JP5415553B2 - 改良されたクラッドポンプ光導波路 - Google Patents

Description

本発明は、希土類ドープシリカガラス導波路における高パワー光増幅の分野に関する。また本発明は、希土類ドープした高パワー増幅器シリカガラス増幅器導波路における光黒化信号の低減に関する。

高パワー光ファイバレーザに対する関心は、その効率、低コスト、および高パワーダイオードポンプレーザのアレイの利用可能性のため、増加しつつある。そのようなダイオードポンプレーザのアレイは、数１００ワット以上の出力パワーを有し、光ファイバレーザ用の理想的なポンプソースとして働くことが可能である。

光ファイバの機能はダイオードアレイから高マルチモード出力をパワー増幅器またはレーザの高パワーシングルモード出力に変換することである。このファイバは、マルチモード高パワー低輝度ダイオードアレイを高輝度シングルモードソースに変換する。高パワーのマルチモードアレイより低パワーのシングルモードファイバのビーム品質がより望ましい、多くの状況が存在する。それらの用途には、材料加工（切断、溶着、およびマーキング）および外科手術が含まれる。

ダイオードバーアレイは商業的に入手可能であり、何百ワットもの出力パワーを発生させるように配置されることが可能である。このパワーは、マルチモードファイバ、または束ねられたファイバのアレイを通じて送達される。しかしながら、低い開口数を有するファイバは、エネルギー源として働くダイオードアレイからのポンプ放射を有することによって発生して希土類ドープした光ファイバレーザにおいてシングルモードレーザ光線が転換を生じるであろうようには、それらのデバイスの放射を効率的に受けない。シングルモード動作は、通常、直径の５〜３０μｍのコアを用いる高輝度には通常望ましいので、ダイオードアレイのファイバ出力からの光をシングルモードコアへ集束させることは不可能である。輝度定理によって、ダイオードソースからのファイバの開口数とファイバ面積との積は、定数である必要がある。したがって、ダイオードアレイのファイバ出力からの高強度光が、シングルモードファイバのコアへ集束されることは不可能である。この問題を回避するために、二重クラッドファイバ構成が適用される場合がある。そのようなファイバでは、高い開口数の外部クラッドはポンプパワーを受け取るように構成されている一方、低い開口数を有する活性コア（例えば、イッテルビウムをドープしたコア）は二重クラッドファイバの内側のコアに配置されている。これによって、マルチモードダイオード低輝度光はイッテルビウムをドープしたコア材料と有効に重ね合わされ、そこで、イッテルビウムをドープしたファイバにより直接的に構成されている、またはイッテルビウムをドープしたファイバなど活性なファイバに接合された別個のファイバにより構成されている２つのファイバ格子からなるレーザキャビティ内部における誘導放出によって高パワーシングルモード光が生成される。

本発明の文脈では、用語「活性材料」および「活性なコア」は、それぞれ用語「希土類ドープ材料」および「希土類をドープしたコア」と区別せずに用いられる。幾つかの希土類材料は、イッテルビウムおよびエルビウムなど、ファイバコアを活性にするために用いられる。本発明の文脈では、用語「活性材料」は、シリカガラスなど、希土類元素イッテルビウムなどの活性元素でドープされている材料を表す。

本発明による希土類のドーピングがほぼ内部クラッドに配置されている光導波路の実施形態では、用語「希土類を共ドープしたシリカ領域」および「希土類を共ドープしたシリ
カ領域を含む内部クラッドフィーチャ」は区別せずに用いられる。

増幅器導波路コアの比較的小さな直径のため、光学的流束（すなわち、ファイバコアの単位面積当たりを透過する光学的なレーザパワー）は極めて高い。その結果、格子またはコア内部の吸収効果は、そのようなレーザのそれぞれの用途に必要な寿命より実質的に短い時間枠内においてデバイスに望ましくない劣化を生じることがある。一定なポンプパワーでは、１０００時間の期間中に数パーセントだけレーザ出力が減少することが、実験的に観察されている。さらに、シードなしの増幅器において、わずか数時間の動作後に伝播損失の有意な増加が見られることが、実験的に観察されている。

高いポンプパワーおよび信号パワー強度（光学的流束）のため、比較的低い光学的流束に適切な材料は流束が増大するにつれ比較的高い割合で黒化する。イッテルビウムおよび他の希土類をドープしたシリカ材料の光黒化は、ガラス材料における色中心の形成に起因している。増加した吸収の原因である正確な因子は識別されていないが、高エネルギー光子（ＵＶ、Ｘ線、またはγ線など）を用いて、またはガラスに含まれる希土類材料の吸収帯で共鳴する放射を用いてガラス材料を照射するとき、その影響が観察されている。

ツリウムを共ドープしたケイ酸ファイバに関連して、ツリウム吸収帯と共鳴する放射（４７６ｎｍ）を用いて照射されたときファイバ材料が光黒化することが、ブロックレスビー（Ｂｒｏｃｋｌｅｓｂｙ）らによって観察されている（非特許文献１）。この光黒化した材料は、５１４ｎｍの非共振放射を用いて放射することによって、または３５０℃より高い温度でファイバを加熱するときに、部分的に回復される。テルビウムを共ドープしたケイ酸ファイバについては、４８８ｎｍの共鳴放射がファイバ材料を光黒化する一方、アルゴンイオンレーザーの５１４ｎｍレーザ線による非共振放射を用いて白化が行われることが、アトキンス（Ａｔｋｉｎｓ）らによって観察されている（非特許文献２）。

イッテルビウムを共ドープしたケイ酸ファイバについて、Ｇａｖｒｉｌｏｖｉｃらは、光黒化はレーザ媒質中に意図せずに含まれている不純物によるものであり、この不純物がレーザ放射の一部を短波長放射に上方変換することによって、媒質中に欠損を導いて、光黒化による吸収の増加を生じる、と述べている（特許文献１）。

増加した吸収の原因である因子が何であれ、それは高強度放射を用いてガラス材料を照射した後に観察される。Ｙｂドープシリカファイバの光黒化は希土類元素ドープガラスにおける色中心の形成に起因しているが、この現象の背後の機構は理解されていない。その結果、特定のファイバガラス材料が所与の使用条件の組の下で如何に振る舞うかを予測することは困難であり、さらに、そのようなファイバのための適切なガラス材料組成物を選択することは困難である。

特許文献２には、導かれる信号光と活性材料との間の相互作用を減少させるためにコア領域を包囲する輪に活性材料が配置されているファイバレーザについて記載されている。

米国特許第６，１５４，５９８号明細書 米国特許出願公開第２００２／００３０８８１号明細書

Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第１８巻、第２４号、１９９３年 Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第１９巻、第１３号、１９９４年

本発明による高パワー増幅器の図。 レーザ構成における本発明による高パワー増幅器の図。 本発明による増幅器導波路のコア中心軸に対する径方向位置の関数としてのスカラー電場を示す図。 時間の関数として高パワーレーザのスロープ効率を示す図。下側の曲線は活性材料に対する通常の信号の重なり合いを有する増幅器構成を表し、上側の曲線は本発明による活性材料に対する減少した信号の重なり合いを有する増幅器を表す。 時間の関数として高パワーシングルモードレーザのスロープ効率を示す図。下側の曲線は本発明による活性材料に対する減少した信号の重なり合いを有する増幅器を用いる増幅器構成を表し、上側の曲線は本発明による活性材料に対するさらに減少した信号の重なり合いを有する増幅器を表す。 幾つかの高パワーシングルモードレーザのスロープ効率を示す図。 ドープした内部クラッド領域を含むファイバの断面図。 ドープした内部クラッド領域を含むファイバの断面図。 本発明による断面セグメント化ファイバの断面図。 レーザ構成における本発明による高パワー増幅器の図および本発明によるファイバに基づくファイバレーザを用いる可能な用途の図。 ＲＥドープ信号コアと、ＲＥドープクラッドおよび第２のクラッドとを備えるファイバの断面と、ファイバのインデックスプロファイルおよびＲＥドーピングプロファイルの一例とを示す図。ドープしたクラッド領域はクラッド領域と屈折率が一致している。 信号コアが、中央信号コア領域と、希土類元素（ＲＥ）ドープ信号コア領域と、希土類元素ドープ第１内部クラッドおよび第２内部クラッドとを備えるファイバの断面と、ファイバのインデックスプロファイルおよびドーピングプロファイルの一例とを示す図。希土類元素（ＲＥ）ドープした第１の内部クラッドは第２の内部クラッドと屈折率が一致している。 断面セグメント化信号コアおよび空気クラッドポンプコアを有するシリカガラスホストファイバの断面と、可能な断面セグメント化コア構成の一例とを示す図。 ＲＥドープ信号コアと、ＲＥドープした第１の内部クラッドおよび第２の内部クラッドとを備えるファイバの断面と、ファイバのインデックスプロファイルおよびＲＥドーピングプロファイルの一例とを示す図。ドープした第１の内部クラッドの屈折率はいわゆる基礎設計用の第１の内部クラッドと比べ上昇している。

本発明の１つの目的は、１０，０００時間以上の動作に対しポンプパワーの１５％未満しか増大しない拡張された動作期間を通じてレーザまたは増幅器出力パワーレベルがほぼ一定に維持される光ファイバ構造を提供することにある。

所与の材料の光黒化性能はポンプパワーと信号のパワー強度（光学的流束）との関数であるので、本発明においては、希土類共ドープ材料に対する信号の重なり合い（本明細書では、導かれる信号の重なり合いと呼ぶ）の減少によって、その信号光に対する光黒化の有効な減少が導かれる。したがって、本発明の１つの目的は、２５％以下の増幅器材料に対する信号フィールドの重なり合いなど、導かれた信号の重なり合いの減少したファイバ設計を選択することによって、出力信号に対する導波路レーザおよび増幅器材料における有効な光黒化を減少させることである。導かれる信号と利得材料との間の重なり合いが２５％以下であるとき、利得材料に対する全体的な信号およびポンプ負荷が減少される。これによって、デバイスの延長された動作時間を通じて、希土類ドープガラスにおいて生成する色中心における光学的流束が減少するために、信号フィールドに対する全体的な光黒化劣化も減少される。

本発明による導波路レーザまたは増幅器ファイバ設計は、意図されるレベルの増幅、ポンプ波長、増幅波長、意図されるファイバ長などに適合した濃度で１つ以上の希土類元素をドープした、シリカガラスホスト材料を含んでよい。有利には、この希土類ドープ材料は、生成されたパワーのバルク部分の導きを意図した信号コアガラス材料を包囲する。本発明の一実施形態では、内部コアガラス材料は、ブラッグ格子形成に適切なゲルマニウム共ドープ材料を含む。内部コアガラス材料は、アルミニウムまたはリンを共ドープしたガラス材料を含んでもよい。

希土類ドープ材料は、１つが導波路コア（高い有効屈折率を有する）として働き、第２のものが基礎クラッドとして働く、２つ以上の領域を通じて分布してもよい。この基礎クラッドは、コアと、第２のクラッドとの間の値の有効屈折率を有する。

