JP2018533042A

JP2018533042A - 中空コア・ファイバおよびその製造方法

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Publication number: JP2018533042A
Application number: JP2018510890A
Authority: JP
Inventors: ラッセル，フィリップ; ユーベル，パトリック; エノクフロッツ，ミヒャエル
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2018-11-08
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Abstract

非バンドギャップ型中空コアファイバ(HCF100)は、ＨＣＦ(100)に沿って軸方向に伸び最小横コア寸法(D)を有し、横基本コアモードと横高次コアモードを導くよう適合化された中空コア領域(10)と、ＨＣＦ(100)に沿ってコア領域(10)を囲む反共振要素(ARE)(21,21A,21B)の配置を含む内側クラッド領域(20)とを含む。各ＡＲＥが最小横ＡＲＥ寸法(d_i)を有し横ＡＲＥモードを導くよう適合化される。コア領域(10)とＡＲＥは、高次コアモードとＡＲＥモードの位相整合を形成するよう構成される。ＡＲＥ寸法(d_i)とコア寸法(D)は、ＡＲＥ寸法とコア寸法の比(d_i/D)が各第１種ベッセル関数の各零点の商(u_lm,ARE/u_lm,core)に0.9〜1.5の適合係数を乗じた値に近似するように選択される。ｍは次数１の第１種ベッセル関数のｍ番の零点であり、各ベッセル関数の各零点はＬＰ_ｌｍＡＲＥモードとＬＰ_ｌｍ高次コアモードを記述する。ＨＣＦを含む光装置と中空コア製造方法も説明される。
【選択図】図１

Description

本発明は、非バンドギャップ型の中空コア・ファイバ（hollow-core fibre）（ＨＣＦ、または中空コア・フォトニック結晶ファイバ（hollow-core photonic crystal fiber）：ＨＣ−ＰＣＦ）（または中空コア反共振反射ファイバ（hollow-core anti-resonant-reflecting fiber）：ＨＣ−ＡＦ）に関し、特に、軸方向の中空コア領域と、そのコア領域を取り囲む複数の反共振要素（anti-resonant elements）（ＡＲＥｓ）の配置または配列を含む内側クラッド領域と、を有する非バンドギャップ型の中空コア・ファイバ（または中空コア反共振反射ファイバ）に関する。さらに、本発明は、少なくとも１つのＨＣ−ＡＦを含む光デバイス、および非バンドギャップ型のＨＣＦを製造する方法に関する。

本発明の適用例は、データ伝送、特に低遅延データ伝送、高パワー（出力）ビーム供給システム、特に材料処理用のもの、モード・フィルタリング（濾波）、気体系非線形光学、特に紫外線乃至赤外線のスーパーコンティニウム（ＳＣ）発生または超短パルスの生成、ファイバ・ジャイロスコープまたは化学センシングの各分野において利用可能である。

本明細書において、導光ファイバの技術的背景、特にバンドギャップ型または非バンドギャップ型のＨＣＦの技術的背景、を示す以下の従来技術が参照される。
［１］T.A. Birks et al., “Optics Letters” 1997. 22(13): p.961-963、
［２］N. A. Mortensen et al., “Optics Letters” 2003. 28(20): p.1879-1881、
［３］米国特許出願公開第２０１５／０１０４１３１号、
［４］P. J. Roberts et al., “Optics Express” 2005. 13(1): p.236-244、
［５］J. K. Lyngso et al., “22nd International Conference on Optical Fiber Sensors” Pts 1-3, 2012. 8421、
［６］J. M. Fini et al., “Nature Communications” 2014. 5: article number 5085、
［７］F. Couny et al., “Optics Letters” 2006. 31(24): p.3574-3576、
［８］B. Debord et al., “Optics Letters” 2014. 39(21): p.6245-6248、
［９］W. Belardi et al., “Optics Express” 2014. 22(8): p.10091-10096、
［１０］W. Belardi et al., “arXiv:1501.00586v2” 2015: p.[physics.optics]、
［１１］P. Jaworski et al., “Optics Express” 2015. 23(7): p.8498-8506、
［１２］A. Hartung et al., “Optics Express” 2014. 22(16)、
［１３］Benabid, A.F., et al., Hollow-core photonic crystal fibre, in US patent 8306379 B2, GLOphotonics SAS、
［１４］F. Poletti, “Optics Express” 2014. 22(20): p.23807-23828、
［１５］T. G. Euser et al., “Optics Express” 2008. 16(22): p. 17972-17981、
［１６］E. A. J. Marcatili et al., “Bell Systems Technical Journal” 1964. 43: p.1783-1809、
［１７］J. M. Fini et al., “Optics Express” 2013. 21(5): p.6233-6242、
［１８］C. Wei et al., “Optics Express” 2015. 23: p.15824、
［１９］A. Hartung et al., “Optics Letters” 2015. 40(14): p.3432。

米国特許出願公開第２０１５／０１０４１３１号米国特許第８３０６３７９号

T.A. Birks et al., "Optics Letters" 1997. 22(13): p.961-963 N. A. Mortensen et al., "Optics Letters" 2003. 28(20): p.1879-1881 P. J. Roberts et al., "Optics Express" 2005. 13(1): p.236-244 J. K. Lyngso et al., "22nd International Conference on Optical Fiber Sensors" Pts 1-3, 2012. 8421 J. M. Fini et al., "Nature Communications" 2014. 5: article number 5085 F. Couny et al., "Optics Letters" 2006. 31(24): p.3574-3576 B. Debord et al., "Optics Letters" 2014. 39(21): p.6245-6248 W. Belardi et al., "Optics Express" 2014. 22(8): p.10091-10096 W. Belardi et al., "arXiv:1501.00586v2" 2015: p.[physics.optics] P. Jaworski et al., "Optics Express" 2015. 23(7): p.8498-8506 A. Hartung et al., "Optics Express" 2014. 22(16) F. Poletti, "Optics Express" 2014. 22(20): p.23807-23828 T. G. Euser et al., "Optics Express" 2008. 16(22): p.17972-17981 E. A. J. Marcatili et al., "Bell Systems Technical Journal" 1964. 43: p.1783-1809 J. M. Fini et al., "Optics Express" 2013. 21(5): p.6233-6242 C. Wei et al., "Optics Express" 2015. 23: p.15824 A. Hartung et al., "Optics Letters" 2015. 40(14): p.3432

中実（ソリッド）コア・ファイバは、一般的に知られており、例えばデータ通信の適用例において、広く使用されている。中実コア・ファイバは、例えば石英ガラスのようなファイバ材料の広帯域伝送の領域において、低損失シングル（単一）モード伝送用に設計することができる。中実コア・フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）では、図７Ａ（従来技術）に示すように、中実コア（芯材）を包囲するクラッド構造を工学的に設計することによって、所謂エンドレス・シングル・モード導光（誘導）（endlessly single-mode guidance）（ＥＳＭ、即ち、全ての高次のモード（higher order modes）：ＨＯＭ（HOMs）が漏洩的（漏光性）であり、一方、基本ＬＰ_０１モードは完全に閉じ込められる）が達成されていて、クラッド構造の複数のチャネルの直径ｄおよびそれらの中心−中心間隔（ピッチ）Λは幾何学的条件ｄ／Λ＜０．４１を満たすようになっている（文献［１、２］）。しかし、固体ファイバ材料中での導光に起因して、データ伝送における遅延の増大、新しい光周波数を生じさせる非線形光学効果（optically non-linear effects）、および相対的に低い損傷閾値の点で、欠点が存在する。

中空コア・フォトニック結晶ファイバ、ＨＣ−ＰＣＦは、真空化（排気）され（真空コア）または気体が充填されまたは液体が充填された非中実コア領域において光を導波する能力によって、中実コア・ファイバと比較して固有の利点を有し、その結果として、例えば、低遅延データ伝送、高パワー・ビーム供給、気体系非線形光学、超低非線形性での導光、および化学的センシングのような応用分野が得られる。ＨＣ−ＰＣＦ類は、典型的には、物理的導波（誘導）機構に応じて、２つのクラス：中空コア・フォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＨＣ−ＰＢＦｓ）および中空コア反共振反射ファイバ（ＨＣ−ＡＦｓ）、に分類される。

