JP2015521152A - バーベル光ファイバおよびその製作方法 - Google Patents

Abstract

半導波とすることができ、第１の屈折率と、遅軸方向に沿った高アスペクト比細長断面とを有するコア領域を含む高アスペクト比コア光ファイバ設計が説明される。第２の屈折率を有する内部クラッドがコアを挟み、速軸信号クラッドとして働く。コアは、その短い縁部の両方に縁部領域を有し、縁部領域は、バーベル形状を有する縁部クラッド領域と接触する。コア領域の屈折率、内部クラッドの屈折率、および縁部クラッド領域の屈折率は、ファイバ・コアを伝搬する最低次モードの光パワーを最大にし、ファイバ・コアの次の次数のモードの光パワーを最小にするように選択される。そのような高アスペクト比コア・ファイバを製作するプロセスも提供される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年５月１１日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる米国仮特許出願第６１／６４６，２０８号の利益を主張する。

本発明の実施形態は、高アスペクト比コア（ＨＡＲＣ）ファイバおよび半導波高アスペクト比コア（ＳＨＡＲＣ）ファイバに関する。より詳細には、１つまたは複数の実施形態は、改善されたＨＡＲＣおよびＳＨＡＲＣファイバ構成と、ＨＡＲＣおよびＳＨＡＲＣファイバを製作する方法とに関する。説明しやすくするために、ＨＡＲＣまたはＳＨＡＲＣのいずれかとすることができるファイバは、（Ｓ）ＨＡＲＣファイバと呼ばれることになる。

長方形コア・ファイバは、通例、多様な用途で使用されるが、長方形コア・ファイバが様々な高度な用途にとって不適切となる制限がある。第１に、長方形コア・ファイバは、比較的低いコア・アスペクト比構成（アスペクト比は長方形コアの高さに対する幅として定義される）のみに利用可能性が制限されている。特に、このファイバは、一般に、３：１から１０：１の範囲のコア・アスペクト比に制限され、それにより、２０：１から１００：１の（またはそれを超える）範囲のコア・アスペクト比を製作することができる場合にのみ利用できるいくつかの性能利益の実現を妨げている。第２に、多くの場合、このファイバの長方形コアは、円形断面を有するクラッド内に埋め込まれる。大きいコア寸法では、そのような円形クラッド・ファイバは太すぎて曲がらずまた巻き付けられず、さらに用途の範囲を制限する。第３に、コアの最大絶対サイズは、従来の光ファイバ製作プロセスに固有の制約によって１００μｍから２００μｍの範囲に制限されるが、ｍｍ規模のコア・サイズを必要とすることがある用途がある。

長方形コア・ファイバは、形状以外は材料および製作の両方において従来の円形コア・ファイバと物理的に似ている。従来の長方形コア・ファイバの用途は、一般に、高度に多モードの光の伝送を含み、コアまたはクラッド内の屈折率の均一性の制御に関してほとんど注意する必要がなかったか、またはコアの形状を正確に制御する必要がなかった。

ＳＨＡＲＣファイバ構造は、米国特許第７，９８３，３１２号および米国特許出願公開第２０１０／０１８９４０１号に説明されており、それらの各々は全体が参照により組み込まれる。ＳＨＡＲＣファイバは、潜在的に、広帯域信号では１０ｋＷをはるかに超え、狭帯域（＜１０ｋＨｚ）信号では３ｋＷを超える平均パワー、ならびにパルス動作でほぼ１０ＭＷ以上のピーク出力に達することができる。ＳＨＡＲＣファイバの概念（図１に概略的に示す）は、長方形コアの２つの大きい表面間での速軸方向に沿ってのみの全反射（ＴＩＲ）を介した従来の屈折率ベース導波を用いて高アスペクト比長方形コアを規定することによる従来のファイバ設計からはずれている。広い遅軸方向では、狭いコア縁部はＴＩＲをサポートしないように設計されており、実際、狭いコア縁部境界の屈折率ステップは非常に小さく（Δｎ約１００ｐｐｍ以下）保たれ、その結果、すべてのモードは、狭いコア縁部を越えて外に放射するので伝搬損を被る。大きいコア区域では効果がない従来の導波路ベース・モード弁別に依拠するのではなく、ＳＨＡＲＣファイバ構成は「損失フィルタ処理」を介したビーム浄化を利用し、それによって、高次モードは所望の最低次モードよりも強く半導波コア領域から外に自然に回折する。この損失フィルタ処理弁別機構は利得フィルタ処理も利用することによってさらに強化することができ、それによって、利得プロファイルは最低次遅軸モードとの空間的重なりを最高にするように空間的に整形され、その結果、最低次モードが優先的に増幅されて単一モード動作が保証される。

図１は、キャリア１７のまわりに螺旋コイル状に巻き付けられたＳＨＡＲＣファイバ１６の概略図と、米国特許第７，９８３，３１２号に記載されているタイプのＳＨＡＲＣファイバ１６の概略の断面１１とを示す。「リボン様」幾何学的形状にすれば、ファイバは、冷却キャリア１７または他の機械的要素に螺旋コイル状に巻き付けることができる。断面１１は、速軸クラッド１５間に挟まれた活性コア１２と、活性コア１２の両側にあるクラッド１５間の受動コア１３（ここで、受動コアの外側縁部１４は屈折率ベース導波がない）とを、コアと速軸クラッドとを囲むクラッドとともに示す。速軸および遅軸の方向は断面に隣接して示されている。

図２は、米国特許第７，９８３，３１２号に記載されているタイプのＳＨＡＲＣファイバの概略断面を示す。ＳＨＡＲＣファイバは幅ｗ_ｏの高アスペクト比コアを含み、高アスペクト比コアは、この場合、活性コア２１と受動コア２２とを含み、広い上部界面、広い下部界面、および２つの狭い縁部界面とともに高さ（または厚さ）ｈ_ｏを有する。コアは、３つの隣接する領域、すなわち、レーザ活性イオンでドープされた幅ｗ_ａおよび屈折率ｎ_ａの活性コア領域２１、および活性コア領域の両縁部に接する屈折率ｎ_ｐの受動コア領域２２に分割されて示されている。この分割はオプションであり、最も一般的な場合を表すためにここに示されている。実際には、活性コア領域２１は、全コア幅の１００％と同程度、すなわち、ｗ_ａ＝ｗ_ｏとすることができ、活性領域の相対的幅は、モード弁別および／またはモード屈折率整合を最適化するように規定することができる設計パラメータである。

高さｈおよび幅ｗの内側クラッド２５はコアを囲む。内側クラッドは、コアの上方および下方にある２つの信号クラッド２３と、コアの左右の２つの縁部セクションとを含む。レーザ利得媒体は薄いガラス・フォイルとして構成される。このフォイルは、平面信号クラッドをもつ埋込み平面コアと、コア縁部に沿ったモード屈折率整合（ＭＩＭ）材料とを有する。ＭＩＭ材料は、コアがコア−ＭＩＭ材料界面で光学的に「開放」され（すなわち、本質的に反射がない）、それにより、増幅される信号が遅軸方向のコアの活性部分に満ちあふれるような屈折率を有する。

内側クラッド２５は、屈折率ｎ_ｏｃを有する一般的にポリマーの外側クラッド２６で囲まれる。屈折率ｎ_ｂを有し、信号クラッドの上および下にあり、信号クラッド２３と外側クラッド２６との間にあるオプションのバラスト領域２４をファイバはさらに含むことができる。

全反射（ＴＩＲ）を使用して、速軸方向にコアに光を閉じ込める。信号クラッド２３はコア２１の屈折率ｎ_ａ≒ｎ_ｐよりも小さい屈折率ｎ_ｓｃを有し、その結果、コア中の光は上部および下部界面でのＴＩＲによって閉じ込められる。コアの開口数（ＮＡ）および厚さｈ_ｏは、速軸方向でコアを単一モードにするように、または従来の大モード面積（ＬＭＡ）ファイバと同様に少数のモードをコアに収容させるように規定することができる。後者の場合、コアは少数の速軸モードを導波し、ＳＨＡＲＣファイバは高次モードを除去するために所定のコイル半径でシリンダのまわりに（図１に示すように）巻き付けられる。

多層コア−クラッド構成の図２に示されたタイプのＳＨＡＲＣファイバを製作するのに、課題が生じることがある。それゆえに、（Ｓ）ＨＡＲＣファイバ設計の改善、および（Ｓ）ＨＡＲＣファイバを製作する方法およびプロセスの改善が要望される。

米国特許第７，９８３，３１２号 米国特許出願公開第２０１０／０１８９４０１号 米国特許出願第１２／９１５，７３７号 米国特許第６，９６６，２０１号 米国特許第５，４２０，４８８号 米国特許第５，３７９，３６４号

本発明の実施形態は、高アスペクト比コア光ファイバ・プリフォームを製作する方法を含み、この方法は、広い遅軸寸法および狭い速軸方向をもつ細長い断面を有する、第１の組成のニアネット長方形コア領域を形成するステップと、第２の組成を有する１対のニアネット・シェイプ・クラッド要素を形成するステップと、コア領域の各遅軸縁部に隣接して１対のニアネット・シェイプ・クラッド要素を配置して、１対の縁部クラッド領域を形成する（組合せがバーベル構成を示す）ステップと、ニアネット長方形コア領域と１対のニアネット・シェイプ・クラッド要素との組合せを第３の組成の外側クラッドで囲むステップとを含む。

他の実施形態は、ニアネット・シェイプ・クラッド要素の少なくとも一方が、断面において実質的に円形のロッドであるか、または実質的に円形の断面のロッドの群であるという特徴を含む。縁部クラッド領域は、サイズにおいてコア領域の高さ以上とすることができる。

本発明の別の実施形態は、バーベル光ファイバのプリフォームを製作するプロセスを示し、このプロセスは、外側型枠を用意するステップと、内側型枠を外側型枠の開口内に挿入するステップであり、内側型枠が、広い遅軸寸法および狭い速軸方向もつ細長い断面を有するニアネット長方形を、ニアネット長方形の各速軸縁部に隣接する１対のニアネット・シェイプとともに含むバーベル構成を示す、挿入するステップと、外側型枠と内側型枠との間の開口区域に第１の組成のクラッド材料を置くステップと、内側型枠を取り除くステップと、広い遅軸寸法および狭い速軸方向をもつ細長い断面を有する、第２の組成のニアネット長方形コア領域を、内側型枠を取り除くことによって造り出された開口に挿入するステップと、ニアネット長方形コア領域の遅軸縁部の対向した端部末端において、第３の組成を有する１対のニアネット・シェイプ要素を挿入し、１対の縁部クラッド領域を形成するステップとを含む。

さらに、これらまたは他の実施形態のプロセスは、プリフォームを光ファイバに線引きするステップを含むことができる。

さらに、第１の組成および第３の組成は同じであっても異なっていてもよい。ニアネット・シェイプのうちの１つまたは複数は、以下の方法、すなわち、ゾル−ゲル処理、外付け気相成長（ＯＶＤ）、内付け気相成長（ＩＶＤ）、気相軸付け（ＶＡＤ）、平面スート堆積（ＰＳＤ）、およびそれらの組合せのうちの１つまたは複数で形成することができる。さらに、ニアネット・シェイプのうちの１つまたは複数の組成は、ゾル−ゲル・ドーピング、分子スタッフィング、溶液ドーピング、および気相ドーピングのうちの１つまたは複数を含むドーピング・プロセスにより達成されうる。

この実施形態の他の態様は、第２のニアネット・シェイプが、丸い縁部を伴った、形状において実質的に長方形であること、第１のニアネット・シェイプが、ファイバ状態になったときに第１の屈折率を有すること、および第２のニアネット・シェイプが第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有することを含む。

本発明の別の実施形態は、バーベル構成を示す高アスペクト比コア光ファイバを含み、高アスペクト比コア光ファイバは、第１の組成のニアネット長方形コア領域であり、広い遅軸寸法および狭い速軸方向をもつ細長い断面を有する、ニアネット長方形コア領域と、第２の組成を有する１対のニアネット・シェイプ・クラッド領域であり、１対のニアネット・シェイプ・クラッド領域が、コア領域の縁部に接触するようにコアの各遅軸縁部に隣接して配置され、組合せがバーベル構成を示す、１対のニアネット・シェイプ・クラッド領域と、バーベル構成を囲むように配置された第３の組成の外側クラッドであり、第３の組成が第１の組成と異なる、外側クラッドとを含む。