これらの特徴のため、本発明は、実際の装置において材料加工（切断、溶着、およびマーキング）および外科手術などの用途に用いられる。
本明細書では、用語「有効屈折率」は、均質材料の屈折率を記載するためと、微細構造材料、穴（ｈｏｌｅｙ）材料、有孔材料、ナノ構造化材料、メタ材料など複合材料または非均質材料の有効屈折率を記載するためとの両方に用いられる。屈折率は、均質材料の従来の屈折率である。本発明の一部の実施形態では、導波路は可視から近赤外線領域（約４００ｎｍ〜２μｍの波長）にある光学的波長を導くことに適合している。この波長範囲では、ファイバ製造用の幾つかの材料（例えば、シリカ）は、主として波長独立である、または少なくとも強い波長依存性ではないと考えられる。しかしながら、複合材料または非均質材料については、有効屈折率は、その材料のモルフォロジに非常に依存する場合がある。さらに、そのようなファイバの有効屈折率は、強く波長依存性である場合がある。複合材料を含む所与のファイバ構造の所与の波長における有効屈折率を決定する手順は、当業者やそのような光ファイバの高度光学特性計算の分野の者にはよく知られている（例えば、「光子結晶（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ）」、Ｊｏｕａｎｎｏｐｏｕｌｏｓら、プリンストン大学出版局、１９９５年、または「光子結晶ファイバ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｒｅｓ）」、Ｂｊａｒｋｌｅｖ、Ｂｒｏｅｎｇ、およびＢｊａｒｋｌｅｖ、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、２００３年を参照）。単純な用語「率（ｉｎｄｅｘ）」を、直接的に「屈折（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）」とも「有効屈折（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）」とも述べずに手短に用いる場合もある。すなわち、この文脈における用語「率」は、「屈折率」または「有効屈折率」に等しい意味であると理解される。用語「絶対」は、材料自体の屈折率を強調するために用いられる場合がある。一様な材料の場合、絶対屈折率および有効屈折率は同様である場合があることは明らかである。すなわち、複合材料または非均質材料については異なる場合がある。

本発明の幾つかの目的は、添付の特許請求の範囲に記載されており、また以下において記載されている本発明によって達成される。
本発明の１つの目的は、光信号を増幅するためのクラッドポンプ増幅器導波路によって達成される。この導波路は、光信号を導くように適合されており有効屈折率ｎ_{ｃｏｒｅ−１}を有する信号コアと、ポンプ光を導くための内部クラッド領域とを備える。内部クラッド領域は、有効屈折率ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}を有する第１の内部クラッドを備える。第１の内部クラッドは１つ以上の希土類元素でドープされている。ｎ_{ｃｏｒｅ−１}＞ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}であり、信号コアの面積は２５μｍ^２より大きい、および／または信号コアが１つ以上のコアフィーチャを備える、および／または内部クラッド領域が複数の内部クラッドフィーチャを備える。

導波路は、内部クラッド領域を包囲する外部クラッド領域をさらに備えてよく、外部ク
ラッド領域は有効屈折率ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ−１}を有する１つ以上の第１の外部クラッドを備えてよい。

導波路は、第１の内部クラッドを包囲する第２の内部クラッドを備えてよく、第２の内部クラッドは有効屈折率ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}を有する。
本発明の１つの目的は、光信号を増幅するためのクラッドポンプ増幅器導波路によって達成される。この導波路は、光信号を導くように適合されており有効屈折率ｎ_{ｃｏｒｅ−１}を有する信号コアと、ポンプ光を導くための内部クラッド領域とを備える。有効屈折率ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}を有する第１の内部クラッドと、屈折率ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}を有し、第１の内部クラッドを包囲している第２の内部クラッドとを備える。少なくとも第１の内部クラッドは１つ以上の希土類元素でドープされている。この導波路は、有効屈折率ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ−１}を有する第１の外部クラッドを備える。ｎ_{ｃｏｒｅ−１}＞ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}＞ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ−１}である。

本発明の１つの目的は、高パワー増幅器導波路によって達成される。この高パワー増幅器導波路は、２つ以上のクラッド領域に対して増加した屈折率を有する１つ以上のサブ領域を含むコア領域を備える。コア領域とクラッド領域とのうちの１つ以上は光学活性な利得媒質を含む。この領域は波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}の光信号を導くように適合されている。導かれる信号の重なり合いは２５％以下である。

本発明の１つの目的は、光信号を増幅するためのクラッドポンプ増幅器導波路において達成される。この導波路は、光信号を導くように配置されており有効屈折率ｎ_ｃｏｒｅを有する信号コアと、ポンプ光を導くための内部クラッド領域であって、信号コアを包囲し、屈折率ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}を有する内部クラッド領域と、有効屈折率ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ}を有する第１の外部クラッドと、を備える。ｎ_ｃｏｒｅ＞ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}＞ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ}である。内部クラッド領域において活性希土類元素の最大濃度を有することによって、増幅器効率の光黒化によって誘起される劣化が軽減される。

本発明の１つの目的は、光信号を増幅するための高パワー増幅器導波路システムによって達成される。このシステムは、波長λ_ｐｕｍｐで動作し、１００Ｗを超えるポンプパワーを有するダイオードバーアレイポンプレーザと、カップリングデバイスと、本発明によるクラッドポンプ増幅器導波路と、出力送達ファイバと、を含む。波長λ_ｐｕｍｐは希土類ドーピングの吸収帯と共振する。

本発明の１つの目的は、本発明による光導波路を含むファイバレーザまたは増幅器によって達成される。
この導波路の屈折率は、ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ−１}＜ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}のようであってよい。

第１および第２の内部クラッドの有効屈折率は異なってもよく（ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}＜ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}、またはｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}＞ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}など）、０．５％未満、０．２％未満、０．１％未満、０．０５％未満、０．０１％未満の相対差を有するなど、ほぼ等しくてもよい（すなわち、ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}≒ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}）。

信号コアと第２の内部クラッドとの有効屈折率は、ｎ_{ｃｏｒｅ−１}＜ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}、またはｎ_{ｃｏｒｅ−１}＞ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}のようであってもよく、０．５％未満、０．２％未満、０．１％未満、０．０５％未満、０．０１％未満の相対差を有するなど、ほぼ互いに等しくてもよい（すなわち、ｎ_{ｃｏｒｅ−１}≒ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}）。

信号コアがシリカ材料の組成物を含むことによって、ｎ_{ｃｏｒｅ−１}は純粋なシリカの屈折率にほぼ等しくてよい。また、第１の内部クラッドの屈折率、すなわち、ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}は、純粋なシリカの屈折率未満であってよい。

一実施形態では、導波路は信号波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}の光信号を導くように適合されている。この信号波長は、１０２０ｎｍ〜１１２０ｎｍの間隔内、１０５０ｎｍ〜１０９０ｎｍの間隔内など、９７０ｎｍ〜１２５０ｎｍの間隔内であってよい。

一実施形態では、信号コアは、シングルモード条件において波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}が１０６４ｎｍの光信号を導くように適合されている、
一実施形態では、第１の内部クラッドは１つ以上の希土類ドープシリカ領域を含む、この領域は、信号コアを包囲する環形状領域を含んでよい。

第１の内部クラッドは、希土類ドープシリカ領域を含む複数の内部クラッドフィーチャを含んでよい。これらの内部クラッドフィーチャのうちの１つ以上の部分は、Ｆドープシリカ領域など、ダウンドープしたシリカ領域によって包囲されてよい（内部クラッドフィーチャがダウンドープしたシリカ領域によって個別に包囲されている、など）。また、第１の内部クラッドの有効屈折率、すなわち、ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}は、内部クラッドフィーチャおよびダウンドープシリカ領域の平均屈折率によって与えられてよい。すなわち、ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}は、内部クラッド領域の希土類ドープシリカ領域およびＦドープシリカ領域の平均屈折率によって与えられてよい。

一実施形態では、内部クラッドフィーチャの断面寸法は、約４００ｎｍ未満、約３００ｎｍ未満、約２５０ｎｍ未満、約１５０ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、約２５ｎｍ未満など、約５００ｎｍ未満である。また、内部クラッドフィーチャの数は、約２００以上、約３５０以上、約５００以上、約７５０以上、約１０００以上、約２０００以上、約３５００以上、約５０００以上、約７５００以上、約１００００以上など、約１００以上であってよい。内部クラッドフィーチャの数は、約１０００００未満であってよい。

一実施形態では、内部クラッドフィーチャの断面寸法は、約６００ｎｍ以上、約７００ｎｍ以上、約８５０ｎｍ以上、約１０００ｎｍ以上、約１５００ｎｍ以上、約２５００ｎｍ以上、約５０００ｎｍ以上など、約５００ｎｍ以上である。また、内部クラッドフィーチャの数は、約２５未満、約１５未満、約１０未満、約８未満、約６未満、約５未満、約４未満、約３未満、約２未満、約１未満など、約５０未満である。内部クラッドフィーチャの断面寸法は、約２００００ｎｍ未満であってよい。

様々な領域および導波路の領域の断面寸法について、個々の希土類ドープシリカ領域の最大断面寸法は、光信号波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}の５分の１未満、λ_{ｓｉｇｎａｌ}の１０分の１未満など、λ_{ｓｉｇｎａｌ}の２分の１であってよい。

ダウンドープしたシリカ領域は、フッ素（Ｆ）、ホウ素（Ｂ）、またはそれらの組み合わせの群から選択される屈折率低下元素を含んでよい。
第２の内部クラッドは、１つ以上の希土類元素でドープされていてよい。一実施形態では、第１の内部クラッドにおける希土類元素のドーピングレベルは、第２の内部クラッドにおけるより大きい。

信号コアと第１の内部クラッドとの屈折率の差は、ｎ_{ｃｏｒｅ−１}−ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}が、１×１０^−４より大きい、２×１０^−４より大きい、５×１０^−４より大
きい、１×１０^−３より大きいなど、１×１０^−５より大きいようであってよい。

第１および第２の内部クラッドの屈折率の差は、ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}−ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}が、−２×１０^−４未満など、−１×１０^−４未満であってよく、または、ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}−ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}は、５×１０^−４未満、２×１０^−４未満、１×１０^−４未満、１×１０^−５未満など、１×１０^−３未満であってよい。

第１の内部クラッドと第１の外部クラッドとの屈折率は、ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}−ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ−１}が、５×１０^−４未満、２×１０^−４未満、１×１０^−４未満、１×１０^−５未満、−１×１０^−４未満、−２×１０^−４未満など、１×１０^−３未満であってよい。

好適な一実施形態では、信号コアおよび第１の内部クラッドは等しい重心を保持し、２つの領域間の境界の断面は、ほぼ円形である。この境界の断面は、ほぼ六角形であってもよい。

導波路は、大きな有効モード面積を有する光信号を搬送するように適合されてよく、その光信号の有効モード面積が、約８０μｍ^２より大きい、約１００μｍ^２より大きい、約１５０μｍ^２より大きい、約２００μｍ^２より大きい、約２５０μｍ^２より大きい、約３５０μｍ^２より大きい、約４５０μｍ^２より大きい、約６００μｍ^２より大きい、約８００μｍ^２より大きい、約１０００μｍ^２より大きいなど、約５０μｍ^２より大きくてよい。

