(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバであって、
少なくとも１０μｍの直径を有するコア領域と、
前記コア領域の周りに配されるクラッド層とを含み、光モードによって占められる領域から熱フォノンを排除する音響屈折率プロファイルであって、電歪により生起される音響波を前記光モードによって占められる前記コア領域から外方に屈折させ、そしてフォノンとフォトンの相互作用の時間および／あるいは長さを低減する発散レンズ構造を生成するために少なくとも０．００５／μｍの勾配を示す音響屈折率プロファイルを生成するよう、前記コア領域が所定の領域でドープされることを特徴とする光ファイバ。
【請求項２】
前記音響屈折率プロファイルは、前記コア領域の中心部に向けてドーパント濃度が減少することによって生じる単調なプロファイルであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記コア領域の前記ドーパント濃度は、前記コア領域の前記中心部と前記コア領域の外側部との間に０．０５よりも大きい音響屈折率の差を与えることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記コア領域は、台座光屈折率プロファイルを示すことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記コア領域は約２０μｍよりも大きい直径を示すことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項６】
光および前記音響屈折率のドーピングプロファイルが、フォトンとフォノンの重なり積分として定義される前方へ向かう光場（フォトン）と後退する音響場（フォノン）との間の重なり積分を低減するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項７】
前記ファイバは大モードエリア（ＬＭＡ）ファイバからなることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記ファイバは高次モード（ＨＯＭ）ファイバからなることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記コア領域は、ドーパント種の第一の組合せでドープされた中心部領域と、ドーパント種の第二の組合せでドープされた少なくともひとつのリング領域とを含むプロファイルを示し、前記少なくとも一つのリングの間隔が、音響エネルギーを前記光モードの場から外方へ屈折するように制御されることを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
前記コア領域は、前記ドーパント種の第一の組合せでドープされた中心部領域と、前記ドーパント種の第二の組合せでドープされた複数のリング領域とを有するように構成されることを特徴とする請求項９に記載の光ファイバ。
【請求項１１】
前記コア領域は、
中心部コア部分と、
光屈折率を増加させると同時に前記音響屈折率を減少させるドーパント種を含む、前記中心部コア部分を取り囲むリング状コア部分とを含むことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１２】
前記リング状コア部分がアルミニウムでドープされることを特徴とする請求項１１に記載の光ファイバ。
【請求項１３】
前記リング状コア部分の幅が、フォノンの寿命よりも短く保持して音響エネルギーを光場から外方へ屈折させるように選択されることを特徴とする請求項１１に記載の光ファイバ。
【請求項１４】
前記コア領域が、台座状の光屈折率プロファイルを示すようにドープされることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はファイバ増幅器に使われる大モードエリア（Ｌａｒｇｅ  Ｍｏｄｅ  Ａｒｅａ：ＬＭＡ）光ファイバに関する、より詳しくは、光モードに占められる領域から外方へ音響エネルギーを排除／屈折させ、それにより誘導ブリリュアン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＢＳ）を低減させるように設計される、光コア区域内の構造化された音響屈折率プロファイルを有する選択領域を含むＬＭＡ光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバ増幅器を含むレーザシステムは通信用途および高出力の軍用および産業用の光ファイバ用途を含む多くの用途に一般的に使われている。運用にあたっては、レーザ源から伝播する光信号が光ファイバの一区域であるコア領域部に導入され、光「ポンプ」信号を使って増幅される。そのポンプは伝播する光信号を増幅するために、ファイバ増幅器のコア領域に含まれる特定のドーパント（一般的には、エルビウム、イッテルビウム、あるいは類似の希土類物質）と相互作用する所定の波長からなる。
【０００３】
