(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合導波路において、
複数のモードを伝送する中心コアと、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、かつ、前記中心コアの全長に渡って、前記中心コア中の前記複数のモードの少なくとも一部に選択的に結合した側面コアと、
を具備し、
前記螺旋状に巻かれた側面コアの方位角位置が、前記中心コアの軸に沿って回転しており、
前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアの間のモードの前記選択的結合が、前記中心コアにおける高次モードの抑制を斟酌した擬似位相整合機構を含んでいる、
複合導波路。
【請求項２】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記選択的結合が部分的にモードの対称性に基づくものである、複合導波路。
【請求項３】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアとの選択的結合が、前記複数のモードの方位角的形状または半径方向形状の相違に基づくものである、複合導波路。
【請求項４】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアとの両方が、インデックスガイド型である、
複合導波路。
【請求項５】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記複合導波路がフォトニック結晶導波路である、
複合導波路。
【請求項６】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記中心コアが基本モードを導く、
複合導波路。
【請求項７】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記中心コアが実質的に直線状である、
複合導波路。
【請求項８】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記中心コアの予め定められた高次モードのみが、前記螺旋状に巻かれた側面コアに選択的に結合している、
複合導波路。
【請求項９】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた側面コアのモードは、大きな損失を蒙る、
複合導波路。
【請求項１０】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた側面コアは、前記中心コアからの選択的に結合したモードについて大きなモード損失を生じさせる、
複合導波路。
【請求項１１】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記中心コアのモードフィールドが、前記螺旋状に巻かれた側面コアのモードフィールドと部分的に重なり合っている、
複合導波路。
【請求項１２】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた側面コアが、第１の同心リングの周りに配置された近いコアと第２の同心リングの周りに配置された遠いコアとを含み、当該近いコアが、前記中心コアと当該遠いコアとに対し、光学的近傍に配置されている、
複合導波路。
【請求項１３】
複合導波路において、
複数のモードを伝送する中心コアと、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、かつ、前記中心コアの全長に渡って、前記中心コア中の前記複数のモードの少なくとも一部に選択的に結合した複数の側面コアと、
を具備し、
前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアの方位角位置が、前記中心コアの軸に沿って回転しており、
前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアの間のモードの前記選択的結合が、前記中心コアにおける高次モードの抑制を斟酌した擬似位相整合機構を含んでいる、
複合導波路。
【請求項１４】
請求項１３に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアが、前記中心コアの光学的近傍にあり、前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアのそれぞれが、互いに離れている、
複合導波路。
【請求項１５】
請求項１３に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアが、少なくとも一つの半径方向の線に沿って配置されている、
複合導波路。
【請求項１６】
請求項１５に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアのそれぞれが、一つの隣接する螺旋状に巻かれた側面コアの光学的近傍にあり、前記中心コアに隣接する前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアのそれぞれが、当該中心コアの光学的近傍にある、
複合導波路。
【請求項１７】
請求項１３に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアが、複数の同心リングの周りに配置されている、
複合導波路。
【請求項１８】
請求項１７に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアのそれぞれが、一つの隣接する螺旋状に巻かれた側面コアの光学的近傍にあり、前記中心コアに隣接する前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアが、当該中心コアの光学的近傍にある、
複合導波路。
【請求項１９】
請求項１７に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアのそれぞれが、一つの隣接する螺旋状に巻かれた側面コアと前記中心コアと両方に対し光学的近傍にある、
複合導波路。
【請求項２０】
請求項１３に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた複数の側面コアが、前記中心コアの中心にその中心を持つ一つの同心リングの周りに配置されている、
複合導波路。
【請求項２１】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、もう一つの導波路または複合導波路とスプライスされている、
【請求項２２】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、特定の波長の光の伝播を起こさせ、他の波長の伝播を抑制させる、
複合導波路。
【請求項２３】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、前記中心コアにおける誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を抑制する、
複合導波路。
【請求項２４】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、中心導波路モードの利得を形成し直すようになっている、
複合導波路。
【請求項２５】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアとの間の前記選択的モード結合が、パラメトリック波長変換のための位相整合条件を作り出す、
複合導波路。
【請求項２６】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた側面コアが、予め定められた形状を有している、複合導波路。
【請求項２７】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた側面コアが、予め定められた断面形状を有する、
複合導波路。
【請求項２８】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた側面コアが、予め定められたインデックスを有する、
複合導波路。
【請求項２９】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた側面コアが、前記中心コアのインデックス以上のインデックスを有する、
複合導波路。
【請求項３０】
請求項１に記載の複合導波路において、
前記中心コアのモード位相速度が、前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアとの間の結合の程度により制御される、
複合導波路。
【請求項３１】
請求項３０に記載の複合導波路において、
前記螺旋状に巻かれた側面コアのモード位相速度が、前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアとの間の結合の程度により、制御される、
複合導波路。
【請求項３２】
請求項３０に記載の複合導波路において、
前記中心コアのモード位相分散が、中心コアと側面コアとの間のモード選択的結合によって決まる、
複合導波路。
【請求項３３】
複合導波路において、
