(57)【要約】ファイバの端を塞ぐことなくサイドから光ファイバへ実質的な光学パワーを送り込める方法および装置である。好ましくはコア内に希土類ドーパントを含むゲイン媒体を有する特殊光ファイバを提供する。１つまたはそれ以上のランチ部分を特殊ファイバに沿って間隔を持って選び、間に吸収性ループを設ける。ランチ部分は、それらの内側クラッド層（好ましくは、矩形横断面を有する）まで剥ぎ取り、互いに隣り合わせて設置し、それに一致するように形成したランチ・ポートに結合した凸面サイドを有するランチ領域を形成し、このランチ領域の対応する凹面サイドと低屈折率材料が接触している。凹面サイドは、上向きに凸面の支持ブロックによって支持されていると好ましい。励起光は、適切な光学機器によって、ランチ・ポートの１つまたはそれ以上の面に送られる。これらの面は、励起光を伝達する内側クラッド層の屈折率とほぼ一致する屈折率を有する。各面に入射した励起光は、好ましくは、ランチ領域の隣接したランチ部分の総幅とほぼ等しい１つまたはそれ以上のストライプ・ダイオードによって提供される。そして、複数の光源からの結合光を含んでいてもよい。励起光は、ランチ部分間の吸収性ループにおいて特殊ファイバに沿って移動するにつれて、光ファイバのゲイン媒体によってかなり吸収され、それによって、光エネルギがコアにおいて光を発生あるいは増幅するのに貢献する。ランチ・ポート面は、ランチ・ポートへ異なった波長の励起光を伝達しながらも、特殊ファイバ内へ未吸収光を反射して戻すことができる。
2004519840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを形成する方法であって、凸面サイドおよび凹面サイドを構成するランチ領域を有する光ファイバを形成する工程と、ランチ・ポート、基体間に前記光ファイバを押し込む工程とを包含し、ランチ・ポートが、ランチ領域の凸面サイドと一致する凹面を構成しており、基体が、ランチ領域の凹面サイドと一致しており、ファイバを光で励起するような形状を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、コアを有し、また、第１クラッド屈折率を有する材料の第１クラッド層を有する光ファイバを用意する工程を包含し、ファイバが、光学励起光を吸収するためのゲイン媒体を有することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、長さ方向に吸収部分が続く光ファイバの少なくとも１つのランチ部分を構成する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１の方法において、凸面サイドおよび凹面サイドを有するランチ領域に前記少なくとも１つのランチ部分を形成する工程を包含し、前記少なくとも１つのランチ部分の凹面サイドが、第１クラッド屈折率より小さい基体屈折率を有する基体材料と接触していることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１の方法において、ランチ領域の前記少なくとも１つのランチ部分の凸面サイドに一致するするランチ・ポートを形成する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、ランチ・ポートを、結合面を覆うようにランチ領域の少なくとも１つのランチ部分と結合させる工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１の方法において、ランチ・ポートの入力面に光学機器を通して励起光源からの励起光を送る工程を包含し、ランチ・ポートが、実質的に、少なくとも１つのランチ部分の第１クラッドに励起光を導くことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１の方法において、さらに、支持ブロックを用意する工程を包含し、この支持ブロック上に凸面として基体を与えることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８の方法において、支持ブロック上の凸面が、少なくとも１つのランチ部分のほぼ一定の厚さだけ、ランチ・ポートの結合面から分離していることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６の方法において、ランチ・ポートの結合面が、少なくとも１つのランチ部分の第１クラッド層の丸みの付いたい外側形状に一致していることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項３の方法において、特殊光ファイバの少なくとも１つのランチ部分を構成する工程が、複数のランチ部分を構成する工程を包含し、各ランチ部分が、特殊光ファイバの吸収長の分だけ、別のランチ部分から特殊光ファイバに沿って長手方向に分離していることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０の方法において、前記複数のランチ部分の各々が或る長さを有し、そして、ランチ部分の各々をこの長さに沿って別のランチ部分に実質的に隣接して配置する工程をさらに包含することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１の方法において、ランチ領域でランチ・ポートをランチ部分に接着する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１１の方法において、ランチ領域でランチ部分にランチ・ポートを拡散接合する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１１の方法において、１５０ミクロンより長い放射面積を有するダイオード・ストライプから励起光ビームを供給する工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１の方法において、ランチ領域で内側クラッドまで光ファイバを剥く工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１の方法において、基体が空気であることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１１の方法において、特殊光ファイバの