(57)【要約】【課題】信号光のＭＦＤあるいはＡｅｆｆを顕著に変更可能なモードフィールドサイズ変更器を含む全てファイバで構成されたＴＦＢを提供する。【解決手段】全てファイバで構成されたモードフィールドサイズ変更器は、第一の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートから第二のＩ／Ｏポートへ長軸に沿って所定の横断モードで信号光を伝播するように構成された第一の光ファイバを含む。第一のファイバは、第一のＩ／Ｏポートに近似した第一の有効モードフィールド断面積および第一のコアＶパラメータと、第二のＩ／Ｏポートに近似した第二の有効モードフィールド断面積および第二のコアＶパラメータを有するように構成される。第二のモードフィールド断面積は第一のモードフィールド断面積よりも大きく、第二のＶパラメータは第一のＶパラメータよりも小さい。【選択図】図５
2008276233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長軸に沿って所定の横断モードで光信号を伝播するように構成された、コアとクラッドとを有する第一の光ファイバを含む光ファイバ装置であって、
前記第一のファイバが、第一の入力／出力ポートに近似する第一の有効モードフィールド断面積と第一のコアＶパラメータとを有するように、そして、第二の入力／出力ポートに近似する第二の有効モードフィールド断面積と第二のコアＶパラメータとを有するように構成されており、前記第二のモードフィールド断面積が前記第一のモードフィールド断面積よりも大きく、かつ前記第二のＶパラメータが前記第一のＶパラメータよりも小さいことを特徴とする光ファイバ装置。
【請求項２】
前記第一のファイバの軸方向の断面が長手方向に傾斜をつけられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第一のファイバがコア領域およびクラッド領域を有する長手方向の部分を含み、前記コア領域と前記クラッド領域の断面積の比が前記部分に沿う長手方向に変化することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第二のポートに結合された第二の光ファイバをさらに含み、前記第二のファイバが利得生成部を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記利得生成部が前記第二のポートと境を接することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第二のファイバが前記第二のポートと前記利得生成部との間に配される非利得生成部を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記第二のファイバの有効モードフィールド断面積が前記第一のファイバの前記第二の有効モードフィールド断面積にほぼ等しいことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項８】
励起光を伝播するように構成された束にされ傾斜をつけられた多数の第三のファイバをさらに含み、前記多数の第三のファイバが前記第一のファイバの周囲に束にされ、かつ前記励起光を前記第二のファイバに結合するように構成されてなり、さらに前記利得生成部によって増幅されるように信号光を伝播するように構成される前記第一のファイバを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項９】
前記第二のＶパラメータがおおよそ１．３よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第二のＶパラメータがおおよそ１．０よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第一のＶパラメータがおおよそ１．８よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第一のファイバが前記コア領域と前記クラッド領域との間に配される台座領域を含み、前記台座領域が前記コア領域と前記クラッド領域の屈折率の中間の屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第二のＶパラメータがコアと台座とによって規定されるＶパラメータであり、おおよそ０．９よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第一のファイバが、前記入力／出力ポートの一つにおいて前記信号光の非ガウス分布モードフィールドを生成するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記台座領域と前記クラッド領域との間に配される屈折率の高い環をさらに含み、前記環の屈折率が前記台座の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記装置が光増幅器を包含することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置がレーザを包含することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
全てファイバで構成されたモードフィールドサイズ変更器であって、
長軸に沿って所定の横断モードで光を伝播するように構成された、傾斜をつけられたコアと傾斜をつけられたクラッドとを有する第一の光ファイバを含み、
前記第一のファイバが、第一の入力／出力ポートに近似する第一の有効モードフィールド断面積と第一のコアＶパラメータとを有するように、そして、第二の入力／出力ポートに近似する第二の有効モードフィールド断面積と第二のコアＶパラメータとを有するように構成されており、前記第二のモードフィールド断面積が前記第一のモードフィールド断面積よりも大きく、かつ前記第二のＶパラメータが前記第一のＶパラメータよりも小さいものであり、さらに、