中心コアと、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、かつ、前記中心コアの光学的近傍にあり、前記中心コアの全長に渡って前記中心コアに選択的に結合し、その方位角位置が、前記中心コアの軸に沿って回転している側面コアと、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれた少なくとも一つの応力フィラメントであって、当該少なくとも一つの応力フィラメントが、前記中心コアの長手方向に沿って方位角的に変化する向きで中心コアに応力を加える応力フィラメントと、
を含んでおり、
前記用語「光学的近傍」は、一つの導波路の光学的フィールドともう一つの導波路の光学的フィールドとが相互に作用する状態として定義され、
前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアの間のモードの前記選択的結合が、前記中心コアにおける高次モードの抑制を斟酌した擬似位相整合機構を含んでいる、
複合導波路。
【請求項３４】
請求項３３に記載の複合導波路において、
前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアとの両方が、インデックスガイド型である、
複合導波路。
【請求項３５】
請求項３３に記載の複合導波路において、
前記複合導波路がフォトニック結晶導波路である、
【請求項３６】
請求項３３に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、もう一つの導波路または複合導波路とスプライスされている、
複合導波路。
【請求項３７】
請求項３３に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、特定の波長の光の伝播を起こさせ、他の波長の伝播を抑制させる、
複合導波路。
【請求項３８】
請求項３３に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、前記中心導波路モードの偏光を維持する、
複合導波路。
【請求項３９】
請求項３３に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を抑制する、
複合導波路。
【請求項４０】
請求項３３に記載の複合導波路において、
前記複合導波路が、中心導波路モードの利得を形成し直すようになっている、
複合導波路。
【請求項４１】
請求項３３に記載の複合導波路において、
前記中心コアと前記螺旋状に巻かれた側面コアとの間の前記選択的モード結合が、パラメトリック波長変換のための位相整合条件を作り出す、
複合導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願に対するクロス−リファレンス〕
本出願は、２００４年７月１４日に出願された米国仮特許出願６０／５８７，９８８号の優先権を主張し、上記米国仮特許出願は、その全体が、参照することによって本出願に組み込まれる。
【０００２】
本明細書に記載された本発明の実施の形態は、大まかに言って、光導波路に関し、より詳しく言うと、光ファイバーに関する。
【背景技術】
【０００３】
ファイバーレーザーシステムは、高輝度半導体ダイオードポンプの発達、および、広モード域ファイバー（large-mode area fibers）の出現、に起因して、出力電力を急速に増加させてきた。広モード域ファイバーは、ファイバーコアでの非線形相互作用の悪い効果を減らし、ファイバーの光学的損傷の受けやすさを減らし、そして、二重クラッドファイバーのクラッドの寸法をより大きくして、高出力を達成することを容易にしている。
【０００４】
その結果、ファイバーレーザーは、現在までのところ、通常の固体レーザーで利用可能な出力よりも二桁程度大きい、回折が制限された出力、を供給できる、最も強力な固体レーザー技術となっている。ファイバーレーザー技術の向上は、ファイバーレーザーの実用的な性質に起因して、さらにより重要である。もちろん、ファイバーレーザーは、モノリシックで、コンパクト、かつ、非常に効率の良いレーザーの技術的なプラットフォームを提供し、ファイバーレーザーは、電子装置を製造するのと同様の、そして、通常のオープンキャビティレーザー（気体レーザー）で典型的に必要とされる複雑で熟練した技を必要とする組み立てとは非常に異なる、方法で生産できる。したがって、現在用いられている通常の固体レーザーの大多数を、非常により小型で、信頼性が高く、効率が良く、廉価な、ファイバーレーザーで、置き換える可能性があり、したがって、レーザーの用途の大多数を大きく発展させる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在、広モード域（large-mode-area）（ＬＭＡ）ファイバーの使用を可能にする３つの技術、すなわち、（ｉ）多モードコアを単一モードで励起する方法、（ｉｉ）適切に巻かれたファイバーで分散モードフィルタリングを行う方法、および、（ｉｉｉ）フォトニック結晶広モードファイバーを用いる方法、が存在する。これらの３つの技術は、技術（ｉ）および技術（ｉｉ）の両方が、多モードコアファイバーを使用するのに対して、技術（ｉｉｉ）が単一モードコアファイバーを用いる点でまったく異なるにもかかわらず、許容可能な最大のモードサイズがほぼ同じように制限されている。
【０００６】
しかし、モードサイズを増加（scaling）する現在の方法は、多くの重要な実用上の側面によって非常に限定されている。第一に、モードサイズは制限されていて、したがって、電力およびエネルギーの増加をさらに制限している。第二に、大きなコアのファイバーの使用は、コアの多モードの性質によって制限されている。第三に、ファイバーを直接接続（スプライス）することはできず、通常の融合された単一モードの装置は不可能である。したがって、ファイバーレーザー技術がさらに実用上発展することが、妨げられていて、その理由は、ファイバーレーザーの製造が、単一モードのテレコムスタイルの装置と比較して、非常により複雑なためである。
【０００７】
したがって、モードサイズを有意に増加し、実質的に単一モードのコアによって広モード域ファイバーを提供する、ファイバー構造が必要とされている。好ましくは、そのようなファイバーの構造は、標準的な単一モードファイバーの接続方法を使用できるようにもする。さらに、そのようなファイバーの構造は好ましくは、インデックスガイド（index-guiding）ファイバー、およびフォトニック結晶ファイバーに適用可能であろう。さらに、ファイバーの構造は、好ましくは、広モードフィールドの直径に対する曲げ効果に対して敏感ではない。これによって、ファイバーのモード特性が巻き方ではなく構造によって決定されるようにできる。最後に、そのようなファイバーの構造は、好ましくは、複雑なモードフィルタリングおよび励起方法を必要とせず、ファイバーが受動フィルターおよび増幅フィルターの両方で用いられてよい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
複合導波路が開示される。複合導波路は、中心コアと、中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、かつ中心コアに光学的近傍に配置された少なくとも一つの側面コアと、を有する。中心コアは、広モード域用に構成されていてよく、複合導波路は、インデックスガイド（index-guiding）ファイバーまたはフォトニック結晶ファイバーとして構成されていてよい。別の実施の形態では、中心コアは、一次モードを導くように構成されていてよい。中心コアは、直線状でもあってよい。側面コアは、側面コアと中心コアのモードとの効率の良い選択的な結合を提供するように構成されていてよい。側面コアと中心コアとの結合は、中心コアの予め決められた高次モードのみが実質的に側面コアと結合されるように、構成されていてよい。側面コアは、側面コアに沿って伝播するモードに対して大きな損失を提供するようにさらに構成されていてよい。中心コアのモードフィールドと側面コアのモードフィールドは、少なくとも部分的に重なり合っていてよい。
【０００９】
代わりに、複合導波路は、中心コアと、中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、中心コアの光学的近傍に配置された、少なくとも一つの側面コアと、中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、中心コアの長手方向に沿って方位角的に変化する向きで中心コアに応力を加える、少なくとも一つの応力フィラメントと、を含んでいてよい。
【００１０】
別の実施の形態では、複合導波路は、中心コアと、中心コアの周りに螺旋状に巻かれた少なくとも一つの側面コアと、中心コアと光学的に連絡する、側面コアの第１のエッジと、複合導波路の外径のほぼ近くに配置された、側面コアの外側部分と、を含んでいてよい。外側部分は、少なくとも一つの構造欠陥を含み、その構造欠陥は、複合導波路のモード損失を促進する。構造欠陥は、キャピラリースタック（capillary stacking）、ドーパント、または、ドーパントの吸収、によって、構成されていてよい。
【００１１】
さらに、複合導波路は、一次モードを導く手段と、一次モードを導く手段の周りに螺旋状に配置された、高次モードを導く手段と、を含んでいてよい。さらに、高次モードを導く手段は、高次モードの損失を増加する手段を含んでいてよい。
【００１２】
