JP2016031536A - 偏光保持（ｐｍ）ダブルクラッド（ｄｃ）光ファイバー - Google Patents

Abstract

【課題】高電力の光学システムにおいて有害な影響を軽減できる偏光保持（ＰＭ）ダブルクラッド（ＤＣ）光ファイバーを提供する。【解決手段】ダブルクラッド（ＤＣ）偏光保持（ＰＭ）光ファイバーは、コアと、内側クラッディングと、外側クラッディングと、応力ロッドとを備える。コアはコア屈折率ｎｃｏｒｅを有する。内側クラッディングはコアの径方向外側に位置し、ｎｃｏｒｅ未満である内側クラッディング屈折率ｎ１を有する。応力ロッドは内側クラッディング内に位置し、各応力ロッドは、実質的にｎ１に一致する応力ロッド屈折率ｎ２を有する。外側クラッディングは、内側クラッディングの径方向外側に位置する。外側クラッディングは、ｎ１未満である外側クラッディング屈折率ｎｏｕｔを有する。【選択図】図３

Description

本開示は包括的には光学に関し、より詳細には、ファイバー光学に関する。

光増幅器及びレーザーは光ファイバーを利用しており、光ファイバー内では、ポンプ光が内側クラッディング内を導光される間に、信号がコア内を導光される。低電力及び高電力において同様の導波原理が適用されるが、高電力の応用形態は、高い電力レベルに関連する幾つかの異なる問題を経験する。したがって、高電力の光学システムにおいて有害な影響を軽減するための努力が引き続き行われている。

偏光保持（ＰＭ）ダブルクラッド（ＤＣ）光ファイバーが開示される。ＰＭ−ＤＣファイバーは、コアと、内側クラッディングと、外側クラッディングと、応力ロッドとを備える。コアはコア屈折率（ｎ_ｃｏｒｅ）を有する。内側クラッディングはコアの径方向外側に位置し、ｎ_ｃｏｒｅ未満である内側クラッディング屈折率（ｎ_１）を有する。応力ロッドは内側クラッディング内に位置し、各応力ロッドは、実質的にｎ_１に一致する応力ロッド屈折率（ｎ_２）を有する。外側クラッディングは、内側クラッディングの径方向外側に位置する。外側クラッディングは、ｎ_１未満である外側クラッディング屈折率（ｎ_ｏｕｔ）を有する。

他のシステム、デバイス、方法、特徴及び利点は、添付の図面及び詳細な説明を精査すると当業者には明らかになるであろう。全てのそのような更なるシステム、方法、特徴及び利点は本説明の範囲に含まれており、本開示の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることを意図している。

添付の図面を参照することによって、本発明の数多くの態様をより深く理解することができる。図中の構成要素は必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに、本開示の原理を明確に例示することに重点が置かれている。さらに、図面では、幾つかの図を通して、同じ参照番号が対応する部品を指示する。

応力ロッド屈折率が内側クラッディング屈折率より著しく小さい場合の光の軌道を示す図である。 応力ロッド屈折率が内側クラッディング屈折率より著しく大きい場合の光の軌道を示す図である。 応力ロッド屈折率が内側クラッディング屈折率と実質的に等しい場合の一実施形態における光の軌道を示す図である。 ポンプコンバイナーに結合されるダブルクラッド（ＤＣ）偏光保持（ＰＭ）光ファイバーの一実施形態を示す図である。 ポンプコンバイナーに結合されるＰＭ−ＤＣファイバーの別の実施形態を示す図である。

光増幅器及びレーザーはダブルクラッド（ＤＣ）光ファイバーを利用しており、ダブルクラッド（ＤＣ）光ファイバー内では、ポンプ光が内側クラッディング内を導光される間に、信号がコア内を導光される。従来は、内側クラッディング屈折率（ｎ_１）はコア屈折率（ｎ_ｃｏｒｅ）より小さく、それにより、既知の屈折機構を通して、信号光をコアに閉じ込める。同様に、外側クラッディング屈折率（ｎ_ｏｕｔ）はｎ_１より小さく、それにより、ポンプ光を内側クラッディングに閉じ込める。

