JP2019504506A - ファイバレーザおよび増幅器におけるライン選択のための導波路設計 - Google Patents

Abstract

希土類ドープファイバレーザは、堅牢で効率的な高品質の光源であるが、通常、活性種の利得の最も高い遷移に限定される。しかし、希土類は典型的には、支配的な遷移を抑制することができれば利用できるであろう、潜在的に有用な多数の遷移を有する。ファイバレーザでは、支配的な遷移が示す非常に高いネット利得によって、この抑制は複雑になる。効果的な抑制には、ファイバの長さに沿って分布する何らかの機構が必要である。我々は、明確に規定された選択可能な波長で導波を阻止する共振浸み出し要素を有する新規な導波路を開発した。この導波路に基づいて、約１０６０ｎｍでの４準位遷移を抑制した大きなモード領域を有するネオジムドープファイバを作製し、良好な効率を有する９３０ｎｍでの３準位遷移によるレイジングを実証した。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２０１６年２月４日に出願された「Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｌｉｎｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」と題する、米国仮特許出願第６２／２９１，４８３号の利益を主張し、参照として本明細書に組み込まれる。

連邦政府支援の研究または開発に関する記載
米国政府は、ローレンスリバモア国立研究所（Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）の運営に関する、米国エネルギー省とローレンスリバモアナショナルフリーダム、ＬＬＣ（Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｒｅｅｄｏｍ、ＬＬＣ）との間の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に従って、本発明の権利を有する。

本発明は導波路に関し、より具体的には、このようなデバイスにおけるライン選択のための技術に関する。

ネオジムレーザは、典型的には、その大きな断面積および反転分布生成の容易さゆえに、約１０６０ｎｍにおいて４準位遷移（⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_11/2）にて動作する。しかし、スペクトルセンシング用途とその低減された量子欠損のために興味深い、約９００〜９４０ｎｍ（⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_9/2）においては擬似３準位遷移が存在する。ネオジムドープファイバレーザを約９３０ｎｍにおいて３準位遷移で動作させることは困難である。同じ問題は、多重遷移を有する他の活性ドーパントを有するファイバレーザにも当てはまる。

Ｎｄドープファイバレーザの３準位動作の課題は、４準位遷移は反転を非常に容易に実現し、典型的にはより高い利得係数を有することである。このため、４準位遷移が最初にレイジング閾値に達し、その後で利得がクランプされ、他の遷移が閾値に達することが防止される。

ファイバ増幅器では、所望の遷移が外部シーディングによって選択されるので、状況はある程度は緩和される。しかし、望ましくない遷移との競合は依然として続くであろう。導波路閉じ込めとファイバによって提供される高いネット利得を考慮すると、競合する遷移上のＡＳＥは、所望の遷移で得られる利得を減少させ、効率を低下させ、出力の純度を劣化させる可能性がある。この理由から、望ましくない遷移を能動的に抑制することは依然として重要である。

３準位遷移にアクセスする従来技術の一方法は、反転を確実にするための高強度ポンピングと共に、ガラス組成を慎重に選択して利得係数を高めること、および、より短い波長に有利な曲げ誘起の導波路損失に依存している。この場合、ファイバの長さは、反転がその全長にわたって高くなければならないという要件によって制約され、ポンピングの吸収が不完全なために、結果的に効率が低下する。また、曲げはファイバに沿って分布する、波長の選択的損失をもたらすが、その選択性はあまり大きくなく、慎重な調整が必要である。最後に、一般的なダブルクラッドファイバ構成の場合、高いポンプ強度の必要性により、クラッド：コア比が制約され、パワースケーリングの見通しが制限される。

別の従来技術の方法は、ある波長で導波から非導波に急峻に移行するディプレストウェルコア設計を採用している。この設計は、選択性の高い分散損失の必要性を満たすが、バンドパスフィルタではなく、ショートパスエッジフィルタとみなすべきである。更に、ディプレストウェルの設計は、大型のコアに対しては公差に対する感度が容認しがたいほど敏感であり、電力スケーリングが制限される。
しかし、それを用いて目覚ましい結果が実現されている。

望ましくない遷移を能動的に抑制する方法は、ファイバに沿った分散フィルタリングのためのハイブリッド・フォトニック結晶／フォトニックバンドギャップ（ＰＣＦ−ＰＢＧ）構造を使用している。この構造は、ＰＣＦとＰＢＧの特徴の組み合わせによってモードがコアに限定されるという意味でハイブリッドである。ＰＣＦおよびＰＢＧの構造は、多機能で堅牢なスペクトルの特徴をサポートし、光ファイバのモード特性およびスペクトル特性に対して広範な設計空間を提供する。

