特許 6055462 三重シースシングルモード光ファイバ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6055462

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】三重シースシングルモード光ファイバ

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/067 20060101AFI20161219BHJP

   G02B 6/036 20060101ALI20161219BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/067

   G02B6/036

   G02B6/02 376Z

【請求項の数】9

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-506919(P2014-506919)

(86)(22)【出願日】2012年4月24日

(65)【公表番号】特表2014-517508(P2014-517508A)

(43)【公表日】2014年7月17日

(86)【国際出願番号】FR2012050897

(87)【国際公開番号】WO2012146866

(87)【国際公開日】20121101

【審査請求日】2015年4月17日

(31)【優先権主張番号】1153550

(32)【優先日】2011年4月26日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】513270132

【氏名又は名称】シーエヌアールエス−セントレ ナショナル デ ラ リシェルシェ サイエンティフィック

(73)【特許権者】

【識別番号】513270143

【氏名又は名称】ユニバーサイト ド リモージュ

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】特許業務法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ロイ，フィリップ

(72)【発明者】

【氏名】シュスター，カイ

(72)【発明者】

【氏名】グリム，シュテファン

【審査官】 林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−３１６５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８０８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２２６８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００３８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／１２６４７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−３３８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 O. Schmidt, et. al.，"Single-polarization ultra-large-mode-area Yb-doped photonic crystal fiber"，Optics Express，２００８年 ３月１０日，Vol.16, No.6，pp.3918-3923

【文献】 M. D. Nielsen, et. al.，"Predicting macrobending loss for large-mode area photonic crystal fiber"，Optics Express，２００４年 ４月１９日，Vol.12, No.8，pp.1775-1779

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／０６７

Ｈ０１Ｓ ３／１０

Ｇ０２Ｂ ６／０２

Ｇ０２Ｂ ６／０３６

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

希土類元素が少なくとも部分的にドープされたシングルモードコア（１２、２２、３２）と、
光学的不活性中間シース（１３、２３、３３）と、
マルチモード・ポンピング・シース（１４、２４、３４）と、
外側シース（１５、２５、３５）と、
を、中心から周縁にかけて備えるシングルモード光ファイバ（１１、２１、３１）であって、
前記中間シース（１３、２３、３３）は、固体長手状素子（１３Ａ、２３Ａ、３３Ａ、３３Ｂ）の集合体によって形成され、
前記固体長手状素子（１３Ａ、２３Ａ、３３Ａ、３３Ｂ）の集合体は、前記シングルモードコアの屈折率と最大で１０^−３異なる屈折率を有する第１の光学材料を含む第１の固体長手状素子と、前記シングルモードコアの屈折率よりも１０^−３以上低い屈折率を有する第２の光学材料を含む第２の固体長手状素子と、を備え、
前記中間シース（１３、２３、３３）の有効屈折率が、前記シングルモードコア（１２、２２、２３）の屈折率（Ｎ_１２、Ｎ_３２）よりも低い、ことを特徴とする、
シングルモード光ファイバ。

【請求項2】

前記固体長手状素子（１３Ａ、２３Ａ、３３Ａ、３３Ｂ）の集合体は、固体長手状素子（１３Ａ）を備え、当該固体長手状素子（１３Ａ）は、
前記第１の光学材料から成る中央長手部（１３Ｂ）と、
前記中央長手部（１３Ｂ）を囲み、該長手部よりも小さな横断面積を有し、前記第２の光学材料から成る周縁長手部（１３Ｃ）と、
を含む、
請求項１に記載のシングルモード光ファイバ。

【請求項3】

前記第１の固体長手状素子（３３Ａ）は前記第１の光学材料から成り、前記第２の固体長手状素子（３３Ｂ）は前記第２の光学材料から成る、
請求項１に記載のシングルモード光ファイバ。

【請求項4】

前記第１の固体長手状素子（３３Ａ）は、前記第１の光学材料から成り、
前記第２の固体長手状素子（１３Ａ）は、
前記第１の光学材料から成る中央長手部（１３Ｂ）と、
前記中央長手部（１３Ｂ）を囲み、該中央長手部よりも小さな横断面積を有し、前記第２の光学材料から成る周縁長手部（１３Ｃ）と、
を含む、
請求項１に記載のシングルモード光ファイバ。

【請求項5】

前記集合において、前記中間シース（１３、２３、３３）の前記固体長手状素子がマトリックス状に配置される、
請求項１から４のいずれか一項に記載のシングルモード光ファイバ。

【請求項6】

前記中間シース（１３、２３、３３）の前記固体長手状素子（１３Ａ、２３Ａ、３３Ａ、３３Ｂ）の横寸法が、前記シングルモード光ファイバ（１１、２１、３１）のシングルモード放射波長よりも少なくとも１０倍大きい、
請求項１から５のいずれか一項に記載のシングルモード光ファイバ。

【請求項7】

前記中間シース（１３、２３、３３）の前記固体長手状素子（１３Ａ、２３Ａ、３３Ａ、３３Ｂ）の横寸法が、前記シングルモード光ファイバ（１１、２１、３１）のシングルモード放射波長よりも小さい、
請求項１から５のいずれか一項に記載のシングルモード光ファイバ。

【請求項8】

モードフィルタリング手段（１６、２６、３６）が前記シングルモードコア（１２、２２、３２）および前記中間シース（１３、２３、３３）の少なくとも一方に配置される、
請求項１から７のいずれか一項に記載のシングルモード光ファイバ。

【請求項9】

前記中間シース（１３、２３、３３）の有効屈折率が前記シングルモードコア（１２、２２、３２）の屈折率と最大で１０^−４異なる、
請求項１から８のいずれか一項に記載のシングルモード光ファイバ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シングルモード光放射用に設計されたアクティブ光ファイバに関する。

