(57)【要約】４８０〜５５０ｎｍの波長を持つ、光の伝送に使用される単一モード光ファイバ。ファイバは、第１の屈折率ｎｃと半径寸法がａの実質的に円形の断面とを持つ第１の透明誘電体材料から作成されたコアを持つ。ファイバはさらに、そのコア上に同軸上に施され、ｎｃ未満の第２の屈折率ｎｍ１を持つ第２の透明誘電体材料で作成された第１のクラッディングを備える。第１の透明誘電体材料は、実質的に純シリカから成り、第２の透明誘電体材料は、ドープされたシリカから成り、第１のクラッディングの厚さは、５〜１５μｍであり、ｎｃとｎｍ１の値は、開口数が０．１未満で、半径寸法ａが２μｍよりも大きくなるように選択される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λが４８０≦λ≦５５０ｎｍである光の伝送用に設けられた単一モードの光ファイバであって、第１の透明誘電体材料で作成され、第１の屈折率ｎｃと半径寸法がａの実質的に円形の断面とを持つコアを備え、該コア上に同軸上に施され、第２の屈折率ｎｍ１がｎｍ１＜ｎｃである第２の透明誘電体材料で作成された第１のクラッディングをさらに備えており、前記第１の透明誘電体材料は実質的に純シリカであり、前記第２の透明誘電体材料はドープされたシリカであり、前記第１のクラッディングの厚さは５〜１５μｍの範囲であり、ｎｃとｎｍ１の値は開口数（ＮＡ＝√（ｎｃ２−ｎｍ１２））が０．１未満になり、前記半径寸法ａが２μｍよりも大きくなるように選択されることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記第２の透明誘電体材料のドーピング剤は、フッ素またはホウ素から選択されることを特徴とする請求項１に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項３】
前記ドーピング剤は、１〜３％のモル濃度範囲で第２の透明誘電体材料内に存在することを特徴とする請求項１または２に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項４】
前記ファイバの開口数ＮＡは、０．０３よりも大きく、好ましくは０．０４よりも大きく、最も好ましくは０．０５よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項５】
前記ファイバは、前記第１のクラッディング上に同軸上に施され、第３の屈折率ｎｍ２がｎｍ２＞ｎｍ１である第３の透明誘電体材料から作成された第２のクラッディングをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項６】
前記第１の屈折率ｎｃと前記第３の屈折率ｎｍ２とは同じ値を持つことを特徴とする請求項５に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項７】
前記第３の透明誘電体材料は実質的に純シリカであることを特徴とする請求項５または６に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項８】
前記ファイバは、該ファイバの曲げ半径を最小５ｃｍに制限するような弾性材料で覆われることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項９】
ばねが前記弾性材料に埋め込まれ、該ばねの渦巻きが前記第２のクラッディングの周囲に巻かれていることを特徴とする請求項８に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項１０】
前記弾性材料は重合体で形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項１１】
前記ファイバの端壁は、傾斜角度がθ＞１／２［π／２−ａｓｉｎ（ｎｃ／ｎｍ）＋ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎｃ）］の傾斜端面を持つことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項１２】
前記ファイバの末端には該末端を受け入れる空洞を持つ端部片が設けられ、前記空洞の底部にはそれを通過してコアが延在する穴が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の単一モード光ファイバ。
【請求項１３】
