(57)【要約】光ファイバ等の導波路において、第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光から分離するための装置と方法について述べた。λ１＜λ２である。本装置は、低屈折率クラッド（１６）によって囲まれたコア（１２）を有し、低屈折率クラッド（１６）は第２のクラッド（１８）によって囲まれている。コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、コア、低屈折率クラッド、第２のクラッドの屈折率は、λ１＜λｃ＜λ２である基本モードカットオフ波長λｃを生成し、第２の波長λ２で高損失を生成すべく選択される。本装置は、フィルタ、増幅器、レーザ、又は、非線形光スイッチとして使用され得る。
2004529494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光から分離するための装置で、λ１＜λ２であって、
ａ）コア断面と屈折率ｎ０とを有し、かつ、第１の波長λ１で第１の利得を有する光学活性材料を含むコアと、
ｂ）前記コアを囲み、かつ、低屈折率クラッド断面および屈折率ｎ１を有する低屈折率クラッドと、
ｃ）前記低屈折率クラッドを囲み、かつ、第２のクラッドの断面および屈折率ｎ２を有する第２のクラッドと、
からなり、
前記コア断面、低屈折率クラッド断面および第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、λ１＜λｃ＜λ２である基本モードカットオフ波長λｃを生成すべく選択される装置。
【請求項２】
前記コア断面、低屈折率クラッド断面および第２のクラッドの断面が円筒形の対称性を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コア断面、低屈折率クラッド断面および第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも１００ｄＢ／ｍの損失を発生すべく選択される請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コア断面、低屈折率クラッド断面および第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも４００ｄＢ／ｍの損失であるべく選択される請求項３に記載の装置。
【請求項５】
【数１】
2004529494.tif 000024
である請求項１に記載の装置。
【請求項６】
【数２】
2004529494.tif 000025
である請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記コア断面が半径ｒ０を有し、前記低屈折率クラッド断面が外部半径ｒ１を有し、
【数３】
2004529494.tif 000026
である請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光学活性材料が第２の波長λ２で第２の利得を有し、該第２の利得は励起されたラマン散乱による請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記光学活性材料が、第１の波長λ１で第１の利得を有する利得媒体であって、前記装置は更に、該第１の波長λ１で放射するレーザ等の、該利得媒体への光フィードバックを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記コアは前記第２の波長λ２で第２の利得を生成し、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも該第２の利得と同等の損失を発生すべく選択される請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記コアは前記第２の波長λ２で第２の利得を生成し、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも１００ｄＢ／ｍの損失を発生すべく選択される請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記光学活性材料が前記第１の波長λ１で光を増幅するための利得媒体であって、従って、光増幅器を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コアは前記第２の波長λ２で第２の利得を有し、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも該第２の利得と同等の損失を発生すべく選択される請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記コアは前記第２の波長λ２で第２の利得を有し、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも１００ｄＢ／ｍの損失を発生すべく選択される請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記光学活性材料が非線形光学材料からなる請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記光学活性材料が、前記第１の波長λ１で利得を生成するために、ネオジミウム、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、およびホルミウムのうちの少なくとも１つの希土類元素からなる請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記光学活性材料がエルビウムからなる光増幅器であって、前記カットオフ波長λｃが１５２５ｎｍと１５３０ｎｍの間にある請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記コアが、前記第２の波長λ２で光を発生する光学活性材料を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２のクラッドを囲む外側クラッドと、該第２のクラッドに光学的に結合される励起源とを更に含む請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、および第２のクラッドの各断面の平均値である請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記コアは、前記第２の波長λ２で第２の利得を有し、第３の波長λ３で第３の利得を有し、かつ、λｃ＜λ３である、前記光学活性材料を含む請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記第２の利得は、前記第２の波長λ２で前記光学活性材料の励起放射によって生成さ
れ、前記第３の利得は前記第１の波長λ１の光の励起ラマン散乱による請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１の波長λ１の光が、第１の偏光と、同第１の偏光と直角な第２の偏光とからなり、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２の少なくとも１つが、該第１の偏光ではλ１＜λｃ、該第２の偏光ではλ１＞λｃとなるべく更に調整される請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記コア、低屈折率クラッド、および外側のクラッドが、偏光維持ファイバからなる請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記コア断面が楕円形である請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光から分離するための方法で、λ１＜λ２であって、
