(57)【要約】高次モード（ＨＯＭ）信号を伝播する多段光増幅器が開示される。数ある中の一実施例は、第一のＨＯＭ信号が伝播する光ファイバの第一の部分と、第二のＨＯＭ信号が伝播する光ファイバの第二の部分と、第一のＨＯＭ信号を第二のＨＯＭ信号に変換するモード変換器とからなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の高次モード（ＨＯＭ）信号を伝播する光ファイバの第一の部分と、
前記光ファイバの第一の部分に光学的に結合されるモード変換器とを含み、前記モード変換器が前記第一のＨＯＭ信号を第二のＨＯＭ信号に変換するものであり、さらに、
前記モード変換器に光学的に結合される光ファイバの第二の部分を含み、前記光ファイバの第二の部分が前記第二のＨＯＭ信号を伝播することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記光ファイバの第一の部分が利得ドープされ、かつ前記光ファイバの第二の部分が利得ドープされていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光ファイバの第一の部分が前記光ファイバの第二の部分と同一であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光ファイバの第一の部分が前記光ファイバの第二の部分と異なることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第一のＨＯＭ信号が第一の有効モード断面積を有し、前記第二のＨＯＭ信号が第二の有効モード断面積を有し、かつ前記第二の有効モード断面積が前記第一の有効モード断面積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６】
前記モード変換器が長周期グレーティング（ＬＰＧ）であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ＬＰＧが前記光ファイバの第一の部分に刻まれていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ＬＰＧが前記光ファイバの第二の部分に刻まれていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記モード変換器が前記光ファイバの第一の部分の集積部品であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記モード変換器が前記光ファイバの第二の部分の集積部品であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置がさらに、前記第二のＨＯＭ信号を第三のＨＯＭ信号に変換する第二のモード変換器と、前記第二のＨＯＭ信号よりも大きい有効モード断面積を有する第三のＨＯＭ信号と、かつ前記第三のＨＯＭ信号を伝播する光ファイバの第三の部分とからなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
基底モード信号を高次モード（ＨＯＭ）信号に変換するモード変換器と、
前記ＨＯＭ信号を伝播する光ファイバの第一の部分と、
前記光ファイバの第一の部分に光学的に結合される光ファイバの第二の部分とを含み、前記光ファイバの第二の部分が前記光ファイバの第一の部分とは異なり、かつ前記光ファイバの第二の部分が前記ＨＯＭ信号を伝播することを特徴とする装置。
【請求項１３】
さらに、前記ＨＯＭ信号を伝播する光ファイバの第三の部分を含み、前記光ファイバの第三の部分が前記光ファイバの第二の部分に光学的に結合されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
第一の高次モード（ＨＯＭ）信号を伝播する利得ドープされた光ファイバの第一の部分と、
前記第一の部分に光学的に結合されるモード変換器とを含み、前記モード変換器が前記第一のＨＯＭ信号を第二のＨＯＭ信号に変換するものであり、さらに、
前記モード変換器に光学的に結合された利得ドープされた光ファイバの第二の部分であって、前記第二の部分が前記第二のＨＯＭ信号を伝播することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
この出願は「高次モード増幅器」と題する２００７年２月５日に出願された米国特許出願第６０／８８８，１１４号に対して優先権の利益を主張し、参照のためそのすべてがここに引用される。
【０００２】
さらに、その全体を明白に説明するために以下の米国出願特許が参照のためここに引用される。
【０００３】
（ａ）ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ他によって２００６年１１月３０日に出願された米国特許出願第１１／６０６，７１８号
【０００４】
