(57)【要約】  第１のコア部分（１１）、厚み（ｄ２）と、第１コア部分の実効屈折率より屈折率差（Δｎ）だけ低い屈折率とを有する薄いバリア層（１２）、第１コア部分と実効屈折率が等しいか、あるいは大きい第２コア部分（１３）、及び上記第１コア部分の実効屈折率より低い屈折率であるクラッディング（１４）からなるアクティブなマルチモードの光ファイバー。上記屈折率差と上記厚みは、基本コアモードが、高次コアモードほど上記クラッディングモードと強く結合しないように選択される。第１コア部分の基本モードの共鳴効果への感度を減少させるため、ファイバーの対称性を変更する考えが開示されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
−アクティブな原子がドープされ、第１の実効屈折率（ｎ１）を有する第１コア部分（１１）；
−少なくとも、アクティブな原子がドープされず、上記第１コア部分（１１）を取り囲んでおり、及び上記第１の実効屈折率（ｎ１）より大きいか又は等しい第３の実効屈折率（ｎ３）を有する第２コア部分（１３）；
−少なくとも、上記第２コア部分（１３）を取り囲み、上記第１の実効屈折率（ｎ１）より小さい第４の屈折率（ｎ４）を有するクラッディング（１４）、それによって境界（２３）において屈折率の段差を形成するものであって、
−上記アクティブなファイバー（１０）は、さらに上記第１コア部分（１１）と上記第２コア部分（１３）間のバリア層（１２）を含み、上記バリア層（１２）は、第１コア部分（１１）の第１の実効屈折率（ｎ１）より屈折率差（Δｎ）だけ小さい第２の実効屈折率（ｎ２）と、厚み（ｄ２）を有し、
−少なくとも、上記第１の実効屈折率（ｎ１）と上記第３の実効屈折率（ｎ３）は、上記第１コア部分（１１）で第１の伝播定数（β１）を持つコアモード、及び上記第２コア部分（１３）の第２の伝播定数（β２）を持つクラッディングモードを可能にするように選択され、上記第１の伝播定数と第２の伝播定数は互いに近い値を有し、そして、
−上記第２コア部分（１３）は、多数のモードを占有するに十分な断面積を有しており；その結果、
上記屈折率差（Δｎ）と上記厚み（ｄ２）は、基本コアモードが、高次コアモードほど上記クラッディングモードと、より強くなく結合するように選択される、
ことを特徴とする、ファイバーレーザーまたはファイバー増幅器における利得媒質のための、アクティブなマルチモードファイバー（１０）。
【請求項２】
上記第４の屈折率（ｎ４）は、第２の屈折率（ｎ２）より小さいことを特徴とする請求項１に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項３】
上記バリア層（１２）は、２又はそれ以上のバリア層（１２１，１２２）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項４】
少なくとも２又はそれ以上のバリア層のうちの二つは、異なる第２の屈折率（ｎ２Ａ、ｎ２Ｂ）であることを特徴とする請求項３に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項５】
上記バリア層（１２）は、上記第１コア部分（１１）と上記第２コア部分（１３）の間に偏心して配置され、及び／または上記バリア層（１２）が可変厚み（ｄ２）を有するように非対称の断面積を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項６】
上記バリア層（１２）は、上記第１コア部分の一つの側で最小の厚み（ｄ２min）を、また、上記第１コア部分の反対側で最大の厚み（ｄ２max）を有し、かつ上記最小の厚みと最大の厚みは、上記第１コア部分の長さ方向の中心線（Ｌ）を通って伸びるたわみ平面（Ｐ）内にあることを特徴とする請求項５に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項７】
上記第１コア部分（１１）は、円形の第１の境界（２１）を有し、上記バリア層（１２）は、円形又は上記ファイバーの長さ方向に伸びる平らな側部（２２１）を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項８】
上記第２コア部分（１３）は、より大きい第１の幅（Ｗ１a）と、より小さい第１の幅（Ｗ１b）を有する第３の境界（２３）を有し、上記より大きな第１の幅は上記たわみ平面（Ｐ）に垂直であることを特徴とする請求項６または７に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項９】
上記クラッディング（１４）は、より大きい第２の幅（Ｗ２a）と、より小さい第２の幅（Ｗ２b）を有する第４の境界（２４）を有し、上記より大きな第２の幅は上記たわみ平面（Ｐ）に垂直であることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項１０】
上記第１コア部分（１１）は、１０μｍと１００μｍとの間、又は３０μｍと６０μｍとの間の直径（ｄ１）を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項１１】
上記第２のバリア層（１２）は、３μｍと５０μｍとの間、又は５μｍと２０μｍとの間の厚み有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項１２】
その長さ方向の中心線（Ｌ）は、たわみ半径（Ｒ）であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項１３】
上記たわみ半径（Ｒ）は、３ｃｍと５０ｃｍとの間、又は５ｃｍと２０ｃｍとの間であることを特徴とする請求項１２に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項１４】
上記たわみ半径（Ｒ）は、上記たわみ平面内にあることを特徴とする請求項５から１３のいずれか１項に記載のアクティブなマルチモードファイバー。
【請求項１５】
−以下の構成を有するマルチモード光ファイバー（１０）を含む共振空洞
−アクティブな原子がドープされている第１コア部分（１１）、少なくとも、アクティブな原子がドープされず、上記第１コア部分（１１）を取り囲んでいる第２コア部分（１３）；上記第１コア部分は第１の実効屈折率（ｎ１）を有し、上記第２のコア部分は、第１の実効屈折率（ｎ１）より大きいか又は等しい第３の実効屈折率（ｎ３）を有し、
−少なくとも、上記第２コア部分（１３）を取り囲み、上記第１の実効屈折率（ｎ１）より小さい第４の屈折率（ｎ４）を有するクラッディング（１４）；
−ファイバー利得媒質内でアクティブな原子の励起のための放射ポンプ源（６０）、及び上記共振空洞からレーザー光を引き出す手段、
からなる光ファイバーレーザー装置であって、
−その中に多数のモードを占有するに十分な大きさの上記第２のコア部分（１３）の断面積；そして、
−上記第１コア部分（１１）と上記第２コア部分（１３）の間の上記ファイバー（１０）内のバリア層（１２）、厚み（ｄ２）と、上記第１コア部分の第１の実効屈折率（ｎ１）よりも小さい第２の屈折率（ｎ２）とを有する上記バリア層、その結果、所望の基本コアモ−ドと不所望の高次コアモードとの間の、より強くない結合が以下のように達せられ、
−上記厚み（ｄ２）及び第２屈折率（ｎ２）と第１の実効屈折率（ｎ１）との間の屈折率差（Δｎ）は、基本コアモードが、高次コアモードほどクラッデイングモードと、より強くなく結合するように選択され；
−第１の伝播定数（β１）を持つコアモードは、全出力の一部分を伝達するために第１コア部分（１１）内で有効であり、第２の伝播定数（β２）を持つクラッディングモードは、全出力のうちの他の部分の伝達のために第２のコア部分（１３）内で有効であり；及び
−上記コアモードと上記クラッディングモードは、伝播定数空間の同じ領域を占める、
ことを特徴とする光ファイバーレーザー装置。
【請求項１６】
上記ファイバー（１０）の第４の屈折率（ｎ４）は、第２の屈折率（ｎ２）より小さいことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