場合によっては、これらのＤＣ光ファイバーは偏光保持（ＰＭ）ファイバーであり、内側クラッディング内に、かつコアをまたいで位置する応力ロッドを組み込む。これらの応力ロッドは、ｎ_１とは異なる応力ロッド屈折率（ｎ_２）を有し、ｎ_２とｎ_１との間の不一致の結果として、内側クラッディングと応力ロッドとの間の境界において光の屈折が生じる。

応力ロッドがコアのあまりにも近くに位置すると、信号のモードフィールド形状を変更する可能性があるので、従来の光ファイバーでは、これらの応力ロッドは多くの場合に導光される信号の特性を変更し、歪ませる。しかしながら、このタイプの歪みはこれまで、従来のＰＭ−ＤＣファイバーでは問題ではなく、したがって、従来のＰＭ−ＤＣファイバーにとって、ｎ_２とｎ_１との間の不一致はこれまで、設計上の重要な検討事項ではなかった。

より高い電力のシステムを開発する場合、内側クラッディングと応力ロッドとの間の屈折率の不一致は問題になる。低電力及び高電力において同様の導波原理が適用されるが、より高いレベルにおける応用形態は、より低いレベルでは存在しない幾つかの異なる問題を経験する。例えば、高電力システムでは、熱（及び他の電力関連の影響）の蓄積が重大な問題になる。結果として、ｎ_１とｎ_２との間の屈折率不一致（低電力システムの場合の従来のＰＭ−ＤＣファイバーの設計では十分に対処されてこなかった）は、高電力光学システムにおいて制限要因になる。これを考慮して、これらの高電力関連問題を軽減する１つの手法は、ＰＭ−ＤＣファイバーにおいてｎ_２をｎ_１に（完全ではないが）実質的に一致させることによる。ｎ_２をｎ_１と実質的に一致させることにより、ポンプ損が減少し、不要な発熱が抑制される。

この包括的な概説を考慮に入れて、ここで、図面において例示されるような実施形態の説明が詳細に参照される。幾つかの実施形態がこれらの図面との関連で説明されるが、本開示を、本明細書において開示される１つ又は複数の実施形態に限定することは意図していない。それどころか、全ての代替形態、変更形態及び等価形態を含むことを意図している。

図１は、応力ロッド屈折率（ｎ_２）が内側クラッディング屈折率（ｎ_１）より著しく小さい場合の光の軌道を示す図である。図１に示されるように、ＰＭファイバーが、屈折率一致内側クラッディングを有する非ＰＭファイバーにスプライスされ、スプライス１５の結果として、ＰＭファイバーと非ＰＭファイバーとの間に界面が生じ、それにより、界面の屈折率に任意の不一致がある結果としてスネルの法則に従って光が屈折することになる。

図１には２つの屈折の例が示される。ただし、ｎ_２＜ｎ_１である。第１の例では、到来するポンプ光線１が側方からθの角度で応力ロッド上に入射する。ｎ_２＜ｎ_１であるので、光線１は、小さい角度αに屈折することになる。応力ロッドは通常円筒形であり、それゆえ、図１において表される角度は、界面（境界）に対して垂直に測定されることに留意されたい。それゆえ、光線１の方位角も変更されることになるが、例示のために、界面に対して垂直な光線１の挙動のみを考慮すれば十分である。これを考慮して、光線１が応力ロッドと内側クラッディングとの間の境界に達するとき、屈折率の違いによって、再び、光線１が元の伝搬角θに屈折する。光線１は内側クラッディング内で、もともとθで導光されたので、光線１は引き続き内側クラッディングに閉じ込められる。

