JP5247030B2 - 単一偏波光ファイバレーザ及び増幅器 - Google Patents

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関連出願の説明

本特許出願は、同じ譲受人に譲渡され、弁理士案件番号がＳＰ０３−０８８Ｐの、２００３年６月１９日に出願された、米国特許出願第６０/４７９８９２号に関する。

本発明は全般的には光能動デバイスに関し、さらに詳しくは単一偏波光ファイバレーザまたは増幅器に関する。

イッテルビウムドープファイバレーザのような希土類元素ドープファイバレーザには、材料処理、製品マーキング及び刻印並びに微細加工のような分野での用途がある。高パワー、挟線幅及び高パルスエネルギーで動作するイッテルビウムドープファイバレーザが開発されつつある。ファイバレーザの応用領域は、別の動作波長を利用でき、さらに高い出力パワーでさえも利用できることによって広がるであろう。それぞれは、非線形波長変換及びいくつかのファイバレーザのコヒーレント結合によって達成できよう。これらの用途の多くに必要な直線偏波出力はファイバレーザのその他の属性に比べてそれほど研究されていない。

したがって、レーザ及び増幅器に対して偏波方向が安定な直線偏波発光を利用できることがいくつかの応用では有用であり、必要でさえあり得る。直線偏波または単一偏波に対しては、ランダムな楕円偏波入力光を受け取り、単一偏波だけをもつ偏波出力光を与える光偏波（ＰＺ）ファイバを得ることが望ましい。偏波特性（単一偏波）は、偏極が直交する２つの偏波の内の１つ、しかも１つだけを伝搬させ、同時に他方の偏波は伝送損失を高めることによって抑制する。そのような単一偏波ファイバは一般に屈折率プロファイルの方位角非対称性を有する。単一偏波光ファイバは超高速伝送システムに有用であり、あるいは光コンポーネント（レーザ、ＥＤＦＡ、光計器、干渉型センサ、ジャイロスコープ等）とともに使用されてこれらに接続されるカップラファイバとしての使用に有用である。単一偏波レーザすなわち直線偏光レーザは広汎な分野で有用な直線偏波単一横モード光波の発光を得るために用いることができる。これらの分野には、遠距離通信、光伝送、計装、スペクトロスコピー、医学、化学種検出及びテレメトリーがある。より特殊ないくつかの例と同様に、直線偏波ファイバ増幅器（ＬＰＦＡ）は、従来のエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）に代わり、希土類ドーパントがドープされたＰＺファイバの全てまたは一部が光でポンピングされたときに、光ファイバジャイロスコープ、干渉型ファイバセンサ、非線形周波数変換、偏波多重化及びほとんどの位相または振幅変調器構成での使用に対し、１つの直線偏波状態に対して直交状態に対するよりもかなり高い利得を有する。そのような偏波ファイバレーザまたは増幅器を有することにより、２つのビームを、これらが直交偏波である限り、結合して異なる偏波モードを有する単一出力にするために既知の偏波ビーム多重化（ＰＢＭ）を用いることで高められた逓倍能力を達成できる。

単一モード光導波路の偏波性能における若干の改善が、異なる偏波の分離手段として対称ファイバコアを引き延ばすかまたは歪ませることによって達成された。しかし、非円形状及びそれにともなう応力誘起複屈折だけでは一般に、改善されたファイバレーザまたはファイバ増幅器としての使用あるいは改善されたパワー逓倍のための偏波ビーム多重化のために所望の単一偏波を維持するに十分ではない。

したがって、維持可能であり、ＰＢＭによるパワー逓倍に十分な、単一偏波を与えるファイバレーザまたは増幅器を得ることが進行中の開発分野である。

さらに、外部擾乱に対して頑健かつ安定な単一直線偏波（ＳＰ）ファイバレーザ発振器または増幅器が必要とされている。頑健かつ安定とは、単一直線偏波を維持するデバイスを意味する。

ラマン散乱及びブリュアン散乱のような非線形効果を回避するためには、高パワー用途に対して大きな有効面積をもつＳＰファイバレーザ発振器または増幅器を作成することも必要である。

コヒーレントビーム結合手法を用いて光パワーを逓倍できるためにも、安定な線形ＳＰファイバ発振器及び増幅器が必要である。

最後に、高出力パワーにおいて、同時に伝搬している直交偏波モードの非線形結合によって生じる時間的不安定性を回避するためには、ＳＰファイバレーザ発振器及び／または増幅器が必要である。

以下の定義及び術語は技術上普通に用いられている。

屈折率プロファイル−屈折率プロファイルは、光ファイバの選択された区画にわたる、屈折率（Δ％）と（光ファイバの中心線から測った）光ファイバ半径の間の関係である。

半径−光ファイバの区画の半径は一般に、用いられる材料の屈折率が異なる組成をとる点に関して定められる。例えば、中心コアはコア区画の第１の点が中心線上にあるからゼロの内半径を有する。中心コア区画の外半径は導波路の中心線から正のΔを有する中心コアの屈折率の最終点まで引かれた半径である。中心線から外れた第１の点を有する区間については、導波路の中心線から第１の屈折率点の位置までの半径がその区間の内半径である。同様に、導波路の中心線から区画の最終屈折率点の位置までの半径がその区間の外半径である。例えば、中心コアを囲むダウンドープ環状区画は環状区画とクラッド層の間の界面にある外半径を有するであろう。

相対屈折率パーセントΔ％−Δ％という術語は式：
Δ％＝１００×（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃ ^２）/２ｎ_ｉ ^２
で定義される屈折率の相対尺度を表す。ここでΔ％はｉと表される屈折率プロファイル区画の最大屈折率であり、基準屈折率ｎ_ｃはクラッド層の屈折率としてとられる。区画内の全ての点は、付随する、クラッド層に対して測定される相対屈折率を有する。

アルファプロファイル−アルファプロファイルという術語は、ｂを半径として式：
Δ（ｂ）％＝[Δ（ｂ_０）（１−[αｂ−ｂ_０α/（ｂ_１−ｂ_０）^α]）]×１００
にしたがうΔ（ｂ）％で表されるコアの屈折率プロファイルを指す。ここでｂ_０はコアプロファイルの最大点であり、ｂ_１はΔ（ｂ）％がゼロである点であり、ｂはｂ_ｉからｂ_ｆの範囲内にあり、すなわちｂ_ｉ≦ｂ≦ｂ_ｆであって、Δ％は上式で定義され、ｂ_ｉはアルファプロファイルの始点であり、ｂ_ｆはアルファプロファイルの終点であり、αは実数の指数である。アルファプロファイルの始点及び終点は選択されて、コンピュータモデルに入れられる。本明細書に用いられるように、アルファプロファイルにステップ屈折率プロファイルが続くならば、αプロファイルの始点はαプロファイルとステッププロファイルの交点である。モデルにおいて、αプロファイルを隣接プロファイル区画のプロファイルと滑らかに接続させるため、上式は：
Δ（ｂ）％＝[Δ（ｂ_ａ）＋[Δ（ｂ_０）−Δ（ｂ_ａ）]
×{（１−[αｂ−ｂ_０α/（ｂ_１−ｂ_０）^α]）×１００
と書かれる。ここでｂ_ａは隣接区画の第１の点である。

本発明の実施形態にしたがえば、線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路が、単一偏波波長範囲を決定するために、初めに設計及び／または測定される。次いで、単一偏波波長範囲と重なる動作波長範囲における導波路の動作を与えるために、活性ドーパントが線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路のコアにドープされる。

単一偏波動作の波長帯域において７０ｄＢより大きな偏波依存損失（ＰＤＬ）差を導波路が示すように、線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路の楕円コアの近くに空気で満たされているかまたは真空にされた孔が配置されることが好ましい。本発明にしたがってそのように形成された光能動型の線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路には、光能動型の線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路に光結合された光コンポーネントを備える単一直線偏波システムにおいて優れた効用がある。

本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、当業者には、ある程度は説明から容易に明らかであろうし、以下の詳細な説明、特許請求の範囲を添付図面とともに含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。

本明細書における説明の目的のため、そうではないと明白に詳述されている場合を除き、本発明が様々な代替構成を想定していることは当然である。添付図面に示され、以下で詳細に説明される特定のファイバが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の概念の例示的実施形態であることも当然である。したがって、本明細書に開示される実施形態に関する特定の寸法及びその他の物理特性は、別途に特許請求の範囲で明白に述べられていない限り、限定と見なされるべきではない。同様の要素の同様の機能は同じ数字で参照される。

図６を参照すれば、本発明の教示にしたがう光能動単一直線偏波デバイスの波長スペクトルが示されている。図１のファイバ３０のような線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路または図１２のファイバ区画におけるドープト楕円コアに融着接続されたアンドープ単一偏波ファイバ３０'は、第１の直線偏波固有モード４５にともなう偏波成分及び第２の直線偏波固有モード５０にともなう偏波成分を有する光を、十分長い導波路長にわたって累積される第１のモードと第２のモードの間の十分な偏波依存損失（ＰＤＬ）差（ＰＤＬは近似的に３ｄＢより大きい）をもって伝搬させ、第１の偏波モードは第１のカットオフ波長６０１で第１の３ｄＢ減衰を有し、第２の偏波モードは第２のカットオフ波長６０２で第２の３ｄＢ減衰を有し、第１のカットオフ波長と第２のカットオフ波長の間に単一偏波中心波長を有する単一偏波波長範囲４８が与えられ、第１のカットオフ波長は第２のカットオフ波長より小さい。

図１に見られるように、複数の活性ドーパント９０が、中心動作波長を有する動作波長範囲６５０における導波路の動作を与えるために、線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路３０の一領域３４に配され、動作波長範囲が単一偏波波長範囲４８に重なるように、単一偏波波長中心波長は中心動作波長に十分近い。図６の利得６５０が１０２０〜１１００ｎｍで生じるＹｂドープファイバレーザの特定の用途に対して単一偏波波長範囲４８が狭く示されているとしても、一般に動作波長範囲６５０は単一偏波波長範囲４８より広くまたは狭くすることができる。理想的には、動作波長範囲６５０の中心波長は単一偏波波長範囲４８の中心波長に一致すべきであるが、それぞれの中心波長は、２つの波長範囲６５０及び４８が少なくとも光能動単一直線偏波デバイスの図１の出力信号６６の動作波長に重なるように、互いに十分近づけることができる。したがって、光能動単一直線偏波デバイスは導波路設計パラメータによって単一偏波波長範囲４８内で発振するかまたは増幅するようになる。

