(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ補償ＬＭＡ光ファイバであって、
縦軸および半径ｒｃｏｒｅを有するコア領域と、
前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを備え、前記コア領域およびクラッド領域が、前記コア領域内で前記軸の方向に基本横モードの信号光の伝播を支持および誘導するように構成され、
前記ファイバが横断面によって特徴付けられ、この横断面が屈折率特性によってさらに特徴付けられ、
前記クラッド領域が、前記コア領域を取り囲む内側クラッド領域、および前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域を含み、前記内側クラッド領域がある勾配で傾斜した屈折率を有する少なくとも横部分を含み、
前記ファイバの少なくとも縦部分が半径Ｒｂに曲げられまたは巻き付けられた時に、前記曲げまたは巻付けが、前記曲げまたは巻き付けにより前記縦部分内に誘起されるべき前記屈折率特性の変化を導入するものであり、
少なくとも前記縦部分が、（ｉ）前記屈折率特性が前記軸に対してほぼ方位対称であり、（ｉｉ）前記内側クラッド領域の前記横部分の屈折率が、前記曲げられまたは巻き付けにより誘起された前記変化を補償するように設定され、（ｉｉｉ）前記ＬＭＡ光ファイバ内の高次モードの伝播を抑制するという点で、あらかじめ補償される、曲げ補償ＬＭＡ光ファイバ。
【請求項２】
前記内側クラッド領域が、前記外側クラッド領域の近くにある前記横部分と、前記コア領域の近くにある残りの部分とを含む、請求項１に記載のファイバ。
【請求項３】
前記残りの部分の屈折率が傾斜していない、請求項２に記載のファイバ。
【請求項４】
前記残りの部分の屈折率もまた傾斜している、請求項２に記載のファイバ。
【請求項５】
前記ＬＭＡファイバの有効モード面積が少なくとも３００λ２であり、ここでλが前記信号光の波長である、請求項１に記載のファイバ。
【請求項６】
前記勾配がおよそγｎｃｏｒｅ／Ｒｂであり、ここでｎｃｏｒｅが前記コア領域の屈折率であり、γ＝０．６〜１．２である、請求項１に記載のファイバ。
【請求項７】
ファイバが諸光学特性を有し、前記縦部分が、前記光学特性の少なくとも１つが、前記曲げられる、または巻き付けられる部分の曲げの方向に対する前記ファイバの向きと実質的に無関係になるように構成される、請求項１に記載のファイバ。
【請求項８】
前記内側クラッド領域が環状であり、ｒ２／ｒｃｏｒｅが前記ファイバ内の前記高次モードの伝播を抑制する設定となるように、ｒｃｏｒｅから始まる内側コア半径、および外側半径ｒ２を有する、請求項１に記載のファイバ。
【請求項９】
ｒ２／ｒｃｏｒｅ＞２である、請求項８に記載のファイバ。
【請求項１０】
前記内側コア半径及び前記外側半径が、前記高次モードで生じる光損失が前記基本モードの光学的損失の少なくとも100倍になるように設定される、請求項９に記載のファイバ。
【請求項１１】
ｒ２／ｒｃｏｒｅ＞３である、請求項８に記載のファイバ。
【請求項１２】
前記内側コア半径及び前記外側半径が、前記高次モードで生じる光損失が前記基本モードの損失の少なくとも１００倍になるように設定される、請求項１１に記載のファイバ。
【請求項１３】
前記内側クラッド領域の前記横部分が、前記コア領域に近似した高い屈折率と、前記外側クラッド領域に近似した低い屈折率とを有する、請求項８に記載のファイバ。
【請求項１４】
前記低い屈折率が前記外側クラッド領域の屈折率よりも低い、請求項１３に記載のファイバ。
【請求項１５】
前記低い屈折率が前記外側クラッド領域の屈折率とほぼ等しい、請求項１３に記載のファイバ。
【請求項１６】
前記コア領域が放物線状屈折率特性を有する、請求項１に記載のファイバ。
【請求項１７】
加えられた光ポンプ・エネルギーに対応して前記信号放射を増幅する請求項１に記載の光ファイバと、
前記ポンプ・エネルギーの供給源とを備える光学装置であって、
前記ポンプ・エネルギーが前記光ファイバの中に結合される、光学装置。
【請求項１８】
支持部材と、請求項１に記載の光ファイバとを備える光サブアセンブリであって、前記ファイバが前記支持部材に巻き付けられ、貼り付けられる、光サブアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は次の２つの仮出願、すなわち２０１１年７月１１日出願の米国特許仮出願第６１／５０６，６３１号、および２０１０年１２月３日出願の米国特許仮出願第６１／４１９，４２０号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、ファイバの曲げの影響を補償するように、また高次モード（ＨＯＭ）を抑制するように設計された大モード面積（ＬＭＡ）ファイバに関し、より具体的には、このようなＬＭＡファイバを組み込む高出力光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバ増幅器は、切削、溶接および距離測定に使用される高出力デバイスから、通信システムにおいて光搬送波信号を増幅するために使用される低出力デバイスまでの範囲の多様な応用例に大きな影響を及ぼす。前者の場合では、高出力増幅器は、ＬＭＡファイバ中を実質的にシングル・モード（すなわち、基本横モード）で伝播する信号光を増幅するために、利得生成ファイバ（ＧＰＦ、例えば適切な希土類種またはクロムでドープされたＬＭＡファイバ）、およびポンプ光の供給源を利用する。
【０００４】
相対的に大きい有効面積（Ａｅｆｆ）を有するＬＭＡファイバは、光出力密度を低減するために、したがってまた、ファイバ内の光の非直線性を低減するために使用される。しかし、大きい面積のファイバが通常はいくつかの、または多くのモードを支持することで、ＨＯＭもまたファイバ内を伝播し増幅される可能性が増し、それによってビームの品質が劣化する。ビーム品質は、Ｍ２として知られるパラメータによって特徴付けられることが多いのに対し（理想的なガウスビームではＭ２＝１）、シングル・モード性は、参照により本明細書に組み込まれるＮｉｃｈｏｌｓｏｎ他、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏ．１６、Ｎｏ．１０、７２３３〜７２４３頁（２００８年）に記載されている、空間的および分光的（Ｓ２）分解画像化を含む様々な技法によって特徴付けることができる。ファイバの曲げは、この問題を悪化させ、典型的な性能要件を満たす出力レベルにおいて基本モードの伝播を保証しながらＨＯＭを選択的に抑制する様々なファイバ設計の機能を低下させる。
【０００５】
典型的な従来の増幅器構成では、数メートル（例えば、５ｍ）のＧＰＦが、増幅器の他の構成要素もまた含み得る増幅器筐体内に巻かれている。設計によっては、これらの構成要素に、ＧＰＦと光学的に結合された非ＧＰＦ  ＬＭＡ（例えば、ファイバ・リード）が含まれることがある。ＬＭＡファイバを巻くことはスペースを節約する手段であるが、ファイバが曲げられることを意味する。
【０００６】
ＬＭＡファイバの曲げは、ＬＭＡファイバ設計の３つの主要な目標、すなわち大モード面積、低損失およびシングル・モード動作の間に性能妥協点を課す重要な要因である。望ましくないＨＯＭを選択的に抑制できる程度を制限することで、上記のように、マクロベンド損失がしばしば損失の支配的原因になり、曲げ変形が面積の拡大を制限し、曲げがシングル・モード動作を劣化させる。
【０００７】
