JP4891812B2 - 材料分散よりも大きな総分散を有する光ファイバと光ファイバ・デバイス - Google Patents

Description

本発明は、デバイスの総分散が材料分散より大きい光ファイバ・デバイスに関する。

光ファイバは、複数の空間パターンで光を導くことができ、空間パターンのそれぞれは、そのファイバの横モード（以下、略してモードと呼ぶ）として一意に指定される。ファイバ内の光信号の分散の特性は、その光信号が移動しているモードによって決まる。したがって、各モードは、そのモード特有の分散値で特徴付けることができる。モードの分散は、概ね材料分散（Ｄ_ｍ）と導波路分散（Ｄ_ｗ）の和に等しい。材料分散は、光信号がその中に存在する材料、すなわちファイバの材料（最も一般的には、微量のゲルマニウム、リン、フッ素、および他のドーパントを有するシリカ）の分散である。導波路分散は、ファイバ導波路を規定する屈折率プロフィルによるものである。したがって、モードの分散（Ｄ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｄ_ｍ＋Ｄ_ｗ）は、ファイバの屈折率プロフィルを適切に変える（これはＤ_ｗを修正する）ことによって指定することができる。下記で述べるように、多くの光ファイバ設計にとって、導波路分散Ｄ_ｗは負である。したがって、ファイバの屈折率プロフィルは、Ｄ_ｗの極めて大きな負の値を得るように設計することができ、したがって変化する負の大きさのファイバ分散Ｄ_{ｔｏｔａｌ}を達成することができるが、大抵のファイバは、最大の達成可能な分散において、材料分散によって制限される。シリカは、様々なドーパントを有する場合でも、概して１３００ｎｍより大きい波長について０より大きいＤ_ｍを有し、１３００ｎｍより短い波長について０未満のＤ_ｍを有する。したがって、大抵の光ファイバは、１３００ｎｍより大きい波長について正または負の分散（Ｄ_{ｔｏｔａｌ}）を達成することができるが、１３００ｎｍより短い波長については０未満のＤ_{ｔｏｔａｌ}を有するにすぎない。

ファイバ内の光パルスの光応答は、そのファイバが受ける分散に非常に依存する。これは、パルス拡散など線形効果と、パルス歪みおよびソリトン形成など非線形効果の両方について真実である。したがって、ファイバの分散は、ファイバをベースとするデバイスを設計する際に、鍵となる役割を果たす。光ファイバ通信システムは、一般に１３００ｎｍで、または１５００ｎｍと１６５０ｎｍの間で動作するが、多数の他の重要な光システムはより低い波長で動作する。ファイバ・レーザにとって好ましい動作波長は１０６０ｎｍにある。いくつかのポンプ・プローブ実験で、ならびに生物医学的な撮像または療法で使用される、ありふれたチタン・ドープ型サファイア・レーザは、典型的には７００ｎｍから１０００ｎｍの波長範囲内で動作する。最後に、人の目で見えるすべての波長、したがってレーザ・ポインタなどいくつかの市販装置が機能する波長は、４００ｎｍから７００ｎｍの範囲に及ぶ。これらの応用例すべてに共通するものは、シリカ・ファイバで負の分散しか得られない１３００ｎｍより短い動作波長である。これらの波長範囲内で正またはゼロの分散を有するファイバは、ソリトンの伝播を可能にし、たとえば生物医学的な撮像システムにとって興味深い広帯域のスーパーコンティニューア（ｓｕｐｅｒｃｏｔｉｎｕａ）を生成することになる。多数のこれらのシステムにとって、正の、しかし低分散のファイバは、これらの波長で必要とされる。したがって、その分散が正であり、屈折率プロフィルを適切に設計することによって調整することができる、波長１３００ｎｍ未満の光パルスについて安定した伝播を実現することができる光ファイバが求められている。これは、その波長分散Ｄ_ｗを、任意の所望の波長範囲においてゼロより大きくなるように設計することができるファイバを必要とする。