本明細書で用いられるように、術語「線形複屈折性」は当該媒質の伝搬の２つの主状態が直線偏波になっており、そのような２つの直線偏波状態が相異なる伝搬定数の実効実数部（屈折率）を有することを意味する。「直線２色性」という別の限定は、偏波状態が相異なる伝搬定数の虚数部（損失）も有することを意味する。

伝搬定数は、与えられた周波数において時間とともに正弦的に変化する電磁場モードに対する任意の電場成分の複素振幅の、与えられた方向の距離に対する、対数変化率である。特定のモードに対する軸方向伝搬定数の実数部は減衰定数と称される。モードパワーに対する減衰係数は減衰定数の２倍である。

偏波は一般に輻射光に関して定められ、単一面に対する磁場ベクトルまたは電場ベクトルの振動の限定を表す。電磁輻射ビームにおいて、偏波方向は（電場は正逆方向に振動するから正と負が区別されない）電場ベクトルの方向である。空間のいずれかの与えられた停留点近くにおいて、ビームの偏波方向はランダムに変わることができ（非偏波ビーム）、一定のままであることができ（平面偏波または直線偏波ビーム）、あるいはそれぞれの偏波方向が直角をなす２つのコヒーレントな平面偏波要素を有することができる。平面偏波の場合、光ビームの電場ベクトルは全て一定の単一面内で振動する。２つのコヒーレント平面偏波の場合、２つの波の振幅及びそれらの相対位相に依存して、合成電場ベクトルは楕円を描き、電磁波は楕円偏波であるといわれる。楕円偏波及び平面偏波は複屈折光学系を用いて相互に変換することができる。

複屈折は一般に、光ビームが２重屈折性物体に入ったときの、速軸及び遅軸に沿う、一般に常光線及び異常光線として知られる、２本の発散光線への光ビームの分離を指す。

２色性は、異方性材料に関して、導波路の伝搬軸に対するある特定の面内で振動する光波の選択的吸収と定義される。伝搬軸に対して直角の面内で振動する光線は吸収されない。異方性は、相異なる伝搬軸に沿って、または進行波の相異なる偏波に対して、相異なる特性を示す物質の特徴をいう。

したがって、偏波依存損失（ＰＤＬ）は、伝搬波の偏波状態が導波路内で変化する線形複屈折性及び直線２色性を有する導波路における損失であり、最大損失と最小損失の間の差としてデシベルで表される。

「高複屈折性」ファイバ、「偏波保持」ファイバ、「偏波（ＰＺ）」ファイバ、または「偏波非対称」ファイバは、「線形複屈折性及び直線２色性を有する」導波路の一種である、偏波保存（ＰＭ）ファイバを指す。一般に、いずれの高複屈折性ファイバも偏波保存ファイバである。線形複屈折性については光ファイバのいわゆる「ビート長」が測定され、直線２色性についてはファイバのＰＤＬが測定される。

高複屈折性は偏波保存または偏波保持に対する別称である。複屈折性材料においては、光波の振動方向にともなって屈折率が変化する。低屈折率を有する方向は速軸であり、速軸に直角な、高屈折率を有する方向は遅軸である。偏波保持または偏波保存（ＰＭ）ファイバは、ビームがファイバの長さを通って伝搬する間、ファイバに入る光の偏波面を保持する単一モードファイバと定義される。偏波は、ファイバ構造に形状（形状複屈折）または内部応力（応力誘起複屈折）の偏波非対称性を導入することによって保存される。この非対称性のため、ファイバで伝送される２つの互いに直交する偏波モードは相異なる伝搬定数を有し、通常の単一モードファイバと比較して、相互間のクロスカップリングが低減される。偏波保持または偏波保存光ファイバにおいて、複屈折を導入するために用いられる要素は応力印加部分（ＳＡＰ）と称される。ＳＡＰはファイバ材料の他の部分とは異なる膨張係数を与えるために高濃度にドープされ、線引きされたファイバが冷えると、ファイバで伝送される２つの互いに直交する偏波モードの間のクロスカップリングを制限する残留応力がＳＡＰによって生じる。ＳＡＰはファイバコアを囲む楕円形または矩形のクラッド層として構成することができ、あるいはＳＡＰの対をコアの両側に配置することができる。

したがって、ＰＭまたはＰＺファイバは、第２の偏波モード５０の損失がゼロであり、第１のモード４５の損失または減衰が第１のカットオフ波長において３ｄＢであるような許容できる線形複屈折性及び直線２色性を有する導波路と見なされるためには、単一偏波波長範囲またはウインドウ４８にわたって十分な偏波依存損失（ＰＤＬ）を有していなければならない。第２のモード５０の損失は第２のカットオフ波長として表される波長において３ｄＢである。第１のカットオフ波長と第２のカットオフ波長の間の範囲４８内の波長に関して、第１のモードは実質的に３ｄＢより大きい損失を受けるが、第２のモード５０は３ｄＢより小さな損失を受ける。波長範囲４８は単一偏波波長ウインドウと称される。

本発明の教示にしたがえば、ファイバ３０で表されるような線形複屈折性及び直線２色性を有する導波路の導波路パラメータを設計することによって、単一偏波範囲４８に一致するかまたはそうではなくとも重なる動作波長範囲６５０における動作のための、単一直線偏波デバイスが得られる。単一偏波は本発明においては終始単一直線偏波と理解されるべきであり、以降ファイバ３０を指す場合には、簡単のため、ＰＺまたはＰＭファイバは線形複屈折性及び直線２色性をともに有する導波路を意味することになる。

２重クラッドファイバまたはデュアルクラッドファイバは、高屈折率外部クラッド層及びコア領域内への強い閉込めの結果として、広い伝送帯域幅及び導波モードの減少に対する低い曲げ損失を示す光ファイバである。可能な一実施形態として、単一直線偏波デバイスを形成するために二重クラッド型の線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバを用いることができる。

得られる単一直線偏波デバイスは、光能動型の線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバ自体であるかまたは、そのようなファイバが組み込まれた、最も普通の輝度変換用途としての、レーザまたは増幅器である。

知られているように、ＬＡＳＥＲ（レーザ）はlight amplification by stimulated emission of radiation（誘導放射による光増幅）の頭字語である。レーザは、両端に平面または球面のミラーをもつ、レーザ作用をもつ材料で満たされたキャビティである。そのような材料は、その原子が光または放電によって準安定状態に励起され得るいずれかの材料−結晶、ガラス、液体、染料または気体−である。原子が基底状態に落ち戻るときに原子によって放射される光は別の近くの原子を励起し、よって光がミラー間を往復している間に、光の強度が連続的に高められる。１つのミラーが光の１ないし２％を透過させるようにつくられていれば、単色性の強い、コヒーレント光の高輝度ビームがミラーを通して放射される。平面ミラーが用いられる場合、ビームは強くコリメートされる。凹面ミラーによれば、キャビティの一端近くの点源からビームが出てくるように見える。

光ポンピングは、一組のエネルギー準位にある原子または原子系の数が材料に入る光の吸収によって変化するプロセスである。このプロセスは原子を特定の高エネルギー準位に上げ、いくつかの中間準位間に反転分布を生じさせることができる。レーザ内の低エネルギー状態への電子または分子の誘導遷移の結果としてコヒーレント光を放射する材料は、レーザ発振媒質または能動レーザ媒質と称される。

蛍光は、波長が短い何か別の輻射の吸収の結果としての、波長がより長い光またはその他の電磁輻射の物質による放射であり、蛍光を生じる刺激が維持されている間だけ放射が続く。言い換えれば、蛍光は励起後約１０^−８秒より短い間持続する発光現象である。

ファイバレーザは、レーザ発振媒質が光増幅を可能にするために低レベルのハロゲン化希土類元素をドープした光ファイバである、レーザである。出力は広い範囲にわたって同調可能であり、広帯域とすることができる。ファイバレーザの閾パワーは低いため、レーザダイオードをポンピングに用いることができ、冷却の必要はない。

単層クラッド型または２層クラッド型の線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバがファイバレーザの一実施形態において光ポンピングされる場合、光活性ドーパントによる波長が短い何か別の輻射の吸収の結果としての、蛍光による動作波長範囲６５０内のより長い波長の光またはその他の電磁輻射の放射を、単層クラッド型またはデュアルクラッド型の単一直線偏波ファイバレーザまたは増幅器を形成するために用いることができる。

図６の動作波長範囲６５０は、レーザに対しては利得曲線または利得帯域、また増幅器に対しては増幅度曲線と称される。一般に、利得または増幅度は増幅器を通ってある点から別の点に伝送される信号の増分である。信号が通過するためのある周波数において吸収ではなく利得を示す材料は活性媒質として知られる。増幅器及びレーザのいずれにおいても、活性媒質は与えられた動作波長においておそらくは光の吸収よりはむしろ誘導放出がおこるであろう媒質である。そのような媒質は反転分布として知られる状態、すなわち、あるエネルギー準位がより低い準位よりも密に占有される少なくとも１つの量子遷移を有することが必須である。

すなわち、単層クラッド型または２層クラッド型の線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバ３０は、単一偏波Ｅｒドープファイバ増幅器を形成するために、楕円コアを有し、図１のＥｒイオン９０をドープし、増幅器の単一偏波波長範囲４８において動作するように設計することができよう。単一偏波波長範囲４８及びこれに重なる動作波長範囲すなわち利得帯域幅６５０はＹｂファイバレーザに対する特定の波長で示されているが、これらの範囲は別の動作波長範囲及びこれに重なる単一偏波波長範囲にかけて適用され得ることは当然である。特に、単一偏波ファイバレーザは、３準位レーザまたは４準位レーザとして実施することができ、あるいは、Ｅｒドーパントを含む１.５μｍスペクトルにおける眼を安全に保つ動作のためのバンド間準３準位レーザとしてさえも実施することができる。１０６０〜１０８０ｎｍ４準位Ｙｂレーザ発振に対し、約９２０ｎｍまたは９８０ｎｍのポンピング光を用いることができる。

単層クラッド型または２層クラッド型の線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバ３０は動作波長範囲６５０において光入力を増幅するために用いられるであろう。図１のエルビウム（希土類元素）イオン９０はドーパントとして一般に数１００ｐｐｍレベルでファイバコア材料に添加される。したがって、ファイバは２〜９μｍのエルビウムレーザ発振波長において非常に透明であろう。レーザダイオードで光ポンピングされると、動作波長範囲において光利得が生じ、増幅がおこる。

通常の４準位遷移またはさらに複雑な３準位遷移に対する、単層クラッド型またはデュアルクラッド型のポンピングされるファイバまたは増幅器は既知であるが、単一直線偏波デュアルクラッドファイバレーザまたは増幅器は本発明まで知られていなかった。

