(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形コアファイバーからの信号ビームを、狭い速軸方向と広い遅軸方向と広い遅軸寸法の狭い速軸寸法に対する比として定義されるコア断面アスペクト比とを有する断面方形のコアファイバーに結合する方法であって、 ３０から１００又はそれ以上の高アスペクト比の断面を有する光コアを備えて円形の断面を有する信号ビームを受信する光カプラを提供し、  前記信号ビームの寸法及び拡がり角を維持しつつ前記信号ビームを前記光コアを通って狭い速軸方向において伝播させ、  広い遅軸方向においてコリメートされたビームを生成しつつ前記信号のビーム寸法を大きくする方法。
【請求項２】
前記断面方形のコアファイバーの広い遅軸方向において信号ビームの最低次の空間モードのみを励起するように、入口における前記信号ビームを断面方形のコアファイバーに結合することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記信号ビームの寸法を大きくすることが、前記寸法を前記断面方形のコアファイバーにおいて約１０倍に拡大することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記信号ビームの寸法及び拡がり角を維持することが、前記狭い速軸方向において前記信号ビームをガイドするように構成されると共に信号増幅を生じない非活性構造によって実現される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記カプラの前記コアにおける前記遅軸方向において放物線プロファイルを有する実効屈折率が存在する前記遅軸方向において前記信号ビームが回折することができる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記放物線屈折率プロファイルが遅軸方向における屈折率分布型レンズとして機能するプロファイルを含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記断面方形のコアファイバー及び前記円形コアファイバーのいずれかの端部に前記カプラを直接取り付ける請求項１に記載の方法。
【請求項８】
接着、スプライシング、及び／又は溶融によって、前記カプラを前記断面方形のコアファイバー及び前記円形コアファイバーに直接取り付ける請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記カプラが前記断面方形のコアファイバーと前記円形コアファイバーとの間におけるモノリシックアーキテクチャを可能にする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記光コアが活性コアである請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記光コアが非活性コアである請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
円形のコアファイバーから放射される単一横モード信号ビームを、広い遅軸寸法の狭い速軸寸法に対する比として定義されるコア断面アスペクト比を有する方形のコアファイバーの方形コアの最低次の平面モードに結合するように構成されたカプラであって、 ３０から１００又はそれ以上の高アスペクト比の断面を有しており円形の断面を有する信号ビームを受信する光コアを含む光カプラを備え、  前記光カプラは、前記信号ビームの寸法及び拡がり角を維持しつつ、前記信号ビームを前記光コア内で狭い速軸方向において伝播させ、  前記光カプラは、前記信号ビームの寸法を大きくするとともに、前記信号ビームを前記高アスペクト比断面の広い遅軸方向においてコリメートするように配置されるカプラ。
【請求項１３】
前記カプラが、一端において入力ファイバーコアの直径に対応するコア厚を有し他端において方形コア出力ファイバーの厚みに対応するコア厚を有するように構成された請求項１２に記載のカプラ。
【請求項１４】
前記遅軸方向に沿ってコリメートされたビームを生成するために、前記コア厚が前記遅軸方向に沿って一定ではない請求項１３に記載のカプラ。
【請求項１５】
前記コア厚が前記カプラの長軸に沿って最も厚くなるよう構成され、前記速軸方向に沿った前記厚みは前記コアのいずれかの端部に向かって段階的に減少する請求項１３に記載のカプラ。
【請求項１６】
前記カプラは、平面導波路チャネルとして形成され、  前記平面導波路チャネルが、前記遅軸方向において変化する前記平面導波路チャネルの前記狭い速軸方向の厚みによって、前記チャネルの面において焦点効果を提供するように構成された請求項１３に記載のカプラ。
【請求項１７】
前記焦点効果は、前記遅軸方向において空間的に変化するように前記光コアの屈折率を調整することにより制御され、前記変化は、前記ビームの中心付近で高い屈折率を提供するとともに前記ビームの端部において段階的に減少する屈折率を提供する請求項１６に記載のカプラ。