前記第二のＶパラメータがおおよそ１．３よりも小さく、そして、
前記第一のＶパラメータがおおよそ１．８よりも大きいものであり、前記変更器はさらに、
前記第二のポートに結合された第二の光ファイバを含み、前記第二のファイバは利得生成部を含むことを特徴とする全てファイバで構成されたモードフィールドサイズ変更器。
【請求項１９】
前記第二のＶパラメータがおおよそ１．０よりも小さいことを特徴とする請求項１８に記載の変更器。
【請求項２０】
ファイバ結合器であって、
励起光を伝播するように構成された、束にされ、マルチモードであり、そして傾斜をつけられた多数の励起ファイバを含み、前記多数の励起ファイバが、信号ファイバの周囲に束にされ、そして利得生成部を含む出力ファイバに前記励起光を結合するように構成されており、
前記信号ファイバは、前記利得生成部によって増幅されるべき信号光を伝播するように構成される部分を有し、
前記信号ファイバ部分は、第一の入力／出力ポートに近似する第一の有効モードフィールド断面積と第一のコアＶパラメータとを有するように、そして第二の入力／出力ポートに近似する第二の有効モードフィールド断面積と第二のコアＶパラメータとを有するように構成され、前記第二のモードフィールド断面積は前記第一のモードフィールド断面積よりも大きく、かつ前記第二のＶパラメータは前記第一のＶパラメータよりも小さく、そして、
前記第一のポートが前記信号ファイバに結合され、前記第二のポートが前記出力ファイバに結合されることを特徴とするファイバ結合器。
【請求項２１】
前記第二のＶパラメータがおおよそ１．３よりも小さいことを特徴とする請求項２０に記載の結合器。
【請求項２２】
前記第二のＶパラメータがおおよそ１．０よりも小さいことを特徴とする請求項２１に記載の結合器。
【請求項２３】
前記第一のＶパラメータがおおよそ１．８よりも大きいことを特徴とする請求項２０に記載の結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバ中でのモードフィールドのサイズ変更に関するものであり、特に異なるファイバのモードフィールドサイズを互いに整合させる必要がある高出力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力光ファイバレーザ、および増幅器は最近非常に高い注目をあびている。これらの装置は通常二層クラッドファイバ（ＤＣＦ）を使い、それは図１に例示する屈折率プロファイルを持っている。ＤＣＦは利得生成種（例えば、希土類元素）をドープされたコア領域１２、信号光をコア領域に閉じ込める内側クラッド１４、および低屈折率ポリマあるいは低屈折率ガラスである外側クラッド１６を含む。内側クラッド１４は、外側クラッド１６によって閉じ込められるマルチモード励起光に対してはコアとしても作用する。励起光が内側クラッド１４内に放射されると、それはコア領域１２に吸収され、信号光が増幅される。こうして、大量の高ＮＡ（開口数）励起パワーはより小さなコア領域１２に閉じ込められる低ＮＡ（開口数）の光に変換され得る。多くの用途において、コア領域１２は基底モードだけを導く。反対に、コア領域１２は本質的にはマルチモードであるが、信号光は基底モードだけを優先的に励起するように注意深く放射されてもよい。
【０００３】
固体レーザと比較したＤＣＦレーザの利点は、安定した光特性（例えば、ファイバ内に導かれたモードの結果生じる安定した横断モード特性）、熱的管理の容易性（例えば、ファイバの大きな表面積対体積比による）、および魅力的な物理特性（例えば、軽量で頑丈）を含む。主要な２つの用途は、キロワットの範囲にまで及ぶ高出力ＣＷ（連続発振）運転と、１００ｋＷを超えるピーク出力をともなうミリジュールパルス（ｍｉｌｌｉＪｏｕｌｅ  ｐｕｌｓｅ）にもなるパルスの利用である。これらの用途には、（ｉ）要求される励起パワーをファイバに結合させる、（ｉｉ）信号中の非線形効果の増大を防止する、そして（ｉｉｉ）利得領域から十分なエネルギーとパワーを引き出す、といったことを含むいくつかの問題がある。
【０００４】
利得生成ファイバ（ＧＰＦ）の中に光を結合するために一般的に使われる一つの全ファイバを用いることによる解決策は、傾斜型ファイバ束（ＴＦＢ）である。ＴＦＢ２０の概略図が図２Ａに示される。このやり方の場合、数本のファイバ２１、２６が互いに密着して保持される。これらのファイバは一般に低屈折率のクラッドに囲まれた純シリカコアを有する。束になったファイバはともにゆっくりと溶かされ、その組立体は出力用ピッグテールファイバ２８の直径とぴったり合うよう引き伸ばすことにより区画２７のように傾斜をつけて細くされ、ＧＰＦ（図示しない）に溶融接合される。増幅器での使用、あるいはファイバレーザを逆励起するために、ＴＦＢ２０は励起光に加えて信号光も伝送しなければならない。したがって、信号を導くコアは中心部のファイバ２６中に含まれる。６本の励起ガイドファイバ２１および中心部の信号ガイドファイバ２６からなるＴＦＢの断面２７の劈開端部の顕微鏡写真が図２Ｂに示される。商業的に入手可能なＴＦＢは、例えば９５％より大きい励起通過量と、９０％より大きい信号通過量とを有する。
【０００５】
高出力時に信号光中に有害な非線形効果が生じることを防止するために、大きなモード断面積（ＬＭＡ）を有するファイバが使われている。非線形効果の閾値レベルは、ファイバの強度プロファイルの有効断面積に比例し、ファイバの長さに逆比例するので、ＬＭＡファイバを使うことは多くの有害な非線形効果に対して閾値を増大させる。そのような効果の例は、誘導ラマン散乱、誘導ブリリュアン散乱、および自己位相変調を含む。ＬＭＡファイバは必要なファイバ長を低減するので、非線形閾値が更に増加する。加えて、ＬＭＡファイバの大きなコア断面積によって大量のドーパントイオンがファイバ中に入り、信号によってより大きなエネルギーの蓄積および放出が行われる。
