(57)【要約】【課題】サポートされている信号伝送モードに対する利得が等化されている数モード希土類ドープ増幅器ファイバを提供すること。【解決手段】本発明によるファイバは、屈折率がより低いクラッド領域によって包囲された高屈折率コアを有する。コアは、半径ａ１と包囲しているクラッド領域に対する屈折率差Δｎ１とを有し、選択された信号波長において、直径が２・ａ１よりも大きな光場を有する１組のより低次のファイバ・モードをサポートするように構成されている。このファイバは、コアと同一の拡がりを有する内側部分と、内側部分を包囲しクラッドの中に延長する外側部分とを有する、希土類ドーパントがドープされた活性領域を更に含む。活性領域は、ａ１よりも大きな外径ａ２を有し、選択された信号波長において、１組のより低次のファイバ・モードの光場に及ぶ。【選択図】図１
2015061079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率がより低いクラッド領域によって包囲された高屈折率コアを有するファイバ本体であって、前記高屈折率コアは、半径ａ１と前記包囲しているクラッド領域に対する屈折率差Δｎ１とを有し、選択された信号波長において、直径が２・ａ１よりも大きな光場を有する１組のより低次のファイバ・モードをサポートする信号導波管を提供するように構成されている、ファイバ本体を備えており、
前記ファイバ本体は、前記コアと同一の拡がりを有する内側部分と前記クラッドの中に延長する外側部分とを有する希土類ドープ活性領域を更に含み、前記活性領域の前記内側部分は前記コアの屈折率と等しい屈折率を有し、前記活性領域の前記外側部分は前記クラッドの屈折率と等しい屈折率を有し、
前記希土類ドープ活性領域は、ａ１よりも大きな外半径ａ２を有し、前記選択された信号波長において、前記１組のより低次のファイバ・モードの前記光場に及び、
よって、前記１組のより低次のファイバ・モードに対する利得を等化する、光ファイバ。
【請求項２】
前記１組のより低次のファイバ・モードは、ＪＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２モードの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記活性領域の外半径ａ２は、１０％〜１００％の範囲の百分率だけコアの半径ａ１よりも大きい、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記希土類のドーパント濃度は、前記活性領域の外半径ａ２の全体においてほぼ一様である、請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記希土類のドーパント濃度は、前記活性領域の外半径ａ２の内部で非一様である、請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記希土類のドーパント濃度の半径方向のプロファイルは、異なるより低次のモードの光電力の半径方向のプロファイルの総和に比例する、請求項５に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記コアは、希土類のドーパントを用いてドープされ、
前記活性領域の外側部分は、前記希土類のドーパントと屈折率を低下させるドーパントとを用いて同時ドープされる、請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記屈折率を低下させるドーパントは、フッ素、ホウ素、またはフッ素とホウ素との組合せである、請求項７に記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記活性領域は、エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、ツリウム、プラセオジム、およびホルミウムで構成されるグループから選択された１つまたは複数のドーパントを用いてドープされる、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
前記クラッドは、外半径ａ３を有する高屈折率の内側クラッド領域と、より低い屈折率の外側クラッド領域とを備え、
前記内側クラッド領域は、前記外側クラッドに対して屈折率差Δｎ２を有し、前記屈折率差Δｎ２は、前記ファイバの中に入力されるポンプ光に対するポンプ導波管を提供するように構成され、
前記内側クラッド領域は、前記活性領域の全体に延長し、
前記内側クラッド領域の前記外半径ａ３は、前記活性領域の外半径ａ２と等しいか、または、それよりも大きい、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１１】
前記コアは、半径ａ１＝８μｍを有し、
前記活性領域は、外半径ａ２＝１６μｍを有し、
前記内側クラッド領域は、外半径ａ３≧１６μｍを有し、
前記コアと前記内側クラッドとの間の屈折率差Δｎ１は０．００８１であり、
前記内側クラッドと前記外側クラッドとの間の屈折率差Δｎ２は０．０１００である、請求項１０に記載の光ファイバ。
【請求項１２】
マルチコア光ファイバであって、