本発明の実施形態は、フォトニック結晶ファイバ設計の変形例である。基本構造は、シリカと屈折率が一致する７つのセルコアの周囲における要素の六角形配列として構成される。コアの導波は、アレイ内の低屈折率の介在物によって提供される。低屈折率の介在物は、大きなモード領域を有し、ほぼ単一モード（低実効ＮＡ）挙動を生じるように選択される。低屈折率要素に加えて、コアから非ドープシリカクラッディングに至る、より高い屈折率を有するグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）要素の６本のストリング（または「スポーク」）がある。（ある設計では、ＧＲＩＮは「スポーク」状に配置されるが、他の配置も可能であり、特定の場合に利点を提供し得る）。導波モードは、中央コアとＧＲＩＮの両方でサポートされる。コア内では、モードは非ドープシリカクラッディングよりも低い実効屈折率で伝搬する。ＧＲＩＮ内では、モードは、モードのカットオフ波長未満の波長に対しては、クラッディングよりも高いがカットオフに近いクラッディングよりも低い、実効屈折率で伝搬する。コアモードとＧＲＩＮモードが共振すると、それらはハイブリッドを形成し、構造体のこれら２つの部分の間で光学場が非局在化する。これが起こると、コアの光学場が構造体の非ドープクラッディング部分に効果的に曝される。この領域は、モードの実効屈折率よりも高い屈折率を有するため、光は優先的にその中に浸み出し、コアは損失を受ける。

六角形配列の要素のピッチ、ならびに低屈折率（ＰＣＦ）要素および高屈折率（ＧＲＩＮ）要素の相対屈折率および充填率を選択することにより、コアとＧＲＩＮの間の共振を広範囲の波長で起こるように構成することができる。共振の他は、コアの特性はＧＲＩＮから切り離される。コア特性（例えば、サイズおよびモード数）は、我々が適用するフィルタリングには事実上依存せず、そのためパワースケーリングに悪影響を及ぼさない。更に、ＧＲＩＮ要素の数と配置を追加で選択することにより、共振の幅とコア損失のレベルを調整することが可能である。最後に、シミュレーションおよび実験は、この構造がファイバの巻きに適合していることを示している。

本発明は、ファイバレーザおよび増幅器における利得のスペクトル管理に有用である。それは直接放出種に適用されるだけでなく、周波数変換スキームにも適用される。例としては、（１）リモートセンシング（例えば水蒸気）および（ブルー−グリーンへの高調波変換による）水中通信に有用な約９３０ｎｍでのネオジムの３準位遷移、（２）ファイバ通信に有用な約１４００ｎｍおよび１８００ｎｍでのネオジム遷移、（３）約１ｍでの寄生レイジングの抑制によってパワースケーリングに有用な１５５０ｎｍでのエルビウム／イッテルビウム共ドープファイバ、（４）ドミナントな６５１ｎｍライン以外のライン、例えば５６５ｎｍ、６００ｎｍ、６８０ｎｍ、７２７ｎｍのためのサマリウムドープファイバ、（５）ドミナントな５４３ｎｍライン以外のライン、例えば４２０ｎｍ、４４５ｎｍ用のテルビウム添加ファイバ、（６）約２ｍでのドミナントな遷移の抑制による、１４７０ｎｍでのツリウムをドープしたアップコンバージョンファイバ、および（７）リボンファイバ（ファイバとして実装されたスラブ導波路）、が挙げられるが、これらに限定されない。リボンファイバの場合、浸み出し要素の適切な設計により、スペクトル制御とモード制御の両方を行うことができる。

本開示に組み込まれ本開示の一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を示し、本明細書の記載と共に本発明の原理を説明する役割を担う。

本発明の導波路の代表的なパラメータのバックグラウンドガラスに対する、空間充填モード（ＳＦＭ）、コアの１次モード、および格子の中に埋め込まれた単一ＧＲＩＮの２次モードの実効屈折率を示す。 格子要素（白丸）、コア（小六角形）およびＧＲＩＮ（黒丸）の例示的な配置を示す。 図１の屈折率プロットに沿った直線状ファイバのブロック帯域損失の計算値を示す。 直線状ファイバと巻いたファイバのブロック帯域の比較である。 エアクラッディングを組み込む前にサイジングのために引き延ばされた中間のケーンを示す。 そのケーンのコア領域の拡大図であり、均質化されたコア材料を示している。 完全に均質化されたコアおよび取り囲むエアクラッディングを有する、引き延ばされた最終的なファイバを示す。 この導波路で約２０ｄＢの抑制が実現されたことを示す。 Ｎｄエアクラッドファイバレーザ試験の結果を示す。 出力スポットに対向する直交軸上での出力強度を示す。 図８Ａの水平軸上での出力強度のプロットである。 図８Ａの垂直軸上での出力強度のプロットである。 結合導波路要素のセットとしての本発明の基本概念を示す。 ディプレストインデックス領域の格子によって規定されるＰＣＦ構造を有する実施形態を示す。 作製したファイバ断面を示す。 ＧＲＩＮに基づくＰＣＦの代替的実施形態を示す。 モノリシック結合導波路に基づくＰＣＦの代替的実施形態を示す。 レイズドインデックスシンクを有するステップインデックス信号コアを有し、結合導波路が複数の導波要素の列として形成されている代替的実施形態を示す。 レイズドインデックスシンクを有するステップインデックス信号コアを有し、結合導波路がモノリシック導波要素として形成される代替的実施形態を示す。

