(57)【要約】【課題】高い光パワーの搬送に必要な光ファイバの自己収束に起因する自己誘発損傷の問題を克服すること。【解決手段】過度の自己収束に起因する自己誘発損傷の問題を克服する光ファイバ設計について述べる。これらのファイバ設計の屈折率は光ファイバのコア中心部で著しく不均一である。一実施例において光ファイバは意図的に急勾配のコア溝を持つように設計される。さらにこれらの光ファイバの公称コア領域は非常に大きな断面積を有している。これら２つの特性の組み合わせがコア環状部の内部の光パワーを低減し、光パワーの分布をコア環状部に限定する。これらの設計は本質的に光ファイバ中での自己収束を減少させる。これら修正されたコア設計の光ファイバを用いる光通信システムはパルス持続時間が短い、例えば１ＭＷより大きい、高ピーク光パワーを伝送するために特に有効であることが期待される。【選択図】図２
2008040495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアおよびクラッドを含む光ファイバであって、信号モードがバルク材料の自己収束に対する閾値より低い光パワーで測定される１５０μｍ２より大きい有効断面積と、
【数１】
2008040495.tif 000011
（｜Ｅ｜が電場の大きさ、ｒが前記コアの半径）で与えられる前記コアの中心部における電場の大きさとを有することを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記バルク材料の自己収束に対する閾値より十分低い光パワーで前記信号モードの有効断面積が３００μｍ２よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記コアが第１の屈折率を有する環状部を含み、前記環状部が基本的により低い屈折率を有する前記コア中心部の落ち込んだ領域を取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域の屈折率が信号モードの有効屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域の幅がλ／２ｎ（λが真空中の波長、ｎが屈折率）よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ。
【請求項６】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域が、シリカの屈折率よりも小さいか、あるいは等しい屈折率を有することを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域が空隙を含むことを特徴とする請求項３の光ファイバ。
【請求項８】
前記環状部が前記光パワーの５０％以上を搬送することを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ。
【請求項９】
光ファイバシステムが：
（ａ）コアおよびクラッドを含む光ファイバであって、信号モードがバルク材料の自己収束に対する閾値より低い光パワーで測定される１５０μｍ２より大きい有効断面積と、
【数２】
2008040495.tif 000012
（｜Ｅ｜が電場の大きさ、ｒが前記コアの半径）で与えられる前記コアの中心部における電場の大きさとを有する光ファイバ、および
（ｂ）光信号が前記光ファイバ内のどこであってもλ２／（４πｎ０ｎ２）（λが真空中での波長、ｎ０が乱れのない（線形の）屈折率、ｎ２がｍ２／Ｗの単位で表される非線形屈折率）より大きいピーク光パワーを有する、前記光ファイバに結合された光信号源、
との組み合わせを含むことを特徴とする光ファイバシステム。
【請求項１０】
前記コアが、基本的により低い屈折率を有する前記コア中心部の落ち込んだ領域を取り囲む第１の屈折率を有する環状部を含むことを特徴とする請求項９に記載の光ファイバシステム。
【請求項１１】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域が、シリカの屈折率よりも小さいか、あるいは等しい屈折率を有することを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバシステム。
【請求項１２】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域が、空隙を含むことを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバシステム。