前記空洞は、前記第３の屈折率よりも高い屈折率を持つ透明材料でさらに充填されることを特徴とする請求項１２に記載の単一モード光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、波長λが４８０≦λ≦５５０ｎｍの光を伝送する単一モード光ファイバに関し、そのファイバは、
−第１の屈折率ｎｃと半径寸法がａの実質的に円形の断面とを持つコア、
−そのコア上に同軸上に施され、第２の屈折率ｎｍ１がｎｍ１＜ｎｃである第２の透明誘電体材料で作成された第１のクラッディングを備える。
【０００２】
このような単一モード光ファイバは、米国特許第３，９９７，２４１号から知られている。既知の光ファイバは、第１および第２のクラッディングで覆われたコアを持つ。第１の屈折率は第２のクラッディングの第２の屈折率よりも高い。それぞれ屈折率を持つ２つの異なる材料を使用する目的は、光ファイバを曲げたときに発生する伝送損失を減少させることである。単一モード光ファイバを使用しなければならないのは、伝送されるレーザ光の空間コヒーレンスが保持されなければならないという制約があるためである。
【０００３】
既知の光ファイバの欠点は、マルチワットレーザ光の伝送を妨げる重大な制限が存在することである。この制限は、ブリルアン散乱しきい値と呼ばれる非線形光学効果によるもので、その効果により、しきい値ＰＢを超えた光は光ファイバを伝送されなくなる。
【０００４】
光の強度が４Ｗよりも高くても効率的な光伝送を可能にする単一モード光ファイバを実現するのが本発明の目的である。
【０００５】
その目的のために、本発明の光ファイバは、第１の透明誘電体材料は実質的に純シリカであり、第２の透明誘電体材料はドープされたシリカであり、第１のクラッディングの厚さは５〜１５μｍの範囲であり、ｎｃとｎｍ１の値は開口数（ＮＡ＝√（ｎｃ２−ｎｍ１２））が０．１未満になり、半径寸法ａが２μｍよりも大きくなるように選択されることを特徴とする。
【０００６】
シリカは、特に光ファイバに適していて、簡単にドープすることができる。ドープされたシリカを第２の材料として使用することで、必要な開口数を得るための適切なドーピング物質を選択することができる。さらに、ドープされたシリカを純シリカと組み合わせることで、以降でさまざまな材料を簡単に組み合わせることができるようになる。
【０００７】
ブリルアン散乱しきい値は、主にコアの断面とファイバの有効長によって決まる。単一モードファイバが使用されるので、以下の式が満たされなければならない。
【０００８】
２πａＮＡ／λ＜２．４０１
【０００９】
ここで、λは伝送される光の波長である。したがって、ＮＡ＜０．１になるように２つの透明材料の屈折率を選択することで、前述の式に反することなくコアの半径を増加することができる。ブリルアン散乱しきい値は、主にコアの断面により決まるので、断面を増加することでそのしきい値を増加し、その結果、伝送される光の電力を増加することができる。ファイバコアの組成は、実質的に純シリカからなるので、たとえば、ドープされたシリカで作成されたファイバコアのようにコアの透明度が低下せず、その結果、そのコア内でのエネルギの吸収によるファイバの透過率が低下せずに、本発明のファイバを通して高電力の伝送を可能にするのに役立つ。ここで考慮している純度は、いわばドープされたシリカから作成されたファイバの第１のクラッディングの薄さによって維持される。実際に、そのような薄さにより、ドーピング剤がクラッディングからファイバのコアに移動するのを、特にコアの製造工程で避ける。
【００１０】
本発明の単一モード光ファイバの第１の好ましい実施形態は、第２の透明誘電体材料のドーピング剤がフッ素またはホウ素から選択されることを特徴とする。これらのドーピング剤は、従来から、ＯＨイオンのようなその他のドーピング剤の場合のように、ファイバコアへ移動してエネルギの伝送時にコアの透過性を低下させることなくｎｍ１の調整を可能にするのに都合がよい。
【００１１】
第２の透明誘電体材料内のドーピング剤は、モル濃度が１〜３％の範囲にあることが好ましい。そのような濃度により、ドーピング剤がファイバコア内に拡散してしまう危険に陥ることなしに、低いＮＡ値を得ることができる。
【００１２】