【0002】

限定はしないが、この種の光ファイバは、非線形効果の影響を最小限に抑えつつ高い屈折力を伝達または増幅することが重要な用途において、使用することができる。

【背景技術】

【0003】

二重シースシングルモード光ファイバが既知である。これらのファイバは、最初の光ビームのシングルモード増幅に使用される、希土類元素（たとえばイッテルビウム）がドープされたガラスコア（たとえばアルミノケイ酸塩）から成る。このコアは、コアよりも寸法の大きなマルチモード・ポンピング・シース（たとえばシリカ）によって直接囲まれているため、マルチモードポンプの各種モードで光を伝播させる。コアおよびマルチモード・ポンピング・シースよりもはるかに屈折率が低いガラス、ポリマ、または気腔製の外側シースが、前記マルチモード・ポンピング・シースを囲んでいる。

【0004】

この種の二重シースシングルモード光ファイバでは、大きな表面積の高パワーレーザ光を生成することができる。また、従来のシングルモードポンピングよりも高いポンピング力（したがって、シングルモード増幅）となる。

【0005】

上述の種類のシングルモード光ファイバの増幅効果を高めるには、シングルモードコアによる、マルチモード・ポンピング・シースからの光の吸収速度を改良することが重要であり、この速度はドーピング速度とコア径に左右される。しかしながら、この種の改良は、ファイバのシングルモードの特徴（これもまたシングルモードコアとマルチモード・ポンピング・シース間の屈折率の差に依存する）、材料の量的有効性（共ドーピング剤とホストマトリックスに依存する）、前記ファイバの導光特性を保持しつつ、行わなければならない。

【0006】

しかし、ファイバの増幅効果を向上させるためにドーピング速度（たとえばイッテルビウム）がシングルモードコアで速められた場合、結果的にコアの屈折率が（可能な共ドーピング剤に応じて高く、または低く）増加し、ひいてはコアとマルチモード・ポンピング・シース間の屈折率の差が増加する。したがって、この増大作用を相殺し、コアのシングルモード特徴を保持するため、径を低減させなければならず、事実上、ファイバの増幅効果を低下させる。つまり、ファイバの増幅効果をドーピング速度またはコア径の適切な選択によって向上させることはできない。

【0007】

増幅効果を向上させるための第１の解決策は、シングルモードコアのドーピングが屈折率に及ぼす影響を低減することである。したがって、イッテルビウムはフッ素またはボロンなどの他のドーピング剤と組み合わせることができ、このようにドープされたコアの屈折率を、同一のドーピング速度の場合、イッテルビウムがドープされたコアに比べて低減する効果があり、これによりコアとマルチモード・ポンピング・シース間の屈折率の差を大幅に増大させる必要なく、コアのドーピング速度を速めることができる。

【0008】

しかし、共ドーピング剤のフッ素とボロンは、イッテルビウムなどの非常に高濃度のドーピングによる屈折率の増大を完全には相殺しない。その結果、コア内の光と材料の相互作用が低下するため、光と材料の相互作用の期間を延長させる必要があり、このために一方では非線形効果が出現し、他方では光源のコンパクトさが失われる（特に、コアとシース間の屈折率差が非常に低いために屈曲させることができない大コア寸法のファイバの場合）。さらに、非常に高濃度のイッテルビウムドーピングはコア全体にわたって均一な屈折率プロファイルを得ることが困難であり、放射されるレーザ光の高品質制御の達成を脅かす。

【0009】

この増幅効果を高めるための第２の解決策は、米国特許第６，８４１，０５３号公報（特許文献１）に開示されるように、三重シースシングルモード光ファイバを使用してシングルモードコアを直接囲むシースの屈折率を高めることである。この目的で中間シースが、コアとマルチモード・ポンピング・シースとの間に挿入される結果、ファイバは中心から周縁にかけて、
希土類元素がドープされたシングルモードコア（たとえばイッテルビウムがドープされたアルミノケイ酸塩製）と、
屈折率が前記シングルモードコアとわずかに異なる（たとえば１０^−３以下）光学的不活性（非増幅）中間シース（たとえばゲルマニウムをドープしたシリカ製）と、
マルチモード・ポンピング・シース（たとえばシリカ製）と、
外側シース（屈折率がコア、中間シースおよびマルチモード・ポンピング・シースの屈折率よりもはるかに低い）と、
から成る。

【0010】

この三重シース光ファイバアーキテクチャにより、フッ素とボロンに頼らずに、シングルモードコアと前記コアを直接囲むシースとの間の屈折率の差を適切な差に維持しつつ、イッテルビウム−ドーピング速度（ひいてはコアの吸収速度）を高めることができる。事実、中間シース（たとえばゲルマニウムがドープされたシリカ）の屈折率は、ゲルマニウムドーピング速度を適切に選択することによって調節できるため、シングルモードコアのドーピング速度（ひいては屈折率）を速めつつ、コアと中間シースとの屈折率の差は可能な限り低く維持される。

【0011】

しかし、上記種類のシングルモード光ファイバでは、屈折率プロファイルはシングルモード増幅特性に悪影響を及ぼしかねない重要なパラメータである。しかし特許文献１では、コアおよび中間シースはそれぞれＭＣＶＤ（内付化学気相堆積法）法を使用して均一層を形成する。その結果、コアを高濃度でドーピングしてファイバの増幅特性を向上させる場合、中間シースを形成する均一層の屈折率プロファイルを、ファイバのシングルモード特徴を保持するように完全に制御することができず、コア径を（たとえば２０μｍに）制限せざるを得ず、よってファイバの増幅速度をも制限せざるを得ない。

