JP2007511919A - アクティブフォトニックバンドギャップ光ファイバ - Google Patents

Abstract

複数の活性利得材料（９３）が、フォトニックバンドギャップ結晶ファイバ（２０）の誘電体コア（１２）に隣接する誘電体バンドギャップクラッド閉じ込め領域（２２）の活性界面部（４４）に配置されるが、この場合、動作中に、複数の活性利得材料（９３）が、コア（１２）の第１の導波モードとオーバーラップするための、第２の周波数範囲における第２の周波数の第２の導波モードにおけるＥＭエネルギによる刺激のための潜在的なエネルギ貯蔵として、ポンプエネルギを吸収し、かつポンプエネルギを蓄積して、フォトニックバンドギャップクラッド（２２）と、界面（４４）を伝搬する少なくとも１つ表面モードを支持する誘電体コア（１２）との間の界面によって定義される表面が、誘電体クラッド閉じ込め領域の活性界面部、および誘電体コア（１２）に関連する状態をオーバーラップさせるようにする。

Description

本発明の一部は、ＤＡＲＰＡによって授与された、契約Ｎｏ．ＭＤＡ９７２−０２−３−００４に基づく政府支援によってなされた。政府は、本発明のいくつかの請求項に、ある一定の権利を有することが可能である。

本発明は、一般に光導波路、特に、ファイバレーザおよび増幅器等の増幅に用いるためのフォトニックバンドギャップ光導波路などの活性微細構造に関する。

完全にガラス材料から形成された光ファイバは、２０年以上に亘り商業的に用いられてきた。かかる光ファイバは、電気通信分野で躍進してきたが、代替光ファイバ設計の研究が続けられている。代替光ファイバの見込みのある一タイプが微細構造光ファイバであるが、このファイバは、ファイバ軸に沿って長手方向に走る空孔またはボイドを含み、「穴あき(holey)」ファイバと呼ばれることもある。空孔は、一般に空気または不活性ガスを含むが、他の材料を含むかまたは真空であってもよい。

微細構造光ファイバは、種々様々な特性を有するように設計可能であり、また種々様々な用途で用いることができる。たとえば、中実ガラスコアと、コアの回りのクラッド領域に配置された複数の空孔と、を有する微細構造光ファイバが作られてきた。空孔の配列、間隔またはピッチ、およびサイズは、大きな負値から大きな正値までのどこにも及ぶ分散を備えた微細構造光ファイバをもたらすように設計してもよい。かかるファイバは、たとえば、分散補償において有用であり得る。中実コア微細構造光ファイバはまた、広範囲の波長にわたる単一モードであるように設計してもよい。中実コア微細構造光ファイバは、一般に内部全反射機構によって光を導波する。空孔の低屈折率は、空孔が配置されているクラッド領域の実効屈折率を低下させるものと考えることができる。

微細構造光ファイバの特に興味深い一タイプは、フォトニックバンドギャップファイバまたは結晶である。フォトニックバンドギャップファイバは、全反射（ＴＩＲ）機構とは基本的に異なる機構によって光を導波する。フォトニックバンドギャップファイバは、フォトニックバンドギャップ構造をファイバのクラッドに形成する。フォトニックバンドギャップ構造は、たとえば、ほぼ光の波長の間隔を有する周期的な空孔アレイであってもよい。フォトニックバンドギャップ構造は、フォトニックバンドギャップ構造において光の伝搬を妨げる、バンドギャップとして知られている周波数範囲および伝搬定数を有する。光導波路（より一般的には、電磁（ＥＭ）エネルギを導波する構造）を形成するために、フォトニックバンドギャップ結晶またはファイバに、欠陥が形成される。したがって、ファイバのコアは、フォトニックバンドギャップ構造クラッドにおける欠陥によって形成される。たとえば、欠陥は、フォトニックバンドギャップ構造の空孔と実質的に異なるサイズおよび／または形状の空孔であってもよい。あるいは、欠陥は、フォトニックバンドギャップ構造内に埋め込まれた中実構造であってもよい。コアに導入された光は、光の周波数およびコアの構造によって決定される伝搬定数を有する。フォトニックバンドギャップ構造のバンドギャップ内の周波数および伝搬定数を有する、ファイバコアを伝搬する光は、フォトニックバンドギャップクラッドを伝搬せず、したがって、コアに閉じ込められる。フォトニックバンドギャップファイバは、周囲のフォトニックバンドギャップ構造の空孔より大きな空孔から形成されるコアを有してもよい。かかる中空コアファイバでは、コアの空孔内で光を導波してもよい。欠陥は、格子構造における不連続であり、格子ピッチの変化か、異なる屈折率の材料による、格子の一部の置き換えか、またはフォトニックバンドギャップ結晶材料の一部の除去であることができる。欠陥の形状およびサイズは、フォトニック結晶のバンドギャップ内の波長を有する光伝搬モードを生成するかまたは支持するように選択される。したがって、欠陥の壁は、欠陥によってもたらされるモードを伝搬させない材料、すなわちフォトニックバンドギャップ結晶で製作される。全反射光導波路との類比では、欠陥は、導波路コアの役割を果たし、フォトニックバンドギャップ結晶は、クラッドの役割をする。しかしながら、導波路機構によって、コアは非常に低い屈折率を有することが可能になり、かくして低減衰および低非線形性の利点が実現される。

光ファイバにおけるフォトニックバンドギャップ導波の可能性には著しい関心がもたれてきた。これらのファイバにおける導波理論は説明されてきたが、フォトニックバンドギャップファイバの光学特性の実際の製作および実証は、比較的まれだった。実証されたフォトニックバンドギャップファイバは、高損失（または高減衰量）に悩まされた。報告された最低の損失は、約１０ｄＢ／ｋｍだった。電気通信用の伝送ファイバとしてかなりの実際的な関心事となるためには、フォトニックバンドギャップファイバの損失は、はるかに低くなければならない。

ファイバレーザは、低コヒーレンスポンプ光をコヒーレント信号光に変換する非常に効率的な手段を表わす。冷却のための優れた表面積対体積比を有するファイバレーザは、概して曲げやすくて配備に便利であり、また軽量かつ安価である。これらの属性によって、ファイバレーザは、多くの用途にとって非常に魅力的になっている。

より高い電力にファイバレーザを調整するには、ポンプレベルおよび相互作用長を増加させる必要がある。しかしながら、非線形光学効果および表面損傷のために、結局、より高い電力に調整する能力が制限される。

以前に、非線形光学効果を低減しようと、増加した有効断面積を備えたファイバプロファイル設計が用いられた。しかしながら、典型的には、最大有効断面積は、曲げ損失によって制限される。より大きな有効断面積のファイバは、通常、曲げ損失の増加を示す。反射防止コーティングおよび研磨されたファイバ端面が、ファイバ−空気界面における表面損傷を低減するために用いられた。これらの試みは、動作電力の増加を考慮したものであるが、しかしそれでも、約１０００Ｗの平均電力に制限されている。より高い電力への調整には、マルチモードポンプエネルギを単一モードファイバレーザエネルギに効率的に変換するために、従来のファイバレーザのダブルクラッド構成に似た機構が必要である。

フォトニックバンドギャップ結晶導波路によって提供される低い非線形性の利点ゆえに、ポンプエネルギを単一モードファイバレーザエネルギに効率的に変換できるモードをもたらすファイバプロファイル設計構造を識別する必要がある。

フォトニックバンドギャップ結晶導波路を使用するには、材料を削るかまたは材料を溶接する装置の場合などの、高い電磁力レベルの送出を利用することが含まれる。

また、非線形相互作用によって制限される可能性のある現在の設計を超えて、ファイバレーザ動作電力をスケーリングするために、フォトニックバンドギャップ結晶の低非線形性を、ファイバなどの導波路に取り入れる必要が特別にある。非線形相互作用の一例は、誘発ブリルアン散乱すなわちＳＢＳである。ＳＢＳは、光場と材料の密度波との間に生じる非線形光プロセスである。光場、および材料における密度波は、電歪の周知のプロセスを通して相互作用する。この相互作用の強さを示す係数が、電歪定数によって示される。標準中実コア光ファイバでは、ＳＢＳ効果の結果として、入射場がファイバから反射され、かつ周波数がシフトされる可能性がある。ファイバレーザおよびファイバ増幅器などの多くの用途では、ＳＢＳは、有害な効果になり得る。多くのアプローチが、ＳＢＳプロセスの影響を回避するために開発された。ほとんどは、有効エリアを増加するかまたは光場をスペクトル的に広げることを通して、強度を低減することを含む。

ＳＢＳプロセスのための閾値電力は、ポンプ波のスペクトル幅および光場の有効エリアに依存する。連続波のポンプ場において、閾値電力は、１ｍＷほどの低さであり得る。したがって、狭帯域連続波の光学放射の増幅または生成は、ＳＢＳの制限的な影響のために、光ファイバ増幅器または光ファイバレーザにおいて実現するのが難しい。

中空コアフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）では、光場は、ファイバ断面のボイドを導波される。このボイドは、空気、何か他のガス、液体で充填されるか、または排気して真空領域を支持することが可能である。ＳＢＳ相互作用を示す電歪定数が材料の数密度に比例し、かつガスの数密度が、ガラスの数密度より約３桁小さいので、フォトニックバンドギャップファイバの中空コアの非線形応答は、中実コアガラス光ファイバより約３桁小さい。

さらに、パルス化された光場の増幅および生成は、増幅器またはレーザで起こる非線形プロセスによって制限される。様々な非線形プロセスを示す非線形係数が、光ファイバ増幅器また発振器におけるコア物質の数密度に比例するので、中空コアＰＢＧＦは、これらの非線形効果を抑制するために理想的に適している。

したがって、非線形減衰を大幅に低減した狭帯域光場またはパルス化された光場を増幅および生成するなどの様々な用途を可能にする光学活性中空コアＰＢＧＦの必要がある。

本発明の一態様は、空気コアにおける空気導波を可能にするために、クラッドのボイド充填割合が０．４５〜０．９８の範囲にある導波路の導波モードをオーバーラップさせる活性材料でドープされた信号およびポンプオーバーラップ部を有するフォトニック結晶導波路に関する。

