JP6306637B2 - Fiber that provides gain with increased cladding absorption while maintaining single mode operation - Google Patents

Fiber that provides gain with increased cladding absorption while maintaining single mode operation Download PDF

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関連出願の相互参照
本出願は、2012年8月29日に出願した「DOUBLE CLAD, GAIN PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLE MODE OPERATION」という名称の米国仮出願第61/694,709号からの優先権を主張するものである。それに加えて、本出願は、同じく「DOUBLE−CLAD, GAIN−PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLE−MODE OPERATION」という名称の出願番号_(T.F.Taunay 12)と同時に出願されたものである。
Cross-reference of related applications This application is a US Patent No. 69 from DOUBLE CLAD, GAIN PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILE MAINTINGING SINGLE MODE OPERATION No. 69, filed on August 29, 2012. It claims priority. In addition, this application is also filed with the application number _ (T.F.T.F.T.F.) Which was also named “DOUBLE-CLAD, GAIN-PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLE-MODE OPERATION”. is there.

本発明は、シングル信号モードまたは少数信号モードのいずれかをサポートする利得をもたらすファイバ(GPF)に関し、より詳細には、シングル信号モードの動作を維持したままポンプ光のクラッド吸収が増加するように設計されたGPFに関する。   The present invention relates to a fiber (GPF) that provides gain that supports either a single signal mode or a minority signal mode, and more particularly to increase the cladding absorption of pump light while maintaining single signal mode operation. It relates to the designed GPF.

ダブルクラッド・ファイバ(DCF)設計を有するシングルモードGPFは、優れたビーム品質を必要とする高出力光ファイバ・レーザーおよび増幅器に共通して使用されている。図7は周知のDCF 70を示しており、これは、コア領域70.1、コア領域を取り囲む内側クラッド領域70.3、および内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域70.4を備える。コア領域および内側クラッド領域によって形成された導波路は主として、シングルモード、すなわち、好ましくは基本(LP01)モードでの信号光の伝搬をサポートして導くように構成されている。 Single mode GPFs with double clad fiber (DCF) designs are commonly used in high power fiber optic lasers and amplifiers that require superior beam quality. FIG. 7 shows a known DCF 70, which comprises a core region 70.1, an inner cladding region 70.3 surrounding the core region, and an outer cladding region 70.4 surrounding the inner cladding region. The waveguide formed by the core region and the inner cladding region is mainly configured to support and guide the propagation of signal light in a single mode, that is, preferably a fundamental (LP 01 ) mode.

適切にポンピングされたとき利得をもたらすために、コア領域は、増幅される信号光または生成されるレーザー光の波長に依拠して、利得をもたらす種、通常は1つまたは複数の希土類元素(例えばEr、Yb、Tm、Nd、Ho)あるいは1つまたは複数の非希土類元素(例えばCr、Bi)でドープされる。あるいは、ガラス(例えばシリカ)ファイバのラマン効果を利用することによって利得が生成されてよい。   In order to provide gain when properly pumped, the core region relies on the wavelength of the signal light to be amplified or the laser light to be generated, depending on the species that provides the gain, usually one or more rare earth elements (e.g. Er, Yb, Tm, Nd, Ho) or one or more non-rare earth elements (eg Cr, Bi). Alternatively, gain may be generated by utilizing the Raman effect of glass (eg, silica) fiber.

内側クラッド領域を介して(通って)コア領域に結合される(放たれる)マルチモード・ポンプ光は、内側クラッド領域と外側クラッド領域の間の境界面70.5から反射され、ファイバ軸を下って伝搬するときポンプ光がコア領域を横切り、コア領域の中の特定のドーパント(すなわち利得をもたらす種)によって吸収される。このように、ポンプ光のエネルギーが、(主に)ファイバのコア領域を同時に下って伝搬している信号光を増幅する。   Multimode pump light that is coupled (emitted) to (through) the core region via the inner cladding region is reflected from the interface 70.5 between the inner and outer cladding regions and passes through the fiber axis. When propagating down, the pump light traverses the core region and is absorbed by a particular dopant (ie, a species that provides gain) in the core region. In this way, the energy of the pump light amplifies the signal light propagating (mainly) simultaneously down the core region of the fiber.

増幅プロセス(すなわちポンプ光から信号光へのエネルギー伝達)の効果は、次式で与えられる(ポンプ光の)クラッド吸収として知られているパラメータ(αclad)によって部分的に求められ、
αclad=α(A/Aclad) (1)
この式で、αは、利得をもたらす種でドープされたファイバの一部分(例えば図7のコア領域70.1であり、以下では利得領域と称する)におけるポンプ光の材料吸収であり、Aは利得領域の横方向断面積であり、Acladは、内側クラッド領域70.3の内部の全体の横方向断面積(例えば円形の断面を有する内側クラッド領域についてはπDic /4)である。また、材料吸収は次式で与えられ、
α=Nσ (2)
この式で、Nは利得領域の利得をもたらす種の体積濃度であり、σは、ポンプ光波長における利得領域マトリクス(例えば水晶またはガラス)のドーパントの吸収断面積である。
The effect of amplification process (i.e. energy transfer from the pump light to the signal light) is partly determined by given by parameter known as the (pumping light) cladding absorption (alpha clad),
α clad = α d (A d / A clad ) (1)
In this equation, α d is the material absorption of the pump light in a portion of the fiber doped with a species that provides gain (eg, core region 70.1 in FIG. 7, hereinafter referred to as gain region), and A d is a transverse cross-sectional area of the gain region, a clad is the (πD ic 2/4 for the inner cladding region having, for example circular cross-section) the entire lateral cross-sectional area of the inside of the inner cladding region 70.3 . The material absorption is given by
α d = N d σ d (2)
In this equation, N d is the volume concentration of the species that provides the gain in the gain region, and σ d is the absorption cross section of the dopant in the gain region matrix (eg, quartz or glass) at the pump light wavelength.

ポンプ光のクラッド吸収を増加する能力は有利であろう。光ファイバ・レーザーおよび増幅器では、所与の出力パワーに対して、ポンプ光吸収の増加は利得の増加を意味し、その結果として、より短い増幅器のファイバ長およびより短いレーザーの空胴共振器の長さで、所望の出力パワーを達成し得ることを意味する。また、ファイバ長がより短ければ、誘発ラマン散乱(SRS)などの非線形効果の発現が低減され、ファイバ・レーザー出力の安定性および長期信頼性の改善に有益であり得る。   The ability to increase the cladding absorption of pump light would be advantageous. For fiber optic lasers and amplifiers, for a given output power, increased pump light absorption means increased gain, resulting in shorter amplifier fiber length and shorter laser cavity resonators. The length means that the desired output power can be achieved. Also, shorter fiber lengths can reduce the occurrence of nonlinear effects such as stimulated Raman scattering (SRS), which can be beneficial in improving fiber laser output stability and long-term reliability.

式(1)および(2)は、ファイバの、コア領域70.1、より正確にはドープ領域Aの、利得をもたらす種の濃度Nを増加するだけでクラッド吸収を増加し得ることを示唆しているように思われるかも知れない。しかし、商業上重要な特定の希土類元素の種(特にYb)では、ポンプ光で誘起される光黒化により利得をもたらす種の濃度が制限され、それによって、濃度を増加するだけで達成することができるクラッド吸収は制限される。 Equation (1) and (2), of the fiber, the core region 70.1, doped region A d and more precisely, that it is possible to increase only the cladding absorbs increasing the seed concentration N d bring gain It may seem to suggest. However, for certain rare earth element species that are commercially important (especially Yb), the concentration of the species that provides gain by pump light-induced photodarkening is limited, thereby achieving only by increasing the concentration. The cladding absorption that can be done is limited.

クラッド吸収を増加するための代替手法は、例えばコア領域の直径を増大して、単に利得領域の面積を増加することであろう。しかし、コア領域の直径を増大しすぎると、ファイバの、シングル信号モードで動作し続ける能力に悪影響があり、すなわち、高次の信号モード(HOM)が伝搬し得るようになる。HOMの励起により、非常に有害で、ファイバ・レーザーまたは増幅器のアーキテクチャを損傷し得る出力不安定性が生じる可能性がある。コア領域のサイズに対するこの制約によっても、従来のDCFの達成可能なモード・フィールド径(MFD)が不適当に制限される。   An alternative approach to increase cladding absorption would be to simply increase the area of the gain region, for example by increasing the core region diameter. However, increasing the core region diameter too much adversely affects the ability of the fiber to continue operating in single signal mode, i.e., higher order signal modes (HOMs) can propagate. HOM excitation can cause output instabilities that can be very harmful and damage the fiber laser or amplifier architecture. This constraint on the size of the core region also improperly limits the achievable mode field diameter (MFD) of conventional DCF.

したがって、シングルモード動作を維持したまま、ファイバの利得領域の内部の利得をもたらす種の濃度を増す必要もなく、ダブルクラッドGPFのクラッド吸収の増加を達成する必要性がある。   Thus, there is a need to achieve an increase in cladding absorption of a double-clad GPF without having to increase the concentration of seeds that provide gain inside the gain region of the fiber while maintaining single mode operation.

約16〜20μmの規模のMFDをサポートすることができるダブルクラッドGPFに対する必要性もある。   There is also a need for a double clad GPF that can support MFDs on the order of about 16-20 μm.

一方、すべてのGPFがクラッド・ポンピングのDCFとは限らず、コア・ポンピングの設計などの代替機構によってポンピングするものもあり、これにも、シングルモード動作を維持したままクラッド吸収が増加するという本発明の原理を適用することからの利益がある。   On the other hand, not all GPFs are DCFs for cladding pumping, and some pumps are pumped by alternative mechanisms such as core pumping design, which also increases cladding absorption while maintaining single mode operation. There are benefits from applying the principles of the invention.

米国特許第5,864,644号US Pat. No. 5,864,644 米国特許第6,826,335号US Pat. No. 6,826,335 米国特許第7,916,386号US Pat. No. 7,916,386 米国特許第5,907,652号US Pat. No. 5,907,652 米国特許第5,937,134号US Pat. No. 5,937,134

P.A. Belanger、Optical Engineering、Vol.32、No.9、2107〜2109頁、(1993)P. A. Belanger, Optical Engineering, Vol. 32, no. 9, pp. 2107-2109, (1993) Specialty Optical Fibers Handbook、ed. Mendez and Moore、Ch. 7.2.3、「Rare Earth Fibers」、DiGiovanni et. al.、Academic Press (2007)Specialty Optical Fibers Handbook, ed. Mendez and Moore, Ch. 7.2.3, “Rare Earth Fibers”, DiGiovanni et. al. , Academic Press (2007)

本発明の一態様によれば、利得領域の利得をもたらす種の濃度を増加する必要なくクラッド吸収を増加させたGPFが提供される。この設計により、MFDおよびシングルモード動作を維持したままコア領域の直径を増加することが可能になる。シングルモード動作は、ファイバが、シングル信号モード(好ましくは基本モード)のみ、またはいくつかの信号モード(好ましくは、基本モードに高々約1次〜4次のHOMを加えたもの)をサポートすることを意味する。好ましくは、ファイバは基本モードのみで動作する。   In accordance with one aspect of the present invention, a GPF with increased cladding absorption is provided without the need to increase the concentration of species that provide gain in the gain region. This design allows the core region diameter to be increased while maintaining MFD and single mode operation. Single mode operation means that the fiber supports only a single signal mode (preferably a fundamental mode) or several signal modes (preferably a fundamental mode plus at most about 1st to 4th order HOMs). Means. Preferably, the fiber operates only in the fundamental mode.

