(57)【要約】  本発明は多色光発生器を形成する光装置であって、第１周波数でポンプ放射を提供することのできるレーザ源と、少なくとも第１および第２領域を含むコアを有するマイクロ構造光ファイバとを含む光装置に関する。第１および第２領域は、ポンプ放射による非線形モード励起の場合に、ファイバが主としてポンプ放射ならびに４波混合非線形効果によるポンプ放射から得られる放射からなる多色光出力を提供するように位相整合を画定するよう構成されたそれぞれの化学組成を有する。【選択図】図４ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１周波数でポンプ放射を送達することのできるレーザ源（４）と、そのコアが少なくとも第１および第２領域を含むマイクロ構造光ファイバ（６）とを含む、多色光発生器を形成する光装置であって、前記第１および第２領域が、ポンプ放射による非線形動作における励起の場合、ファイバがその出口で主としてポンプ放射ならびに４波混合型の非線形効果によるポンプ放射から引き出された放射から形成された多色光を送達するように、それぞれ位相整合を画定するよう構成された化学組成を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ポンプ放射から引き出された放射が、それぞれ前記第１周波数の両側に位置し、前記第１周波数に対し少なくとも１００ＴＨｚ偏移した周波数を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１領域が、実質的に第１周波数でファイバの第１電磁気固有モードに対応する幾何形状を有し、第２領域が、実質的に第１周波数でファイバの第２電磁気固有モードを含む幾何形状を有し、前記領域が重なり合うゾーンを有し、前記第１周波数でのポンプ放射が前記多色光を生成するために前記第１および第２電磁気固有モードに従ってファイバに導入される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記二つの領域の化学組成がドーピングの結果異なることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記コアが選択的にゲルマニウムでドーピングされたシリカマトリックスを含むことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記二つの領域の化学組成がそれぞれのガラス質基材において異なることを特徴とする、請求項１から４に記載の装置。
【請求項７】
前記二つの領域のそれぞれの基材がシリカ、カルコゲニド、フッ素化ガラス、アンチモン酸化物、ケイ酸塩、鉛のホウ酸塩またはホウケイ酸塩、ビスマス、ランタン、アルミニウムまたはランタン−アルミニウムから選択されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記コアが３〜１０μｍの直径、好ましくは４〜６μｍの直径を有することを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の装置。
【請求項９】
前記ファイバの断面において、第１領域が実質的に円形状であり、第２領域が実質的に環形状であり、前記領域のそれぞれの中心が実質的に前記ファイバのコアの幾何学的中心に一致することを特徴とする、請求項１から８の一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１領域の直径が実質的に第２領域によって形成された環の内径に等しいことを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記マイクロ構造光ファイバ（６）の出口に接続された第２マイクロ構造光ファイバ（７）を含むことを特徴とする、請求項１から１０の一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２マイクロ構造光ファイバ（７）が、４波混合型の非線形効果によってポンプ放射から引き出された前記放射の一つの放射の波長から最大１００ｎｍの距離にある波長で相殺を含む分散プロファイルを有し、この波長がポンプ放射の波長よりも小さいことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２マイクロ構造光ファイバ（７）が、４波混合型の非線形効果によってポンプ放射から引き出された前記放射の一つの放射の波長から最大３００ｎｍ離れた波長で相殺を含む分散プロファイルを有し、この波長がポンプ放射の波長よりも大きいことを特徴とする、請求項１１または１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多色光を発生するための光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単色放射は光ファイバ中で生成される非線形効果の作用によって多色光に変換することができる。現在のところは、ファイバの全体長さにわたる多数の微細孔を穿孔した、いわゆる「マイクロ構造」の光ファイバを用いるのが好ましい。断面で見ると、ファイバの中心ゾーンの周りにこれらの孔が幾何形状網目を形成している。
【０００３】