本発明の別の態様は、バンドギャップ領域において放射される表面モードにオーバーラップを提供するようにバンドギャップ領域を構成するために、約１．１２〜１．２０の範囲にある欠陥寸法（Ｒ_ｄ）対ピッチ（Λ）比を有するフォトニックバンドギャップ結晶導波路であって、ポンプ波長で欠陥状態から放射されるコアモードを強化し、かつ信号波長における表面モードを抑制するようにする導波路に関する。

本発明の追加的な特徴および利点は、続く詳細な説明で述べるが、一部は、説明から当業者に容易に明らかになるか、または添付の図面と同様に、書面の記載およびその特許請求の範囲に説明された本発明を実行することによって理解されるであろう。

前述の概説および次の詳細な説明の両方とも、本発明の単なる例示であり、かつ本発明が特許請求される際に、本発明の性質および特徴を理解する概観または枠組みを提供するように意図されていることを理解されたい。

添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、また本明細書の一部に取り込まれてそれを構成する。図面は、必ずしも縮尺比に従って縮小されてはおらず、様々な要素のサイズは、明瞭さのために歪められている可能性がある。図面は、本発明の１つまたは複数の実施形態を示し、説明と一緒になって、本発明の原理および動作について説明する働きをする。

ここで、本発明の現在の好ましい実施形態が詳細に参照されるが、これらの実施形態の例が、添付の図面に示されている。可能な場合にはいつでも、同じかまたは同様の部分を指すために、同じ参照番号が、図面の全体を通して用いられる。本発明の一態様はフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）に関するが、本発明はまた、平面または他の形状の導波路を含む。

図１を参照すると、本発明によるフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＧＦ）またはフォトニックバンドギャップ結晶導波路のある実施形態の概略断面図が示されている。フォトニックバンドギャップファイバ２０には、フォトニックバンドギャップ構造または結晶１０から形成されたクラッド領域２２が含まれる。図１の例では、フォトニックバンドギャップ構造１０には、クラッド領域２２のマトリックス材料またはウェビング２８に形成された空孔２６の周期アレイが含まれる。図１の空孔２６は、断面において円形として概略的に描かれているが、任意の形状とすることができる。当業者には、円筒または他の構造にボイド、開口、チャネルもしくは他の空孔を形成するために、空孔が実質的に異なる断面形状（たとえば正方形、三角形、六角形、多角形、楕円形、長方形、またはほぼ六角形などの不規則な形状）を有してもよいことが理解されるであろう。

また、フォトニックバンドギャップファイバ２０にはコア領域１２が含まれ、この領域１２は、クラッド領域２２のフォトニックバンドギャップ構造１０に囲まれている。コア領域１２およびフォトニックバンドギャップ領域２２は、たとえ中心に位置合わせされたように示されていても、他の傾斜配列では、必ずしも同じ共通の中心点を有さない。図１の例において、コア領域１２は、マトリックス材料２８の空孔または開口として形成される。コア領域１２を画成する空孔は、フォトニックバンドギャップ構造の空孔２６とは異なるが、それらよりずっと大きいことが好ましい。そのようなものとして、コア領域１２は、フォトニックバンドギャップ構造１０の欠陥の役割をする。しかしながら、他の場合には、コア欠陥はフォトニックバンドギャップ構造の空孔より小さくても差し支えない。

バンドギャップまたはクラッド空孔２６と同様に、コアまたは欠陥１２もまた、任意の形状であってもよい。たとえば、欠陥を介したレーザ導波は、非偏光または偏光された動作に対して、それぞれ対称的または異方性にすることができる。コア領域１２は、窒素もしくはアルゴンなどの不活性ガス、空気、または液体で構成してもよい。コア領域１２はまた、実質的な真空（たとえば約２０ｍｍＨｇ未満）領域であってもよい。

内側クラッド領域２２として働くフォトニックバンドギャップ結晶または第１のバンドギャップ領域は、図５〜６および７〜９のトリミング図において明色の円筒部３の格子またはウェブとして示され、後で論じるように、空気充填割合の関数としてコアおよび表面モードを相互作用させるための、内側クラッド領域におけるコア欠陥の半径Ｒ_ｄと開口のピッチΛとの間の比率に一層注目させる。半径ｒ_ｃｌを有する空孔、ボイドまたは開口２６は、円筒部のそれぞれを囲む暗いエリアによって表わされた材料に埋め込まれている。フォトニックバンドギャップ結晶欠陥またはコア１２は、半径２の円形断面の有するように示されている。フォトニックバンドギャップ結晶特性の場合のように、欠陥断面は、図２の円形終端十字形状を始めとして、一般的な形を有することができ、本発明のフォトニックバンドギャップ結晶導波路の教示に従って所望の性能を提供する。図３で見られるように、欠陥またはコアの１２の長さは、円形断面に垂直な光軸０の方向に、フォトニックバンドギャップ結晶またはファイバの中へ延伸する。欠陥１２とフォトニックバンドギャップ結晶またはクラッド領域２２との間の境界は、この場合には円形であり、また境界に関連する数値は、図１で見られるように半径２である。

再び図１を参照し、本発明の教示に従うと、好ましくは空気、真空またはガスなどの低屈折率材料で充填されたコア１２の周囲は、内側クラッド２２の界面部もしくは環帯４４などのポンプおよび信号オーバーラップ部における、Ｙｂがドープされた一連の中空ガラス円筒部もしくはチャネルによって囲まれるかもしくはそれらと境界を接しているか、またはラマン増幅器におけるラマン動作によって利得を抽出するための二酸化炭素コアの活性分子（たとえば水素）などの活性ガス実施形態におけるコア自体である。

欠陥１２の中心点から延在するポンプおよび信号オーバーラップ部の外側境界は、ポンプおよび信号オーバーラップ部を画成し、欠陥１２の中心点からの半径２１を有する。ポンプおよび信号オーバーラップ部が欠陥１２自体である、能動的にドープされたガス状コア例に関しては、ポンプおよび信号オーバーラップ部の外側境界は、欠陥１２の同じ半径２である半径２１を有する。この場合には、信号およびポンプオーバーラップ部２１の境界までの半径は、１．０倍で、欠陥１２の半径と等しい。

１０％の信号ポンプオーバーラップを実現するために、信号およびポンプオーバーラップ部２１の境界までの半径は、欠陥１２の半径より１．１倍大きい。他の設計要素を考慮すると、信号およびポンプオーバーラップ部２１の境界までの半径の範囲は、欠陥１２の半径より１．５倍大きいことが好ましい。一般に、信号およびポンプオーバーラップ部２１の境界までの半径の範囲は、欠陥１２の半径より１．１〜３．０倍大きいことが好ましい。

内側クラッド２２の活性周期構造が、第１のピッチ（Λ）、半径ｒ_ｃｌ（円形空孔を仮定する）の格子空孔サイズ４２を有する特定の望ましいファイバモードプロファイルのためには、ｒ_ｃｌ／Λの比率は、０．４４〜０．９１の特定の空気充填割合または体積に関連する約０．３５≦ｒ_ｃｌ／Λ≦０．５の範囲にあるのが好ましい。バンドギャップを提供するためには無限行列が必要であるという従来の信念に反して、内側クラッド２２が、マトリックス化された材料としてのわずか４列の円筒部３、より正確には、３列の完全な円形円筒部３、および円形設計に限定される必要がなく、他の形状とすることができる部分的にカットされた１列の円筒部によって支持されることに留意されたい。

図２１を参照すると、空気またはボイド充填割合の関数としてのスケーリングされた周波数のグラフが、空気充填割合の最適な範囲を示す。水平軸上の空気充填割合ｆは、

としての、格子の円形空孔サイズ（ｒ_ｃｌ）に関連する。したがって、ｒ_ｃｌ／Λの比率が約０．３５≦ｒ_ｃｌ／Λ≦０．５の最適な範囲にあるように、フォトニックバンドギャップ開口サイズｒ_ｃｌ間のピッチ（Λ）を有する内側クラッドは、０．４４〜０．９１の空気充填割合を結果としてもたらす。上限の０．９１は、格子がもはや円形ボイドを支持できない場合の空気充填割合である。ボイドが丸くなくなるにつれて、空気充填割合は、１の限界に近づくことができる。

非ガス状の実施形態において、１つまたは２つの六角形リングまたは他の形状の周囲部が、界面部４４を形成する。円筒部は、他の遷移または希土類金属などの他の光学活性イオン９３でドープできる。Ｙｂがドープされたガラス領域４４は、９８０ｎｍから１４８０ｎｍへなど、より短い波長のポンピングエネルギをより長い波長の信号エネルギに変換するために、光ポンピング用の従来の半導体レーザでポンピングされる。

空気中を導波する光は、結果として光導波路特性に巨大な利点をもたらす。材料の非線形光学応答を示す非線形屈折率ｎ_２は、材料の数密度Ｎに比例する。中実ガラスコアをガス状コアに交換するプロセスにおいて、数密度は３桁減少する。これは、空気コア光導波路の非線形応答の対応する減少に帰着する。したがって、１ＧＷ／ｃｍ^２の光強度を備えた空気コアＰＢＧＦは、１ＭＷ／ｃｍ^２の光強度を備えた従来の導波路と同じレベルの非線形効果を経験する。これによって、高電力ファイバレーザに利点がもたらされる。

空気中で光を導波する別の利点は、ファイバの端面からのフレネル反射がないかまたはほぼ除去されることである。光場が空気の屈折率に近い実効屈折率を有するので、ファイバ端面において屈折率に不連続がない。ファイバを離れる場のただ一つの結果は、場が回析を経て広がり始めるということである。空気コアモードのフレネル反射は、ほぼ０である。再びこれには、高パワーファイバレーザに対して明らかな用途がある。

