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(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】6203779
(24)【登録日】2017年9月8日
(45)【発行日】2017年9月27日
(54)【発明の名称】高電力、高次モード光ファイバ増幅器のためのモード変換器
(51)【国際特許分類】
G02B 6/32 20060101AFI20170914BHJP
【ＦＩ】
G02B6/32
【請求項の数】10
【外国語出願】
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2015-86389(P2015-86389)
(22)【出願日】2015年4月21日
(65)【公開番号】特開2015-207001(P2015-207001A)
(43)【公開日】2015年11月19日
【審査請求日】2015年8月14日
(31)【優先権主張番号】61/982,016
(32)【優先日】2014年4月21日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】14/670,831
(32)【優先日】2015年3月27日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】509094034
【氏名又は名称】オーエフエス ファイテル，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100094112
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 讓
(74)【代理人】
【識別番号】100106183
【弁理士】
【氏名又は名称】吉澤 弘司
(74)【代理人】
【識別番号】100114915
【弁理士】
【氏名又は名称】三村 治彦
(74)【代理人】
【識別番号】100120363
【弁理士】
【氏名又は名称】久保田 智樹
(74)【代理人】
【識別番号】100125139
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 洋
(72)【発明者】
【氏名】ジェフリー ダブリュ．ニコルソン
【審査官】
里村 利光
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００９−２５１６１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−２６４２４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１５９７４９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０２Ｂ ６／２６−６／２７
Ｇ０２Ｂ ６／３０−６／３４
Ｇ０２Ｂ ６／４２−６／４３
Ｈ０１Ｓ ５／０２２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
高次モード光信号の回折限界ビームへの変換を提供する光学システムであって、該光学システムは、
高次モード光信号の伝搬をサポートする光導波路と、
前記光導波路の出力に結合されるモード変換器であって、該モード変換器はアキシコン素子を含み、該アキシコン素子は、該アキシコン素子への入力として前記光導波路からの前記高次モード光信号が加えられるときに、前記アキシコン素子が、回折限界出力信号を生成するようにモード変換を実行するような光学特性を示すように形成される、モード変換器と、を備える、高次モード光信号の回折限界ビームへの変換を提供する光学システム。
高次モード光信号の伝搬をサポートする光導波路と、
前記光導波路の出力に結合されるモード変換器であって、該モード変換器はアキシコン素子を含み、該アキシコン素子は、該アキシコン素子への入力として前記光導波路からの前記高次モード光信号が加えられるときに、前記アキシコン素子が、回折限界出力信号を生成するようにモード変換を実行するような光学特性を示すように形成される、モード変換器と、を備える、高次モード光信号の回折限界ビームへの変換を提供する光学システム。
【請求項2】
前記アキシコン素子は円錐形端面を有する独立した別個の構成要素として構成され、該円錐形端面は終端における頂角αによって規定され、それゆえ、該頂角αは前記高次モードビームから前記回折限界ビームへのモード変換を提供するために選択された光学特性である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項3】