曲げの悪影響を改善するための１つの戦略は、参照により本明細書に組み込まれるＦｉｎｉ、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、６９〜８１頁（２００６年）に記載されている、曲がっていない（製造されたままの、まっすぐな）ファイバの屈折率特性の予想される曲げ誘発摂動を事前に補償することである。非対称屈折率特性を利用するこの戦略は、曲げ補償された微小構造ファイバの設計において他の人によって活用されてきた。（例えば、参照によりやはり本明細書に組み込まれるＭｉｎｅｌｌｙの米国特許第７．８７６，４９５号（２０１１年）を参照されたい。）しかし、この戦略は実施するのが困難なことがある。この戦略では、ファイバ断面全体にわたって非対称屈折率特性が必要であり、また曲げ全体にわたって固定方位配向（ａｚｉｍｕｔｈａｌ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）でファイバを配置することが必要である。
【０００８】
曲がっていない、まっすぐの、および製造されたままの、という語が意味するのは、ファイバの曲げ半径が実質的に無限大である（完全にまっすぐなファイバ）または非常に大きいので、ファイバの目的の用途では、生じるいかなる曲げもファイバ性能に及ぼす影響が小さいということである。
【０００９】
したがって、非対称屈折率特性を必要とせずに曲げ補償を実現するＬＭＡファイバ設計が必要とされている。つまり、非対称または対称の屈折率特性を有するＬＭＡファイバにおいて曲げ補償を実現するファイバ設計が必要とされている。
【００１０】
さらに、補償に加えてＨＯＭ抑制を実現するＬＭＡファイバ設計が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７．８７６，４９５号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ他、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏ．１６、Ｎｏ．１０、７２３３〜７２４３頁（２００８年）
【非特許文献２】Ｆｉｎｉ、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、６９〜８１頁（２００６年）
【非特許文献３】Ｍａｒｃｕｓｅ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．２１、４２０８頁（１９８２年）
【非特許文献４】Ｎａｇａｎｏ、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．１３、２０８０〜２０８５頁（１９７８年）
【非特許文献５】Ｐ．Ａ．Ｂｅｌａｎｇｅｒ、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．３２．Ｎｏ．９、２１０７〜２１０９頁（１９９３年）
【非特許文献６】Ｍａｒｃｕｓｅ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．２１、４２０８頁（１９８２年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ＬＭＡファイバの曲げについての本発明者らの分析で、ＨＯＭ抑制の選択性は、ファイバのコア領域または他の領域の曲げ摂動によってではなく、主に内側クラッド領域の曲げ摂動によって劣化するという驚くべき結果が発見された。したがって、基本的な性能妥協点を劇的に改善するには、内側クラッド領域の曲げ摂動を補償することで十分である。従来技術と異なり、十分なＨＯＭ抑制を伴う曲げ補償では、コア領域の屈折率特性の非対称性も、ファイバ断面全体にわたる屈折率特性の非対称性も不要である。しかし、本発明の主要な設計の特徴は、非対称屈折率特性を用いることを除外もしない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、曲げ補償光ファイバは、縦軸を有するコア領域と、コア領域を取り囲むクラッド領域とを備える。コア領域およびクラッド領域は、コア領域内でファイバ軸の方向に基本横モードの信号光の伝播を支持および誘導するように構成される。クラッド領域は、コア領域を取り囲む内側クラッド領域と、内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域とを含む。ファイバの少なくとも１つの縦部分は、曲げ半径Ｒｂに曲げられるように、または巻き付けられるように構成される。（まっすぐなファイバの屈折率特性が曲げにより変化し、それによって、当技術分野で等価屈折率特性として知られるものが曲げ部分の中に生じる。）少なくともこの縦のファイバ部分は、（ｉ）ファイバの横断面が、ファイバ軸に対してほぼ方位対称である屈折率特性を有し、（ｉｉ）内側クラッド領域の少なくとも１つの横部分の屈折率特性が、曲げによって誘発されるであろう屈折率特性の予想される変化を補償するように設定された、すなわち予想される等価屈折率特性を補償するように設定された勾配で傾斜しているという点で、あらかじめ補償される。
【００１５】
本発明の第１の態様の一実施形態では、実質的にシングル・モード動作を可能にする優れたＨＯＭ抑制のある本発明のＬＭＡファイバの曲げ補償が、ＬＭＡファイバの内側クラッド領域の屈折率を好ましくはγｎｃｏｒｅ／Ｒｂの勾配で傾斜させることによって実現され、ここで、γは０．６〜１．２の範囲に入り、γ＝１は、よく知られている幾何等角写像を前提とする理想的な補償に該当するが（参照により本明細書に組み込まれるＭａｒｃｕｓｅ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．２１、４２０８頁（１９８２年）を参照されたい）、好ましい設計には、応力補正（例えば、γ＝０．８）、またはコイル内の曲率ばらつきなどを可能にする他の調整が含まれてよく、ｎｃｏｒｅはコア領域の屈折率であり、Ｒｂは曲げ半径である。（曲げ誘発歪み（応力）に関しては、参照によりやはり本明細書に組み込まれるＮａｇａｎｏ、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．１３、２０８０〜２０８５頁（１９７８年）を参照されたい。）
【００１６】
本発明の第１の態様の別の実施形態では、内側クラッド領域は環状であり、ｒ２／ｒｃｏｒｅがＨＯＭの伝播を抑制する設定となるような内側半径ｒ１および外側半径ｒ２を有する。ＨＯＭ抑制の望ましいレベルに応じて、いくつかの実施形態ではｒ２／ｒｃｏｒｅ＞２が好ましく、他ではｒ２／ｒｃｏｒｅ＞３が好ましい。
【００１７】
本発明の第２の態様によれば、曲げ補償光ファイバは、縦軸を有するコア領域と、コア領域を取り囲むクラッド領域とを備える。コア領域およびクラッド領域は、コア領域内でファイバ軸の方向に基本横モードの信号光の伝播を支持および誘導するように構成される。クラッド領域は、コア領域を取り囲む内側クラッド領域と、内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域とを含む。ファイバの少なくとも１つの縦部分は、曲げ半径Ｒｂに曲げられるように、または巻き付けられるように構成され、少なくともこの縦のファイバ部分は、内側クラッド領域の少なくとも１つの横部分の屈折率特性が、曲げによって誘発されるであろう屈折率特性の予想される変化を補償するように設定された、すなわち等価屈折率特性を補償するように設定された勾配で傾斜しているという点で、あらかじめ補償される。加えて、内側クラッド領域は環状であり、ｒ２／ｒｃｏｒｅがＨＯＭの伝播を抑制する設定となるような内側半径ｒ１および外側半径ｒ２を有する。ＨＯＭ抑制の望ましいレベルに応じて、本発明の第２の態様のいくつかの実施形態ではｒ２／ｒｃｏｒｅ＞２が好ましく、他ではｒ２／ｒｃｏｒｅ＞３が好ましい。
【００１８】
本発明の第２の態様のいくつかの実施形態では、ファイバの少なくとも１つの縦部分が、曲げ半径Ｒｂに曲げられるように、または巻き付けられるように構成され、この部分内でファイバの横断面は、ファイバ軸に対してほぼ方位対称である屈折率特性を有する。これらの対称実施形態では、ファイバを配置することが固定方位配向を必要とせずに可能になる。
【００１９】
本発明の第２の態様の別の実施形態では、ファイバの少なくとも１つの縦部分が、曲げ半径Ｒｂに曲げられるように、または巻き付けられるように構成され、この部分内でファイバの横断面は、ファイバ軸に対して非対称である屈折率特性を有する。