【0012】

別の解決策は、シングルモード特徴が特に気孔の寸法に依存する（大きすぎる径の気孔は必然的にマルチモード増幅を生成するため）ロッド型ファイバを使用することである。しかし、ここでも、気孔のサイズの制御が困難であるため、中間シースの屈折率（したがってファイバのシングルモード特徴）の制御もまた困難である。さらに、この種のファイバでは、コアの屈折率は純粋シリカと等しく、完全に均質でなければならない。したがって、材料の混合物、たとえば、イッテルビウムがドープされたアルミノケイ酸塩とフッ素がドープされたシリカが、誘導された光線によって均質と知覚されるサブミクロン構造が得られるまで、複数の集合−線引き（ａｓｓｅｍｂｌｙ−ｄｒａｗｉｎｇ）ステップを通じて使用および作製される。よって、この複雑な技法は、一方ではコスト増につながり、他方ではコアの大部分がイッテルビウムでドープされておらず、光学的増幅に貢献しないため、ファイバの増幅効果を最適化しない。

【0013】

別の解決策は「漏れチャネル（ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ）」ファイバを使用することであり、このファイバのシングルモードの特徴は同様の方法で、ロッド型ファイバのコアと類似のコアと低屈折率シリカを大量に含めたシースとの間の非常に弱い導光によって得られる。

【0014】

別の解決策はキラル連結コアファイバを使用することであり、このファイバのシングルモードの特徴は、中央コアの周りに巻かれた周縁コアにおける選択的連結によりマルチモード中央コアの高次モードを排除することによって得られる。コア均質性は複数の線引き−集合によって得られるが、イッテルビウムがドープされていないシリカを必要とはしない場合もある。しかしコア径は、非常に多数の高次モードの選択的排除のため、技術的障害によって４０μｍ未満に制限される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】米国特許第６，８４１，０５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

したがって本発明の目的は、中間シースの屈折率プロファイルを入念に制御しつつ、（大径コアと高ドーピング速度においても）高シングルモード増幅を促進することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

したがって、本発明に係るシングルモード光ファイバは、中心から周縁にかけて、
希土類元素が少なくとも部分的にドープされたシングルモードコアと、
光学的不活性中間シースと、
マルチモード・ポンピング・シースと、
外側シースと、
を備えており、
前記中間シースが、長手状素子を集合させることによって形成され、
前記中間シースが、前記シングルモードコアの屈折率と最大で１０^−３異なる屈折率を有する第１の光学材料と、前記シングルモードコアの屈折率と少なくとも１０^−３異なる屈折率を有する第２の光学材料と、から構成されている、
という点で注目に値する。

【0018】

したがって、本発明によると、中間シースはロッドまたはバーなどの１セットの長手状素子を備え、コアに近い屈折率を有する部分（第１の光学材料）と、コアと異なる屈折率を有する部分（第２の光学材料）と、を備える。

【0019】

したがって、中間シースは、コアに近い有効屈折率の略不均一な材料として光によって知覚される。これにより、コアの屈折率（ドーピング速度のため）が高い場合でも、前記中間シースの屈折率の異なる各部分に関する屈折率、割合、配置を適切に選択することによってこのような屈折率プロファイルは精密に得ることができるので、前記コアと前記中間シース間との屈折率の差を低い値に確実に維持することができる。よって、基本伝播光モードはコア内に限定することができるため、シングルモード特徴を有することができる。その結果、巨視的規模での２つの異なる光学材料の妥当な制御によって、このように形成された中間シースの屈折率プロファイルは微視的規模で適切に制御することができる。

【0020】

このようにして、コアは、確実に中間シースが適切な屈折率プロファイルを有して前記コアと前記シース間の屈折率の差を制限するようにしつつ、大径および高ドーピング速度で製造することができる。したがって、このように形成されるファイバは、強化されたシングルモード増幅と満足のいく導光特性の両方を提供する。

【0021】

さらに本発明によると、中間シースはモジュール式であり、したがって簡易に設計し組み立てることができるという利点を備えた長手状素子（ロッド、バー）で形成されており、これによりファイバの製造は簡易化され、また製造コストは低減される。

【0022】

本発明のもう１つの利点は、屈折率が高い場合でも確実に満足のいく屈折率プロファイルがコアにおいて得られるようにしつつ、ファイバのコアの（少なくとも部分的な）ドーピングを、希土類元素（イッテルビウムなど）を使用して実行できることである。

【0023】

なお、本発明はコアのドーピング速度を速めることができるため、同一のシングルモード増幅速度および同一のコア径の場合、より短い光ファイバを製造でき、このように形成されたファイバ内で伝播される光に及ぼす非線形効果の影響を制限し、使用される光源のさらなるコンパクト化を助ける。

【0024】

前記中間シースが前記長手状素子のみからなる場合、中間シースの屈折率プロファイルは特に精密に制御することができる。

【0025】

長手状素子を中間シース内に容易に集合させるため、長手状素子の少なくとも一部をマトリックス状に前記中間シース内に配置することができる。

【0026】

中間シースの長手状素子を空間の損失なく並べて配置するため、これらの長手状素子の少なくとも一部は好都合には、蜂の巣状のマトリックスを形成できるように横方向六角形断面を有する。しかし、円形や正方形などのその他の断面形状とすることもできる。

【0027】

本発明に係る光ファイバでは、第１の光学材料の屈折率はシングルモードコアの屈折率に等しい、あるいは可能な限り近いが、第２の光学材料の屈折率は前記シングルモードコアの屈折率よりもはるかに低いまたは高いため、前記中間シースの有効屈折率はシングルモードコアの屈折率よりもわずかに低く、または高くしてもよい。

【0028】

第２の光学材料はたとえばランタンがドープされたアルミノケイ酸塩またはシリカであってもよく、第１の光学材料はドーピングがほぼされていない、あるいはドーピングが非常に低濃度であるアルミノケイ酸塩またはシリカであってもよい。当然ながら、これらの例は限定するものではなく、前記第１の光学材料と第２の光学材料は適切な屈折率を有するその他任意の適合性材料とすることができる。

