(57)【要約】  軸方向と、軸方向に対して垂直な断面とを備える光導波路が示される。その光導波路はコア領域を備える。コア領域は一体に形成されるホログラムを含み、ホログラムは光導波路の第１の軸方向セグメントに沿って延在し、第１の軸方向セグメントは第１の軸方向長を有する。断面において見たホログラムは、無変更屈折率を有するコア領域のエリアとは異なる変更済み屈折率を有する書き込まれた素子を有する微細構造を含む。
2016537659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路であって、
軸方向と、
前記軸方向に対して垂直な断面と、
コア厚を有するコア領域と、
を備え、前記コア領域は一体に形成されるホログラムを含み、前記ホログラムは前記光導波路の第１の軸方向セグメントに沿って延在し、前記第１の軸方向セグメントは第１の軸方向長を有し、前記断面において見た前記ホログラムは、無変更屈折率を有する前記コア領域のエリアとは異なる変更済み屈折率を有する書き込まれた素子を有する微細構造を含む、光導波路。
【請求項２】
前記光導波路は光ファイバーであり、前記コア厚はコア径である、請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記ホログラムは、前記ホログラムの軸方向端部が前記光導波路の端面から５００μｍ以下に位置するように配置される、請求項１に記載の光導波路。
【請求項４】
前記書き込まれた素子は、前記コア厚の０．０１％〜４０％である断面寸法を有する、請求項１に記載の光導波路。
【請求項５】
前記書き込まれた素子は、細長い素子として形成される、請求項１に記載の光導波路。
【請求項６】
前記細長い素子は、前記光導波路の前記軸方向に対して平行に向けられる、請求項５に記載の光導波路。
【請求項７】
前記書き込まれた素子は、前記コア領域内で非対称に配置される、請求項１に記載の光導波路。
【請求項８】
前記書き込まれた素子は、前記コア領域内で対称に配置される、請求項１に記載の光導波路。
【請求項９】
前記変更済み屈折率は、前記無変更屈折率より、０．００５〜０．０５だけ低いか、又は高い、請求項１に記載の光導波路。
【請求項１０】
前記第１の軸方向セグメントの前記長さは１０μｍ〜１０００μｍである、請求項１に記載の光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１３年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／７５８，２０７号及び２０１３年１０月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／８８９，８５５号の優先権の利益を主張し、いずれも本出願の譲受人によって所有され、その全体を引用することにより本明細書の一部をなす。
【０００２】
本発明は、光導波路に関し、詳細には、コア領域を備える光ファイバーに関する。本発明は更に、そのような光導波路又は光ファイバーを備える光学デバイスに関する。最後に、本発明は、光導波路又は光ファイバーのコア領域の屈折率を変更する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
最近になって、フューモードファイバー（ＦＭＦ）が、分散補償、１２００ｎｍ未満の異常分散及びモード分割多重化伝送システムのような、数多くの応用形態を通して益々関心を集めている。大抵の応用形態の場合に、基本モードと、より高次のモードとの間の効率的なモード変換が必要とされ、幾つかの方法が提案され、実証もされてきた。
【０００４】
最新のモード変換器は、通常、長周期回折格子、又は位相板若しくは空間光変調器のような自由空間素子のいずれかを用いることによって形成される。数ミリメートルから数センチメートルまでの全長を有する長周期回折格子をファイバーに書き込むことができる。しかしながら、位相板又は空間光変調器に基づくモード変換器は、相対的に嵩が大きく、変換効率が低いという難点がある。さらに、長周期回折格子は、ファイバーの導波モード間にのみ結合することができ、ファイバーの設計によっては極めて狭い帯域幅を有する可能性がある。
【０００５】
一般的に、従来技術は、特定の目的に合わせて調整することができる導波路を欠いている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、目的に合わせてビーム整形又はモード整形できるようにする新たなタイプの光学素子を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、ファイバーの導波モードと任意の入力又は出力モード分布とを更に変換することができる、モード変換のために用いられるファイバー長周期回折格子に対するよりコンパクトな代替形態を提供することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、一体に形成されたモード変換器又はビーム整形器を備える導波路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、導波路であって、軸方向と、前記軸方向に対して垂直な断面と、を備え、この光導波路はコア厚を有するコア領域を備え、コア領域は一体に形成されるホログラムを含み、ホログラムは導波路の第１の軸方向セグメントに沿って延在し、第１の軸方向セグメントは第１の軸方向長を有し、断面において見たホログラムは、コア屈折率及び無変更屈折率を有するエリアとは異なる変更済み屈折率を有する書き込まれた素子を有する微細構造を含む、導波路を提供する。
【００１０】
大抵の場合に、ホログラムはファイバーのコアに形成されることが好ましいが、より一般的に言うと、ホログラムは、光の電磁プロファイルを実質的に共有しているファイバーの任意の領域内に形成できることは理解されたい。
【００１１】
したがって、光導波路のコア領域に所望のパターンを書き込むことからホログラムが形成されることがわかる。したがって、個々の書き込まれた素子は、コア領域の厚さ又は高さより短い寸法を有する。さらに、無変更屈折率はコア屈折率に等しいことは明らかである。
【００１２】
