(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア半径ρ及びコア屈折率ｎcoreを有するコアと、
前記コアのまわりに配置された第１のクラッドと、
前記第１のクラッドのまわりに配置された第２のクラッドとを備え、
前記第１のクラッドは外半径ρ１及び屈折率ｎｃ１を有し、前記コア及び前記第１のクラッドは屈折率の差Δｎ＝ｎcore−ｎｃ１及び約０．０５より小さい開口数（ＮＡ）を有し、前記ＮＡはｎcore及びｎｃ１により決定されるものであり、
前記第１のクラッド及び前記第２のクラッドは屈折率の差Δｎ１を有し、
１０より小さく１より大きい数のモードが前記コアにおいてサポートされ、
前記第１のクラッドの外半径ρ１は、約１．１ρより大きいが約２ρよりも小さく、
前記第１のクラッド及び前記第２のクラッド間の屈折率の差Δｎ１は、約１．５Δｎより大きいが約５０Δｎよりも小さく
前記コアは、少なくとも２００平方ミクロンのドープされた領域を含む、大口径コアの光ファイバ。
【請求項２】
前記大口径コアの光ファイバは、曲げられるものであり、実質的に同じコア半径ρとクラッド及びコア間の屈折率の差Δｎを有する大口径コアの光ファイバに比べ、低減された曲げ損失をともなうように構成される、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項３】
Δｎは約１０−３より小さい、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項４】
前記コアは約５０μｍと同じ大きさであり、前記Δｎは約８ｘ１０−５より小さい、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項５】
前記コアは約５０μｍと同じ大きさであり、前記ＮＡは約０．０１５より小さい、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項６】
前記コアは、シリカの屈折率の約±０．００３以内にある平均屈折率を有するドープされた領域を含む、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項７】
前記第１のクラッドは前記コアよりわずかに大きく、前記第１のクラッドの外半径ρ１は、１．１ρ＜ρ１＜１．５ρの範囲にある、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項８】
１．５Δｎ＜Δｎ１＜１０Δｎである、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項９】
前記コアは、部分的に希土類がドープされている、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項１０】
前記コアは、全体的に希土類がドープされている、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項１１】
前記コアの半径は、約２５μｍと同じ大きさである、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項１２】
前記第２のクラッドのまわりに配置された第３のクラッドと、前記コア、前記第１のクラッド及び前記第２のクラッドを含むポンプ伝搬領域とをさらに備える、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項１３】
コーティングと、ポンプガイドを形成するための、前記コーティングと前記第２のクラッド間に配置された追加のクラッドとをさらに備える、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項１４】
前記コアは、約５ｘ１０−４より小さい最大ピークトゥピークの変化をともなう実効屈折率の均一性を有する、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項１５】
前記大口径コアの光ファイバの一部は、ホーリー・ファイバを有する、請求項１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項１６】
屈折率を有するシリカと、
前記シリカ中の少なくとも約１０モル％のリンと、
前記シリカ中の少なくとも約１０モル％のホウ素と、
前記シリカ中で少なくとも約１０００モルｐｐｍの濃度を有する、前記シリカ中の希土類イオンとを含み、
前記リン、前記ホウ素、および前記希土類イオンをその中に有する前記シリカは、シリカの屈折率の約±０．００３以内である屈折率を有する、請求項２に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項１７】
光増幅を提供する光ファイバ・システムであって、
前記光ファイバ・システムは、
請求項１に記載の大口径コアの光ファイバと、
前記大口径コアの光ファイバへ光学的に結合された光ポンプと、
前記大口径コアの光ファイバの入力に光学的に結合された光ソースとを備え、
前記大口径コアの光ファイバの前記コアは、希土類イオンの一つ又は複数の種類でドープされており、前記大口径コアの光ファイバは、前記コア及び前記第１のクラッドにより形成される組み合わされた導波路を含む、光ファイバ・システム。
【請求項１８】
前記組み合わされた導波路は、前記コアにおいてサポートされるモードが前記第１のクラッドで実質的なパワーを有するモードに比べ利得を増加させたように、構成される、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項１９】
前記コアは、前記コア内で放射される入力ビームを受信するよう構成され、
前記入力ビームは、前記大口径コアの光ファイバの基本モードにある、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２０】
前記大口径コアの光ファイバは、前記コアにおいて１から１０までのモードをサポートするよう構成される、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２１】
前記組み合わされた導波路においてサポートされるモードの数とサポートされるモードの数間のモード間結合とが、前記コアにおいてサポートされるモードが前記第１のクラッドで実質的なパワーを有するモードと比べて利得を増加させたように限定されるように、前記第１のクラッドの外半径ρ１及び前記Δｎの値はとられている、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２２】
前記コアは実質的な屈折率の均一性を有する、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２３】
前記コアの半径は約２５μｍと同じ大きさである、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２４】
前記大口径コアの光ファイバの一部はホーリー・ファイバを含む、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２５】
前記大口径コアの光ファイバは、曲げられるものであり、実質的に同じコア半径ρとクラッド及びコア間の屈折率の差Δｎを有する大口径コアの光ファイバに比べ、低減された曲げ損失をともなうように構成される、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２６】
前記大口径コアの光ファイバは、前記第２のクラッドのまわりに配置された第３のクラッドと、前記コア、前記第１のクラッド及び前記第２のクラッドを含むポンプ伝搬領域とをさらに含む、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２７】
コーティングと、ポンプガイドを形成するための、前記コーティングと前記第２のクラッド間に配置された追加のクラッドとをさらに備える、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２８】
前記第１のクラッドは前記コアよりわずかに大きく、前記第１のクラッドの外半径ρ１は、１．１ρ＜ρ１＜１．５ρの範囲にある、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項２９】