第１クラッドの横断面が矩形であることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１の方法において、光ファイバがダブルクラッドを有することを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１１の方法において、第２励起光ビームを供給し、第２の光学機器を介在させ、第２励起光ビームをランチ・ポートの第２面に導く工程をさらに包含することを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１１の方法において、前記面が第１面であり、そして、ランチ・ポートの第２面によって、特殊ファイバからランチ・ポート内に現れる光を特殊ファイバへ反射させて戻す工程をさらに包含することを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１の方法において、前記第２面が、第１波長の励起光を反射するものであり、第２波長の励起光がランチ・ポートに入射するのを許すことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２の方法において、前記第１面が、前記第１波長の励起光を透過させ、前記第２波長の励起光を反射するものであることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１１の方法において、前記面に２つの個別の励起光源から励起光を与える工程を包含することを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２４の方法において、各励起光源からの光を他の励起光源に対して直角に偏光させる工程と、２つの光源からの励起光を偏光ビームスプリッタによって単一のビームに結合してからランチ・ポートに導く工程とを包含することを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２４の方法において、第３、第４の励起光源からの光を結合し、ランチ・ポートの第２面を介して特殊ファイバ内に導くことを特徴とする方法。
【請求項２７】
凹面および凸面の両方を備えたランチ領域を有する光ファイバと、ランチ領域の凸面サイドに対応する凹面を有するランチ・ポートと、ランチ領域の凹面サイドと対応する形状を有する基体とからなる励起式光ファイバであって、ファイバを光で励起するためにランチ・ポートと基体の間に設置したことを特徴とする励起式光ファイバ。
【請求項２８】
請求項２７の装置において、光ファイバが、光学励起光を吸収するゲイン媒体と、クラッド屈折率を有する第１クラッド層と、少なくとも１つのランチ部分と、１つの吸収部分とを有することを特徴とする装置。
【請求項２９】
請求項２７の装置において、各ランチ部分を包含するランチ領域であって、各ランチ部分の第１クラッドが、クラッド屈折率より低い屈折率を有する透明材料と光学的に接触している凹面サイドを有し、そして、対応する凸面サイドを有するランチ領域を包含することを特徴とする装置。
【請求項３０】
請求項２７の装置において、励起光源が光学機器を介して励起光のビームを与えることを特徴とする装置。
【請求項３１】
請求項２７の装置において、クラッド屈折率にほぼ一致する屈折率を有するランチ・ポートが、ランチ領域の凸面サイドに一致するように形成してあり、そして、ポート結合面に沿ってこの凸面サイドに光学的に結合し、さらに、特殊光ファイバの第１クラッド層に案内するために励起光源から光を受け入れる光入力面を有することを特徴とする装置。
【請求項３２】
請求項２９の装置において、前記少なくとも１つのランチ部分が、複数のランチ部分であり、各ランチ部分が、特殊光ファイバの吸収部分の分だけ、特殊光ファイバに沿って軸方向に互いに分離しており、さらに、各ランチ部分が、ランチ領域を形成するように互いに隣接して配置してあり、そして、ランチ・ポートが、ポート結合面に沿ってランチ部分のすべてに光学的に結合していることを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求項３２の装置において、特殊光ファイバの第１クラッドが、矩形の横断面を有し、ポート結合面が、各ポイントのところでほぼ平面平行であり、そして、透明材料、ランチ領域凹面サイド間の接触面の対応ポイントから一定距離のところにあることを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求項３２の装置において、特殊光ファイバの第１クラッドが、円形の横断面を有し、そして、ポート係合面が、ランチ領域のランチ部分の第１クラッドに適合する材料を包含することを特徴とする装置。
【請求項３５】
請求項３２の装置において、特殊光ファイバのランチ部分が、ランチ領域における第１クラッド層の外側にカバーを持っていないことを特徴とする装置。
【請求項３６】
請求項３１の装置において、ランチ・ポートが、ランチ領域における特殊光ファイバの少なくとも１つのランチ部分に光学接着剤で結合してあることを特徴とする装置。
【請求項３７】
請求項３２の装置において、ランチ・ポートが、光学的接触によってランチ領域において特殊光ファイバに結合していることを特徴とする装置。
【請求項３８】
請求項３２の装置において、各ランチ部分の第１クラッド層が、支持ブロック上に配置してあり、この支持ブロックが、ランチ領域の凹面サイドに接触する透明な材料を提供することを特徴とする装置。
【請求項３９】
請求項３８の装置において、特殊光ファイバが、ダブルクラッド・ファイバであり、第１クラッドが、ダブルクラッド・ファイバの内側クラッドあり、そして、矩形の横断面を有し、ランチ・ポートの光入力面が、第１面であり、ランチ・ポートが、第２面を有することを特徴とする装置。
【請求項４０】
請求項３９の装置において、第２面が、光入力面を通して特殊光ファイバの第１クラッドに入って、ランチ・ポートに再び現れた励起光を第１クラッド内へ反射させる表面を包含することを特徴とする装置。
【請求項４１】
請求項３９の装置において、第２面が、第２励起光源からの励起光をランチ・ポートに伝える表面を有することを特徴とする装置。
【請求項４２】
請求項４０の装置において、第２面が、第２励起光源からの励起光をランチ・ポートに伝える表面を有することを特徴とする装置。