書き込まれた素子はコア領域の無変更エリアとは異なる屈折率を有するため、書き込まれた素子は、光導波路のコア領域内で軸方向に伝搬する光の電磁プロファイルを変更する場合がある。それにより、コア領域内の特定の位置における屈折率を選択的に変更する、例えば、個々の書き込まれた素子が、コア領域の無変更エリアに比べて、或る特定の軸方向長及び屈折率差を有するようにすることによって、ビーム整形又はモード整形を非常に正確に実行することができる。ホログラムの設計は所望のビーム整形から計算することができ、一般的に、ホログラムは、任意のタイプのビーム整形又はモード整形を実行することができる。全体として、本発明は、特定の目的に合わせて調整することができる導波路を提供する。
【００１３】
その場合に、ビーム整形又はモード整形ホログラムは、例えば、モード変換のために用いられる長周期回折格子に比べて非常にコンパクトにすることができる。これは、生じる場合がある任意の非線形性を低減し、それにより更に、本発明による導波路を利用するモード変換器が、より高いレベルの光電力を処理できるようにする。
【００１４】
ホログラムは位相ホログラムを含むことが有利な場合がある。ホログラムは軸方向長及び断面微細構造を有するので、そのホログラムは、バルクホログラム（bulk hologram）又は位相体積ホログラム（phase volume hologram）と認識することもできる。しかしながら、一般的には、ホログラムの設計は、所望のビーム整形から計算することができ、伝搬方程式を解くことに基づくことができる。
【００１５】
導波路のコアは、種々のタイプからなることができ、例えば、ステップインデックスコア、グレーデッドインデックスコア、又は更に複雑な構造からなることができることが認識されている。しかしながら、一般的には、ホログラムは１つのエリアを画定し、そのエリアでは、第１の軸方向セグメントが、導波路のコアを変更し、かつ所望のビーム整形、モード変換などを提供するように書き込まれた構造を備える。したがって、コア領域は、ファイバー長の大部分に沿って元の形状及び組成を含むことができ、ファイバーの第１の軸方向セグメント内でのみ変更される場合があることがわかる。コア領域の無変更エリアは、コア屈折率として規定される屈折率を有する。
【００１６】
第１の実施形態では、光導波路は光ファイバーであり、コア厚はコア径である。こうして、ホログラムは、光ファイバーのコア領域内に書き込まれる。
【００１７】
上記のように、ホログラムは、到来する電磁プロファイルを、ホログラムから送出される所望の電磁プロファイルに変更するように構成することができる。したがって、ホログラムの組成は、所望のプロファイル変更に従って計算することができ、それに応じて書き込むことができる。好ましくは、ホログラムは、導波モードから所望の電磁プロファイルに、又はその逆に光を変換するように構成される。
【００１８】
書き込まれた素子は、コア内のエリアを放射源によって照射することによって、コア領域内に形成されている場合がある。放射源は、高出力レーザー、例えば、高出力パルスレーザーであることが有利な場合がある。現時点では、フェムト秒レーザーがホログラムを書き込むのに特に適していると考えられる。しかしながら、ＵＶレーザー又はＣＯ２レーザーのような他のレーザー又は放射源を用いることもできる。
【００１９】
有利な実施形態では、ホログラムは、ホログラムの軸方向端部が光導波路の端面から５００μｍ以下に位置するように配置される。ホログラムの軸方向端部と光導波路の端面との間の距離は、２５０μｍ以下とすることもでき、更には１００μｍ以下にすることができる。それにより、光は、光導波路の大部分に沿って伝搬するのに望ましいモード形状又は導波モード、例えば、導波モードを有することができ、ホログラムは光の位相及び／又は強度プロファイルを変換するためにファイバーの端面付近においてのみ利用される。ホログラムは、光の内部結合又は光の外部結合のいずれかに関連して用いられる場合がある。
【００２０】
光導波路はコア領域を包囲するクラッディング領域を更に備えることができ、クラッディング領域はクラッディング屈折率を有し、クラッディング屈折率は、光導波路の第１の軸方向セグメント内で軸方向において変化しない。言い換えると、導波路のコア領域内にのみホログラムが形成される。有利なことに、クラッディング屈折率はコアの屈折率より低い。クラッディングは、異なる屈折率を有する異なるクラッディング層を備えることができる。しかしながら、導波路又は光ファイバーはコア領域のみを備える場合があることも明らかである。
【００２１】
第１の軸方向セグメントの長さは１０μｍ〜１０００μｍとすることができる。第１の軸方向セグメントの長さは１０μｍ〜７００μｍ、更には１０μｍ〜５００μｍとすることもでき、更には１０μｍ〜３００μｍとすることもできる。全体として、第１の軸方向セグメントの長さ、それゆえ、ホログラムも、モード変換のために用いられる対応する長周期回折格子よりはるかに短いことがわかる。
【００２２】
書き込まれた素子は、上記のように、導波路のコア厚又はコア径より小さい。書き込まれた素子は、例えば、コア厚の０．０１％〜４０％である断面寸法を有することができる。書き込まれた素子の断面寸法は、例えば、０．５μｍ〜１０μｍとすることができる。断面寸法は、書き込まれた素子の断面径であることが好ましい。
【００２３】
書き込まれた素子は、細長い素子として形成することができる。実際には、細長い素子は、単一の接続された素子として成形することができる。しかしながら、細長い素子は、複数の別々に書き込まれた素子から構成されるように分割される場合もある。したがって、別々の素子は相互間隔を有する場合がある。しかしながら、ホログラムをできる限りコンパクトにさせるために、その間隔は狭いことが好ましい。書き込まれた素子の屈折率とコア領域の残りのエリアの屈折率との間の屈折率差に基づいて所望の位相変化及び強度変化を与えるために、別々の素子は、組み合わせられるときに所定の長さを有しなければならない。
【００２４】
細長い素子は、光導波路の軸方向に対して平行に向けられることが有利な場合がある。しかしながら、原理的には、細長い素子は、ファイバーの軸方向に対して斜めに向けられる場合もある。そのように向けられた細長い素子を用いて、幾つかのフィルター効果を得ることができると考えられる。また、ホログラムの微細構造、それゆえ、その設計は、光導波路の軸方向において異なる場合があることも明らかである。
【００２５】
