモードのかなり大きな抑制を実現する（例えば、ほぼ３３７のα_2nd／α_FM）。

製作された受動および能動ＬＣＦ、および性能データの例
以下のパラグラフは、受動ＰＣＦとＬＣＦパワー増幅器の両方の性能の例を示す。興味深いいくつかのパラメータには、曲げによるビーム品質および損失の変化、伝播の波長依存性、および応力光学効果による屈折率変化がある。

同じ直径の棒がひとつの束を形成するように六角形状に積み重ねられるよく知られたスタック・アンド・ドロー技術を使用して、３０から１８０μｍまでの様々なコア直径を持ちｄ／∧が０．７から０．９であるいくつかのＬＣＦが製作された。次に、この束は、管内部の雰囲気および真空制御が適切な状態で、この管の中に挿入されてファイバに線引きされる。イッテルビウム添加ファイバがまた製作された。非円形断面２４０７が図２４および２４Ｂに示されている。ＬＣＦは、２ρ＝５２．７μｍ、ｄ／∧＝０．８、およびｎ_被覆＝１．３７の被覆を持っている。ガラス外径は２５４．２μｍであり（例えば、実質的に平らな表面から反対側の実質的に平らな表面まで、測定された「平面と平面の間」）、実効モード面積は、９７６ｎｍで約１１ｄＢ／ｍという測定励起吸収を用いて１５４８μｍ²と計算された。コアの中心部分にはイッテルビウム・イオンが添加される。イッテルビウム添加ガラスは、優れた屈折率一様性とファイバの残り部分との正確な屈折率整合とを持ったガラスを製造するために特別に開発されたプロセスを用いて作られた。これらのステップは、この例において、所望のモード・パターン並びに強い単一モード動作を維持している。

このＬＣＦの単一モード伝播の強さについての第１の試験では、約５０ｃｍ直径のコイルに緩くぐるぐる巻かれた６ｍのファイバの出力が平行にされ、入力条件を調整しながらＣＣＤカメラによって撮像された。この例のＬＣＦはダブル・クラッド・イッテルビウム添加ファイバであるが、この実験ではこのファイバが未励起構成で使用されたことに留意されたい。それにもかかわらず、より高次のモードが未励起ダブル・クラッド増幅器ファイバ中でもはるかに大きな伝播損失を持ったならば、射出条件が決して最適条件でないように調整されたときでも、出力モード・パターンは安定であり、より高次のモードは観察されなかった。この第１の試験中に、２つの指の間で圧力を加えさらに曲げてファイバを手で扱っている間じゅう出力モード・パターンは安定であり、基本モードのままであった。

伝播の波長依存性を特徴付けるために、このＬＣＦの２０ｃｍの長さを通過する超連続光源の伝播後の４８０〜１１００ｎｍの波長範囲の出力モードをＣＣＤで捕らえ、図２４の上部差込図および図２４Ｂに像２４０８〜２４１４として示した。シリコンＣＣＤの応答性は、１１００ｎｍより上で非常に低いので、データは得られなかった。８００ｎｍより上ではっきりした幅の広い帯状単一モード動作が明らかであるが、一方で、８００ｎｍより下ではより短い波長に向かってより高次のモードの含量の増加する形跡がある。図２４は、シミュレートされた第２次モードが、より短い波長の方に向かって次第に伝送されるようになり、５０μｍのコアを持つこのＬＣＦでは８００ｎｍで約１ｄＢ／ｍの損失に達することを示している。このＬＣＦは低屈折率被覆を持ち、一方で、シミュレートされたファイバは高屈折率被覆を持つにもかかわらず、シミュレーションは実験との良い一致を示している。

図２５は、２ρ＝１０１μｍ、ｄ／∧＝０．８およびｎ_被覆＝１．５４の被覆を持つ受動ＬＣＦの数値的な特性および性能データを差込図２５０１に示す。このＬＣＦの実効モード面積は５１１７μｍ²と計算された。このファイバの断面２５０２が、差込図２５０１および図２５Ａに示されている。長さ約６ｍのこのＬＣＦの長さが、１ｍのコイルに緩くぐるぐる巻かれた。Ｍ²がビーム品質測定のために一般的に使用される。１のＭ²値が「完全」ガウス状ビーム・プロファイルに対応し、全ての実用的なビームは、＞１のＭ²値を持っている。ＡＳＥ源およびＳｐｉｒｉｃｏｎＭ²−２００を用いて測定されたＭ²は、Ｍ² _x＝１．２６およびＭ² _y＝１．２９である。図２５は、また、２ρ＝１８３．３μｍ、ｄ／∧＝０．８およびｎ_被覆＝１．５４の被覆を持つ他のＬＣＦの特性および性能を差込図２５０４に示す。同程度の従来の単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）の断面２５０７が、また、差込図２５０４および図２５Ｂに示された断面２５０５と比較するために示されている。このＬＣＦの実効モード面積は、１５８６１μｍ²と計算され、記録的な実効モード面積であり従来の単一モード光ファイバに比べて２桁を超える改善であると考えられる。１ｍの真っ直ぐなファイバのＡＳＥ源を用いて測定されたＭ²は、Ｍ² _x＝１．２２およびＭ² _y＝１．２３である。これらのファイバの出力の測定モード・パターン２５０３および２５０６が、また、図２５の差込図２５０１および２５０４にそれぞれ示され、さらに図２５Ａおよび２５Ｂにそれぞれ示されている。