光信号の有効モード面積は、約４００００未満μｍ^２、約２００００未満μｍ^２、約１００００未満μｍ^２、約７５００未満μｍ^２、約５０００未満μｍ^２、２５００未満μｍ^２、２０００未満μｍ^２など、約１０００００μｍ^２未満であってよい。

一実施形態では、導波路は、比較的大きな信号のコア領域を有する信号コアを含む。信号コアの面積は、約２５μｍ^２より大きい、約５０μｍ^２より大きい、約８０μｍ^２より大きい、約１００μｍ^２より大きい、約１２５μｍ^２より大きい、約１５０μｍ^２より大きい、約２００μｍ^２より大きい、約２５０μｍ^２より大きい、約３００μｍ^２より大きい、約４００μｍ^２より大きい、約５００μｍ^２より大きい、約７００μｍ^２より大きい、約１０００μｍ^２より大きいなど、約１０μｍ^２より大きくてよい。

信号コアの面積は、約５０μｍ^２〜約５００００μｍ^２の範囲、約７５μｍ^２〜約５００００μｍ^２の範囲、約８０μｍ^２〜約５００００μｍ^２の範囲、約１００μｍ^２〜約５００００μｍ^２の範囲、約３００μｍ^２〜約５００００μｍ^２の範囲、約５００μｍ^２〜約５００００μｍ^２の範囲、約１０００μｍ^２〜約５００００μｍ^２の範囲など、約２５μｍ^２〜約５００００μｍ^２の範囲にあってよい。

信号コアの面積は、約４００００未満μｍ^２、約２００００未満μｍ^２、約１００００未満μｍ^２、約７５００未満μｍ^２、約５０００未満μｍ^２、２５００未満μｍ^２、２０００未満μｍ^２など、約１０００００μｍ^２未満であってよい。

第１の内部クラッドの面積は、約５０μｍ^２より大きい、約１００μｍ^２より大きい、約１５０μｍ^２より大きい、約２００μｍ^２より大きい、約３００μｍ^２より大きい、約３５０μｍ^２より大きい、約４００μｍ^２より大きい、約５００μｍ^２より大きい、約６００μｍ^２より大きい、約７５０μｍ^２より大きい、約１０００μｍ^２より大きい、約２０００μｍ^２より大きいなど、約１０μｍ^２より大きくてよい。

第１の内部クラッドの面積は、約１０００００未満μｍ^２、約５００００未満μｍ^２、約２５０００未満μｍ^２、約１００００未満μｍ^２、約５０００未満μｍ^２、２５００未満μｍ^２、２０００未満μｍ^２など、約２０００００μｍ^２より小さくてよい。

一実施形態では、本発明による増幅器導波路は、約５〜５００、約６〜５００、約８〜５００、約１０〜５００、約１５〜５００、約２０〜５００、約２５〜５００、約５０〜５００、約１００〜５００、約１５０〜５００、約２００〜５００、約３００〜５００、約４００〜５００など、約４〜約５００の範囲である第１の内部クラッドの面積と信号コアの面積との間の比を有するように適合されている。第１の内部クラッドの面積と信号コアの面積との間の比は、約４〜４００、約４〜３００、約４〜２００、約４〜１００、約４〜５０、約４〜２５、約４〜２０、約４〜１０など、約４〜約５００の範囲であってよい。

第１の内部クラッドの面積と信号コアの面積との間の比は、約４．５、約５、約６、約８、約１０、約１５、約２０、約２５、約５０、約１００、約２００、約３００、約４００、約５００など、約４であってよい。

好適な一実施形態では、本発明による増幅器導波路の希土類ドープシリカ領域に対する信号コアにおいて導かれる光信号の重なり合い（導かれる信号の重なり合い）は、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下、約５％以下、約２％〜約２５％の範囲など、約２５％以下である。

一実施形態では、信号コアと内部クラッド領域との間の境界における光信号のモードフィールド強度は、約１％〜４％の範囲、約１％〜３％の範囲、約１％〜２％の範囲など、約０．５％〜５％の範囲である。

一実施形態では、内部クラッド領域における光信号のモードフィールド強度は、約１％〜４％の範囲、約１％〜３％の範囲、約１％〜２％の範囲など、約０．５％〜５％の範囲である。

内部クラッド領域における希土類ドープシリカ領域に対する信号コアにおいて導かれる光信号の重なり合いは、信号コアを包囲し内部クラッドに包囲されているスペーサ領域を追加して、それによって第１の内部クラッド領域における信号コアにおいて導かれる光信号の強度を減少させることによって減少されてよい。

内部クラッドが１つ以上の活性材料を含む一実施形態では、内部クラッドは信号コアにほぼ接触して包囲するように配置されてよい。
内部クラッドが１つ以上の活性材料を含む一実施形態では、内部クラッドは、内部クラッドと信号コアの間の径方向距離が、約４．５μｍ未満、約４μｍ未満、約３．５μｍ未満、約３μｍ未満、約２．５μｍ未満、約２μｍ未満、約１．５μｍ未満、約１μｍ未満、約０．５μｍ未満、約０．４μｍ未満、約０．３μｍ未満、約０．２μｍ未満、約０．１未満μｍなど、約５未満μｍであるように配置されてよい。

一実施形態では、本発明による増幅器導波路の信号コアは、信号コアバックグラウンド材料を含み、コアフィーチャは、信号コアバックグラウンド材料の屈折率とは異なる屈折率プロファイルを有する。

一実施形態では、本発明による増幅器導波路の第１の内部クラッドは第１の内部クラッドバックグラウンド材料を含み、複数の内部クラッドフィーチャは第１の内部クラッドに
配置された第１の内部クラッドフィーチャを含み、第１の内部クラッドフィーチャは第１の内部クラッドバックグラウンド材料の屈折率とは異なる屈折率プロファイルを有する。

一実施形態では、第２の内部クラッドは第２の内部クラッドバックグラウンド材料を含み、複数の内部クラッドフィーチャは第２の内部クラッドに配置された第２の内部クラッドフィーチャを含み、第２の内部クラッドフィーチャは第２の内部クラッドバックグラウンド材料の屈折率とは異なる屈折率プロファイルを有する。

内部クラッドフィーチャは、空隙またはダウンドープしたシリカなど、第１および／または第２の内部クラッドバックグラウンド材料の屈折率未満の屈折率を有する領域を含んでよい。

内部クラッドフィーチャは、六方格子、正方形格子またはハニカム格子など、格子状に配置されてよい。
複数のコアフィーチャを含むコアでは、コアフィーチャは、六方格子、正方形格子またはハニカム格子など、格子状に配置されてよい。

複数の内部クラッドフィーチャを含む導波路では、信号コアは、内部クラッドフィーチャのうちの１つ以上を、第１の内部クラッドフィーチャの屈折率プロファイルとは異なる屈折率プロファイルのコア材料を含む１つ以上のコアフィーチャで置換することによって形成されてよい。

信号コアは、内部クラッドフィーチャのうちの１つとその最も近い１８個の内部クラッドフィーチャとをコアフィーチャで置換すること、内部クラッドフィーチャのうちの１つとその最も近い１８個より多くの内部クラッドフィーチャとをコアフィーチャで置換することによってなど、内部クラッドフィーチャのうちの１つとその最も近い６つの内部クラッドフィーチャとをコアフィーチャで置換することによって形成されてもよい。六方格子では、１，７，または１９個の内部クラッドフィーチャがコアフィーチャで置換されているコアは、コアフィーチャのうちの０，１，または２個の輪によってそれぞれ包囲されている中央コアフィーチャを含んでよい。この輪は完結している必要はなく、例えば、３個以上のコアフィーチャに関連した１つのコアフィーチャを含むコアも用いられてよい。そのため、コア要素の数と、その相対配置とを決めるとき、大きな自由度が存在する。コアフィーチャは必ずしも同一の屈折率プロファイルを含む必要はない。一実施形態では、中央コアフィーチャは、完全にまたは部分的に充填された輪における周囲コアフィーチャより高い屈折率を有する。

一実施形態では、第１の内部クラッドフィーチャは希土類ドープ材料を含むか、または、内部クラッドフィーチャの少なくとも一部は希土類ドープ材料を含む。希土類ドープ材料を含む第１の内部クラッドフィーチャは、信号コアを包囲する１つ以上の鎖を形成するように配置されてよい。一実施形態では、第１の内部クラッドフィーチャは希土類ドープシリカチューブを含む。

一実施形態では、第１の内部クラッドバックグラウンド材料の１つ以上の部分は希土類ドープシリカを含む。
光子バンドギャップ効果は、信号コアにおいて光を導くために利用されることが可能である。そのような一実施形態では、第１の内部クラッドフィーチャは、第１の内部クラッドバックグラウンド材料の有効屈折率より大きい有効屈折率を有する材料を含む。第１の内部クラッドフィーチャの材料、その寸法、および分布は、光子バンドギャップが形成され、光子バンドギャップ効果によって信号コアにおいて光信号を導くようなものである。

そのような一実施形態では、第２の内部クラッドフィーチャは、第２の内部クラッドバックグラウンド材料の有効屈折率より大きい有効屈折率を有する材料を含む。第２の内部クラッドフィーチャの材料、その寸法、および分布は、光子バンドギャップが形成され、光子バンドギャップ効果によって信号コアにおいて光信号を導くようなものである。

１つのそのような実施形態では、第２の内部クラッドフィーチャは、第２の内部クラッドバックグラウンド材料の有効屈折率より小さい有効屈折率を有する材料を含む。第１および／または第２の内部クラッドフィーチャの材料、その寸法、および分布は、それによって光子バンドギャップが形成され、光子バンドギャップ効果によって信号コアにおいて光信号を導くようなものである。

希土類元素はコア中に存在してもよい。一実施形態では、信号コアおよび第１の内部クラッド領域は希土類元素の一様な分布を含む。
一実施形態では、導波路におけるフォノン共伝搬に対する結合は、高フォノン速度材料を含む内部コア領域を有することによって減少される。フォノンは純粋なシリカガラスにおけるより大きい速度を有する、高フォノン速度材料はアルミニウム共ドープシリカガラスを含む。これによって、フォノンの反案内が生じ、それによってラマン増幅の影響が有意に減少されてもよい。

一実施形態では、第１の内部クラッドフィーチャと随意では第２の内部クラッドフィーチャとは、導波路が反共振反射光導波路として動作可能であるように配置されている。信号コアは、次いで、第１の内部クラッドフィーチャによって対向する面において包囲されており、第１の内部クラッドフィーチャは信号コアの対向する面に配置されている第２の内部クラッドフィーチャによって包囲されていてよい。

一実施形態では、第１の内部クラッド領域は第１の内部クラッドフィーチャの輪を含み、内部クラッドフィーチャは希土類ドープ領域によって包囲されている低屈折率領域を含む。低屈折率の材料は空隙を含んでよい。