図７Ｂ〜７Ｉ（従来技術）は、異なるタイプ（種類）の通常の複数のＨＣ−ＰＣＦの走査電子顕微鏡写真の選集を示している。図７Ｂおよび７Ｃは、クラッドにおけるフォトニック・バンドギャップによって中心中空コア内に複数のモードを閉じ込める複数のＨＣ−ＰＢＦを示している［文献４〜６］。これらのタイプのＰＣＦは、典型的には、遠隔通信波長において相対的に低い損失（約２０ｄＢ／ｋｍ未満）を有する。しかし、フォトニック・バンドギャップの波長固有の効果に起因して、それらは、相対的に狭い帯域幅（約１５ＴＨｚ未満）で光を導くに過ぎない。一般的に、ＨＣ−ＰＢＦはＨＯＭを支持（下支え）するが、フィニ氏（Fini）他の文献（文献［６、３］）には、曲げたＨＣ−ＰＢＦが、クラッド内に複数の“サテライト”（satellite：周辺部）中空コアを含ませることによって実効的シングル・モードにすることができることが示されている（図７Ｂ）。これらのサテライト部は、それらに位相整合することによってコアにおけるＨＯＭを強く抑制して、それによって高いＨＯＭ損失が生じる。また、充分小さいコアが使用される場合には、ＨＣ−ＰＢＧを狭いスペクトル範囲（約７ＴＨｚ未満）で真のシングル・モードにすることができるが（図７Ｃ参照）［文献５］、この結果、製造上の困難が生じ、所望の基本モードにおいてかなりより高い損失が生じる。

また、図７Ｄ乃至７Ｉは、ＨＣ−ＡＦ構造、即ち主に反共振効果に基づく導波機構を有するファイバの選集を示している。また、図７Ｄおよび７Ｅはカゴメ（籠目）格子クラッドを有し［文献７、８、１３］、図７Ｆおよび７Ｇは、複数の単一（Ｆ）または入れ子状（nested）（Ｇ）反共振要素（ＡＲＥ）からなる１つのリングを有する。図７Ｈは、四角形コアを有するＨＣ−ＡＦを示し［文献１２］、図７Ｉは、紫外線における導波特性を有するＨＣ−ＡＦを示している［文献１９］。ＨＣ−ＰＢＦと比較すると、ＨＣ−ＡＦの損失は、閉じ込めが理想的でないので一般的により大きいが、伝送窓がより広い。

Ｆポレッティ氏（F. Poletti）によって、入れ子状ＡＲＥ相互間の半径方向の距離を工学的に設計することによって、ＨＣ−ＡＦを、限定された波長範囲で実効的シングル・モードにすることができることが数値的に示されたが［文献１４］、これは実験的には実証されていない。特に、或る中心波長および或る構造パラメータｚ／Ｒに関してだけ、モード抑制が文献［１４］で示唆された。ここで、ｚは、各ＡＲＥとＡＲＥにおける各入れ子状構造の直径差であり、Ｒは、中空コアの半径である。この理論的結果は、ＨＣ−ＡＦの一般的な設計および製造に拡張することはできない。

また、ワイ氏（Wei）他（文献［１８］）およびＡ．ハルトゥング氏（A.Hartung）他（文献［１９］）によって、ＨＯＭ抑制を増強できることが示された。これは、ＨＣ−ＡＦにおいてＡＲＥとの接触で達成されたが、全体的なＨＯＭ抑制は相対的に低かった。文献［１８］によれば、中空コアおよび複数のＡＲＥの実効屈折率に対する接触ＡＲＥの厚さｔを変化させる効果が調査された。ＨＯＭが抑制される最適な厚さが見出された。この手法の欠点として、ＨＯＭ抑制は或る波長のみについて示されたが、広い波長範囲については示されなかった。

中実コア・ファイバと比較して、通常のＨＣ−ＡＦの１つの特定の欠点は、純粋シングル・モードとなる能力がないことであり、即ち、高次モード（ＨＯＭ）が相対的に長い距離で支持（形成）されることである。その結果として、出力ビーム品質が低下し、これは、それによって、モード・ビートが生じ、焦点スポットがぼけ、ファイバが応力の変化を経た場合にパワー変動が生じるので、多くの適用例で望ましくない。通常のＨＣ−ＡＦの別の欠点は、その製造における制限によって生じ、特に、ＡＲＥを特定の方位角位置に充分安定した再現可能な形態で配置することによって生じる。

本発明の目的は、通常のＨＣ−ＡＦの欠点を解消することができる非バンドギャップ型の改良された中空コア・ファイバを実現することである。特に、ＨＣ−ＡＦでは、シングル・モード伝送の波長範囲の拡張、ＨＯＭの損失の増大、および／または最高屈折率コアＨＯＭと基本モード（例えばＬＰ_０１モード）の間の損失の比の増大が得られる。さらに、本発明の目的は、少なくとも１つのＨＣ−ＡＦを備え、特に、低損失シングル・モード導波、損傷のない高パワー光供給、および非線形光学効果の形成の目標に関して、通常の光デバイスの制限を解消（回避）する改良された光デバイス、を実現することである。さらに、本発明の目的は、改良された本発明によるＨＣ−ＡＦが得られ通常の製造方法の制限を回避する非バンドギャップ型の中空コア・ファイバを製造する改良された方法を実現することである。

発明の概要
これらの目的は、それぞれ独立請求項の特徴を含む、非バンドギャップ型の中空コア・ファイバ、光デバイス、および非バンドギャップ型の中空コア・ファイバを製造する方法、によって達成（解決）される。本発明の有利な実施形態および適用例が従属請求項に記載されている。

本発明の第１の一般的態様によれば、上述の目的は非バンドギャップ型の中空コア・ファイバによって達成（解決）され、その中空コア・ファイバは、中空コア・ファイバの長手方向の伸長（長さ）に沿って軸方向に配置された中空コア領域と、中空コア・ファイバの長さに沿ってコア領域を取り囲む複数の反共振要素（ＡＲＥ）の配置を含む内側クラッド領域とを含むものである。そのコア領域は、ＨＣ−ＡＦに結合された光場の横基本コア・モードおよび複数の横高次コア・モードを導く（導波する）よう適合化される。コア領域は、コア領域の直径方向の両側（対向位置）のＡＲＥ間の最小距離である最小横コア寸法（Ｄ）を有する。最小横コア寸法は、ＨＣ−ＡＦの長さに沿って一定であることが、好ましい。それらのＡＲＥの各々は、複数の横ＡＲＥモードを導く（導波する）よう適合化され、ｉ番目のＡＲＥは最小横ＡＲＥ寸法（ｄ_ｉ）を有する。また、最小横ＡＲＥ寸法は、ＨＣ−ＡＦの長さに沿って一定であることが、好ましい。コア領域および複数のＡＲＥは、コア領域の複数の高次コア・モードと、複数のＡＲＥの複数のＡＲＥモードとの位相整合を形成するよう構成される。換言すれば、複数の高次コア・モードと複数のＡＲＥモードは、互いに等しいまたは互いに近似するそれぞれの屈折率を有して、それによって、それらの高次コア・モードがそれらのＡＲＥモードに共振的に結合することができるよう、即ち、それらのＡＲＥモードがそれらの高次コア・モードによって励起できるようになっている。

本発明によるＨＣ−ＡＦの中空コア領域は中空コア・ファイバの内部空間によって形成され、その内部空間は空状態（empty）（排気状態）であり、または、その内部空間には、非線形光応答性を有する、気体（特に、空気、希ガスおよび水素のうちの少なくとも１つ）、液体、および／または材料、例えば上述の気体類またはリュードベリ（Rydberg）ガスのうちの少なくとも１つ、が充填される。従って、“中空コア領域”という用語は、その内部空間に固体材料を含まない任意の長手方向の導波管構造をカバーする（その範囲として含む）。コア領域は、その材料によって決定される第１の屈折率を有し、一方、そのコア・モードの屈折率（または実効屈折率）は、材料屈折率、コア領域の形状、および励起波長によって、決定される。

複数の半径方向において、コア領域は、非接触形態で配置された複数のＡＲＥによって取り囲まれる。換言すれば、内側クラッド領域は、その方位角接触（azimuthal contact）のない複数の単一ＡＲＥの配置を含んでいる。“反共振要素”、ＡＲＥ（または“チューブ”（管）または“クラッド・キャピラリ”）という用語は、中空コア領域より小さい直径を有しＨＣ−ＡＦの長さに沿って伸びる任意の中空導波要素を指す。内側クラッド領域のＡＲＥの壁厚は、コア寸法Ｄの２０％より小さい（例えば、５μｍ未満である）ことが好ましい。全てのＡＲＥは、同じ最小内部寸法を有することができ、または各ＡＲＥは異なる最小内部寸法を有することができる。コア領域を包囲する内側クラッド領域は、コア領域の第１の屈折率より高い屈折率（第２の屈折率）を有する。複数の中空ＡＲＥは、例えばコア領域のように、空状態（排気状態）であり、または、気体または液体等が充填された状態である。