しかしながら、本発明以前に知られた、周知のフォトニックバンドギャップファイバレーザは、今のところない。フォトニックバンドギャップファイバは、非線形相互作用によって制限される可能性のある現在の設計を超えて、ファイバレーザの動作電力を調整する手段を提供する。しかしながら、より高い電力への調整には、マルチモードポンプエネルギを単一モードファイバレーザエネルギに効率的に変換するために、従来のファイバレーザのダブルクラッド構成に似た機構が必要である。本発明は、ポンプエネルギを単一モードファイバレーザエネルギに効率的に変換できるファイバプロファイル設計を教示する。このアプローチによって、レーザコア領域のための低減された非線形性という利点が提供されるであろう。低減は１０００倍の大きさにすることが可能であり、結果として、従来のアプローチより１０００倍の強度を取り扱う能力がもたらされる。

単一バンドギャップファイバは、第２のバンドギャップなしでファイバレーザとして機能することができ、増幅器またはレーザなどの用途で用いることができる。オプションの第２のバンドギャップによって、単一バンドギャップに勝る利点が加えられる。たとえば、ダブルバンドギャップによって、空間的にインコヒーレントなポンプエネルギを、空間的にコヒーレントな信号エネルギに変換することが可能になる。さらに、第２のバンドギャップによって、より高い電力への調整のための手段が提供される。

図２を参照すると、ダブルバンドギャップファイバレーザプロファイルの例が示されているが、この例は、図１の構造に第２のバンドギャップを加え、かつ可能な変形の例として、異なる形状の欠陥３４を示している。ファイバレーザプロファイルには３つの構成要素、すなわち２つのバンドギャップ領域２２および３６、ならびに欠陥コア３４が含まれる。２つのバンドギャップ、すなわち内側２２および外側３６のバンドギャップは、光がファイバ２０の中を伝搬するように閉じ込める。内側バンドギャップ２２は、２つの目的のために働く。すなわち、それは、ファイバの中心コアモードにレーザ光線を閉じ込め、かつポンプ光のためのマルチモードコアの役割をする。外側バンドギャップ３６は、マルチモードポンプ光を内側バンドギャップ領域２２に閉じ込める。

図１６および１７を参照すると、２つのバンドギャップ領域が、２つの異なる方法でオーバーラップしている。伝送Ｔが低いところでは、バンドギャップが存在し、バンドギャップ導波が可能になる。伝送Ｔが高いところでは、バンドギャップ導波は可能ではない。

図２〜３を参照すると、円形終端十字または円形終端プラス記号（＋）のような形状の実線３４は、ファイバレーザ光が低屈折率コア欠陥３４を伝わる領域を示す。破線２２は、内側バンドギャップの境界を示すが、この内側バンドギャップは、２つの目的、すなわち、（１）実線３４によって輪郭を描かれた領域にファイバレーザ光を閉じ込めることと、（２）マルチモードポンプ光用のコアの役割をすることのために働く。点線２２の外側の領域３６は、内側領域２２に光を閉じ込める。内側クラッド２２のバンドギャップは、コア３４にレーザ光線を閉じ込めるように設計されている。内側クラッドのバンドギャップ内の周波数を有する光２２１は、クラッドを通して伝わることができず、閉じ込められる。しかしながら、第１のバンドギャップの外の周波数を有する光２２２は、内側クラッドを通して逃れ、漏れ出る。外側領域３６のバンドギャップは、内側領域２２にポンプ光を閉じ込めるように設計されているが、この内側領域２２では、バンドギャップが、層状のクラッドで光を反射させることによって光を導波する。

一般に、ファイバレーザまたは増幅器として使用可能なダブルクラッド構造には、２つのクラッドが含まれる。第１の（内側の）マルチモードクラッドは、マルチモードポンピングコアの役割をする。第１のクラディングまたはクラッドは、単一モードコアに隣接し、第２のクラッドは、第１のクラッドを囲む。第１のマルチモードクラッドまたは内側クラッドは、入力ポンプ光用の高開口数（ＮＡ_ｃｌａｄ）を備えた導波路として働く。

図３を参照すると、図２の光学アクティブフォトニックバンドギャップファイバ２０を用いる輝度変換器３０の長手方向断面が示されている。マルチモードポンピングコアの役割を果たす内側クラッドの第１のマルチモードクラッド界面部４４（Ｄ_ｃｌａｄは、内側クラッド界面部の寸法４４である）の断面は、所望の形状、たとえば、ポンプ光源（Ｄ_{ｌａｓｅｒ}は、ブロードエリアレーザ光、もしくは速軸か遅軸に放射開口部４８を有する電気ポンプとしての電圧源などの任意の他の活性光源のサイズである）の近接場形状と一致するか、またはポンプビームの結合効率を増加させる任意の他の構成または形状を有するように設計してもよい。第１のクラッド層２２と第２のクラッド層３６との間の開口数（ＮＡ_ｃｌａｄ）は、ポンプレーザダイオードまたは他の活性光源７２の出力を捕捉きるほど十分に大きくなければならない。輝度（輝度変換器として働くファイバレーザのための）の実際の増加は、コアエリアに対するポンプクラッドエリアの界面クラッド対コア比（ＣＣＲ）に依存し、比率（ＣＣＲ）が小さければ小さいほど、輝度の増加がそれだけ大きい。しかしながら、コアとクラッド断面との間のエリアにおけるこの差のために、長いデバイス長が必要になる。なぜなら、ポンプ放射線の吸収が、この比率（ＣＣＲ）に反比例するからである。バンドギャップを有しない従来のファイバにおいて、コアエリアに対するポンプクラッドエリアの従来的な高ＣＣＲ比率ゆえに、高レベルの反転の達成が困難にされる。なぜなら、一般に、比率（ＣＣＲ）が高ければ高いほど、所定のポンプ電力で達成できる反転のレベルが低いからである。したがって、ポンプ吸収および反転は関連している。

本発明の教示によれば、希土類元素または遷移金属などの光学活性ドーパント９３、たとえばＥｒ、ＹｂまたはＮｄは、ダブルクラッドファイバ増幅器／レーザの空の空気コア３４には配置されないが、内側クラッド２２の界面部４４に配置される。他方では、活性分子は、コアの回りではなく、ダブルクラッドファイバ増幅器／レーザのガス状コア３４に配置できる。

競合する４準位のより容易な環境において遷移を試みている、Ｅｒ、ＹｂまたはＮｄなどの希土類元素の３準位遷移タイプの場合には、より多くの技術的な問題を、３準位動作用のファイバレーザ／増幅器によって解決しなければならない。ダイオードレーザバー７２から利用可能な非常に高い電力をたとえ用いても、レーザまたは増幅器用の３準位システムの動作に必要な高レベルの反転に達することは、非常に難しい。効率的なレーザ動作のために、アクティブフォトニックバンドギャップファイバ２０によって提供されるＹｂファイバレーザが、単一２Ｗブロードエリアレーザダイオード７２でポンプされ、入力ポンプ電力Ｐ_ｉｎ＝１６００ｍＷが、内側クラッド２２において実際に放射される場合には、レーザ発振に必要な閾値電力は、入力ポンプ電力の約４分の１または４００ｍＷを超えるべきではない。α_ｐ＝６ｄＢ、ｈν＝２．１６×１０^−１９Ｊ（９２０ｎｍのポンプ周波数に対して）、σ_ａｐ＝８．３×１０^−２１ｍ^２、τ＝０．８ｍｓおよびＰ_ｔｈ＝０．４Ｗとみなすと、クラッドエリアは、Ａ_ｃｌａｄ＝８９０μｍ^２が好ましい。したがって、９２０ｎｍブロードエリアレーザダイオードでポンプされた約９７６ｎｍの信号周波数を提供するＹｂがドープされた９７６ｎｍダブルクラッドフォトニックバンドギャップファイバレーザに対しては、コア半径対ピッチ比の推奨値は、図４の１４、１６および１８によって示した範囲であり、おおよそ０．８〜１．２、１．３〜１．５および１．７〜２．２の範囲にそれぞれある。さらに、内側クラッドの断面エリアは、９００μｍ^２を超えるべきでない。なぜなら、閾値は、できる限り減少させるべきだからである。

かかる小さな半径対ピッチ比を備えたダブルクラッドフォトニックバンドギャップＹｂファイバレーザは、実現可能である。好ましい３０μｍ六角形内側クラッド内の８μｍ直径円形コアについては、図４の半径対ピッチ比に達することができる。

本発明の教示に従って、ダブルクラッドアクティブファイバ２０の最適化された設計および寸法は、長波長ＡＳＥを抑制する一方で強いポンプ吸収を可能にし、かつ３準位動作を実現する十分に強いポンプ強度を可能する。増幅器またはレーザとして用いるための、３準位または準３準位ダブルクラッドアクティブフォトニックバンドギャップファイバまたは輝度変換器３０の入力側は、ポンピング波長λ_ｐにおいてポンプ信号６４で照射される。内側クラッド２２は、第１のバンドギャップ結晶構造としてマルチモード動作用に構成されている。この例では内側クラッド２２内の中心に位置しているが、しかし偏光された動作または他の理由のために、中心点と非対称的に配列することが可能な、好ましくは単一トランスバースモード欠陥コア３４は、図１に示すようなピッチおよび開口サイズ設計を有する第１のフォトニックバンドギャップの欠陥から形成される。欠陥コア３４は厳密に単一モードである必要がなく、２モードに近いコアもやはり動作する。

ファイバレーザの論述した目的のために、欠陥３４を囲む界面クラッド部４４は、イッテルビウム（Ｙｂ^３＋）、エルビウム（Ｅｒ^３＋）またはネオジム（Ｎｄ^３＋）イオンなどの複数の光学活性イオン９３でドープされるが、他の希土類元素をドーパントとして用いることができるのが好ましい。ダブルクラッドアクティブファイバ２０にはまた、異なる第２のバンドギャップを有し、かつ内側クラッド３２のバンドギャップより大きな空孔サイズを有するガラス構造で好ましくは製作された外側クラッド３６が含まれる。空孔に対するバンドギャップ間の差を制限する代わりに、外側クラッドのバンドギャップは、空孔サイズ、ピッチ（すなわち空孔から空孔への間隔）、ガラスウェビングの屈折率、またはバンドギャップ構造の三角形、正方形もしくは他の形状の格子設計に関して調整するかさもなければ最適化することができる。