【特許文献１】米国特許第５，８６４，６４４号
【特許文献２】米国特許第６，９７０，６２４号
【特許文献３】米国特許出願第１１／６３３，９９９（２００６年１２月５日）
【非特許文献１】Ａ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎ、「光ファイバ溶融接合」（スプリンガー、ニューヨーク（２００５））
【非特許文献２】Ｌ．Ｂ．Ｊｅｕｎｈｏｍｍｅ、「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（第２版、デッカー，ニューヨーク（１９９０））
【非特許文献３】Ｊ．Ａ．Ｂｕｃｋ、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」（第２版、ウイリーインターサイエンス、ニュージャージー（２００４））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方で、ＬＭＡファイバは信号光を多重横断モードで伝播することができ、コアの利得領域が重なるモード中で利得の競合を生じる。高次モードに捕捉された自然放射により、あるいはファイバ長に沿うモード結合によって、信号光が利得ファイバ中に放射された時、信号光は信号の不完全な結合に起因する望ましくない高次モード中に存在し得る。モードの有効断面積（Ａｅｆｆ）が増加するにしたがい、ファイバに対する不可避なゆらぎによって意図しないモード結合がますます生じるようになる。高次モードに結合された信号光が増幅され、増幅器出力のビーム品質が低下する結果となる。
【０００７】
信号を所望の最終の出力レベルまで増幅するために一般に多段利得を必要とする高出力ファイバ増幅器に関連して、ＬＭＡファイバの使用にも問題がある。これらの増幅器は、例えば、光の方向を制御し、不要なスペクトル成分をろ過し、あるいはパルス信号の変調速度を制御するために一般的に使われるいろいろな形式の段間の構成要素も含んでいる。そのような増幅器の第一段には、信号のパワーが低く強度が増加するとエネルギー抽出効率が増加するので、在来型のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を使うことが好ましい。しかし、増幅器列を経て信号のパワーが増加するにしたがい、ある時点でＬＭＡファイバに転換することが望ましくなる。そのようなＬＭＡファイバは１５μｍより大きいコアを持ち、ある場合には４５μｍより大きい。同一の増幅器列に異なるコアサイズのファイバがあることは、より小さいモードフィールド断面積／直径（例えば、ＳＭＦあるいは比較的小さいＬＭＡファイバ）からより大きなモードフィールド断面積／直径（例えば、より大きなＬＭＡファイバ）へ、あるいはその逆に、光を結合するという非常に現実的な問題を提起する。全信号パワー損失とＬＭＡファイバの不要な高次モードの励起を両方とも最小にする方法でこの結合をもたらすことが重要である。高次モードに結合する光は、出力ビームの品質にいくつか有害な結果をもたらすかもしれない。
【０００８】
現行のＴＦＢは、入力および出力において本質的に等価なモードフィールド径（ＭＦＤ）あるいは有効断面積を持つように設計される（例えば、Ｄ．Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ外の米国特許第５，８６４，６４４号を参照のこと。これ以降、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ‘６４４という）。増幅器設計概念におけるモードフィールドのサイズを変更する一つの提案された解決策は、ＴＦＢの傾斜部の後に別個のモードサイズ変更器を配することを含む（Ｄ．Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ外の米国特許第６，９７０，６２４号を参照のこと）。しかし、このサイズ変更器はさらなる接合を加え、それは信号あるいは励起損失、信号の反射、より高次モードへの結合の増加、および生産性の低下につながる。参照のため、これらの特許の両方がここに引用される。
【０００９】
したがって、従来技術による複数の欠陥に対処するモードフィールドのサイズ変更器の技術に対する必要性がいまだ存在する。特に、信号光のＭＦＤあるいはＡｅｆｆを顕著に変更可能なモードフィールドサイズ変更器を含む全てファイバで構成されたＴＦＢが必要とされている（以降、「ＭＦＤ」あるいは「Ａｅｆｆ」は「ＭＦＤ／Ａｅｆｆ」と記される。）。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一面によれば、光装置（例えば、全てファイバで構成されたモードフィールドサイズ変更器）は第一の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートから第二のＩ／Ｏポートまで長軸に沿って所定の横断モードで光信号を伝播するように構成される第一の光ファイバを含む。第一の光ファイバは、第一のＩ／Ｏポートに近似した第一のＡｅｆｆおよび第一のコアＶパラメータと、第二のＩ／Ｏポートに近似した第二のＡｅｆｆおよび第二のコアＶパラメータを持つように構成される。第二のＡｅｆｆは第一のＡｅｆｆよりも大きく、第二のＶパラメータは第一のＶパラメータよりも小さい。
【００１１】
この後により詳細に議論されるように、光ファイバのＶパラメータはコア直径および開口数（ＮＡ）に正比例し、波長に逆比例する。
一実施例において、第二のＶパラメータは約１．３よりも小さく、好ましくは１．０よりも小さい。
他の実施例において、第一のＶパラメータは約１．８よりも大きい。
さらに他の実施例において、本発明のモードフィールドサイズ変更器はＴＦＢの中に組み込まれている。特に、傾斜をつけられ、束ねられた多数のファイバは励起光を伝播するように構成され、その多数のファイバは第一のファイバの周囲に束ねられ、利得生成部を有する第二のファイバ中に励起光を結合するように構成される。第一のファイバは利得生成部で増幅される信号光を伝播するように構成される。