本発明のさらなる別の実施形態は、バーベル構造光ファイバを説明し、バーベル構造光ファイバは、広い遅軸寸法および狭い速軸寸法をもつ細長い断面を有する高アスペクト比コア領域であり、コア領域が、高さに対する幅のアスペクト比を定義する幅および高さを含む断面において実質的に長方形を有し、第１の屈折率を有する高アスペクト比コア領域と、コア領域に接触して位置づけられ、コア領域を挟む内側クラッド領域であり、内側クラッドが第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する、内側クラッド領域と、内側クラッドおよびコア領域を囲むように配列された外側クラッド領域であり、第２の屈折率よりも低い第３の屈折率を有する、外側クラッド領域と、第１の縁部クラッド領域および第２の縁部クラッド領域であり、第１の縁部クラッド領域がコア領域の第１の遅軸縁部領域に隣接して位置づけられ、第２の縁部クラッド領域がコア領域の第２の遅軸縁部領域に隣接して位置づけられる、第１の縁部クラッド領域および第２の縁部クラッド領域とを含む。この実施形態の態様は、少なくとも１０：１以上であるアスペクト比を含む。代替として、第１および第２の縁部クラッド領域の屈折率は、内側クラッド領域の屈折率と実質的に一致するか、またはコア領域の屈折率と内側クラッド領域の屈折率との間にあることができる。さらに、コア速軸寸法および開口数（ＮＡ）は、コアが速軸方向において単一横モードのみまたは多数のモードをサポートするように選択することができる。

別の実施形態によれば、本発明のファイバは、第２の屈折率と第３の屈折率との間に少なくとも０．４５のΔＮＡ値を有し、さらに、縁部クラッド領域は、断面において実質的に円形とすることができる１つのロッドまたは複数のロッドを含む。この実施形態の態様は、コア領域の高さ以上である直径を有する１つのロッドあるいは複数のロッドのうちの１つまたは複数を含む。さらなる態様は、コアの中央面に対して変位されている１つのロッドあるいは複数のロッドのうちの１つまたは複数の軸を含み、１つのロッドあるいは複数のロッドのうちの１つまたは複数は、光信号に対して吸収性である材料でドープされる。

実施形態は、顕著な漏洩がコア領域に戻るのに十分なレベルまでコアから縁部クラッド領域への光漏洩が蓄積する過渡長よりも短いファイバの長さを含むことができ、コアは、遅軸方向でのグレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとして機能する断面形状を有する。さらに、コアの第１の屈折率は、コアが遅軸方向での正のグレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとして機能するように、コア中心で最大値および遅軸縁部で最小値をもつ遅軸方向の空間プロファイルを有する。代替として、最小値がコア中心にあり、最大値が遅軸縁部にあることができ、それにより、コアは、遅軸方向での負のグレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとして機能することができる。

本発明の実施形態の態様は、第１の光波長で利得を与える活性レーザ・イオンでコアをドープすることを含む。さらに、活性レーザ・イオン濃度は、コア中心で最大濃度ならびに第１および第２の遅軸コア縁部で実質的により低い濃度をもつ遅軸方向の空間プロファイルを有することができる。代替として、活性レーザ・イオン濃度は、第１および第２の遅軸コア縁部で実質的にゼロとすることができる。加えて、縁部クラッド領域は、第１の光波長で吸収性であるイオンでドープすることができる。これの一例はＹｂである活性イオンを含み、縁部クラッド領域にドープされる吸収材はＳｍまたはＤｙである。

本発明のさらなる別の実施形態は、バーベル構造光ファイバを含み、バーベル構造光ファイバは、広い遅軸寸法および狭い速軸寸法をもつ細長い断面を有する高アスペクト比コア領域であり、コア領域が、断面において実質的に長方形を有し、高さに対する幅のアスペクト比、オプションとして、少なくとも１０：１のアスペクト比を定義する幅および高さを含み、コア領域が第１の屈折率を有する、高アスペクト比コア領域と、コア領域を挟むように位置づけられた内側クラッド領域であり、内側クラッドが第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する、内側クラッド領域と、第１の縁部クラッド領域および第２の縁部クラッド領域であり、第１の縁部クラッド領域がコア領域の第１の遅軸縁部領域に隣接して位置づけられ、第２の縁部クラッド領域がコア領域の第２の遅軸縁部領域に隣接して位置づけられる、第１の縁部クラッド領域および第２の縁部クラッド領域とを含む。

この実施形態の態様は、平面コアの望ましくない高次遅軸モードからのいかなる光パワーもコアから遠くに漏洩させ、一方、最低次モードのパワーの被る漏洩損失がごくわずかであるように、第１および第２の縁部クラッド領域がコア遅軸縁部領域の屈折率と実質的に一致する屈折率を有することを含む。代替として、第１および第２の縁部クラッド領域は、コアの遅軸縁部で導波または非導波のいずれかを実現する屈折率を有することができる。

さらなる態様は内側クラッドを囲むように配列された外側クラッド領域を含み、外側クラッド領域は第２の屈折率よりも低い第３の屈折率を有する。オプションとして、第２の屈折率と第３の屈折率との間の差が、少なくとも０．４５のＮＡを与える。コアは、速軸方向において単一横モードのみまたは多数のモードのいずれかをサポートするように速軸寸法およびＮＡを有することができる。加えて、ファイバの長さは、顕著な漏洩がコア領域に戻るのに十分なレベルまでコアから縁部クラッド領域への光漏洩が蓄積する過渡長よりも短くすることができる。

追加の態様は、ロッドを含む縁部クラッド領域を含み、さらに、ロッドの屈折率は１００ｐｐｍ未満だけコアの屈折率と異なることができ、断面において実質的に円形とすることができる。さらに、ロッドは、コア領域の高さ以上の直径を有することができ、ロッドの軸はコアの中央面に対して変位される。代替として、縁部クラッド領域は複数のロッドを含むことができる。１つのロッドまたは複数のロッドは、光信号に対して吸収性である材料でドープすることができる。

さらなる態様は、遅軸方向でのグレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとして機能する断面形状を有するコアを含む。代替として、コアの第１の屈折率は、コアが遅軸方向での正のグレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとして機能するようにコア中心で最大値および遅軸縁部で最小値をもつか、またはコアが遅軸方向での負のグレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとして機能するようにコア中心で最小値および遅軸縁部で最大値をもつ遅軸方向の空間プロファイルを有することができる。

この実施形態の追加の態様は、第１の光波長で利得を与える活性レーザ・イオンでコアをドープすることを含む。活性レーザ・イオン濃度は、コア中心で最大濃度ならびに第１および第２の遅軸コア縁部で実質的より低い濃度をもつ遅軸方向の空間プロファイルを有することができる。代替として、濃度は、コア縁部で実質的にゼロとすることができる。さらに、縁部クラッド領域は、第１の光波長で吸収性であるイオンでドープすることができる。例えば、活性イオンはＹｂとすることができ、縁部クラッド領域にドープされる吸収材はＳｍまたはＤｙとすることができる。

キャリアのまわりに螺旋コイル状に巻き付けられたＳＨＡＲＣファイバの概略図であり、拡大断面図は先行技術のＳＨＡＲＣファイバ構成を示す。 図１に示されたＳＨＡＲＣファイバ構成の詳細な断面図である。 先行技術の構成によるＳＨＡＲＣファイバの開口数（ＮＡ）プロファイルを示す図である。 図３に示されたＳＨＡＲＣファイバ設計の最初の３つの光伝搬モードの強度分布を示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるバーベル・プロファイル（Ｓ）ＨＡＲＣファイバの断面図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による（Ｓ）ＨＡＲＣ製作に適合するＨＡＲＣファイバ製作プロセスのバーベル・プロファイルの断面図である。 本発明の一実施形態による（Ｓ）ＨＡＲＣファイバ・コア断面図である。 基本モード光信号の伝搬をサポートする例示的なＳＨＡＲＣバーベル・ファイバでのコアの内部の正規化パワー（曲線８１）および縁部クラッド領域の正規化パワー（曲線８２）対メートル単位の伝搬距離を示す図である。 図８に関連した条件と同じ条件での縁部クラッド領域のパワー部分を示す図である。 同じファイバであるが、高次モード（ｋ＝２）光信号がコアに結合された場合の図８と同じ依存性を示す図である。 図１０に関連した条件での縁部クラッド領域のパワー部分を示す図である。 本発明の一実施形態に従って使用することができる製造プロセスの一例を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に従って使用することができる製造プロセスの一例を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に従って使用することができる製造プロセスの一例を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に従って使用することができる製造プロセスの一例を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に従って使用することができる製造プロセスの一例を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に従って使用することができる製造プロセスの一例を概略的に示す図である。 プリフォームのロッドのアレイを使用してファイバの単一ロッドを造り出し、本発明による縁部クラッド領域としてファイバのロッドのアレイを使用することができる例示的な実施形態を示す図である。 プリフォームのロッドのアレイを使用してファイバの単一ロッドを造り出し、本発明による縁部クラッド領域としてファイバのロッドのアレイを使用することができる例示的な実施形態を示す図である。 プリフォームのロッドのアレイを使用してファイバの単一ロッドを造り出し、本発明による縁部クラッド領域としてファイバのロッドのアレイを使用することができる例示的な実施形態を示す図である。 プリフォームのロッドのアレイを使用してファイバの単一ロッドを造り出し、本発明による縁部クラッド領域としてファイバのロッドのアレイを使用することができる例示的な実施形態を示す図である。 （Ｓ）ＨＡＲＣファイバのための代替バーベル構成を示す図であり、この場合、楕円形状の縁部クラッド領域を利用している。 ２つの部片からなるクラムシェル配置を使用する（Ｓ）ＨＡＲＣファイバの代替製作段取りを示す図である。

本明細書で使用するとき、「バーベル幾何学的形状」は、完成したファイバの物理的幾何学的形状および材料要件、ならびにこれらの要件を正確に満たすファイバの製作に成功するために対処されなければならない課題に関係する用語である。特定の要件には、プリフォームの様々なフィーチャのサイズおよび形状、構造体の異なる要素の相互位置、適合度、真円度、および平坦度、構造体を製造するために選ばれる材料、ならびに異なる構成要素の機械的特性が含まれる。

「バーベル構造」は、完成したファイバが所望の光学機能または挙動を果たすことができるファイバ製作要件の定義に関係する用語である。これらの要件は、特定のシステム用途に特有であり、屈折率、利得の大きさおよびスペクトル帯域幅、ならびに他のものを含む構成要素の光学特性に関係するそのような要素を含む。

本発明の実施形態は、改善されたＨＡＲＣおよびＳＨＡＲＣファイバ構成と、ＨＡＲＣおよびＳＨＡＲＣファイバを製作する製造方法とを提供する。特定の実施形態では、速軸方向のコアとクラッドとの間の随意の屈折率ステップが、損失フィルタ処理を実施する必要性に整合する遅軸方向の非常に小さい屈折率ステップ（約１００ｐｐｍ未満）とともに設けられる。

例えば、図２に示されたプロファイルに関して説明したタイプのＳＨＡＲＣファイバで使用される遅軸モード制御の独自性を考えれば、これがどのようにファイバ設計に影響を与えるかを説明することは適切である。図２の実施形態を参照すると、コアの遅軸界面を横切る屈折率ステップが小さい（約１０ｐｐｍから１００ｐｐｍ）場合にモード制御を得ることができる。コアの縁部のモード屈折率整合（ＭＩＭ）材料の屈折率ｎ_ＭＩＭは、ファイバのコアの縁部のセクションに適切なガラス組成およびドーパント濃度を規定することによって制御することができる。所与のモードの実効屈折率ｎ_ｍｏｄｅは、一般的に、ｎ_ａまたはｎ_ｓｃのいずれでもなく、それらの限界値の間のどこかに位置することに留意するのは有用である。この理由は、モードが角度速軸成分の集合によって形成され、モードを構成する電磁界がコアを越えてより低い屈折率の信号クラッド中に、さらに、ことによると、より低い屈折率を有することもできる周囲バラスト材料にも延びるからである。したがって、コアの縁部での反射を最小にする目的は、最低次近似では、ｎ_ＭＩＭ≒ｎ_ｍｏｄｅとなるようにファイバを設計することによって達成することができる。それにより、遅軸縁部の材料は実際には「クラッド」として機能せず、その材料は、縁部で光をコアに閉じ込めないようにまたは反射しないようにするために中立状態とわずかな非導波との間の中間にあるように選ばれる。