図２５は、３５μｍ、４０μｍ、５０μｍ、および１０１μｍのコア直径を持つ４個のＬＣＦに関する曲げ損失測定２５０８、２５０９、２５１０および２５１１をそれぞれ示す。ファイバは、様々な直径の予め作られた環状の溝の中に設定された。次に、出力モード・パターンが確認された後で、各コイル直径での伝送が測定された。ファイバの絶対伝送は、別個のカットバック測定によって測定された。絶対測定は、次に、相対曲げ損失測定を計算し直すために使用された。いくつかの実施形態のＬＣＦの曲がる能力は、コア直径が大きくなるにつれ非常に急速に小さくなる。この効果は、モードが伝播しながら空間パターンを、ばらばらにすることなしに、どんなに急速に変えることができるかに、例えば断熱遷移を維持することができるかに、曲がりを進む導波モードの能力が関係していることに基本的に関係付けられる。モードが大きくなるにつれて、この変える能力は、いくつかの場合に非常に急速に小さくなる。２ｄＢ／ｍの測定臨界曲げ半径が、図２５の差込図および図２５Ｃに白丸としてプロットされ、ρ^2.5依存性に申し分なく合っている。

図２４〜２５に示された例は、受動ファイバに対応し、例えば、試験中に励起ビームが注入されなかった。

高ピーク・パルスまたはＣＷパワー応用のために大コアＬＣＦを使用することは、かなり興味深いことである。例として、図１０〜１３および１６〜２１および「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許公開第２００６／０２６３０２４号として公開され２００５年５月３０日に出願された米国特許出願第１１／１３４，８５６号の関連した本文は、様々なデバイスおよびシステム・構成を示している。例えば、米国特許出願第１１／１３４，８５６号の図１１は、多モード励起源によって励起されるファイバ増幅器またはレーザで使用される、希土類イオンを添加されたコアを含む大モード面積ファイバの実施形態を、模式的に示している。

本出願の図２６Ｃを参照すると、図２６Ｃは、多モード励起源によって励起されるファイバ増幅器またはレーザで使用されることがある、希土類イオンを添加されたコアを含む大モード面積ファイバの実施形態を模式的に示す。この実施形態で、ファイバは、真っ直ぐな入力および出力端部２６５１、２６５２およびその間のぐるぐる巻かれた部分を持っている。多モード励起２６５５は、結合レンズ２６５４を使用して増幅器またはレーザを励起するために使用される。入力ビーム２６５６は、レンズ２６５３を通してファイバ２６５０に射出される。出力２６５７は、ダイクロイック・ミラー２６５８によって分離される。

最初に、活性領域のファイバ性能を試験するために、単一段ファイバ増幅器が、図２４および２４Ａ、２４Ｂに関連して示され説明された３ｍのイッテルビウム添加ＬＣＦに基づいて組み立てられた。図２６は、断面２６０２（図２６Ａにも示される）を持つこのファイバの特性および性能を差込図２６０１に示す。増幅器ファイバ端部は約８度に角度劈開された。この増幅器は、１２５ｍＷ出力を持つ１０６２ｎｍで動作する微小チップ・レーザによって、２５ｋＨｚの繰返し率（５μＪのパルス・エネルギー）でシーディングされ、反対方向に励起された。微小チップ・レーザの測定されたパルス持続時間は６００ｐｓであった。増幅器性能２６０３は図２６に要約されている。測定された増幅スロープ効率は約５７％である。約１０２６ｎｍの増幅器利得ピーク（例えば、利用可能な１０６２ｎｍ入力は利得ピークからずれた）でのレージングの開始前に、７Ｗ（３２０μＪ）の最大パワーが得られた。７Ｗの出力パワーで測定されたＭ²（差込図２６０５に示される）は、２つの直交する向きでそれぞれＭ² _x＝１．１７およびＭ² _y＝１．１８であった。出力モード２６０６が、また、図２６の差込図および図２６Ｂに示されている。

このＬＣＦで高ピーク・パワーを取り扱う可能性が、２段ＬＣＦファイバ増幅器構成を使用して試験された。ＬＣＦ増幅器の各段は、真っ直ぐな入力および出力端部を含み、その間に約０．５ｍのコイル直径を持つぐるぐる巻かれた部分がある。増幅器出力は利用可能な励起パワーで制限された。自己位相変調およびラマン散乱の明らかな痕跡が観察されなかったので、ファイバの非線形閾値より下での動作が明白であった。４００μＪパルス・エネルギーで測定されたスペクトル２６０５が図２６に示される。増幅された自然発光レベルは、出力スペクトル２６０５が、増幅された信号レベルよりも４０ｄＢ以上小さかった。

様々な実施形態において、ＬＣＦ増幅器および／またはレーザは、１０μＪ〜１０ｍＪの範囲のパルス・エネルギーでの動作を可能にすることがあり、いくつかの実施形態で約１００μＪから約１ｍＪまでの好ましい動作範囲を可能にすることがある。ＣＷまたはパルス動作が、例えばＫＨｚまたはＭＨｚの繰返し率でパルスを生成するために、利用されることがある。少なくとも１つの実施形態では、出力ビームは、一般に低開口数であることがあり、例えば溶接、切断、およびマーク付けを含んだ応用のために、出力ビームをファイバ伝達するのに特に申し分なく適していることがある。様々な実施形態で、ＬＣＦファイバは、例えばチャープ・パルス増幅（ＣＰＡ）システムにおいて、超短パルスの発生に使用されることがある。微細機械加工応用分野は、適切なビーム整形および拡大光学系と共に、全ファイバ・システムを使用して、高ビーム品質の例えば約１．１から１．５の範囲のＭ²値の高ピーク・パワー・パルスを使用して行われることがある。いくつかの実施形態では、高ピーク・パワーの可視または近紫外パルスを生成するために、周波数コンバータが利用されることがある。いくつかの実施形態では、ほぼ１μｍから５０μｍの範囲のほぼ回折で制限されたスポット・サイズが生成されることがある。