したがって、本発明の一実施形態によれば、GPFは、前後軸を有するコア領域と、コア領域を取り囲むクラッド領域とを備える。コア領域およびクラッド領域は、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして、(主に)コア領域において軸の方向に導くように構成されている。増幅される信号光(または生成されるレーザー光)は、一般に約1000nm以上の波長を有する。クラッド領域は、コア領域を取り囲むトレンチ領域と、トレンチ領域を取り囲む内側クラッド領域と、内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域とを含む。いくつかの実施形態(例えばDCF)では、外側クラッド領域は、内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、内側クラッド領域は、外側クラッド領域の屈折率とコア領域の屈折率の間の屈折率を有し、トレンチ領域は、内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有する。少なくともコア領域は、適切なポンピング・エネルギーがファイバに印加されるとき、例えばマルチモード・ポンプ光が内側クラッド領域を介して(通って)コア領域に結合される(放たれる)とき、信号光に利得を与える、少なくとも1つの利得をもたらす種を含む。コア領域およびクラッド領域は、基本モードが主にコア領域において導かれて、その結果、トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差より小さくなるように構成される。この状態は、Ybでドープされたコア領域、Tmでドープされたコア領域、およびErでドープされたコア領域を有するいくつかの設計を利用する多数のGPF設計(特に、MFDに対するコア半径の比が約0.6未満のもの)に対して有効であることが判明している。   Therefore, according to one embodiment of the present invention, the GPF includes a core region having a longitudinal axis and a cladding region surrounding the core region. The core region and the cladding region are configured to support the propagation of the fundamental transverse mode signal light and lead (mainly) in the axial direction in the core region. The signal light to be amplified (or the generated laser light) generally has a wavelength of about 1000 nm or more. The cladding region includes a trench region that surrounds the core region, an inner cladding region that surrounds the trench region, and an outer cladding region that surrounds the inner cladding region. In some embodiments (eg, DCF), the outer cladding region has a refractive index that is lower than the refractive index of the inner cladding region, and the inner cladding region is between the refractive index of the outer cladding region and the refractive index of the core region. The trench region has a refractive index lower than that of the inner cladding region. At least the core region is signal light when appropriate pumping energy is applied to the fiber, for example when multimode pump light is coupled (emitted) to the core region through the inner cladding region. Including species that provide at least one gain. In the core region and the cladding region, the fundamental mode is mainly guided in the core region, and as a result, the absolute value of the difference in refractive index between the trench region and the inner cladding region is the refraction between the core region and the inner cladding region. It is configured to be smaller than the difference in rate. This state represents a large number of GPF designs that utilize several designs with Yb-doped core regions, Tm-doped core regions, and Er-doped core regions (particularly the ratio of core radius to MFD). Is less than about 0.6).

一方、Erでドープされたコア領域を利用する他のGPFの実施形態では、コア領域およびクラッド領域は、やはり、基本モードが主にコア領域において導かれるように構成され、その結果、トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差より大きくなる。これらの実施形態では、MFDに対するコア半径の比が、約0.6より大きい。   On the other hand, in other GPF embodiments utilizing an Er-doped core region, the core region and the cladding region are again configured such that the fundamental mode is primarily guided in the core region, resulting in the trench region and The absolute value of the refractive index difference between the inner cladding region is larger than the refractive index difference between the core region and the inner cladding region. In these embodiments, the ratio of core radius to MFD is greater than about 0.6.

本発明のいくつかの実施形態の計算は、(例えば約30%より大きく)クラッド吸収が増加したシングルモードのGPF設計を示す。この計算は、このようなGPF設計のいくつかの実施形態が、所与のクラッド吸収に対して、光黒化によって誘起される光損失を低下し得ることも示す。   Calculations of some embodiments of the present invention show single mode GPF designs with increased cladding absorption (eg, greater than about 30%). This calculation also shows that some embodiments of such GPF designs can reduce the optical loss induced by light blackening for a given cladding absorption.

それに加えて、他の計算は、このようなGPF設計のいくつかの実施形態が、屈曲損失の増加を伴うことなくシングルモードで動作し得ることを示す。   In addition, other calculations show that some embodiments of such GPF designs can operate in single mode without increasing bending losses.

本発明の別の態様によれば、利得をもたらすファイバのクラッド吸収を増加させる方法は、(a)コア領域と内側クラッド領域の間にトレンチ領域を形成するステップと、(b)コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、(i)トレンチ領域の屈折率が内側クラッド領域の屈折率より低く、(ii)トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値より小さくなるように構成するステップと、(c)コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、信号光の基本モードをサポートし、同モードを主にコア領域において導き、さらには、ポンプ光をコア領域に結合する(放つ)ことができるように構成するステップとを含む。   According to another aspect of the present invention, a method for increasing the cladding absorption of a fiber that provides gain includes: (a) forming a trench region between a core region and an inner cladding region; and (b) a core region, a trench. And (ii) the refractive index of the trench region is lower than the refractive index of the inner cladding region, and (ii) the absolute value of the refractive index difference between the trench region and the inner cladding region is (C) the core region, the trench region, and the inner cladding region are supported by the fundamental mode of signal light, and the mode is mainly configured to be smaller than the absolute value of the difference in refractive index between the cladding regions. Directing in the core region and further configured to couple (release) pump light into the core region.

本発明は、添付図面とともに解釈される以下のより詳細な説明から、本発明のさまざまな特徴および利点とともに容易に理解され得る。   The present invention can be readily understood along with various features and advantages of the present invention from the following more detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:

本発明の例示的実施形態によるダブルクラッドGPFの概略の横断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a double clad GPF according to an exemplary embodiment of the present invention. 図1のGPFの例示的屈折率プロファイルの概略図である。2 is a schematic diagram of an exemplary refractive index profile of the GPF of FIG. 従来設計によるステップ屈折率コア(SIC)ファイバの屈折率プロファイルのグラフ30、および本発明の例示的実施形態によるトレンチ領域を有するGPFの屈折率プロファイルのグラフ31を示す図である。(図3に示されたファイバは、どちらもダブルクラッドGPFであるが、説明を簡単にするために、外側クラッド領域は示されていない。)図3のグラフ32および33は、それぞれが、SICファイバおよびGPFに関する計算された基本モード出力も示している。図2と比較して、図3が示すのは第1象限および第4象限の屈折率プロファイルのみであるが、第2象限および第3象限の対応するプロファイルは、それぞれ第1象限および第4象限のプロファイルの鏡像であることが理解される。屈折率のくぼみ34は、ファイバを製作するのに用いられ得る特定のプロセスのアーチファクト、すなわち、それだけではないが、GeOまたはPなど、コア領域の共通ドーパントの部分的な蒸発に起因する燃切り効果であることに留意されたい。FIG. 4 shows a refractive index profile graph 30 of a step index core (SIC) fiber according to a conventional design, and a refractive index profile graph 31 of a GPF having a trench region according to an exemplary embodiment of the present invention. (The fiber shown in FIG. 3 is both a double-clad GPF, but the outer cladding region is not shown for ease of explanation.) Graphs 32 and 33 in FIG. Also shown is the calculated fundamental mode output for fiber and GPF. Compared to FIG. 2, FIG. 3 shows only the refractive index profiles of the first and fourth quadrants, but the corresponding profiles of the second and third quadrants are the first and fourth quadrants, respectively. It is understood that this is a mirror image of the profile. The index depression 34 is due to a particular process artifact that can be used to fabricate the fiber, ie, but not limited to, partial evaporation of common dopants in the core region, such as GeO 2 or P 2 O 5. Note that this is a fire-off effect. 光黒化、すなわち、600nmから1100nmの範囲のポンプ光波長において、ポンプ光の吸収によって誘起された光(信号)損失を示すグラフである。標準的なSICファイバ(図3の屈折率プロファイル30)に関する結果は曲線40で示されており、本発明のGPF(図3のプロファイル31)に関する結果は曲線41で示されている。It is a graph which shows the light (signal) loss induced by absorption of pump light in light blackening, ie, the pump light wavelength of the range of 600 nm to 1100 nm. The results for a standard SIC fiber (refractive index profile 30 in FIG. 3) are shown by curve 40 and the results for the GPF of the present invention (profile 31 in FIG. 3) are shown by curve 41. 本発明の例示的実施形態によるGPFを利用する例示的光ファイバ増幅器を示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram illustrating an exemplary fiber optic amplifier utilizing GPF according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 本発明の例示的実施形態によるGPFを利用する例示的クラッド・ポンプ光ファイバ・レーザーを示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram illustrating an exemplary clad pump optical fiber laser utilizing GPF according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 通常の(従来技術の)設計によるダブルクラッドGPFの概略の横断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a double clad GPF according to a normal (prior art) design.

前述のさまざまな図は、原寸に比例しないという点で概略的に示されており、かつ/または、図の簡単さおよび明瞭さのために、示された実際の光ファイバまたは製品の詳細のすべてを含んでいるわけではない。   The various figures described above are shown schematically in that they are not to scale, and / or for the sake of simplicity and clarity of illustration, all of the actual optical fiber or product details shown. Is not included.

用語集
ベンディング:マクロ・ベンディングは、一般には単にベンディングと称され、ファイバが、少なくともその長さの一部分に沿ってファイバの曲率が比較的一定であるように曲げられる、巻かれる、またはカールされるときに起こる。それと対照的に、マイクロ・ベンディングは、特定のファイバに対して、断熱長の範囲内のスケールで(例えば1ミリメートル程度またはより短いファイバ長さに沿って)曲率変化が著しいときに起こる。このようなマイクロ・ベンディングは、例えば、紙やすりにファイバを押しつけることによる標準的なマイクロ・ベンディング・テストで形成される。
Glossary Bending: Macro bending is generally referred to simply as bending, and the fiber is bent, wound or curled so that the curvature of the fiber is relatively constant along at least a portion of its length. Sometimes happens. In contrast, microbending occurs for a particular fiber when there is a significant curvature change on a scale within the adiabatic length range (eg, on the order of 1 millimeter or shorter fiber length). Such microbending is formed, for example, in a standard microbending test by pressing the fiber against sandpaper.

中心波長:本明細書の議論を通じて、波長への言及は、特定の発光の中心波長を意味するように意図されており、すべてのこのような放射は、中心波長の上と下に周知の波長範囲を含んでいる特性線幅を有することが理解される。   Center wavelength: Throughout the discussion herein, reference to a wavelength is intended to mean the center wavelength of a particular emission, and all such radiation has a well-known wavelength range above and below the center wavelength. It is understood that the characteristic line width is included.

ガラス繊維:本明細書で説明されるタイプの光ファイバは、典型的にはガラス(例えばシリカ)で製作されており、コア領域の屈折率およびクラッド領域の屈折率が、当技術分野で周知のように、1つまたは複数のドーパント(例えばP、Al、Ge、F、Cl)の量およびタイプ、またはファイバの製造中に組み込まれた中空の空隙によって制御される。これらの屈折率ならびにコア領域/クラッド領域の厚さ/直径により、当技術分野で周知のように、重要な動作パラメータが決定される。このようなガラス繊維はまた、適切にポンピングされたときに利得をもたらすために、1つまたは複数の利得をもたらす種(希土類元素の種(例えばEr、Yb、Tm、Dy、Hoなど)または非希土類元素(例えばBi、Cr))でドープされる。   Glass fiber: An optical fiber of the type described herein is typically made of glass (eg, silica) and the refractive index of the core region and the refractive index of the cladding region are well known in the art. As such, it is controlled by the amount and type of one or more dopants (eg, P, Al, Ge, F, Cl), or hollow voids incorporated during the manufacture of the fiber. These refractive indices as well as the thickness / diameter of the core / cladding region determine important operating parameters, as is well known in the art. Such glass fibers may also provide one or more gain species (rare earth species (eg, Er, Yb, Tm, Dy, Ho, etc.) or non-gain to provide gain when properly pumped. Doped with rare earth elements (eg Bi, Cr).