しかしながら、ハイパワーのファイバ増幅器は無用な誘導ブリリュアン散乱（ＳＢＳ）の生成の結果としてしばしばパワーが限定される。つまり、強い光信号は光ファイバのコア中に熱的に生成される音響波（すなわち、熱ブリリュアン散乱）によって後方に散乱される。この後方散乱光は、光の波長、コアの屈折率およびコア中の音の速さによって決められるブリリュアンずれ周波数ΩＢ（ラジアン／秒）によって入射光から光の周波数（ストークス散乱）が低い方にずれる。ストークスずれ後方伝播光（Ｓｔｏｋｅｓ−ｓｈｉｆｔｅｄ、Ｂａｃｋｗａｒｄ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ）は元の前方に伝播する元の信号光と結合してファイバコア中に周期的に強度が変化しながら進行するパターンを形成する。この強度パターンは電歪効果（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ）によって進行性のファイバ密度の周期的な変調を引き起こし、それは光強度が強いときに材料が圧縮される傾向があり、したがって、それは元の光の散乱現象を引き起こした音響波に類似して、（かつ同じ音速を有する）前方に伝播する電歪により生成される音響波を生成する。この変調は元の熱ブリリュアン散乱現象によって始まった散乱プロセスをより強くし、それによって光ファイバ中に「誘導ブリリュアン散乱」、即ちＳＢＳを生じる。この強化は二つの異なるメカニズムによって生じる。つまり、（１）電歪によって生じた音響波は同じ波ベクトル、および周波数で新たな散乱を生成し、（２）電歪によって生じた圧力は元の熱ブリリュアン散乱を生成した音響フォノンを機械的に促進する。ＳＢＳのエネルギーは後方に進行し、音速とファイバの屈折率の両方に比例する周波数だけずれる。一つの代表的な構成において、信号光は光の波長１０８３ｎｍにおいて約１５ＧＨｚ周波数が下方にずれる。
【０００４】
ＳＢＳの閾値条件は式（１）のように書ける。
【数１】
0005026394.tif 000002
ここでＡｅｆｆはファイバの有効モード断面積、ｇＢはブリリュアン利得係数、Ｌはファイバの長さ、ＢＷは信号の帯域幅、ＢＷＳｉＯ２はシリカファイバのブリリュアン帯域幅である。
【０００５】
極端な場合には、後方への反射ＳＢＳエネルギーは信号からのパワーを奪い、出力パワーを固定してしまう。ハイパワーの希土類ファイバ増幅器の場合、後方への反射光はそれからコア領域中の希土類物質によってさらに増幅され、ファイバあるいは他の上流側の光部品を破壊する可能性のある非常に高い強度の後方への伝播パルスをもたらす。したがって、ファイバ増幅器の性能を上げるためにはＳＢＳの低減が必要となる。
【０００６】
ＳＢＳの発生を低減する一つのテクニックは光モードの断面積を増やすことである。上に示されるように、光強度は断面積が増加すると低減されるので、ＳＢＳパワーの閾値Ｐｔｈは有効モード断面積Ａｅｆｆに対応する。結果として、多くのハイパワー増幅器用の特殊ファイバ製造者は大きなコア直径のファイバ（例えば、１５−３０μｍのオーダーにおいて）を製造する。しかし、コア直径を２５μｍを超えて増加させることは曲げ損失、およびモード結合を増加させ、伝播する光信号の品質を低下させる。
【０００７】
ＳＢＳの閾値を増やす他の方法はファイバのコア中の音響場の分布を変えることである。代表的な小モード断面積ファイバ（Ｓｍａｌｌ  Ｍｏｄｅ  Ａｒｅａ  ｆｉｂｅｒ：ＳＭＡファイバ）においては、コア物質の音響速度は周囲のクラッド層のそれよりも小さく、したがって音響屈折率はコア領域でより高く、音響モードがコアによって導かれることになり、それは光場（ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｅｌｄ）が導かれるのと同じである。その結果として光場および音響場の間の高い空間的な重なりが不要な相互作用をより強め、熱ブリリュアン散乱によるＳＢＳプロセスを引き起こす強いきっかけとなる。さらに、光モードによって占められている中心部のコア領域内に生成された電歪に起因する音響場が音響導波路によって導かれ、したがってＳＢＳの生成をさらに強める。
【０００８】
コアの音響速度がクラッドのそれよりも大きくなるようにコアとクラッドの構成を変えることにより、光モードによって占められている中心部のコア領域から音響モードが排除されることができることが見出されている。したがって、この音響モードの排除がＳＢＳプロセスの元となる熱ブリリュアン散乱を減少させる。さらに、中心部のコア領域に生成された音響場はいずれもコアとクラッドの境界面に接触し、非ガイド構造から外へ屈折する。図１は従来の小モードエリア（ＳＭＡ）ファイバに対するこの特定の構成の従来技術例であって、コア１２の音響速度がクラッド１４のそれよりも大きくなるように選択された構成を有するファイバ１０の屈折率プロファイルを示す。光および音響屈折率プロファイルの両方が図１に示される。音響屈折率が光コア領域から熱フォノンを排除し、図１の矢印「Ａ」によって示されるように、非ガイド構造が音響エネルギーをコア領域から外へ放射させる。結果として、ＳＢＳの閾値は２倍以上改善されうる。
【０００９】
