(57)【要約】本発明はエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、ならびにＥＤＦＡを利用してＳバンドの波長の光を発生させるための光源を提供する。デプレスト・クラッディングのファイバ増幅器（１０）、またはＷ字型分布ファイバは、活性物質（１８）が添加されており、かつコア断面および屈折率ｎ０によって規定されるコア（１２）を有している。屈折率ｎ１のデプレスト・クラッディング（１４）がコア（１２）を囲繞しており、また屈折率ｎ２の２次クラッディング（１６）がデプレスト・クラッディング（１４）を囲繞している。本ファイバ増幅器は、その活性物質が短波長バンドにおいて正の利得を示しかつ長波長バンドにおいて高い利得を示すようなある高い相対反転Ｄのレベルで励起を受ける。１実施形態では、そのコア断面、デプレスト・クラッディング断面、および屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は、ファイバ増幅器（１０）の長さ全体にわたってカットオフ波長λｃと比べてより長い波長での分散式ＡＳＥ抑制がなされるようにして選択される。別の実施形態では、こうした選択によって、カットオフ波長λｃの周りにロールオフ損失曲線が提供される。このロールオフ損失曲線は、長波長バンドにおける高い利得に少なくとも匹敵する損失、ならびに短波長バンドにおける正の利得と比べて実質的により小さい損失を生じさせる。所望のロールオフ損失曲線を得るには、コア内の屈折率ｎ０は、閉じこめモードによって得られる実効屈折率ｎｅｆｆがカットオフ波長の手前でロールオフ損失曲線のロールオフ傾斜を最大化するようにして選択される。
2005520326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）コア断面および屈折率ｎ０を有するコアと、
ｂ）同コア内に添加される活性物質と、
ｃ）同コアを囲繞している、デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングと、
ｄ）同デプレスト・クラッディングを囲繞している、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングと、
ｅ）前記活性物質が短波長バンドにおいて正の利得を示しかつ長波長バンドにおいて高い利得を示すように前記活性物質を高い相対反転Ｄまで励起させるための励起光源と、からなるファイバ増幅器であって、
前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、および前記屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は、カットオフ波長λｃの周囲にロールオフ損失曲線が生成されるように選択されており、該ロールオフ損失曲線は、前記長波長バンドにおける前記高い利得に少なくとも匹敵する損失、および前記短波長バンドにおける前記正の利得と比べて実質的により小さい損失とを生じさせるファイバ増幅器。
【請求項２】
前記コア内に閉じこめられたあるモードの放射が受ける実効屈折率を、前記ロールオフ損失曲線のロールオフ傾斜を前記長波長バンドにおける利得スペクトルの最大傾斜と比べてより大きいか概ね等しい前記カットオフ波長λｃの手前で提供するように選択するようにして、前記屈折率ｎ０が選択されている請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項３】
前記屈折率ｎ０は、前記カットオフ波長λｃに関する前記実効屈折率の傾斜が０．００２／１０００ｎｍから０．００８／１０００ｎｍまでの範囲内になるようにして選択されている請求項２に記載のファイバ増幅器。
【請求項４】
前記屈折率ｎ０は前記屈折率ｎ２と比べて少なくとも０．５％だけより大きい請求項２に記載のファイバ増幅器。
【請求項５】
前記カットオフ波長λｃは前記長波長バンド内に包含されている請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項６】
前記カットオフ波長λｃは前記短波長バンド内に包含されている請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項７】
前記カットオフ波長λｃは前記短波長バンドと前記長波長バンドの間にある請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項８】
前記活性物質はエルビウムである請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項９】
前記短波長バンドはＳバンドの少なくとも一部分を含みかつ前記長波長バンドはＣバンドまたはＬバンドの少なくとも一部分を含む請求項８に記載のファイバ増幅器。
【請求項１０】
前記カットオフ波長λｃは１５２５ｎｍの近傍に設定されている請求項９に記載のファイバ増幅器。
【請求項１１】
前記ロールオフ損失曲線は、前記Ｓバンド内に、前記正の利得と比べて少なくとも５ｄＢだけより小さい損失を生じさせるように選択されている請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ファイバはケイ酸塩含有ガラスからなる請求項８に記載のファイバ増幅器。
【請求項１３】
前記ケイ酸塩含有ガラスは、アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスおよびリン添加ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスからなる群より選択される請求項１２に記載のファイバ増幅器。
【請求項１４】
前記活性物質は前記コア内において約０．１％ｗｔの濃度を有するエルビウムである請求項８に記載のファイバ増幅器。
【請求項１５】
前記励起光源は、約９８０ｎｍの励起用放射を提供するレーザ・ダイオードである請求項８に記載のファイバ増幅器。
【請求項１６】
前記コアの前記屈折率ｎ０は、前記２次クラッディングの前記屈折率ｎ２から約０．００５から約０．０３まで異なる請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項１７】
前記デプレスト・クラッディングの前記屈折率ｎ１は、前記２次クラッディングの前記屈折率ｎ２から約−０．００４から約−０．０２まで異なる請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項１８】
前記コア断面および前記デプレスト・クラッディング断面は、円、楕円および多角形からなる形状から選択される請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項１９】
前記励起光源は前記高い相対反転Ｄ≧０．７を保証するような十分な強度で励起放射を提供する請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項２０】
前記ロールオフ損失曲線は前記長波長バンドにおいて少なくとも１００ｄＢの損失を生じさせるように選択されている請求項１に記載のファイバ増幅器。
【請求項２１】
高い相対反転Ｄまで励起させて、短波長バンドにおいて正の利得を示しかつ長波長バンドにおいて高い利得を示す活性物質を用いてファイバ増幅器を設計するための方法であって、
ａ）コア断面および屈折率ｎ０を有するコアを設ける工程と、
ｂ）前記活性物質を前記コア内に添加する工程と、
ｃ）前記コアの周りにデプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングを設ける工程と、
ｄ）前記デプレスト・クラッディングの周りに２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングを設ける工程と、
ｅ）カットオフ波長λｃの周囲にロールオフ損失曲線が生成されるように前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、および前記屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２を選択する工程であって、前記ロールオフ損失曲線によって、前記長波長バンドにおける前記高い利得に少なくとも匹敵する損失と前記短波長バンドにおける前記正の利得と比べて実質的により小さい損失とを生じさせている選択工程と
を含む方法。
【請求項２２】
前記コア内に閉じこめられたあるモードの放射が受ける実効屈折率を、前記ロールオフ損失曲線のロールオフ傾斜を前記長波長バンドにおける利得スペクトルの最大傾斜と比べてより大きいか概ね等しい前記カットオフ波長λｃの手前で提供するように選択するようにして前記屈折率ｎ０が選択されている請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記屈折率ｎ０は前記カットオフ波長λｃに関する前記実効屈折率の傾斜が０．００２／１０００ｎｍから０．００８／１０００ｎｍまでの範囲内になるようにして選択される
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記屈折率ｎ０は前記屈折率ｎ２と比べて少なくとも０．５％だけより大きい請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記カットオフ波長λｃは前記長波長バンド内に包含されている請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記カットオフ波長λｃは前記短波長バンド内に包含されている請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記カットオフ波長λｃは、前記長波長バンドと前記短波長バンドの間に包含されている請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記活性物質はエルビウムであり、前記長波長バンドがＣバンドおよびＬバンドの少なくとも一部分であり、かつ、前記短波長バンドがＳバンドの少なくとも一部分である請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記ロールオフ損失曲線は前記長波長バンドにおいて少なくとも１００ｄＢの損失を生じさせるように選択されている請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ロールオフ損失曲線は前記Ｓバンド内に前記正の利得と比べて少なくとも５ｄＢだけより小さい損失を生じさせるように選択されている請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記高い相対反転Ｄは、Ｄ≧０．７に維持されている請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
前記短波長バンドにわたって所定の利得を生じさせるように前記ファイバ増幅器の長さＬを調整する工程をさらに含む請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
Ｗ字型分布ファイバ内でファイバ増幅器を励起するための方法であって、
ａ）コア断面および屈折率ｎ０を有するコアを設ける工程と、
ｂ）活性物質を前記コア内に添加する工程と、
ｃ）前記コアの周りにデプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングを設ける工程と、
ｄ）前記デプレスト・クラッディングの周りに２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングを設ける工程と、
ｅ）カットオフ波長λｃの周囲にロールオフ損失曲線が生成されるように前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、および前記屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２を選択する工程と、
ｆ）前記活性物質が短波長バンドにおいて正の利得を示し、かつ、長波長バンドにおいて高い利得を示すように、前記活性物質を相対反転Ｄ≧０．７まで励起する工程と、
を含む方法。
【請求項３４】
前記活性物質はエルビウムであり、かつ前記ロールオフ損失曲線は前記長波長バンドにおける前記高い利得に少なくとも匹敵する損失と前記短波長バンドにおける前記正の利得と比べて実質的により小さい損失とを生じさせており、前記長波長バンドはＣバンドまたはＬバンドの少なくとも一部分でありかつ前記短波長バンドはＳバンドの少なくとも一部分である請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記コア内に閉じこめられたあるモードの放射が受ける実効屈折率を、前記ロールオフ
損失曲線のロールオフ傾斜を前記長波長バンドにおける利得スペクトルの最大傾斜と比べてより大きいか概ね等しい前記カットオフ波長λｃの手前で提供するように選択するようにして前記屈折率ｎ０が選択されている請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記屈折率ｎ０は、前記カットオフ波長λｃに関する前記実効屈折率の傾斜が０．００２／１０００ｎｍから０．００８／１０００ｎｍまでの範囲内になるようにして選択される請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記カットオフ波長λｃは前記長波長バンド内に包含されている請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記カットオフ波長λｃは、前記長波長バンドと前記短波長バンドの間に包含されている請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記カットオフ波長λｃは前記Ｓバンド内に包含されている請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記屈折率ｎ０は前記屈折率ｎ２と比べて少なくとも０．５％だけより大きい請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
ａ）エルビウムである活性物質を添加した領域と、
ｂ）ファイバ内の屈折率分布を設計することによって分散した損失を提供するためのメカニズムと、
ｃ）高い反転を生成させる励起光源であって、１５２５ｎｍ未満の波長における利得が前記１５２５ｎｍ未満の波長における分散損失を少なくとも５ｄＢだけ超えており、かつ１５２５ｎｍと比べてより長い波長バンドにおける分散損失が前記１５２５ｎｍと比べてより長い波長バンドにおける利得を超えている励起光源と
からなるファイバ増幅器。
【請求項４２】
ａ）エルビウムである活性物質を添加した領域と、
ｂ）分散した損失を提供するためのメカニズムと、
ｃ）高い反転を生成させる励起光源であって、１５２５ｎｍ未満の波長における利得が前記１５２５ｎｍ未満の波長における分散損失を少なくとも５ｄＢだけ超えており、かつ１５２５ｎｍと比べてより長い波長バンドにおける分散損失が前記１５２５ｎｍと比べてより長い波長バンドにおける利得を超えている励起光源と
からなるファイバ増幅器。
【請求項４３】
前記分散損失は前記ファイバ内の屈折率分布を設計することよっている請求項４２に記載のファイバ増幅器。
【請求項４４】
抑制されたクラッディング・モード損失を有するファイバ増幅器であって、
ａ）活性コアと、
ｂ）前記活性コアを囲繞しているクラッディングと、
ｃ）前記活性コアがカットオフ波長λｃより上で損失を示しかつ前記カットオフ波長λｃ未満の短波長領域において正の利得を示すようにして、前記活性コア内および前記クラッディング内に確立させた屈折率分布と、
ｄ）前記活性コアと前記クラッディングの間での前記短波長における放射の結合を抑制するための手段と
からなるファイバ増幅器。
【請求項４５】
前記結合を抑制するための手段は、前記クラッディング内に分散させた、散乱材料と吸
収材料からなる群より選択された材料からなる請求項４４に記載のファイバ増幅器。
【請求項４６】
前記クラッディングは、デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングと、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングとからなり、かつ前記材料は前記２次クラッディング内に分散されている請求項４５に記載のファイバ増幅器。
【請求項４７】
前記放射は前記活性コアから前記クラッディング内まで延びるモード直径を有しており、かつ前記材料は前記モード直径の外側に分散されている請求項４５に記載のファイバ増幅器。
【請求項４８】
前記吸収材料は希土類元素からなる請求項４５に記載のファイバ増幅器。
【請求項４９】
前記結合を抑制するための手段は、前記放射の結合が前記コアと前記クラッディングの間で位相整合しないような該ファイバ増幅器の非位相整合の長さ区画からなる請求項４４に記載のファイバ増幅器。
【請求項５０】
前記コアはコア断面および屈折率ｎ０を有しており、前記クラッディングはクラッディング断面および屈折率ｎｃを有しており、かつ前記非位相整合の長さ区画は前記コア断面、クラッディング断面および屈折率ｎ０、ｎｃｌａｄからの所定の選択によって形成される請求項４９に記載のファイバ増幅器。
【請求項５１】
前記クラッディングは、デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングと、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングとからなる請求項４９に記載のファイバ増幅器。
【請求項５２】
前記コアはコア断面および屈折率ｎ０を有しており、かつ前記非位相整合の長さ区画は、前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、前記２次クラッディング断面および屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２からの所定の選択によって形成される請求項５１に記載のファイバ増幅器。
【請求項５３】
前記クラッディングはさらに、外側クラッディング断面とｎ３＜ｎ２であるような屈折率ｎ３とを有する外側クラッディングを備える請求項５２に記載のファイバ増幅器。
【請求項５４】
前記活性コアはエルビウムからなる請求項４４に記載のファイバ増幅器。
【請求項５５】
前記カットオフ波長λｃは１５２５ｎｍの近傍に設定されている請求項５４に記載のファイバ増幅器。
【請求項５６】
９８０ｎｍ近傍の励起波長の放射によって前記コアを励起するための励起光源をさらに備える請求項５４に記載のファイバ増幅器。
【請求項５７】
活性コアと同活性コアを囲繞しているクラッディングとを有するファイバ増幅器においてクラッディング・モード損失を抑制するための方法であって、
ａ）前記活性コアがカットオフ波長λｃより上で損失を示しかつ前記カットオフ波長λｃ未満の短波長領域において正の利得を示すようにして、前記活性コア内および前記クラッディング内の屈折率分布を確立させる工程と、
ｂ）前記活性コアと前記クラッディングの間での前記短波長における放射の結合を抑制する工程と、
を含む方法。
【請求項５８】
結合を抑制する前記工程は、前記クラッディング内に前記放射を散乱または吸収するための材料を分散させることによって実施されている請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記放射は前記活性コアから前記クラッディング内まで延びるモード直径を有しており、かつ前記材料は前記モード直径の外側に分散されている請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
結合を抑制する前記工程は、前記放射の結合が前記コアと前記クラッディングの間で位相整合しないように、位相整合を防止することによって実施される請求項５７に記載の方法。
【請求項６１】
前記コアに関するコア断面および屈折率ｎ０の選択、ならびに前記クラッディングに関するクラッディング断面および屈折率ｎｃｌａｄの選択、によって位相整合が防止される請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記コアはコア断面および屈折率ｎ０を有しており、前記クラッディングはデプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングと、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングとからなっており、かつ前記位相整合は前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、前記２次クラッディング断面および屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２を選択することによって防止される請求項６０に記載の方法。
【請求項６３】
前記クラッディングはさらに、外側クラッディング断面とｎ３＜ｎ２であるような屈折率ｎ３とを有する外側クラッディングを備える請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
Ｓバンドの波長の光源であって、
ａ）ファイバであって、
１）エルビウムが添加されておりかつコア断面および屈折率ｎ０を有するコアと、
２）前記コアを囲繞している、デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングと、
３）前記デプレスト・クラッディングを囲繞している、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングと
を有するファイバと、
ｂ）前記コア内に含有された前記エルビウムが前記Ｓバンドにおいて正の利得を示しかつ前記Ｓバンドと比べてより長い長波長バンドにおいて高い利得を示すように、前記エルビウムを高い相対反転Ｄまで励起するための励起光源とからなると共に、
前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、および前記屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は、前記長波長バンドにおける前記高い利得に少なくとも匹敵する損失と、前記Ｓバンドにおける前記正の利得と比べて実質的により小さい損失とを生成させるように選択されている光源。
【請求項６５】
前記光の出力波長を選択するための波長選択手段をさらに備える請求項６４に記載の光源。
【請求項６６】
前記波長選択手段は波長選択用フィードバック・メカニズムからなる請求項６５に記載の光源。
【請求項６７】
前記波長選択用フィードバック・メカニズムはファイバ・ブラッグ回折格子からなる請求項６６に記載の光源。
【請求項６８】
前記波長選択手段は、傾斜型エタロン、歪みチューニング・ファイバ・ブラッグ回折格子、温度チューニング・ファイバ・ブラッグ回折格子、干渉計、アレイ導波路回折格子、回折格子、およびチューナブルな結合キャビティ反射体からなる群より選択されたフィルタからなる請求項６５に記載の光源。
【請求項６９】
前記波長選択手段は前記高い相対反転Ｄをチューニングするための励起光源調整器からなる請求項６５に記載の光源。
【請求項７０】
前記波長選択手段は前記ファイバのコイル状直径からなる請求項６５に記載の光源。
【請求項７１】
前記コイル状直径は連続的に可変である請求項７０に記載の光源。
【請求項７２】
前記ファイバをシーディングするためのマスタ発振器をさらに備える請求項６４に記載の光源。
【請求項７３】
前記マスタ発振器は、分散型フィードバック・レーザ、ファブリー・ペロ・レーザ、外部キャビティ・ダイオード・レーザ、分散型ブラッグ反射体レーザ、垂直キャビティ表面放出レーザ、半導体レーザ、ファイバ・レーザ、幅広バンド光源からなる群より選択された光源である請求項７２に記載の光源。
【請求項７４】
前記ファイバは、
ａ）第１のコイル状直径を有する第１の区画と、
ｂ）前記第１のコイル状直径と比べてより大きな第２のコイル状直径を有する第２の区画と、
からなる請求項６４に記載の光源。
【請求項７５】
前記第１の区画は、前記第２の区画をシーディングするために前記第２の区画の前に位置決めされている請求項７４に記載の光源。
【請求項７６】
前記第１の区画と前記第２の区画の間に装着したアイソレータをさらに備える請求項７５に記載の光源。
【請求項７７】
前記ファイバは、
ａ）前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、および前記屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２が第１のカットオフ波長λｃ１を生成させるように選択されている区画である第１の区画と、
ｂ）前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、および前記屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２が前記第１のカットオフ波長λｃ１と比べてより長い第２のカットオフ波長λｃ２を生成させるように選択されている区画である第２の区画と、