複合導波路の製造方法は、中心コアと少なくとも一つのオフセンターの側面コアとを含むファイバープリフォームを線引きする過程と、複合導波路が線引きされるときにファイバープリフォームを回転させる過程と、を含んでいてよい。中心コアは、広モード域用に構成されていてよく、ファイバー線引き炉は、ファイバープリフォームを回転させるために回転させられてよい。それに代わって、複合導波路は、インデックスガイドファイバーまたはフォトニック結晶ファイバーとして構成されていてよい。回転速度は、実質的に一定であってよい。オフセンターの側面コアの螺旋周期は、回転速度および／またはファイバープリフォームの線引き速度によって決定されてよい。回転の向きは、周期的に反転されていてよい。回転速度は、オフセンター側面コアの可変の螺旋周期を提供するように変えられてよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、モードサイズを有意に増加し、実質的に単一モードのコアによって広モード域ファイバーを提供する、ファイバー構造が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】第１の実施の形態に基づく複合導波路の斜視図である。
【図１Ｂ】図１の複合導波路の断面図である。
【図２】図１の複合導波路の基本モード（ＬＰ01）および高次モード（ＬＰ11）の断面および３次元分布図である。
【図３Ａ】図１の複合導波路の３０μｍの寸法の中心コアに対する正確な位相整合モードおよび擬似位相整合モードの間の差を示すグラフの図である。
【図３Ｂ】図１の複合導波路の６０μｍの寸法の中心コアに対する正確な位相整合モードおよび擬似位相整合モードの間の差を示すグラフの図である。
【図４】複合導波路の別の実施の形態の断面図である。
【図５】図４の複合導波路の入力での、およびある程度の伝播距離の後の横モードスペクトルのグラフの図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は、図４の複合導波路を伝播した後のビーム分布のグラフの図である。
【図７】図４の複合導波路の螺旋周期の関数としてのさまざまなモードに対するモード損失を示すグラフの図である。
【図８】図４の複合導波路と等価な寸法の真に単一モードのファイバーでの電力推移を比較したグラフの図である。
【図９Ａ】複合導波路のさらに別の実施の形態を示す図である。
【図９Ｂ】複合導波路のさらに別の実施の形態を示す図である。
【図９Ｃ】複合導波路のさらに別の実施の形態を示す図である。
【図９Ｄ】複合導波路のさらに別の実施の形態を示す図である。
【図１０Ａ】中心コアの寸法が増加した、図１の複合導波路に対する側面コアおよび中心コアのモードＬＰ01およびＬＰ11の間のモード結合を示す図である。
【図１０Ｂ】中心コアの寸法が増加した、図１の複合導波路に対する側面コアおよび中心コアのモードＬＰ01およびＬＰ11の間のモード結合を示す図である。
【図１０Ｃ】中心コアの寸法が増加した、図１の複合導波路に対する側面コアおよび中心コアのモードＬＰ01およびＬＰ11の間のモード結合を示す図である。
【図１１Ａ】図１の複合導波路と共に用いるためのリングタイプのファイバーコアの形状の断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａのリングタイプのファイバーコアに対するインデックス分布の図である。
【図１２】図１の複合導波路にファイバーの長手方向に沿って方位角的に変化する向きで応力を加える応力フィラメントを示す図である。
【図１３Ａ】図１の複合導波路の製造方法の実施の形態を示す図である。
【図１３Ｂ】図１の複合導波路の製造方法の実施の形態を示す図である。
【図１３Ｃ】図１の複合導波路の製造方法の実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の特徴および発明性のある態様は、以下の記載がその簡単な説明である図面と共に、以下の詳細な説明および特許請求の範囲を読むことで、より明らかになるはずである。
【００１６】
こんどは、図面を参照すると、例示的な実施の形態が詳しく示されている。図面は実施の形態を示しているが、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、いくつかの特徴部が、実施の形態の革新的な態様をより良好に図示し説明するために、強調されていることがある。さらに、本明細書に記載された実施の形態は、網羅的であることも、本発明を図面に描かれ以下の詳細な説明に記載された正確な形状および構成に制限または限定することも、意図されていない。
【００１７】
こんどは、図１を参照すると、螺旋結合コア（ＨＣＣ）ファイバー２０が示されている。ＨＣＣファイバー２０は、広モード域の中心コア２２と、螺旋側面コア２４と、を含んでいる。中心コア２２は、ほぼ直線状であり、螺旋側面コア２４は、ＨＣＣファイバー２０の周縁部の周りに螺旋状に巻かれている。中心コア２２は、ｚ方向のモードの伝播を導き、螺旋側面コア２４は、中心コア２２の周りの螺旋経路を伝播するモードを支持する。螺旋側面コア２４は、中心コア２２と光学的近傍に配置されているので、ＨＣＣファイバー２０は、複合導波路である。隣接したコア２２，２４の光学的フィールドは、部分的に重なり合っていて、したがって、相互に作用する。
【００１８】
構造によって、中心コア２２の全ての高次モードは大きな損失を有し、一方、中心コア２２の基本モードは無視できる損失を有する。中心コア２２および螺旋側面コア２４の複合構造は、中心コア２２の高次モードと螺旋側面コア２４との間の効率がよく非常に選択的な結合を提供する。さらに、複合構造は、螺旋側面コイル２４を伝播するモードに対して大きな損失を与え、中心コア２２の結合された高次モードに大きな損失を分与する。したがって、ＨＣＣファイバー２０の中心コア２２は、実質的に単一モードである。
【００１９】
中心コア２２と螺旋側面コア２４との光学的な近さは、隣接するコア２２，２４のモードフィールドが重なり合うように、決定されている。光学的な近さを提供するために、隣接するコア２２，２４は、間隔「Ｄ」だけ隔てられていて、間隔「Ｄ」は、その光学的な波長で隣接するコア２２，２４のモードフィールドが有意のモードフィールドの重なり合いを有する光学的な波長の長さのスケールに匹敵する。中心コア２２および螺旋側面コア２４は、モード対称性によって結合されている。換言すれば、隣接するコア２２，２４は、異なるモードの方位角的形状と半径方向の形状との間の差によって結合されるように、構成されていてよい。
【００２０】
中心コア２２および螺旋側面コア２４すなわちＨＣＣファイバー２０の構成および結合が、図１から図９を参照して以下に詳しく説明される。通常は、２つの直線状の導波路の２つのモードの間の電力結合は、２つのモードの位相速度（または、等価的に、伝播定数β(1)およびβ(2)）が、等しくなった（２つのモード間の正確な位相整合の）場合にのみ、起こる。螺旋側面コア２４が中心コア２２の周りに螺旋状に巻かれている場合、位相整合の条件は、側面コアのモード経路の螺旋性に起因して、変更されるようになり、螺旋性は、ファイバーの軸ｚに沿った側面コアでのモードの伝播を実質的に「遅らせる」。この場合、モード結合の位相整合条件は、β(1)＋ΔβHelix_corr.＝β(2)となり、ここで、β(1)およびβ(2)は、各々、螺旋コアモード伝播定数および中心コアモード伝播定数であり、螺旋性の補正は、
【００２１】
【数１】
0005591731.tif 000002
によって記述される。ここで、Ｒは螺旋の半径であり、Λは螺旋周期である。
【００２２】
さらに位相整合機構を明らかにするために、中心コアモードの方位角構造を考慮しなければならない。図１に基づくＨＣＣファイバー２０に関連する円筒座標系（ｒ，φ，ｚ）では、中心コア２２のモードは、半径のみの関数の成分と方位角のみの関数の成分との積：Ｅ（ｒ，φ）＝Ｅ（ｒ）ｓｉｎ（ｌφ）として表される。ここで、整数lは特定の各モードの方位角次数を表している。これは、図２に示されている、基本モード（ＬＰ01）および高次モード（ＬＰ11）の２Ｄおよび３Ｄ形状によって示されている。螺旋側面コアの方位角位置は、周期ΛでＨＣＣファイバー２０に沿ってファイバーの軸ｚを中心にして回転しているので、ｌ＞０の中心コア２２のモードに対しては、ｚ軸に沿って伝播する中心コア２２のモードと螺旋側面コア２４のモードとの間で、各Λの後に獲得される、２πｌの追加的な位相差が存在する。この位相差に起因して、螺旋性の補正の要因に追加的な項が存在するようになる。
【００２３】
【数２】
0005591731.tif 000003
【００２４】
この項は、中心コア２２のモードと螺旋側面コア２４との間の擬似位相整合（ＱＰＭ）として記述されてよい。中心コア２２の基本モードは、ｌ＝０なので、方位角または半径方向の位相依存性は存在せず、擬似位相整合はない。例えば、中心コア２２の基本モードＬＰ01と、次のモードＬＰ11の伝播定数が、恣意的に近い（非常に大きいコアサイズの場合に起こりえる）場合でさえ、擬似位相整合を適正に使用することによって、ＬＰ11のみが螺旋的に伝播するモードと強力に相互作用するようになり、したがって、ＬＰ11のみが損失的になる。半径方向の対称性の差（半径方向の位相依存性）による選択は、ＨＣＣファイバー２０でも起こりえることが注意され、ｌ＝０での高次モードの抑制を可能にする。
【００２５】
正確な位相整合のモード結合と擬似位相整合のモード結合との差が図３Ａに明らかにされていて、図３Ａは、結合モード理論を例示していて、中心コア２２のＬＰ01およびＬＰ11から螺旋側面コア２４の単一モードへのモード結合の結果が、螺旋周期の関数として示されている。ＨＣＣファイバー２０の構造は、３０μｍおよび０．０６開口数（ＮＡ）の中心コア２２と、中心コア２２から４μｍだけ離れた（エッジからエッジまでの間隔）単一の８μｍおよび０．０７ＮＡの螺旋側面コア２４と、からなる。