【００２０】
本発明は、その様々な特徴および利点と共に、以下のより詳細な説明を添付の図面と併せ読めば容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１Ａは、本発明の一実施形態による曲げ補償ＬＭＡ光ファイバの概略横断面図であり、図１Ｂは、図１Ａのファイバの例示的な対称屈折率特性の概略グラフである。
【図２】ファイバが相対的にゆるく曲げられている（図２Ａ）、および相対的にきつく曲げられている（図２Ｂ）従来のステップ屈折率コア（ＳＩＣ）ファイバの屈折率特性の概略グラフである。
【図３】ファイバが曲げられていない（図３Ａ）、および相対的にきつく曲げられている（図３Ｂ）本発明の例示的な一実施形態による曲げ補償ＳＩＣファイバの屈折率特性の概略グラフである。
【図４】ファイバが曲げられていない（図４Ａ）、および半径Ｒｂ＝１５ｃｍで曲げられている（図４Ｂ）本発明の別の例示的な実施形態による対称形の曲げ補償（ＳＢＣ）ファイバの相対屈折率特性の概略グラフである。
【図５】ファイバが曲げられていない（図５Ａ）、および半径Ｒｂ＝１５ｃｍで曲げられている（図５Ｂ）本発明のさらに別の例示的な実施形態によるＳＢＣファイバの屈折率特性の概略グラフである。
【図６】従来のＳＩＣファイバ（曲線６．６）、放物線状コア屈折率ファイバ（曲線６．５）、および本発明の様々な実施形態による多数のＳＢＣ光ファイバ（曲線６．１〜６．４）のシミュレーション結果を比較する、有効面積（Ａｅｆｆ）に対するＨＯＭ損失の一連のグラフである。
【図７】ファイバが曲げられていない（図７Ａ）、および半径Ｒｂ＝１５ｃｍで曲げられている（図７Ｂ）本発明の別の例示的な実施形態による非対称曲げ補償（ＡＢＣ）ファイバの相対屈折率特性の概略グラフである。さらに図７Ｃは、図７Ａに示された屈折率特性のグレースケール描写である。明るい灰色および白色で高い屈折率が示されているのに対し、暗い灰色および黒色で低い屈折率が示されている。
【図８】従来のＳＩＣファイバ（曲線８．６）、放物線状コア屈折率ファイバ（曲線８．５）、および本発明の様々な実施形態による６つのＡＢＣ光ファイバ（３つのデータ点８．２および３つのデータ点８．３）のシミュレーション結果を比較する、有効面積（Ａｅｆｆ）に対するＨＯＭ損失の一連のグラフである。
【図９】本発明の例示的な一実施形態による、ＬＭＡ  ＧＰＦを使用する例示的な光ファイバ増幅器を示す概略ブロック図である。
【図１０】本発明の例示的な一実施形態による、巻きファイバが平板上の溝の中に装着されるサブアセンブリの概略等角図である。
【図１１】本発明の別の例示的な実施形態による、巻きファイバが円筒上に装着される別のサブアセンブリの概略等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
上記の様々な図は、原寸に比例して描かれていない点で、かつ／または図を簡単で分かりやすくするために、描かれた実際の光ファイバまたは製品の細部のすべてを含んでいない点で、概略的に示されている。加えて、図１Ｂの縦座標は絶対屈折率を示すのに対し、図４、５および７の縦座標は相対屈折率を示す（すなわち各屈折率は、外側クラッド領域の屈折率と相対的なものである）ことに留意されたい。
【００２３】
用語解説
曲げ：通常は簡単に曲げと呼ばれる大きい曲げは、ファイバが、その長手方向に沿ってその曲率が相対的に一定になるように曲げられ、巻かれ、またはねじられる場合に起こる。対照的に微小曲げは、曲率がある特定のファイバの断熱長さの程度内（例えば、ファイバの長手方向に沿って１ミリメートル程度以下）で著しく変化する場合に起こる。このような微小曲げは、例えば、標準的な微小曲げ試験においてファイバを紙やすりに押し付けることによって形成される。
【００２４】
中心波長：本義論の全体を通して、波長について言及されるものは、特定の光放出の中心波長を意味するものであり、すべてのこのような放出には、中心波長の上下のよく知られている波長範囲を含む特有の線幅があることが理解されている。
【００２５】
ガラスファイバ：本明細書で説明されているタイプの光ファイバは通常、ガラス（例えば、シリカ）で作られており、コア領域およびクラッド領域の屈折率は、当技術分野でよく知られているように、１つまたは複数のドーパント（例えば、Ｐ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｆ、Ｃｌ）の量と種類によって、あるいはファイバの製造中にファイバ中に取り込まれる中空ボイドによって制御される。これらの屈折率、ならびにコア／クラッド領域の厚さ／直径により、当技術分野でよく知られているように、重要な動作パラメータが決まる。このようなガラスファイバが適切にポンピングされた場合に利得を生成するように、ガラスファイバはまた、前述のように希土類種またはクロムでドープされる。
【００２６】
屈折率：１つまたは複数の指数（ｉｎｄｅｘ）という語は１つまたは複数の屈折率（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ）を意味する。ある特定の領域（例えば、クラッド領域）が微小構造（例えば孔であり、充填されたものか（例えば、低屈折率の気体、液体または固体で）それとも非充填のもの（例えば、空気孔））を含む設計では、このような領域の屈折率は、その領域を伝播する光によって見られる平均屈折率を意味すると解釈される。
【００２７】
屈折率特性：図１Ｂ、図２〜５および図７の概略屈折率特性は、光ファイバ内で観察可能であろう屈折率の実際の微小ばらつきの平均である。加えて、屈折率特性の様々な領域は長方形であるとして示されているが、このような領域の境界線は水平または垂直である必要がなく、１つ以上が傾斜していてよく、例えばその領域が台形または三角形であってもよい。
【００２８】
ＬＭＡ：高出力用途では、大モード面積（ＬＭＡ）ファイバは、およそ９０λ２以上の基本モード有効面積を有すると定義され、ここでλは信号波長である。例えば、１０６０ｎｍ（１．０６μｍ）の波長では、約１００μｍ２以上の有効面積が大モード面積を構成するのに対し、１５５０ｎｍ（１．５５μｍ）の波長では、２１６μｍ２以上の有効面積が大モード面積を構成する。曲げ補償は、約３００λ２以上の大モード面積で特に重要になる。
【００２９】
Ｍ２：ＬＭＡファイバの光学特性は、その横断屈折率特性の細部に敏感に依存する。従来の知識が示すところによれば望ましいＬＭＡファイバは、Ｍ２が１．０に非常に近い基本モードを有し、これは、コア領域内側の横断屈折率特性が実質的に均一である、つまり屈折率特性がコア領域の横断面内で実質的に均一であるという想定のもとで、基本横モードの光場の形状が非常にガウス形に近いことを意味する。Ｍ２は、モード・フィールドと真のガウス関数の間の類似度の尺度となる。より具体的には、ガウス形を有するモードではＭ２＝１．０であり、他のすべてのモード・フィールド形ではＭ２＞１．０である。
【００３０】
参照により本明細書に組み込まれるＰ．Ａ．Ｂｅｌａｎｇｅｒ、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．３２．Ｎｏ．９、２１０７〜２１０９頁（１９９３年）に記載されているように、Ｍ２は、理想的なガウス関数に対してファイバの基本横モードが有する類似度を定義する。（本明細書では、Ｍ２を１ステップ屈折率光ファイバのＬＰ０１基本モードに対し定義するが、この定義は、本明細書で説明されるすべての光ファイバに対し有効である。）理論上ではＭ２は任意に大きくなり得るが、実際にはＧＰＦのＭ２は通常、およそ１＜Ｍ２＜１０の範囲にある。さらに、例えば約１．０６のＭ２は、Ｍ２が約１．０という意味で通常は小さいと考えられるのに対し、例えば約１．３のＭ２は、Ｍ２＞＞１．０という意味で大きいと考えられる。
【００３１】
Ｍ２が１．０に非常に近い場合、ファイバから出てくるビームは実質的に平行になることも、回折が限定されたスポットに密に集束することもある。