コア領域を区画する（コア領域の境界を定める）偶数回または奇数回対称で配置できる、偶数個のＡＲＥ、例えば４または６つのＡＲＥ、または奇数個のＡＲＥ、例えば３または５または７つのＡＲＥが、設けられる。それらのＡＲＥは入れ子状でないＡＲＥであること、および／または、それらのＡＲＥは、ガラス、特にシリカ、プラスチック材料、特にポリマー、複合材、特にＺＢＬＡＮファイバ（繊維）複合材、金属または結晶材料で形成されることが、好ましい。それらのＡＲＥを保持するために、外側クラッド領域が設けられ、それらのＡＲＥは外側クラッド領域の内面に取り付けられることが、好ましい。

本発明によれば、複数のＡＲＥ寸法（ｄ_ｉ）の各々およびコアの寸法（Ｄ）は、ＡＲＥ寸法とコア寸法の比（ｄ_ｉ／Ｄ）が、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点（零点）の商（quotient：除算）（ｕ_{ｌｍ，ＡＲＥ}／ｕ_{ｌｍ，ｃｏｒｅ}）に０．９乃至１．５、好ましくは０．９６乃至１．２０の範囲の適合係数（fitting factor：調整係数）を乗算した値、に近似するように、選択される。ここで、ｍは、次数１の第１種ベッセル関数のｍ番目のゼロ点であり、その各ベッセル関数の各ゼロ点は、それぞれＬＰ_ｌｍＡＲＥモード（複数）およびＬＰ_ｌｍ高次コア・モード（複数）をそれぞれ記述（モデル化）する。利点として、発明者たちは、エンドレス・シングル・モード中実コアＰＣＦ用の周知のｄ／Λパラメータと同種の、唯一の無次元幾何学的パラメータ（ｄ_ｉ／Ｄ）に依存するモード・フィルタリング（濾波）効果を見出した。

発明者たちは、複数のＬＰ_ｌｍＡＲＥモードおよび複数のＬＰ_ｌｍ高次コア・モードの複数のモード屈折率が、結合された複数のキャピラリ導波路（capillary waveguides）の複数のモードに基づく解析モデルによって表すことができること、を見出した。それらのモードは、それらのモードを形成するベッセル関数のゼロ点（複数）および適合係数に依存するマルカティリ−シュメルツァー表現（Marcatili-Schmeltzer expression）によって、近似されるものである。複数のＬＰ_ｌｍＡＲＥモードと複数のＬＰ_ｌｍ高次コア・モードの位相整合、即ちそれらのモード屈折率（modal indices）の整合、が得られるのは、ＡＲＥ寸法とコアの寸法の比（ｄ_ｉ／Ｄ）が、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{ｌｍ，ＡＲＥ}／ｕ_{ｌｍ，ｃｏｒｅ}）に適合係数を乗算した値、に適合化される場合である。

その適合係数は、ＨＣ−ＡＦの複数のＬＰ_ｌｍＡＲＥモードおよび複数のＬＰ_ｌｍ高次コア・モードのベクトル有限要素（ＦＥ）モデルに、解析モデルを整合させることによって得られる１つのモデル・パラメータであることが、好ましい。特に、その適合係数は、複数のＬＰ_ｌｍ高次コア・モードのＦＥモデルに解析モデルを整合させる第１の係数と、複数のＬＰ_ｌｍＡＲＥモードのＦＥモデルに解析モデルを整合させる第２の係数とによる除算で得られ、それを以下で式（４）を参照して説明する。

“近似”（approximating）（または“適合化”（adapting））という用語は、ＡＲＥ寸法とコア寸法の比と、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商に適合係数を乗算した値との等価性（等しい場合）、または、ＡＲＥ寸法とコア寸法の比と、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商に適合係数を乗算した値との間の差（差がある場合）、を含み、これ（差）は、最高屈折率コアＨＯＭとＬＰ_０１コア・モードの間の損失（ｄＢ／ｍ）の比が、５より大（＞５）、特に１０より大（＞１０）、またはさらには２５より大（＞２５）、好ましくは５０より大（＞５０）、となるように、最小化されるものである。

利点として、発明者たちは、ＡＲＥ寸法とコア寸法の比を選択するための上述の条件で、複数のＡＲＥモードに結合するＨＯＭの広帯域拡張を、例えばその基本コア・モードの透明窓内の（最大）全波長についてまで、可能にする、ＨＣ−ＡＦ用の新しい設計パラメータを見出した。本発明によれば、コア領域および複数ＡＲＥの屈折率は、好ましくは少なくとも１０ＴＨｚをカバーするような、特に好ましくは少なくとも２０ＴＨｚをカバーするような、広い波長範囲において、互いに等しくまたは互いに近似的なものとなる。

基本モードを除く全てのモードが大幅に抑制され、その結果として、ＨＣ−ＡＦの実効シングル・モードの動作（実効的エンドレス・シングル・モードの動作（effectively endlessly single-mode behaviour）、ｅＥＳＭ）が得られる。（実効的）シングル・モードＨＣ−ＰＢＦ［文献１７］とは対照的に、提案するＨＣ−ＡＦ構造は、ｅＥＳＭ動作を行う一方で相対的に低い損失ではるかに広い帯域幅を形成する。さらに、クラッド内のガラス・キャピラリの太さが最適化されるだけの文献［１８］に記載されたＨＣ−ＡＦとは対照的に、本発明は、ＡＲＥ寸法とコア寸法の比に対する新しい設計パラメータを提供する。この新しい設計は実際の位相整合を実現し、一方、文献［１８］では位相整合が達成されなかった（文献［１８］の図２ａを参照）。相対的に狭い波長範囲に対してＨＯＭ抑制を増強させるためにバンドギャップ・クラッドにシャント（分岐）を含ませたＨＣ−ＰＢＦのＳＭ導波［文献６］とは対照的に、本発明によるＨＣ−ＡＦは、拡張された周波数範囲に対してＨＯＭ抑制を支援する。

ＡＲＥ寸法とコア寸法の比は、以下で概説するように、円形横断面を有する管（チューブ）状ＡＲＥ（ＡＲＥキャピラリ）を説明するために発明者たちによって見出されたモデルに基づいて、選択される。この場合、最小横ＡＲＥ寸法（ｄ_ｉ）は、ＡＲＥの内径である。本発明の別の利点として、選択された設計パラメータは、管状ＡＲＥに対してだけでなく、例えば楕円形またはさらには多角形の断面のような他の断面を有するＡＲＥに対しても、有効である。後者の変形例では、最小横ＡＲＥ寸法（ｄ_ｉ）は、ＡＲＥの最小内側横断寸法である。発明者たちは、複数の管状ＡＲＥに基づくモデルが、複数の非円形ＡＲＥにおけるＨＯＭ抑制のための優れた近似を依然として与えるのは、それら（非円形ＡＲＥ）が管状ＡＲＥのように近似的にモデル化できる場合であることを、見出した。

本発明の好ましい実施形態によれば、複数のＡＲＥは第１の最小横ＡＲＥ寸法（ｄ_１）を有し、第１の最小横ＡＲＥ寸法とコア寸法の比（ｄ_ｉ／Ｄ）は、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点（零点）の商（quotient）（ｕ_{０１，ＡＲＥ}／ｕ_{１１，ｃｏｒｅ}）に適合係数を乗算した値、に近似される。その各ゼロ点（ｕ_{０１，ＡＲＥ}）、（ｕ_{１１，ｃｏｒｅ}）はそれぞれＬＰ_０１ＡＲＥモード（複数）およびＬＰ_１１コア・モードを記述する。従って、コア領域の最も顕著なＨＯＭ、ＬＰ_１１コア・モードは、複数のＡＲＥモードに結合される。この実施形態では、全てのＡＲＥが、同じ最小横ＡＲＥ寸法を有することが、好ましい。一例として、全てのＡＲＥは、同じ内径を有する管状ＡＲＥである。この実施形態の特に好ましい変形例によれば、第１のＡＲＥ寸法とコア寸法の比（ｄ_１／Ｄ）は、０．５乃至０．８の範囲、好ましくは０．６０乃至０．７５の範囲、特に０．６２乃至０．７４の範囲で選択される。利点として、ＨＣ−ＡＦは、これらの範囲で形成され、伝送窓内の全ての波長において基本モードに対して低損失導波を有し、ＬＰ_１１コア・モードおよび全ての高次モードをも大幅に抑制する。

