JP2014049763A - シングルモード動作を維持したままクラッド吸収を増加させたダブルクラッドの利得をもたらすファイバ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 シングルモードで、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバのクラッド吸収は、コア領域と内側クラッド領域の間に配置されたトレンチ領域を含んでいるファイバ設計で増加する。クラッド吸収の増加は、シングルモード動作を維持したまま実現される。
【選択図】 図1
Description
本出願は、2012年8月29日に出願した「DOUBLE CLAD, GAIN PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLE MODE OPERATION」という名称の米国仮出願第61/694,709号からの優先権を主張するものである。それに加えて、本出願は、「GAIN−PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLE−MODE OPERATION」という名称の出願番号_(T.F.Taunay 19)と同時に出願されたものである。
αclad=αd(Ad/Aclad) (1)
この式で、αdは、利得をもたらす種でドープされたファイバの一部分(例えば図7のコア領域70.1であり、以下では利得領域と称する)におけるポンプ光の材料吸収であり、Adは利得領域の横方向断面積であり、Acladは、内側クラッド領域70.3の内部の全体の横方向断面積(例えば円形の断面を有する内側クラッド領域についてはπDic 2/4)である。また、材料吸収は次式で与えられ、
αd=Ndσd (2)
この式で、Ndは利得領域の利得をもたらす種の体積濃度であり、σdは、ポンプ光波長における利得領域マトリクス(例えば水晶またはガラス)のドーパントの吸収断面積である。
ベンディング:マクロ・ベンディングは、一般には単にベンディングと称され、ファイバが、少なくともその長さの一部分に沿ってファイバの曲率が比較的一定であるように曲げられる、巻かれる、またはカールされるときに起こる。それと対照的に、マイクロ・ベンディングは、特定のファイバに対して、断熱長の範囲内のスケールで(例えば1ミリメートル程度またはより短いファイバ長さに沿って)曲率変化が著しいときに起こる。このようなマイクロ・ベンディングは、例えば、紙やすりにファイバを押しつけることによる標準的なマイクロ・ベンディング・テストで形成される。
本発明の実施形態は、利得をもたらす種/ドーパントの濃度を増加する必要なくクラッド吸収を増加させた、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバ(GPF)設計を示す。具体的には、このファイバ設計は、コア径の増大を可能にするトレンチ領域を含み、これによって、式(1)で示されるように、結果的にクラッド吸収が増加する。すなわち、αclad=αd(Ad/Aclad)である。シングルモード動作については、心線対照Δncoreは約8×10−3未満にするべきである。(Δncore>8×10−3は、シングルモード動作を保つために、対応してコア領域の直径をより小さくすることを意味し、したがってクラッド吸収も低下することに留意されたい。)
図2に示された代替実施形態では、斜線部分は、利得をもたらす種が、信号光の基本モードの大部分のエネルギーが閉じ込められるコア領域10.1にのみ配置されていることを示す。ただし、このモードのすそはトレンチ領域10.2に及ぶ。しかし、トレンチ領域は利得をもたらす種を含まないので、このすそが増幅されず、それによって、GPFが組み込まれる増幅器またはレーザーの効率が低下する。(このような非効率の発現の1つは、増幅自然放出光(ASE)の生成である。)この影響を緩和するために、コア領域10.1に隣接するトレンチ領域10.2の部分(すなわち、すそが及ぶ部分)も、利得をもたらす種でドープされてよい。
図1および図2の光ファイバ設計の前述の説明から、本発明の別の態様は、シングルモード動作を維持したままダブルクラッドGPFのクラッド吸収を増加する方法であることが明らかであり、この方法は、(a)トレンチ領域のない相当するダブルクラッドGPFのコア径(Dcore)より大きなコア径を有するコア領域10.1を形成するステップと、(b)コア領域10.1と内側クラッド領域10.3の間にトレンチ領域10.2を形成するステップと、(c)コア領域10.1、トレンチ領域10.2、および内側クラッド領域10.3を、(i)トレンチ領域の屈折率が内側クラッド領域10.3の屈折率より低く、また、(ii)絶対値で、トレンチ領域10.2の屈折率と内側クラッド領域10.3の屈折率の間の差Δntrが、コア領域10.1の屈折率と内側クラッド領域10.3の屈折率の間の差Δncoreより小さくなるように構成するステップと、(d)信号光の基本モードが、主にコア領域10.1においてサポートされ導かれることが可能で、また、マルチモード・ポンプ光が、内側クラッド領域10.3を介して(通って)コア領域10.1に結合され得るように、コア領域10.1、トレンチ領域10.2、および内側クラッド領域10.3を構成するステップとを含む。
提供された本発明の実施形態の実例が、図1〜図3に示されたタイプのダブルクラッドGPFの設計を説明する。この特定の実施形態に関する性能および設計の計算は、コア領域が、利得をもたらす種Ybでドープされ、かつGe、AlおよびPも共にドープされ、トレンチ領域10.2はFでダウンドープされ、内側クラッド領域は非ドープであると想定する。しかし、これらの計算は、外側クラッド領域が内側クラッド領域より低い屈折率を有する限り、外側クラッド領域10.4を形成するのに用いられる材料には左右されない。