【請求項４３】
請求項４２の装置において、第１励起光源からの励起光が、第１波長を有し、第２励起光源からの励起光が、第２波長を有し、第２面が、第１波長の光を反射し、第２波長の光を透過させ、第１面が、第２波長の光を反射し、第１波長の光を透過させ、そして、前記ゲイン媒体が、前記第１波長の励起光を吸収し、前記第２波長の励起光を吸収することを特徴とする装置。
【請求項４４】
請求項４１の装置において、各励起光源が、少なくとも４００ミクロン長のダイオード・ストライプを包含することを特徴とする装置。
【請求項４５】
請求項３２の装置において、前記励起光源が、互いに直交するように偏光した２つの光源ビームを包含し、これらの光源ビームが偏光ビームスプリッタを通して単一のビームに結合されることを特徴とする装置。
【請求項４６】
請求項４５の装置において、各光源ビームが、少なくとも４００ミクロン長のダイオード・ストライプから発することを特徴とする装置。
【請求項４７】
請求項４３の装置において、各励起光源が、互いに直交するように偏光した２つの光源ビームを包含し、これらの光源ビームが偏光ビームスプリッタを通して単一のビームに結合されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本願発明の開示は、光ファイバの分野に関し、更に具体的に言うと、この開示は、光ファイバをベースにした装置から出力パワーを発生したり増大させるための、励起（ポンピング）光ファイバの分野に関し、そして特に、励起用の光を光ファイバへ発射するための機構に関するものである。この発明の開示は、一側面において、励起用ファイバ・レーザおよび増幅器のためのランチ・ポートを論ずる。
【０００２】
（発明の背景）
光ファイバ・システムの分野においては、光ファイバ・ガイドが、光源から利用装置まで光パワーを伝達する。図１を参照すると、光源１０は、波長λＳの光信号ＰＳ１１を、ファイバ１２を通って利用装置１４へ伝えている。光源１０，利用装置１４，ファイバ１２間の連結装置は従来技術でよく知られているところであるので、ここには示さない。ファイバ１２は、コア１６，クラッド（被覆）１８，保護カバー２０を包含する。光源１０は、代表的には、コア内を伝播する情報を運ぶ光信号を提供する。このファイバは、シングルクラッド・ファイバと考られる。また、ダブルクラッド・ファイバもある。ダブルクラッド・ファイバは、コア，第１クラッド，第２クラッド，保護コーティングを有する。ダブルクラッドの場合、シングルモード信号がコア内を伝播して、マルチモード信号が内側クラッドに連結されるようになっており、その結果、内側クラッドが第２クラッドに対するコアとして作用するのである。
【０００３】
数多くの用途で、光信号の発生や増幅を必要としている。たとえば、電気通信、相互衛星光通信と言ったような多種多様な商業的あるいは軍事的な用途や、ミサイル・レーダー追跡システムのために使用される光ファイバ・システムは、光学信号の発生および増幅ということを必要とする。
【０００４】
光ファイバ・ガイド（「ファイバ」）は、典型的には、少なくとも２つの基本的部分を有する。一方の部分はコアであって、そこで光が伝播する。他方の部分は、コアを取り囲むクラッドであり、光がコア内だけを伝播する状態を創り出す。これらのファイバは、増幅しないでコア内でシングルモード光信号を伝えることができ、わずかな背景損失しか発生しない。これらのファイバは、「正規」ファイバと考えることができる。
【０００５】
ゲイン媒体を提供する「特殊」ファイバは、典型的には、エルビウム（Ｅｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム・イッテルビウム（ＥｒＹｂ）、ネオジミウム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｍ）などのような希土類原子でドープ処理したコアを包含していて、光信号の発生あるいは増幅を必要とする用途で利用される。光学エネルギ（ゲイン媒体によるが、典型的には８００〜１４００ナノメートルの波長）を受けたとき、これらの特殊ファイバは、そのレーザー発生上方レベルへ励起された原子を有しており、こうして励起された場合に、光信号を発生したり増幅したりすることができるようになる。ゲイン媒体を提供する特殊ファイバは、容易に正規ファイバにスプライス継ぎすることができるようになっていて、そうなった場合には、ゲイン媒体で発生されたり増幅された光信号を伝えるのである。
【０００６】
典型的なファイバ増幅器は、希土類ドープ処理した「特殊」ファイバ・ゲイン媒体へ連結した光信号源を有する。またゲイン媒体には、そこに光学パワーを入力する光学「励起（ポンプ）」源も、ゲイン媒体からの出力として増幅された光信号を受け取るための利用装置も連結してある。図２を参照して見ると、典型的な光ファイバ増幅システムでは、ゲイン媒体２２はファイバ１２と連結してあり、波長λｐの光信号Ｐｐと結合したときに波長λＳの光信号ＰＳ１１が増幅されるようにし、利用装置１４で使用するための波長λＳの増幅信号ＡＰＳを提供するようになる。
【０００７】
当業者には明らかなように、希土類ドープ処理ファイバに連結した励起パワーが多ければ多いほど、より多くの光信号出力がゲイン媒体によって得ることができる。ゲイン媒体２２の一形態が、「Ａ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ａ Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｎ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｌｅｎｇｔｈ」という名称のＰＣＴ公報ＷＯ９６／２０５１９に記載されている。ここでは、次第にテーパーの付けられたファイバ部分が、そのコア内で光学情報信号を運ぶダブルクラッド・ファイバの内側クラッドに融解される。この融解システムが、本願の図３に概略的に示してある。しかしながら、スプライス継ぎしたカップリングは、励起パワーを単一のファイバに入力し、ファイバ両端に無制限にアクセスできるパワー・スケーラビリティを達成するのに利用できる複数の部位を持つ能力を与えるのであるが、このような融解ファイバー・カプラーは、少々製造するのが困難である。
【０００８】