全てのデュアルファイバレーザは、内部クラッド層を伝搬する、入射時には直線偏光である、ポンピング光が数ｍも伝搬すると急速に減偏光するという特性を有する。これは、ポンピング光誘起偏波依存利得による単一偏波発振を得ることを不可能にする。したがって、ＰＤＬを導入するための手段が必要である。ドーピングレベルを高めても（すなわち、ファイバコア屈折率デルタを大きくしても）、ファイバの偏波依存損失（ＰＤＬ）ではなく、単一偏波ウインドウしか大きくならない。必要なことは高い複屈折性及び非対称性であり、これは図２の双対孔ファイバにおいて楕円コア形状及び孔または開口の配置からもたらされる。別の設計において、高い複屈折性及び非対称性は、例えば非対称扁平クラッド層からもたらされ得る。

図１を参照すれば、本発明の、光能動ファイバ、輝度コンバータ、ファイバ増幅器、ファイバレーザ、誘電体導波路レーザまたは増幅器が図１に示され、同じかまたは機能的に同様な部品が同じ数字で参照されるいくつかの例示的または代表的な実施形態を参照して本明細書で全般的に説明され、図示される。一般に、ファイバレーザとしてあるいは増幅器として用いることができるであろう２重クラッド構造は２つのクラッド層３２及び３６を有する。第１の（内側の）多モードクラッド３２は多モードポンピングコアとして作用する。第１のクラッド層すなわちクラッド３２は単一モードコア３４に隣接し、第２のクラッド３６は第１のクラッド３２を囲む。第１の多モードクラッドすなわち内部クラッド層３２は、能動ポンピング源７２から、レンズ７０のような必要に応じて用いられる光学系によって結合される入力ポンピング光６４に対して、好ましくは約０.２〜０.５の範囲内の、高開口数（ＮＡ_クラッド）をもつ導波路としてはたらく。複製ファイバレーザは、ファイバがそれぞれの同様の寸法により高効率でモード整合するため、レンズ７０なしに増幅器を形成するためのポンピング源７２として直接にはたらくであろうことが知られている。

第１の多モードクラッドの断面（図３に見られるようにＤ_クラッドは内部クラッド層の長軸寸法Ａ'である）は、例えば、ポンピング源７２の近視野形状（Ｄ_レーザは大面積レーザ光放射アパーチャ４２の寸法である）またはポンピングビーム６４の結合効率を高める別のいずれかの機構または形状に整合させた、所望の形状を有するように設計することができる。第１のクラッド層と第２のクラッド層の間の開口数（ＮＡ_クラッド）はポンピングレーザダイオード７２の出力６４を捕捉するに十分な大きさでなければならない。実現される輝度の実増分は、コア面積に対するポンピングクラッド層面積の、クラッド対コア比（ＣＣＲ）に依存し、この比（ＣＣＲ）が高くなるほど輝度の増分が大きくなる。しかし、ポンピング光の吸収がこの比（ＣＣＲ）に反比例するから、コア断面とクラッド層断面の間の面積の隔たりが大きくなるほど長いデバイス長が必要となる。適宜に高いコア面積に対するポンピングクラッド層面積の比（ＣＣＲ）は、一般にこの比（ＣＣＲ）が高いほど与えられたポンピングパワーで達成され得る反転のレベルは低くなるから、３準位レーザ発振に対しては高反転レベルの達成を困難にするが、４準位レーザ発振に対してはそれほどの障害にならない。すなわち、ポンピング光吸収と反転は関係する。

したがって、クラッド対コア比（ＣＣＲ）が高い２重クラッドファイバ増幅器／レーザのコア３４におけるドーパント９０としてＥｒ，ＹｂまたはＮｄのような希土類元素を用いることには問題がある。ダイオードレーザバーから利用できる非常に高いパワーを用いても、レーザまたは増幅器のための３準位系の動作に必要な高反転レベルに達することは非常に困難である。

利得を得るためには、３準位遷移では＞５０％の高反転が必要である。準３準位遷移では、低くはなるが、極小の反転で利得が得られる４準位レーザに比べるとかなり高い反転レベルが必要である。イットリウムイオン及びネオジムイオン（Ｙｂ^＋３及びＮｄ^＋３）はそれぞれ、約９８０ｎｍにおける３準位レーザ発振系及び約９４０ｎｍにおける準３準位レーザ発振系を与える。３準位系において、レーザ発振は励起準位から基底状態または基底準位から数ｋＴより大きくは隔てられていない（すなわち、動作温度においては熱的に混合される）状態の間でおこる。この結果、ポンピングされていないドープトコアがレーザ波長において強い吸収を示し、不十分な反転分布のため、レーザ発振パワー閾値が問題となり得る。

競合する高利得４準位遷移の場合、例えば、ネオジム（Ｎｄ）についての約１０６０ｎｍにおいて、ポンピングされていない場合にドープトコアはレーザ信号波長において透明なままである。この結果、レーザ発振に対するパワー閾値は本質的に２重クラッドファイバ構造のドープトコア及び内部クラッド層の寸法、及びポンピング光吸収長にわたる２重クラッドファイバの背景損失に依存する。

同様に、Ｙｂ^＋３イオンは９７６〜９７８ｎｍにおける狭い６ｎｍ幅純３準位遷移において利得を有し、高パワー励起ＥＤＦＡのためのポンピング光源としてのイッテルビウムのかなりの有望性を示すが、透明性に対して数％の反転分布しか必要ではない広い準４準位遷移である、約１０３０ｎｍに（但し１１２０ｎｍまでも広がる）ピークをもつＹｂの別の競合高利得遷移のため、高効率Ｙｂ９７６ｎｍファイバレーザは未だに実現されていない。よって、９８０ｎｍの（または９７６ｎｍに近い）レーザ発振の達成が困難である理由は、レーザ発振パワー閾値も高いことを意味する、９７６ｎｍ遷移に対しては高い反転レベル（＞５０％）が必要なことである。さらに、Ｙｂの約１０１５〜１０３０ｎｍにおける競合準４準位遷移は、反転を飽和させる、増幅自然放出光（ＡＳＥ）を生じるため、約９７６ｎｍにおける十分な反転は達成しがたい。

上記の反転問題はＹｂの、２つの競合遷移における利得とポンピング光吸収の間の関係からおこっている。代表的な例として、Ｙｂドープゲルマノ−アルミノケイ酸ガラスにおける（均一な広がりを仮定した）２つの波長での利得は式（１）：

で関係付けられる。ここでＧ_１０３０及びＧ_９７６はそれぞれ１０３０ｎｍ及び９７６ｎｍにおける利得であり、α_Ｐはデシベル（ｄＢ）単位の部分褪色ポンピング光吸収率であり、Γ_Ｓ及びΓ_Ｐはドーパントプロファイルによる信号モード及びポンピングモードのそれぞれの重なり因子である。

アンチモンケイ酸ガラスのような別のホストに対しても、係数が異なる同様の関係式が成立するであろう。知られているように、二重クラッドファイバによりダイオードバー及びその他の同様な能動構造からの結合が可能になる。しかし、これは、信号波長においてコアモード対する十分な光利得を得るためにはドーピングが単一コアまたはその近傍に局限される必要があるから、通常は信号重なりに対するドーピングプロファイルによるポンピング光重なりを大きく減退させることによって達成される。一般に、コアは一様にドープされ、ポンピング光導波路と信号コアの間の面積比（ＣＣＲ）は通常の２重クラッドファイバレーザについて１００：１のオーダーである。この結果、Γ_Ｓ＝１及びΓ_Ｐ＜０.０１である。これらの値を式（１）に用いれば、１０３０ｎｍにおいて１ｄＢのポンピング光吸収毎に約２０ｄＢの利得が生じる。同様に、Γ_Ｓ/Γ_Ｐ＝５０の重なり比に対しては、１０４０ｎｍにおいて３６ｄＢまでも大きくなる利得が１ｄＢのポンピング光吸収毎に生じるであろう。

必然的に、競合遷移の利得が高くなれば、反転を飽和させる、増幅自然放出光（ＡＳＥ）のレベルが高くなる。弱ポンピングによってさえ、１０３０ｎｍにおけるＡＳＥは増幅器を飽和させ、９７６ｎｍにおけるレーザ発振に必要な反転分布の蓄積を消耗するかまたはそうではなくとも阻害するであろう。実際に、光キャビティがなくとも、より長い４準位波長におけるレーザ発振が後方散乱だけで可能である。したがって、高ポンピング光吸収は、キャビティを定めるレーザミラーが９７６ｎｍに調整されていても、１０３０ｎｍまたはさらに長い波長における利得に有利であろう。

すなわち、準３準位または３準位のクラッド層ポンピングファイバレーザにおいては、ポンピング光パワー空間分布のドープト領域との重なりが小さいことから必要な反転レベルが比較的低い（＜５％）競合４準位レーザ遷移の利得がかなり高くなる。したがって、必要な反転レベルにおいて所望の３準位または準３準位発振を達成するためにはこれらの競合遷移の利得を抑制することが必要である。

一定のポンピング光パワーに対して十分に長いファイバ長の作成は平均反転の減少と等価であるから、従来の手法の１つでは、約１０３０ｎｍでの準４準位遷移におけるレーザ発振は回避し、代わりに９８０ｎｍでのレーザ発振を優先させるに十分にファイバレーザ長が短くされていた。しかし、短ファイバレーザは効率が低い。

本発明の教示にしたがえば、９８０ｎｍにおけるＹｂ３準位遷移の場合に限れば、コア面積分の内部クラッド層面積（Ａ_クラッド/Ａ_コア）の面積比（ＣＣＲ）に密接に関係するΓ_Ｓ及びΓ_Ｐの所望の重なり比を推定するために式（１）を用いることができる。Ｙｂに対し、少なくともポンピング光の６ｄＢの吸収が望ましく、１０３０ｎｍでの競合準４準位遷移における４０強ｄＢの利得より多くを抑制することはできないとすれば、式（１）を用いて、所望のＡ_クラッド/Ａ_コアを計算することができる。すなわち、好ましいホストケイ酸ガラスに対し、所望のクラッド対コア比（Ａ_クラッド/Ａ_コア）はＹｂ２重クラッドファイバレーザについては８より小さいことがわかる。

