JP5739082B2 - 超高開口数光ファイバ - Google Patents

Description

本出願は、例えば、高い開口数を有する光ファイバを含む光ファイバのための装置および方法に関する。

１９７０年代後期において著しい技術開発が、光ファイバ伝送損失をｋｍ当たり０．２ｄＢ未満に低減した。これらの開発は、信号を増幅するための信号中継器なしに数百キロメートルにわたって光信号の伝送を可能にし、これは、金属導体に基づく電気ケーブルに対する著しい成功である。ファイバ伝送損失に加えて、光ファイバの他の重要な伝送特徴は、波長依存性の伝送遅延を記述する分散である。光パルスは、分散が存在する状態での伝送の間に広がる。これは、伝送速度ならびに距離を制限する。なぜなら、光パルスは、高伝送速度および長距離で光ファイバの出力端部で互いに混ざり合うからである。伝送ファイバの出力で重なった光パルスは、回復されることができず、伝送された情報は、失われる。

光ファイバ内の分散は、２つの構成要素を有し、材料分散および導波路分散である。材料分散は、光ファイバを作るために使用される材料の波長依存性の屈折率から生じる。例えば、ファイバは、ゲルマニウム、燐、フッ素、および／またはボロンなどのドーパントの可能な添加を有する、溶融シリカなどのガラスから作られることができる。ガラスは、主にシリカであるので、材料分散は、ファイバ毎にわずかに異なる。他方、導波路分散は、光導波路の波長依存性の案内特性から生じ、導波路設計によって著しく異なることがある。材料分散および導波路分散は、異なる算術符号を有することができ、それらは、あるファイバ実施形態において互いに実質的に相殺することができ、他の実施形態において互いに増やすことができる。標準のシリカのシングル・モード・ファイバは、材料および導波路分散が互いに正確に相殺する波長である〜１．３μｍのゼロ分散波長を有する。より早期の世代のシングル・モード光ファイバ伝送システムは、高い速度および長距離伝送のための低い分散を提供する〜１．３μｍの波長での動作に基づく。

シリカ・ファイバにおける最大伝送損失は、〜１．５５μｍの波長であるので、〜１．５５μｍのゼロ分散波長を有する分散シフト光ファイバは、導波路分散を変えることによって８０年代の中間に開発された。９０年代において、波長分割多重化（ＷＤＭ）システムが、インターネットの急激な成長に適応するために開発された。ＷＤＭシステムにおいて、異なる波長に配置される複数のチャネルが、同一のファイバで伝送された。数百のチャネルが、多数のチャネルを多重化しかつ多重化解除するために、それぞれ入力および出力に構成要素を有するＷＤＭシステムで使用されることができる。ＷＤＭシステムにおいて、多くのチャネルは、著しい分散が存在する波長で動作することができる。加えて、多数のチャネルは、異なるチャネルが、四光波混合（ＦＷＭ）などの非線形効果を介して相互作用を開始する点に、光ファイバにおける光強度を増大することがあることが見出された。異なるチャネルが分散の存在下で互いに離れるので、所定量の分散は、ＦＷＭなどの非線形効果を著しく低減することができることも理解された。これは、相互作用長さを有効に低減する。

したがって、多くの光ファイバは、ＷＤＭシステムにおいて非線形効果を低減するために所定量の分散および大きな有効面積を有するように製造された。そのようなファイバを使用するシステムは、典型的に、分散によって引き起こされる広がるパルスを補償するために、信号中継器で分散補償モジュール（ＤＣＭ）を使用する。ＤＣＭは、数キロメータの分散補償ファイバ（ＤＣＦ）を含むことができ、分散補償ファイバは、伝送ファイバの符号とは反対符号を有する高いレベルの導波路分散を有するように設計された光ファイバである。しかしながら、ＷＤＭシステムにおけるさらなる問題は、波長とともに分散における変化に応じる分散勾配である。多くの分散補償ファイバの欠点は、全てのＷＤＭチャネルに関する分散を完全に補償するために、高い分散および適切な分散勾配を有するＤＣＦを設計することが困難であることにある。これは、伝送ウィンドウの２つの縁でのチャネルが、残留分散に起因する著しい性能劣化を受けないように使用されることができるチャネルの数に制限を設定する。

ファイバ・チャープされたパルス増幅（ＦＣＰＡ）システムは、高いピーク・パワー光パルスを生成するためにしばしば使用される。ＦＣＰＡシステムにおいて、初期低パワー光パルスは、増幅前に伸張器によって時間において伸張される。より長いパルスは、パルスが光ファイバ増幅器で非線形ペナルティをより少なく受けるように、より低いピーク・パワーを有する。増幅後、より長いパルスは、次に以降の圧縮器でより高いピーク・パワー光パルスを生成するように圧縮される。伸張器は、分散を有する光ファイバを含むことがある。さらなる伸張が、より高いピーク・パワー・パルスのために望ましい。伸張は、伸張比によって定量化されることができ、伸張比は、伸張器へのパルス入力のパルス幅と比べた、伸張器からのパルス出力の伸張されたパルス幅の比である。この伸張比は、圧縮器の分散および分散勾配を正確に一致させるために、現在の伸張器の性能によって現在制限される。より高次の分散項を、圧縮器のより高次の分散項とより良好に一致することができる伸張器が、現在のＦＣＰＡシステムをさらに改善し、かつより圧縮されたパルスを生成することができる。

分散に加えて、損失は、ファイバにおける、特に全体損失収支を有するシステムにおける他の重要なパラメータである。低減されたまたは最小の損失ペナルティを有する設計は、非常に好ましい。

Ｗｈｉｔｅら、「Ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ．Ｉ．Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ、第１９巻、頁２３２２〜２３３０（２００２年） Ｋｕｈｌｍｅｙら、「Ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ．ＩＩ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ、第１９巻、頁２３３１〜２３４０（２００２年） 米国特許第７１１３３２７号 米国特許出願公開第２００５−００４１７０２号 米国特許出願公開第２００４−０２１３３０２号 米国特許出願公開第２００５−０２２６２７８号 米国特許出願公開第２００４−０２６３９５０号 米国特許出願公開第２００５−０１０５８６５号 米国特許出願公開第２００５−０１１１５００号

したがって、必要なことは、所望の分散を提供することができ、かつ小さな光損失で適切な分散勾配も提供することができる光ファイバである。本開示は、上述のなどの適用ならびに他の適用で使用されることができる光ファイバを提供する装置および方法を記載する。

本明細書で記載される様々な実施形態は、分散が明白であるように、より高い開口数および小さなコア・サイズを有する光ファイバ設計およびファイバの製造プロセスを含む。この分散は、例えば、いくつかの実施形態において材料分散より大きな二次または三次の強度であることができる。

開口数は、コアおよびクラッド材料の屈折率によって決定されることができる。本明細書に記載される様々な実施形態は、高い分散も生じるのに適した高い屈折率の値を提供する設計を含む。

いくつの実施形態において、高い分散は、比較的小さい値Ｖで提供されることができる。様々な実施形態において、高い開口数は、低い伝送損失を生じるために、小さい値Ｖでの動作が十分に強く導波を可能にする増大した導波を生成する。本明細書で記載されるように、所望の分散特徴も結果として生じることができる。

様々な実施形態において、高い開口数は、また、所定の実施形態において非常に小さいコア・サイズで低損失シングル・モード動作を可能にする。ステップ屈折率の光ファイバにおけるシングル・モード動作は、正規化された周波数Ｖ＝ｋρＮＡ＜２．４０５によって特徴付けられることができ、ここでｋは真空波ベクトルであり、ρはコア半径であり、ＮＡは開口数である。真空波ベクトルは、ｋ＝２ｐ／λによって光の真空波長に関連付けられる。正規化された周波数Ｖの固定値に関して、例えばより高いＮＡは、小さなコア半径ρの使用を許容する。

この小さなコア・サイズは、例えば、モーダル・フィールド直径（ＭＦＤ）特徴システムによって測定される小さなモード・サイズに関連付けられる。小さなコア・サイズは、コアにおける光強度を増大することができ、その結果、高いレベルの非線形効果を必要とする適用には有利であり得る非線形効果の増大を導くことができる。

本明細書に記載される様々な実施形態は、例えば、約１の開口数（ＮＡ）を有する超高開口数光ファイバ（ＵＨＮＡＦ）のための光ファイバ設計および関連する製造プロセスを含む。ＵＨＮＡＦの様々な実施形態は、約０．７より大きく、約０．８より大きく、約０．９より大きく、または約０．９５より大きいＮＡを有することができる。ＵＨＮＡＦの実施形態は、小さいコア直径を有することができ、低い伝送損失を有することができる。十分に小さいコア直径を有するＵＨＮＡＦの実施形態は、シングル・モード動作を提供する。ＵＨＮＡＦのいくつかの実施形態は、例えば、ある実施形態において約−３００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい（例えば、より負の）非常に低い負の分散を有する。

本明細書に記載される様々な実施形態は、１に近い開口数を有するＵＨＮＡＦのための製造方法を含む。従来の光ファイバにＵＨＮＡＦをスプライシングするための方法が提供される。いくつかの実施形態において、ＵＨＮＡＦは、低減された挿入損失を有する約１０μｍまでのモーダル・フィールド直径（ＭＦＤ）を有する従来のファイバにスプライシングされることができる。

ＵＨＮＡＦの実施形態は、様々なシステムおよび適用で有利に使用されることができる。例えば、低い光損失および高い分散を有するＵＨＮＡＦは、分散補償モジュール（ＤＣＭ）で使用されることができる。高い分散は、ファイバの長さを実質的に低減し、それによってより低い挿入損失を有するより小型のＤＣＭを提供する。本明細書に記載されるＵＨＮＡＦの様々な実施形態は、小さいＭＦＤおよび低い損失を有する高度に非線形のファイバ（ＨＮＬＦ）を可能にし、非線形デバイスの閾値を低減しかつ非線形効果に基づくデバイスのより広い範囲を可能にすることができる。

様々な実施形態において、低い損失は、小さいコアによって提供されることができる。例えば、コア直径が光の波長より小さいＵＨＮＡＦの実施形態は、低い光損失動作を可能にすることができる。小さなコアを有するＵＨＮＡＦにおいて、案内された光モードは、実質的にコアの外側に光パワーを有することができる。より低い光損失は、より弱い光が、損失を導入するコア材料内を伝播するときに存在する。そのようなＵＨＮＡＦを備える光センサは、コアの外側（例えばクラッド内）に配置された材料との光エネルギを探る実質的に強くかつ長い相互作用を提供することもできる。

