(57)【要約】装置は、光信号を伝送するように構成された光ファイバを含む。本光ファイバは、光信号を受信し、かつ、増幅するように構成されたコアを含む。光ファイバは、また、コアの相対する端部に光学的に結合された端部特徴も含む。コアは、端部特徴よりも低い曲げ損失を有している。本光ファイバは、さらに、コアおよび端部特徴を取り囲んでいるクラッドを含む。本光ファイバは、コアに基本モードの光パワーを閉じ込めるように構成されている。本光ファイバは、また、１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーがコアから端部特徴へと漏れることを可能にするように構成されている。
2020507931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を伝送するように構成された光ファイバを含む装置であって、
前記光ファイバは、
光信号を受信し、かつ、増幅するように構成されたコアと、
前記コアの相対する端部に光学的に結合された端部特徴であり、前記コアは該端部特徴よりも低い曲げ損失を有する、端部特徴と、
前記コアおよび前記端部特徴を取り囲んでいるクラッドと、
を含み、
前記光ファイバは、前記コアに基本モードの光パワーを閉じ込めるように構成されており、かつ、
前記光ファイバは、また、１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーが前記コアから前記端部特徴へと漏れることを可能にするように構成されている、
装置。
【請求項２】
前記光ファイバは、前記端部特徴における前記光パワーが前記端部特徴から前記クラッドへと漏れることを可能にするように、構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光ファイバは、前記端部特徴における前記光パワーが前記端部特徴から前記クラッドへと漏れることを可能にするように、曲げられている、
請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光ファイバの曲げ半径は、前記端部特徴における前記光パワーを取り去り、一方で、前記光ファイバが前記コアにおいて前記基本モードの光パワーをガイドすることを可能にするように選択されている、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記コアにおける材料と前記端部特徴における材料との間の屈折率オフセットは、前記コアにおける前記基本モードと前記端部特徴の１つまたはそれ以上の任意のモードとの間の直接な共振を防止するように選択されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光ファイバは、遅軸方向および高速軸方向を有しており、
前記光ファイバは、前記高速軸方向において前記基本モードの光パワーをガイドするように構成されており、かつ、
前記光ファイバは、前記１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーが前記コアの遅軸エッジを通して前記コアから漏れることを可能にするように構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記コアは、細長い形状であり、
前記端部特徴それぞれは、細長い形状であり、かつ、
前記端部特徴それぞれは、前記コアの高速軸の寸法よりも大きい、前記コアの高速軸の寸法に対して平行な寸法を有している、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記コアは、矩形であり、
前記端部特徴それぞれは、矩形または楕円形である、
請求項７に記載の装置。
【請求項９】
光信号を光ファイバの中へ注入するステップと、
基本モードの光パワーを前記光ファイバのコアに閉じ込めるステップであり、前記コアは、前記光信号を受信し、かつ、増幅するように構成されている、ステップと、
１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーが前記コアから端部特徴へと漏れることを可能にするステップであり、前記端部特徴は前記コアの相対する端部に光学的に結合されており、かつ、前記コアは前記端部特徴よりも低い曲げ損失を有している、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１０】
前記方法は、さらに、
前記端部特徴における前記光パワーが前記端部特徴から前記コアおよび前記端部特徴を取り囲んでいるクラッドへと漏れることを可能にするように、前記光ファイバを構成するステップ、
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法は、さらに、
前記端部特徴における前記光パワーが前記端部特徴から前記クラッドへと漏れることを可能にするように、前記光ファイバを曲げるステップ、
を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、さらに、
前記端部特徴における前記光パワーを取り去り、一方で、前記光ファイバが前記コアにおいて前記基本モードの光パワーをガイドすることを可能にするように、前記光ファイバの曲げ半径を選択するステップ、
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法は、さらに、
前記コアにおける前記基本モードと前記端部特徴における任意のモードとの間の直接な共振を防止するように、前記コアにおける材料と前記端部特徴における材料との間の屈折率オフセットを選択するステップ、
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記光ファイバは、遅軸方向および高速軸方向を有しており、
前記光ファイバは、前記高速軸方向において前記基本モードの光パワーをガイドし、かつ、
前記光ファイバは、前記１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーが前記コアの遅軸エッジを通して前記コアから漏れることを可能にする、
請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記コアは、細長い形状であり、
前記端部特徴それぞれは、細長い形状であり、かつ、
前記端部特徴それぞれは、前記コアの高速軸の寸法よりも大きい、前記コアの高速軸の寸法に対して平行な寸法を有している、
請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記コアは、矩形であり、
前記端部特徴それぞれは、矩形または楕円形である、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
方法であって、
光ファイバを取得するステップであり、該光ファイバは、
光信号を受信し、かつ、増幅するように構成されたコアと、
前記コアの相対する端部に光学的に結合された端部特徴であり、前記コアは該端部特徴よりも低い曲げ損失を有する、端部特徴と、
前記コアおよび前記端部特徴を取り囲んでいるクラッドと、を含む、
ステップと、
前記光ファイバの曲げ半径を選択するステップであり、
１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーを含む、該光パワーを前記端部特徴から取り去り、一方で、前記光ファイバが前記コアにおいて基本モードの光パワーをガイドすることを可能にする、
ように選択するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
前記方法は、さらに、
前記コアにおける材料と前記端部特徴における材料との間の屈折率オフセットを、
前記コアにおける基本モードと前記端部特徴における任意のモードとの間の直接的な共振を防止すること、および、
前記コアにおける１つまたはそれ以上の高次モードと前記端部特徴における１つまたはそれ以上の高次モードとの間で近い共振を提供すること、
のうち少なくとも１つになるように選択するステップ、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記光ファイバは、遅軸方向および高速軸方向を有しており、
前記光ファイバは、前記高速軸方向において前記基本モードの光パワーをガイドするように構成されており、かつ、
前記光ファイバは、１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーが前記コアの遅軸エッジを通して前記コアから漏れることを可能にするように構成されている、
請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記コアは、細長い形状であり、
前記端部特徴それぞれは、細長い形状であり、かつ、
前記端部特徴それぞれは、前記コアの高速軸の寸法よりも大きい、前記コアの高速軸の寸法に対して平行な寸法を有している、
請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に、光増幅のために使用される光ファイバに関する。より特定的に、本開示は、低い曲げ損失を伴うコアおよび高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光増幅用光ファイバおよび関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高品質のビームを出力するレーザーシステムは、多くのアプリケーションにおいて使用することができる。例えば、非常に長い距離にわたる情報の伝送を支援するために、ローノイズ、ハイパワーアンプが電気通信システムにおいて使用され得るだろう。いくつかのレーザーシステムは、光を増幅するためにファイバ増幅器を使用するが、光を伝送している光ファイバ内で光が増幅されることを意味している。ファイバ増幅器は、一般的に、コアおよびコアの周囲のクラッド（cladding）を含み、ここで、光はコアを通って移動し、そして、コアの中の活性レーザーイオン（lasing  ions）によって増幅される。