共通のより低い屈折率のクラッド領域によって包囲された複数の高屈折率のコアを備えたファイバ本体であって、それぞれのコアは、それぞれの半径と、周囲のクラッドに対するそれぞれの屈折率差とを有し、１組のより低次のファイバ・モードをサポートするように構成されている、ファイバ本体を備えており、
前記ファイバ本体は、前記複数のコアに対応する複数の活性領域を更に含み、
それぞれの活性領域は、希土類のドーパントを用いてドープされており、
それぞれの活性領域は、それぞれのコアの全体に延長する中心部分と、前記クラッドの中に延長する外側部分とを含み、
それぞれの活性領域は、それぞれの１組のより低次のファイバ・モードの光場に及ぶ外半径を有している、マルチコア光ファイバ。
【請求項１３】
前記クラッドは、高屈折率の内側クラッド領域と、より低い屈折率の外側クラッド領域とを備えており、前記内側クラッド領域は、前記外側クラッド領域に対して屈折率差Δｎ２を有し、前記屈折率差Δｎ２は、前記ファイバの中に入力されるポンプ光のための導波管を提供するように構成されており、
前記内側クラッド領域は、前記複数のすべての活性領域全体にわたって延長する、請求項１２に記載のマルチコア光ファイバ。
【請求項１４】
数モード増幅器ファイバにおいて利得を等化するための方法であって、
（ａ）より低い屈折率のクラッド領域によって包囲された高屈折率コアを有するように光ファイバを構成するステップであって、前記高屈折率コアは、半径ａ１と前記包囲するクラッド領域に対する屈折率差Δｎ１とを有し、選択された信号波長において、直径が２・ａ１よりも大きな光場を有する１組のより低次のファイバ・モードをサポートする導波管を提供するように構成されている、ステップと、
（ｂ）外半径がａ２である希土類ドープ活性領域を有するように前記ファイバを構成するステップであって、前記希土類ドープ活性領域は、前記コアと同一の拡がりを有する内側部分と、前記内側部分を包囲し前記クラッドの中に延長する外側部分とを備えており、前記活性領域の前記外側部分は、前記コアを包囲する前記クラッドの屈折率と等しい屈折率を有する、ステップと、
（ｃ）ａ１よりも大きな外半径ａ２を有するように前記活性領域の前記外側部分を構成するステップであって、前記外半径ａ２は、前記選択された信号波長において、前記１組のより低次のファイバ・モードの前記光場に及ぶ、ステップと、
を含む方法。
【請求項１５】
ステップ（ａ）は、前記コアを包囲する内側クラッドと前記内側クラッドを包囲する外側クラッドとを含むクラッドを有するように、前記ファイバを構成するステップを含み、
前記内側クラッドと前記外側クラッドとは、それらの間に屈折率差Δｎ２を有することにより、マルチモードのポンプ光をサポートするポンプ導波管を提供するように構成されており、
前記内側クラッドは、前記活性領域の半径ａ２よりも大きいかまたはそれと等しい外半径ａ３を有する、請求項１４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、２０１３年９月１８日に出願され本出願の譲受人が有する米国仮特許出願第６１／８７９，３２９号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般には光ファイバ通信の分野に関し、詳しくは光ファイバ増幅器および増幅器技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
数モード（ｆｅｗ−ｍｏｄｅ）希土類ドープ・ファイバ増幅器は、基本（ＬＰ０１）モード、および比較的少数のより高次のＬＰｍ，ｎモードへの利得を提供し、数モード伝送ファイバに基づく空間分割多重化光伝送システムにおける重要な構成要素である。そのようなシステムは、伝送能力を大幅に向上させる潜在性を有し、従って、最近では、大きな関心をよんでいる。
【０００４】
シングル・モードの伝送で用いられる従来技術によるファイバ増幅器は、ステップ屈折率プロファイルを有するのが典型的であり、基本モード（ＬＰ０１）の光信号を誘導するコアを備えている。従来技術による増幅器ファイバは、更に、コアの半径と同一であるかまたはコアの半径よりも若干小さな半径を有する希土類ドープ領域を含む。希土類ドープ領域にポンプ放射（ｐｕｍｐ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を提供するには、適切なポンプ・ソースが用いられる。
【０００５】
より高次のモードでの光信号の伝送には、シングル・モードのファイバ増幅器のコアよりも大きなコアが必要となる。しかしながら、コアのサイズを増大させると、結果的に、サポートされる複数の伝送モードの間での利得の差が著しくなる。このように、利得の等化は、数モード光ファイバ増幅器の開発において対処されるべき重要な問題である。この問題に対処する際には、数モードの光ファイバ増幅器の設計は、その設計の全体的複雑性およびコストも考慮に入れるべきである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の実施形態は、利得が等化された数モード希土類ドープ増幅器ファイバを、提供する。ファイバは、屈折率がより低いクラッドによって包囲されている高屈折率コアを有する。コアは、半径ａ１と包囲しているクラッドに対する屈折率差Δｎ１とを有し、選択された信号波長において、２・ａ１より大きな直径の光場（ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｅｌｄ）を有する１組のより低次のファイバ・モードをサポートするように構成されている。