【００３２】
モード：モード（１つまたは複数）という語は、電磁波（例えば、信号光であり、光増幅器の場合では増幅されるべき信号光、またはレーザの場合では誘導放出が含まれる）の横モード（１つまたは複数）を意味するものとする。
【００３３】
モード・サイズ：光モードのサイズは、その有効面積Ａｅｆｆで表され、これは次式で与えられる。
【００３４】
【数１】
0005921564.tif 000002
ここで、Ｅはモードの電場の横断空間包絡線（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｓｐａｔｉａｌ  ｅｎｖｅｌｏｐｅ）であり、積分はファイバの断面積について行われると理解されたい。モード−フィールドの形状がほぼ線対称（すなわち、ファイバの回転縦軸を中心とする対称）ガウス関数である場合、モード−フィールド直径（ＭＦＤ）は、モードの直径の適切な測定基準となり、次式で表すことができる。
【００３５】
【数２】
0005921564.tif 000003
ここでｒは動径座標である。モード−フィールドの形状が線対称ガウス関数と正確に等しい場合、Ａｅｆｆ＝π×ＭＦＤ２／４となる。
【００３６】
半径／直径：上記（および下記の）議論で半径および直径という語を使用することで、様々な領域（例えば、コア、ペデスタル、トレンチ、クラッド）の断面が円形および／または環状であることが暗示されるが、実際にはこれらの領域は非円形であることもあり、例えば、楕円形、多角形、不規則な形または他のより複雑な形であり得る。それでも、当技術分野で一般的であるように、簡単で分かりやすくするために半径および／または直径という語がしばしば使用される。
【００３７】
信号伝播：信号光は、ファイバに沿って伝播するときに実際には縦軸と交差する可能性があるが、伝播の全体的方向はその軸（例えば、図１Ａの１０．４）に沿っていると当然のこととして言われることが当技術分野でよく理解されている。
【００３８】
シングル・モード：シングル横モードでの光伝播について言及されるものは、シングル・モードでの伝播を実質的または実際上含むものである。すなわち、実際的な意味ですべての他のモードを完全に抑制することは必ずしも可能とは限らないことがある。しかし、シングル・モードは、このような他のモードの強度が、意図された用途では小さい、または重要でないことを暗示する。
【００３９】
抑制されるＨＯＭ：ＨＯＭを抑制する必要の度合いは、具体的な用途によって決まる。全くの、または完全な抑制は多くの用途で要求されず、これは、相対的に低い強度のＨＯＭが継続的に存在することは許容され得ることを暗示する。多くの事例で、基本モードの減衰と比較して高度のＨＯＭの減衰を行うことで十分なことがあり得る。こうした抑制は相対的または選択的と呼ばれる。いずれにしてもＨＯＭを抑制すると、例えば、ビーム品質が向上すること、総挿入損失が低減すること、進行モードのノイズが低下すること、およびマイクロベンド損失が低下することによって、システム性能が向上する。
【００４０】
非ドープ：非ドープすなわち意図しないでドープされたという語は、ファイバの一領域、またはこのような領域を形成するために使用されるスタート・チューブが製造中に、意図的でなく付加される、またはその領域内で管理されるドーパントを含有することを意味するが、この語は、製造工程中に元来取り込まれる可能性がある低レベルのバックグラウンド・ドーピングを除外しない。
【００４１】
曲げ補償ＬＭＡファイバ  −  一般設計
この節では、巻き付けられる、または曲げられる構成になっている曲げ補償ＬＭＡファイバの設計について説明する。すなわち、ＬＭＡファイバの少なくとも１つの縦部分が曲げ半径Ｒｂであることを特徴とする。このようなＬＭＡファイバを巻き付けること、または曲げることは、スペースを節約する、またはある特定の用途の何か他の物理的要件を満たすための手段であることが多い。典型的な用途（例えば、光ファイバ増幅器およびレーザ）については後の節で説明する。
【００４２】
ここで図１Ａに移ると、本発明の一態様による曲げ補償ＬＭＡ光ファイバ１０の横断面図が示されている。ファイバ１０は、シングル・モードまたは多重モードとすることができ、コア領域１０．１、コア領域を取り囲む環状内側クラッド領域１０．２、および内側クラッド領域を取り囲む環状外側クラッド領域１０．３を含む。一般に、これらの領域は、シングル・モード（すなわち、巻かれたとき、または曲げられたときの縦軸１０．４の方向の基本横モード）での信号光の伝播を効果的に支持するように構成される。
【００４３】
この目的のために、ファイバ１０は、ＨＯＭの伝播を抑制するように設計され、具体的には、内側クラッド領域１０．２の屈折率特性および半径寸法が、このようなＨＯＭを抑制するように設定される。より具体的には、本発明の一態様によれば、ファイバ１０は例示的に、図１Ｂに示されたタイプの対称屈折率特性を有する。すなわち、コア領域１０．１は屈折率ｎｃｏｒｅを有し、外側クラッド領域１０．３は屈折率ｎｏｕｔを有し（例示的にｎｏｕｔ＜ｎｃｏｒｅ）、内側クラッド領域１０．２の少なくとも１つの横部分１０．２２は、その屈折率が、外側クラッド領域１０．３に近似した第１の値ｎ１から、コア領域１０．１に近似した第２の値ｎ２の間で傾斜しており、ここでｎ２＞ｎ１である。任意選択で、内側クラッド領域の残りの部分１０．２１の屈折率を傾斜させないこともある。しかし、いくつかの実施形態では、内側クラッド領域１０．２全体を傾斜させることがある。
【００４４】
対称屈折率特性とは、屈折率特性が方位対称を有することを意味する。すなわち、半径ｒにおけるファイバ１０の屈折率は、すべての方位角φでほぼ等しい。したがって、対称性は、円筒座標を規定するファイバの縦軸を基準とする。図３Ａ、４Ａおよび図５Ａに示されているように、特定の屈折率特性の断面（特定の方位角φに対応している）では、方位対称は鏡像対称を暗示し、半径方向位置ｒにおける屈折率は、半径方向位置−ｒにおける屈折率とほぼ等しい。屈折率特性がほぼ方位対称であると、方位の相違によりファイバ性能（例えば、ＨＯＭ抑制）の過度の劣化が生じないことが保証される。対称特性には、積層化を含む様々な製造技法によって近づけることができ、したがって、理想的な円形または環状領域の対称特性に、多角形または多角形環帯によって近づけることができる。それゆえに、いくつかの回転対称（例えば、４回以上の回転対称）をほぼ方位対称が得られるものとして考えることができる。
【００４５】
ＨＯＭを抑制するために、ＬＭＡファイバ設計のこの実施形態に対し２つの基準が課される。一方の基準は、内側クラッド領域１０．２の傾斜屈折率部分の傾斜に関し、もう一方は、内側クラッド領域の半径寸法に関する。すなわち、内側クラッド領域１０．２２の傾斜屈折率部分の勾配は、γｎｃｏｒｅ／Ｒｂにほぼ等しいことが好ましい。ただしγは０．６〜１．２に等しい。すなわち、よく知られた幾何学的共形マッピングによれば、γ＝１が理想的に曲げを補償するが（（Ｍａｒｃｕｓｅ、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．２１、４２０８頁（１９８２年）を参照されたい）、好ましい設計には応力補正（例えば、γ＝０．８）、またはコイル内などの曲率ばらつきを許容する他の調整が含まれ得る。加えて、いくつかの実施形態では、内側クラッド領域１０．２の外形ｒ２と内径ｒ１の比が不等式ｒ２／ｒｃｏｒｅ２を満たすことが好ましく、他の実施形態では、ＨＯＭ抑制の望ましいレベルに応じてｒ２／ｒｃｏｒｅ＞３が好ましい。より具体的には、シミュレーションで、適度に厚い内側クラッド領域（ｒ２／ｒｃｏｒｅ＞２）では、０．１ｄＢの基本モード損失当たり約１ｄＢのＨＯＭ損失（すなわち、ＨＯＭ損失は基本モード損失の約１０倍）が示されるのに対し、より厚い内側クラッド領域（ｒ２／ｒｃｏｒｅ＞３）ではずっと高い選択性が得られ、０．１ｄＢの基本モード損失当たり約１０ｄＢのＨＯＭ損失（すなわち、ＨＯＭ損失は基本モード損失の約１００倍）となる。