本発明の別の有利な実施形態によれば、複数のＡＲＥは、第１のＡＲＥ寸法（ｄ_１）を有する第１群のＡＲＥと、第１群のＡＲＥの第１のＡＲＥ寸法（ｄ_１）より小さい第２の最小横ＡＲＥ寸法（ｄ_２）を有する第２群のＡＲＥとを含んでいる。この実施形態では、第２のＡＲＥ寸法とコア寸法の比（ｄ_２／Ｄ）は、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{０１，ＡＲＥ}／ｕ_{２１，ｃｏｒｅ}）に適合係数を乗算した値、に近似される。その各ベッセル関数（のゼロ点）（ｕ_{０１，ＡＲＥ}）、（ｕ_{２１，ｃｏｒｅ}）は、それぞれＬＰ_０１ＡＲＥモード（複数）およびＬＰ_２１コア・モードを記述する。第１のＡＲＥ寸法を有する各ＡＲＥおよび第２のＡＲＥ寸法を有する各ＡＲＥは、ＨＣ−ＡＦの中空コア領域を取り囲む交互の形態で配置することができる。

この実施形態の特に好ましい変形によれば、第２のＡＲＥ寸法とコア寸法の比（ｄ_２／Ｄ）は、０．３乃至０．７の範囲、好ましくは０．４３乃至０．５９の範囲、特に０．４５乃至０．５４の範囲で選択される。利点として、ＨＣ−ＡＦにこれらの範囲が与えられて、そのＨＯＭの抑制がさらに改善される。

利点として、本発明によるＨＣ−ＡＦの内側クラッド領域を形成する複数のＡＲＥの配置を設計するのに、複数の変形例が利用可能である。これらの変形例は、本発明の特定の適用例に応じて代替形態としてまたは組合せで選択することができる。第１に、複数のＡＲＥの配置は、３回対称性を有することができる。代替形態として、複数のＡＲＥの配置は、２回対称性を有することができ、光学的複屈折を生じさせる。さらに、それらのＡＲＥは、それらの断面がコア領域を包囲する単一リング（環状体）上で分散配置されるように、配置することができる。代替形態として、複数のＡＲＥは、その断面が、コア領域を包囲する複数の、例えば、２つ、３つまたはそれより多くの同軸リング上で分散配置されるように、配置することができる。利点として、改善されたＨＯＭＳ抑制を有するより低い損失のＨＣ−ＡＦが、本発明のこれらの変形例で実現することができる。

複数のＡＲＥを保持するための外側クラッド領域は、ＨＣ−ＡＦに沿って伸びる中空スリーブ（さや）であって、複数のＡＲＥを取り付けるための内面と、ＨＣ−ＡＦの表面として露出できまたは例えば保護層（例えば、ポリマー被覆）または不透明層のような他の層で覆うことができる外面とを有する中空スリーブ、の形状を有する。本発明の一変形例によれば、外側クラッド領域は、例えば六角形のような正多角形の内部横断面を有し、複数のＡＲＥは多角形形状の複数の角部（コーナ）に固定される。利点として、各ＡＲＥは、２つの接触線に沿って外側クラッド領域の内面で固定され、従ってプリフォーム（母材）を調製するときに内側クラッド領域（ＡＲＥ）の機械的安定性が増大する。さらに、それらのＡＲＥは、それらを多角形形状の複数の角部に配置することによって、規則的方位角間隔で固定される。本発明の代替的な変形例によれば、外側クラッド領域は、湾曲した、特に円形形状を有する内側横断面を有し、それらのＡＲＥは、湾曲した形状において均等に分散配置される。

本発明の第２の一般的態様によれば、上述の目的は、本発明の第１の一般的態様による少なくとも１つの中空コア・ファイバを含む光デバイス（装置）によって達成（解決）される。光デバイスは、モード・フィルタリング・デバイス、光源、特にレーザ、光増幅器、ビーム供給システム、データ通信システム、周波数変換器、特にスーパーコンティニウム生成用の周波数変換器、およびパルス整形器、特にパルス圧縮用のパルス整形器、の中の少なくとも１つを含んでいることが、好ましい。

本発明の第３の一般的態様によれば、上述の目的は、本発明の第１の一般的態様による中空コア・ファイバの製造方法によって達成（解決）される。中空コア・ファイバの製造方法は、複数のＡＲＥプリフォームおよび１つの中空ジャケット・プリフォームを供給する工程と、そのＡＲＥプリフォームをそのジャケット・プリフォームの内面に分散配置形態で固定する工程と、最終的なＡＲＥ寸法およびコア寸法が設定される（得られる）まで、そのＡＲＥプリフォームを含むそのジャケット・プリフォームを加熱して引き出す工程と、を含むことが、好ましい。

任意に、それらのＡＲＥプリフォームを含むそのジャケット・プリフォームは、第１の加熱して引き出す工程において、まず、ケイン（茎）状部の形に引き出され、第２の加熱して引き出す工程において、次いで、最終的なＡＲＥ寸法およびコア寸法が設定される（得られる）までファイバの形に引き出される。

それらの加熱して引き出す工程は、ＡＲＥ寸法およびコア寸法をそれぞれ設定する（得る）ために、ジャケット・プリフォームおよび複数のＡＲＥプリフォームの少なくとも１つについて、その少なくとも１つを真空にし（負圧を加え）またはその少なくとも１つに増大した流体圧力を加えることを含むことが、好ましい。利点として、これによって、コア領域の最小横断コア寸法（Ｄ）および複数のＡＲＥの最小横断寸法ＡＲＥ（ｄ_ｉ）の正確な調整が可能になる。

本発明の好ましい実施形態によれば、ＡＲＥ寸法およびコア寸法は、最終的な加熱して引き出す工程の期間中に、複数の高次コア・モードと複数のＡＲＥモードの位相整合が２０ＴＨｚを超える周波数範囲にわたって得られるように、選択されることが、好ましい。これは、理論的考察または参照（基準）測定によって達成することができる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、コア領域および複数の反共振要素の中の少なくとも１つに、非線形光応答性を有する、ガス（特に、空気、希ガスおよび／または水素）、液体、および／または材料の中の少なくとも１つを充填することができる後処理工程、を設けることができる。この目的のために、中空コア・ファイバの少なくとも一部をセルに封入することができる。そのセルおよび全てのその中空コア領域は、外部貯留層（リザーバ）から供給される材料を充填することができ、または、その中空コア領域の幾つかは、第１の外部貯留層（リザーバ）から供給される材料と、第２の外部貯留層（リザーバ）から供給される別の材料の幾分かとで充填することができる。この後処理工程は、例えば光学的実験におけるようなファイバの適用の直前またはその適用の期間中に、実行することができる。その後に他の後処理工程を行って、例えばデータ伝送または非線形光学系において、本発明によるファイバをその適用例に適合化させようにすることができる。

本発明の他の利点および詳細を、図面を参照して以下で説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による複数のＨＣ−ＡＦの各断面図である。図２は、コア領域のＨＯＭとＡＲＥモードとの結合、およびＡＲＥ寸法ｄとコア寸法Ｄの間の最適な比を見つけるためにｄ／Ｄを変化させたときの各数値シミュレーションのグラフ図である。図３は、本発明によるＨＣ−ＡＦのスケーラビリティ（拡張性）を示すための数値シミュレーションのグラフ図である。図４は、ＨＣ−ＡＦを設計するための本発明によるモデルを適用する図である。図５は、本発明の例示的な実施形態による光デバイスを示す図である。図６は、本発明によるＨＣ−ＡＦを製造する方法の各工程である。図７は、通常の中実または中空コア・ファイバの断面図（従来技術）である。

以下では、ＨＣ−ＡＦの適正な幾何学的形状の選択、特に、内側クラッド領域のガラス・キャピラリのようなコアおよび複数ＡＲＥの直径の選択について、例示的に参照する。本発明の実装は、例えば寸法Ｄ、ｄおよびｔのような幾何学的量の例示に限定されることなく、本発明による設計パラメータを与える様々な値を用いても可能である。複数のＨＣ−ＡＦの特徴、その製造およびその適用例は、従来技術で知られている限り、説明しない。

ＨＣ−ＡＦの実際の例
図１Ａ乃至１Ｅは、本発明による複数のＨＣ−ＡＦ１００の実際の例の（その軸方向に垂直な）各横断面を示している。明るい円は、複数のＡＲＥまたは外側クラッド領域の固体材料、例えば石英ガラスまたはシリカを表し、一方、暗い部分は固体材料を含まない（真空状態、または気体または液体が充填された状態である）。各ＨＣ−ＡＦ１００の幾何学的設計は、以下のモデル選択で概説されるように選択される。