多くの光ファイバはシングル・モードであり、これは、それらの光ファイバが、やはりＬＰ_０１モードとして指定される、最も低い次数の基本モードだけをサポートすることを意味する。下付き文字の２つの数字は、それぞれ方位角方向（第１下付き文字）と半径方向（第２下付き文字）における、空間光パターンが有する強度最低値（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｉｎｉｍａｓ）（ゼロ）の数を指す。前述のように、屈折率プロフィルがシリカに対する様々なドーパントによって規定される標準的なシリカ・ファイバにおけるＬＰ_０１は、Ｄ_ｗ＜０を達成することができるにすぎない。したがって、これらのファイバの部類全体が、最大Ｄ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｄ_ｍ、すなわちシリカの材料分散を有する可能性がある。１３００ｎｍ未満の波長についてＤ_ｍが０未満であるため、この波長範囲内でＤ_{ｔｏｔａｌ}＞０を達成することは可能ではない。

ファイバの軸に沿って長手方向で延びる気孔を含むファイバ（以下、エア・シリカ・ファイバと呼ぶ）は、Ｊ．Ｃ．Ｋｎｉｇｈｔと共働者らによって、「Ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ」という名称でＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓの２０００年７月号の第１２巻、８０７頁に述べられているように、興味深い特性を有する。Ｋｎｉｇｈｔらは、エア・シリカ・ファイバが任意の波長範囲内で大きな正の分散を達成することができることを実証している。しかし、エア・シリカ・ファイバの分散は、それらのモード領域に密接に結ばれ、高分散ならびに大きな有効モード領域を達成することが可能ではない。したがって、この設計空間は、高い正の分散と、しかしまた低い非線形性を必要とするシステムにおいて使用が制限されるものとなる。さらに、これらのファイバは、高い複屈折と損失を有することで知られ、これらは共に、実用システムにおいてそれらの有用性を減少させる。さらに、従来の技術によって作製された全固体ファイバは、（エア・シリカ・ファイバの場合と同様に）ファイバ・プリフォームを手で組み立てることを必要とするファイバより常に安価であることになる。また、これらのファイバは終端問題を有する。すなわち、他のファイバへのスプライシングは、損失すなわち光学特性の変化に通じ、信頼性のあるものにできない。

Ｌｙｓｉａｎｓｋｙ、Ｒｏｓｅｎｂｌｉｔ及びＷｅｉは、Ｄ_ｗ＞０を得るための代替の技法を開示している。米国特許第６、７２４、９６４号においてＬｙｓｉａｎｓｋｙらは、ＬＰ_０１モードに加えて、高次モード（ＨＯＭ）をサポートする固体（すなわち、エア・シリカでない）ファイバの例示的な屈折率プロフィルを開示しており、その導波路設計は、ＬＰ_０２またはＬＰ_０３モードについて＋５０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍより大きな分散を生み出す。しかし、これらの設計は、１３００ｎｍ未満の波長範囲内でゼロまたは低い正の分散値を達成することを可能にせず、したがって、一般に７００〜９００ｎｍの波長範囲内でレーザと共に利用される、ソリトン圧縮およびスーパーコンティニューア生成など諸応用例に使用することができない。さらに、これらのＨＯＭファイバには、シングル・モードを超えるものをサポートする大抵のファイバに共通の難しい欠点がある。実質的に所望のＨＯＭ内にある光を有することが望ましいが、他のモードが存在することにより、そのような設計がモード結合を受けやすくなり、それにより、プロセス光が失われる、または有害な干渉ノイズ問題を引き起こす可能性がある。そのようなモード結合は、所望のモードと任意の他のモードとの有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）の差が減少するにつれて増大する。上記の著者らによって開示されている設計空間は、動作波長で、ＬＰ_０２モードおよびＬＰ_１１モードについて同一のｎ_ｅｆｆに通じる。したがって、これらの設計は、干渉ノイズ問題と損失のどちらも特に受けやすい。
米国特許第６、７２４、９６４号明細書 米国特許第６、０８４、９９６号明細書 米国特許第６、７６８、８３５号明細書 「Ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ」（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０００年７月号、第１２巻、８０７頁） ＳｎｙｄｅｒおよびＬｏｖｅ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ」（Ｃｈａｐｍａｎ ａｎｄ Ｈａｌｌ、ニューヨーク、１９８３） Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ、「Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄ ｇｒａｔｉｎｇ−ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｉｎ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２７巻、６９８頁、２００２年） Ｉｓｈａａｙａ外、「Ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｈｉｇｈ−ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅｓ」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３０巻、１７７０頁、２００５年）