ファイバ中で生成される非線形効果は、３次効果の中でも、４波混合（ＦＷＭ）、自己位相変調（ＳＰＭ）、相互位相変調（ＸＰＭ）、または励起ラマン散乱（ＳＲＳ）を含む。
【０００４】
従来の非マイクロ構造光ファイバにおいて、これらの現象は、例えば周波数変換や光増幅など多くの方法で用いられてきた。
【０００５】
その役割として、マイクロ構造ファイバは、従来の光ファイバよりもはるかに大きな閉じ込め、したがって高い非線形変換効率での光伝播を可能にする。これはマイクロ構造ファイバの非線形効果を探求している研究者達に大きな興味を抱かせることとなった。ファイバの幾何学的な構造を適用することによって、非線形効果発生のより良好な制御が可能になる。実際に、孔のサイズおよび網目の寸法を変更することによって効率曲線または屈折率プロファイルを調節することができる。この結果、ファイバの分光が調節される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、既存の応用例においては、有用なスペクトル帯域は制限され、効率的で単純でありかつ単一の４波混合を生成するためにパラメータ化できる装置はなかった。
【０００７】
本発明はその課題の改善を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的のために、本発明は、第１周波数でポンプ放射を送達することのできるレーザ源とマイクロ構造の光ファイバとを含む多色光発生器を形成する光装置を提案する。
【０００９】
ファイバのコアは少なくとも一つの第１および一つの第２領域を含み、それら第１および第２領域は、ポンプ放射による非線形動作における励起の場合、ファイバがその出口で主としてポンプ放射ならびに４波混合型の非線形効果によるポンプ放射から引き出された放射からなる多色光を送達するように位相整合を画定するよう設計されたそれぞれの化学組成を有する。
【００１０】
後の説明で明らかになるように、この装置は広い有用な帯域幅を有する変換収率について有益な性能を提供するので有利である。これに加えて、この装置はファイバを各用途の要件に適合させるための高い柔軟性を有する。
【００１１】
本発明の他の特徴および利点は、例示としてかつ非限定的な役割として提供される各実施形態を取り上げた以下の説明を図面と併せ読むことによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による装置の概要図である。
【図２】図１のマイクロ構造ファイバの３次元図である。
【図３】第１実施形態による図２のマイクロ構造ファイバの断面図である。
【図４ａ】図３の拡大図である。
【図４ｂ】図４ａに示したファイバのコアのドーピング分布を示す図である。
【図５】二つの電磁気固有モードについての図３に示したファイバの有効屈折率を示す図である。
【図６ａ】図５における二つの固有モードの１０６４ｎｍでの径方向出力分布を示す図である。
【図６ｂ】一横断面における図６aに示した一方の固有モードの出力分布をレベル線形式で示す図である。
【図６ｃ】一横断面における図６aに示した他方の固有モードの出力分布をレベル線形式で示す図である。
【図７ａ】図５における固有モードのうち一つの固有モードの７００ｎｍでの径方向出力分布を示す図である。
【図７ｂ】一横断面におけるこの出力分布をレベル線により示す図である。
【図８ａ】図５における固有モードのうち一つの固有モードの２２５０ｎｍでの径方向出力分布を示す図である。
【図８ｂ】一横断面におけるこの出力分布をレベル線により示す図である。
【図９】図３のファイバが用いられた図１の装置の出口で得られる実験的スペクトルを示す図である。
【図１０】図３のファイバのコアの化学組成および幾何形状を変化させることによる位相整合のシミュレーションを示す図である。
【図１１】図３のファイバのコアの化学組成および幾何形状を変化させることによる位相整合のシミュレーションを示す図である。
【図１２】第１実施形態による理想的光ファイバによる断面図である。
【図１３ａ】図１２の拡大図である。
【図１３ｂ】図１３ａに示したファイバのコアでのドーピング分布を示す図である。
【図１４】図１２のファイバのコアの化学組成および幾何形状を変化させることによる位相整合のシミュレーションを示す図である。
【図１５】図１２のファイバのコアの化学組成および幾何形状を変化させることによる位相整合のシミュレーションを示す図である。
【図１６】第２実施形態によるマイクロ構造ファイバによる断面図を示す図である。
【図１７】図１６のファイバが用いられた図１の装置の出口で得られる実験的スペクトルを示す図である。
【図１８】本発明によるスペクトルスーパーコンティニュームを発生する装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の図面および説明は特定の型の要素を本質的に含む。しかし、それらは本発明の理解を助けるだけではなく、適用可能な場合、その定義に貢献することができる。
【００１４】
さらに、詳細な説明は、本発明の範囲内で用いられるいくつかの数式を提供する付属資料Ａで補足される。この付属資料は明瞭さのためおよび調査に役立つよう別途に提供される。この付属資料は本説明の一体的部分を形成するものであり、本発明の理解を助けるだけではなく、適用可能な場合にはその定義に貢献し得る。