図２は図１のＳＭＡファイバ中のＳＢＳによって生成された音響波の回折を具体的に図示している。上に述べたように、光学的に誘発された音響波は電歪効果によって生成され、平面波Ｐおよび開口Ａによって表される。直径Ｄが（ガウス分布した光モードに対して）音響強度分布の１／ｅ点にほぼ等しくなるように設定される円形の開口の存在によって、音響波が開口を超えて伝播するときにそれを回折させる。開口からの距離Ｌにおける回折の性質はフレネル数によって規定され、音響波はファイバのガラス物質中で音響エネルギーの熱への変換による有限の寿命を示す。既知のフォノンの崩壊長Ｌｐｈ（３８μｍ）で評価したフレネル数は値が０．３２（つまり、１よりも小さい）である。１よりも小さい値を持つので、音響波は図２に示される様式で遠視野（フラウンフォーファー）回折を受ける。図示のように、音響強度分布は開口の近くでコア径と基本的に同じ領域をカバーするように始まる。音響波がその寿命のある間に伝播するにつれて、それは広がり（回折し）、コアとクラッドの境界面、更には、コアとクラッドの境界面の先の内側クラッド領域に接触する。したがって、ＳＭＡファイバ中のＳＢＳの発生を抑制するように設計される音響屈折率構造は音響波が向かうファイバ領域に位置しなければならない。
【００１０】
しかし、大モードエリア（ＬＭＡ）ファイバ中では、光場は図３に示されるようにコア領域内にうまく納まっている。ＬＭＡファイバ１１は比較的大きな直径のコア領域１３とそれを取り囲む窪んだクラッド領域１５からなるとして示される。図示のように、回折する音響線（矢印「Ｂ」で示される）はコア領域１３の内部に留まり、境界面への距離がフォノンの崩壊長Ｌｐｈを超えるので、ＬＭＡファイバ１１のコア−クラッド境界面に接触することが出来ない。
【００１１】
図４は図３のＬＭＡファイバ１１の中にＳＢＳによって生起された音響波の音響回折を示す。一般に、ＬＭＡファイバはそのモードフィールド径（Ｍｏｄｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｉａｍｅｔｅｒ：ＭＦＤ）よりも大きなコア径（Ｃｏｒｅ  Ｄｉａｍｅｔｅｒ：ＣＤ）を持ち、それはＣＤ＝１．４×ＭＦＤと推測される。図２の説明図のように、図４のＬＭＡファイバ内のＳＢＳ音響波は平面波Ｐ−Ｌ、および開口径がＤである開口Ａ−Ｌで表される。この構成に対して、計算されたフレネル数は３．６（１より大きい）であり、その場合、近視野（フレネル）回折に該当する。したがって、音響エネルギーは音響波の寿命の間、開口半径によって規定される半径内に収まる。図４を参照すると、音響波は、図２に示されるＳＭＡファイバに関わる広がりとは対照的に、コアとクラッドの境界面内に感知されるほどには広がることなくコア内を伝播し続ける。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、要約すると、従来技術による様々な配列は大きな光モードフィールドと、効果的な非音響ガイド構造とを同時に構成することは不可能である。したがって、ＬＭＡファイバそのもののハイパワー性能で妥協することなく、ＬＭＡファイバのＳＢＳの存在を低減する構成に対する技術上の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題の解決が本発明によって扱われ、それはファイバ増幅器、より具体的には、誘導ブリリュアン散乱（ＳＢＳ）を低減するためにコア領域内の音響屈折率が特別な構造をした領域を含む大モードエリア（ＬＭＡ）ファイバ増幅器に関する。
【００１４】
本発明によれば、所望の大モードアリア特性、および構造化された音響屈折率の提供は独立して考慮され、大モードサイズの維持を認めつつ、熱的に生起された音響場、あるいはフォノンの大部分が光モードに占められるコア領域の外に存在することを確かなものにする。より詳しくは、音響屈折率の構造は、（１）重なり積分、および熱ブリリュアン散乱断面を低減するために、光モードによって占められるファイバ領域から熱フォノンを排除し、（２）電歪により生成される歪を光強度が最大であるコア領域から外方へ屈折させて、フォノンとフォトンの相互作用時間、あるいは相互作用長を低減するように構成される。より具体的には、「発散レンズ（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｌｅｎｓ）」のような特性を示す音響屈折率を有することによって歪が光モードから外方へ屈折されてしまうようになっている。レンズ特性はさらに、フォトンの散乱角がファイバの開口数（ＮＡ）を超えるように十分大きな角度でフォノンを方向転換させるように構成されてもよい。この方法によって、散乱した光は角度がファイバのＮＡを超える方向に伝播し、導波路によって捕捉されない。
【００１５】
本発明の一実施例において、ＳＢＳの閾値を高めるために光モードによって占められていない光ファイバコア領域に音響モードを集中させるよう、（例えば、斜面のような単調に減少する）段階的で、緩やかなコア領域内の音響屈折率の変化が利用されている。さらに、斜面のような音響プロファイルが使われ、上に議論されるように、発散レンズとして機能する構造であるよう十分な勾配を示すように構成される。この場合、電歪によって引き起される音響歪波は音響屈折率プロファイルに支配されるように光モードに占められる領域から外に出て行くように屈折させられる。光モードに占められるファイバのコア領域部分から出て行く音響場の屈折は音波（フォノン）と光波（フォトン）との間の相互作用時間（長さ）を低減する。つまり、フォノンとフォトンの相互作用時間／長さが減少する。そのことによって、ＳＢＳの閾値を増加させる。もし音響の屈折が、音響波が光軸に対して大きな角度で伝播するために十分な強さであるならば、音響波によって散乱される光はファイバの開口数（ＮＡ）を超える「脱出角度」で散乱させられる。したがって、この光は導波路から失われ、ＳＢＳの開始には寄与し得えず、結果として、ＳＢＳの閾値はさらに増加させられる。繰り返すが、この特別な構成は大モードエリアファイバによって実現され、ハイパワーの増幅用途に適する。