したがって、従来の作製技法によって製造することができ、その屈折率プロフィルが、任意の波長範囲内で任意の大きさの正の分散を生み出すだけでなく、ファイバがモード結合を受けやすくないようなファイバ内のモード間隔を確保するようなものであるファイバが求められている。

本発明は、光学的非線形性を利用する様々なファイバ・デバイスにおいて望ましいはずであるＤ_{ｔｏｔａｌ}＜＋５０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍとなるように、任意の波長範囲内でＤ_{ｔｏｔａｌ}＞Ｄ_ｍを生み出す屈折率プロフィルを有する光ファイバを組み込む光ファイバ・デバイスを対象とする。前述の屈折率プロフィルは、光が実質的にファイバのシングル高次モード（ｓｉｎｇｌｅ ＨＯＭ）で存在するとき、所与の分散値を生み出す。典型的には、このＨＯＭはファイバのＬＰ_０２モードとなるが、当業者なら、そのような設計は、ＬＰ_１１モードまたはＬＰ_０３モードなど他のＨＯＭに拡張することができることを理解するであろう。本発明者らは、８２０〜９００ｎｍ、ならびに１０４０〜１１６０ｎｍの波長範囲内で小さな正のＤ_{ｔｏｔａｌ}（＜＋５０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ）を実現する例示的なプロフィルを示す。というのは、これらの波長範囲が、非線形光ファイバ・デバイスにとって特に興味深いものであり、従来のシリカ・ファイバが０未満のＤ_{ｔｏｔａｌ}を有するのがこれらの波長範囲内であり、代替を求める動機になるからである。

分散Ｄ_{ｔｏｔａｌ}の大きさに対する制約なしで、任意の波長範囲内でＤ_{ｔｏｔａｌ}＞Ｄ_ｍを生み出し、一方同時に信号の安定した、モード結合のない伝播を生み出す屈折率プロフィルもまた、本明細書で開示される。後者の特性を達成するために、ファイバ設計は、１０^−４より大きな絶対値の、所望のＨＯＭと任意の他のモードとのｎ_ｅｆｆの差（以下、Δｎ_ｅｆｆとして指定される）をさらに達成するものに制約される。Ｄ_{ｔｏｔａｌ}＞０および絶対値Δｎ_ｅｆｆ＞１０^−４を達成する、本明細書でその設計が開示されているファイバのようなファイバは、現在バルクの光デバイスしか存在しない１３００ｎｍ未満の波長範囲内の様々なファイバ・デバイスを可能にすることになる。

本発明はまた、Ｄ_{ｔｏｔａｌ}＞Ｄ_ｍを有するデバイスを得るための装置であって、ファイバと、光伝播が実質的に所望のモード内で行われるように、入来光をファイバの所望のＨＯＭに変換する少なくとも１つのモード変換器とを備える装置に関する。場合によっては、このデバイスはまた、デバイスからの光の、よく知られているガウス空間パターンを得るように、デバイスの出力部でモード変換器を備えることになる。