からなる請求項６４に記載の光源。
【請求項７８】
前記第１の区画は前記第２の区画をシーディングするために前記第２の区画の前に位置決めされている請求項７７に記載の光源。
【請求項７９】
前記第１の区画と前記第２の区画の間に装着したアイソレータをさらに備える請求項７８に記載の光源。
【請求項８０】
前記励起光源は約９８０ｎｍで励起光を提供するレーザ・ダイオードからなる請求項６４に記載の光源。
【請求項８１】
前記ファイバを収容している光学的キャビティをさらに備える請求項６４に記載の光源。
【請求項８２】
前記光学的キャビティはリング状キャビティである請求項８１に記載の光源。
【請求項８３】
Ｓバンドの波長の光を発生させるための方法であって、
ａ）エルビウムが添加されておりかつコア断面および屈折率ｎ０を有するコアを有するファイバを設ける工程と、
ｂ）デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングによって前記コアを囲繞する工程と、
ｃ）２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングによって前記デプレスト・クラッディングを囲繞する工程と、
ｄ）前記コア内に包含された前記活性物質が前記Ｓバンドにおいて正の利得を示し、かつ前記Ｓバンドと比べてより長い長波長バンドにおいて高い利得を示すように前記活性物質を高い相対反転Ｄまで励起させる工程とを含むと共に、
前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、および前記屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は前記長波長バンドにおける前記高い利得に少なくとも匹敵する損失および前記Ｓバンドにおける前記正の利得と比べて実質的により小さい損失を生成するように選択されている方法。
【請求項８４】
前記励起工程は後方励起（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  ｐｕｍｐｉｎｇ）の工程を含む請求項８３に記載の方法。
【請求項８５】
前記ファイバをシーディングする工程をさらに含む請求項８３に記載の方法。
【請求項８６】
前記ファイバは第１の区画および第２の区画からなると共に、前記第１の区画によって前記第２の区画をシーディングする工程を含む請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記励起はパルス式モードで実行されている請求項８３に記載の方法。
【請求項８８】
前記Ｓバンドの前記光は前記Ｓバンドの外部の光と合成されている請求項８３に記載の方法。
【請求項８９】
ａ）コア断面および屈折率ｎ０を有するコアと、
ｂ）前記コア内に添加されるツリウムであるとした活性物質と、
ｃ）前記コアを囲繞している、デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングと、
ｄ）前記デプレスト・クラッディングを囲繞している、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングと、
ｅ）前記活性物質が短波長バンドにおいて正の利得を示しかつ長波長バンドにおいて高い利得を示すように前記活性物質を高い相対反転Ｄまで励起させるための励起光源とからなるファイバ増幅器であって、
前記コア断面、前記デプレスト・クラッディング断面、および前記屈折率ｎ０，ｎ１およびｎ２はカットオフ波長λｃの周囲にロールオフ損失曲線が生成されるように選択されており、前記ロールオフ損失曲線は、前記長波長バンドにおける前記高い利得に少なくとも匹敵する損失と前記短波長バンドにおける前記正の利得と比べて実質的により小さい損失とを生じさせているファイバ増幅器。
【請求項９０】
前記短波長バンドはＬバンドである請求項８９に記載のファイバ増幅器。
【請求項９１】
前記短波長バンドは１．６μｍと１．８μｍの間である請求項８９に記載のファイバ増幅器。
【請求項９２】
前記長波長バンドは１．７μｍと２．１μｍの間である請求項８９に記載のファイバ増幅器。
【請求項９３】
前記カットオフ波長は約１．７から１．９μｍまでである請求項８９に記載のファイバ増幅器。
【請求項９４】
前記励起光源は少なくとも３０ｍＷの強度を有する励起放射を提供する請求項８９に記載のファイバ増幅器。
【請求項９５】
前記励起光源は約１．４８から１．５μｍまでの励起放射を提供しているレーザ・ダイオードである請求項８９に記載のファイバ増幅器。
【請求項９６】
前記励起光源は少なくとも１００ｍＷの強度を有する励起放射を提供する請求項９５に記載のファイバ増幅器。
【請求項９７】
前記ファイバはケイ酸塩含有ガラスからなる請求項８９に記載のファイバ増幅器。
【請求項９８】
前記ケイ酸塩含有ガラスは、アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスおよびリン添加ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスからなる群より選択されている請求項９８に記載のファイバ増幅器。
【請求項９９】
前記コア断面および前記デプレスト・クラッディング断面は、円、楕円および多角形からなる形状から選択される請求項８９に記載のファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にはＷ字型分布（Ｗ−ｐｒｏｆｉｌｅ）を有するファイバ増幅器に関し、また詳細には、デプレスト・クラッディングならびにＣバンドおよびＬバンドの増幅された自然放出光（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＳＥ）の分散式抑制を備えたＳバンドＥｒ添加ファイバ増幅器と、Ｌバンドにおける増幅のためのＴｍ添加ファイバ増幅器と、これらのファイバを製作するための方法と、これらのファイバ増幅器を設計するための方法と、Ｓバンドにおいて幅広バンドおよび幅狭バンドの光を発生させるためにこうしたファイバ増幅器を利用している光源とに関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路は、ある波長領域内に制御された方式で包含されている様々なモードおよび偏波状態の光を導くように設計されている。シングルモードの光ファイバは光を長い距離伝達するための最も一般的な導波路である。拡散式導波路、イオン交換式導波路、ストリップロード式導波路、平面状導波路、およびポリマー導波路などの別の導波路は、光を短い距離にわたって導くため、特に異なる波長をもつ光の合成または分離、非線形光学材料内での光学周波数混合、光の変調、ならびに多くの機能および操作のある狭いスペース内への組み込みのために一般に使用されている。
【０００３】
本質的には導波路は光ファイバ内において、通常クラッディングと呼ばれる、より低い屈折率の材料または構造内に埋め込まれた、通常コアと呼ばれる高屈折率材料であり、これによって受光円錐の内部にある高屈折率材料内に入射した光は一般にこの内部を通って伝播するように閉じこめられる。この閉じこめは、高屈折率と低屈折率の材料間の界面の位置においてこの光が高屈折率材料内に戻されるように全反射（ＴＩＲ）を受けるために達成される。
【０００４】
ファイバ増幅器の動作性能は、励起効率、活性コア内のイオンの密度反転（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）のレベル、有効な増幅済み信号と競合する増幅された自然放出光（ＡＳＥ）、活性コアおよび活性コアを囲繞するクラッディングの断面および屈折率、を含む多くのパラメータに応じて異なる。多くのファイバ増幅器では、ＡＳＥが所望の信号の効率的な増幅に対する主たる障害であり、したがってＡＳＥを抑制しなければならない。
【０００５】
長い距離を伝送するために光学信号を増幅する問題は、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の開発によって有効に対処することが可能となった。ＥＤＦＡは、希土類元素エルビウムのイオン化原子（Ｅｒ３＋）を添加したコアを有するある長さのシリカ・ファイバからなる。このファイバは、９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの波長のレーザを用いて励起（ｐｕｍｐ）される。添加され、励起されたファイバは、伝送ファイバと光学的に結合され、これによってその入力信号を添加を受けたファイバ内の励起信号と合成することができる。アイソレータは一般に、増幅器をレーザに変換させてしまうことになる反射を防止するために入力および／または出力の位置において必要となる。初期のＥＤＦＡは、５ｄＢ未満の雑音指数を有する１５３０から１５６５ｎｍまで間に及ぶＣバンドにおいて３０から４０ｄＢの利得が可能であった。最近では、Ｌバンド（１５６５から１６２５ｎｍ）、ならびにＣバンドにおいて２５ｄＢの利得が可能なＥＤＦＡが開発されている。
【０００６】
電気通信工業界では、従来のＣバンドおよびＬバンドのＥＤＦＡで達成可能な波長と比べてより短い波長を有する光学スペクトル領域を利用することに多大な関心がある。「Ｓ
バンド」または「ショートバンド（ｓｈｏｒｔ−ｂａｎｄ）」と呼ぶことが一般的であるこの波長領域は、好ましい増幅器技術に関するコンセンサスが存在しないため、定義がはっきりとしていない。しかし、一般にＳバンドは、約１４２５ｎｍと約１５２５ｎｍの間の波長にわたるものと考えられている。
【０００７】
ＥＤＦＡにおいて典型的に観測されるＳバンドの利得は、活性エルビウム・イオンの不完全反転を含むいくつかの要因によって、ならびに１５３０ｎｍ近傍の高い利得ピークからの増幅された自然放出光（ＡＳＥ）またはレーザ発振によって制限を受ける。残念ながら、目下のところ、ＥＤＦＡにおいて１５３０ｎｍ以上の長さの波長のＡＳＥを抑制するための効率のよいメカニズムは存在しない。
【０００８】
大部分の導波路は、エバネッセント波アウトカップリング（トンネル現象）、散乱、屈曲損失および漏洩モード損失などのメカニズムを介して入射した光がアウトカップリングしないように設計されている。これらのメカニズムの一般的な研究は、エル・ジー・コーエンら（Ｌ．Ｇ．Ｃｏｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．）、「Ｒａｄｉａｔｉｎｇ  Ｌｅａｋｙ−Ｍｏｄｅ  Ｌｏｓｓｅｓ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ−Ｉｎｄｅｘ  Ｃｌａｄｄｉｎｇｓ」（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．ＱＥ−１８、Ｎｏ．１０、１９８２年１０月、１４６７〜７２頁）などの文献中に見いだすことができる。この参考文献において、この著者らはデプレスト型クラッドファイバとも呼ばれる、屈折率のある変動を伴うクラッディングを用いた、より複雑なライトガイド内での光の伝播について記載している。
【０００９】
エル・ジー・コーエンら（Ｌ．Ｇ．Ｃｏｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．）は、クラッディング分布を変化させることによって、低い損失を維持すると同時に、導波モードに関する様々な品質パラメータを改善させることが可能であることを教示している。さらに、彼らは、デプレスト屈折率クラッディングによって基本モードに対して長波長において高い損失が生じることを観測している。さらにまた彼らは、高い屈折率のコア、低い屈折率の内側クラッディングおよび中間的な屈折率の外側クラッディングを有するＷ字型分布ファイバは、コアからの基本モードの損失がそれより上の周波数で上昇するようなあるカットオフ波長を有することを確認している。これらの損失は、非常に高い減衰率を生成せず、また実際に、この著者らは、損失を低下させる方法を示唆するために、このカットオフ波長の近傍でのファイバの導波挙動に関して研究している。
【００１０】
米国特許第５，８９２，６１５号および同第６，１１８，５７５号は、エル・ジー・コーエン（Ｌ．Ｇ．Ｃｏｈｅｎ）によって記載されたファイバと同様のＷ字型分布ファイバ、または不用な周波数を抑制しこれによりクラッディング励起レーザにおいてより高い出力パワーを達成するためのＱＣファイバの使用について教示している。こうしたファイバは当然、上で検討したように長波長において光を漏洩させており、また他のファイバと比べて屈曲に対する影響をより受けやすい。実際に、屈曲があると、その曲率によって、ＷまたはＱＣファイバが全反射によって光を導波させる能力が損なわれる。波長が長いほど、そのエバネッセント場がファイバのコアから出てそれだけより深くまで貫通することになり、さらにその波長の光が屈曲したファイバのコアから失われる可能性がより高くなる。したがって、ファイバの屈曲によって、ラマン散乱された波長などの好ましくないより低い周波数（より長い波長）が１メートルあたり数百ｄＢの割合でカットオフされる。
【００１１】
しかしながら、分布型ファイバを屈曲させることは、明確なカットオフ損失を達成させるための制御可能かつ再生可能な方式ではない。ある特定の曲率を達成させるためには、たとえばファイバをちょうど適正な半径のスプールの周りに巻き付けることによってファイバを屈曲させなければならない。異なる時点で製造された異なるファイバは、その屈折
率分布、ならびにコアおよびクラッディングの厚さに変動が生じている。したがって、そのファイバに関する適正な曲率半径は、ファイバごとに異なることになる。したがって、高い減衰率を得るためのこの方式は製造の観点から実際的でない。
【００１２】
さらに、Ｓバンドにわたる比較的高い吸収損失および低い利得は、Ｓバンドで信号を増幅するＥＤＦＡの生産に関するファイバおよびファイバ分布の選択を非常に困難にさせている。実際に、これらの問題は極めて厳しいものであるため、従来技術では、ＳバンドのＥＤＦＡを生産するためのＥＤＦＡの区画間に外部フィルタを介在させることを教示している。
【００１３】
たとえば、イシカワら（Ｉｓｈｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．）は、イシカワら（Ｉｓｈｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．）の「Ｎｏｖｅｌ  １５００  ｎｍ−Ｂａｎｄ  ＥＤＦＡ  ｗｉｔｈ  ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｒａｍａｎ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」（ＥＣＯＣ−２００１、Ｐｏｓｔ  Ｄｅａｄｌｉｎｅ  Ｐａｐｅｒ）において、５段のシリカベースＥＤＦＡと４つのＡＳＥ抑制用フィルタをカスケード構成させることによってＳバンドＥＤＦＡを製作する方法を開示している。イシカワら（Ｉｓｈｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．）の実験的設定では、各ＥＤＡの長さは４．５メートルである。１．５３μｍにおける各抑制用フィルタの吸収は約３０ｄＢであり、また１．４８μｍおよび０．９８μｍにおける各抑制用フィルタの挿入損失はそれぞれ約２ｄＢおよび１ｄＢである。この励起構成は、Ｄ≧０．７（ここで、Ｄは相対反転を指す）を超える高密度の反転を維持するために０．９８μｍの波長を使用している双方向性である。前進方向および後退方向の励起パワーは同じであり、また全励起パワーは４８０ｍＷである。イシカワら（Ｉｓｈｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．）は、１５１８．７ｎｍにおいて９ｄＢの利得傾斜を伴う２５ｄＢの最大利得を示している。
【００１４】
同じ趣旨で、ペインら（Ｐａｙｎｅ  ｅｔ  ａｌ．）に対する米国特許第５，２６０，８２３号は、利得整形フィルタを用いた整形型スペクトル利得を有するＥＤＦＡについて教示している。この発明者らは、単にあるフィルタをそのファイバの終端に配置させるのではなく、ＥＤＦＡの長さ方向に多数の利得整形フィルタを介在させるようにＥＤＦＡを分散させることを利用している。幅広バンドの光学増幅器において離散的な箇所で多数のフィルタを使用する方式のさらに別の例は、米国特許第６，０４９，４１７号においてシュリバスタバら（Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ  ｅｔ  ａｌ．）によって教示されている。この方式では、その増幅器は、その光学信号がいくつかの独立のサブバンドに分割され、次いでこれを並列に光学増幅器の別々の分岐に通過させているような分割バンド式アーキテクチャを利用している。各分岐のこの増幅動作特性はその分岐を横断するサブバンドごとに最適化される。
【００１５】
しかしながら、これら従来の方法では多数のフィルタが必要であるため、これらの方法は複雑でありかつ費用対効果が高くない。具体的には、イシカワら（Ｉｓｈｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．）のケースでは、５つのＥＤＦＡ、４つのＡＳＥ抑制用フィルタおよび高い励起電力が必要である。さらに、いずれかの方法によって使用されるＡＳＥ抑制用フィルタによっても、それぞれ１〜２ｄＢの追加的な挿入損失が導入される。したがって、追加される全挿入損失は約４〜８ｄＢとなる。
【００１６】
Ｓバンドにおける増幅を提供するための別の方式は、フッ化物ファイバコア（ＴＤＦＡ）内に添加するレーザ発振媒体（ｌａｓｉｎｇ  ｍｅｄｉｕｍ）としてツリウムを使用しているファイバ増幅器に焦点を当てている。たとえば、タダシ・カサマツら（Ｔａｄａｓｈｉ  Ｋａｓａｍａｔｓｕ  ｅｔ  ａｌ．）による「Ｇａｉｎ−Ｓｈｉｆｔｅｄ  Ｄｕａｌ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｐｕｍｐｅｄ  Ｔｈｕｌｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ−Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  ＷＤＭ  Ｓｉｇｎａｌｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  １．４８−１．５１−μｍ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｒｅｇｉｏｎ」（ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．１、２００１年１月、３１〜３３頁）、ならびにその参考文献を参照されたい。ＴＤＦＡを用いることによって妥当な光学的動作性能が得られているが、この動作性能は複雑な非標準的な励起法および／または高価な励起法を使用した場合にのみ可能である。さらに、ＴＤＦＡでは、そのフッ化物ファイバ・ホスト材料に固有の問題、すなわち高いファイバ・コスト、信頼度の低さ、ならびに増幅器システムのどこか別の箇所に使用される標準のシリカ・ファイバに対するスプライシング（ｓｐｌｉｃｉｎｇ）の困難さを伴う。
【００１７】
希土類添加のファイバ増幅器ならびにカスケード型の増幅器すなわち後ろに増幅器を従わせる前置増幅器に基づいた増幅システムを生産するためのさらに別の方式は、ワーツら（Ｗａａｒｔｓ  ｅｔ  ａｌ．）に対する米国特許第５，８６７，３０５号、同第５，９３３，２７１号および同第６，０８１，３６９号、ならびにハーターら（Ｈａｒｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）に対する米国特許第５，６９６，７８２号に記載されている。これらの特許における教示は、高いエネルギーレベルにおいて高い電力のパワーパルスを導出することに焦点を当てている。これらの特許に記載されている増幅器は、Ｓバンドに関する幅広バンドや幅狭バンドの光源を生産するためには適当ではない。
【００１８】
Ｗ字型分布ファイバにおいて高い減衰率を得ること、ならびにＳバンドで信号を増幅するＥＤＦＡの生産に関するファイバおよびファイバ分布の選択に関する上述の問題点について、より最近の従来技術は、ＥＤＦＡなどのファイバ増幅器でカットオフ波長と比べてより長い波長におけるＡＳＥの分散式抑制を教示している。この教示は、Ｗ字型分布屈折率の使用を含む、コアおよびクラッディング層に関する屈折率分布および断面を含むファイバ・パラメータを設計することによって達成される。この方式は、上で言及した米国特許出願第１０／０９５，３０３号でより詳細に検討されている。
【００１９】
ＡＳＥの抑制はカットオフ波長と比べてより長い波長において有効であるが、ＥＤＦＡの断面によってカットオフ波長未満の波長においてコアとクラッディングの間で放射の結合が可能となる。クラッディング・モード共鳴とも呼ばれるこの効果によって、アーチファクト、すなわちその信号を増幅させようとする場所にあたる関心対象の短波長領域においてクラッディング・モードの結合損失が生じる。クラッディング・モードの結合損失に関する全般的な検討のためには、読者はアキラ・トミタら（Ａｋｉｒａ  Ｔｏｍｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．）による「Ｍｏｄｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｌｏｓｓ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ  Ｉｎｎｅｒ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．ＬＴ−１、Ｎｏ．３、１９８３年９月、４４９〜４５２頁）を参照されたい。
【００２０】
クラッディング・モード損失は、ファイバ・ブラッグ回折格子で生じる問題の１つである。その解決法の１つは、バーティアら（Ｂｈａｔｉａ  ｅｔ  ａｌ．）に対する「Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ  Ｍｏｄｅ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ」と題する米国特許第６，３５１，５８８号の教示のように、クラッディング・モード損失を抑制するためにコア内の感光性領域をコアを越えるように拡張させることである。ドンら（Ｄｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）に対する米国特許第６，００９，２２２号も、コア・モードおよびクラッディング・モードを閉じこめ、これによりそのオーバーラップおよび結合を低下させるためにＷ字型分布屈折率を利用するように教示している。クラッディング・モード損失を抑制するためのコア・モードの閉じこめに対する関連する代替方法は、ハガンズら（Ｈａｇｇａｎｓ  ｅｔ  ａｌ．）に対する米国特許第５，８５２，６９０号、ならびにシングら（Ｓｉｎｇｈ  ｅｔ  ａｌ．）に対する米国特許第６，００５，９９９号に見られる。
【００２１】
しかしながら、クラッディング・モード損失の抑制、およびファイバ・ブラッグ回折格
子内のクラッディング・モード共鳴の防止に関して有用な方式は、ファイバ増幅器に適用することは不可能である。これは、ファイバ・ブラッグ回折格子とＡＳＥの分散式抑制を伴うファイバ増幅器との間における、製作、構造ならびに動作パラメータの基本的な違いによるものである。
【００２２】
カットオフ波長と比べてより短い波長においてクラッディング・モード共鳴またはコアとクラッディングの間での放射の結合を抑制することが可能であるような、カットオフ波長と比べてより長い波長におけるＡＳＥの分散式抑制を伴うファイバ増幅器に対する要求が存在することは明らかである。そのカットオフ波長未満の波長がＳバンド内に包含されている場合にこれらの能力を備えたＥＤＦＡを提供し得ると特に有用となる。さらに、励起パワーが低くかつ外部フィルタを必要とせずにＳバンドにわたって正味利得を示すファイバ増幅器を提供し得ると当技術分野における１つの進歩となる。詳細には、ファイバ増幅器の全体長にわたり、ＣバンドおよびＬバンドにおいて、すなわち実質的に１５３０ｎｍ以上の長さの波長において分散式ＡＳＥ抑制を伴うＥＤＦＡを提供し得ると１つの進歩となる。さらに、Ｓバンドにわたって正味利得を有するようなファイバ増幅器、ならびに光学コンポーネントの試験、光学コンポーネントの動作性能の計測、およびＳバンドにおける信号の生成のために使用することが可能なこうしたファイバ増幅器を利用する信頼性が高い幅狭バンドおよび幅広バンドの光源を設計する方法を提供し得ると、当技術分野における歓迎すべき１つの進歩となる。
【特許文献１】米国特許第５，８９２，６１５号
【特許文献２】米国特許第６，１１８，５７５号
【特許文献３】米国特許第５，２６０，８２３号
【特許文献４】米国特許第６，０４９，４１７号
【特許文献５】米国特許第５，８６７，３０５号、
【特許文献６】米国第５，９３３，２７１号
【特許文献７】米国第６，０８１，３６９号、
【特許文献８】米国特許第５，６９６，７８２号
【特許文献９】米国特許第６，３５１，５８８号
【特許文献１０】米国特許第６，００９，２２２号