【請求項１３】
光信号を伝送する方法であって、前記光信号が光ファイバ内のどこであってもλ２／（４πｎ０ｎ２）（λが真空中での波長、ｎ０が乱れのない（線形の）屈折率、ｎ２がｍ２／Ｗの単位で表される非線形屈折率）より大きいピーク光パワーを持って前記光ファイバを通して伝播する工程を含み、前記光ファイバは、コアおよびクラッドを含み、信号モードがバルク材料の自己収束に対する閾値より低い光パワーで測定された１５０μｍ２より大きい有効断面積と、
【数３】
2008040495.tif 000013
（｜Ｅ｜が電場の大きさ、ｒが前記コアの半径）を満足する前記コアの中心部における電場の大きさとを有することを特徴とする光信号を伝送する方法。
【請求項１４】
前記コアが、基本的により低い屈折率を有する前記コア中心部の落ち込んだ領域を取り囲む第１の屈折率を有する環状部を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域が、シリカの屈折率よりも小さいか、あるいは等しい屈折率を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域が空隙を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記環状部が、前記光パワーの５０％以上を搬送することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
光ファイバシステムであって、
（ａ）コアおよびクラッドを含む光ファイバを含み、前記光ファイバは、信号モードがバルク材料の自己収束に対する閾値より低い光パワーで測定された１５０μｍ２より大きい有効断面積と、
【数４】
2008040495.tif 000014
（｜Ｅ｜が電場の大きさ、ｒが前記コアの半径）で与えられる前記コアの中心部における電場の大きさとを有する光ファイバ、および
（ｂ）１ｎｓよりも短いパルス持続時間を有する、前記光ファイバに結合された光信号源との組み合わせを含むことを特徴とする光ファイバシステム。
【請求項１９】
前記コアが、基本的により低い屈折率を有する前記コア中心部の落ち込んだ領域を取り囲む第１の屈折率を有する環状部を含むことを特徴とする請求項１８に記載の光ファイバシステム。
【請求項２０】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域が、シリカの屈折率よりも小さいか、あるいは等しい屈折率を有することを特徴とする請求項１９に記載の光ファイバシステム。
【請求項２１】
前記コア中心部の前記落ち込んだ領域が空隙からなることを特徴とする請求項１９に記載の光ファイバシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高い光パワーを搬送するために特別に設計される光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に高いパワー（おおよそ＞１ＭＷ）においては、光ビームは局部的な強度に比例する量だけシリカガラスの屈折率を増加させる。このことが、光損傷を引き起こすビームを小さな点（あるいは小さな点の集まり）に焦点を結ぶレンズを形成する。このプロセスは自己収束（ｓｅｌｆ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ）と呼ばれ、過去数十年にわたり幅広く研究されてきている（Ｒ.Ｗ.Ｂｏｙｄの「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃｓ、第２版」（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、ボストン、２００３を参照のこと）。自己収束は、シリカガラスのような材料中を導かれる最大パワーの上限として作用し、この限界はしばしば自己収束の臨界パワー、Ｐｃｒｉｔと呼ばれ、Ｆｉｂｉｃｈ他（Ｇ.  Ｆｉｂｉｃｈ及びＡ.  Ｌ.  Ｇａｅｔａの「Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｆｏｒ  ｓｅｌｆ-ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｉｎ  ｂｕｌｋ  ｍｅｄｉａ  ａｎｄ  ｉｎ  ｈｏｌｌｏｗ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ,  ｖｏｌ.  ２５,  ｐｐ.  ３３５-３３７  （２０００））により式（１）で見積もられる。