【００２６】
図示されているように、５０パーセントの結合が、平均で全体の電力の半分がコア２２，２４の各々に存在するようにしている。位相整合したＬＰ01モード３０と擬似位相整合したＬＰ11モード３２，３４との定性的な差は、ＬＰ01結合が単一の狭いピークを表しているのに対して、ＬＰ11結合が２つのピーク（第２のピークはＬＰ01モードのピークよりとても広く、ＬＰ01モードのピークからかなり離れている）を表していることである。図３Ｂは、６０μｍの寸法の中心コア２２に対する結合を示している。再び、ＬＰ11モード３２，３４に対する周期へのモード結合の依存性は、ＬＰ01モード３０に対する周期への依存性とは非常に異なる。また、図３Ａの３０μｍの中心コア２２と比較された、６０μｍの中心コア２２のファイバーに対するより狭い「ピーク」が注目される。そうなので、ＨＣＣファイバー２０の寸法を増加することに関して、技術的なトレードオフが存在し、中心コア２２の寸法の増加は、製造中のより厳しい許容誤差を必要とする。この共振特性が、全ての実用上の目的に対して十分に広く、以下に詳しく記載されるいくつかの用途に対して有益である、１００ｎｍから２００ｎｍのスペクトル帯域幅を許容する。
【００２７】
ＨＣＣファイバー２０’の別の実施の形態が、図４に示されていて、ＨＣＣファイバー２０’は、中心コア２２と、第１の螺旋コア４０と、第２の螺旋コア４２と、を含んでいる。第１の螺旋コア４０は、中心コア２２に沿って螺旋状に巻かれ、中心コア２２の光学的近傍に配置されていて、Ｒ１は、中心コア２２の中心軸から第１の螺旋コア４０の中心軸までの距離を表し、Ｄ２は、第１の螺旋コア４０の直径を表している。第２の螺旋コア４２は、同様に中心コア２２に沿って巻かれているが、第１の螺旋コア４０の光学的近傍に配置されていて、Ｒ２は、中心コア２２の中心軸から第２の螺旋コア４２の中心軸までの距離を表し、Ｄ３は第２の螺旋コア４２の直径を表している。
【００２８】
図１の単一螺旋構造と比較すると、上記の図３Ａおよび図３Ｂの結合モードは、螺旋誘起損失を含まず、そうなので、ＨＣＣファイバー２０’のモード整合特異性の詳細を示している。擬似位相整合および螺旋側面コアでの損失の両方の効果を正確に予測することは、ビーム伝播数値シミュレーションによって行われてよい。ある具体的な構造に対する結果が、図５、表１、および、表２に関して、以下に詳しく記載される。例えば、中心コア２２は、３０μｍの直径を有し、開口数０．０６に対応するステップ状の形状のコア−クラッドの屈折率を有し、中心コア２２自体が５つの導かれたモードを支持している。第１の螺旋コア４０および第２の螺旋コア４２は、２つの１２μｍの直径のコアからなり、互いに、エッジからエッジまでの間隔が２μｍである。さらに、第１の螺旋コア４０は、中心コア２２から、エッジからエッジまでの間隔が２μｍで、離れている。構造の細部が、以下の表１に示されていて、構造自体が図４に示されている。
【００２９】
【表１】
0005591731.tif 000004
【００３０】
図５は、螺旋周期が８．１ｍｍの、図４のＨＣＣファイバー２０’の入力での、および、ＨＣＣファイバー２０’を約１６ｃｍおよび約６５ｃｍ伝播した後の、横モードスペクトルを示している。入力での励起ビームは、５つの中心コア２２のモードの全てが励起されるように、選択されている。中心コア２２のモードのうち４つのモードは、各々が、全入力ビーム電力の１２．５％を含み、１つのモード（ＬＰ02）は全入力電力の５０％を含んでいる。線５０は、５つのモードの入力スペクトルを表している。線５２は、ＨＣＣファイバー２０’を１６．３８４ｃｍ伝播した後のモードスペクトルを表している。線５４は、ＨＣＣファイバー２０’を６５．５３６ｃｍ伝播した後のモードスペクトルを表している。図示されているように、基本モード（ＬＰ01）は、無視できる（グラフのプロットのスケールでは観測できない）損失を伴って伝播し、一方、全ての高次モードは、高次モードの電力が数桁の振幅の減少を経験している。例えば、１６ｃｍを伝播した後は、全ての高次モードは、１００倍以上抑制されている。６５ｃｍ伝播した後は、全ての高次モードは、１０6倍抑制されている。８．１ｍｍの螺旋周期に対する計算されたモード損失が、表２に示されている。
【００３１】
【表２】
0005591731.tif 000005
【００３２】
計算されたモード損失が、図６にさらに示されていて、図６では、ＨＣＣファイバー２０’構造を伝播した後のビーム形状が示されている。中心コア２２を３０ｃｍ伝播した後に、中心コア２２の基本モードのみが残っている。
【００３３】
図７は、螺旋周期の関数としてのＨＣＣファイバー２０’のさまざまなモードのモード損失が示されている。ＬＰ01モード５５、ＬＰ11モード５６、ＬＰ21モード５７、ＬＰ02モード５８、および、ＬＰ31モード５９、が示されている。基本モードの損失が無視でき、そして、同時に、ＬＰ11モード５６以上の全ての高次モードの損失が大きい、広い範囲の螺旋周期（７．５ｍｍから１０ｍｍ）が存在する。ＬＰ11モード５６は、基本モードＬＰ01モード５５に最も近く、典型的には、最も抑制するのが難しいことが判明している。この図面から分かるように、ＬＰ11モード５６は、２つの螺旋周期、８．１ｍｍおよび１０ｍｍで、抑制されている。１０ｍｍの螺旋周期でのＬＰ11モードの損失、〜約５０ｄＢ／ｍは、８．１ｍｍでの損失よりもかなり小さいが、依然として、全ての実用上の目的に対しては非常に大きい。さらに、１０ｍｍの螺旋周期でのＬＰ01モード５５の損失は、０．３ｄＢ／ｍ未満である。図７に示された例は、ＨＣＣファイバー２０，２０’の構造が、有意な構造上の余裕を伴って設計されていて、それらの構造の実際の実施を容易にしていることを示している。
【００３４】
高次モードでのそのような大きな損失が、ＬＭＡコアでのモード間散乱でさえもが大きく抑制されるようになるので、ＨＣＣファイバー２０，２０’を実質的に単一モードにしている、ことに注目することが重要である。図８は、ＨＣＣファイバー２０，２０’での電力推移（power-transients）、および、等価な寸法の真の単一モードファイバー（非常に低い、０．０２ＮＡおよび３０μｍコア）での電力推移、を比較して示している。真の単一モードファイバー（ＳＭファイバー）での電力推移は、５ｃｍ以内で起きていて、ＨＣＣファイバー２０，２０’では、ファイバーの長さの１０ｃｍ以内で起きていて、ＨＣＣファイバー２０，２０’が、真の単一モードファイバーと実質的に同様に振舞うことを示している。長さの短いＨＣＣファイバー２０，２０’でさえもが、基本モードのみを伝達し、したがって、受動ファイバーのリード線が典型的には１０ｃｍから３０ｃｍまでの長さを超えてはならない、全てのモノリシック・ファイバーＬＭＡファイバーレーザーシステムを大きく促進することを、意味している。
【００３５】
ＨＣＣファイバー２０のさらに別の実施の形態が、図９Ａから図９Ｄに示されている。図９Ａから図９Ｄに示された別の実施の形態は、隣接するコア間の相互作用によって決まるカテゴリーに分類される。図９Ａは、光学的な近さの相互作用が、半径方向で、そして、中心コア２２と側面コア２４’の間のみで、起こり、側面コア２４’の間では起こらない、構造を示している。これらの別の実施の形態は、側面コア２４’の個数、相対的な位置、および、寸法に関して、互いに異なっているが、側面コア２４’のいずれもが相互に作用するほど十分には接近して配置されていない。図９Ｂは、光学的近さの相互作用が、中心コア２２と側面コア２４’との間で半径方向で起こり、さらに、半径方向の長さに沿った一つ以上の層（同心リングを形成する）に配列された隣接する側面コア２４’との間でも起こる、構造を示している。図９Ｃは、中心コア２２と側面コア２４’との間の相互作用が半径方向で起こり、同時に、同心リングに沿って一列に配置された側面コア２４’同士の間の相互作用が方位角方向に沿って起こる、構造を示している。図９Ｄは、隣接する側面コア２４’同士の相互作用が半径方向および方位角方向に沿って起こる、構造の例を示している。
【００３６】
図９Ａから図９Ｄに示された別の実施の形態の上記の例は、本発明の考えられる構造の例示的な例を図示および記載するためにのみ提供された。これらの構造、ならびに、図１Ａ、図１Ｂ、および、図４、に示された構造は、網羅的なものであることも、本発明をいずれかの記載された形態に限定することも、意図されていない。コアの相対的な位置、コアの個数、コアの寸法および形状、ならびに、コアの屈折率および屈折率の分布、に関する非常に多くのさまざまな他の選択肢が存在し、したがって、望ましい選択モード結合、および、選択モード損失、を得ることに関する全体的な性能を最適化するため、ならびに、そのようなファイバーの構造の多数のさまざまな別の設計目標を獲得するため、のさらに多くの自由度を許容することが、理解されるはずである。
【００３７】
