JP2015513119A - 光ビームの強度の横方向空間プロファイルを、好ましくは微細構造光ファイバを用いて変換する装置 - Google Patents

Abstract

この装置では、ファイバ（１０）の横方向寸法が長手方向に変化し、その両端（１２、１４）が、ビームの波長において、ファイバが２つの端部において２つの異なるプロファイル形状を有する基本モードを有するように設計された光幾何学パラメータを有する。これにより、一方のプロファイルを有するビーム（２４）を２つの端部の一方から導入することにより、導入されたビームのプロファイル形状とは異なる形状の他方のプロファイルを有するビームが他端から出射する。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、光ビームの強度の横方向空間プロファイルを変換する装置に関する。

本発明はファイバシステムの分野に適用され、特にガウスビームを平坦な（いわゆる「トップハット型」）ビームまたはリング形状ビームに損失なく変換することを可能にし、レーザ微細加工、例えばマーキングおよび溶接での適用、または光と生体組織との間の相互作用を必要とする医療分野での適用が可能である。

レーザビームの強度プロファイルをガウス形状から他の任意の形状に変換することは、概して自由空間で行われており、
ビームアパーチャ法（ｂｅａｍ ａｐｅｒｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によってマスクシステムまたはダイヤフラムシステムを用いて振幅を変更すること、または
フィールドマッピング法によって回折または屈折要素を用いて空間相を変調することによって行われる。

非コヒーレントビームの場合、ビーム結合器を構成する均質化コンポーネント(ｈｏｍｏｇｅｎｉｓｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ)
が用いられる。

小型でありアライメント（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）し易いという光ファイバの利点を利用するために、高度に多モードの光ファイバを用いてビームを均質化する方法が開発されてきた。

平坦基本モード（Ｆｌａｔｔｅｎｅｄ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｍｏｄｅ）の光ファイバも公知である。この点については文献[１]〜[４]を参照すべきである。これらの文献は後に引用する他の文献と共に、本明細書の最後にリストアップする。この場合、空間ビーム整形は、入射ビームがファイバに導入された後に平坦基本モードを励起させることによって達成される（文献[５]参照）。

自由空間で行われる変換は振幅変調に基づいており、損失が大きい。空間相変調に基づく変換は、損失は少ないが、アライメントに対する感度が高すぎ、高価である。

均質化コンポーネントを含む装置を用いると、自由空間内にあるか集積光学素子やファイバ光学素子（ｆｉｂｒｅ−ｏｐｔｉｃｓ）内にあるかにかかわらず、装置の出力においてビームの空間コヒーレンスが低くなる。

平坦基本モードのファイバを用いると、アライメント不要で堅固かつ小型の空間ビーム形状を得ることができる。しかし、ファイバの基本モードの形状が入射ビームの形状と同一でないという事実のために、導入時に損失が発生する。さらに恒久的に単一モードのファイバを製造するのは非常に困難である（文献[６]参照）ため、用いられるファイバの多モード度は実際非常に低い。このことは出射形状が導入条件に依存することを意味する。

そのため、レーザビームの強度プロファイルをガウス形状から平坦形状またはリング形状に（またはその逆に）変換する、小型かつ堅固で低価格の方法は今のところ存在しない。

本発明の目的は、上記欠点を克服することである。

詳しくは、本発明は、所与の波長を有する光ビームの強度の横方向空間プロファイルを、第１の形状を有する第１のプロファイルから第１の形状とは異なる第２の形状を有する第２のモードに変換する装置であって、第１の端部と第２の端部とを有する光ファイバを含み、前記光ファイバは、コアと、前記コアを取り囲み、前記コアの屈折率より大きい屈折率を有するリングと、前記リングを取り囲み、前記コアの屈折率より小さい屈折率を有する光クラッド（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｌａｄｄｉｎｇ）と、を含み、前記光ファイバの横方向寸法は長手方向に変化し、前記第１の端部および前記第２の端部の光幾何学パラメータは、前記所与の波長において前記光ファイバが、前記第１の端部で前記第１のプロファイルを有し前記第２の端部で前記第２のプロファイルを有する基本モードを有するように設計されており、前記第１のプロファイルを有する前記光ビームが前記光ファイバの前記第１の端部を介して導入された場合に、前記光ビームは前記第１のプロファイルとは異なる形状を有する第２のプロファイルで前記第２の端部から出射する、装置である。

本発明による装置の好ましい実施形態によると、前記光ファイバが微細構造ファイバ（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｆｉｂｒｅ）またはフォトニック結晶ファイバ（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｒｅ）である。