【特許文献１１】米国特許第５，８５２，６９０号、
【特許文献１２】米国特許第６，００５，９９９号
【非特許文献１】Ｌ．Ｇ．Ｃｏｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｒａｄｉａｔｉｎｇ  Ｌｅａｋｙ−Ｍｏｄｅ  Ｌｏｓｓｅｓ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ−Ｉｎｄｅｘ  Ｃｌａｄｄｉｎｇｓ」（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．ＱＥ−１８、Ｎｏ．１０、１９８２年１０月、１４６７〜７２頁）
【非特許文献２】Ｉｓｈｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｎｏｖｅｌ  １５００  ｎｍ−Ｂａｎｄ  ＥＤＦＡ  ｗｉｔｈ  ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｒａｍａｎ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」（ＥＣＯＣ−２００１、Ｐｏｓｔ  Ｄｅａｄｌｉｎｅ  Ｐａｐｅｒ）
【非特許文献３】Ｔａｄａｓｈｉ  Ｋａｓａｍａｔｓｕ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｇａｉｎ−Ｓｈｉｆｔｅｄ  Ｄｕａｌ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｐｕｍｐｅｄ  Ｔｈｕｌｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ−Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  ＷＤＭ  Ｓｉｇｎａｌｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  １．４８−１．５１−μｍ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｒｅｇｉｏｎ」（ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．１、２００１年１月、３１〜３３頁）、
【非特許文献４】Ａｋｉｒａ  Ｔｏｍｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｍｏｄｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｌｏｓｓ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ  Ｉｎｎｅｒ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．ＬＴ−１、Ｎｏ．３、１９８３年９月、４４９〜４５２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明の主たる目的は、長波長バンドにおいては任意の高い利得を超える損失を生じさせ、かつ同時に短波長バンドにおいては任意の正の利得と比べて実質的により小さい損失を生じさせるファイバ増幅器を提供することである。詳細には、本発明の目的の１つは、長波長バンドをＣバンドおよびＬバンドとしかつ短波長バンドをＳバンドとするＥｒ添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を提供することである。より具体的には、このＥＤＦＡは、概ね１５２５ｎｍ以上の増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を抑制し、かつＳバンドにわたって少なくとも１５ｄＢの正の利得を保証することができる。
【００２４】
本発明の目的の１つは、Ｗ字型分布（すなわち、デプレスト・クラッディング）ファイバにおいてこうしたファイバ増幅器を提供すること、ならびにこのファイバの屈折率分布を用いて外部フィルタを不要とさせると共にロールオフ損失曲線を制御することによって必要とする励起パワーを低下させることである。
【００２５】
本発明の別の目的は、あるカットオフ波長より上では、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を分散抑制し、かつ、カットオフ波長と比べてより短い波長ではクラッディング・モード損失を抑制するファイバ増幅器を提供することである。詳細には、本発明の目的の１つは、これらの機能を有するエルビウム添加のファイバ増幅器を提供することである。
【００２６】
本発明のまた別の目的は、デプレスト・クラッディングの幾何学構成を使用してカットオフ波長および関連するロールオフ損失曲線を規定しているショートパス・ファイバを提供することである。詳細には、本発明は、希土類イオンなどの活性物質を含む様々なタイプの添加剤を含むファイバを延伸（ｄｒａｗｉｎｇ）するための高信頼の方法を提供する。
【００２７】
本発明の別の目的は、Ｅｒ添加ファイバまたはエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を備えた、Ｓバンド波長の高信頼の幅狭バンド光源および幅広バンド光源を提供することである。
【００２８】
本発明のさらに別の目的は、約１．６μｍから約１．７μｍの領域においてその最も強い利得を有するツリウム添加のシリカ・ファイバを提供することである。
本発明に関するこれら利点ならびにその他の多くの利点は、以下の説明を読むことによって明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の目的および利点は、ネオジム、エルビウムまたはツリウム・イオンなどの活性物質を添加したコアを有するＷ字型分布ファイバを使用してＳバンドの波長の光を発生させる光源によって達成される。このファイバコアは、ある断面および屈折率ｎ０を有している。光（たとえば、情報を伝達する任意の光ビーム）を増幅するために、このコア内には活性物質またはレーザント（ｌａｓａｎｔ）が添加されている。このファイバのコアは、デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングによって囲繞されている。さらに、このファイバは、デプレスト・クラッディングを囲繞している２次クラッディングを有している。この２次クラッディングは、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有している。１実施形態では、コア内に含有させたエルビウムを高い相対反転Ｄまで励起させ、そのエルビウムがＳバンドにおいて正の利得を示しかつＳバンドと比べてより長い長波長バンドにおいて高い利得を示すようにするために励起光源を設けている。コア断面、デプレスト・クラッディング断面、および屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は、長波長バンドにおける高い利得に少なくとも匹敵する損失、ならびに
Ｓバンドにおける正の利得と比べて実質的により小さい損失を生成するように選択されている。
【００３０】
別の実施形態では、コア断面、デプレスト・クラッディング断面、および屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は、カットオフ波長λｃの周囲にロールオフ損失曲線が得られるように選択されている。ロールオフ損失曲線は、長波長バンドにおける高い利得に少なくとも匹敵する損失と短波長バンドにおける正の利得と比べて実質的により小さい損失とを生じさせている。
【００３１】
所望のロールオフ損失曲線を得るためには、コアの屈折率ｎ０は、導波を受ける放射モード（たとえば、カットオフ波長と比べてより短い波長における基本モード）により得られる実効屈折率ｎｅｆｆが大きくなるように選択されている。詳細には、屈折率ｎ０は、閉じこめモード（ｃｏｎｆｉｎｅｄ  ｍｏｄｅ）によって得られる実効屈折率ｎｅｆｆの傾斜が最大化され、これによってロールオフ損失曲線のロールオフ傾斜がカットオフ波長λｃの手前で最大化されるように選択されている。屈折率ｎ０は、実効屈折率ｎｅｆｆの傾斜が０．００２／１００ｎｍから０．００８／１０００ｎｍまでの範囲となるように選択されることが好ましい。別の好ましい実施形態では、そのコアの屈折率ｎ０は、ロールオフ損失曲線のロールオフ傾斜が利得・スペクトルの最大傾斜と比べてより大きいか概ね等しくなるように選択されている。この実施形態では、分散損失が長波長バンド内のすべての波長に関してその利得を超えているが、その利得は短波長バンド内のすべての波長に関してその分散損失を超えるようにしてカットオフ波長を選択することが可能である。
【００３２】
ロールオフ損失曲線の設計に応じて、カットオフ波長λｃは、長波長バンド内、または短波長バンド内、もしくはこれら短波長バンドと長波長バンドの間に包含させることが可能である。
【００３３】
断面（すなわち、半径）の選択、ならびに屈折率の選択は、半径または屈折率の比を確定させるように実施するのではなく、これらの間の絶対差を定着させるように実施することが重要である。したがって、コアの屈折率ｎ０は２次クラッディングの屈折率ｎ２から約０．００５から約０．０３までだけ異ならせることが好ましい。さらに、デプレスト・クラッディングの屈折率ｎ１は、２次クラッディングの屈折率ｎ２から約−０．００４から約−０．０２までだけ異ならせるとよい。
【００３４】
好ましい実施形態では、そのファイバ増幅器は活性物質としてＥｒを使用している、すなわち、そのファイバ増幅器は濃度が０．１％ｗｔのＥｒを添加したＥｒ添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。このケースでは、短波長バンドがＳバンドの少なくとも一部分となるように選択され、かつ長波長バンドがＣバンドおよび／またはＬバンドの少なくとも一部分となるように選択されることがさらに好ましい。さらに、カットオフ波長λｃは、この実施形態では概ね１５２５ｎｍとすると有利である。このファイバ増幅器で使用されるホスト材料は、アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスまたはリン添加のゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスなどのケイ酸塩含有ガラスであることが好ましい。
【００３５】
Ｅｒイオンの密度を反転させるための励起放射を提供する励起光源は、適当な任意の励起光源とすることが可能である。たとえば、この励起光源は、約９８０ｎｍで励起放射を放出するレーザ・ダイオードである。約９８０ｎｍで励起放射を送出するような別の光源を使用することも可能である。励起はコア内励起（ｉｎ−ｃｏｒｅ  ｐｕｍｐｉｎｇ）であることが好ましい。
【００３６】
本発明のファイバ増幅器は、様々な断面プロフィールのファイバで使用することができる。たとえば、そのコア断面は円形、楕円形、多角形、あるいはさらに複雑な別の形状を
有することができる。デプレスト・クラッディング断面に関しても同じことが当てはまる。円形の断面は、ファイバ増幅器によって選択的偏波（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の増幅を行わせない場合に使用することができる。楕円形の断面は、直交偏波にわたる増幅中にある特定の偏波を維持しようとする場合に使用することができる。
【００３７】
ファイバ増幅器を適正に動作させるためには、その励起光源が高い相対反転Ｄ（具体的には、Ｄ≧０．７）を保証するだけの十分な強度で励起放射を提供することが重要である。このことは、その活性物質がＥｒであるような好ましい実施形態において特に重要となる。
【００３８】
本発明に従って設計されたファイバ増幅器は、増幅しようとする信号をその内部に包含している短波長バンドに隣接する長波長バンドにおいて高い利得が生成されるような任意の状況で使用することが可能である。これらの状況では、長波長バンドからのＡＳＥは、特に隣接する長波長バンドにおける高い利得と比較して低い場合において、短波長バンドにおける信号の増幅を阻害する傾向がある。この設計は、短波長Ｓバンドで信号を増幅するためのＥＤＦＡにおいて特に有用である。この目的のためには、そのカットオフ波長λｃは１５２５ｎｍに設定し、またそのロールオフ損失曲線は１５３０ｎｍの利得・ピークからのＡＳＥを抑制するためにＣバンドおよびＬバンドにおいて少なくとも１００ｄＢの損失を生じさせるように選択されることが好ましい。一方、そのロールオフ損失曲線はさらに、Ｓバンドにおいて、信号増幅に対応するためにＳバンドにおける正の利得と比べて少なくとも５ｄＢだけ、より小さい損失を生じさせるように調整されている。この関係によって、Ｓバンドにおける少なくとも５ｄＢの増幅が保証されることになる。
【００３９】
本発明の別の実施形態によれば、本方法に従って製作したいくつかのファイバ増幅器は、短波長バンド（たとえば、Ｓバンド）において信号を増幅するために使用することが可能である。ファイバ増幅器のそれぞれの長さＬは、Ｓバンドの別々の部分ごとに所望の量の利得が得られるように変更することが可能である。
【００４０】
いくつかの実施形態では、活性コアとクラッディングの間における結合を抑制するための仕組みは、クラッディング内に分散させた材料である。この材料は散乱材料または吸収材料とすることが可能である。たとえば、この吸収材料として希土類元素を使用することが可能である。
【００４１】
このクラッディングは、デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングと、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングとを有することが好ましい。この散乱または吸収材料は２次クラッディング内に分散させている。活性コア内を伝播する放射は、あるモード直径を有するモードを占有している。このモード直径は、活性コアからクラッディング内まで延びている。この材料は、この放射モード直径の外側に分散させることが重要である。
【００４２】
いくつかの実施形態では、活性コアとクラッディングの間における結合を抑制するための仕組みは、ファイバ増幅器内の非位相整合の長さ区画である。この非位相整合の長さ区画は、活性コアとクラッディングの間における放射の結合が位相整合しないように構築されている。これらの実施形態では、そのコアはコア断面および屈折率ｎ０を有しており、かつそのクラッディングはクラッディング断面および屈折率ｎｃｌａｄを有している。その非位相整合の長さ区画は、コア断面、クラッディング断面および屈折率ｎ０、ｎｃｌａｄに対する所定の選択によって形成されている。このクラッディングは、デプレスト・クラッディング断面および屈折率ｎ１を有するデプレスト・クラッディングと、２次クラッディング断面および屈折率ｎ２を有する２次クラッディングとを有することが好ましい。
この非位相整合の長さ区画は、断面および屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２に対する所定の選択によって形成されている。そのクラッディングは外側クラッディング断面および屈折率ｎ３を有する外側クラッディングを有していること、ならびにｎ３はｎ３＜ｎ２となるように選択されることがなお一層好ましい。
【００４３】
ファイバ増幅器は、その活性コア内に適当な任意の活性媒体を含有することが可能である。たとえば、この活性コアには、ネオジム、エルビウム、またはツリウムのイオンを添加することが可能である。エルビウムを使用する場合、そのファイバ増幅器はＥＤＦＡであり、また有利な実施形態の１つでは、そのカットオフ波長λｃは１５２５ｎｍの近傍に設定されている。したがって、このＥＤＦＡは９８０ｎｍの近傍の励起波長の放射を送出する励起光源によって励起を受ける。これらの条件下において、このＥＤＦＡはＳバンド領域に属する短波長領域で信号を増幅するために使用することが可能である。
【００４４】
別の例では、溶融シリカ・ファイバ内にツリウムを添加している。ツリウム・利得は典型的には１．９マイクロメートルの位置にあると考えられ、また実際にこれが利得のピークとなるが、その領域にわたって利得が可能となる波長領域は１．５マイクロメートルから２．１マイクロメートルまで拡がっている。典型的なツリウム励起波長は０．７８マイクロメートルである。しかし、ツリウムは１．４８マイクロメートルで励起することも可能であるが、非常に高い強度（恐らく、１００ｍＷ程度の高い強度）が必要となろう。１．４８マイクロメートルにおける１００ｍＷは、１４８０ｎｍおよびその近傍の波長で約５００ｍＷを有する市販の高品質ダイオードの励起を用いて容易に達成可能である。別の妥当な励起波長は、ワットオーダーまでの高パワーのソースが利用可能である１５３０ｎｍである。
【００４５】
利得断面、ならびにツリウム・イオンの上側レーザレベル寿命は、１．５マイクロメートル増幅器の製造に従来から使用されているエルビウム・イオンのものと同じである。したがって、利得のしきい値は同様であり、数ミリワットの励起パワーが必要となる。
【００４６】
ツリウム・イオンはエルビウム・イオンの場合と正確に同じ方法で、その利得領域の短波長端で使用することが可能である。強力な励起（３０ｍＷ程度）を用いて励起することによって、短波長であっても反転を達成することが可能となる。しかし、１．６マイクロメートルなどの短波長において高い利得を達成させる前に、１．９マイクロメートルの近傍に圧倒的な超蛍光（ｓｕｐｅｒｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）が存在することになる。
【００４７】
そのファイバが１．９マイクロメートルとこれより短い所望の動作波長との間の基本モード・カットオフを用いて設計されており、かつより長い波長における損失の増加がより大きな断面のために利得の増加を超えるようにそのカットオフを設計した場合に、このより短い波長における有用な増幅器を製造することが可能となる。この技法は、約１．６から１．８マイクロメートルの間の波長領域において有用な増幅器を構築することを可能にする。電気通信用のファイバはこの領域において極めて透過性が大きいため、この波長領域で機能する増幅器があると極めて望ましいものと期待される。
【００４８】
本発明によれば、ファイバ増幅器を、クラッディング・モード損失を抑制するように設計することが可能である。このことは、カットオフ波長λｃの設定のために活性コアおよびクラッディング内に適当な屈折率分布を確立させたファイバにおいて実現される。カットオフ波長λｃは、ファイバ増幅器がカットオフ波長λｃ未満の短波長領域において正の利得を示すように設定される。コアとクラッディングの間における短波長領域の放射の結合が抑制される。このことは、ファイバ増幅器のクラッディング内に放射を散乱または吸収する材料を分散させることによって達成される。この材料は、活性コアを通過して伝播する放射モード直径の外部に位置させることが好ましい。別の実施形態では、その結合は
、コアとクラッディングの間における放射の結合を位相整合させないようにした位相整合の防止によって抑制される。このことは、コアおよびクラッディングの断面および屈折率を本発明に従って設計することによって達成することが可能である。
【００４９】
その光源を幅狭バンド光源として使用する場合には、光の出力波長を選択するために波長選択用機構を設けている。この機構は、ファイバ・ブラッグ回折格子などのフィードバック機構とすることが可能である。別の実施形態では、その波長選択用機構は、傾斜型エタロン、歪みチューニング・ファイバ・ブラッグ回折格子、温度チューニング・ファイバ・ブラッグ回折格子、干渉計、アレイ導波路回折格子、回折格子およびチューナブル結合キャビティ反射体からなる群より選択されたフィルタである。別法として、またはフィードバック機構またはフィルタとの組み合わせによって、高い相対反転Ｄのチューニングのための追加的な励起光源調整器を出力波長の選択のために使用することが可能である。さらに別の代替形態、あるいは上述の機構または複数の機構との組み合わせによって、出力波長の選択のためにコイル状直径のファイバを使用することが可能である。このコイル状直径は、一定としたり、可変（たとえば、連続的に可変とすることが可能）としたりすることが可能である。
【００５０】
光源のファイバは、たとえば、所望の特定の狭い出力波長の光を発生させるためのレーザとしてそのファイバを動作させることが望ましいケースにおいて、光学的キャビティの内部に配置させることが可能である。このキャビティはリング状キャビティであることが好ましい。
【００５１】
この光源の１実施形態では、ファイバをシーディングするためにマスタ発振器を使用している。このマスタ発振器は、分散型フィードバック・レーザ、ファブリー・ペロ・レーザ、外部キャビティ・ダイオード・レーザ、分散型ブラッグ反射体レーザ、垂直キャビティ表面放出レーザ、半導体レーザ、ファイバ・レーザまたは幅広バンド光源などの適当な任意の光学的ソースとすることが可能である。
【００５２】
好ましい１実施形態では、そのファイバは２つの区画に分けられている。ファイバの第１の区画は第１のコイル状直径を有しており、また第２の区画は第１のコイル状直径と比べてより大きな第２のコイル状直径を有している。その放出スペクトルがより短い波長を中心としている第１の区画は、その放出スペクトルがより長い波長を中心としている第２の区画の手前に位置決めされている。この構成では、第１の区画からの出力を用いて第２の区画をシーディングしている。いくつかの実施形態では、これら２つの区画の間にアイソレータが装着されている。
【００５３】
別の実施形態では、第１の区画は、コア断面、デプレスト・クラッディング断面、および屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２によって第１のカットオフ波長λｃ１が生成されるように設計されている。一方、第２の区画のコア断面、デプレスト・クラッディング断面、および屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は、第１のカットオフ波長λｃ１と比べてより長い第２のカットオフ波長λｃ２が生成されるように設計されている。この実施形態では、第１の区画はより短い波長を中心とする放出スペクトルを生成しており、また第２の区画はより長い波長を中心とする放出スペクトルを生成している。この場合も、その第１の区画は第２の区画をシーディングするために第２の区画の手前に位置決めされている。この実施形態では、これら２つの区画の間にアイソレータを装着することが可能である。
【００５４】
ファイバのコア内でエルビウムを励起するための励起光源はレーザ・ダイオードであることが好ましい。たとえば、約９８０ｎｍで励起光を提供するレーザ・ダイオードを使用することが可能である。本発明の方法によれば、エルビウムを励起するためには後方励起の仕組みを用いることが好ましい。換言すると、その励起光出力光に対して後方伝播して
いる。
【００５５】
本発明の光源は、試験および計測の目的のため、ならびにＳバンドにおいて出力光を発生させる目的のために使用することが可能である。この光源は、所望により連続モードあるいはパルス式モードで動作させることが可能である。ファイバが発生させた出力光はさらに、Ｓバンドの外部の光（たとえば、ＣバンドやＬバンドの光）と合成させることも可能である。
【００５６】
本発明に関する詳細な説明、ならびに好ましい実施形態や代替的な実施形態について、添付の図面を参照しながら以下に提示することにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
本発明は、まず、図１〜４に示すようなデプレスト分布すなわちＷ字型分布のファイバ１０においてロールオフ損失曲線を生成させる原理を検討することによって最も適正な理解が得られよう。図１は、コア１２をデプレスト・クラッディング１４によって囲繞させて有するファイバ１０の断面の一部分を表した図である。デプレスト・クラッディング１４は２次クラッディング１６によって囲繞されている。コア１２は円形の断面を有しており、デプレスト・クラッディング１４および２次クラッディング１６も同様である。コア１２に関する領域Ｉは０≦ｒ≦ｒ０まで延びており、デプレスト・クラッディング１４および２次クラッディング１６はｒ０≦ｒ≦ｒ１およびｒ≧ｒ１の間に延びる領域ＩＩ、ＩＩＩを占有している。コア１２は屈折率ｎ０を有しており、デプレスト・クラッディング１４は屈折率ｎ１を有しており、また２次クラッディング１６は屈折率ｎ２を有している。ファイバ１０の部分断面の上側に配置したグラフは、ファイバ１０内のＷ字型分布を規定している平均屈折率分布２０を表している。本実施形態では、ファイバ１０はシングルモード・ファイバである。
【００５８】
ファイバ１０はコア１２内に添加させた活性物質１８を有している。活性物質１８は、長波長バンドにおいて高い利得を示しかつ短波長バンドにおいて正の利得を示すような、希土類イオンやその他任意のレーザントなどのレーザ発振媒体である。具体的には、高い相対反転Ｄまで励起させると、長波長バンドにおける活性物質１８の高い利得のために、レーザント１８の密度反転を低下させることによって短波長バンドにおける正の利得を低下させるような増幅された自然放出光（ＡＳＥ）またはレーザ発振が発生し、これによって短波長バンドにおいて信号を有効に増幅することが不可能となる。
