(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得をもたらす光ファイバであって、
長手軸を有し、該軸に垂直な方向の円形の断面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、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして前記軸の方向に導くように構成されており、
前記クラッド領域が、前記コア領域を取り囲むトレンチ領域、前記トレンチ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前記コア領域の屈折率より低い屈折率を有し、前記トレンチ領域が前記内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、
少なくとも前記コア領域には、前記ファイバに適切なポンピング・エネルギーが印加されたとき前記信号光に利得をもたらす、少なくとも１つの利得をもたらす種が含まれ、
前記コア領域およびクラッド領域は、基本モードが主に前記コア領域において導かれ、前記トレンチ領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δｎｔｒが、絶対値で、前記コア領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δｎｃｏｒｅより小さくなるように構成されており、それによって、前記信号光のシングルモード動作を維持したまま、前記トレンチ領域が無いが類似の層構成、類似の屈折率プロファイル、類似のコア領域及び類似のクラッド領域を有する相当する利得をもたらすファイバと比較して、前記ファイバのコア領域の直径および前記ファイバのクラッド吸収のどちらも増加させ、
前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域が、前記ファイバの前記クラッド吸収（αｃｌａｄ）を、類似のＭＦＤを有するが前記トレンチ領域が無く、類似の層構成、類似の屈折率プロファイル及び類似のコア領域、類似のクラッド領域を有するファイバと比較して、３０％増加させるように構成されており、αｃｌａｄ＝αｄ（Ａｄ／Ａｃｌａｄ）であって、αｄは、前記ファイバの、利得をもたらす種を含んでいる前記領域の吸収係数であり、Ａｄは、前記ファイバの、利得をもたらす種を含んでいる前記領域の横方向の断面積であり、Ａｃｌａｄは、前記外側クラッドの内部に含まれる前記ファイバの全体の横方向の断面積であるファイバ。
【請求項２】
前記利得をもたらす種が、１０００ｎｍ以上の信号波長で、前記信号光に利得をもたらす請求項１に記載のファイバ。
【請求項３】
少なくとも前記コア領域がＴｍでドープされており、前記基本モードが、８〜２０μｍのモード・フィールド径（ＭＦＤ）によって特徴付けられ、前記コア領域およびクラッド領域が、前記トレンチ領域のない相当する利得をもたらすファイバと比較して、前記クラッド吸収が４１〜５３％増加するように構成されている、請求項１に記載のファイバ。
【請求項４】
前記コア領域の半径が３．５〜１１．０μｍであり、前記Δｎｃｏｒｅが２．３×ｌ０−３〜１６．０×ｌ０−３であり、前記Δｎｔｒが−１．０×１０−３から−７．０×ｌ０−３であり、最小のトレンチ領域幅（Ｗｔｒ）が３．０〜６．０μｍの範囲内の値であり、所定のＭＦＤに対して、Ｗｔｒは、シングルモード動作を維持するために必要となる最小のトレンチ領域幅となる、請求項３に記載のファイバ。
【請求項５】
前記トレンチ領域の少なくとも一部分が、少なくとも１つの利得をもたらす種も含んでいる、請求項１に記載のファイバ。
【請求項６】
前記利得をもたらすファイバがダブルクラッドのファイバを備え、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域がシリカを含み、前記外側クラッド領域が、低屈折率ポリマー、ダウンドープされたシリカ、およびエア・クラッド構造から成る群から選択される請求項１に記載のファイバ。
【請求項７】
前記コア領域および前記クラッド領域が、前記信号光の前記基本モードのみをサポートして導くように構成されている、請求項１に記載のファイバ。
【請求項８】
前記コア領域およびクラッド領域が、前記信号光の前記基本モードおよび高々１次〜４次のモードをサポートして導くように構成されている、請求項１に記載のファイバ。
【請求項９】
前記利得をもたらすファイバがダブルクラッドのファイバを備え、前記ポンピング・エネルギーが、マルチモード・ポンプ光のソースによって供給され、前記コア領域およびクラッド領域は、前記ポンプ光が前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合され得るように構成されている、請求項１に記載のファイバ。
【請求項１０】
少なくとも前記コア領域がＥｒでドープされており、前記基本モードが、９〜２０μｍのモード・フィールド径（ＭＦＤ）によって特徴付けられ、前記コア領域およびクラッド領域が、前記トレンチ領域のない、前記相当する、利得をもたらすファイバと比較して、前記クラッド吸収が７６〜９８％増加するように構成されていて、前記コア領域の半径と前記ＭＦＤとの比が０．６未満である請求項１に記載のファイバ。
【請求項１１】
前記コア領域の半径が４．３〜１１．８μｍであり、前記Δｎｃｏｒｅが１．０×ｌ０−３〜４．５×ｌ０−３であり、前記Δｎｔｒが−１．０×１０−３から−４．０×ｌ０−３であって、最小のトレンチ領域幅（Ｗｔｒ）が２．０〜５．０μｍの範囲内の値であり、所定のＭＦＤに対して、Ｗｔｒは、シングルモード動作を維持するために必要となる最小のトレンチ領域幅となる、請求項１０に記載のファイバ。
【請求項１２】
少なくとも前記コア領域がＥｒでドープされており、前記基本モードが、９〜２０μｍのモード・フィールド径（ＭＦＤ）によって特徴付けられ、前記コア領域およびクラッド領域が、前記トレンチ領域のない、前記相当する、利得をもたらすファイバと比較して、前記クラッド吸収が７６〜９８％増加するように構成されていて、前記コア領域の半径と前記ＭＦＤとの比が約０．６を上回る請求項１に記載のファイバ。
【請求項１３】
前記コア領域の半径が５．７〜１３μｍであり、前記Δｎｃｏｒｅが１．０〜４．５×１０−３であり、前記Δｎｔｒが−２．０×１０−３から−６．０×ｌ０−３であって、最小のトレンチ領域幅（Ｗｔｒ）が約３．０〜８．０μｍの範囲内の値であり、所定のＭＦＤに対して、Ｗｔｒは、シングルモード動作を維持するために必要となる最小のトレンチ領域幅となる請求項１２に記載のファイバ
【請求項１４】
前記コア領域に印加されるポンプ光に応答して、前記コア領域に結合された前記信号光を増幅するための請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光ファイバであって、
ポンプ・エネルギーのソースが、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合される光ファイバを備える、光学装置。
【請求項１５】
ポンプ・エネルギーの前記ポンプ・ソースが、マルチモード・ポンプ光を供給し、前記ポンプ光および前記信号光を前記コア領域に結合するための結合器をさらに含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記ファイバ、前記ソースおよび前記結合器が、光増幅器として構成されている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
空胴共振器と、
前記共振器の内部に配置された、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光ファイバと、
ポンプ・エネルギーを、前記内側クラッド領域を介して前記コア領域に結合するためのカプラとを備え、そのことにより前記コア領域の内部の刺激発光として信号を生成する、光学装置。
【請求項１８】
前記ファイバ、前記共振器および前記カプラがレーザーとして構成されている、請求項１７に記載の光学装置。
【請求項１９】