したがって、単一偏波ファイバレーザまたは増幅器の作成のため、最適な２重クラッド３準位または４準位レーザ発振単一偏波動作のための光能動偏波（ＰＺ）ファイバ３０が特に設計される。より困難な３準位構成に対し、２重クラッド構造能動ファイバ３０は、３準位遷移を有する光励起可能なイオン９０または高反転レベルを必要とするいずれか別のタイプのイオンがドープされた、ドープト中心部すなわちコア３４を有する。コア３４はコア屈折率（ｎ_コア）及びコア断面積を有する。断面積はコア３４の寸法Ａ及びＢから計算することができる。内部クラッド層３２がコア３４を囲み、内部クラッド層３２はコア屈折率より小さい内部クラッド層屈折率（ｎ_{内部クラッド}）、コア断面積の２から２５倍の内部クラッド層断面積（２＜ＣＣＲ＜２５）及び１.５：１より大きいアスペクト比を有する。２重クラッド能動ファイバ３０のこの好ましい構造及び寸法により、６ｄＢより大きい、強いポンピング光吸収が可能になり、同時に長波長ＡＳＥが抑制される。内部クラッド層断面積は、本発明に教示され、図２によって例示され得るように、より長い寸法Ａ'を含む内部クラッド層の寸法から計算することができる。

図２を改めて参照すれば、外部クラッド層３６が内部クラッド層３２を囲み、内部クラッド層屈折率より小さい外部クラッド層屈折率を有する。

１０６０ｎｍにおける動作のための、ファイバ３０を用いる、Ｙｂファイバレーザの例は、複雑な３準位レーザよりも簡単な準４準位レーザの実施であろう。３準位レーザとしての動作とは対照的に、４準位レーザとしての動作では、内部クラッド対コア面積比（ＣＣＲ）には全く制限がないはずである。

しかし、より困難な、３準位遷移を有する光励起可能なＹｂイオンを含む能動ＰＺファイバ３０の使用に対しては、キャビティ及びファイバの最適化が実施されなければならない。能動ファイバ３０のポンピング端に、信号反射率が１００％で、ポンピング光に対しては透明なミラー６０が配置される。必要に応じて設けられる出力ミラー６２により、約４％の信号反射率が出力端に与えられる。導波路損失を無視すれば、Ｇ_９７６＝７ｄＢである。ポンピング光パワーの少なくとも６ｄＢが吸収されることが望ましいが、１０４０ｎｍ利得は波長選択帰還により４０ｄＢ以下に抑制されることが望ましい。これらの値を式（１）に代入して、好ましいクラッド対コア面積比または重なり比Γ_Ｓ/Γ_Ｐを得ることができ、９８０ｎｍにおいてＹｂファイバレーザで用いるための希土類ドーパントＹｂについて７.６の最大比が得られる。

光励起可能なイオン９０は希土類元素の内の１つに加えて、クロムのような、遷移金属の内の１つまたはそれより多くとすることができよう。ファイバにラマン利得を与えるためにＧｅ，ＰまたはＢのような元素が用いられるならば、ラマン利得をもつファイバをポンピングするための２重クラッドファイバレーザとして用いるための光励起可能なイオンはいずれか適する希土類元素である。

一般に、能動ファイバ３０は増幅器またはファイバレーザとして用いることができる。Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔｍ及びＹｂのような、光励起可能なイオンとしての全ての、特に高反転レベルを必要とする、希土類ドーパント９０に対して、本発明は２重クラッド構造についての最大許容内部クラッド層面積を教示する。一般に、ポンピング光吸収断面積（σ_ａｐ）、準安定レベル寿命（τ）及び所望の平均反転レベル（ｎ２）、並びに特定のパワー吸収を仮定するようないずれかのタイプのレーザダイオードからの利用できるポンピングパワーが与えられれば、入力及び出力（非吸収）ポンピング光パワー値をそれぞれＰ入力及びＰ出力として推定することができ、いずれかの希土類及びホスト材料系に対して本発明によって教示されるように、式（２）：

を用いて最大クラッド層断面積を見いだすことができる。ここでｈνはポンピング光子エネルギーである。

イオン及びホスト材料がいかに異なっても式（２）は普遍的に適用可能であり、飽和より十分低いレベルで動作する増幅器に特に適している。１５３０〜１５６５ｎｍで動作する従来の、すなわちＣバンドシリカガラスＥｒドープ増幅器（ＥＤＦＡ）として用いられる、能動ファイバ３０の古典的な場合には、式（２）に対応する値を代入することでＡクラッド＜７８０μｍ２が本発明によって教示される。したがって、一般に、高効率のレーザまたは増幅器動作に対して最もクリティカルであるのはクラッド対コア比（ＣＣＲ）ではなく、内部クラッドの絶対寸法である。したがって、コア３４は内部クラッド層３２の内側に適合するいかなる寸法にもすることができる。しかし、コア３４は寸法及びＮＡが標準の単一モードファイバ２０と同様であることが好ましく、そうであればレーザまたは増幅器に対する出力ファイバ２０の結合が容易になるであろう。３〜４μｍの代表的な単一モードコア半径では、ＣバンドＥｒドープファイバの場合について、１０：１〜２０：１のクラッド対コア面積ＣＣＲ（Ａクラッド/Ａコア）を導くことができる。

本例において、２重クラッドファイバ増幅器はＧｅ及びＡｌが共ドープされたシリカガラスに基づき（タイプII）、９８０ｎｍにおいてポンピングされる（σａｐ＝２.５５×１０−２５ｍ２，τ＝８ミリ秒，ｈν＝２.０３×１０−１９Ｊ）。増幅器をポンピングするために単一２Ｗレーザダイオードが用いられる。レーザダイオードのこの２Ｗのパワーを利用すれば、利用できるパワーの８０％（Ｐ入力＝１６００ｍＷ）が内部クラッド層に結合される。ファイバ増幅器の所望のパワー効率が与えられれば、パワーの１/２より多くが他端で漏れ出ることはない（Ｐ出力＝８００ｍＷ）。タイプIIＣバンド増幅器に対して、最小利得「リップル」（有用な増幅帯域内での利得変動）を達成するためには〜０.６の平均反転（ｎ２）が必要である。これらの値を式（２）に代入すれば、内部クラッド層断面積Ａクラッド≒７８０μｍ２が得られる。これが意味することは、７８０平方μｍより大きな内部クラッド層断面積に対しては、より強力な（利用できるパワーが２Ｗより大きい）ポンピングレーザが用いられなければ０.６の平均反転は達成され得ないであろうということである。実際上、内部クラッド層の利用できる寸法は、受動損失により、５００μｍ２のオーダーないしそれより小さい、さらに小さい値に制限されるであろう。

代表的なａ＝３μｍのコア半径を用いれば、クラッド対コア面積比ＣＣＲはＡクラッド/Ａコア＝５００/（π・３２）≒１８であり、これは、２重クラッドレーザ及び増幅器の作動に対して以前の参考文献に推奨されているかまたはこれまで報告されている値より十分小さい。

したがって、２Ｗ ９８０ｎｍ大面積レーザダイオードでポンピングされるＣバンドＥｒドープ２重クラッド増幅器に対し、クラッド対コア面積比について本発明の教示にしたがう推奨値は１０：１〜２０：１であるが、いずれの場合も、内部クラッド層の断面積は５００μｍ２をこえるべきではない。レーザダイオードで利用できるパワーが４Ｗポンピングダイオードにおけるように２倍になれば推奨値も２倍になり、よってクラッド対コア面積比がこの場合は２０：１〜４０：１であり、内部クラッド層面積がこの場合は１０００μｍ２未満である。

１５７０ｎｍと１６２０ｎｍの間で動作する長波長すなわちＬバンド増幅器における増幅に対しては、約０.４のような、かなり小さい平均反転値が必要である。平均反転値の低下に対応して、使用できる内部クラッド層の最大断面積はＣバンド増幅器の場合より少なくとも２.５倍大きい。１.７６Ｗ ９８０ｎｍレーザダイオードモジュールでポンピングされる、内部クラッド層断面積が２１００μｍ２の２重クラッドＬバンド増幅器の動作が実際に示されている。しかし、この増幅器の円形内部クラッド層形状及び小ポンピング光吸収により、増幅器効率は〜１５％でしかなかった。さらに小さいクラッド層寸法が、同じ平均反転に対してさらに高いポンピング光吸収レベルが可能になり得るから、Ｌバンドに対しても、Ｃバンドに対しても、有利である。したがって、２Ｗ大面積レーザダイオードでポンピングされるＬバンドＥｒドープ２重クラッド増幅器に対し、クラッド対コア面積比ＣＣＤについての推奨値は１０：１＝５０：１であり、内部クラッド層の断面積は２０００μｍ２をこえるべきではない。

能動ファイバ３０で与えられるＹｂファイバレーザが、高効率レーザ動作のために、単一２Ｗ大面積レーザダイオード７２でポンピングされ、入力ポンピングパワーＰ入力＝１６００ｍＷが内部クラッド層３２に実際に入射されるならば、レーザ発振に必要な閾パワーは入力ポンピングパワーの約１/４すなわち約４００ｍＷをこえるべきではない。αｐ＝６ｄＢ，（９２０ｎｍポンピング光に対し）ｈν＝２.１６×１０−１９Ｊ，σａｐ＝８.３×１０−２１ｍ２，τ＝０.８ミリ秒及びＰ入力＝０.４Ｗをとれば、式（４）からクラッド層面積はＡクラッド＝８９０μｍ２である。したがって、９２０ｎｍ大面積レーザダイオードでポンピングされるＹｂドープ９７６ｎｍ２重クラッドファイバレーザに対して、クラッド対コア面積比の推奨値は式（１）から２：１〜８：１であり、閾値は可能な限り大きく下げるべきであるから、内部クラッド層の断面積は式（４）から９００μｍ２をこえるべきではない。

そのような小さなクラッド対コア面積比をもつ２重クラッドファイバは実現可能である。好ましい１０×３０μｍ楕円形内部クラッド層内の直径８μｍ円形コアに対して、面積比は（５・１５/４２）≒４.７であり、この値はＹｂについて教示される最大比８より小さい。

２重クラッド能動ファイバ３０の好ましい構造及び寸法により、長波長ＡＳＥを抑制しながらの強いポンピング光吸収が可能になり、３準位遷移を得るに十分に強いポンピング光強度が可能になる。例えば、増幅器またはレーザとしての使用のための、３準位または準３準位２重クラッド能動ファイバすなわち輝度コンバータ３０の入力側が波長λＰのポンピング信号６４で照射される。多モード内部クラッド層３２内の中心におかれた、好ましい単一横モードコア３４は、適切な屈折率差を与えるために内部クラッド層３２とは十分異なる組成を有するガラスでつくられる。コア３４は厳密に単一モードである必要はなく、２モードとの境界線上にあるコアでも動作する。高パワーレーザ発振に対して好ましくは、コア３４にはイッテルビウムイオン（Ｙｂ＋３）、エルビウムイオン（Ｅｒ＋３）またはネオジムイオン（Ｎｄ＋３）がドープされるが、その他の希土類元素９０も用いることができる。２重クラッド能動ファイバ３０は、ＮＡクラッドが０.３より大きくなるような、内部クラッド層３２の屈折率より低い屈折率をもつガラスでつくられることが好ましい、外部クラッド層３６も有する。総ガラス構造によりこれらのタイプの屈折率が可能になり、ガラスタイプには、ランタンアルミノケイ酸ガラス、ゲルマニウム酸アンチモン、硫化物、没食子酸鉛ビスマス等がある。オーバークラッドのための好ましい材料もガラス、例えば、アルカリ−ホウアルミノケイ酸である。