ａ）コア断面と屈折率ｎ０とを有し、かつ、第１の波長λ１で第１の利得を有する光学活性材料を含むコアを作製する工程と、
ｂ）前記コアを囲み、かつ、低屈折率クラッド断面および屈折率ｎ１を有する低屈折率クラッドを作製する工程と、
ｃ）前記低屈折率クラッドを囲み、かつ、第２のクラッドの断面および屈折率ｎ２を有する第２のクラッドを作製する工程と、
ｄ）前記コア断面、低屈折率クラッド断面および第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２が、λ１＜λｃ＜λ２である基本モードカットオフ波長λｃを前記コア中に生成すべく選択される工程と、からなる方法。
【請求項２７】
前記コア断面、低屈折率クラッド断面および第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２を選択する工程が、前記第２の波長λ２での損失が少なくとも１００ｄＢ／ｍになるべく行われる工程である請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記コア断面、低屈折率クラッド断面および第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２を選択する工程が、前記第２の波長λ２での損失が少なくとも４００ｄＢ／ｍになるべく行われる工程である請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２が
【数１】
2004529494.tif 000027
になるべく選択される請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
【数２】
2004529494.tif 000028
である請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記コア断面が半径ｒ０を有し、前記低屈折率クラッド断面が外部半径ｒ１を有し、前記屈折率が
【数３】
2004529494.tif 000029
になるべく選択される請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記光学活性材料が第２の波長λ２で第２の利得を有し、該第２の利得は励起されたラマン散乱による請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記コアが前記波長λ１で放射すべく、第１の波長λ１で第１の利得を有する利得媒体である前記光学活性材料に光フィードバックが行われる請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
前記コアは前記第２の波長λ２で第２の利得を生成し、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも該第２の利得と同等の損失を発生すべく選択される請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記コアは前記第２の波長λ２で第２の利得を有し、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも１００ｄＢ／ｍの損失を発生すべく選択される請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記光学活性材料が前記第１の波長λ１で光を増幅する請求項２６に記載の方法。
【請求項３７】
前記コアは前記第２の波長λ２で第２の利得を生成し、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも該第２の利得と同等の損失を発生すべく選択される請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記コアは前記第２の波長λ２で第２の利得を有し、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２は、前記第２の波長λ２で少なくとも１００ｄＢ／ｍの損失を発生すべく選択される請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の波長λ１の光が、第１の偏光と、同第１の偏光と直角な第２の偏光とからなり、前記コア断面、低屈折率クラッド断面、第２のクラッドの断面、および、前記屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２の少なくとも１つが、該第１の偏光ではλ１＜λｃ、該第２の偏光ではλ１＞λｃとなるべく更に調整される請求項２６に記載の方法。
【請求項４０】
更に、前記コアと前記低屈折率クラッドとの少なくとも１つに応力を印加することからなる請求項２６に記載の方法。
【請求項４１】
前記光学活性材料がシリカからなる請求項１に記載の装置。
【請求項４２】
前記光学活性材料がネオジミウムからなり、前記第１の波長λ１は約９１４ｎｍで、前記第２の波長λ２は約１０５０ｎｍである請求項１６に記載の装置。
【請求項４３】
前記光学活性材料がイッテルビウムからなり、前記第１の波長λ１は約９８０ｎｍで、前記第２の波長λ２は約１０５０ｎｍである請求項１６に記載の装置。
【請求項４４】
前記光学活性材料がエルビウムからなり、前記第１の波長λ１は約１５２０ｎｍで、前記第２の波長λ２は約１５３０ｎｍである請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波長フィルタ、特には、低屈折率のクラッドを使用した受動および能動フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路は、制御された状態のある波長範囲内に含まれる、多様なモードと偏光状態の光をガイドするために設計されている。単一モード光ファイバは、光の長距離伝送のための最も一般的な導波路である。分散導波路、イオン交換導波路、ストライプ負荷導波路、プラナ導波路、および高分子導波路は、短距離間で光をガイドする、特に、異なる波長の光を組み合わせる／分離する、非線形光学材料中で光学周波数を混合する、光を変調して多くの機能を集積する、および、小空間中へ動作する、ために一般に使用される。
【０００３】
基本的に、導波路において、光ファイバのコア部は通常は高屈折率材料であり、クラッドは通常は低屈折率の材料又は構造であって、従って、受け入れコーン内の高屈折率材料中に注入された光は、通常高屈折材料中を通って伝播すべく拘束される。なぜならば、高屈折率材料と低屈折率材料との境界面で光が全内部反射（ＴＩＲ）して高屈折材料中に戻る。
【０００４】
Ｅｒドープ増幅器やファイバレーザ等の能動ファイバ部材の出現によって、ファイバのクラッドが更に進歩した。例えば、単一モードファイバの能動コア中でのレーザ発振を促進するために、「クラッドポンプ」として設計されたプロファイルを有するファイバが開発された。このようなファイバは一般にコア、多モードのクラッド層、および、最外層のクラッド層を有している。励起光は、多モードクラッド層中に結合されて、伝播しながらコアを縦横に動いてレーザ発振を促進する。残念ながら、ファイバコアが励起されて所望の発振波長が放射された後、コアが不要な信号、いわゆる励起ラマン散乱による「ラマン波長」を発し得る。ラマン効果は放射波長を、ファイバコアのファイバ・ストークス波長にシフトして、高パワーレベルで優勢になる効果を有する。従って、所望の出力波長でのクラッド励起ファイバレーザの出力パワーが制限される。