【００１５】
ファイバ中の非線形効果の相互作用は非常に複雑である。したがって、最初にいくつかの一般概念について要約するのが適切である。
【００１６】
周波数および波長
放射は、従来、その波長λ、すなわち波が光の速度ｃで所定時間に移動する距離によって特徴付けられている。波長は、式λ＝ｃ／ｆで周波数ｆと関係付けられることが知られている。その一部として、角周波数またはパルスωは、数式ω＝２πｆによって周波数ｆと関係付けられる。以下では、同じ放射を形容するためにλ、ω、またはｆを参照する。
【００１７】
４波混合
４波混合は屈折率の修正に関連しており、その屈折率自体が、強い電磁場の効果の下での材料の電子的応答に関係があるものである。より正確には、４波混合効果は、異なる周波数を持つ４つの電磁波間でのエネルギーの伝達である。原理的に、二つの条件を満足しなければならない。
【００１８】
第１の条件はエネルギー保存であり、相互作用する４つの波の周波数は正確な等式を満足しなければならない。
【００１９】
第２の条件は「モーメントの保存」として知られ、４つの相互作用する波の波動ベクトルは正確な等式、いわゆる位相整合等式を満足しなければならない。
【００２０】
４波混合の形態には主に２つの場合がある。
【００２１】
第１の場合、周波数がそれぞれω１、ω２、ω３の３つの波はそのエネルギーを周波数ω４＝ω１＋ω２＋ω３の第４の周波数に伝達する。これはω１＝ω２＝ω３のとき、３次高調波を発生することによって行うことができ、これはω１＝ω２≠ω３のとき周波数ω４＝２ω１＋ω３に変換することによって行うことができる。しかし、この場合、光ファイバ中で少なくともいくらかの効率を伴って位相整合の条件を満足するのは困難である。
【００２２】
第２の場合は、周波数がそれぞれω１とω２の二つの波が、周波数がそれぞれω３とω４の二つの他の波にω３＋ω４＝ω１＋ω２となるように同時にそのエネルギーを伝達するものである。この等式は４波混合中のエネルギー保存を表わす。この種の４波混合の位相整合の条件はΔβ＝０であり、ここで、Δβは式［１］で与えられ、式中、ｃは真空中の光の速度であり、βｊ＝ｎｊωｊ／ｃは波動ベクトルの係数を表わし、ｎｊは周波数ωｊ（ｊ＝１、２、３、４）での波の有効屈折率である。
【００２３】
ここで、４波混合を部分的に縮退すること、すなわちω１＝ω２にすることを考える。位相整合等式は、次に、付属資料Ａの式［２］によって表現される。
【００２４】
物理的に、周波数ω１を有する強いポンプ波は、ポンプ周波数の両側に対称的に位置する周波数ω３およびω４の二つの新しい波を生成し、角周波数偏差Ω（ここでω３＜ω４）は付属資料Ａの式［３］に従って書かれる。
【００２５】
従来、低い周波数、この場合ω３で発生された波は一般にストークス波と呼ばれ、より高い周波数、この場合ω４の波は、非ストークス波と呼ばれる。位相整合等式はしたがって付属資料Ａの式［４］の形に書き直され、ここで指標文字「Ｓ」、「Ａ」および「Ｐ」はそれぞれストーク波、非ストーク波およびポンプ波を指し、指標「Ｐ１」および「Ｐ２」はポンプ波に関係する二つの特別なモードを指す。
【００２６】
マイクロ構造ファイバの幾何学的パラメータ（孔のサイズおよび網目サイズ）は有効屈折率ｎｊ（ｊ＝１、２、３、４）の値に影響を与える。これらの幾何学的パラメータを修正することによって、所与の用途に適した周波数偏差を得るための位相整合条件を調節することができる。
【００２７】
しかし、最適の幾何学的パラメータを決定することはファイバを設計するレベルにおいて長く困難な仕事である。さらに、マイクロ構造のファイバを製造するための既知の技術においては、幾何学的パラメータの選択の柔軟性がかなり制限されている。
【００２８】
この結果マイクロ構造ファイバにおける４波混合の役割の監視が困難になる。
【００２９】
固有モード
マイクロ構造光ファイバは多重モードファイバとすることができる。すなわちそれらは偏光特性とファイバ中の電磁場の横断方向分布とが異なるいくつかの電磁気固有モードを含むことができる。
【００３０】
したがって、放射は多重モードファイバ中に導かれるとき、その断面の表面全体に広がる出力分布に従って伝播せず、逆に力のピークがファイバの異なる領域に位置する、異なる横断方向モードに従って分布する傾向がある。
【００３１】
したがって、多重モード光ファイバにおいて、最初にＨＥ１１ｘおよびＨＥ１１ｙと呼ばれる少なくとも二つの電磁気モードについて考察する。それらは一般に、光ファイバ中に画定することのできるそれぞれ二つの対角線偏光軸に対応するＬＰ０１ｘおよびＬＰ０１ｙと呼ばれる線形偏光モード（ＬＰ）に例えられる。
【００３２】
次の一つのことに留意すべきである。ＬＰ０１モードはポンプ波長Ｐ、非ストークス波長Ａおよび／またはストークス波長Ｓに存在することができる。これらのモードは異なる。
【００３３】
また、ＴＥ０１、ＨＥ２１ｘ、ＨＥ２１ｙおよびＴＭ０１と呼ばれる４つの他の電磁気モードについて考察することができる。それらは一般に、光ファイバの横断方向面に垂直な二つの方向の一つで場が相殺されるという追加の条件で、光ファイバの二つの偏光軸に対応する線形偏光モードＬＰ１１ｘおよびＬＰ１１ｙに例えられる。
【００３４】