図２，５，７または８の能動ＰＺファイバ３０の断面領域図では、それぞれの相対直径を正確に表すようにはされていない。しかし、内部クラッド層３２の面積は近似的にコア３４の面積の２５倍よりは小さいことが好ましい。また、外部クラッド層として空気（ｎ＝１）を用いて単層クラッド単一偏波レーザまたは増幅器を与えることも可能である。

能動ファイバ３０の長さは、いかなる高次モードもその長さにかけて十分に減衰するように当該波長に比較して非常に長くすること以外は、比較的重要ではない。実際上、この長さはコアの希土類ドーピングレベル及び所望のポンピング光吸収効率によって決定される。いくつかの状況においては、長さ１ｃｍで十分以上である。

能動ＰＺファイバ３０は、光キャビティ４６の入力端及び出力端のそれぞれを定める、端面反射器としてはたらくための、２つのミラー６０，６２を有する。入力ミラー６０はポンピング波長λＰにおいて光ポンピング信号６４に対しては極めて透過率が高く、出力信号６６の信号（レーザ発振）波長λＳにおいては極めて反射率が高いようにつくられ、出力ミラー６２は信号波長λＳにおいてある程度反射性（ある程度は透過性）であり、好ましくはポンピング波長λＰにおいても少なくともある程度は反射性であるようにつくられる。ファイバレーザとして用いられる能動ファイバ３０については、劈開出力ファセットを出力ミラー６２として用いることが可能である。バットカップリング出力ファイバ２０のへのエアギャップで生じる４％の反射率であっても光キャビティを定めるに十分である。

単一モードファイバ２０がコア３４の出力端にバットカップリングされる。輝度コンバータすなわちファイバレーザ３０がＥＤＦＡまたは、ラマン増幅器すなわちラマン利得をもつファイバのような、その他のドープト光増幅器のためのポンピング光源として用いられていれば、単一モードファイバ２０は能動ポンピング光源を増幅ファイバに結合するためのポンピング光ファイバである。これにより、ポンピング信号６４が入力ミラー６０において高効率で光キャビティ４６に入ることができる。光キャビティ４６はミラー６０，６２間で定められ、光キャビティ内の定在波の内の若干は出力ミラー６２を通過することが可能である。

３準位レーザ発振のための能動ファイバ３０によって与えられるイッテルビウムファイバレーザの例では、信号波長λＳは３準位Ｙｂ＋３遷移に対応する９７８ｎｍに等しい。ファイバレーザにかかわる、本発明はＹｂ＋３ドーピングの観点から開発されたが、本発明はこれに限定されない。ファイバレーザすなわち輝度コンバータ３０には別の遷移元素イオンまたは、Ｎｄ＋３のような、希土類元素イオン９０をドープすることができる。共ドーピングによるかまたは異なるドーピングがなされたファイバの連結による、ＹｂドーピングとＮｄドーピングの併用により、９２０ｎｍではなく８００ｎｍでのポンピングが可能になる。

集束素子７０を別途に用いなくとも、大面積ストライプレーザ７２の光特性は多モード内部クラッド層３２への直接結合を可能にするに十分良好であり得る。しかし、集束素子７０が必要であれば、一般に寸法が１００×１μｍ２の放射アパーチャ及び遅軸及び速軸のそれぞれにおいて０.１/０.５５のＮＡを有する大面積レーザダイオードからのポンピング光パワーの、断面が３０×１０μｍ２の矩形コアをもち、有効開口数が＞０.４２のファイバへの高効率結合を可能にする技術が開発されている。術語「遅」及び「速」はそれぞれ、レーザダイオードの接合面に対して「平行」及び「垂直」な面を指す。発光部寸法が１００×１μｍ２で、遅軸及び速軸のそれぞれにおけるＮＡが（最大遠視野強度点の５％で測定して）０.１/０.５５の大面積半導体レーザ７２からの光を高効率で結合するためには、寸法が３０×１０μｍ２で遅軸及び速軸のそれぞれにおける５％ＮＡが０.３５/０.１２の発光部遠視野像を生じさせるための結合光学系またはその他のビーム整形器７０を設計することができる。

直接結合であるか否かにかかわらず、９７６ｎｍより短いがイッテルビウム吸収帯域内の波長で発光するＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓの大面積ストライプ、アレイ、ダイオードバーの形態のレーザダイオード７２によるか、あるいは別のファイバまたはスタックダイオードの多重化結合によって、ポンピング信号を供給することができる。実用ポンピング帯域は８５０ｎｍから９７０ｎｍまで広がり、さらに好ましい範囲は９１０〜９３０ｎｍ、最も好ましい範囲は９１５〜９２０ｎｍである。これらの帯域及びレーザ発振波長の精確な値はホスト誘電体に依存して数ｎｍシフトすることがあり得る。

本発明の教示にしたがえば、入力ミラー６０は挟帯域フィルタであり、好ましくは、ＰＺ能動ファイバ３０の図６の単一偏波帯域幅（ＳＰＢ）４８と中心が合された挟帯域幅を有するファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）である。２重クラッドファイバレーザにおいて単一偏波発振すなわちレーザ発振を達成するために入力ミラー６０の（例えばＦＢＧによる）帯域幅制限を用いるためには、複屈折が中程度（１０−４〜１０−６）のＰＺファイバ３０が好ましい。知られているように、正しい長さの、ＰＺファイバ３０の応力誘起領域または（非対称扁平クラッド層のような）形状誘起領域からの正しい大きさの複屈折性をもつ（２色性が全くないかまたは小さい）ファイバ発振器は、異方性ファイバ３０に対する利得帯域幅の下で波長依存偏波出力状態を有するように設計される。そのような適する複屈折性または２色性領域により、得られるＰＺファイバ３０は偏波依存損失（ＰＤＬ）を有し、これは時に２色性と称される。入力ミラー６０による帯域幅制限はＰＺファイバ３０の特定の単一偏波を選択するために用いられる。

本発明の利得帯域幅制限は単一偏波ファイバレーザの高パワー動作に対して特に重要である。例えば、図２の双対孔構造をとれば、ほとんどの希土類遷移は０.５〜１％のコアΔによって達成できる単一偏波帯域幅よりかなり広い利得帯域幅を有する。一般に、コア直径を縮小するかまたは、コアＮＡを変えるためのゲルマニウム（Ｇｅ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）またはホウ素（Ｂ）のようなガラス成分のドーピングレベルを高めることによるような、Δを大きくすることによって、単一偏波帯域幅を容易に広げることができるが、後者には基本モードの有効面積を縮小するというマイナスの効果がある。高パワー動作に対しては基本モードの最大有効面積を有することが求められ、これを行うための１つの簡単な方法はΔを小さくし、コア半径を大きくすることであるが、Δを小さくすると単一偏波ウインドウも狭くなり、よって別途の回折格子またはその他の反射器によって選択することができる利得帯域幅制限を有することが必要になるであろう。

図６を改めて参照すれば、１０−４〜１０−６の範囲にある複屈折及び約６ｍの長さを有するＳＰファイバ３０によるＮｄドープファイバレーザの出力パワースペクトルＳ０の同様のプロットが示され、これは利得帯域幅６５０として示されるＹｂドープファイバに対して容易に置き換えることができる。いずれのタイプの希土類ドーパントによっても、単一偏波帯域幅４８をファイバレーザの帯域幅６５０と揃えるために利得がより高い位置を、図１の高パワーファイバレーザについての入力ミラー６０のファイバブラッグ回折格子実施形態によって選択することができ、これは回折格子６０の出力パワースペクトル、透過率またはスペクトル強度に関して表される。図１の回折格子６０の挟帯域フィルタ（Ｆ）はファイバレーザの利得帯域幅（ＦＷＨＭ）６５０及び単一偏波帯域幅４８より狭い帯域幅（ＦＷＨＭ）を有する。ＮｄまたはＹｂファイバについての最適フィルタ帯域は１〜３０ｎｍの範囲にある。連続波を得るための肝要なパラメータは、キャビティ内フィルタ帯域幅（Ｆ）よりも広い、図１のレーザまたは増幅器からの出力信号の発生スペクトル帯域幅６５０である。高パワー信号の発生は図１に示されるようなファブリ−ペロキャビティに限定されず、キャビティ内導波路及び挟バンドパスフィルタを有するいかなる導波路レーザキャビティ構造も実施できる。実際、回折格子６０は挟帯域である必要はなく、図１２に示されるようなバンドパスフィルタ６０'とすることができ、あるいはその他のいずれかの適する反射器とすることができる。

ＳＰファイバ３０の一例として、単一偏波光導波路ファイバ３０の第１の実施形態は、図２〜５に最善に示されるような、断面構造を有する。図１２の単一偏波ファイバ３０'には、コアに活性イオンがドープされていないことを除いて、同じ構成がある。図示される実施形態において、活性イオンドープ光導波路ＰＺファイバ２０は、ファイバの軸線に沿って延び、最大寸法がＡで最小寸法がＢの中心コア３４を有する。中心コア３４の断面形状は細長であり、好ましくは概ね楕円形である。好ましくはこの細長さは、線引きされたファイバ３０が１.５より大きな、好ましくは約１.５と８の間、さらに好ましくは２と５の間の、Ａ/Ｂで定められる、第１のアスペクト比ＡＲ１を示すように、ファイバプロセス（線引きまたは再線引き）中に制御されるであろう。

中心コア３４はゲルマニウムドープシリカでつくられることが好ましく、ゲルマニウムは、約０.５％と２.５％の間、さらに好ましくは約０.９％と１.３％の間で、一実施形態においては約１.１％の、図３〜４に示されるコアΔ％，Δ１をコアが有するような、十分な量で与えられる。中心コア３４の平均直径ｄ平均＝{Ａ＋Ｂ}/２は、好ましくは約３μｍと１２μｍの間、さらに好ましくは４μｍと１０μｍの間である。