ファイバは、希土類のドーパントがドープされた活性領域を更に含み、この活性領域は、コアと同一の拡がりを有する（ｃｏｅｘｔｅｎｓｉｖｅ）内側部分と、内側部分を包囲しクラッドの中に延長する外側部分とを備えている。活性領域は、ａ１よりも大きな外半径ａ２を有し、外半径ａ２は、選択された信号波長において、１組のより低次のファイバ・モードの光場に及ぶ（ｅｎｃｏｍｐａｓｓ）。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、数モードの希土類ドープ増幅器ファイバに、複数の選択されたモードで信号を伝送するための内側数モード導波管と、適切なポンプ・ソースからのポンプ光を誘導するためのマルチモード外側導波管とが、提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的な数モード増幅器ファイバの断面図である。
【図２Ａ】図１に示されているファイバによってサポートされるモードに対する重なり積分が、コアの半径に正規化された活性領域の半径の関数としてプロットされているグラフである。
【図２Ｂ】サポートされているモードに対する小信号利得、利得差、および雑音指数が、ポンプ電力の関数としてプロットされているグラフである。
【図３】本発明の一態様による例示的な数モード増幅器ファイバの断面図である。
【図４】図３に示されている数モード増幅器ファイバに関する屈折率プロファイルと希土類ドーパントの分布とを示す図である。
【図５】図４に示されている数モード・ファイバ増幅器の例示的な実装に対する具体的数値を与えている表である。
【図６Ａ】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図６Ｂ】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図６Ｃ】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図７Ａ】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図７Ｂ】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図７Ｃ】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図８Ａ】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図８Ｂ】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図９】図５に示されている表に与えられている数値を組み入れた例示的な数モード・ファイバ増幅器に対して計算されたモード利得を図解するグラフである。
【図１０】本発明の別の一態様による星状の外側導波管を組み入れた数モード・ファイバ増幅器の断面概略図である。
【図１１】本発明の別の態様による７つのコアを有する数モード・ファイバ増幅器の断面概略図である。
【図１２】本発明の上述した態様による一般的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
最近の発明の態様は、コアによってサポートされているすべてのモードに等しい利得を本来的に提供することができ、かつ、ポンプ電力の広い範囲にわたる動作を可能にする、数モード・ファイバ増幅器および増幅技術に向けられている。
【００１０】
本発明のある実施形態は、（ａ）選択された信号波長（または、選択された範囲の信号波長）で、基本ＬＰ０１モードと選択された１組のより高次のＬＰｍ，ｎモードとをサポートするコアと、（ｂ）サポートされているモードの光場を包囲するのに十分なほど大きな希土類がドープされた活性領域とを有する、数モードであり希土類がドープされたファイバに向けられている。
【００１１】
後で論じられるように、数モード増幅器ファイバでは、サポートされているモードのそれぞれの光場の等しくない部分が、コアの半径を超えて延長している。活性領域がコアと同じサイズである数モード増幅器ファイバでは、モード利得（ｍｏｄａｌ  ｇａｉｎｓ）は等しくないが、その理由は、活性領域とサポートされているモードのそれぞれの強度プロファイルとの間で、重なり積分（ｏｖｅｒｌａｐ  ｉｎｔｅｇｒａｌｓ）Γが等しくないからである。
【００１２】
本発明の一態様によると、数モード希土類ドープ増幅器ファイバにおいては、ファイバを化学ドープして、選択されたより高次のモードのすべての光場に及ぶのに十分なほど大きな希土類ドープ領域を提供し、同時に、選択されたモードにおける伝送をサポートするコア半径を維持することにより、モード利得が等化される。後で論じられるように、希土類ドープ活性領域は、コア全体と、コアを包囲しコアを超えて延長する外側の部分とに及ぶ。活性領域に対して適切な希土類ドーパントには、例えば、単独のエルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｍ）など、これらを相互に組み合わせたもの、またはこれらを他の適切なドーパントと組み合わせたもの、が含まれる。
【００１３】