円形の断面を有して利得をもたらすコア領域、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を含んでいる、利得をもたらすファイバのクラッド吸収を増加する方法であって、
（ａ）前記コア領域と前記内側クラッド領域の間にトレンチ領域を形成するステップであって、前記コア領域の直径が前記トレンチ領域が無いが類似の層構成、類似の屈折率プロファイル、類似のコア領域及び類似のクラッド領域を有する相当する利得をもたらすファイバの直径より大きいステップと、
（ｂ）前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、（ｉ）前記トレンチ領域の屈折率が前記内側クラッド領域の屈折率より低く、（ｉｉ）前記トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差Δｎｔｒが、前記コア領域と前記内側クラッド領域の間の屈折率の差Δｎｃｏｒｅより小さくなるように構成するステップと、
（ｃ）信号光の基本モードが、前記コア領域においてサポートされ導かれることが可能で、また、ポンプ光が前記コア領域に結合され得るように、前記コア領域、トレンチ領域、および内側クラッド領域を構成するステップとを含み、
ステップ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、前記ファイバの前記クラッド吸収（αｃｌａｄ）が、前記トレンチ領域が無いが類似の層構成、類似の屈折率プロファイル、類似のコア領域及び類似のクラッド領域を有する前記相当する利得をもたらすファイバと比較して、少なくとも３０％増加するように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成し、αｃｌａｄ＝αｄ（Ａｄ／Ａｃｌａｄ）であって、αｄは、前記ファイバの利得をもたらす種を含んでいる領域の吸収係数であり、Ａｄは、前記ファイバの利得をもたらす種を含んでいる前記領域の横方向の断面積であり、Ａｃｌａｄは、前記外側クラッドの内部に含まれる前記ファイバの全体の横方向の断面積である、方法。
【請求項２０】
少なくとも前記コア領域を、利得をもたらす種でドープして、１０００ｎｍ以上の信号波長において前記信号光に利得をもたらすステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ステップ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、前記基本モードが６〜２０μｍのモード・フィールド径（ＭＦＤ）によって特徴付けられるように前記コア領域、トレンチ領域およびクラッド領域を構成し、前記コア領域およびクラッド領域は、前記クラッド吸収が２６〜９８％増加するように構成される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（ａ）は、前記トレンチ領域の少なくとも一部分が、少なくとも１つの利得をもたらす種も含むように前記トレンチ領域を形成する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ファイバがダブルクラッドのファイバを備え、ステップ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域がシリカを含み、外側クラッド領域が、低屈折率ポリマー、ダウンドープされたシリカ、およびエア・クラッド構造から成る群から選択されるように構成する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
ステップ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、前記ファイバが前記信号光の前記基本モードのみをサポートして導くように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
ステップ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、前記ファイバが前記信号光の前記基本モードおよび高々１次〜４次のモードをサポートして導くように、前記コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を構成する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年８月２９日に出願した「ＤＯＵＢＬＥ  ＣＬＡＤ，  ＧＡＩＮ  ＰＲＯＤＵＣＩＮＧ  ＦＩＢＥＲＳ  ＷＩＴＨ  ＩＮＣＲＥＡＳＥＤ  ＣＬＡＤＤＩＮＧ  ＡＢＳＯＲＰＴＩＯＮ  ＷＨＩＬＥ  ＭＡＩＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＳＩＮＧＬＥ  ＭＯＤＥ  ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ」という名称の米国仮出願第６１／６９４，７０９号からの優先権を主張するものである。それに加えて、本出願は、同じく「ＤＯＵＢＬＥ−ＣＬＡＤ，  ＧＡＩＮ−ＰＲＯＤＵＣＩＮＧ  ＦＩＢＥＲＳ  ＷＩＴＨ  ＩＮＣＲＥＡＳＥＤ  ＣＬＡＤＤＩＮＧ  ＡＢＳＯＲＰＴＩＯＮ  ＷＨＩＬＥ  ＭＡＩＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＳＩＮＧＬＥ−ＭＯＤＥ  ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ」という名称の出願番号＿（Ｔ．Ｆ．Ｔａｕｎａｙ  １２）と同時に出願されたものである。
【０００２】
本発明は、シングル信号モードまたは少数信号モードのいずれかをサポートする利得をもたらすファイバ（ＧＰＦ）に関し、より詳細には、シングル信号モードの動作を維持したままポンプ光のクラッド吸収が増加するように設計されたＧＰＦに関する。
【背景技術】
【０００３】
ダブルクラッド・ファイバ（ＤＣＦ）設計を有するシングルモードＧＰＦは、優れたビーム品質を必要とする高出力光ファイバ・レーザーおよび増幅器に共通して使用されている。図７は周知のＤＣＦ  ７０を示しており、これは、コア領域７０．１、コア領域を取り囲む内側クラッド領域７０．３、および内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域７０．４を備える。コア領域および内側クラッド領域によって形成された導波路は主として、シングルモード、すなわち、好ましくは基本（ＬＰ０１）モードでの信号光の伝搬をサポートして導くように構成されている。
【０００４】
適切にポンピングされたとき利得をもたらすために、コア領域は、増幅される信号光または生成されるレーザー光の波長に依拠して、利得をもたらす種、通常は１つまたは複数の希土類元素（例えばＥｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄ、Ｈｏ）あるいは１つまたは複数の非希土類元素（例えばＣｒ、Ｂｉ）でドープされる。あるいは、ガラス（例えばシリカ）ファイバのラマン効果を利用することによって利得が生成されてよい。
【０００５】
内側クラッド領域を介して（通って）コア領域に結合される（放たれる）マルチモード・ポンプ光は、内側クラッド領域と外側クラッド領域の間の境界面７０．５から反射され、ファイバ軸を下って伝搬するときポンプ光がコア領域を横切り、コア領域の中の特定のドーパント（すなわち利得をもたらす種）によって吸収される。このように、ポンプ光のエネルギーが、（主に）ファイバのコア領域を同時に下って伝搬している信号光を増幅する。
【０００６】
増幅プロセス（すなわちポンプ光から信号光へのエネルギー伝達）の効果は、次式で与えられる（ポンプ光の）クラッド吸収として知られているパラメータ（αｃｌａｄ）によって部分的に求められ、
αｃｌａｄ＝αｄ（Ａｄ／Ａｃｌａｄ）                              （１）
この式で、αｄは、利得をもたらす種でドープされたファイバの一部分（例えば図７のコア領域７０．１であり、以下では利得領域と称する）におけるポンプ光の材料吸収であり、Ａｄは利得領域の横方向断面積であり、Ａｃｌａｄは、内側クラッド領域７０．３の内部の全体の横方向断面積（例えば円形の断面を有する内側クラッド領域についてはπＤｉｃ２／４）である。また、材料吸収は次式で与えられ、
