JP6876762B2 - 中空光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、中空コア光ファイバに関し、より具体的には、反共振ファイバ（ａｎｔｉ−ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｉｂｅｒ）に関し、特に、超低損失ファイバ、広帯域ファイバ、シングルモード中空コアファイバおよび高複屈折（Ｈｉ−Ｂｉ）ファイバに関する。

中空コア光ファイバは、約８０年間研究されて開発されてきた。原理的には、固体材料よりもむしろ空気中で光を導くことにより、これらのファイバは、超低伝播損失および非線形性を可能とするとともに、全中実ファイバよりも高い伝播速度（すなわち、低減したレイテンシ）およびレーザ誘起損傷閾値を提供することができる。しかしながら、実際には、全ガラスファイバによって可能な約０．１５ｄＢ／ｋｍに匹敵するレベルまで損失を低減することはまだ不可能であり、これは、中空コア技術の幅広い適用を阻害している。

２つの主な種類の単一材料中空コアファイバがあり、これらは、フォトニックバンドギャップ誘導（フォトニックバンドギャップファイバ−ＰＢＧＦ）または反共振誘導（反共振ファイバ−カゴメファイバなどのＡＲＦ、「負曲率」ファイバ、単純化された反共振ファイバおよびヘキサグラムファイバ）に基づいている。

ＰＢＧＦは、最低損失（１．６２μｍの波長で１．２ｄＢ／ｋｍ程度に低い減衰を有する−Ｒｏｂｅｒｔｓら、「中空コアフォトニック結晶ファイバの超低損失」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｎｏ．１３、２３６から２４４ページ、２００５年）であるが狭帯域（中心波長の１０−３０％）を提供する一方で、ＡＲＦは、ＰＢＧＦの２から１０倍の帯域拡大係数を提供するが、ストレート損失が大きくかつ曲げ感度がより顕著である。

ＰＢＧＦにおいて、クラッドにおける規則的で適切なサイズのロッドのアレイからの反共振によって誘導が達成される。径方向のロッド数は任意に増やすことができるので、漏洩れまたは閉じ込め損失は任意に小さくすることができる。しかしながら、ロッドは、適切な反共振で動作しない薄いガラスストラットによって相互接続される必要がある。したがって、（少なくとも原子／分子スケールで）本質的に「粗い」ガラス境界によって電磁場が効果的に反発されず、これは、ＰＢＧＦにおける損失の主な原因である表面散乱を形成する。

ＡＲＦにおいては、対照的に、空気中に光を閉じ込めるコアを囲む均一サイズのガラスストラットからの反共振である。ストラットは、光を放出するのに非常に効率的であることから、散乱損失は、ＡＲＦにおいては通常無視できる程度である。しかしながら、複数層がコアから漏洩しやすい光をコヒーレントに反射することを可能とする構成は考案されていない。したがって、漏洩損失は、典型的にはＡＲＦにおいて支配的である。ＡＲＦの他の問題は、特にこれらのノードが異なりかつ変動可能な厚さを有しかつ反共振領域内にスプリアスなおよびスペクトル的に高密度の共振を導入し、それゆえに損失を増大させるようなガラスストラット間の交点に形成するノードの存在である。

ノードが空気誘導モードからさらに離れるように、「負曲率」を有するコアサラウンドを形成することによってこの問題に対処するためにファイバが開発されている。

さらに、非接触チューブの格子を作製することによって不要なノードを完全に排除するファイバが開発されている（Ｋｏｌｙａｄｉｎら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．２１、９５１４から９５１９ページ、２０１３年）。このファイバのノードレスチューブ格子は、クラッド表面に８つの反共振素子を含むシリカリングを含み、それぞれが非接触関係にあり、製造されたＡＲＦに関して現在の最先端技術を表し、４から５ｄＢ／ｍの最小損失レベルおよびそれぞれ３０ｄＢ／ｍおよび５０ｄＢ／ｍの５．８μｍおよび７．７μｍにおけるスペクトル帯域の平均損失を有する２．５μｍから５μｍのスペクトル範囲内の透過帯域を呈する。

しかしながら、このファイバにおける閉じ込め損失は、散乱損失よりも依然としてかなり高い。これは、光の閉じ込めがガラス−空気境界における２つのフレネル反射を介して方位角的に配向された１つのガラスストラットによってのみ効果的に引き起こされるためである。

より最近では、クラッド表面に８つの主要な反共振素子を含むシリカリングを含み、それぞれが接触関係にあり、少なくとも１つのさらなる反共振素子が主要な反共振素子のそれぞれの内部に入れ子状に配置されたノーディッド（ｎｏｄｅｄ）ＡＲＦが提案されている（Ｂｅｌａｒｄｉら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３９、１８５３から１８５６ページ、２０１４年）。

Ｒｏｂｅｒｔｓら、「中空コアフォトニック結晶ファイバの超低損失」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｎｏ．１３、２３６から２４４ページ、２００５年 Ｋｏｌｙａｄｉｎら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．２１、９５１４から９５１９ページ、２０１３年 Ｂｅｌａｒｄｉら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３９、１８５３から１８５６ページ、２０１４年

本発明は、改善されたファイバ構造、特にＰＢＧＦに匹敵するかまたはそれよりも低い減衰損失とＡＲＦにおけるような広い帯域幅とを提供する新規なファイバ構造を提供することを目的とする。

１つの態様において、本発明は、内部クラッド表面を画定する第１の管状クラッド要素と、クラッド表面に取り付けられかつ有効半径を有するコアをともに画定する複数の第２の管状要素であって、離間した関係で配置されかつそれらの間に間隔を有する第２の管状要素の１つと隣接する第２の管状要素と、第２の管状要素のそれぞれの内部にそれぞれ入れ子状に配置された複数の第３の管状要素とを備える反共振中空コアファイバ（ａｎ ａｎｔｉ−ｒｅｓｏｎａｎｔ ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ）を提供する。

１つの実施形態において、第２の管状要素は、クラッド表面において対称関係に配置される。

１つの実施形態において、第１の管状要素は、断面が円形である。

１つの実施形態において、第２の管状要素は、断面が円形である。

他の実施形態において、第２の管状要素は、必要に応じて断面が楕円形または長円形の接線方向よりも径方向においてより長い寸法を有する。

１つの実施形態において、管状要素の１つ以上は、異なる断面形状を有する。

１つの実施形態において、管状要素は、ガラス、必要に応じてシリカから形成される。

１つの実施形態において、管状要素は、少なくとも約１．４、必要に応じて約１．４から約３、必要に応じて約１．４から約２．８の屈折率を有するガラスから形成される。

１つの実施形態において、第２の管状要素は、それぞれクラッド表面上の単一の位置においてのみ第１の管状要素に取り付けられる。

１つの実施形態において、第３の管状要素は、第２の管状要素がクラッド表面に取り付けられる位置において第２の管状要素のそれぞれに取り付けられる。

１つの実施形態において、隣接する第２の管状要素の間隔と第２の管状要素の壁厚との比は、約０．５よりも大きく、必要に応じて約０．８よりも大きく、必要に応じて約１よりも大きく、必要に応じて約２よりも大きい。

１つの実施形態において、隣接する第２の管状要素の間隔と第２の管状要素の壁厚との比は、約１２未満であり、必要に応じて約１０未満であり、必要に応じて約８未満であり、必要に応じて約６未満である。

１つの実施形態において、第２および第３の管状要素は、略同じ壁厚を有する。

１つの実施形態において、コア半径に対する第２および第３の管状要素の径方向内壁間の径方向間隔の比は、約０．３から約１．０の間であり、必要に応じて約０．３５から約０．９５の間である。

他の実施形態において、コア半径に対する第２および第３の管状要素の径方向内壁間の径方向間隔の比は、約０．０５から約０．４の間であり、必要に応じて約０．１から約０．３の間であり、必要に応じて約０．２から約０．３の間である。

さらなる実施形態において、コア半径に対する第２および第３の管状要素の径方向内壁間の径方向間隔の比は、約０．８から約１．２であり、必要に応じて約０．９から１．２であり、必要に応じて約１．０から約１．２である。