全てガラスの設計によって、これらのタイプの屈折率が可能になったが、ガラスタイプには、ランタンアルミノケイ酸塩ガラス、アンチモンゲルマニウム酸、硫化物、ガリウム酸ビスマス鉛等が含まれる。また、オーバークラッドの好ましい材料は、ガラス、たとえばボロアルミノシリケートのアルカリ塩である。

アクティブファイバ２０の断面エリア図において、その相対的な直径を正確に示す試みはなされていない。しかしながら、内側クラッド２２の界面部４４が境界を接する信号およびポンプオーバーラップ部の半径２１は、欠陥コア３４の半径２よりだいたい１．１倍〜４倍大きいのが好ましい。この比率は、たとえ１０倍の大きさでも可能である。また、コアとしての空気（ｎ＝１）の代わりに、他のガスを用いることも可能である。

アクティブファイバ２０の長さは、どんな制御されないまたは漏れやすいモードもその長さにわたって適切に減衰されるように、関連する波長と比較して非常に長いこと以外は、比較的に重要ではない。実際には、この長さは、内側クラッドの界面部４４における希土類ドーピングのレベルおよび所望のポンプ吸収効率によって決定される。いくつかの状況では、１ｃｍの長さが、非常に適切である。

アクティブファイバ２０には、光キャビティ４６の入力および出力端をそれぞれ画成し、かつ端部反射器として働く２つのミラーまたはフィルタ６０、６２が含まれる。入力ミラー６０は、ポンプ波長λ_Ｐにおいて、光ポンプ信号６４に対して非常に透過性にされ、かつ出力信号６６の信号（レーザ発信）波長λ_Ｓにおいて非常に反射性にされ、他方で、出力ミラー６２は、信号波長λ_Ｓにおいて部分的に反射性（部分的に透過性）にされ、好ましくはまた、ポンプ波長において少なくとも部分的に反射性にされる。増幅器の突合せ結合された出力ファイバ１２０のエアギャップにわたる出力ミラー６２の４％の反射率であっても、光キャビティ４６を画成するのに十分である。単一モードファイバ１２０は、コア３４の出力端に突合せ結合されている。輝度変換器またはファイバレーザ３０が、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、またはラマン利得を備えたラマン増幅器もしくはファイバなどの他のドープされた光増幅器のためのポンプ光源として用いられている場合には、単一モードファイバは、通常、ポンプファイバとして用いられる。したがって、ポンプ信号６４は、入力ミラー６０において光キャビティ４６に効率的に入れられ、光キャビティ４６は、ミラー６０、６２間に画成され、光キャビティ４６の定在波のいくらかは、出力ミラー６２を通過することが可能になる。

この例においてアクティブファイバ２０によって提供されるイッテルビウムファイバレーザに関し、信号波長λ_Ｓは、３準位レーザ発振のための３準位Ｙｂ^３＋遷移に対応する９７８ｎｍと等しく、４準位レーザ発振のための１０３０ｎｍと等しい。本発明は、ファイバレーザに関するところでは、例として、Ｙｂ^３＋ドーピングを考えて開発されているが、本発明は、そのように限定されはしない。ファイバレーザまたは輝度変換器３０は、Ｎｄ^３＋などの他の遷移または希土類イオン９３でドープしてもよい。同時ドーピングによるかまたは一連の異なってドープされたファイバによるＹｂおよびＮｄドーピングの組合せによって、９２０ｎｍではなく８００ｎｍでのポンピングが可能になる。

別個の集光要素７０を用いる代わりに、活性光源７２として、ブロードストライプレーザの光学特性は、マルチモード内側クラッド２２への直接結合を可能にするのに十分良好であろう。直接結合か否かにかかわらず、ポンプ信号は、９７６ｎｍより短いがしかしイッテルビウム吸収帯域内の波長で放射するＡｌＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓブロードストライプ、アレイ、またはダイオードバーの形状で、レーザダイオード７２によって供給してもよい。実際のポンプ帯域は、８５０〜９７０ｎｍに広がるが、より好ましい範囲は９１０〜９３０ｎｍであり、最も好ましい範囲は９１５〜９２０ｎｍである。これらの帯域およびレーザ波長の正確な値は、誘電ホストに依存して、数ナノメートルだけシフトしてもよい。

ダイオードまたはブロードエリアレーザ７２、およびマルチモードクラッド２２の入力部の、楕円形、長方形、長円形、さもなければ細長いアスペクト比が類似していればいるほど（垂直または水平に同様に位置合わせされ）、レンズもしくは光ファイバカプラ、光学励振器、または他のビームシェーパーもしくは集光要素７０は、それだけ適切に、ワイドストライプもしくは「ブロードエリア」レーザダイオード７２またはダイオードバーでもその比較的大きなサイズの出力を、ファイバレーザ／増幅器または他のタイプの輝度変換器３０のワイドマルチモードクラッド２２集光することができる。好ましくは、内側クラッド２２の界面部４４は、最適化なアスペクト比を有しかつ十分に小さなサイズにされて、ブロードエリアレーザダイオード７２からのポンプ光の結合が、十分に高いポンプ電力密度を生じることができるようにする。ダブルクラッドファイバの内側クラッドは、様々な方法によって、図１に示すような六角形形状に、または細長い形状などの他の形状、たとえば楕円形もしくは長方形に引き伸ばすことができる。

ドープされたダブルバンドギャップファイバが、小さなクラッド対コアエリア比（ＣＣＲ）を備えたダブルクラッド増幅器として用いられる場合には、信号のクラッドモードは、ドープされたコアと十分な程度までオーバーラップし、高次モード（ＨＯＭ）における利得を経験する。図１５のモードプロファイルファイバを参照すると、導波路のどんなモードも、図１１で見られるように、光場のある一定のプロファイルを有する。モードは、その場が、ドープ領域４４（クラッドの部分的なドーピング）とオーバーラップするのと同じ程度だけ増幅される。基本コアモード場のほとんどは、コア３４内にあり、またそのモードは、反転の必要レベルが達成された場合には、明らかに増幅されるだろう。しかしながら、内側クラッド４４は、そのより大きなサイズのために多くの異なるモードを支持する。いくつかのイオン９３は、常に自然に遷移し、すべてのモード、コアおよびクラッドに均一な光子量を与える。クラッド４４の界面部が、サイズでコア３４に匹敵する場合には、別の状況では表面モードと呼ばれる高次内側クラッド信号モードの少なくともいくつかが、図１２で見られるように、コアを囲む界面部４４において、それらの場とイオンとの十分なオーバーラップを有し、やはり増幅される。これによって、レーザまたは増幅器効率が増加される。なぜなら、表面モードの役割をする高次クラッドモード（ＡＳＥ）に蓄積された光エネルギが、コアモードと相互作用して、単一モードファイバ出力に結合されるからである。

一般に、表面モードは、異なる材料または異なる構造によって区別可能な２つの領域間の界面に存在するモードであるように定義される。表面モードは、コア１２と内側クラッド２２との間の界面を含む環帯または界面部の４４内に、５０〜７０％を超えるなど、それらのエネルギの大きな割合を有する。表面モードの損失は、コア設計および軸変化によって制御できる。表面モードは、クラッドおよび放射モードにより容易に結合する。なぜなら、放射モードとの表面モードのオーバーラップが、コアモードとの放射モードのオーバーラップより大きいからである。

外側クラッド３６のバンドギャップ構造は、表面モードおよびコアモードの所望の相互作用に依存して、図１６および図１７でそれぞれ見られるように、信号波長を含むかまたは含まないように設計されている。増幅器およびレーザ効率を低下させるクラッドモード増幅を抑制する１つのアプローチは、外側クラッドによってもたらされる内側クラッドモードの閉じ込めを排除することである。これは、信号波長におけるアンチガイドを形成する外側クラッド３６の空孔サイズを減少させることによって遂行され、その結果、信号クラッドモードが内側クラッドに制限されず、かつレーザ発振しないが、コアモードは、目立つほどには変更されない。しかしながら、外側クラッド３６は、ポンプ波長を含むバンドギャップ構造を有する。

代替または追加として、基本モードとオーバーラップしていない内側クラッド２２の部分を、信号増強ドーパントでドープせずに、内側クラッドモードの増幅を抑制する。

増幅器の例のための第２の解決法は、増幅器の入出力単一モードファイバを、増幅器用のポンプとして用いられるアクティブファイバ２０のダブルクラッドファイバコアモードに完全にモード一致させることであり、その結果、光は、ほとんど、増幅器のクラッドモードに放射されない。別の状況で、増幅器のクラッドモードに光を放射すると、その効率を低下させるであろう。なぜなら、多少のポンプエネルギが、クラッドモードの増幅に浪費され、有用な出力に変換されないからである。ダブルクラッドファイバのコアモードに、入力ファイバをモード一致させるために、ファイバを接合する場合には、モード場直径（ＭＦＤ）が入力ファイバおよびダブルクラッドコアに対して同じであるように保証することが教示される。ＭＦＤおよび開口数（ＮＡ）の両方とも、一致のために同じであるべきであるが、コア屈折率は異なることができる。たとえ実際の屈折率差または屈折率デルタおよびコア直径が異なっていても、必要なのは、ＭＦＤ、ＮＡを一致させ、コアをよく整合させることである。

第３の解決法は、モード選択フィードバックを用いて、基本モードのみのレーザ動作を保証することである。モード選択フィードバックを提供するために、第１のバンドギャップ２２の形状の信号反射器５２が欠陥コア３４の回りに設けられ、コアモードだけのためのより強い光学フィードバックを保証する。ＰＢＧＦの内部損失は十分に小さいので、それゆえレーザ効率は、外部反射に比較的に影響を受けない。今や１つモードだけ、すなわちダブルクラッドファイバ２０のコアモードが、フィードバックを受け取り、クラッドモードは受け取らない。したがって、反射器５２は、信号光を反射して、モード選択機能を実行する。反射器５２およびモードマッチングの存在によって、クラッドモードが決してレーザ発振しないことが保証される。