本発明の単一モード光ファイバの第２の好ましい実施形態では、ファイバの開口数ＮＡは、０．０３よりも大きくなるように、好ましくは０．０４よりも大きくなるように、最も好ましくは０．０５よりも大きくなるように調整される。このような値は、高いブリルアン散乱しきい値を持つ単一モード光ファイバであって、そのコアが、非常に低い、すなわち０．０３未満のＮＡ値を持つファイバのように伝送電力漏れを起こすことなく正常なマイクロベンドが可能な光ファイバを得るのに便利である。本発明の単一モード光ファイバの第３の好ましい実施形態では、ファイバは、第１のクラッディング上に同軸上に施され、第３の屈折率ｎｍ２がｎｍ２＞ｎｍ１である第３の透明誘電体材料から作成された第２のクラッディングをさらに備えることを特徴とする。第２のクラッディングを施すことで、クラッディングの性質に影響することなく第１のクラッディングの寸法を制限することができる。
【００１３】
第１の屈折率ｎｃと第３の屈折率ｎｍ２は同じ値を持つことが好ましい。そのようにすることで、第２のクラッディングは、コアと同じ屈折率を持ち、好ましくは実質的に純シリカである同一の材料で容易に製造することが可能になる。
【００１４】
本発明の単一モード光ファイバの第４の好ましい実施形態では、ファイバがそのファイバの曲げ半径を最小５ｃｍに制限するような弾性材料で覆われることを特徴とする。ファイバの曲げ半径を制限することで、過度の曲げによる損失が制限される。
【００１５】
本発明の単一モード光ファイバの第５の好ましい実施形態では、ファイバの端壁は傾斜角度θがθ＞１／２［π／２−ａｓｉｎ（ｎｃ／ｎｍ）＋ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎｃ）］の傾斜端面を持つことを特徴とする。そのような傾斜角度を課すことにより、端壁で反射する光がファイバ内に反射されて戻り、そのためファイバを通して伝送される光を乱すことが避けられる。
【００１６】
ファイバの末端にはその末端を受け入れる空洞を持つ端部片が設けられ、その空洞の底部にはそれを通過してコアが延在する穴が設けられていることが好ましい。これにより、ファイバを光源に容易に結合することができる。
【００１７】
以降では、本発明の光ファイバの好ましい実施形態を示した図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【００１８】
図１に示すように、単一モード光ファイバ１は、第１のクラッディング３に覆われたコア２を備え、第１のクラッディング３はさらに第２のクラッディング４に覆われる。光ファイバは、波長λが４８０≦λ≦５５０ｎｍの範囲にある光を伝送するために設けられる。通常、光ファイバは、レーザ光線を伝送するために設けられる。
【００１９】
干渉処理を可能にするためにレーザビームの空間コヒーレンスは正確に維持されなければならない。そのような処理が頻繁に適用される技術分野がいくつかある。そのような処理のためには、レーザビームをその発生源から処理が実施されなければならない場所まで伝送する必要がある。しかし、いくつかの制約により、レーザビームの効率的な伝送が制限され、マルチワットの可視光または近赤外光の使用時には、特に伝送が制限される。
【００２０】
この制限の主な原因は、ブリルアン散乱しきい値と呼ばれる非線形光学効果である。ファイバを介して伝送される光の電力がそのしきい値ＰＢよりも高いときには、その光はファイバにより伝送することはできない。そのしきい値は、光が効果的に伝送される部分であるファイバコア２の断面、つまり有効面積（Ａ）と、ファイバの長さとの２つのファイバのパラメータにより求められる。これは、以下のように表現できる。
【００２１】
ＰＢ＝Ｃｂｒ／Ｌｅｆｆ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
【００２２】
ここでＣｂｒは、ファイバコアの断面、ならびにファイバのジオメトリおよび組成により求められるブリルアン散乱効果定数、ＬｅｆｆはＬｅｆｆ＝（１−ｅｘｐ（αＬ））／α　（２）と表される有効ファイバ長、αは吸収係数、Ｌはファイバの物理長である。可視または近赤外の範囲に波長がある光については、αは小さく、Ｌが数メートルの場合、Ｌｅｆｆ≒Ｌを示す。
【００２３】
可視または近赤外の波長では、ファイバにより伝送される光は、レーザ光の空間コヒーレンスを維持するには単一モードでなければならない。その結果、以下の式が成立する。
【００２４】
２πａＮＡ／λ＜２．４０１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
【００２５】
ここで、ａはコア（コアは実質的に円形状である）の半径の寸法、ＮＡはファイバの開口数、λは伝送される光の波長である。開口数は以下のように定義される。
【００２６】
