KR20040047871A

KR20040047871A - 다중모드 섬유 레이저 격자

Info

Publication number: KR20040047871A
Application number: KR10-2004-7004562A
Authority: KR
Inventors: 모니카 케이. 데이비스; 매튜 제이. 데네카; 존 디. 미넬리; 루이스 에이. 젠테노
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-06-05
Also published as: EP1430572A4; US6751241B2; US6987783B2; US20040233941A1; US20030063629A1; EP1430572A1; WO2003041231A1; CN1592992A; TW571133B

Abstract

본 발명의 광학적으로 활성인 도파관 레이저(30)는 펌프 파장(64) 및 레이저조사 파장(66)을 포함하는 대역폭으로부터 선택된 미리결정된 파장에서 하나 이상의 공간모드를 수반하기 위한 다중모드부(126)를 포함한다. 상기 다중모드부(126)는 제1굴절률을 갖는다. 클래딩부(386)는 상기 다중모드부(126)에 인접해 있다. 다중모드 격자(60, 56 또는 62)는 상기 미리결정된 파장을 반사하기 위한 다중모드부의 적어도 하나의 섹션(26)상에 기입된다.

Description

다중모드 섬유 레이저 격자 {Multimode fiber laser gratings}

광섬유는 전기적 잡음에 대한 고성능 및 저항성에 기인하여 원거리통신용 송신 매체로서 각광받고 있다. 실리카 광섬유는 상대적으로 저렴하며, 단일 횡단 모드로서 제작된 경우 섬유는 증폭기 또는 재생기 없이 수 킬로미터용 1550㎚ 대역에서 신호를 송신할 수 있다. 그러나, 상당한 송신 거리가 포함되거나 또는 광신호가 여러가지 경로로 분할되거나 하기 때문에 여러가지 섬유 네트워크에서 광증폭기가 여전히 요구된다.

도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 종래 증폭기(10)는 입력 송신 섬유(12) 및 출력 송신 섬유(14)의 사이에 배치된다. 에르븀-도핑 섬유 증폭기(EDFAs)는 상기 증폭기(10)의 일례에 따라, 요구되는 광 게인을 제공하기에상당히 효과적인 것으로 알려져 있다. 상기 증폭기(10)의 또 다른 일례로는 라만 게인을 갖는 섬유이다. 더욱 고차수의 모드가 더욱 높은 분산을 나타내므로(통상적으로 고 데이타 속도에서 섬유 송신 거리에 대한 제한 인자임), 송신 섬유들(12, 14)은 모두 단일-모드이어야 한다. 상기 EDFA(10)는 당해분야에 공지된 바와 같이, 에르븀-도핑 실리카 섬유(16) 길이(수십 미터)를 포함한다. 1550㎚의 파장을 갖는 증폭 광신호의 980㎚ 파장에서 펌프되는 경우 순수 3-레벨 모드내에서 에르븀 광섬유가 작동할 수 있음이 공지되어 있다. 상기 도핑된 섬유(16)는 또한 송신 신호 무결성을 유지하기 위하여 단일-모드이어야 한다. 상기 도핑된 섬유(16)는 도핑된 섬유(16)가 강한 광학 펌프에 의해서 펌프될 때 보다 높은 전기 에너지 레벨로 여기될 수 있는 Ee³⁺이온 또는 다른 희-토류 이온의 존재에 기인하여 광학적으로 활성을 띤다. 통상적으로, 광학 펌프 소스(18)는 파장-선택 방향성 커플러(22)를 통해서 상기 도핑되지 않은 상류 섬유(12) 또는 상기 도핑된 섬유(16) 중 어느 하나에 연결된 펌프 소스 섬유(20)를 통해서 상기 도핑된 섬유(16)내로 상기 펌프를 투입하지만, 하류 커플링 또한 공지되어 있다. 상기 단일-모드 Er-도핑 섬유(16)내로 효율적으로 연결하기 위하여, 상기 펌프 소스 섬유(20)는 또한 단일-모드이어야 한다. 작업 EDFA는 부가적인 부재(절연체 또는 게인-평탄화 필터와 같은)를 함유할 수 있고, 이러한 부재는 당해분야에 공지되어 있지만, 본 발명의 배경기술의 이해와 관련되는 것은 아니다.

통상적으로, 전형적인 펌프 소스(18)로는 효율적인 파워 커플링을 제공하기위하여 단일-모드 펌프 소스 섬유(20)와 정렬될 수 있는 도파관 구조("스트라이프" 구조라 함)를 포함하는 에지-방출 반도체 레이저가 있다. 그러나, 이러한 접근은 파장-분할 다중화(WDM)가 포함되는 현대 섬유 송신 시스템에 적용하는데는 실패하였다. WDM과 관련하여, 다수의 독립 레이저가 약간 다른 파장의 모듈화된 광학 운반 신호를 상기 송신 섬유(12)내에 개별적으로 삽입한다. 상기 EDFA는 약 40㎚ 대역폭내의 운반 신호를 증폭시키는데 충분한 대역폭을 갖는다. 증폭되기 위해 다중화된 상당수의 신호가 비례적으로 상당량의 펌프 파워를 모으기 위해 요구된다. 수십년에 걸쳐, 표준 네트워크에 바람직하게 사용되는 수많은 WDM 채널이 약 4에서 40이상의 전류 레벨로 증가되었지만, 단일-스트립 레이저 소스로부터의 출력 파워는 단지 2배이다.

고 파워 레이저 소스에 대한 연구에서, 넓은-영역의 다이오드 레이저가 가장 유효하고 가장 저렴한 펌프 소스로 여겨지고 있다. 최근의 반도체 레이저 기술 발전은 최대 16W의 출력 파워를 갖는 넓은-영역 레이저 다이오드를 생산해냈다. 0.1 미만의 느린-축의 구경 수(numerical aperture; NA) 및 920 및 980㎚에서 4와트의 출력 파워를 갖는 100㎛의 디바이스가 원거리 적용을 위한 성능 테스트에 사용되고 있다. 적합한 커플링 광학에 의해서, 이러한 레이저 다이오드의 빔이 양쪽 횡단 방향에서 0.35 미만의 NA를 갖는 30×5㎛의 작은 스팟내로 초점이 맞추어진다. 이러한 스팟의 광파워 밀도는 약 1.3MW/㎠이고, 이는 3-레벨 레이저 시스템에서 투명성을 달성할 만큼 충분히 높아야 한다.

저렴한 고-파워 넓은-영역 펌프 레이저를 이용하기 위한 한가지 방법은 클래딩-펌프 또는 광 펌프(18)용 2중-클래드 섬유를 포함한다. 상기 클래드-펌프 섬유 레이저의 이점이 잘 알려져 있다. 이러한 디바이스는 휘도(brighness) 컨버터로서 효과적으로 작용하여 장파장에서 다중모드 펌프 빛의 주요 파트를 단일-모드 출력으로 전환시킨다.

클래딩 펌핑은 개별적인 고-파워 단일 모드 섬유 펌프 레이저를 제조하는데 사용될 수 있다. 순수 3-레벨 978㎚ Yb³⁺전이에 기초한 소스가 바람직한 펌핑 파장인 980㎚에 가깝기 때문에 EDFAs용 펌프로서 제안되어 왔다. 그러나, 상기 클래딩-펌프 기술은 만족되어야 할 여러가지 섬유 레이저 디자인 파라미터에 기인하여 980㎚ 이테르븀 전이와 같이, 순수 3-레벨 섬유 레이저를 펌핑하는데 사용하기에 부적절하다.

실용적인 2중-클래드 증폭기 및 레이저는 거의 4-레벨 시스템으로 제한되어 왔다. 2중-클래드 섬유 레이저는 상기 3-레벨 레이저조사(lasing)(레이저조사 전이가 여기된 상태 및 바닥상태 사이에 있음)보다 4-레벨 레이저조사(상기 레이저조사가 2개의 여기상태사이의 전이에서 일어남)에 대해 더욱 나은 성능을 나타낸다. 예를 들어, 희-토류 이온에 있어서, 이테르븀(Yb)은 상기 3-레벨 전이가 978㎚에 있고, 필적하는 보다 높은 게인-4-레벨 전이는 약 1030-1100㎚에 있다.

2중-클래드 레이저에 있어서, 외부 클래딩은 큰 단면적 다중모드 내부 클래딩내의 1차 펌프 소스로부터 펌프 빛을 제한한다. 단면이 작을수록 코어는 단일-모드 출력 신호에서 레이저조사 성능이 제공되도록 통상적으로 적어도 하나의 희-토류 이온, 예를 들어, 네오디뮴 또는 이테르븀으로 도핑된다. 통상적으로, 네오디뮴-도핑 또는 이테르븀-도핑 2중-클래드 섬유는 하나 이상의 수개의 고-파워 넓은-면적 다이오드 레이저로 펌프되어(800㎚ 또는 915㎚) 단일 횡단모드 출력을 제공한다(각각 1060㎚의 네오디뮴 4-레벨 전이 또는 1030-1120㎚의 이테르븀 4-레벨 전이). 따라서, 종래의 2중-클래드 배열은 상기 디바이스의 길이를 따라 펌프 에너지를 코어에 수용하고 전이시키기 위한 다중모드 제1클래딩을 이용하여 상기 섬유의 펌핑을 촉진시킨다. 상기 2중-클래드 레이저 출력은 상기 파장을 에르븀을 펌핑하기에 적합한 약 1480㎚로 파장을 전환시키기 위하여 일련의 단계로 된(cascaded) 라만 레이저를 펌핑하는데 사용될 수 있다. 현재까지, 2중-클래드 디자인은 그 자체로(즉, 라만 컨버터의 부가없이) EDFAs용으로 적합한 모든 흡수 대역에서 충분히 높은 출력을 생산할 수 없거나 또는 상업적으로 시판되고 있지 않다.

얼마나 많은 양의 빛이 2중-클래드 섬유 내부 클래딩내에 연결될 수 있는가는 클래딩 사이즈 및 NA에 의존한다. 공지된 바에 따라, 상기 섬유의 "에텐듀(etendue)"(구경 디멘전 또는 스팟 사이즈에 의해 다중화된 구경 수)가 유효 커플링을 위한 펌프 소스의 에텐듀 이상이어야 한다. 상기 구경 수 및 스팟 사이즈는 2축 모두에서 상이하여 유지되거나 또는 초과되어야 하는 x 및 y 방향에서 에텐듀가 존재할 수 있다.

통상적으로, 제1 및 제2클래딩 사이의 굴절률의 상이함과 관련된 높은 구경수 NA_clad가 바람직하다. 하나 대신 2개의 클래딩이 존재한다면, 제1클래딩의 굴절률이 n_{clad, 1}이고, 제2클래딩의 굴절률은 n_{clad, 2}이며, NA_clad= (n_{clad, 1} ²- n_{clad, 2} ²)^1/2이다. 공지된 디자인에서, 상기 제1클래드 층은 유리로 제조되며, 상기 제2클래드 층은 구경 수 NA_clad가 증가되도록 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 플라스틱(불화 고분자)으로 제조된다. 이러한 플라스틱은 많은 적용을 위한 바람직한 열적 안정성을 가지지 않아 제1클래딩으로부터 떨어지고, 수분변화에 민감할 수 있다.

공지된 2중-클래드 호스트 섬유에서, 상기 레이저 공동(cavity)는 920㎚ 펌프 대역을 투과하고 바람직한 980㎚ 레이저조사 대역을 반사하는 입력 유전 반사경에 의해 형성된다. 상기 섬유 레이저의 모든 입력 반사경에 대해서, 레이저 파장, 예를 들어 978㎚에서 기본 모드만을 반사하여 상기 광학 공동의 입력 말단을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 2중-클래드 섬유 말단에서의 유전 반사경 또는 상기 2중-클래드 섬유의 커플링 말단에 연결된 단일-모드 섬유, 예를 들어 Corning^?CS-980 섬유내의 약한 섬유 브래그 격자는 상기 공동의 입력 말단을 제공하기 위한 출력 커플러로서 작용한다.

고파워 섬유 레이저내의 1차 기술적 도전 중 하나는 상기 2중-클래드 섬유의 다중모드 내부 클래딩을 가로지르는 입력 유전 반사경의 형성이다. 이러한 방법에는 상기 섬유 말단측(endface)에 유리 마이크로-시트를 부착시거나 또는 상기 섬유 말단측상에 박막 유전체를 직접 증착시키는 단계를 포함하지만, 이러한 방법 모두는 자체의 기술적 문제점을 가지고 있다.

2-단계 섬유 레이저가 또한 대체 광학 펌프(18)로서 제안되어 왔다. 이러한 2-단계 레이저는 펌프 파장에서 펌프 빛을 제공하기 위한 광학 펌프 소스를 갖는다. 상기 펌프 파장에서 선택적으로 펌프되는 제1도파관부는 레이저조사 파장에서 방출로 레이저조사할 수 있다. 상기 제1도파관부는 상기 레이저조사 파장에서 다중-횡단-모드 거동을 나타낸다. 상기 레이저조사 파장에서 실질적으로 단일 횡단 모드 거동을 나타내는 제2도파관부는 선택적으로 상기 제1도파관부에 함께 연결된다. 광학 공동은 상기 제1도파관부상의 다중모드 격자 및 상기 제2도파관부상의 단일 모드 격자에 의해 경계지워지며, 상기 제1 및 제2도파관부를 포함한다. 상기 클래딩 굴절률 및 다중모드 코어 굴절률 사이의 차이인 델타 굴절률 또는 대비 굴절률은 상기 방법의 낮은 굴절률의 게르마니아(Ge) 도핑 실리케이트 다중모드 섬유에 대해 0.04 내지 0.06이다.

공지된 바와 같이, 상기 "섬유 브래그 격자" 기술은 입사광이 상기 섬유내의 "단 주기"(즉, 브래그) 격자에 의해 동일한 섬유를 따라 후위로 반사되며, 격자의 제조가 공지되어 있다. 섬유 브래그 격자(FBGs)는 2가지 모드의 전파 상수가 하기 수학식 1의 격자식을 만족시키도록 하나의 모드에서 또 다른 모드까지의 파워를 연결한다:

상기 식에서, β₁및 β₂는 상기 2가지 모드의 전파 상수이고, Λ는 섬유의 격자주기이며, 1차 굴절은 간단하게 예측된다. 전방향 전파 모드가 동일한 후방향 전파 모드로 반사되는 경우, 상기 브래그 조건은 λ _β =2n _eff Λ이고, 여기서 n _eff 는 상기 모드(β=(2π/λ)n _eff )의 유효 굴절률이며 유도 모드(n_clad<n_eff<n_core)코어 굴절률 n_core와 클래딩 굴절률 n_clad사이에 놓인다. 전방향 전파 모드는 또한 모드 직교성이 더이상 유지되지 않을때, 예를 들어 FBG에 기인하여 UV 유도 굴절률 변화 자체가 굴절률 프로파일을 충분히 섭동을 일으킬 때 다른 모드내로 반사될 수 있다. 상기 요구되는 굴절률 프로파일은 섬유의 구조, 클래딩 물질 및 특정 적용을 위한 정확한 파장에 따라 정해진다.

상기 2중-클래드 섬유 레이저는 단일-모드 섬유 레이저에 비하여 상기 고 파워 펌프 소스로부터 상기 2중-클래드 섬유 또는 상기 2-단계 다중모드 중 어느 하나의 레이저 공동내로의 최대 론치(launch)가 가능하기 때문에, 상기 광학 공동은 상기 굴절률 대비와 관련되는 큰 구경 수(NA)를 가져야 한다. 그러나, 파워 향상을 위하여 굴절률 델타를 증가시키기 위해서는 디자인, 테스트 및 복잡한 제조공정 등이 해결되어야 할 선과제로 남아 있다.