増大した導波を提供する超高開口数ファイバの実施形態は、ファイバが、著しい曲げ損失なしに非常に小さい曲げ半径で動作することも可能にする。そのようなＵＨＮＡＦの実施形態は、高い性能のネットワークおよびインターネット接続性を提供するためにならびに小型のファイバデバイスのために、家庭およびオフィスを有線接続するために使用されることができる。

超高開口数ファイバおよび結果として低減したモーダル・フィールド直径を備える光ファイバ増幅器は、増強されたポンプ強度を提供することができ、光ファイバ増幅器におけるポンプ・パワーの単位当たりの著しくより高い利得を導く。ＵＨＮＡＦの使用は、ファイバ増幅器の価格を有利に低減することができる。ＵＨＮＡＦの多くの他の適用および実装が可能である。

広範な実施形態は、本明細書に記載される。本発明の一実施形態は、例えば、ある波長を有する光を伝播することができる光ファイバを含む。ファイバは、コアと、ある幅を有する空隙を備えるコアを囲む空気クラッドと、空気クラッドを囲む外側層と、空隙がその間に配置されるように、コアと外側層を機械的に結合する複数のウェブとを備える。ファイバは、（ｉ）約０．８より大きい開口数と、（ｉｉ）約１０ｄＢ／ｋｍより小さい損失とを有する。

本発明の他の実施形態は、ある波長を有する光を伝播することができる光ファイバも含む。ファイバは、ある直径を有するコアと、ある幅を有する間隙を備える、コアを囲む第１のクラッドと、第１のクラッドを囲む外側層と、コアと外側層を機械的に結合する複数のウェブとを備える。コア直径は、約３マイクロメートルより小さく、ファイバは、約１０ｄＢ／ｋｍより小さい損失を有する。

本発明の他の実施形態は、方法を含み、方法は、少なくとも部分的にそれを通って延在する通路を有する外側管と、少なくとも部分的に通路内の１つ以上の中空内側管とを備えるプリフォーム・アセンブリを提供することを含む。中空内側管は、その中に中空領域を有する。方法は、さらに中空内側管を拡張することを含む。

開示される本発明の所定の好ましい実施形態は、例示だけを目的とする以下の図面を参照して以下に記載される。

１つのタイプの従来の光ファイバ１００の断面が、図１Ａに概略的に示される。ファイバ１００は、コア１０１とクラッド１０２とを備える。ファイバ１００は、図１Ａには示されていない保護被覆でさらに覆われかつ／または被覆されることができる。従来の光ファイバの光学特性は、主として２つのパラメータ、すなわち開口数（ＮＡ）とコア直径２ρとによって決定される。開口数は、ｎ_ｃｏ ^２−ｎ_ｃｌ ^２＜１のときＮＡ＝（ｎ_ｃｏ ^２−ｎ_ｃｌ ^２）^１／２、かつｎ_ｃｏ ^２−ｎ_ｃｌ ^２＝１のときＮＡ＝１として定義されることができ、ここで、ｎ_ｃｏおよびｎ_ｃｌは、それぞれコア１０１およびクラッド１０２の屈折率である。２つのさらなる従属パラメータも、光ファイバ１００の光学特徴の記載に有用であり、すなわち、相対屈折率Δ＝（ｎ_ｃｏ−ｎ_ｃｌ）／ｎ_ｃｌおよび正規化された周波数Ｖ＝２ｐρＮＡ／λであり、ここでλは光の真空波長である。図１Ａは、光ファイバ１００の直径Ｄを示す。

ステップ屈折率ファイバに関して、ファイバ１００は、Ｖが２．４０５より小さいときに１つのモードだけをサポートし、これは、シングル・モード動作レジームと呼ばれる。正規化された周波数Ｖの固定値に関して、より高いＮＡは、小さなコア半径ρの使用を許容する。多くのファイバは、正規化された周波数が、約１．４から約２．４の範囲にあるシングル・モード・レジームで動作する。従来の光ファイバ１００の伝送損失は、より短い波長でのレーリー散乱によって、および赤外に位置する光子吸収帯域によって決められる。

図１Ｂは、異なる開口数の値を有する従来のステップ屈折率光ファイバにおける正規化された周波数に対する分散のシミュレーションの結果を示すグラフである。曲線１５１〜１５５は、それぞれ開口数１．０、０．７５、０．５、０．２５、および０．１２５を有するファイバに関する分散結果を示す。Ｖ＜２．４０５であるシングル・モード・レジームにおいて、より高い開口数を有するファイバは、より大きな負の分散の値（例えばより負）ならびにより高い分散勾配（例えば、波長での分散の変化）を有することが、図１Ｂから明らかに見られることができる。

有利には、より高いＮＡを提供することによって、シングル・モード動作を維持しながら、より小さなコア半径および小さなモーダル・フィールド直径（ＭＦＤ）を可能にすることができる。ファイバ１００が、高い開口数および比較的小さなＶ値（Ｖ＜２．３）を有するレジームにおいて、非常に高い分散が達成されることができる。さらに、より大きな開口数は、小さなモーダル・フィールド直径も有する高度の非線形ファイバに有利であり得る。さらに、高度に偏光を維持する光ファイバおよび大きな開口数を有する偏光光ファイバを製造することは容易である。

図２は、コア２０１、第１（例えば空気）クラッド２０２、６個のウェブ２０３、および第２のクラッド２０４を備える外側層を備える光ファイバ２００の実施形態を概略的に示す断面である。光ファイバ２００は、光ファイバ２００の所定の実施形態が、図１Ａに示されるファイバ１００などの従来のファイバの開口数より実質的に大きい開口数を有することができるので、超高開口数を有するとして記載されることができる。例えば、超高開口数ファイバ（ＵＨＮＡＦ）の実施形態は、約１の開口数を有することができる。ＵＨＮＡＦ２００の様々な実施形態において、開口数は、約０．７より大きく、約０．８より大きく、約０．９より大きく、または約０．９５より大きいことができる。

いくつかの実施形態において、開口数が大きいので、小さなコアが、シングル・モード・ファイバに提供されることができる。この小さなコアは、所定の実施形態においてより高い非線形性を結果として生じることができる。より大きな開口数は、いくつかの実施形態において高度な分散光ファイバも可能にする。他の利点も得られることができる。以下に記載されるように、例えば、損失は、多くの光モードが、コア２０１と第２のクラッド２０４との間の間隙（例えば空隙）内に延在するので、小さなコアで低減されることができ、光は空気を通って伝播するので、光が、ガラス、プラスチック、または他のコアあるいはクラッド材料を通って伝播するときに遭遇する光損失のレベルを、光は被らない。他の利点は、他の実施形態で得られることができる。

所定の実施形態において、コア２０１は、ガラス、例えば溶融シリカ、またはゲルマニウム、燐、フッ素、ボロン、アルミニウム、チタニウム、錫、および希土類元素の１つまたは組合せでドープされた溶融シリカを含むことができる。他の実施形態において、ガラスは、酸化物ガラス、フッ化物ガラス、および／またはカルコゲナイド・ガラスを含むことができる。ガラスは、溶融シリカに関して上述されたような１つ以上のドーパントでドープされることができる。一実施形態において、ガラスは亜テルル酸塩を含む。第１のクラッド２０２は、真空、液体、および／または気体を含むことができる。所定の実施形態において、気体は空気である。いくつかの実施形態において、気体は不活性気体を含む。気体は、例えば、窒素、ヘリウム、および不活性気体の１つまたは組合せを含むことができる。

ウェブ２０３は、コア２０１と第２のクラッド２０４との間に延在する。図２に示される実施形態において、各ウェブ２０３は、実質的に径方向に沿って延在する。他の実施形態において、ウェブ２０３は、湾曲されることができ、または他の形状あるいは構成を有することができる。ウェブ２０３は、例えば図２に示されるように、コア２０１の周囲に方位角で実質的に均一に配置されることができる。非均一な方位角構成も使用されることができる。６個のウェブ２０３が図２に示されているが、より多いまたはより少ない数のウェブ２０３が、他の実施形態において使用されることができる。例えば、２個、３個、４個、５個、７個、８個、９個、または１０個のウェブ２０３が、様々な実施形態で使用されることができる。一実施形態において、１個のウェブが使用される。

第２のクラッド２０４は、ガラス、例えば溶融シリカを含むことができる。いくつかの実施形態において、ガラスは、酸化物ガラス、フッ化物ガラス、および／またはカルコゲナイド・ガラスを含むことができる。ガラスは、溶融シリカのガラスに関して上述されたような１つ以上のドーパントでドープされることができる。一実施形態において、ガラスは亜テルル酸塩を含む。ファイバ２００の他の実施形態において、ガラス（またはドープされたガラス）以外の材料が、コア２０１、１つ以上のウェブ２０３、第１のクラッド２０２、および／または第２のクラッド２０４に使用されることができる。ファイバ２００は、任意に、ファイバ２００への損傷またはファイバ２００からの損失を低減するために、被覆されまたは覆われる（図示されず）ことができる。

所定の実施形態において、第２のクラッド２０４は、コア２０１の屈折率以上の屈折率を有することができる。そのような所定の実施形態において、空隙（例えば第１のクラッド２０２）が、光モードが、第２のクラッド２０４に到達しないように十分に広いなら、第２のクラッド２０４は、主に構造支持体を提供するが、光機能性を提供しない。そのような実施形態において、「第２のクラッド」２０４は、技術的にクラッドではあり得ない。

図２は、第１のクラッド２０２の幅として定義されるパラメータｄを示す。第１のクラッド層の幅ｄは、コア２０１の外側縁部から第２のクラッド２０４の内側表面へ延在する間隔または空間の幅として図２に示される。図２に示されるウェブ２０３は、ｄにほぼ等しい径方向長さ、およびｄより非常に小さい横断方向（例えば方位角）厚みを有する。ウェブ２０３の厚みは、有利には、十分に大きなＮＡの値および十分に低い伝送損失を達成するために、十分に小さく作られることができる。いくつかの実施形態において、ウェブ２０３は、ファイバ２００内を伝播する光の一般的な波長より十分に小さい、例えば波長の約１０分の１より小さい横断方向厚みを有する。いくつかの実施形態において、ウェブ２０３の厚みは、約１５０ｎｍ未満である。他の実施形態において、厚みは、例えば約１００ｎｍ未満などより小さくすることができる。