一実施形態では、第１の外部クラッドは空気クラッドを含む。この空気クラッドは、内部クラッドにおける強いポンプ信号を収集し導くのに適切な、大きな開口数を有してよい。

外部クラッドはポリマーコーティングを含んでよい。
希土類元素は、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ツリウム（Ｔｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、またはそれらの組み合わせからなる群から選択されてよく、希土類ドープシリカ材料は、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、セシウム（Ｃｓ）、またはそれらの組み合わせで共ドープされてよい。希土類ドープシリカ材料における希土類元素の濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３〜５×１０^２１ｃｍ^−３の範囲であってよい。

本発明の１つの目的は、高パワー増幅器導波路によって達成される。この導波路は、面積Ａ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}の第１の内部クラッドによって包囲されている面積Ａ_{ｓｉｇｎａｌ}の信号コアを有する導波路と、面積Ａ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}の第１の内部クラッドと、外部クラッドとを備える。信号コア屈折率は、第１および第２の内部クラッドの屈折率より高く、内部クラッドの部分は１つ以上の希土類元素を含み、導かれる信号波長はλ_{ｓｉｇｎａｌ}であり、希土類で共ドープされた領域に対する導かれる信号の重なり合いは２５％以下である。

本発明の１つの目的は、クラッドポンプ光ファイバ構造を提供することである。所与の
希土類元素のドーピングレベルについて、ポンプ光吸収はレーザまたは増幅器構成により最大化される。

本発明の１つの目的は、曲げの影響の受けやすさを軽減してスプライシングを容易とするために、高いポンプ吸収と可能な限り小さなコア寸法とを有するクラッドポンプ光ファイバ構造を提供することである。

本発明のさらなる１つの目的は、レーザまたは増幅器の出力パワーレベルが延長動作期間を通じてほぼ一定に維持されるシステムを可能とするために、所与の導波路コア寸法およびポンプ光吸収について希土類濃度が最小化されるクラッドポンプ光ファイバ構造を提供することである。希土類濃度を最小化することは、該濃度が劣化速度および飽和減衰レベルに相関しているので、増幅器またはレーザシステムにおける光劣化または光黒化に関して有利である。

本発明による１つの導波路レーザまたは増幅器ファイバ設計は、意図されるレベルの増幅、ポンプ波長、増幅波長、意図されるファイバ長などに適合した濃度で１つ以上の希土類元素をドープした、シリカガラスホスト材料を含む。希土類ドープ材料は２つ以上の領域を通じて分布してもよく、領域のうちの１つ以上はクラッド材料と比べられる有効屈折率を有する。希土類ドープ材料は、１つが導波路コア（高い有効屈折率を有する）として働き、第２のものが基礎クラッドとして働く、２つ以上の領域を通じて分布してもよい。この基礎クラッドは、コアの有効屈折率と、第２のクラッドの有効屈折率との間の値の有効屈折率を有する。希土類ドープ領域は、信号光の大部分を案内することを意図した信号コアガラス材料を包囲してよい。本発明の１つの目的では、信号コアガラス材料は、ゲルマニウム共ドープ材料などブラッグ格子の形成に適切な感光材料を含み、信号コアは、クラッドの屈折率より高い屈折率を有する希土類ドープガラスからなる領域によって包囲されている。

「導かれる信号の重なり合い」は、総モードパワーに対する希土類共ドープシリカガラス領域に伝搬する光学モードパワーの分数である。活性材料が内部クラッド領域に閉じ込められる本発明による光導波路の複数の実施形態では、希土類で共ドープされたシリカガラスの領域に対する「導かれる信号の重なり合い」の用語は、式１の閉じ込め係数Γ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}によって与えられる第１の内部クラッドに重なり合うスカラー信号電場Ｅ（ｘ，ｙ）の強度を意味すると理解される。

このスカラー信号電場Ｅ（ｘ，ｙ）は、スカラー微分方程式２から決定される。

ここで、ｋ＝ω／ｃは自由空間波係数であり、ｎ（ｘ，ｙ）は交差部分の位置（ｘ，ｙ）における屈折率であり、β＝β_ｍｎ＝２π／λ_{ｓｉｇｎａｌ}・ｎ_ｅｆｆはモードｍｎにおける長手方向の伝播係数であり、ｎ_{ｅｆｆ，ｍｎ}はモードｍｎにおける有効屈折率である。このモードではブラッグ格子からの光フィードバックがレーザキャビティの内側にしか存在しないので、「導かれる信号の重なり合い」の計算では縮退基本モードのみが考慮される。式（２）を解くための境界条件は、第２のクラッドへの距離１μｍにおいてＥ（ｘ，ｙ）＝０として規定される。 一実施形態では、信号コアは、Ｇｅドープシリカ領域など、感光性元素を含む１つ以上の感光性領域を含む。１つ以上の感光性領域の各々は、ダウンドープしたシリカ領域に包囲されており、信号コアの有効屈折率は前記１つ以上の感光性領域およびダウンドープシリカ領域の平均屈折率によって与えられる。

一実施形態では、信号コアは、ダウンドープしたシリカ領域によって各々包囲されてよい複数の感光性領域を含み、信号コアの有効屈折率は複数の感光性領域およびダウンドープシリカ領域の平均屈折率によって与えられる。

１つの感光性領域の最大断面寸法は、一実施形態では、０．２マイクロメートル未満、０．１マイクロメートル未満など、０．５マイクロメートル未満であってよい。
一実施形態では、信号コアは信号波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}の光を導くように適合されており、信号コアは１つ以上の感光性領域を含み、Ｇｅでドープしたシリカ領域など感光性元素を含み、１つ以上のダウンドープしたシリカ領域に包囲されており、信号コアの有効屈折率は１つ以上の感光性領域およびダウンドープシリカ領域の平均屈折率によって与えられ、１つの感光性領域の最大断面寸法は、λ_{ｓｉｇｎａｌ}の５分の１未満、λ_{ｓｉｇｎａｌ}の１０分の１未満など、信号波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}の２分の１である。

本発明によるシステムの一実施形態では、第１のファイバブラッグ格子は、カップリングデバイスとクラッドポンプ増幅器導波路との間で形成されており、第２のファイバブラッグ格子は、クラッドポンプ増幅器導波路と出力送達ファイバとの間に形成されている。第１および第２のファイバブラッグ格子は、増幅器導波路に対するブラッグ格子を含むファイバの融合スプライシング部分によって形成されてよい。ブラッグ格子は、増幅器導波路に直接的に書き込まれてよい。

一実施形態では、導かれる信号の第１の内部クラッドに対する重なり合いが決定されると同時に、信号コアにおけるＧｅ共ドープした断面セグメント化領域を含む感光性領域によって、信号コアにおけるブラッグ格子を形成することができるようになる。信号コアは複数のＧｅ共ドープシリカ領域を含む。これらのＧｅ共ドープシリカ領域はフッ素共ドープシリカガラスによって包囲されてよく、信号コアの屈折率は、Ｇｅ共ドープシリカ領域とフッ素共ドープシリカガラス領域との平均屈折率によって与えられる。一実施形態では、個々のＧｅ共ドープシリカ領域を通じた最大寸法は、信号波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}の５分の１未満、λ_{ｓｉｇｎａｌ}の１０分の１未満など、λ_{ｓｉｇｎａｌ}の２分の１である。一実施形態では、個々のＧｅ共ドープシリカ領域を通じた最大寸法は、０．２マイクロメートル未満、０．１マイクロメートル未満など、０．５マイクロメートル未満である。

一実施形態では、導かれる信号の第１の内部クラッドに対する重なり合いが決定されると同時に、信号コアにおける感光性領域によって、信号コアにおけるブラッグ格子を形成することができるようになる。

感光性領域は１つ以上の感光性元素を含んでよい。感光性元素は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ホウ素（Ｂ）、またはそれらの組み合わせからなる群から選択されてよい。
増幅器導波路のポンプ光吸収は、有利には、希土類共ドープ「断面セグメント化」領域による第１の内部クラッドに対する光学モードパワー重なり合いとは独立に定義されるこ
とが可能である。第１の内部クラッドは、フッ素共ドープシリカガラスに包囲された複数の希土類共ドープシリカ領域を含んでよく、信号コアの屈折率は希土類共ドープシリカ領域およびフッ素共ドープシリカガラス領域の平均屈折率によって与えられ、個々の希土類共ドープシリカ領域を通じた最大寸法は、信号波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}の５分の１未満、λ_{ｓｉｇｎａｌ}の１０分の１未満など、λ_{ｓｉｇｎａｌ}の２分の１である。ポンプ光吸収は、これによって、希土類領域と希土類原子濃度と希土類原子の吸収断面積との積の関数となる。

活性材料に対する低信号の重なり合いは、第１の内部クラッドの平均屈折率と第２の内部クラッドの平均屈折率の差が、５×１０^−４未満、２×１０^−４未満、１×１０^−４未満、１×１０^−５未満、−１×１０^−４未満、−２×１０^−４未満など、１×１０^−３未満であるとき、維持されてもよい。これによって、外部コア領域の領域によって形成される実際に達成可能なポンプ吸収に制限が設けられる。

本発明の一実施形態では、イッテルビウム吸収帯（８８０ｎｍ〜９７６ｎｍ）で共鳴する放射を用いてイッテルビウムドープガラスのポンピングを行うことによって、ガラス材料の増幅を最適化することがさらに可能である（９７６ｎｍ〜１２５０ｎｍの帯域において）。

ラマン散乱の非線形効果についての閾値を拡張するため、有効モード面積は有利には５０μｍ^２より大きい。用語「有効モード面積」は、この文脈において式３によって定義される。

有効モード面積Ａ_ｅｆｆ＝πｗ_ｅｆｆ ^２であり、ここで、ｗ_ｅｆｆはモード半径である。「モードフィールド直径」はモード半径ｗ_ｅｆｆの２倍である。有効モード面積をモードフィールド直径に関連付けることは、光ファイバにおいて頻繁に利用されている。この関連付けは、通常の軸方向に対称なファイバにおけるガウスモードに近いときにのみ有効である。この文脈では、ガウス近似が適用され、モードフィールド直径というときに、上記の実効面積を有するガウシアン等価モードのモードフィールド直径を意味すると理解される。電磁場の強さがその最大値の１／ｅまで減少する場合にモードフィールド直径（すなわち、パワーは場の強度の２乗に比例するので、パワーが最大のパワーの１／ｅ^２まで減少する直径）が見出される。望ましくない誘導ラマン効果についての閾値は有効モード面積に比例するので、大きな有効モード面積または大きなモードフィールド直径が望ましい。

本発明の一実施形態では、信号コアおよび第１の内部クラッドは等しい重心を保持し、２つの間の境界の断面は、ほぼ円形である。この実施形態は、信号コアを形成するために直接的に延伸される修飾化学堆積によって導かれるプリフォーム材料に用いられてもよい。

本発明の一実施形態では、信号コアおよび第１の内部クラッドは等しい重心を保持し、２つの領域間の境界の断面は、ほぼ六角形である。この実施形態は、「断面セグメント化」信号コアを形成するためのスタックおよび延伸処理において適用される、修飾化学堆積
によって導かれるプリフォーム材料に関連して用いられてもよい。