こんどは、図１０Ａから図１０Ｃを参照すると、図１０Ａから図１０Ｃは、実質的に単一モードの中心コア２２の寸法の増加可能性（scalability）を示していて、５０μｍ、７０μｍ、および、９０μｍでＮＡが０．０６の中心コア２２と、８μｍ、ＮＡ＝０．０７で中心コア２２とのエッジからエッジまでの間隔が４μｍの単一の側面コア２４と、の間の結合が、示されている。図１０Ａから図１０Ｃは、側面コア２４と、中心コア２０のＬＰ01（結合曲線のピーク７０で示されている。）モードおよびＬＰ11（ピーク７２，７４で示されている。）モードとの間のモード結合を示している。図１０Ａから図１０Ｃは、結合共振相対位置および幅は、コアの寸法が増加しても有意に変化せず、結合強度のみが、中心コア２２の寸法が増加すると、減少することを示している。ＬＰ01モードのピーク７０およびＬＰ11モードのピーク７２が異なる値の螺旋周期で留まっている事実は、モード損失を選択的に維持するために重要であり、したがって、中心コア２２の寸法の増加可能性に対して重要である。結合の大きさの減少は、特定のモードが抑制される割合に影響を及ぼすのみである。さらに、図１０Ａから図１０Ｃで比較のために用いられたＨＣＣファイバー２０は、３０μｍより大きな中心コア２２の寸法に対して最適化されていなかった。したがって、所与の中心コア２２の寸法に対する螺旋側面構造の最適化は、中心コア２２の寸法の増加に伴う結合強度のわずかな減少のみを提供するであろう。
【００３８】
図１０Ａから図１０Ｃの例を比較すると、中心コア２２の寸法の増加にもかかわらず、選択的な結合および高次モードの効率の良い抑制が、維持されている。この現象は、非常に大きな実質的に単一モードのコアの寸法を可能にする。実質的に単一モードのコアの達成可能な最大の寸法に対する実用上の制約は、２つの主な要因、すなわち、第１の要因である、中心コア２２でのモード間散乱、および、第２の要因である、ＨＣＣファイバー２０の達成可能な製造許容誤差、であるだろう。中心コア２２の寸法が増加すると、モード間散乱が増加し、高次モードへの散乱による基本モードの損失、および、それに続く、側面コア２４の螺旋結合による電力損失、をついに導く。しかし、非常に大きな値の高次モードの抑制が、基本モードと高次モードとの間の結合強度を実質的に低減もする。
【００３９】
ＨＣＣファイバー２０の構造の上記の例はステップインデックス分布のファイバーに基づいているが、その他の別個のコア分布（グレーデッドインデックス、リングコア、Ｍコア、など）も可能である。さらに、いくつかの非ステップ分布の構造もＨＣＣファイバー２０の構造を実現するのに有益である。
【００４０】
こんどは、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、リングタイプのファイバーコアおよび関連するインデックス分布が図示されている。リングタイプのファイバーコアは、中心コア２２または側面コア２４で用いられてよい。しかし、ある実施の形態では、リングタイプの分布が側面コア２４のみで望ましい高次モードの損失を提供するので、リングタイプのファイバー分布を側面コア２４に対して用いることが少なくとも望ましい。
【００４１】
ＨＣＣファイバー２０の発想の共振の性質に起因して、最適化が、中心コア２２の螺旋側面コア２４への結合強度を最大化するため、その結合の共振幅（コアのＮＡおよび／または螺旋周期の関数としての）を広げるため、および、螺旋側面コア２４の損失を最大化するために、非常に望ましい。そのような最適化は、より広い範囲の製造時の許容誤差、および、実用上達成可能な高次モードのより大きな損失、を提供する。最適化を実施することの主な利点の一つは、クラッド内へのモード浸透深さ（モードテール（modal tail））を増加することである。隣接するコアのモードのより長いテールは、３つの最適化パラメータの全ての改良を確実にし、（ｉ）別々のコアの間でのより強いモードの重なり合いが、より強いコア間の結合、および、より広い共振、の両方を導くこと、（ｉｉ）より長いモードテールが、螺旋に巻かれたコアからのより大きな放射損失を一般的に導くこと、を提供する。
【００４２】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、リングタイプのファイバーコアの分布を用いることが、モードテールを増加する様子を示している。クラッドへのモードの浸透は、ある種の構造パラメータ（内径Ｒ1および外径Ｒ2、ならびに、クラッドに関連する屈折率の差Δｎ1，Δｎ2）に対して、一桁以上の振幅だけ増加されられてよい。しかし、図１１Ａの具体的な構造は、ＨＣＣ構造を最適化するための、その他の可能な屈折率分布のうちの単に一つの例である。
【００４３】
表３は、リングコアの構造パラメータ（図１１Ａおよび図１１Ｂに示された）の最適化が側面コア２４でのモード損失を大きく増加する様子を示している。表３は、様々なパラメータの値に対する、コアの曲率半径Ｒc＝５ｍｍで計算されたモード損失αlossを示している。パラメータの選択は、リングコアのモードの実質的な屈折率Δｎeffがほぼ等しくなるように、されていて、これは、中心コアおよび側面コアの結合条件が、各側面コア２４，２４’，４０，４２の構造に対して等しいことを意味する。表３の第１行は、基準としての標準的なステップインデックスコアファイバーに対応する。最後の列の損失の値に示されているように、各リングの構造に対する損失は、同じ実効屈折率値を有するステップインデックスの分布のモードと比較して、数桁の振幅だけ増加している。
【００４４】
【表３】
0005591731.tif 000006
【００４５】
螺旋側面コア２４は、湾曲したファイバーコアからのモード放射に起因して、中心ＬＭＡコア２２から結合されたモードに大きな損失を加えるように機能してよい。大まかに言って、コアの曲率は、螺旋周期の減少と共に増加し、側面コア２４とＨＣＣファイバー２０の軸との間の距離（オフ軸距離）の増加と共に増加する。ＨＣＣファイバー２０の設計時に、螺旋周期および側面コア２４のパラメータは、中心コア２２からの高次モードの効率の良い結合、および、側面コア２４の損失、の両方が同時に確実になるように、提供される。その螺旋周期の範囲内で大きな螺旋側面コアでの損失が起こる螺旋周期の範囲を広くすることが有益である。構造的な欠陥を螺旋側面コアの外側に導入するために、ある方法が用いられてよく、したがって、この側面コアからの追加的なモード損失が促進される。例えば、構造的な欠陥の導入は、ミクロ構造ファイバーで達成されてよい。そのようなミクロ構造ファイバーは、一般的に、キャピラリースタック法（capillary stacking techniques）を用いて、製造される。それに代わって、側面コア２４は、ドーパントを用いて処理されて、所望の信号波長での大きな損失が提供される。
【００４６】
こんどは、ファイバーの複屈折について考えると、ＨＨＣファイバー２０は、既存の大きい複屈折のファイバー構造に匹敵する。図１２は、ファイバーの長手方向に沿って方位角的に向きが変わる応力をコアに加える応力フィラメントを示している。応力が加えられたＨＣＣファイバー９６は、中心コア９０と、側面コア９２と、応力フィラメント９４と、を含んでいる。応力フィラメント９４は、螺旋ＨＣＣファイバー９６の長手方向に沿って方位角的に向きが変化する応力を中心コア９０に加え、それによって、ファイバー中に円偏光複屈折を生み出す。この幾何学的形状は、「螺旋」ファイバーとも呼ばれ、ＨＣＣファイバー２０の発想と完全に適合している。さらに、ＨＣＣファイバー２０を螺旋ファイバーの技術と結合して、単一偏光ＬＭＡファイバーを導くことが可能である。
【００４７】
螺旋ファイバー技術を用いると、右旋円偏光モードまたは左旋円偏光モードが、螺旋ＨＣＣファイバー９６の固有モードである。したがって、発射された円偏光の状態は、伝播方向に沿って不変量である。さらに、ファイバーが、円偏光光（右旋円偏光または左旋円偏光）で励起されている場合には、ファイバーに沿って伝播する光は、ファイバーの全長に沿った、その円偏光光になり、その円偏光光のみになる。実際の用途では、螺旋ＨＣＣファイバー９６セグメントの接続は、通常の方法を用いる。一連のセグメントの螺旋応力フィラメントは、接続部で連続的である必要は無く、その理由は、これらの螺旋応力フィラメントのオフセットが、接続部での伝播する光の位相シフトを結果としてもたらすが、伝播する光の円偏光の状態を変えないからである。さらに、螺旋ＨＣＣファイバー９６は、伝えられる固有モードの円偏光を乱すことなく比較的小さな曲率半径の曲げに耐える。
【００４８】
要約すると、ＨＣＣファイバー２０の発想は、大きな円偏光複屈折ファイバーを実現するために、螺旋ＨＣＣファイバー９６の複合導波路の設計に用いられてよい。さらに、大きな円偏光複屈折が、ＨＣＣファイバー２０の中心のＬＭＡコア２２の基本モードＬＰ01を、２つの直交する偏光モード（右旋円偏光（ＲＣＰ）モードおよび左旋円偏光（ＬＣＰ）モード）に分割するようにし、各モードは異なる位相速度で特徴付けられている。適切な側面コア２４の螺旋周期を選択することによって、位相整合を得ることが可能であり、その結果、２つの偏光モードのうちの一つからの側面コア２４への電力結合が可能になる。したがって、大きな損失が基本モードの偏光で誘起される。その結果、広モード域ＨＣＣファイバー２０が構築され、そのファイバーは単一空間モードで単一の偏光のみを支持する（単一偏光ファイバー）。そのようなファイバーは、多数の重要な用途（例えば、コヒーレントなビームまたはスペクトルのビームの結合）で非常に望ましい。しかし、現在の単一偏光ファイバーは、非常に小さい寸法のコアでのみ利用可能である（典型的なＬＭＡファイバーのモードサイズと比較して非常に小さいモードサイズ）。
【００４９】
それに代わって、単一偏光ＨＣＣファイバーを、大きい複屈折の方法を用いずに（すなわち、上記の螺旋ファイバーを用いずに）、設計することも可能である。螺旋光学的経路の幾何学的形状に起因して、螺旋状に巻かれたコアは、円偏光複屈折を備えており、すなわち、異なる位相速度を備えた２つの垂直なモードの伝播（偏光状態を変えずに伝播する）に寄与する同じ空間的な螺旋コアのモードのＬＣＰ偏光およびＲＣＰ偏光を備える。さらに、同じ偏光のフィールドのみが相互に作用するので、ＬＣＰ偏光された螺旋側面コアのモードのみがＬＣＰ偏光された中心コア２２のモードと相互に作用し、そして、同様に、中心コア２２および螺旋側面コア２４，２４’のＲＣＰモードのみが相互に作用する。その結果、中心コアのモードと螺旋側面コアとの間のＲＣＰおよびＬＣＰの相互作用を位相整合させるための螺旋周期は異なり、高次モードの抑制に加えて円偏光された中心コアの基本モードの一つをも抑制できるようにするＨＣＣファイバーの構造を選択できるようになる。