本発明の具体的実施形態によると、前記第１のプロファイルが、疑似ガウスプロファイル（ｑｕａｓｉ−Ｇａｕｓｓｉａｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）、平坦プロファイル（ｆｌａｔｔｅｎｅｄ ｐｒｏｆｉｌｅ）およびリング形状プロファイル（ｒｉｎｇ−ｓｈａｐｅｄ ｐｒｏｆｉｌｅ）の３つのプロファイルのセットのうちの１つであり、前記第２のプロファイルが前記セットのうちの他の２つのプロファイルの１つである。

本発明において、前記光ファイバの前記横方向寸法が、前記第１の端部および前記第２の端部のうち少なくとも一方を除く前記光ファイバ全体の長さ方向に亘って実質的に一定であってもよい。

さらに本発明において、前記光ファイバが増幅型光ファイバと非増幅型光ファイバとから選択されてもよい。

具体的実施形態によると、本発明による装置は、前記第１の端部および前記第２の端部の一方に光結合した予備光ファイバをさらに含む。

別の具体的実施形態によると、装置は、前記第１の端部および前記第２の端部にそれぞれ光結合した２つの予備光ファイバをさらに含む。

前記予備光ファイバの各々が増幅型光ファイバと非増幅型光ファイバとから選択されてもよい。

本発明は、添付の図面を参照しながら以下の製造例を読むことにより、よりよく理解される。以下の製造例は情報提供の目的のためだけに記載するものであり、本発明を限定するものではない。

図１Ａは、微細構造光ファイバの一例を示す模式的横方向断面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す例のファイバの屈折率の半径方向プロファイルを示す。 図１Ｃは、図１Ａに示す光ファイバが平坦プロファイルを得ることを可能にするリングの厚みΔＲの変化と屈折率差（ｃｏｎｔｒａｓｔ）Δｎとの関係であって、デフォルトが７であり、ファイバ内のホール間の距離Λを様々に変化させた場合の関係を示す図である。 図２Ａは、微細構造光ファイバの有効屈折率の変化とΛ／λとの関係を模式的に示す図であり、λはファイバが案内すべき光の波長を示す。 図２Ｂは、Λ／λを適切に選択することにより微細構造ファイバが得ることができるガウスモードを示す。 図２Ｃは、Λ／λを適切に選択することにより微細構造ファイバが得ることができる平坦モードを示す 図２Ｄは、Λ／λを適切に選択することにより微細構造ファイバが得ることができるリング形状モードを示す 図３Ａは、テーパ状の微細構造光ファイバを用いる本発明の装置の具体的実施形態を示す模式的側面図である。 図３Ｂは、図３Ａに示すファイバの一端を示す模式図である。 図３Ｃは、図３Ａに示すファイバの他端を示す模式図である。 図４は、本発明による装置の他の具体的実施形態を示す模式的側面図である。 図５は、本発明の別の例を示す模式的側面図である。

図１Ａは、微細構造光ファイバの一例を示す横方向断面図である。図１Ｂは、図１Ａに示すファイバの、水平方向断面に沿った屈折率プロファイルであり、すなわち半径Ｒに沿った屈折率ｎの変化（半径方向プロファイル）を示す図である。

微細構造の利点は特に、ファイバ内で伝播する光の波長λに対してコアの寸法が大きい場合でも、疑似単一モードの挙動を保証できることである。

図１Ａに示すファイバは、
屈折率Ｎを有するコア２により形成される中央部および屈折率がＮ＋Δｎに等しいリング４と（Δｎは厳密に正の値である）、
リング４を取り囲む光クラッド６であって、空気を含み、平均屈折率ｎ_ＦＳＭがコア２の屈折率Ｎより小さい光クラッド６と（空気は一例にすぎず、より包括的にはコアの屈折率よりも小さい屈折率を有する物質を含み得る）、
を含む。

より具体的には、図１Ａに示す例では、光クラッド６は、ファイバの軸に平行な細長いホール８（空気を含む）を含む。クラッド６はコアと同一の材料により形成されているが、ホールがあるため、その屈折率ｎ_ＦＳＭはＮよりも小さい。

この例では、コア２は純粋シリカまたは他の物質をドープしたシリカにより形成されている。リング４はミクロンサイズよりも小さく、ゲルマニウムを軽くドープしたシリカにより形成されている。Ｒ１はリングの内半径であり、Ｒ２はリングの外半形であり、ΔＲはリングの厚みである（ΔＲ＝Ｒ２−Ｒ１）。クラッド６は空気−シリカタイプである。留意すべきは、コア２の直径が２Ｒ１に等しいことである。