【数１】
2008040495.tif 000003
ここでλは波長、ｎ０は材料の本来の屈折率、ｎ２はｍ２／Ｗの単位で表される非線形屈折率であり、全屈折率ｎはｎ＝ｎ０＋ｎ２Iで与えられ、ＩはＷ／ｍ２で表される局部の光強度である。通常用いられる１０６０ｎｍのレーザー波長において屈折率ｎ０は約１．４５であり、非線形屈折率ｎ２は約３×１０−２０ｍ２／Ｗであるので、シリカガラスのＰｃｒｉｔはおよそ３．８ＭＷに等しい。言いかえれば、この閾値パワー以上の光ビームは急速に非常に小さいスポットサイズに収束してガラスを損傷するため、バルクのシリカガラス試料は３．８ＭＷ以上の大きなパワーで１０６０ｎｍの光ビームを導くには有効でない。
【０００３】
式(１)は、均一なシリカガラス試料に対するのと同様に光ファイバにも有効で、任意のシリカ光ファイバのピークパワー搬送能力の上限を定めるものと考えられてきた。しかし、ある特別な光ファイバ設計は自己収束の開始を抑制し、したがってそのような光ファイバは材料破壊点に自己収束することなく式（１）よりも大きなパワーで光信号を搬送可能であることが判明している。
【０００４】
自己収束だけが光ファイバにより搬送されるパワーの限界ではない。他の重要な制約として、自己位相変調、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、および誘電光学破壊がある。閾値が全ピーク光パワーに関係する自己収束と違って、誘電光学破壊と同様に、これらの限界の閾値はファイバ中の局部的なピーク強度に依存する。一般にこれらの限界および誘電光学破壊の回避は、ファイバの有効モード断面積Ａｅｆｆを増加させることにより達成される。光ファイバモードの有効断面積はＡｅｆｆ＝（∫｜Ｅ｜２ｄＡ）２／∫｜Ｅ｜４ｄＡで定義され、ここでＥは局部電場であり、積分はファイバの断面積全体にわたって行うものとする。有効モード断面積を増加させることにより、強度に依存する上限の閾値パワーを高めることが出来、自己収束が相対的により重要となる。計算によれば、近赤外波長および妥当なＡｅｆｆ（＜３０００μｍ２）に対して誘電光学破壊はパルス持続時間が約１ｎｓあるいはそれより長い（連続波長信号を含む）場合、自己収束よりもより低いパワーレベルで生じる。本発明は、自己収束の開始を遅らせるように設計されるが、しかし誘電光学破壊を軽減するようには設計されていないので、持続時間が約１ｎｓより短いパルスで高ピークパワーを搬送するファイバに最も有用であると期待されている。ここに説明する発明は、ピークの光パワーが従来のバルク状媒体の自己収束閾値を越えるような用途向けを意図している。光のパルス長が比較的短いときには、長い時間周期にわたって積分される平均の光パワーが従来型のバルク状媒体の自己収束閾値を十分下回るとしても、ピークの光パワーが従来型のバルク状媒体の自己収束閾値を上回ることがわかっている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２４７２７２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０２８４１８４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０１４０６３４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０１１２０８９号明細書
【非特許文献１】Ｒ.  Ｗ.  Ｂｏｙｄ、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃｓ、第２版」（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、ボストン、２００３）
【非特許文献２】Ｇ.  Ｆｉｂｉｃｈ及びＡ.  Ｌ.  Ｇａｅｔａ、「Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｆｏｒ  ｓｅｌｆ-ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｉｎ  ｂｕｌｋ  ｍｅｄｉａ  ａｎｄ  ｉｎ  ｈｏｌｌｏｗ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、  ｖｏｌ.２５、第３３５乃至第３３７頁、（２０００））