一般に、ポンプ光とファイバコアのドープされた境界との間のオーバーラップを最大限にすることは、有利である。したがって、コアをより大きくし、内側クラッドをより小さくすることは、望ましい。より大きなコアがポンプ吸収を高め、より小さな内側クラッドが、より少ないポンプ電力でより高い反転を生じるのに役立つ。しかしながら、他の要因によって、最適なコアサイズは、単一モード動作のためには、ほぼ２モードコアに対応するサイズに制限される。しかしながら、マルチモード動作は、コアサイズを増加させることによって可能である。ほぼ単一モード動作のために従うべき最も容易な例は、９８０ｎｍでＹｂファイバレーザを用いる例である。

グレーデッドインデックスの究極のバージョンは、内側クラッド２２のエッジまでずっと屈折率が段階的に下がるコアである。したがって、コアと内側クラッド２２との間に定義された境界はなく、それらは１つになる。やはり、かかる導波路の０次または基本モードは、比較的小さなＭＦＤを備えた導波路のまさに中心に閉じ込められ、より高次のモードは、コアの回りをドープすることにより本発明の教示に従って提供される全導波路エリアをより一様に満たす。

論じたように、多くの要因が、導波路構造として用いられるダブルクラッドフォトニックバンドギャップファイバの最適設計に影響する。導波路内の多くのモードおよびそれらの強度（場）分布は、導波路形状、屈折率コントラストまたは屈折率Δ、およびコアサイズに依存する。

コアと内側クラッド（グレーデッドインデックス）との間にラインを引くのが難しい場合には、物理的な断面エリア比は、簡単には定義されない。「ダブルクラッド」ファイバのコアおよび内側クラッドの両方として用いられる高デルタグレーデッド導波路の独特なケースでは、モードエリアは、モードの光強度が、その最大の１／ｅ^２より高い（または電界振幅が、その最大のｌ／ｅより高い）場合の物理的エリアとして定義される。換言すれば、屈折率が導波路の中心部からエッジへ徐々に（段階的に）減少するように、コアおよび内側クラッドが、連続的に変わる組成を備えた材料で製作された単一の導波路を形成する場合には、導波路の欠陥の中心の周囲は、３準位遷移を有する光学活性イオンでドープされてドープエリアを形成し、次に、導波路の基本（ゼロ次）信号モードとドープエリアとの間のオーバーラップは、ドープエリアと組み合わされた導波路の全てのポンプモードのオーバーラップより３倍を超えた大きさにならないように設計するのが好ましい。

コアおよび内側クラッドが明瞭な境界を有している標準ケースについて、同様の定義を与えることができる。なぜなら、もう一度と言うと、ポンプは、クラッドの多くのモードを用い、信号は、単にコアの１つのモードを用いるからである。しかしながら、標準ケースに対して、この定義は、クラッドに対するコアの物理的な断面比（ＣＣＲ）と同じ数値をほぼ正確に与えるであろう。

ピッチ４に対する欠陥半径２の比率は、一実施形態において、格子空孔４２に基づき、特定の空気充填割合で、フォトニックバンドギャップ内の表面モードの励起を向上させる範囲にあるように選択される。具体的には、活性周期構造またはフォトニックバンドギャップファイバ２０は、バンド端を構成するための第１のピッチを有するように設計され、欠陥状態から放射されるコアモードを強化するために、バンド端で放射される表面モードにオーバーラップを提供する。換言すれば、少なくとも１つのフォトニックバンドギャップ材料と、界面を伝搬する少なくとも１つの表面モードを支持する欠陥との間の界面によって定義される表面は、構造の活性部にオーバーラップし、また構造の同じ活性領域にオーバーラップする欠陥に関連する状態にオーバーラップする。

代替として、活性周期構造２０は、バンド端を構成し、かつ表面モードのほとんどを抑制するために、欠陥状態からのコアモードのエバネッセント部分を増幅するように、バンド端において導波される表面モードにオーバーラップを供給するための第１のピッチを有するように、設計される。

図１４を参照すると、図１に示すように、空気孔の三角形アレイのためのフォトニックバンドギャップのプロット（図における中実の領域）が、分散図に示されている。所定の正規化された周波数ωΛ／２πｃに対して、バンドギャップエリアは、周期格子において伝搬することを妨げられる伝搬定数の範囲βΛ／２πを表わす。ω＝βｃのラインとして定義された光ライン上に位置する伝搬定数を備えた光モードは、空気中を伝搬することが可能である。バンドギャップとオーバーラップする光ライン上の領域は、空気中に存在できるが、しかし周期格子を伝搬することが妨げられるモードの周波数および伝搬定数を示す。これから見て取ることができるのは、周期格子に空気コア欠陥を導入することによって、クラッドへ逃れることを妨げられたモードが、空気コアを伝搬することが可能になるということである。中実の領域は、シリカ基板における三角格子上の空気孔からなる周期誘電体格子を伝搬することを妨げられる光モードの周波数および波数ベクトルを表わす。最も下のラインは、真空光ラインを表わす。モードは、この最も下のラインより上の点に対してのみ、真空（および空気中において非常によく似たもの）に存在する。２つのより高いラインは、完全反射する中空円筒部の２つの最低次モードを表わし、２つの最低次円筒モードまたはコアモードを提供する。

完全に反射する中空円筒モデルによって、空気コアモードの分散特性のすぐれた近似が与えられる。この分散図における上端の２つのラインは、図１で見られるように、三角格子の空孔の離隔距離と等しい半径を備えた完全に反射する中空円筒部のための２つの最低次の解決法の分散依存を示す。半径のこの選択のために、フォトニックバンドギャップファイバは、単一モードになる。なぜなら、高次円筒モードは、バンドギャップに入らないからである。中実のバンドギャップ領域に入る第１のより低い円筒モードラインの部分は、内側クラッド２２と境を接する空気コア伝送が生じる場所である。

したがって、本発明のこの実施形態によるフォトニックバンドギャップファイバは、ほぼコア領域内で信号光を導波する。コア領域に導入された光エネルギは、光の周波数およびコア領域の構造によって決定される伝搬定数を有する。図３で見られるように、フォトニックバンドギャップ構造のバンドギャップ内の周波数および伝搬定数を有する、ファイバのコア領域で伝搬する光エネルギ２２１は、クラッド領域２２のフォトニックバンドギャップ構造を伝搬せず、したがって、コア領域３４に閉じ込められる。本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、約３００ｄＢ／ｋｍ未満の損失を備えたコア領域のほぼ内部で、フォトニックギャップ構造のバンドギャップ内の周波数を有する光エネルギを導波する。本発明の望ましいフォトニックバンドギャップファイバは、約２００ｄＢ／ｋｍ未満の損失を備えたコア領域のほぼ内部で、フォトニックギャップ構造のバンドギャップ内の周波数を有する光エネルギを導波する。本発明の特に望ましいフォトニックバンドギャップファイバは、約５０ｄＢ／ｋｍ未満の損失を有するコア領域のほぼ内部で、フォトニックギャップ構造のバンドギャップ内の周波数を有する光エネルギを導波する。本発明のある実施形態において、フォトニックバンドギャップファイバは、約２０ｄＢ／ｋｍ未満の損失を有するコア領域のほぼ内部で、フォトニックギャップ構造のバンドギャップ内の周波数を有する光エネルギを導波する。

バンドギャップ２２および３６は、適切な周波数の光を適切な領域に閉じ込めるように設計されている。たとえば、より高い周波数またはより短い波長のポンプ光は、内側領域２２のバンドギャップ外なので、それは、内側クラッドを通して逃れ、漏れ出て、外側クラッド３６によって閉じ込められ、他方で、より低い周波数またはより長い波長のレーザ光は、内側領域２２のバンドギャップ内なので、それは、クラッド通過して伝搬することはできず、捕えられるか、さもなければコア３４内に閉じ込められる。より高い周波数またはより短い波長のポンプ光は、外側領域３６のバンドギャップ内なので、それは、外側クラッドを通過して伝搬できず、捕えられるか、さもなければ外側クラッド３６に閉じ込められる。コアモードおよび表面モードを異なって相互作用させるために、外側領域３６のバンドギャップの内または外にレーザ周波数を有することが可能である。設計は、内側領域２２によってコア３４に閉じ込められるレーザ光に依存し、したがって、レーザモードに対する外側クラッド領域３６の影響は、最小になる。

従来の光ファイバと異なり、フォトニックバンドギャップファイバにおける光エネルギの導波は、クラッドの屈折率より高いコアの屈折率に依存しない。そのようなものとして、コア領域は、光エネルギの波長において、クラッド領域の実効屈折率より低い実効屈折率を有してもよい。本明細書で用いるように、領域の実効屈折率は、

として定義されるが、ここで、ｎ_ｅｆｆは実効屈折率、ｚは、フォトニックバンドギャップ構造における異なる屈折率ｎ_ｉの合計数であり、ｆ_ｉは、屈折率ｎ_ｉのための体積分率である。たとえば、図１に示すフォトニックバンドギャップファイバにおいて、コア領域３０がガスで充填されているかまたは真空である場合に、コア領域は、近赤外線波長で約１の屈折率を有する。クラッド領域２２の実効屈折率は、マトリックス材料２８の存在により、コア領域３０の実効屈折率より高くなる。

