JP3410374B2 - クラッディング励起ファイバの構造 - Google Patents

クラッディング励起ファイバの構造

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ・アプリケーシ
ョンに効果的な実質的に円形の外径部の内部に屈折率変
調機能を有するクラッディング励起ファイバの構造、特
に、レーザ・デバイスに効果的なクラッディング励起偏
光保持ファイバにも関する。
【０００２】
【従来技術】光ファイバは、周知の従来技術であり、レ
ーザ・デバイスと増幅器とを含めた、多くのアプリケー
ションにおいて効果的である。基本的に、光ファイバ
は、ある屈折率を有する誘電材料から製作した内部コア
と、コアを囲むクラッディングとを備えている。クラッ
ディングは、コアより低い屈折率を有する材料から構成
されている。コアの屈折率がクラッディングの屈折率よ
り大きい限り、コアに沿って伝搬する光ビームが、総合
的な内部反射を示し、コアの長さ方向に沿って誘導され
る。殆どの実用的なアプリケーションにおいて、コアと
クラッディングの屈折率は、数％だけ互いに異なってお
り、これは、単一モード・アプリケーションで用いる際
にコア直径を大きくするので、長所となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】光ファイバの設計は、
アプリケーション、希望した光ビームの転送モード、又
は製作時に用いる材料に基づいて変わる。図示するよう
に、ファイバは単一モード又は多重モードの光を伝える
ように製作できる。多重モードのファイバは、単一モー
ドのファイバより太いコア直径を一般的に備えているの
で、より大きいモードでファイバを通過可能となり、コ
アの選定やクラッディングの屈折率特性のように、更な
る設計上の拘束を多重モード・アプリケーションが受け
ることになる。コアとクラッディングは、例えば、屈折
率が階段状になったりこう配をもったり劣化したり、又
はＷ状に変動するが、これらがクラッディングに対する
コアの屈折率の特徴でもある。多重コアの光ファイバ
は、“多重モード信号伝送のための同心状コアの光ファ
イバ”という名称で１９９７年５月６日にＭｕｈｓに与
えられた米国特許第５，６２７，９３４号、及び“多重
コアの光通信ファイバ”という名称で１９７６年１２月
２８日にＧｏｅｌｌに与えられた米国特許第４，００
０，４１６号とに図示してあるように、共通するクラッ
ディングの内部のアレイに設けた多重コアを含めて製作
されており、それらは主として安全性のために複数の同
心状コアを採用している。
【０００４】レーザ・ファイバはコア励起及びクラッデ
ィング励起ファイバを備えている。すなわち、ファイバ
に送られた光は、コアに直接向かうか、又はコアに向け
て反射させるようクラッディングに送ることができる。
図１Ａは、一般的なクラッディング励起レーザ・ファイ
バの断面図を示す。図から分かるように、一般的にレー
ザ・ファイバでは、比較的高い屈折率を有する希土類で
ドーピングしたコア８、一例としてＳｉＯ2 ：ＧｅＯ2
が用いられ、ＧｅＯ2 は屈折率を大きくするために加え
られている。コアは一般的に多角形の非円形外周部を有
する純シリカ製の内部クラッディング９で囲われてい
て、クラッディングはポリマー外部層で覆われている。
内部クラッディングの多角形の形状のために、ファイバ
の断面全体に送られた光は、コアに向けて反射してレー
ザを発生する。内部クラッディングの非円形の形状のた
めに、光線が歪んだり、光のモードが混合するので、光
線がコアに向かう、すなわち、円形の内部クラッディン
グを用いると、励起モードの螺旋通路が対称のクラッデ
ィングの周辺の通路で止まって、コアとクラッディング
の境界に達しないおそれがある。このことについては、
１９９５年１１月２２日に提出され、ルーセント・テク
ノロジー社（ここでは譲受人）に譲渡され、ここに引例
を用いて包含されている、出願番号０８／５６１，６８
２の継続出願として、Ｄ．Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ
（ここでは発明者）が１９９７年５月１５日に提出した
“クラッディング励起ファイバ構造”という名称の米国
特許出願番号０８／８５６，７０８に更に詳細に説明さ
れている。従って、円形の内部クラッディングは、クラ
ッディング励起レーザ・ファイバに対して効果的でな
い。
【０００５】この事例（図１Ａ）のポリマー外部層１０
の機能は光学的で機械的でもある。すなわち、保護コー