前記モード変換器は、モード変換前に前記高次モード光信号の拡大を与えるために前記アキシコン素子の入力に配置される拡大用レンズを更に備え、拡大量はモード次数Ｎ及び前記アキシコン頂角αによって決まる、請求項２に記載の光学システム。
【請求項4】
前記アキシコン素子は、所定の長さＬの回折部分を備えるエンドキャップ構成要素と、該エンドキャップ構成要素の終端に設けられた所定の頂角αを示す円錐形端部とを含み、前記長さＬ及び前記頂角αはモード次数Ｎの関数として求められる、請求項１に記載の光学システム。
【請求項5】
前記アキシコン素子は、前記エンドキャップ構成要素の入力に配置されるＧＲＩＮファイバを更に備える、請求項４に記載の光学システム。
【請求項6】
前記アキシコン素子はＧＲＩＮファイバを含み、前記ＧＲＩＮファイバは前記高次モード信号を回折限界ビームに変換するのに適した屈折率プロファイルを示す、請求項１に記載の光学システム。
【請求項7】
前記ＧＲＩＮファイバは、ファイバの中心から外側に値が減少する、基本的に線形な屈折率プロファイルを示す、請求項６に記載の光学システム。
【請求項8】
前記ＧＲＩＮファイバは多項式によって規定される屈折率プロファイルを示し、前記多項式の次数及び各項の係数値が前記高次モードビームの回折限界ビームへの変換を規定する、請求項６に記載の光学システム。
【請求項9】
前記システムは前記アキシコン素子の出力に配置される出力レンズを更に備え、該出力レンズはモード変換後の出力ビームを合焦させるために利用される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項10】
前記システムは、前記出力レンズを越えて配置され、残留する変換されない高発散信号成分を遮断するために利用される空間フィルタリング素子を更に備える、請求項９に記載の光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願の相互参照］本出願は、２０１４年４月２１に出願され、その全体が参照により本明細書の一部に組み入れられる米国仮特許出願第６１／９８２，０１６号の利益を主張する。
【0002】
本発明は、ファイバを利用する光増幅器において使用するためのモード変換器に関し、より詳細には、高電力信号（例えば、数十ｋＷより高い電力）とともに用いるためのモード変換器に関する。
【背景技術】
【0003】
超大面積高次モード（ＨＯＭ）ファイバ増幅器の実証に成功している。例えば、特別に設計された多モードファイバをＬＰ０，Ｎモードにおいて動作させることによって、６０００μｍ２の実効面積（Ａｅｆｆ）を有する増幅器が試験され、高ピーク電力パルス発生（例えば、約数十ｋＷ〜数百ｋＷのピーク電力）に適していることが示された。
【0004】
ＨＯＭファイバは当該技術分野において既知であり、一般的に、基本ＬＰ０１モードを導波する（そして、ＨＯＭファイバを従来の単一モードファイバに接合するのを容易にする）小さな内側コアと、所望の高次モードを導波する大きな外側コアとを有する光ファイバから構成される。長周期回折格子（ＬＰＧ）は、ＨＯＭファイバとともに用いられ、従来のファイバのコア領域内を伝搬する到来信号をＨＯＭファイバの外側コア領域にシフトしてきた。すなわち、到来信号のモードを基本ＬＰ０１モードから、より高次の選択されたＬＰ０，Ｎモードに変換してきた。この構成は、ドープファイバ増幅器を形成する際に有用であることがわかっており、その場合、ＨＯＭファイバの一部分が選択された希土類ドーパントを含むように作製され、そして、伝搬する光信号のより高次のモード形において光増幅を実行するために用いられる。
【0005】
低いＭ２値を有する増幅された信号ビームが通常必要とされるので（ただし、Ｍ２は、伝搬するビームの理論的なガウスビームからの偏差を示す既知のビーム品質指標であり、それゆえ、その目的が回折限界ビームを生成することである本発明の応用形態のような応用形態では、Ｍ２の値はできる限り１に近いことが望ましい）、通常、増幅された高次モード信号からその基本モードへの変換を用いて、所望の回折限界出力ビームを生成する。第２のＬＰＧは、通常、ＨＯＭファイバ増幅器の出力において、このモード再変換を与えるために用いられる。
【0006】
モード再変換のための出力ＬＰＧは好都合であるが、高いピーク電力（例えば、数十ｋＷ〜数百ｋＷ）では、従来のファイバベースのＬＰＧデバイスは、高電力信号の存在下で自己位相変調の形で非線形性を示すことがわかっている。これらの非線形性は、ＬＰＧのモード変換特性を望ましくないように変更する。更に高ピーク電力（例えば、数百ｋＷ〜ＭＷ）では、ＬＰＧの物理的特性が永久に変化するのが観測されている。したがって、これらの非線形効果は、高ピーク電力ＨＯＭ増幅器の出力において必要とされる回折限界ビームを生成する能力に著しい影響を与える。