光ファイバ２００の光学性能は、ファイバ２００内の光の伝播へのウェブ２０３への影響を考慮することなくシミュレートされることができる。これらのシミュレーションにおいて、ウェブ２０３の横断方向厚みは、ウェブ２０３が、ファイバ２００の光学性能への著しい効果を有さないように、光の波長に比べて十分に薄いと仮定される。コア２０１の直径が非常に小さいなら、光エネルギの実質的な量が、第１のクラッド２０２内を伝播し、かつコア２０１から離れたある距離に延在する。光エネルギと第２のクラッド２０４との相互作用に起因する漏洩損失は、第１のクラッド２０２の様々な幅に関するシミュレーションで考慮される。シミュレーションは、例えば、各開示全体が参照によって本明細書に組み込まれる、Ｗｈｉｔｅらの「Ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ．Ｉ．Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ、第１９巻、頁２３２２〜２３３０（２００２年）、およびＫｕｈｌｍｅｙらの「Ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ．ＩＩ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｂ、第１９巻、頁２３３１〜２３４０（２００２年）に記載されるアルゴリズムなどのマルチポール・アルゴリズムに基づきモード・ソルバを用いて実施される。光導波路内の光伝播を左右するマックスウェル電磁式は、全ての寸法パラメータが、同じ方法で拡大縮小される限りは再度拡大縮小されることができる。したがって、全ての寸法パラメータは、コア直径２ρに対して拡大縮小される。

以下の例示的なシミュレーションにおいて、コア２０１および第２のクラッド２０４は、１．４５の屈折率を有する溶融シリカで作られると仮定される。第１のクラッド２０２は、１の屈折率を有する空気であると仮定される。屈折率のこれらの値は、ファイバ２００に関して１のＮＡを生じる。ファイバ２００の光学性能は、５、７．５、１０、１２．５、および１５に等しい正規化された第１のクラッド幅ｄ／２ρの値に関してシミュレートされる。図３は、正規化された波長λ／２ρに対するファイバ２００のシミュレートされた分散および漏洩損失を示すグラフである。正規化された周波数Ｖは、図３においてグラフの頂部に示される。分散（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの単位で測定される）は、グラフの左垂直軸に示され、かつ漏洩損失（ｄＢ／ｋｍの単位で測定される）は、右垂直軸に示される。

分散は、第１のクラッド幅ｄ／２ρの異なる値に関して非常にわずかに変化する。図３から分かり得るように、ｄ／２ρの各値に関して個別の分散曲線は、単一の曲線３００に重なり合う。しかしながら、分散は、コア直径２ρにおける変化とともに正の分散と負の分散の両方の間で顕著に変化する。図３は、この分散曲線３００においていくつかのレジームが存在することを示す。比較的大きなコア直径λ／２ρ＜０．７に関して、ファイバ２００は、正の分散勾配を有する大きな正の分散を示す。およそλ／２ρ〜０．７で、ファイバ２００は、非常に小さい分散勾配を有する約４２５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの最大の正の分散を示す。範囲０．７＜λ／２ρ＜１．３のコア直径に関して、ファイバ２００は、負の分散勾配を有する正の分散を示す。およそλ／２ρ〜１．３で、ファイバ２００は、負の分散勾配を有する非常に小さい分散を示す。１．３＜λ／２ρ＜２．２のコア直径の範囲において、ファイバ２００は、負の分散勾配を有する負の分散を示す。およそλ／２ρ〜２．２で、ファイバ２００は、約１３７１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの最大の負の分散および非常に低い分散勾配を示す。比較的小さいコア直径λ／２ρ＞２．２に関して、ファイバ２００は、正の分散勾配を有する負の分散を示す。

ファイバ２００のこの実施形態の正規化された周波数値は、ＮＡ＝１であるので、Ｖ＝ｐ／（λ／２ρ）である。上述のように、Ｖは、λ／２ρ＞１．３０６に対応するファイバ２００のシングル・モード動作に関して２．４０５未満である。したがって、ＵＨＮＡＦ２００の実施形態は、コア２０１が、十分に小さい直径、２ρ＜０．７６５５λを有するなら、シングル・モード動作を提供する。より大きな直径のコアを有するＵＨＮＡＦ２００は、マルチ・モード動作を提供することができる。シングル・モード・レジームにおいて、図３は、超高開口数ファイバ２００のこの実施形態が、負の分散を有することを示す。分散曲線３００の最も高い負の分散勾配は、シングル・モード動作レジームにあるおよそλ／２ρ〜１．６で生じる。

図３は、ファイバ２００の漏洩損失が、正規化された第１のクラッド幅ｄ／２ρで著しく変化することを示す。曲線３０１、３０２、３０３、３０４、および３０５は、それぞれ５、７．５、１０、１２．５、および１５に等しい正規化された第１のクラッド幅を有するファイバ２００に関するシミュレートされた漏洩損失である。正規化された第１のクラッド幅の比較的より小さな値に関して、ファイバ２００の漏洩損失は、比較的より大きなｄ／２ρの値に関してかなりより高い（例えば、曲線３０１は、曲線３０２より上にあり、曲線３０２は、曲線３０３より上にある、など）。０．１ｄＢ／ｋｍの最大漏洩損失が、所定の適用で許容可能であるなら、ファイバ２００の実施形態は、それぞれｄ／２ρ＝５、７．５、１０、１２．５、および１５に関して、約１．５７、１．８７、２．０７、２．２５、および２．３６までの正規化された波長λ／２ρで動作されることができる。上述のように、大きな間隙または第１のクラッド幅ｄに関する低漏洩損失のための可能な説明は、被覆材料へ以降損失されることができる第２のクラッド２０４へのモーダル・パワー・トンネリングを低減することである。より小さい間隙または第１のグラッド幅ｄに関して、光モードは、増大された漏洩損失を導くことがある第２のクラッド２０４とより強く相互作用する。

図４は、正規化された第１のクラッド幅ｄ／２ρに対する漏洩損失の従属性も示す。曲線４０１、４０２、および４０３は、ファイバ２００が、それぞれλ／２ρ＝１．７４８、２．０１５、および２．５で動作するなら、漏洩損失を示す。各曲線４０１〜４０３は、ファイバ２００のシングル・モード動作に関するものである。図４は、所定の正規化された波長λ／２ρでの漏洩損失は、ｄ／２ρの増大とともにほぼ指数関数的に低減することを示す。この強い従属性は、本明細書で記載されるように設計された様々なファイバが、実質的に低減された光損失を有利に提供することを可能にする。

図５Ａは、ファイバ２００の上述の実施形態の正規化された電界分布のシミュレーションの結果を示す。曲線５０１、５０２、５０３、５０４、および５０５は、それぞれλ／２ρ＝０．５、１．０、１．５、２．０、および２．５に関してファイバ２００の中心から径方向距離の関数として正規化された電界分布を示す。曲線５０１〜５０５は、コア直径２ρ＝１μｍと仮定して計算される。図５Ａは、光フィールドが、コア２０１から実質的に離れて、特にλ／２ρより大きい場所に延在することを示す。上述のように、この延在するフィールドは、有利には、多くの光モードが、ガラス、プラスチック、サファイヤ、または他のより損失のある材料の代わりに、空気、真空、または気体内で伝播するので、光損失を低減する。この延在するフィールドは、光フィールドと検知される材料との強い相互作用が望ましい材料センサ適用にも有利である。所定の実施形態において、例えば、間隙内の気体または液体などの流体の光学特性は、光ファイバ内を伝播する光を使用して探ることができる。ＵＨＮＡＦを備えるセンサは、さらに以下に詳細に記載される。

図５Ｂは、１μｍの波長で動作されるファイバ２００に関して正規化された周波数Ｖに対するモーダル・フィールド直径（ＭＦＤ、マイクロメートルで測定される）のシミュレーションを示す。曲線５１０、５１１、５１２、および５１３は、それぞれＮＡ＝１．０．７５、０．５、および０．２５を有するファイバ２００に関するシミュレーションである。図５Ｂは、最小ＭＦＤが、シングル・モード動作レジーム内であるおよそＶ〜２に到達されることを示す。図５Ｂは、また最小ＭＦＤが、より高い開口数を有する光ファイバに関してより小さいことを示す。

ＵＨＮＡＦの様々な実施形態において、コア直径は、約λ／４から約５λに及ぶことができる。第１のクラッド２０２の幅ｄは、いくつかの実施形態において約ρから約５０ρに及ぶことができる。より小さいコア直径を有するファイバ２００の所定の実施形態において、第１のクラッド２０２の幅は、低い損失および／または大きな負の分散を提供するのに十分大きいように選択される。ＵＨＮＡＦの所定の好ましい実施形態において、第２のクラッド２０４の幅は、ファイバ２００のために十分な機械的な支持体を提供するように選択される。他の実施形態において、ファイバ２００の他の寸法が使用されることができる。

図６Ａは、超高開口数光ファイバ６００の他の実施形態を概略的に示す断面である。ファイバ６００は、有利に、より大きなコア直径を有する従来の光ファイバにスプライスされるときに、スプライス損失を低減するために使用されることができる。ファイバ６００は、ファイバ２００に全体的に類似することができ、コア６０１、第１のクラッド６０２、ウェブ６０３、および第２のクラッド６０４を備える。光ファイバ６００は、約１の開口数（ＮＡ）を有することができる。様々な実施形態において、ファイバ６００は、ＮＡ＞０．７、ＮＡ＞０．８、ＮＡ＞０．９、またはＮＡ＞０．９５を有するように構成されることができる。