【請求項１８】
一次元ＧＲＩＮレンズとして機能する前記カプラの長さが１／４ピッチ距離と等しい請求項１２に記載のカプラ。
【請求項１９】
前記カプラが、前記方形のコアファイバー及び前記円形コアファイバーのいずれかの端部に直接取り付けられるように構成された請求項１２に記載のカプラ。
【請求項２０】
前記カプラが、前記方形のコアファイバー及び前記円形コアファイバーに、接着、スプライシング、及び／又は溶融により直接取り付けられる請求項１９に記載のカプラ。
【請求項２１】
前記カプラが前記方形のコアファイバーと前記円形コアファイバーとの間におけるモノリシックアーキテクチャを可能にする請求項１２に記載のカプラ。
【請求項２２】
前記光コアが活性コアである請求項１２に記載のカプラ。
【請求項２３】
前記光コアが非活性コアである請求項１２に記載のカプラ。
【請求項２４】
狭い速軸方向と広い遅軸方向と広い遅軸寸法の狭い速軸寸法に対する比として定義されるコア断面アスペクト比とを有する方形コアファイバーからの信号ビームを断面円形のコアファイバーに結合する方法であって、 ３０から１００又はそれ以上の高アスペクト比の断面を有する光コアを備える光カプラを提供し、  前記前記信号ビームの寸法及び拡がり角を維持しつつ前記信号ビームを前記光コアを通って狭い速軸方向において伝播させ、  広い遅軸方向においてコリメートされたビームを生成する一方で前記信号ビームの寸法を変化させる方法。
【請求項２５】
前記方形コアファイバー及び前記円形コアファイバーのいずれかの端部に前記カプラを直接取り付ける請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
接着、スプライシング、及び／又は溶融によって、前記カプラを前記方形コアファイバー及び前記円形コアファイバーに直接取り付ける請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記カプラが前記方形コアファイバーと前記円形コアファイバーとの間におけるモノリシックアーキテクチャを可能にする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記光コアが活性コアである請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記光コアが非活性コアである請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
広い遅軸寸法の狭い速軸寸法に対する比として定義されるコア断面アスペクト比を有する方形コアファイバーから放射される単一横モード信号ビームを円形コアファイバーに結合するように構成されたカプラであって、 ３０から１００又はそれ以上の高アスペクト比の断面を有する光コアを含む光カプラを備え、  前記光カプラは、前記信号ビームの寸法及び拡がり角を維持しつつ、前記信号ビームを前記光コア内で狭い速軸方向において伝播させるように構成され、  前記光カプラは、広い遅軸方向において前記信号ビームの寸法を狭くするように構成されるカプラ。
【請求項３１】
前記カプラが、前記方形コアファイバー及び前記円形コアファイバーのいずれかの端部に直接取り付けられるように構成された請求項３０に記載の前記カプラ。
【請求項３２】
前記カプラが、前記方形コアファイバー及び前記円形コアファイバーに、接着、スプライシング、及び／又は溶融により直接取り付けられる請求項３１に記載のカプラ。
【請求項３３】
前記カプラが前記方形コアファイバーと前記円形コアファイバーとの間におけるモノリシックアーキテクチャを可能にする請求項３０に記載のカプラ。
【請求項３４】
前記光コアが活性コアである請求項３０に記載のカプラ。
【請求項３５】
前記光コアが非活性コアである請求項３０に記載のカプラ。
【請求項３６】
前記信号ビームの寸法を大きくすることが、前記光カプラのレンズの作用によって制御される請求項１に記載の方法。
【請求項３７】
前記レンズの作用は、前記広い遅軸方向において変化する前記光コアの前記狭い速軸方向の厚みに起因する請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記レンズの作用は、前記光コアの前記広い遅軸方向において横方向屈折率を適用することを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記レンズの作用は、前記光コアに対して空間的に変化する歪みを加えることを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記信号ビームは、前記光カプラのレンズの作用によって寸法を大きくされる請求項１２に記載のカプラ。
【請求項４１】