本発明の実施形態は、コア領域の外側にレイズドインデックス介在物を更に含むフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）設計に基づくファイバを含む。ＰＣＦは、一定屈折率のバックグラウンドガラス、ディプレストインデックス要素の格子、および典型的にはバックグラウンドと同じ屈折率のガラスによる１つまたは複数の格子要素の置換によって規定されるコアからなる。格子は、コアと比較して低減した平均屈折率のクラッディングを規定するものと考えることができ、コアは本質的に屈折率導波モードであるものをサポートする。ＰＣＦには考慮すべき３つの重要な指標があり、（ｉ）バックグラウンドガラス屈折率、（ｉｉ）いわゆる空間充填モード（ＳＦＭ）の実効屈折率、および（ｉｉｉ）コアの導波モードの実効屈折率である。バックグラウンドガラスは、ＰＣＦの基材である。それは最も高い屈折率を有し、ＰＣＦ構造から浸み出すあらゆる光に対する損失環境またはシンクを構成する。ＳＦＭは、無限クラッディング格子の基本モードであり、格子モードの実効屈折率が最も高い。コア内で導波される任意のモードの実効屈折率は、ＳＦＭとバックグラウンドガラスの屈折率の間にある。格子は屈折率のディプレッションからなるため、全てのコアモードおよび格子モードの屈折率はバックグラウンドガラスの屈折率よりも低い。有限サイズの格子の場合、あらゆるそのようなモードは周囲へのゼロでない浸み出しを有する。しかし、コアモードは格子内で指数関数的に減衰するので、それらの浸み出しは格子を拡大することによって任意に小さくすることができる。

本発明の実施形態は、格子サイトのいくつかに対してレイズドインデックス要素を置き換えることによる、基本的なＰＣＦ設計の変更を含む。
本発明の実施形態は、この目的のためにグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）介在物を使用する。ステップインデックスロッドも使用できる。ＧＲＩＮはバックグラウンドガラスよりも高い屈折率を有し、真の導波モードをサポートする。ディプレスト格子に囲まれた場合、実効屈折率がバックグラウンドガラスよりも低いがＳＦＭよりも高いモードをサポートすることもでき、コアモードと同様に、これらのモードは任意に小さな損失を有することができる。しかし、それらのモードの実効屈折率は波長が増加するにつれてＳＦＭの屈折率に向かって減少し、決定的なことに、任意の、より高次のＧＲＩＮモードは、ある波長においてカットオフされる（導波を失う）。実効屈折率がバックグラウンドガラスよりも低い場合、格子によって部分的にのみ囲まれたＧＲＩＮのモードは、高い損失を経験することになる。

格子のパラメータ、コアのサイズ、ならびにＧＲＩＮのサイズおよび屈折率の選択により、コアおよびＧＲＩＮは、ある波長で共振するように構成することができる。この時点で、それらのモードはハイブリッド化し、光学場は構造のこれら２つの部分の間で非局在化する。ＧＲＩＮ介在物は、ＰＣＦコアから格子の端までのチャネルとして配置され、それにより、コアとＧＲＩＮが共振したときにコアの光学場がコアのバックグラウンドガラス（シンクまたはドレイン）構造部分に効果的に曝される。この領域は、モードの実効屈折率よりも高い屈折率を有するため、光は優先的にその中に浸み出し、コアは損失を受ける。共振の他は、コアの特性はＧＲＩＮから切り離される。コア特性（例えば、サイズおよびモード数）は、適用されたフィルタリングには事実上依存せず、そのためパワースケーリングに悪影響を及ぼさない。図１は、本発明の導波路の一実施形態を表すパラメータのバックグラウンドガラスに対する、ＳＦＭ、コアの１次モード、および（単一の埋め込まれた）ＧＲＩＮの２次モードの実効屈折率を示す。この場合、コアおよびＧＲＩＮは約１０８０ｎｍで共振し、ＧＲＩＮモードは約１１８０ｎｍでカットオフする。

本発明の導波路の一実施形態は、約１０６０ｎｍでのネオジム４準位遷移（⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_11/2）を抑制するための、上で概略を述べた特徴を組み込んでいる。この実施形態はＰＣＦ構造、すなわち７つのセルコアの周囲の低屈折率の六角形格子に基づいている。コア材料は、ネオジムドープされたシリカとフッ素ドープされたシリカとの均質化された組み合わせである。均質化は、ドロータワー上のスタックアンドドロープロセスによって反復を繰り返しながら実現されて、サブミクロンの形体および屈折率の均一性を得て、１０^-4よりも良好にシリカと一致した。格子パラメータは、大きなモード領域を有し、ほぼ単一モード（低実効ＮＡ）挙動を生じるように選択される。加えて、コアから非ドープシリカクラッディングに至る、より高い屈折率を有するグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）要素の６本のストリング（または「スポーク」）がある。共振における結合の強さを調整するために、コアとＧＲＩＮとの間に単一格子の低屈折率介在物が残された。この調整要素は、必要に応じてより微細な調整を実現するために修正することができる。ある設計では、ＧＲＩＮは「スポーク」状に配置されるが、他の配置も可能であり、特定の場合に利点を提供し得ることに留意されたい。図２は格子要素（白丸）２０、コア（小六角形）２２およびＧＲＩＮ（黒丸）２４の配置を示す。具体的には、設計パラメータは、（１）ＰＣＦピッチΛ＝８．０ｍ、（２）ＰＣＦ屈折率降下要素：直径Ｄ／Λ＝０．５３３、ＮＡ０．１４（屈折率ステップΔ＝−６．７４３ｅ−３）、（３）ＧＲＩＮ介在物：直径Ｄ／Λ＝０．５、ＮＡ０．３（屈折率ステップΔ＝３．０７１ｅ−２）、および（４）コア：７つのセル、Ｎｄはドープされ屈折率は均質化済み、である。