図６Ａに示されるファイバ６００は、また追加のクラッド６０５および６０６を備える。第１の追加のクラッド６０５は、コア６０１の屈折率にほぼ等しいまたはわずかにより小さい屈折率を有する材料を含むことができる。第２の追加のクラッド６０６は、第１の追加のクラッド６０５の屈折率より小さい屈折率を有する材料を含むことができる。ファイバ６００の一実施例において、コア６０１は、溶融シリカ、または溶融シリカの屈折率より大きな屈折率を与えるように、ゲルマニウム、燐、またはゲルマニウムおよび燐の混合物でドープされた溶融シリカを含む。第１の追加のクラッド層６０２は、真空、または空気、窒素、アルゴン、および／または他の適切な不活性気体などの気体を含むことができる。第１の追加のクラッド６０５は、溶融シリカ、またはゲルマニウム、燐、またはゲルマニウムの混合物でドープされた溶融シリカを含むことができる。第２の追加のクラッド６０６は、溶融シリカの屈折率より低い屈折率を与えるように、フッ素またはボロンでドープされた溶融シリカを含むことができる。ファイバ６００の他の実施形態において、以下のドーパントまたは以下のドーパントの組合せは、コア６０１、またはクラッド６０４〜６０６の任意の部分で使用されることができる。すなわち、ゲルマニウム、燐、ボロン、フッ素、錫、鉛、アルミニウム、および希土類イオンである。ウェブ６０３は、追加の適切なドーパントを有し、または追加の適切なドーパント無しの溶解シリカも含むことができる。６個のウェブ６０３が、図６Ａに示されているが、より少ないまたはより多い数のウェブ６０３が、ファイバ６００の他の実施形態で使用されることができる。さらに、図２を参照して上述されたように、ウェブ６０３の構成が、図６Ａに示される構成とは異なることができる（例えば、ウェブ６０３は、湾曲されかつ／またはコア６０１の周囲に非対称に配置されるなどができる）。代替構成において、追加のクラッド６０５および６０６が省略されることができる。そのような場合、コア６０１は、クラッド６０４より大きな屈折率を有するようにドープされることができる。

図６Ｂは、スプライシング前のファイバ６００および従来の光ファイバ６５０を概略的に示す斜視図である。従来の光ファイバ６５０は、コア６５１およびクラッド６５２を含む。従来のファイバ６５０は、ステップ屈折率ファイバ、グレーデッド屈折率ファイバ、または任意の他の適切な光ファイバを含むことができる。従来のファイバ６５０は、全体的に図１Ａに示されるファイバ１００に類似することができ、またはそれは、任意の他のタイプの光ファイバであり得る。図６Ｂに示される実施形態において、従来のファイバ６５０のコア６５１は、ファイバ６００のコア６０１より実質的に大きい。

ファイバ６００をファイバ６５０にスプライシングする方法の一実施形態において、ファイバ６００のセクションは、第１のクラッド６０２を低減しまたは実質的に削除するために、スプライシング前に加熱（例えば、電気アークによって）される。加熱後、セクションは、低減された断面積（例えば、図６Ｂおよび図６Ｃに示されるように）を有することができる。この方法のいくつかの実施形態において、ファイバ６００の加熱されたセクションは、空隙または第１のクラッド６０２の実質的な全体の削除とともに、実質的に中実構造に溶融し、溶解し、または潰れる。所定の実施形態において、第１のクラッド６０２は、加熱によって全体的に除去される。

ファイバ６００の加熱されたセクションは、例えば、ファイバ６００の加熱されかつ潰されたセクションの中心近くで裂かれることができる。裂け部６２６近くの加熱されたセクションの一部は、図６Ｂに概略的に示される移行部６２５を含む。移行部６２５の直径は、加熱されていないファイバ６００の直径から、裂け部６２６で加熱されたセクションの直径へテーパ状であり得る。裂け部６２６での移行部６２５の直径が、ファイバ６５０の直径Ｄに実質的に等しいなら有利である。しかしながら、これは、重要ではない。ウェブ６０３が、実質的小さい断面積（例えば、それらの比較的小さい横断方向厚みに起因して）を有する実施形態において、ウェブ６０３内の材料の寄与は、加熱されたセクションの断面積の決定で無視されることができる。

このスプライシング方法の一実施形態において、ファイバ６００のコア６０１は、加熱／潰すプロセスの間に実質的に無傷のままである。加熱の間、第１のクラッド６０２および第１の追加のクラッド６０５、第２の追加のクラッド６０６、ならびに第２のクラッド６０４は、それぞれ外側コア６１０、第１の移行クラッド６１１、および第２の移行クラッド６１２に変形される。

図６Ｂは、移行部６２５内のファイバ６００および６２０ｂの光モード６２０ａの伝播を概略的に示す。ファイバ６００内の伝播の間に、モード６２０ａは、コア６０１に実質的に閉じ込められる。移行部６２５において、コア６０１の屈折率および直径は、光モード６２０ｂが、移行部６２５の外側コア６１０内に伝播するとき、コア６０１が、光モード６２０ｂに関して強く閉じ込められた導波路を形成しないように適切に選択されることができる。例えば、移行部６２５は、所定の実施形態においてＶ＜１であるように構成されることができる。代わりに、光モード６２０ｂは、図６Ｂに概略的に示されるように移行部で拡張する。モードの拡張は、断熱状態が移行部６２５に沿って満足されるなら、例えば、移行部テーパが局所的な光モードが従うことができるよりも遅いなら、無視されることができる損失を生じる。例えば、いくつかの実施形態において、移行部６２５の局所的なテーパ角度は、閉じ込められたモードに関して非常に大きいことができる局所的な回折角度より小さいように選択される。したがって、断熱状態が、そのような実施形態において比較的容易に満足され、テーパの広い範囲が、使用されることができる。移行部６２５において、モード６０２ｂの光パワーは、第１の移行クラッド６１１によって実質的に囲まれるコア６１０内に実質的に案内される。ファイバ６００のコア６０１および第１の追加のクラッド６０５の直径は、移行部６２５の外側コア６１０におけるモード・フィールド直径（ＭＦＤ）が、従来の光ファイバ６５０のＭＦＤにほぼ等しいように選択されることができる。上述の方法は、有利には、モード・フィールド直径の実質的に近く一致することに起因して、低損失スプライスが、裂け部６２６の移行部６２５と従来の光ファイバ６５０との間で実施されることを許容する。

図６Ｃに概略的に示される他の実施形態において、ファイバ６００の部分６８０は、より小さい直径を有するようにテーパ状にされることができる。テーパ部分６８０に向かって伝播する案内されたモード６３０ａは、テーパ部分６８０に伝播する拡張モード６３０ｃ内へ拡張する（６３０ｂで概略的に示されるように）。拡張モード６３０ｃは、それが、テーパ部分６８０の外に伝播するとき、案内されたモード６３０ｄと接触する。著しい光損失を避けるために、テーパ部分６８０の直径は、上述のように断熱状況に従って変化するように構成されることができる。いくつかの適用において、テーパ部分６８０は、従来のファイバ６５０へのスプライシングの前に、実質的に上述のように加熱されかつ潰される。また、追加のクラッド層６０５、６０６を含まない図２を参照して記載されたファイバ２００は、その案内されたモードを拡張するためにテーパ状にされかつ／または潰されることができる。ファイバ２００のテーパ・セクションは、従来の光ファイバへのスプライシング前に、加熱され、潰され、かつ裂けられることができる。テーパ部分６８０が実質的に潰される適用において、コア２０１、６０１は、例えばコア材料をドーピングすることによって達成されることができる潰されたセクション（例えば、クラッド６０５）における直前のクラッドより高い屈折率を有することができる。例えば、シリカを含むコアは、ゲルマニウム、燐、錫などの１つまたはそれらの組合せでドープされることができる。そのような場合、ファイバの長さに沿ってコアの潰された直径は、ファイバが、潰されていないファイバにおける高いＮＡから、潰されたセクションの非常により小さなＮＡファイバへ進むとき、ファイバのモード直径を拡張する。モード直径のこの拡張は、コア直径における変化が、図５Ｂに示されるように実質的にないときでも存在することができる。コアの一部だけが、コアの屈折率を増やすためにドープされるなら、潰された部分におけるコア直径の低減は、潰された部分における光モードをさらに拡張することができる。このモード拡張は、テーパ形成で達成されることもできる。潰されたかつ／またはテーパ状セクションでコア直径を合わせることは、スプライス損失を低減するために、ファイバ６５０内の光モード直径を一致するために使用されることができる。潰されたかつ／またはテーパ状セクションで光モード直径を変化するためのもう１つの方法は、コアのドープされた部分の屈折率を変化することによる。屈折率におけるこの変化は、潰されたかつ／またはテーパ状セクションでファイバのＮＡを効果的に変える。この解決方法は、ファイバ６５０に光モード直径を一致させるために使用されることもできる。潰されたかつ／またはテーパ状セクションでのファイバは、次にファイバ６５０に裂かれかつスプライスされる。

上述されたスプライシング方法の他の実施形態において、ファイバ６００またはファイバ２００は、ファイバ２００、６００、二重クラッドまたは複数クラッドファイバ、偏光維持ファイバ、シングルまたはマルチ・モード・ファイバ、光子結晶ファイバなどを含む任意の他のタイプのファイバへスプライス（または他の方法で光学結合される）されることができる。

製造方法は、以下に、本明細書に記載される超高開口数ファイバのためのプリフォームの作成に関して記載される。様々な実施形態において、製造方法は、図７〜図１４を参照して記載される１つ以上の処理ステップ（繰り返されることができる）を含むことができる。製造方法のいくつかの実施形態において、当技術分野で知られている追加の処理技術が含まれる。

図７は、プリフォーム製造装置７５０の一部を概略的に示す。装置７５０は、管アセンブリ７７５の一部が炉７０６内に配置されるように、管アセンブリ７７５を保持するプリフォーム・チャック７０５を備える。炉７０６は、炉７０６の高温領域内の管アセンブリ７７５の部分に正確な、制御された温度を提供するように構成された加熱要素７０７を備える。プリフォーム・チャック７０５は、炉７０６を通って管アセンブリ７７５を移動するように構成される。図７に示される製造プロセスの初期段階において、管アセンブリ７７５の端部７０３は、炉内に配置される。

管アセンブリ７７５は、管７００、および管７００内に実質的に配置された毛管のスタック７０１を備える。スタック７０１は、実質的に中空のルーメンを含む毛管、ならびに部分的または完全に中実である管を備えることができる。スタック７０１のわずかな部分７１０は、図７に示されるように管７００の外側に延在することができる。管７００内の毛管のスタック７０１の構成は、図８Ａ〜図８Ｃを参照して以下にさらに記載される。加圧管７０４は、圧力が毛管に印加されることができるように、実質的に気密接続を形成するためにスタック７０１の部分７１０に結合されることができる。加圧管７０４は、例えばポリイミドなどのポリマを含むことができ、管７０４は、高温エポキシでスタック７０１へ接着結合されることができる。