αｄ＝Ｎｄσｄ                                                （２）
この式で、Ｎｄは利得領域の利得をもたらす種の体積濃度であり、σｄは、ポンプ光波長における利得領域マトリクス（例えば水晶またはガラス）のドーパントの吸収断面積である。
【０００７】
ポンプ光のクラッド吸収を増加する能力は有利であろう。光ファイバ・レーザーおよび増幅器では、所与の出力パワーに対して、ポンプ光吸収の増加は利得の増加を意味し、その結果として、より短い増幅器のファイバ長およびより短いレーザーの空胴共振器の長さで、所望の出力パワーを達成し得ることを意味する。また、ファイバ長がより短ければ、誘発ラマン散乱（ＳＲＳ）などの非線形効果の発現が低減され、ファイバ・レーザー出力の安定性および長期信頼性の改善に有益であり得る。
【０００８】
式（１）および（２）は、ファイバの、コア領域７０．１、より正確にはドープ領域Ａｄの、利得をもたらす種の濃度Ｎｄを増加するだけでクラッド吸収を増加し得ることを示唆しているように思われるかも知れない。しかし、商業上重要な特定の希土類元素の種（特にＹｂ）では、ポンプ光で誘起される光黒化により利得をもたらす種の濃度が制限され、それによって、濃度を増加するだけで達成することができるクラッド吸収は制限される。
【０００９】
クラッド吸収を増加するための代替手法は、例えばコア領域の直径を増大して、単に利得領域の面積を増加することであろう。しかし、コア領域の直径を増大しすぎると、ファイバの、シングル信号モードで動作し続ける能力に悪影響があり、すなわち、高次の信号モード（ＨＯＭ）が伝搬し得るようになる。ＨＯＭの励起により、非常に有害で、ファイバ・レーザーまたは増幅器のアーキテクチャを損傷し得る出力不安定性が生じる可能性がある。コア領域のサイズに対するこの制約によっても、従来のＤＣＦの達成可能なモード・フィールド径（ＭＦＤ）が不適当に制限される。
【００１０】
したがって、シングルモード動作を維持したまま、ファイバの利得領域の内部の利得をもたらす種の濃度を増す必要もなく、ダブルクラッドＧＰＦのクラッド吸収の増加を達成する必要性がある。
【００１１】
約１６〜２０μｍの規模のＭＦＤをサポートすることができるダブルクラッドＧＰＦに対する必要性もある。
【００１２】
一方、すべてのＧＰＦがクラッド・ポンピングのＤＣＦとは限らず、コア・ポンピングの設計などの代替機構によってポンピングするものもあり、これにも、シングルモード動作を維持したままクラッド吸収が増加するという本発明の原理を適用することからの利益がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５，８６４，６４４号
【特許文献２】米国特許第６，８２６，３３５号
【特許文献３】米国特許第７，９１６，３８６号
【特許文献４】米国特許第５，９０７，６５２号
【特許文献５】米国特許第５，９３７，１３４号
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｐ．Ａ．  Ｂｅｌａｎｇｅｒ、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２１０７〜２１０９頁、（１９９３）
【非特許文献２】Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ、ｅｄ．  Ｍｅｎｄｅｚ  ａｎｄ  Ｍｏｏｒｅ、Ｃｈ．  ７．２．３、「Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｆｉｂｅｒｓ」、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ  ｅｔ．  ａｌ．、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ  （２００７）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様によれば、利得領域の利得をもたらす種の濃度を増加する必要なくクラッド吸収を増加させたＧＰＦが提供される。この設計により、ＭＦＤおよびシングルモード動作を維持したままコア領域の直径を増加することが可能になる。シングルモード動作は、ファイバが、シングル信号モード（好ましくは基本モード）のみ、またはいくつかの信号モード（好ましくは、基本モードに高々約１次〜４次のＨＯＭを加えたもの）をサポートすることを意味する。好ましくは、ファイバは基本モードのみで動作する。
【００１６】
したがって、本発明の一実施形態によれば、ＧＰＦは、前後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、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして、（主に）コア領域において軸の方向に導くように構成されている。増幅される信号光（または生成されるレーザー光）は、一般に約１０００ｎｍ以上の波長を有する。クラッド領域は、コア領域を取り囲むトレンチ領域と、トレンチ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。いくつかの実施形態（例えばＤＣＦ）では、外側クラッド領域は、内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有し、内側クラッド領域は、外側クラッド領域の屈折率とコア領域の屈折率の間の屈折率を有し、トレンチ領域は、内側クラッド領域の屈折率より低い屈折率を有する。少なくともコア領域は、適切なポンピング・エネルギーがファイバに印加されるとき、例えばマルチモード・ポンプ光が内側クラッド領域を介して（通って）コア領域に結合される（放たれる）とき、信号光に利得を与える、少なくとも１つの利得をもたらす種を含む。コア領域およびクラッド領域は、基本モードが主にコア領域において導かれて、その結果、トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差より小さくなるように構成される。この状態は、Ｙｂでドープされたコア領域、Ｔｍでドープされたコア領域、およびＥｒでドープされたコア領域を有するいくつかの設計を利用する多数のＧＰＦ設計（特に、ＭＦＤに対するコア半径の比が約０．６未満のもの）に対して有効であることが判明している。
【００１７】
一方、Ｅｒでドープされたコア領域を利用する他のＧＰＦの実施形態では、コア領域およびクラッド領域は、やはり、基本モードが主にコア領域において導かれるように構成され、その結果、トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差より大きくなる。これらの実施形態では、ＭＦＤに対するコア半径の比が、約０．６より大きい。
【００１８】
本発明のいくつかの実施形態の計算は、（例えば約３０％より大きく）クラッド吸収が増加したシングルモードのＧＰＦ設計を示す。この計算は、このようなＧＰＦ設計のいくつかの実施形態が、所与のクラッド吸収に対して、光黒化によって誘起される光損失を低下し得ることも示す。
【００１９】
それに加えて、他の計算は、このようなＧＰＦ設計のいくつかの実施形態が、屈曲損失の増加を伴うことなくシングルモードで動作し得ることを示す。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、利得をもたらすファイバのクラッド吸収を増加させる方法は、（ａ）コア領域と内側クラッド領域の間にトレンチ領域を形成するステップと、（ｂ）コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、（ｉ）トレンチ領域の屈折率が内側クラッド領域の屈折率より低く、（ｉｉ）トレンチ領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値が、コア領域と内側クラッド領域の間の屈折率の差の絶対値より小さくなるように構成するステップと、（ｃ）コア領域、トレンチ領域および内側クラッド領域を、信号光の基本モードをサポートし、同モードを主にコア領域において導き、さらには、ポンプ光をコア領域に結合する（放つ）ことができるように構成するステップとを含む。