【００５０】
ＨＣＣファイバー２０のさらに別の用途には、４波混合（ＦＷＭ）非線形相互作用を用いた波長変換がある。既存のファイバーレーザーは、ガラス基質中の希土類ドーパントを用いて、ドーパントの分光学的特性によって決まる波長での光学的利得を提供する。しかし、非常に限られたスペクトル範囲が、既存の希土類ドーパントがドープされたファイバーレーザーおよび増幅器によってカバーされる。したがって、任意の望ましい光学的波長までレーザーの動作を拡張することが非常に望ましい。
【００５１】
原理的には、レーザーの動作の拡張は、４波混合（パラメトリック増幅）のような、光学ファイバーでの非線形相互作用を用いた非線形波長変換を用いることで、達成される。実施上の制約は、効率の良い波長変換が相互に作用する波の位相整合によってのみ達成されるということである。ファイバーのモードの伝播定数に関して、この位相整合の条件は、βsignal＋βidler＝２βpumpとして表現される。ここで、信号（signal）波、アイドラー（idler）波、および、ポンプ（pump）波、の光学的周波数は、エネルギー変換の関係、ωsignal＋ωidler＝２ωpumpに従わなければならない。位相整合の必要性に起因して、単一モードファイバーでの効率の良いＦＷＭパラメトリック波長変換は、零分散波長の近くでのＦＷＭ相互作用を用いて、ファイバーの複屈折を用いて、または、偶然の位相整合条件の満足を利用して、これまで、スペクトル的に限定された範囲内で達成されてきただけである。
【００５２】
しかし、中心コアのモードと螺旋側面コアとの間でのＨＣＣファイバー２０の電力交換は、擬似位相整合に起因して、すなわち、モード交換電力の位相速度が等しくないときに、起こることができる。例えば、中心コア２２のＬＰ01モードと螺旋側面コア２４のＬＰ11モードとの間の相互作用について考えることができる。このコア間の電力交換に起因して、ＬＰ01モードの位相速度は、結合されていないコアでの位相速度に比べて、増加するはずである。光学的フィールドが、「遅い」中心コアのＬＰ01モードと「速い」螺旋側面コアのＬＰ11モードとの間を循環しているので、実質的な位相速度は、これらの「遅い」位相速度と「速い」位相速度との間の値を獲得するはずである。結果的な位相速度の正確な値は、コア２２，２４の間の結合の程度によって決定されてよい。これは、２つのモードの結合の程度を決定するＨＣＣファイバー２０の構造パラメーターを制御することによって、ＬＰ01モードの位相速度を制御できるようにしている。この位相速度の制御が起きる波長範囲は、適切な側面コアの螺旋周期を選ぶことで、選択される。
【００５３】
位相速度の整合は、光ファイバーの透明な範囲内での、信号波長、アイドラー波長、および、ポンプ波長、の任意の設定に対して、達成されてよい。唯一の制約は、エネルギー保存則である。その結果、この技術は、全てのファイバーベースの波長変換装置を可能にする。そのようなＨＣＣファイバー２０を用いた波長変換技法の様々な考えられる実施例がある。ひとつのアプローチは、受動ＨＣＣファイバー２０を用いることであり、受動ＨＣＣファイバー２０は、ωpumpで動作する外部のレーザーでポンプされていてよい。それに代わって、波長変換のためのＨＣＣファイバー２０の構造を能動の希土類ドーパントがドープされた中心コア２０に組み込んでもよい。この場合、ドープされた中心コア２２は、ωpumpで光学的利得を提供し、光学的利得はレーザーキャビティ内のスペクトル的に選択可能なコンポーネント（ブラッグ回折格子（fiber Bragg grating）のような）によって求められる。位相整合されたＦＷＭのためのＨＣＣファイバー２０の構造は、次に、ωsignalおよびωidlerに対応する必要な波長でパラメトリック利得を提供する。そのようなレーザーは、複数の波長の出力（ωpump、ωsignal、および、ωidlerに対応する波長の出力）を生み出す。さらに、レーザーは、ほとんどの出力電力をωsignalで生み出すように最適化されてよい。したがって、レーザーは、希土類イオンの利得帯域の外側の波長で動作する。波長変換は、非線形相互作用を最大にするために、小さな単一モードの中心コア２２を有効に用いているが、非常に大きな電力（例えば、１ｋＷから１０ｋＷまでの範囲内の電力）に対しては、より大きな中心コアが選択されてよい。さらに、ＨＣＣファイバー２０の構造のモード位相速度の制御が、モード分散（位相速度の波長依存性）の制御を可能にする。この可能性は、超短パルスファイバーレーザーシステムでのＨＣＣファイバーの使用で重要である。
【００５４】
こんどは誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）について考えると、光ファイバー増幅器および光ファイバーレーザーでの獲得可能なピーク電力および平均電力の制限が記載される。ＳＲＳは、よく定義された強度閾値を備えた非線形光学現象である。この閾値より上では、ファイバー中の光信号は、長波長の光信号の増幅を開始する。このラマン利得は、非常に大きく（５０ｄＢより大きい）なることができ、ラマン利得スペクトル帯域に常に存在するわずかな自然発生した光子のみから始まる強い信号を生み出すことができる。その結果、１０ＴＨｚ以上だけポンプから長波長側にシフトした非常に強い光信号が生み出される。多くの実用的な場合で、これは、ファイバーレーザーまたはファイバー増幅器にとって非常に望ましくなく、したがって、ファイバー中の獲得可能なピーク電力または平均信号電力をＳＲＳ閾値より下に制限する。
【００５５】
このＳＲＳ閾値は、ＨＣＣファイバー２０の狭い帯域特性を利用して、ＨＣＣファイバー２０内で抑制される。中心コア２０のモードと螺旋側面コア２４のモードとの間のモード結合は、限定された波長範囲内でのみ起こり、位相整合または擬似位相整合条件を中心にして起こる。スペクトル幅（および、スペクトルピーク位置）は、螺旋側面コア２４および中心コア２２の実際の構造に強く依存している。したがって、ＨＣＣファイバー２０の構造は、その構造が単一の波長のみでの中心コア２２中の単一モードの光信号の伝播を支持し、この信号に関するラマン利得帯域に対応する波長での全てのモードの伝播を禁止するように、構成されていてよい。ラマン帯域中でのモード損失は、非常に大きく（＞＞１００ｄＢ／ｍ）できるので、ＳＲＳの閾値は、非常に増加されて、ピーク電力および平均電力を増加するための追加的な達成方法が提供される。
【００５６】
こんどは、ＨＣＣファイバー２０のための希土類イオン利得帯域工学について考える。ＨＣＣファイバー２０のスペクトル共振特性は、希土類ドーパントがドープされたファイバーの利得帯域幅を変更するために利用できる。例えば、ＨＣＣファイバー２０の構造は、Ｙｂがドープされたファイバーの「通常の」１０３０ｎｍから１１００ｎｍ以上までのスペクトル範囲内の光学利得を完全に抑制するように構成されていてよい。したがって、光学利得は、９８０ｎｍで獲得されてよい。この波長でのそのような利得は、現在のところ、小さなコアの単一モードファイバーを用いることによってのみ、実証されてきた。９８０ｎｍで動作する大型コアのＨＣＣファイバー２０の重要性は、ＨＣＣファイバー２０が、横マルチモード出力で動作するマルチモードレーザーダイオードが、９１４ｎｍおよび９４０ｎｍから、回折が制限された９８０ｎｍの波長への、非常に効率の良い（８０％より大きい）輝度変換をできる、ようにすることである。大型コアのファイバーでのこのような変換の達成は、９８０ｎｍでの単一の横モードの非常に大きな平均電力（１ｋＷを超えることが可能）を提供する。これは、高出力ファイバーレーザーの設計を可能にし、そのファイバーレーザーは、クラッドポンプシステムに代わって、コア内ポンプシステムとなることができる。
【００５７】
さらに、ＨＣＣファイバー２０でのこのようなスペクトル依存の結合は、Ｙｂがドープされたファイバーの利得分布自体を作り直すために利用できる。Ｙｂファイバーは、典型的には、長波長に向かって急速に低下する約１０３０ｎｍでの強い利得ピークを有する。Ｙｂがドープされたファイバーの光学利得は１１００ｎｍを大きく超えて伸びているが、この広い帯域幅は、広帯域（＞１００ｎｍＦＷＨＭ）の光信号増幅に直接用いることはできず、その理由は、利得の大きな傾斜が、増幅されたスペクトルを１０３０ｎｍ付近に必然的に狭めてしまうからである。大きな損失を伴うＨＣＣファイバー２０の構造を全てのモードに対して１０３０ｎｍで用いることは、利得の傾斜をオフセットし、Ｙｂがドープされたファイバーでの非常に広い増幅帯域を効率良く生み出す。
【００５８】