活性材料に対する信号の重なり合いは、１５％以下、１０％以下、５％以下など、２０％以下であってよい。
第１の内部クラッド面積は、５０μｍ^２より大きい、１００μｍ^２より大きい、１５０μｍ^２より大きい、２００μｍ^２より大きい、３００μｍ^２より大きいなど、１０μｍ^２より大きくてよい。

本発明の１つの目的は、波長λ_ｐｕｍｐで動作し、１００Ｗを超えるポンプパワーを有するダイオードバーアレイポンプレーザと、カップリングデバイスと、本発明による高パワー増幅器導波路と、出力送達ファイバと、を備える高パワー増幅器によって達成される。「波長λ_ｐｕｍｐは希土類ドーピング吸収帯と共振する」の用語は、この文脈において、λ_ｐｕｍｐが希土類ドーパント元素の吸収帯内にあることを意味すると理解される。

高いポンプ効率を達成するために、ファイバは、直径ｄ_ｃｏｒｅ＝２（Ａ_ｉｎ／π）^０．５＞３．６μｍであり、０．１未満の開口数を有する信号コアと、直径ｄ_{ｏｕｔｅｒ}＝２（Ａ_ｏｕｔ／π）^０．５＞５μｍである第１の内部クラッドと、第１の内部クラッドを包囲し、直径〉３０μｍ、０．４以上の開口数を有する第２の内部クラッドと、第２の内部クラッドを包囲し、ポリマー材料または空気／ガラスミクロ構造のいずれかを含む外部クラッドと、を含むように構成されてよい。カップリングデバイスは、第２の内部クラッドの開口数に対する開口数に適合するようにテーパを有する融合されたファイバ束であり、ファイバ束のファイバはダイオードバーアレイレーザに取り付けられている。

増幅器導波路のレーザ動作を達成するため、高パワー増幅器は、カップリングデバイスとファイバとの間に第１のファイバブラッグ格子が形成され、ファイバと出力送達ファイバとの間に第２のファイバブラッグ格子が形成されるように構成されることが可能である。これらの格子は、ファイバの一部分を融合させることによって形成されてもよく（ファイバブラッグ格子はシリカホストガラスファイバのそれぞれのファイバ末端に対し形成される）、ファイバのコアへ直接的に書き込まれてもよい。ファイバのコアへ直接的に書き込む場合、ゲルマニウムまたは別の感光性元素を用いるコアの追加の共ドーピングが必要である。

本発明の１つの目的は、高パワー増幅器導波路によって達成される。この導波路は、外部および内部クラッド領域に対して増加した屈折率を有する１つ以上のサブ領域を含む信号コア領域を備える。コア領域とクラッド領域とのうちの１つ以上は光学活性な利得媒質を含む。コア領域とクラッド領域とのうちの１つ以上は、波長λ_{ｓｉｇｎａｌ}の光信号を導くように適合されている導波路を備える。利得媒質に対する信号の重なり合いは２５％以下である。

本発明による導波路増幅器における光黒化の影響を減少させることに伴う幾つかの効果が存在し得る。希土類元素に対する大きな光信号の重なり合いを有する導波路では、シリカマトリクスにおけるＹｂ原子の近傍の色中心におけるポンプおよび信号光の吸収によってシリカ材料の温度が上昇することによって、導波路におけるＹｂの存在に関する吸収および発光過程の断面特性が変化する。本出願において開示される導波路の設計によって、温度変化はポンプの吸収に対する応答として生じ、動作中に温度がほぼ維持されるように信号が軽減されることによって、より高信頼性かつ一定なスロープ効率が得られる。

一実施形態では、導波路は信号コアに対して対向する両側に配置された応力誘起元素を含み、これにより、導波路が導波路を通じて伝搬する光の偏光を抑制することによって、ファイバは偏光維持および／または偏光となる。

本発明の１つの目的は、光信号を増幅するためのクラッドポンプ増幅器導波路を提供することである。このクラッドポンプ増幅器導波路は、信号コア、内部クラッド領域、および第１の外部クラッド領域を備える。信号コアは、光信号を導くように適合されており、有効屈折率ｎ_{ｃｏｒｅ−１}を有する。信号コアは、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}の平均濃度の１つ以上の希土類元素でドープされている。ポンプ光を導くための内部クラッド領域は、有効屈折率ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}を有する第１の内部クラッドと、有効屈折率ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２}を有し、第１の内部クラッドを包囲している第２の内部クラッドとを備え、少なくとも第１の内部クラッドは、ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}の平均濃度の１つ以上の希土類元素でドープされている。有効屈折率ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ}を有する第１の外部クラッドは、ｎ_{ｃｏｒｅ−１}＞ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}＞ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ}である。

一実施形態では、信号コアの有効屈折率と内部クラッド領域の有効屈折率とは異なる。これらの２つの有効屈折率の間の差、ｎ_{ｃｏｒｅ−１}−ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}は、約５×１０^−４より大きい、約２×１０^−４より大きい、約１×１０^−４より大きい、約１×１０^−５より大きいなど、約１×１０^−３より大きい。

一実施形態では、内部クラッドの有効屈折率と外部クラッド領域の有効屈折率とは異なる。これらの２つの有効屈折率の間の差、ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１}−ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ}は、約５×１０^−４未満、約２×１０^−４未満、約１×１０^−４未満、約１×１０^−５未満、約−１×１０^−４未満、約−２×１０^−４未満など、約１×１０^−３未満である。

信号コアと第１の内部クラッドとは互いに対して様々に配置されてよい。一実施形態では、信号コアおよび第１の内部クラッドは等しい重心を保持し、２つの領域間の境界の断面は、ほぼ円形である。一実施形態では、信号コアおよび第１の内部クラッドは等しい重心を保持し、２つの領域間の境界の断面は、ほぼ六角形である。六角形の配置は、スタックおよび延伸技術を用いて導波路が製造されるときに得られる。

本発明の１つの目的は、光信号を増幅するための高パワー増幅器導波路システムによって提供される。このシステムは、ダイオードバーアレイポンプレーザと、カップリングデバイスと、本発明によるクラッドポンプ増幅器導波路と、出力送達ファイバと、を含む。ダイオードバーアレイポンプレーザは、波長λ_ｐｕｍｐで動作し、約１００Ｗを超えるポンプパワーを有する。波長λ_ｐｕｍｐは希土類ドーピングの吸収帯と共振する。第１のファイバブラッグ格子は、カップリングデバイスとクラッドポンプ増幅器導波路との間で形成されてよく、第２のファイバブラッグ格子は、クラッドポンプ増幅器導波路と出力送達ファイバとの間に形成されてよい。第１および第２のファイバブラッグ格子は、増幅器導波路に対するブラッグ格子を含むファイバの融合スプライシング部分によって形成されてよい。

このシステムのクラッドポンプ増幅器導波路は、これに加えて信号コアにおいてゲルマニウム共ドープされてよく、第１および第２のブラッグ格子は信号コアに直接的に書き込まれてよい。

本発明の１つの目的は、光信号を増幅するためのクラッドポンプ増幅器導波路によって提供される。この導波路は、信号コア、ポンプ光を導くための内部クラッド、および第１の外部クラッドを備える。信号コアは、光信号を導くように配置されており、有効屈折率ｎ_ｃｏｒｅを有する。内部クラッド領域は、信号コアを包囲し、有効屈折率ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}を有する。第１の外部クラッドは、有効屈折率ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ}を有す
る。これらの領域の屈折率は、ｎ_ｃｏｒｅ＞ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}＞ｎ_{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ}である。内部クラッド領域において活性希土類元素の最大濃度を有することによって、増幅器効率の光黒化によって誘起される劣化が軽減される。

本発明の１つの目的は、光信号を増幅するためのクラッドポンプ増幅器導波路を製造するための方法を提供することである。この方法は、１つ以上のｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ前駆体元素および複数の内部クラッド前駆体元素をスタック状に配置する工程を含み、内部クラッド前駆体元素はコア前駆体元素を包囲する鎖状に配置されている。

本発明の１つの目的は、光信号を増幅するためのクラッドポンプ増幅器導波路を製造するための方法を提供することである。この方法は、前駆体元素をプリフォームに配置し、該プリフォームを増幅器導波路へと延伸する工程を含む。
前駆体元素は、延伸された増幅器導波路において内部クラッドフィーチャを提供するように配置される複数の内部クラッド前駆体元素を含んでよい。一実施形態では、内部クラッド前駆体元素の少なくとも一部は、希土類元素など活性元素でドープされた１つ以上の領域を含む。

一実施形態では、前駆体元素の活性元素ドープ領域のうちの少なくとも一部はダウンドープした領域によって個々に包囲されている。
一実施形態では、内部クラッド前駆体元素はコア前駆体元素を包囲する鎖状に配置されている。

一実施形態では、内部クラッド前駆体元素当たりの活性元素でドープされた領域の数は、約２５以上、約５０以上、約１００以上、約１２５以上、約１５０以上、約３００以上、約５００以上、約１０００以上、約１５００以上、約２０００以上など、約１０以上である、
一実施形態では、内部クラッドフィーチャの数は、約１５未満、約１２未満、約１０未満、約８未満、約６未満、約４未満、約３未満、約２未満など、約２０未満である。

一般に、内部クラッドは、二次コアとして働く（すなわち、伝搬する光信号をサポートする）のに十分な断面における領域範囲を含まないように配置される。この条件は、内部クラッド（詳細には内部クラッドフィーチャ）が周囲の内部クラッドベース材料の屈折率より高い屈折率を有する領域を含まないことによって満たされる。より一般的には、内部クラッドフィーチャは（導波路断面に）分布させられ、（ｎ_{ｃｏｒｅ−１}＋ｎ_{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}）／２より大きな有効屈折率を有するコア領域以上の寸法（断面寸法）を有する内部クラッド領域が存在しないような有効屈折率を有する。

本発明は、中実のファイバと、コアおよび／またはクラッドにマイクロ構造を有するをファイバとの両方に適用可能である。例えば、様々な実施例の屈折率プロファイルはマイクロ構造を有するファイバによって表現されてもよい（これには、フォトニック結晶ファイバ、フォトニックバンドギャップファイバ、リーキーチャネルファイバ、有孔ファイバ、ホールアシストファイバなどと呼ばれるファイバが含まれる）。

一実施形態では、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}は、ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}とほぼ同一である。一実施形態では、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０．９＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０．８＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０．７＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０．６＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０．５＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０
．４＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０．３＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０．２＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}＜０．１＊ｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}など、ｃ_{ＲＥ，ｓｉｇｎａｌ−ｃｏｒｅ}はｃ_{ＲＥ，ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ}未満である。

シリカガラスホストファイバは、空気クラッドファイバなど、二重クラッドファイバまたは二重マイクロ構造化クラッドファイバであってよい。これは、高出力用途に適切なファイバを提供するという利点を有する。この文脈では、用語「空気クラッド」ファイバは、マイクロ構造を有するファイバ（伝搬される光はファイバのクラッドにおける空隙を長手方向に拡張する周辺分布内のファイバの部分に閉じ込められる）を意味すると理解される（例えば、米国特許第５，９０７，６５２号明細書または国際公開第０３／０１９２５７号を参照）。そのようなファイバ（本発明のドープクラッドの変更のない）の一例は、Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｒｅ Ａ／Ｓ（Ｂｉｒｋｅｒｏｅｄ、デンマーク国）製のＤＣ−２２５−２２−Ｙｂファイバである。