特殊ファイバへ励起パワーを連結するには種々な方法がある。たいていの用途においては、ファイバ・レーザおよび増幅器は、シングル・モード・ダイオードレーザによって端面励起されるようになっていて、その出力はファイバのコアへ直接連結されている。このような励起構成で達成される最大出力パワーは、現在のところ、約１００ｍＷである。これは、ある程度、典型的に１００〜２００ｍＷというのが、容易に製造される半導体レーザでの最低横断モードでファイバ・コアへ連結されることのできる最大出力レベルである、というためである。
【０００９】
しかしながら、マルチワット励起レベルを必要とする宇宙通信に対するような用途もある。このような更に高い出力パワーは、一般的には、ダブルクラッド・ファイバを用いて達成される。これらのファイバでは、ドープ処理したシングルモード・コアが、ファイバに沿って励起放射線を案内するマルチモード内側クラッドにより囲まれている。典型的には、励起放射線は、或る種の連結用光学機器を備えたファイバ両端部のうちの一方の端部において内側クラッドへと発射される。このような装置の最大出力パワーは、利用できる励起ダイオードの輝度によって制限されるのであるが、出力パワーのうち数十ワットは特定の波長ですでに示されれている。このようになる構成の欠点は、励振源に対する厳しい高輝度要件であるとか、ファイバ両端部へのアクセス性の制限とか、あるいはまた、より高いパワーに比例してゆくのが難しい、などということにある。
【００１０】
シングルモード・ファイバ・レーザあるいは増幅器の効果的な光励起は、特に高出力パワーが必要とされるときに、深刻な問題を呈示する。典型的な端面励起では、高輝度励振源を必要とし、よりいっそう高いパワーへのスケーラビリティ（拡張性）を制限し、ファイバ端へのアクセスを制限する上に、周知のサイド励起技術は製造するのが困難である。したがって、両方のファイバ両端へのアクセスを可能にし、高出力パワーへのスケーラビリティを可能にし、比較的製造が簡単で安価である、というファイバ・レーザおよび増幅器を励起する際に使用するための、効果的で、製造容易な方法および装置に対する必要性がある。
【００１１】
（発明の概要）
本発明は、上記必要性に取り組み、ファイバ両端への無制限のアクセスを許しながら単一のファイバへの効果的かつ拡張可能な光学パワー励起を達成する方法および装置を提供する。さらに、本発明を実施する装置は、シングルクラッド・ファイバでも、ダブルクラッド・ファイバでも使用することができるように作られ、製造も比較的安価である。
【００１２】
本発明によれば、励起用ファイバ部分は、クラッド屈折率を有するクラッド層によって取り囲まれたドープ処理光ファイバ・コアを包含する。励起用ファイバ部分は、ファイバに沿って限定され、吸収部分内へ長手方向に通じる少なくとも１つのランチ部分を有するが、好ましくは、吸収部分の分だけファイバに沿って互いから分離しているような複数個のランチ部分を包含する。ランチ部分（単数または複数）には、凸面サイドと凹面サイドがもたらされており、複数個のランチ部分が使用された場合、ランチ部分が互いに接近して配置されるようになると、１つまたはそれ以上のランチ部分が、凸面サイド及び凹面サイドを有するランチ領域を形成するようになる。
【００１３】
クラッド屈折率にぴたりと合うポート屈折率を有するランチ・ポートには、ランチ領域の凸面サイドとぴたりと嵌合する凹面形状が与えられいる。次いで、ランチ・ポートは、ランチ領域のランチ部分に噛合うようになる。ランチ・ポートは、レーザダイオード・ストライプのような励起光源から、１つまたはそれ以上のサイドで光学励起パワーを受け入れ、そして、ドープ処理した光ファイバのランチ部分へと励起光を伝える。
【００１４】
ランチ領域の凹面サイドは、好ましくは、固形基体と接触しており、この基体が、形状を支え、クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する表面を提供する。ランチ領域のこの凹面サイドについては、低屈折率面を有する支持ブロックを設けるとか、このサイドに空気あるいは低屈折率コーティングを使用するとかの、多くの変形例が可能である。
【００１５】
本発明のいくつかの好ましい実施例によれば、ランチ・ポートは、２つの方向からファイバ・コイル内へ光を案内する。１つの好ましい実施例では、２つのダイオード・ストライプを設け、適切な光学機器が、各ダイオード・ストライプからランチ・ポートの２つのサイドのうち一方のサイド（一般的には、断面台形である）に光を送る。
【００１６】
別の好ましい実施例においては、単一のダイオード・ストライプおよび光学機器が、ランチ・ポートの単一サイドへ光を誘導するが、ファイバからランチ・ポートへ再度現れる残余の光は、ランチ・ポートのもう一方の表面からの適当な反射を使用してファイバ内へ反射戻される。
【００１７】
他の好ましい実施例においては、ランチ・ポートの一方のサイドは、第１波長で透過性となり、第２波長では反射性となり、一方、別のサイドは、第２波長で透過性となり、第１波長で反射性となる。その結果、励起光が２つの方向からランチ・ポート内へ案内され得ると共に、各光源からの残余の光は、ファイバ内へ反射戻され、効率性を向上させるのである。
【００１８】
また別の好ましい実施例においては、２つのレーザダイオード・ストライプからの励起光は、まず、互いに交差するように偏光されてから、ビームスプリッタ装置内で結合されると、入力された光学パワーはほとんど２倍になる。このように得られた光学パワーは、ランチ・ポートの１つの入力面に伝えられる。別の好ましい実施例では、２つの付加的なレーザダイオード・ストライプを使用している同様な構成からの光学パワーが、同じランチ・ポートの反対側サイドへ伝えられることができるようになる。また別の好ましい実施例では、２つの異なる波長で光を提供するこのように結合された２つの光源が、１つのランチ・ポートの２つの面へ向けられるようになっていて、各々のランチ・ポート面は、波長の一方では導電性となり、他の波長では透過性となり、ハイパワーで効率的な励起機構を形成するようになる。
【００１９】
（実施例の説明）