このように定義された物理的原理は、本発明による装置の以下の説明を理解するのを容易にする。
【００３５】
図１は多色光を発生するための光装置２の第１実施形態を示す。図１は第１の波長λ１で光放射を光ファイバ６中に供給する放射源４を含む。
【００３６】
ここで説明される実施形態において、放射源４は、Ｎｄ：ＹＡＧチップを備えるレーザであり、平均出力約１００ｍＷを有し、１ｎｓ程度のパルス時間で１０６４ｎｍのパルスを放射する。後述するように、多色放射は光ファイバ６の出口で得られる。
【００３７】
図２は光ファイバ６のプロファイルの三次元図である。この図は走査電子顕微鏡を用いて得られた。図３は同じファイバの断面図である。
【００３８】
本発明は、コアが個別の屈折率を有する二つの異なる領域を有するマイクロ構造ファイバから開始する。
【００３９】
図３〜１１はマイクロ構造光ファイバ６の第１実施形態を示す。次に、図１２〜１５は光ファイバ６の第１実施形態の変形例を示す。
【００４０】
図３の断面から分かるように、光ファイバ６はシース８の部分を形成するマイクロ構造ゾーン１０によって取り囲まれるコア１４を含む。
【００４１】
ゾーン１０は光ファイバ６に沿って延びる多数の実質的に円形の空気チャンネル１２（円形基底を備える円筒）を含む。
【００４２】
光ファイバ６はゾーン１０の中央にコア１４を有する。コア１４は第１領域１６および第２領域１８を含む。第１領域１６（図４ａの１６Ａおよび１６Ｂ）は最も中央にある。第１領域１６は実質的に円形の断面を有する。第２領域１８は第１領域の周囲に位置し、形状は環状であり、その内径は実質的に領域１６の半径であり、外径は実質的にコア１４の半径である。
【００４３】
領域のそれぞれの化学組成を調節することによって特に満足できる４波混合を得ることができる。
【００４４】
図３〜１１に示した実施形態において、チャンネル１２は約４．５μｍの平均直径を有する。各チャンネルの中心間の間隔は平均約５．５μｍである。
【００４５】
チャンネル１２の平均直径は３〜１０μｍ、好ましくは５〜８μｍ、最も好ましくは４〜６μｍの範囲から選択することもできる。
【００４６】
コア１４はゲルマニウムにより非常に高くドーピングされる。そのサイズはチャンネル１２のものと同等、すなわち実質的に円形でこの場合直径は約４．５μｍである。
【００４７】
図４ｂは図４ａに対応するコア１４の断面のドーピングプロファイルを示す。図４ｂでは、実線２０はコア１４の中心点からの距離に応じたゲルマニウムドーピングレベルを表わす。点線２２は線２０の線セグメントによる近似値である。この線２２は図５〜１０の基礎となる。実際に、線２２は実際のプロファイル２０の忠実な近似値を構成し、これらの図５〜１０を作成するための計算回数を改善することができる。
【００４８】
図４ａおよび４ｂにおいて、コア１４中に内側から外側に向かって３つの同心状ゾーンＡ、Ｂ、およびＣを認めることができる。第１のゾーンＡにおいて、ゲルマニウムのモルパーセントは７６％程度である。これは純粋シリカに対して１０６４ｎｍで０．０５５程度の屈折率の差を生じる。ここで、この第２ゾーンＢは約１２．５パーセントのゲルマニウムのモルパーセントに相当する短い平坦域で開始し、純粋シリカと比較して１０６４ｎｍで０．０２程度の屈折率の差を生じ、次にゲルマニウムのモルパーセントは実質上ゼロに向かって線形に減少する。最終的に、このゾーンＢに第３のゾーンＣが続き、第３のゾーンＣではゲルマニウムのモルパーセントは無視できる程度であり、実質的に屈折率の差はゼロである。
【００４９】
ゾーンＡの形状は実質的にコア１４の中心を中心とする円形である。その直径はこの場合約０．７５ｎｍである。ゾーンＢは実質的に環状であり、ゾーンＡの周辺部と実質的に円形である直径約２．２５ｎｍのゾーンＢ自体の周辺部との間に延伸している。ゾーンＣも実質的に環状でありコア１４の残りを含んでいる。
【００５０】
領域１６は第１ゾーンＡからなる。第２領域１８はゾーンＣからなる。ゾーンＢは領域１６（１６Ｂ、図４ａ）の一部と考えることができ、またはこれらの領域１６と１８の間の遷移ゾーンと考えることができる。実際には、このゾーンＢはできるだけ狭く造るべきであり、あるいはまったく存在すべきではない。ゾーンＢが存在するのは、ドーピングにおける完璧に急峻な変化が現在のところ少なくとも経済的に実現可能な方法で達成することが不可能なためである。
【００５１】
ゾーンの「屈折率の差」とは、このゾーンの屈折率とドーピングを行わないシリカ（さらに一般的にはコアの基本材料）の屈折率の間の差を意味する。
【００５２】
第１領域１６において、屈折率の差Δｎ、この場合０．０５５は非常に高い。第２領域１８において、ゲルマニウムの濃度は大きく低減され、屈折率の差Δｎは約０〜０．２となる。
【００５３】
コア１４に非常に異なる化学特性を有する二つの領域を備えるこの特別な構造を導入することにより、本出願人が習得に成功した非常に興味深い効果が生まれる。
【００５４】
図４において、コア１４は断面において二つの領域１６Ａ（ゾーンＡ）および１８（ゾーンＣ）を有し、二つの領域１６Ａと１８の間には環状の境界１６Ｂ（ゾーンＢ）がある。ここで、境界１６Ｂは０．５μｍ程度の厚さを有する。境界１６Ｂは０〜１２．５パーセントのゲルマニウムドーピングの含有量を有し、０．００〜０．０２のΔｎに相当する。