ＮＡ＝（ｎｃ２−ｎｍ１２）１／２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
【００２７】
ここでｎｃとｎｍ１はそれぞれコアの屈折率（第１の屈折率）と第１のクラッディングの屈折率（第２の屈折率）であり、ｎｍ２は第２のクラッディング４の第３の屈折率であるが、開口数には実質的な影響はない。
【００２８】
ｓｉｎ−１（ＮＡ）は、ファイバに結合される光の最大の入力角度を定義する。これは、入射角度がファイバの伝送属性に関係することを意味する。これらの制約に基づき、市販の光ファイバは一般的に値ＮＡ＝０．１を持つ。式（３）を参照すると、ａの値は１．５≦ａ≦２μｍに制限されることが示され、その結果、４８０≦λ≦５００ｎｍの場合、ＰＢ＝７００ｍＷでＬ＝５ｍとなる。
【００２９】
ここでブリルアン散乱しきい値を増加し、その結果、７００ｍＷよりも大きな電力を持つ光をそのファイバにより伝送可能にするために、本発明はファイバの単一モード特性を維持し、７０〜８０％の間にある伝送効率に影響を与えずに開口数ＮＡを減少させることを提案する。
【００３０】
この目的のために、コア、第１のクラッディング、および第２のクラッディングの屈折率ｎｃ、ｎｍ１、ｎｍ２は、コア半径ａ＞２μｍのときにＮＡ＜０．１になるように選択されている。ＮＡ＝０．０５５で、ａ＝３μｍであることが好ましい。そのような値を得るために、好ましくはｎｃ＞ｎｍ１でｎｍ２＝ｎｃのファイバの構造が選択される。ｎｃとｎｍ１との差は、１０−３であることが好ましい。そのような差は、たとえば、第１のクラッディングがドープされたシリカで作成されるのに対して、純シリカで作成されたコアと第２のクラッディングを使用することで得られる。そのようにすることで、ファイバを形成する透明誘電体材料は互換性を持ち、ｎｍ１の値は、ドーピング材料を適切に選択することで求めることができる。選択されたドーピング材料は、たとえば、ホウ素またはフッ素である。シリカは、吸収損失を最小にできるため、コアと第２のクラッディングに適した材料である。
【００３１】
２πａＮＡ／λ＜２．４０１であるため、開口数を制限し、コアの半径を増大することで、単一モードファイバの制約は守られる。しかし、開口数は減少するので、入射角度が減少し、より大きなコア半径を使用してより高い電力の光をファイバに結合することができる。
【００３２】
表Ａは、注入電力の関数で、本発明による異なる長さの（１．５ｍ、３．８ｍ、５ｍ、１０．９ｍ）、開口数が少なく（ＬＮＡＦ）、ＮＡ値が０．０５５で、コア半径が３μｍの４本の光ファイバにより伝送される電力を表す。使用されるレーザビームは、波長が５３２ｎｍで、最大電力が５．５Ｗで放射される連続波Ｎｄ：ＹＡＧである。ブリルアン散乱効果による飽和効果には、１０．９ｍのファイバにおいて、平均値２．５±０．０５Ｗの伝送電力で到達する。したがって、ブリルアン散乱効果定数Ｃｂｒを２７．３±０．５Ｗｍと推定できる。
【００３３】
その結果、数式ＰＢ＝Ｃｂｒ／Ｌｅｆｆを適用すると、ブリルアン散乱しきい値は５ｍファイバについては約５．５Ｗになる。これは、コアの半径の値が約１．５μｍの従来のファイバの最大約１０倍の大きさである。ＰＢの値がファイバのコア断面だけによって決まるとすれば約１０倍ではなく４倍になるはずなので、このパラメータはファイバのコア断面だけによって決まるのではなく、コアに使用される材料、本発明では純シリカや、ファイバのジオメトリによっても決まると結論づけることができる。
【００３４】
同一のレーザビームを５Ｗの光電力で使用して、前述の３．８ｍの光ファイバを１０００時間の連続歪み試験に供した。この試験が原因となる光ファイバの伝送特性の顕著な劣化は見られなかった。これは、ファイバにおける顕著な歪み効果の計測の時間尺度がおそらく大きい（１００００時間のオーダー）ことを示している。
【００３５】
結合光電力が大きい場合の耐損傷試験も、前述の対象ファイバを使用して実施された。後者の光ファイバは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザビームにより５３２ｎｍで発光する１０Ｗの電力の光に２４時間結合された。視認可能な劣化（ファイバの入り口の破壊、コアの不透明化につながる熱機械的影響）は見られなかった。一方、従来のファイバは、２Ｗの光電力で１００時間未満しかそのような劣化には耐えられなかった。電力と時間が比例すると仮定すれば、本発明のファイバについて実施された試験は、２Ｗで１２０時間になる。後者のコアの断面は、従来のファイバのコアの断面の４倍を超える大きさではないので、そのファイバの高い耐久性は、そのコアの断面だけでなく、そのコアを構成する材料、つまり純シリカにも原因があると結論づけることができる。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