前記大口径コアの光ファイバの前記入力はテーパーをつけられ、前記大口径コアの光ファイバは前記テーパーづけられた入力から伸びる長さを有し、前記テーパーづけられた入力は前記テーパーづけられた入力から伸びる前記長さより低減された数の光モードをサポートする、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項３０】
前記大口径コアの前記コアは、
屈折率を有するシリカと、
前記シリカ中の少なくとも約１０モル％のリンと、
前記シリカ中の少なくとも約１０モル％のホウ素と、
前記シリカ中で少なくとも約１０００モルｐｐｍの濃度を有する、前記シリカ中の希土類イオンとを含み、
前記リン、前記ホウ素、および前記希土類イオンをその中に有する前記シリカは、シリカの屈折率の約±０．００３以内である屈折率を有する、請求項１７に記載の光ファイバ・システム。
【請求項３１】
前記希土類イオンはイッテルビウム・イオンを有する、請求項１６に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項３２】
前記希土類イオンは、少なくとも約３０００モルｐｐｍのＹｂ３＋を含む、請求項３１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項３３】
前記希土類イオンは、少なくとも約３０００モルｐｐｍのＹｂ３＋、および少なくとも約１００モルｐｐｍのＥｒ３＋を含む、請求項３１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項３４】
前記ドープされたガラスの光黒化効果は、同等量のイッテルビウム・ドーピング・レベルを有するファイバの光黒化効果に比べて低い、請求項３２又は３３に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項３５】
前記ドープされたガラスは、失透を示すことなく２０，０００モルｐｐｍまでのイッテルビウム・ドーピング・レベルを含む、請求項３２又は３３に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項３６】
前記ドープされたガラスは、ポンプ波長で３００〜１５００ｄｂ／ｍの範囲に吸収を示す、請求項３１に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項３７】
前記ドープされたガラスは、光利得媒体の一部として配置され、
前記ドープされたガラスは、少なくとも約３０００モルｐｐｍのＹｂを有する希土類イオンを含み、
前記光利得媒体は、同等量のイッテルビウム・ドーピング・レベルを有する利得媒体よりも低い光黒化効果を提供する、請求項３２又は３３に記載の大口径コアの光ファイバ。
【請求項３８】
前記低い光黒化効果は、少なくとも部分的には、前記ドープされたガラス中に前記リンを含んでおり、それによりイッテルビウム・クラスタリングを防止するため、生じるものである、請求項３７に記載の大口径コアの光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００６年９月２０日出願の「Rare Earth Doped Large Effective Area Optical Fibers for Fiber Lasers and Amplifiers」と題する米国特許仮出願第６０／８４６，０１２号（整理番号ＩＭＲＡＡ．０３７ＰＲ）の優先権を主張し、参考としてそっくりそのまま本明細書に援用する。
【０００２】
本出願は、たとえば、希土類がドープされた光ファイバおよび有効区域が大きいファイバを含み、たとえばファイバ・レーザおよびファイバ増幅器で使用することができる光ファイバ、ならびにこのようなファイバを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ファイバ・レーザは、様々な利点により、過去１０年間にわたりそれらの半導体相当品をしのぐ大きな将来性を示してきた。ファイバ・レーザは、製造が容易であり、熱放散が効率的で、より安定で、より良いビーム品質を生み出し、より高信頼でよりコンパクトである。
【０００４】
ファイバ・レーザにおいてパワーを増大させる際の主要な限界には、非線形効果および光損傷が含まれ、それらは、レーザにおける光学モードの厳しい制限の直接の結果である。光ファイバには、いくつかの非線形効果がある。自己位相変調は、高ピーク・パワーの超短パルスの生成において優位を占める。ラマン散乱は、より長いパルスおよび連続波動作に対して、主要な制限のうちの１つである。ブリユアン散乱は、狭スペクトル線幅の用途で優位を占める。
【０００５】
どのようにしてこれらの非線形効果を打ち消すかについて、多くの研究がなされてきた。あるレベルの自己位相変調は、セルフシミラリトン（self-similaritons）での分散によって平衡をとることができる。ストーク波長（Stoke wavelengths）において損失を増大させるためのＷ型導波路設計により、ラマン散乱を低減させることができる。音響導波性を低減させることにより、ブリユアン散乱を低減させることもできる。これらの非線形効果のすべては、光ファイバ・コア内で光強度が高いことの直接の結果なので、コアのサイズを増大させることは、有効なモード区域を増大させることと同等であり、光強度を、したがって非線形効果を効果的に低減させることができる。
【０００６】
適切な空間フィルタおよび／または基本モードの選択的なモード励起がある場合、コアのサイズがより大きいマルチモード・ファイバを使用して、近回折限界増幅器の役割を果たすことができる。マルチモード・ファイバを使用することにより、単一モード・ファイバによって提供されるコアのサイズを超えて、コアのサイズを増大させることが可能になる。たとえば、参考としてそっくりそのまま本明細書に援用される、Ｆｅｒｍａｎｎらの米国特許第５,８１８,６３０号を参照されたい。コアのサイズの増大とともにファイバがよりマルチモードになるにつれて、良好なビーム品質を維持するためには、これらのファイバにおいて、基本モードの容易な放出および確実な伝搬もますます重要である。
【０００７】
非線形効果を低減させる他の有効な方法は、長さの短いファイバを使用することである。この手法は、高濃度に希土類がドープされたホスト・ガラスを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／８４６，０１２号
【特許文献２】米国特許第５,８１８,６３０号
【特許文献３】米国特許出願第１０／８４４,９４３号
【特許文献４】米国特許第６,７１１,９１８Ｂ１号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「High-power air-clad large-mode-area photonic crystal fiber laser」、Optics Express、vol.11、818〜823頁、2003年
【非特許文献２】「Extended single-mode photonic crystal fiber lasers」、Optics Express、vol.14、2715〜2720頁、2006年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、必要となるものは、大口径コアおよび／または高いドーピングを可能にするガラスである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書に記載の様々な実施形態には、光ファイバで使用してもよい希土類がドープされたガラス組成物、およびコア・サイズの大きいロッドが含まれる。ガラスの屈折率は、実質上均一でもよく、実施形態によっては、シリカの屈折率に近くてもよい。これらの特徴に対する実現可能な利点には、コア内での追加導波路の形成を低減させることが含まれ、コア・サイズが大きくなるにつれて、ますます問題になる。
【００１２】
たとえば、本明細書に記載の様々な実施形態は、屈折率を有するシリカ、前記シリカ中の少なくとも約１０モル％のリン、前記シリカ中の少なくとも約１０モル％のホウ素、および前記シリカ中の希土類イオンを含む、ドープされたガラスを備える。希土類イオンは、シリカ中の濃度が少なくとも約１０００モルｐｐｍである。リン、ホウ素、および希土類イオンを内包するシリカの屈折率は、シリカの屈折率の約±０．００３以内である。
【００１３】
本明細書に記載の他の実施形態は、希土類イオンがドープされたガラスを製造する方法を含む。その方法は、希土類イオンがドープされたガラスを含む複数のロッドを束ねる工程、および束ねられたロッドを引き伸ばして第１のロッドを形成する工程を含む。実施形態によっては、第１のロッドが、より短いセクションにカットされ、それらが束ねられ引き伸ばされて、第２のロッドを形成してもよい。この第２のロッドの実効屈折率の均一性は、空間分解能が０．１μｍである屈折率観測装置を用いて測定される、約５×１０-4の最大ピークトゥピークの変化よりも小さくてよい。