非線形効果が無視できるほどであるフェムト秒、ピコ秒、およびナノ秒領域で高ピーク・パワー・パルスを生成するために、様々なレーザまたは増幅器の実施形態が全ファイバ設計で利用されることがある。１つの例の実施形態では、約７０μｍ〜１００μｍ以上のコア直径が、数ｍＪから約１０ｍＪのエネルギーを持つナノ秒パルスを生成するために使用されることがある。約１〜１０ｐｓの例示のパルス幅の超短パルスが、約１０μＪから数１００μＪの範囲の出力エネルギーで生成されることがある。

図２６Ｄは、図２６Ｃの大モード面積増幅器システム２６７０を用いて構成されることがある例示のレーザに基づいた材料処理システムを模式的に示す。システム２６７０は、また、多段増幅器として構成されることがある（図示されない）。光学システム２６７２は、ほぼ回折で制限されたビームを目標２６７５に送り出す。スポット・サイズは、応用に依存するが、一般に約１μｍから２５０μｍまでの範囲であることがある。光学システム２６７２は、また、走査ミラーまたは他の適切なビーム位置決め装置を含むことがある。目標２６７５は、また、並行移動および／または回転位置決め台に取り付けられることがある。コントローラ２６７７は、レーザ、光学システム、および任意の位置決め機構の動作を調整する。

ＬＣＦファイバのこの実施形態の更なる特徴付けは、例えば、クラッド特徴のサイズおよび／または間隔、クラッドおよび／またはクラッド特徴の熱膨張係数、その他を含んだＬＣＦファイバの様々な特性の影響を受けることがあるＬＣＦ屈折率変化の測定を含んだ。

図２７は、このＬＣＦの測定された２次元屈折率２７００を示し、不純物添加された中心部分２７０３を持つコア２７０２および低屈折率特徴２７０１を示している。低屈折率特徴２７０１のまわりの部分２７０４は、増加した屈折率を持っている。この屈折率増加は、シリカとフッ素添加シリカの異なる材料特性によって、特に異なる熱膨張係数δＴによって、生じることがある。ファイバは高温で線引きされるので、より高い熱膨張係数を持つフッ素添加シリカは、周囲の石英ガラスよりも多く収縮しようとする。しかし、この収縮は、周囲のシリカによって制限される。室温で、フッ素添加シリカはファイバ中で引っ張り力を受け、周囲のシリカは圧縮を受けている。この応力は、応力光学効果による応力屈折率変化を引き起こす。

いくつかのファイバの実施形態において、特徴と第１のクラッド材料の異なる熱特性の結果として、屈折率の局部的変化が起こることがある。しかし、ＬＣＦファイバに関するいくつかの例の実験で、ＬＣＦ導波機構が観察された。いくつかの場合に、比較的大きな特徴のサイズ、配列、および特徴の数が、支配的な機構としてＬＣＦ導波を実現する。

いくつかの実施形態では、特徴のサイズおよび配列が、コア領域（または、他のファイバ領域）の屈折率プロファイルに影響を及ぼすことがあり、例えば、屈折率の相対的な変化を大きくする。特徴のサイズおよび間隔を大きくすると（例えば、全体的な寸法を一定の率で拡大する）、一般に、より大きな相対屈折率変化（例えば、より大きな最大屈折率変調）が生じる。応力光学効果によって生じる正味の屈折率変化は、すぐ近くの特徴の寄与を相殺することを含むことがあり、いくつかの場合に、正味の結果は特徴間隔に依存する。例えば、互いにより近い間隔で配置されたより小さな特徴は、一般に、減少した屈折率変調を生じさせる。様々な実施形態で、特徴のサイズおよび／または間隔が、クラッド領域および／またはコア領域の屈折率プロファイルを調整するように予め選ばれることがある。いくつかの実施形態では、クラッドおよびクラッド特徴を含む材料が、クラッド領域および／またはコア領域の屈折率プロファイルを調整するように予め選ばれることがある。例えば、いくつかの実施形態で、これらの材料は、その材料の熱膨張係数の値に少なくとも部分的に基づいて選ばれる。いくつかの実施形態では、クラッド特徴は、フッ素添加シリカを含むことがあり、クラッドはシリカを含むことがある。他の実施形態では、他の材料、例えば不純物添加されたガラスおよび／または不純物添加されないガラスが、使用されることがある。

製作されたＬＣＦの例：Ｎ＝２−−モード損失および曲げ損失
図１ｂおよび１ｃのようにクラッド特徴が単一の層（例えば、リング）で配置されている様々な実施形態では、ｄ／∧の一般的な値は、約０．６５〜０．９、０．７〜０．９、または０．７５〜０．８５の範囲にあることがある。いくつかの実施形態で、特徴の少なくとも第２の層（Ｎ≧２）は、クラッド特徴１０２の向こうに配置されることがあり、いくつかの場合にｄ／∧の一般的な値は、約０．３〜０．９、０．４〜０．８、０．５〜０．７、または０．５〜０．８の範囲にあることがある。ｄ／∧の他の範囲が、クラッド特徴の層のどれかに使用されることがある。２以上の層のクラッド特徴が使用される場合、比ｄ／∧は、クラッド特徴の層ごとに異なることがある（しかし、異なる必要はない）。