微細構造のパラメータは、エアホール（ａｉｒ ｈｏｌｅｓ）８の直径ｄとエアホール８間の距離（ｓｐａｃｉｎｇ）Λである。

特に記載すべきは、屈折率ｎ_ＦＳＭがファイバの光幾何学パラメータλ、Λおよびｄ／Λに依存するということである。

図１Ａからわかるように、リング４に取り囲まれたコア２を形成するためには、センターホール（ｃｅｎｔｒａｌ ｈｏｌｅ）または毛細管を固体材料で置換してコアを形成し、リング状に配置した第１のホールに対応する６つのホールまたは毛細管をこの固体材料で置換する。後者はシリカによって形成されている。シリカはゲルマニウムをドープしたシリカによって形成されたリングに取り囲まれ、その回りをさらにシリカが取り囲み、その回りにリング状に配置した第２のホールがある。したがって失われたホールの数は７に等しく、ファイバはデフォルト７（ａ ｄｅｆａｕｌｔ ｏｆ ７）を有すると表現される。

この幾何学形状により、ネットワーク状に配置されたホール間の距離（ｐｉｔｃｈ）Λを極度に増加させることなく、基本モードのサイズを増加させることができる。留意すべきは、このような幾何学形状の場合、単一モードの伝播を実現するためにはｄ／Λは、λ／Λの値にかかわらず、０．０４７に等しくなければならないということである（文献[６]参照）。

案内されるモードの数ができるだけ少なくなるよう、ｄ／Λはできるだけ小さくなければならない（典型的にはｄ／Λは０．２５未満でなければならない）。

リング４の外半径Ｒ２はファイバの製造によって決まる。クラッド６を形成するために用いる毛細管の配置のために、半径Ｒ２を有しリング４の境界線を形成する円柱形状の外縁とこれに隣接するホールの中心との最短距離はΛ／２でなければならない。上記は（２√３−１）Λ／２に等しい最大外半径に対応する。

様々なパラメータを適切に選択することにより、平坦な強度プロファイルを有する基本モードを得ることができる。

平坦モードは、その有効屈折率がコアの屈折率に等しいときに得られる。基本モードの横方向強度プロファイルの平坦度は、対（Δｎ；ΔＲ）にとって最適にされる。ｄ／Λ＝０．２５の場合の最適化の例を図１Ｃに示す。留意すべきは、Δｎ（屈折率差（ｉｎｄｅｘ ｓｔｅｐ ｏｒ ｉｎｄｅｘ ｃｏｎｔｒａｓｔ））がリング４の屈折率とコア２の屈折率との差であることであり、ΔＲがリングの厚みを表すということである。

より具体的には、図１Ｃは、平坦なプロファイルの実現を可能にするリングの厚みと屈折率差（ｉｎｄｅｘ ｃｏｎｔｒａｓｔ）との関係を示す。この場合、デフォルトは７であり、エアホール間の距離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）ΛはΛ＝８．５μｍ（曲線Ｉ）、Λ＝１７μｍ（曲線ＩＩ）およびΛ＝３０μｍ（曲線ＩＩＩ）と変化させている。ｄ／Λ＝０．２５である。

図１Ｃから読みとれる屈折率差（ｉｎｄｅｘ ｃｏｎｔｒａｓｔ）Δｎは、ＯＶＤ（Ｏｕｔｓｉｄｅ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法すなわち外部蒸着法を用いて、ゲルマニウムをドープしたシリカを純粋シリカのバー回りに蒸着すること、またはフッ素をドープしたコア回りに純粋シリカを蒸着することによって達成できる。現行の製造技術では、リングの寸法を数パーセントの誤差まで制御することができ、最小で５×１０^―４の屈折率差（ｉｎｄｅｘ ｃｏｎｔｒａｓｔ）を達成することができる。

但し、シリカ回りにゲルマニウムを蒸着すること、またはフッ素をドープしたコア回りに純粋シリカを蒸着することは、一例にすぎない。

平坦基本モードの光ファイバの寸法設計を確立するために用いる理論を以下に詳細に述べる。
ファイバ内で案内される光の波長λを選択する（例えばλ＝１μｍまたはλ＝１．５５μｍ）。
ホールを有する構造内において固体コアで置換する毛細管の数を選択する（例えばデフォルト７（ａ ｄｅｆａｕｌｔ ｏｆ ７））。
ｄ／Λを選択する（例えばｄ／Λ＝０．１２）。
希土類によるコアのドーピングレベルＴを選択する（Ｔ≧０）。これによりコアの屈折率Ｎが決まる（図５参照）。
エアホール間の距離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）Λを選択する。これによりホールの直径ｄ、外半径Ｒ２および光クラッドの有効屈折率または平均屈折率ｎ_ＦＳＭが決まる。

リングの厚みΔＲと屈折率差（ｉｎｄｅｘ ｃｏｎｔｒａｓｔ）Δｎとの間には、以下の関係がある。
ΔＲ＝α／（Δｎ）^β （１）

パラメータα（μｍ）およびβの値は、上記選択したパラメータ（波長λ、デフォルト値、ｄ／Λ、ドーピングされた場合のコアの光屈折率Ｎ、エアホール間の距離（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）Λ)
に依存する。