光学的開放縁部の設計目標を達するには、以下の２つの条件が満たされることが要望される。１）屈折率ｎ_ｓｃ＜ｎ_ＭＩＭ＜ｎ_ａ，ｐがすべて異なること、２）導波モード屈折率ｎ_ｍｏｄｅが、コアの縁部の屈折率ｎ_ＭＩＭとほぼ一致すること。詳細な伝搬の研究により、要件ｎ_ｍｏｄｅ≒ｎ_ＭＩＭをどの程度満たさなければならないかについての妥当な許容差が示されており、実際、損失フィルタ処理は、縁部界面が実際に非導波である場合、すなわち、ｎ_ＭＩＭが約１０^−４（１００ｐｐｍ）以上の量だけｎ_ｍｏｄｅを超える場合、より効果的であることが見いだされている。コアは、一般的に、単一のモードよりも多くをサポートすることになり、各モードは別個のｎ_ｍｏｄｅを有することになることに留意すべきである。いくつかの例示の用途では、一般的に最低次基本モードである信号の伝搬モードに対して光学的開放縁部を維持することが重要であるが、ｎ_ＭＩＭの最適値は、この１つのモードよりも多くを閉じ込めないようにするために折衷案として選ぶことができる。

任意の好適な屈折率ｎ_ｂを信号クラッドの直上および直下のバラスト材料に使用することができる。例えば、信号クラッドは、本質的にｎ_ｂ＝ｎ_ｓｃに対応する内側クラッドの上部および下部表面に延びることができる。代替として、バラスト・セクションの材料は、コア縁部の材料と同じ、すなわち、ｎ_ｂ＝ｎ_ＭＩＭとなるように選ぶことができる。バラスト・セクションの屈折率は、それらの値の間にあるように、またはこの範囲をわずかに超えるように選ぶこともできる。最終選択は、性能最適化、製造簡便性、およびポンプ導波のための外側クラッド要件の問題になる。外側クラッドを使用して、ポンプ光を導波し、さらに、ポンプ光を外的環境から分離することができる。本発明の一態様によれば、外側クラッドの屈折率ｎ_ｏｃは、内側クラッドを構成するいかなる材料の屈折率よりも小さくすべきである。

図２に示された構造は、ＨＡＲＣまたはＳＨＡＲＣファイバの概念設計を表現している。しかし、多くの研究および努力の後、そのような構造は製作の観点から簡単でない場合があると判断された。主な製作課題は、製作のプリフォーム段階で内側クラッドの適切なスロットに挿入される「３層サンドイッチ」として形成されうるコアおよび２つの信号クラッドの複雑さから生じる。３つの層上で蓄積される許容差は深刻な課題である。その上、ファイバが大きいプリフォームから線引きされるときのファイバ線引きプロセスの間、薄いプレート間の名目上平面の界面が平坦となるように制御することが困難であるので、コアと２つのクラッドとの間に均一な平面界面を維持することも簡単でない。その界面が平坦でない場合、信号ビームのモード品質は悪化することになる。必要なのは、上述で概説した光学および伝搬要件を満たすが、製作するのにさほど難しくないファイバ構造である。

代替構成が、上述で概説した要件を満たしている米国特許出願公開第２０１０／０１８９４０１号に説明されている。この代替案は、本明細書において図３に概略的に示される。ファイバ３０は、伝搬信号が概略で遅軸寸法の中央部分に局限されるように設計される。これは、コア３１の広い速軸境界に沿って非ゼロＮＡを造り出す屈折率ステップがファイバ断面の網掛け部分３３で表されたクラッド領域に局在化されるようにファイバを製作することによって達成される。ＮＡプロファイル３３間に挟まれる狭い速軸活性コア３１は、伝搬モードが最も大きい振幅、それゆえに、Ｙｂイオンによって吸収されるポンプ・パワーを有用な出力パワーに変換する最大効率を有すると予想される場所でもある最も高いＮＡの領域にＹｂドーパントが局在化されていることを概略的に示す。

このようにＮＡを局限すると、例えば、３つの性能特徴が提供される。第１に、伝搬モードはコアの高ＮＡ部分の公称幅を越えて延びる有限の振幅を有することになるが、設計目的は、振幅がコア縁部で本質的にゼロであり、それによって、その縁部のいかなる機械的または光学的欠陥もそのモードの伝搬の性質に本質的に影響を及ぼさないことになる状況を提供することである。第２に、以下で示すように、このモデリングが実証するところによれば、この構造は高次遅軸モードを効果的に弁別する非常に高比率の損失フィルタ処理を供する。最後に、ＮＡプロファイルは広い（遅軸）方向で負のレンズ作用効果を自然に生成し、この事実は、高パワー動作の下で生じることがある遅軸熱レンズ作用を補償する機会を提供する。

計算は、０．０４５の最大ＮＡおよび４００μｍの半値幅（ＦＷＨＭ）を有するガウシアンＮＡプロファイルで行われた。２ｍｍ以上のはるかに広いコアをＳＨＡＲＣファイバのために想像することもできるが、このＮＡプロファイルはＳＨＡＲＣファイバのために何を規定することができるかを表している。この計算は所望の性質を示している（図４のグラフ４１、４２、および４３を参照）。図４は、ＮＡプロファイルＳＨＡＲＣファイバの３つの最低次モードの空間プロファイルを示す。クラッド摂動のＮＡプロファイルは遅軸の方向に沿ったガウシアンであり、グラフ４１の上部の両方向矢印は約４００μｍのガウシアンＦＷＨＭを表す。具体的には、最低次モードは、グラフ４１に示されるように、ＮＡプロファイルの領域内に明らかに十分に局在化しているが、一方、グラフ４２および４３に示すような次の高次モードは明らかにより広くなっており、局所的ＮＡステップを越えて延びている。これらの３つのモードの伝搬損も定量化されており、損失率係数の比が、最低次モードを基準にして、それぞれ、第２および第３のモードに対して１０：１および２５：１であることが見いだされた。これらの損失率は、効果的な損失フィルタ処理にとって確かに十分であり、最低次モード伝搬を保証する。

製作の観点から、図３に示された構造は、屈折率調整許容差の緩和の利点がある。普通は、この許容差はかなり厳しい場合があるが、それは、大きい遅軸モード寸法のため、局所コア屈折率の小さい変動に対する比較的高い感受性を強いられるからである。構造による許容差のありうる緩和は、屈折率の制御される部分が速軸クラッド領域に局在化されており、一方、導波モードそれ自体はほとんどコア内に集められ、弱い尾部のみが速軸クラッド中に入り込むということから生じる。これらの条件下で、伝搬モードの実効屈折率への影響が同じ場合、屈折率変化の大きさは、屈折率変化がコア領域で実施される場合よりも大きくなければならない。この増加は、実効モード屈折率の相対変化が同じ場合、絶対製作許容差の対応する緩和という利益をもたらす。

上述のような所望の屈折率プロファイルおよび関連するＮＡプロファイルを達成するための少なくとも２つの主要な手法が考えられている。１つの手法は、コアのすぐ上およびすぐ下のクラッド領域をダウンドープすることと、所望のＮＡプロファイルをもたらすドーピング濃度の遅軸勾配を課することとを含む。この手法は、ファイバ構造の屈折率を減少させるのにしばしば使用されるフッ素などの従来のドーパントを使用することになる。屈折率プロファイルを達成するための別の手法は、フォトニック結晶ファイバで一般的に行われるようにファイバの長さを延びる孔を発生させ、遅軸方向に沿って孔密度を変化させることである。これらの手法のどちらもＮＡプロファイルＳＨＡＲＣファイバを製作するのに使用することができる。

ＮＡプロファイル・ファイバがどのように製作されたかにかかわらず、図３に示された構造の製作課題は図２に示されたような構造に関係するものと同様であり、その理由は、それが３層サンドイッチまたはフォトニック結晶クラッド・プリフォーム製造のいずれかに関連する課題を共有しているからであると考えられる。したがって、これらの構成は、光学的性質では望ましいが、製作するのに全く簡単でないという両方の構造（図２および図３）の重要な問題が残っている。

本発明の１つの態様は、半導波することができる高アスペクト比ファイバ構成に関する。１つの実施形態では、ＳＨＡＲＣファイバは、バーベル・プロファイルと呼ばれるものを有する。このバーベル構造は、製作するのが比較的容易であり、さらに、上述で要約した光伝搬要件を満たす。以下でさらに説明する本発明の第２の態様は、（Ｓ）ＨＡＲＣファイバを形成し製造する方法に関する。

図５は、バーベル構造を有する１つの実施形態による本発明の（Ｓ）ＨＡＲＣファイバの断面を示す。図５は、活性コア５１とコア縁部領域５２とを含むコア領域を示す。図に示すように、活性コア５１によって形成されるコア領域と、コア縁部領域５２とは、断面が実質的に長方形である。各コア縁部領域５２に隣接するのは縁部クラッド領域５３である。ＨＡＲＣファイバでは、縁部クラッド領域５３の屈折率は、特定の用途に応じて、縁部領域５２において内側クラッド領域５５の屈折率とコア５１の屈折率とによって確立される限界値内の特定の所望値であるように設計することができる。ＳＨＡＲＣファイバでは、縁部クラッド領域５３の屈折率は、特定の用途に応じて、縁部領域５２のコア５１の屈折率によって確立される限界値内の特定の所望値であり、コア縁部領域５２の屈折率よりも約１×１０^−４以上の量だけ高い値であるように設計することができる。図５では、縁部クラッド領域５３の各々が円形断面を有するロッドとして示されているが、縁部クラッド領域の他の断面形状、例えば、六角形、楕円形、内接多角形、または性能利益をもたらすことができる任意の他の断面形状を使用することができ、それらはすべてバーベル形状と呼ばれることになる。２つの縁部クラッド領域は、さらに、コア・モードと縁部クラッド・ロッドのモードとの間の共振結合条件に影響を与えるように異なる屈折率をもつことができる。

コア領域および縁部クラッド領域は、内側クラッド領域５５で囲まれる。コア領域および縁部クラッド領域５３の全体的断面は、断面がバーベルに類似しており、したがって、バーベル構造と呼ばれる。しかし、明細書の全体にわたってバーベル構造という用語を使用するのは単に理解を容易にするためであり、文字通りバーベルに類似している断面を必要としないことに留意されたい。本発明の実施形態は、他の変形、例えば、円形でないが簡単のためにバーベル構造と呼ばれる異なる形状の縁部クラッド領域を含むことができる。本発明のいくつかの実施形態によれば、バーベル端部は長方形でなくて曲線である。例えば、バーベル端部は、円筒、楕円、または他の曲線形状とすることができる。

図５の例示のバーベル構造は、以下の態様において図２に示されたファイバと異なる。第１に、構造はもはや層状サンドイッチでなく、代わりに、コアは内側クラッド材料と直接接触したままであり、内側クラッド材料は今では速軸クラッドとしても働く。第２に、縁部クラッド材料に専用の断面の部分は、速軸縁部ごとにコアに隣接する領域５３によって形成される。第３に、バラスト層は除かれる。この構造は、図３に関連して前に論じた特徴のうちの１つを共有する。具体的には、１つの実施形態によれば、このバーベル構造は、活性コア領域５１のコアの中心にピークがあるグレーデッドＹｂ濃度プロファイルを実現するオプションを可能にし、それは、（Ｓ）ＨＡＲＣファイバの利得フィルタ処理を実現することになる。この実施形態によれば、コアの縁部領域は、活性コア領域５１のＹｂドーパントが実質的にないことになる。当然、活性コア領域５１の同様の濃度勾配は、例えばＥｒ、Ｔｍ、Ｃｒなどを含むＹｂ以外の活性イオンで実現することができる。