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
モードフィールドサイズ変更器−一般論
本発明を詳細に議論する前に、先ず図３に戻るが、この図は装置、サブシステム、あるいは光ファイバリンクによって互いに連結されている第一の利用機器３２と第二の利用機器３４を含むシステム３０を示すものである。
【００１３】
利用機器３２、３４は光源、受光器、あるいはその両方など広範な光学および／あるいは光電気機器を含んでよい。代表的な光源はレーザあるいはレーザ−増幅器の組み合わせである。代表的なレーザは、ファイバレーザあるいは半導体レーザである。もちろん、他の形式のレーザあるいはレーザ−増幅器の組み合わせでも適している。それに対して、代表的な受光器は光ファイバ部分、光増幅器、光マルチプレクサ（多重化装置）、光サーキュレータ、光グレーティング（回折格子）、バルク光学要素、光アイソレータ、光検出器、光受信機などである。例えば、利用機器の一つが光源を含めば、他方は少なくとも受光器を含む。
【００１４】
例えばそのリンクは、利用機器３２と結合された第一のファイバ（例えば、標準のＳＭＦ）３６、本発明の一面にしたがい設計された全てファイバで構成されたモードフィールドサイズ変換器３７、ピッグテールファイバ３８、および利用機器３４とつながれた利得生成ファイバ（ＧＰＦ）３９を直列につないだものを含む。（境界面３３．１、３３．２、３５での）標準的な溶融接合が、サイズ変更器３７、ピッグテール３８およびＧＰＦ３９を互いに連結するために一般的に使われる。
【００１５】
通常、ＧＰＦ３９はよく知られた光増幅器３１に組み込まれる。簡単化のために、増幅器３１は図およびブロックダイアグラム形式で示される。ＧＰＦ３９を励起することの詳細は省略するが、技術的にはよく知られている。例えば、増幅器は、信号光と励起光がＧＰＦ３９中を同じ方向に伝播する共伝播励起方式（ｃｏ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  ｐｕｍｐ  ｓｃｈｅｍｅ）、あるいは信号光と励起光がＧＰＦ３９中を反対の方向に伝播する反伝播方式（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  ｓｃｈｅｍｅ）を採用してもよい。どちらの場合でも、本発明の一面により図５に示される形式のＴＦＢは、多重励起光源をＧＰＦ３９に結合するために使われる。
【００１６】
信号光はＧＰＦ３９中をいずれの方向にも伝播するので、それは同じくリンク、特にモードフィールドサイズ変更器３７中をいずれの方向にも伝播する。したがって、サイズ変更器３７の両端の境界３３．１および３３．２は入力ポートあるいは出力ポートのいずれかとして機能する。したがって、これから以降、それらを単にＩ／Ｏポートと呼ぶ。
【００１７】
通常、第一のファイバ３６は比較的小さいＭＦＤ／Ａｅｆｆを持ち、それに対してピッグテール３８は比較的大きいＭＦＤ／Ａｅｆｆを持つ。一般にピッグテール３８は、それが利得ドーパントを含まないということを除いて、あらゆる点で本質的にＧＰＦと全く同じである（特に、両方のＭＦＤ／Ａｅｆｆは本質的に同じである）。例えば、ピッグテール３８とＧＰＦ３９はどちらもＤＣＦである。一般に光増幅器３１はピッグテールなどをつけて提供されるが、使用目的によってはピッグテールが省略され、その場合、モードフィールドサイズ変更器３７はファイバ３６をＧＰＦ３９に直接結合する。いずれの場合でも、本発明の別の面に従って全てファイバで構成されたモードフィールドサイズ変更器３７は、ファイバ３６のＭＦＤ／Ａｅｆｆをピッグテール３８の、あるいはピッグテール３８が省略される場合にはＧＰＦ３９のＭＦＤ／Ａｅｆｆに整合するようにして使われる。
【００１８】
モードフィールドサイズ変更器４７のやや詳細な図が、図４に示される光ファイバリンク４０の一部として示される。図４に示されるように、モードフィールドサイズ変更器４７は境界（Ｉ／Ｏポート）４３．１においてパラメータの組み合わせが（ＭＦＤ１、Ｖ１）である第一のファイバ４６を、境界（Ｉ／Ｏポート）４３．２においてパラメータの組み合わせが（ＭＦＤ２、Ｖ２）であるピッグテール４８に結合する、その場合のパラメータＶは以下により詳しく説明する。（簡略化のために、コア領域４７．１はモードフィールドサイズ変更器４７だけについて示され、リンク中の他のファイバについては省略されている。）本発明のこの実施例について、モードフィールドサイズ変更器は、
【数１】
2008276233.tif 000003
および
【数２】
2008276233.tif 000004
となるように構成されている。
【００１９】
図６は、λ＝１０８０ｎｍの信号波長におけるコアのＶパラメータによってＭＦＤがどのように変化するかを示すために、ステップインデックスファイバ（コアＮＡ＝０．０７；コア／クラッドΔｎ＝０．００１７）の３つの屈折率プロファイル（６ａ、６ｂ、６ｃ）および３つの対応する光強度分布（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ）を示す。Ｖパラメータ（Ｖナンバーとしても知られる）が小さく（Ｖ＜１．５；例えばＶ＝１．０、図６Ａ）、したがってコア直径も比較的小さい場合、基底モードフィールド６Ａはクラッド中に深く浸透し、光のわずかな部分がコア中を伝播する（ＭＦＤ＝７．５μｍ、Ａｅｆｆ＝２４８μｍ２）。結果として、基底モード形状（強度）はガウス分布よりも小さく、損失の少ない接続を達成することがより困難であり、ファイバが大きな曲げ損失に対して影響を受けやすいことを意味する。反対に、Ｖパラメータが大きく、したがってコア直径が比較的大きい［図６Ｂ（Ｖ＝２．０；ＭＦＤ＝１２．２μｍ、Ａｅｆｆ＝１１５μｍ２）、および図６Ｃ（Ｖ＝４．０；ＭＦＤ＝１６．７μｍ、Ａｅｆｆ＝２４６μｍ２）］場合には、基底モードがより閉じ込められ、モード形状がガウス分布に近い。