【0029】

本発明に係るシングルモード光ファイバでは、前記第１の光学材料と第２の光学材料とを複数の異なるモードで分布してもよい。

【0030】

第１のモードでは、前記シングルモード光ファイバは、
前記第１の光学材料から成る中央長手部と、
前記中央長手部を囲み、該中央長手部よりも小さい横断面積を有し、前記第２の光学材料から成る周縁長手部と、
を備える長手状素子を備える。

【0031】

第２のモードでは、前記シングルモード光ファイバは、前記第１の光学材料から成る第１の長手状素子と、前記第２の光学材料から成る第２の長手状素子とを備える。

【0032】

変形では、本発明に係るシングルモード光ファイバは、
前記第１の光学材料から成る第１の長手状素子と、
前記第１の光学材料から成る中央長手部と、前記中央長手部を囲み、該中央長手部よりも小さい横断面積を有し、前記第２の光学材料から成る周縁長手部とを備える第２の長手状素子と、
を備えてもよい。

【0033】

中間シースの長手状素子の横寸法は、シングルモード光ファイバのシングルモード放射波長より、たとえば少なくとも１０倍大きくてもよい。この場合、中間シースは光によって略不均質な材料として知覚され、光は修正全反射（ＭＴＩＲ）によりコアの内部に閉じ込められる。

【0034】

変形では、中間シースの長手状素子の横寸法は、シングルモード光ファイバのシングルモード放射波長よりも小さくてもよい。この場合、光は、コアに近い有効屈折率を有する略均質の材料として中間シースを知覚し、光は全反射（ＴＩＲ）によってファイバ内を伝播される。

【0035】

好ましくは、シングルモードコアは、シングルモード放射波長の規模で横方向に均質な屈折率を有することができる。この場合、基本伝播モードのより良好な限定と優先的増幅を達成するため、コアの中央が希土類元素でドープされ、周縁はドープされない。

【0036】

光ファイバのモジュール性を高めるため、コアおよび／またはマルチモード・ポンピング・シースは長手状素子を備えてもよい。

【0037】

コアでのモードの区別は、コアおよび／または中間シースにモードフィルタリング手段を配置することによって向上させることができる。このフィルタリング手段は所望のモードの優先的増幅の選択という点で補完的であり、高次伝播モードを対象とする損失の形であってもよく、たとえばコアおよび／または中間シースに傾斜格子を刻むことによって形成することができる。

【0038】

コアの基本モードのみに限定するため、中間シースの有効屈折率は、１００λに近い寸法のコアの場合、シングルモードコアの屈折率とは最大１０^−４異なってもよい（より小さなコアの場合は約１０^−４）。

【0039】

上述の実施形態のいずれかに係るシングルモード光ファイバを製造するために、
１セットの粉末が前記中間シースの長手状素子に対応するプレフォーム内に配置され、
前記プレフォームがガラス化され、
前記長手状素子の寸法が前記長手状素子を形成するためのファイバを線引きすることによって調節され、
前記長手状素子が前記中間シースを形成するよう配置され、
真空が前記長手状素子間に形成される（完全な個体である、つまり空気を含まない構造が得られる）、
中間シースを製造する製造工程を使用することができる。

【0040】

粉末のガラス化原理に基づくこの工程により、中間シースを形成する材料の屈折率を特に有効に制御することができ、コアは大径で高屈折率である場合があるにもかかわらず、シングルモード光ビームを放射させつつ、複雑な屈折率プロファイルを用いた部分ドープ構造の製造を可能にする。この工程では直接使用することのできるプレフォームを得ることができるという点で、製造量（ＭＣＶＤ法により合成される量の１５〜１００倍）により製造工程を簡易化でき、集合させる長手状素子を得るのに機械的または化学的に調整しなければならなかった複数のＭＣＶＤプレフォームに取って替わる。

【0041】

加えて、真空が形成されているため、このファイバ製造工程は気孔がほとんどまたは全くない完全固体光ファイバを提供し、前記ファイバとファイバ構成要素との接続、および信頼の置けるソースの集合を容易にする。

【0042】

この工程のもう１つの利点は、製造において利用不能なファイバを少量しか出さないことで、当業者にとって周知の他の三重シースシングルモード光ファイバ製造工程に比べ、本発明に係るシングルモード光ファイバの製造コストを大幅に低減する効果を有する点である。

【0043】

好ましくは、シングルモードコアを製造する際、
粉末がシングルモードコアの長手状素子にそれぞれ対応するプレフォーム内に配置され、
前記プレフォームがガラス化され、
前記プレフォームの寸法が、長手状素子を形成するためのファイバを線引きすることによって調節され、
前記シングルモードコアを形成するよう前記長手状素子が配置され、
真空が前記長手状素子間に形成される。

【0044】

本発明に係る光ファイバの製造を可能にするプレフォームは好ましくは、コアと中間シースとを形成するよう、長手状素子を適切に配置することである。好ましくはプレフォーム線引きステップ中に真空を形成することができ、これにより本発明に係るファイバを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0045】

添付図面は、本発明を如何にして作製できるかを説明するものである。これらの図面では、同一の参照符号は技術上同様の構成要素を指す。

【図1A】従来技術に係る三重シースシングルモード光ファイバの断面図である。

【図1B】図１Ａの光ファイバの屈折率の横分布を示す図である。

【図2A】本発明に係る三重シースシングルモード光ファイバの第１実施例の断面図である。

【図2B】図２Ａの光ファイバの横方向の屈折率分布を示す図である。

【図3A】長手状素子のうちの１つの断面図であり、その集合が図２Ａの光ファイバの中間シースの部分的ドープ構造を形成する。

【図3B】図３Ａに示される長手状素子の横方向の屈折率分布を示す図である。

【図4】図２Ａの三重シースシングルモード光ファイバの変形の断面図である。

【図5A】図２Ａおよび図４のシングルモード光ファイバの長手状素子の製造工程の連続ステップを示す。

【図5B】図２Ａおよび図４のシングルモード光ファイバの長手状素子の製造工程の連続ステップを示す。

【図5C】図２Ａおよび図４のシングルモード光ファイバの長手状素子の製造工程の連続ステップを示す。

【図5D】図２Ａおよび図４のシングルモード光ファイバの長手状素子の製造工程の連続ステップを示す。

【図6A】本発明に係る三重シースシングルモード光ファイバの第２実施例の断面図である。

【図6B】図６Ａの径Ｘ−Ｘ’に沿った図６Ａの光ファイバの屈折率の径方向分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0046】