屈折率:屈折率(index and indices)という用語は、屈折率(refractive index and refractive indices)を意味するものとする。特定の領域(例えばクラッド領域)が微細構造(例えば、(例えば低屈折率のガス、液体もしくは固体で)満たされた孔または満たされていない孔(例えば気孔))を含んでいる設計では、このような領域の屈折率は、その領域の中で伝搬する光に見られる平均屈折率を意味するように意図されている。   Refractive index: The term refractive index and indices shall mean refractive index and refractive indices. In designs where certain regions (eg, cladding regions) include microstructures (eg, filled or unfilled pores (eg, low refractive index gas, liquid or solid) or unfilled pores (eg, pores)) The refractive index of such a region is intended to mean the average refractive index found in light propagating within that region.

屈折率プロファイル:図2〜図3の概略屈折率プロファイルは、光ファイバにおいて観測可能な屈折率の実際の微細な変化の平均を示す。それに加えて、屈折率プロファイルのさまざまな領域は長方形として示され得るが、このような領域の境界は、水平または垂直である必要はなく、1つまたは複数が傾斜していてもよく、例えば、領域は台形または三角形でもよい。   Refractive Index Profile: The approximate refractive index profile of FIGS. 2-3 shows the average of the actual fine changes in refractive index observable in an optical fiber. In addition, various regions of the refractive index profile may be shown as rectangular, but the boundaries of such regions need not be horizontal or vertical, and one or more may be inclined, for example, The region may be trapezoidal or triangular.

LMA:高出力用途では、大きなモード面積(LMA)のファイバは、約90λ以上の基本モードの有効面積を有するものと定義され、λは信号の波長である。例えば、1060nm(1.06μm)の波長では、大きなモード面積は約100μm以上の有効面積で構成され、1550nm(1.55μm)の波長では、大きなモード面積は216μm以上の有効面積で構成される。 LMA: In high power applications, the fibers of large mode area (LMA), is defined as having an effective area of about 90Ramuda 2 or more fundamental mode, lambda is the wavelength of the signal. For example, at a wavelength of 1060 nm (1.06 μm), the large mode area is composed of an effective area of about 100 μm 2 or more, and at a wavelength of 1550 nm (1.55 μm), the large mode area is composed of an effective area of 216 μm 2 or more. The

:LMAファイバの光学的特性は、その横方向の屈折率プロファイルの詳細に対して高感度である。一般通念によれば、望ましいLMAファイバは、Mがほとんど1.0の基本モードを有し、これは、コア領域の内部の横方向の屈折率プロファイルが基本的に均一である、すなわち、屈折率プロファイルが、コア領域の横断面の内部で基本的に均一であるという仮定の下で、基本的横モードの光場が、ほとんどガウス形状であることを意味する。Mによって、モード・フィールドと真のガウス関数の間の類似性が評価される。より具体的には、ガウス形状を有するモードではM=1.0であり、他のすべてのモード・フィールド形状ではM>1.0である。 The optical properties of the M 2 : LMA fiber are sensitive to details of its lateral refractive index profile. According to common wisdom, a desirable LMA fiber has a fundamental mode with an M 2 of almost 1.0, which means that the transverse index profile inside the core region is essentially uniform, ie, refractive Under the assumption that the rate profile is essentially uniform inside the cross section of the core region, it means that the light field of the fundamental transverse mode is almost Gaussian. M 2 evaluates the similarity between the mode field and the true Gaussian function. More specifically, M 2 = 1.0 for modes with a Gaussian shape and M 2 > 1.0 for all other mode field shapes.

は、参照によって本明細書に組み込まれている、P.A. Belanger、Optical Engineering、Vol.32、No.9、2107〜2109頁、(1993)で説明されているように、ファイバの基本的横モードの理想的なガウス関数に対する類似性を定義するものである。(この論文はステップ形光ファイバのLP01基本モードに関するMを定義しているが、この定義は、本明細書で説明されるすべての光ファイバに対して有効である。)理論上、Mは、任意の大きさでよいが、実際には、GPFに関するMは、典型的にはほぼ1<M<10の範囲内にある。そのうえ、例えばMが約1.06であると、約1.0のMという意味では一般的に小さいと見なされるが、例えばMが約1.3であると、M>>1.0という意味では大きいと見なされる。 M 2 is P.M., which is incorporated herein by reference. A. Belanger, Optical Engineering, Vol. 32, no. 9, pages 2107 to 2109, (1993), which defines the similarity of the fundamental transverse mode of the fiber to an ideal Gaussian function. (This paper defines M 2 for the LP 01 fundamental mode of stepped optical fibers, but this definition is valid for all optical fibers described herein.) In theory, M 2 can be of any size, but in practice, M 2 for GPF is typically in the range of approximately 1 <M 2 <10. Moreover, for example, M 2 of about 1.06 is generally considered small in the sense of M 2 of about 1.0, but for example M 2 of about 1.3, M 2 >> 1 It is considered large in the sense of .0.

が1.0にとても近ければ、ファイバから出現するビームが、回折限界点に、効率的に視準され得るか、または厳密に合焦され得る。 If M 2 is very close to 1.0, the beam emerging from the fiber can be efficiently collimated to the diffraction limit point or can be strictly focused.

したがって、Mは、ビーム品質と一般的に称されるものの周知の測度である。 M 2 is therefore a well-known measure of what is commonly referred to as beam quality.

モード:(1つまたは複数の)モードという用語は、電磁波(例えば、光増幅器の場合には増幅される信号光を含んでいる信号光、またはレーザーの場合には刺激発光を含んでいる信号光)の(1つまたは複数の)横モードを意味するものとする。   Mode: The term mode (s) refers to an electromagnetic wave (eg, signal light that includes signal light that is amplified in the case of an optical amplifier, or signal light that includes stimulated emission in the case of a laser. ) Transverse mode (s).

モード・サイズ:光モードのサイズは、次式で与えられる光モードの有効面積Aeffによって特徴付けられ、 Mode size: The size of the light mode is characterized by the effective area A eff of the light mode given by:

Figure 0006306637
この式で、Eはモードの電界の横方向の空間的包絡線であり、積分はファイバの横方向の断面積にわたって遂行されるものと理解される。モード・フィールドの形状が軸対称(すなわち、ファイバの回転の前後軸のまわりで対称)のガウス関数に近いとき、モード・フィールドの直径(MFD)は、モードの直径の適切なメトリックであり、次式で表されてよく
Figure 0006306637
In this equation, E is understood to be the lateral spatial envelope of the mode electric field, and the integration is performed over the transverse cross-sectional area of the fiber. When the mode field shape is close to an axisymmetric (ie, symmetric about the longitudinal axis of fiber rotation) Gaussian function, the mode field diameter (MFD) is an appropriate metric for the mode diameter, and May be represented by a formula

Figure 0006306637
この式で、rは動径座標である。モード・フィールドの形状が、線対称のガウス関数に正確に等しければ、Aeff=π×MFD/4となる。
Figure 0006306637
In this equation, r is a radial coordinate. The shape of the mode field, if exactly equal to Gaussian axisymmetric, the A eff = π × MFD 2/ 4.

光黒化:光黒化は、光ファイバにおける色中心の吸収の可逆生成である。例えば、Ybで高度にドープされたファイバが強いポンプ放射に晒されると、時間が経つにつれて信号が劣化する。この光黒化は、たいていはガラスにおける色中心の形成によるものであり、975nmのあたりの強い吸収を伴って、可視波長における強い吸収として現れる。Specialty Optical Fibers Handbook、ed. Mendez and Moore、Ch. 7.2.3、「Rare Earth Fibers」、DiGiovanni et. al.、Academic Press (2007)が、参照によって本明細書に組み込まれる。   Light blackening: Light blackening is the reversible generation of color center absorption in an optical fiber. For example, when a Yb highly doped fiber is exposed to strong pump radiation, the signal degrades over time. This photodarkening is usually due to the formation of color centers in the glass and appears as strong absorption at visible wavelengths with strong absorption around 975 nm. Specialty Optical Fibers Handbook, ed. Mendez and Moore, Ch. 7.2.3, “Rare Earth Fibers”, DiGiovanni et. al. , Academic Press (2007), incorporated herein by reference.

半径/直径:前述の議論(および以下の議論)における半径という用語および直径という用語の使用は、さまざまな領域(例えばコア、トレンチ、クラッド)の横断面が円形および/または環状であることを意味するが、実際にはこれらの領域は非円形でもよく、例えば、長方形、楕円、多角形、不規則な形状、または他のより複雑な形状でもよい。それにもかかわらず、当技術分野では一般的に、半径および/または直径という用語が、簡単さおよび明瞭さのために用いられる。   Radius / Diameter: The use of the term radius and the term diameter in the previous discussion (and the discussion below) means that the cross-sections of the various regions (eg, core, trench, cladding) are circular and / or annular. In practice, however, these regions may be non-circular, for example, rectangular, elliptical, polygonal, irregular, or other more complex shapes. Nevertheless, generally in the art, the terms radius and / or diameter are used for simplicity and clarity.

信号伝搬:信号光は、ファイバに沿って伝搬するとき、実際には前後軸に交差することがあるが、当技術分野では、全般的な伝搬の方向が前後軸(例えば図1の軸10.5)に沿っていると適正に述べられることは十分に理解される。   Signal propagation: When signal light propagates along a fiber, it may actually intersect the longitudinal axis, but in the art, the general propagation direction is the longitudinal axis (eg, axis 10. It is fully understood that it is properly stated to be in line with 5).

シングルモード:シングル横モードの光伝搬への言及は、本質的にはまたは事実上シングルモードである伝搬を含むように意図されており、すなわち、実質的な意味では、他のすべてのモードの完全な抑制が必ずしも可能でないことがある。しかし、シングルモードは、他のこのようなモードの強度が、意図された用途にとっては低い、または取るに足りないものであることを意味する。したがって、シングルモード・ファイバという用語は、たった1つのモード(好ましくは基本モード)またはいくつかのモード(すなわち基本モードおよび高々約1次〜4次の高次モード(HOM))で動作するファイバを意味する。   Single Mode: Reference to single transverse mode light propagation is intended to include propagation that is essentially or effectively single mode, ie, in a substantial sense, complete of all other modes. Suppression may not always be possible. However, single mode means that the intensity of other such modes is low or insignificant for the intended application. Thus, the term single mode fiber refers to a fiber that operates in only one mode (preferably the fundamental mode) or several modes (ie, the fundamental mode and at most about the first to fourth order higher order modes (HOM)). means.

抑制されたHOM:HOMを抑制しなければならない度合いは、特定の用途に依拠する。多くの用途では、全体的または完全な抑制が必要とされることはなく、これは、比較的低い強度のHOMの継続的な存在が許容され得ること意味する。多くの例では、基本モードの減衰と比較して、HOMの高度の減衰がもたらされれば十分であり得る。この抑制を、相対的抑制または選択的抑制と称する。いずれにしても、HOMを抑制すると、例えばビーム品質が改善され、総計の挿入損が減少し、信号モードの雑音が減少し、マイクロベンド損失が減少することにより、システム性能が改善される。   Suppressed HOM: The degree to which the HOM must be controlled depends on the particular application. In many applications, no total or complete suppression is required, which means that the continued presence of relatively low strength HOMs can be tolerated. In many instances, it may be sufficient to provide a high degree of HOM attenuation compared to fundamental mode attenuation. This suppression is referred to as relative suppression or selective suppression. In any case, suppressing HOM improves system performance by improving, for example, beam quality, reducing total insertion loss, reducing signal mode noise, and reducing microbend loss.