各ＨＣ−ＡＦ１００は、中空コア領域１０（図１Ａにおいて点線の円で示されている）、複数のＡＲＥ２１を有する内側クラッド領域２０、および外側クラッド領域３０を含んでいる。中空コア領域１０は、複数のＡＲＥ２１の間にある空き空間であり、ＨＣ−ＡＦ１００の長手方向の長さに沿って伸び、最小横コア寸法Ｄを有する。内側クラッド領域２０のＡＲＥ２１は、壁厚ｔおよび最小横ＡＲＥ寸法ｄを有する複数のキャピラリを含んでいる。ＡＲＥ２１は、例えば図６を参照して以下で説明するように、外側クラッド領域３０の内面に固定される。外側クラッド領域３０は、例えばガラスで形成されＨＣ−ＡＦ１００の閉じたクラッドを形成する１つのより大きいキャピラリを含んでいる。

図１ＡのＨＣ−ＡＦ１００は一実施形態を示しており、ここで、複数のＡＲＥ２１は、Ｄ＝２０μｍの直径Ｄ（直径方向における両側のＡＲＥ２１の間の最短距離）の中心中空コアを形成するように、６回（回転）対称パターンで外側クラッド領域３０におけるより大きいキャピラリ内に配置された円形横断面を有する６つの薄壁キャピラリ（内径ｄ＝１３．６μｍおよび壁厚ｔ＝０．２μｍ）からなる１つの単一リング（環）を含んでいる。外側クラッド領域３０は、外径１２５μｍおよびクラッド厚さ３８μｍを有する。代替形態として、コア寸法Ｄは、１０μｍ乃至１０００μｍの範囲で選択することができ、それに応じて他の幾何学的パラメータ（例えば、ｄ、ｔ）が増減（スケール）される。

図１Ｂは、６回対称性を有する外側クラッド領域３０内に配置された複数のＡＲＥ２１からなる複数の同軸リング、特に２つの同軸リング（ｄ＝１３．６μｍ、ｔ＝０．２μｍ、およびＤ＝２０μｍ）を有する変形実施形態を示している。複数のＡＲＥ２１からなる内側リングおよび外側リングを保持するために、ＨＣ−ＡＦ１００に１つの支持チューブ（管）２２が含まれている。この支持チューブ２２は、例えば直径４８μｍの、例えばシリカで形成される。

図１Ｃおよび１Ｄは３回対称性を示し、図１Ｅは本発明によるＨＣ−ＡＦ１００の２回対称性を示し、利点として増強されたｅＥＳＭ効果を与える。

図１Ｃによれば、ＡＲＥ２１Ａ、２１Ｂは、第１のより大きいＡＲＥ寸法ｄ_１（例えば１３．６μｍ）を有する第１群（グループ）のＡＲＥ２１Ａと、第２のより小さいＡＲＥ寸法ｄ_２（例えば１０．２μｍ）を有する第２群（グループ）のＡＲＥ２１Ｂとを含み、双方とも、例えば０．２μｍの壁厚を有する。外側クラッド３０の内面には、ＨＣ−ＡＦ１００に沿った軸方向の伸長を有する長手方向の複数の突起部３１が設けられている。図１Ｃの断面図において、突起部３１はブロブ（blobs：小塊）として示されている。複数の突起部３１は、例えばガラスのようなＡＲＥと同じ材料で形成されることが、好ましい。より小さい複数のＡＲＥ２１Ｂの各々は複数の突起部３１の中の１つの頂部に固定される。ＡＲＥ２１Ａ、２１Ｂは、直径Ｄ＝２０μｍを有するコア領域１０を取り囲んでいる。突起部３１の半径方向の高さは、中心コア領域１０において最も円（回転）対称な導波モードを生じるように選択されることが、好ましい。代替形態として、突起部３１を省略して、図１Ｄに示されているように、より簡単な構造にすることができるであろう。

ＡＲＥ２１Ａ、２１Ｂを、２回対称構造を形成するように配置することによって（図１Ｅ）、複屈折偏光（偏波）を維持しｅＥＳＭ動作を示すＨＣ−ＡＦが得られる。

図１に示された本発明によるＨＣ−ＡＦ１００の各例は、特に、ＡＲＥ２１、２１Ａ、２１Ｂの形状（これは、例えば楕円形または多角形の断面を有し得る）；外側クラッド３０の内部形状（これは、例えば多角形の断面を有し得る）（図６参照）；ＡＲＥ２１、２１Ａ、２１Ｂの固体材料（これは、例えば、プラスチック材料、例えばＰＭＭＡ、ガラス、例えばシリカ、または軟質ガラス、例えばＺＢＬＡＮ、を含んでもよい）；ＡＲＥ２１、２１Ａ、２１Ｂの寸法；複数ＡＲＥからなるリングの数（例えば、３またはそれより多い）；ＡＲＥの数（例えば、４または５または７またはそれより多い）；およびＡＲＥ配置の対称性、に関して変形することができる。

ＨＣ−ＡＦ設計のモデル
本発明によるＨＣ−ＡＦ１００のＡＲＥ寸法（ｄ_ｉ）およびコア寸法（Ｄ）は、先に規定したように、ＡＲＥ寸法とコア寸法（ｄ_ｉ／Ｄ）の比が、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{ｌｍ，ＡＲＥ}／ｕ_{ｌｍ，ｃｏｒｅ}）に適合係数を乗算した値、に近似するように、選択される。全てのＡＲＥが同じＡＲＥ寸法（ｄ_１）を有する場合、ＡＲＥ寸法とコア寸法（ｄ_１／Ｄ）の比は、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{０１，ＡＲＥ}／ｕ_{１１，ｃｏｒｅ}）に適合係数を乗算した値、に近似されることが好ましく、ここで、その各ゼロ点（ｕ_{０１，ＡＲＥ}）、（ｕ_{１１，ｃｏｒｅ}）は、それぞれＬＰ_０１ＡＲＥモード（複数）およびＬＰ_１１コア・モードを記述する。他のＡＲＥが第２のより小さいＡＲＥ寸法を有する場合、第２のＡＲＥ寸法とコア寸法の比（ｄ_２／Ｄ）は、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{０１，ＡＲＥ}／ｕ_{２１，ｃｏｒｅ}）に適合係数を乗算した値、に近似することが好ましく、ここで、その各ベッセル関数（のゼロ点）（ｕ_{０１，ＡＲＥ}）、（ｕ_{２１，ｃｏｒｅ}）は、それぞれＬＰ_０１ＡＲＥ（複数）およびＬＰ_２１コア・モードを記述する。

これらの設計条件は、図２乃至４を参照して以下で例示する理論的考察および数値シミュレーションに基づいて理解される。これらの理論的考察および数値シミュレーションは、それに対応して、複数のＡＲＥモードに対する、ＬＰ_２１コア・モードより高い複数のコア・モードの結合に拡張することができる。

ＨＣ−ＡＦ１００の中心コア領域１０は幾つかの横コア・モードを支持（形成）し、各モードは特徴的なモード屈折率および漏洩損失を有する。本発明による構造は、（最高の実効屈折率を有する）ＬＰ_０１モードが、いずれのコアＨＯＭよりはるかに低い損失を有する形態で、設けられる。これは、ＡＲＥ２１、２１Ａ、２１Ｂおよびそれらの間の間隙（ギャップ）の設計を、それら（ＡＲＥ）が、コア領域１０における複数のＨＯＭと位相整合する複数の漏洩モード（または状態）の帯域（a band：一群）を支持してそれら（モード）を大きく漏洩させるように、行うことによって達成される。この強い損失の識別力（性）は、ｅＥＳＭ動作を得るのに充分な広帯域にすることができる。

図２Ａは、図１ＡのＨＣ−ＡＦ１００（左）を示し、基本ＬＰ_０１コア・モード（中央）およびＬＰ_１１コア・モード（右）、並びに漏洩ＡＲＥモード（右）を例示し、これ（ＡＲＥモード）に、ＬＰ_１１コア・モードおよびより高いコア・モードが共振的に結合される。図２Ｂは、パラメータｄ／Ｄに依存する、有限要素（ＦＥ）モデルの計算された実効屈折率の曲線を示しており、図２Ｃは、ＡＲＥ寸法ｄを変化させコア寸法Ｄを一定とした場合についての漏洩損失の複数の曲線を示している。図２Ｃにおける中央の曲線は、対応するＨＯＭ抑制を示している。破線は、直径ｄおよび厚さｔの自立的なチューブのＬＰ_０１モード用の完全ベクトル計算値を示している。例示的な構造パラメータは、ｔ／Ｄ＝０．０１およびＤ／λ＝２０、ｎ_{ｇｌａｓｓ}＝１．４５およびｎ_ｃｏｒｅ＝１である。