いくつの実施形態において、管７００の端部７０３は、テーパ状にされかつ実質的に気密に作られる。対応するテーパ（図７に示されていない）は、管７００内へのスタック７０１の挿入後、スタック７０１のテーパ端部および管７００がかみ合うように、毛管のスタック７０１の端部に作られる。好ましい実施形態において、スタック７０１の端部でのテーパは、いくつかの毛管または全ての毛管が加圧されることができるように実質的に気密のシールを提供する。

図７は、プリフォーム製造プロセスの初期段階を示す。管アセンブリ７７５は、炉７０６内の管７００のテーパ状端部７０３で、プリフォーム・チャック７０５によって保持される。適切な圧力が、加熱要素７０７によって作られる高温領域に配置される毛管を拡張するために、加圧管７０４を介して印加される。圧力は、炉７０６内にある管７０７の部分の拡張を低減または最小化するために選択される。所定の実施形態において、１つ以上の不活性気体が、加圧システムで使用され、一方、他の実施形態において、窒素、酸素、および／または他の気体が使用されることができる。

炉７０６の温度は、スタック７０１における毛管の正確な拡張を可能にするように制御される。プリフォーム・チャック７０５は、次に、炉７０６の高温領域を通して管アセンブリ７７５を比較的低速で並進する。並進は、実質的に長い長さおよび実質的に均一な断面を有するプリフォームを得るために実質的に一定の速度であることができる。

毛管スタック７０１の様々な構成を有する管アセンブリ７７５は、プリフォーム製造装置７５０で使用されることができる。図８Ａ〜図８Ｃは、管７００内の毛管スタック７１０の例示的断面構成を概略的に示す。図８Ａにおいて、管アセンブリ８００は、管７００内側の中央ロッド８０１の周囲に配置された６個の毛管８０２を含む管７００を備える。アセンブリ８００は、６個のウェブを含む超高開口数光ファイバのために（例えば、ファイバ２００および６００のために）使用されることができる。図８Ｂにおいて、アセンブリ８１０は、管７００内側の中央ロッド８１１の周囲に配置された４個の毛管８１２を含む管７００を備える。アセンブリ８１０は、４個のウェブを含む光ファイバのために使用されることができる。図８Ｃにおいて、アセンブリ８２０は、管７００内側の中央ロッド８２１の周囲に配置された３個の毛管８２２を含む管７００を備える。アセンブリ８２０は、３個のウェブを含む光ファイバのために使用されることができる。より少ないまたはより多い数の管８０２、８１２、および８２１を有するアセンブリが使用されることができる。いくつかの好ましい実施形態において、中央ロッドは、実質的に中実であり、各毛管は、実質的に中空のルーメンを含む。他の実施形態において、いくつかまたは全ての毛管は、中実であることができ、１つ以上の中央ロッドが使用されることができる。多くの変形が可能である。

図８Ａ〜図８Ｃに示される実施形態において、毛管（８０２、８１２、または８２２）および中央ロッド（８０１、８１１、または８２１）は、管７００内に実質的に密に詰められて構成される。密に詰められた構成は、管およびロッドの中の相対移動を低減または最小化する、管およびロッドの破断を低減し、かつ中央ロッドを管７００内に実質的に中心合わせして維持するなどの利点を有する。図８Ａから図８Ｃから見ることができるように、この実施形態において毛管の数が増大すると、中央ロッドの直径が、管７００の内直径および毛管の外直径に対して増大する。

プリフォーム製造プロセスの一実施例において、図７に示される装置７５０は、図８Ａに示される管アセンブリ８００を加熱および拡張するために使用された。加熱および拡張プロセスの前に、毛管８０２および中央ロッド８０１は、約１．２ｍｍの外直径を有していた。各毛管８０２は、約０．９の外直径に対する内直径の比を有していた。管７００は、３．６３ｍｍの内直径および４．７ｍｍの外直径を有していた。アルゴンが、装置７５０内の加圧気体として使用され、圧力は、毛管８０２内でより高い２．０５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）であった。管７００内の圧力は、ほぼ周囲圧力で維持される。したがって、差圧は、２．０５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）である。毛管８０２内の圧力は、毛管８０２が、管７００内のサイズを拡張するように、管７００内の圧力に対して増大される。炉７０６の温度は１７００℃であった。プリフォーム・チャック７０５は、第１の後拡張プリフォーム・アセンブリ９００を生成するために、炉７０６を通して約４ｍｍ／分の実質的に均一な速度で管アセンブリ８００を移動した。

図９は、アセンブリ８００の加熱および拡張の結果から生じる第１の後拡張アセンブリ９００の断面図である。第１の後拡張アセンブリ９００は、第１のクラッド９０２によって囲まれるコア９０１を含む。第１のクラッド９０２は、６個のウェブ９０３を有する。管７００は、第２のクラッド９０４を形成するためにわずかに拡張された。

製造方法のいくつかの実施形態において、第１の後拡張アセンブリ９００は、超高開口数ファイバに線引きされることができる。これら方法のいくつかにおいて、第１のクラッド９０２は加圧され、一方、ファイバが線引きされる。他の実施形態において、第１の後拡張アセンブリ９００は、第２（または第３、第４など）の後拡張アセンブリを作るために、プリフォーム装置７５０内でさらに１回、２回、３回、または４回以上繰り返し処理される。これら後続の処理ステップのいくつかは、以下に記載される。後拡張アセンブリは、特定の適用に望ましい特徴が達成されたとき、後拡張アセンブリは、ＵＨＮＡＦに線引きされることができる。

図１０は、第１の後拡張プリフォーム・アセンブリ９００に適用されることができる後続の任意の処理段階を概略的に示す。この段階において、拡張されたアセンブリ９００は、より大きな直径を有する管１００１内に配置される。管１００１は、プリフォーム・チャック７０５によって保持される。テーパは、対応するテーパ１００２（図１０参照）を有する管１００１内に挿入される前、実質的に気密なシールを形成するためにアセンブリ９００の底端部に作られることができる。テーパは、拡張されたアセンブリ９００の端部で、テーパ１００２とかみ合いかつテーパ１００２の内側に載り、有利には、アセンブリ９００が管１００１によって部分的に支持されることを可能にする。

第１の拡張アセンブリ９００は、圧力が再び印加されることができる加圧管７０４に接続される。圧力が印加され、かつ炉７０６が適切な制御された温度を動作する間、アセンブリ９００は、加熱要素７０７によって作られる高温領域を通して比較的低速で供給される。この段階の間、第１の拡張アセンブリ９００は、第２の拡張アセンブリ１２００を形成するために管１００１内でさらに拡張する。

図１２Ａは、コア１２０１、第１のクラッド１２０２、ウェブ１２０３、および第２のクラッド１２０４を含む、第２の拡張アセンブリ１２００を概略的に示す断面図である。第２のクラッド１２０４は、コア１２０１からさらに離れて拡張され、ウェブ１２０３の横断方向寸法は、さらに低減された。第２の加熱拡張段階は、第１のクラッド１２０２の寸法をさらに拡張するために必要であるとき、追加の回数繰り返されることができる。プリフォーム・アセンブリは、追加におよび任意に、第２の拡張ステップを繰り返す前に、ケイン・タワーで線引きすることによって低減されたその外直径を有することができる。

第２の加熱および拡張段階の実施例において、第１の拡張アセンブリ９００は、２２．５ｍｍの内直径および２５ｍｍの外直径を有する管１００１内に挿入された。炉７０６の温度は、１６８０℃であった。プリフォーム・チャック７０５は、８ｍｍ／分の実質的に一定の速度でアセンブリ９００を並進した。アセンブリ９００は、１９ｐｓｉに加圧された。

さらに、任意の処理ステップは、追加のクラッド層を提供するために使用されることができる。例えば、図６Ａに示される光ファイバ６００のためのプリフォームを作るために、１つ以上の追加の材料の層が、第１の拡張アセンブリ９００がその内に配置される前に、管１００１の内側表面上に形成されることができる。図１１は、管１００１の内側表面上に実質的に均一に形成された、比較的低い屈折率の層１１０１および比較的より高い屈折率の層１１０２を概略的に示す断面図である。ある方法において、これら追加の層は、層１１０１および１１０２が、管１００１の内表面上に堆積されるように、修正された化学気相堆積システム内に管１００１を配置することによって形成されることができる。いくつかの実施形態において、層１１０１は、ボロン、またはフッ素と燐との組合せでドープされたシリカであることができる。層１１０２は、溶融シリカ、または層１１０１の屈折率よりわずかに大きな屈折率を達成するために、ゲルマニウム、燐、ボロン、およびフッ素の１つまたはそれらの混合物でドープされた溶融シリカであることができる。いくつかのプロセスにおいて、層１１０２（および／または層１１０１）の厚みは、図６Ｂに示されるファイバ６００の移行部６２５のコア６１０内の光モードのモーダル・フィールド直径が、上述のように、従来のファイバ６５０のモーダル・フィールド直径に実質的に一致されることができるように、制御される。図１１は、２つの追加の層１１０１および１１０２を示すが、製造方法の他の実施形態において、１つ、３つ、４つ、５つ、または６つ以上の層が形成されることができる。いくつかの実施形態において、追加のクラッド層が使用されず、この処理ステップが省略されることができる。

プリフォーム製造プロセスの第３の段階において、第２の拡張アセンブリ１２００の直径は、ケイニング・タワーで低減されることができる。アセンブリ１２００は、次に、図１２Ｂに示されるように、第３のアセンブリ１２１０を形成するために管１２１１内に挿入される。製造方法のいくつかの実施形態において、第３のアセンブリ１２１０は、光ファイバに線引きされる。これらの実施形態のいくつかにおいて、第１のクラッド１２０２は、ファイバが線引きされる間に加圧される。図１３Ａは、このプロセスから生じるファイバ１３００を概略的に示す断面図である。ファイバ１３００は、コア１３０１、第１のクラッド１３０２、ウェブ１３０３、および第２のクラッド１３０４を含む。ファイバ１３００は、ファイバ１３００が、通信ファイバで使用されることを目的とする適用における標準の通信ファイバの外直径にほぼ等しい外直径を有するように構成されることができる。ファイバ１３００は、他の直径を有するように製造されることができる。プリフォームのさらなる拡張が望ましいなら、第２の拡張アセンブリ１２００は、第２の拡張アセンブリ１２００の外直径より大きな内直径を有する管１２１１内に挿入されることができる。