【０００３】
長年にわたり開発されてきた数多くのファイバ増幅器が存在している。ファイバ増幅器デザインの一つの目標は、出力ビームの品質に妥協することなくコアの断面積を増加させることであった。より大きなコア面積は、コアにおけるドープされた材料のより大きなボリュームのため、ファイバのエネルギー貯蔵容量（energy-storage  capacity）を増加させる。このことは、パルスレーザーシステムまたは他の高エネルギーレーザーシステムについて特に有益であり得る。コアにおける光強度を減少させ、そして、劣化要因である非線形効果（nonlinear  effects）に関する閾値を増加させるからである。
【０００４】
いくつかのファイバ増幅器は、大きな円形コア（circular  core）を含むが、円形コアのサイズを大きくすることは、典型的に、出力ビームの品質を減少させる。結果として、矩形コアといった、他のコア形状を用いるファイバ増幅器が開発された。しかしながら、矩形コアを用いるファイバ増幅器は、それらの大きな寸法において高度にマルチモードであり、高出力ビーム品質を維持することにおける困難性をもたらし得る。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、低い曲げ損失（bend  loss）を伴うコアおよび高い曲げ損失を伴う端部特徴（end  features）を有する光増幅用光ファイバ、および関連する方法を提供する。
【０００６】
第１実施形態において、装置は、光信号を伝送するように構成された光ファイバを含む。光ファイバは、光信号を受信し、かつ、増幅するように構成されたコアを含む。光ファイバは、また、コアの相対する端部に光学的に結合された細長い端部特徴を含む。コアは、端部特徴よりも低い曲げ損失を含む。光ファイバは、さらに、コアおよび端部特徴を取り囲んでいるクラッドを含む。光ファイバは、コアに基本モードの光パワーを閉じ込めるように構成されている。光ファイバは、また、１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーがコアから端部特徴へ漏れることを可能にするように構成されている。
【０００７】
第２実施形態において、方法は、光信号を光ファイバの中へ注入するステップを含む。方法は、また、基本モードの光パワーを光ファイバのコアに閉じ込めるステップも含み、ここで、コアは、光信号を受信し、かつ、増幅するように構成されている。方法は、さらに、１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーがコアから端部特徴へと漏れることを可能にするステップを含み、ここで、端部特徴は、コアの相対する端部に光学的に結合されている。コアは、端部特徴よりも低い曲げ損失を有している。
【０００８】
第３実施形態において、方法は、光ファイバを取得するステップを含む。光ファイバは、光信号を受信し、かつ、増幅するように構成されたコアを含む、光ファイバは、また、コアの相対する端部に光学的に結合された端部特徴を含む。コアは、端部特徴よりも低い曲げ損失を有する。光ファイバは、さらに、コアおよび端部特徴を取り囲んでいるクラッドを含む。方法は、さらに、光ファイバの曲げ半径を選択するステップを含む。１つまたはそれ以上の高次モードの光パワーを含む、光パワーを端部特徴から取り去り、一方で、光ファイバがコアにおいて基本モードの光パワーをガイドすることを可能にしている。
【０００９】
他の技術的特徴は、当業者にとって、以下の図面、説明、および請求項から直ちに明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
この開示およびその特徴をより完全に理解するために、添付の図面と併せて、これから以下の説明について参照がなされる。
【図１】図１は、この開示に従った、より低い曲げ損失を伴うコア、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバの一つの例に係る短く、湾曲した長さの断面図である。
【図２】図２は、この開示に従った、より低い曲げ損失を伴うコア、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバを通って伝搬する光の異なるモードに対する有効屈折率の値（effective  index  values）に係る例を示している。
【図３】図３は、この開示に従った、高次モードについて細長い端部特徴から光ファイバのクラッドへの光漏れ（optical  leak）を生成するための一つの例示的なメカニズムを示している。
【図４】図４は、この開示に従った、高次モードについて細長い端部特徴から光ファイバのクラッドへの光漏れを生成するための一つの例示的なメカニズムを示している。
【図５】図５は、この開示に従った、より低い曲げ損失を伴うコア、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバの別の例に係る短く、湾曲した長さの断面図である。
【図６】図６は、この開示に従った、より低い曲げ損失を伴うコア、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバを使用するための一つの例示的な方法を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に説明される図1から図6、および、この特許文献において本発明の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、説明のためだけのものであり、そして、本発明の範囲を限定するように、決して、解釈されるべきではない。当業者であれば、本発明の原理が、任意のタイプの適切に構成された装置またはシステムにおいて実施され得ることを理解するだろう。
【００１２】
上述のように、光ファイバにおけるコアの断面積を増大させるために、円形コアのサイズを増大させることによるといった、様々な試みがなされてきた。しかしながら、光ファイバにおいて円形コアのサイズを大きくすることは、様々な問題をもたらす。例えば、一定のコア開口数(numerical  aperture、NA)のためのより大きなコア直径は、単一モードのファイバをマルチモードの導波路（waveguide）構造へと変換し、貧弱な出力ビーム品質を結果として生じる。また、モード混合（mode  mixing）は、単一の横断モード伝搬（single-transverse-mode  propagation）を提供することを非常に困難にする。典型的な長いファイバは、サイズ、重量、およびパッケージング(size,weight,and  packaging、SWaP)の理由のために、しばしば、コイル状に巻かれること（to  be  coiled）を必要とするからである。代替的なアプローチは、コアの直径の増加と同時にコアNAを減少させることによって、比較的小さいコア正規化周波数パラメータ（Normalized  Frequency  Parameter）(V数（V-number）とも呼ばれるもの)を維持することを含む。このことは、コアのガイドモードの数を削減するために役立つが、単一モードの出力を提供することができる最小許容曲げ直径（minimum  tolerable  bend  diameter）が、低NAコアファイバについてどんどん大きくなり、パッケージングを複雑にしている。
【００１３】
いくつかの既知の低NA構造は、フォトニック結晶ファイバ(photonic  crystal  fiber、PCF)技術に基づいている。これらのファイバは、たとえわずかな曲がりであっても低NAコアからの強い曲げ誘発漏れ（bend-induced  leakage）を引き起こし得るので、直線状であることを必要とする。このために、非常に大きなコア面積を伴うPCFファイバ(典型的には、ロッド状ファイバ（rod-like  fiber）と呼ばれるもの)は、たいてい、はるかに大きな円筒状のガラス棒クラッド（glass-rod  cladding）の中へパッケージされる。大きなクラッド直径は、曲げ（bending）を機械的に制約し、そして、しばしば、短いファイバ片の使用をもたらし、再び、低SWaPパッケージングを達成することを複雑にし得る。厚いガラスクラッドは、また、短い棒状のファイバを熱負荷に対して敏感にし、そして、より密度が濃い単位長さ当たりの熱負荷は、厚いクラッドを通る熱伝導が不十分であることから生じる比較的に高い温度勾配のせいで、熱レンズ化（thermal  lensing）をもたらす。
【００１４】
拡大された円形コアを有する光ファイバの問題は、高いアスペクト比を伴う矩形コアといった、他のコア形状を用いる光ファイバの開発をもたらした。これの一つの例は、レイセオンカンパニー社によって開発された半導波性高アスペクト比コア(semi-guiding  high-aspect  ratio-core、SHARC)ファイバアーキテクチャである。SHARC光ファイバは、非常に大きなアスペクト比を有する矩形コアを含んでおり、コアのより長い寸法は、コアのより小さい寸法よりもはるかに大きいことを意味している。矩形のコアは、活性レーザーイオンを用いてドープされた中央領域（central  region）を含み、そして、中央領域は、受動材料インサートの間に配置されている。SHARCファイバアーキテクチャの一つの例に係るさらなる詳細は、米国特許第7983312号(その全体が参照によりここに組み込まれているもの)において提供されている。