図２Ａに示された構造は、負の曲率を有する複数のＡＲＥ２１の各壁における反共振反射によって形成される幾つかの漏洩（リーキー）横コア・モードを支持（形成）する。複数のＡＲＥ２１は、内側クラッド領域２０によって形成されるクラッド・フォトニック・バンド構造を支持し、準自立的な薄壁チューブによって近似することができる。外側クラッド領域３０の厚い包囲ガラス壁は、モード特性にはあまり影響しないが、複数のＡＲＥ２１を物理的に支持するために設けられる。

図２Ｂは、（固定したＤに対して）ＡＲＥ直径を変化させてクラッド・フォトニック・バンド構造を実効的に変化させたときの、２つの最高屈折率コア・モードＬＰ_０１およびＬＰ_１１の実効屈折率分布（曲線）を示している。ＬＰ_０１コア・モードの屈折率は、複数の基本ＡＲＥモードに対する共振結合を回避するのに充分高く、ｄ／Ｄとはほとんど独立の関係を維持し、一方、ＬＰ_１１コア・モードは、ｄ／Ｄ≒０．６８において基本ＡＲＥモードとの強い反交差（anti-crossing）を生じる。この反交差から離れるにしたがって、偶数および奇数の固有モードは、結合されていないＬＰ_１１コア・モードおよび複数の基本ＡＲＥモードに対して漸近的に変化または展開する。さらにより高次のコア・モード（図２Ｂに図示せず）は、より低い屈折率を有し、ＡＲＥリングの複数の高漏洩モードに結合し、そのうちの幾つかのモードは、複数のＡＲＥ２１間の間隙（ギャップ）に集中する。

図２Ｃは、ＬＰ_０１モードおよび２つのハイブリッドＬＰ_１１／ＡＲＥ_０１モードの計算された漏洩損失のプロットを示している。その示された範囲では、ＬＰ_０１コア・モードは、ｄ／Ｄ≒０．６５における０．１７ｄＢ／ｍの最小値で比較的一定の損失を有する。より小さいＡＲＥ２１直径について、その損失は、増大し、限界ｄ／Ｄ→０（図２Ｃに図示せず）において孤立した（隔てられた）厚壁の誘電体キャピラリの場合の値とほぼ一致または整合する。この限界を用いて、ＦＥ（有限要素）計算結果を、解析結果と、特に複数の完全に一致または整合した層（ＰＭＬ）の精度で、照合または検証した［文献１６］。反交差点において、２つのハイブリッドのＬＰ_１１／ＡＲＥ_０１モードの損失は、大幅に増大し、マクスウェルの方程式を完全なベクトル形式で解くことによって計算された真空状態にある孤立したキャピラリ（茶色の破線）の場合の値にほぼ達する。これによって、複数のＰＭＬが正しく設定されたことがさらに確認される。

ＨＯＭ抑制は、反交差において大幅に増大し、約１２００の値にピークを有する。反交差から遠く離れると、それは５未満に低下する。それは、カゴメＰＣＦにおいて典型的に達成される値と類似している［文献１５］。包括的な分析のためには、全ての高次コア・モードのＨＯＭ抑制を計算しなければならない。ＦＥモデル化で明らかになったこととして、ＬＰ_１１コア・モードの後に次の最低の損失を有するＨＯＭは、４分葉（four-lobed）のＬＰ_２１コア・モードであり、ｄ／Ｄ≒０．６８においてＨＯＭ抑制が約７０であり、ｄ／Ｄ≒０．５１において基本ＡＲＥモードとの反交差が生じる。しかし、実験では、この特定のコア・モードは、エンド・ファイア照射によってまたはＬＰ_０１コア・モードからの応力および曲げ誘導型の散乱によって励起される可能性はより低い（屈折率差はＬＰ_１１コア・モードの場合よりも約２倍強大きい）。ＦＥモデル化が示すこととして、さらにより高次の複数のＬＰ_ｌｍコア・モードは全体的なＨＯＭ抑制に影響せず、その理由は、それらがＡＲＥリングの複数モードに位相整合し（その幾つかは複数のＡＲＥ２１間の間隙に集中する）、その結果として強い漏洩損失が生じるからである。

図３Ａは、定数ｄ／Ｄ＝０．６８およびｔ／Ｄ＝０．０１における複数のＬＰ_ｌｍコア・モードと基本ＡＲＥモードの屈折率の間の差Δｎ_ｌｍ対Ｄ／λ（λ：波長）のプロットを示している。Δｎ_０１は、Ｄ／λの増大とともに減少するが、全体的に正を維持する。その結果として、ＬＰ_０１コア・モードは、基本ＡＲＥモードと反共振し、コアに閉じ込められた状態を維持する（図３Ａの挿入部の左側パネルも参照）。それとは対照的に、Δｎ_１１は、はるかに小さく、Ｄ／λ≒６６において１０^−６という小さな値に達する。

Ｄ／λの特定の値では、複数のＡＲＥ２１のガラス壁におけるＬＰ_０１モードとｑ次横モードの間に、次式の単純な関係に従う反交差が出現する。

図３における垂直の各点線は、ｔ／Ｄ＝０．０１について、これらの共振点のうちの最初の２つの共振点を中心とする。これらの点の近傍では、ＬＰ_０１コア・モードは、複数の共振ＡＲＥ２１を通して中実ガラス・ジャケット３０中に急速に漏洩し、孤立した厚壁誘電キャピラリの損失値に近い損失値を生じ［文献１６］、その結果、ＨＯＭ抑制に大幅な減少が生じる（図３Ｂ参照）。しかし、これらの狭い領域から遠く離れると、ＨＯＭ抑制は相対的に高い状態を維持する。それは、ＬＰ_１１コア・モードと基本ＡＲＥモードの屈折率が互いに近い状態を維持するという事実の結果である。その結果、ＬＰ_０１モード伝送の全範囲にわたって非常に強いＬＰ_１１コア・モード抑制が生じる。

全ての波長（ＡＲＥ壁共振の近傍を除く、式（１）参照）について、ｄ／Ｄ＝０．６８において最大ＨＯＭ抑制が生じる理由を説明するために、発明者たちは、コア１０および複数のＡＲＥ２１を有する実際の構造が厚壁キャピラリとして扱われる解析モデルを適用した（図４Ａ参照）。厚壁キャピラリにおける複数のＬＰ_ｌｍモードのモード屈折率は、修正されたマルカティリ−シュメルツァー表現によって次式で近似することができる［文献１６］。
ここで、ｕ_ｌｍはベッセル関数Ｊ_ｌのｍ番目のゼロ点であり、ｄ_ｉはキャピラリの内径である。パラメータｆ_ｓ（これは１に近い値を有し、ｓ＝ｃｏはコア１０を表し、ｓ＝ＡＲＥは複数のＡＲＥ２１を表す）を使用して、モデル式から得た解析値をＦＥシミュレーションの結果にヒューリスティックに適合させる。それによって、非円形コア、およびコア１０および複数のＡＲＥ２１の有限壁厚について補正される。

図４Ｂは、２つのＬＰ_１１／ＡＲＥ_０１ハイブリッド・モードの実効屈折率を、式（２）を用いて計算したＬＰ_１１モードに対する適合させた値（ゼロのライン）と共にプロットしたものであり、ここで、コア１０について適合パラメータｆ_ｃｏ＝１．０７７を用い、ＡＲＥ２１についてパラメータｆ_ＡＲＥ＝０．９９０を用いている。式（２）の便利な解析形式によって、ＬＰ_１１コア・モードおよび複数のＡＲＥ_０１モードが最適に結合するｄ／Ｄ値に関する簡単な式を、次式のように導き出すことができる。

式（３）は、シングル・モードｅＥＳＭのＰＣＦを強固に設計するための便利な大雑把な経験則を与える。最初の近似では、ファイバの屈折率にも絶対的物理的寸法にも依存せず、その設計を拡張可能（スケーラブル、規模拡大縮小可能）にする。これは、比ｄ／Ｄが維持される場合、大きいコアのｅＥＳＭのＰＣＦを設計し、複数の伝送窓で数ｄＢ／ｋｍの損失を与えることが可能になることを意味し、その最も広い範囲は１オクターブより広い。

式（２）を用いることによって、より高次のコア・モード（例えば、ＬＰ_２１コア・モード）が実効的に抑制される構造パラメータを容易に見つけることができる。また、物理的寸法を調整することによって、共振帯域を（より小さい／より厚い壁厚ｔについて）青／赤シフトすることができ、ＬＰ_０１コア・モードの最小伝送損失を（コア直径を変えるために）調整することができる。