따라서, 섬유 레이저의 비용을 또한 감소시킬 수 있는, 섬유 레이저의 신뢰성, 패키지 및 제조공정 단순화를 증대시키는 한편, 2중-클래드 또는 2-스테이지에서 섬유 레이저의 파워 출력을 증가시킬 필요가 있다.

발명의 요약

본 발명의 일 구체예에 있어서, 광학 활성 도파관 레이저는 미리결정된 파장에서 하나 이상의 공간 모드를 수반하기 위한 다중모드부를 포함한다. 상기 다중모드부는 제1굴절률을 갖는다. 상기 다중모드부에 인접한 클래딩부는 파워 증진을 위해 적어도 0.1 정도 상기 제1굴절률 보다 낮은 제2굴절률을 갖는다. 다중모드 격자는 상기 미리결정된 파장을 반사하기 위한 다중모드부의 적어도 하나의 섹션상에 기입된다.

본 발명의 다른 측면에 있어서, 상기 광학 활성 섬유는 섬유 레이저의 제조에 사용된다. 상기 2중 클래드 구조의 활성 섬유는 3-레벨 전이를 갖는 광학 여기 이온으로 도핑된 코어를 갖는다. 상기 코어는 코어 굴절률 및 코어 단면적을 갖는다. 내부 클래딩은 상기 코어를 둘러싼다. 상기 내부 클래딩은 상기 코어 굴절률 미만의 내부 클래딩 굴절률, 상기 코어 단면적 보다 2 내지 25배의 내부 클래딩 단면적, 및 1.5:1을 초과하는 종횡비를 갖는다. 외부 클래딩은 상기 내부 클래딩을 둘러싸며, 상기 내부 클래딩 굴절률 미만의 외부 클래딩 굴절률을 갖는다.

상기 섬유 레이저 또는 증폭기는 광학적으로 펌프될 수 있는, 에르븀(Er³⁺), 네오디뮴(Nd³⁺) 또는 이테르븀(Yb³⁺)과 같은 이온으로 도핑된 코어를 갖는 광섬유를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 상기 활성 섬유 및 단일-모드 출력 섬유는 모두 접합점(junction)에서 가장 낮은 모드에 대해서 동일한 모드 장 직경을 제공하도록 디자인되며, 상기 다중모드 광감응성-도핑 내부 클래딩 단면은 적어도 하나의 다중모드 격자가 기입되는 펌핑 다이오드 레이저의 종횡비와 일치하는 연장된 형상을 갖는다.

본 발명은 단일 모드 섬유 광학 통신 시스템 또는 네트워크에서 볼 수 있는 바와 같이, 특히 에르븀-도핑 섬유 증폭기(EDFA)용 펌프 소스 또는 EDFA 자체로 사용될 때 특히 유용하다.

본원은 1999. 8. 20.자로 출원된 미국 특허출원 제09/378,770호, 1999. 1. 8.자로 출원된 미국 특허출원 제09/426,460호, 2001. 3. 14.자로 출원된 미국 특허출원 제09/808,270호 및 2001. 9. 27.자로 출원된 미국 특허출원 제09/968,354호를 우선권으로 한다.

본 발명은 활성 섬유용 격자에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 3-레벨 이중-클래드 섬유 및 테이퍼된 섬유 레이저용 다중모드 격자에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 통상적인 섬유 광학 원거리통신 시스템에서 사용되는 에르븀-도핑 섬유 증폭기(EDFA)를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따라, 펌프로서 도 1에 나타낸 시스템에 사용되는 광학 활성 섬유(30)를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 제1구체예에 따라 도 2의 활성 섬유(30)를 이용한 2중-클래드 섬유 레이저를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 제2구체예에 따라 도 2의 활성 섬유(30)를 이용한 모드-변형 섬유 레이저를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 제1구체예에 따라 도 3의 활성 섬유(30)를 이용한 2중-클래드 섬유의 단면을 나타낸 도면이다.

도 6은 5는 본 발명의 제2구체예에 따라, 도 3의 활성 섬유(30)를 이용한 2중-클래드 섬유의 단면을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 다중모드 입력 반사경 격자의 반사 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따른 처프된(chirped) 다중모드 펌프 반사기에 대한 격자주기 파라미터 형상을 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명에 따른 도 8의 그래프에 따라 디자인된 처프된 다중모드 펌프 반사기의 반사 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명에 따른 도 3의 활성 섬유(30)의 내부 클래딩(32)의 직사각형 형상(321)의 단면을 나타낸 도면이다.

도 11은 본 발명에 따른 도 3의 활성 섬유(30)의 내부 클래딩(32)의 트랙형 형상(322)의 단면을 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명에 따른 도 3의 활성 섬유(30)의 내부 클래딩(32)의 타원형 형상(323)의 단면을 나타낸 도면이다.

도 13은 본 발명에 따른 도 3의 활성 섬유(30)의 내부 클래딩(32)의 다이아몬드형 형상(324)의 단면을 나타낸 도면이다.

도 14는 도 3의 활성 섬유(30)의 내부 클래딩(32)의 토성 형상(325)의 단면을 나타낸 도면이다.

도 15는 본 발명에 따라 도 2의 활성 섬유(30)를 이용한 섬유 레이저의 테이퍼된 구체예를 나타낸 투시도이다.

도 16은 본 발명에 따라 도 2의 활성 섬유(30)를 이용한 섬유 레이저의 테이퍼된 평면의 구체예를 나타낸 투시도이다.

본 발명의 광학 활성 섬유, 휘광 컨버터, 섬유 레이저, 또는 유전 도파관 레이저는 도 2에 나타낸 바와 같으며, 일반적으로 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 부분에 대해서는 동일한 참조번호를 붙여 몇가지 예시적이고 대표적인 구체예를 설명한다. 일반적으로, 상이한 방법으로 구체화될 수 있는 고-파워 3-레벨 전이 섬유 레이저를 제공하기 위하여 상이한 디자인이 고려될 필요가 있다.

도 2에서, 도 1의 광학 펌프(18)를 제공하기 위한 섬유 레이저용 광학 활성 도파관 레이저(30)는 펌프 파장(64) 및 레이저조사 파장(66)을 포함하는 대역폭으로부터 선택된 미리결정된 파장에서 하나 이상의 공간 모드를 수반하기 위한 다중모드부(126)를 포함한다. 상기 다중모드부(126)는 제1굴절률을 갖는다. 상기 다중모드부(126)에 인접한 클래딩부(386)는 바람직하게는 적어도 0.1의 파워 증가량으로 상기 제1굴절률보다 낮은 제2굴절률을 갖는다. 다중모드 격자(60, 56 및 62)는 상기 미리결정된 파장을 반사하기 위한 상기 다중모드부의 적어도 하나의 섹션(26)상에 기입된다.

다중모드(MM) 펌프 반사기로서 사용되는 상기 다중모드 격자(56)에서, 상기 미리결정된 파장은 상기 펌프 대역폭의 모든 파장(64)이다. 상기 MM 펌프 반사기(56)는 상기 최대 파워를 반사하거나 또는 펌프 스펙트럼내의 모든 파장에서(예를 들어, 상기 펌프 또는 다중화된 펌프의 전체 대역폭에 걸쳐), 그리고 상기 펌프 대역폭내의 모든 파장의 모든 또는 가능한한 많은 모드에서 총파워량을 반사할 수 있도록 고안된다. 상기 다중모드 펌프 반사기(56)는 다른 모드내에서 반사되는 파워에 기인하여 단일-모드 펌프 반사기보다 더욱 파워면에서 효율적이고 상기 MM 섹션(126)의 외부에 위치된 펌프 반사기보다 더욱 효율적이다.

다중모드 섬유 브래그 격자(MM FBG) 신호 반사경 쌍으로서 사용되는 다중모드 격자(60 및 62)에 대해서, 반사되는 상기 미리결정된 파장은 상기 레이저조사 파장이다. 상기 MM FBG 신호 반사경(60 및 62)은 단지 상기 바람직한 신호(레이저조사) 파장(66)의 기본 모드를 반사한다. 이는 MM 성질에 기인하여 다른 파장에서도 더욱 높은 모드(HOM)를 반사할 수 있다. 그러나, 이러한 높은 모드가 상기 섬유 레이저(30)의 게인 피크내에 들지 않는 이상, 상기 HOMs가 불리한 것은 아니다. 상기 신호 반사경은 상기 다중모드 격자(60)가 상기 레이저조사 도파관(26)의 입력 말단(28) 근처에서 공동 고 반사기(100% 신호 반사 및 펌프 투과)로서 사용된다면 높은 반사도를 가지며, 또는 상기 다중모드 격자(62)가 상기 레이저조사 도파관(26)의 출력 말단(29) 근처에서 출력 커플러로서 사용된다면 낮은 반사도(약 4% 반사)를 갖는다. 상기 말단 반사경 또는 출력 커플러(62)는 바람직하게는 신호 피드백을 제공하고 출력 커플러 또는 낮은 공동 신호 반사경로서 작용할 수 있는 4% 반사를 제공하는 저-반사성 격자이다. 따라서, 상기 입력 다중모드 격자(60)는 상기 펌프 파장(λ_p)에서 상기 광학 펌프 신호에 대해 투과성이 높고 상기 출력 신호(66)의 신호(레이저조사) 파장(λ_s)에서 반사성이 높은 반면, 상기 출력 격자 반사경(62)은 상기 광학 공동내의 완전정지파(standing waves) 중 일부가 통과하도록 상기 신호 파장(λ_s)에서 부분적으로 반사성을 띠며, 바람직하게는 또한 상기 펌프 파장에서 적어도 부분적으로 반사성을 띤다. 따라서, 출력 커플러(62) 및 고 반사기 또는 입력 반사경(60)은 상기 광학 공동을 형성하기 위하여 상기 레이저조사 작업이 용이하도록 빛의 반사성을 제공하는 섬유 브래그 격자이다. 따라서, 이러한 말단 반사경(60, 62)은 펌프 파장에서가 아니라 레이저조사 파장에서 신호의 기본 신호 모드를 반사한다.

에르븀-도핑 섬유 증폭기에서 980㎚ 대역 펌프 파워의 요구 증대는 광학 활성 도파관 레이저(30)를 이용한 고파워 섬유 레이저의 한정으로 귀결되고 있다. 상기 섬유 레이저 또는 광학 활성 도파관(30)은 바람직하게는 약 920㎚의 파장 λ_p에서, 적어도 1W의 펌프 파워 출력에서 펌프 신호(64)의 펌프 파장에 의해 펌프되거나 또는 입력면에 조사될 때, 약 980㎚의 레이저조사 파장(66)에서 적어도 3W의 출력 섬유 레이저 파워로 작동 또는 레이저조사를 위한 상기 레이저조사 도파관 섹션(26)내의 광학 여기 활성 도펀트의 일례로서 바람직하게는 이테르븀(Yb)으로 도핑된다.

도 2에 나타낸 바에 따라, 레이저조사 도파관(30)은 바람직하게는 적어도 하나의 섬유 브래그 격자를 포함한다. 섬유 브래그 격자는 광섬유 도파관 포맷내의 바람직한 빛 반사 수단을 제공한다. 간섭 필터 또는 유전 증착이 말단 반사경(60, 62) 모두, 또는 그 중 하나로서 사용될 수 있지만, 브래그 격자 반사기는 바람직하게는 UV 패터닝에 의해 섬유상에 직접 기입될 수 있다. UV 패터닝을 용이하게 하기 위하여, 상기 다중모드 섹션(126)은 게르마늄(Ge)과 같은 광감응성 도펀트로 도핑된다. 상기 다중모드 격자(60, 56 및 62)는 분할되거나(cleaved) 또는 연마된 섬유 말단 상에 증착된 유전 반사경보다 상기 도파관상에 직접 제조되는 것이 더욱 용이하며 신뢰성 있다. 따라서 섬유 브래그 격자는 고파워 섬유 레이저의 입력 말단상에 마이크로-광학 반사경을 사용하기 위한 바람직한 선택이다. 2중-클래드 구조의 Yb 도핑 테이퍼된 섬유 또는 다중모드 내부 클래딩의 다중모드 코어 내에 직접 기입된 섬유 브래그 격자(FBG)는 바람직한 반사 및 투과 특성을 갖도록 디자인될 수 있다. 상기 코어(도 4의 다중모드 코어내의 다중모드 격자(60 및 56), 2중 클래드 구체예로서 도 12의 내부 단일 모드 코어내의 격자 또는 "테이퍼된" 섬유 레이저 구체예로서 도 4의 단일 모드 격자(62)), 상기 내부 클래딩(도 10, 13 및 6에 나타냄), 또는 상기 클래딩 및 코어 모두내에 직접 기입함으로써, 상기 마이크로-광학 반사경 방법과 관련된 신뢰성 문제를 해결할 수 있다.

레이저조사 도파관(30)은 Yb 도핑 광도파관 입력 말단(28)에 인접한 고 반사기 또는 다중모드 입력 반사경(60)을 포함한다. 고 반사기 또는 다중모드 입력 반사경(60)은 약 980㎚와 같은 상기 레이저조사 신호 파장을 중심에 두고, 반사성이 강하여 상기 레이저조사 도파관으로부터 980㎚ 빛을 출력하는데 유리하다.

또 다른 다중모드 격자로서, 상기 레이저조사 도파관(30)은 상기 Yb 도핑 광도파관 출력 말단(29)에 인접한 출력 커플러(62)를 포함한다. 출력 커플러(62)는 약 980㎚와 같은 상기 레이저조사 신호 파장을 중심에 두고, 상기 고 반사기 또는 입력 반사경(60)에 비하여 반사성이 낮아 상기 레이저조사 도파관으로부터 레이저조사 파장의 출력, 즉 980㎚ 빛을 출력하는데 유리하다.

펌프 반사기(56)는 또한 유리한 반사를 제공하는 다중모드 섬유 브래그 격자이다. 상기 레이저조사 도파관(30)은 또한 상기 Yb 도핑 광도파관 출력 말단(29)에인접한 펌프 반사기(56)를 포함한다. 상기 다중모드 펌프 반사기(56)는 920㎚ 또는 946㎚와 같은 펌핑 파장을 중심에 두고, Yb 도핑 광도파관의 말단에 도달하는 920㎚ 또는 946㎚ 펌프 빛이 상기 Yb 도핑 광도파관(26)내에 함유되어 Yb 이온이 적당한 여기 상태로 펌프되도록 높은 반사성을 갖는다.

이러한 섬유 브래그 격자는 레이저조사 도파관(30)내의 광학 공동의 펌프된 공동 또는 내부-공동을 형성하기 위하여 섬유 또는 편평한 도파관일 수 있는 내부-공동 Yb 도핑 광도파관 섹션(26)과 함께 접속되는 가매개(dummy) 또는 비-활성-도핑부(54, 58 및 61)와 같은 개별적인 광도파관 섬유로 제조될 수 있거나 또는 동일한 단일, 집적, 및 완전 단일 광학 레이저조사 도파관(26)의 일부분이거나 또는 이들의 분할된 변형물일 수 있다.

2중 클래드 또는 2중-스테이지에 상관없이 상기 광학 활성 도파관(30)은 다중모드부(126)에 포함된다. 다중모드 격자 반사경 또는 반사기(60 및 62)에 의해 한정되는 섬유 레이저 공동은 도 3의 상기 내부 코어(34)가 단일-모드 출력인 경우인 개선된 2중-클래드 호스트 섬유(30)내에 있거나 또는 Yb-도핑 모드 전이 또는 테이퍼된 섬유 레이저(YTFL)에 대해서 도 4에 나타낸 바와 같은 모드-선택 필터(300)를 포함하는 향상된 2중-스테이지 레이저일 수 있다. 당업자라면 2중-클래드 레이저에 대한 많은 개념을 상기 테이퍼된 섬유 레이저에 적용할 수 있을 것이며, 상기 테이퍼된 섬유 레이저 적용에 대해서는 다시 언급되지 않을 것이다. 예를 들어, 상기 내부 클래딩의 최대면적은 상기 테이퍼된 섬유 레이저의 다중모드 코어의 최대면적과 유사할 것이다.