例えばコアが、ドープしていないシリカによって形成されている場合、αは以下の式によって与えられる。
α＝２．４８９×１０^−２（ｄ／Λ）^０．２５λ^２/Λ
上記式において、ｄ、Λおよびλがマイクロメータのオーダーであるとき、αもマイクロメータのオーダーである。βは１に等しい。

特に記載すべきは、概して、Δｎ＞１０^−３、５×１０^−４μｍ≦α≦５×１０^−２μｍ、かつ０．５≦β≦１．５だということである。

平坦基本モードのファイバを用いる場合、より厳密には平坦な強度プロファイルを有する基本モードのファイバを用いる場合、空間形状は、入射ビームをファイバに導入する結果として平坦基本モードが励起することにより達成される（文献[５]参照）。

しかしファイバの基本モードの形状が入射ビームの形状と同一でないという事実により、導入時に損失が発生する。さらに実用的な観点からみると、恒久的に単一モードである有効面積の大きなファイバを製造することは困難である（文献[６]参照）。そのためいくつかのより高次なモードが基本モードと共存する。

したがって、典型的にはガウス強度プロファイルであるレーザビームをこのようなファイバに、自由空間で、または光ファイバによって導入すると、基本モードのみならず高次モードも励起する。そのため出力モードの空間形状は、導入条件およびファイバに対する制約に依存する。

図１Ａおよび図１Ｂに示す構造を考慮すると、基本モードの横方向空間形状は、リング形状に配置されたエアホール間の距離（ｐｉｔｃｈ）の、波長に対する割合（Λ／λ）に依存する。図２Ａに挙動を示す。図２は、有効屈折率ｎ_ｅｆｆの変化の傾向とこの割合Λ／λとの関係を示す。

Λ／λの値が小さい場合、モードの有効屈折率はコアの屈折率Ｎよりも小さい。ファイバは従来のステップインデックス型ファイバのように作用し、コアを取り囲む高屈折率リングがモードによって「見られる」ことはほとんどない。そのためこのモードは疑似ガウスモードである。より具体的には、基本モードの強度分布は疑似ガウス分布である。

Λ／λが特定の値である場合のこの分布を図２Ｂに示す。この特定の値は、ｎ_ｅｆｆがｎ_ＦＳＭ（図２Ａの点Ｉ）に近い場合、すなわちコアがない場合の無限クラッドの基本モードの屈折率（または基本空間充填モードの屈折率）に近い場合に相当する（文献[７]参照）。

Λ／λの値を増加させることにより、リングの重要性が増していく。これはガウス形状モードから平坦モードへの変形として表現される。有効屈折率ｎ_ｅｆｆがコアの屈折率Ｎ（図２Ａの点ＩＩ）に近い場合、可能な限り平坦なモードが得られる。これに対応する、基本モードの強度分布を図２Ｃに示す。

Λ／λの値をさらに増加させることにより、有効屈折率ｎ_ｅｆｆがコアの屈折率に比べてはるかに大きくなる。これによりコアの内部反射による変調案内（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ）が防止される。このため、光は、最大屈折率を有するリング内で主に案内される。

したがってリング形状のモードが得られる。より具体的には、基本モードの強度分布がリング形状である。Λ／λが特定の値である場合のこの分布を図２Ｄに示す。この特定の値は、ｎ_ｅｆｆがＮ＋Δｎに近い場合、すなわちリングの屈折率（図２Ａの点ＩＩＩ）に近い場合に相当する。

Λ／λの値を最適化することにより、所望の波長またはその前後の平坦モードを上手く得ることができる。

このように長さ方向においてホール間の距離（ｐｉｔｃｈ）Λが一定である光ファイバの場合、波長λが次第に短くなると、基本モードの強度の空間分布がガウス形状から平坦形状を経てリング形状に変化する。

同様に、波長λが固定されている場合、基本モードの空間分布はΛに応じて、すなわちファイバの横方向寸法に応じて変化する。

本発明はこの特性を利用する。本発明は特に、損失を最小限に抑えながらガウス形状を有する入力モードを直径の大きな平坦モードに変換するために、横方向寸法が断熱状態で（ａｄｉａｂａｔｉｃａｌｌｙ）変化するテーパ状フォトニック結晶ファイバを提案する。

本発明のこの例を図３Ａから図３Ｃに模式的に示す。

図３Ａは本発明による変換装置の模式的側面図である。変換装置は、テーパ状の微細構造光ファイバ１０により形成されている。ファイバの微細構造は図３Ａには示さず、図３Ｂおよび図３Ｃにのみ示す。図３Ｂおよび図３Ｃはそれぞれ、ファイバ１０の端部１２および１４の模式図である。