図３１は、コア３１０１を実質的に囲繞するｄ／∧＝０．６の２層のクラッド特徴３１０２と、さらに外側のクラッド層３１０３とを持つ製作されたＬＣＦの断面を示す。このＬＣＦは、４５μｍのコア直径および約４００μｍのファイバ直径を持っている。そのような設計が、非常に改善されたより高次のモード損失を持つが僅かにより高い曲げ損失を持ったこの例のＬＦＣを実現する。２層のクラッド特徴を持つ例のＬＣＦの基本および第２次モードの計算された閉込め損失が図３２に示されている。基本モード閉込め損失３２０１および第２次モード閉込め損失３２０２が、様々なｄ／∧についてプロットされている。この例の計算には外側クラッドは含まれていない。クラッド特徴は無限のクラッド中に配置されているものと仮定されている。ｄ／∧のかなり大きな範囲にわたって数１００の閉込め損失比を容易に達成できることが、図３２から理解できる。いくつかの実施形態では、外側クラッド寸法をさらに注意深く選ぶことで、この比をさらに改善することができる。さらに追加の層を含んだいくつかのＬＣＦ実施形態（Ｎ＞２）は、損失比をさらに改善することができるが、いくつかの場合に、より悪い曲げ損失性能という犠牲を払ってである。

製作されたＰＣＦおよび例の試験結果
図１９に戻って、この図は、従来のフォトニック結晶ファイバと数層のホールで区別されるＮ＝３のＬＣＦの実施形態を示す。

クラッド中にエア・ホールを持つエンドレス単一モードＰＣＦは、従来の光ファイバの単一モード（ＳＭ）領域を大きく広げるという特有の特性について、Ｂｉｒｋｓ他によって最初に報告された。この報告の直接的な結果は、ＳＭファイバのコア直径のかなりの増大である。このことは、商用ファイバ・レーザのピーク・パワーを高めるために有益であり、このピーク・パワーは、密なコア閉込めによる非線形効果によって制限されている。

しかし、エア・ホールを持つファイバのいくつかの実施形態には、いくつかの欠陥がある。エンドレスＳＭファイバの小さなエア・ホールの寸法は、ファイバ線引きプロセス中の強い表面張力と圧力の均衡に決定的に依存し、したがって、再現するのが困難である。エア・ホールは、また、環境汚染を防止するためにデバイス中に密封されていなければならず、環境汚染は、しばしば、特に大きなコアのファイバにおいて、モード品質にマイナスの影響を及ぼすことがある。全ガラスＰＣＦは、製作の容易さと、従来のファイバのために十分に開発された同様な処理技術を採用する可能性との両方で、確かに魅力的である。

上で指摘されたように、特徴のサイズおよび配列、材料の熱特性、および他の要素のうちの１つまたは複数が、コア領域（または、他のファイバ領域）の屈折率プロファイルに（単独で、または様々な組合せで）影響を及ぼすことがあり、例えば、相対的変化を大きくすることがある。局部的変化が屈折率（非ＰＣＦ）導波を引き起こすことがある。いくつかの実施形態では、この驚くべき導波機構が正しく考慮に入れられない場合、結果として得られた出力モードは、所望の形または予想された形から外れる。正しく考慮に入れられたとき、屈折率導波は、ＰＣＦに関して使用するための新しい興味深い導波機構を実現する可能性がある。以下の例は、ＰＣＦファイバの実施形態での導波およびモード・プロファイルに及ぼす屈折率変調の効果を示す。

全ガラスＰＣＦは、ｄ／∧＝０．３５および４７μｍのコア直径で製作された。ファイバの断面２８００が図２８Ａに示され、それの屈折率プロファイル２８０１が図２８Ｂに示されている。低屈折率特徴２８０２は、各低屈折率特徴２８０２のまわりの、熱特性の不整合によって高くなった屈折率リング２８０４に沿って示されている。高くなった屈折率リング２８０４は、また、コア２８０３の中に高屈折率部を作っている。出力モードが様々な波長で測定されている間じゅう、このファイバの長さは真っ直ぐな状態に保たれた。波長７８０ｎｍ、８００ｎｍ、９１０ｎｍ、９８０ｎｍ、１０００ｎｍおよび１１００ｎｍでのモード２８１０、２８１１、２８１２、２８１３、２８１４および２８１５がそれぞれ図２８Ｃに示されている。より短い波長のカットオフが存在するために、ＰＣＦ導波はより短い波長に向かっていっそう弱くなる。例のファイバ実施形態は、７８０ｎｍより下ではあまり満足に誘導されず、最大規格化直径２ρ／λ≒６０を与える。

図２８Ａに示されたファイバのためのプリフォームの一部は、約７００μｍの直径および約１３０μｍのコア直径を持つファイバに線引きされた。ファイバの中心の直径約８０μｍの高くなった屈折率部は、図２９に示された単一モードを誘導し始める。モード２９０１、２９０２、２９０３、２９０４、２９０５および２９０６は、７８０ｎｍ、８００ｎｍ、８５０ｎｍ、９１０ｎｍ、１０００ｎｍおよび１０５０ｎｍの波長でそれぞれ測定された。基本モード動作は１μｍで非常に強く、より高次のモードの含量が８５０ｎｍより下で見られる。モード２９１１、２９１２、２９１３、２９１４、２９１５および２９１６は、１μｍの波長で射出条件を調整しながら捕らえたモードである。この例で、この調整範囲で他のモードが誘導されることはあり得ない。いずれにしても、モードが通常のＰＣＦ導波で誘導されないことは、像２９２０から非常にはっきり分かる。像２９２０は、光を当てられたファイバ断面で撮った。図２９で、モード２９２１が低屈折率特徴２９２２まで広がらないことをはっきり見ることができる。また、モード２９２１は、ファイバのコア領域（この領域の境界は低屈折率特徴２９２２の内側の層によって定められている）内の実質的に中央に位置付けられている。モードの形は、例えば図２８Ｃのモード・プロファイル２８１４で図示されるように、クラッド特徴の特性を表さず、図２８Ｃのモード・プロファイルの形は、クラッド特徴で誘導されるモードを示している。