도 3 및 도 5-6에 튜브형 형태 또는 편평한 유전체 도파관 형태 중 어느 하나내의 2중-클래드 섬유 레이저로서 사용된 광학 활성 도파관(30)의 여러가지 구체예를 나타내었다. 통상적으로 클래딩 펌프된 광학 활성 도파관 레이저(30), 2개의 클래딩(32 및 36)이 일반적으로 포함된다. 제1(내부)다중모드 클래드(32)는 다중모드-펌핑 코어의 역할을 한다. 이러한 경우 상기 다중모드부(126)는 상기 섬유 브래그 격자의 기입을 촉진시기키 위한 광감응성 도펀으로 도핑되는 다중모드 내부 클래딩 섬유 영역(32)을 포함한다. 바람직하게는, Ge 단독 또는 함께 도핑되고 P 및/또는 B로 개선된 것과 같은 감광응성 원소가 상기 다중모드 내부 클래딩 섬유 영역내의 섬유 브래그 격자 기입용 도펀트로서 사용된다. 상기 제1클래딩 또는 클래드(32)는 단일 모드 코어(34)에 인접하며, 제2클래드(36)가 상기 제1클래드(32)를 감싼다. 선택적으로, 상기 코어(34)는 또한 예를 들어, 도 6에는 나타나지 않았지만 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같은 코어 상에 격자를 기입하기 위한 감광응성 도펀트로 도핑될 수 있다. 상기 단일 모드 고 반사기 및 출력 커플러에서 단지 상기 내부 코어 영역을 감광응성 도펀트로 도핑하는 것만으로 충분할 수 있다.

상기 2중-클래드 활성 섬유(30)의 바람직한 디자인 및 디멘전은 장파장 ASE를 억제하는 한편 강한 펌프 흡수를 가능케하고, 3-레벨 작용을 얻기 위하여 충분히 강한 펌프 강도를 가능케한다. 상기 내부 클래딩(32) 내의 중앙에 위치된 바람직한-단일-횡단-모드 코어는 적합한 굴절률 차이를 제공하도록 상기 내부 클래딩(32)으로부터 충분한 조성 차이를 갖는 유리로부터 제조된다. 상기 코어(34)는 엄격하게 단일 모드일 필요는 없고; 2모드 경계상의 코어도 상관없다. 바람직하게는, 상기 코어(34)는 이테르븀(Yb³⁺), 에르븀(Er³⁺) 또는 네오디윰(Nd³⁺) 이온으로 도핑되지만, 다른 희-토류 이온도 사용될 수 있다. 상기 2중-클래드 활성 섬유는 또한 바람직하게는 NA_clad가 0.3을 초과하도록 상기 내부 클래딩(32)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 유리로 제조된 외부 클래딩(36)을 포함한다. 모든 유리 디자인은 이러한 형태의 굴절률을 가능케하며, 상기 유리 형태는 란탄 알루미노실리케이트 유리, 안티몬 게르마네이트, 설파이드, 리드 비스무스 겔레이트, 등을 포함한다. 바람직한 오버클래드용 물질은 유리, 예를 들어 알카리 보로알루미노실리케이트이다.

상기 활성 섬유(30)에 의해 제공되는 이테르븀 섬유 레이저에 있어서, 상기 신호 파장(λ_s)은 3-레벨 Yb³⁺전이에 대응하는 약 978㎚와 같다. 본 발명에서는 섬유 레이저와 관련하여 Yb³⁺도핑의 관점에서 전개하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 섬유 레이저 또는 휘도 컨버터(30)는 Nd³⁺와 같은 기타 전이 또는 희토류 이온으로 도핑될 수 있다. 함께 도핑하거나 또는 일련의 다른 도핑을 통한 것 중 어느 하나의 방법을 통해서 Yb³⁺및 Nd³⁺도핑의 조합으로 도핑된 섬유는 920㎚ 보다는 800㎚에서 펌핑이 가능하다.

제1다중모드 클래드 또는 내부 클래딩은 상기 입력 펌핑 빛을 위한 고 구경수(NA)를 갖는 도파관으로서 작용한다. 상기 다중모드 클래드(D_clad는 도 5에 나타낸 내부 클래딩의 더욱 긴 디멘전(44)임)의 단면은 예를 들어, 펌프 소스(D_laser는 도 6에 나타낸 느린 축의 넓은 면적 레이저 빛 방출 구경(48)의 사이즈임)의 근 장 모드에 일치하는 바람직한 형상 또는 상기 펌프 빔의 커플링 효율을 증가시키는 모든 기타 구조 또는 형상을 갖도록 디자인될 수 있다. 상기 제1 및 제2클래드 층 사이의 구경수(NA_clad)는 상기 펌프 레이저 다이오드의 출력을 포획할 수 있을 만큼 충분히 커야 한다. 실현되는 실제 휘도 증가는 상기 펌프 클래딩 면적 대비 코어 면적의 상기 클래드에 대한 코어 비(CCR)가 클수록 상기 휘도가 증가하는, CCR에 의존한다. 그러나, 상기 코어 및 클래딩 단면 사이 면적의 이러한 불일치는 상기 펌프 조사선의 흡수가 이러한 비율(CCR)에 반비례하기 때문에 긴 디바이스 길이를 필요로한다. 통상적으로 클래딩 면적에 대한 코어 면적의 높은 비율(CCR)은 통상적으로 비율(CCR)이 더욱 높을 수록 주어진 펌프 파워에서 달성될 수 있는 본 발명의 레벨이 더욱 낮아지기 때문에 3-레벨 레이저조사에서 중요한 까다로운 높은 레벨의 역전이 달성된다. 따라서 펌프 흡수와 역전이 관계된다.

따라서, 상기 2-중 클래드 섬유 레이저의 코어에서 도펀트로서 Er, Yb 또는 Nd와 같은 높은 레벨의 역전이 요구되는 희-토류 이온을 이용하여 높은 클래드 대비 코어 비율(CCR)을 얻는 것은 어렵다. 다이오드 레이저 바에서 사용가능한 매우 높은 파워를 이용하는 것 조차도 레이저용 3-레벨 시스템의 작동을 위하여 필요한 높은 레벨의 역전에 도달하기는 매우 어렵다.

상기 역전의 문제점은 Yb에 대한 전이 및 펌프 흡수의 2가지 경쟁관계의 게인 사이의 관계에 기인한다. 예를 들어, 상기 Yb-도핑 게르마노-알루미노-실리케이트 유리(균질한 넓힘으로 가정됨)의 2개의 파장에서의 게인의 관련성은 다음의 수학식 2에 나타낸 바와 같다:

상기 식에서, G₁₀₃₀및 G₉₇₆은 각각 1030㎚ 및 976㎚에서의 게인이며, α_p는 데시벨로 나타낸 부분적으로 희석된 펌프 흡수이고, Γ_s및 Γ_p는 각각 도펀트 프로파일을 갖는 단일 모드 및 펌프 모드의 중복되는 인자이다.

미분 계수의 유사한 관계가 안티몬 실리케이트 유리와 같은 다른 호스트에서도 유지될 것이다. 그러나, 980㎚에서의 Yb 3-레벨 전이의 특정 경우에서, 수학식 2는 상기 코어 면적(A_clad/A_core)에 걸쳐 상기 내부 클래딩 면적의 면적 비율(CCR)에 밀접하게 관련된 Γ_s및 Γ_p의 바람직한 중복 비율을 평가하는데 사용될 수 있다. Yb에서, 적어도 6dB 펌프의 흡수에서 주어진 것이 바람직하고, 1030㎚에서 준-4-레벨 전이에서의 40 이상의 dB를 억제할 수 없고, 상기 수학식 2를 이용하여 바람직한 A_clad/A_core를 계산할 수 있다. 따라서, 바람직한 실리케이트 호스트 유리에서 상기 바람직한 클래드-대비-코어 비(A_clad/A_core)는 Yb 2중-클래드 섬유 레이저에서 8미만으로 나타난다.

도 5-6에 도 1의 섬유 레이저의 제조를 위한, 광학 활성 섬유 또는 편평한 도파관과 같은 레이저조사 도파관(30)이 도시되어 있다. 이러한 최적화된 2중-클래드 구조의 활성 섬유(30)는 3-레벨 전이 이온 또는 고레벨의 역전이 요구되는 모든 다른 타입의 이온을 갖는 광학적으로 여기가능한 이온으로 도핑된, 도핑된 중심 파트 또는 코어(34)를 갖는다. 상기 코어(34)는 코어 굴절률(N_core) 및 코어 단면적을 갖는다. 상기 단면적은 상기 코어의 디멘전(42)으로부터 계산될 수 있다. 상기 내부 클래딩(32)은 상기 코어(34)를 감싼다. 상기 내부 클래딩(32)은 약 0.1 정도의 코어 굴절률보다 낮은 내부 클래딩 굴절률(N_innerclad), 상기 코어 단면적의 2 내지 25배 사이의 내부 클래딩 단면적(2<CCR<25), 및 1.5:1을 초과하는 종횡비를 갖는다. 상기 외부 클래딩(36)은 상기 내부 클래딩(32)을 감싸며, 예를 들어, Al-Sa-Si에 기초한 섬유에 대해서 0.14 굴절률 델타와 같이 상기 내부 클래딩 굴절률보다 작은 외부 클래딩 굴절률을 갖는다. 상기 2중-클래드 활성 섬유(30)의 바람직한 디자인 및 디멘전은 장파장 ASE를 억제하는 함편, 6dB를 초과하는 강한 펌프 흡수를 가능케한다. 상기 내부 클래딩 단면적은 상기 내부 클래딩의 디멘전으로부터 계산되며, 상기 내부 클래딩의 디멘전은 직사각형 내부 클래딩 또는 타원형 내부 클래딩의 보다 긴 디멘전에 의해 예시될 수 있는 긴 디멘전(44)을 포함한다.

도파관 손실, g₉₇₆=7dB는 무시한다. 적어도 약 6dB의 펌프 파워를 흡수하는 것이 바람직하지만, 1040㎚ 게인의 40dB 이하가 파장 선택 피드백에 의해 억제될수 있다. 이러한 값을 수학식 2에 대입하면, 바람직한 클래드-대비-코어면적 비 또는 Γ_s/Γ_p의 중복 비가 산출되며, 980㎚에서 Yb 섬유용 희-토류 도펀트 Yb에 대해서 7.6의 최대비율이 나온다.

활성 매체, 특히 요구되는 고 레벨의 역전을 제공하기 위해서 Er, Nd, Tm 및 Yb와 같은 광학적으로 여기가능한 이온으로서 모든 희-토류 도펀트에 대해서 최대의 허용가능한 내부 클래딩 면적이 상기 2중-클래드 구조에 대해서 존재한다.

일반적으로, 효율적인 레이저 작업을 위하여 가장 중요한 것은 클래드-대비-코어 비율(CCR)이 아니고, 2중-클래드 구조내의 내부 클래딩 또는 테이퍼된 섬유 레이저내의 다중모드 코어의 절대 사이즈이다.

따라서, 상기 2중-클래드 구조에서, 상기 코어(34)는 도 3, 5 및 6의 내부 클래딩의 내부에 맞는 모든 사이즈일 수 있다. 그러나, 상기 코어(34)는 도 1의 출력 섬유(20) 및 상기 출력 섬유(20)에 연결하기 위한 도 6의 단일-모드부(74)와 같은 표준적인 단일-모드 섬유와 유사한 사이즈 및 NA를 갖는 것이 바람직하다. 3 내지 4㎛의 통상적인 단일-모드 코어 반경으로, 10:1 내지 20:1의 클래드-대비-코어 면적 비율 CCR(A_clad/A_core)이 가능하다. 통상적인 4㎛의 코어 반경을 이용하여, 상기 클래드-대비-코어 면적 비율 CCR은 A_clad/A_core=500/(π·3²)≒18이며, 이는 작업 2중 클래드-레이저에 대해서 종래의 참고 또는 보고된 바에 따라 추천되는 값 미만이다.

바람직하게는, 상기 내부 클래딩의 단면적은 500㎛²이하여야 한다. 만약 사용가능한 파워가 4W 펌프 다이오드에서와 같이 레이저 다이오드의 2배라면, 추천 값은 상기 클래드-대비-코어의 면적 비율범위가 20:1 내지 40:1이고 상기 내부 클래딩 면적이 1000㎛²미만이도록 또한 2배여야 한다.

이러한 희토류 도핑 섬유 레이저와 같은 3-레벨 디바이스에 있어서, 달성가능한 역전으로 정의되는, 내부 클래딩내에서 생성될 수 있는 레벨의 펌프 파워 밀도가 중요하다. 상기 내부 클래딩의 최대의 바람직한 면적을 찾기 위하여, 레이저용 파워 임계 평가식을 사용하는 것이 편리하다. 모든 3-레벨 디바이스에 있어서, 레이저내의 임계 펌프 파워 P_th는 포화 파워 P_sat보다 높아야 한다. 즉, 상기 섬유 레이저는 그 길이의 실질적 파트를 따라서 "희석(bleached)"(즉, 약 1/2 레이저조사 원자가 여기상태로 여기됨)되어야만 한다. P_sat는 하기 수학식 3으로 정의되는 포화 파워이다:

따라서, 이러한 두가지 항은 상기 수학식 3에 의해 직접 관련성을 갖기 때문에 상기 내부 클래딩 면적(A_clad)과 유사할수록 상기 포화 파워 P_sat가 낮아진다. 이러한 항은 반비례하므로, 상기 포화 파워가 작으면 작을수록 상기 역전은 더욱 커지며, 따라서 더욱 높은 역전이 3-레벨 레이저 작업을 하기 위해 달성될 수 있다.

상기 임계 파워는 상기 클래딩 면적(A_clad) 및 상기 레이저의 길이에 비례한다. 상기 임계 펌프 파워는 상기 섬유 레이저가 희석되는 경우 α_p/4.343 인자로 상기 포화 파워보다 더욱 높도록 다음의 수학식 4에 따라 정해진다:

상기 식에서 α_a는 펌프 흡수 단면이고, τ는 형광 또는 준안정 레벨의 수명이고, A_clad는 상기 내부 클래딩의 단면적이며, α_p는 dB로 나타낸 펌프 흡수이다. 따라서, 상기 수학식 4로부터, 레이저조사용 파워 임계는 필수적으로 상기 내부 클래딩의 디멘전 및 상기 펌프 흡수 길이에 걸쳐 상기 활성 섬유내의 바탕 손실에 의존한다.

도 6에서, 만약 상기 활성 섬유(30)에 의해 제공된 Yb 섬유 레이저가 단일 2W 넓은 영역 레이저 다이오드(72)로 펌프되고 상기 입력 펌프 파워 P_in=1600mW가 실제 상기 내부 클래딩(32)에서 발진된다면, 효율적인 레이저 작업에서 상기 레이저조사에 요구되는 임계 파워는 상기 입력 펌프 파워의 약 1/4 또는 400mW를 초과해서는 안된다. α_p=6dB, hν=2.16×10^-19J(920㎚ 펌프에 대해서), α_ap=8.3×10^-21㎡,τ=0.8ms 그리고 P_th=0.4W임을 감안하면, 상기 클래딩 면적은 바람직하게는 상기 수학식 4로부터 A_clad=890㎛²이다. 따라서, 920㎚ 넓은 면적 레이저 다이오드로 펌프된 Yb 도핑 976㎚ 2중 클래드 섬유 레이저에 대해서, 클래드-대비-코어 면적 비율의 바람직한 값은 수학식 2로부터 2:1 내지 8:1이며, 상기 임계는 가능한한 감소되어야 하기 때문에 상기 내부 클래딩의 단면적은 수학식 4로부터 900㎛²을 초과하지 않아야 한다.