【００１５】
他のアプリケーションの中でも、SHARC光ファイバは、通信システムのためのローノイズ、ハイパワーファイバ増幅器のデザインにとって魅力的である。光ファイバにおける位相ノイズ（phase  noise）に対するカー非線形性（Kerr  nonlinearities）および熱寄与（thermal  contributions）を低減するのに役立つからである。連続波(continuous  wave、CW)高エネルギーレーザー(high-energy  laser、HEL)ファイバシステムのために、SHARC光ファイバは、パワースケーリング（power  scaling）を助けることができる。すなわち、高アスペクト比のコアにより、結合可能なファイバ当たりのパワー出力を増加させることができる。システム全体の複雑性は、従って、より少ない数の結合可能なチャネルを使用することによって、低減することができる。
【００１６】
SHARCアーキテクチャといったデザインにおいては、コアのより長い寸法は、コアの「遅軸（”slow-axis”）」に沿って伸びると言われており、一方で、コアのより短い寸法は、コアの「高速軸（”fast-axis”）」に沿って伸びると言われている。コアの高いアスペクト比は、少なくとも一つの方向、主により狭い高速軸に沿った、少なくとも一つの方向における光の単一モードの伝搬を促進するのに役立つ。一つのモード又はごくわずかなモードだけが高速軸方向においてガイドされるので、そうしたコアを通じた単一モードの伝搬が得られる。コアは、コアが非常に広い遅軸方向においては依然として高度にマルチモードであり、そうして、多くの遅軸モードがコアの中でトラップされ（trapped）得る。
【００１７】
SHARCファイバといったファイバは、高度にマルチモードなコアを有するので、ファイバから高品質な光ビームを獲得するために、モード選択メカニズムが使用されている。モード選択メカニズムは、コアの基本（fundamental）横断モードを支持し、かつ、他の高次モードに反対するように区別する。「ゲインフィルタリング（”gain  filtering”）」は、使用され得るいくつかのモード選択メカニズムのうちの一つである。ゲインフィルタリングは、コアの基本モードについて、より強いゲインを促進する。SHARCファイバにおいて、例えば、遅軸方向におけるコアの中心軸近傍の活性ドーパントの濃度は、ゲインフィルタリングを可能にする。平坦化されたコアの中心の近くに誘導放出（stimulated-emission）ゲインを備えることは、ゲイン領域（gain  region）を伴うコアの基本モードについて最も高い空間的なオーバーラップを生じさせ得る。このことは、そうした特定のモードのための最高のゲインを促進し、ファイバに沿って回折限界（diffraction-limited）の品質の光を伝搬して、ファイバの出力において優位を占めている。
【００１８】
「損失フィルタリング（”loss  filtering”）」は、また、もしくは、代替的に、モード選択のためにも使用することができる。損失フィルタリングは、周囲のクラッドへの高次モードのより強い漏れを促進し、一方で、基本モードについてゼロまたは低い漏れ率（leakage  ratio）も提供している。特定の単純化された例として、コアと同じ屈折率を有するクラッドが、コアの遅軸（slow-axis）エッジに隣接するモード屈折率整合領域（mode-index-matching  regions）の中に配置され得るだろう。
【００１９】
しかしながら、平面ガイドコア（planar  guiding  core）と外部「自由空間（”free-space”）」伝搬媒体との間のインターフェイスは、たとえコア材料の屈折率がクラッド材料の屈折率と同じであり、かつ、コアのエッジおいて屈折率ステップが存在しない場合でも、コアのエッジで反射を提供することに留意する。エッジにおける反射境界（reflecting  border）は、コアを通じた光およびコアのエッジを越えてクラッドを通じた光の伝播の異なる空間的分散（spatial  dispersion）特性のせいで現れる。エッジによる反射が持続する一方で、屈折率整合領域とコアとの間の最適な屈折率オフセット（index  offset）が存在し、コアへ戻る反射の最小化およびコアからの漏れ率の最大化を提供する。
【００２０】
以前に、最適な屈折率（index）差異は、屈折率整合領域に係る「無限大（”infinite  size”）」の単純な特殊ケースについて見出されていた。この最適条件の近くで、コアの全ての遅軸モードは、周囲のクラッドへのパワーの漏れによって引き起こされる最大伝搬損失を経験する。また、ｍ次の遅軸モード（slow-axis  mode  of  order  m）の漏れ率は次数と共に急速に増加し、そして、損失率はｍ２に概ね比例して増加する。モード−次数の強い依存性は、ここにおいて、「損失フィルタリング効果（”loss  filtering  effect”）」を結果として生じる。すなわち、損失フィルタリングは、コアにおける高次モードによって伝達されるパワー量（power  content）を低減するのに役立つ。コアの基本モードは、あらゆる他のモードよりも著しく低い、最小の漏れ損失を経験する。全体のファイバ長にわたり基本モードについて全体の漏れを低くし、かつ、他のモードについて漏れを強くするようにファイバの長さが選択される場合に、良好なビーム品質を容易に達成することができる。そうした条件において、基本モードは、蓄積された反転エネルギー（inversion  energy）を蓄積し、かつ、ファイバの出力において優位を占めるように、効率的に増幅され、一方で、高次モードは、蓄積エネルギー（store  energy）について競合できない。
【００２１】
しかしながら、あらゆる実際のファイバについて断面寸法は限られており、そして、屈折率整合領域のための「無限大」は単なる近似である。高次モードの光パワーを沈下する（sinking）ためのリザーバとしての役割を果たすスペースは、実際には有限のボリュームである。このことを念頭に置いて、SHARCまたは他のファイバアーキテクチャは、コアの端部において「端部特徴（”end  features”）」を使用することができる。このアプローチにおいて、屈折率整合領域は、コアの遅軸エッジに隣接し、かつ、全内部反射(total  internal  reflection、TIR)壁によってファイバのメイン低屈折率クラッドから分離された光学的ガイド領域として指定されている。高次モードの光は、従って、コアから端部特徴へと漏れ出ることができ、そして、端部特徴は、漏れたパワーを蓄積する。理想的には、基本モードのみがファイバのコアの内側に持続的に残り、一方で、高次モードは大部分が端部特徴へと漏れ出す。
【００２２】
不幸にも、コアから端部特徴へと漏れる光は、光がファイバを伝播する際に、端部特徴のガイドTIR壁によってトラップされてしまう。端部特徴における全光パワーが強くなる場合に、光を伝達するための端部の容量（capacity）が使い尽くされることがあり、「オーバーフィル（”overfill”）」と呼ばれる状態を結果として生じる。オーバーフィルされた端部特徴からの光は、光がファイバを伝播するにつれて、コアと端部特徴との間を前後に進行することができ、ときどき、それは「スロッシュバック（”slosh-back”）」として参照される。端部特徴からコアへ戻る光は、異なる次数の横断モード（transverse  mode）に生息する（populate）ことができ、基本モードのモードコンタミネーションを結果として生じている。これらの条件の下で、出力ビームの品質は再び劣化し得る。
【００２３】
端部特徴に対して加えられるドーパントを吸収することは、この問題を軽減することができるが、一方で、イッテルビウム(Ytterbium、Yb)ドープまたはエルビウム(Enbium、Er)ドープファイバのような実用的に重要なシリカガラス系（silica  glass  systems）といった、所定の系において適切な吸収体（absorber）として役立ち得る、端部特徴のためのドーピング材料を見つけることは非常に難しいだろう。ドーパントは、漏れた光を効率的に減衰させるために信号波長において十分なエネルギーを吸収する必要があるだろうが、端部特徴は、ポンプと信号が同一の導波路を共有するので、ポンプ光に対して非常に透明であるべきである。そうでなければ、システムの永続する（lasting）効率が損なわれ得る。レーザー媒体反転（laser  medium  inversion）をポンプアップ（pumping  up）するより、むしろ、端部特徴における吸収体の放熱（dissipative  heating）のせいで、ポンプパワーが部分的に浪費されるからである。不幸にも、最も効率的な「帯域内（”in-band”）」共振ポンピング（resonant  pumping）スキームが適用される場合のYbおよびErファイバのように、ポンプと信号帯域との間のスペクトル分離は、あまり大きくないことがある。信号光を吸収することができる、サマリウム(Samarium、Sm)またはツリウム(Thulium、Tm)のような、潜在的に利用可能な吸収イオン（absorbing  ions）も、また、ポンプ波長において顕著な損失を課すものである。さらに、端部特徴によって吸収されたパワーは、コアのエッジ近傍のコアを加熱する。このことは、コアの遅軸に沿った屈折率分布を変化させ、そして、コアのモードを歪ませることができる。このことは、また、屈折率が増加されている、加熱された端部特徴の中へとコアから余分な光を引き込むことによって、コアと端部特徴との間のパワーバランスを変化させることもできる。