図からわかるように、ファイバは図１Ａ同様の構成を有し、したがって
コア１６と、
コアを取り囲み、コアの屈折率よりも大きい屈折率を有するリング１８と、
リング１８を取り囲む光クラッド２０であって、細長いホール２２を有し、コア１６の屈折率よりも小さい平均屈折率を有する光クラッド２０と、
を含む。

しかし図１Ａに示すファイバとは異なり、ファイバ１０はテーパ状であるため、その横方向寸法は一端から他端まで長手方向に変化する。

ファイバ１０は、所与の波長λを有する入力光ビームの強度の横方向空間プロファイルを変換するように設計されている。端部１２を介してファイバ１０に導入された入力ビーム２４はガウスプロファイルを有し、端部１４を介してファイバから出射した出力ビーム２６は平坦プロファイルを有する。

これを実現するため、端部１２および１４の光幾何学パラメータは、ファイバ１０の端部１２および１４が波長λにおいてそれぞれガウスモードおよび平坦モードを有するように設計されている。したがってこれらはそれぞれ上記のガウスプロファイルおよび平坦プロファイルに対応する。

所与の波長λにおける光幾何学パラメータは、上記のパラメータΔｎ、Λ、ｄ、Ｒ１およびＲ２である。しかし図３Ｂおよび図３Ｃからわかるように、パラメータΛ、ｄ、Ｒ１およびＲ２は、ファイバの注目する端部が端部１２であるか端部１４であるかによって指標ＡまたはＢを割り当てられる。

以下、これらの光幾何学パラメータをいかに選択するかを説明する。

まず端部１４（屈折率Ｂ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ Ｂ））のパラメータを、波長λにおいて平坦基本モードを与えるΛ_Ｂ／λを用いて選択する。その後、端部１２（屈折率Ａ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ Ａ））のΛ_Ａ／λが波長λにおいてガウス形状強度プロファイルを与えるまで、ファイバの横方向寸法を相似的に減少させる。

換言すると、端部１２の幾何学形状は端部１４の幾何学形状と相似であり、Ｒ１_Ａ＜Ｒ１_Ｂ、Ｒ２_Ａ＜Ｒ２_Ｂ、Λ_Ａ＜Λ_Ｂ、かつｄ_Ａ＜ｄ_Ｂである。Λ_Ａ／λは、端部１２における基本モードの強度分布がガウス形状となるように選択される。

これにより、端部１２において、単一モードレーザにより生成されるタイプの従来のガウス強度分布との空間重複を最大にすることができる。この分布を有する光ビームは、自由空間において、またはステップインデックス型単一モードの標準光ファイバを介して、ファイバ１０に導入することができる。

そのためモードのフィルタリング（ｍｏｄａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）は主に、レーザモードがファイバ入力モードと良好に空間重複することによって保証される。

この手順により、損失のないモード形状変換器が達成される。

当然のことながら、図３Ａから図３Ｃを参照して説明した変換装置は、平坦形状を空間整形してガウス形状にするために用いることもできる。端部１２でガウスプロファイルを有するビームを取り出すために必要なのは、平坦な横方向空間強度プロファイルを有する光ビームを他端１４からファイバ１０に導入することだけである。

図４は、本発明による装置の別の具体的実施形態を示す模式的側面図である。この装置は、１６５μｍ^２の有効面積を有するガウス形状モードを空間整形して３８０μｍ^２の有効面積を有する平坦形状モードにすることを可能にする。

この装置は、テーパ状微細構造光ファイバ２８を含む。光ファイバ２８の入力端を参照符号３０で示し、出力端を参照符号３２で示す。

この例では１０５３ｎｍに等しい波長λを選択する。ホールの格子間ピッチ（ｈｏｌｅ ｌａｔｔｉｃｅ ｐｉｔｃｈ）に対するホールサイズの割合であるｄ／Λは、テーパ状ファイバ２８の一端から他端まで一定であり、０．２１に等しい。テーパ状ファイバ２８の出力端３２において、リングのサイズＲ２_Ｂ−Ｒ１_Ｂは０．４７６ｎｍに等しく、屈折率差（ｉｎｄｅｘ ｓｔｅｐ）Δｎは５．２×１０^−３に等しく、ホール間の距離（ｐｉｔｃｈ）Λ_Ｂは７．１３ｎｍに等しい。これらのパラメータはΛ_Ｂ／λ＝６．８を導き、その結果平坦プロファイルが得られる。