横断面:横断面という句は、ファイバの前後軸に対して垂直な面におけるファイバの断面を意味する。   Cross section: The phrase cross section refers to the cross section of the fiber in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the fiber.

非ドープ:非ドープまた意図的でないドープという用語は、ファイバの領域またはこのような領域を形成するために使用される開始チューブには、製造中に、この領域に意図せず付加された、または制御されていないドーパントが含まれることを意味するが、この用語は、製造プロセス中に本質的に組み込まれる可能性がある低レベルのバックグラウンド・ドープを除外するものではない。   Undoped: The term undoped or unintentionally doped is unintentionally added to the region of the fiber or the starting tube used to form such a region during manufacture, or Although meant to include uncontrolled dopants, the term does not exclude low levels of background doping that may inherently be incorporated during the manufacturing process.

利得をもたらすファイバ設計
本発明の実施形態は、利得をもたらす種/ドーパントの濃度を増加する必要なくクラッド吸収を増加させた、利得をもたらすファイバ(GPF)設計を示す。具体的には、このファイバ設計は、コア径の増大を可能にするトレンチ領域を含み、これによって、式(1)で示されるように、結果的にクラッド吸収が増加する。すなわち、αclad=α(A/Aclad)である。シングルモード動作については、心線対照Δncoreは約8×10−3未満にするべきである。(Δncore>8×10−3は、シングルモード動作を保つために、対応してコア領域の直径をより小さくすることを意味し、したがってクラッド吸収も低下することに留意されたい。)
Gain-Producing Fiber Design Embodiments of the present invention show a gain-providing fiber (GPF) design with increased cladding absorption without the need to increase the species / dopant concentration that provides gain. Specifically, this fiber design includes a trench region that allows for an increase in core diameter, which results in increased cladding absorption, as shown in equation (1). That is, α clad = α d (A d / A clad ). For single mode operation, the core control Δn core should be less than about 8 × 10 −3 . (Note that Δn core > 8 × 10 −3 means a correspondingly smaller core region diameter in order to maintain single mode operation and therefore also reduce cladding absorption.)

それと対照的に、一般通念では、約1080nmの動作波長では、(遮断波長が約1030nmのLP11を実現するために)Δncoreが約2.0×10−3〜2.2×10−3でMFD≒11μmのLMAファイバを使用する。しかし、本発明の範囲は、いくつかの実施形態では16〜18μm、また他の実施形態では20μmと、大きなMFDを有する利得をもたらすLMAファイバばかりでなく、例えば6μmといったより小さなMFDを有するファイバも包含する。次に図面に移って、図1は、本発明の例示的実施形態によるダブルクラッドGPF 10を示す。GPF 10は、前後軸10.5を有するコア領域10.1、およびコア領域10.1を取り囲む領域10.2、10.3、および10.4を備えるクラッド領域を備える。コア領域およびクラッド領域は、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして、主にコア領域において軸10.5の方向に導くように構成されている。それに加えて、クラッド領域は、マルチモード・ポンプ光の伝搬をサポートして導くように構成されている。 In contrast, as a general rule, at an operating wavelength of about 1080 nm, Δn core is about 2.0 × 10 −3 to 2.2 × 10 −3 (to achieve LP 11 with a cutoff wavelength of about 1030 nm). And LMA fiber with MFD≈11 μm is used. However, the scope of the present invention is not only LMA fibers that provide a gain with a large MFD, in some embodiments 16-18 μm and in other embodiments 20 μm, but also fibers with a smaller MFD, for example 6 μm. Include. Turning now to the drawings, FIG. 1 shows a double clad GPF 10 according to an exemplary embodiment of the present invention. GPF 10 includes a core region 10.1 having a longitudinal axis 10.5 and a cladding region comprising regions 10.2, 10.3, and 10.4 surrounding core region 10.1. The core region and the cladding region are configured to support the propagation of basic transverse mode signal light and to guide mainly in the direction of the axis 10.5 in the core region. In addition, the cladding region is configured to support and guide the propagation of multimode pump light.

クラッド領域は、コア領域10.1を取り囲むトレンチ領域10.2と、トレンチ領域10.2を取り囲む内側クラッド領域10.3と、内側クラッド領域10.3を取り囲む外側クラッド領域10.4とを含む。   The cladding region includes a trench region 10.2 surrounding the core region 10.1, an inner cladding region 10.3 surrounding the trench region 10.2, and an outer cladding region 10.4 surrounding the inner cladding region 10.3. .

内側クラッド領域10.3の外部周囲10.6は、図を簡単にするだけのために円形として示されている。実際には、この境界は、ポンプ光のヘリカル・モードの形成を抑止し、すべてのポンプ・モードのコア領域に対するオーバーラップを増加するために一般的には非円形であることが周知である。   The outer perimeter 10.6 of the inner cladding region 10.3 is shown as a circle for simplicity of illustration only. In practice, it is well known that this boundary is generally non-circular in order to prevent the formation of a helical mode of pump light and increase the overlap to the core region of all pump modes.

図2に示されるように、さまざまな屈折率差Δnは内側クラッド領域10.3の屈折率Δnicに対して定義され、したがって、内側クラッド領域10.3の屈折率はゼロとラベル表示されている。したがって、外側クラッド領域10.4は内側クラッド領域10.3の屈折率より低い屈折率Δnocを有し、内側クラッド領域10.3は、外側クラッド領域10.4の屈折率とコア領域10.1の屈折率(Δncore)の間の屈折率を有し、トレンチ領域10.2は内側クラッド領域10.3の屈折率より低い屈折率Δntrを有する。(コア・ポンピングの設計を利用するいくつかの実施形態では、屈折率プロファイル(図示せず)は、典型的には、Δnic<ΔncoreおよびΔntr<Δnicを示すことになる。) As shown in FIG. 2, the various refractive index difference [Delta] n is defined for the refractive index [Delta] n ics of the inner cladding region 10.3, therefore, the refractive index of the inner cladding region 10.3 is zero and labeling Yes. Accordingly, the outer cladding region 10.4 has a refractive index Δn oc lower than the refractive index of the inner cladding region 10.3, and the inner cladding region 10.3 has a refractive index of the outer cladding region 10.4 and the core region 10. has a refractive index between the first refractive index (Δn core), the trench region 10.2 has a lower refractive index [Delta] n tr than the refractive index of the inner cladding region 10.3. (In some embodiments utilizing a core pumping design, the refractive index profile (not shown) will typically exhibit Δn ic <Δn core and Δn tr <Δn ic ).

少なくともコア領域10.1は、適切なポンピング・エネルギーがファイバに印加されたとき、すなわち、内側クラッド領域10.3を介して(通って)コア領域10.1に結合されたとき、信号光に利得をもたらす、少なくとも1つの、利得をもたらす種を含む。ポンプ光は、コア領域を縦横に横切って(利得をもたらす種によって吸収されながら)、内側クラッドの内部をマルチモードの様式で伝搬する。利得をもたらす種の選択は、増幅される信号光の波長または生成されるレーザー光の波長に依拠する。このタイプのGPFは、約1000nm以上の信号波長(例えば、Ybについては約1000nm、Erについては約1600nm、またTmについては約1900nm)において利得をもたらすことができる。あるいは、周知のラマン増幅効果を示すファイバを使用することによって利得が生成されてよい。   At least the core region 10.1 is in the signal light when appropriate pumping energy is applied to the fiber, ie when coupled to the core region 10.1 through the inner cladding region 10.3. Includes at least one species that provides gain, which provides gain. The pump light propagates in a multimode manner across the core region (absorbed by the species providing the gain) inside the inner cladding. The choice of species that provides the gain depends on the wavelength of the signal light to be amplified or the wavelength of the laser light that is generated. This type of GPF can provide gain at signal wavelengths above about 1000 nm (eg, about 1000 nm for Yb, about 1600 nm for Er, and about 1900 nm for Tm). Alternatively, gain may be generated by using a fiber that exhibits the well-known Raman amplification effect.

ポンプ光は、光ファイバ技術で周知のさまざまな技法/デバイスを使用してファイバ10に結合されて(放たれて)よい。典型的には、これらの技法は、ポンプ光を、内側クラッド領域10.3およびトレンチ領域10.2を介して(通って)コア領域10.1に結合する。実例として、テーパ形ファイバ・バンドル(TFB)カプラが使用されてもよい。TFBカプラは、典型的には、参照によって本明細書に組み込まれているDiGiovanniおよびStentzの米国特許第5,864,644号(1999年)で説明されたタイプのものである。あるいは、ポンプ・ファイバとGPFが、互いに接触して、GPFの全長に沿って配置されるエバネセントカプラが使用されてもよい。やはり参照によって本明細書に組み込まれているGrudininらの米国特許第6,826,335号(2004年)で説明されているように、ポンプ・ファイバとGPFは、互いに平行に配置されてもよく、互いに撚り合わせられてもよい。一方、GPFもコア・ポンピングされてよい。実例として、コア・ポンピングの設計では、GPFのコアに高輝度ポンプ源が結合されて、増幅される信号光を共伝搬する(または逆伝搬する)。このやり方でポンピングされるGPFにも、シングルモード動作を維持したままクラッド吸収が増加するという本発明の原理を適用することからの利益がある。このようなコア・ポンピングの機構の1つが、参照によって本明細書に組み込まれているDiGiovanniおよびHeadleyの米国特許第7,916,386号で説明されている。   The pump light may be coupled (released) to the fiber 10 using various techniques / devices well known in the fiber optic art. Typically, these techniques couple the pump light to the core region 10.1 through (through) the inner cladding region 10.3 and the trench region 10.2. Illustratively, a tapered fiber bundle (TFB) coupler may be used. TFB couplers are typically of the type described in DiGiovanni and Stentz, US Pat. No. 5,864,644 (1999), which is incorporated herein by reference. Alternatively, an evanescent coupler may be used in which the pump fiber and the GPF are in contact with each other and are disposed along the entire length of the GPF. As described in Grudinin et al. US Pat. No. 6,826,335 (2004), which is also incorporated herein by reference, the pump fiber and GPF may be arranged parallel to each other. , May be twisted together. On the other hand, the GPF may also be core pumped. Illustratively, in a core pumping design, a high intensity pump source is coupled to the GPF core to co-propagate (or back-propagate) the amplified signal light. GPFs pumped in this manner also benefit from applying the principles of the present invention that cladding absorption increases while maintaining single mode operation. One such core pumping mechanism is described in US Pat. No. 7,916,386 to DiGiovanni and Headley, which is incorporated herein by reference.