当業者は理解されるであろうように、フォトニックバンドギャップ構造のバンドギャップが及ぶ正確な周波数は、その構造細部に強く依存する。当業者は、フォトニックバンドギャップ構造の賢明な設計によってバンドギャップを調節可能である。当業者によく知られている計算上の方法論を、フォトニックバンドギャップ構造の設計に有利に用いてもよい。１つのかかる技術において、所望の形状および屈折率プロファイルを有する誘電体構造を、幾何学的に定義してもよい。所定の誘電体構造における電磁モードの周波数ならびに電界および磁界は、マクスウェル方程式のコンピュータ解決法によって計算される。試行解決法が、任意の（乱数）係数を用いて、磁界を平面波の合計として表現することによって組み立てられる。マクスウェル方程式は、電磁エネルギが最小になるまで、平面波係数を変えることによって解かれる。これは、予め調整された共役勾配最小化アルゴリズムによって容易にされる。それによって、定義された誘電体構造の各モードのための周波数、電界および強度分布が決定される。この技術は、ジョンソン，Ｓ．Ｊ．（Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｓ．Ｊ．）およびジョアノプロス，Ｊ．Ｄ．（Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，Ｊ．Ｄ）の「Ｂｌｏｃｋ−Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｘｗｅｌｌ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｐｌａｎｅｗａｖｅ ｂａｓｉｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、８（３）、１７３−１９０（２００１）に、より詳細に説明されている。当業者は、バンドギャップの波長範囲が、フォトニックバンドギャップ構造のサイズと共にスケーリングすることを理解されるであろう。

例として、断面が必ずしも円形でなくてもよい空孔２６の三角形アレイが、約４．７μｍの間隔またはピッチ４を有する場合には、９４％の空気充填割合は、約１４００ｎｍ〜約１８００ｎｍの波長にわたるバンドギャップを生じる。約９．４μｍのピッチ４および同じ空気充填割合を有する空孔２２のスケーリングされた三角形アレイは、約２８００ｎｍ〜約３６００ｎｍの波長にわたるバンドギャップを有する。

本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、種々様々な波長を有する光エネルギを導波するように組み立ててもよい。本発明の望ましい実施形態において、フォトニックバンドギャップファイバは、約１５０ｎｍと約２０ｎｍとの間の波長を有する光エネルギを導波するように構成される。本発明の他の望ましい実施形態において、フォトニックバンドギャップファイバは、約４００ｎｍを超える波長を有する光エネルギを導波するように構成される。本発明の他の実施形態において、フォトニックバンドギャップファイバは、約２０μｍ未満の波長を有する光エネルギを導波するように構成される。電気通信用途に特に望ましい本発明の実施形態において、フォトニックバンドギャップファイバは、約２０ｄＢ／ｋｍ未満の損失を備えた、約１４００ｎｍと１６００ｎｍとの間の波長を有する光エネルギを導波する。他の関心のある波長は、９００ｎｍ〜１２００ｎｍである。当業者は、本発明のフォトニックバンドギャップファイバが、ここで指定した波長以外の波長を導波するように設計可能であることを理解されるであろう。

所望の波長で単一または少数モードの動作を保証するために、コア領域は、比較的小さな断面エリアを有することが望ましい。たとえば、本発明の望ましい実施形態において、コア領域は、クラッド領域のフォトニックバンドギャップ構造のピッチの約４倍未満の最大直径を有する。本発明の特に望ましい実施形態において、コア領域は、クラッド領域のフォトニックバンドギャップ構造のピッチの約３倍より大きくない最大直径を有する。

本発明の別の実施形態は、非常に低い非線形性を有する導波モードを支持するフォトニックバンドギャップファイバに関する。従来の光ファイバでは、光はガラス材料を導波される。導波モードは、２×１０^−１６ｃｍ^２／Ｗ〜４×１０^−１６ｃｍ^２／Ｗにわたる実効非線形屈折率（ｎ_２）を有する。本発明のフォトニックバンドギャップファイバにおいて、光は、ほぼガス状の材料を導波可能である。そのようなものとして、非常に低い非線形性が達成された。本発明の一実施形態によるフォトニックバンドギャップファイバにおいて、光エネルギは、約１０^−１８ｃｍ^２／Ｗ未満の実効非線形屈折率ｎ_２を有するモードを導波可能である。本発明の望ましいフォトニックバンドギャップファイバにおいて、光エネルギは、約５×１０^−１９ｃｍ^２／Ｗ未満の実効非線形屈折率ｎ_２を有するモードを導波可能である。

低い非線形性を備えたフォトニックバンドギャップファイバは、高電力光エネルギ（たとえば高電力レーザからの）の伝送に有用性を見い出すことが可能である。例として、空気コアで光を導波するフォトニックバンドギャップファイバは、高電力ファイバレーザを作るために用いることができる。空気コアモードは、空気コアの周囲へ広がるエバネッセント場成分を有する。計算が示すところでは、空気コアモードエネルギの１〜１０％が、適切な設計の空気コアを超えて広がる。既に論じた例示的な設計は、一連の中空でＹｂがドープされたガラス円筒部または他の遷移もしくは希土類金属９３などの他の光学活性イオンがドープされたチャネルを備えた空気コアの周囲部４４を形成する。Ｙｂドープガラス領域４４は、従来の半導体レーザでポンプされる。空気コアモードは、Ｙｂドープガラス領域４４とのそのオーバーラップを通して利得を抽出する。ＰＢＧＦの設計における最適化された欠陥半径を備えて、モードは、空気コア欠陥３４およびフォトニックバンドギャップ格子２２の表面４４に存在する。これらのモードを、屈折により導波されるモードと共に用いて、ポンプ光をＰＢＧＦの長さを沿って伝搬させることができる。ポンプ光は、Ｙｂ原子９３を励起し、空気コアのモードに利得を供給する反転を確立する。

９８０ｎｍのＹｂまたは９４０のＮｄなど、４準位遷移と競合する３準位システムにおいて、クラッドとコアとの間の界面領域だけに活性ドーパントイオンＹｂを配置することについての制約が守られない場合には、レーザ発振／増幅は、任意のポンプ電力密度に対してどんな許容可能な効率でも達成できない。なぜなら、競合する４準位遷移が、最初にレーザ発振するからである。反転分布に達するためには、最初にあるポンプ電力密度が必要なことは既に知られている。しかしながら、所定のポンプ電力およびクラッドドープエリアを用いて到達可能な反転レベルがまた、活性媒体によって吸収されずに残される電力量に依存し、そのために、クラッドの一部エリアをドープしないままに残すことが、本発明の教示まで認識も示唆もされなかった。

表面モードが、フォトニックバンドギャップ結晶とそこにおける欠陥との間の境界に存在できるという発見が、高電力電磁波の送出を含む環境と同様に電気通信環境において効率的かつ実際的なフォトニックバンドギャップ結晶導波路の設計および製造の鍵である。

支持されるモード、およびフォトニックバンドギャップ結晶導波路におけるモード電力分布を計算するために、位置依存の誘電関数を有するマクスウェルのベクトル波動方程式を解かなければならない。この波動方程式の有用な形式が、上記で挙げたジョアノプロスらの参考文献の１１ページ、方程式（７）で見つかる。この支配的な方程式を解くための技術は、当該技術分野において周知であり、たとえば次の出版物に現われる。すなわち、スティーブンＧ．ジョンソン（Ｓｔｅｖｅｎ Ｇ．Ｊｏｈｎｓｏｎ）およびＪ．Ｄ．ジョアノプロス（Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ）の「Ｂｌｏｃｋ−ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｘｗｅｌｌ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｐｌａｎｅｗａｖｅ ｂａｓｉｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ８、Ｎｏ．３、１７３−１９０（２００１）である。この出版物で、著者らは、自らの研究を次のように要約している。「周期的境界条件を備えたマクスウェル方程式の完全ベクトルの固有モードが、自由に利用可能なソフトウェアパッケージを用いて、平面波基底におけるブロックレイリー商の予め調整された共役勾配最小化によって計算された」。著者らが指す自由に利用可能なソフトウェアパッケージは、スティーブンＧ．ジョンソン（Ｓｔｅｖｅｎ Ｇ．Ｊｏｈｎｓｏｎ）およびＪ．Ｄ．ジョアノプロス（Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ）の「Ｔｈｅ ＭＩＴ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ−Ｂａｎｄｓ Ｐａｃｋａｇｅ」に述べられており、統一資源識別子ｈｔｔｐ：／／ａｂ−ｉｎｉｔｉｏ．ｍｉｔ．ｅｄｕ／ｍｐｂ／．においてインターネットで入手可能である。

図４を参照すると、図１に示すフォトニックバンドギャップ結晶導波路に適用された計算の結果が、曲線セグメント１４として示されている。図４の垂直軸は、フォトニックバンドギャップ結晶導波路の欠陥に含まれるモードエネルギの割合である。水平軸は、欠陥半径（境界の数値）対ピッチの比率である。曲線セグメント１４は、欠陥におけるモードエネルギ割合が、約１の比率で最大であることを示す。１．３の比率の近くに位置する曲線１４の極小値は、表面モードを支持する、すなわち伝搬させる欠陥ジオメトリに対応する。別の言い方をすると、欠陥ジオメトリによって、フォトニックバンドギャップ内の表面モードの励起が可能になる。

このモードエネルギ割合は、体積比率（ｆ_ｉ）、または特定の値もしくは値域を有するものとして指定できる、フォトニックバンドギャップ結晶を構成する空気の部分体積と関係がある。空気の部分体積という用語は、クラッド領域における結晶バンドギャップの全体積に対する、空気である結晶バンドギャップの体積の比率である。フォトニック結晶を構成可能な孔の部分体積はまた、有用な測定値である。この場合に、孔は、空気を充填されるか、真空にされるか、または予め選択された屈折率を有する材料を充填されてもよい。

一般に、空気部分体積は、バンドギャップを製作するためにゾルゲル法が用いられた場合には、少なくとも５０％か、０．６７すなわち６７％を超えるか、または６０％を超える。円形断面欠陥におけるモード電力の少なくとも０．５（モード電力割合）を備えて伝搬する光モードを達成するためには、半径対ピッチ比は、約０．６１〜１．２２の範囲にある。少なくとも０．７の、欠陥におけるモード電力割合を達成するためには、半径対ピッチ比は、約０．６３〜１．１９の範囲を有する。少なくとも０．８のモード電力割合を達成するためには、半径対ピッチ比は、約０．８〜１．１６の範囲を有する。