【０００５】
媒体中の活性材料が、所望の放射波長に加えて励起される他の放射波長を有するときには、同様の問題が発生する。この問題は一般に増幅同時放射（ＡＳＥ）と呼ばれ、非常に高強度の不要な波長のＡＳＥによって所望の波長がかき消されることにより、レーザが所望の波長で動作することが妨害される。この状態の例は、Ｎｄドープコアが二重クラッドによって囲まれたネオジミウム（Ｎｄ）ファイバレーザを作動し、ネオジミウム原子の４Ｆ３／２から４Ｉ９／２への転移によって約９００ｎｍの光を発生する時に起こる。残念ながら、９００ｎｍ転移は３レベルタイプで、ネオジミウム原子は、転移が４レベルタイプの約１０５０〜１０７０ｎｍの光を放射する可能性が高い。１０５０ｎｍでの不要光は弱い９００ｎｍ放射よりも簡単に優勢になり、ファイバレーザや増幅器がほとんど実用にならなくなる。
【０００６】
結局、ファイバレーザや特に増幅器のようなファイバ装置は不要な長波長では高損失である必要がある。９００ｎｍの光を放射や増幅するＮｄ：ガラスのレーザや増幅器の具体例においては、１０５０ｎｍでは非常に高損失になる必要がある。なぜならば、９００ｎｍの光は非常に弱く（８８０ｎｍの放射のピークから２０ｎｍ離れている）、１０５０ｎｍの放射光の放射断面は９００ｎｍの光の放射断面の約１０倍である。又、９００ｎｍの光は、例えば４０ｄＢ増幅されなければならない。残念ながら、９００ｎｍの光が４０ｄＢ増幅されると、１０５０ｎｍの光も４００ｄＢ増幅され、９００ｎｍの光よりも完全に優勢になってしまう。明らかに、この問題を回避するには、１０５０ｎｍの光は４００ｄＢ以上減衰される必要がある。
【０００７】
更に、ファイバレーザや増幅器によって約１ＫＷの電力が生成されると、それがナノ秒以下であっても、ラマン散乱に加えて多くの非線形プロセスが９００ｎｍの有用な光の生成を妨害し始める。これらは、ブリュアン（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ）散乱、他の非線形光混合のホストと同様の自己位相変調、ファイバ材料の三次非線形サセプティビリティχによる共役プロセス等の現象を含む。これらの効果はこのようなファイバレーザや増幅器に使用されるファイバの長さを制限する。実際、これらの効果によって、ファイバ長は１ｍのオーダーかそれ以下でなければならない。これは、１０５０の光は４００ｄＢ／ｍの減衰率で減衰しなければならないことを意味する。
【０００８】
上述を鑑みて、不要の波長をフィルタして、非常に高減衰率、例えば４００ｄＢ／ｍ以上で、ファイバレーザや増幅器から選択的に取り除くことが望ましい。これは、受動ファイバ、ファイバレーザおよびファイバ増幅器等の受動導波路や能動導波路にとって重要である。
【０００９】
従来技術によると、導波路は通常、注入光が、エバネセント波のアウトカプリング（トンネリング）、散乱、曲げ損失、および漏れモード損失等のメカニズムによって結合が外れるのを防止すべく設計されている。これらのメカニズムの一般的研究は、Ｌ. Ｇ. Ｃｏｈｅｎ等の「低下屈折率クラッドを有する単一モード導波路の放射漏れモード損失」，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ. ＱＥ- １８，Ｎｏ. １０，Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８２，ｐｐ. １４６７〜７２等の論文がある。この参照例において、著者等は、二重クラッドファイバだけでなく、種々の屈折率を有するクラッドのある、より複雑な光導波路中の光の伝播を記述している。著者等は、クラッドプロファイルが変化すると、低損失を維持しながら、導波モードの種々の性能パラメータが改良され得ることを示した。更に、低屈折率のクラッドは長波長では基本モードで高損失が発生することを観察した。更に著者らは、高屈折率のコアおよび、低屈折率の内側クラッドと中屈折率の外側クラッドを有するＷプロファイルファイバはあるカットオフ波長を有し、その波長より上では、コアからの基本モード損失は段階的に大きくなることを決定した。これらの損失では非常に大きな減衰率は発生せず、事実、著者らは、このカットオフ波長近傍のファイバの導波挙動を研究して、損失を減少させるための方法を示唆した。
【００１０】
米国特許第５，８９２，６１５号、および米国特許第６，１１８，５７５号は、Ｌ. Ｇ. Ｃｏｈｅｎによって記載されたのと同様のＷプロファイルファイバ、即ちクラッド励起レーザ中で不要の周波数を抑制して高出力を達成するためのＱＣファイバの使用を記載している。上述のように、そのようなファイバは長波長で光が漏れ易いし、他のファイバよりも曲げに敏感である。実際、曲がると、曲率がＷ、即ち、全内部反射によって光を導波するＱＣファイバの能力を悪化させる。波長が長いと、エバネセント場がファイバのコアから深く浸透して、曲がったファイバのコアからの、その波長の光の損失は大きくなる。従って、ファイバを曲げると、ラマン散乱波長のような好ましくない低周波数（長波長）を、メータ当たり数百ｄＢの割合でカットする。
【００１１】
残念ながら、プロファイルファイバの曲げの制御性は悪く、規定されたカットオフ損失を達成するための再現性のある方法がない。特定の曲率を達成するために、ファイバは、例えば、正確な曲率のスプールの周りを巻くことによって曲げられる。異なる時に製造されたことなるファイバは、コアやクラッドの厚さだけでなく、屈折率プロファイルも多様である。従って、ファイバの正確な曲率はファイバ毎に異なる。従って、高減衰率を得る現実の製造方法は無い。
【００１２】
先行技術は、偏光制御のために、応力による複屈折よりも、複雑なクラッド構造を有する導波路を記載している。例えば、メッセリ（Ｍｅｓｓｅｒｌｙ）等に付与された米国特許第５，０５６，８８８号は、通常楕円形のＷプロファイルを有する、単一モードで単一偏光のファイバを記載している。この半径方向のプロファイル分布によって、所与の波長での光の直角偏光が分離される。この分離は、１つの偏光光はコアから漏れてしまい、直角偏光の光は漏れないことによってなされる。この件に関する更なる提案は、ストールン（Ｓｔｏｌｅｎ）等の「短いＷトンネリングファイバ偏光」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２４巻，１９９８、５２４〜５２５頁；ハワード（Ｈｏｗａｒｄ）等に付与された米国特許第４，５１５，４３６号、および多数の文献に見出される。残念ながら、このようなファイバ導波路は必要な減衰率を達成し得ない。
【００１３】
上記を鑑みて、当業界においては、必要な波長より長い不要の波長に対して、例えば４００ｄＢ／ｍ以上の非常に高減衰率を有する、量産可能の波長フィルタを提供することは進歩である。そのような波長フィルタは、受動フィルタ、ファイバレーザ、及びファイバ増幅器等の能動光導波路や受動光導波路に適合可能でなければならない。フィルタの製造後に、ファイバ或いは導波路を曲げずに、又はファイバと導波路を操作と調整して、フィルタ特性を正確に調整し得ることは特に歓迎されるべき進歩である。
【特許文献１】
米国特許第５，８９２，６１５号
【特許文献２】
米国特許第６，１１８，５７５号
【特許文献３】
米国特許第５，０５６，８８８号
【特許文献４】
米国特許第４，５１５，４３６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記に鑑みて、本発明の基本的目的は、信頼性と再現性があり、かつ、簡単な方法で高損失の光導波路を設計する方法を提供することである。その方法は、導波路やフィルタを曲げずに、即ち操作や調整をした、長波長で４００ｄＢ／ｍ以上の損失を示す波長フィルタ即ち、短波長通過フィルタ、を提供する。