１つの実施形態において、ファイバは、約１．０μｍから約２．５μｍの間の波長において０．１５ｄＢ／ｋｍ未満の基本損失（ａ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｌｏｓｓ）を有する。

他の実施形態において、ファイバは、最大約２．７μｍまでの波長において約１ｄＢ／ｋｍの基本損失を有する。

さらなる実施形態において、ファイバは、最大約５μｍまでの波長において１ｄＢ／ｍ未満の基本損失を有する。

さらに他の実施形態において、ファイバは、最大約７μｍまでの波長において４ｄＢ／ｍ未満の基本損失を有する。

さらに他の実施形態において、ファイバは、最小約０．８μｍまでの波長において約１ｄＢ／ｋｍ未満の基本損失を有する。

１つの実施形態において、管状要素の材料内でファイバによって導かれる光出力（ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）の割合は、約１×１０^−３未満であり、必要に応じて約１×１０^−４未満である。

１つの実施形態において、コア半径は、必要に応じて約５０μｍ未満であり、必要に応じて約４０μｍ未満であり、必要に応じて約３０μｍ未満であり、必要に応じて約２５μｍ未満であり、必要に応じて約２０μｍ未満であり、必要に応じて約１５μｍ未満であり、必要に応じて約１３μｍ未満である。

１つの実施形態において、ファイバは、管状要素の６つの入れ子状構造を含む。

他の実施形態において、ファイバは、管状要素の３つ、４つまたは５つの入れ子状構造を含む。

１つの実施形態において、ファイバは、有効なシングルモード（ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ）を呈する。

１つの実施形態において、基本モード（ａ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅ）と最低損失高次モード（ａ ｌｏｗｅｓｔ−ｌｏｓｓ ｈｉｇｈ−ｏｒｄｅｒ ｍｏｄｅ）との間の差は、少なくとも１桁の大きさであり、必要に応じて少なくとも２桁の大きさである。

１つの実施形態において、管状要素の入れ子状構造は、コアにおける高次モードのものに対して約０．００１未満である有効モードの差（Δｎｅｆｆ）を有する有効屈折率（ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ、実効屈折率）（ｎｅｆｆ）を有するモードをサポートする。

１つの実施形態において、ファイバは、任意の所定の波長について任意のモードフィールド径（ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ）（ＭＦＤ）が選択されるのを可能とする。

本発明はまた、中実コアファイバ（ａ ｓｏｌｉｄ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ）と組み合わせ、必要に応じてそれに直接接合された（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｓｐｌｉｃｅｄ）上述したファイバにも及び、中空コアファイバは、中実コアファイバのものに整合するモードフィールド径を有する。

１つの実施形態において、中実コアファイバは、ファイバレーザからのファイバであり、必要に応じてイッテルビウムドープされたファイバレーザ（ａｎ ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ）である。

１つの実施形態において、前記ファイバが直線状である際と１０ｍｍの直径に対してコイル状に巻回された際との間の基本損失の差は、２桁未満の大きさであり、必要に応じて１桁未満の大きさであり、必要に応じて半分未満の大きさである。

１つの実施形態において、ファイバは、さらに、それぞれ第３の管状要素のそれぞれの内部に入れ子状に配置された複数の第４の管状要素を備える。

１つの実施形態において、第２、第３および第４の管状要素は、略同じ壁厚を有する。

本発明はまた、有効なシングルモードにおける上述したファイバの使用にも及ぶ。

本発明は、さらに、任意の所定の波長について任意の選択されたモードフィールド径を有する上述したファイバの使用に及ぶ。

本発明は、さらに、基本損失が低減されたモードにおける上述したファイバの使用に及ぶ。

本発明により、全伝播損失（すなわち、散乱、閉じ込め、曲げおよび材料吸収損失を含む）は、従来の通信ファイバよりもさらに低い０．０５ｄＢ／ｋｍ以下であると予測される。この低損失は、低い非線形性および広い動作帯域幅（同様に、現在の中実ファイバよりも広い）と相まって、理想的な大容量データ伝送媒体を提供する。

本発明はまた、偏光維持（ＰＭ）ファイバである、すなわち光源信号の入力偏光を維持するか、または、偏光（Ｐ）ファイバである、すなわち例えば非偏光入力から直線偏光を生成する光源信号に偏光を導入する高複屈折（Ｈｉ−Ｂｉ）中空コア反共振ファイバを提供することを目的とする。

高複屈折（Ｈｉ−Ｂｉ）ファイバは、光源偏光を保存することが必須である光通信システム、検出および干渉測定装置において広く使用されている。中実コア偏光維持（ＰＭ）ファイバにおいて、楕円コアを介してエーテルストレスまたは異方性をファイバに加えることによってＨｉ−Ｂｉ効果が達成されるが、温度などの外的摂動に対するファイバの非線形性および／またはファイバの感度は、製造された装置の性能を制限する可能性がある（Ｊ Ｎｏｄａら、「偏光維持ファイバおよびその応用」、Ｊ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ、Ｖｏｌ．４、１０７１から１０８９ページ、１９８６年）。それらの固有の低非線形性および熱環境変動に対する高い不感受性のために、中空コア（ＨＣ）ファイバは、例えばガス分光法または光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）などの高精度センサ内の使用に代わる代替手段を表すことができた（Ｍ Ａ Ｔｅｒｒｅｌら、「空心ファイバを使用した共振光ファイバジャイロスコープ」、Ｊ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ、Ｖｏｌ．３０、９３１から９３７ページ、２０１２年）。しかしながら、偏光維持特性を有する高性能で低損失の中空コアファイバは容易に入手することができない。フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）誘導に基づく偏光維持中空コアファイバが近年発表されている（Ｊ Ｍ Ｆｉｎｉら、「偏光維持シングルモード低損失中空コアファイバ」、Ｎａｔ Ｃｏｍｍｕｎ、Ｖｏｌ．５、５０８５ページ、２０１４年）。異なる誘導機構を有するこれらのファイバにおいて、偏光維持特性は、通常、従来の中実コアファイバの方法の代わりにコアクラッドモードの反交差を利用することによって達成される。しかしながら、これらのファイバは、かなり高い伝播損失を呈し、それらの動作は外的摂動に対して敏感である。

本発明者らは、入れ子状に配置された反共振ノードレス設計がフォトバンドギャップファイバよりも構造的パラメータのより大きな制御を可能とし、はじめて反共振誘導に基づいて改善された偏光維持特性および同様に偏光特性を有する中空コアファイバの提供を可能とすることを認識している。

１つの実施形態において、入れ子状に配置された管状構造（ｔｈｅ ｎｅｓｔｅｄ ｔｕｂｕｌａｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）のうちの少なくとも１つの第２の外側管状要素（ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ， ｏｕｔｅｒ ｔｕｂｕｌａｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、他の入れ子状に配置された管状構造のうちの少なくとも１つの第２の外側管状要素の壁厚のものとは異なる壁厚ｔ_１を有し、それにより、ファイバは、位相複屈折（ｐｈａｓｅ ｂｉ−ｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ）および偏光維持（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ−ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ）および／または偏光（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ）である。

１つの実施形態において、他の入れ子状に配置された管状構造のうちの少なくとも１つの外側管状要素の壁厚ｔ_２に対する入れ子状に配置された管状構造のうちの少なくとも１つの外側管状要素の壁厚ｔ_１の関係は、０．５ｔ_２＜ｔ_１＜ｔ_２または１．５ｔ_２＞ｔ_１＞ｔ_２、必要に応じて０．４ｔ_２＜ｔ_１＜ｔ_２または１．４ｔ_２＞ｔ_１＞ｔ_２、必要に応じて０．３ｔ_２＜ｔ_１＜ｔ_２または１．３ｔ_２＞ｔ_１＞ｔ_２である。

１つの実施形態において、他の入れ子状に配置された管状構造のうちの少なくとも１つの外側管状要素の壁厚ｔ_２に対する入れ子状に配置された管状構造のうちの少なくとも１つの外側管状要素の壁厚ｔ１の関係は、ｔ_１＜０．９ｔ_２またはｔ_１＞１．１ｔ_２である。