【００２１】
本発明は、添付図面とともに解釈される以下のより詳細な説明から、本発明のさまざまな特徴および利点とともに容易に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の例示的実施形態によるダブルクラッドＧＰＦの概略の横断面図である。
【図２】図１のＧＰＦの例示的屈折率プロファイルの概略図である。
【図３】従来設計によるステップ屈折率コア（ＳＩＣ）ファイバの屈折率プロファイルのグラフ３０、および本発明の例示的実施形態によるトレンチ領域を有するＧＰＦの屈折率プロファイルのグラフ３１を示す図である。（図３に示されたファイバは、どちらもダブルクラッドＧＰＦであるが、説明を簡単にするために、外側クラッド領域は示されていない。）図３のグラフ３２および３３は、それぞれが、ＳＩＣファイバおよびＧＰＦに関する計算された基本モード出力も示している。図２と比較して、図３が示すのは第１象限および第４象限の屈折率プロファイルのみであるが、第２象限および第３象限の対応するプロファイルは、それぞれ第１象限および第４象限のプロファイルの鏡像であることが理解される。屈折率のくぼみ３４は、ファイバを製作するのに用いられ得る特定のプロセスのアーチファクト、すなわち、それだけではないが、ＧｅＯ２またはＰ２Ｏ５など、コア領域の共通ドーパントの部分的な蒸発に起因する燃切り効果であることに留意されたい。
【図４】光黒化、すなわち、６００ｎｍから１１００ｎｍの範囲のポンプ光波長において、ポンプ光の吸収によって誘起された光（信号）損失を示すグラフである。標準的なＳＩＣファイバ（図３の屈折率プロファイル３０）に関する結果は曲線４０で示されており、本発明のＧＰＦ（図３のプロファイル３１）に関する結果は曲線４１で示されている。
【図５】本発明の例示的実施形態によるＧＰＦを利用する例示的光ファイバ増幅器を示す概略ブロック図である。
【図６】本発明の例示的実施形態によるＧＰＦを利用する例示的クラッド・ポンプ光ファイバ・レーザーを示す概略ブロック図である。
【図７】通常の（従来技術の）設計によるダブルクラッドＧＰＦの概略の横断面図である。
【００２３】
前述のさまざまな図は、原寸に比例しないという点で概略的に示されており、かつ／または、図の簡単さおよび明瞭さのために、示された実際の光ファイバまたは製品の詳細のすべてを含んでいるわけではない。
【００２４】
用語集
ベンディング：マクロ・ベンディングは、一般には単にベンディングと称され、ファイバが、少なくともその長さの一部分に沿ってファイバの曲率が比較的一定であるように曲げられる、巻かれる、またはカールされるときに起こる。それと対照的に、マイクロ・ベンディングは、特定のファイバに対して、断熱長の範囲内のスケールで（例えば１ミリメートル程度またはより短いファイバ長さに沿って）曲率変化が著しいときに起こる。このようなマイクロ・ベンディングは、例えば、紙やすりにファイバを押しつけることによる標準的なマイクロ・ベンディング・テストで形成される。
【００２５】
中心波長：本明細書の議論を通じて、波長への言及は、特定の発光の中心波長を意味するように意図されており、すべてのこのような放射は、中心波長の上と下に周知の波長範囲を含んでいる特性線幅を有することが理解される。
【００２６】
ガラス繊維：本明細書で説明されるタイプの光ファイバは、典型的にはガラス（例えばシリカ）で製作されており、コア領域の屈折率およびクラッド領域の屈折率が、当技術分野で周知のように、１つまたは複数のドーパント（例えばＰ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｆ、Ｃｌ）の量およびタイプ、またはファイバの製造中に組み込まれた中空の空隙によって制御される。これらの屈折率ならびにコア領域／クラッド領域の厚さ／直径により、当技術分野で周知のように、重要な動作パラメータが決定される。このようなガラス繊維はまた、適切にポンピングされたときに利得をもたらすために、１つまたは複数の利得をもたらす種（希土類元素の種（例えばＥｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｈｏなど）または非希土類元素（例えばＢｉ、Ｃｒ））でドープされる。
【００２７】
屈折率：屈折率（ｉｎｄｅｘ  ａｎｄ  ｉｎｄｉｃｅｓ）という用語は、屈折率（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ａｎｄ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｉｃｅｓ）を意味するものとする。特定の領域（例えばクラッド領域）が微細構造（例えば、（例えば低屈折率のガス、液体もしくは固体で）満たされた孔または満たされていない孔（例えば気孔））を含んでいる設計では、このような領域の屈折率は、その領域の中で伝搬する光に見られる平均屈折率を意味するように意図されている。
【００２８】
屈折率プロファイル：図２〜図３の概略屈折率プロファイルは、光ファイバにおいて観測可能な屈折率の実際の微細な変化の平均を示す。それに加えて、屈折率プロファイルのさまざまな領域は長方形として示され得るが、このような領域の境界は、水平または垂直である必要はなく、１つまたは複数が傾斜していてもよく、例えば、領域は台形または三角形でもよい。
【００２９】
ＬＭＡ：高出力用途では、大きなモード面積（ＬＭＡ）のファイバは、約９０λ２以上の基本モードの有効面積を有するものと定義され、λは信号の波長である。例えば、１０６０ｎｍ（１．０６μｍ）の波長では、大きなモード面積は約１００μｍ２以上の有効面積で構成され、１５５０ｎｍ（１．５５μｍ）の波長では、大きなモード面積は２１６μｍ２以上の有効面積で構成される。
【００３０】
Ｍ２：ＬＭＡファイバの光学的特性は、その横方向の屈折率プロファイルの詳細に対して高感度である。一般通念によれば、望ましいＬＭＡファイバは、Ｍ２がほとんど１．０の基本モードを有し、これは、コア領域の内部の横方向の屈折率プロファイルが基本的に均一である、すなわち、屈折率プロファイルが、コア領域の横断面の内部で基本的に均一であるという仮定の下で、基本的横モードの光場が、ほとんどガウス形状であることを意味する。Ｍ２によって、モード・フィールドと真のガウス関数の間の類似性が評価される。より具体的には、ガウス形状を有するモードではＭ２＝１．０であり、他のすべてのモード・フィールド形状ではＭ２＞１．０である。
【００３１】
Ｍ２は、参照によって本明細書に組み込まれている、Ｐ．Ａ．  Ｂｅｌａｎｇｅｒ、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２１０７〜２１０９頁、（１９９３）で説明されているように、ファイバの基本的横モードの理想的なガウス関数に対する類似性を定義するものである。（この論文はステップ形光ファイバのＬＰ０１基本モードに関するＭ２を定義しているが、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て有効である。）理論上、Ｍ２は、任意の大きさでよいが、実際には、ＧＰＦに関するＭ２は、典型的にはほぼ１＜Ｍ２＜１０の範囲内にある。そのうえ、例えばＭ２が約１．０６であると、約１．０のＭ２という意味では一般的に小さいと見なされるが、例えばＭ２が約１．３であると、Ｍ２＞＞１．０という意味では大きいと見なされる。
【００３２】
Ｍ２が１．０にとても近ければ、ファイバから出現するビームが、回折限界点に、効率的に視準され得るか、または厳密に合焦され得る。
【００３３】
したがって、Ｍ２は、ビーム品質と一般的に称されるものの周知の測度である。
【００３４】
モード：（１つまたは複数の）モードという用語は、電磁波（例えば、光増幅器の場合には増幅される信号光を含んでいる信号光、またはレーザーの場合には刺激発光を含んでいる信号光）の（１つまたは複数の）横モードを意味するものとする。
【００３５】
モード・サイズ：光モードのサイズは、次式で与えられる光モードの有効面積Ａｅｆｆによって特徴付けられ、
【００３６】
【数１】
0006033200.tif 000002