이러한 작은 클래드-대비-코어 면적 비율을 갖는 2중 클래드 섬유는 재현가능하다. 바람직한 10×30㎛의 타원형 다중모드 내부 클래딩내의 8㎛ 직경의 원형 코어에 있어서, 상기 면적 비율은 Yb에 대하여 최대 지침 비율 8 미만인 (5·15/4²)≒4.7과 같다.

그러나, 상기 내부 클래딩의 최대면적의 실질적인 사이즈는 물질(NA_clad및 굴절률 대비 또는 굴절률 델타)의 선택 및 펌프 집속 광학의 성능에 의해 제한될 것이다. 2 이상의 클래딩 종횡비로는 상기 코어 또한 타원형이 아니라면 2 미만의 클래딩 대비 코어 면적 비율 CCR을 갖기는 불가능하다. 또한, 종래의 광학으로 100㎛의 넓은 면적 레이저를 20㎛ 사이즈 미만의 스팟내로 집속(focusing)시키기는 매우 어렵고, 요구되는 굴절률 대비 또는 굴절률 델타 또한 너무 낮아서 10㎛를 초과하는 단일-모드 코어를 제조하기는 불가능하다. 또한, 이는 최소 CCR이 약 2임을 나타낸다.

작은 클래드-대비-코어 면적 비율(CCR)을 갖는 2중-클래드 레이저에 있어서, 상기 신호의 클래딩 모드는 보다 높은 차수의 모드(HOM)에서 게인을 경험하기에 충분한 정도로 도핑된 코어로 중복될 것이다. 상기 도파관의 모든 모드는 상기 광학 장(field)의 특정 프로파일을 갖는다. 단지 장이 상기 도핑된 영역과 중복되는 만큼 증폭된다. 기본 코어 모드의 대부분의 장은 상기 코어(34)내에 있고, 이러한 모드는 요구되는 역전 레벨이 달성된다면 분명하게 증폭된다. 그러나, 상기 내부 클래딩은 큰 사이즈에 기인하여 많은 상이한 모드를 지지한다. 몇몇 이온들은 모든 모드, 코어 및 클래딩에 동일한 양의 광자를 부여하면서 항상 동시에 전이한다. 만약 상기 클래딩이 상기 코어에 상응하는 사이즈를 갖는다면, 적어도 몇몇의 보다 고차수의 내부 클래딩 신호 모드가 또한 증폭되는 코어 내의 이온과 그들의 장이 충분히 중복될 것이다. 이는 보다 고-차수의 클래딩 모드(ASE)에서 축적된 광학 에너지가 단일-모드 출력 섬유와 연결되지 않기 때문에 상기 레이저의 효율을 감소시킬 것이다.

상기 레이저에 대한 하나의 해결방법은 기본 모드-단독 레이저 작업이 가능하도록 모드-선택 피드백을 사용하는 것이다. 만약 충분한 길이가 제공된다면, 상기 2중-클래드 섬유는 도 3 및 5에 나타낸 바와 같이, 출력 말단 부근의 상기 2중-클래드 섬유의 내부 클래딩 상에 기입된 출력 커플러(62)를 갖는 섬유 레이저로서 사용될 수 있다. 그러나, 보다 큰 길이가 필요하거나 또는 단일 모드 섬유와 더 잘 일치하는 모드가 바람직하다면, 상기 출력 커플러(62)는 도 6에 나타낸 바와 같이 단일-모드 섬유(74)의 단일 모드 코어상에 공동-말단 반사경(52)로서 대신 기입될수 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 모드-일치 커플링(17)은 상기 확장된 광학 공동의 출력 말단처럼 상기 출력 커플러 격자(52)를 함유하는 단일-모드 섬유(74)와 연결시키기 위하여 접속, 하향 피그테일 또는 테이퍼 형태로 존재할 것이다. 따라서, 상기 격자된 단일-모드 섬유(74)는 상기 최저 횡단 레이저조사 모드를 선택하기 위한 광학 활성 섬유의 출력 말단에 연결되는 내부-공동 횡단-모드-선택 부재를 제공한다. 따라서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 모드-선택 피드백을 제공하기 위하여, 상기 출력 단일-모드 섬유(74)는 상기 2중-클래드 섬유 코어 모드와 모드-일치되며, 단일 모드 브래그 격자 형태의 상기 단일 반사기, 출력 커플러, 또는 상기 신호 반사경(52)은 단일 모드 출력 섬유(74)내에 제공되어 단지 상기 코어 모드에 대한 강한 광학 피드백이 가능하도록 한다. 만약 상기 내부 손실이 상기 단일-모드부(74)내에서 충분히 작다면, 상기 레이저 효율은 상기 반사경(52)의 외부의 단일 모드부(74)내의 외부 반사에 상대적으로 덜 민감하다. 따라서, 4-15%의 외부 반사기(52)는 상기 효율을 현저히 감소시키지 않을 것이다.

선택적으로, 상기 반사기 또는 출력 반사경(52)은 단일 모드 섬유 섹션(74)을 간섭하지 않고 상기 단일-모드 출력 섬유(20)내에 위치될 수 있다. 도 1의 맞댐(butt) 연결 출력 섬유(20)에 대해서 에어 갭을 가로지르는 상기 단일 모드 격자(52)의 단지 4% 반사도 상기 광학 공동을 제한하기에 충분하다. 상기 단일 모드 섬유(20)는 상기 코어(34)의 출력 말단에 맞대어 연결된다.

상기 섬유는 일단 모드-일치되면, 단지 하나의 모드, 즉 상기 2중-클래드 섬유 레이저(30)의 코어 모드내의 레이저조사 신호(66)의 기본 모드가 피드백을 수용하며, 상기 클래딩 모드는 수용하지 않을 것이다. 따라서, 상기 반사기 또는 반사경(52)은 모드 선택 기능을 수행하기 위하여 상기 신호 빛을 반사한다. 상기 반사기(52) 및 모드 일치의 존재는 상기 클래딩 모드가 레이저조사되지 않도록 할 것이다.

따라서, 바람직하게는, 상기 각각의 최저 차수의 모드에 대한 모드 장 직경(MFD)은 상기 활성 섬유(30)의 출력 말단과 상기 단일 모드 섬유(20 또는 74) 사이의 접합부를 가로질러 일치된다. 굴절률-구배되지 않는다면, 상기 코어는 단일 횡단 모드가 연결을 최적화하기 위해서 표준 단일 모드 섬유와 동일한 모드 장 직경을 갖도록 상기 출력 신호 파장에서 상기 코어가 단지 하나의 횡단 모드를 지지하도록 충분히 작은 사이즈를 갖는다.

예를 들어, 다중-성분 실리케이트 유리의 30×10마이크론(또는 ㎛)의 직사각형 내부 클래딩(32)은 CS980 단일-모드 섬유(20)에 근사하게 일치되는 출력 모드를 제공하기 위하여, 125마이크론의 직경을 갖는 외부 클래딩(36)내에 위치되며, 6마이크론의 코어 직경(42)을 갖는 코어(34)를 갖는다. 바람직하게는, 안티몬 실리케이트 유리가 사용된다. 또 다른 다중-성분 실리케이트 유리는 60SiO₂28Al₂O₃12La₂O₃(몰%)이다. 기타 단일-모드 섬유가 사용가능하더라도, 상기 단일-모드 섬유(20)는 바람직하게는 980㎚에서의 전파파장용으로 Corning Inc.에서 제조되어 기준 125마이크론의 외부 직경을 갖는 CS980 단일-모드 섬유이다.

상기 열팽창계수(CTE)의 불일치를 최소화하는 것은 섬유 신뢰성을 높이고 상기 섬유의 접속 및 말단 연마를 용이하게 하는데 매우 중요하다. 상기 내부 클래딩 및 외부 클래딩 사이에서 0-200℃ CTE 범위에 걸쳐 +/-30×10^-7/℃ 미만의 불일치는 는 허용가능하다. 불일치의 가장 주요한 포인트는 상기 코어에 대한 클래드의 CTE 불일치가 연마를 위해 중요하다 하더라도 상기 내부 및 외부 클래드 사이에서이다. 따라서, 상기 코어는 바람직하게는 또한 0-200℃ CTE 범위에 걸쳐 +/-30×10^-7/℃ 미만의 내부 클래딩 물질과 불일치하는 열팽창계수(CTE)를 갖는 유리로부터 제조된다. 이러한 요구조건은 안티몬 실리케이트, 알루미노-란타노-실리케이트, 알루미노-포스포-게르마노실리케이트 및 기타 산화물 유리를 사용함으로써 용이하게 충족된다. 몇몇 섬유-제조 기술에 있어서, 이러한 3중-도가니 인발과 같이, 도파관 형상을 보다 잘 조절하기 위하여 코어, 내부 및 외부 클래딩 유리의 점도를 일치시키는 것 또한 중요하다.

본 발명은 높은 역전 레벨이 3-레벨 레이저의 전체 길이를 통해서 유지되어야만 하기 때문에, 펌프 파워의 상당량이 다른 말단상을 통해서 빠져나간다. 따라서, 상기 레이저의 효율을 극대화하기 위하여, 잔여 파워를 상기 디바이스로 재반사할 수 있는 펌프 반사기(56)를 사용하는 것이 바람직하다.

매우 작은 양의 신호 반사조차도 바람직하지 않은 다중-경로 간섭 효과를 유발할 수 있다. 따라서, 펌프 반사기(56)는 상기 섬유 말단 부근의 도 5의 도핑된 레이저조사 도파관의 내부의 호스트 공동 섬유내에 바람직하게 기입되지만, 또한 상기 레이저조사 도파관 외부에 위치되거나 및/또는 상기 레이저 섬유에 이어지는다른 섬유내에 기입될 수 있다. 따라서, 도 3 및 6에서 비-도핑 2중-클래드 섹션(58)내의 섬유 말단으로부터 단거리로 선택적으로 위치된 상기 다중모드 격자(56)는 만약 펌프 파장에서 100% 및 신호 파장에서 5-15%를 반사하도록 디자인된다면, 또는 기타 반사 스펙트럼에서 펌프에 대해서 상당부분 반사하고 신호는 투과하도록 신호에 대한 몇몇 모드-선택 피드백을 제공할 수 있다.

2중-클래드 구조용 비-활성 도핑 2중-클래드부(58)(또는 도 4의 테이퍼된 섬유 레이저 구조의 비-활성 도핑 다중모드부(58))내에서 펌프 반사기(56)로서의 역할을 하는, 도 1의 단일 모드 섬유(20)에 직접, 또는 간섭 단일 모드 섹션(74)에 모드-일치 연결(접속)(17)된 섬유 브래그 격자(FBG)는 상기 2중-클래드의 다중모드 내부 클래딩부 또는 상기 레이저의 파워 출력을 향상시키기 위한 테이퍼된 섬유 레이저의 다중모드 코어내에서 전파되는 펌프 대역폭 파장의 공간 모드의 대부분에서 파워를 최대한 반사함으로써 모드-선택 피드백을 제공할 수 있다.

따라서, 일반적으로, 펌프 반사기(56)로서 사용되는 다중모드 섬유 브래그 격자(MM-FBG)는 상기 다중모드의 말단 또는 2중-클래드 Yb-도핑 영역에서 흡수되지 않는 잔유 펌프 파워를 재사용한다. 상기 펌프 반사기에 대해서, 가능한 많은 모드가 펌프 파장에서, 예를 들어 920㎚ 대역에서 반사되어야 한다. 상기 펌프 반사기는 상기 높은 NA 다중모드 섬유에서 가능한 많은 모드를 반사하여야 하지만, 980㎚에서의 레이저 라인을 반사해서는 안된다. 이러한 펌프 모드는 자기-반사하거나 또는 기타 후진 전파 모드내에 연결되거나; 반사가 상기 펌프의 재사용을 용이하게할 수 있다. 통상적으로 모든 고 차수의 모드는 n_eff가 각각의 고차수 모드에서 더욱 낮기 때문에 단파장에서 반사한다.

도 7에서, 상기 균일한(uniform) 섬유 브래그 다중모드 격자의 반사 스펙트럼은 브래그 조건이 연속적으로 단 파장에서 보다 고 차수의 모드를 충족시킴을 나타낸다. 따라서, 보다 고차수의 모드를 반사하기 위하여, 처프된 FBG를 이용하여 격자 주기를 증가시키는 것이 바람직하다. 처프는 상기 격자를 따르는 주파수 또는 주기를 의미한다.

상기 펌프 파장 대역폭(64)의 일례로서, 915㎚에서 925㎚까지의 타겟 펌프 윈도우가 증가된 다이오드 구동 전류로 펌프 파장 시프트를 가능하게 하는 것으로 생각된다. 925㎚에서의 기본 모드의 반사는 n_core=1.53인 섬유의 Λ_min=302㎚의 격자 주기가 요구된다. 915㎚(n_eff≒1.456)에서의 최고차수 모드의 반사는 격자 주기 Λ_max=314㎚를 필요로한다. 따라서, 12㎚의 처프를 갖는 MM FBG는 모든 펌프 모드를 효과적으로 반사할 것이다. 상기 978㎚에서의 레이저조사 모드는 상기 격자 주기가 상기 레이저조사 파장을 반사하는 격자 주기인 320㎚ 미만이기 때문에 상기 펌프 반사기(56)에 의해 영향을 받지 않는다.

도 8에 코어 굴절률의 함수로서 처프된 FBG에 대한 허용가능한 파라미터 공간을 나타내었다. 상기 점선은 920㎚에서의 펌프에 대한 최저차수 및 최고차수의 모드를 나타낸다. 상기 실선은 바람직한 980㎚ 레이저 라인에 대한 모드를 나타낸다. 이상적인 펌프 반사기는 상기 점선 사이의 FBG 주기 범위를 넓히지만, 상기LP₀₁980㎚ 경계를 초과하지 않는다. 상기 펌프(915-925㎚) 및 신호 대역(976-980㎚) 사이의 작은 파장 간격에 기인하여 신호 모드를 반사하지 않는 한계가 있다. 높은 굴절률 섬유의 격자는 높은 코어 굴절률과 관련되는 디자인 한계를 갖는다. 만약 상기 굴절률이 너무 높다면, 바람직한 레이저조사 신호 부근의 파장에서 기본 모드의 반사를 방지하는 것이 바람직하기 때문에 펌프 반사기 상의 허용되는 처프에 제한이 따른다.

각각 920㎚ 및 980㎚에서의 펌프 및 신호 파장에 대해서, 그리고 실리카 클래딩으로 가정했을 때, 이러한 제한은 도 8에 나타낸 바에 따라 약 n=15 부근이다. 따라서 980㎚ 기본 모드의 반사는 상기 코어 굴절률이 1.55를 초과하는 경우 문제가 된다. 상기 코어 굴절률 제한은 섬유 구조, 클래딩 물질 및 문제되는 정확한 파장에 따라 변화될 것이다.

실질적으로, 상기 최대 격자 주기는 920㎚에서 최고차수 모드에 의해 나타나는 것보다 더욱 짧을 수 있다(도 8의 상단 점선). 대부분의 펌프 파워는 좀 더 낮은 차수의 모드에서 작용하기 때문에, 제1의 30 내지 50의 모드의 반사는 펌프 반사에 충분할 것으로 기대된다; 그 다음, 격자 주기 Λ상의 상단 경계는 상기 클래딩 굴절률 n_clad보다는 30번째 또는 50번째 모드의 유효 굴절률 n_eff에 의해 결정된다.

상기 격자 주기를 감소시키는 것은 높은 NA 섬유 및 낮은 광감응성을 갖는 호스트 섬유 모두를 위한 몇몇 디자인 기회를 제공한다. 낮은 감광응성은 낮은 처프 속도 및/또는 높은 반사 계수를 달성하기 위한 긴 상호작용 길이를 의미한다. 상기 정확한 처프 속도 및 격자 길이는 선택된 다중성분 실리카 섬유의 감광응성 및 상기 레이저 공동 내부의 허용되는 격자 정도에 의해 결정된다.