第１の実施形態では、ホログラムは、１つのモードから他のモードに、例えば、基本モードから高次のモードに、又はその逆に光を変換するように構成される。ホログラムは複雑なビーム整形に適応することができるため、そのホログラムは、原理的には、任意の２つのモード間で光を変換するように構成することができる。この実施形態は、マルチモードファイバーの場合に特に有用である。
【００２６】
また、ホログラムは、光導波路内の２つの導波モード間の位相差を補償するように構成することができる。別の実施形態では、ホログラムは、フィルターとして機能するように構成される。フィルターは、例えば、ノッチフィルターとすることができる。
【００２７】
第３の実施形態では、ホログラムは、光学的機能を有する回折光学素子である。その回折光学素子は、例えば、レンズ素子として機能することができる。したがって、そのレンズ素子は光導波路の端面から送出される光を合焦することができる。これは、内視鏡のような異なる光学デバイスにおいて用いられるのに有利な場合がある。代替的には、レンズ素子は、受光レンズとして機能することができ、ファイバーのコア領域への光の改善された内部結合を提供することができる。
【００２８】
本発明は複雑なビーム整形を提供できるようにするため、原理的には、モード変換及び回折光学素子を同じホログラムにおいて実現することができる。したがって、モード変換及び光学的機能は、１つのホログラムに統合することができる。しかしながら、有利な実施形態によれば、光導波路は２つのホログラムを設けられる。したがって、本発明は、コア領域が更なる一体に形成されるホログラムを含む導波路も提供し、そのホログラムは光導波路の第２の軸方向セグメントに沿って延在し、第２の軸方向セグメントは第２の軸方向長を有する。更なるホログラムは、第１のホログラムと同様に、断面において見るときに、コア屈折率及び無変更屈折率を有するエリアとは異なる変更済み屈折率を有する書き込まれた素子を有する微細構造を含むことが明らかである。更なるホログラムは、書き込まれた素子からなる第１のホログラムと同じ寸法制約で、すなわち、同様の軸方向長及び断面寸法を有するように設計することができる。
【００２９】
一実施形態では、第１のホログラムは、第１のモードから第２のモードに光を変換するように構成され、更なるホログラムはレンズ素子のような回折光学素子である。したがって、２つのホログラムは、最初に、例えば、高次モードから基本モードにモードを変換し、その後、光導波路の端面から放射される光を合焦するように、組み合わせて機能することができる。代替的には、レンズ素子は、基本モードからの光の内部結合を容易にすることができ、第１のホログラムは、その後、光導波路の大部分に沿って導波するために光を高次モードに変換する。
【００３０】
別の実施形態では、有利には光が強度変更ホログラムを通って伝搬し、その後、位相変更ホログラムを通って伝搬するように、第１のホログラムは光の位相プロファイルを変更するように構成され、更なるホログラムは光の強度プロファイルを変更するように構成される。
【００３１】
第１のホログラム及び更なるホログラムは、相互軸方向間隔を有するように配置することができる。相互軸方向間隔は、例えば、１μｍ〜１００μｍ、更には１μｍ〜５０μｍとすることができる。また、相互軸方向間隔は０μｍ〜１μｍとすることもできる。したがって、２つのホログラムが当接する場合があることがわかる。
【００３２】
書き込まれた素子は、コア領域内に非対称に、例えば、光導波路又は光ファイバーの長手方向の軸の回りで非対称に配置することができる。非対称に配置される書き込まれた素子は、例えば、対称モードと反対称モードとの間の変換、又はその逆の変換、例えば、ＬＰ０１とＬＰ１１との間の変換を容易にすることができる。
【００３３】
代替的には、書き込まれた素子はコア領域内で対称に、例えば、光導波路又は光ファイバーの長手方向の軸の回りで対称に配置される。対称に配置される書き込まれた素子は、例えば、対称モードから対称モードへの変換又は反対称モードから反対称モードへの変換、例えば、ＬＰ０１からＬＰ０２への変換、ＬＰ０１からＬＰ０７への変換、又はＬＰ１１からＬＰ１２への変換を容易にすることができる。
【００３４】
一実施形態では、書き込まれた素子の変更済み屈折率は、コア領域の無変更エリアの屈折率より低い。代替の実施形態では、書き込まれた素子の屈折率はより高い。変更済み屈折率は、一般的に、空気の屈折率より高くすることができる。変更済み屈折率は、コア屈折率より、０．００５〜０．０５、更には０．００５〜０．０２５低くするか、又は高くすることが有利な場合がある。
【００３５】
また、本発明は光導波路を含む光学デバイスも提供し、導波路は軸方向と、軸方向に対して垂直な断面とを備え、光導波路はコア厚を有するコア領域を備え、コア領域は一体に形成されるホログラムを含み、ホログラムは光導波路の第１の軸方向セグメントに沿って延在し、第１の軸方向セグメントは第１の軸方向長を有し、断面において見られるホログラムは、コア屈折率、及び無変更屈折率を有するエリアとは異なる変更済み屈折率を有する書き込まれた素子を備える微細構造を含む。光導波路は、コア径を有するコア領域を有する光ファイバーとすることが有利な場合がある。
【００３６】
一実施形態では、光学デバイスは、第２の光導波路、有利には第２の光ファイバーを更に備える。第１の光導波路又はファイバーの端面は、第２の導波路又はファイバーの端面付近に配置することができる。２つの導波路又はファイバーの端面は、第１のファイバーのコア領域が第２のファイバーのコア領域付近に配置されるように配置されることが好ましい。簡単な構成では、これは、ファイバーコネクタによって実行することができる。本発明による光学デバイス内の端面という用語は、界面に対応することが明らかである。したがって、端面という用語は、２つの光導波路又はファイバー間の界面を規定する場合もあるか、又は１つのファイバータイプ又はコアタイプから別のファイバータイプ又はコアタイプへの移行部を規定する場合もある。
【００３７】
第１の光導波路及び第２の光導波路は、互いにスプライスすることもできる。スプライシングは、例えば、機械的スプライシング又は融着スプライシングとすることができる。
【００３８】
一実施形態では、第１の光導波路のホログラムは、光を第１の光導波路の導波モードから第２の光導波路の導波モードに変換するように構成される。これは、電磁界分布を、第２のファイバー内の選択されたモードを最適に励起する形状に変更するホログラムによって得ることができる。
【００３９】