また、式（２）を用いて、増強されたｅＥＳＭＦ効果を有するＨＣ−ＡＦ、即ち、コアの最初の２つのＨＯＭが複数のＡＲＥにおける共振に結合するようなファイバ、を設計するための適切な幾何学的パラメータを見つけることができる。これによって、次式の条件が得られる。

図１Ｃ〜１Ｅには、そのような増強されたｅＥＳＭ効果を有するファイバ構造が、示されており、その構造は、異なる内径ｄ_１およびｄ_２を有する複数のＡＲＥからなる１つまたは幾つかの単一リングからなる。

光デバイスの実施形態
本発明によるＨＣ−ＡＦ１００は、例えば、ビーム供給、データ伝送または周波数変換のための、導光用の複数の適用例を有する。従って、本発明の別の対象を表す光デバイスは、少なくとも１つの本発明によるＨＣ−ＡＦ１００、および他の光学部品（コンポーネント、構成要素）、監視部品、検出器部品および／または制御部品を含み、これらの部品は、光デバイスの特定の適用例に応じて選択される。

図５は、例えば表面処理のための、高パワーのビーム供給に適合化された、本発明の一実施形態による光デバイス２００を概略的に示している。光デバイス２００は、例えばレーザ源のような光源２１０と、ＨＣ−ＡＦ１００とを含んでいる。光源２１０の出力は、ＨＣ−ＡＦ１００の入力側に光結合され、一方、そのファイバの出力側は、ビーム供給の位置に方向付けられる（指向される）（矢印を参照）。

本発明の代替的な適用例では、光源２１０は、ＨＣ−ＡＦ１００内における、周波数変換プロセス、特にスーパーコンティニウム生成プロセスまたはパルス圧縮、を駆動するためのレーザ源を含んでいる。さらに他の適用例によれば、光源２１０は、ＨＣ−ＡＦ１００を介して光受信機（図示せず）に結合されたデータ通信システムの光送信機を含んでいてもよい。

図５は概略図を表しているに過ぎないことに留意されたい。少なくとも１つの本発明によるＨＣ−ＡＦ１００を含む光デバイスの詳細は、通常の光デバイスで知られているように、実装することができる。

ＨＣ−ＡＦの製造方法
図６は、本発明によるＨＣ−ＡＦ１００を製造する主な複数の工程を概略的に示している。図６は主な複数の工程を示す概略図に過ぎず、その工程は、複数のＡＲＥプリフォーム２３および１つの中空ジャケット・プリフォーム３２を供給する工程（図６Ａ）と、複数のＡＲＥプリフォーム２３をジャケット・プリフォーム３２の内面に固定する工程（図６Ｂ）と、ＨＣ−ＡＦ１００を得るように、複数のＡＲＥプリフォーム２３を含むプリフォーム・ジャケット３２を加熱して引き出す工程（図６Ｃ）と、からなる。任意に、その加熱して引き出す工程は、ジャケット・プリフォーム３２を複数のＡＲＥプリフォーム２３と共に加熱してケイン（茎）の形に引き出す第１の工程と、ＡＲＥ寸法およびコア寸法が設定される（得られる）まで、そのケインを加熱して引き出す第２の工程とを含んでもよい。図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃの各工程の詳細は、通常のファイバ製造方法で知られている限り、実装（実現）することができる。

図６Ａによれば、ジャケット・プリフォーム３２は、内側横断面に正六角形の形状を有するガラス製の中空管状の形態である。プリフォーム・ジャケット３２の外径は、例えば、２８ｍｍであり、一方、内側横（横断）寸法は約２２ｍｍである。プリフォーム・ジャケット３２およびＡＲＥプリフォーム２３の長手方向の長さは約１２０ｃｍである。

図６Ｂの固定する工程で、複数のＡＲＥプリフォーム２３は、ジャケット・プリフォーム３２の内側六角形の形状の各角部に固定される。これは、結果的に複数のＡＲＥプリフォームとジャケット・プリフォームの間の物理的接続を形成する熱を加えることによって得られる。その後、ジャケット・プリフォーム３２と複数のＡＲＥプリフォーム２３の複合体は、ＡＲＥおよびコアの横方向寸法が得られるまで、加熱期間において引き出される。ＡＲＥおよびコアの横方向寸法は、加熱して引き出す各工程の期間中に、ジャケット・プリフォーム３２および／または複数のＡＲＥプリフォーム２３について真空状態にし（これに負圧を加え）またはこれに増大された圧力を加えることによる影響を受けることができる。

加熱して引き出す各工程の期間中に真空にし（負圧を加え）または増大された圧力を加えることが、図６Ｂに概略的に示されている。ジャケット・プリフォーム３２の中空内部空間は、例えば加圧窒素の供給源のような第１の外部貯留層（タンク）４１に接続される。さらに、複数のＡＲＥプリフォーム２３は、例えば加圧窒素の外部供給源のような少なくとも１つの第２の外部貯留層４２に接続される。全てのＡＲＥが同じ内側横方向寸法で製造されるものとする場合、全てのＡＲＥは共通の外部貯留層に接続することができる。そうでなければ、例えば、２群のＡＲＥが、例えば図１Ｅに示されているような、異なる内側横方向寸法を形成するために２つの異なる外部貯留層に接続される。最終的な加熱して引き出す工程は、例えば、ジャケット・プリフォーム３２および複数のＡＲＥプリフォーム２３の材料に応じて選択された炉内で、（例えば、シリカ成分に対して約２０００℃で、）行われる。

最終的なＨＣ−ＡＦ１００を得た後、それに、例えば空気または希ガスまたは水素のような気体、または例えば水のような液体が充填され、ＨＣ−ＡＦ１００の入出力側は、高い流体圧力に耐えるセルによって包囲され。そのセルは、例えばレーザ供給源からの光放射用の例えばガラス・プレートを含むことによって、部分的に透過性である。

以上の説明、図面および特許請求の範囲における本発明の各特徴は、個々にもまたは組合せまたは部分的組合せでも、本発明を相異なる実施形態で実現するために、重要であり得る。