各縁部クラッド領域５３は、コアの各速軸縁部領域５２に隣接する単一のロッド、またはロッドのアレイとも呼ばれる複数のロッドのいずれかを含むことができる。そのようなロッドのアレイは、高次モードをコアから優先的に引き抜く共振効果を生成するように最適化されたロッド間間隔、ロッド直径、およびロッド屈折率値を有することができる。上記のように、説明しやすくするために、断面は、異なる実施形態の形状または数に関係なく依然としてバーベル構造と呼ばれ、これらの異なるように整形された実施形態のいずれも含むことを意味する。

本発明の代替実施形態は、最終的に縁部クラッド領域になる側部セクション中に、単一ロッド２５２、２５３（図１２を参照）の代わりに、複数のロッドを挿入すること、選択された材料組成の粒状体で側部セクションを充填すること、または粒状体と１つまたは複数のロッドとの両方の組合せで側部セクションを充填することを含む。図１３Ａは、ロッド２５２および２５３の代わりに挿入することができる複数のロッド３００を示す。図１３Ｂは、ほぼ長方形のコア・セクション２５１の各遅軸縁部末端にこれらの複数のロッドを含むように形成される（Ｓ）ＨＡＲＣファイバの図である。

ロッドのアレイの別の例が図１３Ｃに概略的に示されている。この例では、ファイバ構造は、３つのロッドの直線アレイを具現している。この図は、設計自由度のうちのいくつかが行使される特定の場合を示し、ロッド直径Ｄｉおよびロッド間間隔が各アレイ内で変化し、加えて、屈折率値もアレイの個々のロッドにおいて異なる程度の網かけで示されるように変化する。図１３Ｄは、別の設計自由度、すなわち、狭いコア縁部の単一のロッドの代わりに２次元アレイを使用することを概略的に示す。この後者の図は、すべてのロッドが同じサイズ、間隔、および屈折率を有するように示しているが、図１３Ｃと組み合わせて、多次元配列は、ロッド直径、間隔、屈折率、ロッドの数、および行の数、ならびにこの設計で可能になる他の物理的パラメータの変更を具現することもできることを当業者は理解されよう。

図５に示すバーベル構造の特徴は、製作することが比較的簡単であることである。これは、図６において、本発明の実施形態によるバーベル構造を有する製作されたＥｒドープ・ファイバの断面の実際の画像で示される。この特定のファイバは、完全導波高アスペクト比ファイバ・コアをもつＨＡＲＣ構造を有するが、ＳＨＡＲＣファイバを同様に製作することができる。図６に示した長方形コアは３２μｍ×６００μｍの寸法を有し、長方形クラッドは４００μｍ×１２００μｍの寸法を有する。したがって、コアは約２０：１のアスペクト比を有し、コア面積は１９２００μｍ^２であり、ファイバ・クラッドは約３：１のアスペクト比を有する。

本発明の１つの実施形態では、コアのアスペクト比は約１００：１未満である。別の実施形態では、コアのアスペクト比は約４０：１未満である。他の実施形態では、コアのアスペクト比は、約６０：１または１００：１よりも小さく、および３０：１、２０：１、１５：１、または１０：１よりも大きい。コアの全体寸法は、信号波長および所望の数の導波モードに応じて、速軸方向に５μｍから３０μｍ以上の範囲、および遅軸方向に２ｍｍまでまたはそれを超える範囲とすることができる。この文脈において、「高」アスペクト比は、コア遅軸寸法が速軸寸法よりも少なくとも１０倍大きい場合である。

１つの実施形態では、ファイバ・クラッドは約１０：１未満のアスペクト比を有する。他の実施形態では、ファイバ・クラッドのアスペクト比は約５：１未満、または３：１である。１つの実施形態では、ファイバ・クラッドの断面の長軸は、少なくとも１ｍｍ、１．５ｍｍ、または２ｍｍ以上である。

図６の写真は、コントラストが不足している。画像における内側クラッド領域６０で囲まれた縁部クラッド領域６２および６４ならびにコア６３の低いコントラストの輪郭は、この特定の例のバーベル・プロファイルの実際の形状をよりよく示すために指示形状が重ねられている。構造は、先行技術の設計と比較して平坦な界面および角張った縁部が少なく、光ファイバ生成の十分に確立された方法で製作される縁部クラッド領域６２、６４を造り出すために従来の丸ガラス・ロッドを利用している。図６の構造を製造する目的はＨＡＲＣファイバを製作することであり、縁部クラッド領域を製作するのに使用されるロッドは、コア６３ではなく内側クラッドに屈折率整合された。ＳＨＡＲＣファイバでは、ロッド屈折率は、上述で論じたように、活性コアの屈折率に（例えば、約１×１０^−４の許容差または実効モード屈折率の計算に基づいた許容差で）ぴったりと一致する。この構造の利益は、先行技術の（Ｓ）ＨＡＲＣ構造を製作することおよびその関連する製作課題よりもこのファイバ（ロッドがコア屈折率を基準にして特定の屈折率差を有する）を製作することが容易であることである。

高アスペクト比コアの速軸縁部にロッドを付け加えることの他の直接的な利益がある。ロッドは、ファイバが線引きされた後で冷却されるときに縁部の近くに造り出される機械的応力を減少させるのに役立つ。その上、ロッドは、コアの所望の長方形を維持するのに役立つ。

図５に戻って参照すると、コア縁部領域５２でコア領域５１と縁部クラッド領域５３との近似の屈折率整合を達成しても、この構造が良好な出力ビーム品質をもたらすのを保証するのに十分でないことがある。近似の屈折率整合は、平面コアの望ましくない高次遅軸モードからの光パワーをコアから遠くに漏洩させ、一方、最低次モードのパワーが被る漏洩損失をごくわずかにすることができる。この意味では、この構造は、コア内にとどまる放射を「浄化する」手段を備える。しかし、この実施形態では、コアの屈折率は、速軸ＴＩＲ光導波を行うために周囲の内側クラッド領域５５の屈折率を超える。縁部クラッド領域５３の屈折率が少なくとも縁部領域５２でコアの屈折率とほぼ一致するように設計される場合、やはりＴＩＲ導波が生じることになり、縁部クラッド領域５３は内側クラッド領域５５と直接接触し、それによって、コアからの光をロッドの内部に閉じ込める。そのような閉じ込められた放射は、光信号がファイバに沿って伝搬するにつれてゆっくり縁部クラッド領域５３内に蓄積することになり、この閉じ込められた放射のうちの若干が、最終的に、コア−縁部クラッド領域界面によって表される長手方向「スロット」を通ってコアに逆戻りすることがある。この逆戻り光は、コアの所望の最低次モードを汚染し、ビーム品質および効率の両方を低下させるので問題である。このため、バーベル設計の１つまたは複数の実施形態は、縁部クラッド領域５３の放射がコアに逆戻りしないようにするために追加の特徴を含むことがある。以下の特徴がこの目的を達成することになる。

ファイバ増幅器用途では、高ビーム品質信号が、（Ｓ）ＨＡＲＣコアの基本モードとの非常に良好な重なりでファイバ・コアに送り込まれることになる。設計よって、基本モードは、コア縁部から縁部クラッド領域への軽微な放射損失しか経験しない。しかし、基本モードに結合しない送り込まれたパワーの部分は高次モードの原因となり、高次モードはかなり大きい放射損失を経験する。屈折率整合ロッド中のパワーへの最大の誘因であるこの部分は適切な入力結合によって最小化され、それによって、コアへの続いて起こるパワー逆流を減少させることもできる。したがって、入力部において高い適合度で光を結合させることは、（Ｓ）ＨＡＲＣファイバの高い出力ビーム品質に達するための最も効果的な方法の１つである。

理想的で真っ直ぐなファイバでは、コアと縁部クラッド領域との間で跳ね返る光が、一般に、ビーム品質の低下をもたらす。実際、縁部クラッド領域とコアとの間で漏洩して行ったり来たりするパワーの間で均衡を達成した後、基本モードに関連する伝搬光の部分は減少しない。汚染した光は、光が下流に伝搬するにつれて、相対パワーの増加なしにコアの高次モードと縁部クラッド領域の高次モードとの間で単に再分配される。最終出力ビームは、ファイバの出力端部でこの汚染した光をフィルタ処理することによって浄化することができる。しかし、理想的でないおよび／または曲がったファイバに生じるいかなるモード混合も、ビーム品質をさらに損なうことがある。補償されていない熱レンズ作用、コア形状欠陥、ファイバ変形、および不均質コア材料によって誘起される（Ｓ）ＨＡＲＣコアの基本モードの歪みは、コアの基本モードからコアの高次モードに光パワーを結合させることがある。続いて起こるモード混合過程は、側部ロッドに存在するものを含む基本モードとすべての高次モードとの間で光パワーを再分配する。したがって、ほとんど理想的なコア品質を維持し、さらにモード歪み（例えば、熱レンズ作用）を光学的に補償することは、増幅された出力ビームが高いビーム品質を有するのを保証するための他のツールの代理をする。

前に論じた損失フィルタ処理機構は、コア中にある高品質光と縁部クラッド領域に集中した低品質光とを空間的に分離することによってモード混合効果を緩和する。ファイバの活性領域はコア内に局在化されており、それによって、レーザ増幅はもっぱらコア光に制限され、側部ロッド内の低品質光は利得を経験しない。したがって、利得フィルタ処理は、一般的に基本信号モードであるコア光に有利に、縁部クラッド領域モードおよび任意の望ましくない高次コア・モードに不利に利得弁別を加えることによってビーム品質改善に強力に寄与する。

上述の損失および利得フィルタ処理の特徴は、他の（Ｓ）ＨＡＲＣファイバ設計ならびに他の多モード・コア・ファイバ増幅器に利益をもたらすことができる。１つまたは複数の実施形態によれば、以下の特徴のうちの１つまたは複数は（Ｓ）ＨＡＲＣコアのバーベル構造に特有である。

第１に、信号が送込み小面（ｌａｕｎｃｈ ｆａｃｅｔ）から出口ファイバ端部の方に伝搬するにつれて、側縁部クラッド領域の低品質光の蓄積が徐々に生じる。実際には、顕著な漏洩がコアに戻るのに十分なレベルまで縁部クラッド領域の光が蓄積する前に、有限の伝搬距離、または「過渡長」が必要とされる。ファイバ長をこの過渡長よりも短くすることができる場合、汚染戻り漏洩は、発達するのに不十分な伝搬距離を有する。過渡長は、バーベル幾何学的形状の細部に依存し、以下で論じるモデルで分析される。

第２に、縁部クラッド領域を製作するのに使用されるロッドの直径は、プリフォーム品質および成功するファイバ線引きプロセスの要件と矛盾せずにできるだけ大きくなるように選ばれるべきである。ロッドが大きいほど、戻り漏洩が顕著になる前の、ロッドが有する「蓄積容量」は有利になる。縁部クラッド領域の蓄積パワーが同じ場合、ロッドの直径が大きいほど、ファイバに沿った所与の伝搬距離の後、縁部クラッド領域内の漏洩光強度は低くなる。加えて、ロッドが大きいほど、ロッドの全表面積に対してコア−ロッド界面でスロットが占める面積が小さくなる。縁部クラッド領域内に蓄積されたパワーが同じ場合、これはコアに逆戻りするパワーの比率を減少させる。本発明の１つの実施形態では、ロッドの直径はコアの高さよりも大きい。本発明の別の実施形態では、ロッドの直径は、コアの高さの少なくとも２倍の大きさである。本発明のさらなる別の実施形態では、ロッドの直径は、（Ｓ）ＨＡＲＣファイバの内部クラッドの厚さとほとんどまたは実質的に同じである。

第３に、縁部クラッド領域の軸は、コアの中央面に対して上または下に変位させることができる。そのような変位（それは、図６において、特にコア６３と比べた領域６２において明白である）は、外側領域壁から反射される漏洩光を傾けることになり、その結果、漏洩光はコアに直接戻らない。その代りに、フォトンは、コアに再び入る前にスキュー光線として縁部クラッド領域内で何回もガタガタ走ることになる。