本発明の別の実施形態では、上述した数モード希土類ドープ・ファイバは、少なくとも希土類ドープ活性領域に及ぶ半径方向の延長を有するポンプ光導波管を含むように構成されている。本発明の一態様によると、ポンプ光は、マルチモードであって、活性領域の全体で一様な反転分布（ｕｎｉｆｏｒｍ  ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を提供することにより異なる信号伝送モードに対する利得を等化するように構成されている。
【００１４】
ここで、本発明の理論的基礎について論じ、その後で、複数の例示的な実施形態に関する説明を行う。
【００１５】
＜理論的基礎＞
利得媒体の単位長さ当たりの小信号利得ｇは、利得飽和を回避するのに十分なほど小さな入力信号に対して得られる利得である。エルビウムを用いて一様にドープされファイバ半径よりも小さな半径Ｒを有する活性領域を有する従来型のエルビウムドープ・ファイバの場合には、小信号利得ｇは、次の式（１）によって表すことができる。
【００１６】
【数１】
2015061079.tif 000003
ただし、この式（１）において、Ｎ１は、レーザ／増幅器変換の下位状態の母集団であり、Ｎ２は、レーザ／増幅器変換の上位状態の母集団である。そして、式（１）に含まれている次の
【００１７】
【数２】
2015061079.tif 000004
は信号波長における放射断面（ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｃｒｏｓｓ  ｓｅｃｔｉｏｎ）であり、次の
【００１８】
【数３】
2015061079.tif 000005
は信号波長における吸収断面（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｃｒｏｓｓ  ｓｅｃｔｉｏｎ）である。また、Γは重なり因数（ｏｖｅｒｌａｐ  ｆａｃｔｏｒ）である。
【００１９】
重なり因数Γ（「重なり積分」または「重なり積分因子」としても、知られている）は、希土類ドープ領域を通過して伝播する光信号電力の割合を説明するものであり、次の式（２）によって表現することができる。
【００２０】
【数４】
2015061079.tif 000006
なお、この式（２）で、Ｉｎ（ｒ，θ）は信号の正規化された横モード強度プロファイルであり、Ｒは、希土類ドープ領域の均等なフラット・トップ分布の半径である。
【００２１】
選択された複数のより高次のＬＰｍ，ｎモードをサポートするコアを有する希土類ドープ・ファイバでは、重なり積分Γは、異なる複数のモードに対して異なっている。Γにおけるこの差の結果として、今度は、コアの半径と活性領域の半径との関数として変動するモード利得の差が生じる。
【００２２】
次に、式（１）および（２）が、例示的な数モード希土類ドープ・ファイバとの関係で論じられる。
【００２３】
図１は、例示的なファイバ１０の断面図を示しているが、ファイバ１０は、半径ａ１を有する数モード・コア１１と、半径ａ２を有する希土類ドープ活性領域１２と、クラッド領域１４とを備えている。コア１１は、４つの伝送モード、すなわち、基本モードＬＰ０１と、より高次のＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２モードとをサポートするように構成されている。図解のために、４つのモードのそれぞれの強度分布に関する１組のグラフ１５が、ファイバ１０の断面と整列するように、図１の上部に示されている。
【００２４】
図１に示されているように、４つのモードの光場１６は、コアの半径ａ１よりも大きな外半径ｗ０を有する。（明示的にまたは文脈によってのどちらかの方法で他の指示がない場合には、「光場」という用語は、一般的に、数モード・ファイバのサポートされているモードの光場を指すことに注意すべきである。）上述したように、４つの示されているモードは、コアの外に延長する変動部分を有する。
【００２５】
ここでの議論のために、活性領域の半径ａ２は変数として扱われ、コアの半径ａ１と光場の半径ｗ０とは、所与のファイバ設計の場合に、関心対象の波長では、定数である。既に論じた式（１）および（２）から、サポートされているモードのそれぞれに対するそれぞれの重なり積分は希土類ドープ領域１２の半径ａ２の関数として変動することがわかるであろう。
【００２６】
図２Ａは、基本モードＬＰ０１と、３つのより高次のＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２モードとに対する重なり積分が、ａ２／ａ１（すなわち、コアの半径ａ１に正規化された活性領域の半径ａ２）の関数としてプロットされているグラフ２１を示している。ａ２／ａ１に対する値は、１．０（すなわち、ａ２＝ａ１）から２．０（すなわち、ａ２＝２・ａ１）までの範囲にある。２πａ１（ＮＡ）／λとして定義されるＶ数は、４つの選択されたモードをサポートする信号波長において、５．０であると仮定される。
【００２７】
グラフ２１は、ドープされた領域とコア領域とが同じサイズ（ａ２／ａ１＝１）であるときには、より高次のモード（すなわち、ＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２モード）は、基本モードＬＰ０１と比較して、はるかに小さな重なり積分を呈することを示している。グラフ２１は、更に、希土類ドープ領域の半径ａ２がコアの半径ａ１との比較で増加すると、それぞれの重なり積分の間の差は縮小することを示している。
