(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力放射波長λで放射を伝送するための光ファイバーであって、実質的に透明なコア材料から成り、コア屈折率ｎと長さｌとを有し、少なくとも１０μｍ以上のコア直径を有するコアと、前記長さのコア材料を取り巻くクラッディング領域であって、前記クラッディング領域は第１屈折率を有する実質的に透明な第１クラッディング材料から成り、前記実質的に透明な第１クラッディング材料にはその長さに亘り実質的に周期的な配列の穴がピッチΛの間隔で設けられて、埋封されており、前記穴は第１屈折率よりも小さな第２屈折率を有する、かつΛ／λ比率が１００以下である、クラッディング領域とから成り、前記配列の少なくとも１つ穴が欠けており、これによって前記光ファイバーのコア領域を形成しており、光ファイバーへの放射入力が、コア材料の長さに沿って単一モードの伝播で伝送されるようになっており、かつλが４５８ナノメートルから１５５０ナノメートルの範囲内にあることを特徴とする光ファイバー。
【請求項２】
前記穴が直径ｄを有し、且つピッチΛの間隔で設けられており、更に、光ファイバーは、実質的に固定されたｄ/Λ比率に対し、ピッチΛが何れの値であっても入力放射波長に関わりなく単一モードであることを特徴とする、上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項３】
単一モードの伝播が、４５８ナノメートルから１５００ナノメートルの範囲内の全波長の多モード伝播に対する閾値レベルＶより低いファイバーの有効Ｖ値に起因して達成されることを特徴とする請求項１または２のいずれかの請求項に記載の光ファイバー。
【請求項４】
前記実質的に透明な第１クラッディング材料が、前記コアの屈折率より小さくない屈折率を有することを特徴とする上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項５】
前記コア直径が少なくとも２０μm以上であることを特徴とする、上記請求項４に記載の光ファイバー。
【請求項６】
前記実質的に透明な第１クラッディング材料が実質的に均一な第１屈折率を有することを特徴とする、上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項７】
前記コア材料が実質的に均一なコア屈折率を有することを特徴とする、上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項８】
前記コア材料と前記実質的に透明な第１クラッディング材料が同一であることを特徴とする、上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項９】
前記コア材料と前記実質的に透明な第１クラッディング材料の内少なくとも１つがシリカであることを特徴とする上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項１０】
前記穴の間隔Λがコア直径Ｃの４分の１以上且つコア直径の２分の１以下であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つの請求項に記載の光ファイバー。
【請求項１１】
前記穴の直径がファイバー中を案内されることになる光の波長より小さくないことを特徴とする、上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項１２】
前記穴が真空であることを特徴とする、上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項１３】
前記穴が第２クラッディング材料で充填されていることを特徴とする、上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項１４】
前記第２クラッディング材料が空気であることを特徴とする、上記請求項１３に記載の光ファイバー。
【請求項１５】
前記第２クラッディング材料が液体であることを特徴とする、上記請求項１３に記載の光ファイバー。
【請求項１６】
前記第２クラッディング材料が実質的に透明な材料であることを特徴とする、上記請求項１３に記載の光ファイバー
【請求項１７】
前記実質的に透明なコア材料がドーパント材料を含むことを特徴とする上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項１８】
前記穴が実質的に６角形パターンに配列されていることを特徴とする、上記請求項１に記載の光ファイバー。
【請求項１９】
前記ファイバーが請求項１ないし１８のいずれか１つ請求項に記載のものである単一モードで放射を伝送するシステムにおける光ファイバーの使用方法。
【請求項２０】
信号放射を増幅するためのファイバー増幅器であって、選択された波長の信号放射を受信して、前記入力放射をその長さに沿って送信するための、上記１から５までの請求項の内の何れかに記載のある長さの光ファイバーであって、コア材料がその長さの少なくとも１部に沿ってドーパント材料を含んでいる、そのようなある長さの光ファイバーと、前記ドーピングされたコア材料の部分が、ポンプ放射の動作下で信号放射を増幅するように、前記ある長さの光ファイバーへの入力に向けて選択された異なる波長のポンプ放射を放出するための放射のソースと、前記ある長さの光ファイバー内へポンプ放射を選択的に伝送するための、そしてファイバー増幅器から増幅された信号放射を選択的に出力するための、波長選択伝送手段とから成ることを特徴とするファイバー増幅器。
【請求項２１】
前記波長選択伝送手段が、放射を集束するための入力レンズ及び出力レンズと、ポンプ放射を光ファイバー内へと選択的に反射するための、そしてファイバー増幅器から出力されるべき増幅された信号放射を選択的に伝送するためのダイクロイツクミラーとから成ることを特徴とする、上記請求項２０に記載のファイバー増幅器。
【請求項２２】
前記波長選択伝送手段が、波長依存性応答を有するファイバー方向性結合器から成ることを特徴とする、上記請求項２０に記載のファイバー増幅器。