Claims

非バンドギャップ型の中空コア・ファイバ（１００）であって、
− 前記中空コア・ファイバ（１００）に沿って軸方向に伸び最小横コア寸法（Ｄ）を有し、横基本コア・モードおよび複数の横高次コア・モードを導くよう適合化された中空コア領域（１０）と、
− 前記中空コア・ファイバ（１００）に沿って前記コア領域（１０）を取り囲み、各々が最小横反共振要素寸法（ｄ_ｉ）を有し複数の横反共振要素モードを導くよう適合化された複数の反共振要素（ＡＲＥ）（２１、２１Ａ、２１Ｂ）、の配置を含む内側クラッド領域（２０）と、
を含み、
特徴として、
− 前記コア領域（１０）および前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、前記高次コア・モードおよび前記反共振要素モードの位相整合を形成するよう構成され、
− 前記反共振要素寸法（ｄ_ｉ）および前記コア寸法（Ｄ）は、前記反共振要素寸法と前記コア寸法の比（ｄ_ｉ／Ｄ）が、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{ｌｍ，ＡＲＥ}／ｕ_{ｌｍ，ｃｏｒｅ}）に０．９乃至１．５の範囲の適合係数を乗じたものに近似するように、選択され、ここで、ｍは、次数１の第１種ベッセル関数のｍ番目のゼロ点であり、前記各ベッセル関数の前記各ゼロ点は、それぞれＬＰ_ｌｍ反共振要素モードおよびＬＰ_ｌｍ高次コア・モードを記述するものである、
中空コア・ファイバ。
前記コア領域を取り囲む前記反共振要素は非接触形態で配置されるものである、請求項１に記載の中空コア・ファイバ。
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ）は、第１の最小横反共振要素寸法（ｄ_１）を有し、
− 前記第１の反共振要素寸法と前記コア寸法の比（ｄ_ｉ／Ｄ）が、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{０１，ＡＲＥ}／ｕ_{１１，ｃｏｒｅ}）に前記適合係数を乗じたもの、に近似され、前記各ゼロ点（ｕ_{０１，ＡＲＥ}）（ｕ_{１１，ｃｏｒｅ}）は、それぞれＬＰ_０１反共振要素モードおよびＬＰ_１１コア・モードを記述するものである、
請求項１または２に記載の中空コア・ファイバ。
前記第１の反共振要素寸法と前記コア寸法の比（ｄ_ｉ／Ｄ）が、０．５乃至０．８の範囲で選択されるものである、請求項３に記載の中空コア・ファイバ。
前記第１の反共振要素寸法と前記コア寸法の比（ｄ_ｉ／Ｄ）が、０．６２乃至０．７４５の範囲で選択されるものである、請求項４に記載の中空コア・ファイバ。
前記反共振要素の各々が前記第１の反共振要素寸法（ｄ_１）を有する、請求項３乃至５のいずれかに記載の中空コア・ファイバ。
− 第１群の前記反共振要素（２１Ａ）が、前記第１の反共振要素寸法（ｄ_１）を有し、
− 第２群の前記反共振要素（２１Ｂ）が、前記第１群の前記反共振要素（２１Ａ）の前記第１の反共振要素寸法（ｄ_１）より小さい第２の最小横反共振要素寸法（ｄ_２）を有し、
− 前記第２の反共振要素寸法と前記コア寸法の比（ｄ_２／Ｄ）が、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{０１，ＡＲＥ}／ｕ_{２１，ｃｏｒｅ}）に前記適合係数を乗じたもの、に近似され、前記各ベッセル関数（ｕ_{０１，ＡＲＥ}）（ｕ_{２１，ｃｏｒｅ}）は、それぞれＬＰ_０１反共振要素モードおよびＬＰ_２１コア・モードを記述するものである、
請求項３乃至５のいずれかに記載の中空コア・ファイバ。
前記第２の反共振要素寸法と前記コア寸法の比（ｄ_２／Ｄ）が、０．３乃至０．７の範囲で選択されるものである、請求項７に記載の中空コア・ファイバ。
前記第２の反共振要素寸法と前記コア寸法の比（ｄ_２／Ｄ）が、０．４５乃至０．５４の範囲で選択されるものである、請求項７に記載の中空コア・ファイバ。
前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）の数が、３、４、５、６または７である、請求項１乃至９のいずれかに記載の中空コア・ファイバ。
前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）の配置は、
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）の配置が３回対称性を有する、
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）の配置が２回対称性を有し光学的複屈折を生じさせる、
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）が、その断面が前記コア領域（１０）を包囲する単一のリング上に分散配置されるように、配置されている、
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）が、その断面が前記コア領域（１０）を包囲する複数のリング上に分散配置されるように、配置されている、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有するものである、請求項１乃至１０のいずれかに記載の中空コア・ファイバ。
前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）が、円形、楕円形または多角形の横断面を有する、
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）が、ガラス製、特にシリカまたはＺＢＬＡＮ製、ポリマー製、特にＰＭＭＡ製、複合材製、金属製、または結晶材料製である、
という特徴の中の少なくとも１つの特徴を有するものである、請求項１乃至１１のいずれかに記載の中空コア・ファイバ。
前記コア領域（１０）および前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）の中の少なくとも１つは、排気され、または、非線形光応答性を有する、気体、特に空気または希ガスまたは水素のうちの少なくとも１つ、液体、および材料の中の少なくとも１つが充填されている、請求項１乃至１２のいずれかに記載の中空コア・ファイバ。
− 前記中空コア・ファイバ（１００）に沿って前記内側クラッド領域（２０）を包囲する外側クラッド領域（３０）を含む、請求項１乃至１３のいずれかに記載の中空コア・ファイバであって、
− 前記外側クラッド領域（３０）は多角形の形状の横断面を有し、
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、前記多角形の形状の角部に配置されているものである、
中空コア・ファイバ。
− 前記中空コア・ファイバ（１００）に沿って前記内側クラッド領域（２０）を包囲する外側クラッド領域（３０）を含む、請求項１乃至１３のいずれかに記載の中空コア・ファイバであって、
− 前記外側クラッド領域（３０）は、湾曲した形状、特に円形の形状、の横断面を有し、
− 前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、前記湾曲した形状に均等に分散配置されるものである、
中空コア・ファイバ。
前記コア領域（１０）および前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、広帯域波長範囲における前記高次コア・モードと前記反共振要素モードの位相整合を形成するよう構成されているものである、請求項１乃至１５のいずれかに記載の中空コア・ファイバ。
前記コア領域（１０）および前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、前記基本コア・モードの中空コア・ファイバ透明窓内で全波長までをカバーする波長範囲における前記高次コア・モードと前記反共振要素モードの位相整合を形成するよう構成されているものである、請求項１６に記載の中空コア・ファイバ。
前記コア領域（１０）および前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、少なくとも１０ＴＨｚをカバーする波長範囲における前記高次コア・モードと前記反共振要素モードの位相整合を形成するよう構成されているものである、請求項１６または１７に記載の中空コア・ファイバ。
請求項１乃至１８のいずれかに記載の中空コア・ファイバを少なくとも１つ含む光デバイス。
− モード・フィルタリング・デバイス、
− 光源（２１０）、特にレーザ、
− 光増幅器、
− ビーム供給システム、
− パルス整形器、特にパルス圧縮用のパルス整形器、
− データ通信システム、および
− 周波数変換器、特にスーパーコンティニウム生成用の周波数変換器、
の中の少なくとも１つを含む、請求項１９に記載の光デバイス。
非バンドギャップ型の中空コア・ファイバ（１００）を製造する方法であって、
− 前記中空コア・ファイバ（１００）に沿って軸方向に伸び最小横コア寸法（Ｄ）を有し、横基本コア・モードおよび複数の横高次コア・モードを導くよう適合化された中空コア領域（１０）を供給する工程と、
− 前記中空コア・ファイバ（１００）に沿って前記コア領域（１０）を取り囲み、各々が最小横反共振要素寸法（ｄ_ｉ）を有し横反共振要素モードを導くよう適合化された複数の反共振要素（ＡＲＥ）（２１、２１Ａ、２１Ｂ）、の配置を含む内側クラッド領域（２０）を供給する工程と、
を含み、
− 前記コア領域（１０）および前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は、前記高次コア・モードおよび前記反共振要素モードの位相整合を形成するよう構成され、
特徴として、
− 前記反共振要素寸法（ｄ_ｉ）および前記コア寸法（Ｄ）は、前記反共振要素寸法と前記コア寸法の比（ｄ_ｉ／Ｄ）が、各第１種ベッセル関数の各ゼロ点の商（ｕ_{ｌｍ，ＡＲＥ}／ｕ_{ｌｍ，ｃｏｒｅ}）に０．９乃至１．５の範囲の適合係数を乗じたものに近似するように、選択され、ここで、ｍは、次数１の第１種ベッセル関数のｍ番目のゼロ点であり、前記各ベッセル関数の前記各ゼロ点は、それぞれＬＰ_ｌｍ反共振要素モードおよびＬＰ_ｌｍ高次コア・モードを記述するものである、方法。
前記中空コア・ファイバ（１００）は、請求項１乃至１７のいずれかに記載の中空コア・ファイバ（１００）の特徴を有するように製造される、請求項２１に記載の方法。
前記反共振要素寸法（ｄ_ｉ）は、解析モデルを適用することによって選択され、
前記コア領域（１０）および前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）は複数のキャピラリとして処理され、前記キャピラリにおけるＬＰ_ｌｍモードにおけるモード屈折率が次式で近似され、
ここで、ｕ_ｌｍはベッセル関数Ｊ_１のｍ番目のゼロ点であり、ｄ_ｉは前記キャピラリの内径であり、前記パラメータｆ_ｓはヒューリスティックな適合パラメータである。
請求項２１または２２に記載の方法。
（ａ）複数の反共振要素プリフォーム（２３）および中空ジャケット・プリフォーム（３２）を供給する工程と、
（ｂ）前記複数の反共振要素プリフォーム（２３）を、前記ジャケット・プリフォーム（３２）の内面に分散配置形態で固定する工程と、
（ｃ）前記反共振要素寸法および前記コア寸法が得られるまで、前記複数の反共振要素プリフォーム（２３）を含む前記ジャケット・プリフォーム（３２）を加熱して引き出す工程と、
を含む、請求項２１乃至２３のいずれかに記載の方法。
前記工程（ｃ）は、
（ｃ１）前記複数の反共振要素プリフォーム（２３）を含む前記ジャケット・プリフォーム（３２）を加熱してケインの形に引き出すこと、および
（ｃ２）前記反共振要素寸法およびコア寸法が得られるまで、前記ケインを加熱して引き出すこと
を含むものである、請求項２４に記載の方法。
前記工程（ｃ）は、
前記反共振要素寸法および前記コア寸法を得るために、前記ジャケット・プリフォーム（３２）および前記複数の反共振要素プリフォーム（２３）または前記ケインの複数の中空領域の中の少なくとも１つについて、負圧または増大された圧力を加える工程
を含むものである、請求項２５に記載の方法。
前記コア領域（１０）および前記反共振要素（２１、２１Ａ、２１Ｂ）の中の少なくとも１つに、非線形光応答性を有する、気体、特に空気または希ガスまたは水素、液体、および材料の中の１つを充填する後処理工程を含む、請求項２５または２６に記載の方法。