テーパ状ファイバ２８の入力端３０において、ホール間の距離（ｐｉｔｃｈ）Λ_Ａは４．８８ｎｍに等しく、これはΛ_Ａ／λ＝４．６およびガウス形状に対応する。

同様に、ガウス形状モードからリング形状モードへの変換器も得ることができる。このような変換器は、ある種のレーザ微細製造分野、例えば光による穿孔手術（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒｅｐａｎｎｉｎｇ）の分野において注目されている（文献[８]参照）。

この場合も、図３Ａに示す種類のテーパ状の微細構造光ファイバを用いる。ファイバの入力端１２はこの場合もガウスモード用に設計されているが、出力端はリング形状モード用に設計されている。

より具体的には、出力端におけるパラメータを、波長λにおいてリング形状基本モードを与えるΛ_Ｂ／λを用いて選択する。その後、入力端のΛ_Ａ／λが波長λにおいてガウス形状強度プロファイルを与えるまで、ファイバの横方向寸法を相似的に減少させる。

換言すると、ガウス形状モードを空間整形してリング形状モードにするテーパ状微細構造ファイバを製造するために、基本モードが波長λにおいてリング形状となるように出力端のパラメータを選択する。

したがって、入力端の幾何学形状は出力端の幾何学形状と相似であり、Ｒ１_Ａ＜Ｒ１_Ｂ、Ｒ２_Ａ＜Ｒ２_Ｂ、Λ_Ａ＜Λ_Ｂ、かつｄ_Ａ＜ｄ_Ｂである。Λ_Ａ／λは、入力端における基本モードの強度分布がガウス形状となるように選択される。

当然のことながら、このようにして得られた変換装置は、リング形状モードを空間整形してガウス形状モードにするために用いることもできる。入力端（指標Ａ）でガウスプロファイルを有するビームを取り出すために必要なのは、リング形状の横方向空間強度プロファイルを有する光ビームを上記出力端（指標Ｂ）に導入することだけである。

上記を鑑みると当業者は、リング形状モードを空間整形して平坦モードにする、またはその逆の変換をする本発明による装置を製造できることを理解する。

本発明による装置は、全体がファイバベースであるシステムにおいてモード変換を可能にする。本発明による装置は小型かつ堅固で低価格であり、現在均等物はない。本発明はさらに、空間重複を用いたモード選択の結果、出力端において単一モードを提供するという利点を有する。

テーパ状微細構造光ファイバの横方向寸法は、入力端および出力端のいずれかまたは両方を除いた部分において、ファイバの長さ方向全体に亘って実質的に一定であってもよい。

これを図４に模式的に示す。図４では、ファイバ２８の３つの部分が区別できる。すなわち、実際にテーパ状の部分Ｉは部分ＩＩおよびＩＩＩに挟まれており、部分ＩＩおよびＩＩＩの横方向寸法は実質的に一定である。特に記載すべきは、ファイバのテーパ部分の横方向寸法は必ずしも線形に変化するわけではなく、任意の形態で変化し得るということである。

このように本発明によると、部分ＩおよびＩＩＩ（または部分ＩおよびＩＩ）の長さが部分ＩＩ（または部分ＩＩＩ）の長さよりはるかに短い装置を着想することができる。

部分Ｉの長さが部分ＩＩおよびＩＩＩの長さよりはるかに短くてもよい。

図５に示すように、本発明によると、微細構造ファイバ３４の横方向寸法が、テーパ状の端部３５および３６を除いて一定である装置を着想することができる。非常に短い端部３５の横方向寸法は、ファイバの非常に長い中央部３８に達するまで増加する。非常に短い端部３６の横方向寸法は、この中央部３８から増加する。

本発明による装置はさらに、自由空間で動作する公知の装置とは異なり、従来の単一モード搬送ファイバの端部に溶接することにより非常に効率的かつ非常にコンパクトに出力モード形状を変換することができる。なぜなら本発明による変換装置の効率は、装置に含まれる微細構造ファイバの横方向寸法が変化する「割合（ｒａｔｅ）」に依存するからである。

より高次のモード（ｈｉｇｈｅｒ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅ）および／またはクラッドモード（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍｏｄｅ）においてエネルギーが過剰に結合するのを防ぐためには、この変化（ファイバの一端から他端までの横方向寸法の変化）が断熱状態で（ｉｎ ａｎ ａｄｉａｂａｔｉｃ ｍａｎｎｅｒ）起こることが好ましい。

しかしエネルギーは、基本モードから最も近い有効屈折率（ｃｌｏｓｅｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）を有するモードに移動する。

そのため断熱状態でどの長さから延伸（ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ）が起こるかを決定するために、以下のおおよそのルールを用いることができる。このルールは、テーパ状ファイバの長さに対する、エネルギーを交換し易い上記２つのモードの結合長さ（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈｓ）に基づく（文献[９]参照）：
1/2ｄｒ／ｄｚ1/2≦ｒ（β_１−β_２）／２π
上記式において、ｒはファイバのコアの半径であり、β_１およびβ_２はそれぞれ互いに最も近い２つのモードの伝播定数である。