【００１４】
本明細書に記載の他の実施形態は、希土類イオンでドープされたコアおよびクラッドを含むロッドを備える。コアの実効屈折率の均一性は、空間分解能が０．１から０．５μｍである屈折率観測装置を用いて測定される約５×１０-4の最大ピークトゥピークの変化よりも小さい。
【００１５】
本明細書に記載の他の実施形態は、希土類イオンでドープされたコアおよびクラッドを含むファイバを備える。コアの実効屈折率の均一性は、空間分解能が０．１から０．５μｍである屈折率観測装置を用いて測定される約５×１０-4の最大ピークトゥピークの変化よりも小さい。
【００１６】
本明細書に記載の他の実施形態は、希土類イオンでドープされたコアおよびクラッドを含むロッドを備え、コアは、平均屈折率がシリカの屈折率の約±０．００３以内である、少なくとも２００平方ミクロン（μｍ2）のドープされた領域を備える。
【００１７】
本明細書に記載の他の実施形態は、希土類イオンでドープされたコアおよびクラッドを含むファイバを備え、コアは、平均屈折率がシリカの屈折率の約±０．００３以内である、少なくとも２００平方ミクロン（μｍ2）のドープされた領域を備える。
【００１８】
本明細書に記載の他の実施形態は、コア半径がρのコア、コアの周りに配置された第１のクラッド、および第１のクラッドの周りに配置された第２のクラッドを含むステップ・インデックス光ファイバを備える。第１のクラッドは、外半径がρ1である。コアおよび第１のクラッドは、屈折率での差がΔｎであり、第１のクラッドおよび第２のクラッドは、屈折率での差がΔｎ1である。このステップ・インデックス光ファイバについては、（ｉ）コア内で１０未満のモードがサポートされ、（ii）第１のクラッドの半径ρ１は、約１．１ρよりも大きく、約２ρよりも小さく、また（iii）第１のクラッドと前記第２のクラッドの間の屈折率の差Δｎ1は、約１．５Δｎよりも大きく、約５０Δｎよりも小さい。
【００１９】
本明細書に記載の他の実施形態は、光増幅を可能にする光ファイバ・システムを備える。光ファイバ・システムは、１つまたは複数のタイプの希土類イオンでドープされた光ファイバを備える。光ファイバは、テーパー状の入力を有し、そこから長く伸びる。光ファイバ・システムは、光ファイバに光学的に結合された光ポンプ、および光ファイバのテーパー状の入力に光学的に結合された光源をさらに備える。テーパー状の入力端は、テーパー状の入力から長く伸びる部分よりも、低減された数の光学モードをサポートする。
【００２０】
本明細書に記載の他の実施形態は、ガラスを製造する方法を含む。この方法は、蒸着によりホウ素を導入する工程、および蒸着により亜リン酸を導入する工程を含み、ホウ素および亜リン酸は、互いに異なる時点で導入される。ホウ素および亜リン酸を互いに異なる時点で導入することで、気相でのホウ素および亜リン酸の反応を防止する。
【００２１】
本明細書において開示される装置、組成物、および方法の例示的な実施形態は、各添付図に示され、各添付図は例示だけを目的とする。図面は添付の各図を含み、同様の番号は同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本明細書に記載の実施形態によっては光ファイバの製造で使用することができる、ロッドの形での高濃度にドープされたガラスを概略的に示す図である。
【図２Ａ】チューブの表面上での変形化学気相沈積法（ＭＣＶＤ）のための装置を概略的に示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示されるチューブ内でのコア・スートの蒸着を概略的に示す図である。
【図２Ｃ】（ａ）イッテルビウムのドーピングを含むガラス母材のコア領域を横切る屈折率、（ｂ）ガラスの平均屈折率、（ｃ）シリカの屈折率、および（ｄ）同様のイッテルビウム・ドーピング・レベルを有する従来のシリカ母材の平均屈折率の例をプロットした図である。
【図３Ａ】図２Ａおよび２Ｂに示される装置によって製造することができるような母材構造を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】イッテルビウムを含まない、図３Ａの母材の各部分を取り除くことによって製造されるロッドを概略的に示す図である。
【図４Ａ】イッテルビウムがドープされたロッドのスタック、およびスタックのキャニング（canning）を概略的に示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａの線ＡＡを横切る屈折率プロファイルをプロットした図である。
【図５Ａ】図４Ａに示されるプロセスで作製されるガラス棒（canes）によって形成されるスタック、およびスタックのキャニングを概略的に示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａの線ＢＢを横切る屈折率プロファイルをプロットし、増大した均一性および屈折率を示す図である。
【図６】図４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂに関して上記に開示される技法などの技法を使用して製造される、イッテルビウムがドープされたコアを有する漏洩チャネル・ファイバの断面図の写真である。
【図７Ａ】図６に示されるようなファイバの漏洩の断面図を概略的に示す図である。
【図７Ｂ】クラッドを形成するために使用されるシリカの屈折率と一致する平均屈折率を有するイッテルビウムがドープされたロッドを使用して形成される、図７Ａのファイバを横切る屈折率プロファイルを概略的に示す図である。
【図７Ｃ】クラッドを形成するために使用されるシリカの屈折率よりも高い平均屈折率を有するイッテルビウムがドープされたロッドを使用して形成される、図７Ａのファイバを横切る屈折率プロファイルを概略的に示す図である。
【図７Ｄ】クラッドを形成するために使用されるシリカの屈折率よりも低い平均屈折率を有するイッテルビウムがドープされたロッドを使用して形成される、図７Ａのファイバを横切る屈折率プロファイルを概略的に示す図である。
【図８】Ｙｂ3+ドープされたコアを含む、大口径コアの偏光維持（ＰＭ）ファイバの断面図の写真である。
【図９Ａ】コアレス・ファイバとともにスライスすることによって準備されるファイバ端面を概略的に示す図である。
【図９Ｂ】端面を形成するために劈開された、図９Ａのコアレス・ファイバを概略的に示す図である。
【図１０Ａ】大口径コアのファイバ内の穴を縮小させることによって準備されるファイバ端面を概略的に示す図である。
【図１０Ｂ】端面を形成するために劈開された、図１０Ａのコアレス・ファイバを概略的に示す図である。
【図１０Ｃ】大口径コアのファイバ内の穴にテーパーをつけ縮小させることによって準備されるファイバ端面を概略的に示す図である。
【図１０Ｄ】端面を形成するために劈開された、図１０Ｃのテーパーつきファイバを概略的に示す図である。
【図１１】シリカ・クラッドの屈折率よりも高い平均屈折率を有する、本明細書に記載されているようなスタック・アンド・ドロー・プロセスで製造される、希土類がドープされたコアを組み込むステップ・インデックス・ファイバの設計を概略的に示す図である。
【図１２】シリカ・クラッドの屈折率よりも高い平均屈折率を有する、本明細書に記載されているようなスタック・アンド・ドロー・プロセスで製造される、ドープされたコアを組み込む偏光維持（ＰＭ）ステップ・インデックス・ファイバの設計を概略的に示す図である。
【図１３】本明細書に記載されているようなスタック・アンド・ドロー・プロセスで製造される、ドープされたコアを組み込む耐曲げ性ファイバの設計を概略的に示す図である。
【図１４】本明細書に記載のプロセスによって形成されるダブル・クラッド・ファイバを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の詳細は、例および図によって説明されることになる。多くの実現可能な変形形態もまた可能であり、各例で使用されるプロセスの詳細には限定されないことが、当業者には容易に理解できる。
【００２４】
前述の通り、ファイバ・レーザでのパワーの増大に対する１つの制限には、非線形効果および光損傷が含まれ、それらは、レーザにおける光学モードの厳しい制限の直接の結果である。これらの非線形効果は、光ファイバ・コア内で光強度が高いことの直接の結果であるので、コアのサイズを増大させることは、有効なモード区域を増大させることと同等であり、光強度を、したがって非線形効果を効果的に低減させることができる。