１つの実施形態において、第１および第２の入れ子状に配置された管状構造のうちの第２の外側管状要素は、少なくとも１つの他の入れ子状に配置された管状構造のうちの第２の外側管状要素の壁厚とは異なる壁厚を有する。

１つの実施形態において、第１および第２の管状構造は、一般に対向する関係（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｏｐｐｏｓｅｄ ｒｅｌａｔｉｏｎ）、必要に応じて径方向関係（ｄｉａｍｅｔｒａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎ）で配置される。

１つの実施形態において、ファイバは、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つまたは８つの入れ子状に配置された管状構造を備える。

１つの実施形態において、ファイバは、４つの入れ子状に配置された管状構造を備え、入れ子状に配置された管状構造の第１の対は、第１の略共通方向（ａ ｆｉｒｓｔ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｍｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に配置され、入れ子状に配置された管状構造の第２の対は、第１の略共通方向に対して略直交する第２の略共通方向（ａ ｓｅｃｏｎｄ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｍｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に配置される。

１つの実施形態において、ファイバのコアの有効半径（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒａｄｉｕｓ）は、光源の波長λの多くとも約１５倍であり、必要に応じて多くとも約７倍であり、必要に応じて多くとも約５倍であり、波長λは、約０．５、０．８、１．０６、１．５５または２μｍである。

１つの実施形態において、少なくとも１つの他の入れ子状に配置された管状構造のうちの１つの内側管状要素（ｉｎｎｅｒ ｔｕｂｕｌａｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）、必要に応じて最内側管状要素（ｉｎｎｅｒｍｏｓｔ ｔｕｂｕｌａｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、少なくとも１つの対応する入れ子状に配置された管状構造のうちの１つの管状要素とは異なる断面サイズおよび／または形状を有し、それにより、入れ子状に配置された管状構造のうちの１つの内側管状要素と少なくとも他の隣接する管状要素との間の間隔Ｚ_１は、少なくとも１つの入れ子状に配置された管状構造のうちの対応する１つの管状要素と隣接する管状要素との間の間隔Ｚ_２とは異なる。

１つの実施形態において、入れ子状に配置された管状構造のうちの少なくとも他の内側管状要素は、異なる断面サイズを有する。

１つの実施形態において、入れ子状に配置された管状構造のうちの少なくとも１つの間隔Ｚ_２に対する入れ子状に配置された管状構造のうちの少なくとも１つの他の間隔Ｚ_１の関係は、Ｚ_１＞１．２Ｚ_２であり、必要に応じてＺ_１＞１．５Ｚ_２であり、必要に応じてＺ_１＞２Ｚ_２であり、必要に応じてＺ_１＞２．５Ｚ_２である。

１つの実施形態において、ファイバは、少なくとも１×１０^−４の位相複屈折を呈する。

１つの実施形態において、ファイバは、多くとも約０．１ｄＢ／ｍ、必要に応じて多くとも約０．０１ｄＢ／ｍの損失を呈する。

１つの実施形態において、ファイバは、基本モードの直交偏光（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓ）間において、少なくとも約１００、必要に応じて少なくとも約２００、必要に応じて少なくとも約５００、必要に応じて少なくとも約１０００の損失比を呈する。

本発明はまた、偏光維持ファイバ、必要に応じて光源信号の入力偏光を維持する偏光維持ファイバとしての上述したファイバの使用にも及ぶ。

本発明は、さらに、偏光ファイバ、必要に応じて偏光子（ａ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を光源信号（ａ ｓｏｕｒｃｅ ｓｉｇｎａｌ）に導入し、必要に応じて非偏光入力（ａｎ ｕｎｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｉｎｐｕｔ）から直線偏光（ｌｉｎｅａｒｌｙ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ）を生成する偏光ファイバとしての上述したファイバの使用にも及ぶ。

本発明は、以下を含む多くの応用分野を有する：

光データ通信
本発明のファイバは、現在のテレコムファイバにおける基本的な物理的限界を表す０．１５ｄＢ／ｋｍ以下の伝播損失を有しかつさらに広い使用可能帯域幅を有する光を導くことができるべきである。現在存在する全ての他の中空コアファイバとは異なり、本発明のファイバはまた、データを伝送する際の混変調歪みを回避するために望ましいシングルモード動作を効果的に行うこともできる。典型的にはガラス導波ファイバよりも３桁大きさが低い超低損失と非線形性とを組み合わせることにより、本発明は、既存のファイバよりも伝送容量を大幅に増加させることができる。

低レイテンシデータ伝送
空気中で光を導くことは、標準的なファイバよりも３０％高い伝送速度を提供し、その特徴は、低レイテンシを必要とするアルゴリズミック商社にとって特有の用途を有する。

低レイテンシはまた、数千台のサーバを相互接続するために数百キロメートルの光ケーブルが使用される場合、データセンタにおける用途／スーパーコンピュータ用途を有する。任意の所定の波長において超低損失を呈する本発明のファイバの能力は、安価なＶＣＳＥＬ伝送技術の使用を可能とすることから、これらの超低レイテンシファイバがデータセンタ内相互接続に大抵の場合使用される波長である約０．８μｍの波長で動作するのを可能とする。

放射線硬度
本発明のファイバは、中間赤外線波長における動作もまた追加要件とすることができる場合、高エネルギ物理学実験および宇宙飛行においてデータ同期信号を伝送するための関心のある放射線硬度を提供する。

高出力供給
本発明のファイバは、０．１％未満、いくつかの構成においては０．０１％未満の光出力がガラス内に導かれ、その出力モードフィールド径（ＭＦＤ）が、例えば、０．８μｍ、１μｍ、１．５５μｍおよび２μｍの任意の波長で動作するファイバレーザのものに容易に調整可能であるように構成されることができる。ファイバはまた、匹敵する有効面積を有するいずれかの中実ファイバのものよりも著しく優れた曲げ堅牢性を有し、効果的にシングルモード化される。これらの特徴は、産業用製造における高出力ファイバレーザ用、特にピーク出力が有害な非線形スペクトル拡大および時間的パルス歪みを誘発するかまたは材料の損傷閾値を超える可能性があるパルス動作用の出力供給ファイバとしての適用を可能とする。ＰＢＧＦと比較して断面の複雑さの大幅な低減はまた、そのようなファイバのアレイの積み重ねがレーザ駆動粒子加速用途における使用を有する後続のコヒーレント再結合のための複数のレーザ光源からの歪みのない超短波、高ピーク出力パルスを伝送するのを可能とする。

中間赤外線ガス分光法
ガラスによる光出力の重なりが非常に小さい（典型的には１０^−５から１０^−４の間）本発明のファイバは、ガラスが非常に不透明である波長における光の透過を可能とする。この特徴は、光がガス媒体中で導かれるという事実と相まって、ほとんどの分子の基本的な回転−振動吸収が存在する中間赤外線における分光用途に使用するのを可能とする。さらなる用途は、例えば、予防癌スクリーニング研究のための呼吸分析におけるガスセンサを含む。溶融シリカで製造された場合、本発明のファイバは、６−６．５μｍまでの波長において〜ｄＢ／ｍの損失で透過を可能とすべきである。さらにまた、ＰＢＧＦ技術とは異なり、本発明は、中間赤外線においてより透明であり、１０μｍ以上の波長の潜在的な透過を可能とする高屈折率ガラスに適用することができる。

生物医学的用途
本発明のファイバは、特定の中間赤外線波長において高エネルギパルスの低損失誘導を提供する際に、外科的用途を可能とする。約３μｍの波長は、例えば、組織に存在する水の高い吸収に起因して多種多様な生物医学的組織を切除するために現在使用されている。組織切除に典型的に必要とされる高いフルエンスは、中実ファイバを使用することを不可能とし、現在の中空コアファイバは、典型的には本発明によって解消される高い曲げ損失を被る。さらにまた、本発明は、例えば癌細胞増殖の臨床的評価または体内細胞プロセスのリアルタイム研究において分子の非線形プロービングのための強力なポンプパルスを伝達することができる内視鏡における適用を可能とする典型的には０．８μｍから１μｍというより短波長における適用を可能とする。