第４に、縁部クラッド領域材料は、信号波長で放射を弱く吸収するように選択または製作することができる。コアに戻る逆戻り漏洩は、縁部クラッド領域内の信号吸収が十分に強力な場合に減少させることができるが、その理由は、「悪い」光がコアから引き出されるだけでなく、コアに戻る漏洩率よりも速い速度で吸収されるからである。この目的のために、図５には、縁部クラッド領域はＹｂおよびＮｄのレーザの１μｍ放射のよく知られた吸収材のＳｍでドープして、縁部クラッド領域に漏れ出た光がコアに再び入らないようにすることができることが示唆されている（他の吸収材をＥｒまたはＴｍドープ・ファイバで使用することができる）。この構造に関連するトレードオフのうちの１つは、Ｓｍが９７５ｎｍＹｂポンプ放射を吸収することもある（より低い吸収係数ではあるが）という事実である。希土類元素ドーパントのスペクトル細部は特定のファイバ組成に依存するので、Ｓｍ以外の吸収材を考慮することができる。Ｓｍポンプ吸収が問題である場合、１つのオプションは、Ｄｙ、すなわち、１μｍ近くの別の強力な吸収材で縁部クラッド領域をドープすることである。縁部クラッド・フィーチャから光を除去する他の手段、例えば、前方もしくは後方散乱、または他の屈折率構造体への結合などを使用することができる。

第５に、縁部クラッド領域からコアへの漏洩率は、縁部クラッド領域の屈折率をコア屈折率よりも多分１００ｐｐｍだけわずかに高くなるように選択することによってある程度減少させることができる。これは、縁部クラッド領域をコアに対してわずかに非導波にし、それは、損失フィルタ処理が完全に有効であるようにする条件を維持しながらコアに戻る漏洩率を抑制する。

第６に、縁部クラッド領域の性質は、コアを伝搬する高次モードのいくつかの光学的性質に整合するように選ぶことができる。例えば、ｎ_ｍｏｄｅ≒ｎ_ＭＩＭを選択するための上述の方法は、高次コア・モードを縁部クラッド領域のモードに屈折率整合させるために採用することができる。縁部クラッド領域で搬送されるモードの実効屈折率がいくつかのコア・モードの実効屈折率と一致する場合、それらのモードは互いに効率的に結合することになる。この特徴を使用して、コアから不要な高次モードを除去することができる。基本コア・モードの実効屈折率がいかなる縁部クラッド領域モードの実効屈折率とも一致しない場合、コア・モードは、縁部クラッド領域により弱く結合することになり、コアで十分に導波され続けることになる。現在の目的では、モード整合は、モード間の実効屈折率の差が、１０^−４未満、好ましくは１０^−５未満であることを意味する。この設計態様を使用して、単一の側部ロッド・モード、多数の側部ロッド・モード、または多数の個別の側部ロッドのモードのいずれかに高次コア・モードを結合させることができる。縁部クラッド領域の実効屈折率は、材料屈折率、ロッド・サイズ、およびロッド形状、またはそれらの組合せを使用して調節することができる。

第７に、発明者等は、単なる単一のロッドではなくロッドのアレイを狭いコア縁部の各々に配置することができることを既に上述した。このアレイは、高次モードをコアから優先的に引き抜く共振効果を生成するように最適化することができるロッド間間隔、ロッド直径、およびロッド屈折率値などのいくつかの設計自由度を提供し、またはモード伝搬に他の有益な影響を有する。

図３に示されたＮＡプロファイル構造は必然的に平面グレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとしても機能することを上記した。ＮＡプロファイル構造では、対応するＧＲＩＮレンズはデフォーカスであり、すなわち、コアを伝搬する光をファイバ軸から離して発散させる。したがって、このＧＲＩＮレンズは、ファイバ・レーザまたは増幅器の正の熱誘起集束ＧＲＩＮレンズを補償するために利用することができる。バーベル構造はその同じＧＲＩＮレンズ性質を本質的に有していないが、それにもかかわらず、コアは同じタイプの熱レンズ補償を行うように整形することができる。具体的には、３Ｄ伝搬研究が示すところによれば、コア７０と信号クラッドとの間の境界を図７に概略的に示すようにコアを整形すると、負のＧＲＩＮレンズ効果が生成される。例えば、２０μｍ厚および約１ｍｍ幅のコアは、コア軸に沿ったコア厚さをわずか約５μｍだけ減少させることによって一般的な熱レンズを補償することができることになる。そのようなコア整形は、いくつかの方法のうちのいずれかを使用して造り出すことができる。例えば、構造体が、スロットを含むクラッド本体中にガラス・コア・スラブを挿入することによって造り出される場合、コア・スラブを機械加工して、薄い中間部を有することができ、または構造体が多孔質ガラスから形成される場合、構造体は中間部でわずかに高い気孔率を有することができる。代替として、コアは均一とすることができるが、クラッドが中間部でより薄い間隙をもたらし、より薄い間隙のため、構造体の圧密化の間にコア・ガラスが側部に流れるのを効果的に引き起こす。コアを整形することによって、ならびにファイバ設計の他の変更によってどのように熱レンズ作用を補償することができるかを具体的に教示する別個の発明の開示が、２０１０年１０月２９日に出願された米国特許出願第１２／９１５，７３７号として提出されており、全体が参照により本明細書に組み込まれる。ここで熱レンズ補償について述べる目的は、所望であればバーベル構造は上述の補償手法を実現できることを指摘することである。

受動ＳＨＡＲＣファイバをモデル化することによる検証
モデルは、吸収性縁部クラッド領域を有する受動バーベルＳＨＡＲＣファイバを通る信号伝搬を説明する本発明の一態様として開発された。伝搬はこの場合線形であるので、バーベル構造の損失をモデル化する問題は、簡単化した運動論的方程式様式で処置することができる。そのような簡単化した手法は、コアおよび縁部クラッド領域の内部のモード構造に関していかなる詳細も提供しようとするものではない。その代りに、それはパワー均衡にのみ焦点を当てる。このモデルは以下の表記を使用する。コアの内部のパワーはＰ_ｃ（ｚ）で表記され、両方の側縁部クラッド領域の内部の全パワーはＰ_ｒ（ｚ）であり、コアから縁部クラッド領域へのアウト結合光パワーの比率はβ［ｍ^−１］で表記され、一方、縁部クラッド領域からコアへの戻り結合パワー流れはγ［ｍ^−１］で表記され、縁部クラッド領域の内部のバルク吸収率は吸収係数α［ｍ^−１］で与えられる。

これらの条件下で、１対の動力学的方程式が伝搬問題の特性評価を行う。
ｄＰ_ｃ／ｄｚ＝−βＰ_ｃ＋γＰ_ｒ， ｄＰ_ｒ／ｄｚ＝βＰ_ｃ−（γ＋α）Ｐ_ｒ （１）
コアの内部のパワーＰ_ｃは、比率−βＰ_ｃでの縁部クラッド領域への流出および縁部クラッド領域からの流入＋γＰ_ｒのために変化する。縁部クラッド領域（またはロッド）のパワーＰ_ｒは、コアからの流入＋βＰ_ｃだけ増加するが、縁部クラッド領域への流出、さらに、縁部クラッド領域の内側の吸収に起因して共通比率−（γ＋α）Ｐ_ｒで失われる。

式（１）の構造は、両方の導波チャネルでのパワーの指数関数的低下を伴う自己相似伝搬を仮定する、Ｐ_ｃ，ｒ（ｚ）＝Ｐ_ｃ，ｒｅｘｐ（−μｚ）。
減衰増加分μの対応する式は、

になる。形式的には、２つの自己相似解が式（１）には存在する。各々はμの値で特徴づけられる。両方の解については、光は、側縁部クラッド領域およびコアにおいてパワーの一定比（Ｐ_ｒ／Ｐ_ｃ）を維持するように伝搬する、μ_±→（Ｐ_ｒ／Ｐ_ｃ）_±＝（β−μ_±）／γ＝ｃｏｎｓｔ。解は、β＞μである場合、すなわち、Ｐ_ｃ（ｚ）およびＰ_ｒ（ｚ）の両方が正値である場合にのみ物理的な意味がある。

結合率βおよびγは、式（１）を解決する前に、独立して評価されるべきである。それらは、コア材料とロッド材料との間の屈折率差、バーベル幾何学的形状、さらにコア縁部の光学的品質に依存する。結局、幅ｗのコアでｋ次遅軸モードの漏れ率について以下の関係になる（ここで、ｋ＝０は基本最低次コア・モードを意味する）。

２つの結論がこの概算から得られる。第１に、放射漏れ率は、モード屈折率ｋにより（ｋ＋１）^２として変倍される。加えて、放射漏れ率は、コア幅ｗにより１／ｗ^３として変倍される。係数ζ_ｃｒ（Δｎ）は、屈折率整合精度Δｎおよび縁部幾何学的形状に依存する。最適屈折率整合を有する４５０×１５μｍ^２コアについて直接コンピュータ・シミュレーションの結果を比較することによって、このパラメータを評価することができる。特に、漏洩損失ピークで、直接シミュレーションはβ_０≒０．４ｍ^−１を与える。それゆえに、ζ_ｃｒ ^ｍａｘ≒β^０ _ｍａｘ（ｗ^３ｎ^２／λ^２）≒８０が得られる。上述の場合と同様に、

が得られる。ここで、Ａ_ｃｏｒｅ＝ｈｗは長方形コアの面積であり、一方、Ａ_ｒｏｄｓ＝２・（πｄ^２／４）は２つの縁部クラッド領域の全断面積である。戻り漏洩率γは、縁部クラッド領域の断面積に対するコアの断面積の比だけ前方漏れ率βよりも小さくすることができることが示されている。

Ａ_ｃｏｒｅ≒４５０×１５＝６７５０μｍ^２および両方の縁部クラッド領域の全面積Ａ_ｒｏｄｓ≒π（６０）^２／２≒５７００μｍ^２を有する典型的なＳＨＡＲＣ幾何学的形状では、比率β_０≒γ_０≒０．４ｍ^−１はほとんど同じである。１％未満のＳｍドーピングの典型的なバルク吸収率はα≒４ｍ^−１であり、それは結合率βおよびγより非常に強い。そのような限界値では、式（２）のモードの解はさらに簡単化することができる。モードの１つμ₋のみが物理的な意味を有し、コアおよび縁部クラッド領域の両方のパワーに対して正値を与える。

この時点で、モデルが示すところによれば、この構成の損失率は、材料吸収率αではなくほとんどアウト結合率（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒａｔｅ）によって制御され、μ₋≒β≪αである。この理由は、この構成では、パワーのごくわずかな部分（Ｐ_ｂ／Ｐ_ｃ）₋＝（β−μ₋）／γ≒β／α≪１が縁部クラッド領域に存在する。したがって、ほとんどの光は、吸収が存在しないコアを通って伝搬する。

縁部クラッド領域を形成することおよびα＝４ｍ^−１のための６０μｍ直径のロッドをもつｗ×ｈ＝４５０×１５μｍ^２を有するバーベルＳＨＡＲＣファイバの例について、式（１）の直接デジタル解の結果が図８〜１１に示される。図８および９は最低次モード伝搬ｋ＝０の場合を示し、一方、図１０〜１１はｋ＝２による高次モードの結合に対応する。図８および１０のグラフ８０および１００は、それぞれ、コアおよび屈折率整合領域のパワーの漸進的変化を移動距離の関数として例証する。図９および１１のグラフ９０および１１０は、それぞれ、縁部クラッド領域の内部に存在するパワーの相対的部分を示す。