いくつかのフッ素が添加された棒を持つファイバの中心を横切る線に沿ったファイバの断面内の屈折率変化が測定され、図３０に示されている。高くなった屈折率コア３００１は２ρの直径を持っている。また、フッ素添加ガラスによる屈折率窪み３００２が、フッ素添加ガラスのまわりの応力効果によって高くなった屈折率リング３００３と共に示されている。いくつかの実施形態では、コアの一部での屈折率変化はほぼ放物線線状であることがある。この屈折率変化によって、不均一な屈折率を持つコアの一部の中で基本モードが誘導されるようになることがある。例えば、モード直径は、例えば約５０％のようなコア直径の部分であることがある。

非ＰＣＦ導波は、この実験の驚くべき結果であった。このことは、大コア・ファイバでの従来のＰＣＦ導波が、小さなエア・ホールだけが第１のクラッド領域内に形成されたファイバ実施形態か、ガラス以外の材料が使用された構成か、ことによるとホールがガスで充填された構成かに限られる可能性があることを暗示している。この結果は、また、いくつかの可能なＰＣＦ設計が、全ガラス大コア・ファイバにあまり好ましくないことも暗示している。いくつかの大コア実施形態では、十分に整合された熱膨張係数を持つガラスが利用されることがある。例えば５０μｍまでコア・サイズを小さくすることで、また、いくつかの場合に、性能がだいたい改善されることがある。

様々なＬＣＦ実施形態と異なって、このＰＣＦの例のために選ばれた配列および比較的小さな特徴サイズは、局部的な屈折率変化を大きくした。この局部的変化は、非ＰＣＦ導波に使用されることがある。

少なくとも１つの実施形態では、全ガラス・ファイバは、第１の熱膨張係数を持つ第１のクラッド材料を含むことがある。クラッド特徴の追加の層Ｎ≧２は、第１のクラッド材料の中に配置されることがあり、これらの特徴は、一般的なＬＣＦクラッド特徴サイズに比べてサイズが小さくされることがある。クラッド特徴は、第２の熱膨張係数を持つ第２のクラッド材料を含むことがある。クラッド特徴に隣接して屈折率の局部的増加が存在することがある。さらに、コア領域の境界は、クラッド特徴の第１の内側層によって定められることがある。コア領域の一部は、図３０に示されるように、不均一な屈折率プロファイルを示し、屈折率勾配を形成することがある。図３０を参照して、高くなった屈折率のコア領域３００１のピークから極小３００５までの測定された例示の相対屈折率差は、約５×１０^-4未満であり、一般に、約１×１０^-3未満であることがある。各極小３００５を超える増加した局部屈折率は、低屈折率クラッド特徴への遷移に対応する。ピークから極小までの局部的勾配は、コア領域の少なくとも一部の中で基本モードの屈折率導波を引き起こすだけ十分に大きい。相対屈折率差は、応力光学効果によって生じることがある。

様々な実施形態では、大コア・ファイバの直径は約３０μｍから２００μｍの範囲にあることがある。そのようなファイバの応用が、例えば、大パワー・チャープ・パルス増幅システム、非線形増幅器、および連続光発生装置において、入力パルスのスペクトルを広げるのが見出されることがある。そのような高ピーク・パワー・パルスは、ファイバ媒体の非線形閾値を超えるだけ十分に高い強度を持っている。いくつかの実施形態では、前置増幅器またはパワー増幅器は、コアに不純物添加することによって形成されることがある。

様々な実施形態は、「全ファイバ」設計または、少なくとも、バルク光学部品の数を減少させる構成を利用することがある。そのような実施形態は、上述のどんな例示の「全ガラス」設計でも含むことができる。統合構成が、Ｎ＝１、２、３またはもっと多い数の層、偏光または非偏光保持ファイバ、様々な励起ガイド配列、被覆、および様々なクラッド・構成と共に使用されることがある。統合設計は、多段設計を含んでレーザおよび増幅器に関して利用されることがある。様々な統合設計は、例えば大パワー・コヒーレント・アレイなどのファイバ・アレイに特に有益であることがある。装置は、材料処理、レーザ・レーダ、および電気通信を含んで例示の応用で、利用されることがある。

いくつかの実施形態では、増幅器と伝送ファイバの様々な組合せが接合され、それにもかかわらず、ビーム品質を維持しながらエネルギーを効率よく結合することがある。例えば、図２６Ｃのレンズ２６５３または他のバルク光学部品は、必要でないことがある。ほぼ回折で制限されるビーム品質を保持しながら、入力ビームを大コア・ファイバ２６５０に効率よく結合するために、接合が使用されることがある。

図３３Ａ（一定の率で拡大されていない）は、希土類が添加された大コア３３１５およびクラッド特徴１０２を持つＬＣＦ３３２０を模式的に示す。コア３３０５を持つ単一モード（または、数モード）・ファイバ３３００は、ファイバ３３２０に接合されることになる。この例では、ファイバ３３００および３３２０の外径はほぼ等しいが、ファイバは等しくない外径で選ばれることがある。ファイバは、平面３３１０の近くで接合されることになる。

例として、商業的に利用可能なＣＯＲＮＩＮＧ「（登録商標）」Ｈ１１０６０単一モード特殊ファイバが単一モード・ファイバ３３００として利用されることがある。ファイバ・パラメータには、約６．２μｍのモード・フィールド直径、約１．２ｍの長さ、約０．１４の開口数、および９２０ｎｍ±５０ｎｍのカットオフ波長がある。ＬＣＦ３３２０は、約８０ｃｍの長さ、５３μｍのコア、約４３μｍの対応するモード・フィールド直径、およびファイバ３３００よりも遥かに小さな開口数を持つ製作された全ガラス・ファイバであることがある。この例では、ＬＣＦ３３２０は、単一モード・ファイバ３３００に位置合わせされ、接合されることになる。