従来技術の三重シースシングルモード光ファイバ１は、たとえば１０３０〜１１００ｎｍの波長（イッテルビウムイオンの標準的波長だが、１．５μｍまたは２μｍ、あるいはその他の任意の波長と交換可能である）の光線を放射するように設けられており、その平面の横断面（Ｘ−Ｘ’；Ｙ−Ｙ’’）が図１Ａに示されている。従来技術の三重シースシングルモード光ファイバ１は、中心から周縁にかけて：
希土類元が少なくとも部分的にドープされたシングルモードコア２と、
光学的に不活性であるが、コアにシングルモード特徴を与えるのに役立つ中間シース３と、
マルチモード・ポンピング・シース４と、
外側シース５と、
を備える。

【0047】

コア２は、屈折率ｎ_２（図１Ｂ）と約２５〜３０μｍに制限される寸法とを有する。該コアはシリカまたはアルミノケイ酸塩で作製し、イッテルビウム（またはエルビウム、もしくはツリウム）などの希土類元素をドープしてもよく、または均一な屈折率プロファイルを得ることを容易にする利点を備えたその他の任意の材料で作製してもよい。しかしながら、シングルモード（たとえば、基本モード）の優先的増幅を可能にするため、特定ゾーンでは不活性である場合がある。コア径は通常、従来の製造技術（たとえばＭＣＶＤ）を確保できる様々な材料の屈折率の精度により２５〜３０μｍに制限される。

【0048】

中間シース３はコア２を囲んでいる。このシース３はコア２の屈折率ｎ_２よりも低い屈折率ｎ_３を有し（図１Ｂ）、たとえばゲルマニウムがドープされたシリカ（またはアルミノケイ酸塩）から作製しうる。

【0049】

シース３の屈折率ｎ_３は、コア２の屈折率ｎ_２とシース３の屈折率ｎ_３との差Δｎ_３−２が可能な限り小さく、たとえば当業者にとって一般的に容認される限界である１０^−３になるように決定されなければならない。そうすることにより、コア２内の光のシングルモード伝播を、全反射（ＴＩＲとして知られる技術）のセットにしたがい得ることができる。

【0050】

マルチモード・ポンピング・シース４は中間シース３を囲む（図１Ａ）。このシース４は、（コア２の）屈折率ｎ_２と（シース３の）屈折率ｎ_３以下である屈折率ｎ_４を有し、マルチモードポンプの様々なモードの伝播を可能にするように、コア２および中間シース３の寸法と比較して適切な寸法を有する。この目的で、また製造を簡易にするため、シース４は（希土類元素が）ドープされていないシリカまたは（希土類元素が）ドープされていないアルミノケイ酸塩で作製してもよい。当業者にとって周知の技術にしたがい、ポンピング力の吸収を高めるため、マルチモード・ポンピング・シース４の形状は必ずしも円形とは限らない。

【0051】

外側シース５はマルチモード・ポンピング・シース４を囲む。このシース５は屈折率ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４よりも低い（好ましくははるかに低い）屈折率ｎ_５（図１Ｂ）を有するため、ファイバ１の内部を保護すると同時に、ポンピング光線を誘導することができる。シース５は気腔から成ってもよく、あるいは高温に適した材料（ポリマー、フッ素コーティングなど）で作製してもよい。なお、このシース５の屈折率ｎ_５は低くなくてはならず、コア２、シース３およびシース４の屈折率と十分に異なっていなくてはならない。

【0052】

なお、コア２は必ずしも光ファイバ１の中心に配置されていなくてもよく、中間シースによって同心に囲まれていなくてもよい。同様に、コアおよび各種シースの形状は必ずしも円形ではない。

【0053】

導光特性を向上させつつ、図１Ａおよび１Ｂの三重シース光ファイバのシングルモード増幅を強化するため、本発明は特定の中間シース構造に関し、その第１実施例を図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂに示す。

【0054】

たとえば１０３０ｎｍの波長の光線を放射するように設けられ、面（Ｘ−Ｘ’、Ｙ−Ｙ’’）の横断面が図２Ａに示される本発明に係る三重シースシングルモード光ファイバ１１は、中心から周縁にかけて、
コア２に類似し、屈折率Ｎ_１２を有するシングルモードコア１２と、
光学的に不活性であり、有効屈折率Ｎ_１３を有する中間シース１３（中間シース３と類似）と、
ポンピングシース４に類似し、屈折率Ｎ_１４を有するマルチモード・ポンピング・シース１４と、
シース５に類似し、屈折率Ｎ_１５を有する外側シース１５と、
を備える。

【0055】

図２Ａに示される中間シース１３は、コア１２を囲む複数の同軸層（図２Ａでは２層）を形成するように配置された、ロッドまたはバーなどの複数の長手状素子１３Ａを備える。

【0056】

好ましくは（必須ではないが）すべて同一であるこれらの長手状素子１３Ａは、ファイバ１１の縦方向および横方向全長を覆うように隣接して配置される。該長手状素子はそれぞれ六角形断面を有し、その六角形断面の側面は、隣接する長手状素子の六角形断面の側面と接触している。しかし、隣接する長手状素子間の横方向範囲に大きすぎる気孔を生成しない限りは、任意のその他の断面形状、具体的には円形、矩形、または三角形を採用することができる。