【0007】
ＨＯＭファイバ及びＬＰＧの設計及び特性を注意深く制御することによって、これらの望ましくない非線形効果は幾分緩和することはできるが、そのようにして緩和することは必ずしも実用的であるとは限らない。例えば、ＨＯＭファイバの基本モード面積（すなわち、内側コア）が大きくなる可能性があり、及び／又はＬＰＧが強く、かつ短くなる（又は場合によってはチャープが生じる）可能性がある。しかしながら、出力ビームが小さな実効面積に空間的に圧縮されなければならないという条件を課すとき、ＬＰＧの基本モードは、この空間的圧縮を必要としない増幅器に比べて、最終的にＨＯＭ増幅器のピーク電力処理能力を低下させることになる。
【0008】
少なくともこれらの理由から、高ピーク電力増幅器の場合に、小さな実効面積の基本モードを再入射する必要がない代替のモード変換方法が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、ファイバベースの光増幅器において用いるためのモード変換器に関し、より詳細には、回折限界（低Ｍ２）被増幅出力信号を生成するために高電力（例えば、数十ｋＷより大きい）信号で有用なアキシコンベースのモード変換器に関する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明によれば、アキシコンベースの構成体が、ドープＨＯＭファイバの一部分の出力に配置され、伝搬している高次モード信号（例えば、ＬＰ０，Ｎモード）を回折限界信号に変換するために用いられる。アキシコンは円錐形の端部分を含む光学レンズと定義され、アキシコンは、ガウスビームをベッセルビームに近いビームに変換するために用いられる。円錐形端部分の頂角αは、伝搬しているＬＰ０，Ｎ信号の既知のモード次数Ｎとともに、高電力ＬＰ０，Ｎモード光信号を回折限界信号に変換することになる配列構造を作り出すために用いられる。アキシコンベースの構成体は、可能な最も高い効率で、Ｍ２値（理想的な構成の場合、約１）に関して最良の変換品質の出力信号を与えるレンズ素子及び空間フィルタリングを含む。
【0011】
本発明の一実施形態では、レンズ及びアキシコン素子のためにバルク光学構成要素が用いられ、ＨＯＭファイバからの高次モード被増幅出力に対するその相対的な配置（及び間隔）が、変換効率に関して最適な結果を与えるように調整される。上述のように、アキシコンの頂角αは、変換効率を改善するために調整することができる別の要因である。
【0012】
代替の実施形態では、バルク光学構成要素の代わりに、ファイバベースのアキシコン素子が用いられる。ファイバベースのアキシコンはＨＯＭファイバの出力端面に直接融着させる（それにより、配列構造内の拡大用レンズを不要にする）ことが好ましく、ファイバベースのアキシコン素子の出力端面は円錐形の外形を作り出すように処理される。周知の作製技法を用いて、最大の変換効率を達成するために必要とされる頂角を示すように、円錐形の外形及びその規定された頂角を形成することができる。
【0013】
本発明の更に別の実施形態では、アキシコン素子として、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）ファイバの一部分を用いることができる。この場合、ＧＲＩＮファイバのその部分は、相対的に線形の屈折率プロファイルを示すように形成され、この特定のプロファイルはＬＰ０，Ｎモード信号を所望の回折限界形に変換する。この場合、屈折率プロファイルが所望の変換機能を実行するので、円錐形を示すようにＧＲＩＮアキシコンの出力端面を処理する必要はない。
【0014】
ＧＲＩＮベースの実施形態では、アキシコンの従来の線形屈折率プロファイルを変更して、ＨＯＭファイバからのＬＰ０，Ｎ出力への改善された整合を与えることができ、例示的な実施形態では、多項式に基づく最良整合が使用された。
【0015】
アキシコンベースのモード変換器の性能を最適化する例示的な方法では、テストビーム（ガウス形）が、（伝搬している被増幅信号に対して）逆方向にアキシコンに通され、その後、ＨＯＭファイバ増幅器を出る高次モード信号と比較される。テストビームとＨＯＭビームとの間の重複度が求められ、最大の重複量が達成されるまで、アキシコンの特定の特性（例えば、頂角、回折長、屈折率プロファイル）が反復プロセスにおいて変更される。
【0016】
本発明の１つの特定の実施形態は、高次モード光信号の回折限界ビームへの変換を提供するための光学システムを開示し、その光学システムはアキシコンレンズ作用素子を含むアキシコンベースのモード変換器の形をとり、アキシコンレンズ作用素子は、アキシコンレンズ作用素子への入力として高次モード光出力信号が加えられるときに、アキシコンレンズ作用素子が、回折限界出力信号を生成するようにモード変換を実行するような光学特性を示すように形成される。