【００２８】
ポンプ電力は、考慮すべき別の因子である。図２Ｂは、ＬＰ０１およびＬＰ０２モードに対して、デシベル（ｄＢ）で測定された小信号利得、利得差、および雑音指数（ＮＦ）が、ミリワット（ｍＷ）で測定されたポンプ電力の関数としてプロットされているグラフ２２を示している。コアは１６μｍの直径と５．０のＶ数とを有していると仮定される。利得ファイバの長さは６ｍであり、エルビウムのドーピング濃度は６．９×１０２４／ｍ３と仮定される。９８０ｎｍにおけるガウス・ポンプ（Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｐｕｍｐ）が仮定される。
【００２９】
グラフ２２に図解されているように、ＬＰ０２モードの信号における利得は、エルビウムであるドーパントが高屈折率のコア領域の内部に配置されている（すなわち、ａ２＝ａ１）ときには、ＬＰ０１モードに対する利得より、５ｄＢも低くなり得る。
【００３０】
＜利得が等化された数モード・ファイバ増幅器＞
本発明の一態様は、適切なポンプ・ソースと共に、コアによってサポートされるすべてのモードに対して利得を等化する、数モード希土類ドープ増幅器ファイバに向けられている。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態によるファイバ３０の断面図（縮尺通りには描かれていない）を示している。図４は、ファイバの屈折率プロファイル４０と、希土類ドーパントの分布４５とを示している。屈折率プロファイル４０とドーパントの分布４５との両方が、以下の同心円状のファイバ領域を画定する一連のステップを有している。
（１）屈折率プロファイル４０における中心スパイク４１に対応し、半径ａ１と屈折率ｎ１とを有する、高屈折率コア３１。
（２）ｒ＝０と（ａ２＞ａ１として）ｒ＝ａ２との間に延長し、ドーパント・プロファイル４５における中心ステップ４６に対応し、希土類ドープ濃度Ｎを有する、希土類ドープ活性領域３２。
（３）屈折率プロファイル４０におけるペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）４３に対応し、半径ａ３と屈折率ｎ２とを有する、高屈折率内側クラッド３３。
（４）屈折率プロファイル４０における平坦な外側部分４４に対応し、半径ａ４と屈折率ｎ０とを有する、ドープされていない外側クラッド３４。
【００３２】
後で論じるように、ファイバ領域は、シリカまたは他の適切な材料から製造された基板に適切な化学的ドーパントを加えることによって、作られる。
【００３３】
ここでの議論のために、各ファイバ領域のそれぞれの屈折率について、その公称屈折率との関係で論じる。すなわち、コア３１は、内側クラッド３３の屈折率ｎ２に対して屈折率差Δｎ１を有し（すなわち、Δｎ１＝ｎ１−ｎ２）、内側クラッド３３は、外側クラッド３４の屈折率ｎ０に対して屈折率差Δｎ２を有し（すなわち、Δｎ２＝ｎ２−ｎ０）、外側クラッド３４はΔｎ０＝ｎ０−ｎ０＝０の屈折率差を有する。（コア３１と外側クラッド３４との屈折率差は、コアの屈折率ｎ１マイナス外側クラッドの屈折率ｎ０、または、Δｎ１とΔｎ２との和である。換言すると、ｎ１−ｎ０＝Δｎ１＋Δｎ２。）
【００３４】
ファイバ３０は、内側導波管と外側導波管とを提供するように構成されている。内側導波管は、コア３１と内側クラッド３３との間の境界によって形成され、選択された波長での、基本モードＬＰ０１と、より高次のＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２モードとにおける信号光の伝送をサポートするように、構成されている。外側導波管は、内側クラッド３３と外側クラッド３４との間の境界によって形成され、内部導波管によって伝送される信号光を増幅するのに用いられるマルチモード・ポンプ光を誘導するように、構成されている。
【００３５】
図４は、更に、４つのサポートされているモードに対する例示的な最大の光場の半径ｗ０を示している。概して、光モード場の半径は、ある所与のモードに対する場の強度がピークである場の強度の所定の分数まで低下する半径として定義される。（ガウス分布の形状（Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｓｈａｐｅ）を有する基本ＬＰ０１モードに対しては、所定の分数は１／ｅであるのが典型的である。）異なるモードに対しては光場のプロファイルが異なるので、モード場の半径ｗ０もまた、異なるモードに対しては異なる。一般に、モード場の半径ｗ０は、より大きなモード数を有するモードに対して、より大きくなる。
【００３６】
図４に示されているように、例示的な光場の半径ｗ０は、コアの半径ａ１よりも大きい。活性領域３２は、光場の半径ｗ０と等しいか、またはそれよりも大きな半径ａ２を有し、内側クラッドは、希土類ドープ活性領域３２の半径ａ２と等しいか、またはそれよりも大きな外側半径ａ３を有する。ポンプ誘導領域は、高度にマルチモードであることにより、ポンプ分布は、希土類イオンがドープされている領域を含むポンプ領域の全体で一様であると考えることができる。
【００３７】