【００２５】
マルチモード・ファイバを使用することにより、単一モード・ファイバによって提供されるコアのサイズを超えて、コアのサイズを増大させることが可能になる。コアのサイズがより大口径のマルチモード・ファイバは、適切な空間フィルタおよび／または基本モードの選択的なモード励起がある場合、近回折限界増幅器の役割を果たすために使用することができる。たとえば、参考としてそっくりそのまま本明細書に援用されるＦｅｒｍａｎｎらの米国特許第５,８１８,６３０号を参照されたい。
【００２６】
主に、高マルチモード・ファイバにおける放出の困難さおよびモード間結合のために、確実な基本モード動作が必要とされる場合、従来のファイバは、〜３５μｍのコア径の限界に達する。過去数年において、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）に基づく新規設計が研究されてきた。この設計は、弱い導波路の設計を犠牲にして単一モードまたは非常に少ないモードをサポートする、大口径コアのファイバの実証を可能にする。
【００２７】
参考としてそっくりそのまま本明細書に援用される「High-power air-clad large-mode-area photonic crystal fiber laser」、Optics Express、vol.11、818〜823頁、2003年において、Ｌｉｍｐｅｒｔらは、〜２８μｍのコア径を有するフォトニック結晶ファイバを開示する。単一モードの伝搬を確実にするために、このファイバ設計は、穴径対穴間隔の比ｄ／Λが０．１８よりも小さい多数の小径穴を有する。使用される穴径ｄは、ｄ／λ≒２である動作波長λに相当する。この小径穴サイズ／波長の比においては、空気穴への著しい光パワーの浸透が生じ、これにより、曲げに対する感度が厳格になる。主に、曲げ損失が高いので、確実な基本モード動作のために、この設計はまた〜３５μｍに制限される。
【００２８】
参考としてそっくりそのまま本明細書に援用される「Extended single-mode photonic crystal fiber lasers」、Optics Express、vol.14、2715〜2720頁、2006年において、Ｌｉｍｐｅｒｔらは、フォトニック結晶ファイバの設計を用いたロッドを開示する。直径１．５ｍｍのロッドにおいて、フォトニック結晶の設計を用いて、１００μｍまでのコア径が達成されてきた。１００μｍのコア・ロッドにおけるｄ／Λ比は、０．２である。ロッドの構造は、導波路をまっすぐに保ち、高い曲げ損失を軽減する。実際的な理由により、ロッドの長さは０．５メートルに制限される。
【００２９】
対照的に、参考としてそっくりそのまま本明細書に援用される「Large Core Holey Fibers」と題する米国特許出願第１０／８４４,９４３号（ＩＭ−１０７；整理番号ＩＭＲＡＡ．０２４Ａ）に開示される設計手法は、数がはるかに少なく、はるかに大きい穴を使用する。この設計では、高次モードが流出し、その結果高次モードにおいて高い伝搬損失が生じるように、はるかに大きい漏洩チャネルを作り出す。はるかに大きい空気穴を使用することで、曲げ感度が低減する。この設計の最新の実装形態では、０．６５と同じ高さのｄ／Λが使用され、その結果、曲げ損失がはるかに低減する。穴径対波長の比ｄ／Λをはるかに大きくすると、穴への光パワーの浸透を効果的に防止し、その結果、湾曲したファイバにわたって、光学的な導波がはるかに改善される。このタイプの設計はまた、高次モードの漏洩損失が高いために、モード間結合が低減させられ、その結果、単一モードの伝搬がはるかに改善される。
【００３０】
米国特許出願第１０／８４４,９４３号で開示されるフォトニック結晶ファイバの設計および漏洩チャネルの設計を用いて実際的な増幅器ファイバを作製するためには、ドープされたコア上の屈折率の均一性は、従来の光ファイバ製造で実現できる均一性よりも良好であることが好ましい。
【００３１】
コアがより大きくなるとき、屈折率の比較的高い局所的な材料が屈折率の比較的低い材料によって囲まれるために、コア上で屈折率が不均一であることにより、局所的な導波路が形成されることがある。局所的な導波路の形成は、屈折率の不均一性のレベル、ならびに屈折率の不均一性の幾何学サイズに依存する。コア上の実質的な屈折の均一性は、この局所的な導波を低減させることができる。具体的には、不均一性を小さい幾何学サイズに保つことにより、屈折率での局所的な変化が導波路を形成することにはならない。したがって、様々な実施形態では、屈折率の不均一性は、波長の長さの数倍未満に保たれる。さらに、屈折率の大きい不均一性は、より小さくされる。このような均一性は、大口径コアに対してよりも、小さいコアに対して達成するほうが容易である。
【００３２】
さらに、コアのドープされた領域での屈折率が、コアのドープされていない領域よりも高い場合、コア内に導波路が形成されてもよい。コアは、たとえばシリカを含んでもよい。光学利得を得るようにドープされたシリカの各部分が、ドープされていないシリカよりも屈折率が高い場合、追加の局所的な導波が生じてもよい。コアのドープされた領域およびドープされていない領域の正確な屈折率の整合は、この問題を軽減することがある。ドープされた区域がより大きいとき、たとえば、有効コア区域がより大きいとき、より密接な屈折率整合は、ドープされた領域が小さい場合よりも有用になることがある。したがって、本明細書に記載の様々な実施形態において、ドープされたコアの平均屈折率も、コア内にも使用されるクラッド・ガラスの屈折率に近接するように制御される。ドーピング・レベルが３０００モルｐｐｍ以上である希土類イオン向けの知られている母材を使用して、ドープされたガラスの屈折率をこのように制御することは難しいことがある。
【００３３】
本明細書に記載の実施形態によっては、コア内の屈折率がより高い、高濃度にイッテルビウムがドープされたロッドに加えて、シリカよりも屈折率が低い、フッ素がドープされたシリカ・ロッドを束ね、束ねられたロッドを引き伸ばしてコア・ロッドを作製することにより、所望の屈折率の均一性および平均屈折率を実現することができる。たとえば、参考としてそっくりそのまま本明細書に援用する「Extended single-mode photonic crystal fiber lasers」、Optics Express、vol.14、2715〜2720ページ、2006年を参照されたい。シリカの屈折率に近接した総合的な平均屈折率をもたらすように、フッ素がドープされたロッドの数、およびイッテルビウムがドープされたロッドの数は慎重に選ばれる。２つのタイプのロッドの合計数は大きく、それらのロッドはスタックの中で均等に分散される。各ロッドは、通常は６角形のスタックに束ねられ、引き伸ばされてコア・ロッドが作製される。このようにして、高度の平均屈折率制御を達成することができる。光は、光の波長よりもはるかに小さい寸法の構造体を認識することができないので、最初の個々のロッドが、最終のコアにおいて光の波長程度の寸法にまで低減されるとき、非常に均一な屈折率を達成することができる。しかし、イッテルビウムを含まないフッ素ドープされたシリカ・ロッドによって希釈されるために、この技法は、最終のコア内での平均のイッテルビウム・ドーピングのレベルを低減させる。このようなフッ素がドープされたロッドは、平均屈折率を達成するために使用することができるが、イッテルビウムを含まなくてもよい。この手法は、利得をもたらすために使用される平均イッテルビウムレベルを下げることになる。
【００３４】
それにもかかわらず、理論上、平均屈折率の正確な制御は、１つは屈折率が高く１つは屈折率が低い２つのタイプのロッドを含むガラス内の各タイプのロッドの数の比を制御することによって達成することができる。たとえば、参考としてそっくりそのまま本明細書に援用される、Ｋｌｉｎｅｒらに交付された米国特許第６,７１１,９１８Ｂ１号を参照されたい。クラッド・ガラスは比較的少数の高屈折率のロッドを含むが、コアは比較的多数の高屈折率のロッドを含む母材を作製することができる。
【００３５】
ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器内のイッテルビウムのための従来の母材は、シリカ・ガラス母材であった。高いドーピング・レベルでのイッテルビウム・クラスタリング（ytterbium-clustering）を低減させるために、あるレベルのアルミニウムまたはリンが、しばしば加えられる。各イッテルビウム・イオン間の相互作用の結果、多光子のアップコンバージョンが生じ、したがって、レーザまたは増幅器において追加のエネルギー損失が生じることもあるという事実により、イッテルビウム・クラスタリングは望ましくない。