【請求項２３】
前記ドーパント材料が、希土類イオンから成ることを特徴とする、上記請求項２０から２２の内の何れかに記載のファイバー増幅器。
【請求項２４】
前記希土類イオンが、エルビウムイオンであることを特徴とする、上記請求項２３に記載のファイバー増幅器。
【請求項２５】
レーザー放射を出力するためのファイバーレーザーであって、選択された波長を有するレーザー放射をその長さに沿って選択的に伝送するための上記請求項１から５の内の何れかに記載のある長さの光ファイバーであって、コア材料がその長さの少なくとも１部にドーパント材料を含んでいる、そのようなある長さの光ファイバーと、前記ドーピングされたコア材料の部分が、ポンプ放射の動作下でレーザー放射を増幅するように、前記ある長さの光ファイバーへの入力に向けて選択された異なる波長のポンプ放射を放出するための放射のソースと、前記ある長さの光ファイバー内へポンプ放射を選択的に伝送するための、そしてファイバーレーザーから増幅されたレーザー放射を選択的に出力するための波長選択伝送手段と、前記増幅されたレーザー放射が前記ある長さの光ファイバーに沿い繰り返して通過し、更に増幅されるように、増幅されたレーザー放射の一部を選択的にフィードバックするためのフィードバック手段とから成ることを特徴とするファイバーレーザー。
【請求項２６】
前記ドーパント材料が、希土類イオンから成ることを特徴とする、上記請求項２５に記載のファイバーレーザー。
【請求項２７】
前記希土類イオンがエルビウムであることを特徴とする、上記請求項２６に記載のファイバーレーザー。
【請求項２８】
前記波長選択伝送手段及び前記フィードバック手段が共に２つのダイクロイックミラーから成っており、ダイクロイックミラーのそれそれは光ファイバーの長さに沿って異なる位置に置かれ、ドーピングされたコア材料は２つのダイクロイックミラーそれぞれの位置の間に置かれることを特徴とする、上記請求項２５に記載のファイバーレーザー。
【請求項２９】
前記フィードバック手段及び前記波長選択伝送手段が共に、ドーピングされたコア材料が２個のファイバー格子の間に置かれるように、光ファイバーの長さに沿って２つの位置に形成された２個の格子から成ることを特徴とする、上記請求項２５に記載のファイバーレーザー。
【請求項３０】
前記フィードバック手段が、ドーピングされたコア材料を有するある長さの光ファイバーの一方の端から現れる光を、前記ある長さの光ファイバーのもう一方の端へと方向づけるための手段から成ることを特徴とする、上記請求項２５に記載のファイバーレーザー。
【請求項３１】
単一モードの伝播で放射を伝送するためのシステムであって、ある長さの光ファイバー各々が、前のある長さの光ファイバーから順次入力放射を受信し、後のある長さの光ファイバーへ順次出力放射を送信するように直列的に配置されていて、前記ある長さの光ファイバー各々は、ある長さの光ファイバーにより伝送される放射のパワーを予め設定されたパワー以上に維持するために、ある長さの光ファイバーからの放射出力を増幅するための増幅手段により分離されている、そのような上記請求項１から５の内の何れかに記載の複数のある長さの光ファイバーから成ることを特徴とするシステム。
【請求項３２】
前記増幅手段が、上記請求項２０から２４の内の何れかに記載のファイバー増幅器から成ることを特徴とする、上記請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記ファイバーが有効Ｖ値と有効クラッディング屈折率とを有しており、両者がｄ／Λ比率および入力放射波長λに対して依存性があり、前記ファイバーが入力放射の少なくとも長い波長において単一モードであり、前記ｄ／Λ比率が、前記クラッディングの有効屈折率がＶ値の増大を防止するように増加し、これによって前記入力放射波長がゼロに近づくにつれて入力放射のモード変化を防止するように選択されることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１つの請求項に記載の光ファイバー。
【請求項３４】
所定長さのクラッディングガラス管をスタックしてガラス管の亀甲形配列のガラス管であって、各クラッディングガラス管は、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第２の透明クラッディング材料を取り囲む、第１の屈折率を有する第１の透明クラッディング材料を有しているガラス管をスタックし、
前記クラッディングガラス管の中の１つのコアガラス管であって、実質的に均一であり、前記ファイバーの少なくとも１つのコアを形成するためのコアガラス管を包含し、
ガラス管の前記スタックを最終的なファイバーに延伸させる段階とを備えたことを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１つの請求項に記載の光ファイバーを作製する方法。
【請求項３５】
複数の長さを有する前記請求項１ないし１８のいずれか１つの請求項に記載の光ファイバーを直列に配列し、
直前の長さのファイバーから発する放射が後続の長さのファイバーに入力するように後続の長さのファイバーを接続し、
光ファイバーの長さによって伝送される放射のパワーを所定のパワーを超えるように維持するように後続の長さ光ファイバーの間の信号を増幅する段階を備えた、単一モードでの伝播における放射伝送方法。
【請求項３６】
放射を伝送するための光ファイバーであって、実質的に透明なコア材料から成り、コア屈折率ｎと長さｌとを有し、１０μｍから７５μｍのコア直径を有するコアと、前記長さのコア材料を取り巻くクラッディング領域であって、前記クラッディング領域は第１屈折率を有する実質的に透明な第１クラッディング材料から成り、前記実質的に透明な第１クラッディング材料にはその長さに亘り実質的に周期的な配列の穴が直径dを有し、ピッチΛの間隔で設けられて、埋封されており、前記穴は第１屈折率よりも小さな第２屈折率を有し、前記配列の少なくとも１つ穴が欠けており、これによって前記光ファイバーのコア領域を形成しており、