これらのパラメータにおいて、モデルは（⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_11/2）遷移時の損失が大きいことを示す。更に、ＧＲＩＮ要素の数と配置を追加で選択することにより、共振の幅とコア損失のレベルを調整することが可能である。この構造がファイバの巻きに適合していることを検証するためにシミュレーションを実施した。図３は図１の屈折率プロットに沿った直線状ファイバのブロック帯域損失の計算値を示す。図４は、直線状ファイバと巻いたファイバのブロック帯域の比較である。３つの損失ピークの出現は、各スポークの３つのＧＲＩＮによるものである。隣接するＧＲＩＮのモードが結合して、それらの間隔に依存した実効屈折率の分離を伴う「スーパーモード」を形成している。

上述のように、この設計に基づくネオジムドープファイバは、ドロータワー上のスタックアンドドロー法を用いて作製された。比較のために、同じコア材料を用いた単純なステップインデックスＮｄドープファイバを作製した。図５Ａ〜図５Ｃはそれぞれ、プロセスの段階を示す。図５Ａは、エアクラッディングを組み込む前にサイジングのために引き延ばされた中間のケーンを示す。図５Ｂは、そのケーンのコア領域の拡大図であり、均質化されたコア材料を示している。図５Ｃは、完全に均質化されたコア５０および囲んでいるエアクラッディング５２を有する、引き延ばされた最終的なファイバを示す。

ステップインデックスと新しいライン選択ファイバの両方をポンプし、ＡＳＥスペクトルを測定してフィルタリング効果を確認した。図６は、この導波路で約２０ｄＢの抑制が実現されたことを示す。

１０Ｗ超の出力電力およびほぼ５５％のスロープ効率、ならびに良好なビーム品質を伴って、９３０ｎｍでの３準位レベル⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_9/2への遷移においてレイジングが実現された。図７は、Ｎｄエアクラッドファイバレーザ試験の結果を示す。図８Ａは出力スポットに対向する直交軸上での出力強度を示す。図８Ｂは図８Ａの水平軸上での出力強度のプロットである。図８Ｃは図８Ａの垂直軸上での出力強度のプロットである。

本発明は、図９に示すように、結合導波路要素のセットとして最も一般的に説明することができる。領域１００は、所望の波長の光を導波し閉じ込める信号伝搬導波路領域である。実際には、領域１００は以下に説明するように、通常、コア１０２とディプレストインデックス領域１０４とからなる。領域１０６はドレイン領域（シンク領域とも呼ばれる）であり、理想的にはそれに結合されたあらゆる光を除去する。
領域１０８は、領域１００と１０６とを共振結合させる補助的導波路領域である。

本発明は、誘電体材料内の光導波路に関し、特に、典型的には長軸方向に不変である、光ファイバ（および増幅器）に関する。重要な導波路特性には、サポートされるモード、これらモード間の結合、およびその伝搬定数（または実効屈折率、ｎ_eff）がある。特に本発明は、異なる特定の望ましくない波長（λ₂）の光の導波を抑制しながら、主要素１００内において所与の波長（λ₁）の光を導波する（かつ、ある実施形態では増幅する）手段を提供する。これは、λ₂において、領域１００が補助的導波路１０８を介して「シンク」領域１０６へ波長選択的に結合されるように構成することで達成され、その結果、光は１００を出て１０６に至る。領域１００と１０６は、領域１０８を介する以外には結合することがないように、十分に分離されていなければならない。

１００と１０８との間の結合に関する条件は、これらの要素が近接していること、およびそれらの間の結合が波長選択性であることを必要とする。波長選択条件は、２つの要素における関連するモードの実効屈折率（ｎ_eff）が、望ましくない波長λ₂において厳密に一致する場合に満たすことができる。これは、１００において実効屈折率ｎ_eff,Aが波長に弱い依存性しか示さず、一方で１０６において実効屈折率ｎ_eff,Bが波長に対して大きく変化する（高分散）場合か、または２つの屈折率が波長に対して大きくかつ反対方向に変化する場合に該当する。

１０８と１０６との間の結合に関する条件は、これらの要素が近接していること、およびそれらの間の結合が実質的に波長を選ばないことを必要とする。波長を選ばないという条件は、領域Ｂが、Ｃにおける関連モードの実効屈折率よりも高い実効屈折率を有する多くの（理想的には連続体）モードをサポートするならば、満たすことができる。

最後に、領域１０６が入射する任意の光に対し効果的な「シンク」または「ドレイン」を構成するという要件は、それが実質的に散逸性（または吸収係数α_Bによって特徴付けられる吸収性）であることによって満たすことができる。領域１０６が散逸的ではないとしても、１００よりも多くのモードをサポートし、それにより１００と１０６との間の光の共有が１００内の光量を減少させるならば、領域１０６はシンクであり得る。しかし、この場合、１０６から１００へ戻る結合を避けるための更なる要求が存在する。すなわち、１０６におけるモードが、強力な、好ましくはランダムに変化する結合（例えば、その構造内での長軸方向の変動による）を受けなければならないか、もしくは光が領域１００に戻るときに越える距離（「復活」距離）が当該のファイバよりもはるかに長くなければならない。