【００２４】
この開示は、より低い曲げ損失を伴うコアおよびより高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバを提供する。光ファイバのコアは、第１方向において細長くすることができ、そして、高いアスペクト比を有してよい。高速軸（fast-axis）方向における小さいコア寸法は、ファイバが高速軸方向に曲げられた場合に、コアを曲げ損失に対して強くしている。コアの遅軸エッジに置かれた、端部特徴は、強い曲げ損失を経験するようにデザインされている。いくつかの実施態様において、端部特徴は、第１方向に対して横切る第２方向において伸長されている。特定の実施形態において、コアおよび端部特徴は、全て矩形の形状を有するが、コアおよび端部特徴のための他の形状も、また、使用され得る。コア形状により、単一の基本モードのみ、または、おそらく少数のモードだけが高速軸方向にガイドされ得るようにする。望ましくない高次の遅軸モードは、端部特徴へと漏れていく。光ファイバが適切に曲げられている場合には、端部特徴の細長い性質（elongated  features）により、端部特徴によって蓄積された光パワーは、コアから離れて、光ファイバのクラッドへと漏れ出ることができる。このようにして、端部特徴における曲げ損失は、全ての関連する有害な熱効果と共に、吸収損失（absorption  loss）に取って代わる。
【００２５】
この提案されたデザインアプローチにおいては、望ましくない高次モードの光がコアから端部特徴へと移動し、そして、次いで、光ファイバの周囲のクラッドへと直接的に放出することができる。放射パワー漏れ（radiative  power  leakage）は、ファイバを曲げることによって引き起こされ得る。ファイバをコイル状に巻くこと（coiling）による(これは、しばしば、典型的なシステムにおいて光ファイバがどのようにパッケージされるかである)、といったものである。このアプローチは、従って、端部特徴からの光パワーの漏れを促進する方法として、実際にファイバの曲げを使用している。このアプローチにより、また、端部特徴の形状および光ファイバの曲げ半径を選択することもでき、そうして、曲げ誘起漏れ（bend-induced  leakage）は、端部特徴の任意の横断モードに対しては強力であるが、ファイバコアにおける基本モードに対しては無視できるほど低い。
【００２６】
図1は、この開示に従った、より低い曲げ損失を伴うコア102、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴104a−104bを有する光ファイバ100の一つの例に係る短く、湾曲した長さの断面図である。コア102および端部特徴104a−104bは、この実施例において、I型構造を形成するように、ここで、組み合わされる。光ファイバ100は、図1における図示の平面に垂直な伝搬方向において、コア102を通じて光を運搬し、かつ、増幅するように構成されている。端部特徴104a−104bは、コア102からの高次モードの光を受け取り、そして、高次モードの光パワーが端部特徴104a−104bから周囲のクラッド106へと漏れ出せるように構成されている。
【００２７】
コア102は、光ファイバ100の細長いコア領域を示している。コア102は、コア102が遅軸方向108では実質的に幅広く、かつ、高速軸方向110では実質的に薄くなるように、伸長されている。いくつかの実施態様において、コア102のアスペクト比(高速軸の寸法に対する遅軸の寸法)は、１０：１、２０：１、４０：１、または、それ以上でさえある。図1においては矩形であるとして示されているが、コア102は、他の好適な細長い形状を有することができる。
【００２８】
端部特徴104a−104bそれぞれは、コア102の端部における細長い領域を示している。端部特徴104a−104bそれぞれは、端部特徴が高速軸方向110では実質的に幅広く、かつ、遅軸方向108では実質的に薄くなるように、伸長されている。このために、コア102は一方向(遅軸方向108)において伸長され、端部特徴104a−104bは横断方向(高速軸方向110)に伸長されている。図1においては矩形であるとして示されているが、端部特徴104a−104bそれぞれは、楕円形、半月形、または、コア102における曲げ損失と比較してより強い曲げ損失を可能にする他の形状といった、他の適切な細長い形状を有し得る。図1における破線の楕円は、端部特徴104a−104bについて一つの他の例示的な形状を示している。
【００２９】
コア102は、任意の適切な材料から、そして、任意の適切な方法で形成され得る。例えば、コア102は、石英ガラス（silica  glass）または他の材料から形成され、そして、適切な希土類イオン（rare-earth  ions）または他の活性レーザーイオンを用いてドープされ得る。レーザーイオンの例は、イッテルビウム(Yb)、ネオジム（Nd）、エルビウム(Er)、ツリウム（Tm）、またはホルミウム（Ho）を含んでいる。コア102は、ここにおいて、中央部分112、および、中央部分112の相対する側における外側部分114a−114bを含む。中央部分112は、増幅を提供するコア102の活性部分を示している。外側部分114a−114bは、増幅が存在しない、コア102の受動的部分を示している。外側部分114a−114bは、中央部分112と外側部分114a−114bとの間のインターフェイスにおいて反射が存在しないような、屈折率を有している。これにより、増幅された信号は、遅軸方向108においてコア102の活性中央部分112を「オーバーフィル（”overfill”）」することができる。外側部分114a−114bの屈折率は、制御することができる。これらの領域における適切なドーパント濃度を特定することによる、といったものである。
【００３０】
端部特徴104a−104bは、また、任意の適切な材料から、そして、任意の適切な方法で形成することもできる。例えば、端部特徴104a−104bは、石英ガラスまたは他の材料から形成され得る。端部特徴104a−104bは、活性レーザーイオンを用いてドープされない。端部特徴104a−104bは、望ましくない高次モードのあらゆる増幅を提供する必要がないからである。加えて、クラッド106は、任意の適切な材料から、そして、任意の適切な方法で形成され得る。クラッド106は、一般的に、コア102の屈折率および端部特徴104a−104bの屈折率よりも小さい屈折率を有している。
【００３１】
コア102は、導波路（waveguide）を形成し、そして、端部特徴104a−104bは、コアから延び、そして、コア102の平面に対して垂直に配向された追加的な導波路を形成している。より詳細に以下で説明されるように、このコンフィグレーションは、コア102から離れた外部クラッド106への、端部特徴104a−104bによって集められる光の漏れを促進する。これは、端部特徴104a−104bにおける光パワーの蓄積を回避する、放射漏れ損失(散逸損失（dissipative  loss）とは対照的に)を示しており、一方で、従来の吸収端部特徴によって生成されるパワー散逸および熱の劣化効果も、また、回避している。
【００３２】
端部特徴104a−104bによって提供される損失は、高次コアモードの光を処分する（dispose）ために使用され、基本モードに有利なようにコア102における高次モードを排除するために役に立つ。端部特徴104a−104bからクラッド106への漏れは、また、端部特徴104a−104bからコア102に再侵入する（reentering）高次モードの光に対する保護も提供している。外部クラッド106は、端部特徴104a−104bと比較して、領域がはるかに大きく、そうして、端部特徴104a−104bからのこの２次漏れは、外部クラッド106において拡がり、ファイバの断面にわたり広がる低い光強度を生成し、そこでは、コンパクトコアモードによって伝送されるビーム品質に著しい影響を与えることはできない。
【００３３】
端部特徴104a−104bが高速軸方向110に沿って延在しているので、端部特徴104a−104bは、図1の水平方向において左端を通じた外部クラッド106への漏れ損失について影響されやすい(コイル状に巻かれたファイバ（coiled  fiber）100の曲げ軸が図1の右側にあるものと仮定している)。このことは、図1における破線の矢印によって示されている。しかしながら、コア102は、幅広いコアクラッドインタフェース面116を通じて、高速軸方向110において実質的に漏れが無いままである。以下に説明されるように、(i)屈折率の値および導波路の寸法、(ii)端部特徴導波路の形状とアスペクト比、および(iii)コイル状に巻かれたファイバの高速軸の曲率、に関するいくつかのデザイン特徴は、光ファイバ100の動作の最適化を助けるように選択することができる。
【００３４】
図1は、より低い曲げ損失を伴うコア102、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴104a−104bを有する光ファイバ100に係る一つの例を示しているが、図1に対して様々な変更が成され得る。例えば、任意の特定的な実施において、光ファイバ100のコア102および端部特徴104a−104bのいずれか又は両方のサイズ、形状、相対的な寸法、アスペクト比、および屈折率の値は、必要に応じて又は望むように変化し得る。また、コア102および光ファイバ100は、簡略化のために図1から省略された多くの追加的な特徴を含むことができる。米国特許第7983312号において記載されている特徴（上記に参照として組み込まれている）といったものである。