光ファイバーへの放射入力が、４５８ナノメートルから１５５０ナノメートルの間の波長で、コア材料の長さに沿って単一モードの伝播で伝送されるように前記ｄ／Λ比率が十分に小さくなっていることを特徴とする光ファイバー。
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術的分野
本発明は、従来の手段を使って実現できるものよりも実質的に高いパワーで放射を伝達するのに用いることのできる単一モード光ファイバーに関する。本ファイバーは、これまでの光ファイバーと同じ範囲に対し、より高いパワーで非線形効果又は光学的損傷を被らない。厳密には、本ファイバーは、単一モードファイバーレーザー又は単一モードファイバー増幅器で単一モード導波管として使用できる。
発明の背景
光ファイバーは、ある地点から別の地点へ光を送出するために広く使用され、通信、画像化、センサーの分野に活用されている。通常、典型的な光ファイバーは、長さに沿っては均一であるが、その断面方向に屈折率が変化する透明材料の１本の長い撚線である。例えば、屈折率がより高い中心コア領域は屈折率がより低いクラッディング領域に取り巻かれている。このようなファイバーは石英ガラスから作られており、純シリカのクラッディングが意図的に不純物を混入して屈折率を上げたシリカ製のコアを取り巻いている。光は、コアとクラッディングの間の境界で起きる全内反射の過程によりコア内又はその近くに閉じ込められる。
一般的には、このタイプのファイバーは、伝播がコアに閉じ込められる２つ以上の案内モード（即ち多モードファイバー）をサポートしており、これらのモードは異なる位相速度でファイバーに沿って移動する。しかしながら、コアが著しく小さくされている場合には、たった１個の案内モード、即ち基本モード（例えば単一モードファイバー）の伝播しかコアに閉じ込めない。即ち、ファイバーの発端の条件が変化した場合にも、ファイバー自身が横方向の圧縮や曲げ等の外乱を被る場合にも、ファイバーから出現する光の分配が変化しないということである。通常、波長が１５００nmの単一モード光を搬送するように作られているファイバーは、直径が９μmのコアに数パーセントのゲルマニウムドーパントを含んでいる。
最近では、穴の配列がファイバーの長さに沿って埋封されている透明な材料から作られたクラッディングを含む光子クリスタルファイバー（ＰＦＣ）が開発されている（Ｊ．Ｃ．ナイト他、光学レター２１（１９９６年）１５４７頁、及びエラータによる光学レター２２（１９９７年）４８４頁）。穴は横方向に周期配列で配置され、屈折率がクラッディングの残りの部分の屈折率よりも低い材料が充填されており、ファイバーのコアはクラッディングの周期性を破る透明領域から成っている。通常、コアとクラッディングは共に純石英ガラス製で穴には空気が充満している。コアの直径は大凡５μm、ファイバー全体の平面から平面の幅は４０μmで、穴の間隔は２乃至３μmである。ファイバーの空気穴の直径が、穴間のピッチ又はスペーシングに比べ十分に小さければ、ファイバーのコアは光を単一モードで案内する。
単一モードファイバーは、ファイバーにより搬送される光信号がたった１つのモードで移動し、それにより多モードファイバーで起きるようなひどい散乱という問題を回避できるという理由により、長距離通信、レーザーパワー送出、及び多くのセンサーアプリケーションの分野において、多モードファイバーよりも有利である。更に、所与波長で、光の強さは単一モードファイバーに亘って単一の滑らかで周知の不変分配に従うことが保証される。このことは、光がどのようにファイバーに発射されるかとか、ファイバーが何らかの外乱を受ける（例：時間変化）かとかには無関係である。
多くのアプリケーションでは、例えば何れのファイバーもその中を通過する光を不可避的に減衰させることから、光ファイバーが可能な限り多くの光パワーを搬送できることが有益なことである。例えば、検知感度が一定の場合は、ファイバーに対する放射パワー入力を増大させることにより通信リンクの長さを伸ばすことができる。又、光が従来の光学システムを使うのではなくファイバーを経由して経路付けできるなら、産業上のアプリケーションには、より簡素にすることができる高パワーレーザーシステムが幾つもあるであろう。しかしながら、既知の光ファイバーにより所定時間に搬送できる光の量には限りがある。
屈折率の低いクラッディング領域に囲まれたコア領域から成る従来のファイバーでは、ファイバー内の光の強さが閾値を超えると、ファイバーが作られている材料は最後には取り返しのつかない損害を被ることになる。強さが低い場合、非線形光学プロセスに依存している多くの明暗度が生じて、ファイバーに害は無くても光信号を劣化させるか又は破壊することにもなりかねない。
これらの問題は、ファイバー中のコアの寸法を大きくすることにより、所与パワーに対するファイバー中の光の強さを減じ、それにより非線形プロセスにとっての閾値に達する以前により大きなパワーが搬送されるようにして、緩和することもできる。しかしながら、コアの直径だけを大きくすると、ファイバーは多モードになる。これは、コアとクラッディングの屈折率の差を縮小することにより補償することもできる。しかしながら、その結果、コア全体に亘ってドーピングの均一性を確保することが困難になる。又、屈折率差の小さいファイバーは曲がりで光の損失を受けやすい。従って、コアの寸法を大きくして単一モードファイバーのパワー容量を増加させるにしても、その寸法の範囲には限度がある。
非線形効果の幾つかはコアにドーパントが含まれることにより悪化し、これにより材料がこれらの影響を益々受けやすくなる。より高いパワーでは、ドーピングされたファイバーは、取り返しのつかない損害をより被りやすくなる。ドーパントの存在により、ファイバーはイオン化放射の損害も益々受けやすくなり、これが原子力産業における課題でもある。この課題には、コアを純シリカ製にすることにより立ち向かってきた。全内反射は、クラッディングにドーパントを添加してその屈折率を低減させることにより保持され、クラッディング内で搬送される光がコア内で搬送されるものよりも少なくなるので、より大きなパワーが搬送できる。しかしながら、ドーピングされたクラッディング内を搬送される光も依然存在するという事実により、これにも限界がある。