【００５９】
図２は、通常の製造技法によって得られるようなＷ字型分布２０Ａを表している。本発明の目的のためには、半径方向で変化するコア１２の屈折率がｎ０に等しい平均値を有することで十分である。同様に、デプレスト・クラッディング１４および２次クラッディング１６の屈折率は値ｎ１およびｎ２に平均化されることで十分である。コア１２の平均屈折率ｎ０は、デプレスト・クラッディング１４の屈折率ｎ１および２次クラッディング１６の屈折率ｎ２と比べて十分に高くなっている。屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２および半径ｒ０、ｒ１、ｒ２に関して適当な値は、ファイバ１０に関して本発明が必要とするようなある導波特性が達成されるように選択される。具体的には、分布２０は、λｃと比べてより短い波長にある基本モードの光はコア１２内に保持される一方、波長λｃ以上の長い波長にある基本モードの光は２次クラッディング１６に対して短い距離で失われるような基本モード・カットオフ波長λｃを有するように設計されている。この目的は、Ｗ字型分布２０Ａを適当に設計することによって達成される。
【００６０】
ファイバ１０の基本モード・カットオフ波長λｃは、基本モード（ＬＰ０１モード）がコア１２内において低い損失から高い損失まで遷移する（すなわち、コア１２からカットオフされる）波長である。まず、ファイバ１０に関する基本モード・カットオフ波長λｃ
は、マクスウェルの方程式からの導出と同様にして、ファイバ１０の断面および屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２に関する選択法則に従って設定される。弱い導波近似（コア１２およびクラッディング１４、１６の屈折率のすべてが互いに比較的接近している場合に有効である近似）では、マクスウェルのベクトル方程式はスカラー方程式に置き換えることが可能である。スカラーΨは、ファイバ内の横断方向の電場強度を表している。より詳細な情報については、たとえば、ジー・アグロール（Ｇ．Ａｇｒａｗａｌ）「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ、Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ、１９９５）、Ｄ．Ｍａｒｃｕｓｅ「Ｌｉｇｈｔ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｏｐｔｉｃｓ」（Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ、Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ、１９７２）、ならびにディー・マルクーゼ（Ｄ．Ｍａｒｃｕｓｅ）「Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９７４）を参照されたい。
【００６１】
便宜上、次のようにパラメータを定義することにする。
【００６２】
【数１】
2005520326.tif 000003
ファイバ１０の内部のスカラー場Ψは、その解がベッセル関数および変形ベッセル関数であるような１つの波動方程式を満足する。ファイバ１０が対応する基本モードに関して、コア１２の内部では次式となる。
【００６３】
【数２】
2005520326.tif 000004
上式において、κは決定を要する１つの固有値であり、また、Ｊ０はゼロ次のベッセル関数である。
【００６４】
デプレスト・クラッディング１４の内部では、そのスカラー場Ψは次式となる。
【００６５】
【数３】
2005520326.tif 000005
上式において、ＡおよびＢは決定しようとする定数であり、β２＝（ｕ０２＋ｕ１２）（２π／λ）２−κ２であり、またＫ０およびＩ０は変形ベッセル関数である。ここで、λは光の真空波長である。
【００６６】
２次クラッディング１６では、次式を得ている。
【００６７】
【数４】
2005520326.tif 000006
ここで、Ｃは別の定数であり、またγ２＝ｕ０２（２π／λ）２−κ２である。Ａ、Ｂ、Ｃ、およびκは、Ψおよびその１次微分の両者がｒ０およびｒ１において連続であることを要求する境界条件を用いて見いだされる。
【００６８】
基本モード・カットオフ波長λｃはγ＝０となる波長λであることを示すことが可能である。（たとえば、コーエンら（Ｃｏｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．）のＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ＱＥ−１８（１９８２）、１４６７〜１４７２を参照されたい）。
【００６９】
さらに便宜的とするために、次のようにパラメータを定義することにする。
【００７０】
【数５】
2005520326.tif 000007
ここで、基本モード・カットオフ波長λｃはパラメータｘが決定された場合に決定することが可能である。パラメータｘは次式の平方根であるため、この決定は、当業者に周知の代数の支援を得て実施することが可能である。
【００７１】
【数６】
2005520326.tif 000008
パラメータｘに関しては留意すべきことが３つある。まず、ｓおよびρのすべての値に関してｘが存在する訳ではないことである。たとえば、
【００７２】
【数７】
2005520326.tif 000009
では（式６）を満足させるｘは存在しない。このことは、すべての波長がこの方式でコア１２内に導かれることを意味している。（式６）が解を有するか否かの判定基準は次式となる。
【００７３】
【数８】
2005520326.tif 000010
第２に、実際の応用例においてｘはあまり小さくすることは不可能である。その理由は、（式５）によってパラメータｘはコア１２の半径ｒ０に比例すること、またこの半径はコア１２を出入した光の結合を容易にするように十分に大きくしなければならないこと、のためである。（さらに、コア１２が小さいほど非線形効果がより強くなり、これは多くの場合に１つの欠点となる）。したがって、ｘ＝２πｕ０ｒ０／λｃであるため、ｘ≧１であることが好ましい。このことは、ρ≧０．２２４、すなわち屈折率に関しては
【００７４】
【数９】
2005520326.tif 000011
であることを意味している。
第３に、図７から、ｓの値がより大きいほど、ｘの値のｓに対する依存はごく弱いことは明らかである。したがって、この領域のパラメータ空間にあるファイバがあると、ｓに誤差を生じさせる製造欠陥があっても基本モード・カットオフ波長λｃの値に対する影響が小さいため有利となる。したがって、ｓ≧１＋１／ρの法則、すなわち屈折率に関しては次式を用いることが好都合である。
【００７５】
【数１０】
2005520326.tif 000012
コア１２の断面および屈折率、デプレスト・クラッディング１４、ならびに外側クラッディング１６の選択は、適当な基本モード・カットオフ波長λｃの設定に関する上述の法則によって導出される。まず、λｃは、たとえば、１５３０ｎｍに近い波長などに事前に選択し、次いでｕ０およびｒ０に関して都合のよい値を選択することが可能である。これらの選択に基づいて、ｘが（式５）から計算され、また都合よくｘ≧１とする（そうでない場合は、先の選択を調整することが可能である）。次いで、ｓおよびρに関する適当な値は（式６）を用いて見いだすことが可能である。ｓおよびρの値のある範囲によって所望のλｃが得られることになる。典型的には、ρのすべての値は０．２２４より大きい。さらに（式８）の法則を用いると、ｓおよびρの適当な値の範囲をさらに狭めることが可能である。
【００７６】
最後に、ｓおよびρの値はさらに別の制限を有している。すなわち、これらの値は、ファイバ１０のコア１２が波長λ＞λｃにおいてたとえば５ｄＢ／ｍまたさらには１００ｄＢ／ｍ以上の十分に大きな損失を有するようにして選択しなければならない。波長λ＞λｃにおける損失を見いだすためには、波長λ＞λｃを有する光に関するファイバ・モードが必要となる。
【００７７】
（式２）、（式３）および（式４）は、λ＜λｃの場合の基本モードを指定している。λ＞λｃの場合には、関数Ψは、２次クラッディング１６において指数関数的な減衰ではなく振動性となる。したがって、λ＞λｃの場合、（式４）は次式に置き換えている。
【００７８】
【数１１】
2005520326.tif 000013
上式において、Ｎ０（Ｙ０とも云う）はゼロ次のノイマン関数であり、ｑ２＝κ２−ｕ０２（２π／λ）２であり、またＣおよびＤは決定すべき定数である。
【００７９】
λ＞λｃに関するモードについては留意すべき主要項目が２つ存在する。まず、５つの未知数（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびκ）と、４つの境界条件（ｒ０およびｒ１におけるΨおよびｄΨ／ｄｒの連続性）が存在する。これらの式は制約が小さい、すなわちｘは、０と
【００８０】
【数１２】
2005520326.tif 000014
の間の任意の値となるように選択されることがある。したがって、κが取り得る値の連続性に対応して各λ＞λｃに関する状態の連続性が存在する。この状況は、４つの未知数（Ａ、Ｂ、Ｃ、およびκ）が４つの境界条件によって確定されており、これによってκが各λ＜λｃにおいて一意の値を有する１つの離散的な固有値となるようなλ＜λｃのケースと大きく異なる。
【００８１】
第２に、（式２）、（式３）および（式９）によって指定されるモードは、ファイバたとえばファイバの固有モードであるが、これらのモードは、物理的に理解されるような状況とは対応していない。このことは、（式９）が入射および出射波の両方を含んでいるが、一方実際に存在するのは出射波のみである（コア１２内を当初伝播している波長λ＞λｃの光が外部に放射される）ためである。
【００８２】
しかし、（式２）、（式３）および（式９）のモードは、λｃと比べてより長い波長における損失を推定するために使用することが可能である。まず、所与の波長λに関して、Ｃ２＋Ｄ２を最小化させるようなκの値を見いだす。これはそのコア内に最も長く持続するモードに対応している。（ファイバ内のスカラーΨに関する波動方程式と、ポテンシャル井戸（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｗｅｌｌ）内の粒子に関する量子力学の波動方程式と、の間で類推を行うことが可能である。そこで、量子力学的結論を借用することが可能である。たとえば、デイビッド・ボーム（Ｄａｖｉｄ  Ｂｏｈｍ）の「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｔｈｅｏｒｙ」（Ｄｏｖｅｒ  １９８９、Ｃｈａｐｔｅｒ  １２、§１４〜２２）を参照されたい。）
第２に、上述の方式でκを見いだし終わると（式９）から出射波を計算することが可能となる。これらの出射波によって、入射波が全く存在しない場合であっても、コア１２から２次クラッディング１８内への損失に関する妥当な推定値が提供される。これらの出射波は、コア１２内を伝播してファイバの長さ方向に沿って減衰を受ける波長λ＞λｃのビームを生じさせることになる。このビームがパワーＰを有するとして、ファイバ１０に沿った距離ｚに従ったパワーＰの変化は次式で記述される。
【００８３】
【数１３】
2005520326.tif 000015
損失は係数Λによって与えられ、概ね次式となる。
【００８４】
【数１４】
2005520326.tif 000016
単位ｍ−１を有する損失Λは、ｄＢ／ｍを単位とする損失βに、次の関係式を用いて変換することが可能である。
【００８５】
【数１５】
2005520326.tif 000017
ここで、「損失（ｌｏｓｓ）」という語は、コア１２から出て２次クラッディング１６内に漏れる放射を意味している。実際に、この放射は、２次クラッディング１６内に留まる場合は純粋にファイバ１０自体から失われていないこともある。いくつかのケースでは、これで十分となる。別のケースでは、必要に応じて、２次クラッディング１６からの光をアウトカップリングさせることが可能である。
【００８６】
損失を計算するための別の方法では、ファイバ１０の漏洩基本モードに関する複素伝播定数の計算が不可欠である。漏洩モードについては、たとえば、ディー・マルクーゼ（Ｄ．Ｍａｒｃｕｓｅ）「Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９７４、ｃｈａｐｔｅｒ  １）で検討されている。この損失は、漏洩モードの複素伝播定数の虚数部に関連する。この複素伝播定数（あるいは複素実効屈折率にあたるこれと等価な値）は、オプティウェイブ・コーポレーション（Ｏｐｔｉｗａｖｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）［カナダ、オンタリオ州ネピアン（Ｎｅｐｅａｎ）所在］から入手可能なソフトウェアなどの市販のソフトウェアを用いて計算されることがある。
【００８７】
いくつかのケースでは、現実のファイバは図１に示す分布２０によって示される理想化されたステップ状の屈折率分布を有しておらず、実際に得られる現実の屈折率分布に関する図２のグラフ２０Ａに示すように理想からの隔たりを有することになるため、上で概説したベッセル関数の方式を使用するのではなく、所与のファイバのモードに関する数値解を求めることが好ましいことがあり得る。詳細には、現在シングルモード・ファイバの製造に関する最も一般的な方法には、典型的にはコア１２の中心に屈折率低下を残しているＭＯＣＶＤ処理法が含まれる。数値解は、上述した方法と比べてより容易であり、屈折率の実際の変化を半径の関数として勘案することが可能である。こうした数値計算によっても、断面および屈折率を含むファイバ・パラメータの関数として基本モード・カットオフ波長λｃおよびファイバ損失が与えられ、これによって所望の特徴を示すようなファイバ１０の設計が可能である。
【００８８】
実際の屈折率は半径の関数として若干変動する（分布２０Ａを参照）ことになるため、（式１１）を使用して損失を推定する場合に、屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は一般に分布２０の平均屈折率となる。さらに、屈折率ｎは必ずしも半径方向で対称とならない。ファイバ１０の断面を極座標ｒおよびθによって記述した場合、その屈折率は角θならびに半径ｒに応じて異なることがある。したがって、ｎ＝ｎ（ｒ，θ）となる。こうした非対称性のファイバは、たとえば偏波保持のために好ましいことがある。
【００８９】
そのファイバが基本モード・カットオフ波長λｃを有するための必要条件をここに示す。Ｒの定義を、その半径Ｒにおける屈折率を値ｎ２まで実質的に平坦化させるような十分に大きい半径であるとする。このため、ファイバ１０は、以下の条件（ビー・サイモン（Ｂ．Ｓｉｍｏｎ）、Ａｎｎ．Ｐｈｙｓ．９７（１９７６）、２７９頁を参照）の場合に、基本モード・カットオフ波長λｃを有することになる。
【００９０】
【数１６】
2005520326.tif 000018
図１の分布の場合には（式１３）は次式となることに留意されたい。
【００９１】
【数１７】
2005520326.tif 000019
これは上述の（式７）と等価である。
基本モード・カットオフ波長λｃは、領域Ｉ内に局在する固有モードを存在させるための最も大きな波長である。カットオフ波長λｃより上の波長に関する損失は、たとえば、（ｉ）局在しないが入射および出射波は含むようなモードに関して解を求めること、（ｉｉ）各波長ごとに最小の出射強度を有するモードを見いだすこと、ならびに（ｉｉｉ）この出射強度を用いて損失を推定することによって決定することが可能である。上で検討したように、損失を計算するためには当業者には別の方法も利用可能である。したがって一般に、コア１２の断面および屈折率、デプレスト・クラッディング１４ならびに２次クラッディング１６の調整と等価である分布ｎ（ｒ，θ）の調整によって、所望の基本モード・カットオフ波長λｃおよび損失を備えたファイバ１０を設計することが可能である。
【００９２】
上で提示した法則は、当業者に対して、ｒ０、ｒ１、ｎ０、ｎ１およびｎ２の選択によって基本モード・カットオフ波長λｃを設定することを可能とさせている。ｒ０、ｒ１、ｎ０、ｎ１およびｎ２に関するこの選択は、ファイバ１０の長さにわたる分散式のＡＳＥ抑制を提供すると共に、（波長に関して）異なるロールオフを備えた一群の損失曲線が得られる。したがって、本発明の目的を達成させるためには、以下で検討するようなｒ０、ｒ１、ｎ０、ｎ１およびｎ２の選択に対する追加的な制約を課さなければならない。
【００９３】
図１に戻ると、平均屈折率分布２０の上には、第１の波長λ１＜λｃの導波基本モード２２の強度分布を重ね合わせている。第１の波長λ１は短波長バンド内に包含されている。ファイバ１０によって導かれることがない基本モード２４も屈折率分布２０上に重ね合わせている。モード２４はカットオフ波長λｃの位置にある。ファイバ１０によって導かれることがなくかつコア１２およびデプレスト・クラッディング１４を超える振動性の強度分布を示す別のモード２６の強度分布も表している。モード２６の放射は第２の波長λ２を有しており、この第２の波長λ２はカットオフ波長と比べてより長く（λｃ＜λ２）、また長波長バンド内に包含されている。
【００９４】
図３のグラフは、その波長λ１が短波長バンド４２内に包含されている導波モード２２によって、ならびにカットオフ波長λｃの非導波モード２４によって得られる波長対実効屈折率ｎｅｆｆのプロットを、コア１２の屈折率ｎ０の値に関する３つの選択肢に関して表したものである。具体的には、コア１２の屈折率ｎ０１に関する最小値において、モード２２によって得られる実効屈折率ｎｅｆｆはグラフ２８で記述している。グラフ２８は、短波長バンド４２にわたる、すなわち、モード２２が導かれる波長λ１の全体領域にわたる比較的低い値の実効屈折率ｎｅｆｆを表している。さらに、ｎｅｆｆの値は、カットオフ波長λｃ未満の関心領域４０で非常に低く維持される。コア１２の屈折率ｎ０２に関する中間的な値の選択をグラフ３０で表している。このグラフにおいて、短波長バンド４２の全体にわたってｎｅｆｆはグラフ２８の場合と比べてより大きい。ｎｅｆｆの値は関心領域４０では依然として低い。屈折率ｎ０３に関して大きな値を選択すると、関心領域
４０を含む短波長バンド４２の全体にわたってモード２２によって得られるｎｅｆｆが増加するグラフ３２が得られる。屈折率ｎ０３をこうした大きな値とすると、実効屈折率ｎｅｆｆによって関心領域４０内でカットオフ波長λｃのすぐ手前で大きな負の傾斜が示される。屈折率ｎ０３の値は、このロールオフ傾斜が０．００２／１０００ｎｍから０．００８／１０００ｎｍまでの範囲内に来るように十分に大きくすることが好ましい。好ましい１実施形態では、コアの屈折率ｎ０は２次クラッディングの屈折率ｎ２と比べて少なくとも０．５だけより大きい。もちろん、当業者であれば、材料の制約のために、λｃの手前でｎｅｆｆの負の傾斜の増加が継続するようには随意に大きくコア１２の屈折率ｎ０を製造することが不可能であることを理解されよう。
【００９５】
図４は、高い相対反転Ｄまで励起させたときの活性物質１８の利得分布４４を表している。短波長バンドは図３と同様に参照番号４２で示しており、また長波長バンドは参照番号４６で示している。利得分布４４は、長波長バンド４６において高い利得を示し、かつ短波長バンド４２において正の利得を示している。詳細には、長波長バンド４６の高い利得は、短波長バンド４２に非常に接近したピーク４８を含んでいる。
【００９６】
この実施形態では、コア１２の断面または半径、デプレスト・クラッディング１４、ならびに屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２は、カットオフ波長λｃがちょうどピーク４８の位置に来るように選択されている。さらに、コア１２の屈折率ｎ０の値は、長波長バンド４６における高い利得のピーク４８の位置に設定されたカットオフ波長λｃの周辺にロールオフ損失曲線３８が得られるように選択される。さらに詳細には、ロールオフ損失曲線３８は、長波長バンド４６における高い利得に少なくとも匹敵する損失を生じさせる一方、短波長バンド４２における正の利得と比べて実質的により小さい損失を生じさせるように選択されている。ロールオフ損失曲線３８は、カットオフ波長λｃ未満の波長に関しては左に向かって急激に減少している、すなわち大きな正の傾斜を示しているため、分布４４によって示される正の利得より下まで低下する。したがって、短波長バンド４２の全体にわたって利得が損失を上回っており、これを斜線を施したエリア５０によって見やすく示している。ロールオフ損失曲線３８は、その利得が短波長バンド４２における損失を少なくとも５ｄＢだけ超えるようにすることが好ましい。
【００９７】
曲線３８は、導波モード２２によって得られるｎｅｆｆが高く、かつλｃのすぐ下におけるｎｅｆｆの傾斜が大きな負の傾斜を有する場合に得られる。換言すると、曲線３８は、コア１２向けに屈折率ｎ０３を選択することによって得られる。コア１２内の屈折率がより小さいｎ０２およびｎ０１で得られるロールオフ損失曲線は、それぞれ参照番号３６および３４で示している。モード２２によって得られるｎｅｆｆおよびλｃ未満でのその傾斜は、ｎ０３と比べてより小さい屈折率を選択することによって最大化することが不可能であるため、曲線３６および３４ではロールオフ傾斜がより小さく、またしたがってこれらによって短波長バンド４２内に導入される損失は正の利得より上のままとなる。損失が利得を上回っている限り、短波長バンド４２内において活性物質１８によって有用な増幅を生成することは不可能である。
【００９８】
上述の法則に従って設計されたＷ字型分布ファイバは、活性物質１８がＥｒであり、かつその短波長バンドがＳバンドあるいはＳバンドの選択した一部分であるが、その長波長バンドがＣバンドおよび／またはＬバンドあるいはこれらの２つのバンドの選択した１つまたは複数の部分をカバーしている場合に、その好ましい実施形態を見いだすことが可能である。ファイバ１０のホスト材料は、アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスやリン添加ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスなどのケイ酸塩含有ガラスであることが好ましい。
【００９９】
図５は、Ｅｒ添加アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスに関する波長依存の吸
収断面積６０および波長依存の放出断面積６２を表している。別のＥｒ添加ガラスも、質的に同様な利得（放出）および吸収スペクトルを有している。この利得は、１４５０ｎｍと比べてより短い波長まで延びているが、その吸収断面積は、短波長バンド６４（このケースでは、約１４２５ｎｍから約１５２５ｎｍまでに及ぶＳバンド）のすべての波長に関して放出断面積と比べてさらに大きくなっている。具体的には、吸収断面積は、１５００ｎｍの近傍において放出断面積をかなり上回る。このことは、Ｅｒでは、Ｓバンド６４においてかなりの正味利得を生成させるために高いレベルの相対密度反転Ｄが必要となることを示している。長波長バンド６６（このケースでは、ＣバンドおよびＬバンド）は１５２５ｎｍから１６００ｎｍ以上までに及んでいる。このＣバンドおよびＬバンドは、特にＣバンドの約１５３０ｎｍのピーク波長の位置において高い利得を示す。これらのホスト材料にＥｒを添加するとその放出断面積が標準のガラス・ファイバと比較して増加するため、アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスまたはリン添加ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスを選択することが好ましい。１５３０ｎｍの近傍の放出ピークにおける放出断面積６２と比較してＳバンド６４内の放出断面積が高くなっている別のガラス組成も使用することが可能である。
【０１００】
図６は、アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスをホスト材料として使用するＥｒ添加ファイバ増幅器６８（ＥＤＦＡ）を表している。ＥＤＦＡ６８は、屈折率ｎ０のコア７０内に濃度が０．１％ｗｔのＥｒが添加されている。コア７０は、屈折率ｎ１のデプレスト・クラッディング７２と屈折率ｎ２の２次クラッディング７４とによって囲繞されている。ＥＤＦＡ６８は、機械的安定性を提供しかつ外部の影響からＥＤＦＡ６８を保護するために２次クラッディング７４を囲繞する保護用ジャケット７６を有している。
【０１０１】
Ｓバンド６４領域内に包含される第１の波長λ１の信号放射７８は、ファイバ８０から増幅のためにＥＤＦＡ６８に送出される。たとえば、信号放射７８は増幅を要する情報伝達信号とすることが可能である。
【０１０２】