【００１６】
本発明の他の実施例において、光屈折率プロファイルはコアの中心部領域に大きなくぼみを有するので、リング状のコア構造を生じている。その結果として光モードは主としてコアのリング状領域（つまり、コアの「エッジ」）に位置しているので、所望の大モードエリアを示している。音響屈折率は光の屈折率が高いところ（つまり、リング状領域）で低い値を持ち、光の屈折率が低いところで高い値を持つように設計される。この音響屈折率構造は熱フォノンを光モードから離れたところに位置づけ、リング状領域から離れて、光のエネルギーがほとんどない領域内への音響エネルギーの屈折を容易にする。リングの幅がフォノンの崩壊長よりも小さいままである限り、音響エネルギーは光場から外に屈折し、ＳＢＳの生成を最小限にする。
【００１７】
本発明のさらに他の実施例において、適切に設計された光ファイバの高次モード（Ｈｉｇｈｅｒ  Ｏｒｄｅｒ  Ｍｏｄｅ：ＨＯＭ）は非常に大きな有効断面積を示し、また、そのＨＯＭは、ＳＢＳが低減されたファイバ増幅器としての使用に適しているＬＭＡファイバとしても見なすことが可能である。ＨＯＭファイバは大コアサイズ（例えば、約４０μｍより大きな半径が示されている）を超えて広がる高度に構造化された光強度プロファイルを示す。こうして本発明のＨＯＭファイバの音響屈折率プロファイルは光モードに占められるコア領域から熱音響モードを排除し、かつ光モードに占められる領域から音響エネルギーを屈折させる。したがって音響と光の相互作用を低減し、ＨＯＭファイバのＳＢＳ閾値を増加させる。
【００１８】
本発明の他の更なる実施例および態様が以下の一連の議論の間に、かつ付属する図面の参照によって明らかになるであろう。添付の図を参照した以下の詳細な議論により、本発明の特徴や実施例を明らかにする。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
下記で詳述するように、本発明によって大モードエリア（ＬＭＡ）ファイバの誘導ブリリュアン散乱（ＳＢＳ）を低減する可能性は二つの独立した設計上の考慮すべき事項の研究と理解を含む。第一に、ＬＭＡの中心部コア領域は熱的に生起された音響場（フォノン）を（光モードの大部分が存在する）コアの中心部から排除し、熱ブリリュアン光散乱断面と光と音響成分の間の重なり積分を低減する、構造化された音響屈折率を示すように構成されることが要求される。ＳＭＡファイバについてすでに説明されたことと同様の形式でＳＢＳ作用のきっかけとなるのはこの熱ブリリュアン光散乱である（したがってＳＢＳが始まる閾値を増加させる）。所望の音響屈折率構造は領域間の音響屈折率の比較的小さい差異によって実現されるので、大きな差異を生じるドーパント濃度を選ぶ必要はない。このことはこれらの複雑な構造を作る困難さを軽減するので魅力的である。しかし、この音響屈折率構造は、電歪により生起される歪を光強度が最も大きいコアから外方へ屈折させてフォノンとフォトンの相互作用時間あるいは長さを低減するように音響屈折率がコントロールされるという第二の考慮すべき事項が必要とするものを満たさない。
【００２０】
光モードによって占められる中心部コア領域から音響エネルギーを外方へ屈折させるために光コアの内部に「発散音響レンズ（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｌｅｎｓ）」を組み込む設計とすることにより、これら設計上の考慮すべき事項の両方が本発明にしたがって対処される。音響波の波長は約０．４μｍに等しく、コア直径（約４５μｍとして示される）、あるいはモードフィールド径（約２５μｍとして示される）よりも小さいので、光ファイバ中を伝播する音波を幾何学的な「音響」として描写することは妥当である。
【００２１】
「発散音響レンズ」の使用が二つの方式でＳＢＳの生成を抑制することが見出されている。第一に、レンズは電歪による音響場と光モードとの相互作用の時間あるいは長さを最小にする。さらに、かつ以下に詳細に説明されるように、レンズの存在は電歪により促進される音響場による散乱から生成されるストークス光の散乱角がファイバの開口数を超え、かつ光導波路から抜けるように十分に音響線を曲げる。そのような音響レンズ２０が図５に示される。構造化された音響屈折率による音響線の曲がりは以下の項で説明される。
【００２２】
音響的に一様なコアを持つこれまでの先行技術による光ファイバで、波ベクトルｋ０Ａおよび角振動数ω０Ａの入射光波は、図５に示されるように、波ベクトルＱＡの後方への音響波、およびブリリュアンずれ周波数Ωβに等しい角振動数Ωによって散乱される。後方に散乱されたストークス光は波ベクトルｋｆＡおよび角振動数Ωｆａ＝Ω０Ａ−Ωβを有する。光および音響波の波ベクトルはすべてファイバの光軸と同一線上にあり、運動量保存則の要求するｋ０Ａ＝ｋｆＡ＋ＱＡを満足する。
【００２３】
本発明によって、（図５にプロファイル「Ｇ」として示される）レンズ２０に関わる負の音響屈折率勾配の存在が後方向への音響波を図５に音響線ＱＢで示されるように曲げる。このことが２つの方法でＳＢＳの抑制を助ける。（１）フォノンとフォトンの相互作用の時間（長さ）およびブリリュアン利得のピークを低減する。（２）光の散乱角度を増加させて脱出角度あるいはファイバの開口数を超える。