【００３５】
図2は、この開示に従った、より低い曲げ損失を伴うコア、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバを通って伝搬する光の異なるモードに対する有効屈折率の値（effective  index  values）の例を示している。図1の光ファイバ100に関して説明されたが、他の光ファイバが使用され得ることに留意する。他のコアまたは端部特徴の形状、寸法、アスペクト比、または屈折率の値といったものである。
【００３６】
光ファイバ100のいくつかの実施形態において、端部特徴104a−104bを形成している材料の屈折率は、コア102を形成している材料の屈折率に「適度に近く（”reasonably  closely”）」マッチ（matched）させることができる。より具体的に、端部特徴104a−104bの屈折率は、端部特徴104a−104bの１つまたはそれ以上のモードの有効屈折率（effective  refractive  index）が、コア102の１つまたはそれ以上の高次モードの有効屈折率と適度に近くマッチし得るように、選択することができる。この特性のために、端部特徴104a−104bを形成している材料は、モード屈折率整合（mode-index  matching、MIM）材料と示される。このMIM条件は、上述のように、損失フィルタリングを介したモードクリーンアップを促進する。最適な屈折率整合によって、高次の遅軸モードは、コア102の基本モードよりもはるかに高い速度で、端部特徴104a−104bへと漏れることが可能になる。
【００３７】
屈折率整合の程度は、端部特徴104a−104bのデザインによって進めることができ、そして、幾何学的形状特有（geometry-specific）のものである。以下は、光ファイバ100における屈折率整合の最適化のための条件を開示している。このプロセスの１つの目標は、ベストモードを識別するために、コア102と端部特徴104a−104bとの間の適切な屈折率オフセットを見い出すことである。最適なオフセットは、コア102および端部特徴104a−104bによって形成される導波路の形状および寸法によって画定される、光ファイバ形状の横断モードの構造によって進められる。
【００３８】
光ファイバ100または類似のファイバにおいて、コア102および端部特徴104a−104bは、３つの結合された導波路を表している。コア102は、平面導波路を示し、そして、端部特徴104a−104bも、また、(より小さい)平面導波路を示している。これらの導波路それぞれは、高度にマルチモードであり、そして、３つの導波路は全て(互いに分離して別々に処理される場合に)、２次元横断モードに係る別々の離散集合（separate  discrete  sets）を有している。各横断モードは、有効モード屈折率によっても特徴付けられる。
【００３９】
任意の導波路のモードに対する有効屈折率は、その導波路を形成している材料の屈折率の値より下にある。各導波路について、最も高いモード屈折率を有し、かつ、たいてい、導波路の中で単一ローブプロファイル（single-lobed  profile）を有する基本モードが存在している。高次モードのファミリーについて有効屈折率は、基本モード屈折率より下にある。この一つの例は、図2に示されており、ここで、コア102および端部特徴104a−104bを形成している材料の屈折率は、それぞれに、ｎｃｏｒｅおよびｎＭＩＭで示されている。コア102における基本モードについて有効屈折率はｎ１，１で示され、そして、コア102における高次モードについて有効屈折率はｎｉ，ｊで示されている(ここで、ｉおよびｊのうち少なくとも１つは１より大きい)。端部特徴104a−104bにおける横断モードについて有効屈折率は、一般的に、コアモード屈折率とは異なっており、そして、図2において、ｎｅｆ１，１およびｎｅｆｉ，ｊと示されている。
【００４０】
最大有効屈折率およびモード屈折率間における間隔の両方は、マルチモード導波路の断面寸法およびその形状(またはアスペクト比)、並びに導波路の中の材料の屈折率に依存している。最大有効屈折率およびモード屈折率間における間隔も、また、周囲の材料の屈折率によっていくらか影響され得る。コア102および端部特徴104a−104bの横断モードは、コア102および端部特徴104a−104bが異なるサイズ(および、おそらく形状)を有するので、異なるガイドの幾何学的形状に基づいている。従って、モードファミリーについて有効屈折率の「スペクトル（”spectra”）」は、また、コア102について、および、端部特徴104a−104bについても異なることが明らかである。
【００４１】
コア102および端部特徴104a−104bは、コア102のエッジインターフェイスにおいて直かに接触しており、そして、接触した導波路は、光学的に結合されている。横断モードは、通常、その導波路の中に局在する（localized）が、その導波路を越えて、境界（borders）のいくらか近くに自然と延びている。従って、光ファイバ100における２つの隣接する導波路のモードは、空間的にオーバーラップし、結果として、相互作用が生じ、伝搬の際にこれらのモードを混合することに導く相互作用（interaction）を生じている。結果として生じる混合モード（mixed  modes）は、たいてい、両方の導波路のボリュームを共有するために、非局在化される（delocalized）。さらに、モードの相互作用は、混合モードそれぞれが単に元のモードの線形結合ではないように、互いに歪ませることができる。空間的なオーバーラップの度合いが増えるにつれて、相互作用はより強くなり、そして、より多くの歪みがモードパターンへと引き起こされる。
【００４２】
伝搬モード間における相互作用強度は共鳴条件によって増大される。モードが同等又はほぼ同等の有効屈折率を有する場合に、結合された光導波路において共鳴が生じる。そうしたモードは、光ファイバの長さに沿って同期的に伝搬し、同じ位相速度を有しており、かつ、ファイバの長さのほぼ全体にわたり同じ相対位相（relative  phase）にある。これらの条件は、混合モードについて、光結合および１つの導波路から別の導波路への光パワーの漏れを最大化する。
【００４３】
全ての導波路が高度にマルチモードである場合に屈折率レベル（index-level）ファミリーについて個体数（population）の密度が高くなり、これは光ファイバ100についてそうである。結果として、モードパターンの離散的な特性の他に、偶発的な共振が非常に一般的になり得る。理想的には、コア102の基本モードを含む任意の共振が回避され、これは、基本モードを初期の状態に維持するのに役立つ。端部特徴104a−104bのモードとの相互作用が存在しないと、コア102の基本モードは、歪みを回避し、かつ、良好なビーム品質を維持することができる。また、そして、結果として、コア102の基本モードは、コア102の中をコンパクトに伝搬して最小限の損失を経験し、そして、端部特徴104a−104b内への漏出を低減または排除する。
【００４４】
一方で、高次コアモードは、端部特徴104a−104bへと光学的に結合されることが好ましい。これらのモードは、基本モードの屈折率ｎ１，１1よりも低い有効屈折率を有する。端部特徴104a−104bのモードに対して共振的に結合されると、共振モードは、混合モードを形成し、そして、非局在化されて、混合モードパワーのかなりの部分が、端部特徴104a−104bによって形成される導波路の中に存在している。これらの条件の下で、端部特徴104a−104bに漏れ損失を加えることは、基本コアモードに関してこれらの高次コアモードを区別するのに役立ち、そして、端部特徴104a−104bに望ましくない高次モードを処分すること（disposing）によって良好なビーム品質が獲得される。加えて、アクティブに（actively）ドープされたコア領域との非局在化されたモードの空間的オーバーラップが低減され、そうして、利得フィルタリングがより効果的になる。
【００４５】
高次モードについて共振を促進する一方で、基本モードについて共振を回避するという目的は、端部特徴104a−104bにおける基本モードの有効屈折率ｎｅｆ１，１が、コア102における基本モードの有効屈折率ｎ１，１の下に位置する場合に、良好に満たされ得る。モード屈折率のこの相対的な位置決めは、光ファイバ100についてコア102と端部特徴104a−104bとの間の適切な屈折率マッチング（index  matching）を提供する。この配置の一つの例は、図2に示されており、そこでは、右側に示されている末端部特徴の基本モードの屈折率ｎｅｆ１，１は、左側に示されている最も高いコアモード屈折率ｎ１，１よりもいくらか下にプッシュされている。
【００４６】