図８のグラフ８０は、最低モードｋ＝０が送り出された場合のＳＨＡＲＣバーベル・ファイバの例について、コアの内側の正規化パワー（曲線８１）および縁部クラッド領域の正規化パワー（曲線８２）対伝搬距離（メートル単位）を示す。図９のグラフ９０は、曲線９１によって、最低モードｋ＝０が結合して入る場合の例示のＳＨＡＲＣバーベル・ファイバの縁部クラッド領域中のパワー部分Ｐ_ｒ／Ｐ_ｃを示す。図１０のグラフ１００は、高次モードｋ＝２が結合して入る場合の例示のＳＨＡＲＣバーベル・ファイバについて、コアの内側の正規化パワー（曲線１０１）および縁部クラッド領域の正規化パワー（曲線１０２）対伝搬距離（メートル単位）を示す。図１１のグラフ１１０は、高次モードｋ＝２が結合して入る場合の例示のＳＨＡＲＣバーベル・ファイバの縁部クラッド領域中のパワー部分Ｐ_ｒ／Ｐ_ｃを曲線１１１に示す。

シミュレーション結果は、上述で公式化した結論と良く一致する。縁部クラッド領域と非常に強く光結合する高次モードは、ほぼ０．５メートルを伝搬した後、縁部クラッド領域にかなり速く移入し、縁部クラッド領域に高次モードのパワーの６０％まで堆積することが図１０および１１で分る。この過渡長を通った後、パワー交換過程は安定し、最後には、上述で解析的に見いだされたように指数関数的減衰をもつ漸近線形状になる。高次モードは非常に強い全体損失を経験し、４メートル通った後約０．２％透過率となる。図８および９によれば、この状況は、基本モードにとって著しく好都合である。過渡長を通った後、指数関数的減衰形状の安定化が同様に達せられる。しかし、縁部クラッド領域の光パワーの部分は非常に小さく、ほぼ１０％であり、その場合の吸収率は非常に弱く、４メートルの伝搬の後約２５％透過率を与える。デジタル・シミュレーションのパラメータは、式（３）の解析的結果と非常に良く一致する。

本発明の１つの実施形態の製作されたＳＨＡＲＣファイバの長さは、少なくとも０．５メートルである。別の実施形態の製作されたＳＨＡＲＣファイバの長さは、少なくとも１メートルである。さらなる別の実施形態の製作されたＳＨＡＲＣファイバの長さは、少なくとも２５メートル、５０メートル、またはそれを超える。

本発明の実施形態は、改善された（Ｓ）ＨＡＲＣファイバ構成と、（Ｓ）ＨＡＲＣファイバを製作する製造方法とを提供する。特定の実施形態では、意図された用途に応じて、速軸屈折率ステップと異なっており、ゼロよりも大きく、ゼロに等しく、またはゼロよりも小さくすることができる遅軸方向の屈折率ステップとともに、随意の屈折率ステップが速軸方向においてコアとクラッドとの間に設けられる。（Ｓ）ＨＡＲＣファイバ・コアは、受動とする（すなわち、増幅しない）ことができ、または（Ｓ）ＨＡＲＣファイバ・コアは、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、または特定の波長の光を増幅するためのいくつかの他のレーザ・イオンなどのイオンでドープすることができる。一般の（Ｓ）ＨＡＲＣファイバは、概略的に、図５のファイバのように見え、図６は、実際、以下で説明するプロセスにより製作されるＨＡＲＣファイバである。

最も簡単な概念的（Ｓ）ＨＡＲＣファイバ用途は、受動デリバリ・ファイバとしてであり、受動デリバリ・ファイバは、曲がった経路に追従することができるファイバに沿って光ビームをある点から別の点に効率的に伝搬させる。この受動ビーム・デリバリ用途は、Ｙｂドーピングがなく、領域５３がクラッド領域の屈折率と一致するように規定された図５に示すような（Ｓ）ＨＡＲＣファイバで対処されうる。この場合、コアは、４つの境界すべてに沿って低い屈折率の媒体で均一に囲まれ、ＮＡは４つの境界すべてに沿って同じである。

いくつかの用途は速軸方向のＮＡと異なる遅軸方向のＮＡから利益を得ることになり、ＳＨＡＲＣ構成はそのようなＮＡ差が要望される１つの例である。しかし、多モード・ビームを含む他の用途のための他のコア構造は、ＳＨＡＲＣファイバに最適であるものよりも高いコア縁部の屈折率ステップから利益を得ることになる。例えば、遅軸方向のより低いＮＡを使用して、コアの内部に閉じ込められる遅軸モードの数を制御することができる。用途が遅軸方向のより低い屈折率ステップで最適に対処される場合、領域５３内の屈折率は、クラッド屈折率およびコア屈折率によって確立された限界値内の特定の所望値となるように設計することができる。

（Ｓ）ＨＡＲＣファイバは増幅器またはレーザとしても有用である。（Ｓ）ＨＡＲＣファイバ遅軸ビーム品質が往々にして回折限界となることがあるが、これは、非常に高いビーム品質の単一モード・ビームを必要としないことがある用途で能動（Ｓ）ＨＡＲＣファイバを使用するのを妨げない。

その上、ＨＡＲＣファイバ・ビーム品質は、ＳＨＡＲＣファイバに関して図５において概略的に示した同じ利得フィルタ処理手法を利用することによって改善することができる。前に論じたように、利得フィルタ処理は、活性コア領域５１のコアの中心にピーク濃度をもつ活性レーザ・イオン（例えば、Ｙｂ、Ｅｒ、またはＴｍ）の空間的濃度プロファイルを実現することによって達成される。ＨＡＲＣの場合には、利得フィルタ処理は、利得フィルタ処理がない場合に比べて遅軸ビーム品質を改善することになる。

本発明の別の態様は、光ファイバ、特に（Ｓ）ＨＡＲＣファイバを製造する方法に関する。

図５に示した断面形状を有する（Ｓ）ＨＡＲＣファイバは、ゾル−ゲル処理などのニアネット・シェイプ製造技法を使用して、または適切にドープされたガラスのバルク部片からの従来の機械加工および研削を使用して製造することができる。本明細書で使用する「ニアネット・シェイプ」および「ニアネット・シェイプ部分」という用語は、最後のまたは最終的な形状に近く、仕上げ作業で多くの機械加工を必要としない整形部分を指し、同義語であり、交換可能に使用される。

１つの実施形態では、ニアネット・シェイプは、最初に、多孔質シリカ・スート・ブランクを形成することによって形成される。多孔質シリカ・スート・ブランクを形成する方法は、当技術分野でよく知られており、限定はしないが、外付け気相成長（ＯＶＤ）、内付け気相成長（ＩＶＤ）、気相軸付け（ＶＡＤ）、平面スート堆積（ＰＳＤ）、それらの組合せなどのような気相成長技法を含む。これらの技法は、一般的に、ケイ素含有前駆体化合物を含むガス流が燃焼バーナーで発生された炎を通過するようにして、シリカ・スートのアモルファス粒子を形成し、次に、シリカ・スートのアモルファス粒子を支持体または基板上に堆積させて、シリカ・スート・ブランクを形成することを含む。候補のケイ素含有前駆体化合物には、限定はしないが、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＢｒ_４、ＳｉＦ_４などのようなハロゲン含有化合物と、例えばポリメチルシロキサンなどのハロゲンフリーシクロシロキサン化合物とが含まれる。そのようなポリメチルシロキサンには、限定はしないが、ヘキサメチルジシロキサン、ポリメチルシクロシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、デカメチルシクロペンタシロキサン、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、およびそれらの組合せが含まれる。

他の実施形態では、ゾル−ゲル・コロイドまたは有機的方法を使用して、多孔質形状または粒状のシリカ粒子を用意することができる。例えば、少なくとも１つのケイ素含有有機化合物の溶液が最初に準備される。ケイ素含有化合物は、一般式としてＳｉ（ＯＲ）４またはＳｉ（ＯＲ）３のいずれかを有しており、ここで、Ｒはアルキル基である。好適なアルキル基の非限定例には、テトラエチルオルソシリケート（本明細書では「ＴＥＯＳ」とも呼ばれる）、テトラメチルオルソシリケート、およびメチルトリメトキシシランが含まれる。１つの実施形態では、溶液は、ゲル化触媒として働く塩化水素酸、ギ酸、硝酸などのような酸を含む水溶液である。エタノールなどのような有機溶媒を追加して、混和性を改善することができる。

次に、ケイ素含有有機化合物を含む溶液はゲル化され、それはケイ素の重合と、ＴＥＯＳの場合のエタノールなどのアルコールの生成とをもたらす。ゲル化時間は、溶液の加熱によって、または第２の塩基性溶液の追加による溶液ｐＨの中和によって減少させることができる。ゲル化プロセスが完了した後、ゲルは乾燥されて、残留水およびアルコール（したがって、炭素）が除去される。ニアネット整形多孔質本体を乾燥ゲルから形成することができ、またはゲルを破砕して粒状体にすることができる。

次に、スート・ブランク、多孔質プリフォーム、または粒状体は圧密化または焼結されて、溶融石英ニアネット・シェイプまたはブールを形成し、それから所望の形状が最終的に機械加工される。圧密化は、通常、不活性雰囲気中で約１５００℃までの温度で本体を加熱することによって実行される。圧密化の前に、過剰水およびヒドロキシル（ＯＨ）基を、オプションとして、乾燥ステップによってスート・ブランクから除去することができる。乾燥ステップにおいて、ブランクは、ハロゲン、ハロゲン含有化合物、一酸化炭素、または当技術分野で知られている他のそのような乾燥剤などの乾燥剤の存在下で加熱される。乾燥ステップは、時には、酸化ステップが続き、ブランクは酸素の存在下で加熱される。

溶融石英ブールは、追加として、圧延、スカッシング、傾斜フロー、それらの組合せなどのような当技術分野で知られている方法を使用して、改質するかまたは再形成することができる。次に、ブランクは、再形成または再加工された溶融石英ブールから切断され、その後、切断、研削、研磨などを含む当技術分野で既知の手段で整形されて所望の形状を形成されうる。

図５に関して十分理解されるように、コア領域５１を設けるための実質的に長方形のニアネット・シェイプを形成することができ、Ｙｂまたは他の好適なドーパントを組み込むために既知のドーピング技法を使用してコアをドープすることができる。ドーピング・プロファイルは、縁部クラッド領域５３を形成するロッドと屈折率整合を行うためにコア縁部領域５２で適切に調節することができる。縁部クラッド領域５３は、所望の屈折率を設けるためのＧｅ、Ａｌ、Ｂなどのドーパント、または所望の信号吸収を行うためのＳｍなどのドーパント、または所望の屈折率および信号吸収を達成するためのそれらの組合せで適切にドープされた溶融石英ロッドを供給することによって形成することができる。固体ガラス・ロッドは、より大きい整形ブールからの延伸、ゾル−ゲル・キャスティング、ニアネット・シェイプ本体の形成、または他の技法などの任意の好適な技法で形成することができる。代替として、縁部クラッド領域５３は、多孔質ガラス本体から形成し、続いて焼結するか、またはシリカ粒状体から形成し、続いて固体ガラスに圧密化することができる。両方の代替の場合において、ガラスは既知の方法で適切にドープすることができる。クラッド５５は、ほとんど長方形のニアネット・シェイプに内部空所を設けることによって、または適切なドープ・シリカ・ブールからの機械加工もしくは研削によって、または粒状体の圧密化によって形成することができる。

ファイバの断面の外側境界は、線引き中の軽微なねじれの影響を減少させるために丸くされる（図５、６、および１２Ａ〜Ｄに示すように）ことが好ましく、それは、そのようなねじれが影ベース寸法制御デバイスの精度を劣化させることがあるからである。そのような丸い縁部は、部分的に円筒形の容器に形成された円柱形状またはニアネット・シェイプの平面または曲面を機械加工することによって形成することができる。