一実施形態では、モード変換器は、静的または同調可能な長周期ファイバ・グレーティングである。

図１は、複数のモードをサポートする一方、ＬＰ_０２モードについて所望のＤ_{ｔｏｔａｌ}を生み出すように設計されるファイバの屈折率プロフィルを示す。この屈折率プロフィルは、半径位置１μｍに延びる０．０３９のΔＮを有するコア１０と、それに続く−０．００８のΔＮおよび厚さ０．５μｍを有するトレンチ領域（ダウン・ドープ・リング）１１と、それに続く０．０２７のΔＮおよび厚さ１．４μｍを有するアップ・ドープ・リング１２とを備える。その後で、シリカ・ガラスのみからなるファイバ・クラッディング１３が、ファイバのガラス・クラッディングの縁部に延びる。典型的なファイバの場合、これは、半径位置６２．５μｍに延びる。図１におけるプロフィルは、半径位置７μｍまでだけ示されている。というのは、ファイバの残りの部分は、シリカ・ガラス・クラッディングの延長にすぎないからである。この屈折率プロフィルは、ΔＮ、すなわち注目の領域とシリカ・クラッディングとの屈折率の差によって特徴付けられる。

図２は、図１で述べられているファイバについて、ＬＰ_０２モードの波長２０の関数としての分散を示す。８２０〜９００ｎｍの波長範囲内で極めて負であるシリカの材料分散（２１）もまた示されている。参照として、図２は、ゼロ分散ラインを示す破線（２２）をも示す。この図から、このファイバのＬＰ_０２モードは、大きな導波路分散Ｄ_ｗを有することが明らかである。これは、このモードの分散（Ｄ_{ｔｏｔａｌ}）がゼロと約＋５０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの間で変わる一方、その媒体についての材料分散Ｄ_ｍが、この波長範囲内で、−７８ｐｓ／ｎｍ−ｋｍと−１０９ｐｓ／ｎｍ−ｋｍとの間で変わるからである。Ｄ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｄ_ｍ＋Ｄ_ｗであり、Ｄ_ｍが極めて負であるため、Ｄ_ｗは、小さな正のＤ_{ｔｏｔａｌ}を生み出すためには、大きく、正でなければならない。

当業者なら、媒体の波長分散は、ＳｎｙｄｅｒおよびＬｏｖｅによって、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ」（Ｃｈａｐｍａｎ ａｎｄ Ｈａｌｌ、ニューヨーク、１９８３年）に詳しく述べられているように、導波路寸法と動作波長の相補的なスケーリングに対してほぼ一定であることが理解されるであろう。相補的スケーリング概念は、導波路の寸法尺度（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｃａｌｅ）と動作波長との所与の比率について、導波路がほぼ同じ導波路分散Ｄ_ｗを有することを述べている。したがって、図１は８００〜９００ｎｍ波長範囲内で小さな正の分散を生み出すファイバについて述べているが、屈折率プロフィルの半径方向寸法を適切にスケーリングすることにより、代替の波長で、ＬＰ_０２モードについて同じ大きさのＤ_ｗを生み出す同様の導波路が生み出されることになることを、当業者なら理解するであろう。したがって、この設計テンプレートを使用し、１３００ｎｍ未満の任意の所望の波長範囲内で、小さな正の分散を得ることができる。

さらに、図２は、波長に対するＤ_{ｔｏｔａｌ}の導関数によって規定される分散勾配が、動作波長に応じてゼロ、負、または正であることを示す。したがって、相補的スケーリング概念を用いると、この設計部類は、（ゼロを含む）任意の符号の分散勾配を生み出すことができ、一方同時に、１３００ｎｍ未満の波長範囲内について、小さな正のＤ_{ｔｏｔａｌ}を生み出すことは明らかである。

図３は、複数のモードをサポートする一方、ＬＰ_０２モードについて所望のＤ_{ｔｏｔａｌ}を生み出すように設計され、一方、さらに、光信号がモード結合に対して安定したものであるように保証するファイバの屈折率プロフィルを示す。この屈折率プロフィルは、半径位置１．１μｍに延びる０．０２６のΔＮを有するコア３０と、それに続く−０．００８７のΔＮおよび厚さ１．４μｍを有するトレンチ領域３１と、それに続く０．０２２のΔＮおよび厚さ０．７μｍを有するアップ・ドープ・リング３２と、それに続く−０．００８５のΔＮおよび厚さ０．７μｍを有するトレンチ領域３３と、それに続く０．０１５のΔＮおよび厚さ１．４４μｍを有するアップ・ドープ・リング３４と、それに続く−０．００７３のΔＮおよび厚さ１μｍを有するトレンチ領域３５とを備える。その後で、シリカ・ガラスのみからなるファイバ・クラッディング３６が、ファイバのガラス・クラッディングの縁部に延びる。