正確な周波数／時間情報を伝達するためのジャイロスコープおよび温度非感受性ファイバ
シリカよりもはるかに小さいカー、ファラデーおよび熱定数を有する空気を介して大きく移動する光学モードを有する本発明のファイバは、電力、磁場および温度変動に対してはるかに低い依存性を呈する。これらの特性は、ジャイロスコープにおける特定の用途および超精密タイムスタンプの送達のための温度非感受性ファイバのニッチ用途を有する。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図２は、図１のファイバにかかる基本空気誘導モードの強度の等高線図を図示している。 図３は、波長の関数として、−０．５、−０．３、−０．１、０、０．８、１、２および４の比ｄ／ｔを有する、重複し、ちょうど接触し（ゼロ間隔）および離間した構造を有するファイバおよび図１にかかる比較ファイバの入れ子状に配置された管状要素の異なる構造に関連する損失のプロットを図示している。 図４は、図１にかかる比較ファイバおよびファイバについて、２つの具現化される波長、すなわち１．４μｍおよび１．６μｍについての比ｄ／ｔの関数としての損失を表している。 図５は、図１のファイバにかかる隣接する第２の管状要素間の交差における方位角方向および径方向の電界強度を図示している。 図６は、図１にかかるファイバの波長の関数としての損失を図示している。 図７は、１３μｍ、１５μｍ、２０μｍおよび２５μｍのコア半径Ｒを有する図１にかかる直線ファイバの波長の関数としての損失を図示している。 図８は、図１にかかるファイバの基本モード（ＦＭ）および第１の高次モード（ＨＯＭ）の損失を図示している。 図９は、図１にかかる１つのファイバの基本モードＨＥ１１および最低損失高次モードＴＥ０１の損失のプロットを図示している。 図１０は、図１にかかる他のファイバの基本モードＨＥ１１および最低損失高次モードＴＥ０１の損失のプロットを図示している。 図１１は、図１にかかるファイバの比ｚ／Ｒの関数としての基本モードＨＥ１１および最低損失高次モードＴＥ０１の損失差プロットを図示している。 図１２は、６つおよび８つの入れ子状に配置された管状要素を有する図１にかかるファイバの波長の関数としての損失のプロットを図示している。 図１３は、６つおよび８つの入れ子状に配置された管状要素を有する図１にかかるファイバの基本モード（ＦＭ）および第１の高次モード（ＨＯＭ）の損失のプロットを図示している。 図１４は、（Ｉ）９μｍ、（ＩＩ）１３μｍおよび（ＩＩＩ）１６μｍのＭＦＤを有する図１にかかるファイバの波長の関数としての損失のプロットを図示している。 図１５は、９μｍのＭＦＤをそれぞれ有する比較ファイバおよび図１にかかるファイバの波長の関数としての損失のプロットを図示している。 図１６は、本発明の第２の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図１７は、直線の場合（実線）および２．５ｃｍの半径に曲げられた場合（破線）の双方における、図１および図１６にかかるファイバの波長の関数としての損失のプロットを図示している。 図１８は、本発明の第３の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図１９は、本発明の第４の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図２０は、本発明の第５の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図２１は、本発明の第６の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図２２は、本発明の第７の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図２３は、本発明の第８の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図２４は、図２３のファイバの基本的な反交差モードプロファイルを表している。 図２５は、本発明の第９の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。 図２６（ａ）は、図２５のファイバの基本モードの高損失（ｙ偏光）直交偏光のモーダル強度プロファイルおよび電界方向を図示している。 図２６（ｂ）は、図２５のファイバの基本モードの低損失（ｘ偏光）直交偏光のモーダル強度プロファイルおよび電界方向を図示している。 図２７（ａ）は、１．５μｍから１．６μｍの範囲内の波長の関数としての図２５のファイバの位相複屈折（ＰＢ）を図示している。 図２７（ｂ）は、１．５μｍから１．６μｍの範囲内の波長の関数としての図２５のファイバの損失を図示している。 図２７（ｃ）は、１．５μｍから１．６μｍの範囲内の波長の関数としての図２５のファイバの損失比を図示している。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる中空コア反共振ファイバを図示している。

ファイバは、内部クラッド表面３を画定する第１の管状クラッド要素１と、この実施形態においてはクラッド表面３において対称関係で離間配置されかつ半径Ｒを有するコア９をともに画定する複数の第２の管状要素５と、第２の管状要素５のそれぞれの１つの内部にそれぞれ入れ子状に配置された複数の第３の管状要素７とを備え、それにより、第２および第３の管状要素５、７の入れ子状に配置されたものは、入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｆを提供する。

この実施形態において、管状要素１、５、７は、断面が円形であるが、例えば、略正方形、矩形、楕円形または長円形などの他の管状形状を有することができる。

この実施形態において、管状要素１、５、７は、それぞれ、同じ断面形状を有するが、管状要素１、５、７の１つ以上は、異なる断面形状を有することができる。

この実施形態において、管状要素１、５、７は円形であり、完全な回転対称性を有するが、他の実施形態において、単一平面または２つの直交平面のまわりに反射対称性を呈することができる径方向に細長い構造とすることができる。

この実施形態において、管状要素１、５、７は、ガラス、ここではシリカから形成される。

この実施形態において、第２の管状要素５は、クラッド表面３上の単一位置においてのみ第１の管状要素１に取り付けられる。

この実施形態において、第２の管状要素５は、非接触関係で配置され、隣接する第２の管状要素５は、その間に間隔ｄを有する。

この実施形態において、隣接する第２の管状要素５の間隔ｄおよび第２の管状要素５の壁厚ｔは、約０．５よりも大きい、必要に応じて約０．８よりも大きい、必要に応じて約１よりも大きい、必要に応じて約２よりも大きく、かつ、約１２未満、必要に応じて約１０未満、必要に応じて約８未満、必要に応じて約６未満である比ｄ／ｔを有する。

この実施形態において、第３の管状要素７は、第２の管状要素５がクラッド表面３に取り付けられる位置において第２の管状要素５のそれぞれに取り付けられる。

この実施形態において、第２および第３の管状要素５、７は、同じまたは略同じ壁厚ｔを有する。

この実施形態において、第２および第３の管状要素５、７の間の直径ｚの差は、直径差ｚとコア半径Ｒとの比ｚ／Ｒが約０．３から約１．０の間、必要に応じて約０．３５から約０．９５の間であるようなものであり、これは最低基本モード損失に対して最適な方式を提供する。

本発明者らは、驚くべきことに、入れ子状に配置された反共振素子５、７の構造によりかつ第２の管状要素５を非接触関係となるように提供することにより、より具体的には、隣接する第２の管状要素５の間隔ｄと第２の管状要素５の壁厚ｔとの間の画定された関係により、既存のファイバと比較して非常に著しく低減した損失を有するファイバが達成されることを見出した。

本発明のファイバは、広い帯域幅で光を閉じ込めるコア９において反共振ストラットのノードレス構造を提供し、第３の管状要素７は、さらに、ファイバの閉じ込め損失を劇的に減少させるブラッグミラーとして効果的にコヒーレントに作用する追加の境界層を提供する。ノードレス構造および入れ子状に配置された第３の管状要素７の効果は、基本空気誘導モードの強度の３ｄＢ等高線プロットを含む図２において明確に図示されている。この構造により、光ファイバにおける内部境界の全ては反共振で動作し、ファイバにおける唯一のノードは、電界が典型的にはコア９におけるよりも６０−８０ｄＢ低くなる外側クラッド要素１との境界に位置する。