상기 섬유의 굴절률(n)은 섬유 및 공동 디자인에 의해, 예를 들어, 요구되는 NA가 무엇인지에 따라 결정된다. 도 8은 n_clad=1.456이고, n_core=x-축상의 값인 섬유에서 상기 격자 주기 또는 상기 허용가능한 처프 범위를 어떻게 선택할 수 있는가를 나타낸다.

상기 펌프 반사기의 격자 대역폭은 상기 펌프의 가능한한 많은 모드내의 펌프 대역폭 만큼 커야 한다. 이의 효과는 반사되는 모든 모드를 볼 때 상기 격자 대역폭이 상기 펌프 대역폭 보다 크다는 것이다. 예를 들어, 상기 915㎚에서 기본 모드가 반사된다면, 보다 높은 차수의 모드가 자동적으로 보다 단 파장에서, 즉 910㎚에서 자동적으로 반사된다. 이와 유사하게, 925㎚에서 최고차수의 모드를 반사시키기 위해, 보다 장 파장에서, 즉 930㎚에서 보다 낮은 차수의 모드가 반사될 것이다. 예를 들어, 도 9의 12㎚를 초과하는 대역폭을 갖는 MMFBG를 참조하라. 상기 펌프 반사기의 대역폭은 상기 펌프의 대역폭, 상기 섬유(도 8에 따른)의 굴절률 및 기타 파라미터에 기초하여 디자인 될 수 있다.

따라서, 상기 격자 주기 또는 펌프 반사기의 처프를 선택하기 위하여, 본 발명에서는 상기 다중모드 펌프 반사기가 펌프 파장의 기본 모드와 관련되는 최대 격자 주기와 상기 단일 파장의 기본 모드 또는 상기 펌프 파장의 가장 높은 모드중의하나와 관련되는 좀 더 작은 격자 주기인 최대 격자 주기 사이의 격자 주기를 나타내야 함을 명시하고 있다. 이를 수행하기 위하여 도 8에서는 x-축 상의 섬유 코어 굴절률 및 LP₀₁, 920㎚에 대응되는 y-값을 선택한다. 이는 상기 격자 주기상에 좀 더 낮은 제한을 부여한다. 동일한 x-값을 사용하여, 보다 적은 LP₀₁, 980㎚(n_core>1.55인 경우), 또는 LP_pq, 920㎚(n_core<1.55인 경우)에 대응되는 y-값을 찾는다. 이는 상기 격자 주기에 대한 상한점을 부여한다. 이는 "펌프 반사기"로 표시된 양방향 화살표에 의해 나타낸 영역내의 펌프 반사기에서 선택하고, "금지 영역"으로 표시된 영역에서 선택되지 않도록 한다. 공지된 상(phase) 마스크 기입 기술이 사용된다면, 상기 상 마스크 간격은 상기 격자 주기의 2배가 된다.

상기 다중모드 섬유의 입력 반사경(60)은 또한 2중 클래드 섬유의 최적의 모드 판별을 위해 디자인될 수 있다. 2중 클래드 섬유 레이저에서, 상기 기본 모드 및 몇몇의 매우 유사한 유효 굴절률을 갖는 보다 낮은 차수의 모드는 모두 도 6의 출력 반사경(52)과의 관계에서 기술한 바와 같이 상당한 게인을 나타낼 수 있다.

상기 섬유 레이저는 바람직하게는 바람직한 좁은 대역 레이저조사 신호 파장에 일치된 기본 모드를 갖는 처프되지 않은(또는 매우 천천히 처프된) MM 입력 반사경 격자(60)를 갖는다. 잠재적인 게인을 갖는 기타 파장에서의 원치 않는 반사를 피하기 위하여, 상기 대역폭은 높은 코어 굴절률과 관련된 디자인 규칙에 의해 한정된다. 예를 들어, 10㎛의 내부 코어(직경), 굴절률 n_{clad, 2}=1.46의 외부 클래딩,및 굴절률 n_{clad, 1}=1.62의 내부 클래딩을 갖는 32㎛×16㎛의 타원형 2중-클래드 섬유에서, 낮은 차수의 모드에 대해서 다음의 유효 굴절률이 계산된다.

	케이스 1(n_core=1.622)	케이스 2(n_core=1.624)
eff, 0	1.62105	1.62290
eff, 1	1.61978	1.62130
eff, 2	1.61807	1.61918

상기 격자가 0.3015㎛의 간격을 갖는다면, 케이스 1의 모드 0, 1, 2에 대한 브래그 파장은 977.5㎚, 976.7㎚ 및 975.6㎚이다. 따라서, 상기 격자 대역폭이 무시된다면, 좀 더 높은 차수의 모드가 반사될 것이며, 바람직하게는 상기 레이저 대역폭(약 2㎚)내에 해당되는 기본 브래그 파장을 따라 조사될 것이다. 그러나, 0.5㎚ 미만으로 격자 대역폭을 제한하는 것은 단지 상기 기본 모드만을 선택적으로 반사하고 바람직하게는 차동 모드 손실을 증가시킬 것이다.

상기 격자 주기 또는 반사기 또는 또는 반사경의 대역폭을 선택하기 위하여, LP₀₁, 980㎚에 대응되는 x-축 및 y-값 상의 섬유 코어 굴절률을 선택한다. 여기서 상기 타겟은 단일 모드 신호 반사기이며 바람직하게는 처프되지 않은 것이 좋지만, 처프된 입력 반사경(60)(도 15 참조) 또는 처프된 출력 반사경(도시되지 않음)이 또한 가능하다. 여기서 상기 격자 대역폭은 다음의 수학식 5에 의해서 대략 결정된다:

차동 모드 손실을 최대화하기 위한 상기 간략화된 조건에서, 상기 좌측항은j번째 모드의 브래그 파장으로 나눈 격자 대역폭이고, 상기 우측항은 후자의 모드 유효 굴절률로 나눈 0번째 차수의 모드와 j번째 차수의 모드 사이의 유효 굴절률 차이이다.

예를 들어, 수학식 5로부터, 만약_neff,0=1.62105라면, Λ=0.980/(2*1.62105)=0.3023㎛인 980㎚ 반사기가 디자인된다. 다음 모드는_neff,1=1.61978에서 또는 979.23㎚에서 발생되어, 상기 격자 대역폭은 980.0-979.23=0.77㎚ 미만이어야 한다. 이는 340㎛(0.77㎚ 대역폭)에서 520㎛(0.5㎚ 대역폭)까지의 모든 범위에서 균일한 간격의 FBG로 제조되거나, 또는 가우스 어포다이즈된(apodized) 격자와 같은 기타 공지된 디자인으로 제조될 수 있다.

브래그 조건이 상당히 높은 유효 굴절률이 달성되도록 만족되어야 하기 때문에 고 굴절률 섬유의 격자는 또한 통상적으로 표준 상 마스크 보다 낮은 주기를 갖는 특정 상 마스크가 요구된다. 이렇게 낮은 주기의 마스크는 상업적으로 입수가능하지만, 주문화에 따라 보다 높은 비용이 든다.

처프된 다중모드 FBGs를 달성하는데 몇가지 방법이 사용될 수 있다. 가장 간단한 방법으로는 특별히 디자인된 처프된 상 마스크를 사용하는 것이다. 상기 FBG 노출 공정은 균일 FBG와 동일하다. 빔 조작은 발산성(diverging)(또는 수렴) 빔을 이용하여 이루어지며, 폭넓은 처프 범위로서 제공되지는 않지만, 균일한 상 마스크가 또한 이용될 수 있다. 상기 빔이 상 마스크 뒤로 퍼짐(수렴)에 따라서, 상기 격자 주기는 약간 시프트하고, 처프된 FBG가 상기 FBG의 영역을 연속적으로 기입하거나, 상기 섬유를 새로운 섹션으로 그리고 각각의 노출로 상기 상 마스크로부터 상이한 거리로 이동시키거나, 또는 상기 상 마스크의 평면에 대해서 상기 섬유를 편향시킴으로써 기입될 수 있다.

예를 들어, 처프된 펌프 반사기(56)는 도 12의 단면도에 나타낸 바와 같이, Ge-도핑된 타원형 내부 클래딩 및 2중-클래드 Yb-도핑 OVD 분말-도핑 다중-조성 실리카 섬유의 감싸진 코어내에 UV-기입된다. 상기 격자는 10×빔 확장기 및 630㎚±8㎚/㎝ 상 마스크를 이용하여 244㎚에서 기입된다. 투과 깊이는 10분의 노출 시간동안 ANDO 광학 파워 미터상에서 측정되었다. 500mA 전류에서 바이어스된 920㎚의 다이오드로부터의 처리 파워는 노출시 1.76dB로 감소되었고, 반사도(R)는 약 33%이다. 이는 편평한 분할 기준 레벨에 대해 상대적으로 측정된 피크 반사(+9.63dB)와 일치하며, 이는 또한 33%의 반사를 예견한다. 다른 광학 디자인 제약내에서, 최적화된 MM-FBG 펌프 반사기는 좀 더 강한 반사계수를 가질 것이다.

상기 MM-FBG 펌프 반사기(56)로부터의 반사 스펙트럼은 도 9에 나타낸 바와 같다(섬유 샘플 3477의 좌축의 실선). 또한 대조를 위해서 동일한 UV 빔으로 기입된 단일 모드 섬유 상표명 Corning^?CS-980내의 단일 모드 격자를 나타내었다(우축, 임의 참조 레벨, 점선). 상기 단일-모드 CS980 섬유가 단지 3.6㎚ 폭을 갖는 반면, 상기 다중모드 섬유의 다중 모드 격자는 브래그 조건을 충족시키는 다중모드 섬유내의 좀 더 많은 모드가 있기 때문에 12.55㎚ 폭(△λ_3dB)으로 디자인되어야 한다. 상기 격자 파장이 컷어프 미만이기 때문에 좀 더 좁은 폭의 스펙트럼이 또한 단일-모드 CS980 섬유에서 나타난다. 상기 보다 단파장의 각각의 반사된 다량의 모드는 상기 다중모드 펌프 반사기(56)에 의해 향상된 증진된 파워 모드에 해당된다. 상기 처프된 MM-FBG는 처프된 펌프 반사기가 섬유 레이저 적용에 적합하며, 상기 호스트 섬유에서 충분한 광감응성이 나타남을 보여준다.

2중-클래드 또는 테이퍼된 섬유 레이저에 관계없이, 상기 다중모드 섬유의 비-원형부는 검출 및 측정에 대해 논쟁의 여지를 부여한다. 표준 섬유에 대한 접속 손실은 통상적으로 높고, 특히 2중-클래드 섬유의 직사각형 내부 클래딩 또는 테이퍼 섬유 레이저의 직사각형 코어에서 높으며, 이는 검출 신호를 더욱 감소시킨다. 다중모드 50/125㎛ 등급의 굴절률 섬유는 상기 격자에 빛을 투과시키기 위한 론치(launch) 섬유로서 사용되며, MM 섬유 커플러는 상기 격자의 반사를 검출하기 위해 사용되었다. 성가 섬유 레이저의 활성-도핑 비-원형부에서, 접속 손실은 흡수에 포함된다. 도핑되거나 또는 도핑되지 않은(가매개(dummy)) 섬유부 모두 상기 격자상에 적용하기 위한 다중모드 매체로서 사용될 수 있다. 산란을 통한 보다 높은 섬유 손실 및/또는 상기 격자 영역 외부의 섬유를 따른 모드 커플링이 또한 측정 에러에 포함된다. 산란 손실은 일반적으로 적절히 디자인된 실제 섬유 레이저내에서 감소된다. 상기 산란 손실 효과는 상기 비-원형 섬유 섹션의 전파 길이를 감소시키기 위하여 상기 입력 접속에 매우 근접하게 상기 격자를 기입함으로써 최소화된다. 몇몇 실험 케이스에서, 투과 손실이 상당히 높아 격자 성장이 단지 반사로 검출되었다. 투과에서의 검출은 또한 각각의 파장에서 반사된 모드내에 있지 않은 파워가 여전히 상기 검출기에 다다르기 때문에 어렵다. 격자 성능에 의해 영향을받는 섬유 레이저 측정에 기초한 것과 같은 기입 및 검출 기술은 실제 섬유 레이저 제조시 도핑된 MM 섬유내에 기입하는데 사용될 수 있다.

선택적으로, 격자 기입 효율에서의 과도한 차이가 배향에 대한 감응성에 기인한다면, 상기 비-원형 섬유 섹션내의 기입시 또는 그 전에 회전 정렬이 하나의 축 또는 직사각형 코어 또는 내부-클래드 섬유 섹션의 다른 축을 따라 노출되도록 수행될 수 있다.

상기 최적화된 격자는 상기 섬유 레이저의 다른 디자인 파라미터에 따라 결정된다. 일반적으로, 펌핑 빛과 활성-도핑 섬유 코어 사이의 중복을 최대화하는 것이 유리하다. 따라서, 상기 코어를 좀 더 크게 내부 클래딩을 더욱 작게 만드는 것이 바람직하다. 보다 큰 코어는 펌프 흡수를 향상시키며, 보다 작은 내부 클래딩은 보다 작은 펌프 파워를 갖는 좀 더 높은 역전을 생성시킨다. 그러나, 유사 2-모드 코어에 대응되도록 최적의 코어 사이즈를 제한하기 위한 다른 인자를 이미 기술하고 나타내었다. 이러한 일례로는 980㎚에서 Yb 섬유 레이저를 이용하는 것이다. 물리적 성질에 기인하여, 5 또는 6 이하의 면적 비율(CCR)이 요구된다. 사용되는 물질 선택 및 커플링 광학의 성능이 주어지면, 상기 클래딩 사이즈가 상기 펌프 커플링 효율이 저하되기 전에 감소되도록 제한된다. 최소 클래딩 사이즈가 주어지면, 상기 클래드 대비 코어 면적 비율(CCR)을 5 또는 6 이하로 감소시키기 위한 유일한 방법은 상기 코어를 좀 더 크게 만드는 것이다.

그러나, 상기 코어 및 상기 내부 클래딩 사이의 굴절률 차 또는 델타 굴절률은 너무 작을 수 없거나, 또는 상술한 바와 같이, 상기 광학 장은 상기 코어 내로한정되지 않으며, 상기 코어 도파관은 너무 큰 벤드 손실을 가질 것이다. 따라서, 주어진 굴절률 차 또는 델타로, 상기 코어가 구배 굴절률로 제조되지 않는다면, 상기 코어가 다중모드화되기 전에(실질적으로 최대 10㎛), 도 5의 코어 직경(42)을 증가시킬 수 있다. 만약 코어가 구배 굴절률을 갖는다면 주어진 델타에 대해서, 약간 큰 코어가 단일 모드화될 수 있음이 공지되어 있다. 978㎚에서 작동되는 Yb 섬유 레이저의 경우, 상기 좀 더 큰 사이즈의 구배 굴절률 코어는 원치않는 1040㎚ 라인에 대해서 게인을 낮춘다. 다른 경우에 있어서, 특히 상기 내부 클래딩 도파관이 상당한 양의 수동 손실을 갖는다면, 좀 더 큰 사이즈의 구배 굴절률 코어가 좀 더 짧은 섬유에서 동일한 양의 펌프 파워를 흡수하여 디바이스의 효율을 증가시킬 수 있다. 상기 코어 굴절률 프로파일의 구배는 예를 들어, 상기 코어-내부 클래딩 예형을 어닐링하거나, 또는 보다 높은 온도로 인발함으로써 상당한 도펀트 확산을 가능케하여 달성될 수 있다. 상기 코어가 용융되고 상기 클래딩이 연화될 때, 확산 공정은 상대적으로 빨라 구배 굴절률 프로파일은 인 시튜로 생성될 수 있다.