図２は、本発明の光ファイバ１のさらなる実施形態を示しており、コアと両方のクラッディングは、ファイバの曲げ半径ｒを最小５ｃｍに制限するように弾性材料５で覆われている。実際に、曲げ半径が５ｃｍを超える場合、ファイバを通して伝送される光の曲げが大きすぎるため、ファイバ内部の反射により損失が発生する。さらに、ファイバを曲げすぎると、コアが不可逆的に変形したり、クラッディングを破損することがある。曲げを制限するほかに、弾性材料はコアとクラッディングの保護も行う。
【００３８】
弾性材料５は、衝撃や機械的な伸張に対しても耐久性を持たなければならない。弾性材料５には重合体を使用するのが好ましい。耐久性をさらに改善するには、ばね６を第２のクラッディングの周囲に巻き付けることが好ましい。ばねの渦巻きは弾性材料５に埋め込まれる。ばねは、金属から作成されるのが好ましく、内部体積、つまりコアとクラッディングが位置する部分を自由な状態に維持しながら、ファイバの曲げを可能にする。
【００３９】
図３に示したように、ファイバ１の端壁１５は、端壁でのフレネル反射をなくすために傾斜した端面を持つ。最小傾斜角度は、以下の式で決定される。
【００４０】
θ＞１／２［π／２−ａｓｉｎ（ｎｃ／ｎｍ）＋ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎｃ）］
【００４１】
ＮＡとｎｃの値に応じて、傾斜角度は少なくとも２°でなければならない。端壁で反射された光１２がコアとクラッディングに再結合されるのを防止するように中心コア軸１１に対して値θ＝４°が選択されるのが好ましい。そのような傾斜角度を選択することは、ブリルアン散乱しきい値を減少させることにもなる。実際、反射光１２は、伝搬された光を減衰させるブリルアン効果を発生する。
【００４２】
実験により、本発明によるファイバは、波長が５００≦λ≦５５０ｎｍのレーザ光を、少なくとも４Ｗの電力と７０〜８０％の効率で、５ｍにわたって伝送することができる。反射防止処理、すずの多層、または反射光１３を主軸１１の外側に偏向する透明材料１４の端壁の追加（図４参照）などのその他の技法も適用してブリルアン散乱しきい値を減少させることができる。
【００４３】
図５は、本発明による端部片７が設けられた単一モード光ファイバを示す。端部片は、光をコアに結合するための補助手段の役割を持つ。第１と第２のクラッディングに覆われたコアの存在と開口数が小さいこととにより、レーザ光源とファイバとの結合が困難になっている。結合が適切でない場合、光がクラッディングに結合されることになり、そのため空間コヒーレンスの喪失につながる。本発明の端部片、つまりマンドレル７により結合が促進され、喪失が減少する。
【００４４】
端部片は、クラッディング４が挿入される空洞を形成する堅い円筒状の管である。その空洞の底に、板９の内側に形成された穴１０が具わる。ファイバはその穴を貫通して外部に出る。空洞は、コアや第２のクラッディングの屈折率よりも高い屈折率を持つ透明な材料、好ましくはエポキシ樹脂で充填される。その透明材料は、端部片の側面に具わるさらなる穴８を介して充填される。
【００４５】
そのようにすることで、第２のクラッディングに結合される光をファイバの端部に到達する前に漏出させることができる。実際、その材料の屈折率は、第２のクラッディングの屈折率よりも高いため、光をもはや全反射させることなく漏出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の光ファイバのさまざまな層を横断する断面を示す。
【図２】
周囲に弾性材料が施された光ファイバを示す。
【図３】
端部片のない光ファイバの端壁を示す。
【図４】
透明材料が設けられた光ファイバの端壁を示す。
【図５】
端部片が設けられた光ファイバ示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004509369.tif 000023
2004509369.tif 000024
【国際調査報告】
2004509369.tif 000025
2004509369.tif 000026
2004509369.tif 000027