【００２０】
次節でより詳細に議論されるように、境界（Ｉ／Ｏポート）４３．１および４３．２あるいはその近傍で不等関係（１）および（２）が満足されるように、モードフィールドサイズ変更器４７のコア領域４７．１は傾斜がつけられる。さらに、少なくとも外側のクラッド領域は、モードフィールドサイズ変更器のファイバの外径を低減し、それによってクラッド径に対するコア径の比を調整可能にするためにエッチング（あるいは他の方法によって修正）されてもよい（即ち、コアとクラッド領域の直径の比がサイズ変更器に沿って長手方向で変化する）。
【００２１】
上に述べた形式のモードフィールドサイズ変更器は、一般に異なるＭＦＤ／Ａｅｆｆを有するファイバの橋渡しをする用途がある。しかし、次節でわれわれは特に重要な用途、つまり高出力増幅器／レーザに使われるＴＦＢに焦点を合わせる。ただし、本発明の他の実施例によるモードフィールドサイズ変更器を含むように修正されている。
【００２２】
モードフィールドサイズ変更器−ＴＦＢ用途
本発明のこの実施例において、われわれは、中心部の信号光伝播ファイバ（例えばＳＭＦ）５６のモードフィールドサイズ変更部分５７を適切に設計することによってＴＦＢ５０（図５Ｂ）でのモードフィールドサイズ変更を達成する。励起光伝播マルチモードファイバ５１の束が、ファイバ５６を取り囲む（あるいは、他の実施例においては、少なくともファイバ部分５９の一部とファイバ部分５７の全てを取り囲む）。これらのファイバは全て、ファイバ５６の部分５７で軸方向に傾斜がつけられているが、最も重要な点は部分５７が先に述べられたＭＦＤ（あるいは等価のＡｅｆｆ）の不等関係（１）およびＶパラメータの不等関係（２）を満足するように構成されるということである。
【００２３】
実際には部分５７が信号ファイバ５６の欠くことのできない部分であるこの設計は、追加の接合あるいは構成要素を不要にし、信号損失および不要なモードへの結合を低減し、製造工程を著しく簡単化する。はっきりしている接合は、ファイバ５６に対するＩ／Ｏポート５３．１およびピッグテール５８に対するＩ／Ｏポート５３．２の部分だけにある。（しかし、さらなる接合が許容されるのであれば、部分５７は境界５３．３でファイバ（例えばＳＭＦ）５９の任意の分離部分と接合されてもよい。）
【００２４】
ＴＦＢのよく知られた製造の間に、ファイバ５１、５６の束は、所定の再現性のある形に引き伸ばされ、傾斜をつけられる。直径が等しいファイバに対して、傾斜をつける前のファイバ（図５Ｃ；断面５０．１）の束の全断面積、Ａｉｎ、は（３）式で与えられる。
【数３】
2008276233.tif 000005
ここで、Ｄｉｎｐｕｔは、個々の入力ファイバＮａｒｍｓのそれぞれの直径である。傾斜をつけられた後の出力部断面積、Ａｏｕｔ、は（４）式で与えられる。
【数４】
2008276233.tif 000006
ここで、ＤＴｏｔａｌｏｕｔは、傾斜をつけられ接合された束（図５Ｃ；境界／接合５３．２における断面５０．３）の直径である。信号光はその用途によってサイズ変更器を通っていずれの方向にも伝播できるので、ｉｎｐｕｔおよびｏｕｔｐｕｔの表示は本発明の教示の本質を変えることなく入れ替えられてもよいことに留意されたい。
【００２５】
個々のファイバのコアの直径減少比（Ｔａｐｅｒ−Ｄｏｗｎ−Ｒａｔｉｏ：ＴＤＲ）は（Ａｉｎ／Ａｏｕｔ）１／２、または（５）式で与えられる。
【数５】
2008276233.tif 000007
【００２６】
ＴＤＲはＴＦＢの製造においてあらかじめ決められるので、導波コア中での光の伝播の独特な特性が利用され、ステップインデックス導波路に対しては、コア直径が当初の値から減少するので、ＭＦＤは最小値まで減少し、それから増加する。（上記のＤｉＧｉｏｖａｎｎｉの‘６４４を参照のこと。）この関係は、コアのＶパラメータに対して図７にグラフで示される。
【数６】
2008276233.tif 000008
ここで、λは信号の波長、Ｄｃｏｒｅはコアの直径、ｎｃｏｒｅはコアの屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率、ＮＡはコアの開口数である。
【００２７】
ＴＤＲによるＶパラメータの変化が、ＴＦＢの入力ＭＦＤがコアのＮＡ＝０．０５に対する出力におけるそれと基本的に等しい場合について、図７のＴＤＲ＝１．６５で標示される横線によって示されている。この設計方法が上述のＤｉＧｉｏｖａｎｎｉの‘６４４で議論されている。
【００２８】
しかし、本発明によって、われわれは、傾斜をつけた後の出力部でのＭＦＤ／Ａｅｆｆが入力部でのそれよりも著しく大きくなるようにモードフィールドをサイズ変更することが有利であることを認識している。この概念が、λ〜１０８０ｎｍにおける次の概略特性：ＮＡ＝０．０６、Ｖ＝１．８５、ＭＦＤ＝１４μｍ、Ａｅｆｆ＝１３０μｍ２、Ｄｃｏｒｅ＝１０．６μｍ、を有する信号ファイバ５６について、図８に示されている。ふたたびＴＤＲ＝１．６５まで傾斜をつけると、次の概略特性：Ｖ＝１．１２、Ｄｃｏｒｅ＝６．４μｍ、ＭＦＤ＝１８μｍ、Ａｅｆｆ＝２３０μｍ２、を得る。Ｄｃｏｒｅは１／１．６５に小さくなったが、ＭＦＤは約１．３倍増加する。
【００２９】
Ｖパラメータが１（Ｖ＝１）に近づくようにコアが傾斜をつけられると、モードフィールドの形状がかなり非ガウス分布になることが知られていて、それは厳密なガウス分布形状を有するファイバと互いに接続されると損失増加をもたらす結果となる。さらに、受け側のファイバがＬＭＡファイバであるとき、相互接続の信号「損失」は好ましくない高次のコアモードに結合される。これらの影響は、モードフィールド形状を注意深く整合させることによって最小にすることが可能である。例えば、上記の例におけるＭＦＤは、工業標準のペーターマンＩＩ（Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ  ＩＩ）定義によれば約１８μｍであるが、厳密なガウス分布モードフィールド形状に対する最小の接合損失は２１μｍのＭＦＤガウス分布に見られ、この接合損失は許容可能な０．２６ｄＢである。したがって、図５のＴＦＢはＭＦＤが１４μｍのシングルモード入力信号ファイバを、ＭＦＤが２１μｍのガウス分布基本モードであるＬＭＡファイバと許容可能な信号損失で結合するために使用できる。