図３は、１５μｍのコア半径Ｒを有しかつ第２の管状要素５が０．４２μｍの壁厚ｔを有しかつ比ｚ／Ｒが０．９である、波長の関数として、−０．５、−０．３、−０．１、０、０．８、１、２および４の比ｄ／ｔを有する、重複し、ちょうど接触し（ゼロ間隔）および離間した構造を有するファイバおよび図１にかかる比較ファイバの入れ子状に配置された管状要素５、７の異なる構造に関連する損失のプロットを図示している。負の比ｄ／ｔは、第２の管状要素５が重複関係である構造を表している。図２からわかるように、最適化された比ｄ／ｔを有するファイバは、非常に広い帯域幅範囲にわたって、特に約１．２μｍから約１．８μｍの波長範囲にわたって著しく低減した損失を呈する。

図４は、１５μｍのコア半径Ｒを有しかつ第２の管状要素５が０．４２μｍの壁厚ｔを有しかつ比ｚ／Ｒが０．９であるファイバについて、２つの具現化される波長、すなわち１．４μｍおよび１．６μｍについての比ｄ／ｔの関数としての損失を表している。入れ子状に配置された管状要素５、７を利用する場合かつ比ｄ／ｔが画定された範囲を有する場合、これらのプロットは、損失の大幅な改善を明確に図示している。

観察されるように、損失は、第２の管状要素５が接触している場合または比ｄ／ｔがゼロに近付く場合に顕著に増加する。図５は、隣接する第２の管状要素５の間の交差における方位角方向および径方向の電界強度を図示している。第２の管状要素５が接触している場合（ｄ／ｔ≦０）、電界は摂動するが、方位角方向における摂動は、導波路に反共振の効果がないようにさせるより厚い導波路の存在により、径方向の摂動と一致しない。さらに、第２の管状要素５は離間しているが、間隔は壁厚ｔとの関係で小さく、第２の管状要素５の間の電界は、正常な電界成分の不連続性に起因して局所的に高められる。そして、比ｄ／ｔが大きくなりすぎた場合、入れ子状に配置された管状要素５、７は、導波路として有効に作用するように離れすぎて漏洩を防止する。入れ子状に配置された管状要素５、７の構造の特定の条件においてのみおよび選択された比ｄ／ｔにより、入れ子状に配置された管状要素５、７は、チューブ間のチャネルから電界を効果的に追い出すために反共振にとって十分な導波路を提供する。

図６は、（Ｉ）７μｍのコア半径Ｒおよび０．２μｍの壁厚を有する第２の管状要素５、（ＩＩ）１１μｍのコア半径Ｒおよび０．３μｍの壁厚を有する第２の管状要素５、（ＩＩＩ）１５μｍのコア半径Ｒおよび０．４２μｍの壁厚を有する第２の管状要素５、（ＩＶ）２０μｍのコア半径Ｒおよび０．５５μｍの壁厚を有する第２の管状要素５、（Ｖ）２７μｍのコア半径Ｒおよび０．６μｍの壁厚を有する第２の管状要素５、（ＶＩ）５４μｍのコア半径Ｒおよび１μｍの壁厚を有する第２の管状要素５、および、（ＶＩＩ）８０μｍのコア半径Ｒおよび２．２５μｍの壁厚を有する第２の管状要素５をそれぞれ有しかつ０．９の比ｚ／Ｒを全て有する７つのファイバの波長の関数としての損失を図示している。実線は、２μｍ以上の波長において最もファイバについて支配的な閉じ込め損失および材料吸収損失を示しているとともに、破線は、短波長において誘導するファイバにのみ関連した散乱損失を示している。

観察されるように、約１ｄＢ／ｋｍ以下の損失は、約２．５μｍの波長まで、可視光を介して、ＵＶから予測される。約１ｄＢ／ｍ未満の損失は、約５μｍの波長まで可能であるとともに、約２ｄＢ／ｍから約４ｄＢ／ｍまでの損失を有するファイバは、７μｍまでの波長において利用可能である。これとは対照的に、ＰＢＧＦは、１．５μｍから２μｍまでの間の近赤外線を中心とした最小伝送損失ウィンドウを有する。

さらに、本発明のファイバにおいて、ガラス内を誘導される光出力の割合は極めて低く（１０^−５から１０^−４の間）、ガラスが強力に不透明である波長の光透過を可能とする。例えば、石英ガラスの場合、数ｄＢ／ｍの損失を有するファイバは、ガラス損失が６０，０００ｄＢ／ｍである場合、約５μｍから約７μｍまでの領域の波長において誘導することができた。本発明の導光機構はまた、高屈折率およびより長い赤外線マルチフォノンエッジを有するガラスの使用を可能とし、したがって、中空ファイバは、１０μｍまでの、１２μｍよりも長い、さらにはおそらく１５μｍよりも長い波長において誘導するのを可能とする。同様に、これは、シリカとは異なるガラスから作られたＰＢＧＦが現在までに報告されていない点で高屈折率ガラスが性能を厳しく損なうＰＢＧＦとは対照的である。

図７は、典型的なＡＲＦ（Ｐｏｌｅｔｔｉら、「中空反共振ファイバの性能の最適化」、光通信に関する欧州会議（ＥＣＯＣ）２０１１年、ｐａｐｅｒ Ｍｏ．２．ＬｅＣｅｒｖｉｎ．２）、ＰＢＧＦの最先端技術（Ｐｏｌｅｔｔｉら、ネイチャーフォトニクス、Ｖｏｌ．７、２７９から２８４ページ、２０１３年）および記録された低損失を有する従来のファイバ（Ｎａｇａｙａｍａら、「超低損失（０．１４８４ｄＢ／ｋｍ）純シリカコアファイバおよび伝送距離の延長」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３８、１１６８および１１６９ページ、２００２年）と比較して、５の比ｄ／ｔ、０．５５μｍの壁厚を有する第２の管状要素５および０．９の比ｚ／Ｒをそれぞれ有する１３μｍ、１５μｍ、２０μｍおよび２５μｍのコア半径Ｒを有する直線ファイバの波長の関数としての損失を図示している。

観察されるように、損失は、コア半径Ｒの増加にともなって減少し、この損失の減少は、λ^７／Ｒ^８まで拡大するようにモデル化されている。ここで、λは波長である。１３μｍのコア半径Ｒにおいて、本発明のファイバは、ＰＢＧＦの最先端技術の状態と同等の最小損失を有し、はるかに広い帯域幅にわたって動作可能である。２０μｍのコア半径Ｒにおいて、本発明のファイバは、記録された低損失を現在呈しかつ同様に特により長い波長において広い帯域幅で動作可能な従来のファイバと等価な最小損失を有する。

この実施形態において、ファイバは、６つの入れ子状に配置された管状要素５、７を含む。他の実施形態において、ファイバは、３つ、４つまたは５つの入れ子状に配置された管状要素５、７を含むことができる。

この構造は、７つまたは８つの管状要素または導波路が特に高次モードの消滅に最適な性能のために必要とされるという当該技術分野において適応された理解（Ｖｉｎｃｅｔｔｉら、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１８、２３１３３から２３１４６ページ、２０１０年）に反している。

損失および帯域幅に関連する利益に加えて、本発明のファイバはまた、効果的にシングルモード化される。

図８は、５の比ｄ／ｔ、０．５５μｍの壁厚を有する第２の管状要素および０．９の比ｚ／Ｒを有する、２５μｍのコア半径Ｒを有するファイバの基本モード（ＦＭ）および第１の高次モード（ＨＯＭ）の損失を図示している。２桁の大きさの損失差は、十分に長いファイバにわたる有効なシングルモードの動作を示している。このシングルモードは、モーダル間結合からのデータの歪みを回避する際のデータ伝送についての明確な利点を提供す、ＰＢＧＦとは対照的に、高いデータ伝送容量を実証するために既に成功裏に使用されたにもかかわらず、本質的にマルチモード化されかつ問題のあるモード分割多重伝送における使用をレンダリングする約２の要因のみの比較的低いモード損失差を有する。

図９は、１５μｍのコア半径Ｒ、０．４２μｍの壁厚ｔを有する入れ子状に配置された管状要素５、７、５の比ｄ／ｔおよび０．８の比ｚ／Ｒを有するファイバの基本モードＨＥ１１および最低損失高次モードＴＥ０１の損失のプロットを図示している。