【非特許文献３】Ｂｏｙｄ、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃｓ、第２版」（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、ニューヨーク、（２００３）、３１３ページ、式７．１．２−７．１．７）
【非特許文献４】Ｂｊａｒｋｌｅｖ他、「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」（Ｋｌｕｗｅｒ、Ｂｏｓｔｏｎ（２００３））
【非特許文献５】Ｌｉ他、「Ｈｉｇｈ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｗｉｔｈ  Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ  Ｃｅｎｔｒａｌ  Ａｉｒ  Ｈｏｌｅ」（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ.  ２３、Ｎｏ.１１,  ３４５４−３４６０ページ）
【非特許文献６】Ｋｉｖｓｈａｒ他、「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ:  Ｆｒｏｍ  Ｆｉｂｅｒｓ  ｔｏ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、（２００３））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
大コア光ファイバの全面にわたって均等に光エネルギーを分布させることは、光ファイバ中の任意の点における強度に依存する上限の閾値を超えることなく光ファイバのパワー容量を最大にする一つの方法である。このことは、米国特許出願公開第２００４／０２４７２７２号明細書に明示されるように、光ファイバの屈折率プロファイルが平坦化された強度プロファイルを形成するようにうまく設計することにより達成されることが知られている。しかしながら、それは上に説明される自己収束の問題には対応していない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するべく、本発明者らは、ここに述べる問題、主として過度の自己収束に起因する自己誘発損傷の問題を少なくとも部分的に克服する光ファイバ設計を開発した。これらのファイバ設計のコア屈折率は、光ファイバのコア中心部で著しく不均一である。一実施例において光ファイバは意図的に急勾配のコア溝を持つように設計される。さらにこれらの光ファイバの公称コア領域は非常に大きな断面積を有している。これら２つの特性の組み合わせがコア環状部の内部の光パワーを低減し、光パワーの分布をコア環状部に限定する。これらの設計は本質的に光ファイバ中での自己収束を減少させる。これら修正されたコア設計の光ファイバを用いる光通信システムはパルス持続時間が短く、例えば１ＭＷより大きい高ピーク光パワーを伝送するために特に有効であることが期待されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のよりよい理解のために、添付の図、および添付の請求の範囲とにより以下に説明する。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。
【０００８】
図１は、従来型の大モード断面積ステップインデックスファイバの屈折率プロファイル１１を示す。プロットは屈折率対半径方向の位置であり、ここに示す説明および解析の目的のために理想化されている。一般に、コアは屈折率の値が約１．４５２になるまでＧｅがドープされている。ここに示されるクラッドは、公称屈折率が１．４５の純シリカである。これらの図およびこの議論の関心の的は光ファイバのコアである。ドープしない層、屈折率を下げる方向にドープ（ダウンドープ）した溝層、微小曲げをコントロールするために屈折率を上げる方向にドープ（アップドープ）した層などを有する多種多様なクラッド構造がここに述べるコア構造とともに使われてもよい。
【０００９】
図１は（１μｍの波長付近で基底ＬＰ０１モードの有効断面積が約７５０μｍ２である）直径が約４０ミクロンの大コアを示す。大コアは光パルスのモードフィールドを広げ、破壊の閾値より低い強度を維持する役割を果たす。
【００１０】
しかし、上に議論したように図１のプロファイルで示されるような大コアであっても自己収束の問題を被る。
【００１１】