この式で、Ｅはモードの電界の横方向の空間的包絡線であり、積分はファイバの横方向の断面積にわたって遂行されるものと理解される。モード・フィールドの形状が軸対称（すなわち、ファイバの回転の前後軸のまわりで対称）のガウス関数に近いとき、モード・フィールドの直径（ＭＦＤ）は、モードの直径の適切なメトリックであり、次式で表されてよく
【００３７】
【数２】
0006033200.tif 000003
この式で、ｒは動径座標である。モード・フィールドの形状が、線対称のガウス関数に正確に等しければ、Ａｅｆｆ＝π×ＭＦＤ２／４となる。
【００３８】
光黒化：光黒化は、光ファイバにおける色中心の吸収の可逆生成である。例えば、Ｙｂで高度にドープされたファイバが強いポンプ放射に晒されると、時間が経つにつれて信号が劣化する。この光黒化は、たいていはガラスにおける色中心の形成によるものであり、９７５ｎｍのあたりの強い吸収を伴って、可視波長における強い吸収として現れる。Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ、ｅｄ．  Ｍｅｎｄｅｚ  ａｎｄ  Ｍｏｏｒｅ、Ｃｈ．  ７．２．３、「Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｆｉｂｅｒｓ」、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ  ｅｔ．  ａｌ．、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ  （２００７）が、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３９】
半径／直径：前述の議論（および以下の議論）における半径という用語および直径という用語の使用は、さまざまな領域（例えばコア、トレンチ、クラッド）の横断面が円形および／または環状であることを意味するが、実際にはこれらの領域は非円形でもよく、例えば、長方形、楕円、多角形、不規則な形状、または他のより複雑な形状でもよい。それにもかかわらず、当技術分野では一般的に、半径および／または直径という用語が、簡単さおよび明瞭さのために用いられる。
【００４０】
信号伝搬：信号光は、ファイバに沿って伝搬するとき、実際には前後軸に交差することがあるが、当技術分野では、全般的な伝搬の方向が前後軸（例えば図１の軸１０．５）に沿っていると適正に述べられることは十分に理解される。
【００４１】
シングルモード：シングル横モードの光伝搬への言及は、本質的にはまたは事実上シングルモードである伝搬を含むように意図されており、すなわち、実質的な意味では、他のすべてのモードの完全な抑制が必ずしも可能でないことがある。しかし、シングルモードは、他のこのようなモードの強度が、意図された用途にとっては低い、または取るに足りないものであることを意味する。したがって、シングルモード・ファイバという用語は、たった１つのモード（好ましくは基本モード）またはいくつかのモード（すなわち基本モードおよび高々約１次〜４次の高次モード（ＨＯＭ））で動作するファイバを意味する。
【００４２】
抑制されたＨＯＭ：ＨＯＭを抑制しなければならない度合いは、特定の用途に依拠する。多くの用途では、全体的または完全な抑制が必要とされることはなく、これは、比較的低い強度のＨＯＭの継続的な存在が許容され得ること意味する。多くの例では、基本モードの減衰と比較して、ＨＯＭの高度の減衰がもたらされれば十分であり得る。この抑制を、相対的抑制または選択的抑制と称する。いずれにしても、ＨＯＭを抑制すると、例えばビーム品質が改善され、総計の挿入損が減少し、信号モードの雑音が減少し、マイクロベンド損失が減少することにより、システム性能が改善される。
【００４３】
横断面：横断面という句は、ファイバの前後軸に対して垂直な面におけるファイバの断面を意味する。
【００４４】
非ドープ：非ドープまた意図的でないドープという用語は、ファイバの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開始チューブには、製造中に、この領域に意図せず付加された、または制御されていないドーパントが含まれることを意味するが、この用語は、製造プロセス中に本質的に組み込まれる可能性がある低レベルのバックグラウンド・ドープを除外するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
利得をもたらすファイバ設計
本発明の実施形態は、利得をもたらす種／ドーパントの濃度を増加する必要なくクラッド吸収を増加させた、利得をもたらすファイバ（ＧＰＦ）設計を示す。具体的には、このファイバ設計は、コア径の増大を可能にするトレンチ領域を含み、これによって、式（１）で示されるように、結果的にクラッド吸収が増加する。すなわち、αｃｌａｄ＝αｄ（Ａｄ／Ａｃｌａｄ）である。シングルモード動作については、心線対照Δｎｃｏｒｅは約８×１０−３未満にするべきである。（Δｎｃｏｒｅ＞８×１０−３は、シングルモード動作を保つために、対応してコア領域の直径をより小さくすることを意味し、したがってクラッド吸収も低下することに留意されたい。）
【００４６】
それと対照的に、一般通念では、約１０８０ｎｍの動作波長では、（遮断波長が約１０３０ｎｍのＬＰ１１を実現するために）Δｎｃｏｒｅが約２．０×１０−３〜２．２×１０−３でＭＦＤ≒１１μｍのＬＭＡファイバを使用する。しかし、本発明の範囲は、いくつかの実施形態では１６〜１８μｍ、また他の実施形態では２０μｍと、大きなＭＦＤを有する利得をもたらすＬＭＡファイバばかりでなく、例えば６μｍといったより小さなＭＦＤを有するファイバも包含する。次に図面に移って、図１は、本発明の例示的実施形態によるダブルクラッドＧＰＦ  １０を示す。ＧＰＦ  １０は、前後軸１０．５を有するコア領域１０．１、およびコア領域１０．１を取り囲む領域１０．２、１０．３、および１０．４を備えるクラッド領域を備える。コア領域およびクラッド領域は、基本的な横モードの信号光の伝搬をサポートして、主にコア領域において軸１０．５の方向に導くように構成されている。それに加えて、クラッド領域は、マルチモード・ポンプ光の伝搬をサポートして導くように構成されている。
【００４７】
クラッド領域は、コア領域１０．１を取り囲むトレンチ領域１０．２と、トレンチ領域１０．２を取り囲む内側クラッド領域１０．３と、内側クラッド領域１０．３を取り囲む外側クラッド領域１０．４とを含む。
【００４８】
内側クラッド領域１０．３の外部周囲１０．６は、図を簡単にするだけのために円形として示されている。実際には、この境界は、ポンプ光のヘリカル・モードの形成を抑止し、すべてのポンプ・モードのコア領域に対するオーバーラップを増加するために一般的には非円形であることが周知である。
【００４９】
図２に示されるように、さまざまな屈折率差Δｎは内側クラッド領域１０．３の屈折率Δｎｉｃに対して定義され、したがって、内側クラッド領域１０．３の屈折率はゼロとラベル表示されている。したがって、外側クラッド領域１０．４は内側クラッド領域１０．３の屈折率より低い屈折率Δｎｏｃを有し、内側クラッド領域１０．３は、外側クラッド領域１０．４の屈折率とコア領域１０．１の屈折率（Δｎｃｏｒｅ）の間の屈折率を有し、トレンチ領域１０．２は内側クラッド領域１０．３の屈折率より低い屈折率Δｎｔｒを有する。（コア・ポンピングの設計を利用するいくつかの実施形態では、屈折率プロファイル（図示せず）は、典型的には、Δｎｉｃ＜ΔｎｃｏｒｅおよびΔｎｔｒ＜Δｎｉｃを示すことになる。）
【００５０】
少なくともコア領域１０．１は、適切なポンピング・エネルギーがファイバに印加されたとき、すなわち、内側クラッド領域１０．３を介して（通って）コア領域１０．１に結合されたとき、信号光に利得をもたらす、少なくとも１つの、利得をもたらす種を含む。ポンプ光は、コア領域を縦横に横切って（利得をもたらす種によって吸収されながら）、内側クラッドの内部をマルチモードの様式で伝搬する。利得をもたらす種の選択は、増幅される信号光の波長または生成されるレーザー光の波長に依拠する。このタイプのＧＰＦは、約１０００ｎｍ以上の信号波長（例えば、Ｙｂについては約１０００ｎｍ、Ｅｒについては約１６００ｎｍ、またＴｍについては約１９００ｎｍ）において利得をもたらすことができる。あるいは、周知のラマン増幅効果を示すファイバを使用することによって利得が生成されてよい。