前記レンズの作用は、前記広い遅軸方向において変化する前記光コアの前記狭い速軸方向の厚みに起因する請求項４０に記載のカプラ。
【請求項４２】
前記レンズの作用は、前記光コアの前記広い遅軸方向において横方向屈折率を適用することを含む請求項４０に記載のカプラ。
【請求項４３】
前記レンズの作用は、前記光コアに対して空間的に変化する歪みを加えることを含む請求項４０に記載のカプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に光学分野に関し、より具体的には、円形断面ビームと高アスペクト比断面ビームとの間の光結合のためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
光ファイバー（ファイバーレーザー及び増幅器）の利得媒質は、幅広い性能特性を有するため、強い関心を集めている。この性能特性には、高効率、確実なシングルモード出力、高信頼性、小型のコイルパッケージ、好ましい熱性能のための大きな表面積／容積比、及び自由空間光通信を利用しない固定オプティカルベンチ不要の全ファイバー型アーキテクチャであることが含まれる。ファイバーレーザーの出力強度は、１９９０年代にワットレベルであったものが過去数年の間に数キロワットになるなど、過去１０年間で数桁向上している。
【０００３】
公知のように、一部の自由空間光通信方法によって、ビームフォーマットをコリメートされた円形形状からコリメートされた楕円形状に効率的に変化させることができる。円形ビームを平面導波路に自由空間結合するためには、単一の円柱レンズがよく用いられる。平面導波路は、焦点又は当該レンズの像平面に配置される。この基本的な手法には、様々な代替手段がある。例えば、一部の代替手段においては、２つの球面レンズや１つの円柱レンズではなく３つの円柱レンズが用いられる。しかし、レンズの基本的な機能には変更がない。自由空間の手法の欠点は、１列になった少なくとも３つのレンズセットを必要とするため嵩張ることである。また、一体形成が不可能なため、製造コストが増加してしまう。
【０００４】
ビームを再構成する最も一般的な手法は、通常２つのレンズから成る望遠鏡である。この２つのレンズは、焦点距離の合計に等しい距離だけ離れており、共通の焦点面を有する。１つの軸に対してビームを再構成する際には、軸が平行になるよう配置された２つの円柱レンズを有する円筒状の望遠鏡を用いることが多い。かかる望遠鏡は、原理上、ビーム寸法や他の軸のコリメーションに影響を与えるものではない。また、かかる自由空間望遠鏡は、一体に形成されておらず、全ガラス型構造でもない。しかしながら、アイソレータ等の光ファイバー型の通信用部品は、実際には、厳格なテレコーディア承認試験規格に合格できる小型で堅牢なパッケージ内に、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ、偏光子、光学フィルター等の非常に小さな自由空間部品を備えている。したがって、本開示の文脈においては、光ファイバー型の自由空間円筒状信号カプラがどのようなものであるか検討することが有益である。
【０００５】
狭い速軸面（narrow fast-axis plane）において円筒状イメージングを使用するとともに広い遅軸面（wide slow-axis plane）において簡単なコリメーションを使用し、円形の入力光ファイバーが20 μmのコア直径を有するとともに出力光ファイバーが20 μm × 2.5 mmの寸法の方形コアを有するものとする。ビーム拡がり角はλ/dに比例し、円形の入力光ファイバーの1 μmの波長に関するビーム拡がり角は50 mradになる。したがって、このビームが出力光ファイバーの2.5 mmの幅寸法に一致する位置に拡散するには、5 cmより大きな伝播距離が必要となる。この距離は明らかに不適当である。単一の遅軸レンズよりも非常に短い伝播距離で足りるレンズ対を代替手段として用いることができるが、距離が短くなるほどレンズの焦点距離もそれに応じて短くならざるを得ない。例えば、カプラの全長を最大で100 mmとし、倍率を125倍（20 μmを2.5 mmに拡大する）とする。長い方の焦点距離を実質的に100 mm全体を占めるように設定すると、短い方の焦点距離は所望の倍率を得るために0.8 mmの長さとなる。しかし、この種のマイクロレンズは、特に円柱レンズの場合には高品質に製造することが難しく、位置決めに対して非常に敏感になる。要するに、自由空間光通信は全ガラスという要求を満たさないだけではなく、約100 mmの実用可能な長さの自由空間カプラを製造するときには非常にリスクが高いとさえいえる。10 mm長程度のより短いカプラを用いることが望ましいが、このようなカプラにおいては上記のようなレンズ配置を用いることができない。
【０００６】