また図１は、ある種のステップインデックス光ファイバに共通に見られる好ましくない結果を示す。それは１２で示されるコアのくぼみである。これは処理中に部分的にドーパントが使い尽くされた中心部領域である。これは主にＭＣＶＤにより製造される光ファイバに生じる。ある場合には、それは意図的に作られることもある。米国特許出願公開第２００５／０２８４１８４号明細書を参照のこと。光ファイバ製造プロセスは、コアのくぼみを最小にする、あるいは除去するように設計される。コアのくぼみが残るこれらの場合には、コアのくぼみは光ファイバ設計が意図した機能特性をもつものではない。
【００１２】
図１の光ファイバプロファイルは、大コア断面積を持っているが自己収束の問題を回避してはいない。導波コアを持たないシリカガラスブロックのようなバルクの均一な材料における自己収束現象の詳細な技術的解析については、Ｂｏｙｄの「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃｓ  第２版」（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、ニューヨーク、２００３、３１３ページ、式７．１．２−７．１．７）を参照のこと。
【００１３】
簡単な光線光学理論の問題を考えて、もし焦点が合うとするならば、これは、その焦点に近づく周縁の光路長は光軸上の光線の光路長と同じであるということを意味する。われわれは、光軸上の光線の屈折率はｎ０＋ｎ２×Ｉに等しい（ここでガラスの公称線形屈折率がｎ０、ｎ２は非線形成分、つまり軸上の高強度Ｉにより生じる屈折率の差分の係数）という荒い近似をする。また周縁の光線の屈折率は、（そこでは強度が低いので）ｎ０だけであると仮定する。これら２つの光線の光路は等しくなければならないので（光軸に沿う光路＝周縁の光線の光路）、幾何によりこの等式は、
【数２】
2008040495.tif 000004
となる。ここでＬは焦点までの光軸に沿う物理的な距離、θは光軸に対する周縁光線の角度である。
【００１４】
代数（およびｃｏｓ（θ）の簡単な近似）により角度θは（３）式のように表される。
【数３】
2008040495.tif 000005
【００１５】
元のビームは直角方向のビーム幅が２×ｗ０（この場合２×ｗ０はモードフィールド径のようなものである）であると仮定すると、周縁の光線は、光軸に到達するために直角方向の距離ｗ０を経なければならない。したがって、自己収束の概算距離Ｌは（４）式のように計算される。
【数４】
2008040495.tif 000006
【００１６】
これらの関係はすべて近似であり、自己収束の閾値以上でよく一致する自己収束の光線図に完全に基づいている。自己収束の閾値近傍では自己収束による収束角度（θ）はビームの回折による発散角度（γ）とほぼ釣り合い、
【数５】
2008040495.tif 000007
【００１７】
ここでわれわれは、ビームの直角方向の形状がほぼガウス分布であると仮定している。ビームの形状がほぼガウス分布であるとき、ビームの全パワーは（６）式のように近似してもよい。
【数６】
2008040495.tif 000008
【００１８】
式（３）、（５）、および（６）は代数的に結合させて回折角度が自己収束による収束角度と釣り合う（γ＝θ）とき、（７）式となり、
【数７】
2008040495.tif 000009
それは式（１）で表されるより正確な解の２倍以内である。より高いパワーでは、自己収束によるビームの収束は回折をはるかに超え、ビームが焦点を結ぶようになる。式（７）よりも低いパワーでは、回折がビームの収束よりも強くなる。
【００１９】
上に述べた解析から、自己収束問題を克服する設計の目標は、光ファイバの中心部の光強度プロファイルを大幅に小さくすることであると結論できる。
【００２０】
図２は自己収束問題を克服するよう設計された光ファイバ屈折率プロファイルの一例を示す。この設計における光ファイバのコア２１は大きな断面積を有している。図２に示されるコアの公称断面積は約７００μｍ２である。コアの物理的な断面積とモードフィールド径とは関連しているが同じではない。この議論およびこの発明の文脈中でモードフィールド断面積（Ａｅｆｆ）は関心のある主たる特性であり、（比較的低いレベル、例えばピークパワー０．１ＭＷ以下で測定されるとき）１５０μｍ２より大きい、好ましくは３００μｍ２より大きいことが推奨される。
【００２１】
図２に示される例における光ファイバのプロファイルは、幅約６ミクロンで非常に深く落ち込んだ屈折率の領域２２を持つコア中心部を有している。屈折率プロファイルのこの落ち込んだ領域は、光ファイバの中心部に光の強度（あるいは電場の大きさ）の局部的な最小化を生じる。この特性およびこの特性による結果は数式を用いて一般条件として式（８）により表される。