ティングとして、クラッディングの窪み又は曲がりが、
その光学的特性に逆に作用することを防止する。しか
し、ポリマー外部層１０と内部クラッディング９との間
の屈折率の大きな差は、光線がファイバ内でコアに向け
て反射することを保証するために必要になる。例えば、
内部クラッディング９は約１．４５の屈折率をもつ純粋
シリカから一般的に製作され、ポリマーの屈折率は一般
的に約１．３８以下である。屈折率の違いが、クラッデ
ィング励起レーザとしてのファイバの使用のために必要
であることが分かった。
【０００６】非対称性の特長、特に非円形クラッディン
グの使用から生じる機能的な利点もあるが、このような
ファイバの製造は複雑である。なぜならば、低損失の特
質を維持しながら内部クラッディング９に適した非円形
断面を得ることが難しいからである。そのうえ、非円形
の内部クラッディングを有するファイバには、取扱上の
問題と、レーザ又は増幅器にファイバを組込む際に付随
する難点も存在する。
【０００７】偏光保持ファイバも非対称性の特長に依存
するが、これも同様に製造と取扱の難点を呈する。例え
ば、楕円状のコアを有する偏光保持ファイバの製造に付
随する難点が、“楕円形状のコア型偏光保持光ファイバ
を製造する方法”という名称で１９９６年１月９日にＫ
ａｊｉｏｋａなどに与えられた米国特許第５，４８２，
５２５号にも記してある。偏光保持ファイバでは、２つ
の直交偏光モードが下方にファイバを伝搬し、非対称性
の特長を用いて偏光状態を保持している。一般的に、こ
れは単一モード伝送ファイバで行われてきた。
【０００８】例えば、次に示す図１Ｂ〜図１Ｆに、従来
技術の偏光保持単一モード・ファイバの例が図示してあ
り、その全てが、偏光を保持するために非対称であるよ
うなファイバの断面に依存する。図１Ｂは楕円形状のコ
ア１２を有するファイバを示しており、これは偏光特性
に関して効果的であり、比較的短いビート長を備えてい
る、なお、ビート長はファイバの偏光保持特性の効果性
の尺度である。光波がファイバの長さ方向に沿って進む
と、それらの位相関係が変わり、モードの偏光状態に影
響を及ぼす。偏光保持ファイバにより、ビート長と呼ぶ
ある長さの後で、本来の偏光が行われる。大きな複屈折
を有するファイバは“ハイバイ”ファイバとして知られ
ている。それらは比較的短いビート長を有し、長い距離
にわたって直線的な偏光状態を保持できることが望まし
い。
【０００９】図１Ｃと図１Ｄはコア外部の非対称領域を
示す。非対称領域は、図１Ｃと図１Ｄの内部クラッディ
ング内に設けた応力誘導領域１３である。図１Ｃの共通
して用いる偏光保持ファイバは、弓結束タイプと呼ば
れ、ガス相エッチング・プロセスで通常は製作される。
図１Ｄのものは、パンダ・タイプと呼ばれ、クラッディ
ングにホウケイ酸・ロッドを含んでいる。
【００１０】図１Ｅと１Ｆで、外部クラッディング１４
は長方形の形状である。これらは、平らなクラッディン
グ・タイプとみなされ、非円形の外部クラッディング径
部を備えていて、光学的集積回路の結合特性を向上させ
ると考えられてきた。
【００１１】前述のように、このような偏光保持ファイ
バは、単一モードの伝送ファイバに一般的に用いられて
きたが、製造又は取扱いあるいその両方に難点をもって
いる。そこで、円形の内部クラッディング内に屈折率変
調機能を有するレーザ又は増幅器において効果的な偏光
保持ファイバと円形内部クラッディングとを含むレーザ
・ファイバが必要になる。本発明は、これらの必要性の
達成を意図している。更に、長所は、以下の記載を考慮
する際に十分に現れるものと思われる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】要約して説明したよう
に、本発明は、希土類のコアと、非円形の内部クラッデ
ィングと、円形の外部クラッディングと、外部ポリマー
層とを具備し、円形の外部クラッディングの屈折率が内
部クラッディングの屈折率より低い、二重クラッディン
グ・レーザ・ファイバを用いている。出願人は、この構
成により、光のモード混合が屈折率変調を介して実現で
きることを発見した。出願人は、内部クラッディング内
に設けた応力誘導領域が、光線の歪みと複屈折とを共に
発生させて、レーザ・アプリケーションに効果的な偏光
保持ファイバを形成することを更に発見した。本発明を
さらに理解するため、代表的な実施例について、添付の
図面を参照しながら以下において述べる。
【００１３】
【実施例】出願人は、レーザ・ファイバが屈折率変調に
基づいて円形外部クラッディングを用いて製作できるこ