【００３６】
さらに、光黒化（photo-darkening）は、ファイバ内に大量の光パワーが存在する結果として色中心が作り出されることにより、ファイバ内の背景損失が永久に増大させられる現象である。光黒化は、高いイッテルビウム・ドーピング・レベルでのイッテルビウム・クラスタリングに関連していると一般的に信じられており、複数のイオンが相互に作用して、光黒化を生じさせる非常に高いエネルギー・レベルを有する光子を発生する。その効果は、暴露の期間の後に飽和することがあるが、出力パワーの損失、およびファイバ・レーザおよびファイバ増幅器内での効率の低減の一因となる。光黒化は、高いパワー・レベルにおいてより厳格であり、適切に処理されない場合には、高出力ファイバ・レーザ・システムでの著しいパワー損失の一因となることがある。
【００３７】
しかし、イッテルビウム・クラスタリングを低減させるためにアルミニウムおよびリンを加えることは、屈折率を上げる効果がある。必要とされる場合、少量のゲルマニウム・ドーピングを加えて、屈折率を上げることができる。フッ素を加えて、屈折率を下げることができる。人工シリカ・ファイバの製造技法の現状により、シリカ・ガラスに組み込むことができるフッ素の量が制限されるため、希土類がドープされたコアの屈折率は、通常シリカの屈折率よりも高い。希土類ドーピングによる屈折率の増大に加えて、適度に低いレベルのクラスタリングを達成するために、アルミニウムまたはリンに対して必要とされるドーピング・レベルはより高いので、このことは特に希土類が高濃度にドープされたコアに対して当てはまる。したがって、屈折率がシリカの屈折率に近いある種の大口径コアのファイバ設計において、ファイバ・レーザのパワー・スケーリングのために使用される希土類が高濃度にドープされたコア・ガラスを作製することは、特に難しい。
【００３８】
しかし、本明細書に記載の様々な実施形態には、屈折率がシリカの屈折率に近い、希土類が高濃度にドープされたガラス組成物が含まれる。このようなガラスは、他のロッドならびに光ファイバを製造するための母材として使用することができるロッドに作りかえることができる。さらに、このようなガラスは、遠隔通信産業における光ファイバの製造で使用される成熟した技術で製造することができる。
【００３９】
たとえば、図１に示される一実施形態は、高水準の希土類イオン、たとえば＞１０００モルｐｐｍを有し、屈折率がシリカ・ガラスの屈折率に非常に近い、たとえば屈折率の差がΔｎ＜１×１０-3であるガラス組成物を含むガラス・ロッドすなわち母材２を備える。この実施形態では、大部分のシリカ・ガラスは、著しいレベルのリン、たとえば１０〜５０モル％のリン、およびホウ素、たとえば８〜５０モル％のホウ素を有する。様々な実施形態では、リンおよびホウ素は、リンまたはホウ素を含む化合物の中に存在する。大部分のシリカ・ガラスは、たとえば、５〜２５モル％のＰ2Ｏ5、および４〜２５モル％のＢ2Ｏ3を含んでもよい。たとえば、質量分析計またはＳＥＭを使用する元素分析を使用して、ガラスの組成を決定してもよい。このようなガラス組成物により、失透することなく２０,０００モルｐｐｍまでのイッテルビウム・ドーピング・レベルが可能になり、非常に効率的なレーザおよび増幅器の動作が可能になることが分かってきた。同等量のイッテルビウム・ドーピング・レベルについて、製造されたファイバでは、光黒化効果は大幅に低いことが分かってきた。このガラスを使用することにより、光黒化を低減させることができ、その結果、はるかに安定で効率的な高出力ファイバ・レーザおよびファイバ増幅器を実現することができる。
【００４０】
本明細書に記載の様々な実施形態には、実効屈折率の均一性がきわめて高いドープされたファイバ・コアを製造するための技法も含まれる。コアおよびクラッドを有する、希土類がドープされた多数の母材を製造することにより、この高い均一性を達成することができる。ドープされたコア・ガラスの平均屈折率は、シリカ・ガラスの屈折率に非常に近くなるように製造される。母材のクラッド・ガラスは、研削または穴あけにより、全体的にまたは部分的に取り除いてもよい。結果として、図１に示されるようなロッドを得ることができる。結果として得られるロッドは束ねられ、このスタックは引き伸ばされてより小さいサイズのロッドになり、スタック内の各構成ロッドの実質的な融着を確実に行う。場合によっては、スタックは引き伸ばす前にチューブに挿入することができる。引き伸ばされたロッドは、切断し、他の同様のロッドとともに再度束ね、同様の手順に従って再度引き伸ばすことができる。最終的に一様なロッドを得るために、このプロセスは何度も繰り返すことができる。最終のファイバでは、高い引伸ばし温度での、粘性の低い希土類がドープされたガラスの流れおよび拡散により、ドープされたガラスはさらに混合されてもよい。スタックがチューブに挿入される代替構成では、構造体を融着させるために、追加の工程を加えてもよい。次いで、引き伸ばしてロッドにする前に、チューブの一部分または全部を、研削またはエッチングによって取り除いてもよい。
【００４１】
他のドープされたガラスと対照的に、本明細書に記載のこの希土類がドープされたガラスにより、シリカ・ガラスの屈折率に非常に近い屈折率にすることができる。さらに、他の方法で使用される２つのタイプのガラス・ロッドの代わりに、同じタイプのガラス・ロッドのスタック・アンド・ドローを繰り返すことによって、非常に均一な希土類がドープされたコア・ガラスを作製することができる。この手法は、ガラスの均一性をさらに改善し、ファイバ・コア内で、高く有効な希土類ドーピング・レベルを可能にする。
【００４２】
母材を束ねキャニングすることによって形成されるファイバを製造するための様々なファイバおよびプロセスが、以下でより詳細に記述される。母材を製造するプロセスも記述される。母材、ファイバ、および他の構造体を製造するためのプロセスは、例および図により詳細に記述されることになる。しかし、プロセス、ならびに結果として生じる成果物および中間の成果物における広範囲の変形形態が可能である。各処理工程は、加えても、取り除いても、また並び替えてもよい。同様に、各成分は、加えても、取り除いても、また、異なるようにまたは異なる量で構成されてもよい。具体的には、初期成分および添加成分を変更してもよい。
【００４３】
以下の各例で使用される母材の製造技法は、変形化学気相沈積法（ＭＣＶＤ）であるが、たとえば外部析出プロセスなど、他の知られている蒸着技法も使用することができる。液体前駆物質、たとえばそれぞれＳｉＣｌ4およびＰＯＣｌ3を用いて、従来のバブラー装置を介して、シリコンおよびリンが析出ゾーンに導入される。ガス前駆物質、たとえばＢＣｌ3を介して、ホウ素が析出ゾーンに導入される。フッ素も使用され、ＣＦ4を介して導入される。よく知られた溶液ドーピング・プロセスを介して、希土類イオンが導入される。
【００４４】
プロセスの初期段階では、図２Ａに示されるように、外径が２５ｍｍで内径が１９ｍｍの基板チューブ１０は、洗浄され、ＭＣＶＤシステムの旋盤上に配置される。この例では、フィンランド、ヴァンターのＮｅｘｔｒｏｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製の、光ファイバ製造用の標準のＭＣＶＤシステムが使用されるが、他のシステムを使用してもよい。基板チューブ１０は、直径が同様のスターティング・チューブ１１と第１の端で、また直径がより大きいスート・チューブ１２と第２の端で接合される。スターター・チューブ１１は、チャック１３によって保持され、回転シール１５を介してガス入口管１６に接続される。スート・チューブ１２も、チャック１４によって保持される。スート・チューブ１２は、排気ガスを放出前に処理するスクラバ（scrubber）に接続される。基板チューブ１０に沿って動く移動式バーナ１７は、基板チューブの一部分を一度に加熱することができる。バーナ１７は、スート・チューブ１２との接合部付近の基板チューブ１０の端に到達するとき、スターター・チューブ１１との接合部付近の基板１０の開始部分に急速に移動する。バーナは、基板チューブ１０に沿った次の移動に備えることになる。チャック１３、１４は、４０ｒｐｍの速度で回転する。
【００４５】
基板チューブ１０の内面からガラスの層を取り除くために２００ｓｃｃｍのＣＦ4が使用されるエッチング通路を用いて、基板チューブ１０は最初に洗浄される。シリカを含んでもよい、屈折率が基板チューブに近いクラッドを析出させるために、１つまたは複数の任意選択のクラッド通路が使用される。クラッドを形成するために、５００ｓｃｃｍのＳｉＣｌ4、３００ｓｃｃｍのＰＯＣｌ3、および１０ｓｃｃｍのＳＦ6の流れが使用されてもよい。