コアΔ％，Δ１を高めることにより、単一偏波帯域幅４８（図６を見よ）を長波長側にシフトさせ得ることがわかった。逆に、ＰＤＬ差形成器としてはたらく、２色性領域の孔２４，２６の直径を小さくすると、様々なファイバパラメータをより小さな孔によって最適化して、単一偏波帯域幅４８を短波長側に移すことができる。単一偏波帯域幅４８は第１の偏波４５のカットオフ波長と第２の偏波５０のカットオフ波長の間におかれる。この波長帯域４８内では、真の単一偏波、すなわち、１つの、しかも１つだけの、偏波が与えられる。本明細書において、単一偏波帯域幅４８は図６に最善に示されるプロットの直線領域４９から３ｄＢ低下点で測定される。

一例として、図６を参照すれば、単一偏波帯域幅（ＳＰＢ）４８は約１０５７ｎｍと１０８２ｎｍの間にわたり、よって約２５ｎｍの単一偏波帯域幅を与える。しかし、この範囲は例示的であり、ＰＺファイバに対して別の波長帯域が与えられ得ることは当然である。単一偏波領域の幅（ＳＰＢ）は、コアデルタを高め、平均コア直径を小さくすることによって広くすることができる。同様に、上述したように、ＳＰＢの位置を調節することができる。ＳＰＢ４８の相対位置または幅を調整するために単一偏波ファイバにさらに調節を行うことができる（下の表１を見よ）。

下の表１は、モデル計算に基づく、単一偏波ファイバの様々な、孔直径（ｄ）の変化、コアΔ％，Δ１の変化、第１のアスペクト比ＡＲ１及び中心コア３４のｄ平均の変化に対する、第１の偏波のカットオフ波長λ１，第２の偏波のカットオフ波長λ２及び単一偏波波長帯域幅Δλの感度を示す。

上の例１〜１８は、様々な構造パラメータの変化に対するＰＺファイバ３０の感度を示す。特に、孔直径を１μｍから１５μｍまで変えることにより、単一偏波波長帯域を短波長側にシフトさせ得ることを、例１〜４に見ることができる。例１４〜１８は、単一偏波波長帯域幅を広くするためにコアΔ％，Δ１をどのように用いることができるかを劇的に示す。残りの例は、単一偏波帯域幅及び帯域の相対位置に影響を与えるために平均コア直径ｄ平均及びアスペクト比ＡＲ１をどのように用いることができるかを示す。

これまでに論じたファイバパラメータだけがファイバの可能な設計パラメータではない。受動単一偏波ファイバには、異なる用途に対する最適化のための、コアの楕円率、コアの寸法、コアデルタ、隣接孔の寸法のような、いくつかの設計パラメータがある。所望の値についてカットオフ波長差を達成するためにこれらのファイバパラメータを設計することができる。単一偏波ウインドウはこれらのカットオフ波長の間の波長範囲であり、よって単一偏波ウインドウも様々なファイバパラメータに依存して変わり得る。能動単一偏波ファイバ３０の用途については、２つの用途が卓越している。

第１に、単一偏波増幅器に対して、ファイバの設計パラメータは、増幅されるべき波長が単一偏波ファイバの単一偏波波長領域内に入るように設計される。増幅されるべき波長がいずれのカットオフ波長より大きければ（すなわち、単一偏波ウインドウの上側で外にあれば）、いずれの偏波も透過しないから、増幅は当然おこらないであろう。波長がいずれのカットオフ波長より小さければ、いずれの偏波も増幅され、単一偏波機能は生じないであろう。一例として、エルビウム（Ｅｒ）である活性ドーパント９０がＳＰファイバの楕円コアにドープされている単一偏波Ｅｒドープファイバ増幅器（ＳＰ-ＥＤＦＡ）を有することができよう。

第２に、単一偏波発振器（レーザ）に対しては、利得帯域幅が単一偏波ウインドウに一致するかまたはそれより狭くなるようにファイバパラメータを設計する必要がある。そうではなければ、単一偏波が生じるであろう波長に対して帰還がより強くなることを確実にするために、例えば、単一偏波ウインドウ内に入るブラッグ波長における反射率が高いファイバブラッグ回折格子によって、入力ミラー６０による波長選択帰還を実施する必要がある。

Ｙｂファイバレーザについては、利得は１０２０ｎｍから１１００ｎｍの範囲で生じ、よって単一偏波（ＳＰ）ファイバ３０はこの範囲に単一偏波ウインドウをもつように設計されなければならない。利得帯域がＳＰウインドウ４８よりかなり広ければ、ＳＰウインドウ４８内に入る挟波長領域範囲だけに利得を制限し、帰還を与えるために、反射率が高い回折格子６０を用いることができる（但し、他のいずれかの波長選択フィルタも用いることができる）。入力ミラー６０，好ましくは回折格子の高反射率は、いずれかの高利得ファイバレーザの一方の側から十分なパワーを取り出すために望ましい。好ましいその他のファイバパラメータは、約０.８の開口数を与えるための約０.１５％のコア屈折率Δ％を有する大モード面積を与えるために、コア３４が楕円形状を有することである。

図２を改めて参照すれば、中心コア３４は中心コアとは異なる組成を有し、好ましくは屈折率がコアより低く、時に扁平クラッド層と称される、環状領域１２で囲まれることが好ましい。したがって、環状扁平クラッド層領域１２は純シリカに対して屈折率を下げるドーピングがなされることが好ましく、したがって、フッ素ドープシリカでつくられることが最も好ましい。環状扁平クラッド層領域１２は、図４に示されるように、好ましくは約−０.０％と−０.７％の間、さらに好ましくは約−０.２％と−０.６％の間、最も好ましくは約−０.４％のΔ％，Δ２を示す。一般に、環状扁平クラッド層領域１２のガラスは、線引き温度において中心コア３４より高い粘度をもつようにドープされる。環状扁平クラッド層領域１２は、図２のコア／クラッド界面２２で示されるような概ね楕円形状を有することもでき、さらに好ましくは破線３８で示されるような概ね円形状を有することもできる。

円形状を有する実施形態において、環状扁平クラッド層領域１２は、好ましくは約１０〜１５μｍの間、さらに好ましくは約１３〜１９μｍの間であり、一実施形においては約１６.５μｍの、外直径Ｄを有する。必要に応じて、環状扁平クラッド層領域１２は、楕円のような、全体的に細長い形状を有することができる。この場合、平均寸法Ｄ平均＝{Ａ'＋Ｂ'}/２は中心コア３４の約２倍、例えば約６〜１６μｍの間であり、Ａ'/Ｂ'で定められる、第２のアスペクト比ＡＲ２は約１.５と８の間である。

楕円形中心コアに加えて、コア３４の両側に少なくとも１つずつの空気孔が形成される。孔２４，２６は、少なくとも一部が、ファイバ３０の環状扁平クラッド層領域１２に形成されることが好ましい。孔２４，２６は、空気で満たされるかまたは真空に引かれた孔であってファイバ３０の全軸長に沿って延びることが好ましく、その寸法はファイバ長に沿って実質的に一定であることが好ましい。孔２４，２６は中心コア３４の直径を挟んで対向して配置されることが好ましく、完全にまたは一部だけを環状領域１２内に形成することができる。例えば、孔２４，２６は環状扁平クラッド層領域１２内に完全に包含することができ、あるいは孔２４，２６は図７のファイバ３０に示されるように外部クラッド層３６内まである程度広がることができる。孔は中心コア３４の最小寸法Ｂに隣接し、これに位置を合せ、中心コア３４に極めて密接して（例えば、中心コア３４から３μｍ以内に孔の縁をおいて）、配置される。位置合せに関しては、空気孔は、孔２４，２６の中心を通る線２８（図５）が最小寸法（Ｂ）と実質的に合せられる。孔は円形であることが好ましいが、必要に応じて別の形状をもつことができ、等しいか不等の寸法をもつことができ、好ましくは約１〜１５μｍの間、さらに好ましくは約５〜１１μｍの間の直径ｄ（図５）のような最大寸法を有することができる。それぞれの側に１つの孔だけが示されるが、楕円形状を生じ、動作波長帯域内で単一偏波を与えるために、それぞれの側に沿う複数の孔が作用することができる。

外部クラッド層３６は環状扁平クラッド層領域１２を囲み、これに接していることが好ましい。外部クラッド層３６は約１２５μｍの通常の外直径を有することが好ましく、好ましくは実質的に純シリカの組成を有する。必要に応じて、外部クラッド層３６はフッ素のようなその他の適するドーパントを含むことができ、外直径は、寸法上の制限からそのように規定されていれば、小さくすることができる。

Ｘ-Ｘ軸及びＹ-Ｙ軸に沿う単一偏波ファイバ３０の相対屈折率プロファイルの概要図がそれぞれ図３及び４に示される。これらのグラフは（μｍ単位の）ファイバ半径に対してグラフ化された相対屈折率パーセント（Δ％）を示し、そのような軸のそれぞれに沿うプロファイルにおけるＰＤＬ差を明瞭に示す。詳しくは、グラフは、中心コア３４の最大相対屈折率Δ１，孔２６の（その深さのために切頭された）相対屈折率及び環状扁平クラッド層領域１２の最大相対屈折率Δ２を示す。近似的に空気の相対屈折率ｎ空気＝１.０であり、したがって、Δ％は大きく負である（約−５４％と評価される）。プロファイルの破線部分３８は（破線３８で示される−図２を見よ）部分３２が円形状を有するファイバ３０を表す。すなわち、それぞれの軸に沿う屈折率プロファイルは非常に異なることが容易に認められるはずである。ファイバ３０の長さは約１０ｃｍから１ｍの範囲にあるように設計され、十分な偏波依存損失（ＰＤＬ）差は単一偏波波長範囲にわたって７０ｄＢより大きい。

図７を参照すれば、単一偏波ファイバ３０の別の実施形態が示されている。ファイバ３０は、楕円形状の中心コア３４，楕円コアの短径に横付けして中心コアの両側に配置された円形断面空気孔２４，２６，環状扁平クラッド層領域１２及び外部クラッド層領域３６を有する。この実施形態において、孔２４，１６は一部が環状扁平クラッド層領域１２に形成され、一部が外部クラッド層３６に形成される。環状扁平クラッド層領域１２は約−０.４％のΔ％を与えるに十分にフッ素ドープされる。外部クラッド層３６は純シリカでつくられることが好ましい。上で与えられた、ｄ（孔の直径）、最大及び最小寸法Ａ及びＢ，及び環状領域の直径Ｄの範囲はこの実施形態に等しく適する。