図４は、図３で述べられている導波路のＬＰ_０２モードについて分散Ｄ_{ｔｏｔａｌ}を示す。明らかなように、ＬＰ_０２モードは、波長１０４０ｎｍで、＋１００ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの大きさまで、大きな正の分散を有する。さらに、１０４０ｎｍから１１６０ｎｍにかけて、１２０ｎｍにわたる波長範囲内で正の分散を有する。

図５は、図３に示されているファイバについて、２つの異なるモードの有効屈折率ｎ_ｅｆｆを示す。線５０は、大きな正のＤ_{ｔｏｔａｌ}を有し、所望の動作モードであるＬＰ_０２モードのｎ_ｅｆｆであり、線５１は、このファイバの所望のＬＰ_０２モードのｎ_ｅｆｆ値に最も近いｎ_ｅｆｆ値を有するＬＰ_１１モードについてのｎ_ｅｆｆである。このファイバから明らかなように、２つのモード間のｎ_ｅｆｆの差は、１０４０ｎｍから１１６０ｎｍに及ぶ好ましい動作波長範囲全体にわたって、１０^−４より大きい。ＬＰ_０２モードと、このファイバの任意の他の導波モードとの間のこの大きな分離は、ＬＰ_０２モード内で伝播する光がこのファイバの任意の他のモードに容易に結合しないように保証し、したがって、光信号の安定した、モード結合のない低損失伝播を確保する。このファイバ内の他の導波モードのｎ_ｅｆｆは図５にプロットされていない。というのは、ＬＰ_０２モードからのそれらの分離がさらに長く、したがって、モード結合による不安定性に貢献しないからである。一般に、この部類のファイバ設計については、通常、あらゆる導波モードのｎ_ｅｆｆを計算し、所望のＨＯＭと任意の他のモードとのｎ_ｅｆｆの最小の差が１０^−４を超えるように保証することが必要である。

これまでは、２つの例示的なファイバ屈折率プロフィルについて述べられている。一方は、媒体（通常、微量のドーパントを有するシリカ）の材料分散Ｄ_ｍより大きなＤ_{ｔｏｔａｌ}を生み出すが、１３００ｎｍ未満の波長範囲内でＤ_{ｔｏｔａｌ}＜５０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍである。他方は、１３００ｎｍ未満の波長で、Ｄ_{ｔｏｔａｌ}について任意の高い正の値を有する、分散Ｄ_{ｔｏｔａｌ}＞材料分散Ｄ_ｍを提供し、その結果、安定した動作を確保するように、所望のモードと寄生モードとのΔｎ_ｅｆｆが常に１０^−４を超える。図６は、上記の条件を共に満たすＬＰ_０２モードを生み出すよう作製されたファイバ・プリフォームの屈折率プロフィルを示す。図７は、図６で表されたファイバについてＬＰ_０２モードの分散（Ｄ_{ｔｏｔａｌ}）を示す。ＬＰ_０２モードは、８２０ｎｍから９２０ｎｍにかけて１００ｎｍにわたる波長範囲について、分散Ｄ_{ｔｏｔａｌ}＜＋４０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍを有する。したがって、これは、材料分散が大きく、負（図２に示されているように、約−１００ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ）である波長範囲内で低い正の分散を有するファイバを生み出す。図７に示されている分散曲線（ならびに図２に示されている曲線）は、注目の波長範囲内で、すなわち動作波長で、ターンオーバ領域を有することに留意されたい。