更に図４に示されているように、（ドーパント分布４５における中央ステップ４６に対応する）希土類ドープ領域３２は、コア領域３１の全体に及ぶ内側部分４６ａと、コア３１を包囲して内側クラッド３３の中に延長する外側部分４６ｂ（ドーパント分布４５の影付き部分）とを有する。希土類ドープ領域４６ａの内側部分はコアの屈折率と等しい屈折率を有し、希土類ドープ領域４６ｂの外側部分は内側クラッドの屈折率と等しい屈折率を有することがわかるであろう。
【００３８】
後に論じられるように、上述した構成を達成する１つの方法は、屈折率を上昇させる希土類のドーパントを用いて、希土類ドープ内側領域４６ａと同一の拡がりを有するコア３１をドープし、かつ、同じ希土類ドーパントとフッ素（Ｆ）などの屈折率を低下させるドーパントとを用いて、希土類ドープ領域４６ｂの外側部分を同時にドープすることである。こうして、ファイバ３０は、選択された伝送モードをサポートするのに必要なコアの半径３１を維持しながら、サポートされているモードの光場に及ぶのに十分なほど大きな活性領域３２を有することになる。
【００３９】
＜ポンプ光＞
ファイバ３０は、マルチモードのポンプ光を誘導するための高度のマルチモードである外側導波管を提供するように構成されている。
【００４０】
外側導波管の中に放出されるポンプ場の強度が十分に高いときには、一様な反転分布を、希土類ドープ領域の全体にわたり、確立することができる。ＬＰｍ，ｎモードで伝播する小信号に対しては、単位長さ当たりの利得は、次のように表すことができる。
【００４１】
【数５】
2015061079.tif 000007
ここで、Ｐｍ，ｎ（ｒ，φ）は、信号のＬＰｍ，ｎモードの光強度分布であり、ＬＰｍ，ｎモードの電力であるＰｍ，ｎは、次の通りである。
【００４２】
【数６】
2015061079.tif 000008
【００４３】
希土類ドープ領域の全体にわたって維持されている一様な反転分布に対しては、式（３）におけるカッコの中の項は半径とは独立になり、この式は次のように表すことができる。
【００４４】
【数７】
2015061079.tif 000009
【００４５】
式（４）は、従って、小信号の利得がモードのタイプＬＰｍ，ｎとは独立になることを示している。
【００４６】
＜例示的な実施形態＞
図５は、例示的な一実装例における上述したＥＤＦ設計パラメータに対して、具体的な数値を与える表５０を示している。
【００４７】
表５０において与えられているように、例示的なファイバは、８μｍ（ａ１＝８μｍ）のコア半径と、内側クラッドに対する０．００８１（ＮＡ＝０．１５４）の公称屈折率差と、外側クラッドに対する０．０１８１（ＮＡ＝０．２３０）の公称屈折率差とを有する。１５５０ｎｍ領域における信号に対しては、Ｖ数（２πａ・ＮＡ／λ）は５．０に等しく、これが、基本ＬＰ０１モードと、よい高次のＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２モードの４つのモードとをサポートする。希土類ドープ領域は、１６μｍの半径を有し（すなわち、ａ２＝１６μｍ）、コア全体に及ぶ。ポンプを誘導する領域は、０．０１（ＮＡ＝０．１７１）の公称屈折率差を有し、１６μｍまたはそれより大きな半径を有する（すなわち、ａ２≦ａ３）。
【００４８】
特別な場合には、ファイバは、ドープされた領域と同じサイズのポンプ領域を有する、すなわちａ２＝ａ３であるように構成される。９８０ｎｍのポンプに対しては、Ｖ数は１７．５であり、ポンプ誘導領域によってサポートされるモードの数は１５３である。このような多数のモードを備えたポンプ放射は、場の分布をほぼ一定にすることができる。より大きな直径を有するポンプ誘導領域に対しては、モード数は、半径ａ３の２乗に比例して変動する。
【００４９】
＜数値シミュレーション＞
数値シミュレーション法は、表５０に与えられている数値を用いてファイバ３０のパフォーマンスをモデル化するのに用いることが可能である。利得および雑音指数は、上側および下側の状態母集合（ｓｔａｔｅ  ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）Ｎ２およびＮ１の半径方向および方位角方向の分布から数値的に計算され、次の式（３）のように示される。
【００５０】
【数８】
2015061079.tif 000010
【００５１】
ファイバは、濃度が（６．８９×１０２４）／ｍ３である一様なエルビウム・ドーピングを有すると仮定される。
【００５２】
図６Ａ〜図６Ｃは、１５３０ｎｍ（図６Ａのグラフ６１）、１５５０ｎｍ（図６Ｂのグラフ６２）、および１５６５ｎｍ（図６Ｃのグラフ６３）というＣバンドの範囲内にある３つの信号波長において、４つの異なるモードＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２に対して計算された利得を、ファイバ長の関数として図解する一連の３つのグラフ６１、６２、６３を示している。入力信号電力は−２０ｄＢｍと仮定され、ポンプ電力レベルは１．２４ｍＷ／μｍ２と仮定されるが、これは、３２μｍの内側クラッドの直径（２・ａ３）に対する１Ｗに対応する。グラフ６１〜６３は、３つの信号波長における４つのサポートされているモードに対するそれぞれの曲線の間の差が小さいことを、図解している。
【００５３】