本発明の適用例の1つが図5に示されており、高出力の光ファイバ増幅器230は、任意選択のピッグテイル・ファイバ235pに光学的に結合されたGPF 235aを備える。GPF 235aは結合器233に光学的に結合されており、ピッグテイル・ファイバ235pは利用デバイス234に光学的に結合されている。GPF 235aは本発明によって設計されており、典型的には増幅器パッケージの内部でピッグテイル235pとともに巻かれている。一般的な市販の増幅器パッケージでは、巻かれたGPFファイバ235aおよびピッグテイル235pは、周知のプレートまたはマンドレル(図示せず)上に取り付けられる。
Claims (24)
- ダブルクラッドの、利得をもたらす光ファイバであって、
前後軸を有するコア領域と、
前記コア領域を取り囲むクラッド領域と
を備え、前記コア領域およびクラッド領域が、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして前記軸の方向に導くように構成されており、
前記クラッド領域が、前記コア領域を取り囲むトレンチ領域、前記トレンチ領域を取り囲む内側クラッド領域、および前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域を含み、前記外側クラッド領域が前記内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、前記内側クラッド領域が前記外側クラッド領域の屈折率と前記コア領域の屈折率の間の屈折率を有し、前記トレンチ領域が前記内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、
少なくとも前記コア領域には、前記ファイバに適切なポンピング・エネルギーが印加されたとき前記信号光に利得をもたらす、少なくとも1つの利得をもたらす種が含まれ、
前記コア領域およびクラッド領域は、前記基本モードが主に前記コア領域において導かれ、前記トレンチ領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δntrが、絶対値で、前記コア領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δncoreより小さくなるように構成されており、それによって、前記信号光のシングルモード動作を維持したまま、前記コア領域の直径および前記ファイバのクラッド吸収が、どちらも、前記トレンチ領域のなく、相当する、利得をもたらすファイバと比較して増加され得る、ファイバ。 - 少なくとも前記コア領域がYbでドープされており、前記基本モードが、約6〜16μmのモード・フィールド径(MFD)によって特徴付けられ、前記コア領域およびクラッド領域が、前記トレンチ領域のない、相当する、利得をもたらすファイバと比較して、前記クラッド吸収が約26〜69%増加するように構成されている、請求項1に記載のファイバ。
- 前記MFDが約6〜8μmであり、前記コア領域の半径が約2.9〜4.1μmであり、前記コア領域の屈折率差異が約4.3×l0−3〜7.8×l0−3であり、前記トレンチ領域の屈折率差異が約−0.5×10−3から−4.0×l0−3であり、前記トレンチ領域の最小幅が約1.5〜7.0μmである、請求項2に記載のファイバ。
- 前記MFDが約10〜16μmであり、前記コア領域の半径が約4.6〜8.7μmであり、前記コア領域の屈折率差異が約1.1×l0−3〜2.8×l0−3であり、前記トレンチ領域の屈折率差異が約−0.15×10−3から−0.8×l0−3であって、前記トレンチ領域の最小幅が約2.5〜10.0μmである、請求項2に記載のファイバ。
- 前記トレンチ領域の少なくとも一部分が、少なくとも1つの利得をもたらす種も含んでいる、請求項1に記載のファイバ。
- 前記コア領域、前記トレンチ領域および前記内側クラッド領域がシリカを含み、前記外側クラッド領域が、低屈折率ポリマー、ダウンドープされたシリカ、およびエア・クラッド構造から成る群から選択される、請求項1に記載のファイバ。
- 前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域が、前記ファイバの前記クラッド吸収(αclad)を、類似のMFDを有するが前記トレンチ領域のないファイバと比較して、約30%増加させるように構成されており、αclad=αd(Ad/Aclad)であって、αdは、前記ファイバの、利得をもたらす種を含んでいる前記領域の吸収係数であり、Adは、前記ファイバの、利得をもたらす種を含んでいる前記領域の横方向の断面積であり、Acladは、前記外側クラッドの内部に含まれる前記ファイバの全体の横方向の断面積である、請求項1に記載のファイバ。
- 前記コア領域およびクラッド領域が、前記信号光の前記基本モードのみをサポートして導くように構成されている、請求項1に記載のファイバ。
- 前記コア領域およびクラッド領域が、前記信号光の前記基本モードおよび高々約1次〜4次のモードをサポートして導くように構成されている、請求項1に記載のファイバ。
- 前記ポンピング・エネルギーが、マルチモード・ポンプ光のソースによって供給され、前記コア領域およびクラッド領域は、前記ポンプ光が前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合され得るように構成されている、請求項1に記載のファイバ。
- 前記コア領域に印加されるポンプ光に応答して、前記コア領域に結合された前記信号光を増幅するための請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光ファイバであって、
前記ポンプ・エネルギーのソースが、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合される光ファイバを備える、光学装置。 - ポンプ・エネルギーの前記ポンプ・ソースが、マルチモード・ポンプ光を供給し、前記ポンプ光および前記信号光を前記コア領域に結合するための結合器をさらに含む、請求項11に記載の装置。