【0017】
本発明の別の態様はアキシコンベースのモード変換器の変換効率を最適化する方法を含み、その方法は、ａ）変換されることになる高次モード光信号のモード次数Ｎを規定するステップと、ｂ）名目的な１組のアキシコン光学特性を選択するステップと、ｃ）選択された１組の光学特性を有するアキシコンを通してガウステストビームを逆方向に透過させるステップと、ｄ）アキシコンを出るテストビームのプロファイルを、規定されたモードＮの既知のプロファイルと比較するステップと、ｅ）テストビームプロファイルと高次モードビームとの間に十分な重複が存在するか否かを判断し、存在する場合には、その光学特性を最適なアキシコン特性と規定するステップと、そうでない場合には、ｆ）アキシコン光学特性の値を調整し、許容される重複が達成されるまで、ステップｃ）〜ｅ）を繰り返すステップとを含む。
【0018】
本発明の他の態様及び特徴、並びに更なる態様及び特徴は、以下の説明の過程において、かつ添付の図面を参照することによって明らかになるであろう。
【0019】
ここで図面を参照するが、幾つかの図面を通して、同じ番号は同じ部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】ドープＨＯＭファイバの一部分から形成される従来技術の光増幅器の一部の図である。
【図2】バルク光学アキシコンデバイスを利用するアキシコンベースの出力モード変換器を含む、本発明に従って形成される例示的なＨＯＭファイバベースの光増幅器の図である。
【図3】ガウスビームを０次ベッセル関数に変換する際の使用を例示する、アキシコン素子の光線追跡図である。
【図5】発明の代替のアキシコンベースのモード変換器を示す図であり、この場合、ＨＯＭファイバ増幅器の端面に直接結合することができるエンドキャップとして形成されたファイバベースのアキシコン素子を含んでいる。
【図6】本発明の更に別の実施形態を示す図であり、この場合、ＬＰ０，Ｎビームを低いＭ２値を有する回折限界形に変換することができるアキシコンとして動作するように、ＧＲＩＮファイバの一部分が、その屈折率プロファイルに関して特別に構成される、本発明の更に別の実施形態を示す図である。
【図8】アキシコンベースのモード変換器の光学特性を最適化するために利用される例示的なプロセスの流れ図である。
【図12】アキシコンベースのモード変換器の出力における空間フィルタのアパーチャサイズに関連付けられるＭ２の値のプロット図である。
【図13】できる限り１に近いＭ２値を生成するのに適したアパーチャサイズを決定するために用いることができる例示的なプロセスの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明の種々の態様を詳細に説明する前に、高次モード（ＨＯＭ）光ファイバの一部分を用いるファイバ増幅器の動作の概説が提示される。図１は、例示的な従来技術のＨＯＭベースのファイバ増幅器１を示しており、その光増幅器は、入力モード変換器３と出力モード変換器４との間に配置されるドープＨＯＭファイバ２の一部分を含む。この例では、両方の変換器は、長周期回折格子（ＬＰＧ）の形をとり、長周期回折格子はＨＯＭファイバ２の両端部の屈折率特性を変更することによって形成される。
【0022】
動作において、ＨＯＭファイバ２は、所定の活性化波長の光が存在する場合に、伝搬している光信号Ｓが増幅を受けることになるような希土類ドーパント（例えば、エルビウム）を含むように形成されている。希土類ドーパントとしてエルビウムを利用する配列構造では、約１４８０ｎｍ（場合によっては、９８０ｎｍ）の波長のポンプ光が所望の増幅を与える。ポンプ光の唯一の目的が希土類媒体内に「存在し」、光信号内の増幅の発生を活性化することであるので、ポンプ光は、光入力信号と同じ方向に伝搬する場合があるか、又は反対方向に増幅媒体を通り抜ける場合がある。図１に示される配列構造では、ＨＯＭファイバ２を通って同じ方向に伝搬するようにポンプ源５及び光信号源６が位置決めされ、いずれも波長分割マルチプレクサ７を通り抜け、その後、入力ＬＰＧモード変換器３に結合される。ポンプ光及び光信号Ｓが入力ＬＰＧ３を通って伝搬するにつれて、基本ＬＰ０１モードから選択された高次ＬＰ０，Ｎモードに変換される。ポンプ光は、光信号Ｓの増幅を活性化し、その後、ＳＡで示される光信号の被増幅バージョンが、そのＬＰ０，ＮモードにおいてＨＯＭファイバ２を出る。その後、出力ＬＰＧモード変換器４を用いて、高次モード被増幅信号ＳＡを基本ＬＰ０１モード形に変換して戻す。
【0023】