図７Ａ〜図７Ｃは、１５３０ｎｍ（図７Ａのグラフ７１）、１５５０ｎｍ（図７Ｂのグラフ７２）、および１５６５ｎｍ（図７Ｃのグラフ７３）という波長において、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、およびＬＰ０２モードに対する入力信号電力の関数として、利得および雑音指数（ＮＦ）に対して計算された値を示す一連の３つのグラフ７１、７２、７３を示している。利得ファイバの長さは６メートルと仮定され、９８０ｎｍのポンプ入力の強度は１．２４ｍＷ／μｍ２と仮定されるが、これは、３２μｍの内側クラッドに対する１Ｗに対応する。グラフ７１〜７３に示されているように、モード利得の差は、広い範囲の入力信号電力に対して、２ｄＢ未満であることがわかる。計算されたＮＦは、１ｍＷの入力信号電力に対して約４ｄＢである。
【００５４】
図８Ａおよび図８Ｂは、発射された（ｌａｕｎｃｈｅｄ）ポンプ電力の関数として４つのサポートされているモードに対して計算された利得およびＮＦを図解する１対のグラフ８１、８２を示しており、信号電力は、−２０ｄＢｍ（図８Ａのグラフ８１）と０ｄＢｍ（図８Ｂのグラフ８２）において一定に維持されている。利得ファイバの長さは、やはり６メートルと仮定される。弱い入力信号に対しては、様々に異なるモードによって観察される利得は、ほとんど同じである。しかしながら、より強い入力信号に対しては、ポンプ強度が１．５ｍＷ／μｍ２まで上昇すると、利得の差が、約２ｄＢまで増加する。
【００５５】
図９は、ＬＰ０１およびＬＰ０２モードに対して計算された利得を、希土類ドープ領域の半径ａ２の関数として図解するグラフ９０を示している。コアの半径は８μｍ（Ｖ＝５．０）と仮定される。入力信号電力は−２０ｄＢｍと仮定され、ポンプ強度は１．２４ｍＷ／μｍ２と仮定される。
【００５６】
また、ＬＰ０１およびＬＰ０２信号モードに対する利得も、ポンプ強度の分布が一様であるという仮定の下で、８μｍから１６μｍの範囲で変動する異なる半径を有しエルビウムがドープされた領域に対して、計算されている。コアの希土類ドープ領域が８μｍの半径を有するときには、すなわち、コアと同じであるときには、利得の差は約３ｄＢであり、希土類ドープ領域のサイズが増加すると、減少する。希土類ドープ領域の半径が１０μｍ〜１６μｍまで増加されるときには、すなわち、コアのサイズよりも２５％〜１００％大きいときには、利得の差を１ｄＢ未満に維持することが可能である。活性領域の半径ａ２がほぼ１１．５μｍであるときには、２つのモードの利得は等しくなる。
【００５７】
更に、一様なドーピング分布が望ましいのではあるが、公称の一様な分布からのいくらかの変動が存在し得ることを、認識すべきである。このような変動は、例えば、製造上の困難の結果として生じ得るし、また、ファイバのプレフォームが製造される特定の過程にも左右され得る。
【００５８】
以上の分析では、エルビウムであるドーパント濃度は、エルビウムがドープされている領域の内部ａ２で一様であることが仮定されている。希土類ドーパントの分布と、異なるより低次のモードにおける光電力の分布Ｐｍ，ｎの総和とを一致させることによって、希土類ドープ領域の幅を縮小させることが可能である。例えば、希土類ドーパントの分布を、次に示す数式と比例するように、調整することが可能である。
【００５９】
【数９】
2015061079.tif 000011
【００６０】
ドーピング・プロファイルを電力分布と整合させることにより、信号が存在しない領域における反転分布を最小化することが可能であり、それによって、自然放出雑音（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｎｏｉｓｅ）を抑制することが可能である。
【００６１】
＜星状外側導波管＞
図１０は、本発明の別の態様による利得等化数モード・ファイバ（Ｇａｉｎ−Ｅｑｕａｌｉｚｅｄ  ｆｅｗ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｅｒ）１００の断面図を示しており、このファイバ１００は、半径ａ１を有するコア１０１と、半径ａ２を有する希土類ドープ活性領域１０２と、最小半径ａ３ｉと外側半径ａ３ｏとの間で変動する半径を有する内側クラッド１０３と、半径ａ４を有する外側クラッド１０４とを備えている。
【００６２】
上述したファイバ３０の場合のように、内側クラッド１０３と外側クラッド１０４との間の境界が、ポンプ放射を誘導する外側導波管を提供する。ファイバ１００では、この境界は、波形または星状である。示されている構成により、モード・ミキシングと、一様なポンプ強度分布の維持とが容易になる。
【００６３】
＜マルチコア・ファイバ＞
本発明の別の態様によると、上述した手法は、マルチコア・ファイバのコンテキストにおいても応用される。
【００６４】
図１１は、本発明のこの態様による数モード・マルチコア・ファイバ（ＭＣＦ）１１０の断面概略図を示している。
【００６５】
ＭＣＦ１１０は、中心の数モード・コア１１１ａと、この中心コア１１１ａの周囲に規則的な６角形アレイに配列されている６つの外側数モード・コア１１１ｂとを備えている。それぞれの個別のコア１１１ａ、１１１ｂには、それぞれのコアによってサポートされているすべてのモードの光場に及ぶほど十分に大きな半径を有するそれぞれの希土類ドープ領域１１２が、提供されている。示されている例においては、すべての７つのコア１１１ａ、１１１ｂとそのそれぞれの活性領域１１２とが、共通の星状内側クラッド１１３によって包囲されている。その内側クラッドと外側クラッド１１４との間の境界が、すべての７つのコア１１１ａ、１１１ｂによって共有されるポンプ光導波管を提供する。