本発明は、好ましくは、ファイバ・レーザまたは増幅器のアクティブ・ゲイン媒体として希土類ドープ処理ファイバを利用する。ドープ処理ファイバ４１は、或る好ましい構成の場合、図４に示すようにコイル状に配置する。ドープ処理ファイバ４１は、好ましくは、矩形の横断面を有する内側クラッド４０を備えたクラッド励起式（ＣＰ）ファイバであるが、アクティブ媒体コアは、図４には示していない。外側クラッド４２が、ランチ・ポート４４および支持ブロック４６付近で剥ぎ取ってある。ファイバの剥ぎ取った部分を支持ブロック４６上に密着させ（後述するように必要に応じて介在基体も一緒に設置する）、上向きに凸面のランチ領域を形成する。ランチ・ポート４４は、好ましくは、ランチ領域における上向き凸面ファイバの輪郭に一致するような形状であり、詳細領域４８を示す図７及び図８でより明確にわかるように、上向き凸面ファイバの上に配置し、結合する。ランチ・ポート４４は、第１励起光入力面４３を有し、第２励起光入力面４５も有し得る。詳細領域４８付近を除いて、ドープ処理ファイバ４１のコイルの図４の描写は概略的に過ぎず、特にこのような配置のコイルとする必要はない。
【００２０】
支持ブロック４６は、ランチ領域にファイバ形状を組み付けることができる。内側クラッド４０は、代表的には、融解シリカ（ｎｃｌ＝１．４５）で作る。その場合、支持ブロック上方で剥ぎ取った外側クラッド４２による内側クラッド４０の損失を最小限に抑えるために、内側クラッド４０が低屈折率基体材料（たとえば、Ｄｕｐｏｎｔ ＴｅｆｌｏｎＴＭ ＡＦ１６００（ｎｓ〜１．３）またはＭｇＦ２（ｎｓ〜１．３７３））と接触していると好ましい。たとえば、ＡＦ１６００の薄層は、任意互換性ある材料で作った支持ブロック４６に適用したとき、このような基体を形成することになる。あるいは、支持ブロック４６全体をＭｇＦ２のような低屈折率重合体で作ってもよく、そうすれば、別の基体が不要となる。実際には、支持ブロック４６は任意である。ランチ領域の凹面サイドは、単に空気と接触したままであってもよいし、あるいは、接触を許容しなければならない場合には低屈折率コーティングで覆ってもよい。
【００２１】
図５は、好ましくは矩形横断面を有するシングルクラッド・ドープ処理ファイバ５０を利用している本発明の別の実施例を示す。この実施例において、シングルクラッド・ファイバ５０は、支持シリンダ５６に緊密に巻き付けることができる。ここで、この支持体が、非円筒形の形状（たとえば、楕円または偏心体）でもよく、ランチ領域曲率とは無関係にループ長さを変えることができるということは了解されたい。主として、詳細領域４８においてランチ領域の適切な曲率を確立し、図７，図８に関連してより詳しく説明するように、ランチ・ポート４４が、それが配置されるファイバ５０の部分に適切に結合できることが必要である。
【００２２】
ファイバ５０が矩形横断面を有し、基体上方で支持ブロック４６の表面に容易に結合できると好ましい。しかしながら、円形横断面ファイバ５０を利用すると都合がよいときもある。その場合、支持ブロック４６が使用するならば、円形ファイバ５０横断面の下半分の半円形部分に結合するようにすると好ましい。これは、たとえば、ファイバ５０を支持ブロック４６上に配置する前に、低屈折率基体７０（たとえば、Ｄｕｐｏｎｔ ＡＦ１６００）に適合する光学接着剤（たとえば、Ｎｙｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｏｆ Ｆａｉｒｈａｖｅｎ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓから入手可能）を塗布することによって達成され得る。あるいは、図１３に示すように、ＡＦ１６００より粘性の高い材料の低屈折率基体７０を支持ブロック４６にあてがい、材料がファイバ５０に一致するほどまだ柔軟なうちにこの基体上にファイバ５０を配置してもよい。さらに別の実施例としては、ＡＦ１６００のような低屈折率材料で被覆したか、あるいは、ＭｇＦ２のような低屈折率材料から形成したかを問わず、支持ブロック４６を機械加工してファイバ５０を配置するに適した形状としてもよい。構造上の要件が許す場合には、支持ブロックを省略してもよい。この場合、ランチ領域の凹面サイドが空気または低屈折率コーティングと接触する。
【００２３】
図６は、図５の実施例の頂面図である。ランチ・ポート４４は、支持体５６まわりに巻き付けたドープ処理ファイバ５０の複数のランチ部分を覆っている。レンズ６２は、ランチ・ポート４４上へダイオード・ストライプ６６からの光を合焦する光学機器を概略的に表しており、レンズ６４は、ランチ・ポート４４上へダイオード・ストライプ６８からの光を合焦する光学機器を表している。ここで、ファイバ５０のランチ部分を互いに横方向に隣り合わせて配置するのがベストであり、ダイオード・ストライプ６６、６８からファイバ５０のクラッドへの光の伝達効率を最大にできることは了解されたい。
【００２４】
図７は、図４，図５に関連して説明した詳細領域４８の側面図である。励起光入力面４３，４５を含む代表的なランチ・ポート４４の台形横断面をより明確に見ることができる。低屈折率基体７０は、この実施例では、支持ブロック４６上方で用いており、したがって、作動温度で寸法的に安定し、使用した基体材料（たとえば、ＴｅｆｌｏｎＴＭ ＡＦ１６００）と互換性がある限り、広範囲にわたる材料から形成することができる。ファイバ・コア７１は、希土類元素でドープ処理してゲイン媒体を形成する。好ましい実施例においては、ランチ・ポート４４の底は、ファイバ５０に適合する輪郭となっており、その結果、ランチ・ポート４４は、インタフェース７５のところでファイバ５０のクラッド４０と結合する。他の結合形状寸法も可能である。たとえば、クラッド４０を平坦に研磨してもよいし、ランチ・ポート・インタフェース７５が一致するように平坦であってもよい。この実施例においては、励起光入力面４３，４５は、好ましくは、励起ビーム伝播方向に対して直角に形成し、反射防止（ＡＲ）コーティングを与えてある。
【００２５】
ランチ・ポートは、クラッド屈折率に一致するポート屈折率を有する。ポートおよびクラッドは、好ましくは、融解シリカである。ランチ・ポートは、接着、光学的接触または拡散結合によって、ランチ領域においてファイバに取り付けてもよい。パワー密度が過剰でないときには、クラッドおよびランチ・ポートの屈折率と一致した屈折率を有する低吸収性光学接着剤を使用してもよい（たとえば、Ｎｙｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｏｆ Ｆａｉｒｈａｖｅｎ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓから市販されているものを使用してもよい）。過剰な振動を受けないより高いパワー実施例の場合、光学的接触を用いるとよい。より高いパワーの場合には拡散結合も使用し得るが、拡散結合に必要とされる高温がＴｅｆｌｏｎＴＭ ＡＦ１６００と適合せず、また、たいていのダブルクラッド・ファイバの外側クラッドとも適合しないので、特殊な設計上の問題を有する。