円形のファイバーモードを平面導波路モードに一致させる一般的な方法は、「突き合わせ結合」を利用するものである。研磨された（又は良好に劈開された）ファイバチップは、導波路軸に沿った地点に位置決めされ、当該導波路の研磨端面の極力近くに配置される。ファイバーが平面導波路端面に融合して成る一体化された突き合わせ結合も存在する。しかしながら、突き合わせ結合においては、２つの横方向面の寸法又は拡がり角を変更することができない。したがって、速軸の寸法（fast-axis dimension）及び拡がりを半導波型高アスペクト比コア（SHARC）利得ファイバーの長さ及び拡がりと一致させるように突き合わせカプラを構成すると、信号は、遅軸方向において大幅にアンダーフィルされるとともに拡散が大きくなるので、SHARCファイバーの高次のマルチモード励起が生じる。逆に、突き合わせ結合を遅軸方向のパラメータと一致するように構成すると、信号は、速軸方向を大幅にオーバーフィルし、これによりシステム効率が大きく低下する。
【０００７】
光学系を再構成する全ガラス型の一体形成可能な手法が知られている。第１の手法は、信号ファイバーコア直径のテーパリング、及び／又は、信号ファイバーコアの再形成に関する。円形の断面を維持しつつ前記コア及びクラッドの横方向を両方とも均等拡大するようにファイバーをテーパリングすることは、ファイバーオプティクスにおいて一般的な手法である。円形から方形へのコア形状の変形も、例えばフォトニック結晶ファイバーにおいて実証されている。この具体的な方法によって、円形のコアを約１．５という適度なアスペクト比の方形に変形することが容易になる。しかしながら、これと同じ手法を、円形のコアをSHARCに必要な非常に高いアスペクト比のコアに変形するために用いることは難しい。断熱的な再構成の欠点は、ファイバー方向の長さに応じた横方向寸法の変化率が、クラッドへの放射損を最小化するために非常に遅くなければならないことである。この要求のために、最低次モード構造及び偏光が維持されるならば、製造上の許容誤差が厳しく、非常に長い形状変換テーパーが必要となる。可変幅のテーパー面チャネルも知られている。しかしながら、これらのテーパー面チャネルは、異なる幅を有し、ファイバーではなく共通の固体基板に位置する２つの平面チャネルを互いに接続するために用いられる。また、前記遅軸方向に沿ってテーパーするリボン状の可撓性平面導波路も提案されている。しかしながら、この手法は、インコヒーレント光を再構成するために用いられ、シングルモードで前記遅軸方向に沿ってコリメートされた使用を維持するという要求を満たすことができない。
【０００８】
ガイドビームを再構成する第２の一体形成可能な手法は、GRINレンズの使用である。GRINレンズは、ファイバー光学部品の市場で広くもちいられている。GRINレンズは、ミリメートルスケールの横方向寸法を有する細いガラスのロッドとして構成される。光ファイバーは、平面GRINレンズ端面の一方又は両方に溶融できる。通常のGRINレンズにおいては、軸から周辺に向かうガラスの屈折率の横方向変化のため、上記の焦点効果が発生する。この変化は、典型的には、円筒形状のガラスロッドへドーパントが拡散し、その結果、ドーパント濃度、ひいては屈折率が径方向に勾配することによって起こる。横方向の屈折率の勾配によって、集光に必要な光線の光路の横方向の変化が起こる。GRINレンズは、単一の小型部品として、様々な光学的な機能を果たすことができる。「１／４ピッチ」長を有するGRINレンズロッドは、拡散ファイバーモードビームを円形ビームに拡大し、拡大したビームにコリメーションを提供することができる。長さを倍にした「１／２ピッチ」は、GRINロッドの入力端面の像をその出力端面に提供する。
【０００９】
市販のGRINレンズは、円形の断面を有するように製造される。このようなGRINレンズは、両方の横方向寸法（both transverse dimensions）におけるファイバーモードを同時にコリメート及び拡大するため、SHARCファイバーに結合するために必要なビームアスペクト比の変更のためには用いることができない。一方、円形のファイバーに結合された一般的なGRINレンズの一次元用のものも提案されている。対応する平面GRINレンズは、屈折率が、段階的に、放物線状に、１つの横座標に関してのみ変化するという点で、従来の円柱レンズと異なる。
【００１０】
円形のファイバーとSHARCファイバーとの間で円形ビームを楕円ビームに変換し、長寿命で、追加の光学面をクリーンに保つ必要がなく、高価な「ファスト（fast）」オプティクス、又は正確な位置合わせ、又は幅広い熱や振動に対応する使用環境における位置合わせの高度な正確さを維持する必要がない確実な全ファイバー増幅器アーキテクチャを提供するモノリシック高出力信号カプラが求められている。
【発明の概要】
【００１１】
本開示の様々な実施形態に従って、円形コアファイバーからの信号ビームを狭い速軸方向と広い遅軸方向と有する断面方形のコアファイバーに結合する方法が開示される。この方法は、高アスペクト比の断面を有する光コアを備えて円形の断面を有する信号ビームを受信する光カプラを提供し、前記前記信号ビームの寸法及び拡散を維持しつつ前記信号ビームを前記光コアを通って狭い速軸方向において伝播させ、広い遅軸方向においてコリメートされたビームを生成しつつ前記信号のビーム寸法を大きくする。