上記ファイバー（１０）のバリア層（１２）は、２又はそれ以上のバリア層からなることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
少なくとも上記２またはそれ以上の層のうちの二つは、異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
上記バリア層（１２）は、上記第１コア部分（１１）と上記第２コア部分（１３）の間に偏心して配置され、及び／または、上記バリア層（１２）が、可変厚み（ｄ２）を有するように非対称の断面積を有することを特徴とする請求項１５から１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
上記バリア層（１２）は、上記第１コア部分の一つの側で最小の厚み（ｄ２min）を、また、上記第１コア部分の反対側で最大の厚み（ｄ２max）を有し、かつ上記最小の厚みと最大の厚みは、上記第１コア部分の長さ方向の中心線（Ｌ）を通って伸びるたわみ平面（Ｐ）内にあることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
上記第１コア部分（１１）は、円形の第１の境界（２１）を有し、上記バリア層（１２）は、円形又は上記ファイバーの長さ方向に伸びる平らな側部（２２１）を有することを特徴とする請求項１５から２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
上記第２コア部分（１３）は、より大きい第１の幅（Ｗ１a）と、より小さい第１の幅（Ｗ１b）を有する第３の境界（２３）を有し、上記より大きな第１の幅は、上記たわみ平面（Ｐ）に垂直であることを特徴とする請求項２０または２１に記載の装置。
【請求項２３】
上記クラッディング（１４）は、より大きい第２の幅（Ｗ２a）と、より小さい第２の幅（Ｗ２b）を有する第４の境界（２４）を有し、上記より大きな第２の幅は、上記たわみ平面（Ｐ）に垂直であることを特徴とする請求項２０から２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
上記ファイバー（１０）の第１コア部分（１１）は、１０μｍと１００μｍとの間、又は３０μｍと６０μｍとの間の直径（ｄ１）を有することを特徴とする請求項１５から２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
上記ファイバー（１０）の第２のバリア層（１２）は、３μｍと５０μｍとの間、又は５μｍと２０μｍとの間の厚み有することを特徴とする請求項１５から１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
上記ファイバー（１０）は、所定の半径（Ｒ）を有するコイル（６１）に曲げられていることを特徴とする請求項１５から２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
上記コイルの半径（Ｒ）は、３ｃｍと５０ｃｍとの間、又は５ｃｍと２０ｃｍとの間であることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
上記コイル（６１）の半径（Ｒ）は、基本コアモードが、基本と高次コアモード間で利得の識別を生じるように、光ファイバー（１０）内で非共鳴であるような値に予め定められていることを特徴とする請求項２６又は２７に記載の装置。
【請求項２９】
上記第１コア部分（１１）内のドーパントであるアクティブな原子は、エルビウム（Ｅｒ）及び／又はネオジウム（Ｎｄ）及び／又はイッテルビウム（Ｙｂ）の原子であることを特徴とする請求項１５から２８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３０】
上記装置が、さらに放射ポンプ源（６０）と平行に接続される放射信号源（６２）を含むことを特徴とする請求項１５から２９のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１のドープされたコアと、この第１のコアを取り囲む少なくとも第２のドープされないコアとからなる光ファイバーに関するものであり、上記第１のコアは第１の屈折率を有し、上記第２のコアは第３の屈折率を有する。本発明は、また、所望の基本モードと、望ましくない複数の高次のモードとの間の光学利得の識別を与えるマルチモード光ファイバー増幅装置に関するものであり、上記増幅装置は、ドープされたコアと、少なくとも第１のコアを取り囲む第２のドープされないコアを含むアクティブファイバーからなり、上記第１のコアは第１の屈折率を有し、上記第２のコアは第３の屈折率を有する。本発明は、さらに、ドープされたコアを有する光ファイバーを含む共振空洞と、少なくとも上記第１のコアを取り囲む第２のドープされないコアとからなる光ファイバーレーザー装置に関するものであり、上記第１のコアは第１の屈折率を有し、上記第２のコア部分は第３の屈折率を有する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバーレーザーの進歩は、近年、目覚しい進歩を示している。ファイバーレーザーに関する初期の実験は、基本光学モードのみに対応することができる小径のコアを有するアクティブファイバーでなされた。そのようなシングルモードのアクティブファイバーで、数百ワットの出力レベルが明らかにされたので、ファイバーレーザーを固体レーザーやガスレーザーのような他のレーザーの実績水準と同等あるいはそれ以上にした。立証された出力レベルは、ファイバーレーザーのために多くの材料の適用を促進する。連続波運転、パルス運転や、フェムト秒レンジまで下がるパルス幅でのパルス増幅はともかく、100KWを上回るピーク出力が、ファイバーレーザーで実証されている。
【０００３】
基本モードでレーザーを運転する好ましい要求は、ステップ型ファイバーのような、従来のファイバーを使用する時、比較的小径のコアのファイバーを使用することが要求される。しかし、そのようなファイバーの小径のコアの面積は、連続波（＝CW）及びパルス波のファイバーレーザーと、増幅器の双方で、達成できる出力を制限し始めた。CWファイバーレーザーで、達成できる出力の上限は、ファイバーの光学的損傷閾値及び活性化されたブリルウイン（Brillouin）スキャッタリング（＝SBS）によって決定され、一方パルスファイバーレーザーあるいは増幅器において、ピーク出力制限は、しばしば、自己移相変調や、活性化されたラマン（Raman）スキャッタリング（＝SRS）のような、フィルタ内の非線形現象によって決定される。そのような出力及びパルスエネルギーを制限するメカニズムを避けるために、ファイバー内で光場の面積を増加させることが必要である。従来のステップ型インデックスファイバーにおいて、単にコア直径を増加させる努力は、マルチモード運転を容易にするが、ビーム品質を低減した。
【０００４】
この理由は、コア直径を増加させると、また、コアとファイバーシングルモードを維持するためのクラッド材との間の屈折率の度合い又は差（refractive index step）を減少させねばならない、ということである。結局のところ、屈折率の度合いに対して製造の再現性や正確度は、コア径が２，３０ミクロン以上に増加する時、シングルモードステップ型ファイバーを作るための制限要因になる。この問題に対する他の解決策が、開発されており、最も興奮させるものの一つは、いわゆるフォトニック結晶ファイバー（＝PCF）であり、それではファイバーコア内の光閉じ込めが、ミラーとして作用するファイバー内へのエアホールの周期的配置を作ることによって達成される。しかし、PCFにはいくつかの難点があることが知られており、すなわち、製造が困難であり、ファイバーのたわみで非常に傷つきやすく、また、従来のファイバーへの接合は、損失なしではできない。
【０００５】