【００５１】
ポンプ光は、光ファイバ技術で周知のさまざまな技法／デバイスを使用してファイバ１０に結合されて（放たれて）よい。典型的には、これらの技法は、ポンプ光を、内側クラッド領域１０．３およびトレンチ領域１０．２を介して（通って）コア領域１０．１に結合する。実例として、テーパ形ファイバ・バンドル（ＴＦＢ）カプラが使用されてもよい。ＴＦＢカプラは、典型的には、参照によって本明細書に組み込まれているＤｉＧｉｏｖａｎｎｉおよびＳｔｅｎｔｚの米国特許第５，８６４，６４４号（１９９９年）で説明されたタイプのものである。あるいは、ポンプ・ファイバとＧＰＦが、互いに接触して、ＧＰＦの全長に沿って配置されるエバネセントカプラが使用されてもよい。やはり参照によって本明細書に組み込まれているＧｒｕｄｉｎｉｎらの米国特許第６，８２６，３３５号（２００４年）で説明されているように、ポンプ・ファイバとＧＰＦは、互いに平行に配置されてもよく、互いに撚り合わせられてもよい。一方、ＧＰＦもコア・ポンピングされてよい。実例として、コア・ポンピングの設計では、ＧＰＦのコアに高輝度ポンプ源が結合されて、増幅される信号光を共伝搬する（または逆伝搬する）。このやり方でポンピングされるＧＰＦにも、シングルモード動作を維持したままクラッド吸収が増加するという本発明の原理を適用することからの利益がある。このようなコア・ポンピングの機構の１つが、参照によって本明細書に組み込まれているＤｉＧｉｏｖａｎｎｉおよびＨｅａｄｌｅｙの米国特許第７，９１６，３８６号で説明されている。
【００５２】
コア領域１０．１およびクラッド領域１０．２、１０．３、１０．４は、基本モードが主にコア領域において導かれるように構成される（すなわち、基本モードのすそがコア領域の外部へ延びトレンチ領域１０．２内に及ぶ）。この目的のために、特にトレンチ領域１０．２を含む本発明のファイバ設計により、多数のＨＯＭを導入することなくコア領域の直径が増大され得る。上記で定義されたように、本発明の設計は、基本モードおよび高々約１次〜４次のＨＯＭをサポートする限りは、シングルモード動作を達成すると考えられる。
【００５３】
以下でより詳細に論じられるように、本発明のいくつかの実施形態の計算により、本発明のＧＰＦ設計は、（例えば約３０％より大きく）増加したクラッド吸収率を有することが示される。このようなＧＰＦ設計のいくつかの実施形態は、光黒化によって誘起される光損失がより小さいことも計算によって示される。
【００５４】
実例として、ＧＰＦ  １０はシリカで製作され、コア領域１０．１は、利得をもたらす種として、Ｙｂでドープされ、かつ、例えばＧｅ、ＡｌおよびＰも共にドープされている。トレンチ領域１０．２は、例えばＦなどの屈折率を低下させる種、またはトレンチ領域の屈折率をコア領域の屈折率より低下させる任意のドーパントもしくはドーパントの組合せでドープされる。内側クラッド領域１０．３は非ドープでよく、外側クラッド領域１０．４は、典型的には、低屈折率ポリマー、ダウンドープされたシリカ、または参照によって本明細書に組み込まれているＤｉＧｉｏｖａｎｎｉおよびＷｉｎｄｅｌｅｒの米国特許第５，９０７，６５２号（１９９９年）で説明されているタイプのエア・クラッド構造から成る群から選択される。
【００５５】
外側クラッド領域１０．４は、実例として少なくとも０．２２のＮＡを有する。
【００５６】
あるいは、内側クラッド領域は、ＡｌまたはＧｅなどの屈折率を上昇させるドーパントでドープされてよく、この場合、コア領域１０．１およびトレンチ領域１０．２の屈折率は、内側クラッド領域１０．３に対する屈折率の差を同様に維持したまま上昇することになる。同様に、内側クラッドは、ＦまたはＢなどの屈折率を低下させるドーパントで、他の屈折率の相応した変化を伴ってダウンドープされ得る。
【００５７】
代替のＧＰＦ設計
図２に示された代替実施形態では、斜線部分は、利得をもたらす種が、信号光の基本モードの大部分のエネルギーが閉じ込められるコア領域１０．１にのみ配置されていることを示す。ただし、このモードのすそはトレンチ領域１０．２に及ぶ。しかし、トレンチ領域は利得をもたらす種を含まないので、このすそが増幅されず、それによって、ＧＰＦが組み込まれる増幅器またはレーザーの効率が低下する。（このような非効率の発現の１つは、増幅自然放出光（ＡＳＥ）の生成である。）この影響を緩和するために、コア領域１０．１に隣接するトレンチ領域１０．２の部分（すなわち、すそが及ぶ部分）も、利得をもたらす種でドープされてよい。
【００５８】
クラッド吸収を増加させる方法
図１および図２の光ファイバ設計の前述の説明から、本発明の別の態様は、シングルモード動作を維持したままダブルクラッドＧＰＦのクラッド吸収を増加する方法であることが明らかであり、この方法は、（ａ）トレンチ領域のない相当するダブルクラッドＧＰＦのコア径（Ｄｃｏｒｅ）より大きなコア径を有するコア領域１０．１を形成するステップと、（ｂ）コア領域１０．１と内側クラッド領域１０．３の間にトレンチ領域１０．２を形成するステップと、（ｃ）コア領域１０．１、トレンチ領域１０．２、および内側クラッド領域１０．３を、（ｉ）トレンチ領域の屈折率が内側クラッド領域１０．３の屈折率より低く、また、（ｉｉ）絶対値で、トレンチ領域１０．２の屈折率と内側クラッド領域１０．３の屈折率の間の差Δｎｔｒが、コア領域１０．１の屈折率と内側クラッド領域１０．３の屈折率の間の差Δｎｃｏｒｅより小さくなるように構成するステップと、（ｄ）信号光の基本モードが、主にコア領域１０．１においてサポートされ導かれることが可能で、また、ポンプ光がコア領域１０．１に結合され得るように、コア領域１０．１、トレンチ領域１０．２、および内側クラッド領域１０．３を構成するステップとを含む。
【００５９】
計算されたＧＰＦ設計
提供された本発明の実施形態の実例が、図１〜図３に示されたタイプのダブルクラッドＧＰＦの設計を説明する。この特定の実施形態に関する性能および設計の計算は、コア領域が、利得をもたらす種Ｙｂでドープされ、かつＧｅ、ＡｌおよびＰも共にドープされ、トレンチ領域１０．２はＦでダウンドープされ、内側クラッド領域は非ドープであると想定する。しかし、これらの計算は、外側クラッド領域が内側クラッド領域より低い屈折率を有する限り、外側クラッド領域１０．４を形成するのに用いられる材料には左右されない。
【００６０】
さまざまな材料、寸法および動作条件は、具体例としてのみ提供されるものであり、別様に明白に述べられた場合を除けば、本発明の範囲を制限するようには意図されていない。
【００６１】
より具体的には、本発明のダブルクラッドＧＰＦ  １０のこの実例の屈折率プロファイルは、図３の曲線３１で示され、図３の曲線３０で示される標準的なダブルクラッドＧＰＦの屈折率プロファイルと並置されている。所与の波長（例えば１０８０ｎｍ）において、本発明のＧＰＦ設計が、所与のＭＦＤに対して、トレンチ領域を含むことにより、標準的なダブルクラッドＧＰＦと比較してコア径を増加することができる様子の一例が、次の表Ｉに示されている。
【００６２】
【表１】
0006033200.tif 000004
【００６３】
コア領域およびトレンチ領域の屈折率差異は、定義上、内側クラッド領域の屈折率に対するものである。どちらの場合も、コア領域は、全体の屈折率差異の少なくとも６５％はＹｂによって与えられるように、Ｙｂでドープされ、かつＧｅ、Ａｌ、Ｐの酸化物およびシリコンのフッ化物も共にドープされていると想定されており、例えばＹｂ（１〜２モル％）、ＧｅＯ２（＜０．５モル％）、ＡＩ２Ｏ３（３．５モル％）、およびＰ２Ｏ５（＜０．５モル％）およびＳｉＦ４（１モル％）であった。どちらの場合も、内側クラッド領域は非ドープであると想定された。本発明のＧＰＦの場合は、トレンチ領域はＦでダウンドープされていると想定された。しかし、ファイバ断面の全域で屈折率差が前述のように構成されている限り、ドーパント（Ｇｅ、Ａｌ、Ｐ、Ｆ、Ｂ）のいかなる組合せも適切であり得る。
【００６４】
上記の標準的なＧＰＦおよび本発明のＧＰＦは、同一のコアＮＡ（０．０８）、（約９１５ｎｍの波長において）ポンプ光の同一の材料吸収、および約１０３０ｎｍの波長において同一のＨＯＭ（ＬＰ１１）遮断を有していた。
【００６５】