領域１００は、バックグラウンドガラスに対して任意の正の屈折率コントラスト（または開口数、ＮＡ）を有する任意の形状の「ステップインデックス」コアを含むことができる。典型的なステップインデックスコアは、単一モードのみをサポートする円型のステップインデックスコアである。領域１００は、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）またはフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）ファイバの「欠陥」（格子要素が欠損）であり得る。典型的には、導波コアは円形であり単一の伝搬モードのみをサポートするが、六角形、矩形（スラブ）または円環（リング）形状も可能であり、コアはマルチモードでもあり得る。

領域１０６は、任意の形状、例えば、ファイバ断面内に閉じ込められた形状であってもよい。より一般的には、コア内の導波要素を取り囲むリング形状であって、ファイバクラッディングを含み、機械的サポートを提供してもよい。領域１０６は散逸を提供するために吸収性ガラスから製作することができ、または多数のモードを提供するために、高屈折率ＨＢを有するガラスの任意の大きな領域（図面によって示唆されるように）であり得る。

補助的結合導波路領域１０８は、１００においてλ₂（望ましくない波長）のモードで共振する（ｎ_eff,C＝ｎ_eff,A）少なくとも１つのモードをサポートし、高い分散を有するならば、任意のサイズ、形状および屈折率ｎ_Cであり得る。分散要件は、通常、高屈折率の空間的に小さい構造を用いることによって満たすことができる。図によって示唆されるように、領域Ａと同じ屈折率コントラスト（ｎ_B＝ｎ_A）を有する拡張された矩形のスラブであり、波長が適度に間隔を空けた複数のモードが１０８で得られる。領域１０８の構造の１つには、スラブの代わりに小さなコアの列（サブガイド）がある。これは、単一のサブガイドの実効屈折率の周りに密集した実効屈折率を有する「スーパーモード」をサポートし、これはスラブのモードよりもはるかに広い波長間隔を有する。これは、結果として得られるファイバにおいて良好なスペクトル制御を可能にする望ましい簡略化である。サブガイドは、適切なモードをサポートする任意の小さい構造、例えばステップインデックスコアであり得る。サブガイドの１つにグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）コアがあるが、その理由は、このガイドは均等な間隔のモードをサポートし、ステップインデックスコアよりも散乱損失が少ないためである。

本発明の一実施形態（以下、第１の実施形態と呼ぶ）は、いわゆるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）設計に基づいており、信号伝搬導波路領域１００とシンク１０６領域との間の共振結合のためにグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）要素のストリング１０８を用いている。

図１０を参照すると、ＰＣＦ構造の信号伝搬導波路領域は、ディプレストインデックス領域のコア１０２および格子１０４によって画定される。格子は通常は規則的であるが、必ずしもそうである必要はない。この領域の面積平均屈折率は、バックグラウンドのそれよりも低い。コア１０２は、ＰＣＦ要素の一部をバックグラウンドと同じ屈折率の材料で置換することによって形成される。従って、コア領域はその周囲よりも高い屈折率を有するため、光はそれによって導波され得る。コア内で導波されるモードの実効屈折率は、バックグラウンド材料の屈折率よりも小さいことに留意されたい。

単純なステップインデックスコアに対するＰＣＦデザインの利点は、コアを囲む領域での屈折率のより厳密な制御、およびその領域の分散特性を調整する能力である。これは、コアの実効屈折率コントラストが、関与する２つの材料の選択およびそれらの幾何学的配置によって与えられる格子平均屈折率によって決定されるため可能である。ステップインデックスファイバでは、コントラストはコア材料特性の化学的操作によって決定されるが、この方法ではＰＣＦにとって許容される公差を実現することは困難または不可能である。これにより、大きなコアモード領域が可能になるが、これはパワースケーリングにとって重要であり、ステップインデックスの設計およびその変形では実現不可能である。

格子１０８の外側の大きなドレイン領域１０６は、バックグラウンド材料屈折率を有する、すなわちコアモードの実効屈折率よりも高い屈折率を有するので、ドレイン１０６として簡便に使用することができる。一体型ポンプクラッディングがあるもの、およびないものの両方のファイバを製作した（下記参照）。前者の場合、シンクは散逸性ではないが多くのモードを含み、後者の場合、吸収性の外部コーティングの存在により散逸性である。

最後に、６つの等価な補助的共振導波路領域１０８があり、ファイバの曲げまたは巻き方向とは無関係にコアと正味で結合する。結合導波路はＧＲＩＮのストリングとして形成され、その各々は導波路である。複数の小さなサブガイドから共振導波路を作製することは、モノリシック構造に比べていくつかの利点を有する。このような構造のモードは、「スーパーモード」、またはサブガイドのモードの特定の組み合わせとして考えることができる。これらのスーパーモードの伝搬定数は、サブガイドの対応するモードの伝搬定数の周りに密集し、すなわち、それらはまばらに分布することになり、これら密集部の広がりは、それらの要素間の結合に依存する。加えて、サブガイドは小さいので、それらの分散に対する純粋な導波路の寄与は高い可能性があり、スーパーモードはこの高い分散を継承する。対照的に、同様の数のモードを有するモノリシック構造は、分散がはるかに小さい、より均等に分布したモードを有する。ＧＲＩＮサブガイドのサイズと屈折率のコントラストを調整することで、コアの共振状態の位置と幅を独立して制御することができる。当技術分野の経験者であれば、ＧＲＩＮの設計および特性に精通しているであろう（Ｓｎｙｄｅｒ＆Ｌｏｖｅ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、１９８３を参照）。