ステップ型ファイバーは、高出力ファイバーレーザーとして、ほぼ例外なく使用されている。そのようなファイバーで、コアの活物質（active  material）は、コアの屈折率よりも低い屈折率を持つクラッド材で取り囲まれている。いわゆるダブルクラッドファイバーにおいて、典型的には数百ミクロンの径である内側のクラッド材は、内側のクラッド材の屈折率よりも低い屈折率を持つ外側のクラッド材によって、続いて取り囲まれており、それが内側のクラッデイングへポンプ光を閉じ込め、高い開口数を持つ光でコアの光学的ポンピングを実現可能にする。エンドカップリングや、ポンプファイバーを介するサイドカップリングのように、種々の案がアクティブファイバー中にポンプ光をカップリングするために使用されてきた。
【０００６】
ステップ型ファイバーは、Ｖ−ナンバーによって特徴づけられ、その大きさは、ファイバーのコア内にいくつの安定したモードが存在するかを決定する。Ｖは、Ｖ＝（πＤ／λ）ＮＡで与えられ、ここで、Ｄはコアの直径、λは波長、ＮＡはファイバ−の開口数、すなわち、
【数１】
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ここで、ｎ１はコアの屈折率であり、ｎ２はクラッディングの屈折率である。Ｖ＜２．４である時、ファイバーはシングルモードのみ対応し、その時、シングルモードファイバーと呼ばれる。Ｖの値から、コア直径が増加する時、ファイバーがシングルモードを保つために、コアとクラッディング間の屈折率の差ｎ１−ｎ２が、より小さいことが必要である。例として、３０μｍのコア直径を持つファイバーでは、約２×１０−４の屈折率の差が、１μｍの波長でのシングルモード運転のために必要である。
【０００７】
他方では、信頼性があり再現可能なファイバーの製造は、最小の実際的な屈折率の差約１×１０−３の値に制限される。よって、屈折率の差の製造公差は、コア直径が２，３０μ以上に増加する時、シングルモードステップ型ファイバーを作るための制限要因になる。さらに、コア内の安定したモードの数（おおよそＶの大きな値に対して０．４×Ｖ２で与えられる）は、コア直径Ｄが増加するほど、二乗で増加する。それゆえ、大きなコアのファイバーでは、通常、多くのモードが存在する。
【０００８】
レーザーで利得媒質として使用されるアクティブファイバーは、レーザーのシングルモード運転を達成するためには、真にシングルモードでなければならない。レージング様式特性は、パッシブファイバーで決まるだけでなく、アクティブ利得媒質や、例えば、コア領域からのモード漏損（modal leakage）によるモード損失（modal losses）との、モードのオーバーラップ（modal overlap）に基づくネットモードゲインによって決められる。これら双方は、繊維形状、屈折率プロファイル、及びファイバーのたわみやねじりで、変えられる。異なる繊維形状、屈折率及びドーピングプロファイルは、ＬＰ０１と高次モード間の異なる利得を増加させるために提案されてきた。基本モードの最高利得の達成のために、ファイバーコア内のアクティブイオンドーピングプロファイルの閉じ込め（confinement）の変更に頼るいくつかの方法がある。すなわち、Applied PHYSICS LETTERS Vol.74,No.11,15 March 1999:Sousa, Okhotnikov−“シングル横モード増幅のためのマルチモードＥＲドープファイバー”、あるいは、米国特許第６，６１４，９７５号に提案されているように、コアのＮＡが減少するように、基本モードの損失を低く維持するために、コア及びクラッディング領域の屈折率分布を調整することがある。
【０００９】
これら方法の課題は、製造可能性と構造の再現性である。ドーピングプロファイル並びに取り囲むクラッディング層の配置、幅、および屈折率の制御は、困難である。代わりのやり方として、意義のある損失が最低次のモードを除いて、すべてに適用される方法が開発されている。これは、米国特許第６，４９６，３０１号に記載されるように、適当なサイズの心棒の周囲にファイバーをぐるぐる巻く（coiling）ことによって、高次モードに対するたわみ損失を意義あるものとすることができる。ファイルをぐるぐる巻く目的は、高次モード、すなわち、基本モード以外のモードの、意義のある放射たわみ損失を導くことである。
【００１０】
しかしながら、大きなコアのファイバーに対して、これは、一方、ファイバーに破断を引き起こし、あるいは逆にその耐久性に影響するかもしれない、より小さいたわみの半径を要求する。逆に高次モードの損失は、米国特許第５，１２１，４６０号に記載されるように、望まないモードで放射を吸収するための吸収材料からなる二次的コアを製造することによって生じる。要約すれば、ぐるぐる巻かれたファイバー増幅器／レーザーの運転は、屈折率の製造交差およびファイバーにストレスを生じさせるような、半径の小さい（tight）たわみ径によって制限される。後者のやり方は、大きなコアサイズを半径の小さいたわみ半径とする要求によって制限され、それは次第にファイバーの機械的信頼性あるいは破砕の制限に影響が及ぶ。
【００１１】
米国特許第５，８１８，６３０号は、光学増幅器システムを記載しており、以下のことを含む。ほぼ回折制限モードを有する入力ビームをを生成するレーザー源；マルチモードファイバー増幅器；入力ビームを受け、マルチモードファイバー増幅器の基本モードと適合する入力ビームのモードを変換し、上記マルチモードファイバー増幅器へモード変換入力ビームを供給するモード変換器；及び、上記マルチモードファイバー増幅器に結合されるポンプ源、上記マルチモードファイバー増幅器を光学的にポンピングする上記ポンプ、実質的に基本モードで増幅されたビームをその出力で供給する上記マルチモードファイバー増幅器。
【００１２】
さらにこの光学増幅器システムにおいて、マルチモードファイバー増幅器は、ファイバーコアを含み、全ファイバーコア面積より実質的に小さいファイバーコアの中央部の面積内にドーパントが閉じ込められ、高次モードへのモードカップリングは、利得ガイド（gain-guiding）によって減少する。システムの種類は、ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．６，Ｍａｒｃｈ  １５，１９９７の早期版に開示されている：Taverner,Richardson,Dong,Caplen,Williams,Penty-“広いモードエリアのエルビウムがドープされたファイバー増幅器での、シングルトランスバースモードの１５８−μＪ”。
【００１３】
国際公開第00／０２２９０号パンフレットには、コアを取り囲むクラッド層と、少なくとも比較的内側の第１の領域、比較的外側にある第３の領域、及び上記第１と第３の領域間に配置される第２の領域からなる上記クラッド層と、上記第１及び第３の領域より高い屈折率を有する上記第２の領域とについて記載されている。第１のクラッド領域と上記コア間の屈折率の最大の差は、約0.0030未満であり、あるいは約0.0025未満であり、あるいは好ましくは0.0015未満である。したがって、ここでは、コア直径が拡大できるという知識が使われており、よって、そこでのエネルギー密度は、エネルギー伝播コアと、非伝播クラッド間の屈折率の差を少なくすることによって減少できる。上記文献によるファイバーのコアは、アクティブな原子がドープされて、屈折率の傾斜を示す低い数値の開口中央領域を含んでおり、中央領域は、アクティブな原子がドープされておらず、そして中央領域より比較的高次の屈折率を有する、外側のリングによって取り囲まれている。上記ファイバーは、比較的大きな“マルチモード”コアを有し、ドーパントの配置の影響によってシングルモードで運転されている、すなわち、この特性は、コアの中央領域と、コアの外側のリングとの間の差によって達成される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の主たる目的は、アクティブ光ファイバーを得ることであり、そのファイバーレーザーあるいは増幅器のシングルモード運転のためのコア直径の基本的制限は、直径値をより大きくすることができ、製造可能性を犠牲にせずに十分に大きな屈折率の差を維持することができる
【００１５】