【００５５】
図５〜８は図４ｂの線２２による横断方向プロファイルの近似に基づくシミュレーションの結果を示す。
【００５６】
図５は、波長に応じた、モードＬＰ０１（連続線）およびＬＰ１１（点線）についてのファイバ６の有効屈折率の展開を示す。これらのモードの有効屈折率の間の差は波長が増加すると増加する。ポンプ波長（この場合１０６４ｎｍ）で、この差は０．０２程度である。一つの比較例として、従来のドーピングしないマイクロ構造ファイバにおいては、有効屈折率間の差は１０６４ｎｍで約２倍小さい。
【００５７】
モードＬＰ０１およびＬＰ１１は各波長で異なることに留意すべきである。
【００５８】
図６〜８は、選択された各波長について、ファイバ６中の出力分布の図、ならびに図４ａの図に準じたレベル線形式の対応する図を示す。
【００５９】
図６ａ、６ｂおよび６ｃはファイバ６中の断面における出力分布を示す。これらの図は１０６４ｎｍでの光ファイバ６の励起に対応する。
【００６０】
図６ａは光の正規化された強度の横断方向分布を示し、一方はモードＬＰ０１（連続線）、他方はモードＬＰ１１（点線）である。図６ａのグラフは、横座標上にコア１４の中心からの考慮中の点の距離、および縦座標上に同じ点での正規化された強度の値を含む。正規化された強度とは、考慮中の点に伝達された光の強度とこの波長で伝達された光の最大強度の間の割合を意味する。
【００６１】
図６ｂもモードＬＰ０１について光の正規化された強度の横断方向分布を示す。しかし、この表示は、正規化された強度を０．１超える段階の断面におけるレベル曲線で行われている。図６ｃは図６ｂと同じように定義されるが、モードＬＰ１１（図６ａの点線）について示している。また、図６ｂおよび６ｃも点線の形の直線を含み、これは図６ａの二つの曲線が取られた平面を示す。
【００６２】
図６ａは、モードＬＰ０１およびＬＰ１１が、有効な４波混合を可能にする実質的に重なり合うゾーンを有することを示す。実際に、提案された装置の基礎を形成する主な相互作用が行われるのは１０６４ｎｍ、すなわちポンプ放射の波長である。
【００６３】
図６ｂにおいて、モードＬＰ０１はコア１４の中心に最大強度を有する。分布は全体的にほぼ中心に置かれている。モードＬＰ０１の放射の大部分は、実質的に第１領域１６Ａおよび境界１６Ｂに対応する一つのゾーンに位置する。
【００６４】
図６ｃにおいて、モードＬＰ１１はコア１４の中心の両側に実質的に図６ｂの点線上に整列された二つのローブを有する。ここで、各ローブはピークを有し、コア１４の中心からそのピークまでの距離は約１μｍである。したがって、モードＬＰ１１における放射の大部分は、実質的に第２領域１８と境界１６Ｂに相当する一つのゾーン中にある。
【００６５】
簡単に言えば、図６ａ、６ｂ、６ｃの図は、モードＬＰ０１が主としてファイバの中心に存在し、モードＬＰ１１は主として分離している二つのローブに存在することを示している。これらの図もまた、本明細書で提案されている有効な４波混合の基となる１０６４ｎｍでの二つの固有モードの重なり合いを示す。
【００６６】
式［４］がドーピングに関連する貢献を説明するために書き換えできることを特記した。ドーピングは式［４］に関する有効屈折率の選択的修正によって表わされる。ドーピングされたゾーン中に伝播する波ＡおよびＰ１の有効屈折率はδだけ増加する。ドーピングされたゾーンと重なり合わないモードＳおよびＰ２の有効屈折率は変化しないままである。したがって、位相整合式［４］は付属資料Ａの式［５］の形に書き換えられる。
【００６７】
ωｐについてβｊのテーラー級数展開を行うことによって、付属資料Ａの式［６］および［７］が得られる。
【００６８】
位相整合式に代入することによって、付属資料Ａの式［８］による周波数差の式が得られる。
【００６９】
式［８］は、ドーピングされた領域の特性（ドーピングゾーンのドーピングレベルおよび半径）に直接結び付く値δを増減することによって周波数の差を調節できることを示す。
【００７０】
本出願人は、このようにして、その周波数等価が通常得られる数十ＴＨｚではなく１００ＴＨｚより大きい差の変数Ωの値を得ることができることを観察した。
【００７１】
検討中の特定の例において、図４ｂ（線２２）の屈折率図からのこの式の解はλＳ＝２２５０ｎｍおよびλＡ＝７００ｎｍが得られる。
【００７２】
ここで、光ファイバの７００ｎｍ（非ストークス波長）での励起を考察する。これは、図６ａおよび６ｂに類似しているがモードＬＰ０１にのみ関連する図７ａおよび７ｂに相当する。実際に、検討中の光ファイバ６の場合、装置２から発せられた放射は波長７００ｎｍでこのモードＬＰ０１から進行する。さらに、図７ｂの点線は図７ａの線グラフを引いた方向を示す。前例と同様に、図７ｂに示される各レベル線は０．１の正規化された強度レベルに相当する。
【００７３】
ここで、最大光強度はコア１４の中心で見出される。したがって、モードＬＰ０１は波長７００ｎｍで主にファイバの中心で活性である。放射は、図７ａから明らかなように、実質的に第１領域１６に相当する一つのゾーンのみにほとんど存在する。
【００７４】