少なくとも０．９のモード電力割合は、１．０７〜１．０８の範囲を有する半径対ピッチ比を備え、円形断面欠陥、および少なくとも０．８３の空気部分体積を有するフォトニックバンドギャップ結晶において達成できる。本発明による導波路のこの特定の実施形態は、単一モードである。少なくとも０．８３の空気の部分体積を有するフォトニックバンドギャップ結晶において達成できる、少なくとも０．９のモード電力割合を備えた円形欠陥断面に関して、１．０７〜１．０８の範囲を有する半径対ピッチ比は、表面モードを抑制する。表面は、少なくとも１つのフォトニックバンドギャップ材料２２と欠陥１２との間の界面４４、すなわち、この界面４４を伝搬しかつ構造の活性部９３とオーバーラップする少なくとも１つの表面モードと、構造の同じ活性領域とオーバーラップする欠陥１２と関連する状態とを支持する界面４４、によって定義される。したがって、好ましくは、欠陥の界面４４の回りのドープされたイッテルビウム９３の１つまたは２つの列、および第１のクラッド（バンドギャップ領域）２２を挿入し、１．０８を超える半径対ピッチ比で中央欠陥からのある距離で、表面モードとコアモードの相互作用を向上させる。好ましくは、界面領域４４は、微細構造または特に内側クラッドエリア２２の一部を形成するが、これは、界面領域４４を含む微細構造エリアが、界面領域４４より約１０〜３００％大きくなるようになされる。換言すれば、界面領域４４を含む内側クラッド領域２２は、界面領域４４より約１．１〜４倍大きい。

具体的には、外側バンドギャップが存在しないか、または外側クラッド３６のバンドギャップが、その反射窓に信号波長を含まないように設計されている場合には、欠陥のサイズが増加しかつ境界がフォトニックバンドギャップ結晶の中へとさらに移動するにつれて、ドーパント９３は、欠陥に閉じ込められたモードエネルギの極小値４００における半径対ピッチ比で分散されるのが好ましい。

他方で、オプションの外側クラッド３６が追加され、そのバンドギャップ反射窓が、ポンプ波長と共に信号波長を含む場合には、ポンプモードの末端の表面モードを抑制するために、活性イオン９３は、ポンプまたはクラッドモードの極小値である、コアモードの極大値の半径対ピッチ比４１０で、欠陥の中心からある距離離れて分散されるのが好ましい。

したがって、一般に、ＰＢＧＦ（コアを除く）の空気充填割合は、０．７を超えるのが好ましいであろう。図１、５および６は、７３．７％（０．７３７）の空気充填割合を備えたバンドギャップファイバ２０を示す。かかる理想的な空気充填割合を備えた実際のファイバにおけるボイドは、０．７と０．７４との間の範囲を変化し、ファイバプロファイルの非均一性のために、平均値は０．７２となるであろう。この計算は、ギャップファイバの端部の画像を走査し、走査された画像をデジタル化し、コアエリアを除外し、次に、陰影エリア対非陰影エリア比を測定する（陰影エリアは、孔または空気で占められた部分である）ことによってなすことができる。

実際のサンプルが、利用可能でかつ円形空孔を有する場合には、割合は、円筒部の寸法（内径および外径の両方）を測定し、円筒部間のピッチを測定し、これらの数値から空気充填割合を計算することによって計算できる。

図５を参照すると、本発明のトリミング図は、図１の同じ空気充填割合に対して、欠陥１２が図１の１．０ではなく約１．５の比率によって特徴づけられる以外は、図１のそれと実質的に同一である。図５のフォトニックバンドギャップ結晶導波路の伝搬特性は、図４の曲線セグメント１６に示されている。図５の実施形態において、曲線セグメント１６で表わされた、欠陥に閉じ込められたモードエネルギの割合は、１．５近くの半径対ピッチ比で最大化される。１．６近くで生じる曲線セグメント１６の最小値は、１つまたは複数の表面モードの励起を支持または可能にするフォトニックバンドギャップ結晶導波路構成である。

図６を参照すると、半径対ピッチ比が約２である本発明の一実施形態のトリミング図が、示されている。この比率は、図４の曲線セグメント１８の最大値の位置に反映されている。比率が増加、すなわち欠陥のサイズが増加し続け、かつ境界が、フォトニックバンドギャップ結晶の中へさらに移動するにつれて、欠陥に閉じ込められたモードエネルギの割合は、引き続き極小値および極大値を通過する。曲線セグメント１８は、図６に示すフォトニックバンドギャップ結晶導波路に対応する。

閉じ込められたモードエネルギの所望の割合について、可能な比率の範囲が、図４の適切な曲線セグメント１４、１６または１８から読み取るができる。図１に示すように、本明細書によるフォトニックバンドギャップ結晶導波路の最も小さな比率の実施形態については、導波路は単一モードであり、最適な比率によって、０．８近くの、欠陥に閉じ込められたモードエネルギ割合が準備される。閉じ込めの割合は、欠陥半径２が増加するにつれてより高くなり、また追加モードが、欠陥を伝搬される。

図７〜９を参照すると、本発明に従い、かつ六角形断面の欠陥１２を有するフォトニックバンドギャップ結晶導波路の追加実施形態が示されている。これらの実施形態のそれぞれにおけるフォトニックバンドギャップ結晶またはクラッド領域２２は、図１、５および６のそれと実質的に同一である。ピッチ４に対する数値すなわち半径２比率は、図７では約１であるが、この場合、数値すなわち半径２は、六角形欠陥断面の中心から、六角形側部の１つまでの垂直距離として定義される。図８および９の場合には、ピッチ４に対する数値すなわち半径２のそれぞれの比率の値は、１．５および２．０である。

図１０を参照すると、チャートが、六角形の欠陥に閉じ込められるモードエネルギの割合を示す。水平軸は、格子間隔によって割られた正六角形の面である。曲線セグメント１０４は、１．２近くの比率で、０．８近くの閉じ込め最大値を有する。０．９近くの閉じ込め割合を有する別の最大値は、曲線セグメント１０６によって示され、約１．５の比率で生じるのが見られる。

六角形断面のボイドを有するこの欠陥について、フォトニックバンドギャップ結晶には、少なくとも０．６７の体積割合を有する孔が含まれる。欠陥に関連する数値は、六角形の中心から六角形の側部に垂直に引かれるラインの長さである。少なくとも０．６の、欠陥内のモード電力割合に対して、数値対ピッチ比は、０．９〜１．３５の範囲を有する。少なくとも０．８の、欠陥内のモード電力（モード電力閉じ込め割合）に対して、数値対ピッチ比は、１．４５〜１．６５の範囲を有する。

図４および図１０は、最良のモード閉じ込めを達成する最適な動作点が、格子と欠陥の設計に依存することを実証する。しかしながら、我々は、欠陥モードを支持できる任意のバンドギャップが図４および１０と同じ質的な動作を示すことが分かった。我々は、任意のフォトニックバンドギャップ構造の任意のバンドギャップのために、上記で引用したジョアノプロス（Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ）らの参考文献に説明された技術によって、最大値および最小値の発振構造を計算できることを教示するが、この計算は、所定の欠陥半径（またはコア欠陥の広がりを定義する他のパラメータ）に対して、バンドギャップ内の周波数の欠陥モードを計算することによって行なわれる。閉じ込められたモードエネルギ対調整された欠陥パラメータのプロットから、最大の閉じ込めのための最適な動作点が、プロットの最大値によって推定できる。同様に、我々は、表面モードの相互作用を強化するための最適な動作点が、閉じ込められたモードエネルギ対スケーリングされた欠陥パラメータの同じプロットの最小値から推定できることを教示する。

本発明の教示によると、好ましくは、欠陥および第１のクラッド（バンドギャップ領域）２２の界面４４の回りのドープされたイッテルビウム９３の１つまたは２つの列が、１．９を超える半径対ピッチ比において中心欠陥からある距離で、コアモードと表面モードの相互作用を強化するために挿入される。具体的には、外側バンドギャップが存在しないか、または外側クラッド３６のバンドギャップが、その反射窓に信号波長を含まないように設計されている場合には、欠陥のサイズが増加しかつ境界がフォトニックバンドギャップ結晶の中へとさらに移動するにつれて、ドーパント９３は、好ましくは、欠陥に閉じ込められたモードエネルギの極小値４００における半径対ピッチ比で分散される。

他方では、オプションの外側クラッド３６が追加され、そのバンドギャップ反射窓が、ポンプ波長と共に信号波長を含む場合には、コアモードの最大値と一致するポンプモードの末端の表面モードを抑制するために、活性イオン９３は、ポンプまたはクラッドモードの極小値である、コアモードの極大値における半径対ピッチ比４１０で、欠陥の中心からある距離離れて分散されるのが好ましい。

同様の計算は、実質的に任意の断面、たとえば図２で見られるような曲線十字形状または円形プラス記号（＋）の欠陥を有するフォトニックバンドギャップ結晶の実質的に任意の構成に対して行なうことができる。

図１８〜２０を参照すると、図１９における、コアモードと表面モードの十分な相互作用を提供する約１．１２〜１．２０の範囲における所望の欠陥寸法（Ｒ_ｄ）対ピッチ（Λ）が、図１８の不十分な表面モード相互作用、および図２０における、信号またはコアモード伝送がない、多すぎる表面モード相互作用と対比される。欠陥寸法（Ｒ_ｄ）の比率が、完全な欠陥円の半径か、六角形形状の長さ寸法か、または理想的な設計形状と異なっているかさもなければ歪んで製造された欠陥の他のある種の数値を示すことを理解されたい。したがって、欠陥寸法（Ｒ_ｄ）対ピッチ（Λ）比は、７０％などの特定の空気充填体積もしくは比率で、約１．１２〜１．２０の範囲にほぼあるか、またはフォトニックバンドギャップもしくは内側クラッドは、ｒ_ｃｌ／Λの比率が約０．３５≦ｒ_ｃｌ／Λ≦０．５の範囲にあるように、フォトニックバンドギャップ開口サイズｒ_ｃｌ間のピッチ（Λ）を有する。製造公差および他の設計特微が変わる場合には、欠陥寸法（Ｒ_ｄ）対ピッチ（Λ）の最適比率は、それに応じて、欠陥における任意の歪みに適応するように変わる。図１９は、バンドギャップ領域を形成するための欠陥寸法（Ｒ_ｄ）対ピッチ（Λ）のほぼ最小値を示して、ポンプ波長で欠陥状態から放射されるコアモードを強化するために、かつ信号波長における表面モードを抑制するために、バンドギャップ領域で放射される表面モード用のオーバーラップを提供する。