【００３０】
モードフィールド直径の形状が厳密なガウス分布から外れるとき、一般にＭＦＤは導波モードの直径あるいは断面積を記述するために有用な方法ではないことがわかる。この場合、それに代えて工業的には（７）式で与えられるモード有効断面積Ａｅｆｆを頼りにする。
【数７】
2008276233.tif 000009
ここで、Ｅはモード電場の横断空間分布であり、積分はファイバの断面積について実行されるとして理解される。モードフィールド形状が軸対称（つまり、ファイバの回転の長軸について対称）のガウス分布関数に近いとき、ＭＦＤはモードの直径に近似した値で、（８）式のように表される。
【数８】
2008276233.tif 000010
ここで、ｒは径方向座標である。モードフィールド形状が軸対称のガウス分布関数に厳密に等しいとき、Ａｅｆｆ＝π×ＭＦＤ２／４である。
【００３１】
他の実施例
Ｖパラメータが１に近くなるようにコアが傾斜をつけられると、特にＶ＜０．９のとき、コアはモードフィールドへの閉じ込めがより弱くなる。その結果、モードはマクロベンドあるいはマイクロベンド損失の増大を示す。このような影響は、傾斜をつけたファイバをパッケージの中で真っ直ぐに、かつあまり応力がかからない状態に保持できるよう適切にパッケージすることで抑制可能である。しかし、図８に示される方法を用いるモードフィールドの拡張は、モードフィールドの歪および堅牢性についての上記の事項が問題となる前に（（ｉ）Ｖ＜０．９に対するフィールドの非ガウス分布形状、および（ｉｉ）曲げ損失あるいはＶ＜０．９のときに生じる物理的なパッケージに対する敏感さの始まりにより）制約される。これらの影響はコアが適切にモードを閉じ込められないために生じるので、効果的にモードを捉えるために第二の導波路が加えられる。第二の導波路は、モードフィールドがさらに広がることを可能にする。われわれは、この概念を図９に示されるようにファイバ９０の台座設計で具体化する。（実際問題として、おそらくこの設計は屈折率の大きい内側クラッドの周囲に屈折率が小さい外側クラッドを形成し、それによって内側クラッドを台座に転換することにより実施できる。）
【００３２】
ファイバ９０の傾斜のない部分（例えば、図５Ｂの部分５９に類似の、ただし別物である必要はない）では、直径Ｄ１のコア９２．１は直径Ｄ２の台座９２．２に囲まれている。台座９２．２はコア９２．１とクラッド９３の屈折率の中間の屈折率を持ち、即ち、台座の屈折率はコアの屈折率よりΔｎ１だけ小さく、クラッドの屈折率よりΔｎ２だけ大きい。ファイバの傾斜部分（例えば、図５Ｂの部分５７）では、台座は最終的な直径Ｄ２／ＴＤＲを有する。
【００３３】
傾斜のない部分では、信号はファイバコア９２．１の中を導かれる。小さなコアＶパラメータを持つ傾斜のある部分では、信号はコア９２．１を抜け出し、台座９２．２に捕捉され導かれる。パラメータＤ１、Ｄ２、Δｎ１、およびΔｎ２を注意深く選択し、ＴＤＲを知ることにより、ＴＦＢ中の信号光がファイバを出ると適切にサイズ変更されるように、ファイバを容易に設計できる。そのようなファイバ（傾斜をつける前）の設計例が表Ｉに示される。
【表１】
2008276233.tif 000011
【００３４】
表Ｉのファイバの傾斜のない部分は、ＭＦＤ〜６．９μｍであるそれ自身のシングルモードコア９２．１において１０００ｎｍ信号光を導くであろう。しかし、同じファイバ（ＴＤＲ〜２．７）の傾斜をつけた部分は、ＭＦＤ〜１２μｍであるややガウス分布の基底モード形状を導く。さらに、傾斜をつけたファイバの基底モードと１５μｍＭＦＤのガウス分布モードとの間の期待される結合損失は０．１ｄＢよりも小さく、それは多くの用途に許容される。したがって、モードサイズ変更部分５７がこの設計による傾斜をつけられたファイバからなるＴＦＢ５０（図５）は、基本的にガウス分布６．９μｍＭＦＤのシングルモード入力信号をＬＭＡ１５μｍ直径のガウス分布モードと互換性のある出力信号に変換する。
【００３５】
一般に、このタイプのファイバはコア−プラス−台座設計を有すると考えられる。台座−対−クラッドの屈折率差Δｎ２は通常０．００１２５あるいはそれより大きい（ＮＡ＞０．０６）。さらに、最初の傾斜のないファイバの台座の直径Ｄ２は、通常本質的に（例えば、少なくとも３倍は）コアによって導かれるモードのＭＦＤよりも大きい。例えば、Ｄ２＞１８μｍ。さらにＤ２は一般に十分大きく、傾斜をつけられたファイバの基底モードの有効断面積は傾斜をつけないファイバの基底モードの有効断面積よりも２．３倍大きい。このことは、波長範囲１０００−１６００ｎｍでＤ２が少なくとも４０μｍであることを暗示している。
【００３６】
コア直径Ｄ１とコア−対−台座の屈折率差Δｎ１とは、これらの値を使ってコンピュータで計算された台座に対するコアのＶパラメータ（例えば、図５Ｂの５３．３における入力）が約１．８と２．４の間に収まるように選ばれ、それは傾斜をつけないコアが実質的にガウス分布形状でシングルモードを伝播することを確実にする。傾斜の割合は、コアのＶパラメータ（例えば、図５Ｂの５３．２における出力）が傾斜をつける工程によって実質的に小さくなることを確実にするために、少なくとも２．０であるように選ばれる。即ち、傾斜をつけたコアのＶパラメータが１．３より小さく、好ましくは１．０より小さいということである。傾斜をつけたコアのＶパラメータが約１．０より小さいとき、そのコアによって導かれるモードは極めて弱く、台座によってより強く導かれる。モードは傾斜をつけた台座によって導かれるが、コアは光を中心にひきつけることによりモードフィールドの形状を歪ませる。傾斜をつけたコアのＶパラメータが実質的に１．０より小さい（例えば、０．９あるいはそれ以下の）とき、傾斜をつけたコアは傾斜をつけたファイバの基底モードの形状にごくわずかな影響をおよぼす。