【数８】
2008040495.tif 000010
ここで｜Ｅ｜は電場の大きさである。数値シミュレーションがこれら２つの条件、つまり大きな有効断面積を持つコア、および光の強度が局部的に最小となる中心部領域を満足する光ファイバは、高い自己収束の閾値を示すということを示している。図５は、図２（５２および５３）に描かれたファイバ設計（２４および２２）について低い光パワーにおいて計算された電場を示し、それは明らかにファイバの中心部において電場の大きさが局部的に最小となっている。電場の大きさは当業者にはよく知られている従来の数値モード解法を用いてファイバのいろいろなモードについて計算することができる。提案されるファイバ設計の有用性は、提案される屈折率プロファイルに基づく動作波長での所望の信号モードを計算することにより評価することができ、電場の大きさ（あるいは光の強度）をチェックすることでファイバの中心部に局部的な最小化が存在することを立証できる。
【００２２】
ある場合には、電場に最小部分が存在するということは、本発明とガウス分布に似たモードフィールド形状を示すより従来型の光ファイバとの間の効率のよい光結合を妨げる。このことは米国特許出願公開第２００７／０１４０６３４号明細書に開示されているような方法に基づくファイバと同様に、モードフィールド形状あるいは例えばレンズあるいはミラーのようなバルクの光学要素を含むサイズ変換要素を用いることによって克服される。
【００２３】
式（８）で表される電場の最小部はファイバのコア領域中を伝播する基底ＬＰ０１モードに関係しているということは理解されるべきである。しかし、本発明は信号モードがＬＰ０２あるいはその他のモードの場合にも適用可能であるということも理解されるべきである。
【００２４】
上記から明らかなように、式（８）で表される電場の大きさの最小部分は、コアの中心部に屈折率の局部的な最小部分を作ることにより得られる。通常の場合、その最小部分は基底モードの有効屈折率よりも小さい。屈折率最小部分の幅も電場の大きさの最小部分の深さに影響を与える。屈折率の溝の幅は通常λ／２ｎよりも大きく、ここでλは真空中の波長、ｎは屈折率である。
【００２５】
図２のプロファイルにおける落ち込んだ領域２２はいくつかの方法により作られる。好ましい方法は、意図的にコア中心部領域の屈折率を下げるようにドープ（ダウンドープ）することである。ダウンドープ領域は従来法でＦあるいはＢをドープすることにより作られる。これを行うための一般的な方法はよく知られている。例えば、ここに引用される米国特許出願公開第２００４／０１１２０８９号明細書を参照のこと。他の方法はドープしないコア中心部領域を形成することである。この方法は点線２４で表されるプロファイルを生成する。ドープしない領域は、従来のＭＣＶＤプロセスにおいて最終過程、あるいはＭＣＶＤ堆積の過程中にＧｅバブラーのようなドーパント源を単純に停止することにより、従来のＭＣＶＤプロセスで容易に作ることが出来る。さらに、落ち込んだ領域は、最終過程、あるいはＭＣＶＤ堆積の過程中にアップドーパントの濃度を下げる、および／あるいはダウンドーパントの濃度を増加させることにより形成出来る。同じような屈折率プロファイルは、他のよく知られたファイバ製造方法によって形成されてもよい。
【００２６】
自己収束問題に対処する他の方法が図３のプロファイルにより示される。ここで、コア中心部の溝領域の屈折率は、光ファイバの中心部に孔あるいは空洞を形成することにより空気の屈折率である１まで低減される。これは、光ファイバコアの中心部で光エネルギーの極めて明確な落ち込みを生じる。同様の光ファイバ構造が過去に述べられている。例えば、いわゆる中空コア光ファイバがＢｊａｒｋｌｅｖ他の「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」（Ｋｌｕｗｅｒ,  Ｂｏｓｔｏｎ（２００３）に述べられ、補助孔つきファイバ（ｈｏｌｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｆｉｂｅｒ）がＬｉ他の「Ｈｉｇｈ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｗｉｔｈ  Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ  Ｃｅｎｔｒａｌ  Ａｉｒ  Ｈｏｌｅ」（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,  Ｖｏｌ.２３,  Ｎｏ.１１,  ３４５４−３４６０ページ）に述べられている。しかしながら、これらの光ファイバの目的は中空コアの中を光を送ることである。本発明の光ファイバでは、光エネルギーの５０％以上が光ファイバのガラス部分中を搬送される。孔は単にガラスコアの自己収束特性を低減するためにある。したがって、コアの穴の直径はコア直径の半分以下であり、好ましくはコア直径の１／４以下である。さらにＬｉ他によって述べられる光ファイバは楕円形のコアを有している。好ましい場合にはここに説明される光ファイバは本質的に軸対象である。