コア領域10.1およびクラッド領域10.2、10.3、10.4は、基本モードが主にコア領域において導かれるように構成される(すなわち、基本モードのすそがコア領域の外部へ延びトレンチ領域10.2内に及ぶ)。この目的のために、特にトレンチ領域10.2を含む本発明のファイバ設計により、多数のHOMを導入することなくコア領域の直径が増大され得る。上記で定義されたように、本発明の設計は、基本モードおよび高々約1次〜4次のHOMをサポートする限りは、シングルモード動作を達成すると考えられる。   The core region 10.1 and the cladding regions 10.2, 10.3, 10.4 are configured such that the fundamental mode is guided primarily in the core region (ie, the bottom of the fundamental mode extends outside the core region). Spans the trench region 10.2). For this purpose, the diameter of the core region can be increased without introducing a large number of HOMs, especially with the fiber design of the present invention including the trench region 10.2. As defined above, the design of the present invention is believed to achieve single mode operation as long as it supports fundamental mode and at most about first to fourth order HOMs.

以下でより詳細に論じられるように、本発明のいくつかの実施形態の計算により、本発明のGPF設計は、(例えば約30%より大きく)増加したクラッド吸収率を有することが示される。このようなGPF設計のいくつかの実施形態は、光黒化によって誘起される光損失がより小さいことも計算によって示される。   As discussed in more detail below, calculations of some embodiments of the present invention show that the GPF design of the present invention has an increased cladding absorption (eg, greater than about 30%). Calculations also show that some embodiments of such GPF designs have less optical loss induced by photodarkening.

実例として、GPF 10はシリカで製作され、コア領域10.1は、利得をもたらす種として、Ybでドープされ、かつ、例えばGe、AlおよびPも共にドープされている。トレンチ領域10.2は、例えばFなどの屈折率を低下させる種、またはトレンチ領域の屈折率をコア領域の屈折率より低下させる任意のドーパントもしくはドーパントの組合せでドープされる。内側クラッド領域10.3は非ドープでよく、外側クラッド領域10.4は、典型的には、低屈折率ポリマー、ダウンドープされたシリカ、または参照によって本明細書に組み込まれているDiGiovanniおよびWindelerの米国特許第5,907,652号(1999年)で説明されているタイプのエア・クラッド構造から成る群から選択される。   Illustratively, GPF 10 is made of silica, core region 10.1 is doped with Yb as a species that provides gain, and is also doped with, for example, Ge, Al and P together. The trench region 10.2 is doped with a species that lowers the refractive index, such as F, or any dopant or combination of dopants that lowers the refractive index of the trench region below that of the core region. The inner cladding region 10.3 may be undoped, and the outer cladding region 10.4 typically includes a low refractive index polymer, down-doped silica, or DiGiovanni and Windeler, which is incorporated herein by reference. US Pat. No. 5,907,652 (1999), selected from the group consisting of air cladding structures of the type described.

外側クラッド領域10.4は、実例として少なくとも0.22のNAを有する。   The outer cladding region 10.4 illustratively has an NA of at least 0.22.

あるいは、内側クラッド領域は、AlまたはGeなどの屈折率を上昇させるドーパントでドープされてよく、この場合、コア領域10.1およびトレンチ領域10.2の屈折率は、内側クラッド領域10.3に対する屈折率の差を同様に維持したまま上昇することになる。同様に、内側クラッドは、FまたはBなどの屈折率を低下させるドーパントで、他の屈折率の相応した変化を伴ってダウンドープされ得る。   Alternatively, the inner cladding region may be doped with a dopant that increases the refractive index, such as Al or Ge, where the refractive index of the core region 10.1 and the trench region 10.2 is relative to the inner cladding region 10.3. It rises while maintaining the difference in refractive index in the same manner. Similarly, the inner cladding can be down-doped with a corresponding change in the refractive index with a dopant that lowers the refractive index, such as F or B.

代替のGPF設計
図2に示された代替実施形態では、斜線部分は、利得をもたらす種が、信号光の基本モードの大部分のエネルギーが閉じ込められるコア領域10.1にのみ配置されていることを示す。ただし、このモードのすそはトレンチ領域10.2に及ぶ。しかし、トレンチ領域は利得をもたらす種を含まないので、このすそが増幅されず、それによって、GPFが組み込まれる増幅器またはレーザーの効率が低下する。(このような非効率の発現の1つは、増幅自然放出光(ASE)の生成である。)この影響を緩和するために、コア領域10.1に隣接するトレンチ領域10.2の部分(すなわち、すそが及ぶ部分)も、利得をもたらす種でドープされてよい。
Alternative GPF Design In the alternative embodiment shown in FIG. 2, the shaded portion is such that the species providing the gain is located only in the core region 10.1 where most of the fundamental mode energy of the signal light is confined. Indicates. However, the bottom of this mode extends to the trench region 10.2. However, since the trench region contains no species that provides gain, this tail is not amplified, thereby reducing the efficiency of the amplifier or laser in which the GPF is incorporated. (One such inefficiency is the generation of amplified spontaneous emission (ASE).) To mitigate this effect, the portion of trench region 10.2 adjacent to core region 10.1 ( That is, the skirted portion) may also be doped with seeds that provide gain.

クラッド吸収を増加させる方法
図1および図2の光ファイバ設計の前述の説明から、本発明の別の態様は、シングルモード動作を維持したままダブルクラッドGPFのクラッド吸収を増加する方法であることが明らかであり、この方法は、(a)トレンチ領域のない相当するダブルクラッドGPFのコア径(Dcore)より大きなコア径を有するコア領域10.1を形成するステップと、(b)コア領域10.1と内側クラッド領域10.3の間にトレンチ領域10.2を形成するステップと、(c)コア領域10.1、トレンチ領域10.2、および内側クラッド領域10.3を、(i)トレンチ領域の屈折率が内側クラッド領域10.3の屈折率より低く、また、(ii)絶対値で、トレンチ領域10.2の屈折率と内側クラッド領域10.3の屈折率の間の差Δntrが、コア領域10.1の屈折率と内側クラッド領域10.3の屈折率の間の差Δncoreより小さくなるように構成するステップと、(d)信号光の基本モードが、主にコア領域10.1においてサポートされ導かれることが可能で、また、ポンプ光がコア領域10.1に結合され得るように、コア領域10.1、トレンチ領域10.2、および内側クラッド領域10.3を構成するステップとを含む。
Method of Increasing Clad Absorption From the foregoing description of the optical fiber design of FIGS. 1 and 2, another aspect of the invention is that it is a method of increasing the clad absorption of a double clad GPF while maintaining single mode operation. Obviously, this method comprises the steps of (a) forming a core region 10.1 having a core diameter greater than the core diameter (D core ) of the corresponding double clad GPF without the trench region; .1 and the inner cladding region 10.3, forming a trench region 10.2; (c) a core region 10.1, a trench region 10.2, and an inner cladding region 10.3; (i) The refractive index of the trench region is lower than the refractive index of the inner cladding region 10.3, and (ii) the absolute value of the refractive index of the trench region 10.2 and the inner cladding region. The difference [Delta] n tr between the refractive index of 10.3, and a step of configuring to be smaller than a difference [Delta] n core between the refractive index and the refractive index of the inner cladding region 10.3 of the core region 10.1, (d ) Core region 10.1, trench region so that the fundamental mode of signal light can be supported and guided mainly in core region 10.1 and pump light can be coupled to core region 10.1. 10.2 and configuring inner cladding region 10.3.

計算されたGPF設計
提供された本発明の実施形態の実例が、図1〜図3に示されたタイプのダブルクラッドGPFの設計を説明する。この特定の実施形態に関する性能および設計の計算は、コア領域が、利得をもたらす種Ybでドープされ、かつGe、AlおよびPも共にドープされ、トレンチ領域10.2はFでダウンドープされ、内側クラッド領域は非ドープであると想定する。しかし、これらの計算は、外側クラッド領域が内側クラッド領域より低い屈折率を有する限り、外側クラッド領域10.4を形成するのに用いられる材料には左右されない。
Calculated GPF Design An example of an embodiment of the invention provided describes the design of a double clad GPF of the type shown in FIGS. The performance and design calculations for this particular embodiment show that the core region is doped with seed Yb that provides gain, and Ge, Al, and P are also doped together, the trench region 10.2 is down-doped with F, and the inner Assume that the cladding region is undoped. However, these calculations are independent of the material used to form the outer cladding region 10.4 as long as the outer cladding region has a lower refractive index than the inner cladding region.

さまざまな材料、寸法および動作条件は、具体例としてのみ提供されるものであり、別様に明白に述べられた場合を除けば、本発明の範囲を制限するようには意図されていない。   Various materials, dimensions and operating conditions are provided as examples only and are not intended to limit the scope of the invention, except where explicitly stated otherwise.

より具体的には、本発明のダブルクラッドGPF 10のこの実例の屈折率プロファイルは、図3の曲線31で示され、図3の曲線30で示される標準的なダブルクラッドGPFの屈折率プロファイルと並置されている。所与の波長(例えば1080nm)において、本発明のGPF設計が、所与のMFDに対して、トレンチ領域を含むことにより、標準的なダブルクラッドGPFと比較してコア径を増加することができる様子の一例が、次の表Iに示されている。   More specifically, the refractive index profile of this example of the double clad GPF 10 of the present invention is shown by curve 31 in FIG. 3 and the refractive index profile of a standard double clad GPF shown by curve 30 in FIG. It is juxtaposed. At a given wavelength (eg 1080 nm), the GPF design of the present invention can increase the core diameter compared to a standard double clad GPF by including a trench region for a given MFD. An example of this is shown in Table I below.

Figure 0006306637
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コア領域およびトレンチ領域の屈折率差異は、定義上、内側クラッド領域の屈折率に対するものである。どちらの場合も、コア領域は、全体の屈折率差異の少なくとも65%はYbによって与えられるように、Ybでドープされ、かつGe、Al、Pの酸化物およびシリコンのフッ化物も共にドープされていると想定されており、例えばYb(1〜2モル%)、GeO(<0.5モル%)、AI(3.5モル%)、およびP(<0.5モル%)およびSiF(1モル%)であった。どちらの場合も、内側クラッド領域は非ドープであると想定された。本発明のGPFの場合は、トレンチ領域はFでダウンドープされていると想定された。しかし、ファイバ断面の全域で屈折率差が前述のように構成されている限り、ドーパント(Ge、Al、P、F、B)のいかなる組合せも適切であり得る。 The refractive index difference between the core region and the trench region is by definition relative to the refractive index of the inner cladding region. In both cases, the core region is doped with Yb so that at least 65% of the total refractive index difference is provided by Yb, and is also doped with Ge, Al, P oxide and silicon fluoride. For example, Yb (1-2 mol%), GeO 2 (<0.5 mol%), AI 2 O 3 (3.5 mol%), and P 2 O 5 (<0.5 Mol%) and SiF 4 (1 mol%). In both cases, the inner cladding region was assumed to be undoped. In the case of the GPF of the present invention, it was assumed that the trench region was down-doped with F. However, any combination of dopants (Ge, Al, P, F, B) may be appropriate as long as the refractive index difference is configured as described above across the fiber cross section.

上記の標準的なGPFおよび本発明のGPFは、同一のコアNA(0.08)、(約915nmの波長において)ポンプ光の同一の材料吸収、および約1030nmの波長において同一のHOM(LP11)遮断を有していた。 The standard GPF described above and the GPF of the present invention have the same core NA (0.08), the same material absorption of the pump light (at a wavelength of about 915 nm), and the same HOM (LP 11 at a wavelength of about 1030 nm). ) Had a shut-off.