図８は、それぞれＬＰ_０２モード（８０）とＬＰ_１１モード（８１）のｎ_ｅｆｆを示す。図３、４、５に示されているファイバの場合と同様に、ＬＰ_１１モードは、このファイバのＬＰ_０２モードに最も近いｎ_ｅｆｆを有し、したがって、ここではモード結合に対する抵抗を評価するために、それらの差を調査すれば十分である。図８から、ｎ_ｅｆｆ（Δｎ_ｅｆｆ）の差が、８２０ｎｍから９２０ｎｍに及ぶ所望の動作波長全体にわたって１０^−４より大きいことを推論することができる。

上記の考察はすべて、好ましい動作モードがＬＰ_０２モードであるファイバについて述べている。同じ設計技法を実施し、伝播が別の高次モードで行われ、上述の分散および安定性特性を有するファイバを生み出すことができる。

前述の本発明のファイバを使用する光デバイスは、光信号をＨＯＭファイバの好ましいモード内に導入するために、モード変換器を必要とすることになる。したがって、その空間パターンが従来のファイバならびに自由空間ビームにとって好まれるモードであるため、通常、空間パターンがガウス形である入来光ビームは、高い効率で、好ましいＨＯＭに空間的に変換しなければならない。これは、好適に設計された長周期ファイバ・グレーティングを用いて容易に達成することができ、その静的なモード変換器と動的なモード変換器の双方としての動作は、米国特許第６、０８４、９９６号および６、７６８、８３５号に詳しく述べられている。ファイバ・グレーティング・モード変換器は、Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎらによって実験で実証されており、「Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｌｏｎｇ−ｐｅｒｉｏｄ ｇｒａｔｉｎｇ−ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｉｎ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ」という名称でＯｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第２７巻、６９８頁、２００２年に述べられているように、０．１ｄＢという低さの損失を達成し、一方、９９．９９％という高さのモード変換効率を提供することができる。ファイバ・グレーティングを使用する例示的なデバイス構成が図９（ａ）に示されており、デバイス内の好ましい動作モードが異なる可能性があっても、デバイスの入力ならびに出力が確実に従来のガウス・モードとなるように、ＨＯＭファイバがファイバの入力および出力部でグレーティングに接続される。光源、および矢印によって表された光路は、任意の好適な波長を有することができるが、好ましくは、１３００ｎｍ未満である。また、従来の低次モード（ＬＯＭ）、典型的にはＬＰ_０１と、所望の分散特性および安定性特性を有する所望のＨＯＭ、好ましくはＬＰ_０２とのモード・イメージが、この概略図に示されている。このように構成され、このデバイスは、任意の他のシステムに連結することができ、レーザ・キャビティ内で正の分散を必要とするＹｂドープ・ファイバ・レーザ、または、光が固体レーザを脱出した後でこのデバイスが使用されるＴｉ：サファイア・レーザのためのパルス送達方式とすることができる（レーザおよびシステム・アーキテクチャは図示せず）。別法として、ディスクリート位相プレートが、Ｉｓｈａａｙａらによって、「Ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｈｉｇｈ−ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅｓ」という名称でＯｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３０巻、１７７０頁、２００５年に述べられている。この概略図は、図９（ｂ）に示されている。いくつかの応用例は、平行化することができ、形状がガウス形でない高パワー・ビーム出力を望む。そのような応用例に対しては、図９（ｃ）の概略図が好適であり、適切なモード変換器が、入来ガウス・モードを所望のＨＯＭに変形するが、出力は単純に平行化され、自由空間内で中継される。

上述のように、光ファイバ・デバイスは、光ファイバの断面内での総分散が光導波路の断面内での材料分散より大きくなるように、光導波路、好ましくは光ファイバの断面内での高次モード（ＨＯＭ）の伝播用に設計される。これを達成するために、光導波路／ファイバは、ＨＯＭの伝播を、主伝播モードとして、すなわち、大抵の光エネルギーが好ましいＨＯＭ内にある状態でサポートする。前述のように、大抵の光エネルギーが好ましいＨＯＭ内にあるように、すなわち、モード変換されないように保証するために、好ましいＨＯＭは、任意の他のモードについての有効屈折率と少なくとも０．０００１だけ異なる有効屈折率を有する。本発明を規定するために、この特性を有する光ファイバは、少数モード・ファイバ（ｆｅｗ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）、すなわち基本モードに加えて少なくとも１つのモードをサポートするものと呼ぶことができる。