【００１５】
本発明の更なる目的は、受動フィルタ、ファイバレーザ、及びファイバ増幅器等の能動光導波路や受動光導波路に使用され得る、波長をフィルタする方法を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、非線形光素子と適合し得る波長フィルタおよびその方法を提供することである。
本発明の多くの他の利点は、詳細説明を読むことによって明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、第１の波長λ１の光を第２の波長λ２の光と分離するための装置と方法を提供することである。ここでλ１＜λ２である。その装置は、あるコア断面を示し、屈折率ｎ０を有するコアを有する。そのコアは、低屈折率クラッド、即ち低屈折率ｎ１を有するクラッドによって囲まれている。低屈折率クラッドは低屈折率クラッド断面を有し、それ自身が第２のクラッドに囲まれている。第２のクラッドは、屈折率ｎ２および第２のクラッド断面を有する。その装置は、第２の波長λ２でコア内を伝播する光の基本モードは取り除かれ又はカットオフされるべく設計されている。これは、λ１＜λｃ＜λ２である、基本モードカットオフ波長λｃを生成するために、コアの断面、低屈折率クラッドの断面、第２のクラッドの断面、および屈折率，ｎ０，ｎ１，ｎ２，を選択することによって達成される。実用に際しては、屈折率，ｎ０，ｎ１，ｎ２は、対応する断面での平均値である。
【００１８】
コア部とクラッド部とは、いかなる形状も可能である。例えば、同様な円筒形対称性を示してもよい。しかしながらある実施例において、円筒形の対称性は不適切で、他の対称性が選択され得る。例えば、幾つかの実施例において、コアは楕円形の断面を有する。
【００１９】
本発明によると、断面と屈折率の選択によって、モードカットオフ波長λｃより上の波長によって受ける損失だけでなく、基本モードカットオフ波長λｃが決定される。具体的には、これらの選択によって第２の波長λ２の光が受ける損失が決定される。幾つかの実施例においては、第２の波長λ２で少なくとも１００ｄＢ／ｍの損失を発生すべく選択される。第２の波長に非常な高損失を必要とする実施例においては、第２の波長λ２の損失が少なくとも４００ｄＢ／ｍであるように、断面と屈折率とが選択される。
【００２０】
断面と屈折率との選択ルールは、マックスウェル（Ｍａｘｗｅｌｌ）の式から導き出される。しかしながらより具体的には、数１によって屈折率を選択するのが便利である。
【００２１】
【数１】
2004529494.tif 000003
他の実施例においては、数２によって屈折率を選択するのも便利である。
【００２２】
【数２】
2004529494.tif 000004
コアの断面半径がｒ０で、低屈折率クラッド部の外部半径がｒ１のときは、数３、によって屈折率を選択するのも便利である。
【００２３】
【数３】
2004529494.tif 000005
装置は、第１の波長λ１で光学的に活性な材料のコアを有する。例えば、光学的に活性な材料は非線形光学材料、又は、λ１で第１の利得を有する利得媒体である。ある場合には装置は、利得媒体に光学的フィードバックを更に備え、それによってλ１で放射するレーザを発生し得る。そのようなレーザは、外側クラッドを囲む第２のクラッドと、コアに励起光を供給するために第２のクラッドと光学的に結合するポンプ源も備える。この装置はフィードバックなしに、λ１で光を増幅するための光学増幅器として動作し得る。他の実施例において、装置はλ１近傍の光の、広帯域増幅された自発放射源として動作する。
【００２４】
装置がレーザであっても増幅器であっても、コアはしばしば、第２の波長λ２で第２の利得を有する。この場合、断面と屈折率とは、第２の波長λ２で少なくとも第２の利得に等しい損失を発生すべく選択される。好ましくは、λ２での損失は少なくとも１００ｄＢ／ｍと同等、或いは、４００ｄＢ／ｍ以上である。
【００２５】
利得媒体は、ネオジウム、イッテルビウム、エルビウム、ツリウムおよびホルミウムのうちの少なくとも１つの希土類元素である。好ましい実施例において、利得媒体としてエルビウムが選択され、装置がλ１での光学増幅器として機能する場合、カットオフ波長λｃはＳ帯の中間、又は、長波長端方向に設定される。この構成は通信分野においては特に有用である。
【００２６】
幾つかの実施例において、コアはλ２で光を発生するか、又はλ２で第２の利得を有する光学的活性材料を有する。幾つかの場合、光学的活性材料は第３の波長λ３で第３の利得を示してもよい。ここで、λｃ＜λ３である。このような装置においては、λ２とλ３とは共にコアからフィルタで除去される。この状況は、例えば、第２の利得が光学的に活性な材料の励起放射またはλ２での利得媒体により、又、第３の利得がλ１の光の促進ラマン散乱による場合に見出される。
【００２７】
本発明の更に別の実施例によると、装置は偏光選択性にもなり得る。例えば、λ１での光は、第１の偏光と、第１の偏光と直角の第２の偏光とを有し得る。本発明において、第１の偏光ではλ１＜λｃで、第２の偏光ではλ１＞λｃである等の、１つ以上の断面と屈折率が更に調整される。即ち、λ１での第１の偏光は、波長λ２と一緒にコアからカットオフされる。同様に，又は他の実施例において、コア、低屈折率クラッド、および外部コアは偏光維持ファイバを形成し得る。
【００２８】
本発明は又、第２波長λ２から第１波長λ１を分離する方法を提供する。ここでλ１＜λ２である。これは、これらの波長での光の基本モードに対する基本的なカットオフ波長λｃがλ１＜λｃ＜λ２になることを保証するための、コア、低屈折率クラッド、および第２のクラッドの屈折率と断面を設計することによってなされる。断面と屈折率との適切な選択によって、λ２に対する損失が１００ｄＢ／ｍ、又は４００ｄＢ／ｍ以上にさえなるべく調整される。
【００２９】
場合によれば、第２のクラッドは外側のクラッドによって囲まれ、コア中の利得媒体を励起する励起光を導波するためのポンプ源に光学的に結合する。この方法が、利得媒体への光学フィードバックを有するファイバ増幅器やファイバレーザに適用されたとき、この方法は特に有用である。
【００３０】
λ１で光の特定の偏光がλ２と一緒にカットオフされなければならない状況では、この方法は更に、断面及び／又は屈折率を調整し得る。更にこの状況では、コア及び／又は低屈折率クラッドの偏光を選択可能にするために応力が印加され得る。
【００３１】
本発明と好ましい或いは別の実施例の詳細を添付図を参考にして下記で説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
先ず、図１を参照して構造と設計理論を概観することによって、本発明を最も良く理解し得るであろう。この図の断面図は、円筒状のコア断面を示すコア１２を有する光ファイバの形状で、装置１０を図示している。コア１２に関連する領域１は、グラフ１４のｒ軸上に示すように、０≦ｒ≦ｒ０まで拡がっている。実際、グラフ１４は、装置１０の屈折率プロファイルを示す。それによると、コア１２は領域１、即ちｒ＝０からｒ＝ｒ０で、平均屈折率ｎ０を有する。理論的には、コア１２内の屈折率値は、半径ｒと極角度θで一定であることが望ましい。この理論上のプロファイルを一点鎖線Ａで示す。実際上は、現在の製造工程の理由によって、領域１の屈折率プロファイルはグラフ１４に描かれているように半径方向で変化している。本発明の目的のためには、コア１２の半径方向に変化する屈折率がｎ０の平均値を有することで十分である。
【００３３】