本発明のGPFは、標準的なDCFと比較して、多くの優れた光学的特性を有し、すなわち、いくつかの実施形態は、より低い割合の光黒化を示し(すなわち、標準的なDCFと本発明のDCFにおいてクラッド吸収が同一であれば、トレンチ領域が可能にする、より大きなDcoreによって、より低い材料吸収が可能になり、結果としてより低い光黒化がもたらされ)、他の実施形態は、増加したクラッド吸収を示す(すなわち標準的なDCFと本発明のDCFにおいて材料吸収が同一であれば、トレンチ領域が可能にする、より大きなDcoreによって、より低い光黒化ではなく、より高いクラッド吸収がもたらされる)ことが、計算によって示されている。したがって、本発明のGPF設計のいくつかの実施形態は、所与のクラッド吸収に対して、所与のαcladを達成するのに必要とされる、このような利得をもたらす種の体積濃度Nが低下するので、いくつかの利得をもたらす種(例えばYb)で観測される光黒化のレベルを低下させることができる。光黒化の割合がより低ければ、効率および出力が向上し、クラッド・ポンピングのファイバ・レーザー(例えば図6)の場合には、このポンプ・レーザーに対して、より大きな寿命末期の余裕を伴う信頼性の向上をもたらす。600nmから1100nmに及ぶ波長領域にわたって、光黒化によって誘起される光損失の詳細が図4に示されている。曲線40は、標準的なGPF(図3の曲線30で示された屈折率プロファイル)に関する光黒化で誘起された損失を示し、曲線41は、本発明のGPF(図3の曲線31によって示された屈折率プロファイル)に関して、すべての波長において、対応するより低い損失を示す。 The GPF of the present invention has many superior optical properties compared to standard DCF, i.e., some embodiments exhibit a lower percentage of photodarkening (i.e., standard If the cladding absorption is the same in the DCF and the DCF of the present invention, the larger D core that the trench region allows allows for lower material absorption resulting in lower light blackening) Other embodiments exhibit increased cladding absorption (ie, lower material blackening due to the larger D core that the trench region allows if the material absorption is the same in the standard DCF and the DCF of the present invention). (But rather, higher cladding absorption). Thus, some embodiments of the GPF design of the present invention may provide a volume concentration N of species that provides such a gain required to achieve a given α clad for a given cladding absorption. As d decreases, the level of photodarkening observed in species that provide some gain (eg, Yb) can be reduced. The lower the photodarkening rate, the better the efficiency and power, and in the case of a clad pumped fiber laser (eg Figure 6), there is a greater end of life margin for this pump laser. Increases reliability. The details of the light loss induced by photodarkening over the wavelength range from 600 nm to 1100 nm are shown in FIG. Curve 40 shows the loss induced by photodarkening for a standard GPF (refractive index profile shown by curve 30 in FIG. 3), and curve 41 shows the GPF of the present invention (shown by curve 31 in FIG. 3). The corresponding lower loss at all wavelengths.

一方、クラッド吸収が増加すると、SRS閾値が増加し、出力を増加することができる。これによって設計のフットプリント(GPF長さ)も縮小され、実装が容易になる。この具体例では、クラッド吸収は、標準的なGPFの約0.88dB/mから本発明のGPFの約1.2dB/mへと、30%を上回って増加した。   On the other hand, when the cladding absorption increases, the SRS threshold value increases and the output can be increased. This also reduces the design footprint (GPF length) and facilitates mounting. In this example, the cladding absorption increased by more than 30%, from about 0.88 dB / m for the standard GPF to about 1.2 dB / m for the GPF of the present invention.

前述のように、本発明のGPFの特に好ましい特徴は、依然としてシングルモード動作を実現する能力を維持したまま、より大きなコア径が用いられ得ることである。表Iの具体例では、コア径は、標準的なGPFでは約11.8μmであり、本発明のGPFでは約14.0μmであって、ほぼ2.2μm増加した。クラッド・ポンピングのファイバ・レーザー(例えば図5)では、コアがより大きければクラッド吸収が(例えば36%)増加し、したがってレーザーがより短くなって(例えば36%短いダブルクラッドGPF)、実装がより簡単になることを意味する。   As mentioned above, a particularly preferred feature of the GPF of the present invention is that larger core diameters can be used while still maintaining the ability to achieve single mode operation. In the specific examples of Table I, the core diameter was about 11.8 μm for the standard GPF and about 14.0 μm for the GPF of the present invention, an increase of about 2.2 μm. For clad pumped fiber lasers (eg, FIG. 5), larger cores increase clad absorption (eg, 36%), thus making the laser shorter (eg, 36% shorter double clad GPF) and more implemented. It means it will be easy.

コア・サイズがより大きければ、信号光の基本モードと利得領域(すなわち本発明のGPFについてはコア領域10.1)の間のオーバーラップも増加する。したがって、信号光へのエネルギー伝達の効率が改善される。この特徴は、曲線31の屈折率プロファイルを有する本発明のGPFの基本信号モードに関するLP01出力曲線33(図3)を、曲線30の屈折率プロファイルを有する従来のSIC GPFの基本信号モードに関するLP01出力曲線32と対比したとき、その間のオーバーラップを比較することによって示される。 The larger the core size, the greater the overlap between the fundamental mode of the signal light and the gain region (ie, core region 10.1 for the GPF of the present invention). Therefore, the efficiency of energy transfer to the signal light is improved. This feature is characterized by the LP 01 output curve 33 (FIG. 3) for the fundamental signal mode of the GPF of the present invention having a refractive index profile of curve 31 and the LP for the fundamental signal mode of a conventional SIC GPF having the refractive index profile of curve 30. When compared to the 01 output curve 32, this is shown by comparing the overlap between them.

本発明の、イッテルビウム(Yb)でドープされたGPF(トレンチ領域を有するDCF)のさまざまな設計が、標準的なYbでドープされたGPF(トレンチ幅の列の略記N/Aで示されているトレンチ領域のないDCF)の設計と比較して、下の表IIに示されている。表IIには、1080nmの波長におけるMFDが、コア領域およびトレンチ領域のさまざまなパラメータ、すなわちコア半径(Rcore)、コア屈折率差異(Δncore)、トレンチ屈折率差異(Δntr)、および特定のコア半径に対してシングルモード動作を維持するための最小限のトレンチ幅(Wtr)の関数として示されている。特定のMFDのそれぞれの本発明のGPFについて、表IIは、もたらされるコア領域の増加の係数、およびその結果のクラッド吸収(αclad)のパーセント増加も示す。 Various designs of GPF doped with ytterbium (Yb) (DCF with trench region) of the present invention are shown with standard Yb-doped GPF (trench width column abbreviation N / A) Compared to the DCF) design without the trench region, it is shown in Table II below. Table II shows the MFD at a wavelength of 1080 nm for various parameters of the core and trench regions: core radius (R core ), core refractive index difference (Δn core ), trench refractive index difference (Δn tr ), and specific As a function of the minimum trench width (W tr ) to maintain single mode operation for a given core radius. For each inventive GPF of a particular MFD, Table II also shows the resulting coefficient of increase in core area and the resulting percent increase in cladding absorption (α clad ).

表IIに列挙された設計の内側クラッド領域および外側クラッド領域に関して、内側クラッド領域の屈折率差は、それが指定された基準であるためゼロであり、(ポンプ光を導く)外側クラッド領域の屈折率差は、少なくとも−15.5×10−3である。内側クラッド領域の厚さは少なくとも50μmであり、外側クラッド領域の厚さは少なくとも10μmである。 For the inner and outer cladding regions of the designs listed in Table II, the refractive index difference of the inner cladding region is zero because it is a specified criterion, and the refraction of the outer cladding region (which guides the pump light) The rate difference is at least −15.5 × 10 −3 . The inner cladding region has a thickness of at least 50 μm and the outer cladding region has a thickness of at least 10 μm.

Figure 0006306637
Figure 0006306637

要約すると、表IIは、クラッド吸収が約26〜69%増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Ybでドープされた本発明の設計では約6〜18μmのMFDを実現し得ることを示している。それに加えて、MFDが約6〜8μmであるとき、コア領域の半径は約2.9〜4.1μmであり、コア領域の屈折率差異Δncoreは約4.3×10−3〜7.8×10−3であり、トレンチ領域の屈折率差異Δntrは約−0.5×10−3から−4.0×10−3であって、トレンチ領域の最小幅は約1.5〜7.0μmである。一方、MFDが約10〜18μmであるとき、コア領域の半径は約4.6〜11.0μmであり、コア領域の屈折率差異Δncoreは約0.8×10−3〜2.8×10−3であり、トレンチ領域の屈折率差異Δntrは約−0.15×10−3から−0.8×10−3であって、トレンチ領域の最小幅は約2.5〜10.0μmである。 In summary, Table II shows that an MFD of about 6-18 μm can be achieved with the inventive design doped with Yb when the core region and the cladding region are configured to increase the cladding absorption by about 26-69%. It is shown that. In addition, when the MFD is about 6-8 μm, the radius of the core region is about 2.9-4.1 μm, and the refractive index difference Δn core of the core region is about 4.3 × 10 −3 -7. 8 × a 10 -3, the refractive index difference [Delta] n tr of the trench region be from about -0.5 × 10 -3 -4.0 × 10 -3, the minimum width of the trench region from about 1.5 7.0 μm. On the other hand, when the MFD is about 10 to 18 μm, the radius of the core region is about 4.6 to 11.0 μm, and the refractive index difference Δn core of the core region is about 0.8 × 10 −3 to 2.8 ×. 10 −3 , the refractive index difference Δn tr of the trench region is about −0.15 × 10 −3 to −0.8 × 10 −3 , and the minimum width of the trench region is about 2.5 to 10. 0 μm.

同様に、下の表IIIおよびIVは、標準的なGPF(トレンチ領域のないDCF)を、コア領域がエルビウム(Er、約1530〜1630nmでの動作用)またはツリウム(Tm、約1940〜2050nmでの動作用)のいずれかでドープされた代替の本発明の設計(トレンチ領域を有するDCF)と比較するための相当するパラメータを説明している。   Similarly, Tables III and IV below show standard GPF (DCF without trench region), core region erbium (Er, for operation at about 1530-1630 nm) or thulium (Tm, about 1940-2050 nm). The corresponding parameters for comparison with alternative inventive designs (DCF with trench regions) doped with either

Figure 0006306637
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要約すると、表IIIは、クラッド吸収が約76〜98%増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Erでドープされた本発明の設計では約9〜20μmのMFDを実現し得ることを示している。それに加えて、MFDが約9〜20μmであるとき、コア領域の半径は約4.3〜13.0μmであり、コア領域の屈折率差異Δncoreは約1.0×10−3〜4.5×10−3であり、トレンチ領域の屈折率差異Δntrは約−1.0×10−3から−6.0×10−3であって、トレンチ領域の最小幅は約2.0〜8.0μmである。 In summary, Table III shows that an Er-doped design of the present invention can achieve an MFD of about 9-20 μm when the core and cladding regions are configured so that cladding absorption is increased by about 76-98%. It is shown that. In addition, when the MFD is about 9 to 20 μm, the radius of the core region is about 4.3 to 13.0 μm, and the refractive index difference Δn core of the core region is about 1.0 × 10 −3 to 4. 5 × 10 −3 , and the refractive index difference Δn tr of the trench region is about −1.0 × 10 −3 to −6.0 × 10 −3 , and the minimum width of the trench region is about 2.0 to 8.0 μm.

Erでドープされた設計の興味深い特徴は、ΔncoreとΔntrの相対的値であり、すなわち、いくつかのErでドープされた設計では、Δntrの絶対値が、Δncoreの絶対値より大きくなり得る。より具体的には、この状態は、Rcore/MFDの比が約0.6以上の、Erでドープされたコア領域の設計のサブセットに対して有効であると判明している。実例として、Rcore/MFD≧0.6は、0.61〜0.67のおおよその範囲内にある。 An interesting feature of Er-doped designs is the relative value of Δn core and Δn tr , ie, in some Er-doped designs, the absolute value of Δn tr is greater than the absolute value of Δn core. Can be. More specifically, this condition has been found to be effective for a subset of Er-doped core region designs with an R core / MFD ratio of about 0.6 or greater. Illustratively, R core /MFD≧0.6 is in the approximate range of 0.61 to 0.67.