ホログラムが第１の光導波路内に配置され、好ましくはその端面付近に位置すると説明されるが、第２の光導波路のコア領域内にホログラムを配置することによって同じ結果を達成できることも同様に認識されている。さらに、２つのファイバー内の導波モード間の効率的な変換を得るために、第１の光導波路は、好ましくは光導波路の端面付近に第１のホログラムを含むことができ、第２の光導波路は、好ましくは第２のファイバーの端面付近に第２のホログラムを含むことができることが明らかである。また、単一の光導波路又はファイバー内にホログラムを形成し、その後、２つの他の光導波路又はファイバー間にその光導波路又はファイバーを配置することも可能である。
【００４０】
一実施形態では、第１の光ファイバーは、シングルモード光ファイバーである。第２の光導波路は、フューモードファイバー、マルチモードファイバー、ラージモードエリアファイバー、又はラージモードエリア高次モードファイバーである。本発明は、シングルモードファイバー（ＳＭＦ）からフューモードファイバー（ＦＭＦ）への導波モードの変換のために特に適している。また、本発明は、ＳＭＦからラージモードエリア高次モード（ＬＭＡ−ＨＯＭ）ファイバーへの変換にも適しており、ホログラムは、ＬＭＡ−ＨＯＭファイバーの高次モードに、又はその逆に結合するように、目的に合わせて調整することができる。
【００４１】
一実施形態では、光学デバイスはモード変換器であり、広帯域モード変換器であることが有利である。
【００４２】
別の実施形態では、光学デバイスは内視鏡である。ホログラムは、この実施形態では、第１の光導波路の端面から放射される光を合焦するレンズ素子として設計することができる。
【００４３】
本発明は、軸方向と、軸方向に対して垂直な断面とを備える光導波路、好ましくは、光ファイバーのコア領域の屈折率を変更するための方法を更に提供し、
コア領域はコア径と、コア屈折率とを有し、
その方法は、
コア領域の体積空間をコア屈折率とは異なる変更済み屈折率に変更するように、かつホログラムを形成するように、その体積空間に照射するステップを含み、なお、ホログラムは光導波路の第１の軸方向セグメントに沿って延在し、第１の軸方向セグメントは第１の軸方向長を有し、
断面において見られるホログラムは、コア屈折率及び無変更屈折率を有するエリアとは異なる変更済み屈折率を有する書き込まれた素子を有する微細構造を含む。
【００４４】
その方法の一実施形態では、コア領域の体積空間に照射するステップは、以下のステップ：ａ）第１の体積空間に照射することによって、光導波路のコア領域内の第１の体積空間の屈折率を変更するステップと、ｂ）更なる体積空間に照射することによって、光導波路のコア領域内の更なる体積空間の屈折率を変更することと、ｃ）ホログラム内の変更済み体積空間と無変更体積空間との間の所望の空間分布が得られるまで、ステップｂ）を繰り返すステップとを含む。
【００４５】
書き込まれる個々の体積空間は、光導波路のコア領域内に変更済み屈折率を有する小さなボクセルとして認識することができる。
【００４６】
一実施形態では、コア領域は光導波路の端面から照射される。それにより、体積空間が光導波路の側面から書き込まれる構成に比べて、光導波路のコア領域内の変更済み体積空間又はボクセルの書込みを制御するのが容易になる。コア領域は光導波路の軸方向に対して実質的に平行な方向から照射されることが有利な場合がある。
【００４７】
それにより、ファイバーの軸方向に対して平行な細長い素子を、より容易に書き込むことができる。
【００４８】
別の実施形態では、変更済み屈折率を有する体積空間を形成するために、フェムト秒レーザーのような超短パルスレーザーを用いて、光導波路のコア領域に照射する。
【００４９】
既知の屈折率変更を誘発するために、各体積空間を所定の時間にわたって照射することができる。屈折率変更は、照射される光のパワーと、体積空間が照射される時間とによって決まる。パルスレーザーを用いるとき、屈折率変更は、その体積空間内に合焦されるパルスの数によって決まる。これにより更に、所与の波長における長さ当たりの所与の電磁界変化がもたらされる。
【００５０】
ホログラム内の変更済み体積空間と無変更体積空間との間の所望の空間分布は、到来する光の電磁界分布と、ホログラムから送出される光の所望の電界分布とに基づいて計算することができる。したがって、所望の組成を得るために、異なる体積空間を露光するたびに照射点を移動させることができる。屈折率の変化は既知であるので、それにより、所望の全電磁界分布変化を得るために、個々の書き込まれる素子の軸方向長を計算することができる。ここでは、露光するたびにファイバー又は書込み構成が移動すると説明されるが、ホログラムは、ファイバー又は書込み構成を掃引することによって連続して書き込むことができることも認識されている。
【００５１】
一実施形態では、放射源は固定光学システム内に取り付けられ、光導波路は並進ステージ上に配置される。並進ステージは、３つの方向（ｘ、ｙ及びｚ）内で並進できることが好ましく、それにより、変更済み体積空間の位置を非常に正確に制御することができる。それにより、ホログラムの空間的組成も非常に正確に書き込むことができる。
【００５２】
本発明は図面を参照しながら、以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１ａ】本発明による光ファイバーの側断面図である。
【図１ｂ】本発明による光ファイバーの断面図である。
【図２】本発明によるスラブ導波路を示す図である。
【図３】本発明による光ファイバーの第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明による光ファイバーの第３の実施形態の断面図である。
【図５】本発明による光ファイバーの第４の実施形態の断面図である。
【図６】本発明による光ファイバーの第５の実施形態の断面図である。
【図７】第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを備える、本発明による光学デバイスを示す図である。
【図８】本発明による光ファイバーの第６の実施形態の側断面図である。
【図９】本発明による光ファイバーの第７の実施形態の側断面図である。
【図１０】ファイバーのコア領域にホログラムを書き込み、かつ遠距離場測定を実行するための実験構成を示す図である。
【図１１】対数目盛において示される測定された遠距離場強度の一例を示す図である。
【図１２】光ファイバーのコア領域の変更済みエリアの幾何学的形状の図及び顕微鏡画像を示す図である。