とを発見した。出願人は、偏光状態を保持する光ファイ
バが、クラッディング内に応力誘導領域を有するクラッ
ディング励起ファイバを介するレーザ・アプリケーショ
ンにおける使用のために製作できることを更に発見し
た。出願人は、応力誘導領域が光線の歪みと複屈折の双
方を作り出し、レーザ・アプリケーションに有用な偏光
保持ファイバを形成することも発見した。
【００１４】単一モードのクラッディング励起ファイバ
が、ルーセント・テクノロジー社（ここで譲受人）に譲
渡された“クラッディング励起ファイバに励起ダイオー
ドを結合する先細り状のファイバ束”という名称でＤ．
Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ（ここで発明者）とＡ．Ｓｔ
ｅｎｔｚが１９９７年７月２１日に提出した米国特許出
願番号０８／８９７，１９５に図示してあり、ここで引
例によって包含されている。その出願に、二重クラッデ
ィング・ファイバが図示してあり、単一モードの希土類
でドーピングしたコアがシリカ製の内部クラッディング
で囲われていて、それは更に低い屈折率の外部クラッデ
ィングで囲われている。励起光は内部クラッディングに
結合され、内部クラッディングは一般的に円形でない。
この発明は、レーザ・アプリケーションのために開発し
たコアを用いて、低い屈折率の外部クラッディングで囲
われた非円形の内部クラッディングを具備する構成であ
り、励起光はレーザのためにコアに結合されている。更
に、二重クラッディングと三重クラッディング・ファイ
バ構造が、ここで発明者であるＤ．Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａ
ｎｎｉが提出した米国特許出願番号０８／５６１，６８
２と０８／８５６，７０８とに開示してあり、既に引用
し、ここで引例によって包含されている。
【００１５】図２を見ると、本発明のレーザ・ファイバ
３０は、非対称性の第１の内部クラッディング３４と第
２のクラッディング３６とで囲われた希土類でドーピン
グしたコア３２を備えている。内部クラッディング３４
は、他の非対称形状も考えられるが、丸い末端を有する
変形六角形として構成するように図示してあり、これが
好ましい形状である。コアは比較的高い屈折率を有する
材料から成り、例えば、ＳｉＯ2 ：ＧｅＯ2 コアが用い
られ、ＧｅＯ2 は屈折率を大きくするために加えられて
いる。コアが１つ又は複数のＧｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｌ
ａからドーピング処理し、高濃度の希土類ドープ剤を有
していることが望ましい。このことについては、１９８
７年５月１９日に“多重構成の光ファイバ”という名称
で、ＭａｃＣｈｅｓｎｅｙなどに与えられた（ここで
は、譲受人の前任者に譲渡された）米国特許第４，６６
６，２４７号に開示されており、ここで引例によって包
含されている。内部クラッディング３４は、コアより低
い屈折率を有する材料から成り、ドーピングしてないケ
イ酸塩ガラスである。第２のクラッディング３６が第１
の内部クラッディング３４を囲んでいる。第２のクラッ
ディング３６は、実質的に円形の外周部を備えていて、
フッ化ケイ酸ガラス又はホウケイ酸ガラスのように、コ
ア又は第１の内部クラッディング３４より低い屈折率を
有する材料から構成している。従って、層の屈折率は、
第２のクラッディング３６に向けてコアから離れるにつ
れて徐々に小さくなる。
【００１６】出願人は、この構成により、第１の内部ク
ラッディングと第２のクラッディングが屈折率の変動に
起因するモード混合を引き起こすことを発見した。更
に、モード混合は、内部クラッディング３４と第２のク
ラッディング３６との間の屈折率の比較的僅かな変動に
おいても生じる。例えば、約１．４５の屈折率を有する
内部クラッディング（純シリカの場合）が、１．４４〜
１．３８の範囲の屈折率を有する第２のクラッディング
と組合せることができる。外部ポリマー・コーティング
層３８は好都合なことに均一の低い屈折率を備えている
が、これは不可欠な要素でない。ポリマー・コーティン
グ３８は、高能率で動作できても、最適なデバイスとす
るために、第２のクラッディング３６より高い屈折率を
もつべきでない。
【００１７】図３Ａと図３Ｂは、クラッディング励起フ
ァイバ構造として及びレーザに使用できる長所を提供す
る、本発明の偏光保持ファイバ４０の断面を示す。本発
明は、コア４２と、石英ガラスから成るクラッディング