コア１２は、円筒状に対称性な低屈折率クラッドの断面を有する、低屈折率クラッド１６に囲まれている。低屈折率クラッド１６はｒ０≦ｒ≦ｒ１まで拡がり、領域ＩＩを占める。低屈折率クラッド１６は円筒状の対称性の第２のクラッド１６に囲まれている。第２のクラッド１６は、ｒ≧ｒ１まで拡がる領域ＩＩＩを占める。
【００３４】
グラフ１４から明らかなように、低屈折率クラッド１６は、コア１２の平均屈折率ｎ０や、第２のクラッド１８の平均屈折率ｎ２、よりも低い平均屈折率ｎ１を有すべく選択される。再度、平均屈折率値を一点鎖線Ａで示し、代表的な製造工程によって得られた実際の屈折率プロファイルをグラフ１４で示す。ファイバ１０のハッチングした領域は境界領域で、領域Ｉ，ＩＩ，およびＩＩＩの平均屈折率値間の過渡領域を示す。グラフ１４の屈折率プロファイルはＷという文字に似ている（線Ａで示される理論プロファイルはより明確である）。従って、ファイバ１０はしばしば、Ｗ‐ファイバ、又は、Ｗ−プロファイルファイバと呼ばれる。再度、本発明の目的には、半径方向に変化する屈折率が、低屈折率クラッド１６と第２のクラッド１８とに関連する領域ＩＩとＩＩＩとでｎ０とｎ２との平均値を有すれば十分である。任意選択で外側のクラッド（不図示）が第２のクラッド１４を囲ってもよい。このような外側のクラッドは、下記で説明する目的のために、ファイバ１０中への励起源を結合するために使用され得る。
【００３５】
本発明によると、グラフ１４に図示されるＷ−プロファイルは、第１波長λ１の光が全内部反射によってコア１２に伝播することを保証すべく設計されている。同時に、λ１よりも長い第２の波長λ２の光（λ１＜λ２）が除去される、又は高損失或いは高減衰率でカットオフされる。具体的には、Ｗ−プロファイルは基本モードカットオフ波長λｃを有し、λ１の基本モードでの光はコア１２に維持され、λ２の基本モードでの光は、鎖線Ｂに示されるように、短距離で第２のクラッド１８に除去されるべく設計されている。この目的は、ファイバ１０を曲げたり、他の機械的調整をするよりも、Ｗ−プロファイルを適切に設計することによって達成される。
【００３６】
ファイバ１０のカットオフ波長λｃは、基本モード（ＬＰ０１モード）がコア１２中で低損失から高損失に突然転移する、即ちコア１２からカットオフされる、波長である。カットオフ波長λｃは、必要な波長λ１と不必要な波長λ２との間で選択される。即ち、λ１＜λｃ＜λ２である。
【００３７】
理論的には、Ｗ−ファイバのカットオフ波長λｃを決定するために、Ｗ−ファイバ１０の断面と屈折率ｎ０，ｎ１およびｎ２の選択ルールは、マックスウェルの式から導き出される。弱い導波近似において（コア１２、クラッド１６，１８の屈折率がすべて互いに接近している場合には有効である）、マックスウェルのべクトルの式はスカラー式で代替し得る。スカラーΨ  はファイバ中の横断電場の強度を示す。更なる情報は、例えば、Ｇ.  ＡｇｒａｗａｌのＮｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ（Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，１９９５）、Ｄ.   Ｍａｒｃｕｓｅ，Ｌｉｇｈｔ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｏｐｔｉｃｓ（Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，１９７２）、及び、Ｄ.   Ｍａｒｃｕｓｅ，Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ（Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９７４）に記載されている。
【００３８】
便利のために、次のパラメータを規定する。
【００３９】
【数４】
2004529494.tif 000006
ファイバ中のスカラー場Ψは、波動方程式を満足し、その解はベッセル（Ｂｅｓｓｅｌ）関数と改変ベッセル関数である。ファイバ１０による基本モードでは、内部コア１２は
【００４０】
【数５】
2004529494.tif 000007
で示され、ｋは決定されるべき固有値で、Ｊ０はゼロ番目のベッセル関数である。
低屈折率クラッド１６では、スカラー場Ψは、
【００４１】
【数６】
2004529494.tif 000008
で示され、ＡとＢは決定されるべき定数である。
【００４２】
【数７】
2004529494.tif 000009
は改変ベッセル関数である。ここでλは光の真空波長である。
第２のクラッド１８においては
【００４３】
【数８】
2004529494.tif 000010
が得られる。ここで、Ｃは別の定数で、
【００４４】
【数９】
2004529494.tif 000011
は、境界条件を用いて見出される。Ψとそれの第１微分は共にｒ０とｒ１で連続である必要がある。
【００４５】
基本モードカットオフ波長λｃはγ＝０で波長λである（例えばＣｏｈｅｎ等のＩＥＥＥ  Ｊ.   Ｑｕａｎｔ.   Ｅｌｅｃｔｒｏｎ.   ＱＥ−１８（１９８２）１４６７〜１４７２を参照）。
【００４６】
更に便利なように、次のパラメータを規定する。
【００４７】
【数１０】
2004529494.tif 000012
これで、パラメータｘが決定されれば、カットオフ波長λｃは、当業者に周知の代数によって決定され得る。パラメータｘは、
【００４８】
【数１１】
2004529494.tif 000013
の平方根である。
式（６）の解は図２のグラフで示される。ｘは、パラメータρの種々の値に対する比ｓの関数として示される。
【００４９】
パラメータｘに関しては、次の３点は注目されるべきである。第１に、ｘはｓやρのすべての値に対して存在するわけではない。例えば、ρ＝１でｓ≦√２では、式（６）を満足するｘは存在しない。これは、この領域では、すべての波長がコア１２中に導波されることを意味する。式（６）が解を有する臨界は
【００５０】
【数１２】
2004529494.tif 000014
である。
第２に、実際の応用においては、ｘは小さすぎてはならない。なぜならば式（５）によって、パラメータｘはコア１２の半径ｒ０に比例し、その半径は、光をコア１２の中に結合したり、コア１２から出したりし易いように十分に大きくなければならない。（小さいコア１２では非線形効果が強くなり、これは大きな不利点である。）  コア１２の半径ｒ０は２μｍ以上が好ましい。ｕ０とλｃの代表的な値はそれぞれ、０. １と１μｍである。従って、ｘ＝２πｕ０ｒ０／λｃ、好ましくはｘ≧１である。これは、ρ≧０. ２２４、即ち、屈折率√（ｎ２２−ｎ１２）／（ｎ０２−ｎ２２）≧０. ２２４、であることを示す。
【００５１】
第３に、図２から、大きなｓ値では、ｘの値はｓへの依存性は小さい。従って、この領域のパラメータ空間のファイバは有利である。なぜなら、製造工程においてｓの誤差が生じても、カットオフ波長λｃの値への
影響が小さい。従って、ｓ≧１＋１／ρのルール或いは、屈折率で
【００５２】
【数１３】
2004529494.tif 000015
を使用すると便利である。
適切な基本モードカットオフ波長λｃを決定するに際して、コア１２、低屈折率クラッド１６、及び外側クラッド１８の断面と屈折率との選択は、上式によって導き出される。先ずλｃは、λ１＜λｃ＜λ２で選択され、次に、ｕ０とｒ０との適切な値が選択される。これらを選択した後に、ｘが５式から計算される。好ましくはｘ≧１（さもなければ前の選択を調整する）である。次に、式６を使用して、ｓとρの適切な値を見出す。ｓとρの値の範囲によって所望のλｃを得る。代表的には、ρのすべての値は０. ２２４よりも大きい。更に、ｓとρの適切な値の範囲を更に狭くするために、式８のルールが使用される。