ｎｅｆ１，１とｎ１，１と間の屈折率オフセットの目標値は、基本コアモードについてあらゆる共振をキャンセルするために十分な大きさであるべきである。量子系（quantum  system）におけるエネルギー準位（energy  levels）と同様に、導波路について全ての「屈折率レベル」は、有限幅（finite  width）δｎを有していることによって洗い落される（washed  out）。したがって、屈折率オフセットｎ１，１−ｎｅｆ１，１は、少なくとも２から３倍だけ幅δｎを超えることができるだろう。原子系のエネルギー準位を用いたアナロジーは、ここにおいて例証となり得る。蛍光発光（fluorescence）または環境との相互作用による励起状態（exited  states）についての特徴的な減衰時間（characteristic  decay  time）は、原子レベルについての有効スペクトル幅を画定する。同様に、モード屈折率レベルの幅δｎは、ファイバの下の対応するモードにおける平静な伝搬（unperturbed  propagation）の長さδZによって制御される。ここで、δｎ≒δZである。光学的に隔離された導波路について、長さδZは、分光法（spectroscopy）の観点で均一（homogeneous）又は不均一（inhomogeneous）な拡がりに類似している、２つの特性によって定義され得る。１つの特徴は、材料の吸収または散乱（scattering）のせいでモードパワーが低下する長さである。別の特徴は、このモードについてエンベロープ位相（envelope  phase）が保存される長さである。Ｚ軸に沿った(光ファイバの長さに沿った)エンベロープ位相の変動は、ファイバ引き出し（draw）の不完全性によって引き起こされ得るものであり、ファイバの長さに沿ってゆっくりと変動する導波路特性を結果として生じる。これらは、導波路の材料の屈折率の変動、または、導波路の断面形状および寸法の変動によって引き起こされる。幅δｎは、一般的な分析から事前に決定することができない。それが、しばしば、ファイバ引き出し（fiber-draw）品質の関数であり、そして、より良好なファイバ品質が、より狭い屈折率レベルの分離を結果として生じるためである。
【００４７】
より一般的に、基本モード間における現実的な屈折率オフセットは、ファイバ製造の許容誤差（tolerance）によって定められ得る。大部分は、コア102および端部特徴104a−104bに対する相対的な材料の屈折率制御のための許容誤差によるものである。たとえ最適な理論的オフセットを知っていても、オフセットは目標値としてだけ考えることができ、そして、屈折率の不確実性は経験的に定義することができる。一つの例示的なアプローチは、オフセットがモード屈折率制御の許容誤差を２倍だけ超えるべきであるということであり得る。
【００４８】
２つの基本モード、１つはコア102について、そして、もう１つは端部特徴104a−104bについてのもの、について、有効屈折率の相対的な位置を制御するためのいくつかの技術が存在している。任意の１つの技術または複数の技術の組み合わせが、光ファイバ100と共に使用され得る。
【００４９】
コア102の寸法(図1に示すような幅ｗｃおよび高さｈｃ)は、典型的には、光ファイバ100の意図されたアプリケーションによって決められ、しばしば、特定のアプリケーションにおいてコア102によって許容され得る最大の光パワーによって決められる。その結果として、これらのパラメータは、典型的には、屈折率マッチングのために変更することができないか、または変更すべきでない。コアの屈折率ｎｃｏｒｅも、また、しばしば、事前に決定される。レーザー効率を最適化するガラス組成物または他のコア材料による、といったものである。このため、デザインは、コア102の特性が与えられ、そして、固定されているという仮定の下で、開発され得る。コア102の事前に決定された導波路断面は、材料の屈折率ｎｃｏｒｅに関して横断モードのファミリーに対応している屈折率の「はしご（”ladder”）」について相対的なオフセットを固定する。従って、コア102におけるモード屈折率レベルの構造(図2の左側に示されている、といったもの)は、固定されるようになり、そして、端部特徴104a−104bの１つまたはそれ以上の特性が、屈折率マッチングの目的のために変更され得る。
【００５０】
端部特徴104a−104bの１つまたはそれ以上の特性を変化させるために、いくつかのアプローチを使用することができる。１つのアプローチは、端部特徴104a−104bの形状および寸法を事前に決定することである。このアプローチを使用することにより、端部特徴104a−104bについて全てのモード屈折率の相対的な位置(図2の右側に示されている、といったもの)は、材料の屈折率ｎＭＩＮに関して「凍結（”frozen”）」される。端部特徴の材料自体の屈折率を変更することは、全てのモードについてほぼ同じ量だけ屈折率を変化させる。結果として、端部特徴モードの「はしご」全体が、材料の屈折率ｎＭＩＮと同期して全体として上下に移動する。従って、有効屈折率マッチングを適切に位置決めする直接的な方法は、端部特徴104a−104bの材料の屈折率を変動させることであろう。例えば、屈折率ｎＭＩＮが量Δｎだけ低下する場合に、端部特徴104a−104bについての横断モード「はしご」に対する屈折率ｎｅｆｉ，ｊは、同じ量Δｎだけ下方に移動する。反対に、コア材料の屈折率ｎｃｏｒｅをΔｎだけ変化させることが許される場合に、コア102の全ての横断モードに対する屈折率は、同じ量Δｎだけ上または下に移動される。従って、端部特徴材料の屈折率をオフセットさせることは、これら２つのモード間における直接的な共振を防止するために、希望通りに、その基本モードの有効屈折率を設定するために使用することができる。
【００５１】
別のアプローチは、材料の屈折率ｎｃｏｒｅおよびｎＭＩＭが、事前に決定され得ることを認識することを含んでいる。ガラス化学的な制約（glass-chemistry  constrains）による、といったものである。デザイン空間が、次いで、端部特徴104a−104bの形状および寸法を系統的に変化させるように利用可能である。一般的に言えば、導波路をより薄くすることは、横断モードの屈折率を材料の屈折率よりもさらに下に押し下げる。このため、端部特徴104a−104bをコア102よりも小さいサイズにすることは、たとえコア102および端部特徴104a−104bの材料の屈折率が等しいか又はほぼ等しい場合でも、基本モードの共振を回避するのに役立つ。
【００５２】
図1に示されるような矩形の端部特徴104a−104bの実施例を検討する。矩形の、マルチモードの、高アスペクト比な導波路に対する横断モードのセットは、全く異なるファミリーへと分割することができる。コアモードＭｓｆを編成する（organizing）ために２つの別個のパラメータ（discrete  parameters）を使用することができ、ここで、数字インデックスｓは遅軸方向108を示し、そして、数字インデックスｆは高速軸方向110を示している。全てのガイドされる横断モードに対する有効屈折率ｎｓ，ｆは、導波路材料の屈折率の下であるが、クラッド屈折率の上に存在する。基本モードＭ１，１の屈折率ｎ１，１が先頭にあり、一方で、高次モードはそれより下にあり(そのように、ｓ＞１かつｆ＞１についてｎ１，１＞ｎｓ，ｆ)、かつ、ｓまたはｆが増加すると、系統的にさらに下降する。図1におけるコア102について高さｈｃが幅ｗｃを大きく超えているので、ｓからｓ＋１へ、または、ｆからｆ＋１へステップするときに、モード屈折率の低下がかなり異なっている。より低い有効屈折率の値へ下方に向かうはしご（ladder）ステップの振幅が、それぞれのガイド寸法の２乗として減少するので、このことが発生する。結果として、同じ高速軸の次数ｆに係る異なる遅軸モードの屈折率は、「屈折率空間（”refractive  index  space”）」において非常にコンパクトに配置されており、ほとんど退化（degenerate）している。他方では、数字インデックスｆのｆ＋１への単一ステップの増加でさえ、著しい有効屈折率の下げ（step  down）を結果として生じる。
【００５３】
このことは、図2において説明されており、コア102および端部特徴104a−104bの両方について２つのファミリーを示している。最低次数（lowest-order）の高速軸モードｎｓ，１のファミリーが１つのラインパターンを使用して示されており、そして、次の高速軸の次数オーダｎｓ，２に対するファミリーが異なるラインパターンを使用して示されている。各ファミリーは、最低次数の遅軸モードから始まり、そして、遅軸の次数が増加すると、進行的に増加するステップで下に拡がる。大きなサイズの導波路については、異なる高速軸の数字次数を持つファミリーがオーバーラップする可能性があり、ほとんど不規則に見える屈折率レベルのクラスターを生成している。
【００５４】
端部特徴104a−104bによって形成される各矩形導波路の厚さが、コアの厚さよりも小さい場合(図1においてｈｅｆ＜ｗｃを意味している)、端部特徴の導波路に係る基本モードの有効屈折率は、材料の屈折率に関してコアの基本モードよりも深く低下する。別の言葉で言えば、（ｎＭＩＭ−ｎｅｆ１，１）＞（ｎｃｏｒｅ−ｎ１，１）である。結果として、端部特徴104a−104bについて平面導波路（planar  waveguides）をより狭くすることは、ｎＭＩＭ≒ｎｃｏｒｅのときに、コアの基本モード共振の排除を促進する。
【００５５】
上述のアプローチは、端部特徴104a−104bが、楕円形、半月形、または他の形状といった、矩形でない断面形状を有する場合で、使用することができることに留意する。基本モードの屈折率について相対的な位置を調整する両方のアプローチ(材料の屈折率の変化、および、導波路のサイズと形状の変化)は、マルチモードの端部特徴の導波路に対するモードの屈折率をコアの基本モードの屈折率より下に安全に配置するために効果的である。
【００５６】
図2は、より低い曲げ損失を伴うコアおよび高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバを通じて伝播している光の異なるモードについて有効屈折率の値の例を示しているが、図2に対して様々な変更が成され得る。例えば、有効屈折率の値および有効屈折率の値におけるシフトは、例示だけのものであり、そして、他の有効屈折率の値およびシフト(アスペクト比による、といったもの)が、光ファイバにおいて使用され得るだろう。