【００２７】
本発明の光ファイバ設計による高パワーでの基本伝播モードの安定性を立証するために、正規化されたモード有効屈折率をもつ基底ＬＰ０１モードで導かれた光パワーの変化が計算された。正規化されたモード有効屈折率はｎｅｆｆ−ｎｅｆｆ０で与えられ、ここでｎｅｆｆは高い光パワー（Ｐ〜ＰｃｒｉｔあるいはＰ＞Ｐｃｒｉｔ）を搬送するときのモードの有効屈折率であり、ｎｅｆｆ０は低いパワー（Ｐ＜＜Ｐｃｒｉｔ）での同じモードの有効屈折率である。正規化されたモード屈折率は高い光パワーが局部的な屈折率を乱す程度を示す。モードの有効屈折率はｎｅｆｆ＝βλ／（２π）で定義され、ここで光のモードの位相は単位距離あたりβラジアンの割合で積み上がっていく。図４は、図１−３に示される導波路の結果をプロットしている。曲線４１は、図１に示されるプロファイルを持つ光ファイバのデータを表し、曲線４２は図２のプロファイル２２のデータを表し、曲線４３は図３のプロファイルのデータを表している。非線形屈折率係数ｎ２はシリカドーパントの濃度に関わらず同じであると仮定されたが、しかし、ドーパント濃度によるｎ２の変化を考慮しても同様の曲線が得られるであろう。図４の縦軸の目盛りはわかりやすくするために圧縮され、横軸は対数目盛りである。データは２つの独立した方法により計算され、それはスカラー非線形シュレーディンガー方程式の直接積分、および円筒対称スカラー階差ビーム伝播法（ＦＤ−ＢＰＭ）である。両方の方法は図の曲線によく合うデータを生成した。
【００２８】
導かれた光パワーは図１に示される屈折率プロファイルを持つファイバの（式（１）で定義される）Ｐｃｒｉｔに漸近的に近づくことが図１の曲線４１から明らかである。それに対して、図２および図３（曲線４２および４３）に示される本発明の実施例に対応する両方のファイバ設計については、導かれた光パワーはＰｃｒｉｔ以上に十分増加することがわかる。
【００２９】
ここに説明されるファイバの数値シミュレーションの関心事は、Ｐｃｒｉｔ付近あるいはそれ以上で動作するときに小さな乱れの存在の下での導かれたモードの安定性である。もし導かれたモードが不安定であったら、屈折率プロファイルの小さな変化のように微小な乱れが最悪の自己収束ならびにファイバの損傷につながるかもしれない。もしｄＰ／ｄｎｅｆｆがゼロより大きければ、基底ＬＰ０１の安定性は小さな乱れに対して保護される。Ｋｉｖｓｈａｒ他の「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ:  Ｆｒｏｍ  Ｆｉｂｅｒｓ  ｔｏ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ,  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ,  ２００３）を参照のこと。図４の曲線４２および４３で表されるファイバによって搬送される光エネルギーは、ＦＤ−ＢＰＭ数値シミュレーションデータ、およびｄＰ／ｄｎｅｆｆがゼロより大きいという事実の両方によってＰｃｒｉｔより大きいパワーにおいても安定であることが示されている。
【００３０】
図５は図１、２および３に描かれているファイバ設計について低い光パワーにおいて計算された基底ＬＰ０１電場の大きさを示す。曲線５１は、図１に見られる完全に一様なファイバ屈折率プロファイル１１に対応する。曲線５２は、図２の曲線２１および２４によって形成されるファイバ屈折率プロファイルに対応する。曲線５３は、図２の曲線２１および２２によって形成されるファイバ屈折率プロファイルに対応する。曲線５４は、図３の曲線３１および３２によって形成されるファイバ屈折率プロファイルに対応する。曲線５１は電場の最小値を示しておらず、自己収束のための高い閾値も示していない。それに対して、曲線５２、５３および５４はすべてファイバの中心部における電場の大きさに最小値を示し、また自己収束のための高い閾値を示してもいる。
【００３１】