ファイバ８０は、波長合成器８４内でファイバ８２と結合されている。ファイバ８２は、励起放射８８を励起光源８６からＥＤＦＡ６８に結合させるために使用される。好ましくはレーザ・ダイオードである励起光源８６は、コア７０内のＥｒイオンを励起して高いレベルの相対密度反転Ｄを達成させるために約９８０ｎｍの励起波長λｐにある励起放射８８を提供する。パラメータＤは、密度反転がないことを示すＤ＝−１から完全な密度反転を示すＤ＝１までの様々な値となる。Ｄ＝０の場合、Ｅｒイオンの正確に半数が励振エネルギー状態すなわち多様な状態のマニホールドにある一方、半数が基準エネルギー・マニホールドに保持されている。このケースでは、ＥＤＦＡ６８は（１５３０ｎｍにおいて３レベル遷移の近傍にある波長に関しては）概ね透明である。反転が不均一のＥＤＦＡでは、パラメータＤは反転の平均値であると考えられる。本実施形態では、励起放射８８の強度は、ＥｒイオンにおけるＤ≧０．７の相対反転が保証されるように決定されている。
【０１０３】
励起放射８８および信号放射７８は合成器８４内で合成され、さらにこの両者はファイバ９０によってＥＤＦＡ６８に送出される。さらに詳細には、これら信号放射７８と励起放射８８の両者はファイバ９０からコア７０内に結合される。
【０１０４】
コア７０とクラッディング７２、７４のすべては、この実施形態では円形断面を有している。断面および屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２は、カットオフ波長λｃが１５２５ｎｍの近傍に設定されるように本発明の方法に従って選択される（図５参照）。換言すると、カットオフ波長λｃは、短波長バンド６４すなわちＳバンドと長波長バンド６６すなわちＣバンドおよびＬバンドとの間に来るように選択される。
【０１０５】
コア７０の屈折率ｎ０は、実効屈折率ｎｅｆｆにおいて大きな負の傾斜（好ましくは、
カットオフ波長λｃの近傍で約０．００８／１，０００ｎｍ）が提供されるように選択することが重要である。その結果、ロールオフ損失曲線は、Ｓバンド６４における損失が正の利得と比べて確実により小さくなるように、カットオフ波長λｃ未満の波長に関して急速な低下を示す。このロールオフ損失曲線によって生成される損失は、カットオフ波長λｃと比べてより大きな波長に対して急速に上昇する。したがって、ＣバンドおよびＬバンド６６によって生成される損失は少なくともその高い利得に匹敵している。
【０１０６】
本発明によってＥＤＦＡ６８を設計すると、図示したように、λ１の信号放射７８は増幅される一方、ＣバンドおよびＬバンド６６内の任意の波長λ２、また特にλ２＝１５３０ｎｍのＡＳＥは拒絶されてクラッディング７４内に入ることが保証される。Ｓバンド６４における正の利得は、典型的には、その損失を概ね２５ｄＢ超えることになり、したがって、信号放射７８に対する十分な増幅を得るためにはＥＤＦＡ６８はある長さＬを必要とする。Ｓバンド６４における正の利得と損失の差が小さいほど、信号放射７８に対して十分な増幅を提供するために必要となる長さＬはそれだけ長くなる。本実施形態では、Ｌは約６メートルである。
【０１０７】
図７は、Ｌ＝６メートルに関しかつロールオフ損失曲線の恩恵がない典型的なモード・オーバーラップ係数Γ＝０．５の場合のＥＤＦＡ６８の正味利得（利得から吸収を差し引いたもの）を表している。一群の曲線は、Ｄ＝０．６からＤ＝１までの様々なレベルの反転を表している。反転レベルが上昇すると、すべての波長に関して正味利得が上昇することに留意されたい。完全な反転（Ｄ＝１）の場合、Ｓバンド６４の正味利得は、１４７０〜１５２０ｎｍにわたって５から２５ｄＢの範囲にあり、Ｃバンド６６の正味利得は３０ｄＢを超えており、また１５３０ｎｍに示される利得・ピークは正味利得５５ｄＢを超えている。実際にはこの条件は、１５３０ｎｍのレーザ発振および／または多量の増幅された自然放出光（ＡＳＥ）が十分に低くした正味利得値（約４５ｄＢ以下）で生じることになり、これによって達成可能な反転レベルが制限されるために、達成が非常に困難である。中間の曲線（Ｄ＝０．８、励振エネルギー・マニホールドにおいてＥｒイオンの９０％）は、概ねこのＡＳＥ制限状況に対応し、Ｃバンド６６内では正味利得が約２５ｄＢとなり、かつＳバンド６４内では正味利得がわずか約１０ｄＢとなる。
【０１０８】
従来技術のＥＤＦＡでは、ＣバンドＥＤＦＡの効率（単位励起パワーあたりのｄＢ利得）を最適化した場合に、この状況はさらに（Ｓバンドに関して）悪化する。この最適化をすると、ファイバは若干長くなり（または、添加がより多くなり）、これによって反転レベルが低くなりＡＳＥが制限されることになる（１５３０ｎｍにおいて４５ｄＢの正味利得）。要約すると、現在使用されている大部分のＥＤＦＡは、１５３０ｎｍのＡＳＥを妥当な全体効率に関する要件と組み合わせているため、不完全反転で動作している。
【０１０９】
反転レベルＤと、Ｃバンド６６の正味利得に対するＳバンド６４の正味利得との関係を図８に表している。反転レベルがＤ＝０．４とＤ＝１の間にありかつＬが５メートルと１３メートルの間にあるロールオフ損失曲線の恩恵を伴わないＥＤＦＡ６８に関する各正味利得・スペクトルを示す一群の曲線を表している。これらの長さＬの選択は１５３０ｎｍにおいて正味利得を４５ｄＢに維持するためであり、この状況はＡＳＥの発現に概ね対応している。反転Ｄのレベルがより高いほどＳバンド６４における利得が促進され、一方より中程度の（Ｄ＝０．４〜０．６）レベルの反転ではＣバンド６６内に最小の利得傾斜が生じることに留意されたい。換言すると、Ｓバンド６４領域内で使用するために設計したＥＤＦＡは、Ｃバンド６６領域内で使用するために最適化したＥＤＦＡと異なり、概ね完全な反転を有するべきである。このため好ましい実施形態では、本発明はＤ≧０．７の範囲に維持されている。
【０１１０】
さらに図８を参照すると、１５３０ｎｍ利得が４５ｄＢに制限されている場合、Ｓバン
ド６４における利得は１４７０ｎｍでは〜５ｄＢ、また１５２０ｎｍでは〜２０ｄＢを超えることが不可能である。より高い利得を達成するには、高い反転レベルを維持することによってＳバンド６４においてより大きな利得を生成させながら、ＥＤＦＡ６８の長さＬを増加せなければならない。図９は、その反転レベルがＤ＝０．６とＤ＝１の間にありかつその長さＬを１５メートルまで増加させているＥＤＦＡ６８に関する正味利得・スペクトルを表している。Ｓバンド６４における利得は３０ｎｍを超えるバンド幅では２０ｄＢを超えているが、１５３０ｎｍ利得はＤ＞０．７では、＞１００ｄＢを超えている。ここで、本発明に従ってＥＤＦＡ６８内に設計したロールオフ損失曲線の支援によって、１５３０ｎｍにおける損失を、この利得に匹敵するか、あるいはこの利得と比べてより大きくし、これによってＡＳＥまたはレーザ発振を防止することが可能となる。
【０１１１】
図１０は、そのすべてが本発明に従って設計されているＥｒを０．１％ｗｔ添加した３つのＥＤＦＡ１０２、１０４、１０６を設けてＳバンドの３つの部分を増幅している１実施形態を表している。４つの波長合成器１０８、１１０、１１２、１１４は、Ｓバンドの３つの部分が別々に増幅されるように、よく知られているスプライシングおよび波長合成の手順に従ってＥＤＦＡ１０２、１０４、１０６を接続するために使用される。ＥＤＦＡ１０２は、１０メートルの長さおよび１５２０ｎｍのカットオフ波長λｃを有しており、ＥＤＦＡ１０４は３３メートルの長さおよび１４９０ｎｍのカットオフ波長λｃを有しており、ＥＤＦＡ１０６は１４３メートルの長さで１４６０ｎｍのカットオフ波長λｃを有している。ＥＤＦＡ１０２は１４９０〜１５２０ｎｍ領域にある入力を増幅しており、ＥＤＦＡ１０４は１４６０〜１４８５ｎｍ領域にある入力を増幅しており、かつＥＤＦＡ１０６は１４３５〜１４５５ｎｍ領域にある入力を増幅している。ＥＤＦＡ１０２、１０４、１０６はすべて、そのそれぞれのカットオフ波長の近傍においてｎｅｆｆの最大の正傾斜（すなわち、０．００８／１０００ｎｍ）が得られるように設計されており、またその屈折率はｎ０＝＋０．０１１およびｎ１＝−０．００５３である。図１１は、反転Ｄ＝０．９が得られるように励起が十分に強い場合における、これらの３つのＥＤＦＡの正味利得・スペクトルを表している。これらは、Ｓバンドの約８０ｎｍの全バンド幅をカバーしており、かつこの８０ｎｍのバンド幅の全体にわたって１５ｄＢを超える利得を提供することに留意されたい。
【０１１２】
この実施形態では、ＥＤＦＡ１０４および１０６に関してはカットオフ波長が短波長バンド内に配置されていることに留意すべきである。実際は、カットオフ波長は、所望であれば長波長バンド内に配置することも可能である。カットオフ波長を正確にどこに配置させるべきかの選択は、ロールオフの傾斜が既知となり、かつ整合させようとするまたは上回らせようとする長波長バンドにおける高い利得の大きさが既知となった後に設計者によって実施することが可能となる。
【０１１３】
本発明によるファイバ増幅器は、そのコアおよびクラッディング層が円形以外の断面を有するファイバに使用することが可能である。たとえば、図１２は、本発明に従って設計されたそのコア１２２が楕円形のファイバ増幅器１２０の断面を表している。デプレスト・クラッディング１２４もまた楕円形であるが、２次クラッディング１２６は円形の断面を有している。これらの楕円形の断面は、増幅の間に一方の偏波の放射は保持させるがもう一方の偏波の放射は保持させない場合に有利である。
【０１１４】
図１３は、コア・モードおよびクラッディング・モードを有するファイバ増幅器２１０の部分断面を表した図である。このファイバ増幅器２１０は、２次クラッディング２１６によって囲繞されたデプレスト・クラッディング２１４によって囲繞された活性コア２１２を有している。コア２１２は円形の断面を有しており、デプレスト・クラッディング２１４および２次クラッディング２１６も同様である。さらに、円形断面の外側クラッディング２２０が２次クラッディング２１６を囲繞している。
【０１１５】
コア２１２に関する領域Ｉは０≦ｒ≦ｒ０の範囲に及んでおり、一方デプレスト・クラッディング２１４および２次クラッディング２１６は、ｒ０≦ｒ≦ｒ１およびｒ１≦ｒ≦ｒ２の間に及ぶ領域ＩＩ、ＩＩＩを占有している。外側クラッディング２２０は、ｒ＞ｒ２にわたる領域ＩＶに対応する。コア２１２は屈折率ｎ０を有しており、デプレスト・クラッディング２１４は屈折率ｎ１を有しており、かつ２次クラッディング２１６は屈折率ｎ２を有している。外側クラッディング２２０は屈折率ｎ３を有している。ファイバ増幅器２１０の部分断面の上に配置したグラフは、ファイバ増幅器２１０内に規定される平均屈折率分布２２２を表している。本実施形態では、ファイバ増幅器２１０はシングルモード・ファイバ増幅器である。
【０１１６】
ファイバ増幅器２１０は、コア２１２内に活性物質２１８が添加されている。活性物質２１８は、長波長バンドにおいて高い利得を示しかつ短波長バンドにおいて正の利得を示すような、希土類イオンや別の任意のレーザントなどのレーザ発振媒体である。具体的には、高い相対反転Ｄまで励起させると、長波長バンドにおける活性物質２１８の高い利得は、レーザント２１８の密度反転を低下させこれによって短波長バンドにおける正の利得を低下させる増幅された自然放出光（ＡＳＥ）またはレーザ発振を生じさせる。
【０１１７】
平均屈折率分布２２２の上に重ねているのは、第１の波長λ１（ここで、λ１＜λｃ）における導波基本コア・モード２２４の放射強度分布である。第１の波長λ１は、活性物質２１８が正の利得を示す短波長バンド領域内に包含されている。コア２１２およびデプレスト・クラッディング２１４を超える振動性の強度分布を示すクラッディング・モード２２６内の放射強度分布も図示している。斜線を施したエリアＡで示すように、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６の間にはオーバーラップが存在する。しかし、導波路構造のすべてのモードの場合と同様に、これらのモードは理想的なケースでは直交している（クラッディング・モード２２６は電場内で反対称性（ａｎｔｉ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）である）。したがって、理想的には、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６の間に結合は存在しない。しかし、現実の導波路はすべて、不完全性、不均一性、散乱中心、およびじょう乱（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）を有しており、これらのために直交性が破られてコア・モードとクラッディング・モードの間の結合が容認されることになる。実際に、ファイバ増幅器２１０における結合の主な３つの原因は、ファイバ増幅器２１０に関する製造上に欠陥、梱包のために必要となる屈曲や巻き取り、ならびに既存の（たとえば、製造中の凍結）あるいは梱包中に生じた微小の屈曲および応力である。これらの結合の原因をできる限り少なくすると有利であることは明らかである。
【０１１８】
図１４は、通常の製造技法を用いて得られるのと同じ屈折率分布２２２Ａを表している。本発明の目的のためには、半径方向で変化するコア２１２の屈折率がｎ０に等しい平均値を有していることで十分である。同様に、デプレスト・クラッディング２１４、２次クラッディング２１６および外側クラッディング２２０の屈折率は、値ｎ１、ｎ２、ｎ３となるように平均化されていることで十分である。コア２１２の平均屈折率ｎ０は、デプレスト・クラッディング２１４の屈折率ｎ１および２次クラッディング２１６の屈折率ｎ２と比べてかなり高くなっている。この実施形態では、外側クラッディング２２０の平均屈折率ｎ３は、これ以外のすべての屈折率と比べてより高くしている、ただしこのことは必ずしも必須ではない。
【０１１９】
屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２および半径ｒ０、ｒ１、ｒ２に関する適当な値の選択は、本発明による必要に応じてある導波特性がファイバ増幅器２１０に達成されるようにして実施される。詳細には、コア２１２内の放射がカットオフ波長λｃより上で損失を示しかつカットオフ波長λｃ未満の短波長領域において正の利得を示すように、コア２１２内、ならびに最初の２つのクラッディング層（すなわち、デプレスト・クラッディング層２１４お
よび２次クラッディング層２１６）内に屈折率分布２２２Ａを確立させている。好ましい１実施形態では、屈折率分布２２２Ａは、λｃ未満の波長における基本モード２２４の放射がコア２１２内に保持される一方、波長λｃ以上の長さの波長における基本モード２２４の放射が短い距離を介して２次クラッディング２１６内に失われるような基本モード・カットオフ波長λｃを有するように設計される。ここで、屈折率分布２２２Ａに関する例示的な設計方法を検討することにする。
【０１２０】
図１３では、そのカットオフ波長λｃは、コア２１２がカットオフ波長λｃより上で損失を示し、かつカットオフ波長λｃ未満の短波長領域では活性物質２１８のために正の利得を示すようにして設定される。ｒ０、ｒ１、ｎ０、ｎ１およびｎ２に関するこの選択によって、カットオフ波長λｃと比べてより長い波長において、ファイバ増幅器２１０の長さ全体にわたる分散式ＡＳＥ抑制が提供される。平均屈折率分布２２２の上に重ね合わせているのは、第１の波長λ１（ここで、λ１＜λｃ）における導波基本コア・モード２２４の放射強度分布、ならびにクラッディング・モード２２６内の放射の強度である。コア・モード２２４内およびクラッディング・モード２２６内において放射は第１の波長λ１で伝播する。換言すると、シングルモード・ファイバ増幅器２１０は、２次クラッディング２１６内を伝播するためのモード２２６などの離散モードを許容している。したがって、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６の位相速度が同一となったときに、コア・モード２２４からクラッディング・モード２２６などのクラッディング・モードまで大きなパワーの転送が生じ得る。クラッディング・モードの結合効果に関する理論的な教示を得るには、読者はアキラ・トミタら（Ａｋｉｒａ  Ｔｏｍｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．）の「Ｍｏｄｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｌｏｓｓ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ  Ｉｎｎｅｒ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．ＬＴ−１、Ｎｏ．３、１９８３年９月、４４９〜４５２頁）を参照されたい。
【０１２１】
コア・モード２２４からクラッディング・モード２２６までのパワーの転送によって、波長λ１におけるコア２１２からの損失が生じる。したがって、短波長バンド内のλ１の信号は、λ１における活性物質２１８の正の利得を全部利用することは不可能である。本明細書で使用する場合、これらの損失のことをクラッディング・モード損失と呼んでいる。あるケースでは、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６の間に結合が存在する場合に、一部のパワーがクラッディング・モード２２６からコア・モード２２４まで転送されて戻される。本明細書で使用する場合、この状態のことをクラッディング・モード共鳴と呼んでいる。
【０１２２】
ファイバ増幅器２１０によって持続されるクラッディング・モード損失の全般的な効果を図１５に表している。この例では、活性物質１８としてエルビウムが使用されており、またその短波長バンドはＳバンドの範囲内にある。具体的には、グラフ２２８は、約１５３０ｎｍの位置にあるそのピーク２３０の周辺におけるエルビウムの利得を表している。ファイバ２１０に対する屈折率分布の設計では、カットオフ波長λｃを１５３０ｎｍの直ぐ下（たとえば、１５２５ｎｍ）に設定すると共に、損失曲線２３２を生成させている。損失曲線２３２は、カットオフ波長λｃを上回ると損失が急激に上昇することを示している。したがって、１５３０ｎｍにおける、ならびにこれより長い波長におけるエルビウムの利得によるすべてのＡＳＥが有効に抑制される。一方、カットオフ波長λｃ未満の短波長バンド２３４では、エルビウムは損失曲線２３２によって得られる損失を超える利得を示す。換言すると、エルビウムは、短波長バンド２３４において正の利得を有しており、したがって短波長バンド２３４において信号を増幅することが可能である。
【０１２３】
波長λ１における基本モード２２４とクラッディング・モード２２６の間での結合のために、短波長バンド２３４内にλ１を中心とする損失ピーク２３６が存在している。この
損失ピーク２３６の大きさは実寸の通りに描かれておらず、また破線で表している。実際には、短波長バンド２３４内にコア・モードとクラッディング・モードの間で結合を生じさせるような多数の波長が存在し、これにより対応する損失ピークを生じさせることが可能であることに留意すべきである。さらに、λｃと比べてより長い波長においても基本コア・モードとクラッディング・モードの間の結合が同様に起こり得ることに留意すべきである。たとえば、λ２においてコア・モードとクラッディング・モードの結合が生じる。
【０１２４】
この対応するクラッディング・モード共鳴２３８は破線で表している。λ２にわたる波長領域においてＡＳＥが抑制されるため、この結合はファイバ増幅器２１０の機能にとって障害とならない。さらに、好ましい１実施形態では、λｃと比べてより長い波長におけるクラッディング・モード結合も回避すべきである。
【０１２５】
損失ピーク２３６は波長λ１におけるファイバ増幅器２１０の有効性を低下させることは明らかである。したがって、本発明によれば、ファイバ増幅器２１０内のクラッディング・モード損失を抑制することによって損失ピーク２３６が抑制される。一般的なケースでは、この実施形態の場合と同様に、短波長領域において活性コア２１２と２次クラッディング２１６の間の放射結合を抑制するための仕組みを提供することによってもこの目的を達成することが可能である。図１３の実施形態では、結合を抑制するための仕組みは、外側クラッディング２２０内に分散させた材料２４０を利用している。
【０１２６】
材料２４０は散乱材料または吸収材料である。いずれの場合にも、材料２４０は、外側クラッディング２２０内でコア・モード２２４が無視し得るほどに小さいようなある距離に埋め込んでいる。詳細には、コア・モード２２４は、コア２１２からクラッディング内まで（すなわち、デプレスト・クラッディング２１４および２次クラッディング２１６内まで）延びるモード直径Ｄを有している。材料２４０は、コア・モード２２４のモード直径の外部に分散させている。したがって、コア・モード２２４は、外側クラッディング２２０の内部で材料２４０を投入する場所である領域内に感知し得るほどの強度を生じさせることがない。このことは、シングルモード・ファイバ増幅器２１０では、コア２１２から数十マイクロメートル離れた位置に材料２４０を埋め込むべきであることを意味している。外側クラッディング２２０がコア・モード２２４が無視し得るほどに小さいようなある距離で始まっている場合には、外側クラッディング２２０はすべてを材料２４０から製造することが可能であることに留意すべきである。
【０１２７】
材料２４０が吸収体である実施形態では、外側クラッディング２２０内に希土類元素を添加とすることが可能である。適当な材料には、エルビウム、コバルト、サマリウム、および別の適当な吸収体が含まれる。材料２４０は、適当な任意の製作技法を用いて外側クラッディング２２０内に埋め込むことが可能である。たとえば、「スリービング（ｓｌｅｅｖｉｎｇ）技法」を用いた典型的な製造工程では、２次クラッディング２１６を覆うように引き入れるための純粋なシリカ製のスリーブには、スリービング過程の前に添加材料層２４０を設けることが可能である。具体的には、スリービング過程の前に内側表面上にコーティングした添加材料層２４０を利用することが可能である。吸収材料の適当な層２４０を生成するために、内付け化学気相溶着法（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＣＶＤ）および溶液添加（ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｄｏｐｉｎｇ）、続いて焼結を使用することが可能である。
【０１２８】
別の実施形態では、材料２４０は、不均一なアクリル層や屈折率および／または幾何学構成の急激な変動を示すその他の材料など、適当な任意の散乱材料である。散乱材料は２つの散乱効果を利用することが可能である。まず、散乱材料は、コア・モード２２４と位相整合したクラッディング・モード２２６内において放射をある種の別のクラッディング・モードに散乱させることが可能である。典型的には、クラッディング・モード２２６の
放射をそのモードに散乱させることが可能である多数の（通常は、数百の）別のクラッディング・モードが存在することになる。この効果は、クラッディング・モード２２６に関する限り吸収損失と実質的に同等である。別法として、クラッディング・モード２２６の放射は、散乱材料２４０によってランダム方式で同位相でじょう乱させることが可能である。この効果は、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６の間での位相整合の防止と実質的に同様である。このため、位相整合を防止することによって、ファイバ増幅器２１０の長い距離にわたるクラッディング・モード損失の累積が防止される。
【０１２９】
外側クラッディング２２０内に材料２４０を使用する効果について図１５に図示している。具体的には、材料２４０を使用することによって、λ１の位置の損失ピーク２３６は、実線で示すより小さい損失ピーク２３６’まで低下する。図１６は、ファイバ増幅器２１０の外側クラッディング２２０内にポリマー・バッファの形態の吸収材料２４０を使用した実験結果を表している。このケースでは、ファイバ２１０のホスト材料は、アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスやリン添加ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスなどのケイ酸塩含有ガラスである。グラフ２４２は、外側クラッディング２２０内に材料２４０を備えないファイバ２１０内の信号によって得られる利得を示しており、またグラフ２４４は、材料２４０を用いて得られる利得を示している。これらのケースでは、材料２４０と外側クラッディング２２０の両方を、様々な損失特性を有するポリマー材料から製作している。損失ピーク２３６に関する利得の低下は、吸収材料２４０の支援によって除去されることは明らかである。したがって、本発明のファイバ増幅器２１０は、カットオフ波長λｃより上において増幅された自然放出光（ＡＳＥ）の分散式抑制を提供し、かつカットオフ波長λｃと比べてより短い波長、すなわち、特に波長λ１などの短波長領域２３４内の波長においてクラッディング・モード損失を抑制する。外側クラッディング２２０内に吸収材料２４０を存在させることによってさらに、λ２におけるクラッディング・モード効果が抑制されることに留意すべきである。
【０１３０】