【００５３】
最後に、ｓとρの値には更なる限定がされる。即ちそれらの値は、ファイバ１０のコア１２が例えば、不要な波長λ２で、１００ｄＢ／ｍ、又４００ｄＢ／ｍ以上の十分に大きな損失を有すべく選択される。λ２での損失を見出すために、波長λ＞λｃの光のファイバモードが必要である。
【００５４】
式（２）、（３）、および（４）はλ＜λｃときの基本モードを規定する。λ＞λｃのとき、第２クラッド１８における関数Ψは指数級数的に減衰するのではなくて、振動性である。従って、λ＞λｃのとき、式（４）は
【００５５】
【数１４】
2004529494.tif 000016
で置換される。ここで、Ｎ０（Ｙ０とも呼ばれる）はゼロ番目のノイマン（Ｎｅｕｍａｎｎ）係数で、
【００５６】
【数１５】
2004529494.tif 000017
ＣとＤは決定されるべき定数である。
λ＞λｃのモードに関して、注意すべき２つのキーの項目がある。第１は、５つの未知数（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびｋ）と４つの境界条件（ｒ０とｒ１でのΨとｄΨ／ｄｒの連続性）がある。式は束縛されている：ｋは０と（２π／λ）√ｕ０２＋ｕ１２との間の任意の数が選択される。従って、ｋが有する値の連続性に対応して、各λ＞λｃには状態の連続性がある。この状況は、４つの未知数（Ａ、Ｂ、Ｃ、ｋ）が４つの境界条件によって固定され、その結果、ｋが各λで特定の値を有する個別の固有値である、λ＜λｃの場合とは大きく異なる。
【００５７】
第２に、式（２）、（３）、（９）によって特定されるモードはＷ−ファイバの固有のモードである；しかしながら、これらのモードは物理的に実現される状況には対応しない。これは、入射波と放出波とを含む式（９）の結果であるが、実際には、放出波のみが存在する（コア１２中を最初に伝播する波長λ２の光は放出される）。
【００５８】
それにもかかわらず、式（２）、（３）および（９）は、λｃよりも長い波長の損失を推定するために使用され得る。先ず、所与の波長λにおいて、Ｃ２＋Ｄ２を最小化するｋの値を見出す。これは、コア内で最も長く存在するモードに対応する。（ファイバ中のスカラーΨ  の波動方程式とポテンシャル壁中の粒子の量子力学波動方程式との間を類推し得る。次に、量子力学の結果を利用する。例えば、Ｄａｖｉｄ  Ｂｏｈｍ，量子理論、Ｄｏｖｅｒ１９８９、１２章、１４〜２２頁を参照）。次に、ｋが上記の手段で見出されると、放出波長は式（９）から計算可能になる。これらの放出波長は、入射波が存在しなくても、コア１２から第２のクラッド１８中に放出される量を合理的に推定し得る。これらの放出波は、コア１２中を伝播する波長λ＞λｃのビームがファイバの長手方向に沿って減衰することなる。ビームが電力Ｐを有する場合、ファイバ１０の長手方向の距離ｚでの電力Ｐの変化は、
【００５９】
【数１６】
2004529494.tif 000018
で示される。
損失は係数Λで与えられ、近似的に
【００６０】
【数１７】
2004529494.tif 000019
である。
ｍ−１の単位を有する損失Λは、
【００６１】
【数１８】
2004529494.tif 000020
の関係を使用して、単位ｄＢ／ｍでの損失βに変換し得る。
ここで、「損失」、コア１２から第２のクラッド１８中に漏洩する放射を意味する。実際には、放射は、それが第２のクラッド１８に残存する場合は、正しくはファイバ１０自身から失われていないが、ある場合にはこれで十分である。他の場合には、第２のクラッド１８からの光は、必要によって、除去される。
【００６２】
本発明によって構成されたファイバ１０が、波長λ２をフィルタ除去するために使用され得る、方法は具体例によって理解されるであろう。この目的のために、図３は、コア１２に存在する波長の関数として、ネオジウムをドープしたガラス（即ち、Ｎｄ：ガラス）の放射断面のグラフを示す。コア１２中に保持されるべき必要な波長λ１は約８８０ｎｍで、コア１２からカットオフされるべき不要の波長λ２は約１０５０ｎｍである。実際には、９００ｎｍの波長は、正味利得を達成するために大きな励起強度を必要としないので、λ１として好ましい。しかしながら、９００ｎｍの放射強度は低下し、１０５０ｎｍ近傍でピークになる競合転移がある。背景技術で説明したように、Ｎｄ：ガラスでは９００ｎｍよりも１０５０ｎｍの放射光が選択される。従って、１０５０ｎｍで約４００ｄＢ／ｍ以上の損失を有し、（励起されると）９００ｎｍで約４０ｄＢ／ｍの利得を有するのが好ましい。
【００６３】
図４は、パラメータρとｓの種々の値における、波長に対する損失のグラフである。それぞれの場合、基本モードカットオフ波長λｃは９４０ｎｍで、λ１＜λｃ＜λ２という要求に合致している。その要求は、１０５０ｎｍの損失は少なくとも約４００ｄＢ／ｍで、９００ｎｍの損失はゼロ、である。図４を参照して、式（７）の不等式、ｓ≧１＋１／ρを維持しながらこの要求を満足させるためには、パラメータρは約３以下、即ち、屈折率
【００６４】
【数１９】
2004529494.tif 000021
でなければならない。本例においては、４００ｄＢ／ｍ以上の損失は、ρ＝１、ｓ＝２で与えられる。
【００６５】
損失を計算するための他の方法は、Ｗ−ファイバ１０の漏洩基本モードの複素伝播定数の計算を含む。漏洩モードは、例えば、Ｄ.   Ｍａｒｃｕｓｅ，誘電体光導波路の理論（Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９７４）第１章で論じられている。損失は漏洩モードの複素伝播定数の素数部に関連する。複素伝播定数、又は、それと等価の、屈折率の複素有効係数は、例えば、カナダのオンタリオ州、ネピーン（Ｎｅｐｅａｎ）の、Ｏｐｔｉｗａｖｅ社からの、市場で入手可能なソフトウェアを使用して計算され得る。
【００６６】
ある場合には、実際のファイバは、図１の線Ａで示される理想的なステップ屈折率プロファイルを有さず、屈折率プロファイルのグラフ１４に示されるように理想値から変動しているので、上記で概要説明したベッセル関数法を使用するよりは、所与のＷ‐ファイバのモードで数値解を得るのが望ましい。特に、今日の単一モードファイバ製造の最も一般的な方法はＭＯＣＶＤ法であって、コアの中央に屈折率の窪みが残る。数値解は、上記の方法よりも簡単に、半径の関数としての屈折率の実際の変動を考慮できる。そのような数値計算によって、カットオフ波長λｃおよび断面と屈折率とを含むファイバパラメータの関数としてのファイバ損失が得られ、それによって、Ｗ−ファイバ１０が好ましい特徴を示すべく設計され得る。
【００６７】
損失を推定するために式（１１）を使用する場合、実際の屈折率は半径の関数で変動するので、屈折率ｎ０，ｎ１、およびｎ２は一般に平均屈折率である。
屈折率ｎは必ずしも半径方向で対称的ではない。ファイバ１０の断面を極座標ｒとθ（例えば図１を参照）とによって記載すると、屈折率は、ｎ＝ｎ（ｒ，θ）のように、半径ｒと角度θとに依存する。そのような非対称性ファイバは、例えば、偏光維持のためには好ましいこともある。
【００６８】
カットオフ波長λｃを有することはファイバの前提条件である。Ｒは、半径Ｒの屈折率が値ｎ２に実質的に平均化されるのに十分な大きさである。ファイバ１０は、
【００６９】
【数２０】
2004529494.tif 000022
の場合にはカットオフ波長λｃを有する（Ｂ．Ｓｉｍｏｎ，Ａｎｎ．Ｐｈｙｓ．９７（１９７６），２７９頁を参照）。
【００７０】
図１と式（１３）のプロファイルは、
【００７１】
【数２１】
2004529494.tif 000023
になり、これは上記の式（７）と等価である。