本発明の主たる特徴によれば、ファイバーレーザーあるいはファイバー増幅器の利得媒質でのアクティブマルチモードが提供され、以下の事項が含まれる：アクティブな原子がドープされ、第１の実効屈折率を有する第１のコア部分：アクティブな原子でドープされておらず、上記第１のコア部分を取り囲み、上記第１の実効屈折率よりも大きいか、あるいは等しい第３の実効屈折率を有する少なくとも第２のコア部分：少なくとも上記第２のコア部分を取り囲むクラッデイングがあり、境界で屈折率の差を形成することによって、上記第１の実効屈折率より小さな、第４の屈折率を有している上記クラッデイング。
【００１６】
上記アクティブファイバーは、さらに上記第１コア部分と第２コア部分との間にバリア層を含み、上記バリア層は、以下の構成を有する：屈折率の相違によって、第１のコア部分の第１の実効屈折率より小さい第２の屈折率および厚み：および少なくとも上記第１の実効屈折率と上記第３の実効屈折率は、第１のコア部分で第１の伝播定数でのコアモード、および第２のコア部分で第２の伝播定数でのクラッディングモードを可能にするように選択され、そして上記第１の伝播定数と第２の伝播定数は、互いに近い値を有し、第２のコア部分は、複数のモードを占有するに十分な大きさである断面積を有している：基本コアモードが、高次モードほど上記クラッディングモードと強く結合しないように、上記屈折率の差と上記厚みは選択される。
【００１７】
したがって、効果は従来にない屈折率プロファイルで達成され、第２のコア部分の屈折率は、第１のコア部分の屈折率と等しいかあるいは高く、これら二つの領域又は部分は、第１のコア部分の屈折率より小さな屈折率を有するバリア層によって分離される。そのようなファイバーでは二つのグループのモードが存在し、共鳴（共振）効果がこれらグループのモード間の結合で重要な役割を果たす。
【００１８】
本発明の第２の観点に従えば、光ファイバーレーザー装置が提供され、以下の構成を含む：アクティブな原子がドープされた第１のコア部分、少なくとも上記第１のコア部分を取り囲み、上記アクティブな原子でドープされていない第２のコア部分を有するマルチモード光ファイバーを含む共振空洞：上記第１の実効屈折率を有する第１のコア部分、および上記第１の屈折率よりも大きいか、あるいは等しい第３の実効屈折率を有する第２のコア部分、少なくとも上記第２のコア部分を取り囲み、上記第１の実効屈折率より小さい第４の屈折率を有しているクラッデイング：ファイバー利得媒質内でアクティブな原子の励起のための放射ポンプ源、及び上記共振空洞からレーザー光を引き出す手段。
【００１９】
上記ファイバーレーザー装置は、さらに以下の構成を含む：その中に多数のモードを占有するに十分な上記第２のコア部分の断面積：第１のコア部分と第２のコア部分間の上記ファイバーのバリア層、上記バリア層は厚みと第２の屈折率を有し、第２の屈折率は第１のコア部分の第１の実効屈折率よりも小さく、所望の基本コアモードと不所望の高次コアモード間の強くない結合が以下のように達成される：上記厚みと、上記第２の屈折率と上記第１の実効屈折率間の差は、基本コアモードが高次コアモードより上記クラッデイングモードと強く結合しないように選択される：第１の伝播定数を持つコアモードは、全出力のうちの一部の伝送のため第１のコア部分で可能であり、また、第２の伝播定数を持つクラッディングモードは、全出力のうちの他の部分の伝送のため第２のコア部分で可能であり、そして、コアモードとクラッディングモードは、伝播定数空間の同じ領域を占める。
【００２０】
本発明の他の特徴によれば、上記ファイバー内の上記バリア層は、基本的に上記第１のコア部分と上記第２のコア部分との間に配置され、及び／あるいは非対称の断面部分を有し、そのため、上記バリア層は、可変厚みを有し、例えば、第１コア部分の一つの側で最小の厚みであり、第１コア部分の反対側で最大の厚みとなる。
【００２１】
これは特に光ファイバーがコイル巻き（ぐるぐる巻かれる）される時、すなわち曲線にたわむような場合に、実用的であり、上記最小の厚みと上記最大の厚みは、第１のコア部分の長さ方向の中心線を通って伸びるたわみ平面内にある。上記コイルのたわみ半径は、基本コアモードが、基本コアモードと高次コアモード間の利得識別を引き起こすように、光ファイバー内で非共鳴（非共振）であるような値を持つように選ばれる。光ファイバーの非対称の配置と共にこのたわみは、最終製品での非常に正確な制御と識別の調整を可能にし、すなわち、基本コアモードとクラッディングモードとの結合は弱いが、しかし、高次コアモードとクラッディングモード間の結合は強い。
【００２２】
本発明による新しいファイバーは、レーザーを設計することを可能にし、基本モードは最高の利得を有し、レーザー光を発するのに最低のスレッシュホールドを有する。これは、共鳴や、モードの共鳴を制御するために、ファイバーを曲げ、ファイバーの位置を変更することによって達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
円形の対称なファイバーの断面を初めとして、図１Ａを参照すると、本発明による光ファイバー１０の第１の例示的な実施形態が記載されている。光ファイバー１０は、第１の実効屈折率ｎ１であるドープされた第１のコア部分１１、第２の実効屈折率ｎ２であるバリア層１２、第３の実効屈折率ｎ３である第２のコア部分１３、及び第４の実効屈折率ｎ４であるクラッデイング１４からなる。上記第１コア部分と上記バリア層間の第１境界２１、上記バリア層と第２コア部分間の第２境界２２、上記第２コア部分と上記クラッデイング間の第３境界２３、及び、上記クラッデイングとさらなるコーティング間の第４境界２４が、また、図１Ａに示されている。
【００２４】
図１Ｂは、ファイバー１０の中心を通る線に沿って、図１Ａによる対称的かつ直線的な光ファイバー１０に対する屈折率のプロファイルを示す。本発明によるファイバーの屈折率プロファイルで不可欠なことは、第２のコア部分１３の実効屈折率ｎ３が、第１のコア部分１１の実効屈折率ｎ１より大きいか、又は等しいことであり、また、クラッデイング１４の屈折率ｎ４が、第１のコア部分１１の屈折率ｎ１より小さいことである。よって、屈折率は、ｎ１＞ｎ２、ｎ３≧ｎ１、ｎ４＜ｎ１の関係を満足する。ファイバー１０の第１コア部分１１は、エルビウム（＝Ｅｒ）、ネオジウム（＝Ｎｄ）、又はイッテルビウム（＝Ｙｂ）のような、アクティブな原子でドープされ、それら原子の光励起又はポンピングによって、レーザー又は増幅器の利得を与える。したがって、この第１の実施形態において、ドープされた第１のコア部分１１、バリア層１２、ドープされない第３のコア部分１３及びクラッデイング１４は、それぞれ円形で、同軸である。
【００２５】
図６Ａに示すような第２の実施形態は、第１のコア部分１１と、断面円形であるバリア層１２を有して、まったく似ているが、第２のコア部分１３は、ファイバー１０の長さ方向に伸びる平らな側部１３１を有する。すなわち、第３境界２３は切り取られた部分を有し、第３境界の残りの部分が円形である。円形の第１境界２１と円形の第２境界２２の共通の中心を通過するたわみ平面Ｐが、また、示されている。光ファイバー１０のたわみは、この明細書の後半にもっと詳細に記載されている。
【００２６】
図７に示すような第３の実施形態は、また、まったく似ていて、第１のコア部分１１、バリア層１２、ドープされない第２のコア部分１３、及びクラッデイング１４のすべてが円形の断面であり、すなわち上記境界は円形である。ここで境界２１、境界２３、及び境界２４は同心であるが、バリア層１２は第１のコア部分の周囲で非対称的に位置し、すると第２境界２２は同心ではない。円形の第１、第２、第３及び第４の境界を通るたわみ平面Ｐが、また、示されている。図に見られるように、バリア層１２の厚みは、たわみ平面Ｐに沿って測られる時、第１コア部分の一つの側で最小のｄ２minであり、その反対側で最大のｄ２maxである。真っ直ぐな状態である時、この対称的な光ファイバー１０の屈折率プロファイルは、たわみ平面Ｐに沿って、図１１（Ａ）に示されている。開示された対称的なファイバーにおいて、少なくともバリア層１２は、その周縁、すなわち、より厚く、かつ、より薄い部分に沿って、厚みｄ２が変化する。
【００２７】