【００４６】
図２Ｂに示されるように、スート・チューブ端から上流にバーナ１７を動かすことにより、コア層が析出される。バーナ１７は、スート形成に先だって上流に移動し、したがって、図２Ｂに示されるように、どんなスートの焼結も避けるために、バーナがコア・スート２０の上を通り過ぎることはない。実施形態によっては、コア形成のために使用される流れは、１００ｓｃｃｍのＳｉＣｌ4、５００ｓｃｃｍのＰＯＣｌ3、および２００ｓｃｃｍのＣＦ4である。コアが通過する間、バーナ１７は、２０ｍｍ／分でスート・チューブ端からスターティング・チューブ端に進んで、スート形成を促進する。バーナについては、４７ｓｌｍ（standard liter/min）の水素および酸素／水素比０．４５が使用される。次いで、コア・スート２０を１３００℃に加熱することによって固化するために、コア層は通過させられる。
【００４７】
次いで、基板チューブ１０は、旋盤から取り出されて、イッテルビウムをスート層に組み込むために、ＹｂＣｌ3溶液にコア・スート２０を浸漬する。１時間の溶液ドーピングの後に、溶液は排出され、基板チューブ１０は旋盤上に戻される。基板チューブは、窒素を通過し、〜１０００℃まで加熱されることにより、数時間乾燥される。コア・スート２０は、１０〜１５０ｓｃｃｍのＢＣｌ3の流れとともに１７５０℃に加熱することによって焼結される。焼結を経た後、基板チューブ１０は、あるレベルのＰＯＣｌ3の過剰ドーピングで崩壊プロセスを通過し、バーナの温度は著しく上げられ、バーナの速度は下げられる。崩壊プロセスの間、チューブの表面張力は、チューブの外径を低減させる。実施形態によっては、３〜５回の崩壊工程が使用される。チューブはすべて崩壊して、最後にはロッドになる。イッテルビウムがドープされたコアを有する固形の母材が得られる。この実施形態では、ホウ素および亜リン酸は、互いに異なる時点で導入され、それにより、気相でのホウ素および亜リン酸の反応の可能性を低減させる。
【００４８】
図２Ｃの曲線１００は、製造されるイッテルビウム・ドープされた母材のコア部分全体にわたる屈折率プロファイルを示す。線１０２で示されるシリカの目標屈折率とともに、コア全体にわたるこの母材の平均屈折率が、線１０１で示される。１０１で示されるコア全体にわたる母材の平均屈折率は、１０２で示される目標屈折率の±１×１０-4以内に収めることができる。従来のシリカ・ホストを用いて作製される平均屈折率の例が線１０３によって図示され、はるかに高い値である。ガラス内に組み込まれるはるかに大量のＢ2Ｏ3レベルにより、マッチングが著しく増大し、それにより、ドープされたガラスの屈折率が低下した。
【００４９】
コアは、３５００〜１７５００モルｐｐｍのＹｂ3+イオンでドープされ、９７６ｎｍで３００〜１５００ｄＢ／ｍの吸収が生じる。この例では、コアは、１５〜２５モル％のＰ2Ｏ5、０．１〜０．５モル％のＦ、および１０〜２５モル％のＢ2Ｏ3でさらにドープされる。５０μｍのコア・ファイバについては、実施形態によっては、平均屈折率とシリカの屈折率の間の差Δｎ＝ｎ−ｎsilicaは、１μｍの波長において−５×１０-3よりも大きく、５×１０-4よりも小さい。場合によっては、少なくとも１つには、イッテルビウム・クラスタリングを防止するリンを含有しているために、同等量のイッテルビウム・ドーピング・レベルに対して、製造されたファイバにおいて光黒化効果も大幅に低減させられる。ファイバを製造するのに使用されるパラメータの変化を使用してもよく、結果も変化してよい。
【００５０】
図３Ａは、図２Ａ〜２Ｃを参照しながら前述したプロセスで製造されてもよい基板チューブ１０からの、コア２０１、任意選択の析出されたクラッド層２０２、およびシリカ・ガラス層２０３を備える母材２００の構造を示す。図３Ｂは、シリカ層２０３、析出されたクラッド層２０２、および、おそらくコア２０１の小さな部分を取り除くことにより、母材２００から作製されるコア・ロッド２１０をさらに示す。断面図２１１には、コア２０１の全部または一部分が含まれる。一代替実施形態では、ロッド２１１は、クラッド層２０２の一部分を含む。
【００５１】
繰返しスタック・アンド・ドロー・プロセスは、希土類がドープされたコアを有する複数の母材の製造から始まる。次いで、母材は研削されて、シリカ層２０３が取り除かれ、大部分は希土類がドープされたコア・ガラスを含む複数のコア・ロッド２１０を作製するために、析出されたクラッド層２０２が全体的にまたは部分的に取り除かれる。代替例として、イッテルビウムを含まないガラス層をエッチングで取り除く工程、およびドープされたコアを穴あけして取り除く工程が、この目的のために使用することができる。
【００５２】
次いで、図４Ａに示されるように、ドープされたコア・ロッド２１０は束ねることができる。その高い実装密度により、図４Ａに示される６角形のスタック３００を使用してもよいが、他のスタック構成を使用することもできる。スタックが所定の位置に保持される間、スタック３００の両端は融着される。次いで、融着された両端は、キャニングの間、スタック３００の形状を保持することができる。スタック３００全体を融着することは任意選択である。図４Ａに示される後続のキャニング・プロセスにおいて、ドープされたコア・ロッドの浪費を低減させるために、ドープされたコア・ロッド２１０は、一端または両端においてドープされていないロッドと接合することもできる。次いで、スタック３００は、スタック内のすべてのロッドを融着するための適切な引伸ばし条件を選ぶことにより、単一のロッド３１０にキャニングすることができる。スタック３００は、引き伸ばす前に、チューブ（図４Ａでは図示せず）に挿入することもできる。引き伸ばしている間、チューブは、スタック３００を所定の位置に保持しなくてすむ。キャニングされたロッド３１０は、実質上融着された断面図を有する。図４Ｂは、図４Ａに示されるＡＡに沿った断面図を横切る屈折率プロファイル３２０を示す。屈折率プロファイル３２０は、主に、寸法が縮小された最初のコア・ロッド２１０の屈折率を含む。より高いキャニング温度では、流れおよび拡散が発生することがある。最初のロッド２１０の屈折プロファイルの山と谷は、大幅に平滑化することができる。
【００５３】
次いで、図５Ａに示される繰返しプロセス用にスタック４００を形成するために、ガラス棒３１０は、複数のセクションに切断され、再び束ねることができる。このプロセスは何度も繰り返すことができる。図５Ｂは、図５Ａでの結果として生じるガラス棒４１０の線ＢＢに沿った屈折率プロファイル４２０を示す。屈折率プロファイル４２０は、主に、寸法が縮小された最初のガラス棒３１０の屈折率プロファイルを含む。この場合も、キャニング温度が高い場合、流れおよび拡散により、屈折率プロファイル４２０（ＢＢに沿って表示される）は大幅に平滑化することができる。これにより、より均一な屈折プロファイルを作成することができる。第２段階は、製造される母材内での不整合を排除することができるので、実施形態によっては、少なくとも２つの段階が使用される。図４Ａおよび５Ａでのスタックの例では、３７本のロッドのスタックが使用される。他のスタック・サイズを使用することもできる。各段階で使用されるロッドの数は、同じである必要はない。様々な実施形態において、構成は変化してもよい。
【００５４】
このプロセスの別の実施例では、２段階プロセスの各段階において、スタックは、引伸ばしの前にチューブに挿入される。さらに、引伸ばしに先立って、スタックおよびチューブを融着させるのに、追加工程を使用することができる。次いで、研削またはエッチングにより、チューブは、全体的にまたは部分的に取り除かれてもよい。さらに、ドープされたロッドは、大口径コアのファイバのコア領域に組み込まれる。このようなファイバは、ドープされたコアを、ドープされていないロッドならびに中空の（ドープされていない）ロッドとともに束ね、引き伸ばすことによって製造されてもよい。それによって製造されるファイバ５００の断面図が、図６に示される。ファイバ５００は、コア５０１を定義する６つの穴５０２を備える。６つの穴は、引伸ばしプロセスで使用される６本の中空ロッドから形成されてもよい。他のプロセスおよび構成が使用されてもよい。コア５０３のドープされた部分は、それぞれ第１および第２のスタックを示す図４Ａおよび５Ａに関して前述したような繰返しスタック・アンド・ドロー・プロセスによって製造される、ドープされたロッドを備える。第１のスタックで使用される任意選択のシリカ・チューブは、イッテルビウムがドープされたガラスの屈折率よりも屈折率がわずかに低いので、第２のスタックで使用されるロッドの各々は目に見える。