【００５７】
図3および図4は、この開示に従った、高次モードについて細長い端部特徴から光ファイバのクラッドへの光漏れ（optical  leak）を生成するための一つの例示的なメカニズムを示している。図1の光ファイバ100に関して説明されているが、他のコアまたは端部の形状または寸法を有する光ファイバといった、他の光ファイバを使用することもできることに留意する。
【００５８】
一旦、(上述のように)光ファイバのコア102および端部特徴104a−104bのパラメータが確立されると、光ファイバ100が、これらのパラメータを有して製造され得る。光ファイバ100が、次いで、どのようにコイル状にまかれ、または、そうでなく使用されるかは、制御可能な漏れ経路を生成するように管理することができ、そうして、端部特徴104a−104bにおける光パワーはファイバ100の外部クラッド106へと伝搬することができる。端部特徴104a−104bにおける光の蓄積は望ましくない。そうした光は、コア102へと漏れ戻る（leak  back）ことができ、そこで、コアのモード品質を劣化させ得るからである。端部特徴104a−104bの中の光パワーの存在は、結合された導波路（コア102および端部特徴104a−104b）のモード間における相互共振を利用することによって達成されるモード制御に係る一つの結果であり、高次のコアモードを端部特徴104a−104bへと引き出す。端部特徴104a−104bの中の別の光パワー源は、光ファイバ100の入力ファセットにおける結合された光のスピルオーバー（spill-over）である。理想的に、このパワーは、その起源に関係なく、端部特徴104a−104bから外部クラッド106へと取り去られ、一方で、端部特徴104a−104bにおける光を排除するための他のアプローチに伴ない得る吸収または他の熱発生散逸メカニズム（heat-generation  dissipation  mechanism）を回避している。
【００５９】
いくつかの実施形態において、このことは、光ファイバ100を高速軸方向110において曲げることによって達成することができる。光ファイバ100について最も望ましいパッケージングは、しばしば、ファイバ100をその方向に曲げることによって生成されるコンパクトなコイルとしてのものであるので、このことは特に魅力的である。このアプローチにより、従って、コンパクトなパッケージングのために使用されるのと同じ曲げが、端部特徴104a−104bによる所望のモード取り去り（stripping）に利用することができる。以下に説明する曲げは、基本的なコアのモードについて損失が無い伝搬を維持しながら、端部特徴104a−104bから光を取り去ることができる。
【００６０】
導波路またはファイバを通じて伝搬する光ビームに対する曲げの影響は、図3を参照することによって理解することができる。左側において、光ファイバにおける曲げ302が光伝搬について影響を及ぼさない場合に、光ビームは、湾曲したファイバ境界においてファイバから漏れ出す（leak  out）だろう。しかしながら、これは、導波管の外側の観察者の視点である。本目的のために、導波路の中のある視点からの状況を想定する。詳細な伝搬の研究は、ファイバの曲げが、曲がったファイバの平面において屈折率304の有効勾配（effective  gradient）（インデックス「ウェッジ（”wedge”）」）を生成することを示しており、ここで、より高い屈折率は曲げの外側に置かれている。より正確には、曲がったファイバが、横断方向寸法における追加的な線形屈折率勾配（linear  index  gradient）を用いて直線のファイバとして扱われ得ることが示されている。有効屈折率勾配は曲げ率（bending  ratio）に比例することが知られている。この振舞いの単純な表現が図3におけるグラフ306に示されており、屈折率勾配の模式的な表現を示している。このモデルに従って、導波路の中を伝搬する光ビームは、有効屈折率勾配の累積的な影響によってコアから外れる（deviated  out）だろう。ファイバおよび光ビーム両方の観点から、図3の両側において示される光ビームの伝搬は等価（equivalent）である。
【００６１】
以下に、そうした単純な曲げが、コア102に対する損失をほとんど又は全く伴わずに端部特徴104a−104bに対する伝搬損失を増大させるという目的をどのように達成するかを説明する。図4は、直線および曲がった（bent）光ファイバの高速軸方向を横切る断面（cuts）について、それぞれに、コア102および端部特徴104a−104bの屈折率プロファイル402および404を模式的に示している。図4の左側のプロファイル402は、直線のファイバを用いる状況を示している。プロファイル402の上部は、コア102を通過する断面（cut）406を示す。コア102の厚さｗｃによって特定された狭い空間間隔の中で、コアの屈折率（core  index）はクラッドの屈折率（cladding  index）より量ｎｃｏｒｅだけ高くステップ状に上がっている。コア102の基本モードに対する有効屈折率レベルが、直線408として示されている。プロファイル402の下部は、端部特徴104aまたは104bを通過する断面410であり、そして、屈折率は、端部特徴104aまたは104bの拡張された幅ｗｅｆの中において同じクラッドの屈折率よりも高いｎＭＩＭまで上がっている。端部特徴104aまたは104bの基本モードに対する有効屈折率レベルも、また、直線412として示されている。プロファイル402に示されるように、端部特徴104a−104bの空間的範囲は、ｗｅｆ＞ｗｃなので、高速軸方向110においてコア102に対するものより大きい。
【００６２】
プロファイル404は、高速軸の断面406'および410'を示しており、対応するライン408'及び412'は、曲がった光ファイバについて、コア102の基本モードに対する有効屈折率レベルおよび端部特徴104a-104bの基本モードに対する有効屈折率レベルをそれぞれ表している。上述のように、導波管の機械的な曲げは、相対的な有効屈折率の有効な線形勾配を生成し、そして、この線形な屈折率勾配の効果は、プロファイル404において明らかである。屈折率勾配は、曲げ軸の位置から外へ、局所的な曲げ半径の方向に沿ったものであり、そして、傾き（slope）は曲げ曲率（bending  curvature）に比例している。図3に関して上述のように、曲げ半径に対する屈折率勾配の光学的な等価性は、光が、直線ファイバに沿って伝搬するのと同じように曲がった光ファイバに沿って伝搬するが、付加された横断方向の屈折率勾配を伴うことを意味している。
【００６３】
ファイバを曲げることは、導波管から、いくつかのモードに係るモード依存の漏れ（mode-dependent  leakage）を結果として生じ得ることも、また、知られている。高次モードは、より容易にコア102から取り去られ、一方で、基本コアモードは、より曲げ耐性（bend-tolerant）がある。この効果は、レーザービームをクリーンアップするためのファイバレーザープラクティス（fiber-laser  practice）において使用されており、ある半径で曲げられたファイバが、結果として、高次モードを取り去るが、いまだに効果的に基本モードをガイドしていることを意味している。曲げ誘起損失（bend-induced  loss）の物理的現象が、図4において可視化されている。屈折率の曲げ誘起線形勾配（bend-induced  linear  gradient）が適用されると、曲がった導波路の外側境界における有効クラッド屈折率を上昇させ、一方で、内側境界においては減少させる。外側境界のクラッド屈折率がモードの有効屈折率(直線412'について示されるように)の上に上昇する場合、その境界においてこのモードに対して全内部反射が失われ、そして、モードがこの境界を通じてクラッド106へ漏れ始める。同じコイル直径(同じ屈折率勾配を意味している)について、曲げ方向におけるより大きな導波路サイズは、端部特徴104a−104bの端部においてより大きな屈折率オフセットの上昇へと変換される。このデザインに取り込まれた（design-in）漏れは、屈折率オフセットが大きい端部特徴モードに対して発生する。これは、上述のように屈折率オフセットが不十分である薄い高速軸のコア寸法においては発生しない。
【００６４】
他の２つの事実も、また、知られている。第１に、高次モードに対する有効屈折率は、基本モードのもの（直線線408−408'、412−412'）よりも実際に低いであろうし、そして、この事実は、高次モードを、曲げに対してさらに敏感にしている。より狭いコア102に対するよりも、より広い端部特徴104a−104bに対する漏れ条件に到達するために、より小さい傾き(より大きな曲げ半径)が必要とされ得るので、曲げ直径が減少するにつれて、より低次のモード以前により高次のモードが漏れる。最も高い有効屈折率を有している、コア102の基本モードは、曲げに対して最も抵抗力がある。この事実は、図4に表わされているロジックの観点で直ちに解釈することができる。
【００６５】
同じ開口数（numerical  aperture）のより小さいサイズのコアと比較して、より大きいサイズのコアにおけるモードは、曲げ損失に対してより敏感であることも、また、知られている。実際、同じ曲げ率(同じ屈折率勾配を意味している)について、導波路の外部境界におけるクラッド屈折率の値の上昇の振幅は、より大きなコアサイズに対してより大きくなる。その結果、より低い曲げ率において漏れ状態に達することができる。
【００６６】