구배 굴절률의 최적 역전은 상기 외부 클래딩의 에지에 대한 모든 방향에서 굴절률이 하향 구배되는 코어이다. 따라서, 상기 코어 및 내부 클래딩 사이에 구획된 경계가 없이 하나가 된다. 이러한 도파관의 0-차수 또는 기본 모드는 상대적으로 작은 모드의 장 직경(MFD)을 갖는 정 중심으로 한정되며, 좀 더 높은 차수의 모드가 좀 더 균일하게 상기 전체 도파관 면적을 채운다. 따라서, 상기 면적 비(CCR)의 아날로그가 상기 유리층들의 면적 비보다 특정화되는 모드 면적비이다.

전술한 바와 같이, 여러가지 인자들이 도파관 구조로서 사용되는 2중-클래드섬유의 최적 디자인에 영향을 미친다. 상기 도파관내의 모드 수 및 강도(장) 분포는 도파관 형상, 굴절률 대비 또는 굴절률 델타 △, 및 사이즈에 따라 달라진다.

상기 코어 및 내부 클래딩(구배 굴절률) 사이의 라인을 도시하기 어려운 경우, 물리적인 단면적 비율(CCR)은 간단히 정의되지 않는다. "2중-클래드" 섬유의 코어 및 내부 클래딩 모두로서 사용되는 이러한 독특한 경우의 고-델타 구배 도파관에 있어서, 상기 모드 면적은 상기 모드의 광학 세기가 최대값의 1/e²보다 높은(또는 전기장 진폭이 최대값의 1/e 보다 큰) 물리적 면적으로 정의된다. 즉, 상기 굴절률이 도파관의 중심부로부터 에지부로 갈수록 점차적으로 감소(변화)되도록 상기 코어 및 내부 클래딩이 연속적으로 변화하는 조성을 갖는 물질로 제조된 단일 도파관을 형성할 때, 상기 도파관의 중심부는 도핑 영역을 형성하기 위한 3-레벨 전이를 갖는 광학 활성 이온으로 도핑되고, 상기 도핑된 면적을 갖는 도파관의 기본(제로-차수) 단일 모드 사이의 중복은 바람직하게는 상기 도핑된 영역과 결합된 도파관의 모든 펌프 모드의 중복보다 7배 이상 크지 않다.

상기 물리적 단면적 비(CCR)에 대한 직접 아날로그는 a/b 비가 되며, 여기서 "a"는 결합된 모든 전파 펌프 모드의 단면적이고, "b"는 상기 기본(제로-차수) 신호 모드의 단면적이다. 이러한 경우의 모든 모드는 상기 코어와 상기 내부 클래딩 모드를 포함하는 구배 도파관의 모드이다. 그러나, 상기 펌프는 이러한 모드를 모두 사용할 것이며, 상기 신호는 이상적으로 합당한 고 델타에 대해서 약 3:1 내지 5:1의 바람직한 비를 부여하는 제로-차수에서만 전파할 것이다. 상기 단일 신호 모드의 단면적에 걸쳐 결합된 모든 전파 펌프 모드의 3:1 내지 5:1의 단면적 모드 비는 특히 Yb 3-레벨 레이저에서 유용하다.

상기 코어 및 내부 클래딩이 분명한 경계를 갖는 경우, 펌프가 클래딩의 많은 모드를 사용하며 단지 신호가 상기 코어의 하나의 모드를 사용하기 때문에, 유사한 정의가 표준 경우에 대해 주어질 수 있다. 그러나, 상기 표준 경우에 대해서, 이러한 정의는 상기 물리적 단면적 비(CCR)와 거의 동일한 수의 값을 부여할 것이다.

선택적으로, "에텐듀"를 유지하기 위하여, 도 6에서 상기 2중-클래드 섬유(30)의 NA_clad및 스팟 사이즈가 상기 레이저 다이오드(72)상의 구경수(NA_laser) 및 스팟 사이즈 이상이어야 한다. 상기 레이저 방출 면적의 이미지를 축소하는데 광학이 사용된다면, 동일한 광학은 자동적으로 빔을 좀 더 다르게 만들거나 또는 NA를 증가시킬 것이다. 상기 내부 클래딩(펌프 도파관으로서 작용함) NA, NA_clad는 상기 모든 빛을 수집하기 위한 도입(incoming) 빔 이상이어야 한다. 상기 NA에 대한 일반적인 정의는 빛 빔이 도파관으로 진입하고 도파관용으로 요구되는 총 내부 반사를 거치는 최대 발산각으로 기술된다. 통상적인 100㎛ 넓은 스트라이프 레이저에 대해서, 상기 스트라이프(느린 축)에 평행한 발산각은 약 0.1의 NA에 해당된다. 0.35를 초과하는 섬유 NA가 상기 펌프 빛을 30㎛ 코어내에 효율적으로 연결시키는데 바람직하다. 15㎛ 코어에 대해서 0.7의 NA가 요구된다.

이러한 NA 값은 상기 내부 클래딩 및 외부 클래딩 사이의 매우 높은 굴절률대비 또는 델타를 나타내며, 표준 실리카 섬유보다 높다. 그러나, 이는 다중-조성 유리로 달성될 수 있다. 탄탈 실리케이트 및 란탄 알루미늄 실리케이트 섬유는 실리카에 비하여 높은 굴절률을 갖도록 제작된다. 상기 코어 및 내부 클래딩용으로 상이한 조성을 이용한 안티몬 실리케이트 섬유 또한 실리카에 비하여 높은 굴절률을 갖도록 제작된다. 거의 모든 다중-성분 섬유는 예를 들어, 혼성물으로서 포스페이트, 리드 실리케이트 및 게르마네이트에 기초하여 보다 높은 굴절률을 나타낸다. 그러나, 상기 코어의 화학 및 물리적 성질은 상기 내부 클래딩과 조화를 이루어야 하며, 상기 도펀트의 분광학적 성질이 유지되어야 한다. Yb³⁺및 Nd³⁺가 실리카 이외의 유리에 도핑될 수 있고, 거의 동일한 전이 레벨을 생성할 수 있음이 공지되어 있다.

상기 섬유 도파관의 NA는 또한 최대 내부 클래딩 사이즈 및 특정 종회비에 대한 임계 파워 값에 관련된다. 일반적으로, 섬유의 NA가 높을수록 요구되는 임계 파워는 낮아진다. 상대적으로, 높이 대비 폭에 대해서 단일 값의 종횡비(AR)를 갖는 정사각형 내부 클래딩에 대해 요구되는 임계 파워가 가장 높다. 원형 내부 클래딩이 그 다음으로 높은 임계 파워를 갖는다. 직사각형 다중모드 내부 클래딩의 종횡비가 감소함에 따라, 레이저조사용 임계 파워는 급격하게 감소된다. 4/π또는 1.27의 직사각형 종횡비에서, 상기 직사각형 내부 클래딩은 원형에 비해 보다 작은 레이저조사용 임계 파워를 갖는다. 예를 들어, 0.6의 구경수를 갖는 도파관에서, 레이저조사용 임계 파워는 33㎛의 원형 내부 클래딩의 900mW에서 3(33㎛×11㎛)의종횡비를 갖는 섬유 도파관의 직사각형 내부 클래딩의 200mW로 감소된다. 이러한 디멘전은 넓은 스트라이프 다이오드 레이저의 이미지 사이즈와 상응한다. 레이저조사용 임계 파워의 이러한 감소는 2W 다이오드가 통상적으로 사용되는 넓은 스트라이프 펌프 소스로 한정된다면, 상당한 이점을 갖는다.

공지된 바와 같이, 상기 펌프 빛의 효율적인 연결을 위해서, 2중-클래드 섬유의 내부 클래딩 구조는 펌핑 다이오드의 구조와 일치해야 한다. 그러나, 넓은-면적 반도체 레이저의 빛 방출 스팟은 매우 비대칭적이어서 적어도 100:1의 종횡비를 갖는다. 상기 빔은 통상적으로 빠른 축 방향(웨이퍼 평면에 대해 직각)에서 단일-모드(가우스)이고, 느린 축 방향(상기 웨이퍼 평면에 평행)에서 상당한 멀티모드이다. 상기 느린 축 방향은 펌프 도파관 또는 섬유 레이저의 허용가능한 사이즈를 궁극적으로 한정짓는 가장 중요한 방향이다.

도 10-14를 참조하면, 본 발명에서는 도 5의 내부 클래딩으로 사용될 수 있는 다양한 연장된 형상으로서, 기술적으로 가장 편리한 직사각형 내부 클래딩(321), "트랙형" 내부 클래딩(322) 또는 타원형 내부 클래딩(323)을 나타내었다. 좀 더 큰(느린 축) 디멘전은 상기 다이오드 레이저 구경의 폭(도 6의 D_laser(48))을 상기 다이오드 느린 축 NA_laser대비 상기 섬유 NA의 비율과 곱한 것보다 적어도 10-20% 커야 한다. 예를 들어, 0.1NA를 갖는 100㎛ 레이저가 펌핑용으로 사용되고 상기 섬유 내부 클래딩 NA가 0.3이라면, 클래딩의 장(longer) 디멘전은 적어도 1.2·100/3=40㎛이어야 한다. 상기 클래딩의 단면적을 가능한 작게 유지하기 위하여, 클래딩의 단(shorter) 디멘전(빠른 축)은 상기 단일 모드 코어를 조절할 수 있도록 충분히 커야 한다. 따라서, 상기 클래딩의 종횡비는 1.5:1 이상일 것이다. 장원형 또는 상대적으로 작은 클래드-대비-코어 면적비(CCR)와 결합되는 내부 클래딩의 연장된 형상은 상기 도핑된 코어와 중복되는 펌프 모드를 동일하게 함으로써 균일한 펌프 흡수를 가능케 할 것이다. 도 10-14에 나타낸 5가지의 형상 중 포함되는, 상기 코어의 원보다 좀 더 큰 원의 중앙에 연장된 중심의 타원형 확장을 갖는 다이아몬드 형상의 내부 클래딩(324), "토성"-형 내부 클래딩(325)가 주어진 코어 사이즈에 대해서 가장 작은 클래드-대비-코어 면적비(CCR)을 가질 것이다.

도 10-14에서 상기 활성 섬유(30)의 단면적 표시에서 상대적인 직경이 정확하게 도시되지는 않았다. 그러나, 상기 내부 클래딩(32)의 면적은 바람직하게는 상기 코어(34)의 면적에 비해 25배 미만의 더욱 큰 면적을 갖는다. 또한, 클래딩으로서 공기(n=1)를 사용하는 것도 가능하다.

도 3, 5 및 6을 참조하면, 상기 활성 섬유(30)의 길이는 모든 고차수의 모드가 그 길이에 비해 적당히 감쇄되도록 포함된 파장에 비해서 매우 길기 때문에 상대적으로 중요성이 떨어진다. 실질적으로, 상기 길이(46)는 상기 코어내의 희토류 도핑 레벨 및 바람직한 흡수 효율에 의해 결정된다. 몇몇 조건에서 1㎝의 길이가 매우 적당하다.

도 6의 개별적인 집속 부재(70)를 사용하는 대신, 상기 넓은 스트라이프 레이저(72)의 광학 성질은 상기 다중모드 내부 클래딩(32)에 직접 연결되도록 할 만큼 충분히 우수하다. 그러나, 집속 부재(70)가 요구되는 경우, 펌프 파워가 100×1㎛²의 디멘전과 느린 및 빠른 축에서 각각 0.1/0.55의 NA를 갖는 통상적인 방출 구경을 갖는 넓은-면적 레이저 다이오드로부터 30×10㎛²의 직사각형 코어 단면 및 >0.42의 유효 구경 수를 갖는 섬유내로 효율적으로 연결되는 기술이 발전되어 왔다. "느린" 및 "빠른"은 각각 상기 레이저 다이오드 접합 평면에 "평행" 및 "직각"인 평면을 말한다. 100×1㎛²의 방출체(emitter) 디멘전 및 느린 축 및 빠른 축에서 각각 0.1/0.55의 NA(최대 원-장(far-field) 강도 포인트에서 측정됨)를 갖는 넓은 면적 반도체 레이저(72)로부터 빛을 효율적으로 연결시키기 위하여, 연결 광학 또는 다른 빔 셰이퍼(shaper)가 30×10㎛²의 디멘전 및 느린 축 및 빠른 축에서 각각 35/0.12의 NA를 갖는 방사체 근 장 이미지가 생성되도록 디자인될 수 있다.

직접 커플링에 상관없이, 상기 펌프 신호는 AlGaAs 또는 InGaAs 넓은 스트라이프, 열, 또는 이테르븀 흡수 대역내에서 976㎚ 보다 단 파장에서 방출하는 다이오드 바와 같은 형태로 도 6의 레이저 다이오드(72)에 의해 제공될 수 있다. 상기 실제 펌프 대역폭은 850에서 970㎚, 바람직하게는 910-930㎚, 가장 바람직하게는 915-920㎚로 확장된다. 이러한 대역의 정밀한 값 및 레이저조사 파장은 유전체 호스트에 따라 수 나노미터 정도 시프트될 수 있다.

도 6 및 도 10-14에 도시한 바와 같이, 유사한 타원형, 직사각형, 장원형, 또는 다이오드 또는 넓은 면적 레이저(72) 및 상기 다중모드 클래딩(32) 입력(모두 수직으로 또는 수평으로 배열됨)의 연장된 종횡비는 렌즈 또는 섬유-광학 커플러,광학 여기자(exciter), 또는 다른 빔 형상 또는 집성 부재(70)가 넓은 스트라이프 또는 "넓은 면적" 레이저 다이오드(72) 또는 다이오드 바의 상대적으로 큰 사이즈의 출력을 상기 섬유 레이저 또는 다른 형태의 휘광 컨버터(30)의 넓은 다중모드 클래딩(32)내에 집속되도록 한다. 바람직하게는, 상기 내부 클래딩(32)은 1.5를 초과하는 종횡비를 가지며, 충분히 높은 펌프 파워 밀도를 생성하도록 상기 넓은 면적 레이저 다이오드(72)로부터 펌프 빛의 커플링이 가능하도록 충분히 작은 사이즈를 갖는다. 2중-클래드 섬유의 내부 클래딩은 연장된 형상, 예를 들어 다양한 방법에 의한 타원형 또는 직사각형으로 인발될 수 있다. 원하는 형상과 일치하는 부분을 갖도록 3중-도가니 인발 및 로드-인-튜브 기술이 사용될 수 있다. CVD, OVD, 졸-겔, 및 연성 튜브 유리 등의 다른 방법이 사용될 수 있다.

도 10-14의 직사각형, 타원형, 장원형, 또는 다른 연장된 단면을 갖는 다중모드 클래딩(32)은 입구측이 100:1의 폭-대비-높이비(AR)를 갖는 넓은 스트라이프 레이저(72)의 방출 패턴에 쉽게 일치될 수 있으므로 특히 바람직하다. 즉, 상기 도파관 입구측(323)이 높이보다 실질적으로 크게 제조될 수 있고, 이를 높이 종횡비라 정의한다. 상기 커플링 광학이 100×1㎛의 원래 크기에서 축소될 때, 양쪽 직각 방향 모두에서 대략 동일한 NA를 갖는 빔을 형성하도록 디자인된다고 해도(바람직하게는 고파워 밀도를 유지하기 위해), 이로부터 얻어진 빔의 중앙부(waist)는 예를 들어, 30×5㎛로 수직 방향보다 다이오드 칩의 평면에서 실질적으로 더욱 넓다. 상기 클래딩 도파관 단면이 그 형상과 일치한다면, 거의 모든 레이저 다이오드 파워가 높은 광학 펌프 파워 밀도를 유지하면서 도파관내에 쉽게 연결될 수 있다. 상기 고파워 밀도는 원형 또는 사각형 도파관에 사용되는 것보다 레이저조사에 대해 더욱 낮은 파워의 임계값을 가능하게 한다. 다른 연장된 형상, 예를 들어, 타원형(132), "트랙형", 다이아몬드, "토성", 또는 다른 모든 빔-일치 형상의 기타 내부 클래딩 단면이 상기 펌프 방출 면적의 형상과 일치되도록 사용될 수 있다. 그러나, 상기 코어(34)로부터의 출력으로서 실질적으로 원형의 단일-모드 횡단 장을 갖는 것이 상기 섬유 레이저 또는 휘광 컨버터(30)의 출력에 바람직하다. 도 1의 종래 섬유(20)가 원형의 모드 장을 가지며, 모드 장 사이즈 및 형상이 더 잘 맞을수록 커플링 손실이 더욱 낮아지기 때문에 상기 섬유 레이저(30)의 출력은 실질적으로 원형의 모드 장을 갖는 것이 바람직하다.