【００２４】
熱的に、あるいは電歪効果のいずれによって生起されるにしても、音響フォノンは、それらが音響モードの存在下にあり続ける限りＳＢＳの原因となる。熱的に生起されたフォノンの場合、この相互作用の時定数は音響エネルギーの熱への変化に関わるフォノンの寿命によって与えられる。フォノンの寿命τと利得の帯域幅ΔνＢは式ΔνＢ＝１／πτによって関係付けられる。ブリリュアン利得ｇＢのピークは式ｇＢ＝２π２・ｎ７・ｐ２・τ／ｃ・λ２・ρ・Ｖによって与えられ、ここでｎは屈折率、ｐは光弾性定数、ｃは光速、ρはコア密度、Ｖはコアの音速である。したがって、ブリリュアン利得のピークはフォノンの寿命τに比例することがわかる。
【００２５】
本発明による音響屈折率プロファイルに傾きがあることは、音響エネルギーが低音響屈折率領域から外方へ屈折させられるという結果をもたらす。したがって、フォノンは光モードの存在下であまり時間を費やすことはない。したがって、それは有効寿命τの短縮、およびブリリュアン利得の低減をもたらす。このことがＳＢＳの抑制に寄与する。
【００２６】
脱出角度のコントロールの件に関しては、発散音響レンズ２０による屈折の後、図５に示されるように、散乱波ベクトル：ｋｆＢ＝ｋ０Ｂ−ＱＢは光軸に対する角度ψで現れる。この角度ψは本発明によって構成される負の音響屈折率プロファイルの構造によって決定される。特に、散乱角ψがファイバの開口数より大きくなるように、十分に大きな勾配（ｄＮ／ｄｒ）、および屈折率差（Ｎｃｌａｄ−Ｎｃｏｒｅ）がある音響屈折率を用いることが望ましい。この散乱光は導波路を出て行くことにより、ＳＢＳ形成過程には関わることが出来ず、更なるＳＢＳの抑制につながる。
【００２７】
光モードを変える大きな光屈折率差を生じることもなく、大きな音響屈折率勾配、および大きな音響屈折率差を作ることが望ましい。これは図６に示されるように、光屈折率のための台座（形のプロファイル）設計を有するファイバコアで実現される。この台座設計はコア、およびその周囲の台座中のドーパント濃度（Ｇｅ、およびＡｌ）を高くすることを可能にし、したがってガラスの音響速度を著しく変える。このことが所望の音響屈折率差を作るために有用な音響特性の適用範囲を拡張する。光場は光屈折率の差に対応し、それは高いドーパント濃度にもかかわらず台座とコアとの間の差を調整することにより小さくすることが出来る。図６を参照すると、ゲルマニウム濃度が高い台座２２はゲルマニウムとアルミニウムが半径方向に濃度調整されて交じり合うコア２４を取り囲んでいる。ゲルマニウム濃度はコアのエッジ２３における高い値からコア２４の中心部２５における低い値まで分布している。アルミニウム濃度は反対のプロファイルに従う。ゲルマニウムとアルミニウムの相対濃度は一様な光屈折率を生じるようにバランスを保ち、それに対して音響屈折率はコアの外側のＧｅだけの高いドープ状態からコアの中心部のＡｌだけの高いドープ状態まで広い範囲を横断して変化する。
【００２８】
勾配のある音響屈折率はいろいろな形状を示すように構成されてもよく、図６の音響プロファイルには３つの可能な異なる勾配の形状ｇ１、ｇ２、およびｇ３が示される。これらの形状は、Ｓｉ中の音響屈折率に比べてＡｌが音響屈折率を低下させ、Ｇｅが音響屈折率を増加させるので、例えば、ファイバコア中のＧｅドーパントに対するＡｌの割合を変えること、Ｇｅがない光軸（コア２５の中心部）上のＡｌの最大量や、Ａｌがない内側のコア（〜１０μｍ半径）部のＧｅの最大量を変えることなどによって実現できる。いずれにおいても、音響プロファイルの勾配は発散レンズ構造の生成を生じさせるために十分なものである必要がある。特に、発散レンズを生成するために０．０１／μｍのオーダーの勾配が首尾よく使われている。より一般的には、０．００５／μｍより大きな値が発散レンズ効果を生成するために十分な勾配を与える。
【００２９】
光屈折率の台座構造が大モードエリア（光）設計に要求されるコアとそれを取り囲む領域（台座領域）との間の小さな屈折率差を可能にし、同時に高いドーパント濃度でのＡｌおよびＧｅの使用を可能にして、中心部と外側コア領域との間の大きな音響屈折率対比（差）を与えるということが注目されるべきである。本発明の目的に対して約０．０５より大きな差の値が十分であると考えられる。
【００３０】
ここで音響モード解析を用いるＬＭＡファイバのＳＢＳ抑制の研究について考えると、解析は、典型的な光ファイバはガラスマトリクス中のドーパントによって決定される光屈折率および音響屈折率の横断面分布を有するガラスの棒として定義されるという事実に基づいている。光の屈折率はｎ（ｒ）＝ｃ／ｖ（ｒ）で与えられ、ここでｃは真空中での光の速度であり、ｖ（ｒ）は半径の関数として表した光の位相速度である。同様に、音響屈折率はＮ（ｒ）＝ＶＳｉＯ２／Ｖ（ｒ）で与えられ、ここでＶ（ｒ）は半径ｒにおける音速であり、ＶＳｉＯ２はシリカクラッド中の音速である。光は屈折率プロファイルｎ（ｒ）によって導かれる。この音響屈折率プロファイルＮ（ｒ）がガラス円筒の振動、あるいは熱音響フォノンの正規モードを決定する。これらはヘルムホルツの式（２）で与えられる密度の揺らぎρ（ｒ）について計算されてもよい。
【数２】
0005026394.tif 000003