（ｂ）Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ他によって２００５年９月２０日に出願された米国特許出願第１１／２３０，９０５号
【０００５】
（ｃ）Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ他によって２００５年４月１４日に出願された米国特許出願第１１／１０５，８５０号
【０００６】
（ｄ）Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ他によって２００６年３月０４日に出願された米国特許出願第１１／３６７，４９５号
【０００７】
（ｅ）Ｆｉｎｉ他によって２００６年７月１４日に出願された米国特許出願第１１／４８７，２５８号
【０００８】
さらに、同時に出願された以下の米国出願特許がその全体を説明するために参照のためここに引用される。
【０００９】
（ｆ）「光ファイバの誘電破壊の防止」と題するＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎ、およびＹａｂｌｏｎによる［文書Ｎ０．ＦＥＮＡ００１３６３］
【００１０】
（ｇ）「信号モードとは異なる高次モードにおける励起」と題するＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎによる［文書Ｎ０．ＦＥＮＡ００１３６５］
【００１１】
（ｈ）「光ファイバの分割された利得ドーピング」と題するＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ、Ｇｈａｌｍｉ、Ｍｅｒｍｅｌｓｔｅｉｎ、およびＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎによる［文書Ｎ０．ＦＥＮＡ００１３６６］
【００１２】
（ｉ）「高次モード光ファイバの利得ドープ領域の選択的励起」と題するＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ、およびＲａｍａｃｈａｎｄｒａｎによる［文書Ｎ０．ＦＥＮＡ００１３６７］
【００１３】
（ｊ）「本質的に信号モードと同一である高次モードにおける励起」と題するＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ、およびＨｅａｄｌｙによる［文書Ｎ０．ＦＥＮＡ００１３６８］
【００１４】
本開示は一般に光ファイバ、より詳しくは光ファイバにおける高次モード（ＨＯＭ）信号伝送に関する。
【背景技術】
【００１５】
シリカベースの光ファイバが高出力レーザ、および増幅器に使われてきているが、ファイバを通して伝送される信号のパワーを増加させる努力が継続的に行なわれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許出願第１１／６０６，７１８号
【特許文献２】米国特許出願第１１／２３０，９０５号
【特許文献３】米国特許出願第１１／１０５，８５０号
【特許文献４】米国特許出願第１１／３６７，４９５号
【特許文献５】米国特許出願第１１／４８７，２５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
光ファイバを通して信号を伝送するとき、大モード断面積における低い信号パワーはエネルギーの抽出が不十分な結果となる。逆に、極端に高いパワーでは悪影響が出る。これら、および他の問題があって、産業界には光ファイバ中の信号を増幅するための異なる対処方法についての必要性が存在する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】基底モードの信号が共に接合された異なる型の光ファイバを通して伝播される多段構成の一例を示す。
【図２Ａ】伝播する信号が一つの高次モード（ＨＯＭ）から他のＨＯＭに変換される多段構成を示す図解である。
【図２Ｂ】伝播する信号が一つの高次モード（ＨＯＭ）から他のＨＯＭに変換される多段構成を示す図解である。
【図２Ｃ】伝播する信号が一つの高次モード（ＨＯＭ）から他のＨＯＭに変換される多段構成を示す図解である。
【図３】二つの異なるモードの間の有効断面積の差を示す例示的なプロファイルを示すチャートである。
【図４】モードの安定性と選択したモードの次数との間の相関関係を示すチャートである。
【図５】図５（ａ）は８６ミクロンメータの内側クラッドを有する例示的なファイバの断面を示す図形であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のファイバの屈折率プロファイルを示すチャートであり、図５（ｃ）は図５（ａ）のファイバを伝播するＨＯＭ信号の近視野像を示す図形であり、そして、図５（ｄ）は図５（ｃ）の実際の信号のプロファイルを理論的な信号のプロファイルと比較するチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