- 前記ファイバ、前記ソースおよび前記結合器が、光増幅器として構成されている、請求項12に記載の装置。
- 空胴共振器と、
前記共振器の内部に配置された、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光ファイバと、
ポンプ・エネルギーを、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合するためのカプラとを備え、そのことにより前記コア領域の内部の刺激発光として前記信号を生成する、光学装置。 - 前記ファイバ、前記共振器および前記カプラがレーザーとして構成されている、請求項14に記載の光学装置。
- 利得をもたらすコア領域、前記コア領域を取り囲む内側クラッド領域、および前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッドを含んでいる、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバのクラッド吸収を増加する方法であって、
(a)前記コア領域と前記内側クラッド領域の間にトレンチ領域を形成するステップであって、前記コア領域の直径が、トレンチ領域のなく、相当する、ダブルクラッドの、利得をもたらすファイバのコア領域の直径より大きいステップと、
(b)前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、(i)前記トレンチ領域の屈折率が前記内側クラッド領域の屈折率より低く、(ii)前記トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差Δntrが、前記コア領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δncoreより小さくなるように構成するステップと、
(c)信号光の基本モードが、前記コア領域においてサポートされ導かれることが可能で、また、マルチモード・ポンプ光が、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合され得るように、前記コア領域、トレンチ領域、および内側クラッド領域を構成するステップと
を含む、方法。 - ステップ(a)、(b)および(c)は、前記基本モードが約6〜16μmのモード・フィールド径(MFD)によって特徴付けられるように前記コア領域、トレンチ領域およびクラッド領域を構成し、前記コア領域およびクラッド領域は、前記クラッド吸収が約26〜69%増加するように構成される、請求項16に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)および(c)は、前記MFDが約6〜8μmであり、前記コア領域の半径が約2.9〜4.1μmであり、前記コア領域の屈折率差異が約4.3×l0−3〜7.8×l0−3であり、前記トレンチ領域の屈折率差異が約−0.5×10−3から−4.0×l0−3であって、前記トレンチ領域の幅が約1.5〜7.0μmであるように前記コア領域、トレンチ領域およびクラッド領域を構成する、請求項17に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)および(c)は、前記MFDが約10〜16μmであり、前記コア領域の半径が約4.6〜8.7μmであり、前記コア領域の屈折率差異が約1.1×l0−3〜2.8×l0−3であり、前記トレンチ領域の屈折率差異が約−1.5×10−3から−0.15×l0−3であって、前記トレンチ領域の最小幅が約2.5〜10.0μmであるように前記コア領域およびクラッド領域を構成する、請求項17に記載の方法。
- ステップ(a)は、前記トレンチ領域の少なくとも一部分が、少なくとも1つの利得をもたらす種も含むように前記トレンチ領域を形成する、請求項16に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)および(c)は、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域がシリカを含み、前記外側クラッド領域が、低屈折率ポリマー、ダウンドープされたシリカ、およびエア・クラッド構造から成る群から選択されるように構成する、請求項16に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)および(c)は、前記ファイバの前記クラッド吸収(αclad)が、前記トレンチ領域のない類似のファイバと比較して、少なくとも約30%増加するように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成し、αclad=αd(Ad/Aclad)であって、αdは、前記ファイバの利得をもたらす種を含んでいる領域の吸収係数であり、Adは、前記ファイバの利得をもたらす種を含んでいる前記領域の横方向の断面積であり、Acladは前記ファイバの全体の横方向の断面積である、請求項16に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)および(c)は、前記ファイバが前記信号光の前記基本モードのみをサポートして導くように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成する、請求項16に記載の方法。
- ステップ(a)、(b)および(c)は、前記ファイバが前記信号光の前記基本モードおよび高々約1次〜4次のモードをサポートして導くように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成する、請求項16に記載の方法。
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