観察されるように、基本モードＨＥ１１および最低損失高次モードＴＥ０１の損失差は、シングルモード動作を可能とする約１桁である。さらに、ガラス内に導かれた光出力の割合は、非常に低い（１０^−４から１０^−３の間）ことに留意されたい。

図１０は、１５μｍのコア半径Ｒ、０．４２μｍの壁厚ｔを有する入れ子状に配置された管状要素５、７、５の比ｄ／ｔおよび１の比ｚ／Ｒを有するファイバの基本モードＨＥ１１および最低損失高次モードＴＥ０１の損失のプロットを図示している。

観察されるように、基本モードＨＥ１１および最低損失高次モードＴＥ０１の損失差は、シングルモード動作をさらに可能とする約２桁である。比ｚ／Ｒを増加することにより、損失差は、入れ子状に配置された管状要素５、７における共振結合を増強することによって大幅に増加される。さらに、ガラス内に導かれた光出力の割合は、非常に低い（１０^−４から１０^−３の間）ことに同様に留意されたい。

図１１は、１５μｍのコア半径Ｒ、０．５５μｍの壁厚ｔを有する入れ子状に配置された管状要素５、７、５の比ｄ／ｔを有するファイバの比ｚ／Ｒの関数としての基本モードＨＥ１１および最低損失高次モードＴＥ０１の損失差プロットを図示している。

観察されるように、この実施形態において、ファイバは、改善された有効なシングルモード動作を提供する２つの有効なシングルモード方式を提供し、これらは、コア９における高次モードＬＰ０１が第３の管状要素７の内部に存在するモードＬＰ１１に一致している約０．０５から約０．４の間、必要に応じて約０．１から約０．３の間、より必要に応じて約０．２から約０．３の間の比ｚ／Ｒについてのものであり、また、コア９における高次モードＬＰ０１が第２および第３の管状要素５、７の間に導かれるモードＬＰ１１に一致している約０．８から約１．２の間、必要に応じて約０．９から約１．２の間、より必要に応じて約１．０から約１．２の間の比ｚ／Ｒについてのものである。これらの構造において、入れ子状に配置された要素５、７は、よく一致した有効屈折率（ｎｅｆｆ）を有し、必要に応じて、摂動に起因してサポートされたモードへの結合を生じさせ、その結果、サポートされたモードに関連する損失を増加させ、それによって損失差を増加させるように、コア９における高次モードＬＰ０１のものに対して約０．００１未満の有効モード（Δｎｅｆｆ）における差を有するモードをサポートする。

同様にわかるように、この実施形態において、ファイバは、約０．３５から約０．９までの間の比ｚ／Ｒについての最低基本損失を提供する。

図１２は、１５μｍのコア半径Ｒ、０．４２μｍの壁厚ｔを有する６つの入れ子状に配置された管状要素５、７であって、５の比ｄ／ｔおよび０．９の比ｚ／Ｒを有する、６つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有する第１のファイバと、同じ１５μｍのコア半径Ｒ、０．４２μｍの壁厚ｔを有する８つの入れ子状に配置された管状要素５、７であって、５の比ｄ／ｔおよび０．７の比ｚ／Ｒを有する、８つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有する第２のファイバと、１５μｍのコア半径Ｒ、０．４２μｍの壁厚ｔを有する８つの入れ子状に配置された管状要素５、７であって、１８の比ｄ／ｔおよび０．５の比ｚ／Ｒを有する、８つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有する第３のファイバとの波長の関数としての損失を表している。

観察されるように、６つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有するファイバにおける有意な損失の利点がある。

図１３は、１５μｍのコア半径Ｒ、０．４２μｍの壁厚ｔを有する６つの入れ子状に配置された管状要素５、７であって、５の比ｄ／ｔおよび０．９の比ｚ／Ｒを有する、６つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有するファイバと、１５μｍのコア半径Ｒ、０．４２μｍの壁厚ｔを有する８つの入れ子状に配置された管状要素５、７であって、１８の比ｄ／ｔおよび０．５の比ｚ／Ｒを有する、８つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有するファイバとの基本モードＦＭおよび第１の高次モードＨＯＭの損失のプロットを図示している。

観察されるように、６つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有するファイバは、５０の基本モードＦＭと第１の高次モードＨＯＭとの間の損失差を有するのに対して、８つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有するファイバは、２．５のみの基本モードＦＭと第１の高次モードＨＯＭとの間の損失差を有し、ファイバ内部を十分長距離にわたってモードを伝播させることによって向上したモダリティの制御および有効なシングルモード誘導を可能とする。

さらに、本発明のファイバは、任意の所定の波長についてのモードフィールド径（ＭＦＤ）のきめ細かい制御を可能とし、対応する中実コアのものに一致したＭＦＤを有する中空コアファイバの製造を可能とする。対照的に、ＰＢＧＦにおいては、所定の動作波長について、中心コアを形成するために所定整数本の毛細血管を除去することによって固定されたコアサイズのセットのみが達成されることができる。

図１４は、イッテルビウムドープされたファイバレーザの典型的な１．０６μｍの動作波長において動作する（Ｉ）９μｍ、（ＩＩ）１３μｍおよび（ＩＩＩ）１６μｍのＭＦＤを有する３つのファイバを図示している。全てのファイバは、０．３７５μｍの壁厚ｔ、５の比ｄ／ｔおよび０．７の比ｚ／Ｒを有し、６μｍのコア半径Ｒを有する第１のファイバ（Ｉ）、８μｍのコア半径Ｒを有する第２のファイバ（ＩＩ）および１０μｍのコア半径Ｒを有する第３のファイバ（ＩＩＩ）を有してコア半径Ｒの点でのみ異なる６つの入れ子状に配置された管状要素５、７を有する。

観察されるように、最小ＭＦＤにおいても、この実施形態において、ファイバは、電力供給用途のために十分に低い損失を有する。例えば、Ｙｂファイバレーザなどのファイバレーザからの中実能動／受動ファイバのものにＭＦＤを調整することは、超低非線形性が特に短パルス供給用途において必要とされる非常に高い非線形性および損傷閾値を保証しながら、結合損失を最小化し、直接スプライス（接合）を好むであろう。

さらにまた、ファイバは、きつく巻回され、同等の低損失値を呈することができる。図１４に図示されるように、１ｃｍ径のマンドレルのまわりに巻回された場合の第１のＭＦＤファイバ（Ｉ）の全損失は、直線の場合に匹敵する。これらの損失特性は、図１５に図示されるように、９μｍのＭＦＤを有しかつ著しくより高い損失を呈する１．０６μｍの波長において動作する既存の中空コア設計のものと比較されることができる。

図１６は、本発明の第２の実施形態にかかるファイバを図示している。

この実施形態のファイバは、第１の記載された実施形態のファイバと同様であり、第３の管状要素７のそれぞれの内部に入れ子状に配置されている第４の管状要素１５を有する点で異なる。

この実施形態において、第２、第３および第４の管状要素５、７、１５は、同一または略同一の壁厚ｔを有する。

図１７は、直線の場合（実線）および２．５ｃｍの半径に曲げられた場合（破線）の双方における、上述した第１および第２の実施形態のファイバの波長の関数としての損失のプロットを図示している。

観察されるように、損失は、第２の記載された実施形態における追加の管状要素１５の導入によって顕著に減少し、さらにまた、この第２の実施形態は、屈曲時に損失差の有意な減少を呈する。

図１８から図２２は、本発明の様々なさらなる実施形態にかかるファイバを図示している。

図１８は、第１の記載された実施形態の変形例であり、この実施形態においては非対称形状、ここでは楕円形または長円形である異なる形状の第２および第３の管状要素５、７を含む。この実施形態において、管状要素５、７は、クラッド要素１の径方向に長い寸法を有する。この実施形態において、ファイバは、１のｚ／Ｒ比を有する。

代替実施形態において、管状要素５、７は、異なる断面形状を有することができる。例えば、第２の管状要素５は、楕円形または長円形などの径方向に細長くすることができ、第３の管状要素７は円形とすることができる。