【0057】

図３Ａにより詳細に示されるように、中間シース１３の長手状素子１３Ａは２つの同軸隣接部分、つまり、第２の（周縁）長手部１３Ｃによって囲まれた第１の（中央）長手部１３Ｂを備える。中間シース１３の長手状素子１３Ａでは、周縁長手部１３Ｃはシングルモードコア１２の屈折率と少なくとも１０^−３異なる屈折率を有する光学材料から成り、中央長手部１３Ｂは前記シングルモードコアの屈折率と最大で１０^−３異なる屈折率を有する光学材料から成る。たとえば、図３Ａの長手状素子１３Ａでは、第１の長手部１３Ｂはたとえばランタンがドープされたシリカ、またはランタンがドープされたアルミノケイ酸塩などの光学材料で作製され、その屈折率Ｎ_１３Ｂは、たとえばドープされていない、あるいはわずかにしかドープされていないシリカまたはアルミノケイ酸塩製の第２の長手部１３Ｃの屈折率Ｎ_１３Ｃよりも（屈折率の点で）高い。このように、第２の長手部１３Ｃの屈折率Ｎ_１３Ｃが、コア１２の屈折率Ｎ_１２と大幅に異なる（コアの屈折率よりも、たとえば少なくとも５．１０^−３低い）ように決定されることによって、光は確実に前記コア１２に導かれる。

【0058】

さらに、第１の長手部１３Ｂの横断面積は第２の長手部１３Ｃの横断面積よりも大きいため、コア１２のＮ_１２に実質上近い（ＴＩＲまたはＭＴＩＲ導光の場合には、好ましくはコア１２のＮ_１２より低い）中間シース１３の有効屈折率Ｎ_１３が得られる。

【0059】

したがって、中間シース１３からこのように形成されるシングルモード光ファイバ１１は、所定のシングルモード放射波長の光線を誘導し、その光線を効果的に増幅させるのに適する。当業者はこの誘導法を「改良全反射」（ＭＴＩＲ）という名称で認識している。

【0060】

この場合、構造は完全固体であるが、誘導原理は、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）として知られる気孔を有するミクロ構造のファイバ、またはロッド型ファイバにおいて使用される誘導原理と類似している。

【0061】

なお、可能な変形は、当該構造のその他すべての屈折率よりもはるかに高い（たとえばコア１２の屈折率よりも少なくとも１０^−２高い）屈折率Ｎ_１３Ｃを有する材料１３Ｃを使用することである。したがって、光ファイバ１は上述の利点を有するが、光は禁止フォトニックバンド（ＰＰＢ）によって前記ファイバ内で誘導されて、曲げ損失に対する良好な抵抗を提供する。

【0062】

なお、シングルモード放射波長よりも短くなるように第２の長手部１３Ｃの横寸法を選択することができる。この場合、構造材料はパターンサイズよりも高い波長を有する光線によって均質と知覚されるため、光は全反射（ＴＩＲ）によってファイバ内を伝播される。

【0063】

長手状素子１３Ａにおける中央長手部１３Ｂと周縁長手部１３Ｃとの配置によって、屈折率の（シース１３の横断面に沿った）不均質な横分布が得られる。しかし、その他任意の種類の配置、具体的には屈折率の異なる部分が２つ以上ある配置を使用することができる。これに関し、一方ではコア１２の屈折率Ｎ_１２とシース１３の有効屈折率Ｎ_１３間の差ΔＮ_{１３−１２}が少なくとも１０^−３（好ましくは、１０^−４）に等しく、他方では屈折率が最も低い（ここでは屈折率Ｎ_１３Ｃ）長手状素子１３Ａの長手部（ここでは部分１３Ｂ）がＴＩＲまたはＭＴＩＲによって光ファイバ１１に制限することを可能にするのに適した寸法を有するように、シース１３の横方向の屈折率分布が得られることのみが重要である。

【0064】

中間シース１３が上述の特徴を有するには、特に以下のパラメータへの適切な調節を如何にして行うかは当業者にとって周知であろう：
長手状素子１３Ａから成るリングの数、
屈折率を決定する、各長手状素子１３Ａの長手部１３Ｂおよび１３Ｃのドーピング速度、
シース１３の有効屈折率を決定する、各長手状素子１３Ａの前記部分１３Ｂと１３Ｃの断面積の比（もしくは、図３Ｂを参照して寸法Ｄ_１３ＢおよびＤ_１３Ａの比）、
長手状素子の寸法。

【0065】

中間シース１３は集合させられるのに適した長手状素子１３Ａから成るため、モジュール式であり、注意深く選択された長手状素子から形成されるが、必ずしもすべて同一であるとは限らない。具体的には、企図される用途に応じて、異なる形状の断面を有し、かつ異なる寸法および／または異なる材料で作製されたおよび／または異なる速度でドープされた構成部分（ただしこれらの部分は適切な屈折率を有する）を有する長手状素子を、同一のシース１３内に集合させることが適切であろう。しかしながら、シース１３を中心とした回転の対称性によってより良好な均質性を達成するため、シース１３の同心層をすべて同一の長手状素子から形成することが好ましい場合もある。さらに、非同一素子の配置または非対称配置により、たとえば、偏光を維持するファイバ、あるいは偏光ファイバの製造が可能となる場合もある。

【0066】

なお、ファイバのモジュール性と同じ理由で、図２Ａに示されるコア１２（たとえばイッテルビウムがドープされたアルミノケイ酸塩製）も長手状素子１２Ａから成り、その横断面は中間シース１３を形成する長手状素子１３Ａの横断面と同一の形状および同一の寸法を有する。これらの長手状素子１２Ａはそれぞれ、たとえばイッテルビウムがドープされたシリカまたはアルミノケイ酸塩から成る単独の光学材料で作製しうる。