以下では、本発明による高パワー増幅器の設計および用途について、複数の実施例に関連して説明する。
一実施形態では、シリカガラスホストファイバは、マイクロ構造化ファイバ、空気クラッドファイバなど、二重クラッドファイバである。この種のファイバは高出力用途に適切である。この文脈では、用語「空気クラッド」ファイバは、マイクロ構造を有するファイバ（伝搬される光はファイバのクラッドにおける空隙を長手方向に拡張する周辺分布内のファイバの部分に閉じ込められる）を意味すると理解される（例えば、米国特許第５，９０７，６５２号明細書または国際公開第０３／０１９２５７号を参照）。そのようなファイバ（本発明の信号重ね合わせの変更のない）の一例は、Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｒｅ Ａ／Ｓ（Ｂｉｒｋｅｒｏｅｄ、デンマーク国）製のＤＣ−２２５−２２−Ｙｂファイバである。

断面セグメント化領域およびその製造の態様については、米国特許第７，１１６，８７５号明細書に記載されている。
希土類ドープシリカファイバレーザの態様については、様々な出典に記載されている（例えば、［Ｄｉｇｏｎｎｅｔ］、第３章、ｐｐ．１１３−１７０）。

光ファイバにおけるブラッグ格子の書込やシリカ光ファイバにおける水素／重水素充填の態様については、光ファイバにおけるブラッグ格子を書込前または書込中の感光度強化に関連して、様々な教科書において説明されている（例えば、「ファイバブラッグ格子（Ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）」、Ａ．Ｏｔｈｏｎｏｓ，Ｋ．Ｋａｌｌｉ、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ、１９９９年、第２．６．１章、ｐｐ．４３−４８を参照）。

図１には、本発明による高パワー増幅器導波路の概略図を示す。入力信号１は、ＤＣファイバを備える高パワー増幅器４を通じて増幅され、出力送達ファイバ５から出力６として送出される。ダイオードバーアレイ２からのポンプ放射は、融合およびテーパ化されたファイバ束３の一部分を通じて二重クラッドファイバ４に接続される。ファイバ束は、束出力開口数が二重クラッドファイバ４の内部クラッドの開口数と一致するように、テーパ化されている。信号１は、この同じテーパ化されたファイバ束３によって、二重クラッドファイバ４の信号コアへ接続される。出力信号は、出力ファイバ５によって、ほぼシングルモードコアにおいて出力６に対し送達される。カップリングデバイスまたは融合およびテーパ化されたファイバ束３は、７で示すように、出力送達ファイバ５と同じく、二重クラッドファイバ４に接合される（好適には、融合によって接合される）。

図２には、レーザ構成における本発明による高パワー増幅器の概略図を示す。図２は、入力信号ポート（図１の１）がダイオードバーアレイ２からポンプ光を受け取るポンプダイオードファイバで置換されていることを除き、図１と同一である。図２では、カップリングデバイス３の図１のシングルモード入力ファイバ１（ここでは、融合およびテーパ化されたファイバ束）は、ポンプ光を搬送するマルチモード入力ファイバによって置換されている。レーザ動作は、増幅器ファイバ４における、または増幅器ファイバ４の隣の（すなわち、光学的に結合されている）格子８の追加を通じて達成される。

［実施例１］
この実施例では、増幅器材料に対する信号の重なり合いを減少させることによって、イッテルビウムなど希土類原子でドープされた高パワー増幅器シリカガラスホスト材料の光黒化が、どのように減少されるかについて開示する。この実施例では、「基礎」ステップ屈折率高パワー増幅器ファイバの光黒化挙動を本発明による高パワー増幅器導波路と比較する。２つのファイバは、モードフィールド直径、ポンプ吸収、および光利得媒質組成に関して同一である。

「基礎」ステップ屈折率ファイバは、３８．４μｍ^２のＧｅ共ドープ信号コアと、２３０．４μｍ^２のＹｂ共ドープした第１の内部クラッド領域と、第１の内部クラッド領域を包囲する屈折率上昇した第２の内部クラッドと、空気クラッドを含み第２の内部クラッドを包囲する外部クラッドと、を備える。Ｙｂ共ドープした利得媒質は、０．１２原子％のイッテルビウムと１．０原子％のアルミニウムとを共ドープしたシリカを含み、利得媒質領域に対する重なり合いは６８．１％である。Ｇｅ共ドープ内部コア領域に対する重なり合いは、２６．６％である。

この実施例の高パワー増幅器導波路は、２６８．８μｍ^２のＧｅ共ドープ内部コア領域と、２３０．４μｍ^２のＹｂ共ドープシリカを含み、断面セグメント化した第１のシリカクラッドへ９６．８μｍ^２のフッ素共ドープシリカを混合することによってクラッドに屈折率を一致させた外部領域と、第１のシリカクラッドを包囲する外部の第２空気クラッドとを備える。外部コア領域に対する重なり合いは、１１．０％である。フッ化物共ドープシリカにおけるイッテルビウム共ドープ材料の稀釈によって、７．８％の希土類共ドープ材料に対する重なり合いを生じる。両ファイバは、２４８μｍの空気クラッドにおいて、１８μｍのモードフィールド直径と、９１５ｎｍで０．８ｄＢ／ｍのポンプ吸収とを示す。

図３には、算出された電場分布３１を、本発明による増幅器導波路のコア中心軸に対する径方向位置の関数として示す。この電場分布に沿った、Ｇｅ共ドープ領域３２と、断面セグメント化Ｙｂ共ドープ領域（ｎ−Ｙｂ）３３とを点線で示す。図３では、電場は、外部コア領域の縁にあるとされる縁において、その最大値の約１／１０であることが分かる。

ファイバサンプルの光黒化は、λ_{ｓｉｇｎａｌ}＝１０６４ｎｍを有する３５０Ｗの定出力レーザシステムにおいて実行される。時間の関数としてのスロープ効率の展開は、１０，０００時間の動作について図４に示されている。スロープ効率は、ここでは、パッシブなシングルモード送達ファイバにおいて送達されるシングルモード出力パワーである。６１：１ポンプ結合器へ放たれるポンプパワーによって分割される。システムは、λ_ｐｕｍｐ＝９１５ｎｍにてポンピングされる。ポンプパワーは、３５０Ｗで維持される出力信号の観察される劣化に従う時間の関数として増加される。両システムは、４ｍのマスタ発振器キャビティ長と、２８％の出力カプラ反射率と、λ_{ｓｉｇｎａｌ}＝１０６４ｎｍにて動作するとき、＞９９．９５％の高さの反射器反射率とを有する。パワー増幅器部分の長さ
は１２．２５ｍであり、１３ｄＢのＭＯＰＡシステムポンプ吸収を与える。

図４では、スロープ効率の展開は時間の関数として２つのファイバについて示す。下側の曲線４１は基礎ファイバからの出力を示し、上側の曲線４２は本発明による増幅器導波路からの出力を示す。下側の曲線４１のスロープ効率が相当低下し、２００００時間の動作後に３２％のスロープ効率で飽和しているのに対し、上側の曲線４２は３０，０００時間の動作に対して６５％を超えるスロープ効率を維持していることが分かる。利得媒質に対する減少した信号の重なり合いが観察され、ＭＯＰＡデバイスのスロープ効率を大きく改良されている。基礎ファイバの性能は、局所的なイッテルビウム濃度の減少によって改良されることが可能である。これは達成可能なポンプ吸収用の重要性を保持し、やはりデバイス長の重要性を保持するとともに、やはり望ましくない誘導ラマン効果イベントに対する閾値を低下させる。

［実施例２］
この実施例では、本発明の増幅器導波路は２．４０５未満のＶ数を用いて設計されている（すなわち、ファイバの直線部分におけるシングルモード伝播のみが可能である）。Ｖ数は。正規化された周波数パラメータとして知られており、Ｖ＝２πＮＡ ａ／λ_{ｓｉｇｎａｌ}によって与えられる。ここで、ＮＡは開口数であり、ａはファイバコア半径である。

実施例１の増幅器導波路のファイバ設計では、Ｖ＝２．８６を示しており、したがって複数のモードで動作する。このファイバを（１６ｃｍ以下のコイル直径に）巻くことによって、高次モードにおいてマクロな屈曲によって誘起されるカップリング損失が生じなくなるので、有効なシングルモード動作が可能となる。

この実施例では、シングルモード動作設計について記載する。そのようなアプローチの利点は、得られるファイバの長さに沿った望ましｎない散乱現象（レイリー散乱など）によって、シングルモード送達ファイバへ結合可能な光の量の低下が生じないことである。高次モード伝播を示すファイバ設計では、そのモードにおいて屈曲によって誘起される損失による散乱損失が生じるにもかかわらず、高次モードに散乱する場の部分は利得媒質からエネルギーを獲得する。その結果、利得の一部分はその散乱中に高次モードに散逸する。

実施例１に示す設計の要件は、２．４０５未満のＶ数を達成するため、Ｇｅ共ドープコアの半径が２６８．８μｍ^２から１７９．２μｍ^２以下の面積まで減少されることである。これによって、導かれる場のモードフィールド直径は誘導ラマン効果のために１６．６μｍまで低減され、ファイバ設計に達成可能な最大出力パワーが減少される。実施例１の３３０Ｗの出力パワーについては、しかしながら、これで依然として充分である。

このＧｅ共ドープコア半径における変化は、Ｇｅ共ドープ材料についての重なり積分を８２．８％まで変化させ、断面セグメント化Ｙｂ共ドープ材料について１１．８％まで変化させる。これによって、やはり図５に示すように材料の長期安定性に影響が与えられ、実施例１により設計されたファイバの曲線５２と比べ破線の曲線５１ではスロープ効率が約６２％で飽和していることが分かる。

より大きなモードフィールド直径を有するシングルモード動作を達成し、媒質に対する低信号の重なり合いを維持する１つの手法は、利得媒質とコアのＧｅ共ドープ部分との間の距離を導入することである。これはガラス管の内部にＧｅ共ドープ材料を積み重ねることによって行われ、このガラス管もナノ構造化または直接堆積された利得材料の利得媒質材料ロッドを用いて積み重ねられ、やはり包囲される。実施例１において得られるような
媒質重なり合いに対し同一の信号を達成するために、厚さ１．２７μｍのシリカ環が、Ｇｅ共ドープ領域と利得媒質領域との間に導入される。これによって、図５の実線の曲線５２が得られる。すなわち、このシングルモード設計において受動パワー搬送コアと利得材料との間にシリカ環を導入することは有利な場合がある。