設計の詳細は次のとおりである。バックグラウンドガラスは、高品質の純粋な溶融シリカ（例えば、Ｈｅｒａｅｕｓ Ｆ３００）であり、シンク１０６を形成する。プリフォームは、前駆体要素の正六角形スタック、またはケーンとして構成される。引き延ばされたとき、これらのケーンはファイバの単位セルになり、そのピッチを規定する。以下では、ピッチと単位セルの観点からファイバを説明する。最終的なファイバのピッチは、意図した８μｍであった。コア１０２は、ＮｄとＦがドープされた純粋な溶融シリカの７つのセルのグループであり、均質化されてバックグラウンドガラスと同じ屈折率を有している。均質化は、名目上、１０^-5よりも良好に純粋な溶融シリカと一致する屈折率を実現した。Ｎｄ濃度は、８０８ｎｍポンプ光のコアバルク吸収が約４３ｄＢ／ｍとなるような濃度である。格子１０４は、同心円状に配置された２つの材料を含む要素によって形成される。外側の材料は、高品質の純粋な溶融シリカ（例えば、Ｈｅｒａｅｕｓ Ｆ３００）である。内側の材料はフッ素でドープされた溶融シリカであり、その屈折率を６．７４ｘ１０^-3だけ減少させる。アスペクト比（ＩＤ／ＯＤ）は０．５３３である。共振結合導波路領域１０８は、ＧＲＩＮプロファイルを含む要素によって形成される。より高い分散とカットオフのために、ＧＲＩＮの１次の高次モードが使用される。基本波は、全ての波長に対して閉じ込められたままであり、より長い波長に伸張する、所望よりも広い損失帯域をもたらす。ＧＲＩＮによってサポートされるモードの数を制限することが望ましい。カットオフに近くないモードはポンプ光を捕捉して無駄にするからである。３つのＧＲＩＮの各々に結合導波路が６つ（直線のファイバ内で、縮退して）存在する。これにより、構造体はファイバの曲げ方向には依存しなくなる。ＧＲＩＮプロファイルは、純粋な溶融シリカの円筒内に同心円状に埋め込まれている。ＧＲＩＮプロファイルは放物線状であり、３．０７ｘ１０^-2のピーク屈折率コントラストを有する。アスペクトは（ＩＤ／ＯＤ）は０．５である。最終的なファイバは、厚い受動的な部分によって囲まれた光学的に活性な部分で構成される。活性な部分は、導波路構造およびポンプクラッディングを含む。導波路構造は、頂点から頂点に至る六角形スタックの１７セルを含む。この導波路構造は、中空キャピラリの１つのリングによって囲まれており、これがドロー中に膨張してポンプ光を閉じ込めるためのエアバリアを形成する（ポンプクラッディング）。受動部分は肉厚の中空ガラス管であり、機械的支持を提供する。

図１１は、作製されたファイバの断面を示す（画像の左上の欠陥は、ファイバを切断したことによるファイバ端部での欠けであり、ファイバの欠損していない長さ方向には存在しない）。ポンプクラッディングは、六角形の対面の距離が１１８μｍであり、エアバリアは、ＮＡが最大で０．３（角度方向広がりの尺度）のポンプ光を受け入れる。コアクラッディングのコア領域に対する面積は３１であり、ポンプクラッディングにおけるＮｄドープコアによるポンプ光の吸収は最良で１．４ｄＢ／ｍである。

上で簡単に議論したように、図３は、バックグラウンドガラスに対する、伝搬定数（または実効屈折率）の計算値、ならびに共振結合導波路１０８を介したコア１０２からシンク１０６への波長選択性コア損失の計算値を示す。このプロットの特徴から、好ましい実施形態が、上記の一般的な経験則のセクションに示された条件を満たすことが示される。具体的には、コアモードの分散（波長依存性）は、関連する波長範囲にわたって弱く、一方でＧＲＩＮモードの分散は、はるかに強い。交差点では、コア内の光がＧＲＩＮにわたって広がり、両方のモードの屈折率がシンク内の材料（バックグラウンドガラス）の屈折率に対して負であるので、最も外側のＧＲＩＮの光はシンクに容易に結合する。

プロットは１つのＧＲＩＮの実効屈折率を示す。しかし、６つの等価結合導波路の各々が３つのＧＲＩＮから構成されているので、上で概略を述べたように、導波路ごとに３つのスーパーモードが存在する。その結果、コアモードへの結合によって引き起こされた３つの損失ピークが生じる。損失帯域のスペクトル位置および幅は、コアモードおよびＧＲＩＮモードの分散、およびスーパーモードのスペクトル幅に依存する。上述したように、これらはＧＲＩＮのサイズおよび屈折率のコントラストによって容易に調整することができる。商用ベンダから即座に入手可能かに基づいて屈折率コントラストを選択したが、これは、コントラストの実用的な限界に近いと思われる。ＧＲＩＮのサイズ、特に出発材料のアスペクト比（ＩＤ／ＯＤ）には、より柔軟性がある。