更に、従来のファーバーでは、高パワーレーザーをファイバーに効率よく連結するには、光が小さなスポットへと集束される必要があり、ファイバーの末端面における強さがコアが大型のものであった場合に比べて大きくなるので、問題が多い。ファイバーの末端面又はその近くに光学上の損傷があれば、その中に発射できる放射のパワーが頻繁に制限を受けることになる（Ｓ．Ｗ．アリソン他、応用光学２４（１９８５年）３１４０頁）。これまでの単一モードファーバーで達成された最大連続波（ｃｗ）パワーは、約１５Ｗでしかない。
発明の概要
本発明は、単一モードの挙動を維持しながら、従来型のファイバーを使って高パワー放射を伝送するという両立しない問題を克服する。厳密には、本ファイバーは、ある地点から別の地点へと放射を送出するための導波管として使用してもよいし、ファイバー増幅器又はファイバーレーザーで使用してもよい。本ファイバーは、最大パワーが１００Ｗ乃至２ｋＷの範囲にある単一モードの放射の伝播をサポートすることができる。更に、コアがドーピングされていなければ、コアは従来型（ドーピングされた）ファイバーに比較して高輝度で取り返しのつかない損傷を被る傾向も低くなる。本ファイバーでは非線形光学プロセスの効果は低減され、ファーバーからの高パワー信号出力は従って劣化を被ることはない。本ファイバーは、小さいビームスポットサイズへと集束する必要も無く、高パワー放射が効率よくファイバー内へと連結される点で有益である。
本発明の１つの態様によれば、放射を伝送するための光ファイバーは、
コア屈折率ｎ、長さｌを有し、コアの直径が少なくとも５μｍである実質的に透明なコア材料からなるコアと、
コア材料の長さを取り巻くクラッディング領域であって、クラッディング領域が第１屈折率を有する実質的に透明な第１クラッディング材料から成り、実質的に透明な第１クラッディング材料にはその長さに亘り実質的に周期的な配列の穴が埋封されており、その穴は第１屈折率よりも小さな第２屈折率を有する、そのようなクラッディング領域とから成っているので、
光ファイバーへの放射入力が、コア材料の長さに沿って単一モードの伝播で伝送される。
穴の直径がｄで、ピッチΛだけ間隔が離れているとすれば、ｄ／Λは実質的に固定比率なので、光ファイバーは、ピッチΛが如何なる値であっても入力放射波長と関係なく単一モードとなる。本発明は、従って、従来型ファイバーを使って実現できるであろうものに比較して、拡大された波長範囲に亘る何れの波長に対しても、ファイバーを単一モードにすることができるという利点を提供する。これは、拡大された範囲の何れの波長に対しても、ファイバーは固定比率ｄ／Ａに対する単一モードであり続けるからである。
実質的に透明な第１クラッディング材料は、コアの屈折率より小さくない屈折率を有することが望ましい。ある好ましい実施例では、コア直径は、少なくとも１０μmである。更に別の好ましい実施例では、コアの直径は少なくとも２０μmである。
本発明のある実施例では、配列中の少なくとも１個の穴が無く、それが光ファイバーのコアを形成するようになっている。穴は概ね六角形に配列されている。
穴は、真空領域であってもよいし、又は第２のクラッディング材料を充填していてもよい。例えば、第２クラッディング材料は、実質的に透明なら何れの材料でもよく、空気や他の気体（例：水素や炭化水素）、液体（例：水、他の水溶液、又は着色液）、又は固体（例：第１クラッディング材料とは屈折率の異なるガラス材料）であってもよい。
実質的に透明な第１クラッディング材料は実質的に均一な第１屈折率を有し、コア材料は実質的に均一なコア屈折率を有している。コア材料と実質的に透明な第１クラッディング材料は、同一材料でもかまわない。例えば、コア材料と実質的に透明な第１クラッディング材料の内の少なくともどちらか一方はシリカであってよい。穴の直径は、ファイバー中を案内される光の波長以上であることが望ましい。
本発明のある実施例では、実質的に透明なコア材料は、例えばエルビウムのような希土類イオンであるドーパント材料を含んでもよい。
本発明の第２の態様によれば、信号の放射を増幅するためのファイバー増幅器は、
選択された波長の信号放射を受信して前記信号放射をその長さに沿って送信するためのここに述べるある長さの光ファイバーであって、コア材料がその長さの少なくとも１部に沿ってドーパント材料を含んでいる、そのようなある長さの光ファイバーと、
前記ドーピングされたコア材料の部分が、ポンプ放射の動作下で信号放射を増幅するように、当該長さの光ファイバーへの入力に向けて選択された異なる波長のポンプ放射を放出するための放射のソースと、
当該長さの光ファイバーへとポンプ放射を選択的に送信するための、そしてファイバー増幅器から増幅された信号放射を選択的に出力するための、波長選択伝送手段とから成る。
例えば、波長選択伝送手段は、放射を集束するための入力レンズ及び出力レンズと、ポンプ放射を光ファイバー内へと選択的に反射するための、そしてファイバー増幅器から出力されるべき増幅された入力放射を選択的に送信するためのダイクロイックミラーとから成っている。別の例では、波長選択伝送手段は、波長依存性応答を有するファイバー方向性結合器から成っている。
ドーパント材料は、エルビウムイオンのような希土類イオンから成っていてもよい。
本発明の他の態様によれば、レーザー放射を出力するためのファイバーレーザーは、
選択された波長を有するレーザー放射をその長さに沿って選択的に送信するためのここに述べるある長さの光ファイバーであって、コア材料がその長さの少なくとも１部にドーパント材料を含んでいる、そのようなある長さの光ファイバーと、
前記ドーピングされたコア材料がポンプ放射の動作下で信号放射を増幅するように、当該長さの光ファイバーへの入力に向けて選択された異なる波長のポンプ放射を放出するための放射のソースと、
当該長さの光ファイバーへとポンプ放射を選択的に送信するための、そしてファイバーレーザーから増幅された信号放射を選択的に出力するための、波長選択伝送手段と、