ここで、２２５０ｎｍ（ストークス波長）での光ファイバの励起を考察する。これは、またも図６ａおよび６ｂに類似した図８ａおよび８ｂに相当する。図では、この波長で装置２によって発せられる放射を決定するモードなので、モードＬＰ１１のみが示される。図８ｂの点線は図８ａの線グラフを引いた方向を示す。ここでもまた、図８ｂに示される各レベル線は０．１の正規化された強度レベルに相当する。
【００７５】
ここで、横断方向の強度プロファイルは図６ｃの二つのローブの外観を有する。強度ピークは各ローブの中心に見出され、コア１４の中心から約１μｍである。したがって、モードＬＰ１１の強度は主に二つのローブ上に分布し、波長２２５０ｎｍでファイバの中心で相殺される。大部分の放射が見出される二つのゾーンは事実上第２領域１８中に含まれるが、これは図８ｂでさらに明瞭に表される。
【００７６】
図６〜８およびその説明から、
−１０６４ｎｍでのファイバのプロファイルはモードＬＰ０１とＬＰ１１の間で有効な４波混合を可能にすること、
−この混合は、ファイバの屈折率プロファイルと組み合わされて、ポンプ波長から遠く離れたストークスおよび非ストークス波の発生を可能にすること、および
−この混合は、ファイバの屈折率プロファイルと組み合わされて、ストークスおよび非ストークス波の波長に対して横断方向のモードを選択することも可能にすることが明らかである。
【００７７】
図９は、図３のファイバを用いて、図１の装置の出口で得られる実際の実験スペクトルを示す。この図から、意図された４波混合を装置が優れた収率で生成することが確認される。ポンプ波長の光強度とストークス波長の光強度の間の差は７ｄＢのみである。この差は非ストークス波長については１２ｄＢである。
【００７８】
このスペクトルは、非ストークス波長（７００ｎｍ）のレベルで、放射がこの波長に高く集中していること、すなわち光線が狭い基底（約２０ｎｍ）で７００ｎｍに中心を置くことが観察されることを示す。
【００７９】
ポンプ波長（１０６４ｎｍ）で主要光線は１０６４ｎｍで観察され、高い波長に向かってそれぞれ４つの光線が１１３０ｎｍ、１１８０ｎｍ、１２５０ｎｍ、および１３００ｎｍで観察される。また、低い波長に向かってそれぞれ９７０ｎｍ、および１０２０ｎｍで二つの光線が観察される。
【００８０】
ポンプ波長ｎｍの両側の光線は非常に狭く（それぞれの基底で３０ｎｍ〜５０ｎｍ）、誘導されたラマン発光に相当する。１１３０ｎｍの光線および１１８０ｎｍの光線だけが高い強度を有し、１０６４ｎｍでの強度に比べてそれぞれ約８ｄＢと１５ｄＢの光強度の差を有する。
【００８１】
最終的に、ストークス波長（２２５０ｎｍ）でピークが観察され、このピークは高い波長に向かって非常に急峻であり（２３００ｎｍで−５０ｄＢに達する）、低い波長に向かっては強度レベル約−４３ｄＢで拡がりを見せる。
【００８２】
上で説明した様々な光線とは別に見出された強度レベルは−５０ｄＢより低く、これは無視できるものとみなされる。
【００８３】
したがって、このスペクトルはポンプ放射のエネルギーの大部分が４波混合によって７００ｎｍ、１０６４ｎｍ、および２２５０ｎｍの放射に変換されることを示す。
【００８４】
ポンプ、ストークスおよび非ストークス波長における光線以外に実質的に光線がないという事実は、４波混合がほとんど唯一の発現される非線形効果であることを示す。
【００８５】
本出願人はこのようにして、ポンプ放射ならびに４波混合型の非線形効果によってポンプ放射から引き出された放射から主として形成された多色光を生成した。
【００８６】
図４ｂの線２２によるファイバのプロファイルから出発して、本出願人によるさらなる研究が行われた。図１０および１１はこれらの研究の結果を示す。
【００８７】
図１０において、光ファイバの全般的な寸法は図３を参照して上に説明したものを基本に固体されている。第１領域１６の半径は０．３７５μｍに固定されている。図１０の図は、第１領域１６のゲルマニウムのモル分率で達成することのできる位相整合を横座標上で示す。縦座標上で、波長（ｎｍ）は左側に見出され、位相整合を達成することのできる周波数（ＴＨｚ）は右側に示される。
【００８８】
図は、本明細書で想定されたモード構成では約２３％未満のモル分率で位相整合が不可能であることを示す。これは図の左側の水平線（λ＝１０６４ｎｍ）によって示されるものである。
【００８９】
２３％を超えると、位相整合が可能になる。ストークスおよび非ストークス波の周波数を得るために、縦ラインは望ましいモル分率に引かなければならない。この線と一つまたは複数の曲線との交差点から、一つまたは複数の位相整合の周波数および波長が得られる。
【００９０】
モル分率が増加すると、ストークスおよび非ストークス波長は次第にさらにポンプ波長から離れ、すなわち４波混合の周波数の差（または「周波数差」）は増加する。
【００９１】
図１０の縦線によって表わされるモル分率が３６％である特別な場合を考えると、２２５０ｎｍのストークス波長および７００ｎｍの非ストークス波長で位相整合が見出され、周波数差は１４６ＴＨｚである。
【００９２】
効果は約２３％で始まる。例えば、２８％で始まると、１６５０ｎｍのストークス波長および８００ｎｍの非ストークス波長で位相整合があり、周波数差は９７ＴＨｚであることが観察される。
【００９３】
次いで、周波数差は非常に急速に増加し、示された最大周波数距離がモル分率３８％で得られ、その位相整合は２４００ｎｍのストークス波長および６８０ｎｍの非ストークス波長で観察され、周波数差は１５７ＴＨｚである。