【００１２】
本開示の様々な実施形態に従って、円形のコアファイバーから放射される単一横モード信号ビームを半導波型高アスペクト比コアファイバーの方形コアの最低次の平面モードに結合するように構成されたカプラが開示される。このカプラは、高アスペクト比断面を有しており円形の断面を有する信号ビームを受信する光コアを含む光カプラを備え、前記光カプラは、前記信号ビームの寸法及び拡散を維持しつつ、前記信号ビームを前記光コア内で狭い速軸方向において伝播させ、また、前記光カプラは、前記信号の寸法を大きくするとともに、前記信号を前記高アスペクト比断面の広い遅軸方向においてコリメートするように配置される。
【００１３】
本開示の様々な実施形態に従って、狭い速軸方向と広い遅軸方向と有する方形コアファイバーからの信号ビームを断面円形のコアファイバーに結合する方法が開示される。この方法は、高アスペクト比の断面を有する光コアを備える光カプラを提供し、前記前記信号ビームの寸法及び拡散を維持しつつ前記信号ビームを前記光コアを通って狭い速軸方向において伝播させ、広い遅軸方向においてコリメートされたビームを生成する一方で前記信号ビームの寸法を変化させる
【００１４】
本開示の様々な実施形態に従って、高アスペクト比の方形コアファイバーから放射される単一横モード信号ビームを円形コアファイバーに結合するように構成されたカプラが開示される。このカプラは、高アスペクト比断面を有する光コアを含む光カプラを備え、前記光カプラは、前記信号ビームの寸法及び拡散を維持しつつ、前記信号ビームを前記光コア内で狭い速軸方向において伝播させるように構成され、前記光カプラは、当初は広い遅軸方向において前記信号ビームの寸法を狭くするように構成される。
【００１５】
本発明の上記及び上記以外の特徴及び性質、並びに、関連する構成要素及び各部分の組み合わせの動作方法及び機能、及び、製造の経済性については、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明と添付の特許請求の範囲を検討することによってさらに明らかになる。これらはいずれも本明細書の一部を構成する。本明細書において、類似の参照符号は様々な図面において対応部分を表している。添付図面は例示及び説明のためのものであり、本発明の発明特定事項の定義として用いることは意図されていない。本明細書及び特許請求の範囲における用法によれば、単数形の"a"、"an"及び"the"には複数のものへの言及が含まれる。ただし、文脈によって別に解すべきことが明白な場合はこの限りでない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】半導波型高アスペクト比コア（SHARC）ファイバーアーキテクチャの断面図を示す。
【００１７】
【図２】本開示の一態様に従って、ファイバーレーザーのアーキテクチャを示す。
【００１８】
【図３】本開示の一態様に従って、信号カプラの断面図を示す。
【００１９】
【図４】本開示の一態様に従って、SHARCファイバーから１／２ピッチ長を有する平面GRIN領域を含むカプラ部への伝播結果を示す。
【００２０】
【図５】本開示の一態様に従って、湾曲した速軸クラッドとコア屈折率材料における放物線プロファイルとの組み合わせたことにより実現される平面GRINレンズを用いた信号伝播を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の実施形態において、類似の構成については別の実施形態において示される場合も含め同一の参照符号を用いる。本開示の実施形態を明確かつ簡潔に説明するために、図面は必ずしも寸法通りではなく、一部の特徴は略図として示される場合がある。一の実施形態について説明及び／又は図示される特徴は、同一の方法又は類似の方法により、一又は複数の他の実施形態において用いられ、及び／又は、他の実施形態の特徴と組み合わせて又は他の実施形態の特徴の代わりに用いられる。
【００２２】