図１９は、クラッド要素１が第２および第３の管状要素５、７に対して異なる管状形状、この実施形態においては略正方形を有し、４つの入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｄを含む第１の記載された実施形態のさらなる変形例である。

図２０は、入れ子状に配置された管状要素５、７のそれぞれの中間に追加の管状反共振要素１７を含む第１の記載された実施形態のさらに他の変形例である。

図２１は、第１の記載された実施形態のさらに他の変形例であり、クラッド要素１のクラッド表面３において離間関係で配置された８つの入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｈを含む。

図２２は、第２の記載された実施形態の変形例であり、第２の管状要素５に対して大径の第３および第４の管状要素７、１５を含む。この実施形態において、共振は、コア９内で導かれる高次モードと、結果的にサポートされるモードにおいて高損失を形成する第４の最小要素１５内でサポートされるモードとの間で発生する。

図２３は、本発明の第８の実施形態にかかるファイバを図示している。

この実施形態のファイバは、第２の記載された実施形態のファイバと同様の構造であり、第１の対の管状構造１１ａ、ｃおよび第２の対の管状構造１１ｂ、ｄとして直交関係で配置された第２、第３および第４の管状要素５、７、１５をそれぞれ備える４つの入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｄを有する点で異なる。代替実施形態において、ファイバは、例えば３つ、５つ、６つ、７つまたは８つの入れ子状に配置された管状構造１１などの異なる数の入れ子状に配置された管状構造１１を含むことができる。

この実施形態において、一方の、ここでは第２の対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの外側管状要素５は、他方の、ここでは第１の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの外側管状要素５の壁厚ｔ_２のものとは異なる壁厚ｔ_１を有し、一方の対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの外側管状要素５の壁厚ｔ_１は、反共振において動作するために提供するようなものであり、他方の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの外側管状要素５の壁厚ｔ_２は、共振のエッジにおいて動作するために提供するようなものである。

上述した実施形態と同様に、この実施形態の構造は、入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｄの内側管状要素７、１５からの反射反共振層の設置によって閉じ込め損失（ＣＬ）を低減させるが、クラッド構造におけるガラスノードの除去は、大幅に、異なりかつ共振のエッジにおける動作のために提供する１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの外側管状要素５の壁厚ｔ_２を介して、１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの方向における有効屈折率差の導入によって基本モードの直交偏光（ＯＰＦＭ）について強い位相複屈折（ＰＢ）を導入する。

図２４は、各対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｄの外側管状要素５の壁厚ｔ１、ｔ２の差に起因したモード反交差によって達成される上述したファイバの基本モードプロファイルを図示している。

１つの実施形態において、他の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの外側管状要素５の壁厚ｔ_２に対する１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの外側管状要素５の壁厚ｔ_１の関係は、０．５ｔ_２＜ｔ_１＜ｔ_２または１．５ｔ_２＞ｔ_１＞ｔ_２であり、必要に応じて０．４ｔ_２＜ｔ_１＜ｔ_２または１．４ｔ_２＞ｔ_１＞ｔ_２であり、必要に応じて０．３ｔ_２＜ｔ_１＜ｔ_２または１．３ｔ_２＞ｔ_１＞ｔ_２であり、必要に応じてｔ_１＜０．９ｔ_２またはｔ１＞１．１ｔ_２である。

この実施形態において、１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの外側管状要素５の壁厚ｔ_１は１．４２μｍであり、他の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの外側管状要素５の壁厚ｔ_２は１．１７２μｍである。

１つの実施形態において、コア半径Ｒは、信号波長λの多くとも約１５倍であり、必要に応じて多くとも約７倍であり、必要に応じて多くとも約５倍である。ここで、好ましい波長λは、約０．５、０．８、１．０６、１．５５または２μｍである。

この実施形態において、コア半径Ｒは７μｍである。

この実施形態において、入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｄの内側管状要素７、１５は、１．１７２μｍの壁厚を有し、入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｄの間隔ｄおよび管状要素５、７、１５の間の管間間隔Ｚは０．６５Ｒである。

この実施形態において、ファイバは、従来の固体偏光維持ファイバに匹敵する１．５４×１０^−４の位相複屈折性およびそのような小さなコアを有する中空コアファイバにとって顕著である１．５５μｍでの約０．０１ｄＢ／ｍの損失を達成する。

図２５は、本発明の第９の実施形態にかかるファイバを図示している。

この実施形態のファイバは、第８の記載された実施形態のファイバと同様の構造であり、１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄに対して直交する他の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの少なくとも１つの管状要素５、７、１５の断面サイズおよび／または形状が１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの対応する少なくとも１つの管状要素５、７、１５のものとは異なる点で異なる。

この実施形態において、他の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの内側管状要素７、１５の１つ、ここでは最内側管状要素１５は異なる断面サイズからなり、それにより、他の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの１つの最内側管状要素１５と隣接する管状要素７との間の間隔Ｚ_１は、１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの対応する１つの最内側管状要素１５と隣接する管状要素７との間の間隔Ｚ_２とは異なる。

この実施形態において、他の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの最内側管状要素１５は、最内側管状要素１５と隣接する管状要素７との間の間隔Ｚ_１が１．７４Ｒであるように寸法決めされる。

この実施形態において、１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄの間隔Ｚ_２に対する他の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃの間隔Ｚ_１の関係は、Ｚ_１＞１．２Ｚ_２であり、必要に応じてＺ_１＞１．５Ｚ_２であり、必要に応じてＺ_１＞２Ｚ_２であり、必要に応じてＺ_１＞２．５Ｚ_２である。

この構成により、１対の入れ子状に配置された管状構造１１ｂ、ｄは、それらの管状構造１１ｂ、ｄの１方向において、それらの管状構造１１ｂ、ｄの異なるサイズの外側管状要素５の理由で偏光を維持するように機能し、他の対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ、ｃは、それらの管状構造１１ａ、ｃの他の直交方向において、コアと導波モードクラッドとの間の位相整合、それゆえにそれらの管状構造１１ａ、ｃへのアウトカップルコアフィールドを達成するように機能し、それにより、他の方向における大きな損失を導入し、光源信号に単一偏光を導入する。

図２６（ａ）および（ｂ）は、図２５のファイバの基本モードのモーダル強度プロファイル並びに直交偏光の高損失（ｙ偏光）および低損失（ｘ偏光）の電界方向をそれぞれ図示している。

図２７（ａ）から（ｃ）は、１．５μｍから１．６μｍの範囲内の波長の関数としての図２５のファイバの位相複屈折（ＰＢ）、損失および損失比をそれぞれ図示している。

図示されたように、この実施形態のファイバは、Ｃバンド全体にわたりかつＬバンドの最初の半分まで及ぶ大きな複屈折性、低い基本モード損失および大きな損失差を有する、かなり広いスペクトル範囲を有する驚くべき有意な光学的特性を呈する。

この実施形態のファイバにおいて、１対の入れ子状に配置された管状構造１１ａ−ｄの外側管状要素５の異なる厚さから生じる１方向における１つの偏光についての僅かに異なるモードサイズは、クラッドモードへの結合を防止して低損失を維持する一方で、垂直偏光においては、対照的に、コア−クラッドアウトカップリングプロセスは、はるかに大きな損失を導入し、そのため、光源信号に単一偏光を導入する。

理解されるように、位相複屈折性は、１．５μｍから１．６μｍの間の波長にわたって１．４×１０^−４から１．７×１０^−４の間の比較的小さな差異を有する従来の固体偏光維持ファイバのものに匹敵する。

また理解されるように、最低損失偏光は、１．５５μｍにおいて約０．００７６ｄＢ／ｍ程度に低い損失を有する。この損失は、第８の記載された実施形態のものよりも大きいが、損失の増加は、基本モードの偏光間の損失比が約１０００程度に高い、１．５５μｍにおいて約７０ｄＢ／ｍである他の偏光についてのはるかに高い損失によって相殺される。この損失により、ファイバは、メートルスケール用途においてさらに単一偏光を呈するであろう。