【００４６】
内側クラッド領域が曲げ補償および相対的ＨＯＭ抑制に及ぼす影響は、図２Ａ、２Ｂおよび図３Ａ、３Ｂに示された屈折率特性を考慮することでより良く理解することができる。単に例示を目的として、ステップ屈折率コア（ＳＩＣ）の特性が４つの図すべてに示されているが、図２は、従来のＳＩＣファイバがゆるく曲げられている（図２Ａ）、およびきつく曲げられている（図２Ｂ）のを示すのに対し、図３は、本発明の一実施形態による内側クラッドの一部分が傾斜しているＳＩＣファイバを示す。ファイバが曲げられていない事例（図３Ａ）が、ファイバが相対的にきつく曲げられている事例（図３Ｂ）と比較されている。
【００４７】
すなわち図２Ａは、従来のＳＩＣファイバが曲げられていない場合（特性２０）、および相対的にゆるく曲げられている場合（特性２２、例えばＲｂが約５０ｃｍ）の２つの等価屈折率特性を含む。従来のＳＩＣファイバの内側クラッド２０．２は、均一または一定の屈折率を有する。つまり、内側クラッドには傾斜屈折率部分がない。図２Ａでは、２つの等価屈折率特性は互いに近い。基本モード（実効屈折率２４）は完全に誘導されるが、複数のＨＯＭ（分かりやすくするために単一の実効屈折率２６で示される）は、波状矢印２８で示されるようにトンネル損失をこうむる。したがって、ＨＯＭのトンネル損失は、基本モードよりもずっと大きい（理論上は無限大）。
【００４８】
曲げがきつくなるにつれ（曲げ半径が小さくなる、例えばＲｂが約１５ｃｍ）、特性２３で示されるように（図２Ｂ）、屈折率特性の勾配が大きくなる。これらの状況下では、基本モードもＨＯＭも、それぞれ波状矢印２９および２８で示されるように、マクロベンド・トンネリング損失をこうむる。（マクロベンド損失は、コア領域から、等価屈折率（特性２３で表示）がモード実効屈折率（コア領域２０．１のレベル２４で表示）よりも大きくなっているクラッド領域の部分へのモードのトンネリングである。）基本モードがもはや完全にコア領域に閉じ込められないので、図２ＢのＨＯＭと基本モードの損失の比は図２Ａよりも小さい。
【００４９】
本発明者らが理解するに至った重要な原理の１つは、基本モードおよびＨＯＭの相対的閉込めは主に、内側クラッド領域の特性、特に曲げ部の外側の内側クラッド領域３０．２の部分の特性によって決まることである。図３Ａおよび図３Ｂは、内側クラッド領域が曲げ補償および基本モード対ＨＯＭの相対的な閉込め（または抑制）にどれだけ影響を及ぼすかを概略的に示す。すなわち図３Ａは、２つのまっすぐな（曲げ部がない）ファイバの等価屈折率特性を示し、特性２０が従来のＳＩＣファイバの屈折率特性であり（図２Ａと同様）、特性３０が対称曲げ補償（ＳＢＣ）ファイバの屈折率特性であり、外側クラッド領域３０．３に近い内側クラッド領域３０．２の部分（３０．２ｇ）が、本発明の例示的な一実施形態によれば傾斜している。（対照的に、コア領域３０．１に近い残りの部分３０．２は傾斜していない。）ＳＢＣファイバが相対的にきつく曲げられる場合（例えば、Ｒｂが約１５ｃｍ）、特性は図３Ｂに示されるように変化（傾斜）する。すなわち、図３Ａの従来のＳＩＣファイバの特性２０は傾斜して、図３Ｂの特性２３で示される形になる。同様に、本発明のＳＢＣファイバの特性３０もまた傾斜して、図３Ｂの特性３３で示される形になるが、傾斜した内側クラッド領域には、基本モードのマクロベンド損失を低減することに関し顕著な効果がある。より具体的には、基本モード（波状矢印２９）は、本発明のファイバ中では、従来のＳＩＣファイバ中よりもずっと長い半径方向距離を通り抜けなければならない。この関係は不等式ｒｃ２＞＞ｒｃ１で表され、ここでｒｃ２は、基本モードの実効屈折率線２４の延長線と本発明のＳＢＣファイバの屈折率特性３３との交点であり、ｒｃ１は、基本モードの実効屈折率線２４の同じ延長線と従来のＳＩＣファイバの屈折率特性２３との交点である。対照的に、ＨＯＭのトンネリングは相対的に影響を受けず、その結果、基本モードの相対的閉込めは大きく改善されることになる。
【００５０】
このように図３の概略図は、本発明が基本モード閉込めをどれだけ改善するかを示す。曲げ損失、有効モード面積（Ａｅｆｆ）およびＨＯＭ抑制にはよく知られている妥協点があるので、当業者は上記の原理を容易に適用して、これら３つのいずれかの改善を実現することができる。
【００５１】
さらに本発明者らは、上記の本発明のファイバのコア領域について、単に教育上の都合として１ステップ屈折率（すなわち、半径寸法内で一定の屈折率）を想定した。本発明者らの曲げ補償戦略は、例えば、直線的に傾斜した特性もしくは放物線状に傾斜した特性などの傾斜特性、または傾斜がほぼ直線的もしくはほぼ放物線状である特性を含む、多様なコア領域屈折率特性と適合する。あるいは、コア領域特性は、傾斜特性に重畳されたピーク（中心／その近く、外縁／その近く、または両方）を含むこともある。しかし、上記のタイプの曲げ補償内側クラッド設計と組み合わされた場合、放物線状のコア屈折率特性のよく知られている利点（モード形状が曲げ半径に影響を受けにくいこと、モード移動が少ないこと）は特に有用である。
【００５２】
本発明の多くの実施形態では、ファイバ製造および装置組立ての両方が簡単になる総合対称屈折率特性を利用する（例えば、基本モード・サイズ、信号減衰、散乱などの少なくとも１つの光学特性が、曲げ方向に対するファイバの方位配向とは実質的に無関係に表される）。しかしそれでも、総合非対称屈折率特性を有するＬＭＡファイバ中のＨＯＭ抑制を制御するために上記の内側クラッド特徴を組み込むことが有利なことがある。総合屈折率特性とは、ファイバの実質的に全横断面にわたる屈折率特性を意味する。非対称屈折率特性とは、ある方位角φにおいて半径に対する屈折率特性をサンプリングしたときに、ｒにおけるＬＭＡファイバの屈折率が−ｒにおける屈折率特性の鏡像にならないことを意味する。すなわち、非対称性は、図７Ａに示されるように、ファイバの縦軸に対してである。これは特に、屈折率特性が、予想される曲げの方向に対応する方位角に沿ってサンプリングされる場合に当てはまる。
【００５３】
対称曲げ補償（ＳＢＣ）ＬＭＡファイバ  −  例
この節では、本発明の例示的な実施形態による曲げ補償ＳＢＣ  ＬＭＡファイバの２つの設計（ＡおよびＢで示す）について説明する。これらのファイバ設計の両方で、コア設計は放物線状に傾斜しており、内側クラッド領域の少なくとも一部分は直線的に傾斜した屈折率を有するが、これらの設計は、内側と外側のクラッド領域間の界面に屈折率特性のステップが存在する（例Ａ）、または存在しない（例Ｂ）ことにおいて異なる。図３Ｂに示された原理によれば、ＨＯＭは、内側クラッド領域の外に漏れ出ることが許容されなければならない。したがって、外側クラッド領域屈折率はＨＯＭ抑制を妨げるほど低くなり得ないが、このことは外側クラッド領域屈折率に対し特定の値を暗示しない。すなわち、前述の屈折率ステップがある設計もない設計も望ましいことがある。
【００５４】
ＳＢＣファイバとして、両方の設計がまた、ほぼ対称の屈折率特性を有する。
【００５５】
図４Ａは、例Ａ２の屈折率特性４０ａを示し、ＬＭＡファイバ（曲がっていない）が次の特徴、すなわち、放物線状屈折率特性４０．１ａを有する円形コア領域４０．１と、直線的に傾斜した屈折率特性４０．２ａ（例えば、ｒ１におけるΔｎ２の約０から、ｒ２におけるΔｎ１の約−６×１０−４まで傾斜）を有する環状内側クラッド領域４０．２と、均一（または一定）の屈折率特性４０．３ａを有する環状外側クラッド領域４０．３と、内側クラッド領域と外側クラッド領域の間の界面にある屈折率ステップ４０．５ａとを有する。以下で、ファイバＡ２と同じ設計タイプの３つのファイバ（Ａ１、Ａ２、Ａ３）の物理的特性および性能について説明する。
【００５６】