曲げ損失に関するこれらの特性は、光ファイバ100のデザインにおいて使用することができる。例えば、いくつかの実施態様において、端部特徴の高速軸寸法ｗｅｆは、以下のように、曲げ半径と組み合わせて選択することができる。曲げ半径は、コア102の基本モードがガイドされ続けるように、十分大きく選択され、そして、同時に、より大きな端部特徴寸法ｗｅｆの基本モードが漏れ損失を経験するように十分小さい。この場合に、全ての端部特徴モードは、有効屈折率が低いため、漏れやすい。
【００６７】
図3および図4は、光ファイバの細長い端部特徴からクラッドへの高次モードに対する光漏れを生成するためのメカニズムに係る一つの例を示しているが、図3および図4について様々な変更が成され得る。例えば、図3における横断方向の屈折率勾配304および図4に示される曲げの効果は、説明のためだけのものであり、他の屈折率勾配および有効屈折率の値シフトが、光ファイバにおいて使用され得る。
【００６８】
高いアスペクト比のコアを有するものとして上記で説明し、かつ、記載したが、光ファイバのコアよりも高い曲げ損失を有する端部特徴を使用することは、高いアスペクト比のコアを用いた使用について限定されるものではない。図5は、この開示に従った、より低い曲げ損失を伴うコア502、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴504a−504bを有する光ファイバ500の別の例に係る短く、湾曲した長さの断面図を示している。クラッド506は、コア502および端部特徴504a−504bを取り囲んでいる。
【００６９】
図5に見られるように、コア502は、コア102と比較して、はるかに小さいアスペクト比を有している。しかしながら、端部特徴504a−504bは、光ファイバ500が曲げられたときに、いまだに光パワーが、端部特徴504a−504bから、コア502を離れてクラッド506の中へ漏れることを可能にすることができる。結果として、端部特徴504a−504bは、上述のように、光ファイバ500において発生し得る様々な問題を解決するのを助けるために使用することができる。
【００７０】
図5は、より低い曲げ損失を伴うコア502、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴504a−504bを有する光ファイバ500の一つの例を示しているが、図5に対して様々な変更が成され得る。例えば、コア502および端部特徴504a−504bは、任意の他の適切な形状を有することができよう。特定の例として、端部特徴504a−504bそれぞれは、楕円形、半月形、またはコア502における曲げ損失と比較してより強い曲げ損失を可能にする他の形状といった、矩形とは異なる形状を有することができる。
【００７１】
図6は、この開示に従った、より低い曲げ損失を伴うコア、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバを使用するための一つの例示的な方法600を示している。図1の光ファイバ100に関して説明したが、方法600は、光ファイバ500または他のコアまたは端部特徴の形状又は寸法を有する光ファイバといった、他の光ファイバを含むことができることに留意する。
【００７２】
図6に示されるように、ステップ602において、そのコアおよびその細長い端部特徴について所望のパラメータを有する光ファイバが獲得される。このことは、例えば、コア102と端部特徴104a−104bとの間において所望の屈折率オフセットを有する光ファイバ100を獲得することを含み得る。光ファイバ100は、また、端部特徴104a−104bについて所望の寸法を有することもできる。これらのパラメータは、上述のコアの基本モードについて、コア102と端部特徴104a−104bとの間の伝搬共鳴を排除するために、選択することができる。これらのパラメータは、また、上述のように、端部特徴104a−104bへの高次モードのより容易な漏れを促進するために選択することもできる。
【００７３】
光ファイバは、ステップ604において、光ファイバにおいて所望の曲げ損失を提供するようにコイル状に巻かれる。このことは、例えば、コア102の基本モードの漏れを生じさせることなく、より広い端部特徴104a−104bからの高次モードの漏れを可能にするために必要な所望の曲げ半径を特定することを含み得る。このことは、また、特定された曲げ半径を使用して光ファイバ100をコイル状に巻くことも含み得る。
【００７４】
光信号が、ステップ606において、光ファイバのコアへと注入される。このことは、例えば、コア102への高出力レーザーの注入または他の光ビームの注入を含むことができる。コアの基本モードにおける光パワーは、ステップ608において、コアに閉じ込められており、一方で、高次モードは、ステップ610において、コアから端部特徴へと漏れることが可能である。このことは、例えば、高次モードにおける光パワーを端部特徴104a−104bへと伝達するために、高次モードについての共振を使用することを含み得る。コアの基本モードについてコア102と端部特徴104a−104bとの間における伝搬共鳴が回避されるので、基本モードはコア102に閉じ込められたままである。
【００７５】
高次コアモードにおける光パワーは、ステップ612において、コアから端部特徴へ伝送され、そして、端部特徴へ伝送された光パワーは、ステップ614において、光ファイバのクラッドへと漏れることが可能である。このことは、例えば、光ファイバ100の曲げが、端部特徴104a−104bからクラッド106への光パワーの漏れを促進することを含み得る。光パワーは、端部特徴104a−104bから、コア102を離れてクラッド106へと漏れているので、クラッド106に進入する光パワーは、コア102の動作について、ほとんど又は全く影響しないだろう。
【００７６】
図6は、より低い曲げ損失を伴うコア、および、より高い曲げ損失を伴う端部特徴を有する光ファイバを使用するための一つの例示的な方法600を示しているが、図6に対して、様々な変更が成され得る。例えば、一連のステップとして示されているが、図6における様々なステップは、重複し、並列に発生し、異なる順序で発生し、または、複数回発生し得る。特定の例として、ステップ606−614は、一般的に、光ファイバ100の使用の最中に重複し得る。
【００７７】
この特許文献の全体を通して使用されている所定の単語および語句の定義を明らかにすることは有利であろう。用語「含む（”include”および”comprise”）」、並びにそれらの派生語は、限定することなく、包含を意味している。用語「または（”or”）」は、包括的であり、及び／又は（and/or）を意味している。語句「関連する（”associated  with”）」、並びにそれらの派生語は、含む、中に含まれる、相互接続する、含有する、中に含有される、接続される、結合される、通信可能である、協働する、インターリーブする、並べる、近接する、バインドされる、有する、特性を有する、関係を有する、等を意味し得る。語句「少なくとも１つの”at  least  one  of”」は、項目のリストと一緒に使用される場合に、リストされた項目のうち１つまたはそれ以上の異なる組み合わせが使用され得ること、および、リストにおける１つの項目だけが必要とされ得ることを意味している。例えば、「A、B、およびCの少なくとも１つ（"at  least  one  of:A,B,andC"）」は、以下の組み合わせ、A、B、C、AかつB、AかつC、BかつC、および、AかつBかつC、のうちいずれかを含む。
【００７８】
この特許文献における説明は、任意の特定のエレメント、ステップ、または機能が、請求の範囲の中に含まれなければならない不可欠な又は重要なエレメントであることを意味するものとして読まれるべきではない。また、請求項は、機能を特定する分詞フレーズ（participle  phrase）が後に続いて、「手段（”means  for”）」または「ステップ（”step  for”）」の正確な語が特定の請求項において明示的に使用されていなければ、添付の請求項またはクレームエレメントのうちいずれに関しても、米国特許法第112条(f)を援用することはいずれの請求項も意図されていない。請求項の中における、「メカニズム」、「モジュール」、「デバイス」、「ユニット」、「コンポーネント」、「エレメント」、「部材」、「装置」、「マシン」、「システム」、「プロセッサ」、「処理装置」、または「コントローラ」といった用語の使用は（これらに限定されるわけではないが）、請求項自体の特徴によってさらに修正または強化されたものとして、当業者に知られた構造を参照するように理解され、かつ、意図されたものであり、そして、特許法第112条(f)を援用することを意図されたものではない。
【００７９】
この開示は、（所定の寸法、アスペクト比、屈折率の値、および他のパラメータを有する実施形態を含んでいる)所定の実施形態および一般的に関連する方法を説明してきた、これらの実施形態および方法の変更および置換（permutations）が当業者にとって明らかであることを認識することが重要である。従って、例示的な実施形態に係る上記の説明は、本開示を定義し、または、制約するものではない。以下の請求項によって定められるように、この開示の精神および範囲から逸脱することなく、また、他の変更、置換、および代替も可能である。
【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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【国際調査報告】
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