プリフォーム製造方法の代替実施形態において、第１および／または第２の拡張段階（およびそれらの繰り返し）の一部または全ては、単一のプロセスとして実行されることができる。そのような実施形態において、図１３Ｂに示される断面を有するプリフォーム・アセンブリ１４００は、図１０に概略的に示される拡張段階で使用されることができる。所定のそのような実施形態において、毛管８０２は、アセンブリ１４００が、炉７０６の高温領域を比較的低速に通って移動する間に加圧される。当業者は、図１３Ｂに示される断面とは異なる断面を有するプリフォーム・アセンブリが同様に使用されることができることを理解する。

ＵＨＮＡＦプリフォームおよびファイバを製造する方法の代替実施形態において、真空および任意の圧力が、１つ以上の拡張段階で使用される。真空支援製造プロセスの一実施形態において、プリフォーム・アセンブリが、ケインに線引きされ（図１４Ａ〜図１４Ｃ参照）、次にケインは、ファイバに線引きされる（図１４Ｄ〜図１４Ｆ参照）。

図１４Ａは、真空支援方法の実施形態で使用に適したプリフォーム製造装置７５０の一部を概略的に示す。スタック７０１は、管７００内に挿入される。いくつかの実施形態において、スタック７０１は、スタック７０１の一部が、図１４Ａに示されるような管７００の外側に延在するように、管７００より長い。テーパが、スタック７０１および管７００を実質的に封止するように他方の端部に作られる。テーパ１００２は、より大きな管１００１の一方の端部に作られる。スタック７０１および管７００は、アセンブリ２０７５を形成するために管１００１内に配置される。管１００１は、管７００より長いがスタック７０１より短いことができる。シール２０３０は、管１００１の開放端部に配置される。例えば、シール２０３０は、実質的に気密なシールを形成するために、高温エポキシによって管１００１へ接着されることができる。シール２０３０は、スタック７０１がそれを通って延在することを許容するように、実質的に中央孔を有することができる。シール２０３０は、真空管２０３１へ接続するためにオフセット孔２０３２を有することもでき、真空管２０３１は、さらに以下に記載されるように、管７００および／または管１００１を減圧するために使用される。装置７５０のいくつかの実施形態において、実質的に気密なシールは、高温エポキシで真空管２０３１およびスタック７０１の一方または両方を接着することによって設けられる。任意に、圧力管７０４は、スタック７０１へ接着されることができ、所望であれば（例えば、図７および図１０に示される実施形態を参照して実質的に記載されるように）、毛管８０２へ圧力を提供するために使用されることができる。圧力管７０４は、所定の実施形態で使用されない。

シール２０３０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの高温ポリマで作られることができる。いくつかの実施形態において、真空管２０３１および任意の圧力管７０４の一方または両方は、可撓性であり得る。真空管２０３１は、真空ポンプ（可変真空ポンプなど）へ接続されることができ、任意の圧力管７０４は、圧力コントローラに接続されることができる。

製造方法の一実施形態において、管７００および１００１は、管７００および１００１内に少なくとも部分的な真空を生成するために、真空管２０３１を介して減圧される。スタック７０１内の毛管８０２は、毛管８０２と管７００との間の圧力差に起因して拡張する。任意に、毛管は、増大した圧力差を提供するために圧力管７０４を介してさらに加圧されることができる。いくつかの実施形態において、毛管８０２の拡張により、より大きな管１００１内の管７００の拡張が生じる。所定の実施形態において、より大きな管１００１は、製造プロセスの間に著しくは拡張しない。

図１４Ａに概略的に示されるように、アセンブリ２０７５は、加熱要素７０７によって提供された高温領域を有する炉７０６を含むプリフォーム装置７５０上にチャック７０５によって保持される。アセンブリ２０７５は、ケイン２００１が装置７５０から線引きされるように高温領域に対して並進される。図１４Ａを参照して記載される真空方法を使用する１つの可能な利点は、製造プロセスが、比較的容易に制御されることである。可能な他の利点は、管１００１の拡張が、プロセスの間に低減または最小化されることができることである。

図１４Ｂは、アセンブリ２０７５の例示的な断面を概略的に示す。この実施形態において、スタック７０１は、クレーデッド屈折率、溶融シリカ・クラッド内に含まれるなら０．２５のピーク開口数、および１．１９ｍｍの直径を有する、ゲルマニウムでドープされたロッド１９０１を含む。ロッド１９０１は、それぞれ１．１９ｍｍの直径および０．９の外直径に対する内直径の比を有する、６個の毛管１９０２によって囲まれる。６個の毛管１９０２が、図１４Ｂに示される実施形態で使用されるが、より少ないまたはより多い数の管１９０２が、様々な他の実施形態で使用される。また、いくつかの実施形態において、管１９０２は、互いに実質的に類似せず、異なる直径および／または外直径に対する内直径の比、または他の特性を有することができる。一実施形態において、管７００は、３．６ｍｍの内直径と７．２ｍｍの外直径を有する。管７００は、他の直径が他の実施形態で使用されるが、１２．５ｍｍの内直径および２５ｍｍの外直径を有するより大きな管１９０１内に配置される。いくつかの実施形態において、管１９０１の内側表面は、ＵＨＮＡＦのための追加のクラッドを提供するために使用されることができる、その上に被覆されたまたは堆積された１つ以上の層を任意に含むことができる。例えば、一実施形態において、管１９１０は、約０．７ｍｍの厚みを有するフッ素および燐でドープされた層１９０３を含む。層１９０３は、修正された化学気相堆積システムを使用して、またはいくつかの他の適切な技術によって堆積されることができる。他の実施形態において、層１９０３は、ドープされない、または異なる物質でドープされる。層１９０３は、他の実施形態において異なる厚みを有することができ、または全く使用されないことができる。

図１４Ｃは、図１４Ｂに示されるプリフォームを使用する装置７５０から線引きされることができるケイン２００１の断面の実施例を概略的に示す。この実施形態において、ケイン２００１は、コア２１０１、第１のクラッド２１０２、ウェブ２１０３、第１の追加のクラッド２１０４、第２の追加のクラッド２１０５、および外側クラッド２１０６を含む。これらの層はいずれも、所定の実施形態においてコアの屈折率より高いまたは低い屈折率を有することができる。したがって、クラッド層と本明細書で参照される層は、代わりに、例えばコアより高い屈折率を有する層と置き換えられることができ、したがって光クラッドとして動作しない。

ケイン２００１が製造された後、ケイン２００１は、ＵＨＮＡＦへさらに処理されることができる。図１４Ｄは、真空支援技術を使用するファイバ２２０１を線引きするための装置７５０の実施形態を概略的に示す。アセンブリ２１５０は、ケイン２００１および管２１０１を含む。ケイン２００１は、図１４Ｃに示されるケイン２００１に実質的に類似することができる。いくつかの実施形態において、ケイン２００１は、図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して記載された装置および方法に類似する装置および方法を使用して製造される。ケイン２００１は、管２１０１内に挿入される。管２１０１は、ケイン２００１の一部が管２１０１の外に延在するように、ケイン２００１より短くすることができる。シール２１３０は、実質的に気密なシールを形成するために、例えば管２１０１の端部に高温エポキシを接着することによって、管２１０１の一方の端部に設けられる。シール２１３０は、ケイン２００１の端部が、管２１０１を超えて延在しかつケイン２００１を加圧するために任意の圧力コントローラに接続することを許容する実質的に中央孔を含むことができる。シール２１３０は、管２１０１内の圧力を低減するために、真空管２１３１への接続を可能にするオフセット孔２１３２を含むことができる。いくつかの実施形態において、ケイン２００１および管２１３１の一方または両方は、実質的に気密なシールを形成するために高温エポキシによって接着される。任意の圧力接続管７０４は、ケイン２００１（例えば、高温エポキシを介して）に取り付けられることができ、ケイン２００１を任意に加圧するために使用されることができる。圧力管７０４は、いくつかの実施形態において使用されない。

アセンブリ２１５０は、加熱素子７０７を用いて生成される高温領域を有する炉７０６を含む製造装置７５０にチャック７０５によって保持される。好ましい実施形態において、真空が、管２１０１内の圧力を低減するために真空管２１３１を介して印加されるとき、ケイン２００１は、管２１０１とケイン２００１との間の空間を実質的に満たすために拡張する。アセンブリ２１５０は、炉７０６内の高温領域に対して並進され、ファイバ２２０１は、高温領域内で加熱されるアセンブリ２１５０の部分から線引きされる。いくつかの実施形態において、真空が、管２１０１に印加され、ケイン２００１は加圧されず、一方、他の実施形態において、真空が、管２１０１に印加され、ケインは加圧される。したがって、管２１０１および／またはケイン２００１内の相対圧力を適切に調整することによって、ファイバ線引きプロセスは、有利には正確に制御されることができる。

図１４Ｅは、図１４Ｄの装置７５０で使用されることができるアセンブリ２１５０の例示的な断面を概略的に示す。この実施形態において、ケイン２００１は、２．８ｍｍの外直径を有する。図１４Ｃに示されるのと同様に、ケイン２００１は、コア、第１のクラッド、ウェブ、追加の（任意の）クラッド、および外側クラッドを含むことができる。図１４Ｅに示される実施形態において、管２１０１は、１６．７ｍｍの外直径および３．７ｍｍの内直径を有する。図１４Ｆは、図１４Ｅに示されるアセンブリ２１５０を使用して線引きされたファイバ２２０１の例示的な断面を概略的に示す。真空ファイバ線引き方法の一実施例において、ファイバ２２０１は、約１２５μｍの外直径を有する。ファイバ２２０１は、約１μｍの直径を有するコア２３０１および約２０μｍの直径を有する第１のクラッド２３０２を含む。ファイバ２２０１は、ウェブ２３０３、第１の追加のクラッド２３０４、第２の追加のクラッド２３０５、および外側クラッド２３０７も含む。

プリフォーム、ケイン、およびファイバ製造方法の所定の好ましい実施形態は、図を参照して上述された。これらの実施形態は、超高開口数光ファイバを製造する可能な方法の非限定実施例であると理解されるべきである。例えば、本明細書に記載される段階および技術は、所定の所望の特性を有するプリフォームを製造するために、異なる回数および異なる順序で実行されることができる。さらなる処理ステップ（上述された化学気相堆積など）が使用されることができる。方法のいくつかの実施例において、上述の段階のいくつかは、削除されかつ／または他の処理段階と組み合わされる。図７、図１０、図１４Ａ、および図１４Ｄに示される装置７５０とは異なる装置が使用されることができる。多くの変形が想定される。