カットオフ波長λｃは、領域Ｉに局在する固有モードがある場合の最大波長である。カットオフ波長λｃ以上の波長の損失は例えば、（１）局在していないが入射波と放射波とを含むモードを解く、（２）各波長に対して、最小の放射強度を有するモードを見出す、および、（３）損失を推定するためにこの放射強度を使用して決定される。上述のように、損失を計算するために、当業者は他の方法も使用し得る。
【００７２】
一般に、好ましいカットオフ波長λｃと損失とを有するファイバ１０は、従って、プロファイルｎ（ｒ，θ）を調整することによって決定される。それは、コア１２、低屈折率クラッド１６および第２のクラッド１８の断面と屈折率とを調整することに対応する。
【００７３】
発明の上述の理論は、図１に示したタイプのＷ−ファイバを作製するためにも使用され得る。本発明のＷ−ファイバは、光ファイバ（短波長通過フィルタ）、光増幅器、レーザ、非線形光スイッチ等にも使用され得る。
【００７４】
特殊ガラス、ファイバブラッグ回折格子、導波路ルータアレー、および、ダイクロイックミラー等の光学フィルタは、一つの波長の伝送、減衰、或いは他への転換のための光学にしばしば使用される。図５は本発明による、第１の波長λ１を伝送し、より長い、不要な第２の波長λ２を減衰するためのファイバ‐オプチクスフィルタとして動作するＷ−ファイバを備えた、光学システム２０の等尺図である。装置２０は、コア２４が光学活性材料をなにも含まないので受動装置で、ファイバ２２内でλ１やλ２の利得は無い。
【００７５】
光学システム２０は、第１の波長λ１と、短距離Ｌの間に高損失でフィルタで除去されるべき第２の波長λ２と、を含む光２８を移送する光源２６を有する。Ｗ‐ファイバ２２のコア中に光２８を集光するために、光カプラ３０、この場合レンズが使用される。
【００７６】
ファイバ２２は、コア２４を囲む低屈折率クラッド３２と、低屈折率クラッド３２を囲む第２のクラッド３４とを有する。外部の影響からファイバ２２を保護するために、ジャケット３６も形成される。コア２４およびクラッド３２，３４の断面は円筒状で対称性である。ファイバ２２のパラメータは、コア２４とクラッド３２、３４の各屈折率ｎ０，ｎ１、ｎ２、および、半径ｒ０とｒ１である。これらのパラメータは本発明によって選択され、λ１＜λｃ＜λ２となるように、波長λ１とλ２から適切な間隔で、コア２４内の基本モードカットオフ波長λｃが決定され、又、波長２の必要な損失が決定される。従って、ファイバ２２中を距離Ｌだけ伝播した後、λ２の光２８の大部分はコア２４からカットオフされ、第２のクラッド３４中を通過する。この実施例では、１００ｄＢ／ｍ以下はλ２の十分な損失であり得る。より良く図示するために、図６Ａは、図５に示した光学システム２０のＷ−ファイバの側面断面図を示す。
【００７７】
図６Ｂの側面断面で示される実施例において、コア４０、低屈折率クラッド４２および第２のクラッド４４を有するＷ−ファイバ３８は、光増幅器として動作すべく設計されている。ファイバ３８のコア４０は、適切な利得媒体のような光学活性材料４６を有する。たとえば、利得媒体４６は、ネオジウム、イッテルビウム、エルビウム、ツリウム、ホルミウム等の希土類元素又はこれらの元素の組合せであって、それによって、第１の波長λ１を増幅するための第１の利得を発生する。図３Ｂで示したように、波長λ１の光は、Ｗ−ファイバ３８のコア４０の中に結合される。励起光（不図示）はコア４０に結合されて、光学活性材料４６を活性化する。コア４０内部の光学活性材料４６は、例えば、λ１＜λ２のように、活性化ラマン散乱のような非線形散乱工程によって不要の波長λ２で第２利得を示す。λ１のみを増幅すべきなので、λ２での利得によって発生した光は不要である。従って本発明によると、コア４０内でλ１とλ２との間の基本モードカットオフ波長λｃ（即ち、λ１＜λｃ＜λ２）を作製し、λ２での必要な損失を生成するために、ファイバ３８のパラメータが選択される。この実施例においては、１００ｄＢ／ｍ以上の損失が望まれる。
【００７８】
図６Ｃは本発明による、コア５２、低屈折率クラッド５４、および、第２のクラッド５６を有する、Ｗ−ファイバ５０を示す。更に、ｎ３の屈折率を有し、ｎ３＜ｎ２である、外側クラッド５８が第２のクラッド５６を囲む。ファイバ５０のパラメータは、λ１＜λｃ＜λ２の基本モードカットオフ波長λｃを発生させるために選択される。励起波長λ３の光は、第２のクラッド５６を介してファイバ５０に結合される。λ３の光は、コア５２内でλ１の放射を促進するために使用される。効率的にコア５２中に、又は交差して結合されるために、代表的には、λ３＜λｃである。
【００７９】
コア５２は、必要な波長λ１の第１の利得と、不要な波長λ２の第２の利得と、を示す、希土類の利得材料６０を含む。従ってファイバ５０は、λ２の損失が、材料６０の希土類原子によるλ２の利得がλ１の信号を圧倒しないように十分大きくなるべく、本発明によって設計される。特に、λ２の損失がλ２の利得以上になることが好ましい。ある場合には、λ２の損失は、１００ｄＢ／ｍ以上を必要とする。ある場合には、非常に高い損失が必要であり、４００ｄＢ／ｍ以上のλ２の損失が必要である。ファイバ５０はλ１での光の効率的な光増幅器として使用され得る。
【００８０】
実際、図６Ｃの光増幅器は、図６Ｅに示されるように、ファイバレーザに簡単に転換され得る。この目的のためには、光フィードバック部材５３、この場合はミラー、が備えられて、コア５４中の利得媒体６０に光フィードバックされる。利得媒体６０の周辺のファイバ５０内で適切なレーザキャビティを設定するために、当業者に周知の更なるミラーや他のフィードバック部材も使用され得る。
【００８１】
ファイバ５０の代替方法として、２つの断面を図７Ａ、７Ｂに示す。これらの実施例において、λ３の光がコア５２に交差して有効に導かれることを保証するために、第２のクラッド５６は非環状断面を有する。これらの２つの例において、第２のクラッド５６は花の形状を有し、不規則な多角形である。この目的のためには他の形状も実施され得る。更に、コア５２と低屈折率クラッド５４の図７Ｂは、円筒形の対称性を示さない。このような断面を得るために、応力や適当な製造方法も使用され得る。これらの断面は、ファイバ５０を選択可能に偏光させるのに有効である。
【００８２】
光増幅器としてのファイバ５０の具体的な使用例を下記する。
例１：ネオジミウムドープのファイバ増幅器。
増幅器は、上記の如く、コア、低屈折率クラッド、および第２のクラッドを有するＷ−ファイバを含む。更に、コアにはネオジウムイオンがドープされており（例えば、１０２０イオン／ｃｍ３のオーダー）、第２のクラッドが、屈折率ｎ３で、ｎ３＜ｎ２、の外側クラッドに囲まれている。第２のクラッドは、Ｎｄ原子を活性化するための活性光を導くために使用される。第２のクラッドは４０μｍと８０μｍとの間の平均直径を有する。
【００８３】
第２のクラッドは、８０８ｎｍ近傍の波長を有するレーザダイオードに光学的に結合される。これらのダイオードからの光は、９００ｎｍ近傍と１０５０ｎｍ近傍とで、コア内で利得を得る。９００ｎｍ近傍の光はコアに入射され、増幅される。１０５０ｎｍの光はＮｄ原子の４レベルの転移によって発生するが不要である。例として、増幅されるべき光は９１４ｎｍの波長を有する。この波長は、ネオジウム‐ドープされたイットリウム・バナジウム酸化物結晶からなるレーザからの光に相当する。
【００８４】
従って、この例においてはλ１＝９１４ｎｍでλ２＝１０５０ｎｍである。屈折率ｎ０，ｎ１，ｎ２、及び、半径ｒ０、ｒ１は、λ１とλ２の間のカットオフ波長λｃを得るために選択される。例として、ｒ０＝３μｍで、ｒ１＝６μｍである。第２のクラッドはｎ２＝１. ４５８を有する溶融シリカである。外側のクラッドは高分子クラッドである。コアは、ｎ０−ｎ２＝０. ００２２で、低屈折率クラッドは、ｎ２−ｎ１＝０. ００２２によって与えられる屈折率ｎ１を有する。従って、ρ≒１で、ｓ＝２である。式（６）から、ｘ＝１. ５４９で、カットオフ波長λｃ＝９７５ｎｍに対応する。λ２の損失は約１４００ｄＢ／ｍである。