４４と、クラッディングに設けた複数の応力誘導領域４
６とを備えている。ほぼ円形の外部ポリマー層４８がフ
ァイバを保護している。コアは、比較的高い屈折率を有
する材料から構成すべきであり、例えば、ＳｉＯ2 ：Ｇ
ｅＯ2 が用いられ、ＧｅＯ2 は屈折率を大きくするため
に加えられている。
【００１８】応力誘導領域は、図３Ａと３Ｂに図示する
ように、クラッディング４４の内部に位置する複数の実
質的に非円形の隔離領域を備えている。例えば、応力誘
導領域は変形弓束構成（図３Ａ）を具備する場合もあ
る。代わりに、応力誘導領域は、図３Ｃと図３Ｄのよう
に、コアを同心状に囲む実質的に非円形の領域を具備す
る場合もある。非円形の応力誘導領域は種々の形状で製
作できるが、製作中に構成を制御する必要はない。むし
ろ、応力誘導領域は、図３Ｄのように、任意の明確に定
めた形状でない不規則な形状も可能なので、特定の構成
の実現に付随する製造上の難点を回避できる。いずれの
場合でも、応力誘導領域はコアと異なる屈折率を有する
材料から構成すべきである。例えば、アルミノシリカ・
ガラスを用いて高い屈折率にするか、又はホウケイ酸ガ
ラスを用いて低い屈折率にするか、又は空気を用いるべ
きである。内部クラッディングの屈折率と異なる屈折率
により、モードが混合している励起光が、内部クラッデ
ィングに注入され、それに沿って進むことになる。
【００１９】この実施例では、外部ポリマー層４８は低
い屈折率を有する材料から構成しているが、この層の屈
折率はできるだけ低いことが望ましい。出願人は、この
構成では、１つ又は複数の応力誘導領域が、図２の内部
クラッディング３４の非対称周辺部によって、複屈折を
生じるだけでなく、励起光をコアに反射してレーザ・フ
ァイバを生成する光線の歪みも生じることを発見した。
【００２０】図２と図３のクラッディング励起ファイバ
は、送信器と受信器とこの送信器と受信器とを接続する
光学的通路のような従来の構成要素とを更に搭載する光
ファイバ通信システムの一般的に一部であることが分か
る。例えば、図４は、光ファイバ通信システムで用いる
レーザとしてのファイバの使用を概略的に示している。
光源又は発光ダイオード５０は、光ビームの多重モード
転送のために設けてある。結合器５２は光源５０をファ
イバ３０に接続する。本発明では、結合器が多重モード
の転送ファイバを備えているので、概略的に図示するよ
うに、ファイバ・コアに光を送るために単一モードの転
送ファイバを設ける必要はない。例えば、ファイバ束を
具備する結合器に適した構成が数多く知られている。動
作時に、光源５０が多重モードの光ビームを放出し、結
合器５２は、クラッディングを含めたファイバ断面に光
を送る。前述のように、ファイバの応力誘導領域と非対
称断面とにより、光がコアで反射して、偏光状態が保持
される。ファイバが出力デバイス５４に結合できるの
で、この構成は自然にアプリケーションに依存し、例え
ば、導波管変調器や受信器や検出器や光ファイバ分割器
などを搭載できる。光は、概略的に図示するように、フ
ァイバ・コアから出力デバイス５４に放出され、多重モ
ードで偏光した光ビームを備えている。図５は、光ファ
イバ通信システムで用いる増幅器としてのファイバの使
用を概略的に示しており、ファイバ３０に向かう励起光
λ Ｐ と信号光λ Ｓ とを結合している。ファイバ３０は
送信器６０と受信器６２とを接続する光ファイバ転送通
路を備えていて、図５に概略的に図示するように、信号
光λ Ｓ がコアに伝送され、励起光λ Ｐ がクラッディン
グに伝送される。
【００２１】
【発明の効果】ここで述べた実施例は単なる例示であ
り、当業者は本発明の趣旨と範囲から逸脱せずに変更や
修正を行うことができることが分かる。全てのこのよう
な変更と修正は、添付の特許請求の範囲に含まれること
が意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】従来技術のレーザ・ファイバの断面を示す図
である。
【図１Ｂ】従来技術の単一モード伝送偏光保持光ファイ
バの断面を示す図である。
【図１Ｃ】従来技術の単一モード伝送偏光保持光ファイ
バの断面を示す図である。
【図１Ｄ】従来技術の単一モード伝送偏光保持光ファイ
バの断面を示す図である。
【図１Ｅ】従来技術の単一モード伝送偏光保持光ファイ
バの断面を示す図である。
【図１Ｆ】従来技術の単一モード伝送偏光保持光ファイ
バの断面を示す図である。
【図２】本発明の二重クラッディング・レーザ・ファイ
バの断面を示す図である。
【図３Ａ】本発明の偏光保持光ファイバの代替実施例の