【００６６】
＜製造方法＞
例示的な実施形態では、本発明による数モード希土類ドープ・ファイバが、化学的気相堆積（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＭＣＶＤ）法を用いて製造される。エアロゾルまたは他の気相堆積法を用いて、化学的煤煙（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｓｏｏｔ）の層をシリカ管の内壁の上に堆積させ、それを事後的に焼結させ崩壊させることで、円筒状のプレフォームが形成される。次に、このプレフォームは、ドロー・タワー（ｄｒａｗ  ｔｏｗｅｒ）の中にロードされ、引っ張られることによりファイバとなる。
【００６７】
本発明の一実施形態では、コア領域は、次のように、コアに対するそれぞれの屈折率差の値Δｎと、外側クラッドに対する内側クラッドとを有している。
内側クラッドに対するコア            Δｎ１＝０．００８１  ＮＡ＝０．１５４
外側クラッドに対する内側クラッド    Δｎ２＝０．０１００  ＮＡ＝０．１７１
外側クラッドに対するコア      Δｎ１＋Δｎ２＝０．０１８１  ＮＡ＝０．２３０
（これらの数値は、図５に示されている表５０においても、与えられている。）コア領域は、例えば、濃度消光（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を回避するため、エルビウムを用いてドープし、更に、アルミニウム（Ａｌ）を用いて同時ドープすることが可能である。ファイバのペデストラル領域においてアルミニウム・ドーパントのより高い濃度を可能にするために、フッ素ドーパント、ホウ素ドーパント、またはフッ素およびホウ素ドーパントの組合せを、追加することができる。
【００６８】
＜概括的な方法＞
図１２は、本発明の上述した態様による概括的な方法１２０の流れ図を示している。方法１２０は、次のステップを含む。
１２１：より低い屈折率のクラッドによって包囲された高屈折率コアを有するように光ファイバを構成するステップであって、高屈折率コアは、半径ａ１とクラッドに対する屈折率差Δｎ１とを有し、半径ａ１と屈折率差Δｎ１とは、選択された信号波長において、直径が２・ａ１よりも大きな光場を有する１組のより低次のファイバ・モードをサポートする導波管を提供するように構成されている、ステップ。
１２２：外半径がａ２であり、コアと同一の拡がりを有する内側部分と内側部分を包囲しクラッドの中に延長する外側部分とを有する希土類ドープ活性領域を有するようにファイバを構成するステップであって、活性領域の外側部分は、コアを包囲するクラッドの屈折率と等しい屈折率を有する、ステップ。
１２３：ａ１よりも大きな外半径ａ２を有するように活性領域の外側部分を構成するステップであって、この外半径ａ２は、選択された信号波長において、１組のより低次のファイバ・モードの光場に及ぶ、ステップ。
【００６９】
既に論じたように、本発明の一態様によると、ファイバは、コアを包囲する内側クラッドと内側クラッドを包囲する外側クラッドとを含むクラッドを有するように、構成することができる。ここで、内側クラッドと外側クラッドとは、それらの間に屈折率差Δｎ２を有することにより、マルチモード・ポンプ光をサポートするポンプ導波管を提供するように構成されており、内側クラッドは、活性領域の半径ａ２よりも大きいかまたはそれと等しい外半径ａ３を有している。
【００７０】
以上で論じた本発明の別の態様によると、ファイバは、星状の外側導波管を有するように、または、複数の数モード信号コアを有するように、構成され得る。
【００７１】
＜結論＞
以上の説明は当業者が本発明を実施することを可能にする詳細を含むが、その説明は本質的に例証のためのものであり、これらの教示の利益を有する当業者にはその多くの修正および変更が明らかであることを認識すべきである。従って、本出願では、本出願に添付されている特許請求の範囲のみによって本発明が定義されること、そして、特許請求の範囲は従来技術によって許容されるのと同程度に広く解釈されるべきであることが意図されている。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図２Ａ】
2015061079.tif 000019
【図２Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2015061079.tif 000022
【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
2015061079.tif 000024
【図７Ｂ】
2015061079.tif 000025
【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【外国語明細書】
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