開示の多くの観点が以下の図面の参照によってよりよく理解される。図面の構成要素は必ずしも寸法どおりではなく、むしろ本開示の理論を明確に示すために強調される。さらに、図面中で数枚の図面にわたって同じ参照番号が該当する部分を示している。
【００２０】
図に示される実施例の記述を詳細に参照する。これらの図とともにいくつかの実施例が記載されているが、ここに記載される実施例に開示を限定する意図はない。むしろ、意図するところはすべての変形、修正、および類似のことすべてをカバーするということである。
【００２１】
高パワー増幅器は一般的に図１に示される構成に似た多段構成を用いて作られている。信号１１５は比較的低いパワーの信号（例えば、ナノワット、マイクロワット、あるいはミリワット）から非常に高いパワーの信号（例えば、キロワット）まで増幅されながら多段を経て伝播する。一連の段のそれぞれは異なるファイバで作られ、それぞれのファイバは望ましくない非線形効果を低減するために特定のパワーレベルの伝播信号に適応するように構成される。
【００２２】
したがって、運用時には、基底モード（ＬＰ０１）の入射信号１１５が点１２５ａで入力ファイバに接合されている第一の利得ドープされたファイバ部分１３０に注入される。第一の利得ドープされたファイバ部分１３０は励起光源１２０ａによって励起状態にあるので、それは伝播するＬＰ０１信号を増幅する。部分１３０は特に一つのパワーレベルに合わせて構成されているので、それとは異なる利得ドープされたファイバ部分１４０が、伝播するにしたがい増大するＬＰ０１信号のパワーレベルに適応するように点１２５ｂで第一の部分１３０に接合される。いくつかの実施例では、第二の部分もまた１２０ｂで励起される。明らかなように、異なる部分１３０、１４０、１５０、１６０は伝播するＬＰ０１信号の異なるパワーレベルに適合するように構成される。
【００２３】
ＬＰ０１基底モード信号を単純に伝播させることの一つの不都合な点は増大する信号のパワーレベルにいかにして適応させるか、その適応性に制約があることである。高次モード（ＨＯＭ）信号を使うことは、より大きな設計の適応性、および以下に示されるような他の利点を可能にする。
【００２４】
ここに開示される本発明のいろいろな実施例において、高次モード（ＨＯＭ）信号が増大するパワーレベルに適応するために使われる。言い換えると、すべての多段を通して基底モードで信号を伝播させるよりも、ここでのいろいろな実施例は、異なるＨＯＭ信号の一連の伝播を教示し、それによってモード断面積を信号のパワーに適合させ、したがってエネルギー抽出の効率を増加させる。
【００２５】
図２Ａから２Ｃは伝播する信号が一つの高次モード（ＨＯＭ）から他のＨＯＭに変換される多段構成を示す図解である。
【００２６】
図２Ａは入射する信号１１５が、点１２５ａで入力ファイバに接合されている第一の利得ドープされたファイバ部分２３０に注入される一つの実施例を示す。長周期グレーティング（ＬＰＧ）２２５を用いて、入射する基底モード信号（ＬＰ０１）がＨＯＭ信号ＬＰｎｍ（ここでｍ＞１）に変換され、利得ドープされたファイバ部分２３０に沿って伝播される。ＬＰ０１信号をＨＯＭ信号に変換することが利得ドープされたファイバ部分２３０の有効モード断面積を増加させる結果となり、それによって望ましくない非線形効果を低減する。図２Ａの具体例においては、同じＬＰｎｍ信号が異なる利得ドープされたファイバ部分２４０、２５０、２６０に沿って伝播される。
【００２７】
図２Ｂに示される別の実施例において、入力ファイバ部分が利得ドープされたファイバ２３０ａに点１２５で接合される。図２Ａの実施例のように異なるファイバ部分を接合するよりも、信号は同じファイバ２３０に沿って伝播されるが、ファイバの有効モード断面積は増大するパワーレベルに適応するように連続的に変化させられる。したがって、運用時には、比較的小さい有効断面積（例えば、５５平方ミクロンメータ）のＬＰ０１信号は第一の部分２３０ａに沿って伝播する。信号のパワーがある点まで増大すると、ＬＰＧ２４５は基底信号（ＬＰ０１）をより大きな有効モード断面積（例えば、１６７７平方ミクロン）を有するＨＯＭ（ＬＰ０１０）信号に変換する。増大した断面積は飽和エネルギーを増加させ、それにともなってエネルギー抽出の効率を増大させる。要約すれば、第二の部分２３０ｂのモード断面積が第二の部分２３０ｂの信号のパワーに適合される。
【００２８】
信号の伝播にともなって信号のパワーレベルが増大するにしたがい、ＬＰ０１０信号は別のＬＰＧ２５５によってさらに大きな有効モード断面積（例えば、１９１５平方ミクロン）を有する、異なるＨＯＭ信号（ＬＰ０９）に変換される。ふたたび、そのファイバ部分２３０ｃの増大した有効断面積がそのファイバ部分２３０ｃ内の信号のパワーに適合する。図２Ｂに示されるように、信号の射出端１１０におけるファイバのモード断面積は比較的小さく（例えば、５５平方ミクロン）、縦続接続されたモードを用いるファイバに沿って増大する。したがって、ファイバ内に射出されるＬＰ０１信号はある点における中間の有効モード断面積によってＨＯＭ信号に変換される。縦続接続が有効モード断面積を増大させ続け、それによって一般的に高い強度あるいはパワーに関連する有害な影響を軽減する。