前記増幅されたレーザー放射が光ファイバーの長さに沿って繰り返して通過して更に増幅されるように、増幅されたレーザー放射の一部を選択的にフィードバックするためのフィードバック手段とから成っている。
ドーパント材料は、エルビウムイオンのような希土類イオンから成っていてもよい。
ファイバーレーザーのある実施例では、波長選択伝送手段並びにフィードバック手段は共に２枚のダイクロイックミラーから成っていてもよく、それぞれのダイクロイックミラーは光ファイバーの長さに沿って異なる位置に置かれ、ドーピングされたコア材料は２枚のダイクロイックミラーの位置と位置の間に置かれている。
ファイバーレーザーの代わりの実施例では、フィードバック手段と波長選択伝送手段は共に、ドーピングされたコア材料が２個のファイバー格子の間に置かれるように、光ファイバーの長さに沿って異なる２つの位置に形成された２個のファイバー格子から成っている。
本発明のこの態様の別の実施例では、ファイバーレーザーはリング共振器ファイバーレーザーであってもよく、その場合フィードバック手段は、
ドーピングされたコア材料を有する光ファイバーの長さの一方の端から現れる光を、光ファイバーの長さのもう一方側の端へと方向決めするための手段から成っている。
本発明の別の態様によれば、単一モードの伝播で放射を伝送するためのシステムは、
ある長さの光ファイバーそれぞれが、前のある長さの光ファイバーから入力放射を順次受信し、後に続くある長さの光ファイバーに出力放射を順次送信するように連続して配置されており、各長さは、ある長さの光ファイバーにより送信される放射のパワーが予め設定されたパワー以上に維持されるように、ある長さの光ファイバーからの放射出力を増幅するための増幅手段により分離されている、そのようなここに述べる複数のある長さの光ファイバーから成る。
ある好ましい実施例では、増幅手段は、ここに述べるようなファイバー増幅器から成っている。
【図面の簡単な説明】
本発明につき、これより以下の図面を参照しながら説明するが、それは例示のためのみである。
図１は、従来型ステップインデックス光ファイバーの概略図である。
図２ａと２ｂは、光子クリスタルファイバーの概略図である。
図３は、比較的大きな光子クリスタルファイバーコアへと放射を結合することの利点を示す。
図４は、大型コア光子クリスタルファイバー増幅器を示す。
図５は、図６に示す大型コア光子クリスタルファイバー増幅器に使用される波長選択連結器装置を示す。
図６及び７は、大型コア光子クリスタルファイバーから成るファイバーレーザーの構成を示す。
図８は、大型コア光子クリスタルファイバーを作るために使用されるスタックアンドドロー加工を示す。
図９は、本発明の、切り開かれ大型コア光子クリスタルファイバーの末端面の中央領域のＳＥＭ画像を示す。
図１０は図９に示す光子クリスタルファイバーの出力の近傍パターンを示す。
図１１は光子クリスタルファイバーの末端面の近傍分配プロットを示す。
図１２は光子クリスタルファイバーに関する有効Ｖ値を示す。
発明の詳細な説明
図１に関して、従来からのステップインデックスファイバー１は、均一な屈折率n2-を有するクラッディング材料３により取り巻かれた、均一な屈折率n1と半径ｒを有する円形コア２から成る。波長λの光に関しステップインデックスファイバー１がサポートする案内モードの数はＶ値により決まり、ここにＶは、
0004593695.tif 000002
により与えられる。
ファイバーは、Ｖが２．４０５より小さいときにのみ単一モードである。従って通常、単一モードファイバーは、Ｖが２．４０５よりも小さくなるように操作される。
図１に示すような従来型ステップインデックス光ファイバーでは、ファイバーが作られる材料は、ファイバーに沿って伝播する光の強さが閾値を超える場合、最終的には取り返しのつかない損害を被ることになろう。光の強さが低い場合には、多くの非線形光学プロセスが起きて、光信号を劣化させたり更には破壊する場合もある。これらの問題は、ファイバー１のコア２の寸法を大きくすることにより緩和されるが、コアの半径だけを大きくすれば、ファイバーは多モードになる。従ってこれを補償するために、コア２とクラッディング３の間の屈折率の差も同時に縮小せねばならない。
コア２とクラッディング３の屈折率は、材料にドーパントを添加することにより制御できる。その結果、しかしながら、コア領域２に亘ってドーピングの均一性を確保することが困難になる。更には、屈折率の差が小さいファイバーは曲がりで光の損失を受けやすい。従って、ファイバーが伝送できる放射のパワー又はファイバーのパワー容量を増加させるためにコアの寸法を増大させるにしても、その寸法の範囲には限度がある。図２（ａ）は、従来のファイバーに付随するパワー容量問題を克服する本発明の光ファイバー４を示す。光ファイバー４は、実質的に透明な第１クラッディング材料５から成り、ファイバーの長さｌに亘り穴６の配列が埋封されている。穴６は横方向に周期的な配列で配置されていて、第１クラッディング材料よりも小さな屈折率を有する第２の材料が充填されていてもよい。この第２の材料は、固体、液体、又は気体材料でもよいし、代わりに穴は空（即ち真空）にされていてもよい。例えば，コア材料７及び第１クラッディング材料５は純シリカ製で、穴６には空気が充満していてもよい。
ファイバー断面の実質的に中心には、穴６の配列の周期性を破る実質的に透明な材料のコア領域７がある。例えば、配列の中央穴を無くして、無くなった穴の場所又はその場所の周りの第１クラッディング材料がファイバー４のコア７を形成するようにする。ファイバーのコアは、図２（ｂ）に示すように直径ｃを有する。本説明の目的上、ファイバーのコア直径ｃは、実質的にコアに隣接する１つの穴の中心と、直径上反対側でコアに隣接する穴の中心との間の距離にとる。
穴の配列は（例えば図２（ａ）に示すような）６角形型パターンを形成しているが、他の穴パターンも考えられる。