電場の大きさは、当業者によく知られている従来の数値モード解法を用いてファイバの種々のモードに対して計算することが出来る。提案されたファイバ設計の有効性は、提案された屈折率プロファイルに基づく動作波長での所望の信号モードを計算することにより評価でき、電場の大きさ（あるいは光強度）はファイバの中心部に局部的な最小値が存在することを確認することによりチェックできる。
【００３２】
本発明の有効性に対する簡単化した物理的な説明は以下のようなものである。一般的な光ファイバのように、軸対称な導波路においては、破壊的な自己収束は通常光信号の大部分が対称の軸の中心そのもの（ここはファイバの中心そのもの）に焦点を結ぶときに発生する。ここに説明する教示に従い、ファイバの中心の屈折率は、光エネルギーがファイバの中心領域に入ることを抑制するために十分なだけ意図的に低く設定される。光エネルギーのいくらかは、ファイバコアの中心部の屈折率が落ち込んだ領域（図２の領域２２）に浸透するであろうが、その大部分は中心部の屈折率が落ち込んだ領域の周囲のコア（図２の領域２１）内に留まる。このことが、コアの中に環状部を形成し、そこでは光強度が最も高い。高い光強度の存在は局部的な屈折率を高めるので、光強度が最も高い環状部は擬似コアとしての機能を果たし、そこでは大部分の光が導かれ、光エネルギーがコアの中心部に入ることをさらに抑制する。さらに光強度が増加するにしたがい擬似コア効果が実際に増加する。
【００３３】
光パワーがバルクの媒体の臨界パワーＰｃｒｉｔに近づき、それを越えると、強度により生じるファイバの屈折率の乱れによって信号モードの有効断面積Ａｅｆｆは減少することが解る。しかし、もし低パワー（Ｐ＜＜Ｐｃｒｉｔ）におけるＡｅｆｆが十分大きければ、このＡｅｆｆの低下は、誘電光学破壊のように強度依存性の非線形性がファイバを損傷するほどではないであろう。
【００３４】
自己収束を減少させることに関してここで志向する高パワー形態はこれまで１ＭＷ以上として述べられているが、効果が出始めるパワーレベルは、式（７）についてより正確に規定され、それは光信号が光ファイバ内のどこであってもλ２／（４πｎ０ｎ２）より大きいピーク光パワーを持つ光信号源について表すことが出来る。ここでλは真空中での波長、ｎ０は乱れのない（線形の）屈折率、ｎ２は単位がｍ２／Ｗで表される非線形屈折率である。
【００３５】
ここで使われるアップドープ、ダウンドープという表現は当業者にはよく知られた表現である。アップドープされたガラスあるいはガラス領域は純シリカよりも大きな屈折率を持つようにドープされたものである。ダウンドープされたガラスあるいはガラス領域は純シリカよりも小さな屈折率を持つようにドープされたものである。一般的には主体となる材料はシリカである。
【００３６】
詳細な説明の結論として、多くの変形および修正が現在の発明の本質から大きく外れることなく好ましい実施例に対してなされてもよいということが当業者には明らかであるということに注目すべきである。すべてのそのような変形、修正、および同等のものは請求の範囲に説明されるように本発明の範囲内であるとしてここに含まれるものである。これまで述べたことは単に実施が可能な本発明の好ましい実施例の数例を示すが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく種々の改良、変更が行われ得るものであり、またそのような改良、変更は以下に添付する請求の範囲内に含まれるものであることを当業者は理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来型の大モード断面積ステップインデックス光ファイバの屈折率プロファイルで、比較のために他の光ファイバ設計とともに示す。
【図２】本発明による高パワー用途向けに設計された光ファイバの屈折率プロファイルである。
【図３】本発明による高パワー用途向けに有用な他の設計による光ファイバの屈折率プロファイルである。
【図４】図１−３に示される導波路の正規化されたモード有効屈折率を持つ基底ＬＰ０１モードで導かれた光パワーの変化を示すプロットである。
【図５】図１−３に描かれた導波路に対応する低い光パワーレベルでのＬＰ０１電場の大きさを示すプロットである。
【符号の説明】
【００３８】
１１  屈折率プロファイル
１２  コアのくぼみ
２１  コアの屈折率
２２  屈折率の領域
２４  コア中心部領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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