上記で説明されたように、図１に示されるようなＬＰＧベースのモード変換器を用いるこの従来技術の構成は数多くの状況において許容可能であるが、高電力信号が増幅されることになるときに問題になる。詳細には、高電力信号の存在下において、ＬＰＧデバイスが自己位相変調の形の非線形性を示すことがわかっている。これらの非線形性は、ＬＰＧのモード変換特性を望ましくないように変更する。高ピーク電力（例えば、数百ｋＷ〜ＭＷ）では、ＬＰＧの物理的特性が永久に変化するのが観測されている。したがって、これらの非線形効果は、高ピーク電力ＨＯＭ増幅器の出力において、必要とされる回折限界ビーム（低いＭ２値）を生成する能力に著しい影響を与える。
【0024】
図２は、出力ＨＯＭ被増幅信号を小さな空間構成を有するビームに変換するためにＬＰＧベースのデバイスを使用するのを不要にすることによって従来技術の制約を克服する、本発明に従って形成された高電力ＨＯＭベースのファイバ増幅器１０を示す。代わりに、図２に詳細に示されるように、アキシコンベースの変換器２０を用いて、ＨＯＭファイバ２の出力における高次モード被増幅信号を回折限界ビーム（できる限り１．０に近いＭ２値）に変換する。当該技術分野において既知であるように、アキシコンは、円錐形端面を有し、その円錐体頂角αによって規定される特殊なタイプの光学レンズである。上述され、後に詳述されるように、アキシコンベースの変換器は、システムの倍率及びレンズ間隔を適切に調整することによって、任意のモード次数ＬＰ０，Ｎのビームを回折限界ビームに変換することができる。
【0025】
図２を参照すると、アキシコンベースのモード変換器２０は、ＨＯＭファイバ２からの高電力高次モード出力を拡大するための第１のレンズ２２を含むように示される。この拡大された信号は、拡大中にその高次モード形を保持し、その後、アキシコン素子２４を通り抜ける。図２に示されるような特定の実施形態では、アキシコン素子２４は、「バルク光学」アキシコン（すなわち、個別の構成要素）の形をとる。後に詳細に説明されるように、変換器２０を形成する種々の構成要素間の間隔と組み合わせて、アキシコン素子２４の頂角αを選択して、変換器２０の出口において回折限界出力信号を生成する。アキシコンベースのモード変換器２０は、アキシコン素子を出る高電力被増幅出力信号ＳＡから任意の残存する高発散光を除去するために、合焦レンズ２６及びアパーチャ（すなわち、空間フィルタ）２８を更に備えるように示されている。空間フィルタ２８の利用は任意であり、出力ビームが長距離にわたって伝搬することになり、空間フィルタリングが不要な場合もあることは理解されたい。
【0026】
図３は、図２に示されるようなアキシコン素子２４に関連付けられる光線追跡図である。ガウスビームがアキシコン素子２４上に入射するとき、アキシコンの特定の特性（その頂角αを含む）が、ガウスビームを０次Ｊ０ベッセル関数の近似値であるビームに変換する役割を果たす。
【0027】
ＨＯＭファイバ２からの高次モード被増幅出力信号が、アキシコンベースのモード変換器２０のような配列構造を通り抜けることによって、許容可能な回折限界光出力信号を生成することを直接推測することはできない。ＨＯＭファイバのＬＰ０，Ｎモードは一般的にはＪ０ベッセルビームではなく、そのモードはファイバ自体の屈折率とともにモードソルバーを用いてのみ数値的に解くことができる。実際には、図２に示される構成を参照すると、システムを通る光信号Ｓの伝搬を数値計算して、高次ファイバモードを回折限界ビームに変換することができる効率を求めなければならない。変換効率を最大化するために、光学システムは注意深く最適化されなければならない。本発明者は、アキシコンがこのように動作するという、この思いも寄らぬ能力を発見した。
【0028】
ＨＯＭファイバ２の端面２Ｅとモード変換器２０の拡大用レンズ２２との間の間隔によって、アキシコンベースのモード変換器２０の出力における回折限界ビームプロファイルの品質が影響を及ぼされることもわかった。図４はこの依存性を示しており、図２に示されるのと同じ構成要素による構成を示し、ＨＯＭファイバ２と変換器２０の拡大用レンズ２２との間の２つの異なる間隔に関連付けられるビームプロファイル（近距離場及び遠距離場の両方）も含む。第１の間隔がｄ１と規定され、第２の間隔がｄ２と規定される。ただし、ｄ１＜ｄ２である。図４に示されるビームプロファイルを参照すると、これら２つの間隔に関連付けられる近距離場パターンにほとんど違いがないことが明らかである（近距離場パターンは空間フィルタ２８の出力において測定される）。しかしながら、ビームが空間フィルタ２８の場所を越えて伝搬し続けるにつれて、遠距離場ビームプロファイルが大きく異なってくることが明らかである。
【0029】