図１２はＧＲＩＮに基づくＰＣＦの代替的実施形態を示す。第１の実施形態の六角形構造により（ＧＲＩＮのストリングの形で）同一であるように選択された、６つの等価な共振結合導波路が可能である。しかし、それらは同一である必要はなく、ストリングの異なる性質を許容すると設計の可能性は広がる。例えば、同一の屈折率コントラストであるが異なるアスペクト比（ＩＤ／ＯＤ）を有する、またはその逆である、またはコントラストおよびアスペクト比の両方が異なる、ＧＲＩＮの２つのグループ（１０８’および１０８’’）を考えることができる。第２のグループによる損失は、第１のグループに対してスペクトル上でシフトされる。シフトは、２つの損失帯域が重なり合い、組み合わされてより広い帯域を形成するように、小さくてもよい。あるいは、シフトは大きくて２つの異なる損失帯域を生じ、２つの別々のスペクトル線をブロックすることができる。

この代替案は、第１の実施形態の全ての特徴を継承し、複数の異なる共振結合導波路の可能性を含むように一般化されている。

図１３はモノリシック結合導波路１０８に基づくＰＣＦの代替的実施形態を示す。第１の実施形態の共振結合導波路は、ＧＲＩＮのストリングの形で選択されている。そこで指摘したように、その形は有利な損失帯域をもたらし、更にその構成は製造に使用される六角形グリッドと最も適合する。

しかし、モノリシック結合導波路のより小さいモード間隔（波長における）が望まれる場合がある。例えば、複数ラインの抑制のために２つ以上の分離した損失帯域を提供するように、モード間隔を選択することができる。

この選択肢は、好ましい実施形態の一般的な特徴を継承するが、結合導波路１１４がここではモノリシックであるという変更を伴う。

図１４および１５は、レイズドインデックスシンクを有するステップインデックス信号コアを有する代替実施形態を示す。上記の第１の実施形態および上記の代替実施形態では、コアはＰＣＦ格子の欠陥として形成される。しかし、ここでの２つの実施形態に示すように、ステップインデックスコアおよびレイズドインデックスシンクでも、全ての一般的な経験則を満たすことができる。ここで、信号コア１０２は、その周囲１０４に対して高い屈折率を有し、ＰＣＦコアの代わりに「ステップインデックス」を含む。シンク領域１０６はまた、１０４よりも高い屈折率を有し、シンクを構成するという条件によって要求されるように、屈折率はまた、コア１０２の屈折率と同じかそれよりも高くなければならない。図において、シンク１０６は、コア１０２および結合導波路１０８を囲み、ファイバの外側の機械的要素を形成する。しかし、上記の一般的原理のセクションで指摘したように、最も外側の機械要素の内部構造であってもよい。上述のように、結合導波路１０８は、図１４のようなサブガイドのストリングであってもよいし、図１５のようなモノリシックであってもよい。

これらの実施形態は、「スタックアンドドロー」製造技術とまだ互換性があるが、代替の「ロッドインチューブ」技術とも互換性があり、一部の場合に利点となり得る。しかし、これら実施形態は、ＰＣＦコアで利用可能な大きなモードサイズを許容しない。これら代替形態は、本明細書の冒頭に記載された一般的な経験則を全て満たしており、容易に製作できる。それらは、本発明がＰＣＦおよびＰＢＧファイバ（ＰＣＦは、本発明の好ましい実施形態に不可欠であるが）のような周期構造に何ら制限されないことを示している。

本出願と同じ日に出願された「ＮＤ³⁺ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と題された米国特許出願番号 は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の前述の説明は、図解および説明のために提示されたものであり、網羅的であること、または本発明を開示された厳密な形に限定することを意図するものではない。上記教示に照らして、多くの修正および変形が可能である。開示された実施形態は、本発明の原理およびその実際の適用を説明することのみを意味し、それにより当業者が、様々な実施形態において、更に企図される特定の用途に適した様々な修正を伴って、本発明を最もよく使用できるようにすることを意味する。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって規定される。

Claims (34)