ErでドープされたGPFのRcore/MFD≧約0.6を上回るもの、および下回るものの挙動に関する理論的な説明は、現在可能ではない。しかし、実際的な見地から(すなわち製造および/または利用を容易にするために)、本発明のGPFは、比較的浅いトレンチを有するのが好ましい。実際、トレンチは、一般に、熱で促進される一般的な接合動作中に急速に拡散するフッ素を付加することによって製作されるので、トレンチがより深ければ、GPFを接合するのがより困難になる。 A theoretical explanation for the behavior of Er doped GPFs above and below R core / MFD ≧ about 0.6 is currently not possible. However, from a practical standpoint (ie, for ease of manufacture and / or utilization), the GPF of the present invention preferably has a relatively shallow trench. In fact, trenches are typically fabricated by adding rapidly diffusing fluorine during typical thermally promoted bonding operations, so that deeper trenches make it more difficult to bond GPFs. .

それと対照的に、表IのYbでドープされた設計のすべて、および表IIIのTmでドープされた設計のすべてにおいては、その逆が真であり、すなわち、絶対値ではΔntr<Δncoreである。 In contrast, for all Yb-doped designs in Table I and for all Tm-doped designs in Table III, the opposite is true, ie, in absolute values, Δn tr <Δn core is there.

Figure 0006306637
Figure 0006306637

要約すると、表IVは、クラッド吸収が約41〜53%増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Tmでドープされた本発明の設計では約8〜20μmのMFDを実現し得ることを示している。それに加えて、MFDが約8〜20μmであるとき、コア領域の半径は約3.5〜11.0μmであり、コア領域の屈折率差異Δncoreは約2.35×10−3〜16.0×10−3であり、トレンチ領域の屈折率差異Δntrは約−1.0×10−3から−7.0×10−3であって、トレンチ領域の最小幅は約3.0〜6.0μmである。 In summary, Table IV shows that an MFD of about 8-20 μm can be achieved with a Tm-doped design of the present invention when the core region and the cladding region are configured to increase the cladding absorption by about 41-53%. It is shown that. In addition, when the MFD is about 8 to 20 μm, the radius of the core region is about 3.5 to 11.0 μm, and the refractive index difference Δn core of the core region is about 2.35 × 10 −3 to 16. 0 × 10 −3 , the refractive index difference Δn tr of the trench region is about −1.0 × 10 −3 to −7.0 × 10 −3 , and the minimum width of the trench region is about 3.0 to 6.0 μm.

前述の機構は、本発明の原理の適用を表すために考案することができる多くの可能な特定の実施形態の単なる実例であることを理解されたい。これらの原理によれば、当業者によって、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多数のさまざまな他の機構が考案され得る。具体的には、本発明のGPFの屈曲感度はトレンチ領域が存在することによって低下し、ファイバが例えば増幅器またはレーザーのパッケージの中で巻かれたとき、屈曲で誘起される影響が緩和される。   It should be understood that the foregoing mechanism is merely illustrative of the many possible specific embodiments that can be devised to represent the application of the principles of the present invention. In accordance with these principles, many different other mechanisms may be devised by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention. Specifically, the bending sensitivity of the GPF of the present invention is reduced by the presence of the trench region, and the bending-induced effects are mitigated when the fiber is wound, for example, in an amplifier or laser package.

適用例:高出力のファイバ増幅器およびレーザー
本発明の適用例の1つが図5に示されており、高出力の光ファイバ増幅器230は、任意選択のピッグテイル・ファイバ235pに光学的に結合されたGPF 235aを備える。GPF 235aは結合器233に光学的に結合されており、ピッグテイル・ファイバ235pは利用デバイス234に光学的に結合されている。GPF 235aは本発明によって設計されており、典型的には増幅器パッケージの内部でピッグテイル235pとともに巻かれている。一般的な市販の増幅器パッケージでは、巻かれたGPFファイバ235aおよびピッグテイル235pは、周知のプレートまたはマンドレル(図示せず)上に取り付けられる。
Application Example: High Power Fiber Amplifier and Laser One application example of the present invention is shown in FIG. 5, in which a high power fiber amplifier 230 is a GPF optically coupled to an optional pigtail fiber 235p. 235a. GPF 235a is optically coupled to coupler 233, and pigtail fiber 235p is optically coupled to utilization device 234. GPF 235a is designed according to the present invention and is typically wound with pigtail 235p inside an amplifier package. In a typical commercial amplifier package, the wound GPF fiber 235a and pigtail 235p are mounted on a well-known plate or mandrel (not shown).

比較的高出力の適用例では、結合器233は、ポンプ結合器として知られており、光入力信号ソース231および光ポンプ・ソース236の出力をGPF 235aに結合する。ポンプ結合器233は、周知のバルク光学構成要素によって形成されてよく、または、前述のように、DiGiovanniおよびStentzによって米国特許第5,864,644号(1999年)で説明されたタイプのテーパ形ファイバ・バンドルによって形成されてよく、またはGrudininらによって米国特許第6,826,335号(2004年)で説明されたタイプのエバネセントカプラによって、または他の既知の方法によって形成されてもよく、これらの特許は、どちらも参照によって本明細書に組み込まれる。入力信号源231が第1の波長の光入力信号を生成し、これが、通常のファイバ232またはバルク光学構成要素(図示せず)を介して結合器233の入力に結合され、一方ポンプ・ソース236が第2の波長の光ポンプ信号を生成し、これが、典型的にはマルチモードの、通常のファイバ237によって結合器233の別の入力に結合される。(結合器233は、図1〜図3とともに前述されたように、最終的には、信号光をGPF 235aのコア領域に結合し、ポンプ光を、GPF 235aのコア領域に、内側クラッド領域経由で、または直接、結合する。)   For relatively high power applications, the coupler 233 is known as a pump coupler and couples the output of the optical input signal source 231 and the optical pump source 236 to the GPF 235a. The pump coupler 233 may be formed by well-known bulk optical components, or, as mentioned above, a tapered shape of the type described by DiGiovanni and Stentz in US Pat. No. 5,864,644 (1999). These may be formed by fiber bundles, or by evanescent couplers of the type described by Grudinin et al. In US Pat. No. 6,826,335 (2004), or by other known methods, Both of which are hereby incorporated by reference. Input signal source 231 generates an optical input signal of a first wavelength, which is coupled to the input of coupler 233 via a conventional fiber 232 or bulk optical component (not shown), while pump source 236. Generates an optical pump signal of the second wavelength, which is coupled to another input of the coupler 233 by a typical fiber 237, typically multimode. (The coupler 233 eventually couples the signal light to the core region of the GPF 235a and passes the pump light to the core region of the GPF 235a via the inner cladding region, as described above with reference to FIGS. Combine directly or directly.)

当技術分野で周知のように、ポンプ信号はGPF 235aの中に反転分布を生成し、これによって入力ソース231からの入力信号が増幅される。増幅された入力信号は、GPF 235aに沿って(存在する場合にはピッグテイル235pを通って)利用デバイス234に伝搬する。高出力用途では、利用デバイス234としては、例えば、別の光増幅器、ビーム・コリメータ、レンズ・システム、切断または溶接の作業が遂行されるべき被加工物といった多種多様な周知のデバイスまたは装置を含んでよい。   As is well known in the art, the pump signal produces an inverted distribution in GPF 235a, which amplifies the input signal from input source 231. The amplified input signal propagates along the GPF 235a (through the pigtail 235p, if present) to the utilization device 234. For high power applications, the utilization device 234 includes a wide variety of well-known devices or apparatuses such as, for example, another optical amplifier, beam collimator, lens system, workpiece to be cut or welded. It's okay.

実例として、入力ソース231は、GPF 235aの増幅範囲の波長で比較的低パワーの光入力信号を生成するレーザーであり、ポンプ・ソース236は、好ましくは半導体レーザーであるが、任意選択で半導体発光ダイオード(LED)の配列でもあり得る。いずれの場合も、ポンプ・ソース236は、入力信号の所望の増幅をもたらすより短い波長では、比較的高い光パワーの(例えば約150mW超、さらには100W超の)ポンプ信号を生成する。好ましい実施形態では、GPF 235aがイッテルビウムでドープされていると、信号ソース231は約1080nmの波長を有する入力信号を生成し、ポンプ・ソース236は、約915nmの波長で、またはその代わりに約975nmの波長で、ポンプ信号を生成する。   Illustratively, the input source 231 is a laser that generates a relatively low power optical input signal at a wavelength in the amplification range of the GPF 235a, and the pump source 236 is preferably a semiconductor laser, but optionally semiconductor light emitting. It can also be an array of diodes (LEDs). In either case, the pump source 236 generates a relatively high optical power (eg, greater than about 150 mW, or even greater than 100 W) pump signal at shorter wavelengths resulting in the desired amplification of the input signal. In a preferred embodiment, when GPF 235a is doped with ytterbium, signal source 231 generates an input signal having a wavelength of about 1080 nm, and pump source 236 has a wavelength of about 915 nm or alternatively about 975 nm. A pump signal is generated at a wavelength of.

図5の増幅器230は、一般的な共伝搬するポンプ構成(すなわち、ポンプ信号と入力信号が、GPFを通って同じ方向に伝搬する)を示しているが、逆伝搬する構成(すなわち、ポンプ信号と入力信号が、GPFを通って逆方向に伝搬する)を用いることも可能である。それに加えて、多様な増幅器が、当技術分野で周知の高出力多段システムの利得の全体を増加させるための方式であるタンデムに構成されてもよい。ポンプ・エネルギーは、あるいは増幅器に横断的に結合されてもよい。   The amplifier 230 of FIG. 5 shows a typical co-propagating pump configuration (ie, the pump signal and input signal propagate in the same direction through the GPF), but a counter-propagating configuration (ie, pump signal). And the input signal propagates in the reverse direction through the GPF). In addition, various amplifiers may be configured in tandem, which is a scheme for increasing the overall gain of high power multi-stage systems well known in the art. The pump energy may alternatively be coupled transversely to the amplifier.

増幅装置がレーザーとして動作するように構成されていれば、信号ソース231が省略され、上記で説明された信号光は、レーザーによって内部で生成された刺激発光に等しいことになる。   If the amplification device is configured to operate as a laser, the signal source 231 is omitted, and the signal light described above is equivalent to the stimulated emission generated internally by the laser.

図6には、このようなレーザー200の概略の実施形態が示されている。レーザー200は、高出力215を供給するように設計されている。この基本設計は、DiGiovanniによって米国特許第5,937,134号(1999年)で説明されたものに従っており、この特許も参照によって本明細書に組み込まれる。しかし、図1〜図3を参照しながら上記で論じたように、この場合、レーザー200の能動媒質は、本発明による設計の、巻かれた、シングルモードの、ダブルクラッドGPFファイバ211を備える。   A schematic embodiment of such a laser 200 is shown in FIG. The laser 200 is designed to provide a high power 215. This basic design follows that described by DiGiovanni in US Pat. No. 5,937,134 (1999), which is also incorporated herein by reference. However, as discussed above with reference to FIGS. 1-3, in this case, the active medium of laser 200 comprises a wound, single-mode, double-clad GPF fiber 211 of the design according to the present invention.