図１７は、本発明による別のファイバ増幅器２００の部分断面を表している。ファイバ増幅器２１０の各部分に対応するファイバ増幅器２００の各部分は同じ参照番号で示している。ファイバ増幅器１００では、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６の間における結合を抑制する仕組みは、ファイバ増幅器２００の非位相整合の長さ区画である。この非位相整合長さ区画では、外側クラッディング２２０は、別の屈折率のすべてと比べてより低い屈折率ｎ３を有している。最も重要なことは、２次クラッディング２１６の屈折率ｎ２と比べて屈折率ｎ３がより低いこと、すなわちｎ３＜ｎ２であることである。この条件によって、コア・モード２２４およびクラッディング・モード２２６内の放射が位相整合しないことが保証される。外側クラッディング２２０に関してこうした低い屈折率ｎ３を保証するための適当な材料は、シリコーン、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、フッ素添加シリカ、ならびに当業者によく知られているデュアルクラッド・ファイバ内に使用される屈折率材料などのその他の低屈折率材料である。
【０１３１】
位相整合の防止および屈折率ｎ３の値の選択については、図１８の各グラフを参照することによってより理解が深まろう。グラフ２１０２は、ｎ３≧ｎ２に関してコア・モード２２４内の放射の正規化した伝播定数を、波長の逆数（すなわち、ｋベクトルに比例する光学周波数）に対してプロットして表したものである。グラフ２１０４は、ｎ３≧ｎ２に関して、クラッディング・モード２２６内の放射の正規化した伝播定数を、波長の逆数に対してプロットして表したものである。（この条件ｎ３≧ｎ２は、バッファとも呼ばれる典型的な外側クラッディングとしてアクリルを使用している電気通信ファイバに関して典型的なものである）。１／λ１の位置においてグラフ２１０２とグラフ２１０４が交差しており、位相整合、またしたがってクラッディング・モード損失を示している。
【０１３２】
図１９のグラフ２１０６およびグラフ２１０８は、コア・モード２２４とクラッディン
グ・モード２２６のそれぞれにおける、値１（１００％パワーレベル）に正規化した放射パワーレベルを表している。グラフ２１０６およびグラフ２１０８は、パワーに全く損失や利得がない（すなわち、増幅がない）ような理想的なケースを前提として、位相整合条件を観察するためのものであり、ファイバ増幅器２００の長さの関数としてグラフ表示されている。グラフ２１０６によって示すコア・モード２２４のパワーレベルは、高いパワー値１で開始されており、１と０の間での正弦波振動を受けている。一方、クラッディング・モード２２６のパワーレベルは低いパワー値０で開始されており、０と１の間での正弦波振動を受けている。パワーは第１の振動部分の間ではコア・モード２２４からクラッディング・モード２２６へ転送され、また第２の振動部分の間ではクラッディング・モード２２６からコア・モード２２４まで戻されることは明らかである。
【０１３３】
実際上は、外側クラッディング２２０はファイバ増幅器２００の単位長さあたり有限の値αの損失を有しており、一方コア２１２内での損失は無視し得るものである。したがって、コア・モード２２４内のパワーが、クラッディング・モード２２６に完全に結合されるようになることはない。これらの条件下では、αの中間的な値に関して示すように、コア・モード２２４のパワーレベルはグラフ２１０６’に従うことになり、またクラッディング・モード２２６のパワーレベルはグラフ２１０８’に従うことになる。αの大きな値では、そのパワーレベルはグラフ２１０６”およびグラフ２１０８”に従うことになる。クラッディング・モード損失によって、クラッディング・モード２２６内に感知し得るほどのパワーが堆積することが防止され、これによってコア・モード２２４からクラッディング・モード２２６へのパワーの結合が低下する。実際に、コア・モード２２４からクラッディング・モード２２６へのパワーの損失γは次式で記述することが可能である。
【０１３４】
【数１８】
2005520326.tif 000020
上式において、ｃ２は光の速度の２乗である。この式から、クラッディング・モード２２６によって生じる損失αを増加させるとコア・モード２２４によって生じる損失が低下することは明らかである。この式に関する詳細な導出については、読者は、アキラ・トミタら（Ａｋｉｒａ  Ｔｏｍｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．）による「Ｍｏｄｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｌｏｓｓ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ  Ｉｎｎｅｒ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．ＬＴ−１、Ｎｏ．３、１９８３年９月、４４９〜４５２頁）を参照されたい。
【０１３５】
ここで、外側クラッディング２２０の屈折率ｎ３を変更することは、位相整合波長λ１をシフトさせる効果があり、コア・モード２２４からクラッディング・モード２２６への放射の結合の排除のために本発明において使用することが可能である。図２０Ａおよび２０Ｂのグラフ２１１０およびグラフ２１１０’は、ｎ３＞ｎ２またはｎ３＜ｎ２のそれぞれの場合にコア・モード２２４によって得られる実効屈折率ｎｅｆｆを表している。ｎ３が変化してもコア・モード２２４には感知し得るような影響を生じないため、グラフ２１１０およびグラフ２１１０’はほとんど同じである。クラッディング・モード２２６を含む多数のクラッディング・モードの実効屈折率をそれぞれライン２１１２およびライン２１１２’によって表している。
【０１３６】
図２１Ａでは、条件ｎ３＞ｎ２は、クラッディング・モードの実効屈折率がｎ２を超えることが可能であることを指示している。実際に、コア・モード２２４の実効屈折率は、カットオフ波長λｃ未満の短波長領域では交点２１１４でクラッディング・モード２２６
の実効屈折率と交差している。さらに、コア・モード２２４の実効屈折率はさらにこのケースでは２つの追加的なクラッディング・モードの実効屈折率と交差している。したがって、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６の間における結合、ならびにコア・モード２２４とこの２つの追加的なクラッディング・モードの間での結合によるクラッディング・モード損失が存在する。その結合の挙動は図１９のグラフ２１０６’、２１０６”およびグラフ２１０８’、２１０８”（クラッディング損失の値αに応じて異なる）によって示しており、またこれにより望ましくないクラッディング・モード損失を生じさせる。
【０１３７】
一方、ｎ２＞ｎ３の場合には、クラッディング・モードの実効屈折率は、図２０Ｂに示すようにｎ２を超えることが不可能である。したがって、コア・モード２２４の実効屈折率は、カットオフ波長λｃ未満のどのクラッディング・モードとも交差しない。したがって、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６やカットオフ波長λｃ未満の別の任意のクラッディング・モードとの間には結合が存在しない。実際に、コア・モード２２４とクラッディング・モード２２６の間の交点２１１４’は上で検討したようにファイバ増幅器２００の設計によってＡＳＥが抑制されている領域である長波長領域内のカットオフ波長λｃより上側に生じている。コア・モード２２４から別のクラッディング・モードへの結合に関しても同じことが当てはまる。
【０１３８】
本発明では、ｎ３＜ｎ２であるファイバ増幅器２００の非位相整合の長さ区画Ｌを導入してクラッディング・モード損失を抑制することによって位相整合原理を利用している。図６を参照すると、この実施形態では、ファイバ増幅器６８はファイバ増幅器２００と同様にして設計されている。ファイバ増幅器６８は、システム１２００内において、ファイバ８０を通って伝播する波長λ１の信号７８を増幅するために使用されている。システム１２００は波長λｐの励起放射８８を提供する励起光源８６を有している。励起放射８８は光源８６からファイバ８２内へ結合される。
【０１３９】
ファイバ・カプラ８４はファイバ８０および８４を受け容れており、かつこれらが単一の出力ファイバ９０に入るように結合させている。出力ファイバ９０はファイバ増幅器６８と接続されている。
【０１４０】
動作時に、カプラ８４内で信号７８と励起放射８８が合成され、出力ファイバ９０を通るように一緒に進入させる。ファイバ９０は、信号７８および放射８８をファイバ増幅器６８の活性コア７０に送出する。上述した原理に従って、コア７０内で信号７８が増幅される。一方、励起放射８８はコア７０内を通過する際に、指摘したように消耗される。実際に、非位相整合の区画Ｌの終端の位置において、ファイバ増幅器６８内に残っている励起放射はほとんどないことがある。
【０１４１】
波長λ２におけるＡＳＥ放射は、活性コア７０の励起の副産物として生成される。波長λ２は、ファイバ増幅器６８のカットオフ波長λｃと比べてより長く、したがって、外側クラッディング７６内に失われる。同時に、クラッディング・モード損失のために、コア・モードで伝播する信号７８の一部も外側クラッディング７６内に失われる。しかし、非位相整合の長さ区画Ｌはｎ２と比べてより小さい屈折率ｎ３を有しているため、外側クラッディング７６への信号７８の損失量は最小化される。
【０１４２】
したがって、ファイバ増幅器６８の非位相整合の長さ区画Ｌを使用するシステム１２００は、カットオフ波長と比べてより短い波長においてモード損失を抑制することが可能である。実際に、ファイバ増幅器６８は、様々な光学系で有効に利用することが可能である。
【０１４３】
別の代替的実施形態では、非位相整合長さ区画の使用と吸収材料または散乱材料の使用とを１つのファイバ増幅器内で組み合わせることが可能である。たとえば、こうした代替的実施形態において、散乱材料または吸収材料は、外側クラッディングの一部分または外側クラッディングの全体を構成することがある。
【０１４４】
本発明によるさらに別の実施形態は、図２１Ａおよび２１Ｂに示すようにファイバ増幅器２１５０の断面分布を変更することによって、コア・モードとクラッディング・モードの間での位相整合を防止する非位相整合の長さ区画Ｌを利用している。図２１Ａは、位置Ｌ＝ｘ１におけるファイバ増幅器２１５０の断面を表している。ファイバ増幅器２１５０は、様々なクラッディング屈折率ｎｃｌａｄを有するクラッディング２１５４によって囲繞された活性コア２１５２を有している。ｎｃｌａｄの最小値は、ライン２１５６によって示している。半径ｒの関数としたｎの変動を表す屈折率分布２１５８のグラフはファイバ増幅器２１５０の上側に示している。当業者であれば、ｎｃｌａｄは一般に半径ｒおよび方位方向角θの関数として変動すること、すなわち、ｎｃｌａｄ＝ｎｃｌａｄ（ｒ，θ）であり得ることが理解されよう。
【０１４５】
位置Ｌ＝ｘ２においては、ファイバ増幅器２１５０の断面は図２１Ｂに示すように異なる。詳細には、屈折率分布２１５８’は、同じカットオフ波長λｃが保証されるように活性コア２１５２内およびその近傍では屈折率分布２１５８と同じままであり、かつより長い波長に関する損失曲線は位置ｘ１とｘ２で同じである。しかし、屈折率分布２１５８’のクラッディング２１５４内のコア２１５２からさらに離れた部分は、屈折率分布２１５８とは異なる曲率および最小値を示す。具体的には、屈折率分布２１５８’におけるｎｃｌａｄの新たな最小値の位置はライン２１５６’によって示している。ｘ１における２１５８からｘ２における２１５８’までの屈折率分布のこの変動のために、位置ｘ１においてクラッディング・モード損失を位相整合させるための波長は、位置ｘ２のおいてクラッディング・モード損失を位相整合させるための波長と異なっている。したがって、ファイバ増幅器２１５０内におけるコア・モードとクラッディング・モードの間での位相整合が防止される。
【０１４６】
これまで言及してきたように、本発明のファイバ増幅器は、その活性コア内に適当な任意の活性媒体を含むことが可能である。たとえば、その活性コアにネオジム、エルビウム、またはツリウムのイオンを添加することが可能である。エルビウムを使用する場合、そのファイバ増幅器はＥＤＦＡであり、また有利な１実施形態では、そのカットオフ波長λｃは１５２５ｎｍの近傍に設定される。具体的には、エルビウム１８はレーザ発振媒体の役割をしており、ＣバンドおよびＬバンドを含む長波長バンドにおいて高い利得を示す。エルビウム１８はＣバンドおよびＬバンドの波長と比べてより短い短波長バンドすなわちＳバンドにおいても正の利得を有している。高い相対反転Ｄまで励起させると、長波長バンド内のエルビウム１８の高い利得は、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）またはレーザ発振を生じさせ、このためエルビウム１８の密度反転が減少し、これによってＳバンドにおける正の利得が減少する。しかしながら上で検討したように、長波長バンドにおける高い利得に少なくとも匹敵する損失および前記Ｓバンドにおける正の利得と比べて実質的により小さい損失を生成させるようにしてコア断面、デプレスト・クラッディング断面、および屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２を選択することによって、本発明のファイバのＷ字型屈折率分布のためにファイバはＳバンドにおいて信号を有効に増幅することが可能となる。
【０１４７】
別の例では、溶融シリカ・ファイバにはツリウムを添加している。ツリウム・利得は典型的には１．９マイクロメートルであると考えられ、また実際にこれが利得のピークとなるが、その領域にわたって利得が可能となる波長領域は１．５マイクロメートルから２．１マイクロメートルまで拡がっている。典型的なツリウム励起波長は０．７８マイクロメートルである。しかし、ツリウムは１．４８マイクロメートルまたは約１．５マイクロメ
ートルで励起することも可能であるが、非常に高い強度（恐らく、１００ｍＷ程度の高い強度）が必要となろう。
【０１４８】
図３９のグラフＡおよびＢは、このツリウムが１．６から２μｍまでの蛍光放出を有することを表している。この蛍光スペクトルの形状は、蛍光と比べて利得が若干より長い波長にある点を除けば利得・スペクトルの形状と非常に類似している。ツリウムが理想的なイオンの役割をしている場合（エルビウムおよびイッテルビウムの場合も同様）、利得を１．５μｍから２．１μｍまで延ばすことが可能となる。利得のピークは、１．８マイクロメートルと１．９マイクロメートルの間となる。利得断面積、ならびにツリウム・イオンの上側レーザレベル寿命はエルビウム・イオンのものと同じである。したがって、利得のしきい値は同様であり、数ミリワットの励起パワーが必要となる。
【０１４９】
ツリウムの３＋イオンはエルビウム・イオンの場合と正確に同じ方法で、その利得領域の短波長端で使用することが可能である。強力な励起（３０ｍＷ程度）を用いて励起することによって、短波長であっても反転を達成することが可能となる。しかし、１．６マイクロメートルなどの短波長において高い利得を達成させる前に、１．９マイクロメートルの近傍に圧倒的な超蛍光が存在することになる。
【０１５０】
そのファイバが１．９マイクロメートルとこれより短い所望の動作波長との間の基本モード・カットオフを用いて設計されており、かつそのカットオフがより長い波長における損失の増加がより大きな断面のために利得の増加を超える場合に、より短い波長で有用な増幅器を構築することを可能である。１実施形態では、その長波長バンドは約１．７から２．１マイクロメートルまでであり、その短波長バンドは概ね１．６から１．８マイクロメートルまでのＬバンドであり、そのカットオフ波長は約１．７から１．９マイクロメートルまでであり、かつその励起波長は約１．４８から１．５マイクロメートルまでである。このカットオフ波長は、より長い波長における損失の増加がより大きな断面のために利得の増加を超えるように選択される。この技法は、約１．６から１．８マイクロメートルの間の波長領域において有用な増幅器を構築することを可能にする。電気通信用のファイバはこの領域において極めて透過性が大きいため、この波長領域で機能する増幅器があると極めて望ましいものと期待される。
【０１５１】
図２２は、エルビウム３０６が添加されておりかつ上述の原理に従ってＥＤＦＡが形成されるように構成させたファイバ３０２を利用しているＳバンドの光源３００を表している。具体的には、ファイバ３０２は、エルビウム３０６が添加されたコア３０４と、コア３０４を囲繞しているデプレスト・クラッディング３０８と、デプレスト・クラッディング３０８を囲繞している２次クラッディング３１０とを有している。
【０１５２】
光源３００は、励起光３１４を提供するための励起光源３１２を有している。励起光源３１２は、約９８０ｎｍの波長で励起光３１４を放出するダイオードレーザであることが好ましい。励起光３１４をファイバ３１８内に結合させるためには、レンズの形態をした光学部品３１６を設けている。ファイバ３１８からの励起光３１４をファイバ３２４内に結合させるためには、カプラ３２０を設けている。ファイバ３２４は、当業者に周知の適当な任意のファイバ・スプライシング技法に従ってファイバ３０２の一方の端部に接合させ、これによってファイバ３２４は励起光３１４をファイバ３０２のコア３０４内に送出している。
【０１５３】
励起光源３１２は、コア３０４内のエルビウム３０６を高い相対反転Ｄまで励起させるように光源３１２が励起光３１４を送出するようにして、励起制御３２２によって制御されている。この相対反転Ｄは、エルビウム３０６がＳバンドにおいて正の利得を示しかつ長波長バンド（すなわち、ＬバンドおよびＣバンド）において高い利得を示す場合に十分
な高さとなる。コア３０４、デプレスト・クラッディング３０８および２次クラッディング３１０の断面および屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２は、上述の法則に従って選択されている。詳細には、断面および屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２は、ＬおよびＣバンドにおける高い利得に少なくとも匹敵する損失とＳバンドにおける正の利得と比べて実質的により小さい損失とが生成されるように選択される。
【０１５４】
ファイバ３２４はカプラ３２０を通過し、波長選択用デバイス３２６で終わっている。本実施形態では、デバイス３２６はファイバ・ブラッグ回折格子の形態をした波長選択用フィードバック機構である。光のうちの反射して反転される部分がファイバ３２４を通って伝播してファイバ３０２内に戻されるため、ファイバ・ブラッグ回折格子３２６は波長選択用フィードバック機構である。もちろん、別の機構を使用することも可能である。たとえば、別の有利な波長選択用フィードバック機構は、所望の出力波長の光を逆反射するように構成されたチューナブルな自由空間回折格子である。
【０１５５】
もう一方の端部位置において、ファイバ３０２はファイバ３２８と接合されており、このファイバ３２８は出力カプラ３３０で終わっている。この場合にも、ファイバ３０２の端部をファイバ３２８に接合するためには適当な任意のファイバ接合技法を利用することが可能である。この接合は、ファイバ３０２のコア３０４を通って伝播する光がファイバ３０２とファイバ３２８の間で自由に結合されるようにしている。出力カプラ３３０は、出力光３３２を通過させるための適当な任意の光学的結合デバイスである。たとえば、出力カプラ３３０は、ファイバ３２８の劈開した端部（ｃｌｅａｖｅｄ  ｅｎｄ）、すなわち、劈開した出力切り子面（ｃｌｅａｖｅｄ  ｏｕｔｐｕｔ  ｆａｃｅｔ）、波長カプラ、自由空間反射体、ファイバ・ブラッグ回折格子、幅広バンド反射体と一緒に使用する２×２溶融ファイバ・カプラとすることが可能である。実際に、回折格子を含む出力カプラ３３０としては、ファイバ・レーザからの出力光を結合させるために使用される任意の出力結合デバイスを使用することが可能である。実際に、当業者であれば理解するであろうように、波長選択用デバイス３２６および出力カプラ３３０の機能を果たすために回折格子を使用することが可能である。
【０１５６】
動作時に、励起レーザ制御３２２は、エルビウム３０６を高い相対反転Ｄまで励起させるように励起光３１４をファイバ３０２に提供するためにオンとなる。その結果、エルビウム３０６はＳバンドにおいて正の利得を示し、かつＬバンドおよびＣバンドにおいて高い利得を示す。本発明によるコア３０４、デプレスト・クラッディング３０８および２次クラッディング３１０の断面および屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２の選択によって、ＬバンドおよびＣバンドにおける高い利得に少なくとも匹敵する損失と、Ｓバンド３４２における正の利得と比べて実質的により小さい損失とを生じさせている。したがって、ファイバ３０２は、Ｓバンド３４２内で基本モード・カットオフ波長λｃより数１０ナノメートル下まで延びる正味の光学利得・スペクトルを示す。
【０１５７】
図２３は、その利得が正であるような最も短い波長λｓｈｏｒｔと最も長い波長λｌｏｎｇとにより正味利得・バンド幅３９０が規定されることを示している。最も短い波長λｓｈｏｒｔおよび最も長い波長λｌｏｎｇは、カットオフ波長λｃ未満でのロールオフ損失曲線、添加濃度、およびコア３０４内のエルビウム３０６の分布を含むファイバ３０２の設計パラメータ、ならびに、ファイバ３０２の長さにわたる平均反転度Ｄによって決定される。ファイバ３０２の長さの変化は、反転Ｄが一定のままである限り、その利得が正であるような最も短い波長λｓｈｏｒｔおよび最も長い波長λｌｏｎｇに影響を与えない。しかし、ファイバ３０２の長さの変化は、最も短い波長λｓｈｏｒｔと最も長い波長λｌｏｎｇの間に包含される正味利得・バンド幅３９０内の利得量に影響を及ぼす。一方、励起光３１４のパワーおよびその方向の変化、ならびにシングルエンドまたはデュアルエンドの励起は、ファイバ３０２の平均反転度Ｄに直接影響を与える。本実施形態は、励起
光３１４および出力光３３２が共伝播している（同じ方向に伝播している）シングルエンド励起を利用している。反転Ｄがより大きくなると、Ｓバンド３４２内のすべての波長において利得がより大きくなり（または、損失がより小さくなり）、また最も短い波長λｓｈｏｒｔと最も長い波長λｌｏｎｇの間の正味利得・バンド幅３９０を拡大することも可能である。
【０１５８】
ファイバ３０２は、増幅のための信号光（たとえば、図６に図示した信号光７８）を受け取っていない場合であっても、依然として光学的出力を生成している。エルビウム３０６の励振（励起）原子が自然に放射崩壊して基底状態に戻るために、自然放出（ＳＥ）とも呼ばれる不可避の蛍光が発生している。この自然放出過程は、「放出断面積」（その対応性のために利得断面積ということが多い）というスペクトルに正確に比例して発生する。実際には、密度反転が達成されない場合であっても、依然として自然放出が発生する。この自然放出の一部はＳバンド３４２内の光を発生させており、またこの光の一部はファイバ３０２によって導かれるモードと重複する。より具体的には、自然放出によって発生する光の一部は、ファイバ３０２のコア３０４内にトラップされ、そのコア３０４に沿って導波モードで伝播する。このトラップされた光のうち、ファイバ３０２の正味利得・バンド幅３９０と重複する部分は増幅される。正味利得・バンド幅３９０の外部の光は一般に増幅されず、とりわけ、直接的減衰、エルビウム３０６の非反転の原子による吸収、および２次クラッディング３１０への損失によって失われる。このケースでは、ＡＳＥはコア３０４内に導かれてファイバ３０２によって増幅される。
【０１５９】
当業者であれば理解するであろうように、ＡＳＥのスペクトル形状は、自然放出のスペクトル形状（放出断面積に関連する）と、正味利得・バンド幅３９０のスペクトル形状と、の両方によって決定される。正味利得・バンド幅３９０は、放出断面積、吸収断面積、反転Ｄの程度、ならびにファイバ３０２の断面および屈折率の選択によって生成されるロールオフ損失曲線によって指示される損失のスペクトル形状に関連する。しかし、ＡＳＥのスペクトル形状は、単に自然放出スペクトルと正味利得・バンド幅３９０に関するスペクトルとの積であるだけではない、これはその自然放出のすべてがファイバ３０２の一方の端部で発生しているとし、かつその増幅のすべてがファイバ３０２内の別の箇所で発生したとした場合に予測されるものと同じである。しかしながら、ファイバ３０２からのＡＳＥ出力は、ファイバ３０２内のあらゆる箇所を起点とする自然放出の増幅済みのビットを重ね合わせたものである。
【０１６０】
一般に、高い利得および高い損失が存在する波長は、その正味利得が同じ場合であっても、低い利得および低い損失の波長と比べてより高いＡＳＥパワーを示す。典型的には、エルビウム３０６の放出断面の形状のために、正味利得・バンド幅３９０内のより長い波長は、より短い波長と比べてより高い利得を示す。さらに典型的には、より長い波長はより短い波長と比べてより高い損失を示す。このより高い損失は、エルビウム３０６の吸収断面の形状、ならびにロールオフ損失曲線の形状によるものである。したがって、ファイバ３０２を構成するＳバンド増幅器のＡＳＥスペクトルは、これらの波長の最長の波長が正味で損失を生じることがあった場合であっても、これらより長い波長の方向に偏ることが多い。典型的には、ＡＳＥ放出スペクトルの波長が短いほど、あまり多くないＡＳＥパワーを介した小さい正の正味利得を示す。
【０１６１】