1. 第１の波長λ₁および第２の波長λ₂を有する光を含む１つ以上のモードを伝搬するように構成された信号伝搬導波路領域と、
   シンク領域と、
   前記第２の波長λ₂の光を、前記信号伝搬導波路領域から前記シンク領域へ共振結合させるように構成された補助的導波路領域と、を備える導波路。
2. 前記信号伝搬導波路領域は、前記補助的導波路領域を介して前記シンク領域への前記波長λ₂の波長選択的結合を受ける、請求項１に記載の導波路。
3. 前記波長λ₂における光が、前記信号伝搬導波路領域から出て前記シンク領域に至る、請求項２に記載の導波路。
4. 前記信号伝搬導波路領域および前記シンク領域は、前記補助的導波路領域を介する以外には結合することがない、請求項１に記載の導波路。
5. 前記信号伝搬導波路領域内の前記１つ以上のモードの各モードの実効屈折率と、前記補助的導波路領域によってサポートされる前記１つ以上のモードの内の少なくとも１つのモードの実効屈折率とが、前記波長λ₂において厳密に一致し前記波長λ₁においては厳密には一致しないときに、前記波長選択的結合が生じる、請求項２に記載の導波路。
6. 前記信号伝搬導波路領域の実効屈折率は波長に弱い依存性しか示さず、前記補助的導波路領域の実効屈折率は波長に対して大きく変化する、請求項５に記載の導波路。
7. 前記信号伝搬導波路領域の実効屈折率および前記補助的導波路領域の実効屈折率は、前記波長λ₁および前記波長λ₂に対して大きくかつ反対方向に変化する、請求項５に記載の導波路。
8. 前記シンク領域は、前記補助的導波路領域内の関連するモードの実効屈折率よりも高い実効屈折率を有する多数のモードをサポートする、請求項１に記載の導波路。
9. 前記シンク領域は、前記補助的導波路領域内の関連するモードの実効屈折率よりも高い実効屈折率を有するモードの連続体をサポートする、請求項１に記載の導波路。
10. 前記シンク領域は波長λ₂の光に散逸性である、請求項１に記載の導波路。
11. 前記シンク領域は前記波長λ₂の光に吸収性である、請求項１に記載の導波路。
12. 前記シンク領域は前記信号伝搬導波路領域よりも多くのモードをサポートし、それにより前記信号伝搬導波路領域と前記シンク領域との間の光の共有が、前記信号伝搬導波路領域内の光量を減少させる、請求項１に記載の導波路。
13. 前記シンク領域内の前記モードは強力で好ましくはランダムに変化する結合を受ける、請求項１２に記載の導波路。
14. 前記シンク領域内の前記モードは強力でランダムに変化する結合を受ける、請求項１２に記載の導波路。
15. 前記ランダムに変化する結合は、前記シンク領域内の長軸方向変化を含む、請求項１４に記載の導波路。
16. 光が前記信号伝搬導波路領域に戻るときに越える距離（「復活」距離）が前記導波路よりも長い、請求項１２に記載の導波路。
17. 前記信号伝搬導波路領域は、前記シンク領域の実効屈折率に一致する実効屈折率を含む第１の部分を含む、請求項１に記載の導波路。
18. 前記信号伝搬導波路領域は、前記補助的導波路領域の実効屈折率よりも前記シンク領域の実効屈折率により近い実効屈折率を含む第１の部分を含む、請求項１に記載の導波路。
19. 前記信号伝搬導波路はドーパントを含む、請求項１に記載の導波路。
20. 前記ドーパントはレイジングドーパントを含む、請求項１９に記載の導波路。
21. 前記ドーパントは希土類元素を含む、請求項１９に記載の導波路。
22. 前記レイジングドーパントは、ネオジム、エルビウム、エルビウム／イッテルビウム、サマリウム、テルビウムおよびツリウムからなる群から選択される、請求項２０に記載の導波路。
23. 前記導波路の断面形状は、円形、矩形、六角形および環状からなる群から選択される、請求項１に記載の導波路。
24. 前記信号伝搬導波路領域は所与の波長（λ₁）の光を閉じ込めるように構成されるように格子が設けられ、前記格子は、前記信号伝搬導波路領域の前記第１の部分の実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する材料のストランドを備える、請求項１７に記載の導波路。
25. 前記補助的導波路領域は、前記格子の中に含まれ、前記波長λ２において前記信号伝搬導波路領域の前記第１の部分の実効屈折率以上の実効屈折率を有するストランドを備える、請求項２４に記載の導波路。
26. 前記格子は更に、前記波長λ₂において前記信号伝搬導波路領域の前記第１の部分の実効屈折率以上の実効屈折率を有する材料を含む、請求項２４に記載の導波路。
27. 前記材料はモノリシック結合導波路を含む、請求項２６に記載の導波路。
28. 前記信号伝搬導波路領域はステップインデックスを含み、前記シンク領域はレイズドインデックスシンクを含む、請求項１に記載の導波路。
29. 前記ステップインデックスは、周囲領域に対して高い屈折率を有するコア部分によって形成され、前記シンク領域は、前記周囲領域の屈折率よりも高く、かつ前記コア部分の屈折率と少なくとも同等の高さの屈折率を有する、請求項２８に記載の導波路。
30. 前記補助的導波路領域はモノリシック結合導波路を含む、請求項２８に記載の導波路。
31. 前記信号伝搬導波路領域は、前記補助的導波路領域を介した前記シンク領域への前記波長λ₂の波長選択的結合を受け、前記補助的導波路領域を介した前記シンク領域への波長λ₁の結合がない、請求項１に記載の導波路。
32. 前記補助的導波路領域は複数の結合導波路を含む、請求項１に記載の導波路。
33. 前記補助的導波路領域はモノリシック結合導波路を含む、請求項１に記載の導波路。
34. 前記信号伝搬導波路領域は、１つ以上の追加の波長を伝搬するように構成され、前記補助的導波路領域は、前記１つ以上の追加の波長の少なくとも１つの追加の波長を、前記信号伝搬導波路領域から前記シンク領域に共振結合するように構成される、請求項１に記載の導波路。