２つの単一モード・ファイバ間の直接突合せ結合に関して予想される最大パワー結合は、以下のように計算されることがある（例えば、Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、１９９８年、１５３頁のＧｈａｔａｋ、「Ｂｕｔｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ」を参照されたい）。
Ｔ₀＝（２＊ω₁＊ω₂）²／（ω₁ ²＋ω₂ ²）²、ｄＢ_損失＝−１０ｌｏｇ₁₀（Ｔ₀）
ここで、ω₁およびω₂は、それぞれのモード直径である。上述の２つのファイバ３３００、３３２０が直接結合（突合せ結合）される場合には、約１１ｄＢの損失が予想されるだろう。したがって、そのような損失を防ぐために、モード・フィールドを広げるか、そうでなければモード・フィールドを整合させるためのある機構が必要とされる。

１つの例では、接合は、２つのファイバのコアの測定および位置合わせを可能にするように光源を使用して行われた。最初のステップとして、基本モードが励起され、ＣＣＤカメラ上に像を形成して確認された。次に、カメラを光パワー・メータに置き換えて、損失を測定した。２つのファイバの位置合わせを確立すると同時に、平面３３１０の近くの領域を加熱することによって接合プロセスが行われた。

驚くほど効率のよい結合配列が実証された。どんな特定の理論にも与することなく、結果は、接合中に拡散されたコア材料３３０５ａのドーパントを示し、ファイバ３３００のコア・サイズを大きくした。複数の電気アーク（ただ単一アークだけでなく）を利用してファイバ端部を加熱し、ファイバをつなぎ合わせることが（例えば、この例では溶融接合）、単一モード・ファイバ３３００のモード・フィールドをさらに大きくした。ほぼ１０６０ｎｍの波長での小さな２．８ｄＢの損失および１．３μｍの波長での約１．５ｄＢの減少した損失が観察された。観察された損失は、直接結合で得ることができるかもしれないものよりも遥かに小さい（例えば、この例では、１１ｄＢに対して２．８ｄＢ）。効率の測定可能な変化がファイバごとに見出されることがあるが、損失の実証された減少はかなり大きい。

図３３Ｂは、接合後の図３３ＡのＬＣＦ３３２０および単一モード・ファイバを模式的に示す。コア３３０５ａの寸法は、コア３３０５に比べて広がったように示されている。その結果として、低損失で、かつモード品質を著しく犠牲にすることなく、入力ビームをファイバ３３００からＬＣＦ３３２０に伝えることができる。

図３３Ｃは、クラッド特徴に対するモード・プロファイルの例を模式的に示し、基本コア・モードの伝播およびＬＣＦ導波を例示している。ほぼ１／ｅ²のビーム直径３３３０が示され、コア寸法のほぼ８０％に対応している。

図３３Ｄは、製作されたＬＣＦの出力を示す写真であり、この場合に、ＬＣＦと単一モード・ファイバが図３３Ｂに示されるように接合された。写真は、クラッド特徴に対して基本コア・モードを示し、ＬＣＦ導波を実証している。クラッド特徴に対するモード直径は、図３３Ｃに模式的に示されたものによく対応している。

図３３Ａ〜３３Ｃは、単一モード・ファイバとＬＣＦが同じ外径を持っている１つの例を模式的に示す。ＬＣＦの接合はそれほど制限されず、単一モード・ファイバの直径はＬＣＦの直径と違っていることがある。

いくつかの実施形態では、中間ファイバが使用され、接合は各端で行われることがある。そのような配列は、上記の例の５３μｍのコアよりも大きなコアを持つＬＣＦへの効率のよい結合を可能にすることができる。

大コア・ファイバは、様々なデバイス、システムおよび応用で使用することができる。例えば、大コア・ファイバは、高ピーク・パワー・パルス・レーザ並びにＣＷレーザ用の受動伝達ファイバとして使用することができる。ファイバ・レーザまたはレーザ増幅器で動作するために、コアには希土類が添加されることがある。高ピーク・パワー増幅は、しばしば、例えば直接増幅システムおよびチャープ・パルス増幅システムの構成で、ピコ秒またはフェムト秒のパルス幅を持つ超短パルスのために使用される。

例として、図１０〜１３および１６〜２１、および「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の２００５年５月３０日に出願された米国特許出願第１１／１３４，８５６号の関連した本文が特に参照され、これらは、それらで開示されたフォトニック結晶ファイバ、エンドレス単一モード・フォトニック結晶ファイバおよび漏れチャネル・ファイバの構成を利用するために修正することができる様々なデバイスおよびシステムの構成を示している。例えば、本発明の実施形態は、増幅器、レーザ、短または超短パルス発生装置、Ｑスイッチ・レーザおよび他のシステムを含んだ多くの光学システムで利用されることがある。本発明の実施形態は、赤外、可視、および／または紫外の波長を利用して、金属、半導体、および誘電体材料をレーザに基づいて修正するシステムで使用されることがある。他の用途もまた可能である。

様々な代替え構成もまた可能である。例えば、構成要素（例えば、層）が追加され、取り除かれ、または配置し直されることがある。同様に、処理および方法のステップが、追加され、取り除かれ、並べ直されることがある。

したがって、本明細書で説明された本発明は、ある好ましい実施形態および例の背景で開示されたが、本発明が、具体的に開示された実施形態を超えて、本発明の他の代替え実施形態および／または使用および本発明の明らかな修正物および同等物まで広がることは、当業者によって理解されるだろう。その上、本発明のいくつかの変形が示され詳細に説明されたが、本発明の範囲内にある他の修正物が、この開示に基づいて当業者には容易に明らかになるであろう。また、実施形態の特定の特徴および態様の様々な組合せまたは部分組合せが作られ、依然として本発明の範囲内に含まれることがあると考えられる。開示された発明のいろいろのモードを形成するために、開示された実施形態の様々な特徴および態様を互いに組み合わせ、または置き換えることができることは理解されるべきである。したがって、本明細書で開示された本発明の範囲は、上で説明された特定の開示された実施形態によって限定されるべきでない。