さらに、図８に示すような本発明の第４の実施形態は、また、まったく似ていて、ドープされた第１のコア部分１１、バリア層１２、ドープされない第２のコア部分１３、及びクラッデイング１４を含んでおり、ファイバー１０、第１のコア部分１１、第２コア部分、及びクラッデイング１４は、円形の断面であり、すなわち上記境界は円形である。この場合、バリア層１２は、第１コア部分１１、第２コア部分１３、及びクラッデイング１４に関して対称であり、さらに特に、その第２境界２２の円形部分、第１境界２１、第３境界２３及び第４境界２４は同心であるが、第２境界２２は、ファイバー１０の長さ方向に伸びる平らな側部２２１を有し、すなわち、第２境界２３は一部を切り取られた部分を有する。また、上記境界の共通中心を通るたわみ平面Ｐが示されている。図７のとおり、バリア層の厚みは、たわみ平面Ｐに沿って測られる時、第１コア部分１１の一つの側で最小のｄ２minであり、その反対側で最大のｄ２maxである。
【００２８】
図９に示すような第５の実施形態は、上記で論じたそれら実施形態からさらに導かれる。この実施形態において、光ファイバー１０は、第１の実効屈折率ｎ１であるドープされた第１のコア部分及び円形の第１境界２１、第２の屈折率ｎ２であるバリア層１２、及び円形の第２境界２２、第３の実効屈折率ｎ３であるドープされない第２のコア部分１３からなるが、長方形の第３の境界２３、そして第４の実効屈折率ｎ４であるクラッデイング１４及び長方形の第４境界２４を有する。
【００２９】
屈折率ばかりでなくドーピング及びアンドーピング（undoping）が、本発明の他の実施形態で同様である。この場合、第１のコア部分は、中心にあり、バリア層１２は、図７の実施形態のように非対称に位置しており、そして、たわみ平面Ｐは、それらの円形の境界２１，２２の中心を通る。上記たわみ平面Ｐは、上記第２のコア部分のより長い幅Ｗ１a,Ｗ２a及びクラッデイングに垂直に配置され、第２のコア部分の、より短い幅Ｗ１b,Ｗ２b及びクラッデイングは、上記たわみ平面に平行である。これらの第２の幅Ｗ２a,Ｗ２ｂばかりでなく、これら第１の幅Ｗ１a,Ｗ１ｂは、図９のように側部であるか、あるいは図１０のように直径の大きさである。この配置は、たわみ平面に垂直な軸の周囲に、ファイバーを容易にたわませることを可能にする。その結果、ファイバーは、以下に説明するように所望の方向に、ありのままたわむ。
【００３０】
図１０に示される第６の実施形態の光ファイバーにおいて、円形の第１境界２１のあるドープされた第１コア部分１１、円形の第２境界のあるバリア層１２は、図７及び９のように配置されているが、ドープされない第２のコア部分１３は、“８”の字状の、二つの円形の形状を有しており、すなわち第３境界２３は二つの交差する円によって形成されていて、これら二つの円の中心間を結ぶ線は、第１コア部分の円形の境界２１，２２の中心及びバリア層を通るたわみ平面Ｐに垂直である。クラッデイング１４は、この二つの円の第３の境界２３を取り囲んでおり、図９のように平らな長方形の第４の境界、あるいは、図１０のように実質的に楕円形の第４の境界２４、あるいは、直線によってつながれる二つの半円が形成される第４の境界を備えることができる。この配置は、また、たわみ平面に垂直な軸の周囲に、ファイバーが容易にたわむことができるようにする。その結果、ファイバーは、以下に説明するように所望の方向に、ありのままたわむ。
【００３１】
コア部分の実効屈折率によって、与えられるコアに対する伝播定数は、基本モードに対して先ず求められる。その時、実効屈折率ｎは、ｎ＝β／（２π／λ０）であり、ここでλ０は、アクティブなファイバーの一部である、レーザーあるいは光増幅器の一般的に動作波長であるところの、対象である放射の真空での波長である。導波管あるいはコア部分の伝播定数βは、放射の伝播方向に沿って光場の正弦曲線の変化を表しており、それは、上記正弦曲線の変化の波長に逆比例する。それは、与えられたコアの配置、光モード、及び屈折率に対して、独自の数である。その結果、この明細書で定義されるような実効屈折率は、与えられるコア部分に対して、また、明確にされる数であり、問題になっているコア部分の断面内での、可能な屈折率の変化あるいはプロファイルに立脚している。
【００３２】
この明細書において、屈折率は各領域内で一定である兆しがあるけれども、製造上の問題により実際のファイバーでは、屈折率が一定でないことが一般に生じる。しかし、それらは、また、本発明の範囲において実効屈折率の定義中に含まれる。同様に、意図的に導かれる、すなわち一様でないドーピングによる、コア部分の一定でない屈折率プロファイルが、また、含まれる。したがって、第１コア部分１１及び第２コア部分１３は、上述の実効屈折率ｎ１及びｎ３を有する。バリア層１２及びクラッデイング１４に対して、伝播定数は定義されず、無関係であり、ここでは単一の屈折率ｎ２及びｎ３は、有効である。
【００３３】
当業者にとって、ファイバー１０の屈折率プロファイルは、一般に、ファイバーによって導かれる二つのグループの光モードをもたらすことは明白である。第１のグループは、強度が第１のコア部分に主に集中するモードからなる。この明細書において、このグループのモードは、コアモードと呼ばれる。アクティブな原子による第１コア部分１１のドーピングによって、これらのモードは、レーザーあるいは増幅器のアクティブなファイバー内を伝播する時、利得が得られる。モードの他方のグループは、強度が主に第２コア部分１３に集中するモードからなり、これらのモードは、ここではクラッディングモードと呼ばれる。上記クラッディングモードは、第２コア部分１３がアクティブな原子でドープされていないので、アクティブなファイバー内で、最小の利得を得る。
【００３４】
バリア層１２は、その名前が示すように、第１コア部分とクラッディングのモードを特に分離する領域である。バリア層１２において、コアモードに対するマックスウエル方程式の解は、二次ハンケル関数の一次結合によって与えられ、この領域においてコアモードの場は、エバネセント場として記載できる。量子力学において、エバネセント場は、一般にバリア層を通るトンネル現象に関係しており、この類推によって領域１２は、バリアあるいはバリア層と、ここでは呼ばれる。バリア層１２は必ずしも単一層ではないが、１以上の層を含んでもよい。この場合、これらは、バリア層１２を共に形成する層／複数の層と呼ばれる。
【００３５】
バリア層の厚みは、例えば、３〜５０μｍ、好ましくは５μｍと２０μｍとの間である。導かれる第1及び第２コア部分の光モードは、バリア層の幾何学的寸法と屈折率が、コアモードとクラッデイングモードとが、実質的に重なることができるように略選択されるという条件で、互いに大いに結合−コア内結合（inter-core coupling）−される。この発明によれば、上記結合は、第1コア部分の基本モードを除いて、すべてのモードに対して最大になる。
【００３６】
上記結合を最大化するための一つの可能性は、バリア層の径方向の寸法である。上記コアとクラッディングのモード間の重なりの程度は、バリア層１２の厚みｄ２及び／あるいは屈折率の差Δｎ＝ｎ１−ｎ２を変えることによって変えられる。例えば、与えられた屈折率の差Δｎで、バリア層１２の厚みｄ２を増加させることは、コアモードの出力のより小さなごく少量が、第２コア部分内に伝播しており、かつクラッディングモードの出力のより小さなごく少量が、第１コア部分内に伝播していることを意味して、重なりをより小さくすることを導く。
【００３７】
上記結合を最大化するための他の可能性は、伝播定数である。第２コア部分１３の屈折率ｎ３は、第1コア部分の屈折率ｎ１より大きいか、あるいは等しいので、クラッディングモードの伝播定数β２は、第２コア部分１３の断面積が、複数のモードを占めるほど十分に大きいという条件で、コアモードの伝播定数β１に非常に近い。実際のファイバーでこの要求は、容易に満たされる。与えられたコアモードに対して、クラッディングモードの伝播定数が、コアモードの伝播定数に非常に近い、すなわち、Δβ＝β２−β１が小さい、クラッディングモードがあるという事実は、ファイバーの長さに沿って、屈折率プロファイルあるいは寸法において不規則性を少なくすることによって、これら二つのグループのモードの結合を導くことになる。どのコア及びクラッディングモード結合の強さも、これら二つの間の空間的な重なりに基づいている。
【００３８】