【００２６】
ここに端面図で示す第１ダイオード・ストライプ６６からの光は、第１光学機器６２によって集められて第１励起ビーム７６を形成する。この第１励起ビームは、第１励起光入力面４３を横切って第１ダイオード結像面７３に合焦し、ランチ・ポート／クラッド・インタフェース７５を通って移動した後にファイバ・クラッド４０内でかなり良く整合することになる。第２ダイオード・ストライプ６８は、第２光学機器６４を通して光を励起して第２励起ビーム７８を形成する。この第２励起ビームは、第２励起光入力面４５およびインタフェース７５を横切って第２ダイオード結像面７４に合焦し、第１励起ビーム７６とは反対の方向でクラッド４０と良く整合する。ファイバ内側クラッド４０に発射された励起パワーは、ファイバ５０に沿って伝播し、コア７１の希土類ドーパントによって吸収される。装置効率を最大にするので、励起パワーのすべてが吸収されることが望ましい。しかしながら、ファイバにおける１ラウンドトリップ後に残っている励起放射線は、ランチ・ポートのところで損失を受けてからポート４４に再び現れる。システムの効率を向上させるべくこのような損失を最小限に抑えるために２つの一般的な方法がある。第１方法においては、後述するように、励起光の大部分を吸収するのに充分に長いファイバ・ループを使用する。第２方法においては、図８，図９に関連して以下にさらに説明するように、吸収部分を通って移動した後にランチ・ポートに再び現れる光をファイバ５０に反射させるようにランチ・ポートを改造する。
【００２７】
（ループ長さを通しての吸収）
良好な励起光吸収を達成する達成する１つの手段は、ドープ処理ファイバ４１にとって充分なループ長さを選ぶことである。ドープ処理ファイバ４１のループ長さ（図４）は、好ましくは、励起パワーの９０％がラウンドトリップ毎に吸収されるように選定する。たとえば、図４，図６に示した実施例において１．５５μｍで作動するＥｒ／Ｙｂドープ処理したダブルクラッド・ファイバ増幅器を考える。コアｌｃｏにおける励起吸収長（ｌ／ｅ）は、それぞれ、９８０ナノメートルで０．７ｃｍ、９２０ナノメートルで２．１ｃｍである。クラッドにおける励起吸収長は、クラッド、コア面積比、Ａｃｌ／Ａｃｏ、すなわち、ｌｃｌ＝ｌｃｏＡｃｌ／Ａｃｏに比例する。ここで８μｍコア直径および８０μｍ矩形クラッドを仮定すると、それぞれ、９８０ナノメートル、９２０ナノメートルの励起放射の場合、ｌｃｌは、８９ｃｍ、２６７ｃｍである。したがって、それぞれ、９８０ナノメートル，９２０ナノメートルの励起の９０％が、それぞれ、２０５ｃｍ，６１５ｃｍ長のファイバにおいて吸収される。ハイパワー用途においては、寄生非線形効果を発生する可能性を減らすので、より短いファイバ長がしばしば望ましい。上記のことからわかるように、クラッド面積対コア面積Ａｃｌ／Ａｃｏの比を減らすことで、全ファイバ長を短縮することができる。他のゲイン媒体および励起光波長についての好ましいループ長も同様の要領で算出することができる。９０％の吸収が好ましいけれども、吸収効率と寄生損失との妥協がより短いファイバを使用することを示唆している。そして、寄生損失が小さい場合には、９０％を超える吸収長が有用であるかも知れない。
【００２８】
（漏出励起光の再循環）
或る種の波長、ゲイン媒体の組み合わせの場合、単一のラウンドトリップ内で励起光の大半を吸収するのに適したループ長を得るのが難しいこともある。これは、図５に示す構成の場合に特に問題である。支持シリンダの直径が、実際に、数十センチメートルに限られており、したがって、ループ長がそれに比例して限られるからである。図８は、漏出励起光を反射させてファイバ内へ戻すことによってポートのところでの損失を減らしながら接続効率を高める別の方法を示している。図８において、励起ビーム７８がランチ・ポートの一方のサイド（４５）に入射するときに励起光がダイオード・ストライプ６８から与えられる。ファイバまわりで１トリップの完了後にファイバを漏出する光８６は、ポートのサイド４５と反対側のサイドに設置したミラー８２によってファイバに戻される。ミラー８２は、第２励起光入力面を置き換え、シングル入力ランチ・ポート８０を創り出す。ミラー８２は、ポートの一方のサイドを球面に研磨し、そこに反射コーティングを付着させることによって作る。ファイバ５０の出力面８４（ランチ・ポート８０、ファイバ・クラッド４０間のインタフェース７２の縁８８のところでファイバを直角に横切っている）が、ミラー８２によってそれ自体に戻されて結像する。このようにして、ファイバ自己像平面８４からランチ・ポートに現れる残余の励起光８６は、クラッド４０内へ反射して戻る。
【００２９】
図９は、図７，図８両方の原理を使用している実施例を示しており、これは、吸収性ファイバ・ループを通しての１ラウンドトリップ後にランチ・ポート９０に再び現れる光を反射して、クラッド内へ戻す２サイド型ランチ・ポートを利用している。第１波長λ１（たとえば、９１５ナノメートルであり得る）を有する第１励起ビーム７８が、焦点面７４のところでファイバ・クラッド４０内へ光学機器６４およびランチ・ポート９０を通して合焦する。ファイバ・クラッド４０を通しての１ラウンドトリップ後に吸収されないままである励起光は、なおλ１のままの漏出光８６として平面７３（ランチがファイバ・クラッド４０に結合するところ）から始まるランチ・ポート９０内へ戻って現れ得る。第１透過／反射コーティングがランチ・ポート面９２に設けてあり、第１波長λ１の光を反射してファイバ・クラッド４０内へ戻すようになっている。この第１コーティングは、また、光源から入力した第２波長λ２（たとえば、９２５ナノメートル）の光を光学機器６２を通して第２励起ビーム７６として伝達する。このようなコーティング（第１波長で透過性、第２は長で反射性）は、この技術分野では周知である。
【００３０】