産業界では、ＨＣＣファイバー２０，２０’は、非線形効果の受け易さを減らすことによって、および、大電力ポンピング条件を改善することによって、大電力ファイバーの電力の増加を容易にする。ＨＣＣファイバー２０，２０’によって提供された独自の広モード域は、高エネルギーパルスの生成を必要とする用途で特に有益である。ＨＣＣファィバー２０，２０’が既存のＬＭＡファィバーの接続に関する難しさを解消することは、ＨＣＣファィバー２０，２０’の重要な利点である。コイルの形成を必要としないので、ファィバーシステム（モノリシックポンプ結合器、または、ファイバーに結合された光学的アイソレーターのような）に接続されたＨＣＣファィバー２０，２０’の短いリード線でさえもが、効率のよい高次モードの抑制を可能にする。その結果、異なるファィバー同士のモード整合の不確実さは、追加的な接続損失のみを結果としてもたらし、既存のＬＭＡファイバーに関して現在のところ該当するようなモード品質の劣化をもたらさない。さらに、ＨＣＣファィバー２０，２０’の重要な利点は、その構造がファイバーコアの小さいＮＡを必要としないことである。これによって、ＥｒおよびＴｍがドープされたファイバー用のＬＭＡの構造が、約１５５０ｎｍおよび１８００ｎｍから２０００ｎｍまでの技術的に重要な目に安全な波長で動作できるようになり、これらの波長で動作する場合には、小さいＮＡを獲得することは、重要な技術的障害である。さらに、ＨＣＣファイバー２０，２０’は、通常のインデックスガイドファイバー、ならびに、マイクロ構造およびフォトニック結晶のファィバー、に広く適用可能である。
【００５９】
こんどは、ＨＣＣファイバー２０，２０’の製造を考えると、中心コア２２と、螺旋状に巻かれた側面コア２４またはコア２４’，４０，４２（上述された。）と、からなる複合ファイバー構造は、既存のファィバー線引き技術を用いて製造されてよい。ＨＣＣファイバー２０を製造するための製造方法の実施の形態は、中心回転軸１０２を有し、中心コア１２２の中心回転軸１０２（図１３Ａに示されている）に対してオフセンターで配置された螺旋状に巻かれた側面コア１２４と、を有するファイバープリフォーム１００を作ることで開始される。ある実施の形態では、単一の中心コア１２２を有する典型的なプリフォーム１００は、側面コア１２４を挿入するために、穿孔されてよい。側面コア１２４は、予め決められたドーパント配合物を含む予め製造されたガラスロッドから選択され、次に、プリフォーム１００の穿孔された開口内に挿入される。ＨＣＣファィバー２０，２０’が複数の側面コア２４，２４’，４０，４２を有する実施の形態の場合には、プリフォーム１００は、複数回穿孔され、複数の側面コア１２４が挿入されてよい。最終のプリフォーム１００の構造が、次に、加熱されて、いずれの空隙も潰される。
【００６０】
それに代わって、一般的なフォトニック結晶ファイバー製造方法が用いられてもよい。この場合、複数のガラスキャピラリーが一緒にスタックされる。全体の構造は、キャピラリーを設けないいくつかの位置を選択することによって、または、それに代わって、ドープされたキャピラリーを挿入することによって、選択されてよい。スタックされた構造は、次に、加熱されて、潰され、中実構造が提供される。
【００６１】
ＨＣＣファイバー２０，２０’は、次に、プリフォーム１００を回転させながら、プリフォーム１００からファイバーを線引きするすなわち引っ張ることによって、製造されてよい（図１３Ｂに示されている）。したがって、直線状の中心コア２２と、螺旋状に巻かれた側面コア２４（図１３Ｃに示されている。）またはコア２４’，４０，４２と、が生み出される。回転は、その炉の中にファイバープリフォーム１００が固定されているファイバー線引き炉を一定の速度で回転させることによって、行われてよい。その場合、必要な螺旋周期は、ファイバーの線引き速度とファイバー線引き炉の回転速度との適切な組み合わせを選択することによって達成されてよい。このアプローチは、一定の螺旋周期および螺旋の一定の旋進性を備えた螺旋コア（ＨＣＣファイバー２０のような）を生み出す。
【００６２】
それに代わって、炉の回転速度は、線引きの間に変えられてよく、したがって、変化する螺旋周期が生み出される。さらに、回転は、速度だけでなく、旋回の向きも変えられてよく、したがって、ファイバーに沿って変化する螺旋周期および変化する螺旋の旋進性の両方が生み出される。そのような方法は、より複雑な複合導波路構造を生み出すのに有用である。
【００６３】
これまでの記載は、本発明の方法およびシステムの例示的な実施の形態を例示し記載するためにのみ提供されてきた。これまでの記載は、網羅的であることも、本発明を開示された正確な形態のいずれに限定することも、意図されていない。当業者には、本発明の範囲を逸脱せずに、さまざまな変更が行われ、等価物が本発明の要素と置き換えられることが理解されるであろう。さらに、多くの変形が、本発明の本質的な範囲を逸脱せずに、本発明の教示内容に具体的な状況および材料を適合させるために、行われてよい。したがって、本発明が、本発明を実施するために企図された最適の形態として開示されたいずれの具体的な実施の形態にも限定されず、本発明が特許請求の範囲に包含される全ての実施の形態を含むことが、意図されている。本発明は、本発明の真髄および範囲を逸脱せずに、具体的に記載され例示された実施の形態以外としても実施されてよい。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲のみによって、限定される。
【００６４】
〔実施の態様〕
この発明の具体的な実施態様は以下の通りである。
（１）複合導波路において、
中心コアと、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、かつ、前記中心コアの光学的近傍に配置された、少なくとも一つの側面コアと、
を具備する、複合導波路。
（２）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記中心コアは、広モード域用に構成されている、複合導波路。
（３）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、インデックスガイドファイバーである、複合導波路。
（４）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、フォトニック結晶ファイバーである、複合導波路。
（５）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記中心コアは、一次モードを導くように構成されている、複合導波路。
（６）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記中心コアは、直線状である、複合導波路。
（７）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記少なくとも一つの側面コアは、前記側面コアと前記中心コアのモードとの間の効率の良い選択的な結合を提供するように構成されている、複合導波路。
（８）実施態様（７）に記載の複合導波路において、
前記少なくとも一つの側面コアは、実質的に、前記中心コアの予め決められた高次モードのみが、前記側面コアに結合されるように構成されている、複合導波路。
（９）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記側面コアは、前記側面コアに沿って伝播するモードに対して大きな損失を与えるように構成されている、複合導波路。
（１０）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記中心コア、および前記側面コアのモードフィールドは、少なくとも部分的に重なり合う、複合導波路。
【００６５】
（１１）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記少なくとも一つの側面コアは、
第１の同心リングに沿って配置された少なくとも一つの近いコアであって、前記中心コアの光学的近傍に配置された、少なくとも一つの近いコアと、
第２の同心リングに沿って配置された少なくとも一つの遠いコアであって、前記少なくとも一つの近いコアの光学的近傍に配置された、少なくとも一つの遠いコアと
を含む、
複合導波路。
（１２）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれた複数の側面コア、
をさらに具備する、
複合導波路。
（１３）実施態様（１２）に記載の複合導波路において、
前記側面コアは、前記中心コアの光学的近傍に配置されていて、
前記側面コアの各々は、別の前記側面コアから離れて配置されている、
複合導波路。
（１４）実施態様（１２）に記載の複合導波路において、
前記側面コアは、少なくとも一つの半径方向の線に沿って配置されている、複合導波路。
（１５）実施態様（１４）に記載の複合導波路において、
前記側面コアは、隣接する前記側面コアの光学的近傍に配置されていて、
前記中心コアに隣接する前記側面コアは、前記中心コアの光学的近傍に配置されている、
複合導波路。
（１６）実施態様（１２）に記載の複合導波路において、
前記側面コアは、複数の同心リングに沿って配置されている、複合導波路。
（１７）実施態様（１６）に記載の複合導波路において、
前記側面コアの各々は、隣接する前記側面コアの光学的近傍に配置されていて、
前記中心コアに隣接する前記側面コアは、前記中心コアの光学的近傍に配置されている、
複合導波路。
（１８）実施態様（１６）に記載の複合導波路において、
前記側面コアの各々は、隣接する前記側面コア、および、前記中心コア、の光学的近傍に配置されている、複合導波路。
（１９）実施態様（１２）に記載の複合導波路において、
前記側面コアは、単一の同心リングに沿って配置されていて、
前記単一の同心リングの中心は、前記中心コアの中心に配置されている、
複合導波路。
（２０）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、別の導波路、または、別の複合導波路、と接続されるように構成されている、複合導波路。
【００６６】