上述した実効屈折率の相対振幅の例は、第２コア部分の断面積より、かなり小さな第1コア部分１１の断面積を有する光ファイバー１０に対して生じる。この好ましいケースで、第２コア部分１３の伝播定数β２の許容値は、第1コア部分１１の伝播定数β１より多く密に分布している。言い換えれば、第2コア部分１３のモードの、伝播定数の平均的な間隔Δβ２は、第1コア部分１１のモードの各間隔より、かなり小さい。これは、実際に達成するのに容易な、非常に小さな伝播定数が不一致である伝播定数を重ねるため、上記要求を達成し、また、第2コア部分の光モード間の急速な出力の分散に有利である。
【００３９】
さらに注目すべきは、われわれは、通常、ファイバーレーザーと増幅器の運転において意義のある役割を演ずる、概して第１コア部分の基本モードと、少しの最も近くにある高次のモードのみに関心がある、といわねばならない。レージングで基本モードと張り合い、そしてレーザーのビーム品質を劣化させる傾向のある、最低次の高次モードがある。そこで、われわれは、その最低次の高次モードでレージングを著しく区別するどの考え方にも関心があり、よって基本モードにおいてのみのレージングを好んでいる。
【００４０】
前述のように、重なり、よってモードの結合の強さは、エバネセント場の結合によって、それを通るバリア層１２で制御される。異なるコアモードは、クラッディングモードと異なる強さで結合する。Δｎとｄ２が適切に選ばれる時、基本コアモードは、高次コアモードほどクラッディングモードとの結合は強くない、という状況に達する。よって、バリア層１２の材料は、アクティブなファイバーでのモードの利得が関係する限り、コアモードに対して漏れ経路として作用する。しかし、光は依然としてファイバーによって導かれるので、全体としてファイバーからの漏れはない。
【００４１】
一般的に、光ファイバーが、第１コア部分の直径が比較的大きく、例えば数十μｍであり、また、屈折率の差Δｎが2.4より大きなＶ−ナンバーを生じるに十分な大きさである、という条件で複数のコアモードを支持する。この点において、上記コアモードは、同様な寸法や屈折率の差を有する従来の屈折率の差のあるファイバーと似ている。しかし、たとえ複数のコアモードを支持するとしても、ファイバーレーザーあるいは増幅器で使用されるアクティブなファイバー１０の正味のモード利得は、バリア層１２の厚み、配置、及び屈折率によって制御され、また、異なるモードに対する正味の利得は、基本コアモードがレージングに対して最低の閾値利得を有するように設計される
【００４２】
よって、ファイバーの第1コア部分１１がシングルモードではないけれども、ファイバー１０の屈折率と層の厚みが適切に選ばれるという条件で、レーザーは、シングルモードあるいはシングルモードに近い様式で運転されるであろう。クラッディングモードと強く結合するコアモードに対する正味の利得は、弱く結合するものより小さい。なぜならフォトンは、クラッディングモードで伝播する時、ドープされた第1コア部分１１とクラッデイングモード場との非常に小さな重なりにより、大きな利得を得られない。バリア層１２の厚みや屈折率は、基本コアモードのみがレージングに対して、十分な正味の利得を有するように選択される。本発明の実際の実装では、ファイバー１０のバリア層１２の厚みｄ２は、典型的には３〜５０μｍ、好ましくは５〜２０μｍである。
【００４３】
漏れ損失の一次近似は、第２コア部分が無限であると仮定し、また、コア部分に対する複雑な伝播定数を計算することによって、得ることができる。伝播定数の虚数部分は、その時、コアモードの放射損失に関係している。図２を参照すると、基本コアモードと第１次コアモードに対する損失は、バリア層１２の厚みの関数としてプロットされている。屈折率の差Δｎ＝２×１０−３と、第１コア部分１１の直径４０μｍが、計算において使用された。基本モードに対してｄＢ／ｍで表される損失は、高次モードに対する損失よりも小さく、高次モードでは、基本モードの約３．４倍である。損失のそのような差は、アクティブなレージング媒質として使用される時、たとい第１コア部分が複数のモードに対応するとしても、ファイバー内の基本モードで好ましいレージングするに十分である。本発明のファイバーの状況で述べられる損失は、ファイバーからの真の放射損失ではなく、むしろ、クラッディングモードと相互作用することによるコアモードの利得損失である。本発明の実装上、ファイバー１０の第１コア部分１１の直径は、１０〜１００μｍが有利であるが、好ましくは、３０〜６０μｍである。
【００４４】
従来のステップ型ファイバーで第１コア部分の屈折率は、クラッディングの屈折率より大きく、よってコアモードの場は、クラッド材内で指数関数的に減少する。本発明のファイバー１０では、第２コア部分１３の領域でのコアモードの場は、指数関数的に減少する動きはないが、振動する。それゆえ、ファイバー１０のコアモードの場は、第２コア部分とクラッディングの間の境界２３で屈折率の差を受け、そこで場の境界条件が満足されねばならない。図３において、第２コア部分の出力潮流（power flowing）と全出力潮流との間の比は、直線状ファイバーの第２コア部分の関数として基本コアモードに対してプロットされている。明らかな共鳴がこのプロットに見られ、ファイバー１０の基本コアモードとクラッディングモードとの結合が、第２コア部分の厚みに基づいていることを示している。このような共鳴の発生は、実際には、ファイバーの厚みの製造公差（約５％）により避けられない。
【００４５】
実際のファイバーレーザーや増幅器において、アクティブなファイバーは、直線状ではないが、通常、図１５に示されるように取り扱いや実装の便宜のため、半径Ｒのコイル１６に巻かれ、あるいは曲げられる。たわみ径は、コイル中で必ずしも一定ではないが、コイルは変わりうる径Ｒを有し、それは円錐形コイルあるいは楕円形のコイルを使用することによって達成される。すると、共鳴は場所によって異なる半径を平均化する。図において、たわみ平面Ｐは、光ファイバー１０の断面の対称平面であり、すなわち、少なくとも第１、第２のコア部分の対称平面、バリア層とクラッデイング、及びさらに半径Ｒは、たわみ平面Ｐ内にある。たわみ方向は、バリア層のより厚い厚みｄ２max側がより大きな半径、すなわち緩やかな曲線であり、そしてバリア層のより薄いｄ２min側がより小さい半径Ｒ、すなわち図１１（Ｂ）のように、きつい曲線である。それに加えて、コイルの断面は円である必要はなく、例えば、楕円形であってもよい。
【００４６】
巻回工程は、空間モードプロファイルの歪あるいは変化を生じ、上記歪はファイバーコイルのたわみ半径Ｒを、より小さくすることをより難しくする。たわみファイバーに対して、単なる光線伝播モデルは、コイルのファイバーの外端の方に光をどのように送る傾向があるかを質的に説明でき、古典力学の遠心力にやや類似の現象を説明できる。本発明による直線状ファイバーに対する上記のような共鳴効果は、ファイバーがコイルに巻かれる時、また、コイルの半径Ｒが変わる時、同じことが起こる。
【００４７】
図４Ａは、Ｒ＝１０ｃｍである基本コアモードの場に対する等高線図を示し、第２コア部分内側に、コアモード場の強い共鳴がある。図４Ｂは、さらに、ファイバーの中心を通るたわみ半径の方向に沿って場の折れ線グラフを示している。このプロットは、第２コア部分で比較的強い振動場を示している。そのような場合、基本コアモードとクラッディングモードの強い結合が期待される。高次コアモードは、この特別なたわみ半径で必ずしも共鳴を示さないことに注意すべきであり、よって基本コアモードは、高次モードよりも、より高い漏れ損失を有する。
【００４８】
ファイバ−をたわませることは別として、ファイバーを機械的に加減することによってファイバーの共鳴を制御する他の可能性は、例えば、ファイバーをねじること、あるいはたわみとねじりの組合せである。
【００４９】
図５は、基本コアモードに対するＲの関数として、第２コア部分内の相対出力潮流を示している。Ｒが変化する時、例えば、Ｒ＝８ｃｍと１０ｃｍである時、共鳴があることは明白である。本発明のファイバー１０の場合、共鳴は、それゆえ、Ｒが変化する時、コアモードの損失は、動的に変化する。一方、基本コアモードに対する共鳴は、適切なコイル半径Ｒを選択することによって避けられ、さらに基本コアモードの共鳴効果を最小にするために、ファイバー構造の配置を変えることが好ましい。コイルの半径Ｒは、有利には、３〜５０ｃｍ、好ましくは５〜２０ｃｍである。概して、ファイバー１０がコイルに巻かれる時、実効屈折率プロファイルは、図１１（Ｂ）に示されるように、たわみ半径に沿って変化する。