図１は、半導波型高アスペクト比コア（semi-guiding high-aspect ratio core又はSHARC）ファイバーのアーキテクチャの断面図を示す。図示のとおり、SHARCファイバー１０５は、冷却器等の機械要素１１０にコイル状に巻かれている。SHARCアーキテクチャの詳細な説明は、2007年8月9日に出願され、係属中の米国特許出願第11/891,328号「Method and Apparatus for Generation and Amplification of Light in a Semi-Guiding High Aspect Ratio Core Fiber」に記載されている。この米国出願は参照により全体として本明細書に組み込まれる。ファイバー１０５の丸で囲まれた領域の拡大断面図が示されている。ファイバー１０５は、光コア領域１２０に接触するように配置されたクラッド層１１５を含む。光コア領域１２０は、全内部反射によって狭い（速軸）方向の導波路を提供する。一部の態様において、光コア領域１２０は、光学的に活性であってもよく非活性であってもよい。コア１２０の材料特性は、広い（遅軸）方向における屈折率の変化、特に、コア１２０の遅軸端で起こりえる急激な変化を最小化するようなものである。コアは、方形形状を有していてもよく、ファイバーの具体的な用途に必要とされる出力の目標値に応じて３０：１から１００：１又はそれ以上の範囲内にあるアスペクト比を有していてもよい。出力の拡張性は、出力を一定強度で拡張するように遅軸寸法（slow-axis dimension）が出力と線形に増加することによって実現される。したがって、光損傷や誘導散乱等の出力の増加を制限する過程は、出力が増加しても一定である。また、速軸寸法（fast-axis dimension）は小さいままなので、SHARCファイバーは従来のファイバーと同様に捲回が容易である。
【００２３】
SHARCアーキテクチャに関しては、従来のインデックス型導波路が、１つの横方向（速軸方向）においてのみ用いられる。このことが「半導波型」という名称の由来である。遅軸端における屈折率変化が十分に小さいならば、高出力（幅広のファイバー）においても優れたビーム品質を得ることができる。高次平面速軸モード（Higher-order planar fast-axis modes）は、従来の大モード面積（LMA）ファイバーで用いられる手法と同様に、ファイバーを捲回することでコアからストリップされる。インデックス型導波路は、高度に多モードで使用されることになるため、遅軸方向においては使用されず、その代わりに空間モード制御の代替的な方法が用いられる。SHARCファイバーをレーザー発振器として用いる場合には、当該平面における低Fresnel数共振器を利用して遅軸方向におけるシングルモード性能を実現することができる。周知のように、この種の「細長い（long skinny）」共振器は、回折限界出力ビームを精製する。SHARCファイバーを増幅器として用いる場合におけるモード制御は、最低次のモードが最大の利得損失差を有するようにモード依存利得とモード依存損失との組み合わせを用いることで実現される。後述のように、SHARCファイバー構造は、非活性（すなわち、非増幅的）ファイバー及び非活性導波路並びに活性ファイバー増幅器において用いることができる。
【００２４】
本開示は、個別のファイバー部品が互いに接続された全ファイバー増幅器アーキテクチャを提供する高出力SHARCファイバーの設計上の課題に関する。この構成の全ファイバーは、堅牢で長寿命である。代替的な自由空間結合スキームとは対照的に、全ファイバー構造は、クリーンに保たれた追加の光学面を採用せず、高価な「ファスト（fast）」オプティクスもしくは正確な位置合わせが不要であり、又は、幅広い熱や振動に対応する使用環境における位置合わせの高度な正確さを維持する必要がない。
【００２５】
従来の円形コアとSHARCファイバーとの間のインタフェースを形成する際に充足しなければならない具体的な要件が少なくとも２つある。第１の要件においては、光学方式が、20〜30 μmの（又はこれより僅かに大きい）直径を再構成し、円形ビームを遅軸方向においてコリメートされた高アスペクト比の楕円ビームに拡散させる。再構成されたビームの狭い寸法（narrow dimension）は、当初のビームの寸法と同程度でなければならないが、そのビームは、直交する広い寸法（wide dimension）において、0.5 mm〜1.5 mm（又は約5mm）の範囲に拡大される。第２の要件においては、光学方式が、一体化された部材として実装されている必要がある。すなわち、小型で、２つの全く異なる光ファイバーが両端において結合された構造を有する。入力端にあるのは市販されている円形のコアファイバーであり、出力端にあるのはSHARCファイバーである。
【００２６】
一又は複数の実施形態において、本開示は、円形ビームを再構成し、３０：１〜１００：１又はそれ以上の範囲のアスペクト比を有する高アスペクト比の方形コアに一致させる。この再構成のメカニズムは、２つの直交する横方向において異なったものである。
【００２７】
一実施形態における信号カプラは、円形コア直径が方形コアの薄い寸法（thin dimension）と同じであると仮定し、一定の速軸寸法（fast-axis dimension）を維持するために、速軸方向において通常のインデックス型導波路を利用する。速軸寸法が異なる必要がある用途に用いる場合には、速軸のインデックス型導波路は、出力ビームを方形コアの薄い寸法に一致させるために、カプラ長に沿って先細にされ又は拡大される。
【００２８】