【００５５】
図６に示される実施形態では、ホーリー・ファイバ５００内のドープされたロッドならびに穴５０２に対して、シリカ・ガラスは母材として使用される。他の様々な実施形態では、ホーリー・ファイバ内のドープされたロッドおよび／または穴に対して、シリカは母材として使用されてもよい。したがって、シリカは、コア５０３内のドープされた領域に対して母材として使用されてもよく、クラッドを作製するための母材の材料として使用されてもよい。他の実施形態では、母材の材料として他の材料が使用されてもよい。さらに、たとえばホーリー・ファイバ内のドープされた領域（たとえばロッド）または穴を囲むために、コアまたはクラッドの領域のいずれに対しても、様々な母材の材料が使用されてもよい。
【００５６】
図７Ａ〜７Ｄは、ドープされたコア・ロッドが、異なる平均屈折率を有するように選ばれる、様々な実施形態を示す。図７Ａは、コア５０１を形成する６つの穴５０２を有する漏洩チャネル・ファイバ５００を示す。コア５０１の一部分５０３は、ドープされたロッドから作製される。図７Ｂ、７Ｃ、および７Ｄは、図７Ａでの線５０４に沿って例示された屈折率プロファイルであり、図７Ａで、ドープされたコアの平均屈折率は、それぞれ、使用されるシリカ・ガラスの屈折率と同じ、それよりも高い、またそれよりも低い。
【００５７】
図７Ｂは、平均屈折率６１２がシリカ・ガラス６１０の屈折率と一致する、コア５０１のドープされた部分５０３の屈折率６１１を示す。空気の屈折率６１３も図７Ｂに示される。図７Ｃは、平均屈折率６２２がシリカ・ガラス６１０の屈折率よりも高い、コア５０１のドープされた部分５０３の屈折率６２１を示す。この場合、この高い平均屈折率のために、追加の導波路が生じることになる。実施形態によっては、平均屈折率とシリカの屈折率の差Δｎ＝ｎ−ｎsilicaは十分に小さく、したがって、Ｖ＝２πρＮＡ／λは約６未満に保たれる。ただし、Ｘは光学波長であり、ρはコア半径であり、ＮＡ＝（ｎ2−ｎsilica2）1/2≒ｎsilica（２Δｎ／ｎsilica）1/2である。様々な実施形態では、Ｖは約２．４よりも低く、したがって、この追加の導波路では高次モードはサポートされない。この追加の導波路が局所的に増大する屈折率によって作製される場合、高次モード伝搬を低減させるための総合的な導波路効果を低減させるために、穴５０２を低減させることができる。各穴の間のギャップは、漏洩チャネルを提供する。漏洩を増大させるために、穴のサイズまたは／および数のいずれかを低減することができる。それにより、高次モードを漏洩させることができ、数モードまたは単一モードのファイバが提供される。
【００５８】
図７Ｄは、平均屈折率６３２がシリカ・ガラス６１０の屈折率よりも低い、コア５０１のドープされた部分５０３の屈折率６３１を示す。この場合、この低い平均屈折率のために、追加の負の導波路が生じることになる。様々な実施形態では、平均屈折率とシリカの屈折率の差Δｎ＝ｎ−ｎsilicaは−０．００５よりも大きく、したがって、穴５０２からの導波路効果を相殺せず、−０．００１よりも大きくてもよい。この追加の負の導波路が存在する場合、総合的な導波路効果を増大させるために、穴５０２は増大させられてもよい。穴のサイズまたは数のいずれかが増大させられてもよい。
【００５９】
図８は、４つの穴７０２に加えて２つの応力要素７０４を組み込む、偏光維持（ＰＭ）ファイバ７００の断面図を示す。コア７０１は、図４Ａおよび５Ａを参照しながら記述されたプロセスを使用して製造されるロッドなど、ドープされたロッドを使用して形成される、ドープされた一部分７０３を備える。
【００６０】
図８に示される実施形態では、シリカ・ガラスは、ホーリー・ファイバ５００内のドープされたロッド、２つの応力要素７０４、ならびに穴７０２用の母材として使用される。したがって、様々な他の実施形態では、シリカは、ホーリー・ファイバ内のドープされたロッド、応力要素、および／または穴用の母材として使用されてもよい。シリカは、コア７０３内のドープされた領域用の母材として使用されてもよく、クラッドを作製するための母材の材料として使用されてもよい。他の実施形態では、母材の材料として、他の材料が使用されてもよい。さらに、たとえば、ドープされた領域（たとえばロッド）、ホーリー・ファイバ内の穴、応力要素、または他の構成部品用の母材として、コアまたはクラッドの領域のいずれにも、様々な材料が使用されてよい。
【００６１】
したがって、シリカ・ガラスおよび空気穴が上記の例で使用されるが、設計を実施するためには、様々な屈折率を有する、多くの様々な透明な光媒体を使用することができる。一例として、軟質ガラスは、シリカに取って代わることができ、屈折率がより低い別の軟質ガラスを使用して、空気穴に取って代わることができる。イッテルビウム以外の希土類イオンを使用することもできる。依然として、たとえば、構成、材料、寸法、または他の設計パラメータにおける他の変形形態が可能である。
【００６２】
大きい穴が存在するために、劈開時に望ましくない亀裂が発生することがある。亀裂は、使用には適さない劈開された端面を作ることがある。さらに、様々な用途について、たとえば、汚染物質が穴に入るのを防止するために、ファイバ端で穴を密閉することが必要になる。これらの問題を解決するために、いくつかの技法を使用することができる。図９Ａに示される一実施形態では、コアレス・ファイバ８０２は、大口径コアのホーリー・ファイバ８０１に接合される。次いで、コアレス・ファイバ８０２は、劈開されて端面８１０を形成する。劈開された端面８１０の断面図は、図９Ｂに示される。接合点８０４および穴８０３は、図９Ａに鮮明に示される。コアレス・ファイバは、増幅器の出力に配置される場合、ビーム拡大に対してエンド・キャップの役割を果たしてもよい。エンド・キャップは、ガラスを出る前にビームが拡大することができる均一な媒体を提供する。端面の損傷を低減または最小限に抑えるために、このビーム拡大は、有利には、ガラス／空気のインターフェースにおいて光強度を低減させることができる。
【００６３】
他の手法では、ホーリー・ファイバ９００内の穴９０１は、ホーリー・ファイバのセクションを少なくともガラス軟化温度と同じ高さの温度まで加熱することにより、全体的に崩壊してソリッド・ファイバ９０３になる。次いで、ファイバ９００は、図１０Ａに示されるような端面９１０を形成するために、崩壊した一部分において劈開することができる。図１０Ｂは、ＰＭファイバの、崩壊され劈開された端面９１０の断面図を示す。応力要素９１１は、図１０Ｂに示されるファイバの断面図上で目に見える。前述のようなドープされたロッドも、コアのドープされたセクション９１２において目に見える。
【００６４】
図１０Ｃは、穴９２１を有するホーリー・ファイバ９２０が、テーパーをつけられ、次いで崩壊させられる、さらなる技法を示す。このプロセスは、そのように限定されるべきではないが、テーパーを作製し、穴９２１を崩壊させるために、引伸ばしおよび／または加熱を使用することができる。ホーリー・ファイバ９２０は、テーパー９２３、および劈開されテーパーがつけられた端９２２を有する。この場合の端面９２２は、図１０Ｄに示される。このテーパー９２３は、より少数のモードをサポートし、特に増幅器の入力端に配置されるとき、さらに、高次モードに対する伝送損失を増大する助けとなることがある。このような入力テーパーは、光パワーをコアに効率的に放出する助けとなることがある。
【００６５】
実効屈折率の均一性がきわめて高いドープされたコアを作製するための、本明細書に記載の繰返しスタック・アンド・ドロー・プロセスは、従来のステップ・インデックス・ファイバならびにフォトニック結晶ファイバで使用することもできる。従来のステップ・インデックス・ファイバ内で、ドープされたコア領域を作製するために、スタック・アンド・ドローが繰り返される様々な実施形態では、ドープされた母材コアの平均屈折率は、クラッド・ガラスの屈折率よりもわずかに高くなるように作製することができる。ドープされた母材は、たとえば、ファイバのコアの一部分を形成するドープされたロッドを含んでもよい。実施形態によっては、複数のドープされたロッドから作製される最終のロッドは、クラッド・ガラスを含むチューブに挿入される。
【００６６】
ファイバ１０００は、図１１に示される。図１１では、ドープされたコア１００１は、繰返しスタック・アンド・ドロー・プロセスから作製される。前述の通り、ドープされたコア１００１は、複数のドープされたロッドから形成されてもよい。クラッド層１００３は、クラッド・ガラスを備える。ファイバ１０００は、コーティング１００２でさらに被覆される。
【００６７】