【００２９】
図３は、ＬＰ０１（基底モード）の信号３２０の有効断面積が基本的に（プロファイル３１０に示される）ファイバのコアに一致するのに対して、高次のＬＰ０９モード信号３３０はコア、および周囲のクラッド層の両方に存在するということを示している。明らかなように、ＬＰ０９ＨＯＭはＬＰ０１基底モードよりも大きな有効モード断面積を示す。
【００３０】
図２Ｃに示されるように、図２Ａおよび図２Ｂの実施例は組み合わせることが出来る。言い換えると、一つのＨＯＭを（図２Ａのように）異なるファイバ部分を経て伝播させる、あるいは異なるＨＯＭ信号を（図２Ｂのように）同一のファイバを経て伝播させるよりも、多くのファイバ部分２３２、２４２、２５２、２６２をいっしょに接合し、対応するファイバ部分を経て伝播するにしたがい、信号を異なるモード（例えば、ＬＰ０１０、ＬＰ０９、ＬＰ０８など）に変換することが出来る。表１に示されるように、以下の例示の方法によって信号は継続的に、徐々に、より大きい有効モード断面積に変換される。
【表１】
2010518631.tif 000003
【００３１】
容易に想像できるように、多段のファイバを経てＨＯＭ信号を縦続接続するために多くの並び替えがある。
【００３２】
それぞれの部分のファイバの長さ、および次の段の有効断面積の増加はバランスの取れた状態にできる。例えば、次の段の前で利得部分が３ｄＢの利得をもたらすと、それに対応して次の段で断面積が３ｄＢだけ増大される。ある場合には、非線形の悪化が異なる有効断面積に直接的に対応しないため、他の断面積の増大が選択される場合がある。例示の方法によって、誘導ブリリャン散乱はファイバの音響特性に依存する。ある場合には、非線形の閾値が有効断面積とほぼ直線的に対応している。他の場合には、閾値がモード間の交差結合に依存するとき、閾値はきわめて直線的に決められる。このような位置づけに対しては、単純に直線的な決め方がほぼ適切であろう。
【００３３】
Ａ−Ｂモード変換器の縦続接続は、ＡおよびＢモードの空間的な重なりが十分に高く、かつ共振結合が十分に強ければ低いスループット損失、および高い消光性を持ち得る。屈折率が図３に示される紫外（ＵＶ）で描かれたグレーティングにＬＰ０１からＬＰ０９への有効なモード結合が期待されるので、これは一般に空間的な重なりが必ずしも大きくあることが必要でないという証拠である。
【００３４】
また、ここに示される例では、中心部のコアだけが光感受性であるが、共振結合を起こすために十分な屈折率変化がある。ある場合には、モード結合を制御するために光感受性の空間的な広がりがコアおよび／あるいはクラッド内に抑制される。モード結合の柔軟性をさらに増すために異なる光感受性の材料が使われてもよい。例えば、ファイバの一つの領域がゲルマニウム（Ｇｅ）でドープされ、ファイバの他の領域はリン（Ｐ）でドープされる。グレーティングは２４８ナノメータ（ｎｍ）の露光を用いてＧｅ領域に描かれ、一方Ｐ領域は１９３ｎｍ露光に反応する。
【００３５】
ファイバの長手方向に沿って信号の有効断面積を増大させることに加えて、モード変換器（ＭＣ）は有益なフィルタ効果をもたらす。例えば、光の場が電歪による音響反応を引き起こす時に誘導ブリリャン散乱（ＳＢＳ）が生じるので、音響モードは特定の光モードパターンによって決定される。ファイバに沿うモードパターンを変えることによって、ＳＢＳの成長が乱され、そのためにＳＢＳの閾値を著しく増大させる。
【００３６】
増幅されて自然に生じる放射（ＡＳＥ）、およびラマン散乱のような他の好ましくない影響がＭＣ帯域幅の外側に発生し、変換されずに通過する。このことは、不要な光は信号よりも異なるモードで伝播し、最終の出口ＭＣで排除される可能性があるので好都合である可能性がある。しかし、他のモードが先行の部分より小さい有効断面積を保持し、したがってより低い非線形閾値を有するので、同様に有害である可能性もある。例えば、図２Ｂにおいて、第一の部分から生じるＬＰ０１モードのＡＳＥは信号モードと競い合いながら全ファイバ長を経て伝播していく。
【００３７】
また、これらの他のモードはファイバの異なる空間領域に存在し、強度パターンがゼロであるところのような、信号のパワーが低い局所的な部分から利得を引き出す可能性がある。そのような場合、この光を除去するためにブラッググレーティングの使用など、既知の方法が使われることもある。
【００３８】