【００８５】
例２：イッテルビウムドープされたファイバ増幅器
この例は、例１に記載のネオジミウムドープされたファイバ増幅器と同様である。第２のクラッドが励起クラッドになる。コアはイッテルビウム原子でドープされる。９２０ｎｍの光で励起されると、イッテルビウムは９８０ｎｍと約１０５０ｎｍとで利得を示す。この例においてはλ１＝９８０ｎｍでλ２＝１０５０ｎｍである。Ｗ‐ファイバのパラメータは、上述したように、９８０ｎｍと１０５０ｎｍとの間のカットオフ波長を与え、１０５０ｎｍで適切な損失を得るべく調整される。
【００８６】
図６Ｄは、ラマン効果を使用した光増幅器として動作するＷ‐ファイバ７０を示す。λ０とλ１との波長の光がＷ‐ファイバ７０のコア７２中に結合される。コア７２は光活性材料７４を含む。この場合、光活性材料７４はファイバ７０のシリカ自身である。コア７２は更に低屈折率クラッド７６と第２のコア７８とに囲まれる。
【００８７】
ラマン散乱の際、波長λ０のフォトンは吸収され、同時に、波長λ１のフォトンが放射される。入射フォトンと放射フォトンとのエネルギーの差が分子振動励起となる。ラマンプロセスは利得を有する、即ち、ラマンが発生する確率は、波長λ０の入射光の強度とλ１の放射光の強度との比であることを意味する。ファイバのラマン増幅器はガラス中のラマン効果よりも優れている。ラマン効果によるエネルギーシフトは代表的には約４４０ｃｍ−１である。波長λ０の励起光と波長λ１の信号光がファイバ７０中を伝播する。励起光のフォトンは信号光のフォトンよりも約４４０ｃｍ−１大きいエネルギーを示す。次にそのラマン効果は、λ０の励起光を信号光に変換し、それによってλ１の光を増幅する。
【００８８】
しかしながら、信号光自身は、ラマン効果によって他の波長λ２に下がり得る。λ１とλ２のエネルギー差は約４４０ｃｍ−１である。従って、ラマン増幅器はλ１とλ２で利得を有するが、λ２の利得は不要である。従って、波長λ１の信号の大きな降下を防止するために、λ２の十分に大きな損失を有しながら、λ１とλ２の間のカットオフ波長λｃを生成すべく、Ｗ‐ファイバ７０のパラメータが選択される。λ２の損失はλ２の利得以上であることが望ましい。
【００８９】
例えば、面積が３５μｍ２のコアを有するファイバ７０中を伝播する、ピーク電力が１ｋＷのパルス信号においては、λ２のラマン利得は約１３ｄＢ／ｍである。従って、Ｗ‐ファイバ７０のλ２の損失は１３ｄＢ／ｍ以上であることが望ましい。しかしながら、波長λ２の光は自発放射から蓄積しなければならないので、そのような大きな損失は必ずしも必要ではない。波長λ２の光は、いわゆる「ラマンしきい値」に達する前に、７桁、即ち７０ｄＢ増幅され得る。その後、波長λ１の光は、急速に波長λ２に変換される。従って、ラマンしきい値が達成されない限りは、ラマン利得よりも小さな損失を有するＷ‐ファイバ７０は許容範囲である。
【００９０】
別例として、例１と２に記載した希土類元素でドープされたコアを有するクラッド励起ファイバ増幅器は、図６Ｄの例と同様な方法で不要なラマン利得を抑制するために使用され得る。そのような抑制は、高ピーク電力の増幅器において特に望ましい。さもないと、信号光（波長λ１）はラマン効果によって他の波長にシフトされ得る。
【００９１】
図１のＷ−ファイバは又、非線形光スイッチに使用され得る。多くのファイバ光スイッチは光ファイバの屈折率による強度に依存する。屈折率は、強度依存性相を信号に与え、その信号はマッハゼンダ（Ｍａｃｈ‐Ｚｅｎｄａｒ）干渉計等の、当業者に周知の適当な構造を使用して、出口ポート番号の１つに向かう。信号が向かう出口ポートは、印加相に依存する、干渉条件によって決定される。相は信号の強度のみによる。即ち、その信号と一緒に伝播する第２ビームの強度による。しかしながら、光の強度が屈折率を変えるのに十分なほど高い場合は、それはラマンシフトに十分従う。従って、λ１で利得が無く、λ２でラマン効果による利得を有するファイバ中を伝播する、波長λ１の光の場合もある。従って、上述のように、λ１とλ２の間でカットオフ波長λｃを生成し、ラマン効果を抑圧するためにλ２が十分な損失を有すべく、Ｗ−ファイバのパラメータが選択される。
【００９２】
本発明によるＷ−ファイバ８０の別例の断面を図８に示す。ここで、コア８２は偏光を選択し得るように楕円形である。コア８２は、低屈折率クラッド８４と第２のクラッド８６とに囲まれている。この実施例において、第１波長λ１の光は第１の偏光ｐと、第１の偏光に直角の第２の偏光ｓとを有する。コア８２とクラッド８４，８６の断面は全体的に円筒形の対称性を示さないので、基本モードカットオフ波長λｃは、上述の設計理論を使用して、ｓ偏光とｐ偏光との軸に沿って異なるべく設計される。ファイバ８０は、ｐ偏光に対してはλ１＜λｃ、ｓ偏光に対してはλ１＞λｃが、都合がよい。
【００９３】
この方法に依れば、クラッド８４，８６の断面は、非円筒形でもよい。更に、屈折率プロファイルもまた、偏光選択工程において、偏光角θの関数として変化する。実際、本発明のＷ−ファイバは、偏光維持ファイバ又は、偏光選択し得るべく適当に応力がかけられたファイバにおいても実施され得る。
【００９４】
本発明のＷ−ファイバは、短波長通過フィルタ、増幅器、通信用のレーザ等に使用され得る．例えば、Ｗ−ファイバはＳ−帯のファイバ増幅器として使用され、利得媒体としてエルビウムが使用されるこのようは応用に際して、生成されるべき必要な波長は１５２０ｎｍで、フィルタによって除去されるべき不要波長は１５３０ｎｍである。これを達成するために、Ｗ−ファイバは、Ｓ−帯（例えば、１５２５ｎｍと１５３０ｎｍの間）の基本モードカットオフ波長を有すべく設計される。
【００９５】
本発明によって設計されたＷ−プロファイルを有するファイバは、コア中に種々の光学活性材料を用いて使用される。そのような活性材料は、ファイバを作製するガラス又はシリカのみに、希土類をドープしたものを含む。当業者に周知の、種々の非線形の感受性を示す他の非線形材料と同様に、他の材料やドーピング材も使用され得る。
【００９６】
上記の実施例は、本発明の範囲から逸脱せずに、多くの改変が可能である。従って、本発明の範囲は上記の請求項とそれらの法的同等物によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明のＷファイバの一般的な屈折率プロファイルおよび断面図。
【図２】種々の値のパラメータρに対する、率ｓの係数としてのｘを示すグラフ。
【図３】波長の関数としてのネオジウムをドープしたガラスの放射断面を示す図。
【図４】種々のＷファイバの波長の関数としての損失を示すグラフ。
【図５】光学フィルタとして動作するＷファイバを有する光学システムの等尺図。
【図６Ａ】図５のＷファイバの断面側面図。
【図６Ｂ】本発明による種々の応用のためのＷファイバの断面側面図。
【図６Ｃ】本発明による種々の応用のためのＷファイバの断面側面図。
【図６Ｄ】本発明による種々の応用のためのＷファイバの断面側面図。
【図６Ｅ】本発明による種々の応用のためのＷファイバの断面側面図。
【図７Ａ】Ｗファイバの第２のクラッドの形状を例示した断面図。
【図７Ｂ】Ｗファイバの第２のクラッドの形状を例示した断面図。
【図８】偏光選択可能なＷファイバの断面図。
【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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