ファイバのコア領域を、ドリル加工、エッチング、キャスティング、または他の技法で処理して、縁部クラッド領域５３の各々をもたらすロッド、多孔質ガラス、または粒状体のための適切な入れ物を設けることができる。代替として、クラッド領域は、クラムシェル・タイプ構成の２つの別個の部片として製造することができ、別個の部片の各々は、コア領域５１、５２を基準にして適切にドープし、機械加工またはエッチングして、縁部クラッド領域を形成するロッドのための空間を設けることができる。次に、ロッドをクラッドの第１の部片中に組み合わせることができ、２つのクラッド部片を一緒に連結することができる。したがって、本発明の態様は、湾曲または円形の高アスペクト比長方形フィーチャを組み合わせたファイバ・プリフォーム製作のためのニアネット・シェイプを形成する改善されたプロセスに関する。１つの態様では、長方形またはほぼ長方形のコア領域を含む長方形またはほぼ長方形のクラッド領域を形成することを含む製造プロセスが提供される。１つの実施形態では、クラッド領域およびコア領域は各々例えば、３：１を超える高アスペクト比を有する。１つの実施形態では、この方法は、コア領域の各速軸縁部に隣接して縁部クラッド領域を形成することと、コア領域および縁部クラッド領域をクラッドで制限し、バーベル形断面を有するファイバ・プリフォームを用意することとを含む。別の実施形態では、高い屈折率均質性をもつ何センチメートルもの寸法のファイバ品質シリカ・ガラス本体が、ゾル−ゲル製造技法を使用することによって用意される。そのような本体は必ずしも円柱状に対称でなく、２ｃｍの、好ましくは５ｃｍを超える、より好ましくは８ｃｍを超える最大幅寸法を有する。

１つまたは複数の実施形態では、吸収、または利得、またはコア領域の屈折率プロファイル、ならびにコアおよび縁部クラッド領域の屈折率などの光学的性質は、溶液ドーピング技法を使用して変更することができる。溶液ドーピングでは、少量のドーパント材料を含む溶液にネット・シェイプまたはブールを浸すことができ、溶液はブールまたはネット・シェイプの孔に吸着される。次に、ブールまたはネット・シェイプは乾燥され、ＯＨを除去するために例えば塩素中で約１０００℃で脱水され、固体プリフォームに焼結される。溶液ドーピングの代替案は、加熱チャンバ、例えば焼結で使用されるチャンバ中でドーパント蒸気にブールまたはニアネット・シェイプを曝すことによる気相ドーピングである。

別のドーピング代替案は、溶液がゾル−ゲル材料から形成されるゾル−ゲル・ドーピングである。ゾル−ゲル・ドーピングでは、重合可能なガラス発泡材料が、光ファイバの少なくとも１つの領域を形成するのに使用される。アキルオキシド・ゾル−ゲル法は、多孔質ガラス・ブールを形成するか、またはガラス・ブールをドープするために使用することができるが、本発明はそのような方法に限られる。例えば、好適な材料は、本発明の目的のために、コロイド状ゾルを準備し、ゾルを重合させ、コロイド状ゲルを形成することによって容易に形成される。代替として、重合の前に、ゾルは所望のイオン（例えばＥｒ）で適切にドープされ、多孔質ガラス・ブールに吸い込まれうる。コロイド・シリカまたは第四アンモニウムシリケートと混合された水溶性アルカリ金属シリケートは、ホルムアルデヒドなどの有機試薬でゲル化され、続いて、弱酸性溶液中で浸出される。再び、ゲル化の前に、液体はドープされ、多孔質本体に吸い込まれうる。さらなる例として、例えば、カルシウム、ナトリウム、またはアルミニウムの水溶性シリケートが、溶液中で表面に被覆されるか、または多孔質ガラス本体に吸い込まれ、インシトゥで重合され、酸性ガスに曝すことによってゲルを形成することができる。

アルコキシドを使用するゾル−ゲル・ドーピングでは、既知の方法は、アルコールと水との混合物にテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）などの金属アルコキシド（ここでは、ホスト・アルコキシドと呼ぶ）を溶解することによってゾルを準備することと、アルコキシドが加水分解され、後続の重合を開始できるようにすることとを含む。例えば、ガラス修飾剤またはガラス形成剤を含むことができるドーパント材料が、金属アルコキシドと一緒に溶解される。ドーパント材料が、例えば、ガラス形成剤の塩である場合、ドーパント化学種は、結果として生じる重合体網目の金属部位に置換して受け入れられる。対照的に、ドーパント材料がガラス修飾剤の塩である場合、ドーパント・イオンは重合体網目の八面体空隙に組み込まれる。

塩の形態のドーパント材料を追加することの１つの代替案として、少なくともいくつかのドーパント前駆体がアルコキシドの形態で容易に追加される。次に、前駆体アルコキシドはホスト・アルコキシドと反応して、ポリマーを形成する。続いて、このポリマーは加水分解され、関連する錯体として酸化物ガラスに濃縮される。

他の実施形態では、ドーピングを分子スタッフィングで遂行して、ガラスの屈折率または他の光学的性質を変えることができる。分子スタッフィングは、米国特許第６，９６６，２０１号に説明されており、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。一般に、分子スタッフィングは、多孔質材料として始まるガラス本体、例えばゾル−ゲル本体などを含む。材料はドーパント前駆体を含む液体溶液に浸漬され、ドーパントはゾル−ゲル材料の孔に析出される。次に、ガラス本体は乾燥され、固体ガラスに焼結される。代替として、ドープされた材料を粒状体に形成することができる。

本発明のさらなる態様によれば、ドーパントは、ドーパントが所望の空間分布に拡散しているときにまたはドーパントが拡散された後に生じる酸塩基反応を使用してゾル−ゲル材料の孔に析出される。乾燥および焼結は、高温炉の内部で、またはトーチを使用して適切な高温に加熱されたガラス管の内部で遂行されうる。高温処理は、結晶化を防止する傾向がある。上述で論じたように、結晶化の問題が、従来のプロセスを使用して組み込むことができるドーパントのタイプおよび量を制限してきた。

本発明の一態様により高シリカ・ガラスにドープするプロセスは、（１）従来のシリカ気相またはコロイド・ゾル−ゲル技法の使用による多孔質シリカ・スート本体の製作、（２）一般的な酸塩基反応の使用によるゾル−ゲル本体へのドーパントの析出、および（３）炉における高温でのドープ済み多孔質本体の圧密化および圧潰を含む。このプロセスは、ドーパント濃度分布の注意深い調整を可能にし、結晶化を排除する。本発明のさらなる態様は、透明な一体構造本体が生じるように多孔質本体の収縮を管理することに関する。その上、本発明のさらなる態様は、異なる組成の粒状体を形成し、次に、空間的ドーパント勾配をもつ固体材料を形成するための方法で混合し、圧密化するプロセスに関する。

本発明の一実施形態によれば、（Ｓ）ＨＡＲＣファイバは、多孔質構造体の内部でナノ粒子（ゾル）を成長させるアルコキシド化学を使用する分子スタッフィング技法を使用して製作することができ、多孔質本体の材料が反応開始剤として働く。

したがって、上述の技法のうちの１つまたは複数を使用して、ネット・シェイプ、プリフォームまたはブール、高アスペクト比（例えば、約３：１よりも大きい）もつ長方形であるネット・シェイプのうちの１つ、および湾曲したネット・シェイプを形成し、ネット・シェイプをバーベル形断面構造体に製作することができ、バーベル形断面構造では、長方形またはほぼ長方形のコア・セクションはその端部で２つの縁部クラッド・セクションが結合され、コアおよび縁部クラッド・セクションはクラッド材料で囲まれる。上述の様々な技法を使用して、コア・セクション、縁部クラッド・セクション、およびクラッドの各々の屈折率、ならびに吸収スペクトルおよびガラス粘性を変更するためのドーパント・イオンを調整することができる。

次に、製造プロセスの特定の実施形態が、図５Ａによる断面を有する構造を製造するために図１２Ａ〜Ｆを参照して説明される。ゾル−ゲル技法を使用して製造する好適な技法は、米国特許第５，４２０，４８８号および第５，３７９，３６４号に説明されており、各々の全内容が参照により組み込まれる。

米国特許第５，４２０，４８８号および第５，３７９，３６４号は、シリカ粒子の水性分散液であるゾルの準備を伴う手順を説明している。例示的な手順では、ゾルの安定化は、高ｐＨを伴った静電力によって生じたものとされる。いくつかの四級アンモニウムヒドロキシドはそのような静電気安定化に有用である。コロイド粒子に生成される負の表面電荷は相互斥力を与えて、高い粘性および凝集の両方を避けながら高濃度のシリカを有する安定した水溶性ゾルをもたらす。ゲル化は、この場合には、ｐＨ低下を伴った計画的な電荷平衡化の結果である。例えば、粒子による正イオンの吸着によって正電荷を導入すると、空間電荷が消え、例えば、引力のあるファンデルワールス力の影響下でシリカ粒子が合体するようになる。ファイバ・プリフォームにオーバークラッディングするための許容できる管をもたらしている電荷均衡化の方法は、適切なエステル、例えば、ギ酸メチル、乳酸エチルなどの追加によるｐＨ低下の形態をとる。

この手順は、市販のシリカ粒子のゾルの利用とすることができる。ゾル形成ならびにゲル化で使用される条件は、ゲル化本体の機械的および化学的性質に影響を与える。それゆえに、経済面および適格な最終製品の観点から、追加塩基の量を制御することが望ましいことが見いだされた。所望のｐＨで必要とされる塩基の量よりも多い量を含むと、シリカ溶解の増加がもたらされる。満足な実験結果は、５００００ｐｐｍまでのシリカの溶解に対応する含有を必要とした。このプロセスは、クラックのないシリカ本体（すなわち、大部分シリカからなる本体）の高い歩留を保証する。このプロセスは、大きい（例えば、約１ｋｇの）ゾル−ゲル本体の生成を可能にし、そのゾル−ゲル本体は、そのような本体から形成された物品の所望の性質、例えば、そのような本体を含むプリフォームから製作された光ファイバの性質を保証するレベルでクラックおよび空所の両方がない。本発明の主要な発見は、時には低分子量添加剤で補足されるような特定の範疇のポリマーを含むことによる歩留りの増加に依存する。後者、すなわち、一般にグリセリンなどの多価アルコールは「可塑剤」として説明され、一方、ポリマーは「固着剤」と呼ばれる。この用語は便利であるが、今の場合のこれらの添加剤の機能は、いくつかの点で、従来の可塑剤または固着剤の機能と異なる。両方は物品製作中のクラックを避けるのを支援するが、一時的な機能にしか貢献しない。それらは、後の段階で機能的に意味がなければ便宜上除去されるような性質のものである。これらの添加剤の組合せは、ゲル構造を制御することによってゾル−ゲル本体のクラッキング、特に、大きいゾル−ゲル本体（≒１ｋｇ）のクラッキングを著しく減少させることが見いだされた。広範囲な実験が、両方のそのような添加剤を含んだ際の相乗効果挙動を実証した。米国特許第５，４２０，４８８号および第５，３７９，３６４号に論じられているように、ポリマーの量は、シリカ粒子上にちょうど単分子層を形成するのに必要とされる量よりはるかに下である。従来の固着剤で必要とされる量よりも非常に少ない量にポリマー含有を制限すると、粒子間接合が可能になるとともに後続の加熱からの残留物の除去および減少が促進される。含有されるポリマー量の同様の制限は、結果として生じる製品の十分な気孔率を維持して好適なレベルのガラス・ドーピングを可能すること、ならびに好適なレベルの性質が後続の処理および使用中の構造完全性を保証することで役割を果たす。

次に、図１２Ａ〜Ｆを参照する。図１２Ａに示すように、任意の好適な形状とすることができるが、円筒状として示されている外側型枠２００が設けられる。単体構造（単一部片）とすることができる内側型枠２１０が設けられ、または内側型枠２１０は２つ以上の別個の部分を含むことができる。図５と比較して十分理解されるように、外側型枠２００に挿入される内側型枠２１０は、（Ｓ）ＨＡＲＣプロファイルのプロファイルと同様の断面形状を備える。ゾル−ゲルまたは他の好適な技法を使用して、適切な屈折率または他の光学的性質をもたらすように意図されたクラッド材料が内側型枠２１０中ではなく外側型枠２００中に置かれる。内側型枠２１０は、本発明の一態様による固体構成要素とすることができる。上述の技法を使用して、外側型枠中の材料を図１２Ｃにおけるようにゲル化することができる。次に、内側型枠２１０を取り出し、本体を乾燥させ、適切に処置して、図１２Ｄに示すように、空所２５０が中にあるクラッド材料２５５を用意することができる。代替として、外側型枠２００を粒状体で充填し、次に、粒状体を圧密化してクラッド材料２５５を用意することができる。上述のように好適な屈折率プロファイルまたは他の光学的性質を備えることに応じてドープされうる別個に製作されたコア・セクション２５１を空所２５０の中央セクションに挿入することができ、上述のように好適な屈折率プロファイルまたは他のドーパント濃度を備えることに応じてドープされうるロッド２５２、２５４を空所２５０の側部セクションに挿入して、図５の（Ｓ）ＨＡＲＣプロファイルと同様のプロファイルを有するプリフォームを用意することができる。