ファイバ直径の増加または減少が速すぎると、モード変換中の損失が大きくなりすぎる。

上記の断熱性基準（ａｄｉａｂａｔｉｃｉｔｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）は典型的には、センチメートルのオーダー、またはさらにはミリメートルのオーダーの寸法につながる。

図４はさらに、本発明の装置の入力端の性能であって、上記のように予備光ファイバ４０に光結合する性能を示す。あるいは装置の出力端が予備光ファイバ４２に光結合することもできる。２つのファイバ４０および４２の２つの端部を結合させることも可能である。

さらにファイバ４０は非増幅型ファイバであってもよいし、逆に増幅型ファイバであってもよい。これはファイバ４２にも当てはまる。

上記の本発明の例は各々、テーパ状の微細構造光ファイバを用いる。このようなファイバを、溶接設備を用いて製造すること、または別の光ファイバとの溶接時に製造することは公知である。これらの例では、光クラッドは空気封入体（ａｉｒ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）（空気が充填された細長いホール）を含む。しかし空気は一例にすぎず、より包括的には、コアの屈折率よりも大きい屈折率を有する封入体（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）を含み得る。

さらに、テーパ状の微細構造光ファイバは受動型（すなわち非増幅型）であってもよいし、能動型（すなわち増幅型）であってもよい。

しかし本発明はテーパ状の微細構造光ファイバを用いることに限られない。本発明は、コアと光クラッドとの間に、コアの屈折率よりも大きい屈折率を有するが細長いホールを有していないリングを含むファイバによっても実施し得る。

このファイバの横方向寸法も、好ましくは断熱状態で（ｉｎ ａｎ ａｄｉａｂａｔｉｃ ｍａｎｎｅｒ）長手方向に変化し（テーパ状ファイバ）、ファイバの光幾何学パラメータもファイバの両端に対して上記のように適合するようにされる。

本明細書で引用した文献は以下の通りである。
[1] J.W. Dawson, R. Beach, I. Jovanovic, B. Wattellier, Z. Liao, S.A. Payne and C.P.J. Barty, “Large flattened mode optical fiber for high output energy pulsed fiber lasers”, paper CWD5, CLEO 2003
[2] J.W. Dawson, R.J. Beach, S.A. Payne, M.D. Feit, C.P.J. Barty and Z.M. Liao, “Flattened Mode Cylindrical and Ribbon Fibers and Amplifiers”, US 2004/0247272 (9 December 2004)
[3] J.W. Dawson, R. Beach, I. Jovanovic, B. Wattelier, Z. Liao, S.A. Payne and C.P.J. Barty, “Large flattened mode optical fiber for reduction of non-linear effects in optical fiber lasers”, Proc. SPIE 5335, 132-139 (2004)
[4] C. Wang, F. Zhang, Y. Lu, C. Liu, R. Geng and T. Ning, “Photonic crystal fiber with a flattened fundamental mode for the fiber lasers”, Opt. Commun. 282, 2232-2235 (2009)
[5] C. Wang, F. Zhang, Y. Lu, C. Liu, R. Geng, T. Ning and S. Jian, “Single mode operations in the large flattened mode optical fiber lasers and amplifiers”, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11, 065402 (2009)
[6] K. Saitoh, Y. Tsuchida, M. Koshiba, et N. Asger Mortensen, “Endlessly single-mode holey fibers: the influence of core design”, Opt. Express 13, 10833 (2005)
[7] P. St. Russell, “Photonic-Crystal Fibers”, J. Lightwave Technol. 24, 4729-4749 (2006)
[8] D. Lin et al, “Temporally and spatially shaped fully-fiberized ytterbium-doped pulsed MOPA”, Laser Phys. Lett., 8, 747-753 (2011)
[9] J.D. Love, W.M. Henry, W.J. Stewart, R.J. Black, S. Lacroix, F. Gontier, “Tapered single-mode fibres and devices .I. Adiabaticity criteria”, IEEE Proceedings-J Optoelectronics 138, 343-354 (1991).