【図１３】測定された遠距離場径方向強度プロファイル及びシミュレートされた遠距離場径方向強度プロファイルを示す図である。
【図１４】シミュレーションにおいて用いられる変更の屈折率変化及び半径の関数として、対数目盛上において偏差の和の二乗を示す図である。
【図１５ａ】２つのモード間の消光比及び結合効率を示す図である。
【図１５ｂ】２つのモード間の結合効率を示す図である。
【図１６】本発明による、提案されたモード変換器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
図１は、本発明による光ファイバー１０を示す。図１ａは、光ファイバー１０の側断面図であり、図１ｂは、図１ａの線Ｉ−Ｉに沿ってファイバーを見た断面図である。その光ファイバーは、コア径Ｄと、コア屈折率ｎｃとを有するコア領域１２を備える。コア領域１２は、一体に形成されたホログラム１４を備え、ホログラムは長さＬ１を有する第１の軸方向セグメント１６に沿って延在する。図１ｂから明らかであるように、ホログラム１４は、書き込まれた素子１８を有する微細構造を含む。書き込まれた素子は変更済み屈折率ｎｅを有し、変更済み屈折率は無変更コア屈折率ｎｃを有するコア領域のエリアとは異なる。光ファイバー１０のコアは種々のタイプからなることができ、例えば、ステップインデックスコア、グレーデッドインデックスコア、又は更に複雑な構造からなることができることが認識されている。したがって、その光ファイバーは、光ファイバーの大部分に沿ってそのようなコアタイプを備え、コア構造は、ホログラム１４の軸方向の長さに沿ってのみ変更される。
【００５５】
書き込まれた素子１８は、コア領域１２内の小さな体積空間に照射する、例えば、フェムト秒レーザーのような超短パルスレーザーを用いて、光ファイバーのコア領域１２内に書き込まれている場合がある。既知の屈折率変化を誘発するために、各体積空間は所定の時間にわたって照射される場合がある。屈折率変化は、照射される光のパワーと、その体積空間が照射される時間とによって決まる。パルスレーザーを用いるとき、屈折率変化は、体積空間内に合焦されるパルスの数によって決まる。これにより更に、所与の波長における長さ当たりの所与の電磁界分布変化がもたらされる。書き込まれた素子１８は、断面において見られるとき、直径ｄｅ又は最大内側寸法を有する。書き込まれた素子は、コア領域１２の直径Ｄより小さな直径を有する。書き込まれた素子の直径ｄｅとコア領域１２の直径Ｄとの間の比は、２％〜４０％であるのが有利な場合がある。
【００５６】
図示される実施形態では、書き込まれた素子１８は、２つの円又はリング２４、２６に沿って配置される。個々の書き込まれた素子１８は、ここでは、その間に空間を有するように示されるが、原理的には、それらの素子が連続したリングを形成するように書き込むことができる。これは、個々の素子が重なり合うように書き込むことによって、又はファイバー若しくは書込み構成を掃引運動によって移動させることによって実行することができる。
【００５７】
図１ａにおいて見られるように、個々の書き込まれた素子１８は、光ファイバー１０の軸方向に、かつ軸に平行に延在する細長い素子２２を形成する。再び、細長い素子２２は、相互間隔を有している個々の書き込まれた素子１８によって形成されることがわかる。しかしながら、細長い素子は、連続した素子を形成することもできる。したがって、リング及び細長い素子は、組み合わせて、１つ又は複数の円筒シェルを形成することができる。書き込まれた素子の屈折率とコア領域の残りのエリアの屈折率との間の屈折率差に基づいて所望の電磁界分布変化を与えるために、別々の細長い素子２２は、組み合わせられるときに所定の長さを有しなければならない。
【００５８】
図示される実施形態は、１つのクラッディング層２０のみを有する。しかしながら、光ファイバー１０は複数のクラッディング層を含むことができることが認識されている。さらに、本発明は、コア領域のみを有する、すなわち、クラッディング層を一切用いない実施形態も意図している。
【００５９】
図示される実施形態は、２つの円２４、２６に沿って配置される書き込まれた素子１８を備えるが、書き込まれた素子は種々の方法において配置することができる。図４は、光ファイバー２１０のコア領域２１２において単一の円又はリングのみに沿って配置される書き込まれた素子２１８を有する光ファイバー２１０の一例を示す。したがって、書き込まれた素子は、光ファイバー２１０のコア領域２１２内に円筒シェルを形成する。図１及び図４に示されるような対称に配置される書き込まれた素子を有する実施形態は、例えば、対称モード間、又は非対称モード間のモード変換のために適用可能な場合がある。図５は、光ファイバー３１０のコア領域３１２内に半円に沿って配置される書き込まれた素子３１８を有する光ファイバー３１０に関する別の実施形態を示す。したがって、書き込まれた素子３１８は、光ファイバー３１０のコア領域３１２内に半円筒シェルを形成する。非対称に配置される書き込まれた素子を有する実施形態は、例えば、対称モードを非対称モードに、又はその逆に変換するために適用可能な場合がある。書き込まれた素子は、円に沿って配置される必要はなく、光ファイバーの軸に対して平行に延在する平面内に配置することもできる。そのような実施形態が図６に示されており、幾つかの書き込まれた素子４１８が、光ファイバー４１０のコア領域４１２内の２つの平面内に配置される。図６の書き込まれた素子４１８は狭い相互間隔を有するように示されるが、書き込まれた素子は連続した素子として書き込まれる場合もあることが認識されている。これは、重なり合う素子を書き込むことによって、又は書込みビームに対して掃引運動するようにファイバーを移動させることによって実行することができる。
【００６０】
図１及び図４〜図６に示される実施形態は、例示することのみを意図している。光ファイバーのホログラムは、一般的に、任意の種類のビーム整形又はモード整形のために用いることができる。したがって、本発明は、導波路を通って伝搬する電磁界分布を変換するための多用途導波路及び方法を提供する。ホログラム内の変更済み体積空間と無変更体積空間との間の所望の空間分布は、到来する光の電磁界分布と、ホログラムから送出される光の所望の電磁界分布とに基づいて計算することができる。誘発される屈折率の変化は既知であるので、所望の全電磁界分布変化を得るために、個々の書き込まれる素子の軸方向長を計算することができる。