同様に図５Ａは、シングル・モードである例Ｂの屈折率特性５０を示し、ＬＭＡファイバ（曲がっていない）が次の特徴、すなわち、放物線状屈折率特性５０．１ａを有する円形コア領域５０．１と、直線的に傾斜した屈折率特性５０．２ａ（例えば、ｒ１におけるΔｎ２の約４×１０−４から、ｒ２におけるΔｎ１の約０まで傾斜）を有する環状内側クラッド領域５０．２と、均一（または一定）の屈折率特性５０．３ａを有する環状外側クラッド領域５０．３とを有する。例Ａとは対照的に、例ＢのＬＭＡファイバには、内側クラッド領域と外側クラッド領域の間の界面に屈折率ステップがない。以下で、この設計の物理的特性および性能を有するシングル・ファイバについて説明する。
【００５７】
表Ｉは、図４Ａおよび図５Ａにそれぞれ示された例Ａおよび例ＢのＬＭＡファイバの様々な物理的特性、ならびに図６に示された動作特性（例えば、Ａｅｆｆ）を一覧表示する。これらの例示的ファイバのすべてについて、Ｄｃｏｒｅ＝２ｒ１である。
【００５８】
【表１】
0005921564.tif 000004
【００５９】
これらのファイバのそれぞれについて、（ｎ２−ｎ１）／（ｒ２−ｒ１）≒７．７／ｍであり、この勾配が曲げ誘発傾斜γｎｃｏｒｅ／Ｒｂ＝７．７／ｍを補償するという要件と一致している。この傾斜計算では、γ＝０．８（ファイバ中の応力に対処するため）、Ｒｂ＝１５ｃｍ（光ファイバ増幅器内のＬＭＡファイバの妥当なコイル・サイズに対する代表的な曲げ半径要件）、およびｎｃｏｒｅ＝１．４５を想定した。１．４５の屈折率の値は、約１０００ｎｍの波長での純粋の（ドープされていない）シリカの屈折率に相当し、（ｉ）対象の他の波長において（例えば、約１５５０ｎｍの波長でｎｃｏｒｅ＝１．４４４）、また（ｉｉ）ＬＭＡファイバのドープされたコア領域で典型的な他のドーピングレベルにおいて（すなわち、ドーピングによる屈折率の相違は通常０．０１よりずっと小さく、これらの差は誘導に関しては重要であるが、曲げ誘発傾斜に関するこの数式に及ぼす影響は無視できる）、屈折率のよい近似値である。
【００６０】
上記のＬＭＡファイバが半径Ｒｂ＝１５ｃｍになるように巻き付けられる、または曲げられる場合、シミュレーションでは、図４Ａおよび図５Ａそれぞれの曲げ補償屈折率特性４０ａおよび５０ａが、図４Ｂおよび図５Ｂそれぞれの等価屈折率特性４０ａおよび５０ｂへと変化する（傾斜し再構成される）ことが示される。より具体的には、巻き付けられた、または曲げられたファイバでは、図４Ｂの屈折率特性４０ｂは、右側では上にシフトし（曲げの半径の外側に向かう正数の半径距離であり、屈折率を大きくする）、左側では下にシフトしている（曲げの半径の内側に向かう負数の半径距離であり、屈折率を小さくする）。その結果、内側クラッド領域４０．２（図４Ａ）の傾斜部分４０．２ａは、水平部分４０．２ｂ（図４Ｂ）に再構成される。同様に、放物線状のコア領域屈折率特性４０．１ａは、等価屈折率「こぶ」４０．１ｂに再構成され、これは、ＬＭＡファイバ全体の曲げられた、または巻き付けられた部分の基本モードを誘導する。すなわち、図４Ｂは、Ｒｂ＝１５ｃｍで巻き付けられた、または曲げられたファイバ中の実際の誘導が、等価屈折率ピークΔｎが約１×１０−４で行われることを示し、これは、ファイバの製造において必要とされるおおよその精度である。
【００６１】
シミュレーションでは、図６に図示したように、上記の設計の両方が優れた動作特性を有することが示される。図６は、従来のＬＭＡ設計（曲線６．６は従来のＳＩＣファイバ、曲線６．５は放物線状屈折率コア領域を有する従来のファイバ）と、本発明のＬＭＡ設計（曲線６．１〜６．４）との両方について、有効モード面積（Ａｅｆｆ）に対するＨＯＭ抑制を示す。重要な設計妥協点は、基本モード面積とＨＯＭ抑制と曲げ損失との間にある。この三項目妥協点は、同じ基本曲げ損失を有する設計を比較することによって、２次元グラフで示すことができる。図６はこのような比較を示し、基本曲げ損失はすべての設計で約０．１ｄＢ／ｍである。この特定の曲げ損失の値は、利得ファイバの数メートル長の部分の総損失が許容できるもの（例えば、５ｍで０．５ｄＢ）になるように選択された。この手順は、様々なシステム・レベル設計要件（例えば、適切なポンプ吸収に必要な長さ、許容できる筐体サイズなど）に応じた基本損失、曲げ半径などの異なる値を用いて適用することができる。
【００６２】
ＳＢＣ設計（曲線６．１〜６．４）は、Ａｅｆｆ動作結果に対する望ましいＨＯＭの範囲に及び、一部が、非常に広いモード面積（約２０００μｍ２、ｒ２＝１６０μｍ、ｒ２／ｒｃｏｒｅ＝４、設計Ａ３、曲線６．３）を堅固なシングル・モード挙動と共に有する（例えば、基本損失が０．５ｄＢしかないがＨＯＭ損失は１００ｄＢを超える、すなわちＨＯＭ損失が基本モード損失の２００倍である、５ｍのＬＭＡファイバ長）。他のもの（曲線６．１の設計Ａ１、Ａ２、曲線６．４の設計Ｂ）は、より堅固なシングル・モード動作（すなわち、より高いＨＯＭ損失）を有するが、モード面積が小さくなる（例えば、５００〜１７００μｍ２）という代償を伴う。
【００６３】
好ましい例の中で、クラッド領域が相対的に薄い設計（ｒ２／ｒｃｏｒｅ＝２．７、曲線６．４の設計Ｂ）は、相対的に大きいＨＯＭ損失（約１００ｄＢ／ｍ）と大きいＡｅｆｆ（＞１０００μｍ２）との非常に印象的な組合せをなお有する。しかし、ｒ２／ｒｃｏｒｅがさらに小さい設計では、ＨＯＭ抑制の顕著な劣化を示す（例えば、ｒ２／ｒｃｏｒｅ＝２．０、曲線６．４の最も右側の点でＨＯＭ損失＜１０）。
【００６４】
計算されたモード面積は曲げ変形の影響を含む。これは例えば、図６の約１２００μｍ２のＡｅｆｆが、このようなファイバが曲げにより著しい曲げ誘発変形を受けると共にモード・フィールドが減少するので、４０μｍのＭＦＤ（約１２５６μｍ２のモード・フィールド面積）を有する従来技術の直線ＬＭＡファイバの引用されたＡｅｆｆよりも実際にはずっと大きいことを意味する。
【００６５】
設計Ｂ（図５Ａおよび図５Ｂ）は、Ａｅｆｆが約１０００μｍ２であり、損失が１００ｄＢ／ｍを超え非常に大きい。この設計は、内側と外側のクラッド領域間のインターフェースにおける屈折率ステップを省略しており、ファイバ製造ばらつきに影響されにくく、「こぶ」の屈折率ピーク（図５Ｂ）は設計Ａ２（図４Ｂ）よりもいくぶん高いが、Δｎは依然として約１〜２×１０−４である。しかし、影響されやすさの調査では、設計Ａまたは設計Ｂ、および約１０−４というファイバ屈折率の製造不ぞろいにより、従来の５０μｍコアＬＭＡファイバ（例えば、漏洩チャネル・ファイバ、ステップ屈折率コア・ファイバ）よりも大きいモード面積が、５ｍ（光ファイバ増幅器内のＧＰＦの典型的な長さ）にわたる約５０ｄＢの総合ＨＯＭ抑制で可能になる堅固なシングル・モード動作と共に、実現できることが示される。
【００６６】
非対称曲げ補償（ＡＢＣ）ＬＭＡファイバ
ＬＭＡファイバの総合屈折率特性の非対称性を実現するには、ファイバ断面の微小領域内ガラスの屈折率を制御できることが重要である。このような制御を実現する１つの方法は、ファイバを微小構造物、すなわち多数のガラス・セルまたはボイドとして製造することであり、各セルの屈折率は製造時に個々に制御され、ある領域（例えば、セル、コア、またはクラッド）の総合屈折率は、その領域内の各セル（および存在すれば周囲の母材）の屈折率の平均になる。
【００６７】
すなわち、微小構造セルは、当技術分野でよく知られている技法を使用して、屈折率がわずかに異なる複数の市販のガラス（シリカ）ロッドから製造することができ、例えば、Ｆ３００ロッドは、ロッドの屈折率が純シリカを約３．５〜５×１０−４上回るように塩素でドープされており、Ｆ３２０ロッドは、ロッドの屈折率が純シリカを約６〜１４×１０−４下回るようにフッ素でドープされている。各ロッドの直径は重要でないが、都合よく約１〜２ｍｍの範囲にある。明らかに、Ｆ３００ロッドとＦ３２０ロッドを様々な組合せで用意することによって、セルの屈折率、したがって様々なファイバ領域の屈折率の精密な調整を行うことが可能である。Ｆ３００ロッドとＦ３２０ロッドの間の屈折率を得る１つの技法は、一方のタイプのガラスロッド（例えば、Ｆ３２０）をもう一方のタイプ（例えば、Ｆ３００）で被覆することである。被覆アセンブリの各ガラスロッドの量（または断面積）を制御することによって、これら２つの間の任意の屈折率を得ることができる。