本明細書で引用した文献は以下の通りである。
[1] J.W. Dawson, R. Beach, I. Jovanovic, B. Wattellier, Z. Liao, S.A. Payne and C.P.J. Barty, “Large flattened mode optical fiber for high output energy pulsed fiber lasers”, paper CWD5, CLEO 2003
[2] J.W. Dawson, R.J. Beach, S.A. Payne, M.D. Feit, C.P.J. Barty and Z.M. Liao, “Flattened Mode Cylindrical and Ribbon Fibers and Amplifiers”, US 2004/0247272 (9 December 2004)
[3] J.W. Dawson, R. Beach, I. Jovanovic, B. Wattelier, Z. Liao, S.A. Payne and C.P.J. Barty, “Large flattened mode optical fiber for reduction of non-linear effects in optical fiber lasers”, Proc. SPIE 5335, 132-139 (2004)
[4] C. Wang, F. Zhang, Y. Lu, C. Liu, R. Geng and T. Ning, “Photonic crystal fiber with a flattened fundamental mode for the fiber lasers”, Opt. Commun. 282, 2232-2235 (2009)
[5] C. Wang, F. Zhang, Y. Lu, C. Liu, R. Geng, T. Ning and S. Jian, “Single mode operations in the large flattened mode optical fiber lasers and amplifiers”, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11, 065402 (2009)
[6] K. Saitoh, Y. Tsuchida, M. Koshiba, et N. Asger Mortensen, “Endlessly single-mode holey fibers: the influence of core design”, Opt. Express 13, 10833 (2005)
[7] P. St. Russell, “Photonic-Crystal Fibers”, J. Lightwave Technol. 24, 4729-4749 (2006)
[8] D. Lin et al, “Temporally and spatially shaped fully-fiberized ytterbium-doped pulsed MOPA”, Laser Phys. Lett., 8, 747-753 (2011)
[9] J.D. Love, W.M. Henry, W.J. Stewart, R.J. Black, S. Lacroix, F. Gontier, “Tapered single-mode fibres and devices .I. Adiabaticity criteria”, IEEE Proceedings-J Optoelectronics 138, 343-354 (1991).
さらに以下を引用する。
[10] EP 0724 171。非線形光効果を低減させ光信号の劣化を防止するために、大きな有効光透過ゾーンを有するように設計されたセグメント化コア単一モード光ファイバを記載している。
[11] A.K. Gathak et al. “Design of waveguide refractive index profile to obtain flat modal field”, Proc. SPIE Vol. 3666, pp 40-44, 1 January 1998。平坦モードフィールドを得ることを可能にする屈折率プロファイルの設計の提示に関する。

Claims (8)

1. 所与の波長を有する光ビームの強度の横方向空間プロファイルを、第１の形状を有する第１のプロファイルから第１の形状とは異なる第２の形状を有する第２のモードに変換する装置であって、
   第１の端部（１２、３０、３５）と第２の端部（１４、３２、３６）とを有する光ファイバ（１０、２８、３４）を含み、
   前記光ファイバは、コア（１６）と、前記コアを取り囲み、前記コアの屈折率より大きい屈折率を有するリング（１８）と、前記リングを取り囲み、前記コアの屈折率より小さい屈折率を有する光クラッド（２０）と、を含み、
   前記光ファイバの横方向寸法は長手方向に変化し、
   前記第１の端部（１２、３０、３５）および前記第２の端部（１４、３２、３６）の光幾何学パラメータは、前記所与の波長において前記光ファイバが、前記第１の端部で前記第１のプロファイルを有し前記第２の端部で前記第２のプロファイルを有する基本モードを有するように設計されており、前記第１のプロファイルを有する前記光ビームが前記光ファイバの前記第１の端部（１２、３０、３５）を介して導入された場合に、前記光ビームは前記第１のプロファイルとは異なる形状を有する第２のプロファイルで前記第２の端部（１４、３２、３６）から出射する、装置。
2. 前記光ファイバが微細構造ファイバ（１０、２８、３４）である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のプロファイルが、疑似ガウスプロファイル、平坦プロファイルおよびリング形状プロファイルの３つのプロファイルのセットのうちの１つであり、前記第２のプロファイルが前記セットのうちの他の２つのプロファイルの１つである、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記光ファイバ（３４）の前記横方向寸法が、前記第１の端部（３５）および前記第２の端部（３６）のうち少なくとも一方を除く前記光ファイバ全体の長さ方向に亘って実質的に一定である、請求項１から３のいずれか１つに記載の装置。
5. 前記光ファイバが増幅型光ファイバと非増幅型光ファイバとから選択される、請求項１から４のいずれか１つに記載の装置。
6. 前記第１の端部（３０）および前記第２の端部（３２）のいずれか一方に光結合した予備光ファイバ（４０、４２）をさらに含む、請求項１から５のいずれか１つに記載の装置。
7. 前記第１の端部（３０）および前記第２の端部（３２）にそれぞれ光結合した２つの予備光ファイバ（４０、４２）をさらに含む、請求項１から５のいずれか１つに記載の装置。
8. 前記予備光ファイバ（４０、４２）の各々が増幅型光ファイバと非増幅型光ファイバとから選択される、請求項６または７に記載の装置。