【0067】

なお、さらにモジュール性を高めるため、マルチモード・ポンピング・シース１４または外側シース１５までも長手状素子１３Ａと同一形状で同一寸法の断面を有する１セットの長手状素子で作製しうる。

【0068】

さらに、図２Ａを参照すると、モジュールの区別を向上させ、コア１２でのみ基本モードの伝播を増強させるため、損失１６をコア１２の長手状素子１２Ａ一部と中間シース１３の長手状素子１３Ａの一部とのそれぞれに配置させることができる。高次伝播モードを対象としたこれらの損失１６によって、高次伝播モードをフィルタすることができる。それらを配置するには、当業者にとって周知である手段、たとえば、傾斜格子刻印技術に頼らなければならない。

【0069】

これに関し当業者は、特定の構造のコア１２および中間シース１３に対して高次モードを適切にフィルタするためにこれらの損失の最適位置および寸法を決定する方法について知っているであろう。

【0070】

図２Ａおよび３Ａでは、光ファイバ１１の横断面のみが示されているが、明らかにこの断面は前記ファイバ１１の縦方向長さ全体を通じて同一とすることができる。

【0071】

同様に、上述の説明は完全に長手状素子１３Ａのみから成る中間シース１３に関するが、明らかに前記中間シース１３は部分的にのみこれらの素子から形成され、シースの残りは独自の屈折率を有する単独の長手状素子で形成しうる。

【0072】

図４は、上述の三重シースシングルモード光ファイバの変形実施形態２１を示す。この光ファイバ２１は図２Ａの光ファイバ１１に類似し、具体的には中間シース２３、マルチモード・ポンピング・シース２４および外側シース２５は光ファイバ１１のシース１３、１４、１５にそれぞれ相当する。同様に、長手状素子２３Ａは素子１３Ａに相当する。

【0073】

この光ファイバ２１のコア２２はコア１２と異なり、部分的にドープされており、たとえば中央部には、光ファイバ１１の長手状素子１２Ａに類似する１セットのドープされた長手状素子２２Ａ（たとえばイッテルビウムがドープされたアルミノケイ酸塩製）を、周縁部には長手状素子２２Ａ（および同様に長手状素子２３Ａ）と同一の形状および同一の寸法の断面を有し、長手状素子２２Ａと同一の屈折率を有する長手状素子２２Ｂを備えており、これらの素子２２Ｂは積極的にドープされていない（たとえば、ランタンまたはゲルマニウムがドープされたアルミノケイ酸塩で作製されているが、イッテルビウムまたはその他の光学的活性希土類元素を含まない）。

【0074】

この場合、図２Ａの第１の実施形態と同様、損失２６（損失１６に類似）を長手状素子２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａの一部に導入しうる。

【0075】

本発明に係るシングルモード光ファイバ１１（または２１）を製造するため、図５の図Ａ〜Ｄに示される製造工程を使用しうる。このプロセスによると、各長手状素子１３Ａ（ならびに１２Ａおよび１２Ｂ）は以下のステップにしたがい粉末をガラス化することによって形成しうる：
第１の粉末Ｐ１（中央長手部１３Ｂを形成する目的）が第１の管（プレフォームとして機能する）ＰＲ１（図５の図Ａ）内に配置され、
この第１のプレフォームＰＲ１がより大きな寸法の第２の管（プレフォームとして機能）ＰＲ２に挿入されると、第２の粉末Ｐ２（周縁長手部１３Ｃを形成する目的）が第２の管ＰＲ２内に、第１の管ＰＲ１によって残された自由に使用できる空間に配置され（図５の図Ｂ）、
２つの粉末Ｐ１およびＰ２が第２の管ＰＲ２内に配置されると、第１の管ＰＲ１は取り除かれ（図５の図Ｃ）、
最後に、粉末Ｐ１およびＰ２が第２の管Ｐ２内でガラス化されて、長手状素子１３Ａの中央長手部１３Ｂと周縁長手部１３Ｃをそれぞれ形成した後（図５の図Ｄ）、必要に応じて機械的または化学的研磨で第２の管３２を除去する。

【0076】

図５の図Ａ〜Ｄは円柱状の長手状素子の製造例を示しているが、明らかにこの工程は六角形またはその他の形状の断面を有する長手状素子にも適合させることができる。

【0077】

もしくは、各長手状素子１３Ａ（ならびに１２Ａおよび１２Ｂ）は以下のステップにしたがい、粉末のガラス化、および適宜、材料の外部蒸着によって製造することができる：
第１の粉末（中央長手部１３Ｂまたは１２Ａを形成する目的）が第１のプレフォーム内に配置され、
このプレフォームがガラス化され、
その後、プレフォームを研磨して部分１３Ｃの厚みを調節する、あるいは完全に除去することで、たとえば素子１２Ａを形成する際に断面全体にわたって均一な材料を得ることができ、
すべての周縁材料を除去するが周縁部１３Ｃは有益である場合は、たとえばＯＶＤまたはＰＯＶＤによる外部蒸着を行って、所要の屈折率を有する部分１３Ｃを形成することができる。

【0078】

次に、このようにしてガラス化された長手状素子１３Ａが中間シース１３を形成するように配置され、真空がこれらの素子１３Ａ間に形成されて、これらの素子を集合させて前記中間シース３を形成する。

【0079】

この工程はコア１２または２２の長手状素子１２Ａ、２２Ａ、２２Ｂを形成するため、また、必要に応じてマルチモード・ポンピング・シース１４、または外側シース１５を形成することを目的とする長手状素子を形成するためにも適用することができる。この場合、当該素子が独自の屈折率を有する単独の部分から形成される場合、１つのプレフォームと１つの粉末のみを使用する必要がある。同じことが図４に示される光ファイバ２１の長手状素子２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａにも当てはまる。