図８を参照すれば、単一偏波ファイバ３０のまた別の実施形態が示されている。この実施形態において、ファイバ３０は、楕円形状の中心コア３４，楕円コアの短径に横付けして中心コアの両側に配置された円形空気孔２４，１６及びクラッド層領域２２を有する。この実施形態において、孔２４，２６は環状領域１２内に形成されるが、環状領域１２はクラッド層２２と同じ材料でつくられ、この材料は純シリカであることが好ましい。破線３８は孔２４，２６の最外部より大きい半径に配置されたコアとクラッド領域の間の界面を示す。ファイバ３０のこの実施形態において、コアΔ％，Δ１は単層クラッド版の単一偏波ファイバレーザまたは増幅器に対して約１.６％であることが好ましい。内部クラッド層２２は円形で示されているが、他の実施形態と同様に、楕円形状またはＮＡが０.３で断面が２００×４００平方μｍの矩形の矩形状とすることができる。さらに、必要に応じて、外部クラッド層３６が付加されたデュアルクラッド版の単一偏波ファイバレーザまたは増幅器を実施することができる。

本発明の実施形態にしたがう単一偏波ファイバ３０はそれぞれ、所望のＳＰＢ４８（図６を見よ）内で単一偏波（１つの、しかも１つだけの、偏波モードの透過）を可能にする光学特性を示す。本発明にしたがう単一偏波ファイバ３０のＳＰＢ４８は、約８００〜１６００ｎｍの間にあるように設計されることが好ましい。最も好ましくは、ファイバのＳＰＢ４８は、９８０，１０６０，１０８０，１３１０または１５５０ｎｍで動作する光コンポーネントとともに容易に用いることができるように、９８０，１０６０，１０８０，１３１０または１５５０ｎｍに一致するように設計されるであろう。特に、本発明の教示にしたがえば、ＳＰＢの中心波長は、図１の入力ミラーまたは回折格子６０によって選択すなわち同調される結果、ファイバレーザまたは増幅器の動作波長の中心波長と実質的に（約±２０ｎｍの範囲内で）一致することが好ましい。さらに、本発明にしたがうＰＺファイバ３０は、９７８ｎｍにおいて好ましくは１５ｄＢ以上、さらに好ましくは２０ｄＢ以上の消光比をＳＰＢ４８内で示すことが好ましい。

実験例１
図７に示される断面構造を有する、本発明にしたがう第１の代表的な単一偏波ファイバ３０を作成した。ファイバ３０は、約５.３３μｍの平均直径ｄ平均、約７.７５μｍの最大寸法Ａ，約２.９μｍの最小寸法Ｂ−この結果第１のアスペクト比Ａ/Ｂは約２.７に等しい、１.１％の中心コアΔ％，Δ１及びαが約２のαプロファイルを有する、中心コア３４を有する。孔２４，２６は一部が環状領域１２に含まれ、一部がクラッド層２２に含まれる。孔２４，２６の平均直径は約８.３μｍである。環状領域１２はフッ素ドープし、よって純シリカクラッド層２２に対して扁平になっている。環状領域１２の相対屈折率Δ２は−０.４％であり、環状領域１２の外直径Ｄは約１６μｍであった。この実施形態において孔２４，２６は中心コア３４の側面に実質的に接している。試験した単一偏波ファイバ３０は、例えば、９７８ｎｍの波長において、１.５１ｍの長さにかけて約３８.６ｄＢの消光比ＥＲを示した。ＳＰＢ４８においてＥＲは約１５ｄＢであった。ファイバ長のビート長は４.２１ｍｍであることがわかった。長さ１.４５ｍについて９７８ｎｍで測定した減衰は０.０２７ｄＢ/ｍであった。

実験例２及び３
実験例２及び３では同じファイバの長さに沿う（実験例１の長さから隔てられた）別の部分を試験し、若干異なる性能結果を得た。発明者等は、ファイバの長さに沿うこの特性変動が主に、量産ファイバにおいてはかなりよく制御されているであろう、原型ファイバにおけるプロセス制御変動によると判断した。

実験例４
表２に別の実験試料が実験例４として示される。本実験例において、コアΔ％，Δ１は２.０％であり、Δ２は−０.４％であった。本実験例において、平均コア直径ｄ平均（{Ａ＋Ｂ}/２）は約４μｍであって、アスペクト比ＡＲ１は約３.２であった。平均孔直径及びその他のファイバパラメータは実験例１と同様である。この例で実証されるように、中心コアの相対屈折率を２.０％まで高めると、相対屈折率が１.１％の場合に比較して、単一偏波（ＳＰ）帯域幅が４２ｎｍまで広がった。

上述した単一偏波ファイバ及び別の実験ファイバの光学特性が表２に与えられる。

図６を参照すれば、ファイバ３０の相異なる偏波モード４５，５０に対する透過パワー（ｄＢ）対波長（ｎｍ）の線を示すことによって、図７の実験例１ファイバに対する単一偏波帯域幅（ＳＰＢ）を表すグラフが示される。詳しくは、第１の偏波４５及び第２の偏波５０が測定されて波長の関数としてプロットされている。

９７８ｎｍにおける消光比は、帯域幅が０.５ｎｍの９７８ｎｍ単一波長ポンピングレーザからの光信号に短ファイバ長を通過させ、次いで９７８ｎｍの波長で透過したパワーを測定することによって求めた。同様に、ＳＰＢ内において同様の方法でＥＲを測定することができる。入力端において、複屈折軸のそれぞれ１つに順次に偏光子を合せながら、ファイバの出力端において２つの偏波にともなう透過パワーを測定した。消光比ＥＲは式：
ＥＲ＝１０logｐ１/ｐ２
を用いて決定した。ここで、
ｐ２は第２の偏波におけるパワーであり、
ｐ１は第１の偏波におけるパワーである。

光源のスペクトルにおける変調周期Δλ及びファイバ長Ｌを決定することにより、波長走査法を用いてビート長ＬＢも測定した。２つの偏光子をファイバの前及び後に挿入した。ビート長ＬＢは式：
ＬＢ＝{ΔλＬ}/λ
にしたがって計算される。ここでλは光源の中心波長（ｎｍ）である。この測定においては、広帯域ＡＳＥ源を用い、フーリエ変換を行うことによって変調周期を得た。ＡＳＥ源の波長は９７０〜１０２０ｎｍであり、中心波長は９８０ｎｍであった。測定したビート長は４.２１ｍｍであった。

同様に、第１の偏波のカットオフ波長λ１，第２の偏波のカットオフ波長λ２及び単一偏波帯域幅（２つの偏波モードのカットオフ波長間の差）を決定した。それぞれの測定に対し、３００〜２０００ｎｍにおいて平坦なスペクトルをもつ非偏光白色光源を用いた。次いで偏光子を光入射端に挿入し、消光比の測定から決定された２つの偏波軸に設定して、それぞれの偏波に対するカットオフ試験を行った。

単一偏波ファイバの減衰は、ファイバの第１の長さ（ほぼ３ｍ）についてパワーｐ１を測定し、次いでファイバを切断して長さを短く（ほぼ１ｍ）してパワーｐ２を測定することによって測定する。次いで減衰を：
減衰＝[１０logｐ１−１０logｐ２]/Ｌ
として計算する。ここでＬは取り除かれた長さである。減衰は９７８ｎｍで測定する。

図９を参照すれば、本明細書に説明される単一偏波ファイバの実施形態にしたがう単一偏波ファイバ３０を用いている一システム４０が示されている。システム４０は、本発明にしたがうファイバ３０を有するかまたはファイバ３０に接続されている、レーザ、ジャイロスコープ、センサ、変調器、ビームスプリッタ、偏波マルチプレクサ等のような、光デバイス４２を備える。ファイバ３０及び光コンポーネント４２はさらにハウジング４４に収めることができ、ハウジング４４内にはサブコンポーネントを収めることができる。

図１０を参照すれば、本発明の実施形態にしたがうファイバ３０が光コンポーネント４２ａ，４２ｂ間に接続され、ファイバ及び光コンポーネントが必要に応じてハウジング４４内に収められる、システム１４０が示されている。

図１１を参照すれば、本発明の実施形態にしたがうファイバ３０が光コンポーネント４２に接続され、ファイバ３０が必要に応じて図１に例示されているように別のタイプのファイバ２０に光結合されている、システム２４０が示されている。ＳＰファイバ３０と別のタイプのファイバ２０の接続は、図１３に示されているように、図９〜１１の任意の順序の様々な組合せで行い得ることが理解されるであろう。

図１２を参照すれば、単一直線偏波イッテルビウムドープファイバレーザを提供するために、受動単一偏波（ＳＰ）ファイバ３０'に融着接続されたＹｂドープ利得ファイバ２０の１０ｍファイバ区画を９８０ｎｍで非偏光ポンピング光７２が光ポンピングする。２重クラッド実施形態に対して、ポンピング光７２は、受動（アンドープ）単一偏波ファイバ３０'に融着接続された、楕円コアを有する複屈折性イッテルビウムドープファイバ２０を有するレーザキャビティ４６をポンピングする。ドープトファイバ区画２０及びアンドープＳＰファイバ区画３０'で形成された線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバの光ポンピングから得られた直線偏波イッテルビウムドープファイバレーザは、この例示的実施形態において３０ｄＢより大きい偏波消光比を示した。

すなわち、図１におけるような前方ポンピング方向におけるドープトファイバ区画２０及びアンドープＳＰファイバ区画３０'で形成された線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバの光ポンピングだけで、直線偏波イッテルビウムドープファイバレーザを得ることができる。しかし、後方反射も可能であることを示すため、図１２にはさらに素子が付加されている。５００ｍの偏波保存ＰＭファイバ区画２０'は、コーニングインコーポレーテッド（Corning Incorporated）から市販されている、イッテルビウムがドープされていないＰＡＮＤＡファイバである。レーザキャビティ４６の前面における偏光ビームスプリッタ１３２及びλ/２波長板１３４の組込みによって、単一偏波動作が導入される。楕円コア利得ファイバ２０及び単一偏波ファイバ３０を有するキャビティ４６を非偏光ポンピング源すなわちポンピングレーザ７２からの非偏光によってポンピングした。測定した消光比は１０００：１をこえていた。

１０ｍの利得ファイバ２０に重量で６０００ｐｐｍのイッテルビウムをドープした。寸法が７.９μｍ×３.５μｍの楕円コアで複屈折を得た。この複屈折は１μｍにおいて７ｍｍの群偏波ビート長に相当した。ポンピングレーザ７２は、（当時はコーニング−レーザトロン（Corning-Lasertron）から入手できた）約９７４.５ｎｍで動作する高パワー（５００ｍＷ）単ストライプレーザダイオードとした。ポンピング光を、ビームスプリッタ１３２及び波長板１３４を介して５００ｍ長偏波保存ファイバ（コーニングＰＭ９８０）２０'の偏波軸に対し４５°で入射させることによって、減偏光した。得られたポンピング光の偏光度は１％より小さかった。