【００９４】
したがって、この図によって示されるモル分率によって、（９７ＴＨｚ；１５７ＴＨｚ）の範囲内の周波数距離を得ることが可能になる。
【００９５】
図１１の場合において、光ファイバの全般的な寸法は図３を参照して上に説明したものを基本に固定されている。このとき、第１領域１６におけるゲルマニウムのモル分率は３６％に固定されており、一方横軸は第１領域１６の半径を示す。この図１１のグラフは半径に応じて一定のドーピングで達成することのできる位相整合を示している。
【００９６】
前例のように、第１領域１６の半径が約０．２μｍ未満の場合においては、本明細書で想定されたモード構成（図の左側の水平直線）において位相整合は不可能である。これを超えると、望ましい半径から出発する縦線を描くことによって、ストークスおよび非ストークス波周波数が前例のように得られる。
【００９７】
このように、０．２μｍを超えると、ストークスおよび非ストークス波長はポンプ波長から次第にさらに離れ、すなわち半径の増加に伴って４波混合の周波数差が増加する。
【００９８】
また、本出願人は、その物理特性が実際には達成困難な完璧な幾何形状である理想的な光ファイバの場合を研究した。ここで、それぞれ図３、４、１０、および１１に類似している図１２、１３、１４、および１５を参照して説明する。
【００９９】
図１２、１３ａおよび１３ｂにおいて、チャンネル１２は完璧な円形であり一定の直径を有している。さらに、図１３ｂに示すように、ドーピングは完璧であると想定し、したがって図４におけるゾーンＢは省略されている。
【０１００】
図１４および１５は図１０および１１のものに類似した位相整合の図であるが、図１３ｂの理想プロファイルについての図である。比較すると、ファイバ６の幾何学的により正確な構造によって、そのコアに必要とされるゲルマニウムの量を低減可能であることが分かる。実際に、
−同じ半径で、混合における周波数差は図１４のドーピングレベルで図１０よりも急速に増加し、
−同じドーピングレベルで、混合における周波数差は図１５の半径で図１１より急速に増加する。
【０１０１】
指摘したように、図１２、１３、１４、および１５の実施形態において、コアの屈折率の差は単純にファイバのコアの中心領域をドーピングすることによって得られるであろう。周辺領域は実質的に純粋シリカから作られる。
【０１０２】
ここで代替の実施形態を考察する。
【０１０３】
このドーピングはゲルマニウムで行われるが、リン、フッ素、ホウ素、ビスマス、クロム、１種以上の希土類、またはこれらのドーピング剤の２種以上の混合物など、他のドーピング剤でも行うことができる。
【０１０４】
さらに、屈折率の差は二つの領域の異なるドーピングによって得ることができよう。したがって、これらの二つの領域は、異なるドーピング剤またはドーピング剤の異なる混合物から得られた個別の組成を有する。
【０１０５】
最終的に、第１および第２領域のドーピングはそれらが負の屈折率の差を有するように行うことができる。このようにしてストークス波長での放射はモードＬＰ０１で得られ、非ストークス波長での放射はモードＬＰ１１で得られるであろう。
【０１０６】
これまでの説明において、屈折率の差は同じ基材のドーピングを調節することによって得られる。一変形例として、または追加として、異なる基材を用いることができる。
【０１０７】
したがって、他の実施形態によれば、シリカ、カルコゲニド、フッ素化ガラス、アンチモン酸化物、ケイ酸塩、鉛のホウ酸塩またはホウケイ酸塩、ビスマス、ランタン、アルミニウムまたはランタン−アルミニウムの中から選択された二つの各々異なるガラス質材料を二つの領域に用いることによって、前に説明したものと類似の効果を得ることができる。この場合、光ファイバの残りの部分も同じ群から選択された一つ以上の材料から作ることができる。
【０１０８】
ここで、図２に類似の図であるが光ファイバ６の他の実施形態についての図１６を参照する。図２のように、この図１６は走査電子顕微鏡によって得られた。
【０１０９】
ここで、屈折率の差は、最早、光ファイバのコアの異なるドーピングによって得られたものではない。コア１４の二つの領域は異なる材料から作られる。
【０１１０】
このように、コア１４の中心領域は、７０モル％のＳｉＯ２酸化物、２０モル％のＡｌ２Ｏ３酸化物、および１０モル％のＬａ２Ｏ３酸化物からなるランタン−アルミニウムケイ酸塩から作られ、第２領域はファイバの残りの部分と同じく純粋シリカから作られる。
【０１１１】
この実施形態において、本発明は第１実施形態のものと同じ原理に基づく。
【０１１２】
ここで、４波混合は、最早、ポンプを用いる二つの電磁気的な固有モードの励起に基づくものではなく、７２０ｎｍ、１０６４ｎｍおよび２０９０ｎｍの異なる固有モードがファイバの中心で重なり合うという事実に基づいている。モードＬＰ０１（例えば）は、ポンプ波長Ｐ、非ストークス波長Ａおよび／またはストークス波長Ｓについて存在することができることを思い起こすべきである。これらのモードは異なっており、したがって、コア１４の中心領域との重なり合いが異なる。
【０１１３】
４波混合は、１０６４ｎｍでの固有モードＬＰ０１からの二つのフォトンと、それぞれ７２０ｎｍでのモードＬＰ０１および２０９０ｎｍでの同一モードとの相互作用によって行われる。