本発明のＧＰＦは、標準的なＤＣＦと比較して、多くの優れた光学的特性を有し、すなわち、いくつかの実施形態は、より低い割合の光黒化を示し（すなわち、標準的なＤＣＦと本発明のＤＣＦにおいてクラッド吸収が同一であれば、トレンチ領域が可能にする、より大きなＤｃｏｒｅによって、より低い材料吸収が可能になり、結果としてより低い光黒化がもたらされ）、他の実施形態は、増加したクラッド吸収を示す（すなわち標準的なＤＣＦと本発明のＤＣＦにおいて材料吸収が同一であれば、トレンチ領域が可能にする、より大きなＤｃｏｒｅによって、より低い光黒化ではなく、より高いクラッド吸収がもたらされる）ことが、計算によって示されている。したがって、本発明のＧＰＦ設計のいくつかの実施形態は、所与のクラッド吸収に対して、所与のαｃｌａｄを達成するのに必要とされる、このような利得をもたらす種の体積濃度Ｎｄが低下するので、いくつかの利得をもたらす種（例えばＹｂ）で観測される光黒化のレベルを低下させることができる。光黒化の割合がより低ければ、効率および出力が向上し、クラッド・ポンピングのファイバ・レーザー（例えば図６）の場合には、このポンプ・レーザーに対して、より大きな寿命末期の余裕を伴う信頼性の向上をもたらす。６００ｎｍから１１００ｎｍに及ぶ波長領域にわたって、光黒化によって誘起される光損失の詳細が図４に示されている。曲線４０は、標準的なＧＰＦ（図３の曲線３０で示された屈折率プロファイル）に関する光黒化で誘起された損失を示し、曲線４１は、本発明のＧＰＦ（図３の曲線３１によって示された屈折率プロファイル）に関して、すべての波長において、対応するより低い損失を示す。
【００６６】
一方、クラッド吸収が増加すると、ＳＲＳ閾値が増加し、出力を増加することができる。これによって設計のフットプリント（ＧＰＦ長さ）も縮小され、実装が容易になる。この具体例では、クラッド吸収は、標準的なＧＰＦの約０．８８ｄＢ／ｍから本発明のＧＰＦの約１．２ｄＢ／ｍへと、３０％を上回って増加した。
【００６７】
前述のように、本発明のＧＰＦの特に好ましい特徴は、依然としてシングルモード動作を実現する能力を維持したまま、より大きなコア径が用いられ得ることである。表Ｉの具体例では、コア径は、標準的なＧＰＦでは約１１．８μｍであり、本発明のＧＰＦでは約１４．０μｍであって、ほぼ２．２μｍ増加した。クラッド・ポンピングのファイバ・レーザー（例えば図５）では、コアがより大きければクラッド吸収が（例えば３６％）増加し、したがってレーザーがより短くなって（例えば３６％短いダブルクラッドＧＰＦ）、実装がより簡単になることを意味する。
【００６８】
コア・サイズがより大きければ、信号光の基本モードと利得領域（すなわち本発明のＧＰＦについてはコア領域１０．１）の間のオーバーラップも増加する。したがって、信号光へのエネルギー伝達の効率が改善される。この特徴は、曲線３１の屈折率プロファイルを有する本発明のＧＰＦの基本信号モードに関するＬＰ０１出力曲線３３（図３）を、曲線３０の屈折率プロファイルを有する従来のＳＩＣ  ＧＰＦの基本信号モードに関するＬＰ０１出力曲線３２と対比したとき、その間のオーバーラップを比較することによって示される。
【００６９】
本発明の、イッテルビウム（Ｙｂ）でドープされたＧＰＦ（トレンチ領域を有するＤＣＦ）のさまざまな設計が、標準的なＹｂでドープされたＧＰＦ（トレンチ幅の列の略記Ｎ／Ａで示されているトレンチ領域のないＤＣＦ）の設計と比較して、下の表ＩＩに示されている。表ＩＩには、１０８０ｎｍの波長におけるＭＦＤが、コア領域およびトレンチ領域のさまざまなパラメータ、すなわちコア半径（Ｒｃｏｒｅ）、コア屈折率差異（Δｎｃｏｒｅ）、トレンチ屈折率差異（Δｎｔｒ）、および特定のコア半径に対してシングルモード動作を維持するための最小限のトレンチ幅（Ｗｔｒ）の関数として示されている。特定のＭＦＤのそれぞれの本発明のＧＰＦについて、表ＩＩは、もたらされるコア領域の増加の係数、およびその結果のクラッド吸収（αｃｌａｄ）のパーセント増加も示す。
【００７０】
表ＩＩに列挙された設計の内側クラッド領域および外側クラッド領域に関して、内側クラッド領域の屈折率差は、それが指定された基準であるためゼロであり、（ポンプ光を導く）外側クラッド領域の屈折率差は、少なくとも−１５．５×１０−３である。内側クラッド領域の厚さは少なくとも５０μｍであり、外側クラッド領域の厚さは少なくとも１０μｍである。
【００７１】
【表２】
0006033200.tif 000005
【００７２】
要約すると、表ＩＩは、クラッド吸収が約２６〜６９％増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Ｙｂでドープされた本発明の設計では約６〜１８μｍのＭＦＤを実現し得ることを示している。それに加えて、ＭＦＤが約６〜８μｍであるとき、コア領域の半径は約２．９〜４．１μｍであり、コア領域の屈折率差異Δｎｃｏｒｅは約４．３×１０−３〜７．８×１０−３であり、トレンチ領域の屈折率差異Δｎｔｒは約−０．５×１０−３から−４．０×１０−３であって、トレンチ領域の最小幅は約１．５〜７．０μｍである。一方、ＭＦＤが約１０〜１８μｍであるとき、コア領域の半径は約４．６〜１１．０μｍであり、コア領域の屈折率差異Δｎｃｏｒｅは約０．８×１０−３〜２．８×１０−３であり、トレンチ領域の屈折率差異Δｎｔｒは約−０．１５×１０−３から−０．８×１０−３であって、トレンチ領域の最小幅は約２．５〜１０．０μｍである。
【００７３】
同様に、下の表ＩＩＩおよびＩＶは、標準的なＧＰＦ（トレンチ領域のないＤＣＦ）を、コア領域がエルビウム（Ｅｒ、約１５３０〜１６３０ｎｍでの動作用）またはツリウム（Ｔｍ、約１９４０〜２０５０ｎｍでの動作用）のいずれかでドープされた代替の本発明の設計（トレンチ領域を有するＤＣＦ）と比較するための相当するパラメータを説明している。
【００７４】
【表３】
0006033200.tif 000006
【００７５】
要約すると、表ＩＩＩは、クラッド吸収が約７６〜９８％増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Ｅｒでドープされた本発明の設計では約９〜２０μｍのＭＦＤを実現し得ることを示している。それに加えて、ＭＦＤが約９〜２０μｍであるとき、コア領域の半径は約４．３〜１３．０μｍであり、コア領域の屈折率差異Δｎｃｏｒｅは約１．０×１０−３〜４．５×１０−３であり、トレンチ領域の屈折率差異Δｎｔｒは約−１．０×１０−３から−６．０×１０−３であって、トレンチ領域の最小幅は約２．０〜８．０μｍである。
【００７６】
Ｅｒでドープされた設計の興味深い特徴は、ΔｎｃｏｒｅとΔｎｔｒの相対的値であり、すなわち、いくつかのＥｒでドープされた設計では、Δｎｔｒの絶対値が、Δｎｃｏｒｅの絶対値より大きくなり得る。より具体的には、この状態は、Ｒｃｏｒｅ／ＭＦＤの比が約０．６以上の、Ｅｒでドープされたコア領域の設計のサブセットに対して有効であると判明している。実例として、Ｒｃｏｒｅ／ＭＦＤ≧０．６は、０．６１〜０．６７のおおよその範囲内にある。
【００７７】
ＥｒでドープされたＧＰＦのＲｃｏｒｅ／ＭＦＤ≧約０．６を上回るもの、および下回るものの挙動に関する理論的な説明は、現在可能ではない。しかし、実際的な見地から（すなわち製造および／または利用を容易にするために）、本発明のＧＰＦは、比較的浅いトレンチを有するのが好ましい。実際、トレンチは、一般に、熱で促進される一般的な接合動作中に急速に拡散するフッ素を付加することによって製作されるので、トレンチがより深ければ、ＧＰＦを接合するのがより困難になる。
【００７８】
それと対照的に、表ＩのＹｂでドープされた設計のすべて、および表ＩＩＩのＴｍでドープされた設計のすべてにおいては、その逆が真であり、すなわち、絶対値ではΔｎｔｒ＜Δｎｃｏｒｅである。
【００７９】
【表４】
0006033200.tif 000007
【００８０】
要約すると、表ＩＶは、クラッド吸収が約４１〜５３％増加するようにコア領域およびクラッド領域が構成されたとき、Ｔｍでドープされた本発明の設計では約８〜２０μｍのＭＦＤを実現し得ることを示している。それに加えて、ＭＦＤが約８〜２０μｍであるとき、コア領域の半径は約３．５〜１１．０μｍであり、コア領域の屈折率差異Δｎｃｏｒｅは約２．３５×１０−３〜１６．０×１０−３であり、トレンチ領域の屈折率差異Δｎｔｒは約−１．０×１０−３から−７．０×１０−３であって、トレンチ領域の最小幅は約３．０〜６．０μｍである。