遅軸方向においては、カプラ媒質が一次元GRINレンズとして機能するグレーデッドインデックスプロファイルを有するという制約のもとで、円形の開口部から放出されるビームは自由に回折することができる。カプラ長は、遅軸GRINレンズが円形コアファイバーから放出され拡散ビームを実質的にコリメートする１／４ピッチ長となるように定められる。グレーデッドインデックスは、遅軸座標を横切って屈折率をプロファイルするなどの様々な方法で実現できる。これ以外にGRIN機能を実現するための他の手法を以下で説明する。
【００２９】
図２は、一実施形態に従ったファイバーレーザーのアーキテクチャを示す。主発振器２０５は、光ファイバー２１０に沿って伝播するビーム信号を生成するように構成される。光ファイバー２１０は、典型的には、商用オフザシェルフ（COTS）の円形のファイバーである。円形のファイバーは、クラッド２２０に囲まれた活性コア２１５を含む。図示のとおり、活性コアは20 μmのコア直径を有する。ビーム信号は、COTSファイバープリアンプ２２５によって前置増幅される。前置増幅された信号は、信号カプラ２３５によってSHARCファイバー２３０に結合される。信号カプラ２３５は、COTS円形ファイバーから放出される円形ビーム信号をSHARCファイバー２３０に沿って伝播するビーム信号に変換するように構成される。信号カプラ２３５の詳細については、以下でさらに説明する。一部の態様において、信号カプラ２３５は、高アスペクト比の信号ビームを円形ファイバーに沿って伝播する信号ビームに変換するなど、逆向きに動作することもできる。SHARCファイバー２３０は、高アスペクト比コア部を有する活性コア２４０を有する。活性コア２４０は、クラッド２４５によって囲まれている。「高」アスペクト比の断面は、一般に、３０：１から１００：１又はそれ以上の比として定義される。図示のとおり、コア２４０は、20 μm × 2.5 mmの寸法を有する。信号カプラ２３５から放出されるビーム信号は、SHARCファイバー出力増幅器２５０によって増幅される。
【００３０】
図３は、一実施形態に従って、GRIN機能を実装した信号カプラを示す。信号ビームを伝搬する円形のCOTSファイバー３０５が、信号カプラ３１０に結合されている。この信号カプラ３１０は、SHARC利得ファイバー３１５に結合される。ファイバー３０５は、大有効モード面積を有する光ファイバー（LMAファイバー）であってもよい。信号カプラ３１０は、例えば溶融石英から形成される光コア３２０を含む。一部の態様において、コア３２０は、活性又は非活性である。信号カプラ３１０は、接着、スプライシング、及び／又は溶融などの様々な接続方法を用いて、円形ファイバー及び高アスペクト比ファイバーに直接接続される。光コア３２０は屈折率ncを有しており、速軸クラッド３２５は屈折率nclを有している。ここで、nc > nclである。様々な態様において、クラッド３２５は、円形のコア３２０の周囲に湾曲するように配置され、その湾曲によって、クラッド３２５の間の領域が広い遅軸方向においてGRINレンズとして機能する。このように、コア軸に沿った平面モードの実効屈折率は、端部に沿った実効屈折率よりも大きくなる。以下で詳述するように、このクラッドの湾曲は、コア厚が一定の平面屈折率GRINレンズ（planar refractive-index GRIN lens）と同様に、伝播ビームに影響を与える。これは、当該モードの実効屈折率がコア材料の材料屈折率と異なっており、導波路の厚さに依存するためである。伝播モードのより多くの部分が低屈折率のクラッドよりも高屈折率のコア内に残るため、実効屈折率は、厚みが大きな領域で大きくなる。
【００３１】
平面導波路を通った光伝播を分析する分析手法が知られている。これらの方法を、図３に概略的に示されている厚さが一定でないコアを有する特定の配置に適用し、コア厚hを有するモードの実効屈折率の変化を計算した。実効屈折率は、次のように表される。
neff=n0+(dneff/dh)δh
ここで、δhは平均値h0からの厚みの差を表し、n0=neff(h0)及び(dneff/dh)は差δhに対する屈折率の感度を特徴付ける。SHARCファイバーカプラに関しては、コア材料とクラッド材料との間の屈折率の差分Δn=ncore−ncladは小さく、平面チャネルのＶパラメータ値は、少数の平面モードを含む伝播様式が可能となる程度に十分大きい。Ｖパラメータ値Ｖは次のように表される。
V = (πh/λ) ・NA・ncore
かかる条件においては、コアの厚みの変動に対する感度は、厚みに反比例することがわかった。この感度は次のように表される。
0005589001.tif 000002
この関係式を用いて、一次元GRINレンズの焦点合わせ力を計算することができる。まず、厚みが、ファイバー軸からコア端までの距離xに放物線に従った依存関係があると仮定し、次のように表す。
h(x)=hmax+δh(x)
ただし、