上記で説明されたように、特定のＬＰ０，Ｎ高次モード及びアキシコン頂角αを与えられると、最適モード変換は或る特定の倍率を必要とする。適切な倍率の達成は、少なくとも、ＨＯＭファイバ２の端面２Ｅと拡大用レンズ２２との間に正確な間隔ｄを有することによって決まる。Ｍ２に関して、ｄ＝ｄ２に対応するモード変換は、ｄ＝ｄ１の場合の構成より、概ね回折限界のビームの場合に高い変換効率を有する。
【0030】
図２及び図４に示されるような本発明の実施形態は、アキシコンベースのモード変換器２０を形成する際に個別の構成要素を利用する。上述のように、ファイバベースのアキシコンモード変換器を作り出すこともできる。図５は、図２の増幅器内の個別の構成要素の配列構造２０の代わりに用いることができる例示的なファイバベースのアキシコンモード変換器３０を示す。変換器３０は、ＨＯＭファイバ２の端面２Ｅ上に融着させることができるエンドキャップ構成要素３２を備えるように示される。エンドキャップ構成要素３２の長さＬに沿って回折が生じる。ただし、Ｌの値は、ＨＯＭファイバ２の出力における被増幅信号ＳＡのモード次数Ｎによって決まる。エンドキャップ構成要素３２の終端における円錐形部分３４は、高次モード入力から回折限界出力ビームを形成するために必要とされる所望の頂角αを示すように形成される。シリコンベースの構成要素を処理するための当該技術分野においてよく知られている種々の作製プロセス（例えば、研磨、又は適切なエッチング溶液による選択性エッチング）を用いて、円錐形部分３４のための所望の頂角αを含む、エンドキャップ構成要素３２の所望の幾何学的形状を形成することができる。
【0031】
この構成では、アキシコン素子はＨＯＭファイバの端面に直接融着するので、その構造内に（図２の実施形態のレンズ２２のような）拡大用レンズは含まれない。それゆえ、動作モード次数Ｎを指定することによって、エンドキャップ構成要素３２の回折長Ｌと、円錐形部分３４のための必要とされる頂角αとが完全に決定される。モード変換器３０を形成する残りの構成要素、すなわち、合焦レンズ３６及び空間フィルタ３８（ここでも、空間フィルタリングはオプションである）は、図２との関連において上記で説明されたのと同様である。本実施形態では、Ｍ２値ができる限り１に近い出力ビームが達成されるまで、エンドキャップ構成要素３２の長さＬ及び頂角αを変更することによって、高次モード信号（例えば、ＬＰ０，Ｎモード）から回折限界ビームへの最適なモード変換効率が得られる。或る程度の倍率を与えることが望ましい場合には、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）ファイバの一部分を、ＨＯＭファイバ２の出力とキャップ構成要素３２との間に配置することができる。ＧＲＩＮファイバの一部分の屈折率プロファイルは一般的に二次の形を有し、それゆえ、ＨＯＭファイバ２からの被増幅高次出力に或る量の倍率を導入する。
【0032】
グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）ファイバの一部分を用いることによって、本発明によるＨＯＭベースのファイバ増幅器のための一体型出力モード変換器として有用な別のアキシコン構成を作り出すことができる。例示的なＧＲＩＮベースのアキシコン変換器４０が図６に示される。この構成では、ＧＲＩＮベースのアキシコン素子４２が、ファイバ中央からコアの外縁まで線形に減少する屈折率を有する光ファイバの一部分から形成されている。図７は、ＧＲＩＮベースのアキシコン素子４２のための例示的な屈折率プロファイルを示す。図５に示される構成と同様に、ＧＲＩＮベースのアキシコン素子４２がＨＯＭファイバ２の端面２Ｅに固定され、その後、素子４２を出る回折限界信号は合焦レンズ４４及び（任意の）空間フィルタ４６を通り抜ける。線形屈折率プロファイルは、高次モード信号から回折限界ビームへの変換を与えるパラメーターであるので、円錐形端部分の利用は必要でないことに留意されたい。
【0033】
他の実施形態と同様に、ＧＲＩＮベースのアキシコンの特定の特性を、高次モード入力と回折限界出力との間の変換効率を最大化するように調整することができる。この場合、ＧＲＩＮファイバの一部分の厳密に線形な屈折率プロファイルが、わずかに非線形な形として規定される（例えば、多項式の次数ｍ及び係数の両方を定義するｍ次多項式として特徴付けられる）ように調整される。
【0034】
さらに、アキシコン素子４２の第１の部分４２′の屈折率プロファイルを変更して、ＨＯＭ２からの出力信号の倍率を与えることができる。代替的には、ＨＯＭファイバ２の端面２Ｅに融着するＧＲＩＮファイバの２つの別々の部分を利用することもでき、第１の部分が拡大を実行し、第２の（特別に規定された屈折率プロファイルを有する）部分が回折限界出力を生成する。
【0035】