내부 클래딩의 주어진 모든 NA에 대해서, 상기 2중-클래드 섬유의 좀 더 장 디멘전은 사용되는 모든 펌프 파워와 연결하기 위한 요구조건에 의해 고정될 것이다(넓은-면적 레이저 방출 사이즈가 고정되며 상기 넓은-면적 레이저 NA에 상대적으로 상기 섬유 NA에 의해 정의되는 양으로 단지 축소될 수 있기 때문에). 상기 제2 또는 좀 더 단 디멘전은 변화될 수 있다. 그러나, 만약 상기 장 디멘전이 동일하다면, 3:1의 종횡비를 갖는 연장된 형상은 1:1의 종횡비를 갖는 경우의 3배 미만의 표면적을 갖는다. 따라서, 보다 작은 표면적 또는 클래딩 면적을 갖는 대응 레이저는 약 3배 낮은 임계값을 가질 수 있다. 따라서, 공지된 D-형상의 내부 클래딩을 갖는 3-레벨 레이저를 형성하는 것이 가능한 반면, 상기 타원형 또는 연장된 형상을 갖는 내부 클래딩은 상당히 낮은 임계값을 제공하며 따라서 보다 높은 효율을 갖는다. 최적의 3-레벨 2중-클래드 섬유 레이저를 디자인하는데 있어서 많은 인자가 상기 클래딩 대비 코어 면적 비(CCR)과 관련된다. 주어진 섬유 NA 및 펌프 레이저 NA를 가지고, 상기 내부 클래딩의 디멘전 중 하나가 특정 사이즈 이하로 증가될 수 없다. 그러나, 본 발명에 따르면, 보다 높은 역전에 대해 상기 표면적을 가능한 많이 감소시키기 위해, 다른 디멘전이 조절될 수 있다. 따라서, 상기 면적 또는 특정화된 종횡비가 효율적인 디바이스를 제조하기에 충분치 않고 단지 동시에 상기 두가지의 특정화를 수반하는 것만이 충분한 역전 및 낮은 임계치를 제공할 수 있다.

모드 게인 판별에 있어서, 선택적으로 상기 입력 및 출력 격자 반사경(60 및 52)을 사용하는 것 이외에, 상기 섬유의 제1 또는 내부 클래딩(32)의 형상 및 디멘전이 왜상의 광학을 이용하여 펌프 파워 커플링 효율의 최대화를 포함하는 고려로부터 선택된다. 상기 접함점에 수직으로 평행한 평면에서 0.1/0.65의 NA를 갖는 200×1㎛²의 넓은-면적 레이저 다이오드(72) 근장은 30×10㎛²의 스팟으로 약간 이동되어 32×16㎛²의 주축 및 부축 디멘전을 갖는 도 12의 타원형 제1클래딩 단면(323)을 갖는 2중-클래드 활성 섬유(30)내로 75%의 효율로 연결된다. 따라서, CCR에 대해서 4-5의 상위 경계로, 상기 코어 직경(42)은 1015㎚에서의 격자 반사경 손실이 22-30dB 범위 이상으로 증가되지 않는다면, 10-11㎛ 보다 작아질 수 없다. 직경에서의 모든 마이크론 축소에 대해서, 1015㎚에서 약 8dB의 여분의 손실이 요구된다.

한편, 보다 큰 코어는 클래드-코어 화합물 구조의 보다 높은 차수의모드(HOM) 게인을 증가시키며, 이는 굴절-제한 성능을 방지하면서 용이하게 레이저조사할 수 있다. 바람직하게는, 상기 코어 단면적은 상기 내부 클래딩의 보다 고차수의 모드가 상기 기본 모드보다 상기 도핑 역영을 갖는 보다 적은 중복을 갖도록 디멘전화된다. 상기 코어 사이즈가 증가됨에 따라, HOM의 Γ인자가 증가하여 상기 기본 모드값에 다다르며, 감소된 차동 모드 게인 판별을 나타낸다. 따라서, 32×16㎛²의 내부 클래딩 2중-클래드 섬유는 11㎛의 직경 코어를 갖도록 디자인되며, 이는 상기 기본 모드와 가장 높은 게인 HOM 사이에 약 3dB의 근-임계 게인 판별을 갖는다.

상기 코어가 다중모드화되도록 충분히 큰 경우, 테이퍼된 섬유 레이저 디자인이 바람직하다. 2중-클래드 레이저 구조 대신, 테이퍼된, 계단형 또는 모드-변화 섬유 레이저의 단면도가 도 4에 나타나 있다.

도 4에 다중모드 섹션(126)이 단일모드 섹션(74)에 인접한 상기 다중모드 "테이퍼된" 섬유 레이저 또는 모드-변화 섬유 레이저의 "상향 계단형"의 구체예가 도시되어 있다. 상기 다중모드 섹션에서, 상기 다중모드 코어부(126)는 상기 단일모드 섹션의 동일한 직경 크기의 코어를 갖지만, 상기 다중모드 코어(126)는 상기 단일 모드부(74) 보다 더욱 큰 구경수(NA)를 갖는다. 그러나, 상기 단일모드부의 클래딩(92)은 상기 다중모드부의 클래딩(86)보다 크다(또는 "상향 계단형"임). 상기 다중모드부(126)는 테이퍼된 섬유 레이저로서 단일-모드의 모드 트랜스(30)에 다중모드의 보다 작은 구경수(NA)의 단일 모드부(74)로 이용하기 위한 상기 다중모드부의 출력에서보다 입력에서 보다 큰 구경수(NA)의 다중모드부를 포함한다. 계단형 섬유 레이저로서 구체화되어, 상기 모드 트랜스(30)는 코어(74) 및 클래딩(86)을 갖는 균일한 다중모드 섬유 섹션(126) 및 코어(90) 및 클래딩(92)을 갖는 균일한 단일-모드 섬유 섹션(74)을 갖는다. 상기 다중모드 섬유 섹션(126)은 상기 펌프 빛(64)을 수용하며, 상기 광학 레이저조사 액션의 대부분을 제공한다.

상기 단일-모드 섬유(74)는 예를 들어, 접속 또는 다른 연결기에 의해 상기 다중모드 섬유 섹션(126)에 맞댐 연결되거나 또는 접합부(94)에 결합되어 단지 상기 기본 모드인 레이저조사 신호(66)를 출력한다. 상기 가장 낮은 차수의 모드의 모드 장 직경은 모드 사이즈가 상기 코어 및 클래딩의 굴절률에 따라 변화되지만, 동일한 직경을 갖는 코어(84 및 90)에 의해 도 4에 제안되는 바에 따라 상기 2가지 섬유 섹션(126 및 74)내에서 일치된다. 결과적으로, 상기 단일-모드 섬유 섹션(74)이 그 코어(90) 및 클래딩(92) 사이에서 보다 작은 대비를 가지며 따라서 낮은 NA 섬유 또는 도파관을 갖는데 반해서, 상기 다중모드 섬유 섹션(126)은 코어(84) 및 클래딩(86) 사이에서 큰 대비를 가지며 따라서 보다 높은 NA 섬유 또는 도파관을 갖는다.

선택적으로, 바람직한 다중모드 코어(84)가 상기 단일모드 및 단일 모드부 모두에서 동일한 직경 클래딩을 갖는 타원형 또는 직사각형이기 때문에 상기 가장 낮은 차수의 모드의 장 모드 직경은 단지 하나의 축에서 동일한 직경을 갖는 코어(84 및 90)에 의해서 도 4에 제안되는 바에 따라 상기 2가지 섬유 섹션(126 및 74)내에서 일치된다. 결과적으로, 상기 단일-모드 섬유 섹션(74)이 그 코어(90) 및클래딩 사이에서 보다 작은 대비를 가지며 따라서 낮은 NA 섬유 또는 도파관을 갖는데 반해서, 상기 다중모드 섬유 섹션은 코어(84) 및 클래딩 사이에서 여전히 큰 대비를 가지며 따라서 보다 높은 NA 섬유 또는 도파관을 갖는다.

상기 다중모드 섬유 섹션(126)의 파트로서, 상기 코어(94)는 균일한 단일-모드 섬유 섹션(74)에 의해 제공되는 광학 공동의 레이저조사 말단에서의 펌프 파장보다 신호 파장 차에서 레이저조사용 펌프 파장에서 다중-모드 펌프 소스(72)에 의한 광학 공동의 펌프 말단에서 펌프될 때 광학 여기성의 3-레벨 광학 전이를 갖는 이온으로 도핑된다. 바람직하게는, 상기 코어는 상기 광학 활성 섬유가 상기 다중모드 말단 부근의 펌프 파장에서 다중모드화되고 상기 단일 모드 말단 부근의 상기 신호 파장에서 단일 모드화되도록 상기 다중모드 말단에서 상기 단일 모드 말단까지 굴절률 변화되거나 또는 약간 테이퍼된다.

제1다중모드 격자(60)는 상기 광학 공동의 입력 말단을 한정하기 위한 높은 NA 도파관부(126)의 입력 말단상에 기입된다. 단일-모드 격자(62)는 상기 광학 공동의 제1말단을 한정하기 위한 상기 낮은-NA 도파관부(74)상에 기입된다. 제2단일모드 격자(56)는 상기 광학 공동내에서 전파되는 펌프 대역폭의 대부분의 파장에서 공간 모드의 파워를 최대로 반사하기 위하여 내부 또는 접속부 중 어느 하나로서 상기 높은-NA 도파관부(126)의 출력 말단 부근에 기입된다.

도 15에서, 상기 고-NA 도파관부는 직사각형 코어(342)로부터 직사각형 단면을 갖는 것과 같이, 높은 종횡비를 갖는 다중모드 코어(34)에 의해 구체화된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 단일 모드 출력 섬유(20) 또는 선택적인 간섭 단일 모드 섬유(74)는 저-NA 도파관부를 형성한다. 상기 다중모드에서 단일 모드 사이의 모드-선택 필터(300)의 균일한 계단형-전이 대신, 상기 섬유 레이저는 단열적으로 변형되거나 또는 상기 다중모드를 단일 모드에 연결하기 위하여 약간 구배되거나 또는 테이퍼된 모드-선택 테이퍼부(360)를 사용한다.

단일-모드 섬유 및 다중-모드 섬유 사이의 기본적인 차이 중 하나가 코어 직경 크기의 차이기 때문에, 도 4의 상기 모드 컨버터(300)는 상기 다중모드를 단일모드에 일치시키기 위하여 보다 큰 코어 직경에서 보다 작은 코어 직경까지의 기본적인 전이 또는 커플들로서 선택적으로 수행될 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 입력 코어 단면(342)을 갖는 직사각형 코어(35)가 타원형-형상의 펌프 조사 또는 방출을 일치시키기 위하여 도 4의 상기 펌프 다이오드(72) 및 다중모드 섹션(126) 사이의 커플링 효율을 절충하는 것 없이 상기 도핑 코어의 활성 면적을 감소시키기 위해 사용된다. 다른 형상들, 예를 들어 타원형 또는 다른 일치-빔 형상의 입력 코어 단면은 상기 펌프 방출 면적의 형상을 일치시키기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 상기 섬유 레이저의 출력은 출력 단면 또는 코어 직경(340)에 따라 실질적으로 원형의 모드 장을 갖는 것이 바람직하다. 종래의 단일 모드 섬유가 원형 모드 장을 가지며, 상기 모드 장 사이즈 및 형상이 더욱 잘 일치할수록, 상기 커플링 손실은 더욱 낮아지기 때문에 상기 섬유 레이저의 출력은 실질적으로 원형의 모드 장을 갖는 것이 바람직하다. 비록 상기 코어(34)가 다른 형상일 수 있어도, 상기 직사각형 형상은 상기 펌프 레이저 다이오드(72)가 또한 직사각형 빔을 가지므로 상기 섬유 레이저 적용에 바람직하다.

상기 다중모드 섹션(126)을 형성하기 위한 하나의 예시적인 방법에서, 상기 직사각형 코어 물질(34)은 상기 코어 굴절률 보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩 튜브(36)내에 위치된다. 선택적으로, 추가적인 안정성 또는 종횡비 조절을 위하여, 오버클래드 튜브, 케인, 슬리브 또는 재킷(jacket)(360)이 상기 오버클래드가 각각 상기 구경 주위의 좀 더 많은 클래딩 물질로 형성하여 상기 변형된 섬유의 구경 수를 조절하거나 또는 상기 구경을 감소시키기 위하여 상기 제1클래딩 튜브의 굴절률과 같거나 또는 더욱 낮도록 상기 제1클래딩 튜브와 같은 클래딩 물질 또는 다른 조성물로 제조된다. 상기 선택적인 오버클래드 튜브(360) 조성물의 일례로는 붕소 도핑 실리카가 있다.

상기 코어 유리(34)는 상기 순수 실리카 클래딩(36)보다 더욱 연성이도록 다른 물질로부터 선택되기 때문에, 상기 유리 코어(34)는 본 발명의 방법에 따라 섬유를 인발하고 단일 모드 섬유를 연결하기 위하여 적합한 출력(40)을 갖는 섬유로 약간 테이퍼하기 위하여 요구되는 온도로 가열될 때 매우 유체성을 띠어 요구되는 구조로 되거나 또는 상기 클래딩(36)으로 적합화될 것이다. 상기 코어의 형상은 문제되지 않고 상기 NA가 저하될 수 있고 상기 형상이 연성의 유리 코어로 좀 더 원형으로 제조될 수 있는 것이 더욱 중요하다. 상기 유동성 코어(34)는 상기 실리카 클래드(36)을 녹이기 시작하여 상기 코어(34)의 굴절률을 더욱 저하시키고 상기 테이퍼(340)의 출력 말단상의 표준 단일-모드 섬유에 일치하는 좀 더 나은 NA를 제공할 것이다.

만약 상기 코어가 직사각형이라면, 상기 용해 또는 유리 혼합속도는 상기 주축을 따라서 질량 이송 제약에 기인하여 부축의 방향에서 더욱 빠르다. 상기 코어(34)는 코어 컬렛(collet)을 증착하기 위한 튜브 내에 직사각형의 채널, 그루브, 또는 다른 형상의 구경을 갖는 클래드 튜브로 개시함으로써 초기에 직사각형으로 제조될 수 있다.