従来の光子クリスタルファイバーでは、ファイバーの外側幅ｗは、４０μm程度であり、穴の中心間距離（ピッチΛ）は大凡２μmである。固体コア領域は通常、例えば遠距離通信に使用される従来の単一モードファイバー（図１参照）のコアの直径より小さい４μmの直径を有する。しかしながら、この寸法の光子クリスタルファイバーは、通常パワーが１０乃至２０Ｗの放射しか伝送できない。従って、このようなファイバーは、出力パワーが少なくとも１ｋＷにはなる、高パワーのレーザーシステムで使用するには向いていない。
本発明の第２の態様によれば、ある地点から別の地点へ放射を送出するための単一モード光ファイバーは、図２に示すような、コア７の直径が少なくとも５μm、望ましくは少なくとも１０μmである光子クリスタルファイバーから成る。光子クリスタルファイバーのコア直径を大きくすると、伝送できるパワーの量が増える結果となり、コアの直径は、ファイバーの具体的な用途次第であるが、更に大きい、例えば２０−５０μmの範囲にあることが望ましい。本明細書の目的に照らし、中心が少なくとも５μmの中央コア７を有する光子クリスタルファイバーを、「大型コア光子クリスタルファイバー」と称することにする。
更には、大型コア光子クリスタルファイバーは、単一モードで放射を伝播することが可能である。従って、本ファイバーは大型のコア寸法により、従来型の光ファイバーを使ってこれまでに実現できたものより高いパワーの放射を、単一モードの伝播で伝送するために使用することができる。
コア直径が５０μmである大型コア光子クリスタルファイバーは、パワーが大凡２ｋＷの連続波放射をサポート可能である。これは、従来のファイバーで達成された最も良好な実験結果を挿入することにより得られる値に相当する。図１に示すような従来のシリカステップインデックスファイバーでは、永久的な損傷が始まる前に伝送できる放射の最大連続波強さは１００ＭＷcm-2である（Ｗ．ルーシー、光工学３４（１９９５年）２３６１−２３６４頁）。１２μmのコア直径に対し、この値は唯の１００Ｗ程度の理論最大パワーにしか相当しない。しかしながら実用上は、理論最大パワーは放射がファイバーに結合されるときに損失が起きることにより著しく減少し、実際には従来の単一モードファイバーで達成された最大連続波（ｃｍ）パワーは約１５Ｗに過ぎない。
大型コア光子クリスタルファイバーの更に別の利点は、放射をファイバーに結合することがより容易に実現できる点である。図３（ａ）と３（ｂ）は、１例としてレーザー放射８が（ａ）比較的小さなコアを有する従来型光子クリスタルファイバー及び（ｂ）大型コア光子クリスタルファイバーへレンズ又はレンズ装置９という手段により入力される状態の概略図を示す。図３（ｂ）に関しては、大型コア光子クリスタルファイバー７のコアがレーザー放射の光線の直径に匹敵するようであれば、レンズ９を使用しなくとも放射８をファイバーに入力できる。
単一モード大型コア光子クリスタルファイバーは、産業分野で使用される高パワーレーザーシステムに用途があり、例えば、加工される材料に高パワーレーザー放射を照射する必要があるレーザー加工等に応用される。レーザー光線の方向を変えるためにレーザーを動かすのは不便で実用的ではないので、レーザー放射を所定の方向へ案内するために従来の光学器が使用されている。大型コア光子クリスタルファイバーは、複雑で嵩張る光学器を必要とせずに、高パワーレーザー放射を案内することができる。
大型コア光子クリスタルファイバーは通信にも応用できる。これまでは、（図１に示すような）ある地点から別の地点へと放射を送出するのにある長さの従来の光ファイバーが使用されている。放射の強さはファイバーに沿って伝送されるにつれ減衰するので、ファイバー増幅器又は中継器をファイバーの長さに沿う様々な地点に用いて伝送される放射のパワーを周期的に強めている。このような機器は、光ファイバーリンクのあるセクションから現れる弱い信号（即ちパワーが低くなった信号）を検知して、それを増幅し、この増幅された信号をリンクの次のセクションへ送る。ファイバーがサポートできるパワーが大きいほど、増幅が必要となる前に信号は光ファイバを通ってより遠くまで移動できる。このように、ファイバーが搬送できる最大パワーにより中継器の間隔が決まる。しかしながらファーバーが搬送できる最大パワーは、信号を劣化させることもある強さ依存性の非線形光学効果により制限を受ける。コア区域が大きければ、所与の強さに対してパワーを増加させることができる。単一モードの伝播を依然実現させながら最大ファイバーコア区域を使用できるので、これにより中継器の間隔を最低限にとどめることができる。
所与の検出性能基準に対し、標準的なファイバー用の中継器の間隔は３０kmである（Ｏ．オードウィン他、ＩＥＥＥ光子技術レター（１９９５年）１３６３−１３６５頁）。大型コア光子クリスタルファイバーを放射伝送に使い、ファイバーコアの直径を大凡５０μmにすれば、（光子クリスタルファイバーと従来型ファイバーのパワーは同等と仮定した場合）中継器の間隔が１６０ｋｍまで広がっても十分である。このように、光子クリスタルファイバーを使用すれば、より好都合により少ない費用で光信号の伝送がより長い距離に亘って実現できる。又、大型コア光子クリスタルファイバーにより、ファイバーリンクは中継器の必要無しに、従来型技術が使われる場合は中継器が必要となるであろう距離に亘って利用できるようになる。
図４に関してであるが、大型コア光子クリスタルファイバーは増幅器システム中にも使用できる。大型コア光子クリスタル増幅器は通常、エルビウムのような少量のドーパント材料でドーピングされたコア（図示せず）を有するある長さのファイバー４から成る。本ファイバー増幅器は、波長選択連結器（ＷＳＣ）１２及びポンプ放射１４を放つためのポンプ放射ソース１３も含んでいる。ポンプ放射１４は、入力放射１０の波長に比較して短い波長を有し、ＷＳＣ１２を介してある長さのファイバー４の一方の末端部に投入される。放射ソース１１又は前のある長さの光ファイバーからの入力信号放射１０は、ある長さのファイバー４へ反対側の末端部で入力される。