【0080】

本発明に係るシングルモード光ファイバ１１（または２１）の長手状素子に適用されるこのガラス化工程によって、具体的には、
コアと中間シース１３（または２３）を形成する材料の屈折率が有効制御され（ひいては有効断面積が最大化され、非線形効果の影響が最小化される）、
非線形効果の影響を最小化するドーピングレベルが有効制御され（ひいては有効ファイバのゲインおよび長さ）、
ＣＶＤ法による場合よりも、はるかに大量の合成が行われることで、ファイバ製造工程が大幅に簡易化され、コストが低減され、
ファイバとファイバ構成要素との接続、および信頼のおけるソースの集合を簡易化する完全固体光ファイバが提供され、
使用不能なファイバの製造が少量になることでシングルモード光ファイバの製造コストが大幅に低減される。

【0081】

長手状素子を製造し集合させるその他の製造工程を使用することもできる。一例として、周縁長手部１３Ｃ（または２３Ｃ）は、外部蒸着（外付け気相酸化法（ＯＶＰＯ）またはプラズマ強化外面蒸着法（ＰＯＶＤなど）によって、あるいは中央長手部１３Ｂ（または２３Ｂ）を含む微細管内へ周縁長手部１３Ｃ（または２３Ｃ）を摺動させることによって、中央長手部１３Ｂ（または２３Ｂ）周囲に配置することができる。次に、長手状素子に一連の集合−線引きステップを施すことができ、その後、長手状素子間の間隙孔が表面張力によって、および必要に応じ、わずかな圧力低下によって再度閉鎖される。これに関し、六角形断面の長手状素子の蜂の巣状構造によって、全反射により基本モードに限定することができる。

【0082】

本発明に係るシングルモード光ファイバの別の実施形態を図６Ａおよび６Ｂに示す。

【0083】

図６Ａおよび６Ｂに示される本発明に係るシングルモード光ファイバ３１は、中心から周縁にかけて、
ファイバ１１のコア１２と類似し、屈折率Ｎ_３２を有するシングルモードコア３２と、
長手状素子３３Ａおよび３３Ｂから成り、光学的に不活性であるがコアにシングルモードの特徴を与えるのに役立つ中間シース３３と、
ファイバ１１のポンピングシース１４に類似し、屈折率Ｎ_３４を有するマルチモード・ポンピング・シース３４と、
ファイバ１１の外側シース１５と類似し、屈折率Ｎ_３５を有する外側シース３５と、
を備える。

【0084】

ファイバ１１の中間シース１３と同様、中間シース３３は２つの光学材料を備え、そのうち、第１の光学材料はシングルモードコア３２と最大で１０^−３異なる屈折率を有し、第２の光学材料はシングルモードコア３２と少なくとも１０^−３異なる屈折率を有する。

【0085】

しかし、シングルモードファイバ３１では、これらの２つの光学材料は、（中間シース１３の長手状素子１３Ａの場合のように）中間シースの長手状素子内に共に存在する代わりに、別々の長手状素子３３Ａおよび３３Ｂそれぞれの均質な構成材料を形成する。長手状素子３３Ａは（長手状素子１３Ａの中央部１３Ｂ同様）前記第１の光学材料から成り、長手状素子３３Ｂは（長手状素子１３Ａの周縁部１３Ｃ同様）前記第２の光学材料から成る。

【0086】

図６Ｂに示される屈折率分布の例では、第１の光学材料の屈折率Ｎ_３３Ａはシングルモードコア３２の屈折率Ｎ_３２に可能な限り近い。この例では、第２の光学材料の屈折率Ｎ_３３Ｂはシングルモードコア３２の屈折率Ｎ_３２よりも低かったと推定される。その結果、シース３３の有効または平均屈折率Ｎ_３３はシングルモードコア３２の屈折率Ｎ_３２よりもわずかに低い。しかし、シングルモードファイバ１１に関連して説明したように、この第２の光学材料の屈折率Ｎ_３３Ｂはシングルモードコアの前記屈折率Ｎ_３２よりも高くすることもできる。

【0087】

なお、図６Ａのシングルモード光ファイバ３１は損失３６を備えてもよく、たとえば上述の工程を使用して非常に製造しやすい構造を有しうる。したがって、製造コストは非常に低い。

【0088】

図示しないが、本発明に係るシングルモード光ファイバは素子３３Ａと同一であり、前記第１の光学材料から成る第１の長手状素子と、
素子１３Ａと同一であり、前記第１の光学材料から成る中央長手部１３Ｂと、前記中央長手部１３Ｂを囲み、該中央長手部よりも小さな横断面積を有し、前記第２の光学材料から作製される周縁長手部１３Ｃとを備える第２の長手状素子と、
を有することは容易に理解されるであろう。

【0089】

どのような製造モードであれ、本発明に係るシングルモード光ファイバは同一の光学的特性を有し、また完全固体構造、コアの高ドーピング、高次モードの良好な管理などの多数の利点も備える。

【0090】

本発明に係るシングルモード光ファイバは好都合には、限定はしないが、以下のような用途：
マイクロメートルまたはナノメートルの機械加工、
赤外領域などでのレーザ光源生成、
周波数コム、単一周波数源などの生成、
風や渦流を測定する光検知測量（ＬＩＤＡＲ）装置；
他のソース、たとえば「軟質ガラス」ファイバ−ベースの光学パラメータ式発振器（ＯＰＯ）のポンピング、
医療（レーザ柳葉刀、眼科学）、
汚染物質検出、
レーザ武器の製造、
衛星間通信、または
シングルモード光線の伝達または増幅を要するその他任意の用途、
において有効に使用することができる。

【図1A-1B】

【図2A-2B】

【図3A-3B】

【図4】

【図5(A)】

【図5(B)】

【図5(C)】

【図5(D)】

【図6A-6B】