ランチ・ポート入力面９２は、したがって、λ２の光に対しては透過性であり、λ１の光については反射性であり、一方、ランチ・ポート入力面９４のコーティングは、λ１の光に対しては透過性であり、λ２の光に対しては反射性である。したがって、ファイバのループまわりに移動した後にランチ・ポート９０に再び現れる励起ビーム７６からの、λ２の残余の光８９が、ランチ・ポート面９４によって反射し、クラッド４０内へ戻り、残余の光８６が面９２によって反射されることになる。
【００３１】
イッテルビウムは、その広い吸収バンドにより、図９に示す実施例のための好ましい希土類ドーパントであり、少なくとも１０ナノメートルだけ異なる波長（たとえば、９１５〜９２５ナノメートル）で励起光を効率よく吸収することが可能である。エルビウムのような他のドーパントを使用して同じ方法を使用することも可能であるが、エルビウムの吸収バンドが狭いので、１つの波長で透過性、別の波長で反射性となるコーティングを創り出すのがもっと難しくなる。別の方法としては、２つの異なったドーパント（たとえば、エルビウムとイッテルビウム）をファイバ・クラッドにおいて結合し、各々の吸収センタで１つの励起光源を得ることがある。したがって、１つのランチ・ポート入力面のコーティングは、エルビウムの吸収ピークに位置する波長を有する光を透過させ、イッテルビウムによって吸収される波長で光を反射する。一方、他のランチ・ポート入力面のコーティングは逆にふるまう。同じ原理によって、２つの励振源は、同じドーパントの２つの異なった吸収ピークで光を提供することができる。
【００３２】
（ランチ・ポート、励起光源、光学機器の形状寸法対光学パワー伝達）
光ファイバに入力した全光学パワーは、励起光源およびポートの形状寸法によって、その効率と共に影響を受ける。
【００３３】
全ファイバ長は、吸収部分（＋小ランチ部分）の長さとこのような吸収部分すなわち「巻回部」の数の積である。巻回部の数は、ランチ・ポートの有効幅を所望の励振光源６６、６８に一致させることによって決まる。ランチ・ポート有効幅は、ファイバに結合した台形ブロックの幅によるよりもむしろ、隣り合ったファイバの総幅で決まり、製造上の便利さのために拡大可能である。ここで、容易に入手できるような３Ｗを発する４００ミクロン長のシングル・ストライプ・ダイオード源を考える。ストライプ方向においてＭ＝１倍率を持つ円筒状の光学機器６４，６６を、ランチ・ポート４４内へ励起パワーを送るのに用いてもよく、その場合、少なくとも４００ミクロン幅でなければならない。代表的な正方形横断面の内側クラッドは、１つのサイドで８０μｍである。５つの隣り合った８０μｍファイバ・ループを加えて、光源ダイオードに一致する４００μｍの全長を創り出す。この構成においては、９８０励起を選んだならば、全ファイバ長、１０．３ｍが好ましい。ストライプ・ダイオードの他の長さも利用できる。実際、現在のところ、１０，０００ミクロン長のダイオードが一連の端面突き合わせダイオードとして製造される。このような長いダイオードは、一般的に、より高いパワー出力を有し、より大きい数のファイバ巻回部に順応可能である。
【００３４】
光源ダイオード・ストライプに対して垂直な方向について光学機器の適切な倍率を決定するために、ランチ・ポート下方のクラッドの開口数（ＮＡ＝（ｎｃｌ２−ｎｓ２）１／２）は、励起ビームをクラッドでキャプチャするように考えなければならない。劣った質の光に順応することができるか、あるいは、励起ビームの非吸収部分のパワー拡散を減らすより効率の良いランチ・ポート形状寸法を可能にするので、可能な限り最大の開口数を有することが常に有利である。最大開口数は、最低屈折率を有する基体（図７，図８参照）、たとえば、ＴｅｆｌｏｎＴＭ ＡＦ１６００で覆った基体を用いることによって達成される。この基体は或る種の組み立て技術（たとえば、拡散接合）には適合しないので、まず、比較的高い屈折率を有する最適より低い基体（たとえば、ＭｇＦ２で作った支持ブロック４６）を考える。
【００３５】
ＭｇＦ２基体（ＮＡ＝０．４５）上の融解シリカ・クラッドの場合、ストライプに対して垂直な方向におけるダイオード棒のＮＡ〜０．５よりいくぶん低い。したがって、倍率Ｍ＞１．１をこの方向には使用しなければならない。しかしながら、この倍率では、ビームの焦点スポット幅は、ダイオード・ストライプの幅よりそれほど大きくなく、代表的には約１ミクロンであり、ビームが合焦するクラッドは、代表的には、約８０ミクロン幅である。したがって、焦点スポット・サイズを増大させ、より大きな倍率、たとえば、Ｍ＝５を使用することができる余裕はたくさんある。このような大きい倍率は、ランチ・ポートでの励起ビームのＮＡを減らし、それによって、システム損失を減らす。以下、ポートでの励起ビームについてＮＡ＝０．１となるＭ＝５を仮定する。
【００３６】
台形ランチ・ポートの高さＨは、励起光入力面で全ビームに対応できるに充分に大きくなければならない。この場合、制限がＨ＞２ＮＡＬ／２ｎとなる。ここで、Ｌは、台形の全長であり、ｎは、ランチ・ポート材料の屈折率である。Ｈ＝１ｍｍの場合、これはＬ＜１０ｍｍを与える。ランチ・ポート４４の台形横断面の最長サイドの長さＬは、ランチ・ポート４４、ファイバ・ランチ部分（単数または複数）間でインタフェース７５に沿った物理的接触をまたぐ長さｌを超えていなければならない。ランチ部分の半径がＲ＝１０ｃｍであり、そして、ランチ・ポートが深さｄ＝３０μｍまでランチ部分を受け入れるような形状であるならば、インタフェース７２の接触長ｌ＝２（２Ｒｄ）１／２＝４．９ｍｍとなり、これは上記で決定した最大長Ｌより小さい。もしランチ部分がより小さい半径を有するか、または、より浅い深さでランチ・ポートと結合するならば、ランチ・ブロックの長さは、それ相応に減少し、分散損失がより小さくなる。
【００３７】
（光学パワー入力の増大）
図１０は、２つの光源ビームの偏光結合によってファイバ・クラッド４０に送り込まれる光を増大させる方法を示している。偏光用ビーム・スプリッティング・キューブ１０４が励起ダイオード・ストライプ１０８Ａからの光を直接伝達し、これが、光学機器１０７Ａによってコリメートされ、符号１０３で示すように偏光される。ダイオード・ストライプ１０８Ｂは、符号１０１で示すように偏光した光を提供し、この偏光が、次に、偏光半波長プレート１０６によってシフトされ、半波長プレート１０６から現れる光の偏光が、符号１０２で示すようになる。このように偏光された光は、偏光用ビーム・スプリッティング・キューブ１０４によって９０度反射され、ダイオード１０８Ａからの光と同じ方向に現れる。ランチ・ポート４４（支持シリンダ５６に示す）に入る前に、結合したビーム（互いに直角に偏光されている）は、レンズ１０９によって再合焦する。