【００８１】
前述の機構は、本発明の原理の適用を表すために考案することができる多くの可能な特定の実施形態の単なる実例であることを理解されたい。これらの原理によれば、当業者によって、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多数のさまざまな他の機構が考案され得る。具体的には、本発明のＧＰＦの屈曲感度はトレンチ領域が存在することによって低下し、ファイバが例えば増幅器またはレーザーのパッケージの中で巻かれたとき、屈曲で誘起される影響が緩和される。
【００８２】
適用例：高出力のファイバ増幅器およびレーザー
本発明の適用例の１つが図５に示されており、高出力の光ファイバ増幅器２３０は、任意選択のピッグテイル・ファイバ２３５ｐに光学的に結合されたＧＰＦ  ２３５ａを備える。ＧＰＦ  ２３５ａは結合器２３３に光学的に結合されており、ピッグテイル・ファイバ２３５ｐは利用デバイス２３４に光学的に結合されている。ＧＰＦ  ２３５ａは本発明によって設計されており、典型的には増幅器パッケージの内部でピッグテイル２３５ｐとともに巻かれている。一般的な市販の増幅器パッケージでは、巻かれたＧＰＦファイバ２３５ａおよびピッグテイル２３５ｐは、周知のプレートまたはマンドレル（図示せず）上に取り付けられる。
【００８３】
比較的高出力の適用例では、結合器２３３は、ポンプ結合器として知られており、光入力信号ソース２３１および光ポンプ・ソース２３６の出力をＧＰＦ  ２３５ａに結合する。ポンプ結合器２３３は、周知のバルク光学構成要素によって形成されてよく、または、前述のように、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉおよびＳｔｅｎｔｚによって米国特許第５，８６４，６４４号（１９９９年）で説明されたタイプのテーパ形ファイバ・バンドルによって形成されてよく、またはＧｒｕｄｉｎｉｎらによって米国特許第６，８２６，３３５号（２００４年）で説明されたタイプのエバネセントカプラによって、または他の既知の方法によって形成されてもよく、これらの特許は、どちらも参照によって本明細書に組み込まれる。入力信号源２３１が第１の波長の光入力信号を生成し、これが、通常のファイバ２３２またはバルク光学構成要素（図示せず）を介して結合器２３３の入力に結合され、一方ポンプ・ソース２３６が第２の波長の光ポンプ信号を生成し、これが、典型的にはマルチモードの、通常のファイバ２３７によって結合器２３３の別の入力に結合される。（結合器２３３は、図１〜図３とともに前述されたように、最終的には、信号光をＧＰＦ  ２３５ａのコア領域に結合し、ポンプ光を、ＧＰＦ  ２３５ａのコア領域に、内側クラッド領域経由で、または直接、結合する。）
【００８４】
当技術分野で周知のように、ポンプ信号はＧＰＦ  ２３５ａの中に反転分布を生成し、これによって入力ソース２３１からの入力信号が増幅される。増幅された入力信号は、ＧＰＦ  ２３５ａに沿って（存在する場合にはピッグテイル２３５ｐを通って）利用デバイス２３４に伝搬する。高出力用途では、利用デバイス２３４としては、例えば、別の光増幅器、ビーム・コリメータ、レンズ・システム、切断または溶接の作業が遂行されるべき被加工物といった多種多様な周知のデバイスまたは装置を含んでよい。
【００８５】
実例として、入力ソース２３１は、ＧＰＦ  ２３５ａの増幅範囲の波長で比較的低パワーの光入力信号を生成するレーザーであり、ポンプ・ソース２３６は、好ましくは半導体レーザーであるが、任意選択で半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の配列でもあり得る。いずれの場合も、ポンプ・ソース２３６は、入力信号の所望の増幅をもたらすより短い波長では、比較的高い光パワーの（例えば約１５０ｍＷ超、さらには１００Ｗ超の）ポンプ信号を生成する。好ましい実施形態では、ＧＰＦ  ２３５ａがイッテルビウムでドープされていると、信号ソース２３１は約１０８０ｎｍの波長を有する入力信号を生成し、ポンプ・ソース２３６は、約９１５ｎｍの波長で、またはその代わりに約９７５ｎｍの波長で、ポンプ信号を生成する。
【００８６】
図５の増幅器２３０は、一般的な共伝搬するポンプ構成（すなわち、ポンプ信号と入力信号が、ＧＰＦを通って同じ方向に伝搬する）を示しているが、逆伝搬する構成（すなわち、ポンプ信号と入力信号が、ＧＰＦを通って逆方向に伝搬する）を用いることも可能である。それに加えて、多様な増幅器が、当技術分野で周知の高出力多段システムの利得の全体を増加させるための方式であるタンデムに構成されてもよい。ポンプ・エネルギーは、あるいは増幅器に横断的に結合されてもよい。
【００８７】
増幅装置がレーザーとして動作するように構成されていれば、信号ソース２３１が省略され、上記で説明された信号光は、レーザーによって内部で生成された刺激発光に等しいことになる。
【００８８】
図６には、このようなレーザー２００の概略の実施形態が示されている。レーザー２００は、高出力２１５を供給するように設計されている。この基本設計は、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉによって米国特許第５，９３７，１３４号（１９９９年）で説明されたものに従っており、この特許も参照によって本明細書に組み込まれる。しかし、図１〜図３を参照しながら上記で論じたように、この場合、レーザー２００の能動媒質は、本発明による設計の、巻かれた、シングルモードの、ダブルクラッドＧＰＦファイバ２１１を備える。
【００８９】
相当の長さを示すために、位置２１３で、巻かれたＧＰＦ  ２１１の一部分が切り取られて示されている。このようなレーザー構造のファイバの長さは、典型的には１メートルから数十メートル程度である。コイルの直径が実例として約１５ｃｍであるので、ファイバ２１１は多くの巻数を示す。（図５の巻かれた増幅器ＧＰＦ  ２３５ａにも類似の注釈が当てはまり、このような増幅器と同様に、レーザー２００の巻かれたＧＰＦ  ２１１は、典型的には周知のプレートまたはマンドレル（図示せず）に巻きつけられる。）
【００９０】
レーザーの能動媒質が配置されるのは、ＧＰＦ  ２１１の端部２１７、２１９に（またはその近傍に）、実例としてそれぞれ配置されているブラッグ・グレーティング２１２および２１３で形成された空胴共振器の内部である。これらのグレーティングまたは反射器は、典型的にはＧＰＦ  ２１１のコア領域において光で誘起される屈折率の変化によって形成される。
【００９１】
能動媒質は、光ポンプ・ソース２１４によって端面励起され、これによってポンプ光が生成されて、このポンプ光はＧＰＦ  ２１１の１つの端部２１７で内側クラッド領域（図示せず）に結合される。ソース２１４は、端部２１７から分離して示されているが、一般的には、端部２１７が適切なカプラ（図示せず）を介してソース２１４に取り付けられることが当業者には明らかであろう。ソース２１４からのポンプ光が、ＧＰＦ  ２１１のコア領域において（すなわち、そこにある利得をもたらす種によって）吸収され、反転分布をもたらしてレーザー光出力２１５を生成し、これがＧＰＦ  ２１１の反対の端部２１９から出て来る。
【００９２】
典型的には、ポンプ・ソース２１４は、半導体レーザー・ダイオード（またはこのようなダイオードの配列）を備える。実例として、レーザー・ダイオードの活性領域は、約９８０ｎｍの波長でポンプ光を生成するＡｌＧａＡｓ、または１０００〜１６００ｎｍの範囲のより長い波長でポンプ光を生成するためのＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを含む。あるいは、ポンプ・ソース２１４は、例えばＴサファイア、Ｎｄガラスといった他のタイプの固体レーザーを備えてよく、またはファイバ・レーザーであり得る。
【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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