相当の長さを示すために、位置213で、巻かれたGPF 211の一部分が切り取られて示されている。このようなレーザー構造のファイバの長さは、典型的には1メートルから数十メートル程度である。コイルの直径が実例として約15cmであるので、ファイバ211は多くの巻数を示す。(図5の巻かれた増幅器GPF 235aにも類似の注釈が当てはまり、このような増幅器と同様に、レーザー200の巻かれたGPF 211は、典型的には周知のプレートまたはマンドレル(図示せず)に巻きつけられる。)   A portion of the rolled GPF 211 is shown cut out at position 213 to indicate a substantial length. The fiber length of such a laser structure is typically about 1 meter to several tens of meters. Since the diameter of the coil is illustratively about 15 cm, the fiber 211 exhibits many turns. (Similar annotations apply to the wound amplifier GPF 235a of FIG. 5, and like such an amplifier, the wound GPF 211 of laser 200 is typically a well-known plate or mandrel (not shown). Wrapped around

レーザーの能動媒質が配置されるのは、GPF 211の端部217、219に(またはその近傍に)、実例としてそれぞれ配置されているブラッグ・グレーティング212および213で形成された空胴共振器の内部である。これらのグレーティングまたは反射器は、典型的にはGPF 211のコア領域において光で誘起される屈折率の変化によって形成される。   The active medium of the laser is located inside the cavity resonator formed by Bragg gratings 212 and 213, which are illustratively disposed at (or near) the ends 217 and 219 of GPF 211, respectively. It is. These gratings or reflectors are typically formed by light-induced refractive index changes in the core region of GPF 211.

能動媒質は、光ポンプ・ソース214によって端面励起され、これによってポンプ光が生成されて、このポンプ光はGPF 211の1つの端部217で内側クラッド領域(図示せず)に結合される。ソース214は、端部217から分離して示されているが、一般的には、端部217が適切なカプラ(図示せず)を介してソース214に取り付けられることが当業者には明らかであろう。ソース214からのポンプ光が、GPF 211のコア領域において(すなわち、そこにある利得をもたらす種によって)吸収され、反転分布をもたらしてレーザー光出力215を生成し、これがGPF 211の反対の端部219から出て来る。   The active medium is end-pumped by the optical pump source 214, thereby generating pump light that is coupled to an inner cladding region (not shown) at one end 217 of the GPF 211. Although source 214 is shown separate from end 217, it will be apparent to those skilled in the art that end 217 is typically attached to source 214 via a suitable coupler (not shown). I will. Pump light from the source 214 is absorbed in the core region of the GPF 211 (ie, by the species that provides the gain there), resulting in an inversion distribution to produce the laser light output 215, which is the opposite end of the GPF 211. Come out of 219.

典型的には、ポンプ・ソース214は、半導体レーザー・ダイオード(またはこのようなダイオードの配列)を備える。実例として、レーザー・ダイオードの活性領域は、約980nmの波長でポンプ光を生成するAlGaAs、または1000〜1600nmの範囲のより長い波長でポンプ光を生成するためのInGaAsまたはInGaAsPを含む。あるいは、ポンプ・ソース214は、例えばTサファイア、Ndガラスといった他のタイプの固体レーザーを備えてよく、またはファイバ・レーザーであり得る。   Typically, the pump source 214 comprises a semiconductor laser diode (or an array of such diodes). Illustratively, the active region of the laser diode includes AlGaAs that generates pump light at a wavelength of about 980 nm, or InGaAs or InGaAsP for generating pump light at longer wavelengths in the range of 1000-1600 nm. Alternatively, the pump source 214 may comprise other types of solid state lasers, such as T sapphire, Nd glass, or may be a fiber laser.

Claims (13)

利得をもたらす光ファイバであって、
長手軸を有し、該軸に垂直な方向の円形の断面を有するコア領域と、
前記コア領域を取り囲むクラッド領域と
を備え、前記コア領域およびクラッド領域が、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして前記軸の方向に導くように構成されており、
前記クラッド領域が、前記コア領域を取り囲むトレンチ領域、前記トレンチ領域を取り囲む内側クラッド領域、および前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域を含み、前記内側クラッド領域が前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有し、前記トレンチ領域が前記内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、
少なくとも前記コア領域には、前記ファイバに適切なポンピング・エネルギーが印加されたとき前記信号光に利得をもたらす、少なくとも1つの利得をもたらす種が含まれ、
前記コア領域およびクラッド領域は、前記基本モードが主に前記コア領域において導かれ、前記トレンチ領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δntrが、絶対値で、前記コア領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δncoreより小さくなるように構成されており、それによって、前記信号光のシングルモード動作を維持したまま、前記トレンチ領域が無いが類似の層構成、類似の屈折率プロファイル、類似のコア領域及び類似のクラッド領域を有する相当する利得をもたらすファイバと比較して、前記ファイバのコア領域の直径および前記ファイバのクラッド吸収のどちらも増加させ、
少なくとも前記コア領域がTmでドープされており、前記基本モードが、8〜20μmのモード・フィールド径(MFD)によって特徴付けられ、前記コア領域およびクラッド領域が、前記トレンチ領域が無いが類似の層構成、類似の屈折率プロファイル、類似のコア領域及び類似のクラッド領域を有する相当する利得をもたらすファイバと比較して、前記クラッド吸収が41〜53%増加するように構成されている、ファイバ。
An optical fiber providing gain,
A core region having a longitudinal axis and having a circular cross section in a direction perpendicular to the axis;
A cladding region surrounding the core region, wherein the core region and the cladding region are configured to support the propagation of signal light in a basic transverse mode and guide it in the direction of the axis,
The cladding region includes a trench region surrounding the core region, an inner cladding region surrounding the trench region, and an outer cladding region surrounding the inner cladding region, wherein the inner cladding region has a refractive index lower than a refractive index of the core region. The trench region has a refractive index lower than the refractive index of the inner cladding region,
At least the core region includes at least one species that provides gain to the signal light when appropriate pumping energy is applied to the fiber;
In the core region and the cladding region, the fundamental mode is mainly guided in the core region, and a refractive index difference Δn tr between the trench region and the inner cladding region is an absolute value, and the core region and the inner region are It is configured to be smaller than the difference in refractive index Δn core between the cladding regions, so that the single-mode operation of the signal light is maintained, but the trench region is not present but has a similar layer configuration and similar refraction. Both the fiber core region diameter and the fiber cladding absorption, as compared to a fiber that provides a corresponding gain with a rate profile, a similar core region and a similar cladding region,
At least the core region is doped with Tm, the fundamental mode is characterized by a mode field diameter (MFD) of 8-20 μm, and the core region and the cladding region are similar layers without the trench region A fiber configured to increase the cladding absorption by 41 to 53% compared to a fiber providing a corresponding gain having a configuration, a similar refractive index profile, a similar core region and a similar cladding region.
前記利得をもたらす種が、1000nm以上の信号波長で、前記信号光に利得をもたらす請求項1に記載のファイバ。   The fiber of claim 1, wherein the species that provides the gain provides gain to the signal light at a signal wavelength of 1000 nm or greater. 前記コア領域の半径が3.5〜11.0μmであり、前記Δncoreが2.3×l0−3〜16.0×l0−3であり、前記Δntrが−1.0×10−3から−7.0×l0−3であり、最小のトレンチ領域幅(Wtr)が3.0〜6.0μmの範囲内の値であり、所定のMFDに対して、Wtrは、シングルモード動作を維持するために必要となる最小のトレンチ領域幅となる、請求項に記載のファイバ。 The radius of the core region is 3.5 to 11.0 μm, the Δn core is 2.3 × 10 −3 to 16.0 × 10 −3 , and the Δn tr is −1.0 × 10 −3. To −7.0 × 10 −3 with a minimum trench region width (W tr ) in the range of 3.0 to 6.0 μm, and for a given MFD, W tr is a single mode The fiber of claim 1 , wherein the fiber has the minimum trench area width required to maintain operation. 前記トレンチ領域の少なくとも一部分が、少なくとも1つの利得をもたらす種も含んでいる、請求項1に記載のファイバ。   The fiber of claim 1, wherein at least a portion of the trench region also includes a species that provides at least one gain. 前記利得をもたらすファイバがダブルクラッドのファイバを備え、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域がシリカを含み、前記外側クラッド領域が、低屈折率ポリマー、ダウンドープされたシリカ、およびエア・クラッド構造から成る群から選択される請求項1に記載のファイバ。   The gain-providing fiber comprises a double-clad fiber, wherein the core region, trench region and inner cladding region comprise silica, and the outer cladding region comprises a low index polymer, down-doped silica, and an air cladding structure The fiber of claim 1 selected from the group consisting of: 前記コア領域および前記クラッド領域が、前記信号光の前記基本モードのみをサポートして導くように構成されている、請求項1に記載のファイバ。   The fiber according to claim 1, wherein the core region and the cladding region are configured to support and guide only the fundamental mode of the signal light. 前記コア領域およびクラッド領域が、前記信号光の前記基本モードおよび高々1次〜4次のモードをサポートして導くように構成されている、請求項1に記載のファイバ。   The fiber according to claim 1, wherein the core region and the cladding region are configured to support and guide the fundamental mode and at most first to fourth order modes of the signal light. 前記利得をもたらすファイバがダブルクラッドのファイバを備え、前記ポンピング・エネルギーが、マルチモード・ポンプ光のソースによって供給され、前記コア領域およびクラッド領域は、前記ポンプ光が前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合され得るように構成されている、請求項1に記載のファイバ。   The gain-providing fiber comprises a double-clad fiber, the pumping energy is supplied by a source of multimode pump light, and the core region and the clad region are configured such that the pump light passes through the inner clad region. The fiber of claim 1, wherein the fiber is configured to be coupled to a core region. 前記コア領域に印加されるポンプ光に応答して、前記コア領域に結合された前記信号光を増幅するための請求項1乃至のいずれか1項に記載の光ファイバであって、
前記ポンプ・エネルギーのソースが、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合される光ファイバを備える、光学装置。
The optical fiber according to any one of claims 1 to 8 , for amplifying the signal light coupled to the core region in response to pump light applied to the core region.
An optical device, wherein the source of pump energy comprises an optical fiber coupled to the core region via the inner cladding region.
ポンプ・エネルギーの前記ポンプ・ソースが、マルチモード・ポンプ光を供給し、前記ポンプ光および前記信号光を前記コア領域に結合するための結合器をさらに含む、請求項9に記載の装置。   The apparatus of claim 9, wherein the pump source of pump energy further comprises a combiner for providing multimode pump light and coupling the pump light and the signal light to the core region. 前記ファイバ、前記ソースおよび前記結合器が、光増幅器として構成されている、請求項10に記載の装置。   The apparatus of claim 10, wherein the fiber, the source, and the coupler are configured as an optical amplifier. 空胴共振器と、
前記共振器の内部に配置された、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光ファイバと、
ポンプ・エネルギーを、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合するためのカプラとを備え、そのことにより前記コア領域の内部の刺激発光として前記信号を生成する、光学装置。
A cavity resonator,
The optical fiber according to any one of claims 1 to 8, which is disposed inside the resonator;
An optical device comprising: a coupler for coupling pump energy to the core region via the inner cladding region, thereby generating the signal as stimulated emission within the core region.
前記ファイバ、前記共振器および前記カプラがレーザーとして構成されている、請求項12に記載の光学装置。 The optical device according to claim 12, wherein the fiber, the resonator and the coupler are configured as a laser .
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