第２の例では、到来するポンプ光線２が、スプライス１５から生じる界面において、θの角度で応力ロッドに入射する。今度は、光線２は、応力ロッドに入ると、大きな角度に屈折することになる。光線２は応力ロッドと内側クラッディングとの間の上側界面に達するとき、屈折率不一致が、元の伝搬角θより著しく大きい角度で応力ロッドから離れるように光線２を更に屈折させる。伝搬角の増加がＰＭ−ＤＣファイバーの開口数（ＮＡ）を超える場合には、光線２（もともと、内側クラッディング内をθで導光された）は、内側クラッディングにもはや閉じ込められず、脱出し、それにより、破壊的発熱のような望ましくない影響を引き起こす。応力ロッドに入るポンプ光が、全ポンプ光の約２０％まで、更には約３０％までを占める可能性がある限り、非ＰＭファイバーを、非常に屈折率が小さい応力ロッドを有するＰＭファイバーにスプライスすることは望ましくない。

逆に、非ＰＭファイバーを、非常に屈折率が高い応力ロッド（アルミニウムドープシリカ応力ロッド等）を有するＰＭファイバーにスプライスすることも望ましくない。一例として、図２は、内側クラッディング屈折率（ｎ_１）より著しく大きい応力ロッド屈折率（ｎ_２）の場合の光軌道の２つの例を示す。

第１の例は、側方から角度θで応力ロッドに入射する到来するポンプ光線１を示す。ｎ_２＞ｎ_１であるので、光線１は、より大きな角度に屈折することになる。光線１が応力ロッドと内側クラッディングとの間の境界に達するとき、屈折率の違いによって、再び、光線１は元の伝搬角θに屈折する。光線１はもともと、内側クラッディング内をθで導光されたので、光線１は引き続き内側クラッディングに閉じ込められる。

逆に、第２の例に示されるように、到来するポンプ光線２が、スプライス１５の界面において角度θにおいて応力ロッドに入射するとき、光線２は、応力ロッドに入ると小さな角度に屈折することになる。その角度が十分に小さい場合には、光線が応力ロッドと内側クラッディングとの間の上側境界において反射されるとき、光線２は閉じ込められる。したがって、閉じ込められた光線２はもはや利得ドーパントと相互作用しないので、結果として効率が低下する。したがって、非ＰＭファイバーを、非常に屈折率が高い応力ロッドを有するＰＭファイバーにスプライスするのも望ましくない。

図１及び図２の例では、低い屈折率の応力ロッドによってファイバーから散乱するか（図１）、又は応力ロッド内に捕らえられて無駄にされる（図２）ポンプ光の量は、光線光学を用いて計算することができる。例えば、応力ロッドの断面積はＰＭ−ＤＣファイバーの全断面積の約２０％〜３０％であり、ポンプ光は通常、内側クラッディングの全導光路のＮＡ（約０．４５〜約０．４８）を均一に満たす。したがって、閉じ込められたポンプ光又は散乱したポンプに起因する損失は、断面積と、内側クラッディングＮＡとの関数として推定することができる。当業者はこれらの計算方法に精通しているので、その方法を更に説明するのは省略する。

図１及び図２の問題を軽減するために、図３に示されるように、応力ロッド屈折率（ｎ_２）を内側クラッディング屈折率（ｎ_１）に実質的に一致させることができる。例えば、Ｂ_２Ｏ_３−ＧｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５及び／又はＰ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３のような、既知の材料を応力ロッドにドープすることによって、２つの屈折率を一致させることができる。スネルの法則によれば、屈折の程度は屈折率間の不一致の程度に比例するので、ｎ_２≒ｎ_１であるとき、界面における屈折は最小である。完全に一致すれば、全く屈折は起こらない。