【００３７】
コア−プラス−台座設計において、傾斜をつけた後、モードはコア９２．１によって生じたわずかな歪みを伴いながら台座９２．２によって導かれる。比較的大きな台座の直径のためにモードフィールド形状はガウス分布から外れる（つまり、非ガウス分布となる）が、それはコア特性を伴って、あるいは伴わずに、類似のコア直径を持つファイバとうまく結合する。この設計上の特徴は、ＴＦＢ出力のモード形状をピッグテール５８（図５Ｂ）のそれと、あるいはＧＰＦそのもの（図５に示さず）と整合させる可能性をもたらすので重要である。非ガウス分布出力を生成する設計例として、図１０は、台座１０２．２の縁にある屈折率の高い環１０２．３が光エネルギーを中心線から引き離す、修正されたコア−プラス−台座ファイバ１００の屈折率プロファイルを示す。こうして、環１０２．３は半径方向の強度プロファイルを平坦にし、中心線における強度を低減し、かつ有効モード断面積を増加させる。結果として、ファイバ１００のモードフィールド形状はＧＰＦあるいはそのピッグテール５８（図５Ｂ）のそれに似てくる。コアは傾斜をつけられた後小さなＶパラメータを持つように設計されているので、中心部の特性（コア１０２．１）のわずかな揺らぎがモードフィールドの重なりを著しく変えることはおそらくない。本発明のこの実施例において、ＴＦＢは直径が傾斜をつけられているので２つの新しい機能：（ｉ）モードフィールド径を広げる、（ｉｉ）モードフィールドの形状を所望の（例えば、非ガウス分布）出力プロファイルに適合するように修正する、を果たす
【００３８】
コア１０２．１（Δｎ１）、台座１０２．２（Δｎ２）、および環１０２．３（Δｎ３）の屈折率差のサイズは、環の厚さ（ｔ３）と同様に、結合されているファイバのパラメータ（例えば、それぞれ図３、４、５、のファイバ３８、４８、５８）に依存する。したがって、コアのΔｎ１は台座のΔｎ２よりも大きいとして図１０に例示されているが、実際にはΔｎ２はサイズ的にはΔｎ１と同等あるいはむしろΔｎ１より大きくてもよい。一方、たとえ小さなΔｎ３でもモードフィールド形状に顕著な影響を与えるので、環のΔｎ３はΔｎ１およびΔｎ２と比較してかなり小さいことが予想される。最後に、環１０２．３の厚さｔ３は、やはり結合されるファイバに依存してかなり薄く、あるいは厚くされてもよい。
【００３９】
上に述べた構成は、単に本発明の原理の応用を示すために考案され得る多くの可能な具体的な実施例であることが理解されるべきである。当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、多くの且つ修正した他の応用が本発明の原理によって考案可能であることに留意されたい。
【００４０】
特に、通常の高出力用途において、信号光は持続時間が短い高エネルギーのパルスの形で発生される。そのようなパルスのピーク出力は、例えば数１０キロワット以上であり、しばしば数１００キロワット以上である。
【００４１】
この議論を通して、波長という表現は特定の光放射の中心波長を意味するものと意図されていて、そのような放射は中心波長の上下によく知られた範囲の波長を含む特徴的な線幅を持っていることが理解される。さらに、シングル横断モードにおける光の伝播という表現は基本的にシングルモードにおける伝播を含むものと意図され、即ち、現実的な意味では他のモードの完全な抑制が常に可能とはいえないということである。しかし、シングルモードは、そのような他のモードの強度が小さいかあるいは重要ではないということを強く暗示している。
【００４２】
ＧＰＦというとき、われわれはＥｒ、Ｙｂあるいはその両方の利得生成種をドープしたファイバを意味する。しかし、光増幅／レーザ方式を行うために他の希土類元素（例えば、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏ、など）あるいはクロム（Ｃｒ）を含む他の利得生成種がＥｒおよび／あるいはＹｂあるいはその組み合わせの代わりに使われてもよい。
【００４３】
さらに、当業者は、図３の位置３３．１、３３．２、あるいは図４の位置４３．１、４３．２など組み立てられた装置の溶融接合において、溶融接合損失を少なくするよく知られた技術が適用されていることを評価するであろう。例えば、溶融接合の前、中間、あるいは後にかなり長時間加熱する工程は溶融接合部にドーパント種の拡散をもたらすことが知られていて、光結合損失を少なくできる。参照のためここに引用するＡ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎの「光ファイバ溶融接合」（スプリンガー、ニューヨーク（２００５））を参照のこと。
【００４４】
さらに、局部的にファイバのＭ２を下げるドーパントの拡散を促すために、光ファイバは局部的に加熱されてもよい（Ｍ２が極めて１．０に近いとき、コア内部の横断屈折率プロファイルが本質的に一様なので、基底横断モードの光の場は形状が極めてガウス分布に近い。）。ファイバを十分な温度（例えば、約２０００℃の溶融接合温度近くあるいはそれ以上）に加熱すると、実質的に屈折率を変化させるドーパントの拡散を生じ、それによってファイバの横断屈折率プロファイルの顕著な変化をもたらす。そのようなドーパントの拡散が、中心部のくぼみ、うね、あるいは基底ＬＰ０１モードのＭ２を増加させるその他の屈折率プロファイル特性を抑制するために採用される。ある場合には、基底横断ＬＰ０１モードのＭＦＤが、実際にその後の加熱がもたらす拡散を減少させる。２００６年１２月５日出願のＲ．Ｓ．ＷｉｎｄｅｌｅｒおよびＡ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎの米国特許出願第１１／６３３，９９９号を参照のこと。この取り組みは、例えば、ＧＰＦ３９、４９（それぞれ図３、４）あるいはＧＰＦピッグテール３８、４８、５８（それぞれ図３、４，５）への結合を改善するために利用される。