【００５０】
たわみは、コアの外端方向、すなわち、たわみ軸からより大きな半径方向に、第１コア部分の光モードの場を集中させるようにする。この作用は、より小さなたわみ半径をより大きくする。これは、たわみが導波管の内端で、光モードのための実質的な閉じ込めを生じることを意味しており、一方、反対側の外端は、実際どおりであり、すなわち、たわみは、導波管からモードを押し出そうとする。よって、外端での固有の屈折率プロファイルによるより大きなモードの閉じ込めが、内端のそれに比較して好ましいことは、明白である。これは、第１コア部分の外端での厚みに比較して、内端でバリア層の厚みをより小さくすることによって達成できる。
【００５１】
本発明において注意すべき重要なことは、モード閉じ込めを誘導するたわみの有効性が、第１コア部分１１のモードの空間場プロファイルに依存する。高次モードは、多くの極大部分の空間プロファイルを有し、一方、基本モードは、単一の極大部分である。高次モードは、第１コア部分の内端で、より薄いバリア層領域の方向にその場を延長し、第２コア部分１３のモードで、より強い結合を有する。好ましい実施形態では、伝播定数β２は密に分布するので、第２コア部分１３のモードは、互いに強く結合し、イントラ−コア（intra-core）結合と呼ばれる。モードに独立なインタ−コア（inter-core）結合に伴う、第２コア部分１３のモードの中の関連した出力拡散は、第１コア部分１１の基本モードによって経験されるそれに比べて、第１コア部分１１の高次モードに対してより小さな利得を導く。よって、第１コア部分１１の基本モードにおいてのレージングあるいは光増幅は、有利に働くであろう。
【００５２】
上述のように、本発明のファイバーは、導波管あるいはコア部分の伝播定数β１とβ２の間の重なりを有する。図１２は、垂直軸の左方に第１コア部分のモード伝播定数を、また、右方に第２コア部分のモードに対する伝播定数を示している。示されるように、上記伝播定数の重なりは、第１コア部分１１のすべてのモードに対して存在する。ここで、「すべて」の用語によって、第１コア部分の基本モードと、少なくとも潜在的に重要な高次モードを意味している。第２コア部分のはるかに大きな領域によって、伝播定数β２は、伝播定数β１より、さらに空間的に密である。その結果、第１コア部分のすべての重要なモードに対して、第２コア部分のモードを結合する可能性がある。水平の矢印は、この結合を示し、そして第２コア部分のモード間の垂直の矢印は、第２コア部分の異なるモード間の結合を示し、それで、伝播定数の間隙を近づけることによって、第２コア部分１３のモード間で光出力を効率よく分散させる。
【００５３】
これは、第２コア部分から第１コア部分へ戻る出力結合は、直ちには起きないということを意味する。第１コア部分１１から第２コア部分１３へのものと結合する、どの屈折力も、光学利得が関係する限り、第１コア部分から永久に失われる。よって、上記結合した出力は、ファイバーから完全に失われないけれども、第１コア部分１１に対する光学的損失に等しい。この発明において、われわれは、第１コア部分１１からの結合による利得の減少あるいは結合損失について同等ということができる。
【００５４】
図１３は、第１コア部分１１の基本モードに対して伝播定数の密接な重なりがない時、二つの導波管に対する伝播定数を描いている。しかし、上記重なりは、第１コア部分の他のすべての潜在的に重要な高次モードに対して存在する。この場合、第２コア部分１３のモードと、第１コア部分１１の基本モードとの結合の可能性は、第１コア部分１１の高次モードより、可能性は少ない。しかし、第１コア部分の数十μのモード直径を有するファイバーに対して、図１３に描かれた状況は、ファイバー内の屈折率値を厳しく制御することを要求しても、実際に再生可能な方法で達成することが困難であるかもしれない。しかし、この選択肢は、レーザーあるいはレーザー増幅器の運転に対し、好ましいであろう。
【００５５】
部分的に円の境界を有するファイバーに対して、上記の共鳴効果を最小にする異なる方法が考えられる。ファイバー１０の第２の実施形態において、図６Ａに示すように、第２コア部分とクラッディングとの間の境界２３は、平らな部分をそこに合体することによって、円形から非円形へ変更されている。図６Ａは、ファイバー１０´の半径Ｒ＝１０ｃｍで、基本コアモードの場の等高線図を示している。共鳴は、図４Ａの円対称ファイバー１０の場合に比して、多いに減少している。ファイバーの配置を選択することによって、基本コアモードの共鳴効果を減少させることができる。共鳴の原因は、場が満足しなければならないマックスウエルの方程式に対する境界条件にある。本発明のファイバーのある配置に対して、これらの境界条件は、他のもの対するより強い共鳴効果を導く。図６Ｂは、半径方向に沿って場の図６Ａに相当する折れ線グラフを示す。さらに、図８に示すようなファイバー１０の第４の実施形態において、バリア層と第２コア部分間の第２境界２２の形状が、平らな部分を合体することによって、円形から非円形に変更されている。完全に円形の境界を有するファイバーに対して、上述の共鳴効果を最小にする異なる方法が考えられる。この場合、上記効果は、図７の第３の実施形態、図９の第５の実施形態及び図１０の第６の実施形態に示されるように、第１コア部分及び／あるいはバリア層及び／あるいは第２コア部分を非対称的に配列することによって達成される。
【００５６】
図１４は、第２コア部分１３が、無限の断面積である仮定される場合を除いて、図７のファイバーの配置に対し、第１コア部分１１と第２コア部分１３のモード間の、光学結合損失の計算された値を示している。計算において、以下のパラメータが使用された：第１コア部分１１の直径は４０μｍ、第２コア部分１３の直径は６０μｍであり、バリア層１２の中心軸は、第１コア部分１１の中心軸から５μｍ片寄っていた。この計算で使用された屈折率は、ｎ１＝1.452、ｎ２＝1.453、及びｎ３＝1.45であった。図１４において、第１コア部分に対する結合損失は、たわみ半径Ｒの関数としてプロットされており、Ｒはたわみ軸から第１コア部分１１の中心線Ｌへの距離である。示されるような計算は、二つのコア部分間の結合強さの大きさを与え、有限の広がりを持つ真のファイバーの、第１コア部分１１のモードに対する結合損失に関する評価を与える。
【００５７】
よって、そのような計算は、第1コア部分１１、バリア層１２及び第２コア部分１３に対する適切な物理的及び配置のパラメータを設計するのに使用できる。図１４に示すように、基本モードに対する結合損失は、１０ｃｍのたわみ半径で次の高次モードの結合損失より相当低く保たれる。たわみ半径が５ｃｍ以下である時、基本モードに対する結合損失は、増加し始める。同じことが、大きな半径に対して起こり、屈折率プロファイルを引き起こすたわみは、第1コア部分の内端、すなわち、バリア層の薄い部分に隣接する側で、モードを十分に閉じ込められない。
【００５８】
図１５において、本発明の実施形態によるマルチモード光ファイバー増幅器装置の例が、描かれている。光ファイバーレーザー装置は、放射源６０を含み、それは上述のように、利得識別の目的のため、半径Ｒでコイル６１を形成するように部分的に巻かれるファイバー１０と、第1コア部分のアクティブなドーパント原子の光学的励起のためのレーザーダイオードである。ファイバーレーザーの場合、レージングのための種は、自然放射によって提供されるので、外部の信号は必要がない。放射のポンプ源６０と平行に接続される放射の信号源６２は、光増幅器を形成し、信号光源からの光信号は、光ファイバー１０の第1コア部分１１の伝播する。
【００５９】