屈折率を完全に一致させるのが最適であるように思われる場合があるが、実際には、わずかな屈折率の不一致が望ましい。これは、わずかな屈折率の不一致がＰＭ−ＤＣファイバーの偏光軸を検出するための方法を提供するためである。例えば、幾つかの市販の融着スプライサーは、側方からＰＭ−ＤＣファイバーを照明し、光がＰＭ−ＤＣファイバーを横断するのに応じて光の強度を監視することによって、応力ロッドの向きを検出する。強度パターンが対称に見えるまで、ＰＭ−ＤＣファイバーを回転させる。理解できるように、応力ロッドと内側クラッディングとの間に完全な屈折率の一致がある場合には、これらのタイプの方法を用いて、ファイバーの幾何学的配置を検出することはできないことになる。その結果、わずかな程度の屈折率の違い（例えば、約０．００１と約０．００３との間）が望ましい場合がある。実際には、屈折率の不一致の程度は、融着スプライサー及び検出アルゴリズムのタイプによって決まる。したがって、幾つかの実施形態の場合、０．００１程度の低い屈折率の不一致を有することが好ましく、一方、他の実施形態の場合、０．００３よりわずかに大きい屈折率の不一致を有することが好ましい。ｎ_２がｎ_１に実質的に一致し（完全には一致しない）、望ましい不一致の程度は、（ａ）ポンプ効率を最大化すること（例えば、脱出するポンプ光を低減すること、閉じ込められるポンプ光を低減すること）、及び（ｂ）偏光の検出可能性（例えば、依然として応力ロッドを光学的に検出できるようにする最小の屈折率の不一致）の両方によって決まることは、当業者は理解されよう。

幾つかの好ましい実施形態では、ＰＭ−ＤＣファイバーは、コアと、内側クラッディングと、外側クラッディングと、応力ロッドとを備える。コアはコア屈折率（ｎ_ｃｏｒｅ）を有する。内側クラッディングはコアの径方向外側に位置し、ｎ_ｃｏｒｅ未満である内側クラッディング屈折率（ｎ_１）を有する。応力ロッドは内側クラッディング内に位置し、各応力ロッドは、実質的にｎ_１に一致する応力ロッド屈折率（ｎ_２）を有する。外側クラッディングは、内側クラッディングの径方向外側に位置する。外側クラッディングは、ｎ_１未満である外側クラッディング屈折率（ｎ_ｏｕｔ）を有する。幾つかの実施形態の場合に、応力ロッドは、パンダ構成（panda configuration）を示す。他の実施形態の場合、応力ロッドは、ボータイ構成（bow-tie configuration）を示す。他の実施形態の場合、応力誘発領域は、コアの径方向外側に位置する楕円形領域として構成することができる。特定の構成にかかわらず、ｎ_２はｎ_１に（完全ではなく）実質的に一致する。

図４はレーザーの一実施形態を示す図であり、一方、図５は増幅器の一実施形態を示す図である。図４及び図５のいずれにおいても、光システムは、ポンプコンバイナー６に光学的に結合されるＰＭ−ＤＣファイバー１０を備える。

図４の実施形態では、ＰＭ−ＤＣファイバー１０の入力端にある高反射性回折格子８と、ＰＭ−ＤＣファイバー１０の出力側にある部分反射性出力結合回折格子９との間にレーザー共振器（lasing cavity）が作製される。ポンプ光４がポンプダイオード（図示せず）を通してマルチポートポンプコンバイナー６に導入される。ポンプコンバイナー６は、複数の入力からのポンプ光を統合し、統合されたポンプ光をＰＭ−ＤＣファイバー１０の内側クラッディング７の中に導入する。

図５の実施形態では、入力信号が入力ファイバー１７を通して導入される。入力ファイバー１７がＰＭ−ＤＣファイバー１０にスプライスされ、ＰＭ−ＤＣファイバーが更に出力ファイバー１４にスプライスされる。出力ファイバー１４は、増幅された信号１６を出力する。図４のレーザーと同様に、図５の増幅器は、ポンプ光をＰＭ−ＤＣファイバー１０の内側クラッディングに導入するポンプコンバイナー６を備える。