上述の現象のために、光源３００を製作する際に次の法則を遵守すべきである。まず、正味利得・バンド幅３９０内にピーク波長λｐｅａｋを選択すべきである。次いで、コア３０４、デプレスト・クラッディング３０８および２次クラッディング３１０の断面および屈折率は、カットオフ波長λｃがλｐｅａｋより約１０〜２０ｎｍ上に設定されるように選択されるべきである。λｐｅａｋとλｃの間の正確な距離は、ロールオフ損失曲線３８の急峻さに応じて調整されるべきである（図４参照）。詳細には、ロールオフ損失曲線
３８が急峻であるときは、λｃをλｐｅａｋのわずか約１０ｎｍ上に設定すべきである。一方、より急峻でないロールオフ損失曲線の場合、カットオフ波長λ’ｃはλｐｅａｋより最大２０ｎｍ上に設定すべきである。ＡＳＥ放出スペクトルの全体的形状は、急峻なロールオフ損失曲線に関してはグラフ３９２で、またより急峻でないロールオフ損失曲線ではグラフ３９２’で示すように、正味利得・バンド幅３９０内の正味利得・スペクトルの形状を有している。
【０１６２】
次に、光源３００に対する所望のパワーレベルおよびバンド幅を決定すべきである。高いパワーレベルの出力光３３２を得るためには、ファイバ３０２を長くする。コア３０４内でのエルビウム３０６の添加濃度は、同じままに保ったり、光３３２のパワーレベルの上昇をさらに支援するためにさらに高めたりすることが可能である。次いで、たとえばファイバ３０２内で励起光３１４の１００〜２００ｄＢの吸収を得るために、励起光３１４のパワーレベルを上昇させている。たとえば、励起光３１４はファイバ３０２が励起光３１４を９０％まで吸収するようなあるパワーレベルで送出されている。一方、広いバンド幅にわたる出力光３３２を得るためには、ファイバ３０２を短いままに保つと共に励起光３１４のパワーレベルを減少させる。
【０１６３】
したがって、パワーとバンド幅の間にはトレードオフの関係が存在する。このことは、添加型のＥＤＦＡで達成可能な高利得および広増幅のバンド幅では、ＡＳＥ工程が極めて効率がよいためである。ＥＤＦＡのパワーをさらに増大させる典型的な方法は、より激しい励起および／またはＥＤＦＡの長さの増大である。この方式はある点まではうまく機能する。しかし、ファイバの長さおよび励起は、ＡＳＥ工程の高い効率のために、希望する高さまで上昇させることが不可能である。たとえば４０ｄＢの正味利得までＥＤＦＡ内で十分にＡＳＥパワーを蓄えた後、ＡＳＥ工程は励起状態にあるエルビウム原子から密度を奪い始め、これによって反転の程度Ｄが減少する。反転Ｄが減少すると、自然放出が減少し、また正味利得の量が大幅に低下する。Ｓバンド内での放出断面積対吸収断面積の比が好ましくないため、ＳバンドＥＤＦＡは反転Ｄの低下に対して特に敏感である。ＡＳＥと利得の間のこの相互関係によって、単一のＥＤＦＡ区画を使用する場合に、Ｓバンド内におけるＡＳＥに関する利用可能なパワーおよび／またはバンド幅が制限される。したがって、ファイバ３０２によって所望のバンド幅にわたって十分なパワーを達成することが不可能である場合、ファイバ３０２と類似のいくつかのファイバを組み合わせて使用することが可能である。こうした組み合わせに関するさらに詳細について以下に記載することにする。
【０１６４】
ファイバ３０２が励起光３１４によって励起されていると、光源３００はピーク波長λｐｅａｋを中心とするＡＳＥ放出スペクトル３９２を発生させる。光源３００のレーザ発振動作は、ファイバ・ブラッグ回折格子３２６の支援によって得られる。具体的には、ファイバ・ブラッグ回折格子３２６は、ＡＳＥ放出スペクトル３９２内の出力波長λｏｕｔｐｕｔを反射するように設定される。同時に、出力カプラ３３０は、波長λｏｕｔｐｕｔの光３３２の一部分を通過させるように設定される。ファイバ・ブラッグ回折格子３２６と出力カプラ３３０の間で多数回の往復があった後、λｏｕｔｐｕｔの光がＡＳＥ放出スペクトル３９２にわたって支配的となる。したがって光源３００は、波長λｏｕｔｐｕｔを中心としている幅狭バンドのスペクトル３３４を有する出力光３３２を出力カプラ３３０を通して放出する。励起光源制御３２２は、連続モードやパルス式モードで動作することが可能である。したがって、出力光３３２は、所望によりパルスの形で、あるいは連続式で送出されることがあり得る。
【０１６５】
図２４は、光源３４０に関する代替的実施形態を、光源３００の各部分に対応する部分を同じ参照番号によって示して表したものである。光源３４０は、波長選択用機構３４２および制御３４４を有し、これによってファイバ３０２に反射して戻される波長を機構３
４２によって調整している点で光源３００と異なる。波長選択用機構３４２は、傾斜型エタロン、歪みチューニング・ファイバ・ブラッグ回折格子、温度チューニング・ファイバ・ブラッグ回折格子、干渉計、導波路回折格子のアレイ、回折格子またはチューナブル結合キャビティ反射体などの波長フィルタである。これに応じて制御３４４は、当業者であれば理解するであろうように、フィルタ３４２の歪み、温度、傾斜角またはその他必要なチューニング・パラメータを制御するための機構である。
【０１６６】
フィルタ３４２によって反射される波長バンドを制御することによって、光源３００内と同様にして光３３２の出力波長λｏｕｔｐｕｔが選択される。もちろん、出力カプラ３３０は、この選択された出力波長λｏｕｔｐｕｔの光３３２を通過させるように調整される。ＡＳＥ放出スペクトル３９２内でいくつかの出力波長を選択することも可能である（図２３参照）。
【０１６７】
別法として、あるいはフィルタ３４２の支援により実施される出力波長の選択との組み合わせで、光源３４０の励起光源制御３２２を用い、相対反転Ｄのレベルのチューニングによって光３３２の出力波長を調整することも可能となる。このことは、制御３２２によって励起光源３１２に送出されるパワーをチューニングすることによって達成される。励起光源３１２に加えられるパワーレベルを変化させることによって、当業者であれば理解するであろうように、励起光３１４の強度が調整され、これによって相対反転Ｄのレベルがチューニングされる。
【０１６８】
図２５は、単一のＥＤＦＡ３６４を使用した本発明による光源３６０の好ましい１実施形態を表している。光源３６０は、出力カプラ３６６を備えたファイバ・リング状キャビティ３６２を有しているために反射体を使用する必要がない。この実施形態では、リング状キャビティ３６２内に装着した波長フィルタ３６８は波長選択用機構の役割を果たしている。フィルタ３６８は、調節可能なフィルタとすることが可能であり、光学的サーキュレータと一緒に使用される回折格子、あるいは適当な制御機構（図示せず）、音響光学伝送フィルタ（ＡＯＴＦ）、またさらにはチューナブル・エタロンを備える温度制御式ファイバ・ブラッグ回折格子とすることが好ましい。ファイバ・リング状キャビティ３６２はさらに、後方反射を制御しλｏｕｔｐｕｔの光部分を含む出力光３７２またはＡＳＥがリング３６２の周りで両方向に伝播するのを防止するためのアイソレータ３７０を有している。動作時において、ＥＤＦＡ３６４は励起光源（図示せず）によって励起を受けると共に、上述した原理に従った動作を受ける。
【０１６９】
図２６は、ファイバ・リング状キャビティ３６３も使用する光源３６１を表している。より幅広のＡＳＥ放出スペクトルを得るために、光源３６１は２つのカプラ３７１と３７３の間に並列に接続した２つのＥＤＦＡ３６５、３６７を利用している。第３のカプラ３７１は、リング状キャビティ３６３から出力光３７７を導出するために利用される。励起光をＥＤＦＡ３６５、３６７に提供する励起光源は、明瞭にするため、この実施形態では図示していない。
【０１７０】
ＥＤＦＡ３６５、３６７は異なるＡＳＥ放出スペクトルを有している。これらのＡＳＥ放出スペクトルは、異なるファイバ・パラメータ（断面、屈折率およびロールオフ損失曲線）、長さ、ならびに励起光（図示せず）の強度によって設定される反転レベルを含む上で検討した機構のいずれかによって制御することが可能である。ＥＤＦＡ３６５、３６７のＡＳＥ放出スペクトルは、そのピーク波長をＳバンド内の様々な箇所に有するように選択され、これによって全ＡＳＥ放出スペクトルをより広い範囲とさせることが好ましい。したがって、光源３６１は、より広いＡＳＥ放出スペクトルを提供することが可能であり、かつその範囲内でフィルタ３６９によって出力波長λｏｕｔｐｕｔが選択されるより幅広の波長領域を提供している。さらに、光源３６１は、後方反射を制御しλｏｕｔｐｕｔ
の光部分を含む出力光３７７またはＡＳＥがリング状キャビティ３６１の周りで両方向に伝播するのを防止するためのアイソレータ３７５も有している。
【０１７１】
動作時において、波長フィルタ３６９は、ＥＤＦＡ３６５、３６７によって提供される全ＡＳＥ放出スペクトル内で、光３７７の出力波長λｏｕｔｐｕｔを設定する。光３７７は、図示したように、出力カプラ３７１を介してリング状キャビティ３６３からアウトカップリングされる。さらにより幅広のＡＳＥ放出スペクトルをカバーするために３つ以上のＥＤＦＡを使用することも可能であることに留意すべきである。実際に、並列構成としたＥＤＦＡによって可能となった広いバンド幅をカバーしこれによって幅広バンド光源を実現しているいくつかの実施形態では、光３７７をアウトカップリングするためにフィルタ３６９を完全に除外することが可能である。
【０１７２】
光源３６１は、ちょうどＳバンドを超えたカバー範囲となるように容易に適応させることが可能である。たとえば、ＣバンドまたはＬバンドの波長をカバーする別のＥＤＦＡ、あるいは実際にはいくつかの追加的なＥＤＦＡを、ＥＤＦＡ３６５および３６７と並列に接続し、これらの出力を合成させることが可能である。
【０１７３】
図２７は、単一のＥＤＦＡ３８２を用いた光源３８０のさらに別の実施形態を表している。光源３８０は、励起光３８６を提供するための励起光源３８４を有している。レンズ３８８は、励起光３８６をファイバ３９０に収れんさせており、このファイバ３９０はカプラ３９２によってＥＤＦＡ３８２と結合させている。
【０１７４】
ＥＤＦＡ３８２は、一定のコイル状直径ＣＤでコイル状にしている。機械的安定性を得るために、ＥＤＦＡ３８２は直径ＣＤのスプール（図示せず）の周りでコイル状とすることが可能である。実際に、コイル状直径ＣＤによってＥＤＦＡ３８２内に導入される歪みは、この実施形態では波長選択用機構の役割を果たしている。これは、コイル状直径ＣＤによってＥＤＦＡ３８２内に所望のＡＳＥ放出スペクトルが生成されるためである。具体的には、より大きなコイル状直径ＣＤ（たとえば、図示したようなＣＤ’）を選択すると、ＥＤＦＡ３８２のＡＳＥ放出スペクトルの最大位置がＳバンド内でより長い波長にシフトする。
【０１７５】
ＥＤＦＡ３８２は、山形切り子面（ａｎｇｌｅ  ｃｌｅａｖｅｄ  ｆａｃｅｔ）３９４、あるいは光源３８０の安定性を向上させるために後方反射を防止している別の非反射性の終端で終わっている。したがって、山形切り子面３９４によって、十分な量の安定した低ノイズの出力光４０２がＥＤＦＡ３８２によって確実に出力カプラ３９６に放出される。アイソレータ３９８は、ＥＤＦＡ３８２への光４０２の後方結合を防止するためにＥＤＦＡ３８２と出力カプラ３９６の間に配置されている。
【０１７６】
この実施形態では、出力カプラ３９６は、出力のモニタリングのためにわずかな量の出力光４０２（たとえば、約１％）を導出するための追加的なタップ４００を有している。タッピングした出力光４０２を計測するために、光検出器４０４（このケースでは、フォトダイオード）を設けている。
【０１７７】
光源３８０は、固定の光源として、あるいはチューナブルな光源として使用することが可能である。詳細には、光源３８０は、コイル状直径ＣＤを変更するための機構を設けることによってチューナブルとさせることが可能である。別法として、光源３８０は、ＥＤＦＡ３８２のＡＳＥ放出スペクトルを拡張することによって、たとえば、上で検討したようにより急峻でないロールオフ損失曲線を選択することによって、幅広バンドとさせることが可能である。
【０１７８】
光源３８０は、ＥＤＦＡ３８２から出力光４０２が導出される方向と反対の方向から励起光３８６を入射させるような後方励起の幾何学構成を利用している。この方式は、出力光を導出する方向と同じ方向に励起光を送出するような上述した実施形態で使用される共励起（ｃｏ−ｐｕｍｐｉｎｇ）の仕組みにとって好ましい。
【０１７９】
光源４１０の好ましい１実施形態を図２８に図示している。光源４１０は、２つのＥＤＦＡ区画（同じファイバ片に属する場合や同じファイバ片に属さないことがある）、具体的には第１の区画４１２と第２の区画４１４を利用している。これらの２つの区画は、異なるＡＳＥ放出スペクトルを有している。このケースでは、ＡＳＥ放出スペクトルは、区画４１２、４１４の第１および第２のコイル状直径ＣＤ１およびＣＤ２のそれぞれによって設定されている。具体的には、第１の区画４１２はより小さいコイル状直径を有しており、また第２の区画４１４はより大きなコイル状直径を有している（ＣＤ１＜ＣＤ２）。したがって、第１の区画４１２のＡＳＥ放出スペクトルの最大位置は、第２の区画４１４のＡＳＥ放出スペクトルの最大位置と比べてより短いピーク波長λｐｅａｋの位置にある。
【０１８０】
上の実施形態の場合と同様に、山形切り子面４１６によって出力光４２８の後方反射が防止されている。ＥＤＦＡ区画４１２、４１４は、励起光源４２０から後方励起の仕組みで送出された励起光４１８によって励起を受ける。詳細には、励起光４１８は、レンズ４２２によってファイバ４２４に収れんさせており、またカプラ４２６はファイバ４２４からの励起光４１８をＥＤＦＡ区画４１２、４１４に結合させている。
【０１８１】
アイソレータ４３０は、出力光４２８がＥＤＦＡ区画４１２、４１４に後方結合されないことを保証している。出力カプラ４３２は、出力光４２８をアウトカップリングさせるために設けられている。出力カプラ４３２は、出力光４２８のうちのわずかな部分をタッピングするためのタップ４３４と、このタッピングした出力光４２８の一部分をモニタリングするための光検出器４３６とを有している。
【０１８２】
第１の区画４１２が第２の区画４１４をシーディングするように、光源４１０内において第１の区画４１２を第２の区画４１４の手前に位置決めすることに留意することが重要である。換言すると、第１の区画４１２からのＡＳＥが第２の区画４１４内に伝播し、かつ第２の区画４１４から出力光４２８が導出される。このような仕組みにする理由は、第２の区画４１４によって第１の区画４１２が発生させる波長の光に対して正の正味利得が提供されるためである。しかし、第１の区画４１２は正の正味利得を提供しておらず、したがって第２の区画４１４が発生させる波長の光を増幅させない。換言すると、より短いピーク波長λｐｅａｋを中心とする光を放出する第１の区画４１２は、第２の区画４１４をシーディングするが、その逆ではシーディングしないように使用することが可能である。さらに別の言い方をすると、光源４１０の２コイル設計によって、第２の区画４１４内で反転Ｄが大幅に枯渇することがない、一方区画４１２と４１４の順序を逆にすると光源４１０の動作が劣化することになる。
【０１８３】
図２９は、第１のコイル状直径ＣＤ１＝５６ミリメートル（２．２インチ）にある第１の区画４１２と、第２のコイル状直径ＣＤ２＝７４ミリメートル（２．９インチ）にある第２の区画４１４とに関するＡＳＥ放出スペクトルを表している。図２９にはさらに、区画４１２によって第２の区画４１４をシーディングした場合に得られる全ＡＳＥ放出スペクトルを表している。
【０１８４】
上述の原理に基づいて、本発明に従ってさらにより広いバンド幅光源を製作するために、最小直径（最も短いピーク波長λｐｅａｋ）から最大直径（最も長いピーク波長λｐｅａｋ）までの異なるコイル状直径をもつ多数のＥＤＦＡを直列にして使用することが可能
である。図３０は、５７．２ミリメートル（２．２５インチ）から７３．７ミリメートル（２．９０インチ）の範囲で増加させたコイル状直径を有する５つのＥＤＦＡに関するＡＳＥ放出スペクトルを表している。これらのＥＤＦＡを直列に使用すると、Ｓバンド（すなわち、約１４６０ｎｍから約１５２５ｎｍまで）の大部分をカバーする波長領域に及ぶ光源の製作が可能となる。
【０１８５】
ＥＤＦＡのＡＳＥ放出スペクトルを広げるためのさらに別の方法は、ＥＤＦＡの長さ方向で連続的に可変としたコイル状直径ＣＤを設けることによっている。コイル状直径は、上で説明したように、シーディングの理由から増加するようにすべきである。連続的に可変としたコイル状直径は、たとえば、円錐の周りにＥＤＦＡを巻き付けることによって生成させることが可能である。
【０１８６】
図３２は、第１の区画４４２および第２の区画４４４を有するＥＤＦＡを利用している光源４４０のさらに別の実施形態を表している。第１の区画４４２はより小さい第１のコイル状直径を有すると共に、より大きな第２のコイル状直径を有する第２の区画４４４をシーディングするために使用される。光源４４０は、励起光４６２を第１の区画４４２に送出しかつ励起光４６４を第２の区画４４４に送出するために、対応するレンズ４５０、４５２を備えた励起光源４４６、４４８と、ファイバ４５４、４５６と、カプラ４５８、４６０とを２つ別々に有している。
【０１８７】
光源４４０は、第１の区画４４２を終端する山形切り子面４６６を有している。光源４４０は、第１の区画４４２と第２の区画４４４の間に安定化のためのアイソレータ４６８を利用している。出力光４７２の出力波長λｏｕｔｐｕｔをチューニングするために、アイソレータ４６８の後かつ第２の区画４４４の手前に装着したチューナブル・フィルタ４７０を使用している。この実施形態では、光４７２向けの出力カプラとしてカプラ４６０を使用すると都合がよい。
【０１８８】
光源４４０は、オペレータに対して、出力光４７２のチューニングのために、励起光４６２および４６４によって区画４４２および４４４に送出される励起パワーのレベルを迅速かつ容易に調整することを可能としている。実際に、図３１は、５７．２ミリメートル（２．２５インチ）および６４ミリメートル（２．５インチ）のそれぞれに等しい第１および第２の区画４４２、４４４のコイル状直径に関して、第１および第２の区画４４２、４４４で異なるレベルの励起パワーを使用することによって全ＡＳＥ放出スペクトルをチューニングする方法を表している。
【０１８９】
図３３は、光源４４０と同様の仕組みを利用している光源４８０を表している。光源４８０の対応する部分は、同じ参照番号によって示している。光源４８０は、励起光４８４を区画４４２と４４４の両方に送出するために単一の励起光源４８２を使用している。このことは、図示したようにレンズ４８６、カプラ４８８およびファイバ４９０、４９２の支援によって実施されている。ファイバ４９０と４９２の間のカプラ４８８の結合比を調整し、励起光４８４によって区画４４２および区画４４４に送出された励起パワーのレベルを制御することが可能である。この結合比を調整するための方法は当業者にはよく知られている。
【０１９０】
もちろん、本発明によるＥＤＦＡはさらに、先行するＥＤＦＡ区画以外の手段によってシーディングを受けることもあり得る。図３４は、ＥＤＦＡ５０２がマスタ発振器５０４によってシーディングされている光源５００を簡略図で表している。マスタ発振器５０４は、分散型フィードバック・レーザ、ファブリー・ペロ・レーザ、外部キャビティ・ダイオード・レーザ、分散型ブラッグ反射体レーザ、垂直キャビティ表面放出レーザ、半導体レーザ、ファイバ・レーザまたは幅広バンド光源などの適当な任意の光源とすることが可
能である。マスタ発振器５０４からの入力光５０６は、レンズ５０８によってＥＤＦＡ５０２に結合させている。出力光５１０は、ＥＤＦＡ５０２から直接導出することや、適当な任意の出力結合機構の支援によって導出することが可能である。
【０１９１】
別法として、コイル状直径を用いてＡＳＥ放出スペクトルおよびピーク波長を制御している上述した実施形態のいずれにおいても、ＥＤＦＡファイバの各区画は、コア断面、デプレスト・クラッディング断面、および屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２の適当な選択を利用することが可能である。具体的には、第１の区画内では、これらのパラメータの適当な選択によって第１のカットオフ波長λｃ１が生成される。第２の区画内では、前記第１のカットオフ波長λｃ１と比べてより長い第２のカットオフ波長λｃ２が生成される。次いで、上で検討したのと同様の方式で第２の区画をシーディングするために、第１の区画を第２の区画の手前に位置決めしている。これらの２つの区画の間にはアイソレータを配置することが好ましい。もちろん、２つの区画のＡＳＥ放出スペクトルの追加的な調整は、必要に応じて第１および第２の区画をコイル状にすることによって実施することが可能である。
【０１９２】
図３５は、被測定デバイス５２２（ＤＵＴ）のＳバンドにおける動作性能特性を試験するための本発明による光源５２０の使用について表している。光学スペクトル・アナライザ５２４は、ＤＵＴ５２２の応答を計測するために設けている。光源５２０は、上述の構成のいずれかを用いることによって試験光５２６を発生させている。光５２６は、ＤＵＴ５２２の試験に関する必要に応じて、広いバンドに及ぶようにすることや、ある特定の出力波長λｏｕｔｐｕｔにチューニングさせることが可能である。
【０１９３】
本発明によるショートパス・ファイバを生産する方法について、ショートパス・ファイバ６２０を引き出すように設計されたデプレスト・クラッディングファイバ向けの予備成型体６００を表している図３６を参照しながら検討することにする。予備成型体６００は、デプレスト・クラッディング６１４によって囲繞されたコア６１２を有している。２次クラッディング６１６はデプレスト・クラッディング６１４を囲繞している。予備成型体６００は、ガラス主成分ＳｉＯ２により製作されており、加水分解、酸化、ゾル・ゲル法、または適当な別の任意の方法によって製造されている。
【０１９４】
コア６１２は、円形であると共にコア半径ｒｃで記述されるコア断面を有している。デプレスト・クラッディング６１４および２次クラッディング６１６は、それぞれ半径ｒｄｃおよびｒｓｃで記述される対応した円形断面を有している。コア６１２は屈折率ｎ０を有しており、デプレスト・クラッディング６１４は屈折率ｎ１を有しており、また２次クラッディング６１６は屈折率ｎ２を有している。コア６１２の屈折率ｎ０は最も大きく、またデプレスト・クラッディング６１４の屈折率ｎ１は最も小さい。本実施形態では、屈折率ｎ０は、ゲルマニウムやアルミニウムなどの屈折率上昇用添加剤をコア６１２に添加することによって達成されている。屈折率ｎ１は、ホウ素やフッ素などの屈折率低下用添加剤をデプレスト・クラッディング６１４に添加することによって達成されている。２次クラッディング６１６は未添加のままとしており、またその屈折率ｎ２はガラス主成分ＳｉＯ２の屈折率となる。コア６１２内の屈折率上昇用添加剤イオンとデプレスト・クラッディング６１４内の屈折率低下用添加剤イオンの組み込みは、加水分解または酸化工程に従って実施される。
【０１９５】
図３７Ａは、予備成型体６００内で実際に半径（ｒ）の関数として得られる典型的な屈折率分布６２２、すなわち、屈折率分布６２２の横断部分を表したグラフである。コア６１２内の屈折率上昇用添加剤イオンとデプレスト・クラッディング６１４内の屈折率低下用添加剤イオンの加水分解工程または酸化工程のいずれかによる組み込みは、添加剤反応、析出、および焼結の間に確立される平衡によって制御される。その結果、予備成型体６
００のコア６１２に屈折率の窪み６２４が生じる。この平衡はさらに、屈折率におけるのこぎり歯パターン６２６をデプレスト・クラッディング６１４内に生じさせる。したがって、コア６１２の屈折率ｎ０は実際は平均屈折率である。同様に、デプレスト・クラッディング６１４の屈折率ｎ１も平均屈折率である。また、２次クラッディング６１６の屈折率ｎ２も平均屈折率である。屈折率ｎ２は添加によって実現されていないため、２次クラッディング６１６の屈折率の実際の値は、半径の関数として示される変動が比較的小さい。
【０１９６】
半径方向の変動を示すのに加えて、実際の屈折率分布６２２はさらに、予備成型体６００の軸６２７に沿った位置の関数としても変動する。換言すると、分布６２２は、予備成型体６００の長さ方向で変動する長手方向部分を有している。予備成型体６００は、全長Ｌを有しており、事前に選択した半径における屈折率の変動を長さの関数として図３７Ｂのグラフに表している。この場合にも、屈折率ｎ０およびｎ１は平均屈折率であり、実際の屈折率の値は大きな変動を示している。一方、屈折率ｎ２も平均屈折率であるが、実際の屈折率の値は比較的一定のままである。製造工程の詳細に応じて、コア６１２およびデプレスト・クラッディング６１４の屈折率の実際の値は、軸６２７の長さ方向で最大２０％まで近づくことがあるようなＴＲ１およびＴＲ２という許容差を示す。
【０１９７】
図３６はさらに、初期断面積Ａ０から最終の全断面積Ａｆまで予備成型体６００を延伸する、すなわち引き出すことによってショートパス・ファイバ６２０を得る方法を表している。初期断面積と最終断面積は、次式に等しい。
【０１９８】
【数１９】
2005520326.tif 000021
上式において、ｒ２は引き出したショートパス・ファイバ６２０内の２次クラッディングの半径である。延伸比ＤＲは、次式のように予備成型体の半径に対するファイバの半径の比と規定される。
【０１９９】
【数２０】
2005520326.tif 000022