【００６１】
第１の軸方向セグメントの長さは、１０μｍ〜１０００μｍとすることができ、１０μｍ〜３００μｍにすることが有利な場合がある。ホログラムは、ホログラムの軸方向端部が光導波路の端面から２５０μｍ以下に位置し、有利には１００μｍ以下に位置するように配置することができる。
【００６２】
図１に示される実施形態及び種々の以下の実施形態は、光ファイバーに関連して説明されるが、図２に示されるようなスラブ導波路６０のような他のタイプの光導波路に適用可能であることが認識されている。図１の光ファイバーと同様に、スラブ導波路６０は、厚さｔを有するコア領域６２と、包囲するクラッディング７０とを備える。書き込まれた素子１８を備えるホログラムは、スラブ導波路６０のコア領域６２内に形成されている。
【００６３】
光ファイバー又は導波路は複数のホログラムを備えることができる。図３は、そのような実施形態を示しており、第１のホログラム１１４及び第２のホログラム１３４が、クラッディング領域１２０が包囲する光ファイバー１１０のコア領域１１２内に形成される。２つのホログラム１１４、１３４は、所望のビーム整形又はモード整形を実行するために相補的にすることができるか、又は異なる変換を実行することができる。２つのホログラム１１４、１３４は、２つのホログラム１１４、１３４が合わせてコンパクトなユニットを形成するように、互いに近接して、例えば、１００μｍ未満の間隔で配置されることが有利な場合がある。
【００６４】
本発明による光ファイバー又は導波路は、光ファイバー内の導波モード間の変換、又は２つのタイプの光ファイバーのモードの変換のような種々の目的のために用いられる場合がある。図７は、第１の光ファイバー５１０と、第２の光ファイバー５６０とを備える、本発明による光学デバイス５００を示す。第１の光ファイバー５１０は、例えば、コア領域５１２とクラッディング領域５２０とを備えるシングルモードファイバー（ＳＭＦ）とすることができる。第２の光ファイバー５６０は、コア領域５６２を備えるフューモードファイバー（ＦＭＦ）とすることができる。第２の光ファイバー５６０のコア領域５６２は、複数の書き込まれた素子５６８を備える第１のホログラム５７４と、複数の書き込まれた素子５８８を備える第２のホログラム５９４とを含む。２つのホログラム５７４、５９４は、例えば、導波モードをシングルモードファイバー５１０から、フューモードファイバー５６０のＬＰ０２モードに変換することができる。また、光学デバイスは逆の態様でも、すなわち、ＦＭＦ内の導波モードがＳＭＦの導波モードに変換されるようにも機能する。図示される実施形態では、１つ又は複数のホログラムがＦＭＦにおいて書き込まれるが、それらのホログラムがＳＭＦにおいて書き込まれる場合があるか、又はＳＭＦ及びＦＭＦにおいて書き込まれる場合があることが認識されている。さらに、第１の光ファイバー５１０と第２の光ファイバー５６０との間に配置される第３の光ファイバー内にホログラム（複数の場合もある）を書き込むこともできる。２つの光ファイバー５１０及び５６０は、ファイバーコネクタを介して接続される場合があるか、又は互いにスプライスされる場合がある。
【００６５】
ホログラムは、合焦及び／又はビームスプリッティングのような１つ又は複数の光学的機能を実行するように構成される回折光学素子として設計することもできる。図８は、本発明による光ファイバー６１０の側断面図である。光ファイバー６１０はコア領域６１２と、包囲するクラッディング６２０とを備える。ホログラム６１４は、光ファイバー６１０のコア領域６１２に書き込まれる。ホログラム６１４はレンズ素子として設計され、光ファイバー６１０の端面から放射される光を合焦する。そのような光ファイバーは、例えば、内視鏡において用いるのに適している場合がある。
【００６６】
レンズ素子は、例えば、光ファイバーのコア領域への光の効率的な内部結合のために、逆方向モードにおいて機能することもできる。図９は、コア領域７１２と、包囲するクラッディング７２０とを備える光ファイバー７１０の側断面図である。レンズ素子の形をとるホログラム７１４が、光ファイバー７１０のコア領域７１２に書き込まれ、レーザーダイオード又はＶＣＳＥＬのような、光源７４０から放射される光の効率的な内部結合を容易にすることができる。
【実施例】
【００６７】
以下において、本発明を実証するために実行されてきた実験を説明する種々の例が開示される。
【００６８】
屈折率変化のその後の定量的解析とともに、ファイバーに書き込まれた基本的な屈折率構造が実証される。屈折率変化の大きさ及び空間的広がりは、ファイバー変更前後に測定された遠距離場プロファイルの測定値を数値シミュレーション及び光学顕微鏡画像と比較することによって、これらのプロファイルから得られる。その後、同じ数値法を用いて、ＬＰ０１−ＬＰ０２モード変換器のための設計を提案する。
【００６９】
実証するために用いられた実験構成が図１０に示される。光ファイバー８１０が電動ｘｙｚステージ８１２に取り付けられ、Ｔｉ：サファイアレーザー８１４から出力される８００ｎｍ、１００ｆｓが、顕微鏡対物レンズ８１６（Ｏｌｙｍｐｕｓ  ＵＰＬＳＡＰＯ２０ＸＯ、油浸８１８）を用いて、光ファイバー８１０の内部に合焦される。ファイバーへの最大実効書込み深度は３００μｍである。ファイバー位置を可視化するために、ファイバーの他端に広帯域光源８２０が接続され、送出された光は、上記の対物レンズと、ｆ＝１００ｍｍ色消しレンズ８２４とからなる光学システムを用いてカメラ８２２によって集光される。ここで実証される例では、書き込まれた構造は、ファイバー軸に対して平行であり、かつファイバー軸を中心に配置される複数の線である。それらの線は、１ｋＨｚの繰り返し数において動作するＴｉ：サファイアレーザー８１４からのマイクロメートル当たり１０００パルスを用いて、対物レンズの直前において測定された１００ｎＪのパルスエネルギーで書き込まれる。書込みプロセス前に、ファイバー被覆が機械的に除去され、ファイバー端が劈開される。ホログラムはファイバーの端面から書き込まれることが明らかである。最終的なホログラムを構成する書き込まれた素子を形成するために、光ファイバーは、露光するたびに、ｘｙｚステージ８１２によって移動させることができる。
【００７０】