クラッド材料２５５は、一般的に、ゲル化の後でかつ乾燥の前に型枠２００から取り出される。しかし、空所２５０が上述のように充填されるか、または適切にドープされたゾルで充填されるまで、型枠２００を湿った状態で保持することが有利であることがある。その後、全構造体を型枠２００から取り出し、図１２Ｆに示すようなプリフォーム構造体を造り出すことができる。このプリフォームは、乾燥、圧密化、およびさらなるドーピングなどのような追加のステップによってさらに処理することができる。クラッド２５５は、図５に示すような外側プロファイルを設けるために固体本体への圧密化の前または後に機械加工することができ、または型枠２００は外側プロファイルを形成するために適切な内部形状を有することができる。

外側クラッド材料２５５は、光ファイバ・プリフォームを形成するために、最終的に縁部クラッド領域およびコア領域になる材料内に組み合わされる。次に、このプリフォームは既知の方法を使用してファイバに線引きされる。

別の実施形態では、やはり上述したように、縁部クラッド領域は、円形以外の断面を有するように形成することができる（例えば、楕円形、長方形など）。図１４は、高アスペクト比コア領域４００と、１対の楕円形縁部クラッド領域４１０、４２０とを含む高アスペクト比光ファイバの例示的なバーベル構成を示す。上述の実施形態と同様に、楕円形縁部クラッド領域４１０および４２０はコア領域４００の対向した縁部４０１および４０２に配置され、対向した縁部４０１および４０２は速軸縁部末端として画定される。楕円形縁部クラッド領域４１０および４２０は、それぞれ、縁部４０１および４０２に物理的に接触するように位置づけられる。この図には特に示されていないが、図１４の配置は、バーベル構成を囲むクラッド領域をさらに含むことが理解されよう。クラッド領域は、伝搬する光信号がコア領域４００内に局限されたままであるようにバーベル構成のいかなる構成要素の屈折率よりも小さい屈折率をもつ組成物から形成される。

その上、図１４の構成のコア領域または縁部クラッド領域は、特定の用途での必要に応じてドープすることができる（コア領域４００の中央部分にのみドープすることを含めて）。

図１５は、本発明による高アスペクト比コア光ファイバの製作で利用することができるさらなる別の配置を示す。この場合、「クラムシェル」構造体５００は、第１の半分５１０および第２の半分５２０として示された２つの部分からなる配置として構成されるように示される。この場合のクラムシェル構造体５００は、高アスペクト比光ファイバのクラッド領域として使用され、それゆえに、この機能に適切な屈折率を有する第１の組成物から形成される。

ニアネット長方形のコア領域５３０は、第１の半分５１０の中央長手方向領域５１１に沿って配置され、１対のロッド５４０、５４５は、第１の半分５１０の半円形領域５１２、５１３に配置されるように示される。本発明によれば、半円形開口５１２、５１３は、ロッド５４０、５４５がコア領域５３０に物理的に接触し、所望のバーベル構成を造り出すことになるように中央領域５１１の両方の端部末端に当接するように形成される。

これらの要素が位置づけられた後、クラムシェル配置５００の第２の半分５２０がバーベル構成をすっぽり包むように上方に配置され、ここで、第２の半分５２０は同じ中央領域および半円形領域を含む。再び、特定のこの方法は、単に例示であると考えられる。追加として、クラムシェル配置５００の特定の構造が扁平の外側プロファイルを呈するように示されており、扁平の外側プロファイルは、上述で論じたように、使用中に高アスペクト比ファイバを巻き付けるかまたはさもなければ曲げる必要があるいくつかの状況で要望される。

本発明の好ましい実施形態に適用される本発明の基本的に新規な特徴を示し、説明し、指摘したが、例証した方法およびシステムの形態および詳細において、ならびにその動作において、様々な省略、置換、および変更が、本発明の趣旨から逸脱することなく当業者によってなされうることを理解されよう。それゆえに、本発明は、本明細書に添付した特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることが意図される。

Claims (31)

1. 高アスペクト比コア光ファイバ・プリフォームを製作する方法であって、
   広い遅軸寸法および狭い速軸方向をもつ細長い断面を有する、第１の組成のニアネット長方形コア領域を形成することと、
   第２の組成を有する１対のニアネット・シェイプ・クラッド要素を形成することと、
   前記コア領域の各遅軸縁部に隣接して前記対のニアネット・シェイプ・クラッド要素を配置して、１対の縁部クラッド領域を形成することであり、組合せがバーベル構成を示す、形成することと、
   前記ニアネット長方形コア領域と前記対のニアネット・シェイプ・クラッド要素との前記組合せを第３の組成の外側クラッドで囲むことと
   を含む、方法。
2. 前記第２の組成が前記第１の組成と異なる、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の組成が前記第１の組成と同じであり、それにより、半導波高アスペクト比コア光ファイバ・プリフォームを形成する、請求項１に記載の方法。
4. 前記対のニアネット・シェイプ・クラッド要素の少なくとも一方が固体ロッドを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記対のニアネット・シェイプ・クラッド要素の少なくとも一方がロッドのアレイを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記ニアネット・シェイプのうちの１つまたは複数が、ゾル−ゲル処理、外付け気相成長（ＯＶＤ）、内付け気相成長（ＩＶＤ）、気相軸付け（ＶＡＤ）、平面スート堆積（ＰＳＤ）、およびそれらの組合せを含む処理技法のうちの１つまたは複数によって形成される、請求項１に記載の方法。
7. 前記ニアネット・シェイプのうちの１つまたは複数の組成が、ゾル−ゲル・ドーピング、分子スタッフィング、溶液ドーピング、および気相ドーピングのうちの１つまたは複数を含むドーピング・プロセスにより達成されうる、請求項１に記載の方法。
8. 高アスペクト比コア光ファイバ・プリフォームを製作する方法であって、
   外側型枠を用意することと、
   内側型枠を前記外側型枠の開口内に挿入することであり、前記内側型枠が、広い遅軸寸法および狭い速軸方向もつ細長い断面を有するニアネット長方形を、前記ニアネット長方形の各速軸縁部に隣接する１対のニアネット・シェイプとともに含むバーベル構成を示す、挿入することと、
   前記外側型枠と前記内側型枠との間の開口区域に第１の組成のクラッド材料を置くことと、
   前記内側型枠を取り除くことと、
   広い遅軸寸法および狭い速軸方向をもつ細長い断面を有する、第２の組成のニアネット長方形コア領域を、前記内側型枠を取り除くことによって造り出された前記開口に挿入することと、
   前記ニアネット長方形コア領域の前記遅軸縁部の対向した端部末端において、第３の組成を有する１対のニアネット・シェイプ要素を挿入し、１対の縁部クラッド領域を形成することと
   を含む、方法。
9. １対のニアネット・シェイプ要素を挿入する前記ステップが、１対のロッドを挿入するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記対のロッドが、円形、楕円形、および長方形からなる群から選択された断面形状を示す、請求項９に記載の方法。
11. １対のニアネット・シェイプ要素を挿入する前記ステップが、
    前記クラッド材料と前記ニアネット長方形コア領域との間の開口区域に多孔質ガラスを配置することと、
    前記多孔質ガラスを圧密化して、１対の縁部クラッド領域を形成することと
    からなる、請求項８に記載の方法。
12. １対のニアネット・シェイプ要素を挿入する前記ステップが、
    前記クラッド材料と前記ニアネット長方形コア領域との間の開口区域にシリカ粒状体を配置することと、
    前記シリカ粒状体を圧密化して、１対の縁部クラッド領域を形成することと
    からなる、請求項８に記載の方法。
13. 広い遅軸寸法および狭い速軸寸法をもつ細長い断面を有する高アスペクト比コア領域であり、前記コア領域が、高さに対する幅のアスペクト比を定義する幅および高さを含む断面において実質的に長方形を有し、前記コア領域が少なくとも１０：１のアスペクト比を有し、前記コア領域が第１の屈折率を有する、高アスペクト比コア領域と、
    前記コア領域に接触して位置づけられ、前記コア領域を挟む内側クラッド領域であり、前記内側クラッドが前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する、内側クラッド領域と、
    第１の縁部クラッド領域および第２の縁部クラッド領域であり、前記第１の縁部クラッド領域が前記コア領域の第１の遅軸縁部領域に隣接して位置づけられ、前記第２の縁部クラッド領域が前記コア領域の第２の遅軸縁部領域に隣接して位置づけられる、第１の縁部クラッド領域および第２の縁部クラッド領域と
    を備えるバーベル構造光ファイバ。
14. 前記平面コアの望ましくない高次遅軸モードからのいかなる光パワーも前記コアから遠くに漏洩させ、一方、最低次モードのパワーが被る漏洩損失がごくわずかであるように、前記第１および第２の縁部クラッド領域が前記コア遅軸縁部領域の屈折率と実質的に一致する屈折率を有する、請求項１３に記載のファイバ。
15. 前記第１および第２の縁部クラッド領域が、前記コアの前記遅軸縁部で非導波を実現する屈折率を有する、請求項１３に記載のファイバ。
16. 前記第１および第２の縁部クラッド領域が、前記コアの前記遅軸縁部で導波を実現する屈折率を有する、請求項１３に記載のファイバ。
17. 外側クラッド領域が前記内側クラッドを囲むように配列され、前記外側クラッド領域が第３の屈折率を有し、前記第３の屈折率が前記第２の屈折率よりも低い、請求項１３に記載のファイバ。
18. 前記コアが前記速軸方向において単一横モードのみをサポートするように前記コア速軸寸法およびＮＡが選択される、請求項１３に記載のファイバ。
19. 前記コアが前記速軸方向において多数のモードをサポートするように前記コア速軸寸法および前記ＮＡが選択される、請求項１３に記載のファイバ。
20. 前記縁部クラッド領域がロッドを含む、請求項１３に記載の光ファイバ。
21. 前記ロッドが実質的に円形の断面を有する、請求項２０に記載の光ファイバ。
22. 前記第１または第２の縁部クラッド領域の少なくとも一方が複数のロッドを含む、請求項１３に記載のバーベル光ファイバ。
23. 前記ロッドが、前記コア領域の高さ以上の直径を有する、請求項２０に記載の光ファイバ。
24. 前記ロッドの軸が、前記コアの中央面に対して変位される、請求項２０に記載の光ファイバ。
25. 前記コアが、前記遅軸方向でのグレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとして機能する断面形状を有する、請求項１３に記載の光ファイバ。
26. 前記コアの第１の屈折率は、前記コアが前記遅軸方向での負のグレーデッド屈折率（ＧＲＩＮ）レンズとして機能するように、前記コア中心で最小値および前記遅軸縁部で最大値をもつ前記遅軸方向の空間プロファイルを有する、請求項１３に記載の光ファイバ。
27. 前記コアが、第１の光波長で利得を与える活性レーザ・イオンでドープされる、請求項１３に記載の光ファイバ。
28. 活性レーザ・イオン濃度が、前記コア中心で最大濃度ならびに前記第１および第２の遅軸コア縁部で実質的により低い濃度をもつ前記遅軸方向の空間プロファイルを有する、請求項２７に記載の光ファイバ。
29. 前記活性レーザ・イオン濃度が、前記第１および第２の遅軸コア縁部で実質的にゼロである、請求項２８に記載の光ファイバ。
30. 前記縁部クラッド領域が、前記第１の光波長で吸収性であるイオンでドープされる、請求項２７に記載のファイバ。
31. 前記活性イオンがＹｂであり、前記縁部クラッド領域にドープされる吸収材がＳｍまたはＤｙである、請求項３０に記載の光ファイバ。