［実施例３］
この実施例では、本発明の増幅器導波路は、マスタ発振器と２つの連続するパワー増幅器部分とを含むシステムに設計される（ＭＯＰＡ−ＰＡ２）。マスタ発振器と第１のパワー増幅器とは、活性材料重なり合いに対する第１の信号を有する第１のファイバにより確立され、第２のパワー増幅器は、活性材料重なり合いに対する第２の信号を有する第２のファイバにより確立される。ＭＯＰＡのコア全体の一部分は、ファイバ部分の第１の部分において高い反射率ブラッグ格子および出力カプラブラッグ格子によってマスタ発振器が形成され、最終部分が第１のパワー増幅器を含むように、Ｇｅ共ドープ材料を含む。第２のパワー増幅器部分のコア材料の一部分は、コアのフォノンの導きが誘導ラマン散乱の増加した閾値によって結果として低減されるように、アルミニウムを含む。

活性材料はＭＯＰＡ−ＰＡ２の全部分において同一であり、ファイバの全長を通じて同じ希土類濃度が維持される。第１のＭＯＰＡにおける活性材料の断面領域は、第２のパワー増幅器ＰＡ２における活性材料の断面領域より大きい。第１のＭＯＰＡ部分における信号重なり合いは、活性材料断面領域における変化のためにパワー増幅器ＰＡ２における重なり合いより大きく、導かれた信号のモードフィールド直径は変化しないままである。この設計によって、ＰＡ２に比べＭＯＰＡにおいてより高いポンプ吸収が見られ、これは、共伝搬および／またはコウター伝搬ポンプ構成における光黒化を減少することに有益である。

図６には、幾つかの従来技術の増幅器導波路６２〜６５と、本発明６１による増幅器導波路との信頼性試験曲線を示す。 一定な入力パワーがファイバへ充填され、出力パワーは時間の関数として測定される。明らかに、本発明による増幅器導波路は、ファイバの最も安定な出力パワー、したがって、スロープ効率を提供する。従来技術の増幅器導波路６２〜６５と本発明６１による増幅器導波路との両方がナノ構造コア設計であった。希土類材料はフッ素共ドープシリカに組み込まれており、２５０μｍの空気クラッドポンプコアについて０．７〜０．９ｄＢ／ｍのポンプ吸収を生じた（９１５ｎｍで）。導波路６２，６３では、このナノ構造の局所イッテルビウム濃度は０．２２原子％（Ｙｂ）であり、１．１８原子％のアルミニウムで共ドープされており、導波路６４，６５では、０．１４原子％（Ｙｂ）であり、０．６原子％（Ａｌ）で共ドープされている。これらのシステムの間の主な差は信号対活性材料の重なり合いであり、導波路６２，６３，６４，６５は、２９％，３０％，４４％，４３％の重なり合いを示した。本発明による導波路６１は、１３％の信号対活性材料の重なり合いを保持した。導かれたシングルモード場直径は、導波路６２，６３，６４，６５について、それぞれ１９．４μｍ，１８．１μｍ，１８．０μｍ，１８．０μｍである。導かれたシングルモード場直径は、本発明６１による増幅器導波路では、１９．０μｍである。

［実施例４］
図７には、パッシブ信号コア７３と、活性な希土類をドープした第１の内部クラッド７２と、第２の内部クラッド７１とを含むファイバの図を示す。パッシブコアはコア材料の屈折率を上昇させるためにゲルマニウムドープされており、導波路は、ゲルマニウムドープした信号コア７３と内部クラッド７１，７２との間の屈折率差によって形成される。信号を導く構造およびクラッドのみを示す。マルチモードポンプクラッドは、低屈折率ポリマー、ドープしたガラス、または空気クラッドを用いて追加可能である。希土類ドープした第１の内部クラッド７２は、ファイバが増幅器またはレーザ構成において用いられると
き、ポンプ光吸収に寄与し、高屈折率領域によって閉じ込められた光学的な場に利得を与える。信号モード対希土類元素の重なり合いは２５％パーセント未満であり、結果的に、光黒化の効果は、信号コアに希土類元素を有するファイバと比較して軽減される。屈折率プロファイル７５およびファイバ用の希土類ドーピングプロファイル７７では、図７に見られるように、ＲＥドープした第１の内部クラッドは第２の内部クラッドと屈折率が一致している。ファイバは、第１の内部クラッド７２によって包囲された信号コア７３および７４を含む。可能なマルチモードポンプクラッドの屈折率差は示されない。図７に示すように、導かれた光信号のモードプロファイル７４，７６は、第１の内部クラッドにおける希土類元素に対する減少した重なり合いを有する。

［実施例５］
図８には、第１の内部クラッド領域８２と外部クラッド８１とに包囲されている信号コア８３を有するファイバの図を示す。第１の内部クラッド領域８２は外部クラッド８１と屈折率が一致していない。このファイバ８５の屈折率プロファイルは、信号コア／第１の内部クラッド領域に電場分布８４が比較的強く閉じ込められるようなものである。希土類元素ドーピングプロファイル８７と電場分布部８６との間に、減少した重なり合いが存在する。重なり合いの減少の程度は、信号光が利得媒質の利得を飽和させる能力によって制限される。利得媒質の特定の部分に対する低過ぎる信号負荷は、連続的な信号出力の一時的な不安定性を導く。実施例１および実施例２の設計では、電場の強度がその極大値のうちの１／１０である場合、利得材料の外側境界が選択される。正確な低い制限は決定されていない。希土類元素によって提供される増幅は、例えば、ファイバにおける伝送損失によって誘導される損失を超える必要がある。実際の実施形態では、重なり合いは１パーセント未満であってはならない。

［実施例６］
図９には、断面セグメント化信号コアを含む、本発明による光ファイバの一例を示す。信号コアは、ブラッグ格子形成用の光の影響を受けやすい領域９３（Ｙｂイオンなど活性元素をほぼ含まない）を備える。この光の影響を受けやすい領域９３は、受動領域９８によって包囲されている。これらの２つのコア領域は、ステップ屈折率信号コアの高屈折率導波部分を形成する。第１の内部クラッドは、信号コアを包囲する希土類ドープ領域９４と、第１の内部クラッドと同じまたは同様の屈折率を有する第２の受動内部クラッド９１とを備える。空気クラッド９２は、第１および第２の内部クラッドを含むポンプクラッドの周辺部を形成する。異なるドープ領域の屈折率は、それらの領域の断面セグメント化によって制御される。また、信号コア形状は、スタックおよび延伸技術によって形成される。

［実施例７］
本発明によるクラッドポンプファイバは、材料加工に関連して用いられてもよい。これを利用するシステム１０９を図１０に示す。図１０では、ファイバレーザモジュール１０８はポンプモジュール１０６およびファイバレーザキャビティ１０７を含む。クラッドポンプファイバからのレーザビームは、続いて、材料加工システム１０９による処理の下、材料に提供される。１つの構成では、ポンプモジュールからのポンプ信号１０１は、Ｎｘ１光カプラにおける１つのファイバへ結合されている複数のポンプファイバ１０２を通じて提供され、ファイバレーザキャビティは、２つのブラッグ格子１０３および１つの活性ファイバ１０５を含む。レーザ出力１０６は、次いで、材料に提供される。

［実施例８］
図１１には、ドープした信号コア１１３、ドープした第１の内部クラッド１１２および第２の内部クラッド１１１とを含む、ファイバ１１０の図を示す。導波路は、ドープした信号コアと内部クラッドとの間の屈折率差によって形成される。信号を導く構造および内
部クラッドのみを示す。マルチモードポンプクラッドは、低屈折率ポリマー、ドープしたガラス、または空気クラッドを用いて形成可能である。ドープした第１の内部クラッド１１２は、ファイバが増幅器またはレーザ構成において用いられるとき、ポンプ光吸収に寄与し、高屈折率領域によって閉じ込められた光学的な場に利得を与える。この結果、本発明により設計されたファイバにおけるポンプ吸収によって、所与のドーピングレベルにおいて、ドープしたクラッドフィーチャのない同じコア寸法のファイバと比べ、より高いポンプ吸収が得られる。同様に、所与のポンプ吸収において、本発明により設計されたファイバは、ＲＥドープした内部クラッドのない同じ信号コア寸法のファイバと比べ、信号コアにおいてより低いドーピング濃度を有することが可能である。図１１には、さらに、ファイバ用の屈折率プロファイル１１５およびドーピングプロファイル１１７の一例を示す。ＲＥドープした第１の内部クラッド領域１１２は第２の内部クラッド１１１と屈折率が一致している。可能なマルチモードポンプクラッドの屈折率差は示されない。導かれた光信号のモードプロファイル１１４，１１６も、図１１に示す。

実施例９：
図１２には、中央信号コア領域１２４、希土類元素（ＲＥ）ドープした信号コア領域１２３、希土類元素ドープした第１の内部クラッド１２２および第２の内部クラッド１２１を備える光ファイバ１２０の一例を示す。中央信号コア領域１２４は、ブラッグ格子形成に適切なファイバを製造する光感度などファイバに対する追加の機能を加えるために用いられることが可能である。図１２は、さらに、中央信号コア領域１２４および希土類元素（ＲＥ）ドープした信号コア領域１２３を有するファイバ１２０に可能な屈折率プロファイル１２６および希土類ドーピングプロファイル１２８の一例を示す。この実施例では、中央信号コア領域は希土類材料でドープされていない。導かれた光信号のモードプロファイル１２５，１２７も、図１２に示す。

［実施例１０］
この実施例では、増幅器またはレーザ構成におけるポンプ光吸収定数を保持しつつ、シリカガラスホスト材料を含む二重クラッド光ファイバ１３０においてイッテルビウムなどの希土類原子の濃度がいかにして減少されるかについて開示する。本発明のコア設計原理を用いることによる、３つの異なるコア設計の実施例１３６，１３７，１３８を開示する。これらの設計を含む光ファイバ１３０の基礎構成も、図１３に示す。図１３では、活性信号コアは空気クラッド１３２に包囲されたポンプクラッドの中央にある。信号コアは、ブラッグ格子形成用の感光性領域１３３を含む（Ｙｂイオンはドープされていない）。感光性領域１３３は、同様の屈折率を有するＹｂドープ領域１３４によって包囲されている。これらの２つのコア領域は、ステップ屈折率信号コアの高屈折率導波部分を形成する。信号コアは、ドープしていない第２の内部クラッド１３１と同じまたは同様の屈折率を有するＹｂドープした第１の内部クラッド１３５に包囲されている。このドープした第１の内部クラッド１３５は、増幅器またはレーザ構成におけるファイバの利得に寄与し、コア材料と同じようにしてポンプ光を吸収する。異なるドープした領域の屈折率は、領域の断面セグメント化によって制御される。このコア形状は、スタックおよび延伸技術によって形成される。

３つの異なる導波路設計１３６，１３７，１３８について、この実施例において開示する。
基本構成は３つの信号コアに対して同じであるが、Ｙｂドープした材料と屈折率を一致させた第１の内部クラッド１３５屈折率の面積が異なる。以下のテーブルでは、３つの異なる導波路設計を用いる３つの異なるファイバの重要なパラメータについて、ドープしたクラッド領域のないファイバと共に示した。全てのファイバのコア領域は１７７μｍ^２であり、これは１５μｍの直径コアに相当する。ポンプクラッドは２４８μｍである。ドープしたクラッド面積は、それぞれ４８０，２５８，２７８μｍ^２である。全てのファイバ
は、９１５ｎｍで０．６ｄＢ／ｍのポンプ吸収を有する。