ＷＳＣ１２の目的は、別の波長（即ち入力放射波長）の放射をわきへ逸らせることなく、ある波長（即ちポンプ波長）の放射を挿入することである。従ってポンプ放射１４は、ファイバー４から何れの信号放射１０をも取り出すことなく、信号放射１０と同じファイバー４に沿って入力することが可能である。ポンプ放射１４はファイバー４のコア内のドーパントイオンを励起するので、入力放射１０の波長がより長い場合にゲインを提供する。従って、入力放射１０は増幅される。波長選択連結器１２は、長波長の入力放射を選択的に伝送し、こうして増幅された出力信号１６を生成する。この出力信号１６は、ある長さのファイバー１５を通って出力される。
商業的に入手できる波長選択連結器は、通常、ある長さの入力ファイバーと出力ファイバーとから成り、その内入力ファイバーは（図１にあるような）従来からのドーピングされたファイバーである。図４の大型コア光子クリスタルファイバー増幅器では、信号がＷＳＣ１２へ入力されたりそこから出力される度に強度が失われるのを回避するために、システム内には大型コア光子クリスタルファイバーしか含んでいないことが望ましい。
ＷＳＣ１２はヒューズカプラのような前部がファイバーの装置でもよいし、波長依存性応答を有するなら何れのファイバー方向性結合器でもよい。代わりに、図５に、波長選択連結器として使用できる光学装置１７の１例を示す。例えば、光学装置は、入力出力レンズ１８ａ及び１８ｂ各々と、ダイクロイックミラー１９とから成る。ミラー１９は、ポンプ放射１４を入力レンズ１８ａに向けて反射して入力信号放射１０を伝送するように角度を付けられている。
（図１に示すような）ステップインデックス光ファイバーから成り、コア直径が２０μmで、１nsパルス長のパルス放射を伝送する従来技術の限界を代表するファイバーでは、１００ｋＷのピークパワーが実現されている（Ｐ．ノーチ他、光ファイバー通信に関する会議（１９９５年）議事録２６０−２６１頁）。ファイバー４が大凡５０μmのコア直径を有する、図４に示す光子クリスタルファイバー増幅器を使用すると、１nsのパルスと少なくとも６００ｋＷのピークパワーを有するパルス放射を伝送することができる。
大型コア光子クリスタルファイバーは、他にもファイバーレーザーに活用できる。大型コア光子クリスタルファイバーを使用できるファイバーレーザー装置の構成は他にもたくさんあるが、ファイバーレーザーの利用できる構成２例を図６及び図７に示す。例えば、大型コア光子クリスタルファイバーは、リング共鳴器ファイバーレーザーに使用でき、その場合は、ファイバーの両端は結合されて、レーザー放射がファイバーの「リング」を回って伝送され、継続的に増幅されることになる。
図６に関してであるが、高パワー放射を出力可能なファイバーレーザーは、コア領域（図示せず）にエルビウムのような少量のドーパントを有するある長さの大型コア光子クリスタルファイバー４から成っている。ファイバーレーザーはまた、２枚のダイクロイックミラー、即ち入力ミラー２２と出力ミラー２３をファイバー４のどちらかの端に含んでいる。ポンプ放射２５（例：レーザー）のソースからの放射２４は、入力ミラー２２を介して入力される。これは、ファイバーのコア中にエルビウムイオンを励起させることにより、ミラー２２、２３の間のドーピングされたファイバー領域４にゲインを作り出す。励起されたエルビウムイオンからの自発性発光は、ファイバー４内に、ポンプ放射２４よりも波長の長い少量の信号放射を生成する（ファイバー内には図示せず）。この信号放射は、ファイバーに沿って行ったり来たりする度にミラー２２、２３により反射されて増幅される。
典型的には、ダイクロイックミラー２２は、ポンプ放射２４を伝送する一方で信号放射の大凡９９％を反射するように設計され、出力用ダイクロイックミラー２３は、レーザー放射の大凡８０％を反射するように設計される。従って、信号放射が出力ミラー２３により反射される都度、フラクションも出力信号２５として出現する。
ファイバーレーザーは、従来どおりに次のある長さの光ファイバーに容易に連結できるファイバーの形態でレーザー放射のソースを提供できるので使い易い。大型コア光子クリスタルファイバーの高パワー能力により、従来型の光ファイバーを使ったものよりもより強力なファイバーレーザー出力が実現できる。
図７にはファイバーレーザーの代わりの構成を示しており、ダイクロイックミラー（図８）の機能を有するファイバー格子２６から成っている。この構成は全てがファイバーの装置であるという利点を有している。大型コア光子クリスタルファイバーを含むファイバーレーザーには多くの構成があり、このような装置におけるファイバー利用が図示する２例に限定されるとは意図していない。別の例では、大型コア光子クリスタルファイバーがリング共鳴器ファイバーレーザーに使われ、そこでは大型コア光子クリスタルファイバーの一端はもう一端に連結され、レーザー放射が継続して大型コア光子クリスタルファイバーの「リング」を巡り、継続的に増幅されるようになっている。
大型コア光子クリスタルファイバー４は、通常図８に示すように、石英ガラスの棒から、反復スタック・アンド・ドロー加工を使って作られる（Ｊ．Ｃ．ナイト他、光学レター２１（１９９６年）１５４７頁、及びエラータ、光学レター２２（１９９７年）４８４頁）。図８（ａ）は、石英ガラス２７の円筒形の棒を示しており、その穴６（図８（ｂ））は棒８の長さに沿って中心に開けられている。その穴から規則正しい距離で棒の外側に６面の平面部が切出されて、棒２７を中央穴６周りに６角形の断面を持ったものにしている。棒２７は、ファイバードローイングタワーを使ってガラス管２８へと延伸成形され、ガラス管２８は所要の長さに切断される。ガラス管２８はここでスタックされ、図８（ｃ）に示すように亀甲形配列のガラス管が形成され、これがファイバー４を形成する。配列の中央にあるガラス管は中心を通して開けた穴を有しておらず、ファイバー４のコア７を形成する。スタックが完了したガラス管は、ここで、ファイバードローイングタワーを使って最終的なファイバーへと延伸成形される。
代わりの製作技術も使用でき、例えば、円筒形のシリカ細管が利用できれば、これらを基本のファイバー要素として使ってもよい（即ち、既にガラス管２８の形になっている細管）。これにより、先に述べたスタック・アンド・ドロー加工の穴あけ段階や切出し段階の手間が省ける。