実際には、本発明の別の態様は、高次モード被増幅ビームから回折限界ビームへの最大変換効率を与えるようにアキシコンベースのモード変換器の特性を最適化するために用いることができる方法に関する。その方法は、後に説明されるように、生成された高次モード信号の特定の「次数」Ｎの関数である。例示的な１組の実験のために、ＬＰ０，１４ビームが調査される。その方法自体は、最適な１組のアキシコン特性を決定するための第１のプロセスと、最適な１組のアキシコン特性に基づいて、関連する空間フィルタのための最適な透過率を求めるための第２のプロセスとを含む。
【0036】
図８は、第１のプロセス、すなわち、アキシコン自体の光学特性を最適化するためのプロセス１００に関連付けられる１組の例示的なステップの流れ図である。図９は、プロセス１００に関連する特定の構成要素の図である。図８を参照すると、そのプロセスの第１のステップ（ステップ１１０）は、回折限界形に変換される必要があるＨＯＭ信号の特定の次数を規定することである。説明のために、Ｎ＝１４の値が仮定される。次数がわかると、そのプロセスは、ステップ１２０において継続し、最適化プロセスを開始すべき「名目的な」１組のアキシコン特性を選択する。バルク光学アキシコンを用いる配列構造の場合、その特性は頂角α及び所望の拡大量を含む（拡大量はＨＯＭファイバと拡大用レンズとの間の間隔ｄによって規定される）。ファイバベースのアキシコンの場合、その特性は、その長さＬ及び頂角αを含む。ＧＲＩＮベースのアキシコンの場合、その特性は、その屈折率プロファイルを規定するために用いられる多項式の次数及び係数を含む。
【0037】
初期の１組の名目的な特性が選択され、初期アキシコンが規定されると、そのプロセスは、この規定されたアキシコンを通して従来のガウスビームを逆方向に透過させることによって、ステップ１３０において継続する。図９はステップ１３０を示しており、アキシコンの「出力」（ＨＯＭファイバの一部分とアキシコンとの相対的な位置に関する出力）へのガウスビームの導入を示す（図９のプロットＡにおいて示される）。図９に示されるように、かつ上記で説明されたように、アキシコンにガウスビームを通す結果として、近似的な０次ベッセルビームが形成される。図９のプロットＢは、初期に構成されたアキシコンにガウスビームを通すことによって生成されるような、例示的なビームプロファイルを示す。
【0038】
本発明の方法によれば、その後、プロットＢにおいて示されるようなこのビームプロファイルが、ＨＯＭファイバの一部分を出る被増幅ビームの実際のＬＰ０，１４モードプロファイル（図９のプロットＣに示されるＬＰ０，１４ビームプロファイル）と比較される。比較は図８の流れ図内のステップ１４０において規定され、或る場合には、その比較は２つのプロット間の重複を求める形をとることができる。その後、ステップ１５０に示される問い合わせが実行され、２つのプロット間の最大重複が達成されたか否かを判断する（すなわち、重複が１００％である場合には、アキシコンの選択された特性が、ＬＰ０，１４プロファイルへの厳密な「一致」を作り出す）。
【0039】
初期重複特性が１００％未満であると仮定すると、そのプロセスはステップ１６０において継続し、アキシコンの特性を変更する。変更されると、そのプロセスはステップ１３０に戻り、図９に示されるような構成の別の通り抜けが実行される。何度も繰り返すことが必要な場合があり、最適な（又は所望の）重複値が確認されるまでそのプロセスは継続される。実際には、実際の重複量は一般的に７０％〜９０％の範囲内にあり、幾つかの異なるパラメーター（ＨＯＭファイバの屈折率プロファイル及び結果として生成されるモードプロファイル等）と、利用されるアキシコンのタイプ（すなわち、バルク、ファイバ又はＧＲＩＮ）との関数になることは理解されたい。
【0040】
ＧＲＩＮベースのアキシコンの屈折率プロファイルを得て最適化するためにプロセス１００が用いられる特定の場合、最適化されることになる「特性」は、上述のように、ＧＲＩＮベースのアキシコンの長さと、屈折率プロファイルを規定するために用いられる多項式の次数及び係数とを含むことができる。詳細には、屈折率プロファイルは、ステップ１２０において、規定された１組の係数を有する、選択されたｍ次の多項式を有するように規定される。このプロセスは、この屈折率プロファイルを有するＧＲＩＮベースのアキシコンにガウスビームを通すことによってステップ１３０において継続し、そのプロセスは図８において説明されるように継続し、多項式の次数及びその個々の係数を調整して、アキシコンから生成されたベッセルビーム出力の形状を変更する。
【0041】