【０１１４】
本実施例において、図１６のファイバは約１６０μｍの全径、直径約８５μｍのマイクロ構造ゾーン、直径約４．５μｍのコア、およびその中心が８．４μｍの距離だけ離れた平均直径８μｍの空気チャンネルを有する。
【０１１５】
図１７は図１６のファイバを用いた装置１の出口で得られた実際の実験スペクトルを示す。
【０１１６】
この図は、装置が前に説明した４波混合を優れた収率で生成することを明瞭に示し、ポンプ波長、ストークス波長、および非ストークス波長の伝播レベルは約５ｄＢに近く、同じである。
【０１１７】
以上、多色光発生器が、その出口で主としてポンプ放射、ならびに４波混合型の非線形効果によってポンプ放射から引き出された放射からなる多色光を送達することが分かった。
【０１１８】
そのため、例えば図９で得られる光線のスペクトルを拡大しようとすることが本発明により可能である。また、スペクトルスーパーコンティニュームを達成するか提案することのできる組み立て体において、他の光ファイバで提案された多色光発生器に追随することも可能である。
【０１１９】
図１８はこの原理を実現した装置の概要図である。
【０１２０】
この図は、光ファイバ７が光ファイバ６の出口に接続されていることを除いて、図１の図と同一である。
【０１２１】
ここで説明する例において、光ファイバ７は純粋シリカからなるマイクロ構造ファイバであり、その空気チャンネルの平均直径は２〜６μｍの範囲内で選択され、チャンネルの中心間の間隔は好ましくは２〜６μｍである。
【０１２２】
したがって、光ファイバ７は光ファイバ６の出口で得られた非ストークス光線を約７００ｎｍに広げるのに特に良好に適合する。
【０１２３】
より全般的に、光ファイバ７の幾何学的特性は、基本モードの分散が多色光発生器２によって送達された非ストークス放射の波長から最大１００ｎｍの距離にある波長で相殺されるように選択することができる。
【０１２４】
この場合、紫外線から近赤外に展延するスペクトルスーパーコンティニュームを生成することが可能である。
【０１２５】
さらに、光ファイバ７の幾何学的特性は、基本モードの分散が多色光発生器２によって送達されたストークス放射の波長から最大３００ｎｍの距離にある波長で相殺されるように選択することもできる。
【０１２６】
この場合、赤外スペクトルスーパーコンティニュームを生成することが可能である。
【０１２７】
最終的に、両方の場合とも、一方は非ストークス波長に近く位置し他方はストークス波長に近く位置する基本モードの分散の相殺のための二つの波長を有するように、光ファイバ７の特性を選択することによって同時に達成することができる。
【０１２８】
これは紫外線から近赤外および赤外に展延するスペクトルスーパーコンティニュームを達成することを可能にする。
【０１２９】
これまでの説明は物理的な実施が可能な実験実施形態および模擬実施形態を含む。これらの全ての実施形態は、したがって、本発明に適用できるパラメータおよび限定の定義に貢献する。
【０１３０】
異なる実施形態から生じる特徴の組み合わせが明確に述べられていなくても、これは制限を意味しない。提供された教示と説明によって他の組み合わせは予想可能である。例えば、本発明は０次および１次（ＬＰ０１およびＬＰ１１）のモードの組み合わせ、または１０６４ｎｍでのポンプ波長には限定されない。また、二つのポンプ波長での非縮退４波混合の使用も予見できる。
【０１３１】
本発明の目的は高度に技術的であるが、それは当業者の能力の範囲内であろう。本発明は、特にシミュレーションによって、望ましい特定のスペクトルを有する多色光を生成するファイバの設計および適用手段を提供する。当業者がここから推論できる全ては本発明の範囲に含まれる。したがって、光発生器のファイバの設計は、
（ａ）マイクロ構造光ファイバを提供し、そのコアは少なくとも第１および第２領域を含むこと、および
（ｂ）ポンプ放射による非線形動作における励起の場合に、ファイバがその出口で主としてポンプ放射ならびに４波混合型の非線形効果によるポンプ放射から引き出された放射から形成された多色光を送達するように、前記第１および第２領域のそれぞれの化学組成を位相整合を画定するよう調節することである、と考えることができる。
【０１３２】
より正確には、作業ｂはポンプ放射（一つまたは複数）とそこから引き出された様々な放射の間の周波数の差を選択するために用いることができる。
【０１３３】
他の態様において、コアの二つの領域は、ファイバの一つ以上の光（線形に偏光された）モードに基づく４波混合のための高い共鳴構造を構成するために提供されると考えることができる。
付属資料Ａ
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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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１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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