超高開口数ファイバの実施形態は、広範なシステムおよび適用に使用されることができる。これらシステムおよび適用のいくつかの実施例は、以下にさらに記載される。これら実施例は、ＵＨＮＡＦが使用されることができるシステムおよび適用の範囲を限定することを目的とせず、例示目的だけのために本明細書に示されると理解されるべきである。

例えば、通信システムおよびパルス増幅システムを含む多くのシステムは、非線形効果に少なくとも一部基づいて動作する。一実施例は、伝送の第２の部分における分散が、広がったパルスを圧縮するために使用されることができるように、その中心の周りに光パルスのスペクトルを動かすミッド・スパン・スペクトル反転に基づくシステムである。他の実施例は、優先して低強度雑音を減衰する非線形デバイスに基づくパルス再生成スキームである。さらなる実施例は、光ファイバ内の超連続体生成に基づく超広帯域源である。各これらシステム（ならびに他のシステム）は、小さいモーダル・フィールド直径（ＭＦＤ）を有する低損失ＵＨＮＡＦの使用で利益を得ることができる。小さなＭＦＤは、実質的に増大した非線形性を導くことができる。そのようなＵＨＮＡＦの使用は、非線形デバイスの閾値、挿入損失、および物理的サイズを低減することもできる。

他の実施例において、マルチ・ステージ通信システム１５２０の実施形態は、図１５に概略的に示される。システム１５２０は、送信器１５００、１つ以上のファイバ・スパン１５０１、１つ以上の増幅器１５０２、１つ以上の分散補償モジュール（ＤＣＭ）１５０３、および検出器１５０４を含む。いずれかのＤＣＭ１５０３は、１つ以上のコイルまたは長さのＵＨＮＡＦ（例えば、図２および図６Ａに示されるＵＨＮＡＦ２００および／または６００など）を含むことができる。上述のように、本明細書で記載されるファイバにおける低減されたコア・サイズおよびモード・フィールド面積は、増大された分散、例えば材料分散の強度の３倍または４倍の分散を提供することができる。したがって、いつくかの実施形態において、ＤＣＭ１５０３は、ＵＨＮＡＦの単一のコイルを含む。所定の実施形態において、ＤＣＭ１５０３は、ＵＨＮＡＦを含む少なくとも１つのコイルを有するファイバの２つ（またはより多い）別個のコイルを含む。所定のそのような実施形態において、一方のコイルは、分散補償のために最適化されることができ、他方のコイルは、伝送光ファイバの単一スパンの分散勾配補償のために最適化されることができる。一実施形態において、ＵＨＮＡＦを含むコイルは、分散勾配補償のために使用される。

ファイバ・チャープされたパルス増幅（ＦＣＰＡ）システムにおいて、短い光パルスが、増幅される前に非常により長いパルスに伸張される。増幅された光パルスは、次に、それらの元のパルス幅に圧縮して戻される。これは、増幅器におけるピーク強度を低減し、かつ増幅器における非線形制限を避ける。いくつかのＦＣＰＡシステムにおいて、伸張比は、圧縮器における３次の分散のための分散勾配補償の欠如によって制限される。

したがって、圧縮器の第三次の分散を事前補償するために、伸張器で正確な三次の分散制御を提供することが望ましいことがある。そのような伸張器を備えるＦＣＰＡシステムは、潜在的に伸張比における２つ次数の強度増大を可能にすることができ、ＦＣＰＡシステムからのより多いパルスエネルギを２つの次数の強度に変換することができる。モード・ロック・ファイバ・レーザにおける分散管理のためのフォトニック結晶ファイバおよびＦＣＰＡシステムの使用の詳細は、それぞれ参照によってその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第７１１３３２７号（ＩＭ−９９、Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ ＩＭＲＡＡ．０２１Ａ）、米国特許出願公開第２００５−００４１７０２号（ＩＭ−１０５）、米国特許出願公開第２００４−０２１３３０２号（ＩＭ−１０６、Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ ＩＭＲＡＡ．０２３Ａ）、米国特許出願公開第２００５−０２２６２７８号（ＩＭ−１０８、Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ ＩＭＲＡＡ．０２５Ａ）、米国特許出願公開第２００４−０２６３９５０号（ＩＭ−１００、Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ ＩＭＲＡＡ．０３６Ａ）、米国特許出願公開第２００５−０１０５８６５号（ＩＭ−１１４）、米国特許出願公開第２００５−０１１１５００号（ＩＭ−１２５）などの参照文献で対処された。

図１６は、有利にＵＨＮＡＦを利用することができるＦＣＰＡシステム１６２０の実施形態を概略的に示す。システム１６２０は、シード・レーザ１６００、伸張器１６０１、前置増幅器１６０２、パルス・ピッカー１６０３、パワー増幅器１６０４、および圧縮器１６０５を含む。伸張器１６０２は、例えば、ＵＨＮＡＦ２００または６００（図２および図６Ａを参照）などのＵＨＮＡＦを備えることができる。伸張器１６０２のいくつかの実施形態において、ＵＨＮＡＦの単一のコイルが使用される。他の実施形態において、ＵＨＮＡＦを備える少なくとも１つのコイルを有する、ファイバの２つ（またはより多い）別個のコイルが使用される。例えば、一方のコイルは、分散補償のために最適化されることができ、他方のコイルは、ＦＣＰＡシステム１６２０で使用される圧縮器１６０５に関する分散勾配のために最適化される。一実施形態において、ＵＨＮＡＦを備えるコイルは、分散勾配補償のために使用される。

ＵＨＮＡＦの所定の実施形態の利点は、ファイバが、非常に低い損失を有することができ、長い長さのＵＨＮＡＦが、著しい光損失なしに所定の実施で使用されることを可能にすることである。所定の実施形態のさらなる利点は、ＵＨＮＡＦが、小さな曲げ半径を有するコイルに曲げられることができ、小さなパッケージがＵＨＮＡＦのために使用されることを可能にすることである。ＵＨＮＡＦの小型コイル１７２０の実施形態は、図１７に概略的に示される。コイル１７２０は、小型のスプール１７００、入力端部１７０２および出力端部１７０３を有するＵＨＮＡＦのコイル１７０１を含む。この小さなコイル１７２０は、図１５を参照して記載されたＤＣＭ１５０３などのＤＣＭの構成要素として使用されることができる。ＵＨＮＡＦの所定の実施形態は、妥当に小さなモーダル・フィールド直径、したがって妥当に高い非線形性を有するように製造されることができる。一実施形態において、高い非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）は、図１７に示される小型コイル１７２０を備える。ＨＮＬＦのこの実施形態は、例えば、デバイス閾値を低下させかつデバイスの物理サイズを低減させるために、非線形効果に基づきデバイス内の構成要素として有利に使用されることができる。

ＵＨＮＡＦの実施形態は、従来のファイバに比べてＵＨＮＡＦによって提供される高いＮＡのために、強い光案内を提供するように構成されることができる。したがって、ＵＨＮＡＦの所定の実施形態は、著しい光損失を被ることなく妥当に鋭い角の周りで曲げられることができる。所定のそのようなＵＨＮＡＦの実施形態は、したがって、例えば、家庭およびオフィスに高容量ネットワーク・データ接続を提供するなどの適用で使用されるとき（例えば、「家庭へのファイバ」（ＦＴＴＨ）実装において家庭またはオフィスの周りで光ファイバ回路を配線接続する）有利である。

光ファイバは、多くのタイプのセンサで使用される。例えば、光ファイバに基づくセンサは、気体および／または液体の組成を測定するために使用されることができる。これらセンサのいくつかは、光ファイバ内を伝播する光モードの極めて弱いフィールドと測定されるべき気体または液体との相互作用を利用する。例えば、伝播する光の波長に匹敵するまたはより小さい、非常に小さなコアを有する光ファイバにおける光モードは、一般に、コアの外側のその光エネルギの実質的な部分を有し、例えば、光エネルギは、長い相互作用長さを有する。そのような小さなコアのファイバが、気体または液体材料で囲まれるなら、コア外側の光エネルギは、材料と相互作用することができ、検出されたとき、材料についての情報を提供する。例えば、いくつかの実施において、ファイバ内の光エネルギの長い相互作用長さは、例えば空気であり得る材料内の化学物質のわずかなレベルを検出するために使用される。

したがって、本明細書に開示されるＵＨＮＡＦのいくつかの実施形態は、案内される光エネルギの実質的な部分が、第１のクラッド（例えば、図２および図６Ａにおける第１のクラッド２０２または６０２）内を伝播するように、小さなコアを有して構成されることができる。そのようなＵＨＮＡＦの実施形態は、それらの妥当に長い光相互作用長さのためにセンサで有利に使用されることができる。図１８Ａおよび図１８Ｂは、それぞれ２つの例示的なセンサ・システム１８２０ａおよび１８２０ｂを概略的に示す。センサ・システム１８２０ａは、広帯域光源１８００、ある長さのＵＨＮＡＦ１８０１、光フィルタ１８０２、および光検出器１８０３を含む。使用に際して、気体または液体媒体は、媒体が光ファイバ１８０１の長さにわたって伝播する光エネルギと相互作用するＵＨＮＡＦ１８０１の第１のクラッド領域内に導入される。光吸収スペクトルは、検出器１８０３（例えば、波長が調整可能であり得るフィルタ１８０２の通過帯域で）によって測定されることができ、かつ媒体内の種を検出しかつ種の濃度を定量化するために使用されることができる。センサ・システム１８２０ａの実施形態は、ＵＨＮＡＦ１８０１の長い相互作用のために有利に高い感度を達成することができる。図１８Ｂに概略的に示されるセンサ・システム１８２０ｂは、波長調整可能な光源１８１０、ある長さのＵＨＮＡＦ１８１１、および光検出器１８１２を含む。センサ・システム１８２０ｂは、ＵＨＮＡＦ１８１１の第１のクラッド領域内に導入された気体または液体媒体の吸収スペクトルを測定するために使用されることができる。ＵＨＮＡＦの実施形態は、同様に他のタイプのセンサで使用されることができる。