δh(x) = -Δh・(2x/w)2
ここで、wはチャネル幅である。この関係式は、遅軸方向に沿った実効屈折率に関して以下の放物線を得る。
neff(x)=n0−n1・x2
ただし、
n1=(4/w2)Δh・(dneff/dh)
得られた 平面GRINレンズの焦点距離、すなわち１／４ピッチ長は、次のように表される。
L1/4=(π/2)(n0/2n1)1/2
【００３２】
コア材料の屈折率 ncoreも距離xに依存する場合には、平面レンズの焦点合わせ力をさらに改善することができる。プリフォーム製造時に、コアにおけるドーパントプロファイルは、規則的な横方向の屈折率勾配を作るために調整される。屈折率の横方向における所望の勾配を生じさせるように、コアに対して空間的に変化する歪みを加えることも可能である。これらのいずれの場合においても、この分析手法によって、5〜10 mmの長さにおいてカプラの機能が実現され、自由空間光通信は不要であることが示された。
【００３３】
以上で用いた基本的な仮定及び分析モデルを確認するために、市販のGLADソフトウェアを用いて、一連の直接三次元伝播シミュレーションを行った。クラッド表面が湾曲している図３に示す構成を再現した。シミュレーション結果は、図４に示されている。図４は、ファイバー構成（左側）及び伝播結果（右側）を概略的に示す。この具体的なモデルでは、SHARC利得ファイバーを充填するために拡散が必要な小さな信号ビームから始めずに、カプラが円形の断面スポットを焦点合わせするSHARCファイバーにおいて発生する信号の等価な相補性問題を検討した。上述のように、この種のビーム変換は、SHARCファイバーレーザーの出力端において利用されることがある。最初の遅軸の寸法は1 mmとした。速軸クラッド間の空間は、ファイバー軸に沿って15 μmであり、コア端において5 μmであった。これは、1.6×10-4の実効屈折率の差に対応する。図示のとおり、信号は、ファイバー軸に沿って伝播し、SHARCファイバーとカプラ部との境界を通過する。ビームは、この時点では速軸方向にガイドされたままであるが、このビームは、湾曲した速軸クラッド（GRINレンズとして機能する）の影響により、遅軸方向に回折伝播を始める。右側の図における信号強度プロットに明確に表されているように、平面GRINレンズの影響によって、信号ビームが伝播軸に沿って規則的に集中し、カプラ部に入って約5.5 cmの距離において、最小スポット寸法になっている。この伝播調査は、信号がGRINレンズの影響下で継続して伝搬できるように設定されており、図から理解されるように、入力信号プロファイルは、予測どおり１／２ピッチ伝播長の後で繰り返されている。比較のために、同じ構成の分析調査においては5.3 cmの１／４ピッチ長が予測されるが、これは伝播結果と非常によく合致する。
【００３４】
湾曲した速軸クラッドと、軸から端部まで0.0015ずつ段階的に低下する屈折率が得られる遅軸方向での横方向屈折率プロファイル（transverse index profile）との組み合わせの影響を示すために、追加的な伝播モデリングを行った。これらの２つの効果の組み合わせにより、はるかに短い約1.6 cmの１／４ピッチ長が生成された。この場合、GRIN部に入射した信号ビームは20 μmの円形のスポットであった。このビームが拡散し、平面GRIN部によりコリメートされた。この結果を図５に示す。図５は、１／２ピッチ長に沿った全体の伝播を示す。この結果は、分析モードの結果であるL1/4 = 1.62 cmと非常によく一致している。
【００３５】
伝播結果は、速軸方向において一定のビーム寸法を維持する一方、ビームアスペクト比が一桁又は二桁の大きさだけ変化することを示している。この構成によって、設計の自由度が数段階向上し、数ミリメートルから数センチメートルの伝播長の範囲において、所望のビーム再構成を可能にする。図４及び図５は、所望の出力ビームプロファイルを実現するために必要な長さにおいて、約0.5 cm及び約1 cmの非常に緩和された許容誤差を示す。
【００３６】
以上の開示により、現時点で実用可能と考えられる様々な実施形態を説明したが、かかる詳細な説明は説明のためのものにすぎず、請求項に記載された発明は開示された実施形態に限定されるものではない。むしろ、請求項は、請求項の範囲内における変形例及び均等な構成を含むことを意図している。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本開示は、光学分野に利用可能であり、より具体的には、円形断面ビームと高アスペクト比断面ビームとの間の光結合のためのシステム及び方法に利用可能である。
【図１】
0005589001.tif 000003
【図２】
0005589001.tif 000004
【図３】
0005589001.tif 000005
【図４】
0005589001.tif 000006
【図５】
0005589001.tif 000007