【００６８】
Ｆ３００ロッドおよびＦ３２０ロッドは、ドイツ、Ｈａｎａｕ、Ｈｅｒａｅｕｓ  Ｑｕａｒｚｇｌａｓ  ＧｍｂＨから市販されている。
【００６９】
図７Ａおよび図７Ｃは、本発明の第２の態様による曲がっていない微小構造非対称曲げ補償（ＡＢＣ）ファイバを示す。断面の特性が図７Ａに示され、この特性の２次元構成が図７Ｃに示されている。その屈折率特性は、三角形格子として配置された一定屈折率の六角形セルから構成され、セル間の中心と中心の間隔がＬ＝１０μｍである。最も内側の１９個のセルは、コア半径ｒ１＝２．５Ｌ＝２５μｍになるようにコア領域７０．１を構成する。クラッドはｒ２＝９Ｌ＝９０μｍに広がる。図７Ａの特性のステップに関する性質は、ファイバ断面内の局部屈折率の精密な制御を反映する。各ステップは幅１０μｍであり、１つのステップの屈折率は、いずれの隣接ステップとも約０．８×１０−４だけ異なる。個々の屈折率ステップの集まりは、ほぼ円形の傾斜屈折率コア領域７０．１、環状の傾斜屈折率内側クラッド領域７０．２、および環状の外側クラッド領域７０．３を含む、曲がっていないファイバの非対称屈折率特性７０ａを実現するように構成される。
【００７０】
コア領域７０．１は半径ｒ１を有し（例えば、ｒ１＝２５μｍ）、内側クラッド領域７０．２は厚さｒ２−ｒ１を有する（例えば、ｒ２−ｒ１＝６５μｍ）。ＳＢＣファイバについての説明で論じたように、ここでもやはりＨＯＭ抑制のために、本発明のＡＢＣファイバのいくつかの実施形態では比ｒ２／ｒｃｏｒｅ＞２であり、他ではｒ２／ｒｃｏｒｅ＞３である。図７Ａに示された例では、ｒ２／ｒｃｏｒｅ＝９Ｌ／２．５Ｌ＝３．６である。加えて、隣り合うセル間（コア領域内および内側クラッド領域内）の各ステップは、曲げ誘発傾斜γｎｃｏｒｅ／Ｒｂをあらかじめ補償するのに必要な屈折率特性の勾配に近づく。すなわち、これらのステップは、ステップ間隔＝０．８×１０−４／１０μｍ＝８／メートルを越える屈折率ステップの傾斜に近づく。曲げ誘発傾斜は、γｎｃｏｒｅ／Ｒｂ＝０．８（１．４５）／１５ｃｍ＝７．７／メートルである。ここでは、ｎｃｏｒｅに代表値１．４５を使用した。コア屈折率は一定ではないが、屈折率のばらつきが傾斜式に及ぼす影響は無視できるものである。
【００７１】
このＡＢＣファイバ実施形態で、図７Ａはまた、ＡＢＣ設計とＳＢＣ設計を差別化するいくつかの特徴も示す。まずＡＢＣ設計では、いくつかの部分（ファイバ軸の「左」側、すなわち予想される曲げの内側にする部分）の傾斜コア屈折率は、他の部分（ファイバ軸の「右」側、すなわち予想される曲げの外側にする部分）の傾斜コア屈折率の上に伸びる。同様に、傾斜した内側クラッド屈折率は２つの部分を有し、左側では、内側クラッド屈折率はコア領域の屈折率の上に伸びるのに対し、右側では、内側屈折率はコア領域の屈折率の下に伸びる。しかし、図７ＡのＡＢＣファイバが曲げ半径Ｒｂ＝１５ｃｍまで曲げられる、または巻き付けられる場合、総合特性は、図７Ｂの等価屈折率特性に示されるように変化する（傾斜し、再構成される）。すなわち、特性７０ｂはコアおよび内側クラッド領域にわたって平坦になり、その結果、概して実質的に１ステップ屈折率コア特性７０ｃが得られる。コアと内側クラッドの対比は通常小さく、この図ではその対比が約１×１０−４にすぎない。
【００７２】
一般に、本発明のＡＢＣ設計では、ｒ２は、コア領域の中心から環状内側クラッドの最も外側の縁部まで、曲げの外側の方を指す方向で測定される。本発明のいくつかの実施形態では、ｒ２を大きくするために中心から外れたコア領域を利用する（関連性の少ない距離ｒ１が小さくなるけれども）。
【００７３】
ＡＢＣファイバは、曲げに対するファイバ断面の向きを固定する手段を含まなければならない。この固定手段は、向き調整を行うことができるように、向きを機械的に固定するか、または向きを測定するのを助けなければならない。このような手段は、ファイバの方位配向、すなわちファイバが曲げられるべき方向を特定するためにその全長に沿って印を付けることを含め、当技術分野で知られている。例えば、ファイバ断面は高い縦横比を有して（例えば、「リボン」ファイバ）、向きのずれを機械的に防止することができる。印には、曲げ半径外面の外側クラッド表面に配置された平坦部または溝（図示せず）が含まれ得る。
【００７４】
非対称曲げ補償（ＡＢＣ）ＬＭＡファイバ  −  例
上述のタイプのいくつかのＡＢＣファイバ設計が、セル間隔Ｌ、コア半径Ｄｃｏｒｅ＝２ｒ１＝５Ｌ（コア領域内に１９個のセル）、および内側クラッドサイズＤｉ−ｃｌａｄ＝（ｒ２−ｒ１）＝１２Ｌ（Ｄｉ−ｃｌａｄ／Ｄｃｏｒｅ＝ｒ２／ｒｃｏｒｅ＝２．４）または１８Ｌ（Ｄｉ−ｃｌａｄ／Ｄｃｏｒｅ＝ｒ２／ｒｃｏｒｅ＝３．６）でシミュレーションされた。Ｌ＝１０である例示的な設計では、曲げ補償傾斜（内側クラッド領域７０．２の勾配）は、図７Ａに示されるように、ほぼγ×ｎｓｉｌ／Ｒｂ、または約０．８×１０−４のｘ軸に沿った各ステップに対応し、ここでｎｓｉｌは純シリカの屈折率（前に示したように、ｎｃｏｒｅのよい近似値）であり、Ｒｂは、かなり大きいが実際的なコイル・サイズである１５ｃｍと想定されている。
【００７５】
ＨＯＭの漏洩を高める一方で、０．１ｄＢ／ｍの基本モードで許容できる計算曲げ損失になるように、相対的に小さいコアと内側クラッドの対比が使用された（概略のステップ屈折率コア特性７０ｃを得るため、図７Ｂ）。シミュレーションでは、非常に大きいモード面積（Ａｅｆｆ＝２１６０μｍ２）が、ＨＯＭの非常に大きい抑制（ＨＯＭが基本モード損失の約１４０倍）と両立できることが確認された。
【００７６】
本発明のＡＢＣ戦略の利点は、図８で示されるように、本発明のＡＢＣファイバの性能妥協点をいくつかの従来技術の設計と比較することによってより良く理解することができる。曲げ損失とＨＯＭ抑制と有効モード面積との間の三項目妥協点は、すべてのファイバ設計をＲｂ＝１５ｃｍで０．１ｄＢ／ｍの計算曲げ損失に固定し、Ａｅｆｆに対する相対的ＨＯＭ抑制（すなわち、ＨＯＭ損失／基本モード損失）をグラフ化することによって、図に要約されている。従来技術のステップ屈折率コア・ファイバ（曲線８．６）、および従来技術の放物線状屈折率コア・ファイバ（曲線８．５）は、これらに２自由度しかないので単純な曲線になる（対比は、０．１ｄＢ／ｍ曲げ損失要件によってコア領域サイズごとにロック／固定されている）。これらの曲線により、従来技術のステップ屈折率コア設計は、ＨＯＭ抑制との妥協点の故に、典型的な巻付け要件に対して１０００μｍ２を大幅に越えては拡大できないことが確認される。従来技術の放物線状コア屈折率ファイバは、大幅に改善された妥協点を示すが、ＨＯＭの大幅な曲げ損失抑制が必要な場合には依然として面積が制限される。
【００７７】
図８のモード面積は、増幅器動作時のＬＭＡファイバの現実的なサイズである１５ｃｍの想定された曲げ半径で計算された。この種類の計算は、従来技術でよく引用される直線ファイバ面積よりも関連性が大きく、従来技術では、曲げ構造に対して面積が２倍以上異なり得る。
【００７８】
対照的に、本発明のシミュレーションされたＡＢＣファイバ（３つのデータ点８．２、３つのデータ点８．３）は、定性的に異なる種類の挙動を示し、それによって、本発明の戦略では面積との妥協点が実質的に取り除かれることが確認される。ＡＢＣファイバのコア領域サイズがスケーリングＬによって増大されるのに対し、対比は、損失要件を満たすように調整される。この結果は、ＨＯＭ抑制比にほとんど影響することなくモード面積が増大されることを示す。ＨＯＭ抑制は、クラッド領域だけの相対的サイズによって、すなわちＤｉ−ｃｌａｄ／Ｄｃｏｒｅ＝ｒ２／ｒｃｏｒｅの比だけで、実質的に決定される。
【００７９】