図４及び図５の実施形態では、ポンプ光４のうちのある量は、スプライス１５によって形成される界面において応力ロッド５の垂直前縁部に入射することになる。図１〜図３を参照しながら説明されたように、その入射光はスネルの法則に従って屈折する。さらに、ポンプ光４がＰＭ−ＤＣファイバー１０を通って伝搬するにつれて、ポンプ光４は内側クラッディング７及び応力ロッド５の両方を横断する。多くの場合に、応力ロッド５は、応力ロッド５とシリカ内側クラッディング７との間の熱膨張係数に大きな不一致を与える高濃度のホウ素（約２０Ｍ％）を有する。この結果として、応力ロッド５と内側クラッディング７との間に著しい屈折率の不一致（屈折率差異、屈折率差、又は｜Δｎ｜とも表される）が生じ、例えば、｜Δｎ｜＝｜（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）／（２ｎ_１ ^２）｜≒０．００８又はＮＡ≒０．１５であり、その結果として、図１及び図２を参照しながら説明されたように、許容できないポンプ損及び発熱が生じる。クラッディング（ｎ_１）及び応力ロッド（ｎ_２）の屈折率を実質的に一致させることにより、ポンプ損を削減し、不要な発熱を抑制することによって、これらの高電力関連問題が軽減される。

例示的な実施形態が図示及び説明されてきたが、説明されたような開示に対して幾つかの変更、修正及び改変が加えられる場合があることは当業者には明らかであろう。それゆえ、全てのそのような変更、修正及び改変は本開示の範囲内にあると見なされるべきである。

Claims (12)

1. ダブルクラッド（ＤＣ）偏光保持（ＰＭ）光ファイバーであって、
   コア屈折率（ｎ_ｃｏｒｅ）を有するコアと、
   前記コアに対して径方向外側に位置する内側クラッディングであって、該内側クラッディングは内側クラッディング屈折率（ｎ_１）を有し、ｎ_１はｎ_ｃｏｒｅより小さい、内側クラッディングと、
   前記内側クラッディング内に位置する応力領域であって、該応力領域は応力領域屈折率（ｎ_２）を有し、ｎ_２はｎ_１に実質的に一致する、応力領域と、
   前記内側クラッディングに対して径方向外側に位置する外側クラッディングであって、該外側クラッディングは外側クラッディング屈折率（ｎ_ｏｕｔ）を有し、ｎ_ｏｕｔはｎ_１より小さい、外側クラッディングと、
   を備える、ダブルクラッド（ＤＣ）偏光保持（ＰＭ）光ファイバー。
2. 前記応力領域は、ボータイ構成を示す応力ロッドである、請求項１に記載の光ファイバー。
3. 前記応力領域は、パンダ構成を示すロッドである、請求項１に記載の光ファイバー。
4. 前記応力領域は、前記コアの径方向外側に位置する楕円形領域である、請求項１に記載の光ファイバー。
5. ｎ_１とｎ_２との間の差は、約０．００３よりわずかに大きい、請求項１に記載の光ファイバー。
6. ｎ_１とｎ_２との間の差は、約０．００１〜約０．００３である、請求項１に記載の光ファイバー。
7. 光学システムであって、
   内側クラッディング屈折率（ｎ_１）を有する内側クラッディングを備えるダブルクラッド（ＤＣ）偏光保持（ＰＭ）光ファイバーであって、該ＰＭ−ＤＣファイバーは、前記内側クラッディング内に位置する応力領域を更に備え、該応力領域は応力領域屈折率（ｎ_２）を有し、ｎ_２はｎ_１に実質的に一致する、ダブルクラッド（ＤＣ）偏光保持（ＰＭ）光ファイバーと、
   信号を導入するための入力ファイバーであって、前記ＰＭ−ＤＣファイバーとコアが一致するようにスプライスされる、入力ファイバーと、
   ポンプ光を導入するためのポンプコンバイナーであって、前記ＰＭ−ＤＣファイバーに光学的にスプライスされる、ポンプコンバイナーと、
   を備える、光学システム。
8. 前記応力領域は、ボータイ構成を示す応力ロッドである、請求項７に記載のシステム。
9. 前記応力領域は、パンダ構成を示す応力ロッドである、請求項７に記載のシステム。
10. 前記応力領域は、前記コアの径方向外側に位置する楕円形領域である、請求項７に記載のシステム。
11. ｎ_１とｎ_２との間の差は、約０．００３よりわずかに大きい、請求項７に記載のシステム。
12. ｎ_１とｎ_２との間の差は、約０．００１〜約０．００３である、請求項７に記載のシステム。