【００４５】
最後に、実際の光ファイバにおいては、屈折率プロファイルは理想的な段階ではなく、製造プロセスに起因する横方向の不均一性を示す。そのような横方向の不均一性は、中心部のくぼみ、うね、波うちあるいは屈折率プロファイルの丸まりを含み得る。逆に、横方向の不均一性は、例えばコアの屈折率プロファイルの勾配をつける、あるいはピークを作る場合のように、ファイバの屈折率プロファイルに意図的につけ得ることが技術的に知られている。現実の屈折率プロファイルが独立した均一な段によって特徴づけられないとき、式（６）に見られるＶパラメータの定義はそのまま適用できない。この場合、導波路のＶパラメータを定量化するため、等価なステップインデックス（ＥＳＩ）プロファイルを採用することが慣例である。非ステップインデックスファイバのプロファイルを決定する方法が、Ｌ．Ｂ．Ｊｅｕｎｈｏｍｍｅの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（第２版、Ｄｅｋｋｅｒ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（１９９０））、およびＪ．Ａ．Ｂｕｃｋの「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」（第２版、Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ、Ｎｅｗ  ｊｅｒｓｅｙ（２００４））を含むいくつかのテキストに述べられていて、その両方が参照のため引用される。
【００４６】
上に述べた構成は、単に本発明の原理の応用を示すために考案され得る多くの可能な具体的な実施例であることが理解されるべきである。当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、多くの且つ修正した他の応用が本発明の原理によって考案可能であり、またそのような改良や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理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来技術によるＤＣＦの屈折率プロファイルの図
【図２】従来技術によるＴＦＢを３次元で見た図
【図３】本発明の一実施例によるモードサイズ変更器を含む光装置のブロックダイアグラム図
【図４】本発明の一実施例によるモードサイズ変更器の断面図
【図５】本発明のもう一つの実施例によるＴＦＢ（図５Ｂ）の説明図。図５Ｃは異なる軸位置におけるＴＦＢの断面形状を示し、図５ＡはＭＦＤおよびＶパラメータがＴＦＢに沿う軸方向でどのように変化するかを示す。
【図６】よく知られたＶパラメータを記述するために使われる屈折率プロファイル（６ａ、６ｂ、６ｃ）および光強度プロファイル（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ）の組
【図７】従来技術によるモード整合への取り組みによる異なるＮＡに対するＭＦＤ対Ｖパラメータの一群のグラフ。これらのグラフは工業標準「ペーターマンＩＩ（Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ  ＩＩ）」の定義を使い、コンピュータで計算された。
【図８】本発明のさらに別の実施例による異なるＮＡに対するＭＦＤ対Ｖパラメータの一群のグラフ。これらのグラフも工業標準「ペーターマンＩＩ（Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ  ＩＩ）」の定義を使い、コンピュータで計算された。
【図９】本発明のさらに別の実施例によるコア−台座型プロファイルを有するモードフィールドサイズ変更器の屈折率プロファイルの図
【図１０】本発明の他の実施例により、高くなった屈折率の環がどのように図９の台座概念に組み込まれたかを示す屈折率プロファイルの図
【符号の説明】
【００４８】
３０                    システム
３１                    光増幅器
３２、３４              利用機器
３６、４６              第一のファイバ
３７、４７              全てファイバで構成されたモードフィールドサイズ変更器
３８、４８、５８        ピッグテール
３９                    ＧＰＦ
４０                    光ファイバリンク
５０                    ＴＦＢ
５１                    ファイバの束
５６                    信号光伝播ファイバ
５７                    モードフィールドサイズ変更部分
５９                    ファイバ部分
９０、１００ファイバ
【図１】
2008276233.tif 000012
【図２】
2008276233.tif 000013
【図３】
2008276233.tif 000014
【図４】
2008276233.tif 000015
【図５】
2008276233.tif 000016
【図６】
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【図７】
2008276233.tif 000018
【図８】
2008276233.tif 000019
【図９】
2008276233.tif 000020
【図１０】
2008276233.tif 000021