Claims (43)

1. コア領域と、
   前記コア領域を取り囲むＮ＞２層の低屈折率特徴とを備える全ガラス・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）であって、
   実質的に前記コア領域によって境界を定められた領域の中で、基本モードを伝播しかつ誘導するように構成されている、全ガラス・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）。
2. Ｎ＝３である、請求項１に記載の全ガラスＰＣＦ。
3. 前記コア領域の直径が約１５０μｍ未満であり、前記ＰＣＦの直径が約７００μｍ以下である、請求項１に記載の全ガラスＰＣＦ。
4. 前記低屈折率特徴が、フッ素添加ガラスを含む、請求項１に記載の全ガラスＰＣＦ。
5. 第１の熱膨張係数を持つ第１のクラッド材料と、
   前記第１のクラッド材料の中に配置された１つ又は複数の層のクラッド特徴とを備える全ガラス・ファイバであって、
   前記クラッド特徴は、第２の熱膨張係数を持つ第２のクラッド材料を含み、
   前記ファイバは、少なくとも１つのクラッド特徴に隣接した屈折率の局部的増加を有し、
   前記コア領域の少なくとも一部内の屈折率差が、約１．０×１０^-3未満であるが、前記コア領域の前記少なくとも一部内の基本モードの屈折率導波を生じさせるだけ十分に大きいように、前記ファイバは、クラッド特徴の第１の内側の層によって境界を定められかつ不均一な屈折率プロファイルを持つ前記コア領域をさらに備える、全ガラス・ファイバ。
6. 前記相対屈折率差が、応力光学効果によって生じている、請求項５に記載の全ガラス・ファイバ。
7. 前記第１のクラッド材料がシリカを含み、前記第２のクラッド材料がフッ素添加シリカを含む、請求項５に記載の全ガラス・ファイバ。
8. 前記コア領域の直径が、約３０μｍから約２００μｍの範囲にある、請求項１に記載の全ガラスＰＣＦ。
9. 前記コア領域の直径が、約３０μｍから約２００μｍの範囲にある、請求項５に記載の全ガラス・ファイバ。
10. 前記ファイバが、前記コア領域内を伝播する入力パルスのスペクトルを広げるように動作することができ、
    前記パルスが、非線形閾値を超えるだけ十分に高い強度を持っている、請求項９に記載の全ガラス・ファイバ。
11. 光パルスの光源と、
    前記光源からパルスを受け取るように構成された単一モード又は数モード入力ファイバと、
    前記入力ファイバに光学的に結合され、前記入力ファイバから前記パルスを受け取るように構成された大コア・ファイバとを備えるファイバ光学システムであって、
    前記大コア・ファイバは、約３０μｍから約２００μｍの範囲のコア寸法を持ち、
    前記大コア・ファイバと前記入力ファイバは、前記入力ファイバのコアが広げられそれで前記入力ファイバのコアから前記大コア・ファイバのコアに結合されるパワーが突合せ結合で得られるものよりも実質的に大きくなるように、つなぎ合わされ、
    前記入力ファイバの出力のモードが、前記大コア・ファイバの基本モードに実質的に整合されている、ファイバ光学システム。
12. 請求項１１に記載のファイバ光学システムを含むレーザ・レーダ。
13. 請求項１１に記載のファイバ光学システムを含む材料処理システム。
14. 請求項１１に記載のファイバ光学システムを含む電気通信システム。
15. 前記単一モード又は数モード入力ファイバ及び前記大コア・ファイバの少なくとも１つが、希土類添加され、その中を伝播するパルスを増幅するための利得ファイバとして構成されている、請求項１１に記載のファイバ光学システム。
16. 第１の屈折率ｎ１を持つ第１のクラッド材料を有する第１のクラッド領域であって、前記第１のクラッド材料が石英ガラスを含む第１のガラスを有する、第１のクラッド領域と、
    前記第１のクラッド領域内に配置され、第２の屈折率ｎ２を持つ第２のクラッド材料を有する複数のクラッド特徴であって、ｎ２はｎ１よりも小さく、前記第２のクラッド材料がフッ素添加石英ガラス又はホウ素添加石英ガラスを含む第２のガラスを有する、複数のクラッド特徴と、
    前記複数のクラッド特徴によって少なくとも部分的に囲まれたコア領域とを備え、
    前記第１のクラッド領域及び前記複数のクラッド特徴は、前記コア領域が、ある波長を持つ少なくとも１つのより低次のモードを伝播させ、一方、前記波長で、前記波長を持つ少なくとも１つのより高次のモードに、前記少なくとも１つのより低次のモードよりも高い損失を生じさせることによって、前記少なくとも１つのより高次のモードの伝播を制限するように構成されている、ファイバ。
17. 前記第１のクラッド領域は、約１２５μｍから約３００μｍの範囲の寸法を有する、請求項１６に記載のファイバ。
18. 前記コア領域は、約３０μｍから約２００μｍの範囲の寸法を有する、請求項１６に記載のファイバ。
19. ファイバ出力のモード・プロファイルは、前記モード・プロファイルのパワー半値領域の実質的な部分で、ほぼ回折で制限されている、請求項１６に記載のファイバ。
20. 前記複数のクラッド特徴の少なくとも１つは、非回転対称である、請求項１６に記載のファイバ。
21. （ｎ１−ｎ２）／ｎ１により特徴付けられる相対的屈折率差は、約４．５×１０^-3未満である、請求項１６に記載のファイバ。
22. 前記相対的屈折率差は、約１．０×１０^-3未満である、請求項２１に記載のファイバ。
23. 前記第１のクラッド領域の上に配置された励起用クラッドをさらに含む、請求項１６に記載のファイバ。