この方法によって作り出された修正されたＧＲＩＮベースのアキシコン素子のための例示的な最適化された屈折率プロファイルが図１０に示される。この場合、屈折率プロファイルは、３次多項式の形をとることがわかっている。図１１は、この屈折率プロファイルに関連付けられるアキシコン生成ベッセル関数とＨＯＭファイバ２からのＬＰ０，１４出力との間の比較を示すグラフである。このＧＲＩＮベースのアキシコン生成ビームと高次モード出力信号との間の重複は約８０％であることがわかっている。これは、従来の「直線ランプ」アキシコン（すなわち、図７に示される屈折率プロファイルを有するデバイス）を用いるときに見られる７５％の重複と比較される。重複の改善は、導波されるＬＰ０，１４と真のベッセル関数との間の違いのようにＨＯＭ２が理想的でないことに対処するために、及び内側コア領域の存在のような、ＨＯＭファイバ２の特有の特性に対処するために、ＧＲＩＮベースのアキシコンを用いることができることを示す。
【0042】
異なるタイプのＧＲＩＮファイバの組み合わせを用いることもできることは理解されたい。二次ＧＲＩＮレンズ（又は多項式展開におけるより高次の偶数次項）が、拡大を与えることができ（すなわち、上述の素子４２′と同様）、それに後続して、実際のアキシコンベースのモード変換のために主に奇数次のＧＲＩＮファイバ（１次、３次、５次等）が用いられることになる。このことから、ＧＲＩＮファイバベースのアキシコンの場合の潜在的な設計空間が非常に大きくなることが明らかになる。
【0043】
特定の高次モード信号（例えば、ＬＰ０，１４）のための最適なアキシコン特性が特定されると、アキシコンベースの変換器のＭ２値を空間フィルタの透過率の関数として最適化するプロセスを実行することができる。当該技術分野において既知であるように、Ｍ２値は、レーザビームを或る特定の条件下（例えば、ビーム発散が制限された状態）でいかに厳密に合焦させることができるかの指標として通常理解されるように、生成されたビームのための品質係数として考えることができる。取り得る最良のビーム品質は、Ｍ２＝１を有する回折限界ガウスビームの場合に達成される。図１２を参照すると、図１２はアパーチャサイズの関数としてのＭ２のプロットである。この場合、アパーチャサイズは、モード変換器の出力において空間フィルタ（例えば、変換器２０内の空間フィルタ２８、モード変換器３０内の空間フィルタ３８及びモード変換器４０内の空間フィルタ４６を参照）を通って透過する光信号電力のパーセンテージと定義される。したがって、０％透過値は、信号全体が遮断される（すなわち、空間フィルタ内にアパーチャが存在しない）ことを意味し、５０％透過の透過値は、アパーチャが、信号の中央半分だけが通り抜けられるようにするサイズであることを意味する。
【0044】
図１３は、この第２のプロセス２００のための例示的な流れ図を含み、図１４は、この第２のプロセスを実行する際に用いることができる１組の構成要素を含む。図１３に示されるように、そのプロセスは、アキシコンのための最適な特性（プロセス１００からわかっている）と、ＨＯＭファイバと拡大用レンズ（適切な場合）との間の間隔、及びアキシコンと空間フィルタとの間に配置される合焦レンズ（この構成は図１４に示される）の焦点距離とを含む、既知のパラメーターを規定することによって、ステップ２１０において開始する。
【0045】
そのプロセスの次のステップ（ステップ２２０）は、空間フィルタのためのアパーチャサイズの初期値を、特定の応用形態がそのようなフィルタリングの使用を必要とすると仮定して選択することである（上記のように、アパーチャサイズは透過する電力のパーセンテージを規定する）。次に、このアパーチャサイズに関連付けられるＭ２の値が計算される（ステップ２３０）。その後、Ｍ２の現在の値に基づいて判断が行われ（ステップ２４０）、その値が１未満である場合には、アパーチャサイズが拡大され（ステップ２５０）、この新たな値に対してＭ２の値が再び計算される。ステップ２３０に戻ると、Ｍ２の計算値が１より大きいことがわかった場合には、これは、最適な値を超えたことを示しており（図１３を参照）、前回使用されたアパーチャサイズが「最適な」値と規定されることを示す。図１４は、アパーチャサイズの３つの異なる値の場合の遠距離場パターンを示しており、ここで、９０％の値が最良の結果を与えることがわかる。
【0046】
図１３に示されるプロットの特定の値に目を向けると、Ｍ２のための最適な単位値が８１％の透過値に関連付けられることがわかる。その際、空間フィルタ２８は、高電力被増幅信号（ここでは、基本モードにある）の８１％をフィルタに通し、その後、出力単一モードファイバ（又は他の適切な回折限界出力デバイス）に結合されるように構成される。
【0047】
限定はしないが、ＬＰ１，Ｎモード信号を含む、種々の他の形の高次モード信号を取り扱うように特に構成される円錐レンズを利用する本発明の他の実施形態も考えられる。実際には、２Ｍ面を有する尖ったレンズが、複合ＬＰＭ，Ｎモード信号を基本ＬＰ０１形に変換する際に用いるのに適していると考えられる。