ここで▽２⊥は横断面ラプラシアンオペレータ、ｆはＨｚで表した音響周波数、Λ０はシリカ中の音響波長、ｆ・Λ０＝ＶＳｉＯ２、ＶＳｉｏ２は内側のシリカクラッド中の音速、Ｎｅｆｆは有効音響屈折率である。ブリリュアン散乱は確実に光場が共鳴的に音響場を励起するためにブラッグの条件が満たされるべきことをも必要とする。すなわち式（３）である。
【数３】
0005026394.tif 000004
ここでλは光の波長、ｎｅｆｆは光の有効屈折率である。これら２つの条件が、熱ブリリュアン散乱事象に関係するｍｔｈ（ｍ次）音響固有周波数ｆｍ、およびｍｔｈ（ｍ次）音響固有関数ρｍ（ｒ）に関して特定の音響屈折率プロファイルに対するファイバの振動の正規モードを生じる。固有周波数は有効音響屈折率Ｎｍｅｆｆに関連して式（４）で表される。
【数４】
0005026394.tif 000005
密度の変数ρｍ（ｒ）は散乱電場
【数５】
0005026394.tif 000006
を生じさせる光誘電定数εの揺らぎを生成する。ここでＫは比例定数、Ｅ（ｒ）はモード電場分布である。同じファイバモードによって捕捉される散乱電場Ｅｓｃａｔ（ｒ）の場の振幅Ａは、散乱場Ｅｓｃａｔ（ｒ）とモードフィールドＥ（ｒ）との間の重なりに比例する。
【数６】
0005026394.tif 000007
この表現は光パワーの正規化された重なり積分を生成するために、二乗されて再正規化されてもよい。
【数７】
0005026394.tif 000008
ここで角カッコはファイバの断面全体にわたる積分を示し、Γｍは密度の揺らぎρｍ（ｒ）によって光モード中を前方に伝播する光から後方に散乱され、同じ光モードに捕捉された光の強度の大きさである。音響、および光モードに間に完全な重なりがあればΓｍ＝１であり、重なりがなければΓｍ＝０であることに留意されたい。したがって、重なり積分Γｍを最大にする音響フォノン密度の揺らぎρｍ（ｒ）によって最大の光パワーが光モードＥ（ｒ）中に散乱される。それに対して、熱ブリリュアン散乱およびＳＢＳの抑制はΓｍを最小にする音響設計、特に音響屈折率プロファイルＮ（ｒ）、を必要とする。
【００３１】
上に述べられた図６の台座音響屈折率構造によってΓｍが最小化されるが、一般にそれはゼロに等しくなく、光モードに捕捉されるいくらかの熱ブリリュアン散乱が存在する。これは光モードの強度Ｅ（ｒ）２に比例する横断面分布を有する電歪密度の揺らぎρ〜（ｒ）を生じる。これらの密度の揺らぎは（定義によって）重なり積分が単一であり、熱フォノンによって散乱される光と同じ波長および波ベクトルで光を散乱し、ＳＢＳ生成の原因となる。
【００３２】
ｐ（ｒ）＝γ・Ｅ（ｒ）２／８πにより与えられる電歪圧力波は熱フォノンの速度に等しい音速で進行する。圧力波の横断面分布はモード強度分布に等しい。電歪圧力波によって音響モードに機械的な作用が及ぼされ、したがってそのエネルギー、およびＳＢＳ作用のきっかけとなる熱ブリリュアン散乱を増加させる。熱フォノンの電歪促進の効率は圧力波と密度の揺らぎの積に比例する。
【数８】
0005026394.tif 000009
ここでＫ’は定数である。したがって、熱フォノンの電歪促進の効率は正規化された重なり積分Γｍによってパラメータ化されてもよい。この熱フォノンの機械的促進もまたＳＢＳ生成の原因となる。
【００３３】
本発明の基本的な意図は中心部コア領域の光場との重なりΓｍを最小にする音響固有関数ρｍ（ｒ）を生じる音響屈折率プロファイルＮ（ｒ）を有するファイバを設計し、それによってＳＢＳ作用のきっかけとなる熱ブリリュアン散乱を低減することである。歪と光場との間の重なりを最小にするように設計される傾斜型音響屈折率の音響固有関数は数値シミュレーションによって詳細に研究されている。例として、図６に示されるものと類似している音響屈折率プロファイルの音響固有関数が詳細に検証されている。すべての音響固有関数が計算され、重なり積分Γｍも同様に計算されている。ＳＢＳの開始は重なり積分Γｍの最大値を有する音響固有関数によって生起されると予想される。この固有関数が図７に示され、この場合、重なり積分Γｍは０．３２に等しい。ファイバの光モード強度分布が同じく図７に示される。
【００３４】
さらに音響屈折率プロファイルＮ（ｒ）は、上に議論されたように、電歪により生起された音響波を分散させ、それによって光モードとの相互作用を低減し、かつファイバの開口数を上回る角度で光を散乱させるために発散音響レンズのような構造を形成するような形であるべきである。
【００３５】
音響励起の考察に加えて、フォノンの寿命への注目に基づいて設計が展開されてもよい。上に述べられたように、光学的に生起されたフォノンの寿命および経路長は（ある範囲の音響屈折率差に対して）短いので、もし相対的に低いレベルのＳＢＳを維持することが要求されるのであるなら、光学的特性の物理的なサイズは大きくはあり得ない。しかし、この物理的サイズの制限はファイバ増幅器用途における増大した光パワーのために大きなモードフィールドという要望には相反するものである。
【００３６】