こうして本発明のＡＢＣファイバは、従来技術の戦略を制約するモード面積の基本的制限を取り除くことができる。本発明のファイバでは、２０００〜３０００μｍ２の範囲のモード面積をシングル・モードのレベルで実現でき、したがって、通常の従来技術のファイバと類似したビーム品質を、ずっと小さい約６００〜７００μｍ２のＡｅｆｆで実現することができる。Ａｅｆｆが約１０００μｍ２の体制では、従来のステップ屈折率および放物線状屈折率のコア設計は、従来の製造方法を用いて行うのが非常に困難であるだけでなく、製造が「完全」である場合でさえ堅固なＨＯＭ抑制を実現することができない。例えば、Ａｅｆｆが約１０００μｍ２で総合曲げ損失が＜０．５ｄＢである５ｍ長のステップ屈折率コアの従来技術ファイバでは、達成できるＨＯＭ曲げ損失抑制はせいぜい２〜３ｄＢである。従来技術の放物線状屈折率コア・ファイバは、まずまずの１０〜１５ｄＢのＨＯＭ抑制に近づくことができるが、実際の性能は、理想的な計算値よりも悪いことが予想される。いずれにせよ、これらの従来技術のファイバの性能では、総合ＨＯＭ抑制に及ばず、実際のユーザの実際の経験、すなわち良好なビーム品質が従来技術の「ヒーロー」実験で実現可能ではあるが、これは入力立上げ、ファイバ配置およびファイバ処理の非常に慎重な管理に大きく依拠するということが確認される。
【００８０】
最後に、光ファイバ増幅器では、利得ドープされた領域のコア面積のほとんどに信号光が見られないので、大きくずらした基本モードに深刻な利得相互作用障害があることが注目される。計算では本発明のＡＢＣファイバは、このような障害を呈示しないことが示された。すなわち、ＨＯＭの相対抑制が＞１００倍（かつ総合曲げ損失が０．５ｄＢ）である本発明のファイバは、２０００μｍ２を超え３０００μｍ２さえ超えるモード面積で高度のＨＯＭ抑制（＞５０ｄＢ、実質的に完全）を呈示した。モード強度特性は、優れた基本モード形状を示したが変位は示さず、したがって、コアの利得ドープされた領域は、高利得重複および高利得選択性が得られるように調整することができる。
【００８１】
面積拡大の究極の制限は、各セルの屈折率制御の精度によって決まる。
【００８２】
適用例
本発明の主要な適用例が図９に示されており、高出力（例えば、＞３００Ｗの光出力）光ファイバ増幅器２３０が、光ＬＭＡリード・ファイバ２３５ｐに光学的に結合されたＬＭＡ利得生成光ファイバ（ＧＰＦ）２３５ａを備える。ＧＰＦ  ２３５ａは結合器２３３に光学的に結合され、リード・ファイバ２３５ｐは利用デバイス２３４に光学的に結合される。ＧＰＦ  ２３５ａもしくはリード２３５ｐ、または両方が本発明により設計される。すなわち、これらのＬＭＡファイバのどちらかまたは両方が通常は増幅器筐体の内側に巻き付けられるので、どちらかまたは両方は、前述のように、曲げ補償された内側クラッド領域を有するように設計される。
【００８３】
市販されている典型的な増幅器筐体内で、巻かれたＬＭＡファイバ１００（図１０）または１１０（図１１）がそれぞれ平板１０４または円筒１１２に装着される。ＬＭＡファイバ１１０（図１１）は円筒１１２上にらせん状に巻かれるのに対し、ＬＭＡファイバ１００（図１）は、平板１０４の主面の平坦な円形溝１０２の中に巻かれる。それぞれの場合で、平板１０４または円筒１１２は、支持部材として機能し、曲げ半径Ｒｂおよびファイバの向き（必要な場合）を規定する（したがって、あらかじめ決める）働きをすると共に放熱を行う。この目的のために、平板または円筒は、比較的高い熱伝導率を有する材料（例えば、銅）で作られる。さらに、それぞれの場合でＬＭＡファイバは、いくつかの手段のいずれかによって、例えば、溝１０２内もしくは円筒１１２の円筒面上の両面接着テープなどの粘着性材料によって、またはファイバが平板または円筒に巻かれた後に施されるシリコーンなどの充填材料によって、支持部材に固定することができる。
【００８４】
リード送出ファイバとして使用するために、リード２３５ｐはケーブル内側にらせんの形で保持することができ、所望の局部曲げ半径を生成するように直径およびピッチが設定される。
【００８５】
結合器２３３は、比較的低出力の通信適用例では波長分割マルチプレクサ（すなわち、ＷＤＭ）として知られ、高出力適用例ではポンプ結合器（例えば、テーパ付きファイバ・バンドル、またはバルク光構成要素）として知られている。簡単にするために、以下では、本発明のこの態様を高出力適用例との関連で説明する。この場合、ポンプ結合器２３３は、光入力信号源２３１および光ポンプ源２３６の各出力をＧＰＦ  ２３５ａに結合する。入力信号源２３１は第１の波長の光入力信号を発生し、この信号は、従来のファイバ２３２またはバルク光学部品（図示せず）を経由して結合器２３３の入力部に結合されるのに対し、ポンプ源２３６は第２の波長の光ポンプ信号を発生し、この信号は、従来の通常ではマルチモードのファイバ２３７によって結合器２３３の別の入力部に結合される。
【００８６】
当技術分野でよく知られているように、ポンプ信号は、入力源２３１からの入力信号を増幅するＧＰＦ  ２３５ａ内で反転分布を発生する。増幅された入力信号はＧＰＦ  ２３５ａをたどって（かつ、存在すればリード２３５ｐを通って）利用デバイス２３４まで伝播する。高出力増幅では後者は、無数のよく知られたデバイスまたは装置、例えば、他の光増幅器、ビーム・コリメータ、レンズ系、加工物（例えば、切削用または溶接用）を含む。
【００８７】
例示的に、入力源２３１は、ＧＰＦ  ２３５ａの増幅範囲内の波長で比較的低出力の光入力信号を発生するレーザであるのに対し、ポンプ源２３６は、好ましくは半導体レーザであるが、任意選択で半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイでもよい。どちらの場合でも、ポンプ源２３６は、比較的高い光出力の（例えば、約１５０ｍＷを超える）ポンプ信号を、入力信号の所望の増幅をもたらす短い波長で発生する。例示的に、ＧＰＦ  ２３５ａは、希土類でドープされたファイバ（例えば、好ましくはイッテルビウムでドープされたファイバ）または任意選択でクロムでドープされたファイバである。好ましいイッテルビウム・ファイバの場合、信号源２３１は、約１０８０ｎｍの波長を有する入力信号を発生し、ポンプ源２３６は、約９１５ｎｍの波長、または別法として約９７５ｎｍの波長のポンプ信号を発生する。
【００８８】
図１２の増幅器２３０は、一般的な前方励起のポンプ構成（すなわち、ポンプ信号と入力信号がＧＰＦ中を同じ方向に伝播する）を示すが、後方励起の構成（すなわち、ポンプ信号と入力信号がＧＰＦ中を反対方向に伝播する）を使用することもまた可能である。加えて、多数の増幅器が、高出力多段システムの総合利得を増大させるための当技術分野でよく知られている方式であるタンデムの形に構成されてもよい。ポンプ・エネルギーもまた、増幅器の中へ横方向に結合することができる。
【００８９】
上述の構成は、本発明の原理の用途を提示するために考案できる多くの実現可能な具体的実施形態の例示的なものにすぎないことを理解されたい。当技術者によって、これらの原理による多数の様々な他の構成が本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく考案され得る。
【００９０】
特に、上述の光増幅器は、よく知られている光共振器を設けることによってレーザとして機能するように修正することができる（例えば、光フィードバックを行うためのファイバ・ブラッグ格子またはバルク光要素（例えば、鏡）を使用することによって）。このようなレーザは、高いピーク出力の光パルスを生成することが知られているフェムト秒発振器として使用することもできる。このように、非線形性が問題になりがちであるが、この問題は、本発明による曲げ補償ＬＭＡファイバを使用することによって改善することができる。
【００９１】
増幅装置がレーザとして動作するように構成される場合には、信号源２３１が省略され、上述の信号光は、レーザによって内部で発生される誘導放出と等価になる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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