遠距離場撮像の場合に、同じｘｙｚステージ８１２及びファイバーマウントが使用された。これらの測定のために、広帯域光源は、１５０ｍＷ出力パワーを生成する自作のエルビウムドープファイバー増幅器と組み合わせたＤＦＢレーザー（Ｔｈｏｒｌａｂｓ  Ｓ３ＦＣ１５５０）からなる、１５５０ｎｍ光源８２６と置き換えられる。遠距離場におけるパワーは、ファイバープローブ８３０を備える高ダイナミックレンジパワーメーター８２８を用いて測定される。プローブ８３０は、高開口数エアークラッドファイバー８２８（ＮＡ＝０．４８、φ５０μｍコア）である。パワーを測定しながら、横断面においてファイバーを走査することによって、遠距離場画像が得られ、その結果として、図１１に示されるプロファイルが生成され、そのプロファイルは、対数目盛における測定された遠距離場強度の一例である。ファイバー端までの距離ｄは１６．３ｍｍである。遠距離場プロファイルは、屈折率書込みの前後で測定された。
【００７１】
屈折率変化を特定するために、測定された遠距離場プロファイルが数値シミュレーションと比較された。そのシミュレーションにおいて、半径ａ及び長さＬに関して変更は均一であり、その後、長さＤｅの１本の無変更ファイバーが続くと仮定された。後者の２つのパラメーターが図１２（ａ）に示されており、図１２（ｂ）のような、画像から得られた実験では、光学顕微鏡（Ｌｅｉｃａ  ＤＭＲ）を用いて撮影された。その画像は、屈折率整合油においてファイバーの側面から撮影された。無変更ファイバーは、４．５μｍのコア半径及び０．００５＠１５５０ｎｍのコア−クラッディング屈折率差を有する標準的なステップインデックスシングルモードファイバー（ＳＭＦ）である。破線は、光ファイバーのコア領域とクラッディング領域との間の境界を示す。無変更部分及び変更済み部分のファイバーモードは、有限差分法によって１次元スカラー波動方程式を解くことによって見いだされる。
【００７２】
伝搬のために、転移が急激であると仮定して、標準的なモード結合理論が使用された。入力はＳＭＦの基本ＬＰ０１モードであると仮定され、変更済みファイバー内のＬＰｌｍモードへの重なり積分が計算される。その変更は円筒対称性を有し、ファイバー軸を中心にし、それゆえ、ｌ≠０を有するモードへの結合は対称性によって禁止されると仮定される。
【００７３】
各モードを位相因子ｅｘｐ（ｉβｍＬ）と乗算することによって電磁界がファイバー内で伝搬する。ただし、βｍは変更済みファイバー内のＬＰ０ｍモードの伝搬定数である。ここで、変更済み領域からＳＭＦに変換して戻し、残りの距離Ｄｅを通して光をファイバーの端部まで伝搬させることによって、その手順が繰り返される。その後、ハンケル変換を使用し、適切な補正を適用することによって、遠距離場パターンが計算される。遠距離場測定はファイバーに対してステージを横方向に走査することによって行われるので、これらの補正は、半径ｄを有する円弧から距離ｄにある平面への変換に起因する座標変換及び強度補正の両方を含む。さらに、エアークラッドファイバーの傾斜係数及び角度依存結合効率εｅｆｆに起因する補正も適用される。後者及び距離ｄは、シミュレートされた曲線を無変更遠距離場プロファイルに一致させることによって得られる。
【００７４】
図１３は、測定された遠距離場強度プロファイルと、最もよく一致するシミュレートされた曲線とを示す。第１の曲線８４０は、無変更ファイバーのプロファイルを示し、一方、第２の曲線８４２、第３の曲線８４４及び第４の曲線８４６は３つの異なる変更を表す。それらの変更は長さＬ及び深さＤｅに関してのみ異なり、第１の変更（第２の曲線８４２で示される）の場合、それぞれ２４μｍ及び４１μｍであり、第２の変更（第３の曲線８４４で示される）の場合、それぞれ２７μｍ及び２９μｍであり、第３の変更（第４の曲線８４６で示される）の場合、それぞれ２５μｍ及び１１μｍである。これらの径方向プロファイルは、測定された２Ｄプロファイルを方位角にわたって平均することによって得られるため、網掛けエリアは測定不確実性を表す。黒の破線の曲線は、シミュレートされたプロファイルを表す。３つ全ての変更が同じレーザーパラメーターで書き込まれるため、屈折率変化の大きさ及び半径は、３つ全ての場合に同じになるはずであることは留意されたい。３つの破線の曲線は、単一の１組の屈折率変化パラメーターを用いるシミュレーションを表しており、それらのパラメーターは、３つ全ての測定値を同時にできる限り一致させるように選択された。図示されるシミュレーションは、Δｎ＝−０．０１５及びａ＝０．６μｍを用いて得られた。第２の変更及び第３の変更は、明確にするために、それぞれ１０ｄＢｍ及び２０ｄＢｍだけオフセットされる。
【００７５】
変更の大きさ及び半径が結び付けられ、後者を増やしながら、前者を減らすことによって、同様の遠距離場プロファイルを与える。これを例示するために、Δｎ及びａが変化する場合の、測定されたデータからの３つのシミュレートされた曲線の偏差の総和が図１４に示される。偏差の和が二乗され、対数目盛で示される。２つのパラメーターが依存することは明らかである。パラメーター空間を制限するために、変更の直径は、光学顕微鏡画像から（１．２±０．２）μｍであると推定され、それにより、半径を（０．６±０．１）μｍに制限する。この制約を受けて、屈折率変化の大きさは−０．０１５±０．００５であると推定される。フェムト秒レーザー書込み後の負の屈折率変化が以前に報告されており、その減少が微視的な空所形成に起因することを暗示する。誤差は、３つ全ての変更に対する偏差の和を表す。
【００７６】
提案される方法は、原理的には、任意のモード間のモード変換器を形成するために用いることができる。そのようなモード変換器は、高出力の応用形態においても、安定した光学デバイスを形成することが期待される。フェムト秒レーザー書込みによる変更は、９００℃まで熱的に安定していることがわかっている。
【００７７】
実証を提供するために、モード解決（mode solving）及び伝搬のために、上記で説明されたのと同じ方法が使用された。この計算手法は対称なモード変換器に限定され、それゆえ、ＳＭＦの基本モードからＦＭＦのＬＰ０２モードに結合する取り得るモード変換器をいかに作製することができるかの一例が与えられる。モード変換器はＳＭＦ内、又はＦＭＦ内いずれかの１つ又は複数の変更済み領域からなる。ＳＭＦは、上記と同じパラメーターを有する。ＦＭＦは、基本的には、コア半径１２μｍと、１５５０ｎｍにおける０．０４５のコア−クラッディング屈折率差とを有する、ＯＦＳから市販されるステップインデックスファイバーである。ＦＭＦはＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード及びＬＰ０２モードを導波する。しかしながら、現在の作業において仮定される完全な円筒対称性に起因して、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードのみが以下において検討されることになる。モード変換器は、ＦＭＦのＬＰ０２モードに対する消光比ＥＲ及び結合効率