本発明は、また、光ファイバー１０を含む共振空洞からなる光ファイバーレーザー装置として実装できる。光ファイバー１０は、ドープされた第1コア部分１１と、少なくとも第1コア部分１１の周囲の第２コア部分を有する。第1コア部分１１は、第1の実効屈折率ｎ１を有し、第２コア部分１３は、第３の実効屈折率ｎ３を有する。第３の実効屈折率ｎ３は、第１の実効屈折率ｎ１より大きいか、あるいは等しい。ファイバー１０は、第１コア部分１１と第２コア部分１３の間のバリア層１２を含み、バリア層１２は第２の屈折率ｎ２を有し、この屈折率ｎ２は第１コア部分１１の屈折率ｎ１より小さい。上記装置は、また、ファイバー利得媒質内のアクティブな原子の励起のためのポンプ光源と、上記共振空洞からレーザー光を引き出すための手段を有する。ポンプ光は、第１コア部分１１によって形成される複合繊維、及び少なくとも結合手段によって第２コア１３に連結される。
【００６０】
本発明の精神によれば、ファイバーの配置は、この明細書に示されるケースに限定されない、ということに注意されるべきである。例えば、第１のコア部分は、形状において、円形の代わりに非円形でもよい。同じことが、ファイバーの他の領域に適用される。本発明に必須であることは、ファイバーの第１コア部分がアクティブな原子でドープされ、他の領域―第２コア部分―がアクティブな原子でドープされず、また、コアモードに対する制御可能な漏れ経路を第２コア部分に提供する中間層または層構造−バリア層―があることである。さらに、第１コア部分の屈折率、バリア層、及び第２コア部分が、コアモードとクラッディングモード間の強い結合を可能にするために選択されることが、本発明の特徴であり、コアとクラッディングモード双方が、互いに近接している伝播定数を示すことを意味している。
【００６１】
これは、また、コアモードとクラッディングモード双方が、伝播定数空間の同じ領域を占めている、とも表現できる。これは、おおよそ、ｎ３≧ｎ１の要求が満足されねばならない、ということを意味する。これは、また、コアモードからクラッディングモードへの出力の強い結合が可能であり、この結合がバリア層の特性によって制御される、ことを意味している。さらに、共鳴効果が結合強度で起こり、また、これら共鳴効果が、例えば、レーザーのたわみ半径や、高次コアモードに対する基本モードのレージングを助けるために、ファイバーの断面積の配置によって制御できることが、この発明の特徴である。数十μの大きな第１コア部分の直径に対して、すべての高次コアモードのレージングを抑制することは可能ではない。しかし、比較的高いビーム品質のレーザーに生じる数個のコアモードのみに対して、厳しいレージングをすることは可能である。さらなる注意として、コアモードの制御以外の、光ポンピングの目的のような、他の目的に役立たせるために、クラッディングの外側に他の材料層を存在させることができることが理解される。
【００６２】
本発明によるファイバー１０の制限されない大きさの例をここに言及しておく。第１コア部分１１の直径は約４０μｍであり、バリア層１２の厚みは約１０μｍであり、第２コア部分１２の直径は約２００μｍである。この例の実施形態の上記層の屈折率間の差は、以下のとおりである。：
第１コア部分−バリア層：ｎ１−ｎ２＝２×１０−３
第２コア部分−第１コア部分：ｎ３−ｎ１＝１×１０−３
第１コア部分−クラッディング：ｎ１−ｎ４＝５×１０−３
【００６３】
本発明が、上記実施形態に制限されず、添付の請求の範囲内で変更できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態による光ファイバーの構造を、ファイバーの不等角投影図で略図的に説明している。この実施形態において、上記光ファイバーの構造は、コア部分、バリア層、およびクラッディングが円形断面形で同軸である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態による光ファイバーの径のＩ−Ｉ方向で、この光ファイバーの屈折率プロファイルを描いている。
【図２】本発明によるバリアを介して、第１のコア部分から、無限の第２コア部分へのエネルギー漏れによる基本及び高次モードを説明している。
【図３】第２のコア部分の直径の関数として、基本コアモードの全出力に対する第２コア部分の出力の比を描いている。
【図４Ａ】ファイバーの断面が示されている本発明の第１の実施形態によるファイバーの、モード場の等高線図を描いている。
【図４Ｂ】ファイバーの断面が示されている本発明の第１の実施形態によるファイバーの、等高線の半径方向ＩＩ−ＩＩに沿う折れ線グラフを描いている。
【図５】本発明の第１の実施形態によるファイバーが図１５に示されるようにたわむ時、たわみ半径Ｒの関数として、基本コアモードの相対損失を描いている。
【図６Ａ】ファイバーの断面で示されている本発明の第２の実施形態によるファイバーの、モード場の等高線図を描いている。この第２の実施形態において、光ファイバーの構造は、第１のコア部分及びバリア層が円形断面形で同心であるが、第２のコア部分については断面で切り取り部分がある。
【図６Ｂ】ファイバーの断面で示されている本発明の第２の実施形態によるファイバーの、等高線の半径方向ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う折れ線グラフを描いている。
【図７】ファイバーの断面で示されている本発明の第３の実施形態によるファイバーの構造を略図的に説明している。この第３の実施形態において、光ファイバーの構造は、円形断面形で、コア部分と、バリア層およびクラッデイングが偏心している。
【図８】本発明の第４の実施形態による光ファイバーの構造を、ファイバーの不等角投影図で略図的に説明している。この第４の実施形態において、光ファイバーの構造は、円形断面でコア部分およびクラッデイングが同心であるが、バリア層については断面で切り取り部分がある。
【図９】本発明の第５の実施形態による光ファイバーの構造を、ファイバーの不等角投影図で略図的に説明している。この第５の実施形態において、光ファイバーの構造は、バリア層がコア部分に対して偏心しており、内側の第１のコア部分は円形であるが、クラッデイングと共に外側の第２のコア部分は、長方形であり、互いに関して同心である。この実施形態は、所望の方向にファイバーをたわませることに寄与する。
【図１０】本発明の第６の実施形態による光ファイバーの構造を、ファイバーの不等角投影図で略図的に説明している。この第６の実施形態において、光ファイバーの構造は、ただ一つの外側の第２のコア部分は、主たる部分を有しており、バリア層と内側の第１のコア部分は偏心しており、また、第１のコア部分とバリア層がない平行部分があって、主たる部分と平行部分は、より狭い共通領域を有する。長円のクラッデイングは、外側の第２のコア部分を取り囲んでいる。この実施形態は、また、所望の方向にファイバーをたわませることに寄与する。
【図１１】（Ａ）は、ファイバーが直線状である時、図７のファイバーの中心を通る横断方向ＩＶ−ＩＶに沿う屈折率プロファイルを描いている。（Ｂ）は、ファイバーがたわんでいる時、たわみ軸からの径の距離の関数として、図７のファイバーの中心を通る横断方向ＩＶ−ＩＶに沿う屈折率プロファイルの変形を描いている。
【図１２】モードの完全な重なりがある時、第１及び第２のコア部分の伝播定数を描いている。
【図１３】第１のコア部分の基本モードに対する重なりがない場合の、図１２と同じ状況を描いている。
【図１４】光ファイバーが、図７に示される第３の実施形態の配置を有する時、また、外側の第２のコア部分が、無限の外径を有する時、ケース内の、内側の第１のコア部分の低次の３次モードに対するたわみ半径の関数として結合損失を描いている。
【図１５】本実施形態によるマルチモード光ファイバー増幅器の例を略図的に描いており、アクティブ光ファイバーは、外側から見られるように、スリーブの周囲でたわんでいる。
【符号の説明】
【００６５】
１０  アクティブマルチモードファイバー
１１  第１コア部分
１２  バリア層
１３  第２コア部分
１４  クラッディング
２３  境界
ｎ１  第１実効屈折率（第１コア部分）
ｎ２  第２屈折率（バリア層）
ｎ３  第３実効屈折率（第２コア部分）
ｎ４  第４屈折率（クラッディング）
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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