屈折率プロファイル１００４は、ドープされたコアとクラッド・ガラスの間の屈折率の差Δｎを示す。実効屈折率の均一性が非常に高いドープされたコアは、モードの質および使いやすさを改善することができ、より小さいΔｎを使用できるようにすることもできる。多くの現行設計では、Δｎは、１×１０-3よりも大きく、屈折率の均一性、製造プロセスの再現性、および基本モードの曲げ損失によってある程度影響されるように選ばれる。より小さいΔｎにより、より大きいコア径を実装することが可能になる。たとえば、Δｎが（５０／３０）2≒２．８分の１に低減させられる場合、３０μｍのコア・ファイバでのモードの質は、５０μｍのコア・ファイバで達成することができる。曲げ損失はΔｎに依存しているので、同じコアのサイズについては、より低いΔｎに対して、より高い曲げ損失が予想される。実施形態によっては、曲げ性能を妥協して、Δｎを８×１０-5未満、たとえばＮＡ≦０．０１５に低減させることができる場合には、５０μｍのコア径に対して、〜１μｍの波長で単一モード・ファイバが可能である。しかし、これらの範囲外の値も可能である。
【００６８】
図１２に示されるように、非常に均一なドープされたコア１１０１を有する、大口径コアの偏光維持（ＰＭ）ファイバを作成するために、ファイバ１１００のクラッド１１０３内に応力ロッド１１０４を含むことができる。屈折率が１１０３の屈折率よりも低い追加のクラッド層は、クラッド１１０３とコーティング１１０２の間に加えて、ダブル・クラッド・ファイバ構造体内にポンプ・ガイドを形成することもできる。コーティング１１０２は、ダブル・クラッド構造体を形成するために、屈折率が低くなるように選ぶこともできる。コア１１０１の一部分のみをドープし、同様のスタック・アンド・ドロー技法を使用して、屈折率が非常に均一なコアの残りの部分を作製することも可能である。このようなコアの一部分の選択ドーピングを使用して、ファイバ内のモード選択をさらに改善することができる。
【００６９】
前述の通り、従来のファイバでのより小さいΔｎにより、より大きいコア径を使用することができるようになる。しかし、より低いΔｎに対しては、より高い曲げ損失が予想される。本明細書に記載の様々な実施形態は、この曲げ損失を低減させるための設計も提供する。
【００７０】
たとえば、図１３における設計を使用して、ＮＡが非常に小さく、たとえばＮＡ＜０．０５で、導波が弱い大口径コアのファイバ１２００の曲げ損失を改善する（たとえば、低減させる）ことができる。第１のクラッド層１２０２は、コア１２０１の隣に配置されて小さいΔｎを提供し、部分的にまたは完全に希土類がドープされたコアにおいて、１から１０のモードをサポートする。第１の層１２０２と第２の層１２０３の間の屈折率の差Δｎ1は、Δｎよりもはるかに大きく、たとえばΔｎ1＞１．５Δｎになるように選んで、曲げ損失を低減させることができ、Δｎ1が高いほど有効である。ファイバは、第２のクラッド層１２０３を囲むコーティング１２０４をさらに備える。第１のクラッド層１２０２の直径ρ1は、コア１２０１の直径ρよりもわずかに大きい、たとえばρ1＞１．１ρであることが必要となるだけである。ρ1およびΔｎが大き過ぎると、コア１２０１および第１のクラッド層１２０２によって形成される組み合わされた導波路内で、多数のモードがサポートされることになる可能性がある。コア１２０１および第１のクラッド１２０２によって、余りに多くのモードがサポートされる場合、基本モードの放出が難しくなることがあり、モード間結合が増大させられることがある。コア１２０１内でサポートされるモードは、希土類がドープされたコアとオーバーラップし、したがってより大きな利得を有するほうがよいので、第１のクラッド１２０２内の著しい量のパワーを有する各モードの光は、区別されることになる。
【００７１】
図１３に示されるファイバと同様に、図１４にはダブル・クラッド・ファイバ１３００が示され、コア１３０１、第１のクラッド１３０２および第２のクラッド１３０３、ならびにコーティング１３０４を備える。図１４に示されるファイバは、第２のクラッド層１３０３とコーティング１３０４の間の第３のクラッド層１３０５をさらに備える。
【００７２】
第１のクラッド層１３０２とコア１３０１の間に小さいΔｎをもうけて、部分的にまたは完全に希土類がドープされたコア内で、１から１０のモードをサポートしてもよい。第１の層１３０２と第２の層１３０３の間の屈折率の差Δｎ1は、Δｎよりもはるかに大きく、たとえばΔｎ1＞１．５Δｎになるように選んで、曲げ損失を低減させることができ、Δｎ1が高いほど有効である。第１のクラッド層１３０２の直径ρ1は、コア１３０１の直径ρよりもわずかに大きい、たとえばρ1＞１．１ρであることが必要となるだけである。ρ1およびΔｎが大き過ぎると、コア１３０１および第１のクラッド層１３０２によって形成される組み合わされた導波路内で、多数のモードがサポートされることになる可能性がある。コア１２０１および第１のクラッド１２０２によって、余りに多くのモードがサポートされる場合、基本モードの放出が難しくなることがあり、モード間結合が増大させられることがある。
【００７３】
実施形態によっては、第２の層１３０３と第３の層１３０５の間の屈折率の差は、Δｎよりもはるかに大きく、さらにはΔｎ1よりも大きくなるように選ぶことができる。第３のクラッド１３０５は、たとえばファイバ増幅器またはレーザ内で、ポンプ放射を伝搬させるためのコア１３０１、第１のクラッド１３０２、および第２のクラッド１３０３を備える伝搬領域を提供することができる。
【００７４】
ファイバ１２００および１３００は、大きい有効区域を有してもよく、希土類要素でドープされてもよい。屈折率がシリカの屈折率に近接しているガラス組成物は、前述のコアで使用されてもよい。さらに、前述されたようなスタック・アンド・ドロー・プロセスを使用して、コア全体にわたる屈折率の均一性を増大させてもよい。本明細書に記載の他の特徴および方法も、図１３および１４に示されるファイバ１２００、１３００で使用することができる。
【００７５】
多種多様の変形形態が可能である。各構成部品は、加えても、取り除いても、また並び替えてもよい。様々な構成部品で置き換えてもよい。配置および構成が異なってもよい。同様に、各処理工程は、加えても、取り除いても、また並び替えてもよい。
【００７６】
本発明のうちの、ある実施形態を記述してきたが、これらの実施形態は、ほんの一例として提示されてきたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。確かに、本明細書に記載の新規な方法およびシステムは、様々な他の形態で実施されてもよく、さらに、本発明の趣旨から逸脱することなく、本明細書に記載の方法およびシステムの形での様々な省略、置換、および変更を行ってもよい。添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物は、本発明の範囲および趣旨に入ることになる、このような形態または修正形態を含むものである。
【図１】
0005612654.tif 000002
【図２Ａ】
0005612654.tif 000003
【図２Ｂ】
0005612654.tif 000004
【図２Ｃ】
0005612654.tif 000005
【図３Ａ】
0005612654.tif 000006
【図３Ｂ】
0005612654.tif 000007
【図４Ａ】
0005612654.tif 000008
【図４Ｂ】
0005612654.tif 000009
【図５Ａ】
0005612654.tif 000010
【図５Ｂ】
0005612654.tif 000011
【図６】
0005612654.tif 000012
【図７Ａ】
0005612654.tif 000013
【図７Ｂ】
0005612654.tif 000014
【図７Ｃ】
0005612654.tif 000015
【図７Ｄ】
0005612654.tif 000016
【図８】
0005612654.tif 000017
【図９Ａ】
0005612654.tif 000018
【図９Ｂ】
0005612654.tif 000019
【図１０Ａ】
0005612654.tif 000020
【図１０Ｂ】
0005612654.tif 000021
【図１０Ｃ】
0005612654.tif 000022
【図１０Ｄ】
0005612654.tif 000023
【図１１】
0005612654.tif 000024
【図１２】
0005612654.tif 000025
【図１３】
0005612654.tif 000026
【図１４】
0005612654.tif 000027