アンドープ単一偏波ファイバ３０'は基本横モードに対して偏波依存伝搬カットオフ波長を有していた。このカットオフ差により、単一偏波だけが伝搬するための（図６における帯域幅と同様の）波長範囲があった。

Ｙｂドープ楕円コアファイバ２０の１０ｍ長区画をアンドープ単一偏波ファイバ３０'に融着接続することによってレーザキャビティ４６を構成した。偏波保存ファイバのためこれら２つのファイバの偏波固有軸をスプライサー１７（フジクラ４０-ＰＭ）で揃えた。接合点において楕円コアファイバ２０及び単一偏波ファイバ３０を回転し、出力においてアナライザ偏光子１２６を回転することによって、ゼロ透過を検出した。評価した楕円コアファイバ２０と単一偏波ファイバ３０'の間の接続損失は１ｄＢより小さかった。

ファイバレーザの動作波長が単一偏波ファイバ３０'の単一偏波帯域幅４８内にあることを保証するため、キャビティ４６内にバルク型１０８０ｎｍバンドパスフィルタ６０'をおいた。ファブリ−ペロファイバキャビティ４６の境界を、一端は金被覆高反射器６０（Ｒ＞９９.９％）により、他端はファイバファセット−空気界面の３.５％フレネル反射によって定めた。レンズ１３８は透明であり、そのように形成された線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバ２０及び３０'に光を、またそれらからの光を、結合するために用いた。反射は、一端における金ミラー６０及びポンピング光入力端におけるファイバ−空気界面６２による反射だけである。

ポンピング光／信号光経路に顕微鏡カバースライド１３６を斜めにおくことによって、ファイバレーザのポンピング端でレーザ出力６６をとった。スプリアス偏波効果を避けるためブルースター角とは大きく異なる角度で配置することに注意を払った。

レーザは約１５０ｍＷの入射パワーにおいて５０ｍＷの出力を生じた。最高出力パワーを得るためのキャビティ最適化は行っていない。直線偏光を高率で含む出力を生じるに必要な最小長を決定するために単一偏波ファイバを切り縮めた。

図１３を参照すれば、単一偏波ファイバ３０の長さの関数としての偏波消光比が示されている。例えば、５ｍ長単一偏波ファイバ３０を用いて３０ｄＢの消光比が得られた。得られたファイバレーザに対する、それぞれの直交偏波軸についての出力スペクトルが図１４に示される。

図１５を参照すれば、単一偏波ファイバ３０は偏波依存カットオフ波長を示した。ファイバ長の関数としてのそれぞれの偏波固有モードに対するカットオフ波長が図１６に示される。与えられた長さに対する、このファイバの偏波波長帯域は図１６または１５における２つの波長（カットオフ１及びカットオフ２）の間の差で表される。例えば、２ｍ長ファイバについては、図６と同様の単一偏波帯域幅４８としての１０７０〜１１１７ｎｍの波長範囲において単一偏波だけがこのファイバ３０内を伝搬するであろう。したがって、バンドパスフィルタで選択された約１０７０ｎｍの波長の周りにおいて、約１０７０〜１０７１ｎｍのレーザ利得帯域幅が１０７０〜１１１７ｎｍの単一偏波波長範囲の端に重なることが、図１４からわかる。

長さの関数としての単一偏波ファイバ３０'の効果を調べるため、単一偏波通過帯域４８の短波長端である１０７０ｎｍで動作させるようにレーザを選んだ。この１０７０ｎｍ波長は１０８０ｎｍバンドパスフィルタの入射角を伝搬しているキャビティ内ビームに対して回転させることによって得た。図１５から、この場合は、偏波依存損失の長さ依存性は単一偏波ウインドウ４８の中心より大きくなる。図１３に示されるように、２０ｄＢより大きな消光比が１ｍのような短い単一偏波ファイバ３０'長によって得られた。

したがって、ドープト楕円コアファイバ区画２０に付加されたアンドープ単一偏波ファイバ３０の使用によって、直線偏波ファイバレーザを実施することができる。測定した直線偏波度は１０００：１をこえていた。このファイバレーザは、より精妙な波長選択性帰還を与えて様々な位置で単一偏波波長範囲と重なるように利得帯域幅を合せ込むための、ファイバ回折格子の使用によってさらに最適化することができる。

本発明の範囲を逸脱することなく本発明に変形及び改変がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの透過物の範囲内にはいれば、本発明はそれらの改変及び変形を包含するとされる。

本発明のいくつかの部分はＤＡＲＰＡに認められた契約第ＭＤＡ-９７２-０２-３-００４の下で米国政府の援助によってなされた。米国政府は本発明の特許請求項の内のいくつかに一定の権利を有し得る。

本発明にしたがう、ファイバレーザとしての使用のための能動ポンピング光源４２のような光コンポーネントに光結合されているか、あるいは増幅器としての使用のために能動励起ポンピング光源４２自体として用いられる、単一偏波光能動光ファイバを備えるシステムの略図である 本発明にしたがう図１の単一偏波光能動光ファイバ３０の第１の実施形態の断面図である 本発明にしたがう、図２の軸Ｘ−Ｘに沿ってとられた第１の実施形態の屈折率プロファイルの概念図である 本発明にしたがう、図２の軸Ｙ−Ｙに沿ってとられた第１の実施形態の屈折率プロファイルの概念図である 本発明にしたがう単一偏波光ファイバの第１の実施形態の拡大された部分断面図である 本発明にしたがう、図１のレーザとして動作させる、単一偏波光ファイバ３０の利得帯域幅６５０内の第２の偏波５０のカットオフ波長に中心がおかれた入力ミラー６０の代表的な回折格子フィルタ帯域幅を示すグラフと揃えられた単一偏波光ファイバ３０の一実施形態の単一偏波の代表的な波長帯域を示すグラフである 本発明の実施形態にしたがう図１の単一偏波光ファイバ３０の第２の実施形態の断面図である 本発明の実施形態にしたがう図１の単一偏波光ファイバ３０の第３の実施形態の断面図である 光コンポーネントに光結合されている本発明の実施形態にしたがう単一偏波光能動光ファイバ３０を備えるシステムの略図である 光コンポーネントに光結合されている本発明の実施形態にしたがう単一偏波光能動光ファイバ３０を備えるシステムの略図である 光コンポーネントに光結合されている本発明の実施形態にしたがう単一偏波光能動光ファイバ３０を備えるシステムの略図である 光コンポーネントに光結合されている本発明の別の実施形態にしたがう光能動型の線形複屈折性及び直線２色性を有するファイバを形成するために、ファイバ区画のドープト楕円コアをもつ単一偏波光ファイバのアンドープ版３０'を含むレーザキャビティの略図である 本発明にしたがう図１２の単一偏波ファイバ３０'についての長さの関数としての消光比のグラフである 本発明にしたがう図１２のレーザについての直交偏波軸に対する出力スペクトルのグラフである 本発明にしたがう図１２の単一偏波ファイバ３０'のそれぞれの偏波についての基本モードカットオフスペクトルのグラフである 本発明にしたがう、長さの関数としての、図１５の単一偏波ファイバ３０'のそれぞれの偏波についての基本モードカットオフスペクトルのグラフである

符号の説明

１２ 環状扁平クラッド層領域
２０ 単一モードファイバ
２２ コア／クラッド界面
２４，２６ 孔
３０ 単一偏波ファイバ
３４ コア
４８ 単一偏波波長範囲
９０ 活性ドーパント
６５０ 動作波長範囲

Claims (7)

1. 光能動単一直線偏波デバイスであって、当該光能動単一直線偏波デバイスが、
   光を伝搬するための、単一偏波波長範囲を持つ、線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路、及び
   前記単一偏波波長範囲に重なる動作波長範囲における前記導波路の動作を提供するための、前記線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路の一部に配された複数の活性ドーパント、
   を有してなるものであり、
   前記導波路が、第１の直線偏波固有モードにともなう光ファイバ偏波成分及び第２の直線偏波固有モードにともなう光ファイバ偏波成分を有する偏波保存（ＰＭ）ファイバを有し、偏波依存損失（ＰＤＬ）差が導波路長にかけて前記第１の偏波モードと前記第２の偏波モードの間に累積され、前記第１の偏波モードが第１のカットオフ波長において第１の３ｄＢ減衰を有し、前記第２の偏波モードが第２のカットオフ波長において第２の３ｄＢ減衰を有し、よって前記第１のカットオフ波長と前記第２のカットオフ波長の間の単一偏波中心波長を有する前記単一偏波波長範囲を与え、前記第１のカットオフ波長が前記第２のカットオフ波長より小さく、前記単一偏波中心波長が前記動作波長範囲の中心波長に近いこと、
   前記光ファイバが、実質的に楕円の形状を有する光能動ドープト中心コアを有し、前記光ファイバが前記中心コアの両側のそれぞれに配置された少なくとも１つの空気孔を有し、当該空気孔の各々の縁が前記中心コアから３μｍ以内に位置し、当該空気孔の中心を通る線が、前記中心コアが最小寸法を有する軸と実質的に一直線に合わせられ、前記光ファイバが前記動作波長範囲内で単一偏波モードをサポートすること、及び、
   前記導波路長が５ｃｍから１ｍの範囲にあり、前記偏波依存損失（ＰＤＬ）差が前記単一偏波波長範囲にわたり３ｄＢより大きいことを特徴とする単一偏波デバイス。
2. 前記複数の活性ドーパントを励起するための前記導波路に結合されたポンピング信号をさらに有し、前記複数の活性ドーパントが、前記動作波長範囲において出力光を放射するための、前記導波路のための利得媒質を提供することを特徴とする請求項１に記載の単一偏波デバイス。
3. 前記単一偏波デバイスが、波長選択フィルタを更に有してなり、前記利得媒質から放射される前記出力光が前記波長選択フィルタの所定の挟帯域波長範囲によって前記所定の挟帯域波長範囲にわたる帰還を提供するために選択的にフィルタリングされる広帯域光であり、前記所定の挟帯域波長範囲が前記単一偏波波長範囲内に包含されることを特徴とする請求項２に記載の単一偏波デバイス。
4. 前記線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路が１０^−６より大きい複屈折を有する高複屈折性ファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載の単一偏波デバイス。
5. 前記線形複屈折性及び直線２色性を有する光導波路がアンドープ単一偏波ファイバに接続された利得ドープ楕円コアファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載の単一偏波デバイス。
6. 前記波長選択フィルタがファイバブラッグ回折格子を含むことを特徴とする請求項３に記載の単一偏波デバイス。
7. 請求項１記載の単一偏波デバイスを備えるシステムにおいて、前記導波路の動作の提供が利得の提供を含むことを特徴とするシステム。

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