【００３８】
図１０に示す方法では種々の変形例が可能である。たとえば、図１１は、ダイオード・ストライプ１０８Ａ，１０８Ｂを示しており、これらは互いに平行に向いている（すなわち、本ページに対して直角になっている）。これはランチ・ポート９０の幅に対しても平行である。それ故、偏光ビームスプリッタ１０４を細長くして、少なくともダイオード・ストライプ１０８Ａ，１０８Ｂの長さを延びる矩形四辺形を形成している。コリメーティング・レンズ１０７Ａ，１０７Ｂおよび偏光半波長プレート１０６は、図１０と同じ機能を果たす。ダイオード・ストライプ１０８Ａ，１０８Ｂからの結合励起光はビーム７８を形成する。図１１は、ランチ・ポート９０の面９２だけを通ってファイバ・クラッド４０に入射して焦点面７４に合焦するビーム７８を示している。ファイバのループを移動した後、交差面７３でランチ・ポート９０に再入射する残余の光８６は、反射性被覆した面９４から反射されることになる。
【００３９】
図１１に示すビームの結合は、４つの励起ダイオードからファイバ・クラッド４０に光を効果的に入力するために、図９に示すようなランチ・ポート９０と共に使用し得る。この場合、装置の出力パワーは、２つの３Ｗダイオードの出力をランチ・ポートの各端で偏光カップリングと結合し、それによって、全利用可能パワーを必然的な損失より少ない１２Ｗに持ってゆくと仮定することによって評価することができる。８０％のカップリング効率の場合、９Ｗ以上の励起パワーが得られ、８Ｗ以上が、実際にアクティブ媒体によって吸収される。代表的には、４０％の変換効率がＥｒ／Ｙｂ増幅器について予想され、これは、単ステージ増幅器からの３Ｗ出力より多いことになる。もしより多くのパワーが必要な場合、いくつかのステージを、それらの間にスプライス継ぎしたファラデー絶縁器と共に使用してもよい。
【００４０】
（ランチ・ポート、ファイバの結合）
図１２は、ドープ処理コア７１まわりに矩形横断面を有する内側クラッド４０を有するファイバの隣り合ったランチ部分（７つ示す）間のインタフェースを強調した図１１（または任意他のポート実施例）の横断面である。ランチ領域の凹面サイド上の材料７０は、支持ブロック４６でもあるいは支持ブロック上の基体、あるいは、単なる空気もしくは低屈折率コーティングであってよい。材料７０とランチ領域のファイバとの間のインタフェース４７は、屈折率一致光学接着剤を含んでいてもよい。ランチ部分は、互いに密接に隣り合っている。ランチ・ポート９０の材料８９は、インタフェース７５に沿ってランチ領域に結合し、このインタフェース７５は、屈折率一致光学接着剤を含んでいてもよい。点線は、ランチ・ポート９０の底を示しており、ここでは、ランチ領域はもはや進入していない。クラッド厚が一定であるから、インタフェース７５の各ポイントは、本質的に、インタフェース４７の対応ポイントに対して平面平行である。
【００４１】
図１３は、円形横断面のファイバを使用している同じインタフェースを示している。材料８９は、効果的に隣接したファイバのクラッド４０に一致している。これは、たとえば、好ましくはインタフェース７５に沿った屈折率一致光学接着剤と一緒にランチ・ポート９０を機械加工することによって達成され得る。材料７０は、たとえば、基体上の光学接着剤の組み合わせであってもよいし、あるいは、インタフェース４７に柔軟に一致する光学材料であってもよい。材料７０は、物理的な支持体を与えるように固体である必要はなく、空気でも、あるいは、単に低屈折率コーティングであってもよい。
【００４２】
本発明を、その好ましい実施例および別の実施例について説明してきたが、ここで、少なくとも２００ミクロン長から１０，０００ミクロン長の、励振光源ダイオード用の広範囲にわたる長さでも各実施例がさらに機能するということに注目されたい。さらに、本発明は、ここで説明したように、あるいは、この技術分野で公知となっているように広範囲にわたるゲイン媒体と一緒に実施可能であり、また、広範囲にわたるファイバ・サイズ、材料と一緒に実施可能である。さらに、パワーを上下に容易に変更可能であり、当業者の能力内で種々の変形例、実施例が可能である。したがって、ここで、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の形態、用途において種々の変更をなしえることは了解されたい。したがって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術による光ファイバ・光源・利用装置の横断面である。
【図２】
ファイバ・光源・利用装置が光学励起を使用するゲイン媒体を有する従来技術の光ファイバ・システムを概略的に示している。
【図３】
情報搬送ファイバへのテーパー付き励起ファイバの接続を表わしている。
【図４】
本発明のダブルクラッド・ドープ処理ファイバの実施例の側面図である。
【図５】
本発明のシングルクラッド・ドープ処理ファイバの実施例の側面図である。
【図６】
２つの励起光源を有する図５の具体例の概略頂面図である。
【図７】
図４の実施例のランチ・ポート・エリアの詳細図である。
【図８】
図７のランチ・ポートのシングル光源・戻し反射実施例である。
【図９】
２波長２光源導電性／反射性ランチ・ポートである。
【図１０】
１つのランチ・ポート入力面のために２つの励起光源を結合した状態を示す。
【図１１】
２つの励振光源の別の偏光式組み合わせを示す。
【図１２】
矩形ファイバを使用しているランチ・ポート・インタフェースの横断面である。
【図１３】
円形ファイバを使用しているランチ・ポート・インタフェースの横断面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際公開パンフレット】
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2004519840.tif 000017
2004519840.tif 000018
2004519840.tif 000019
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
2004519840.tif 000047
2004519840.tif 000048
2004519840.tif 000049