図４はモードの安定性と選択するモードの次数との間の相互関係を示すチャートである。ＬＰ０１として示される線は安定性とファイバのＬＰ０１モードの有効断面積との間のトレードオフの関係を示す。大きな有効断面積はたいへん低いｎ０１−ｎ１１の値を生じ、そのためにモード結合が使用できないほどに高くなるので、一般に従来型のＬＭＡファイバによる安定した運用は約８００平方ミクロンメータの有効断面積に限定される。図４に、８００平方ミクロンメータのＬＭＡファイバについての高モード結合の閾値が水平の点線で示される。また、「ＰＣＦ」と記された点が描かれていて、それは２００５年現在での微小構造の光ファイバの最大の有効断面積（約１４００平方ミクロンメータ）を示す。微小構造の光ファイバは大きな差分モード損失を有するように設計され、それはＬＰ１１モードを放射し、それによって出力部で高いモード純度を生じる。したがって、これらのファイバはｎ０１−ｎ１１が極めて低い場合に安定した運用を提供できる。
【００３９】
図４に示されるように、ＨＯＭは有効断面積の実質的な値を決定することを可能にする。ＨＯＭ（ＬＰ０４、ＬＰ０５、ＬＰ０６、およびＬＰ０７）の（ｎ０ｍ−ｎ１ｍで表される）安定性は有効断面積の増加によって低下するが、低下の程度は基底モードに見られる低下よりもはるかに小さい。具体的には、ＨＯＭのｎ０ｍ−ｎ１ｍの値は基底モード（ＬＰ０１）のそれよりも高い大きさのオーダーである。そういうことで、ＨＯＭの作用は、基底モードで達成可能なものよりも顕著に大きな有効断面積において安定し、モード混合のない信号伝播を得るためのＨＯＭの可能性を明示している。加えて、ｎ０ｍ−ｎ１ｍの値が（サブスクリプト「ｍ」で表される）モード次数によって増加し、この概念は本質的に値を決定することが可能であることを示している。
【００４０】
図４はモードＬＰ０４４１０、ＬＰ０５４２０、ＬＰ０６４３０、およびＬＰ０７４４０の実験によって記録された近視野像も示している。図４に示される具体的な実施例において、ＬＰ０４モードは約３２００平方ミクロンメータの有効断面積を有し、ＬＰ０５モードは約２８００平方ミクロンメータの有効断面積を有し、ＬＰ０６モードは約２５００平方ミクロンメータの有効断面積を有し、かつ、ＬＰ０７モードは約２１００平方ミクロンメータの有効断面積を有する。
【００４１】
図５は図４のモード像を得るために使われたいくつかのモードを持つファイバの詳細を示す。特に、図５（ａ）は直径８６ミクロンメータの内側クラッドを有する例示的なファイバの横断面を示す近視野像であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のファイバの屈折率プロファイルを示すチャートであり、図５（ｃ）は図５（ａ）のファイバに沿って伝播するＬＰ０７信号の近視野像を示す図解である。図５（ａ）および５（ｂ）に示されるように、内側のクラッドは図５（ｃ）のＨＯＭが存在するところである。図５（ｄ）は図５（ｃ）の実際の信号のプロファイルを理論上の信号のプロファイルと比較するチャートである。図５（ｄ）に示される実際の信号強度の走査線は理論上の値と極めてよく一致している。モードの有効断面積を計算するためにモード強度のプロファイルが使われ、この具体的な実施例について、シミュレーションに対して２１４０平方ミクロンメータ、かつ実際の実験値に対して２０７５平方ミクロンメータを生じている。ＨＯＭでの伝送は４．５センチメータより小さい曲げ半径で５０メータを越える長さのファイバに沿って安定した伝播を示した。
【００４２】
所望のＨＯＭ信号は、上記の図に示されるように、モード変換器、あるいはＬＰＧによって基底モードの信号から励起される。信号は図５（ｂ）に示されるようにＨＯＭファイバのコアのようなシングルモードファイバ（ＳＭＦ）に結合される。この結合は高いモード純度と、従来の接合技術を用いる低損失によって達成可能である。入射信号はＬＰＧを用いて所望のＬＰ０ｍモードに変換される。ＬＰＧはファイバの屈折率の周期的な微小変動であるので、ＬＰＧの共振性が入射信号を高次モードに効率的に結合する。したがって、ファイバ中を共に伝播する二つのモード間の結合に刻みの長さを適合させるようにＬＰＧが設計されるとき、一つのモードから他のモードに高い効率で結合が生じる。ＬＰＧは相反的な装置であるので、ＨＯＭ信号は基底モード信号をＨＯＭ信号に変換するために使われたものと同じ構造を有するＬＰＧによって基底モードに逆変換される。
【００４３】
例示的な実施例が示され、説明されてきたが、説明された開示に対して数多くの変形、修正あるいは変更がなされてよいことが通常の技術を有する者には明らかであろう。例えば、特定のＨＯＭが図面に示され、詳細に説明されているが、（明確に示されたものに加えて）他の次数のモードがいろいろ他の設計パラメータに順応するために使われるということが理解されるべきである。したがって、それらすべての変形、修正、および変更は開示の範囲内であるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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