ＵＨＮＡＦおよびその製造方法の広範な変形が可能である。構成要素および特徴が、異なる構成が可能であるように、追加され、取り除かれ、または再配置されることができる。異なる材料も使用されることができる。さらに処理ステップは、追加され、取り除かれ、または再配列されることができる。例えば、１つ以上の屈折率増加ドーパント（例えば、ゲルマニウムおよび／または燐）が、ＵＨＮＡＦの開口数をさらに増大するためにコア（例えば、コア２０１または６０１）に添加されることができる。シリカ・ガラスをゲルマニウムでドープすることは、ガラスの非線形係数を増大するさらなる利点を有し、高度な非線形ファイバ（図１７を参照して議論された小型のコイル１７２０を使用するファイバなど）に有利であり得る。

さらに、複屈折光ファイバは、ＵＨＮＡＦのコアに楕円率を導入することによって製造されることができる。ＵＨＮＡＦの大きな開口数のために、複屈折の妥当に大きな量は、比較的小さな量の楕円率のコアを有するファイバで達成されることができる。単一の偏光モードがサポートされる偏光光ファイバが、超高開口数ファイバで可能な比較的大きな複屈折に起因して製造されることもできる。

本明細書に記載されるＵＨＮＡＦの実施形態は、２つ以上の点間で光信号を伝送するための光ケーブルで使用されることができる。光ケーブルは、１つ以上の保護層によって囲まれる１つ以上の光ファイバ（または１つ以上の光ファイバの束）を含むことができる。例えば、保護層は、ポリマ・バッファおよび／またはジャケットまたは保護シースを含むことができる。ＵＨＮＡＦを含む光ケーブルは、例えば、通信、ネットワーキングなどを含む広範な適用で使用されることができる。

所定の好ましい実施形態の上記記載は、例示のために与えられ、制限することを目的としない。さらに、所定の利点が記載されたが、そのような利点は、必ずしも各実施形態で達成される必要はない。例えば、１つの利点または利点のグループは、必ずしも他の可能な利点を達成しまたは最適化することなく、特定のＵＨＮＡＦ実施形態で達成されまたは最適化されることができる。与えられた開示から、当業者は、本発明およびその付随する利点を理解するだけでなく、開示された構造および方法に対する明らかな様々な等価物、変更、および修正を見出す。したがって、特許請求の範囲およびその等価物の精神および範囲内に入る全てのそのような変更および修正を包含することが求められる。

直径２ρを有するコアおよび直径Ｄを有するクラッドを備える従来の光ファイバを概略的に示す断面図である。 異なる開口数を有する様々なステップ屈折率ファイバに関する正規化された周波数Ｖに対する分散のシミュレーションの結果を示すグラフである。 コア、ウェブ、第１（空気）のクラッド（幅ｄを有する）、および第２のクラッドを備える、超高開口数光ファイバ（ＵＨＮＡＦ）の実施形態を概略的に示す断面図である。 異なる空気クラッド幅ｄを有する超高開口数ファイバに関する、正規化された波長（底軸）および正規化された周波数（頂軸）に対する分散（左軸）および漏洩損失（右軸）のシミュレーションの結果を示すグラフである。 超高開口数ファイバの正規化された第１（空気）のクラッド厚みｄに対するシミュレートされた漏洩損失を示すグラフである。 実施例のＵＨＮＡＦに様々な波長でのコアの中心から距離に対するシミュレートされたモーダル・フィールド分散を示すグラフである。 異なる開口数（ＮＡ）を有するＵＨＮＡＦに関する正規化された周波数Ｖに対するシミュレートされたモーダル・フィールド直径（ＭＦＤ）を示すグラフである。 コア、ウェブ、第１および第２のクラッド、および第１および第２の追加のクラッドを備えるＵＨＮＡＦの他の実施形態を概略的に示す断面図である。 ＵＨＮＡＦが、従来のファイバに対してスプライス損失を低下するために使用されることができる移行部を備える、スプライシング前のＵＨＮＡＦおよび従来の光ファイバを概略的に示す斜視図である。 モード拡張テーパを備えるＵＨＮＡＦを概略的に示す斜視図である。 ＵＨＮＡＦのためのプリフォームの製造で使用されるプリフォーム製造装置の一部を概略的に示す図である。 プリフォーム製造プロセスで使用されるプリフォーム・アセンブリの実施形態を概略的に示す断面図である。 プリフォーム製造プロセスで使用されるプリフォーム・アセンブリの実施形態を概略的に示す断面図である。 プリフォーム製造プロセスで使用されるプリフォーム・アセンブリの実施形態を概略的に示す断面図である。 図７のプリフォーム製造装置における図８Ａで示されるプリフォーム・アセンブリの加熱および拡張による後拡張アセンブリの断面図である。 第１（空気）のクラッドの幅をさらに増大するために、後拡張プリフォーム・アセンブリに適用されることができる任意の加熱および拡張ステップを概略的に示す図である。 図１０のプリフォーム装置で使用される管の内側表面上に実質的に均一に形成される２つの追加層を概略的に示す断面図である。これらの層は、図６Ｂに示されるテーパで使用されるなど追加のクラッドを有するＵＨＮＡＦを提供するために使用されることができる。 コア、第１のクラッド、ウェブ、および第２のクラッドを備え、第１（空気）のクラッドは、図１０に示されるなどの装置を使用してサイズにおいてさらに増大した、第２の拡張されたアセンブリを概略的に示す断面図である。 コア、第１のクラッド、ウェブ、および後で線引きされることができる管内に挿入された第２のクラッドを備える、第３の拡張されたアセンブリを概略的に示す断面図である。 図１２Ｂに示される第３の拡張されたアセンブリから線引きされたファイバを概略的に示す断面図である。 ２つの加熱ステップおよび拡張ステップが、単一の処理ステップに組み合わされたプリフォーム製造プロセスで使用されることができるプリフォーム・アセンブリの実施形態を概略的に示す断面図である。 真空を使用するＵＨＮＡＦのためのプリフォームの製造で使用されるプリフォーム製造装置の一部を概略的に示す図である。 図１４Ａで示される真空支援拡張プロセスのケイニング段階で使用されるプリフォーム・アセンブリの断面を概略的に示す図である。 真空支援拡張プロセスのケイニング段階の間に線引きされるケインの断面を概略的に示す図である。 真空を使用するＵＨＮＡＦの製造で使用されるファイバ線引き装置の一部を概略的に示す図である。 図４Ｄに示される線引き装置で使用されるアセンブリの断面を概略的に示す図である。 図１４Ｅに示されるアセンブリから線引きされるファイバの断面を概略的に示す図である。 ＵＨＮＡＦを備える分散補償モジュール（ＤＣＭ）を含む、マルチ・スパン波長分割多重化（ＷＤＭ）システムを概略的に示す図である。 ＵＨＮＡＦを備える伸張器を含むファイバ・チャープされたパルス増幅（ＦＣＰＡ）システムを概略的に示す図である。 ＵＨＮＡＦのスプールを概略的に示す図である。 ＵＨＮＡＦを備える光ファイバ・センサ・システムの実施形態を概略的に示す図である。 ＵＨＮＡＦを備える光ファイバ・センサ・システムの実施形態を概略的に示す図である。

Claims (28)

1. ある波長を有する光を伝播することができる光ファイバであって、
   ある直径を有するコアと、
   ある幅を有する間隙を備える、前記コアを囲む第１のクラッドと、
   前記第１のクラッドを囲む外側層と、
   前記第１のクラッドと前記外側層の間に配置された少なくとも１つの追加の層であって、
   （ａ）前記コアの屈折率以下の屈折率を有する第１の追加の層及び
   （ｂ）前記第１の追加の層の屈折率未満の屈折率を有する第２の追加の層
   を備える少なくとも１つの追加の層と、
   前記コアと前記少なくとも１つの追加の層とを機械的に結合する複数のウェブとを備え、
   前記第１のクラッドは気体で構成されており、前記ファイバは、０．８より大きい開口数を有する光ファイバ。
2. 前記ファイバは、１００ｄＢ／ｋｍより小さい損失を有するように構成される請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記ファイバは、１０ｄＢ／ｋｍより小さい損失を有するように構成される請求項２に記載の光ファイバ。
4. 前記コアは、前記ファイバを伝搬する光の波長の２倍より小さな直径を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
5. 前記コアは、前記ファイバを伝搬する光の波長の０．６倍より小さな直径を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
6. 前記コアは、偏光モードを保持するのに十分な楕円率を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバ。
7. 前記ファイバは、１ｄＢ未満の損失で５ｃｍ未満の曲げ直径で動作可能である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光ファイバ。
8. 前記ファイバは、２．４未満の正規化周波数を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光ファイバ。
9. 前記間隙は、気体で満たされているか、又は減圧されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光ファイバ。
10. 前記コアの前記直径に対する前記間隙の前記幅の比は、５より大きい請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光ファイバ。
11. 前記コア及び前記間隙の直径は、前記間隙に少なくとも４０パーセントの光があるように構成されている請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光ファイバ。
12. 各前記ウェブは、前記ファイバを伝搬する光の波長の１０分の１未満の横断方向厚みを有する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光ファイバ。
13. 前記開口数は、０．９より大きい請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光ファイバ。
14. 前記開口数は、１である請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
15. 前記ファイバは、負の分散を有する請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光ファイバ。
16. 前記分散の大きさは３００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍよりも大きい請求項１５に記載の光ファイバ。
17. 前記コアは、溶融シリカを含む請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光ファイバ。
18. 前記コアの少なくとも一部は、ゲルマニウム、燐、フッ素、ボロン、アルミニウム、チタニウム、錫、鉛、および希土類元素からなるグループから選択された１つ以上のドーパントでドープされる請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光ファイバ。
19. 前記外側層は、第２のクラッドを備える請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光ファイバ。
20. モーダル・フィールド面積が、前記部分に沿って幅で単調に増大するように、前記間隙幅は、前記ファイバの一部に沿って単調に減少する請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光ファイバ。
21. 前記間隙幅は、ゼロまで減少する請求項２０に記載の光ファイバ。
22. 前記ファイバは、前記ファイバを伝搬する光の波長よりも小さいモーダル・フィールド径を有する請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の光ファイバ。
23. 前記ファイバは、前記コアの直径の２倍よりも大きいモーダル・フィールド径を有する請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の光ファイバ。
24. 請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の光ファイバを有する分散補償ファイバを備える通信システム。
25. 請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の光ファイバを備えるファイバ・チャープされたパルス増幅器。
26. 請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の光ファイバを備える非線形光デバイス。
27. 請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の光ファイバを備えるセンサ・システム。
28. 請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の光ファイバを備える光ファイバケーブル。