開示された発明の一実施例において、大面積の光モードは、光モードに占められるコア領域から音響波を排除するように設計された音響屈折率を持つリング状の構造を示す光屈折率によって決定される。好ましくは、「落ち込んだクラッド」の中心部コア部分と、落ち込んだクラッドの中心部コア部分を取り囲む屈折率がより高い「リング」コア部分がこの構造を形成するために用いられる。図８は、本発明のこの実施例によって形成された典型的な光ファイバ３０の光、および音響屈折率プロファイルを図解している。図示のように、ファイバ３０は、ｎｃ２＞ｎｃ１である屈折率の値ｎｃ２を持つリング状のコア部分３４に取り囲まれ、屈折率の値ｎｃ１を持つ中心部コア部分３２を含む。クラッド層３６がリング状コア部分３４を取り囲み、かつ、伝播する光信号が中心部コア部分３２およびリング状コア部分３４によって形成されるコア領域３７内に導かれたままになるようなｎｃ２よりも小さい屈折率の値ｎｃｌａｄを持つ。
【００３７】
図８において、コア領域３７の直径はＤｌａｒｇｅとして定義され、中心部コア部分３２とリング状コア部分３４の両方にまたがる全範囲として測られる。ひとつには、この直径Ｄｌａｒｇｅによって光のパワー特性が定義されるので、所望の大きな光モードフィールドはファイバ増幅器３０のコア領域３７の構造によって与えられる。しかし、この構成の音響特性は図８にＷｒｉｎｇとして記されるリング状コア部分３４の幅によって特徴付けられるということがわかっている。したがって、リングの幅Ｗｒｉｎｇがフォノンの崩壊長（約２０μｍ）よりも小さい限り、音響エネルギーは光場から屈折して出て行くであろう。この屈折は図８の矢印「Ｅ」で示される。光、および音響場の空間的な重なりを低減するので、光場から音響エネルギーを外へ放射することがＳＢＳを低減することに有効であることがわかっている。
【００３８】
本発明のファイバ３０の構成は図８に示されるように所望の光屈折率プロファイルを与えるように選択され、それはまた、増幅目的に必要とされる所望の光利得度も備えている。例として、Ａｌ、Ｐ、およびＧｅなどのドーパントは純シリカファイバの（光）屈折率を増加させ、それに対してシリカファイバにＦをドープすることは（光）屈折率を低下させる。音響屈折率の理解に関して、音響屈折率を低下させることがわかっているＡｌを除いてすべての関連するドーパントは音響屈折率を増加させる。これらの特性の観点から、図８に示されるように、ファイバ３０の所望の屈折率プロファイルを備えるためにファイバ構成を変形したものがいくつか利用される。例えば、中心部コア部分３２とクラッド層３６は、Ｙｂ（増幅目的のための希土類ドーパント）、および（音響屈折率を低減するための）Ａｌがドープされたリング状コア部分３４を有する純粋な、あるいはわずかにドープされたシリカからなる。それに対して、ＦおよびＰのような他のドーパントは、接合領域での屈折率プロファイルを滑らかにし、ファイバのプロファイル全体をより従来型のガウス分布に戻すために、ファイバ３０を通信用ファイバの隣接部へ接合する間の急速なドーパントの拡散を促進するために使える。
【００３９】
上に述べたように、適切に設計された光ファイバの高次モード（ＨＯＭ）は非常に大きな有効断面積を示し、したがってＳＢＳ閾値を増加させる目的のための「大モードエリア」ファイバとしても考えられる。図９（ａ）はひとつの典型的な（ＬＰ０７モードの）ＨＯＭファイバを図解していて、それは４０μｍのオーダーの半径の光コア５０を有する。この場合、音響プロファイルは必然的に光モードに占められるコア領域から熱的音響モードを排除するように構成され、したがって音響と光の相互作用を低減し、ＳＢＳの閾値を増加させる。図示のように、音響プロファイルは複数の落ち込んだ音響屈折率値の領域５４を含み、コア領域内に複数のリングを形成して、その中で領域の間隔は屈折した音響線が光モードの場から出て行くように選ばれ、それが図９の矢印「Ｃ」で示されている。
【００４０】
図９（ｂ）の典型的な実施例において、ＰおよびＡｌの交互に変わる層がそれぞれ音響屈折率の増加、および減少を許すことにより、光エネルギーによって占められるコア領域から音響エネルギーが屈折して出て行くことを実現しながら、高次光モードに必要な一定の光屈折率を保持する。音響の落ち込みの数が強度分布のピークの数に等しいことは必ずしも必要でないことに注目すべきである。実際、音響屈折率において単一の中心部の落ち込み、あるいは音響の落ち込みのある一つ以上のリングさえあれば十分である。図９（ｃ）の表は（シリカに対する）光および音響屈折率の両方について選択されたドーパントの効果を一覧表にしたものであり、この表に含まれる特定のドーパントは単に典型的なものであり、明らかに本発明の実施に利用されるいろいろなドーパントの種類（あるいはその組合せ）を網羅した一覧ではないと考えられる。
【００４１】
実験結果
プロトタイプのＳＢＳ抑制ファイバが本発明により開示された理論にしたがって設計された。コアの直径２２μｍ、台座の幅２８μｍ、内側コアのΔｎが〜０．００２、および台座のΔｎが０．００８であるＹｂがドープされたファイバが作られた。その屈折率プロファイルが、ＳＢＳを抑制していないこれまでの先行技術によるファイバ（対照ファイバとして使用）の屈折率プロファイルと並べて図１０に示される。実線は台座屈折率を持つＡｌ／Ｇｅファイバの等価光屈折率を示す。ＡｌおよびＧｅドーパントのプロファイルの略図が挿入図に含まれている。正規化された強度プロファイルが図１１に示される。対照ファイバは中心部ファイバ領域のＧｅの消失による中心部のくぼみがあることに注目のこと。本発明のＳＢＳ抑制ファイバは光有効断面積が１７７μｍ２であり、対照ファイバは光有効断面積が３１４μｍ２である。
【００４２】