【００７８】
【数１】
2016537659.tif 000003
によって特徴付けられる。これらは以下のように定義され、
【００７９】
【数２】
2016537659.tif 000004
最適化されたモード変換器の場合に、図１５ａに示される。図１５ａは、波長の関数としての、ＦＭＦＬＰ０２に対するＬＰ０１ＳＭＦモードの消光比及び結合効率を示しており、図１５ｂは、逆方向動作におけるＬＰ０１ＦＭＦモード（実線の曲線）及びＬＰ０２ＦＭＦモード（破線の曲線）による励起下でのＬＰ０１ＳＭＦモードへの結合効率を示す。その計算によれば、Ｃバンド全体（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）にわたって、１．３ｄＢ未満の損失で、３４ｄＢより高い消光比を得ることができる。モード重なりに基づいて、２００ｎｍ帯域幅にわたって、１．６ｄＢ未満の損失で、２０ｄＢより高い消光比を達成することができる。
【００８０】
最適なモード変換器は、幾つかの基本変更幾何学的形状を試し、幾何学的形状のタイプごとに大きいが、現実的なパラメーター空間を探索し、消光比及び結合効率を最大にする幾何学的形状及びパラメーターを見つけることによって見いだされる。提示されるモード変換器は、その間に距離Ｌ２を有する長さＬ１及びＬ３の２つの変更済み領域をＦＭＦに書き込むことに基づく（図１６の斜線エリアとして示されるホログラムを参照）。いずれの変更も、負の符号の屈折率変更に起因してリング形状のトレンチであり、その変更は、上記で実証された遠距離場測定値から見いだされた−０．０１５であると見なされる。第１のリングの最適な内側半径、厚さ及び長さは、それぞれ３．５５μｍ、２．０μｍ及び１１０μｍであり、第２のリングの場合、３．３μｍ、１．８５μｍ及び１０８μｍである。２つの変更領域間の最適な距離は１６μｍであることがわかる。図１６ａはＳＭＦ及びＦＭＦを備える変換器を示し、図１６ｃは異なるセグメントの屈折率を示し、図１６ｂは各セグメントの中央において結果として生じる強度を示す。
【００８１】
そのモード変換器は逆の態様でも機能し、ＦＭＦのＬＰ０１モード又はＬＰ０２モードのいずれかがＦＭＦ端から開始される。ＬＰ０２ＦＭＦ開始によるＳＭＦＬＰ０１モードへの結合効率が、破線の曲線として図１５（ｂ）に示されており、図１５（ａ）に示される順方向モードの場合の効率と一致する。ＬＰ０１ＦＭＦ開始による結合は、図１５（ｂ）において実線の曲線として示されており、Ｃバンドにおいて少なくとも−３５ｄＢの損失、１４５０ｎｍと１６５０ｎｍとの間で−２２ｄＢの損失を被る。したがって、そのモード変換器は、ＬＰ０２ＦＭＦモードをＬＰ０１ＳＭＦモードに変換する逆方向動作においても機能することができるか、又は言い換えると、そのモード変換器は、ＬＰ０２モードにおいてのみ出力を透過するモードフィルターとして用いることもできる。
【００８２】
概要
フェムト秒レーザーで書き込まれた全ファイバーモード変換器を形成するための基本構成要素が説明されてきた。一例として、ファイバー内の異なる深さにおいて、３つの約２５μｍ長の線が作製され、結果として、半径（０．６±０．１）μｍ内の−０．０１５±０．００５の負の屈折率変化が生じる。これらの値は、測定された遠距離場強度プロファイルを数値シミュレーションと比較することによって求められた。パルスエネルギー及び書込み速度のような、書込みパラメーターを変更することによって、変更を制御できるようになる。原理を証明するために、同じ数値ツールを用いて、取り得るＬＰ０１−ＬＰ０２変換器をシミュレートした。その変換器は、広い波長範囲にわたって高い消光比及び低い損失を示し、逆方向動作もサポートする。
【００８３】
参照符号
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０  光導波路／光ファイバー
１２、１１２、２１２、３１２、４１２、５１２、６１２、７１２  コア領域
１４、１１４、６１４、７１４  ホログラム
１６  第１の軸方向セグメント
１８、２１８、３１８、４１８  書き込まれた素子
２０、１２０、５２０、６２０、７２０  クラッディング領域
２２  細長い素子
２４  第１のリング
２６  第２のリング
６０、５６０  光導波路／光ファイバー
６２、５６２  コア領域
６８、５６８、５８８  書き込まれた素子
５７４  第１のホログラム
５９４  第２のホログラム
７４０  光源
８１０  光ファイバー
８１２  電動ｘｙｚステージ
８１４  レーザー
８１６  顕微鏡対物レンズ
８１８  オイルレンズ
８２０  広帯域光源
８２２  カメラ
８２４  色消しレンズ
８２６  １５５０ｎｍレーザー
８２８  パワーメーター
８３０  ファイバープローブ
８４０  第１の曲線
８４２  第２の曲線
８４４  第３の曲線
８４６  第４の曲線
ｔ  コア厚
Ｄ  コア径
Ｌ１  第１の軸方向の長さ
Ｎｃ  コア屈折率／無変更屈折率
Ｎｅ  書き込まれた素子の屈折率／変更済み屈折率
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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１５ａ】
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【図１５ｂ】
2016537659.tif 000016
【図１６】
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【図１０】
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【図１１】
2016537659.tif 000019
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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