ファイバー４は、実質的に透明で（図８（ｂ）に示すような）ファイバーへと延伸可能な第１クラッディング材料から成る。コア材料は、実質的に透明であれば何れの材料でもよく、必ずしも第１クラッディング材料と同一である必要はない。第１クラッディング材料の屈折率は、コア材料の屈折率以下ではないことが望ましい。
穴６は空即ち真空でもよいし、或いは何かの材料、即ち第１クラッディング材料よりも屈折率が低くファイバーへと延伸可能な第２クラッディング材料か、又は穴が既に小さな寸法に延伸成形されている場合はその中に挿入できるような何れかの材料が充填されていてもよい。例えば、穴は空気や他の気体（例：水素、炭化水素）、固体（例：第１クラッディング材料と異なる屈折率を有する異なるガラス材料）、又は液体（例：水、水溶液、着色液）で満たされていてもよい。穴内の第２クラッディング材料は、必ずしも透明である必要はない。本説明より明らかなように、「穴」という語句は、第１クラッディング材料内の欠如領域という意味に限定されるものではない。
ファイバー内の空気穴の直径が穴と穴の間のピッチ若しくは間隔に比べ十分に小さければ、ファイバーのコアは単一モードで光を案内する。空気穴の直径は、ファイバー中を案内される光の波長よりも小さいことが望ましい。穴と穴の間隔はコア直径の４分の１以上且つコア直径の２分の１以下であることが望ましい。穴と穴との間隔は、通常、コア直径の大凡２分の１である。
第１クラッディング材料及びコアは均一の屈折率を有していてもよいし、異なる屈折率を有してもよい。例えば、配列の中央穴を欠いたり、他の穴より小さく或いは大きくするだけでなく、他の穴もまた無くしたり異なる材料を充填したりしてもよい。コア７も又、図６及び図７に示すファイバーレーザーでのように、例えばエルビウム又は他の希土類要素等のドーパント材料でドーピングしてもよい。
図９は、切り開かれたＰＣＦの末端面の中央領域のＳＥＭ画像を示す。中央穴は無く、直径２２μmのコアは最も内側の6穴により境界が定められる状態になっている。ファイバーは、幅１８０μmで相対穴寸法ｄ／Λは０．１２である。図１０は、波長４５８μmの入射光用の、図９に示す大型コアＰＣＦの出力における近傍パターンを示す。画像はパターンの中央部で飽和しており、端では特徴が弱くなっているのが分かる。パターンの周囲は凹状で、ここが最も内側の６個の空気穴と接触している所である。
波長４５８μmの光がファイバー内に発射され、クラッディングモードを取り除くため屈折率を合わせる液が構造に適用された。発射条件が替えられる都度、出力が観察された。多モードは近傍パターン中に励起されず、図５に示すようなＰＣＦの出力は影響を受けなかった。コア直径が入射光の波長の５０倍であっても、ファイバーは単一モードのままであった。この結果を１５５０nmの波長に縮尺合わせすると、コア直径が７５μmの同じＰＣＦでも単一モードとなる。
本発明の大型コア光子クリスタルファイバーの挙動は、異なる波長でのクラッディング５の有効屈折率ｎ2の点から理解できる。図１１（ａ）及び１１（ｂ）は光子クリスタルファイバー４の末端面２８の近傍分配プロットを示しており、コア材料７と第１クラッディング材料はシリカであり、穴６には空気が満ちている。
図１１（ｂ）に関してであるが、長い波長（例：１５００nm）では、ファイバー４を通る光伝播は、穴の配列を十分に映し出さない（図３（ｂ）参照）ので、光の相当部分は空気穴６を伝播する。例えばシリカ及び空気のようなクラッディング材料５の有効屈折率は、従って純シリカの屈折率ｎ1（即ち、コア７の屈折率）対して小さくなる。図１１（ａ）に関してであるが、ファイバー４に沿って伝播する短い波長（例：６００nm）の光は、穴６の配列を明瞭に映し出し、穴を通り抜けて伝播することから実質的に除外されている。コア７を取り囲むシリカクラッディング５の有効屈折率ｎ2は、従って純シリカの屈折率（即ち、コア７の屈折率）ｎ1により近い。
従って、数式１に戻るが、ファイバー４を通り抜けて伝播する光の波長が小さくなるほど、波長λへの明示的依存に基づいてＶ値は大きくなる。この増加は少なくとも部分的には因数
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を小さくすることにより補償され、ここにｎ1とｎ2は、それぞれ、シリカクラッディングの有効屈折率と（コア７の）純シリカの屈折率である。これは、Ｖ値を波長にあまり依存しないものにするので、Ｖがその構造にとっての多モード案内に対する閾値未満になりうる波長範囲を拡大させる。
Ｖの波長依存性は、小さくなるだけでなく、短い波長に限れば実際に完全に除外される。これについては図１２に示しており、穴のピッチΛの波長λに対する比率の変化に対するファイバーの有効Ｖ値（Ｖeff）のグラフを示す。各曲線は穴６の直径ｄのピッチΛに対する所与の比率に対応している。Ｖeff−ｄ/Λ曲線は、先ずクラッディング材料５の有効屈折率ｎ1を計算し、次に数式１からＶeffを計算することにより算出される。計算は、コア７の半径がピッチΛに等しいものと見なしている。
図１２は、ｄ/Λの各比率に対し、比率Λ/λが無限大に近づくにつれ、Ｖは上がある値に制限されることを示している。この挙動は、ｒ/λが無限大になるに従ってＶも無限大になるという、従来型ステップインデックスファイバーの挙動と対照的である。従来型ステップインデックスファイバーと違い、大型コア光子クリスタルファイバーは、従って、何れのスケールの構造にとっても単一モードとなるように作られている。従ってこのファイバーは、ｄを穴６の直径としてｄ/Λの比率を固定すれば、何れのピッチΛの値に対しても単一モードとなる。
大型コア光子クリスタルファイバーはその特性により、高パワー通信リンク、高パワーファイバー増幅器、及び高パワーファイバーレーザーとしての使用を始めとする幾つかのアプリケーションでの使用に適したものとなる。ファイバーは又、例えばレーザー加工等の産業上のアプリケーション及び医療上のアプリケーションに向け大きな光学パワーを送出するために使用することもできる。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２】
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