この実施形態のファイバは、これまで利用できなかった偏光維持および偏光機能を提供する反共振ファイバ構造を表す。

最後に、本発明は、その好ましい実施形態に記載されており、添付した特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、多くの異なる方法で変更されることができることが理解されるであろう。

Claims (49)

1. 内部クラッド表面を画定する第１の管状クラッド要素と、
   それぞれ前記クラッド表面上の単一の位置においてのみ前記第１の管状クラッド要素に取り付けられ、かつ、有効半径を有するコアをともに画定する複数の第２の管状要素と、
   実質的に前記第２の管状要素が前記クラッド表面に取り付けられる位置において前記第２の管状要素のそれぞれに取り付けられる複数の第３の管状要素と
   を備え、
   前記第２の管状要素は、離間した関係で配置され、かつ、隣接する前記第２の管状要素との間に間隔を有し、
   前記第３の管状要素は、入れ子状に配置された管状構造を提供するために前記第２の管状要素のそれぞれの内部にそれぞれ入れ子状に配置され、
   隣接する前記第２の管状要素の間隔ｄおよび第２の管状要素の壁厚ｔは、０．５よりも大きい比ｄ／ｔを有し、
   隣接する前記第２の管状要素の間隔ｄおよび第２の管状要素の壁厚ｔは、１２未満である比ｄ／ｔを有し、
   コア半径Ｒに対する前記第２および第３の管状要素の径方向内壁間の径方向間隔ｚの比ｚ／Ｒが、０．３５から０．９５の間である
   反共振中空コアファイバ。
2. 前記入れ子状に配置された管状構造が、前記クラッド表面において対称関係に配置される、請求項１に記載のファイバ。
3. 前記第１の管状要素が、断面が円形である、請求項１に記載のファイバ。
4. 前記第２の管状要素が、断面が円形である、請求項１に記載のファイバ。
5. 前記第２の管状要素が、接線方向よりも径方向においてより長い寸法を有する、請求項１に記載のファイバ。
6. 前記第２の管状要素が、断面が楕円形または長円形である、請求項５に記載のファイバ。
7. 前記管状要素の１つ以上が、異なる断面形状を有する、請求項１に記載のファイバ。
8. 前記管状要素が、ガラスから形成される、請求項１に記載のファイバ。
9. 前記ガラスは、シリカである、請求項８に記載のファイバ。
10. 前記管状要素が、少なくとも１．４の屈折率を有するガラスから形成される、請求項８又は９に記載のファイバ。
11. 前記管状要素が、１．４から３の屈折率を有するガラスから形成される、請求項１０に記載のファイバ。
12. 前記管状要素が、１．４から２．８の屈折率を有するガラスから形成される、請求項１１に記載のファイバ。
13. 前記隣接する第２の管状要素の間隔ｄと前記第２の管状要素の壁厚ｔとの比ｄ／ｔが、０．８よりも大きい、請求項１に記載のファイバ。
14. 前記隣接する第２の管状要素の間隔ｄと前記第２の管状要素の壁厚ｔとの比ｄ／ｔが、１よりも大きい、請求項１３に記載のファイバ。
15. 前記隣接する第２の管状要素の間隔ｄと前記第２の管状要素の壁厚ｔとの比ｄ／ｔが、２よりも大きい、請求項１３に記載のファイバ。
16. 前記隣接する第２の管状要素の間隔ｄと前記第２の管状要素の壁厚ｔとの比ｄ／ｔが、１０未満である、請求項１に記載のファイバ。
17. 前記隣接する第２の管状要素の間隔ｄと前記第２の管状要素の壁厚ｔとの比ｄ／ｔが、８未満である、請求項１６に記載のファイバ。
18. 前記隣接する第２の管状要素の間隔ｄと前記第２の管状要素の壁厚ｔとの比ｄ／ｔが、６未満である、請求項１６に記載のファイバ。
19. 前記第２および第３の管状要素が、実質的に同じ壁厚を有する、請求項１に記載のファイバ。
20. 前記ファイバが、１．０μｍから２．５μｍの間の波長において０．１５ｄＢ／ｋｍ未満の基本損失を有する、請求項１に記載のファイバ。
21. 前記ファイバが、最大２．７μｍまでの波長において１ｄＢ／ｋｍの基本損失を有する、請求項１に記載のファイバ。
22. 前記ファイバが、最大５μｍまでの波長において１ｄＢ／ｍ未満の基本損失を有する、請求項１に記載のファイバ。
23. 前記ファイバが、最大７μｍまでの波長において４ｄＢ／ｍ未満の基本損失を有する、請求項１に記載のファイバ。
24. 前記ファイバが、最小０．８μｍまでの波長において１ｄＢ／ｋｍ未満の基本損失を有する、請求項１に記載のファイバ。
25. 前記管状要素の材料内で前記ファイバによって導かれる光出力の割合が、１×１０^−３未満である、請求項１に記載のファイバ。
26. 前記管状要素の材料内で前記ファイバによって導かれる光出力の割合が、１×１０^−４未満である、請求項２５に記載のファイバ。
27. 前記コア半径が、５０μｍ未満である、請求項１に記載のファイバ。
28. 前記コア半径が、４０μｍ未満である、請求項２７に記載のファイバ。
29. 前記コア半径が、３０μｍ未満である、請求項２７に記載のファイバ。
30. 前記コア半径が、２５μｍ未満である、請求項２７に記載のファイバ。
31. 前記コア半径が、２０μｍ未満である、請求項２７に記載のファイバ。
32. 前記コア半径が、１５μｍ未満である、請求項２７に記載のファイバ。
33. 前記コア半径が、１３μｍ未満である、請求項２７に記載のファイバ。
34. 前記ファイバが、前記管状要素の６つの入れ子状構造を含む、請求項１に記載のファイバ。
35. 前記ファイバが、前記管状要素の３つ、４つまたは５つの入れ子状構造を含む、請求項１に記載のファイバ。
36. 前記ファイバが、有効なシングルモードを呈する、請求項１に記載のファイバ。
37. 基本モード損失と高次モード損失との間に、少なくとも１桁の差がある、請求項３６に記載のファイバ。
38. 基本モード損失と高次モード損失との間に、少なくとも２桁の差がある、請求項３７に記載のファイバ。
39. 前記管状要素の入れ子状構造が、前記コアにおける高次モードに対して０．００１未満である有効モードの差（Δｎｅｆｆ）を有する有効屈折率（ｎｅｆｆ）を有するモードをサポートする、請求項３６記載のファイバ。
40. 前記ファイバが、任意の所定の波長について任意のモードフィールド径（ＭＦＤ）が選択されるのを可能とする、請求項１に記載のファイバ。
41. 中実コアファイバと組み合わせる、請求項４０に記載のファイバ。
42. 前記中実コアファイバは、直接接合され、
    前記中空コアファイバが、前記中実コアファイバに整合するモードフィールド径を有する、請求項４１に記載のファイバ。
43. 前記中実コアファイバが、ファイバレーザからのファイバである、請求項４１又は４２に記載のファイバ。
44. 前記中実コアファイバが、イッテルビウムドープされたファイバレーザである、請求項４３に記載のファイバ。
45. 前記ファイバが直線状である際と１０ｍｍの直径に対してコイル状に巻回された際との間の基本モード損失の差が、２桁未満の大きさである、請求項１に記載のファイバ。
46. 前記ファイバが直線状である際と１０ｍｍの直径に対してコイル状に巻回された際との間の基本モード損失の差が、１桁未満の大きさである、請求項４５に記載のファイバ。
47. 前記ファイバが直線状である際と１０ｍｍの直径に対してコイル状に巻回された際との間の基本モード損失の差が、半分未満の大きさである、請求項４５に記載のファイバ。
48. それぞれ前記第３の管状要素のそれぞれの内部に入れ子状に配置された複数の第４の管状要素をさらに備える、請求項１に記載のファイバ。
49. 前記第２、第３および第４の管状要素が、実質的に同じ壁厚を有する、請求項４８に記載のファイバ。

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