24. 前記励起用クラッドが、低屈折率ガラスを含む、請求項２３に記載のファイバ。
25. 前記低屈折率ガラスが、フッ素を含む、請求項２４に記載のファイバ。
26. 前記励起用クラッドが、エア・ホールの層を含む、請求項２３に記載のファイバ。
27. 前記ファイバは、光利得、励起用クラッド、及び励起ガイドを提供するドープされたコアを含み、
    前記励起用クラッド又は前記励起ガイドの少なくとも一部は、非回転対称部を含み、
    前記非回転対称部が、前記励起用クラッド上での励起用ビーム入射のモード混合を増加させるよう構成されている、請求項１６に記載のファイバ。
28. 前記複数のクラッド特徴が寸法ｄ及び間隔∧を有し、比ｄ／∧が、約０．３から約０．９の範囲にある、請求項１６に記載のファイバ。
29. 前記比ｄ／∧が、約０．４から約０．８の範囲にある、請求項２８に記載のファイバ。
30. 前記比ｄ／∧は、（ｎ１−ｎ２）／ｎ１により特徴付けられる相対的屈折率差を少なくとも部分的に生じさせるように選択され、前記相対的屈折率差は、前記コア領域の少なくとも一部内で５×１０^-4未満であるが、前記コア領域の前記少なくとも一部内で基本モードの屈折率導波を生じさせるだけ十分に大きい、請求項２８に記載のファイバ。
31. 前記第１のクラッド材料は、第１の熱膨張係数を有し、
    前記第２のクラッド材料は、第２の熱膨張係数を有し、
    前記第１の熱膨張係数及び前記第２の熱膨張係数は、前記相対的屈折率差を少なくとも部分的に生じさせるよう選択される、請求項３０に記載のファイバ。
32. 前記第１のクラッド領域は、前記第１の屈折率及び前記第２の屈折率とは異なる屈折率を有する応力要素をさらに含む、請求項１６に記載のファイバ。
33. 前記ファイバは、偏光保持ファイバとして構成され、
    前記複数のクラッド特徴及び応力要素の寸法、配列および数の１つ又は組合せが、ビームの偏光を保持する間に前記高い損失を生じさせる、請求項３２に記載のファイバ。
34. 単一モード又は数モードファイバを含む入力ファイバと組み合わされた、請求項１６に記載のファイバであって、
    請求項１６に記載のファイバは、前記コア領域の寸法が約３０μｍから約２００μｍの範囲にある、大コア漏れチャネル・ファイバとして構成され、
    前記大コア漏れチャネル・ファイバは、前記入力ファイバの出力端に接続された入力端を有し、
    前記入力ファイバの出力端及び前記大コア漏れチャネル・ファイバの入力端は、（ｉ）前記出力端における前記入力ファイバのコアが、広げられることが可能であり、（ｉｉ）前記入力ファイバの前記広げられることが可能なコアから前記漏れチャネル・ファイバへ接続される光信号パワーが、突合せ結合で得ることができるものよりも実質的に大きくなるように、構成可能である、請求項１６に記載のファイバ。
35. 光パルスの光源と、
    前記光源からパルスを受け取るように構成された単一モード又は数モード入力ファイバと、
    前記入力ファイバに光学的に接続され、前記入力ファイバから前記パルスを受け取るように構成された請求項１６に記載のファイバと、を備えるファイバ光学システムであって、
    請求項１６に記載の前記ファイバ及び前記入力ファイバは、前記入力ファイバのコアが広げられ、前記入力ファイバのコアから前記コア領域に接続されるパワーが突合せ結合で得ることができるものよりも実質的に大きくなるように、つなぎ合わされ、
    前記入力ファイバの出力におけるモードは、請求項１６に記載の前記ファイバの基本モードに実質的に整合されている、ファイバ光学システム。
36. 請求項３５に記載の前記ファイバ光学システムを含むレーザ・レーダ。
37. 請求項３５に記載の前記ファイバ光学システムを含む材料処理システム。
38. 請求項３５に記載の前記ファイバ光学システムを含む電気通信システム。
39. 前記単一モード又は数モード入力ファイバ及び請求項１６に記載の前記ファイバのうちの少なくとも１つは、希土類添加され、その内部を伝播するパルスを増幅する利得ファイバとして構成されている、請求項３５に記載のファイバ光学システム。
40. ほぼ回折で制限された入力空間プロファイルを持つ光パルスを供給する光パルス源と、
    光励起源と、
    請求項１６に記載の前記ファイバとを備えるファイバ光増幅器システムであって、
    前記コア領域の少なくとも一部が希土類添加され、
    前記ファイバが、さらに、前記光励起源から励起エネルギーを受け取るように構成された励起用クラッドと、前記受け取られた励起エネルギーの一部を前記コア領域に伝えるための励起ガイドとを含み、
    前記ファイバが、ほぼ回折で制限された出力空間プロファイルを持つ出力パルスと、約１０μＪから約１０ｍＪの範囲のエネルギーを持つ少なくとも１つの出力パルスとを生成するために、前記パルスを受け取りさらに前記パルスを増幅するように構成されている、ファイバ光増幅器システム。
41. 前記出力パルスの繰返し率が、約１ｋＨｚを超える、請求項４０に記載のファイバ光増幅器システム。
42. 前記少なくとも１つの出力パルスのパルス幅が、約１ｎｓ未満である、請求項４０に記載の光増幅器システム。
43. 請求項４０に記載の前記ファイバ光増幅器システムと、
    材料上又は材料内にスポットを生成するためのビーム伝達光学部品を含む光学システムとを備え、
    前記スポットが約１μｍから約２５０μｍの範囲のスポット径を有する、レーザに基づいた材料処理システム。

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