屈折率は引き出し工程中は概ね保持されるため、引き出されたショートパス・ファイバ６２０内において、コア６１２の平均屈折率ｎ０は、デプレスト・クラッディング６１４の平均屈折率ｎ１や２次クラッディング１６の平均屈折率ｎ２と比べてかなり高くなる。引き出されたショートパス・ファイバ６２０内のコア６１２、デプレスト・クラッディング６１４および２次クラッディング６１６に対応する半径ｒ０、ｒ１、ｒ２が得られように予備成型体６００を引き出すための延伸比ＤＲは、ショートパス・ファイバ６２０内である種の導波特性が達成されるような値としている。具体的には、これらの屈折率および半径は、λｃ未満の波長をもつ基本モードの光はコア６１２内に保持されるがλｃ以上の長い波長の基本モードの光は短い距離にわたって２次クラッディング６１６に失われるような基本モード・カットオフ波長λｃが生成されるようにして選択されている。この目的は、引き出されたショートパス・ファイバ６２０が適当な平均屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２、ならびに適当な断面または半径ｒ０、ｒ１、ｒ２を示すことを保証することによって実現させている。換言すると、この目的は、コア６１２、デプレスト・クラッディング６１４
および２次クラッディング６１６に関する屈折率分布６２２および断面を適正に設計することによって、またさらに別の言い方をすると、図１に示すような屈折率分布２０などの適正なＷ字型分布をショートパス・ファイバ６２０内で得ることによって、実現させている。
【０２００】
実際のショートパス・ファイバ６２０のいずれにおいても、デプレスト・クラッディング断面はコア断面と比べてより大きくなければならない。このことは、予備成型体６００内でデプレスト・クラッディング断面Ａｄｃと比べてより小さいコア断面Ａｃを選択することによって保証される。具体的には、予備成型体６００内において、コア断面は次式、
【０２０１】
【数２１】
2005520326.tif 000023
に等しく、一方デプレスト・クラッディング断面は次式、
【０２０２】
【数２２】
2005520326.tif 000024
に等しい。
ショートパス・ファイバ６２０になるように予備成型体６００を引き出す間で、コア断面とデプレスト・クラッディング断面の間に確立される面積比（Ａｃ／Ａｄｃ）が保持される。同様に、引き出し中において、平均屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２の値も概ね保持される。
【０２０３】
ショートパス・ファイバ６２０のｒ０、ｒ１、ｎ０、ｎ１およびｎ２の値は、基本モード・カットオフ波長λｃを規定するのみならず、波長を基準としたロールオフ損失曲線も規定している。図３８は、同じ基本モード・カットオフ波長λｃに関する損失曲線６４０からなる例示的な一群を表している。予備成型体６００からショートパス・ファイバ６２０を引き出している間では、カットオフ波長λｃだけが変位を受けるということが知られている。換言すると、ロールオフ損失曲線６４０の全体形状は基本的に保持される。
【０２０４】
しかしながら、実際の基本のカットオフ波長は、軸６２７に沿った屈折率分布６２２の変動のために軸６２７に沿った各点ごとに異なることになる。実際に、屈折率ｎ０およびｎ１に関する許容差ＴＲ１およびＴＲ２が最大で２０％まで変化するとすると（図３７Ｂを参照）、実際のカットオフ波長は約２０％までだけ変動することがあり得る。したがって、計算した延伸比ＤＲで単純に予備成型体６００を引き出して計算された基本モード・カットオフ波長λｃを有するショートパス・ファイバ６２０を生産しようとすることは実用的でないことは明らかである。
【０２０５】
したがって、本発明の方法によれば、最小の基本モード・カットオフ波長λｍは予備成型体６００の引き出しの前に設定されている。具体的には、最小のカットオフ波長λｍは、引き出されたショートパス・ファイバ６２０内で軸６２７に沿った任意の点においてカットオフ波長λｃが取り得る可能な最小値に設定されている。
【０２０６】
さらに、コア断面Ａｃおよびデプレスト・クラッディング断面Ａｄｃは予備成型体６００内で引き出しの前に計測される。コア６１２およびデプレスト・クラッディング６１４が円形である本実施形態では、このことは、半径ｒｃ、ｒｄｃを計測すると共に上に掲げ
た式を使用することによって実施される。平均値を得るためには半径ｒｃ、ｒｄｃの値を軸６２７に沿った多数の箇所で計測することが好ましい。
【０２０７】
コア６１２およびデプレスト・クラッディング６１４内の屈折率分布６２２の長手方向部分も同様に予備成型体６００の軸６２７に沿って計測される。このことは、屈折率ｎ０、ｎ１の実際値に関して、軸６２７に沿った一定の間隔かつ多数の半径において計測を行い、これによって屈折率ｎ０、ｎ１の平均値を得ることによって好都合に実施される。こうした計測は、光ファイバの予備成型体の特徴付けに関して当技術分野でよく知られている偏向トモグラフィ（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）によって実行することが可能である。さらに、図３７Ａに図示したグラフと同様に、軸６２７に沿った各点において平均値グラフの形態に屈折率ｎ０、ｎ１の計測値をプロットすると好都合である。
【０２０８】
本発明によれば、延伸比ＤＲは、計測したコア断面Ａｃ、デプレスト・クラッディング断面Ａｄｃ、ならびに予備成型体６００内で決定された屈折率ｎ０、ｎ１の変動から導出される。詳細には、延伸比ＤＲは、コア断面Ａ’ｃの最終値を達成するように設定される。この実施形態では、コア断面Ａ’ｃの最終値は、ショートパス・ファイバ６２０内で得ようとする最終コア半径ｒ０によって規定される。このことは、最終のデプレスト・クラッディング断面Ａ’ｄｃおよび屈折率ｎ０、ｎ１が与えられたときに、最終コア半径ｒ０によって軸６２７に沿ったすべての点においてλｃ≧λｍとなるような基本モード・カットオフ波長λｃが規定されるようにして実施される。λｍは、軸６２７に沿った基本カットオフ波長λｃの最小値より少なくとも５ｎｍ下に設定されることが好ましい。このことは、ファイバに対する圧迫（ｓｔｒｅｓｓｉｎｇ）や屈曲（ｂｅｎｄｉｎｇ）など標準的な技法によって、引き出されたショートパス・ファイバ６２０内における基本モード・カットオフ波長λｃの連続的な微調整が依然として可能であるような対策として実施される。
【０２０９】
図３６に戻ると、次の工程では、上で規定した法則に従って決定した延伸比ＤＲによって予備成型体６００が引き出される。この引き出しの間にできる限り所望のコア半径ｒ０に近づけることが重要である。たとえば、コア半径ｒ０が所望のコア半径から０．５％内の範囲にあるとき、カットオフ波長λｃの誤差は０．５％内にある。この値は、１．０マイクロメートルの波長での動作ではカットオフ波長λｃの５ｎｍの誤差に相当し、また１５２５ｎｍの波長での動作では８ｎｍの誤差に相当する。この程度の誤差は、Ｅｒ添加のファイバを用いたＳバンド増幅のために使用されるショートパス・ファイバにとっては、かろうじて受容可能であり、Ｎｄ添加のファイバを用いて９８０ｎｍで増幅するためのショートパス・ファイバにとっては十分に満足なものである。
【０２１０】
好ましい１実施形態では、予備成型体６００の短いパイロット区画すなわち試験区画６３４が、延伸比ＤＲによってまず引き出される。パイロット延伸（ｐｉｌｏｔ  ｄｒａｗ）とも呼ぶことがあるこの試験区画３４の引き出しは、系統誤差を排除するのに役立つ。その理由は、この引き出し工程によって屈折率分布６２２を修正することが可能なためである。たとえば、この引き出し工程は、この引き出し工程中のガラスの融解のために屈折率分布６２２の平滑化をもたらす傾向がある。融解は、予備成型体６００の屈折率分布６２２ならびに使用する任意の屈折率上昇用材料や低下用材料の設計の詳細に応じて、実際の基本モード・カットオフ波長λｃをより短い波長やより長い波長にシフトさせる傾向がある。たとえば、フッ素などの小さい原子からなる屈折率低下用添加剤は、軟化した石英ガラス内に容易に拡散する。したがって、フッ素などの屈折率低下用添加剤は、コア６１２内に拡散して、カットオフ波長λｃをより短い波長にシフトさせる。このことは、デプレスト・クラッディング６１４が深くかつ広いために、デプレスト・クラッディング６１４の平均屈折率に感知し得るほどの影響を与えることなくコア６１２内への十分な拡散が
生じる場合において問題となる。したがって、基本モード・カットオフ波長λｃに対するその影響を決定し得るような十分な確度で、分布６２２の平滑化を計算またはモデルすることは不可能であるため、こうしたパイロット延伸が有用となる。
【０２１１】
試験区画６３４を引き出した後、引き出された試験区画６３４に関して基本モード・カットオフ波長λｃが決定される。この決定は、軸６２７に沿ったいくつかの点で実施することが好ましい。試験区画６３４は、予備成型体６００（したがって、予備成型体６００から引き出そうとするショートパス・ファイバ６２０）を代表し得るだけの十分な長さを選択することが重要である。この理由のため、試験区画６３４は、長さＬの数パーセントから長さＬの最大２０パーセントまでになるように選択すべきである。カットオフ波長は、コアから光がかなり高い比率で（たとえば、１０ｄＢ／ｍや４０ｄＢ／ｍで）失われる波長として実験的に決定することがある。
【０２１２】
引き出された試験区画６３４で計測された基本モード・カットオフ波長λｃの偏差に基づいて、延伸比ＤＲは、次式の調整済み延伸比ＤＲ’となるように調整される。
【０２１３】
【数２３】
2005520326.tif 000025
次いで、ショートパス・ファイバ６２０を生成するために、調整済み延伸比ＤＲ’によって予備成型体６００の残りが引き出される。
【０２１４】
本方法のこの好ましい実施形態は、予備成型体６００が半径または屈折率に関して約０．５％など十分に高い均一性を示している状況において特に有用である。このレベルの均一性では、添加剤拡散および別の系統的影響に関する補償が非常に有効である。しかし、こうした均一性が存在しない場合であっても、試験区画６３４を引き出しかつこの試験区画６３４内の基本モード・カットオフ波長λｃの偏差を計測することによって予備成型体６００の残りを引き出すための調整済み延伸比ＤＲ’を決定することは、依然として好都合である。
【０２１５】
別の実施形態では、図３７Ｂの屈折率グラフの変動を補償するために、延伸比ＤＲは予備成型体が引き出されるに連れて異ならせている。この可変の延伸比ＤＲ（ｚ）を用いると、ファイバの長さ方向において概ね一定のカットオフ波長λｃが得られる。上述したように、試験区画のカットオフ波長を計測した後に、この可変の延伸比ＤＲ（ｚ）に係数λｃ（ｄｅｓｉｒｅｄ）／λｃ（ｍｅａｓｕｒｅｄ）を乗算し、引き出し工程による系統誤差を補償することがある。
【０２１６】
本方法のいくつかの実施形態では、２次クラッディング断面は、引き出し工程の前に調整されている。本実施形態では、この調整は、２次クラッディング半径ｒｓｃを増加させたり減少させりすることによって実施される。たとえば、２次クラッディング６１６の半径ｒｓｃは、ロッド・イン・チューブ（ｒｏｄ−ｉｎ−ｔｕｂｅ）技法（「スリービング（ｓｌｅｅｖｉｎｇ）」技法とも呼ぶことがある）、または外付け溶着（ｏｕｔｓｉｄｅ
ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＯＶＤ）によって増加させている。別法として、エッチングなどの技法によって２次クラッディング６１６の半径ｒｓｃを低下させている。これらの技法に関するより詳細な情報を得るには、読者は、アカデミックプレス社（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ）から出版されたピー・シー・ベッカー（Ｐ．Ｃ．Ｂｅｃｋｅｒ）、エヌ・エイ・オルソン（Ｎ．Ａ．Ｏｌｓｓｏｎ）、およびジェイ・アール・シンプソン（Ｊ．Ｒ．Ｓｉｍｐｓｏｎ）による「Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａ
ｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」の第２章（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）、１３〜４２頁を参照されたい。引き出されたファイバが、たとえば、１２５±１マイクロメートルや８０±１マイクロメートルなどのある標準的な外径（ＯＤ）を有すると仮定した場合、２次クラッディングの断面をこれを引き出す前に増加または減少させる必要性が増大する。標準のシングルモード・ファイバに対する低損失のスプライシングが要求される場合では、標準のファイバＯＤを維持することが重要である。本方法の残りの部分は上で検討したショートパス・ファイバ６２０を設計するための原理に従って実施される。
【０２１７】
本発明の方法は、予備成型体において、屈折率または断面の２０％までのランダムな変動を伴う基本モード・カットオフ波長λｃの≒５ｎｍ制御が得られるようなショートパス・ファイバの引き出しのために使用することが可能である。本方法がなければ、こうした変動によって基本モード・カットオフ波長λｃに＞１００ｎｍの予測不可能なシフトが生じる。この利点は、系統的シフトが存在する場合であっても得ることが可能である。
【０２１８】
引き出されたショートパス・ファイバ６２０内の基本カットオフ波長λｃは、よく知られている原理に従ってファイバ６２０に応力を与えるかコイル状にすることによってさらに調整することが可能である。その理由は、基本モード・カットオフ波長λｃが、ショートパス・ファイバ６２０をコイル状にする際に、真っ直ぐとした場合のショートパス・ファイバ６２０の基本モード・カットオフ波長を基準として変位されるためである。一方、ロールオフ損失曲線６４０の全体的形状は、図３８に示すように、基本的に保持される。したがって、ショートパス・ファイバ６２０のコイル状直径を使用することによってショートパス・ファイバ６２０を予備成型体６００から延伸した後に、基本モード・カットオフ波長λｃに微調整することが可能である。このことは、調整済み延伸比ＤＲ’に合わせて、補正延伸比ＤＲを選択する際の若干の誤差を補償するため、あるいは引き出しの際の若干の誤差を補償するために実施することが可能である。このことはさらに、引き出し工程中のショートパス・ファイバ６２０内での添加剤の拡散に起因する基本モード・カットオフ波長λｃの若干のシフトを補償するため、あるいは予備成型体６００の屈折率分布６２２の長手方向部分の軸６２７に沿った若干の変動を補償するために実施することが可能である。
【０２１９】
別法として、ある特定のコイル状半径を念頭に入れて延伸比ＤＲを決定することも可能である。ショートパス・ファイバ６２０を指定の寸法をもつボックスの形に梱包しようとする場合にこのケースとなることが多い。これらの状況において延伸比ＤＲを決定する際には、コイル状とすることによるカットオフ波長λｃに対する影響が勘案される。具体的には、コイル状直径を低下させること（より小さいコイル）によってカットオフ波長λｃがより短い波長にシフトするため、予備成型体６００を延伸する前に最小の基本モード・カットオフ波長λｃを設定する時点で所望のコイル状直径に関するシフト量を追加しなければならない。たとえば、ファイバを直径５０ｎｍでコイル状とすることによって、基本モード・カットオフ波長λｍは、同じファイバを真っ直ぐにしたときの基本モード・カットオフ波長λｍと比較して約２０ｎｍ〜２００ｎｍだけシフトする。このシフトは、ファイバの曲率（直径の逆数）に概ね比例して増加する。このシフトの大きさはファイバのモードフィールド直径（ＭＦＤ）に応じて様々であり、またさらにファイバの外径（ＯＤ）に応じて様々である。一般に、より大きなＭＦＤを有するファイバほど、（所与の屈曲直径のために生成される応力が上昇するため）コイル状とする影響をより受けやすい。ある特定のファイバ設計（すなわち、所与のＭＦＤ、ＯＤ、など）の屈曲に対する影響度はパイロット延伸段階で計測することが可能である。
【０２２０】
上で検討した実施形態では、予備成型体６００の半径ｒｃ、ｒｄｃおよびｒｓｃで記述される断面は、予備成型体６００の長さ方向または軸６２７の方向に小さい変動しか示さ
ず、したがって引き出されたショートパス・ファイバ６２０の軸６２７に沿って半径ｒ０または半径ｒ１、ｒ２で記述される最終断面に大きな変動を生じさせることがない。実際に、予備成型体６００において、延伸比ＤＲ、半径および屈折率の変動（すなわち、ＤＲ、半径および屈折率の対応する許容差）が０．３％範囲内に保持されているとき、得られる引き出されたファイバは、Ｓバンドで信号を増幅するための十分な動作性能を有することになる。ＣバンドおよびＬバンドなどの別のバンドでは、その許容差はさらに大きくなる。
【０２２１】
当業者であれば、本発明の方法は、任意のタイプのショートパス・ファイバを引き出すために利用することが可能であることを理解されよう。詳細には、活性コア（たとえば、ＥｒまたはＴｍを添加したコア）を備えたファイバを引き出すことが可能である。こうしたファイバの引き出しには上述したのと同じ工程を使用することが可能であり、また活性添加剤によって導入される屈折率に対する追加的な影響は、典型的には、屈折率分布および基本モード・カットオフ波長λｃの計測値に自動的に含まれることになる。
【０２２２】
本発明の範囲を逸脱することなく上述の実施形態を多くの方式で変更し得ることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその法的な等価物によって決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０２２３】
【図１】本発明によるＷ字型分布ファイバ、ならびに導波モードおよび非導波モードを表した図。
【図２】図１のファイバの典型的な屈折率分布のグラフ。
【図３】関心対象の短波長バンドにおいて導波モードによって得られる実効屈折率が確実に最大化されるようにした適当なコア屈折率ｎ０の選択を表したグラフ。
【図４】本発明によるＥｒ添加のファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）において適当なロールオフ損失曲線が得られるようにしたコア屈折率の適当な選択を表したグラフ。
【図５】アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ガラスにおけるＥｒイオンの吸収および利得断面積のグラフ。
【図６】本発明に従って動作させるＥＤＦＡの等角図。
【図７】０．１％ｗｔを添加した長さ６メートルのアルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ＥＤＦＡにおける正味利得を、モード・オーバーラップ係数をΓ＝０．５とし、かつ様々な反転値Ｄにおいて表したグラフ。
【図８】アルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ＥＤＦＡにおける正味利得・スペクトルを、１５３０ｎｍで４５ｄＢ利得を維持するために、ファイバ長さを５メートルと１３メートルの間としかつ反転値をＤ＝０．４とＤ＝１の間として表したグラフ。
【図９】Ｄ＝０．６とＤ＝１の間の反転値にある長さが１５メートルのアルミニウム−ゲルマニウム・ケイ酸塩ＥＤＦＡに関する利得・スペクトルのグラフ。
【図１０】Ｓバンドの３つの部分を増幅するために３つのＥＤＦＡ増幅器を使用していることを表した図。
【図１１】図１０の３つのＥＤＦＡに関する利得・スペクトルを表したグラフ。
【図１２】楕円形のコアおよびデプレスト・クラッディングを有する別のファイバ増幅器の断面を表した図。
【図１３】本発明によるファイバ増幅器の部分断面、ならびにコア・モードおよびクラッディング・モードを表した図。
【図１４】図１３のファイバの典型的な屈折率分布を表したグラフ。
【図１５】図１３のファイバのクラッディング・モード損失の影響を表したグラフ。
【図１６】図１３のファイバの外側クラッディング内に埋め込んだ吸収用ポリマー材料の影響を表したグラフ。
【図１７】本発明による別のファイバ増幅器の部分断面を表した図。
【図１８】図１７のファイバ増幅器におけるコア・モードとクラッディング・モードの間での位相整合条件を表したグラフ。
【図１９】コア・モードおよびクラッディング・モードでの放射のパワーレベルのグラフ。
【図２０Ａ】コア・モードおよびクラッディング・モードによって得られる実効屈折率ｎｅｆｆを表したグラフ。
【図２０Ｂ】コア・モードおよびクラッディング・モードによって得られる実効屈折率ｎｅｆｆを表したグラフ。
【図２１Ａ】本発明による代替的なファイバ増幅器の断面図。
【図２１Ｂ】本発明による代替的なファイバ増幅器の断面図。
【図２２】本発明による固定幅狭バンド光源におけるＥＤＦＡの使用を表した図。
【図２３】図２２の光源で使用されるＥＤＦＡのＡＳＥ放出スペクトルの典型的な形状を表したグラフ。
【図２４】本発明による代替的な光源におけるＥＤＦＡの使用を表した図。
【図２５】リング状キャビティ内で単一のＥＤＦＡを使用している光源を表した図。
【図２６】リング状キャビティ内で２つのＥＤＦＡを並列構成で使用している光源を表した図。
【図２７】出力波長のチューニングのためにＥＤＦＡのコイル状直径を使用している光源を表した図。
【図２８】本発明による２つのファイバ区画を使用している光源を表した図。
【図２９】より長波長の放出スペクトルを有するＥＤＦＡをより短波長の放出スペクトルを有するＥＤＦＡによってシーディングする効果を表したグラフ。
【図３０】いくつかのコイル状直径としたＥＤＦＡのＡＳＥ放出スペクトルを表したグラフ。
【図３１】アイソレータによって分離させた２つのＥＤＦＡ区画において異なる励起パワーレベルを使用することの全ＡＳＥ放出スペクトルに対する効果を表したグラフ。
【図３２】アイソレータによって分離した異なるコイル状直径を有する２つのＥＤＦＡを備えた光源の図。
【図３３】異なるコイル状直径を有すると共に単一の励起光源を利用している２つのＥＤＦＡを備えた光源の図。
【図３４】マスタ発振器を使用したＳバンド光源を表した図。
【図３５】本発明による試験用途または計測用途に関するＳバンド光源の使用を表した図。
【図３６】デプレスト分布を備えたショートパス・ファイバが得られるような予備成型体の引き出しを表した図。
【図３７Ａ】図３６の予備成型体内の屈折率分布の横断部分を表したグラフ。
【図３７Ｂ】図３６の予備成型体内の屈折率分布の長手方向部分を表したグラフ。
【図３８】本発明の方法によって得られる例示的なロールオフ損失曲線のグラフ。
【図３９】溶融シリカにおけるツリウムの蛍光スペクトルを表した図。
【図１】
2005520326.tif 000026
【図２】
2005520326.tif 000027
【図３】
2005520326.tif 000028
【図４】
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【図５】
2005520326.tif 000030
【図６】
2005520326.tif 000031
【図７】
2005520326.tif 000032
【図８】
2005520326.tif 000033
【図９】
2005520326.tif 000034
【図１０】
2005520326.tif 000035
【図１１】
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【図１２】
2005520326.tif 000037
【図１３】
2005520326.tif 000038
【図１４】
2005520326.tif 000039
【図１５】
2005520326.tif 000040
【図１６】
2005520326.tif 000041
【図１７】
2005520326.tif 000042
【図１８】
2005520326.tif 000043
【図１９】
2005520326.tif 000044
【図２０Ａ】
2005520326.tif 000045
【図２０Ｂ】
2005520326.tif 000046
【図２１Ａ】
2005520326.tif 000047
【図２１Ｂ】
2005520326.tif 000048
【図２２】
2005520326.tif 000049
【図２３】
2005520326.tif 000050
【図２４】
2005520326.tif 000051
【図２５】
2005520326.tif 000052
【図２６】
2005520326.tif 000053
【図２７】
2005520326.tif 000054
【図２８】
2005520326.tif 000055
【図２９】
2005520326.tif 000056
【図３０】
2005520326.tif 000057
【図３１】
2005520326.tif 000058
【図３２】
2005520326.tif 000059
【図３３】
2005520326.tif 000060
【図３４】
2005520326.tif 000061
【図３５】
2005520326.tif 000062
【図３６】
2005520326.tif 000063
【図３７Ａ】
2005520326.tif 000064
【図３７Ｂ】
2005520326.tif 000065
【図３８】
2005520326.tif 000066
【図３９】
2005520326.tif 000067
【国際調査報告】
2005520326.tif 000068