当業者なら、本発明の様々な追加の修正を思い付くであろう。この原理、および当技術分野がそれを介して進歩してきたそれらの均等物に基本的に依拠する、本明細書の特定の教示からのあらゆる逸脱は、述べられている、また特許請求されている本発明の範囲内にあるものと適正にみなされる。

複数のモードをサポートし、そしてＬＰ_０２モードについて所望のＤ_{ｔｏｔａｌ}を生み出すように設計されたファイバの屈折率プロフィルを示す図である。 図１のファイバについて、ＬＰ_０２モードの波長２０の関数としての分散を示す図である。 複数のモードをサポートし、ＬＰ_０２モードについて所望のＤ_{ｔｏｔａｌ}を生み出すように設計され、さらに、光信号がモード結合に対して安定したものであるように保証するファイバの屈折率プロフィルを示す図である。 図３で述べられている導波路のＬＰ_０２モードについて分散Ｄ_{ｔｏｔａｌ}を示す図である。 図３のファイバについて、２つの異なるモードの有効屈折率ｎ_ｅｆｆを示す図である。 所定の条件を満たすＬＰ_０２モードを生み出すよう作成されたファイバ・プリフォームの屈折率プロフィルを示す図である。 図６のファイバについて、ＬＰ_０２モードの分散（Ｄ_{ｔｏｔａｌ}）を示す図である。 図６のファイバについて、ＬＰ_０２モードとＬＰ_１１モードのｎ_ｅｆｆを示す。 ファイバ・グレーティングを使用する例示的なデバイス構成を示す図である。

Claims (9)

1. ａ）コアとクラッドとを有する第１の長さの全固体ガラス光ファイバを含み、前記コアは、１３００ｎｍ未満の波長を有する第１のモードをサポートし、さらに、
   ｂ）前記第１のモードの光を、１３００ｎｍ未満の波長を有する、前記第１のモードよりも高いモードである第２のモード（ＨＯＭ）の光に変換するモード変換器と、
   ｃ）コアとクラッドとを有する第２の長さの全固体ガラス光ファイバを含み、前記ＨＯＭが前記第２の長さの全固体ガラス光ファイバの前記コアを伝搬するものであり、
   前記ＨＯＭの総分散は、正であり、そして、前記第２の長さの全固体ガラス光ファイバの材料分散より大きく、
   前記第２の長さの全固体ガラス光ファイバの分散は分散対波長関係において１３００ｎｍ未満のある波長範囲でターンオーバ点を有し、そして、
   前記ＨＯＭの有効屈折率が、少なくとも０．０００１だけ、前記コアを伝搬する任意の他のモードの有効屈折率とは異なる、光デバイス。
2. 実際に使用される前記ＨＯＭの波長における前記総分散の勾配が正である、請求項１に記載の光デバイス。
3. 実際に使用される前記ＨＯＭの波長における前記総分散の勾配が負である、請求項１に記載の光デバイス。
4. 前記ＨＯＭがＬＰ_０２である、請求項１に記載の光デバイス。
5. 低次モードを前記ＨＯＭに変換するモード変換器と組み合わされた請求項１に記載の光ファイバを備える光デバイス。
6. 前記モード変換器が長周期グレーティングである、請求項５に記載の光デバイス。
7. 前記モード変換器が位相プレートである、請求項５に記載の光デバイス。
8. 前記ＨＯＭを低次モードに変換するモード変換器をさらに含む、請求項５に記載の光デバイス。
9. 実際に使用される前記ＨＯＭの波長における前記総分散の勾配が零である、請求項１に記載の光デバイス。

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