実施例１０の設計を用いるファイバは、標準設計と比べ、同じポンプ光吸収を維持しつつ、信号コアにおける希土類ドーピング濃度が１／３倍に有効に減少されている。信号コアにおける減少した希土類ドーピング濃度によって、光黒化が減少する。

ドープした第１の内部クラッドの寸法（モード重なり合いが低い）は、信号光が利得媒質の利得を飽和させる能力によって制限される。利得媒質の特定の部分に対する低過ぎる信号負荷は、連続的な信号出力の一時的な不安定性を導く。正確な低い制限は決定されていない。

高パワー増幅器用途（パルスおよびＣＷの両方）について、高非線形閾値を有するファイバには一般的な興味が存在する。閾値についての重要なパラメータは、ファイバ増幅器の長さであり、短いファイバ長は非線形閾値の増大を意味する。本発明は、既存のクラッドポンプ光ファイバに比べてファイバ長を減少させるための手段を提供する。次に、非常に高いポンプ吸収を有するクラッドポンプファイバの一例を与える。高いポンプ吸収は短いファイバ増幅器長を意味する。

実施例１１：
ロッド型ファイバは知られており、例えば、「シングル偏光超大モード面積Ｙｂドープフォトニック結晶ファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｌｔｒａ−ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ
ｆｉｂｅｒ）」、（Ｓｃｈｍｉｄｔら、Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ、第１６巻、ｐｐ．
３９１８−３９２３、２００８年）に見られる。本発明の一実施形態では、クラッドが希土類ドープ領域を含むロッド型ファイバを提供する。希土類ドープ領域は、クラッドの中実および／または中空（ｈｏｌｅｙ）領域になり得る。一例として、ロッド型ファイバは、約１９個のセル（積み重ねられたプリフォーム製造レベルのコア要素の数を反映している）と、そのセルを包囲する、クラッドに一致させた屈折率を有するクラッド材料（例えば、Ｙｂドープしたクラッド材料）の約１８個のセル環とを含むコアを有する。一例と
して、ポンプ吸収における増大は、このとき、１．９５倍（１＋１８／１９）になる。したがって、９７６ｎｍで３０ｄＢ／ｍの吸収を有する既存のロッド型ファイバ（例えば、Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｒｅ ＤＣ−２００／７０−ＰＭ−Ｙｂ−ＲＯＤ）と比べ、本発明では、吸収をほぼ２倍とすることが可能である（９７６ｎｍで約５８ｄＢ／ｍ）。これに代えて、対照的に、本発明では、所与のポンプ吸収における値の約半分までＹｂ濃度を減少させることが可能である。これは光黒化の緩和に関して利点となる。

［実施例１２］
図１４には、ＲＥドープした信号コア１４３と、ＲＥドープした第１の内部クラッド１４２および第２の内部クラッド１４１とを備えるファイバ設計１４０の断面図を示す。ＲＥドープした内部クラッドは、いわゆる基礎設計用の第２の内部クラッドと比べ上昇している。屈折率プロファイル１４５は、ＲＥドープした内部クラッド１４２の屈折率より高い屈折率を有する中央信号コアと、内部クラッド１４２を包囲する、さらに低い屈折率を有する第２の内部クラッドとを用いる基礎設計を示している。この実施例では、活性材料ドーピングプロファイル１４７は、信号コアとＲＥドープした第１の内部クラッドとを通じ、ほぼ一定なレベルを有する。導かれた光信号のモードプロファイル１４４，１４６も、図１４に示す。

本発明は、様々なドーパントおよびドープしたファイバの種類に対し広く適用可能である。適切なドーパントは、次に限定されないが、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｐｒ、ＳｍおよびＢｉを含む。適切なドープファイバは、次に限定されないが、シリカファイバ、リン化物ファイバ、フッ化物ファイバ、カルコゲン化物ファイバ、テルル化物ファイバ、偏波面保持ファイバ、標準的なシングルモードファイバ、大モード面積ファイバ、二重クラッドファイバ、ホーリ（ｈｏｌｅｙ）ファイバを含む。ホーリファイバは、フォトニック結晶ファイバとしても知られており、通常、波長またはサブ波長スケールで構造的な周期性を導入することによってファイバのフォトニック帯域構造を変更するように設計された横断面を有する。上述の実施例はファイバ利得媒質に関するが、本発明は任意の導波路利得媒質に適用可能である。適切な導波路利得媒質は、次に限定されないが、光ファイバ、クラッドポンプファイバ、インテグレート光導波路、フォトニックバンドギャップ導波路、円断面導波路、矩形断面導波路、および任意の横断面を有する導波路を含む。したがって、一般的には、本発明は、直列に配置された２つの導波路部分を有する導波路利得モジュールに関し、一方の導波路部分は他方の導波路部分より高いドーパント濃度と、低い光学的強度とを有する。ドーパント濃度を連続的に変化させられるように、任意数の導波路部分を含むことが可能である。

本発明は、一般にレーザ、増幅器、および光学的ソース（例えばＡＳＥソース）、ならびに光黒化の影響を受けるイオンでドープされた導波路を利用する他のデバイスに対し適用可能である。任意のそのようなデバイスも上述の導波路利得モジュールを含むことが可能である。

断面セグメント化領域／面積およびその製造の態様については、米国特許第７，１１６，８７５号明細書および国際公開第２７１０７１６４号に記載されている。これらを引用によって本明細書に援用する。

希土類ドープシリカファイバレーザの態様については、様々な出典に記載されている（例えば、［Ｄｉｇｏｎｎｅｔ］、第３章、ｐｐ．１１３−１７０）。
光ファイバにおけるブラッグ格子の書込やシリカ光ファイバにおける水素／重水素充填の態様については、光ファイバにおけるブラッグ格子を書込前または書込中の感光度強化に関連して、様々な教科書において説明されている（例えば、「ファイバブラッグ格子（Ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）」、Ａ．Ｏｔｈｏｎｏｓ，Ｋ．Ｋａｌｌｉ
、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ、１９９９年、第２．６．１章、ｐｐ．４３−４８を参照）。

Claims (17)

1. 光信号を増幅するための高パワー増幅器導波路システムにおいて、
   ａ）波長λ _ｐｕｍｐ で動作し、１００Ｗを超えるポンプパワーを有するダイオードバーアレイポンプレーザと、
   ｂ）カップリングデバイスと、
   ｃ）出力送達ファイバと、
   ｄ）クラッドポンプ増幅器導波路と、を備え、該クラッドポンプ増幅器導波路は、
   信号波長λ _{ｓｉｇｎａｌ} の光信号を導くように構成されており、有効屈折率ｎ _{ｃｏｒｅ−１} を有する信号コアと、
   ポンプ光を導くための内部クラッド領域であって、有効屈折率ｎ _{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１} を有する第１の内部クラッドを備え、第１の内部クラッドはイッテルビウム（Ｙｂ）を含む１つ以上の希土類元素でドープされている、内部クラッド領域と、を備え、
   波長λ _ｐｕｍｐ は希土類ドーピングの吸収帯と共振し、ｎ _{ｃｏｒｅ−１} ＞ｎ _{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１} であり、信号コアの面積は５０μｍ ^２ より大きく、光信号の信号波長λ _{ｓｉｇｎａｌ} は１０５０ｎｍ〜１０９０ｎｍの間隔内であり、信号コアはパッシブ信号コアである、システム。
2. 前記高パワー増幅器導波路システムは、レーザ導波路システムである、請求項１に記載のシステム。
3. カップリングデバイスとクラッドポンプ増幅器導波路との間には第１のファイバブラッグ格子が形成されており、クラッドポンプ増幅器導波路と出力送達ファイバとの間には第２のファイバブラッグ格子が形成されている、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 第１および第２のブラッグ格子は増幅器導波路に直接的に書き込まれている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記導波路は、内部クラッド領域を包囲する外部クラッド領域をさらに備え、外部クラッド領域は有効屈折率ｎ _{ｏｕｔｅｒ−ｃｌａｄ−１} を有する１つ以上の第１の外部クラッドを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 信号コアは１つ以上の感光性元素を含む１つ以上の感光性領域を含み、前記感光性元素は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ホウ素（Ｂ）、またはそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記１つ以上の感光性領域は、ダウンドープしたシリカ領域に包囲されており、ダウンドープしたシリカ領域は、フッ素（Ｆ）、ホウ素（Ｂ）、またはそれらの組み合わせの群から選択される屈折率低下元素を含む、請求項６に記載のシステム。
8. 第１の内部クラッドは１つ以上の希土類元素でドープされている希土類ドープシリカ領域を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 希土類ドープシリカ領域のうちの１つ以上の部分はダウンドープしたダウンドープシリカ領域によって包囲されており、ｎ _{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１} は、希土類ドープシリカ領域およびダウンドープシリカ領域の平均屈折率によって与えられる、請求項８に記載のシステム。
10. 前記導波路は、第１の内部クラッドを包囲する第２の内部クラッドを備え、第２の内部クラッドは有効屈折率ｎ _{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２} を有し、ｎ _{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−１} −ｎ _{ｉｎｎｅｒ−ｃｌａｄ−２} は、１×１０ ^−３ 未満である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 光信号の有効モード面積は、１５０μｍ ^２ より大きい、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 希土類ドープシリカ領域に対する導かれる光信号の重なり合いは、２５％以下である、請求項８または９に記載のシステム。
13. 第１の内部クラッドの面積は、１００μｍ ^２ より大きい、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 第１の内部クラッドの面積と信号コアの面積との間の比は、４〜５００の範囲である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 内部クラッド領域における光信号のモードフィールド強度は、０．５％〜５％の範囲である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 第１の内部クラッドは、第１の内部クラッドバックグラウンド材料と、第１の内部クラッドに配置された複数の第１の内部クラッドフィーチャとを含み、第１の内部クラッドフィーチャは、第１の内部クラッドバックグラウンド材料の屈折率とは異なる屈折率プロファイルを有し、第２の内部クラッドは、第２の内部クラッドバックグラウンド材料と、第２の内部クラッドに配置された複数の第２の内部クラッドフィーチャとを含み、第２の内部クラッドフィーチャは、第２の内部クラッドバックグラウンド材料の屈折率とは異なる屈折率プロファイルを有し、第１の内部クラッドフィーチャが第１の内部クラッドバックグラウンド材料の屈折率未満の屈折率を有する領域を含むか、第２の内部クラッドフィーチャが第２の内部クラッドバックグラウンド材料の屈折率未満の屈折率を有する領域を含むか、又はその両方である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の高パワー増幅器導波路システムにおけるクラッドポンプ増幅器導波路を製造する方法であって、前駆体元素をプリフォームに配置し、該
    プリフォームを増幅器導波路へと延伸する工程を含む、方法。

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