상기 코어는 상기 클래딩 보다 더욱 연성을 띠기 때문에, 상기 코어는 상기 섬유의 봉합된 말단 사이에서의 테이퍼링 공정시 액체가 될 것이다. 액체 유리의 열팽창은 고체 유리의 2 내지 3배여서 상기 코어를 가압하게 된다. 상기 코어내의 정수압은 작용하는 면적에 비례하여 힘이 미칠 것이다. 따라서, 직사각형 또는 타원형 코어의 보다 큰 측면이 상기 측면을 좀 더 원형의 출력 단면으로 확장하는 보다 큰 외부방향의 힘을 받게 될 것이다. 따라서, 본 발명에 따르면 모드 변형 또는 NA 변형 테이퍼의 종횡비가 네크다운 영역(102)이 인발되고 상기 코어의 종횡비 및 NA가 모두 코어 확산/용해 및 팽창에 의해 감소됨에 따라, 보다 큰 직사각형 입력 단면(342)에서 보다 작은 원형 출력 섹션(340)으로 감소될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 상기 테이퍼 또는 네크다운 영역(102)은 상기 섬유의 섹션(126)을 가열하고 장력하에 끌어당김으로써 제조된다. 상기 장력은 상기 섬유(36)가 가열되고 원하는 구조로 인발되는 형상으로 변화하고 이를 둘러싸도록 상기 직사각형 코어 섬유(36)가 원래 삽입되는 선택적인 오버-클래드(360)를 감싸는 또 다른 외부 튜브, 외부 클래딩, 또는 슬리브(하우징 또는 예형)에 의해서 제공되거나 또는 이를 대체함으로써 제공된다. 바람직하게는, 상기 오버클래드 튜브 또는 하우징 물질은 붕소 도핑 실리카와 같은 동일하거나 또는 유사한 클래딩 물질로 제조된다.

테이퍼된 도파관으로 직접 펌프하는 것이 가능하다. 그러나, 상기 테이퍼 각은 상기 펌프 빛이 상기 네크다운 영역(102)내의 테이퍼된 도파관으로부터 새어나오지 않도록 더욱 축소되어야 한다. 일반적으로 상기 펌프 빛의 상당 분획이 흡수되지 않을 때까지 테이퍼하지 않아 너무 많이 테이퍼하지 않는 것이 바람직하다.

따라서, 초기 직사각형 다중-모드 도파관(342)은 테이퍼링 또는 단일-모드 또는 실질적으로 원형 구조 및 감소된 NA를 갖는 보다 적은 모드의 도파관(40)에 연결함으로써 변형될 수 있다. 이러한 방법은 상기 다중-모드 직사각형 입력에서 다중-조성 실리케이트 유리의 30×10 마이크론의 직사각형 코어 유리(34)에서 CS980 단일-모드 섬유(20)에 거의 일치되는 출력 모드로 변형시키는데 성공적으로 사용되어 왔다. 바람직하게는, 상기 다중-성분 실리케이트 유리는 83.5SiO₂9.8Al₂O₃4.2La₂O₃2.5GeO₂+ 적합한 희-토류 이온 도펀트(몰%)이다. 다른 단일-모드 섬유가 사용가능하더라도 상기 단일 모드 섬유(20)는 980㎚의 파장에서 전파하고 전체 섬유에 대해서 표준 125마이크론의 직경을 갖는, Corning Inc.에서 제조된 CS980 단일-모드 섬유이다. 0.5dB 미만의 손실은 상기 CS980 섬유(20)에 일치되는 상기 모드의 변형 모드로 달성되었다.

상기 코어가 용융되고 상기 클래딩이 연화되기 때문에, 확산 공정은 상대적으로 빠르게 일어나 구배 굴절률 프로파일이 인 시튜로 생성될 수 있다. 적합한 클래딩 물질을 선택하여, 생성된 상기 변형된 섬유는 기존의 섬유 네트워크에 적용되는 병형 섬유를 만들고 디바이스 제조를 용이하게 하는 종래의 섬유에 용융 접합될수 있다.

제1다중모드 격자(60)가 상기 광학 공동의 입력 말단을 한정하기 위한 고-NA 도파관부(126)의 입력 말단상의 직사각형 코어를 가로질러 기입된다. 또 다른 격자(62), 다중모드, 단일 모드, 또는 이들의 중간이 상기 광학 공동의 제2말단을 한정하기 위한 저-NA 도파관부(40)상의 원형 코어를 가로질러 기입된다. 선택적으로, 상기 격자(62)는 상기 단일-모드 섬유(20)로 제조된 원형 모드를 가로질러 기입된 단일 모드 격자 대신일 수 있다. 제2다중모드 격자(56)는 상기 광학 공동내에서 전파되는 펌프 대역폭의 대부분의 파장에서 공간 모드의 파워를 최대로 반사하기 위한 모드-선택 테이퍼부(102)의 코어의 횡단 또는 상기 고-NA 도파관부(126) 중 어느 하나상에 기입된다. 따라서, 상기 펌프 반사기(56)는 상기 모드 선택 테이퍼 내의 호스트 공동 섬유내에 바람직하게 기입될 수 있지만, 또한 테이퍼 외부에 위치되거나 및/또는 상기 공동 섬유에 접합되는 다른 섬유내에 기입될 수 있다.

상기 직사각형 코어(34)를 가로질러 기입함에 따라, 상기 섬유 브래그 격자 입력 반사경(60)은 980㎚의 레이저조사 파장에서 기본 모드를 반사하고 920㎚의 펌프 대역 및 1030㎚의 Yb-섬유 게인 피크 모두를 투과하도록 디자인된다. 일례에서, 0.45의 유효 구경수(NA_eff)를 갖는 다중모드 섬유는 상기 클래딩 굴절률 n_clad=1.456인 경우 약 1.53의 코어 굴절률을 갖는다. 978㎚의 레이저조사 파장에서의 기본 모드의 반사는 격자 주기 Λ=0.320㎛(Λ_mask=상기 마스크 주기가 상기 격자 주기의 2배인 0.640㎛)이다. 상기 브래그 조건이 상기 마스크를 만족하는(n_eff∼n_clad) 최단파장은 932㎚이고, 따라서 어떠한 펌프 모드도 상기 격자에 의해 영향받지 않을 것이다. 상기 978㎚의 레이저조사 파장에서의 FBG 반사경(60)은 또한 1030㎚에서의 어떠한 모드도 상기 브래그 조건을 충족시키지 않기 때문에 바람직하지 않은 4-레벨 1030㎚ Yb 게인 피크 부근의 피드백을 제거할 것이다.

도 7에 도 15의 다중모드 섬유 브래그 격자(MM FBG)(60)로서 수행되는 샘플 입력 반사경의 반사 스펙트럼을 나타내었다. 다중모드 입력 반사경(60)과 같은 다중모드 격자를 수행하는 하나의 방법으로서, 이러한 다중모드 입력 반사경(60)은 Yb-도핑 테이퍼된 섬유 레이저(YTFL)에서 사용되는 것과 유사하게 가매개 다중모드 또는 비-활성-도핑부로서 사용하기 위한 GeO₂도핑 Al₂O₃-La₂O₃-SiO₂다중-성분 실리카 섬유내에 UV 기입된다. 특히, 상기 격자는 통상적으로 용융 GeO₂도핑 Al₂O₃-La₂O₃-SiO₂다중-성분 유리 섬유의 직사각형 코어를 가로질러 기입된다. 상기 예에서, 상기 격자는 637㎚ 균일 상 마스크를 이용하여 244㎚에서 기입된다. 상기 격자는 타겟 유전체 입력 반사경(980㎚에서 높은 반사, 920㎚ 및 1030㎚ 모두에서 높은 투과)에 매우 근접하게 위치한다. 따라서, 상기 기본 반사 피크는 979.7㎚에서 나타난다. 다른 보다 높은 차수의 피크가 단파장에서 나타난다. 어떠한 파워도 바람직하지 않은 4-레벨 1030㎚ 또는 펌프 920㎚ 대역중 어느 하나에서 반사되지 않는다.

상기 2중-클래드 구조에서와 같이, 실린더형의 섬유는 단지 테이퍼된 섬유 레이저로 사용될 수 있는 유전체 도파관의 일례이다. 섬유는 예를 들어 타원형 또는 직사각형의 다른 형상으로 인발될 수 있다. 또한, 직사각형 유전체 도파관은 반도체 제조에서 사용되는 것과 유사한 기술 또는 확산 도핑을 포함하여 이온-교환, 스퍼터링, 플라즈마 증진 화학 기상증착, 불꽃 가수분해, 및 LiNbO₃와 같은 다른 기술에 의해서 편평한 기판상에 형성될 수 있다. 이러한 편평한 도파관의 단순 테이퍼 섬유 레이저의 일례를 도 16의 직각투영도에 개략적으로 나타내었다. 리브 도파관(120)은 상기 리브 도파관(120) 보다 더욱 낮은 굴절률을 갖는 유전체 기판(124)의 상부 표면(122)상에 형성된다. 개별적인 도시되지 않은 상부 클래딩이 상기 리브 도파관(120)상에 형성될 수 있거나 또는 공기가 상기 상부 클래딩으로서 작용할 수 있다. 상기 리브 도파관(120)은 직사각형의 도핑 다중모드 섹션(126), 직사각형의 테이퍼된 섹션(128), 및 실질적으로 정사각형의 단일 모드 섹션(130)을 포함한다.

상기 다중모드 및 단일모드 섹션 사이와 상기 2중-클래드 및 단일 모드 섹션 사이에서 계단형 전이를 갖고 2가지 디멘전으로 테이퍼되는 것을 포함하는 다른 형태의 편평한 도파관이 가능하다. 편평한 기판상의 직사각형의 도파관의 형성은 동일한 기판상의 레이저 다이오드의 집적을 가능하게 하므로 부가적으로 이점을 갖는다. 유사한 구조가 예형으로부터 인발될 수 있다.

상기 다중모드 섹션의 직사각형 단면(126)은 입구측(342)이 1:100의 높이-대비-폭의 종횡비(AR)를 갖는 넓은 스트라이프 레이저의 방출 패턴과 용이하게 일치될 수 있어 특히 바람직하다. 즉, 상기 입구측(132)의 폭은 실질적으로 그 높이보다 클 수 있고, 이는 높이 종횡비로 정의된다. 또한, 상기 높이는 단일 모드에 대응하도록 제조될 수 있고, 따라서 수직 테이퍼링할 필요가 없다. 상기 넓은 스트라이프 레이저로부터의 빛 방출은 상기 도파관 면(132)상에 집속된 이미지로 기술될 수 있다. 상기 넓은 스트라이프 다이오드 레이저의 이미지는 예를 들어, 수직 방향에서 수 마이크론 대해서 수십 마이크론인 것 보다 상기 다이오드 칩의 평면에서 실질적으로 더욱 넓다. 따라서, 상기 레이저 다이오드 파워의 거의 대부분은 높은 광학 펌프 파워 밀도를 유지하면서 상기 도파관내로 용이하게 연결될 수 있다. 상기 고파워 밀도는 원형 또는 정사각형 도파관 보다 보다 낮은 레이저조사용 파워 임계치가 가능하도록 한다.

제1다중모드 격자(60)는 상기 광학 공동의 입력 말단을 한정하기 위한 고-NA 도파관부(126)의 입력 말단상의 직사각형의 도핑 다중모드 섹션(126)을 가로질러 기입된다. 또 다른 격자(62), 다중모드, 단일 모드, 또는 그 중간이 상기 광학 공동의 제2말단을 한정하기 위한 저-NA 도파관부상의 실질적으로 정사각형의 단일 모드 섹션(130)을 가로질러 기입된다. 선택적으로, 상기 격자(62)는 대신 상기 단일 모드 섹션(130)과 연결하기 위하여 도 1의 단일-모드 섬유(20)의 원형 코어를 가로질러 기입된 단일 모드 격자일 수 있다. 제2다중모드 격자(56)는 상기 고-NA 도파관부(126) 또는 상기 광학 공동내에서 전파되는 펌프 대역폭의 대부분의 파장에서의 공간 모드의 파워를 최대로 반사하기 위한 상기 모드-선택 테이퍼부(128)의 코어를 가로질러 기입된다.

간략하면, 다중모드 섬유 브래그 격자(MM FBGs)는 신호 반사경으로서 및/또는 펌프 반사경으로서 작용하기 위하여 섬유 레이저 공동내에 포함될 수 있다. MM FBGs는 2중-클래드 섬유 레이저 및 테이퍼된 섬유 레이저내에서 사용되는 것과 유사한 다중모드 직사각형 코어 및 타원형 코어 섬유에서 증명된바 있다. 상기 타원형 코어 Yb-도핑 OVD 섬유의 처프된 MM-FBG는 MM-FBG에 기초한 펌프-반사기가 2중 클래드 또는 테이퍼된 섬유 레이저 공동에 잘 적용됨을 증명한다. 직사각형의 코어 YTFL 섬유내의 균일한 격자는 격자에 기초한 입력 반사경이 박막 또는 마이크로 시트 반사경 접근에 대안적으로 변화될 수 있음을 증명한다. 상기 MM-FBGs는 상기 YTFL 섬유 및 OVD 분말-도핑 2중-클래드 섬유를 위한 통상적으로 용융된 유리가 비-원형 섬유 코어내에 기입된 MM-FBGs에서 성공적으로 수행될 수 있음을 증명한다. 이러한 MM-FBGs가 Yb-도핑 테이퍼된 섬유 레이저에 사용될 수 있음이 증명되었지만, 이들은 또한 예를 들어 2중-클래드 섬유 레이저와 같은 다중-모드 섬유를 이용한 다른 레이저 공동 뿐만 아니라 이테르븀 이외의 도펀트를 이용한 섬유 레이저로 확장될 수 있다. 이러한 격자는 디바이스 신뢰성을 증가시키고, 보다 단순한 패키징 및 기존의 유전체 반사경 증착 기술에 비하여 저렴한 제조 비용을 제공한다.

렌즈, 커플링 개요와 같은 2중-클래드 또는 테이퍼된 섬유 레이저 구조의 선택 및 디자인의 특징, 및 광학 패키지의 다른 성분에 있어서 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변형 및 변화가 이루어질 수 있음은 당업자에게 분명할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부되는 청구항 및 그 동등수준의 보호범위내에서 제공되는 변형 및 변화를 포함하고자 한다.

Claims

제1굴절률을 가지며, 미리결정된 파장에서 하나 이상의 공간 모드를 수반하기 위한 다중모드부;

상기 다중모드부에 인접하며, 파워 증진을 위하여 상기 제1굴절률 보다 낮은 제2굴절률을 갖는 클래딩부; 및

상기 미리결정된 파장을 반사하기 위하여 상기 다중모드부의 적어도 하나의 섹션상에 기입되는 다중모드 격자

를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학-활성 도파관 레이저.
제1항에 있어서, 상기 다중모드부는 다중모드의 내부 클래딩 섬유 영역내에 섬유 브래그(Bragg) 격자를 기입하기 위한 광감응성 도펀트로 도핑된 상기 다중모드 내부 클래딩 섬유 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
제2항에 있어서, 상기 도펀트는 게르마니아인 것을 특징으로 하는 레이저.
제1항에 있어서, 상기 다중모드부는 다중모드 비-원형 코어 영역내에 섬유 브래그 격자를 기입하기 위한 광감응 도펀트로 도핑된 상기 다중모드 비-원형 코어 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
제4항에 있어서, 상기 다중모드 비-원형 코어 영역은 직사각형 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
제4항에 있어서, 상기 다중모드 비-원형 코어 영역은 타원형 섬유 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
제4항에 있어서, 상기 도펀트는 게르마니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
제1항에 있어서, 상기 다중모드 격자는 상기 미리결정된 파장을 포함하는 펌프 대역폭을 갖는 펌프에 의해서 상기 다중모드 섬유부내에서 전파되는 펌프 대역폭의 대부분의 파장에서 파워를 최대한 반사하고, 상기 펌프 대역폭내의 대부분의 파장의 대부분의 공간 모드를 반사하기 위한 다중모드 펌프 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
제1항에 있어서, 상기 다중모드 격자는 펌프의 다중모드부내의 전파에 의해 레이저조사되는 미리결정된 파장으로서 신호 파장의 기본 모드를 반사하기 위한 다중모드 신호 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
제9항에 있어서, 상기 다중모드 신호 반사경은 상기 신호 파장의 기본 모드에 상응하는 격자주기를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저.