断面を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の偏光保持光ファイバの代替実施例の
断面を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の偏光保持光ファイバの代替実施例の
断面を示す図である。
【図３Ｄ】本発明の偏光保持光ファイバの代替実施例の
断面を示す図である。
【図４】レーザとしての本発明の使用について概略的に
示す図である。
【図５】増幅器としての本発明の使用について概略的に
示す図である。
【符号の説明】
３０ レーザ・ファイバ ３２ 希土類でドーピングしたコア ３４ 非対称性の第１の内部クラッディング ３６ 第２のクラッディング ３８ 外部ポリマー・コーティング層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−194225（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−79845（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−289981（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−61076（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−276510（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−69607（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−273728（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−119105（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/02 G02B 6/10 G02B 6/16 - 6/22 G02B 6/44 H01S 3/06 H01S 3/10

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 偏光保持クラッディング励起ファイバを
    含む物品であって、 その少なくとも一部が所定の屈折率を有するコアと、 該コアの屈折率より小さい屈折率を有する、該コアを囲
    む円形の内部クラッディングであって、励起モードが該
    コアへ反射され且つ偏光状態が該コアの内部で保持され
    るように、該コアにおける複屈折と、該内部クラッディ
    ングにおける光線の歪みの双方を発生させるための、該
    内部クラッディングの屈折率と異なる屈折率を有する実
    質的に非円形の応力誘導領域が設けられている円形の内
    部クラッディングと、 該内部クラッディングの屈折率より小さい屈折率を有す
    る外部ポリマー層とを含む物品。
  2. 【請求項２】 該応力誘導領域が、該内部クラッディン
    グに設けられた複数の非同心状の領域を含む請求項１に
    記載の物品。
  3. 【請求項３】 該応力誘導領域が、該コアを囲む非円形
    領域を含む請求項１に記載の物品。
  4. 【請求項４】 該内部クラッディングが、ガラスからな
    る請求項１に記載の物品。
  5. 【請求項５】 該複数の応力誘導領域が、該内部クラッ
    ディングの屈折率より大きい屈折率を有する請求項２に
    記載の物品。
  6. 【請求項６】 該複数の応力誘導領域が、該内部クラッ
    ディングの屈折率より小さい屈折率を有する請求項２に
    記載の物品。
  7. 【請求項７】 該複数の応力誘導領域が、空気を含んで
    いる請求項２に記載の物品。
  8. 【請求項８】 該複数の応力誘導領域が、該内部クラッ
    ディングの屈折率より大きい屈折率を有する請求項３に
    記載の物品。
  9. 【請求項９】 該応力誘導領域が、該内部クラッディン
    グの屈折率より大きい屈折率を有する請求項３に記載の
    物品。
  10. 【請求項１０】 レーザを含む請求項１に記載の物品。
  11. 【請求項１１】 増幅器を含む請求項１に記載の物品。
  12. 【請求項１２】 光通信システムを含む請求項１に記載
    の物品。
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