（２１）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、ほぼ９７５ｎｍで動作するように構成されている、複合導波路。
（２２）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、ラマン抑制のために構成されている、複合導波路。
（２３）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、利得再生のために構成されている、複合導波路。
（２４）実施態様（１）に記載の複合導波路において、
前記中心コア、および前記少なくとも一つの側面コアは、パラメトリック波長変換を生み出すための位相整合のために構成されている、複合導波路。
（２５）複合導波路において、
中心コアと、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、かつ、前記中心コアの光学的近傍に配置された、少なくとも一つの側面コアと、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれ、かつ、前記中心コアの長さ方向に沿って方位角的に変化する向きに沿って前記中心コアに応力を加える、少なくとも一つの応力フィラメントと
を具備する、複合導波路。
（２６）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記中心コアは、広モード域用に構成されている、複合導波路。
（２７）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、インデックスガイドファイバーである、複合導波路。
（２８）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、フォトニック結晶ファイバーである、複合導波路。
（２９）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、別の導波路、または、別の複合導波路、と接続されるように構成されている、複合導波路。
（３０）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、ほぼ９７５ｎｍで動作するように構成されている、複合導波路。
【００６７】
（３１）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、前記中心コアの偏光を維持するように構成されている、複合導波路。
（３２）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、ラマン抑制のために構成されている、複合導波路。
（３３）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、利得再生のために構成されている、複合導波路。
（３４）実施態様（２５）に記載の複合導波路において、
前記中心コア、および前記少なくとも一つの側面コアは、パラメトリック波長変換を生み出すための位相整合のために構成されている、複合導波路。
（３５）複合導波路において、
中心コアと、
前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれた少なくとも一つの側面コアと、
前記中心コアと光学的に連絡した、前記少なくとも一つの側面コアの第１のエッジと、
前記複合導波路の外径のほぼ近くに配置された、前記少なくとも一つの側面コアの外側部分であって、前記外側部分が少なくとも一つの構造欠陥を有し、それによって、前記少なくとも一つの構造欠陥が前記複合導波路からのモード損失を促進する、外側部分と、
を具備する、複合導波路。
（３６）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記中心コアは、広モード域用に構成されている、複合導波路。
（３７）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、インデックスガイドファイバーである、複合導波路。
（３８）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、フォトニック結晶ファイバーである、複合導波路。
（３９）実施態様（３８）に記載の複合導波路において、
前記少なくとも一つの構造欠陥は、キャピラリースタックを用いて構成されている、複合導波路。
（４０）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記少なくとも一つの構造欠陥は、ドーパントを用いて構成されている、複合導波路。
【００６８】
（４１）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記少なくとも一つの構造欠陥は、ドーパントを吸収した前記少なくとも一つの側面コアによって構成されている、複合導波路。
（４２）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、別の導波路、または、別の複合導波路、と接続されるように構成されている、複合導波路。
（４３）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、ほぼ９７５ｎｍで動作するように構成されている、複合導波路。
（４４）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、ラマン抑制のために構成されている、複合導波路。
（４５）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記複合導波路は、利得再生のために構成されている、複合導波路。
（４６）実施態様（３５）に記載の複合導波路において、
前記中心コア、および前記少なくとも一つの側面コアは、パラメトリック波長変換を生み出すための位相整合のために構成されている、複合導波路。
（４７）複合導波路において、
一次モードを導く手段と、
前記一次モードを導く前記手段の周りに螺旋状に配置された、高次モードを導く手段と、
を具備する、複合導波路。
（４８）実施態様（４７）に記載の複合導波路において、
前記中心コアは、広モード域用に構成されている、複合導波路。
（４９）実施態様（４７）に記載の複合導波路において、
前記高次モードを導く手段は、前記高次モードの損失を増加する手段を含む、複合導波路。
（５０）実施態様（４７）に記載の複合導波路において、
前記中心コア、および前記少なくとも一つの側面コアは、パラメトリック波長変換を生み出すための位相整合のために構成されている、複合導波路。
【００６９】
（５１）複合導波路の製造方法において、
中心コア、および少なくとも一つのオフセンターの側面コアを備えたファイバープリフォームを線引きする過程と、
前記複合導波路が線引きされるときに前記ファイバープリフォームを回転させる過程と、
を具備する、方法。
（５２）実施態様（５１）に記載の方法において、
前記中心コアは、広モード域用に構成されている、方法。
（５３）実施態様（５１）に記載の方法において、
前記ファイバープリフォームは、インデックスガイドファイバー用に構成されている、方法。
（５４）実施態様（５１）に記載の方法において、
前記ファイバープリフォームは、フォトニック結晶ファイバー用に構成されている、方法。
（５５）実施態様（５１）に記載の方法において、
ファイバー線引き炉が、前記ファイバープリフォームを回転させるために、回転させられる、方法。
（５６）実施態様（５１）に記載の方法において、
前記回転の速度は、ほぼ一定である、方法。
（５７）実施態様（５１）に記載の方法において、
前記少なくとも一つのオフセンターの側面コアの螺旋周期は、前記回転の速度、および／またはファイバーの線引き速度によって決定される、方法。
（５８）実施態様（５１）に記載の方法において、
前記回転の向きは、周期的に反転される、方法。
（５９）実施態様（５１）に記載の方法において、
前記回転の前記速度は、前記オフセンターの側面コアの可変の螺旋周期を提供するように、変えられる、方法。
【図１Ａ】
0005591731.tif 000007
【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
0005591731.tif 000013
【図６】
0005591731.tif 000014
【図７】
0005591731.tif 000015
【図８】
0005591731.tif 000016
【図９Ａ】
0005591731.tif 000017
【図９Ｂ】
0005591731.tif 000018
【図９Ｃ】
0005591731.tif 000019
【図９Ｄ】
0005591731.tif 000020
【図１０Ａ】
0005591731.tif 000021
【図１０Ｂ】
0005591731.tif 000022
【図１０Ｃ】
0005591731.tif 000023
【図１１Ａ】
0005591731.tif 000024
【図１１Ｂ】
0005591731.tif 000025
【図１２】
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【図１３Ａ】
0005591731.tif 000027
【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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