図１２は２つのファイバに対する半径の関数としての音響屈折率プロファイルＮ（ｒ）のプロットである。ＳＢＳ抑制ファイバの音響屈折率は超音波測定により、対照ファイバのそれは音速とＧｅドーパント濃度との間の構造的な関係によって決定された。本発明によるＳＢＳ抑制ファイバは非常に大きな音響屈折率差〜０．０９、および大きな屈折率勾配〜０．０１１／μｍを示すことがわかる。それに対して、対照ファイバは小さな音響屈折率差０．０１、および小さな勾配〜０．００３／μｍを持つ。図１３（ａ）はファイバパワー２４．８ＷにおいてＳＢＳのピークが約−４９ｄＢｍに等しいＳＢＳ抑制ファイバのＳＢＳスペクトルを示し、図１３（ｂ）はファイバパワー６．９Ｗにおいて−４９ｄＢｍのＳＢＳパワーを示す対照ファイバの同様のスペクトルを示す。したがって、本発明のＳＢＳ抑制ファイバは対照ファイバに比較して〜５．６ｄＢの抑制を立証している。２つのファイバのモード有効断面積が等しければ、ＳＢＳ抑制ファイバは対照ファイバに比較して〜８．１ｄＢの抑制を示すであろうと想定される。より詳細な解析は相対的なＳＢＳ抑制は１１．２ｄＢと同じ高さにあることをさらに示している。
【００４３】
これまで述べたことは単に本発明の好ましい実施例の数例であり、請求の範囲によって規定される発明の本質、および特徴の理解のための概観を提供することを意図するものであることが理解されるべきである。付属する図面は発明のよりいっそうの理解をもたらすために含まれ、組み込まれてこの明細書の一部を構成する。図面は本発明のいろいろな特徴および実施例を図解し、それらの説明と併せて本発明の理論、および作用を説明する役を果たす。ここに述べられたように本発明の好ましい実施例は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく種々の改良、変更が行われ得るものであり、またそのような改良、変更は以下に添付する請求の範囲内に含まれるものであることを当業者は理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来技術による小モードエリア（ＳＭＡ）に対する屈折率プロファイルであって、光および音響プロファイルの両方を示す。
【図２】図１のＳＭＡファイバに沿うＳＢＳによって生起された音響波の回折を示す。
【図３】従来技術による大モードエリア（ＬＭＡ）ファイバの屈折率プロファイルであって、同じく光および音響プロファイルの両方を示す。
【図４】図３のＬＭＡファイバに沿うＳＢＳによって生起された音響波の回折を示す。
【図５】本発明による音響線をＬＭＡファイバの光軸から外方向に回折させるための負の音響屈折プロファイル（「レンズ」）の利用を示す光路図である。
【図６】本発明による典型的な「台座」屈折率ＬＭＡファイバの屈折率プロファイルである。
【図７】本発明のＬＭＡファイバの光モード強度分布、およびそれに対応する光モード強度分布と最大の重なりを示す音響固有関数を示すプロットを含む。
【図８】本発明による所望の窪んだ屈折率および構造化された音響屈折率を備えるためにリング状のコア領域を含む典型的なＬＭＡファイバの屈折率プロファイルである
【図９】典型的なＨＯＭファイバを説明する図であり、図９（ａ）は複数の窪んだ領域を含む構造化された音響屈折率を示し、図９（ｂ）は所望の光および音響屈折率プロファイルを達成するように設計されたドーパントプロファイルの具体的実施例を示し、そして図９（ｃ）はシリカ中のドーパントに関連して光および音響屈折率に及ぼす様々なドーパントの効果を列挙する一覧表を示す。
【図１０】本発明の一実施例に関連する実験結果を含む種々のグラフを示す。
【図１１】本発明の一実施例に関連する実験結果を含む種々のグラフを示す。
【図１２】本発明の一実施例に関連する実験結果を含む種々のグラフを示す。
【図１３】本発明の一実施例に関連する実験結果を含む種々のグラフを示す。
【符号の説明】
【００４５】
１０          ＳＭＡファイバ
１１          ＬＭＡファイバ
１２、１３    コア
１４、１５    クラッド
１７          コア−クラッド境界面
２０          発散音響レンズ
２２          台座領域
２３          コアのエッジ
２４          コア
２５          コアの中心部
３０          ファイバ増幅器
３４          リング状コア
３６          クラッド
３７          コア
【図１】
0005026394.tif 000010
【図２】
0005026394.tif 000011
【図３】
0005026394.tif 000012
【図４】
0005026394.tif 000013
【図５】
0005026394.tif 000014
【図６】
0005026394.tif 000015
【図７】
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【図８】
0005026394.tif 000017
【図９】
0005026394.tif 000018
【図１０】
0005026394.tif 000019
【図１１】
0005026394.tif 000020
【図１２】
0005026394.tif 000021
【図１３】
0005026394.tif 000022