最適な欠陥半径は、図１６および１７の結果に影響しないはずである。図１６と１７との間で変わる要素は、格子空孔サイズと、ピッチと、屈折率と、レーザ発振または増幅の最適で活性的にドープされたダブルクラッドファイバを形成するための、内側および外側クラッド領域間の他のフォトニックバンドギャップ設計変数と、である。

図１９〜２０は表面モード、コアモードおよびバンド端を示し、他方で図１８は、表面モードを示さない。なぜなら、表面モードは、Ｒ_ｄ＝Λの場合には、バンドギャップ領域内にないからである。図１９において、垂直の実線はレーザまたは信号周波数を示し、点線はポンプ周波数を示す。Ｒ_ｄ＝１．１２Λの場合には、いくつかの表面モードがバンドギャップ領域内に示される。バンドギャップ領域内では、点線のポンプラインが、表面モードおよびコアモードと交差し、他方で、実線の信号ラインは、コアラインとだけ交差する。したがって、図１９は、レーザ周波数の光がコアにおいて導波され、他方で、ポンプ周波数の光を、コアおよび欠陥の表面において導波できることを示す。しかしながら、図２０において、Ｒ_ｄ＝１．２０Λの場合には、表面モードが、バンドギャップ領域のコアモードを支配する。本発明において、表面モードを用いる必要がないことを理解されたい。しかしながら、表面モードは、本発明の教示によれば、ダブルクラッドファイバレーザまたは増幅器の性能を改善することができる。

最適な欠陥半径範囲は、図４において４００で示される極小値または谷に関するが、より一般的には、図４のピーク１４、１６、または１８からちょっと離れた任意の範囲に関する。したがって、ピッチを超える欠陥サイズの比率範囲のよりよい特性付けは次のとおりである。図４から読み取ることができるように、１．０８〜１．４０で、より好ましい範囲は１．０８〜１．１６および１．２６〜１．３２であり、同様に１．４６〜１．７０である。

信号およびポンプオーバーラップ領域のサイズを最適化することと、図１７および図１６のそれぞれで見られるように、表面モードを強化および代替として抑制するために半径対ピッチ比を最適化することと共に、フォトニックバンドギャップまたは周期構造の理想的な設計には、異方性または等方性欠陥のアスペクト比、サイズ、および結晶格子方位に関連する方位ならびに間隔の最適化が含まれるであろう。

図２１および図１６〜１７を参照すると、ダブルバンドギャップファイバレーザまたは増幅器を設計するために、どのようにバンドギャップ図を用いるかの例が示されている。９８０ｎｍのポンプ波長および１０４０ｎｍの信号波長ならびに２０００ｎｍ（または２μｍ）の内側および外側クラッドの格子間隔またはピッチΛに対して、ポンプおよび信号の正規化周波数は、図２１の垂直軸を参照すると、それぞれ約２．０４および１．９２である。ハッシュマークで示された閉じ込めまたはバンドギャップエリアは、それぞれのクラッドのバンドギャップを伝搬することを妨げられた周波数または波長である。したがって、０．８３と０．８５との間の内側クラッドボイド充填割合、および０．８５と０．９２との間の外側クラッドボイド充填割合は、図１６のダブルクラッド設計に対応するだろう。

代替として、ダブルバンドギャップ設計は、２つの異なるバンドギャップを用いることによって実現可能である。たとえば、図２１を参照すると、０．６６と０．７１との間の内側クラッドボイド充填割合、および０．８５と０．９２との間の外側クラッドボイド充填割合は、図１７のダブルクラッド設計に対応するであろう。オプションとして、他の設計には、内側クラッドより小さなボイドサイズまたはボイド充填割合を有する外側クラッドを含むことが可能である。たとえば、再び図２１を参照すると、０．８３と０．８５との間の内側クラッドボイド充填割合、および０．７１と０．７４との間の外側クラッドボイド充填割合は、内側クラッドボイドサイズより小さな外側クラッドボイドサイズを有するであろう。

たとえば、２つのクラッドの格子間隔またはピッチΛ、材料の屈折率、空孔の形状、および他のフォトニックバンドギャップ設計変数を変更するなど、ボイド充填割合による以外に、図１６〜１７のこれらの構成を達成する他の方法がある。

図１１〜１２を参照すると、図１５のダブルバンドギャップ周期構造に似たファイバプロファイルの、数値計算に基づいたモードプロファイルが示されている。モードエネルギ分布のこの図解は、計算されたものである。図１１のモードは、ライン３４を重ね合わせた中心コア欠陥領域における高い閉じ込めを示し、他方で図１２のモードは、ライン２２を重ね合わせた内側クラッド領域における光の閉じ込めを示す。図１１のモードの周波数は、図１２のモードより低く、したがって波長はより長いが、これは、より短い波長のポンプエネルギが内側クラッド２２に閉じ込められ、他方でより長い波長の信号エネルギが欠陥３４に閉じ込められる場合に、レーザポンピングにとって理想的である。図１１〜１２は、２バンドギャップの概念が、２つの異なる光周波数で、２つの異なる領域において光を導波できることを実証する。図１２の内側クラッド領域モードの込み入った構造は、大きな開口数を示す。また、大きな開口数は、ファイバレーザをポンプすることにとって重要である。

図１１を参照すると、分布１１８の光中心部は、欠陥中心におけるモードエネルギの集中を表わす。したがって、分布１１８は、欠陥に閉じ込められたモードエネルギの大きな割合を示す。

それに反して、図１２を参照すると、モードエネルギ分布１２３における光の交差は、中心ボイド１２と外側クラッド３６との間のマルチモードコアを伝搬する内側クラッドモードの特徴を示す。モードエネルギ分布１２３は、エネルギが、主に欠陥の外側を伝搬し、したがって、コア１２の周囲回りの円筒部に分散された光学活性ドーパントとオーバーラップできることを示す。

図１３を参照すると、エネルギ分布が示されている。ファイバレーザモードのエネルギ分布計算が示すところでは、レーザモードのエネルギのおよそ１０％を、レーザコアを囲む図１の領域４４とオーバーラップさせることが可能である。また、計算が示すところでは、内側クラッド領域のより高い周波数（より短い波長）モード（ｘの記号）が、平均およそ１０％の、利得領域とのオーバーラップを有することができる。利得領域は、活性イオンが、界面またはポンプおよび信号オーバーラップ部４４に位置している場所である。これらの値は、かかるダブルバンドギャップアプローチが、ふさわしい量のオーバーラップを表わし、ファイバレーザ構成において十分なポンプ吸収および利得抽出をもたらすことを示す。

フォトニックバンドギャップ結晶導波路またはファイバは、当該技術分野において周知の多くの方法のうちの任意の方法を用いて製作することができる。これらの方法によって、熟練した専門家は、欠陥断面と同様にフォトニックバンドギャップ結晶機構の広範囲な形状を作ることが可能になる。一般に、本発明のフォトニックバンドギャップファイバは、従来の光ファイバ、フォトニックバンドギャップファイバまたは他のタイプの導波路を製造する際に用いられる方法と類似した方法を用いて製造してもよい。当業者は、他の方法および材料が用いて、本発明のフォトニックバンドギャップファイバを製作可能であることを理解されるであろう。たとえば、米国特許第６，２６０，３８８号明細書に説明されたものなどの押し出し技術を用いて、本発明のフォトニックバンドギャップファイバを製作してもよい。別のバリエーションでは、ファイバは、従来のスタックアンドドロー（ｓｔａｃｋ−ａｎｄ−ｄｒａｗ）技術を用いて製作することができる。他の利用可能な方法には、トリプルクルーシブル（ｔｒｉｐｌｅ ｃｒｕｃｉｂｌｅ）およびロッドインチューブ技術が含まれ、部分が所望の形状へ機械加工される。チューブにおけるＣＶＤ、ゾルゲルおよびソフトガラスインチューブ（ｓｏｆｔ ｇｌａｓｓ ｉｎ ｔｕｂｅ）が、他の利用可能な方法である。

本発明の別の実施形態は、３ＭＷを超えるピーク電力を有するテンポラルソリトンを支持できる光ファイバに関する。当業者にはよく知られたことだが、テンポラルソリトンは、パルス幅においてはっきり感知できるほどには広がらずに、光ファイバの長さに沿って伝送される光パルスである。ソリトン伝送では、分散および非線形性の相互作用が、長い距離にわたって一時的なパルスエンベロープを維持するように働く。本発明のある実施形態において、一時的なソリトンは、３ＭＷを超えるピーク電力を有することが可能である。本発明のこの態様による光ファイバは、たとえば、上記のような中空コアフォトニックバンドギャップファイバであってもよい。

また、空気コアフォトニックバンドギャップファイバの低い非線形性が、高ピーク電力増幅パルスを達成するために、チャープパルス増幅アプローチにおいて増幅器パルスを圧縮するために用いられてきた。

ボイドであるコアを備えた任意のタイプの微細構造ファイバを能動的にドープするために、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、本発明に対して様々な修正および変更を施すことができる。微細構造ファイバのタイプは、フォトニックバンドギャップ導波だけか、またはフォトニックバンド導波およびＴＩＲを用いた組み合わせまたはハイブリッドとすることができる。

図２２を参照すると、図２の構造とは異なる二次元構造を用いるダブルバンドギャップファイバレーザプロファイルの代替例が表わされている。ファイバレーザプロファイルには、３つの構成要素、すなわち２つのバンドギャップ領域２２および３６、ならびに欠陥コア３４が含まれる。２つのバンドギャップ、すなわち内側２２および外側３６のバンドギャップが、ファイバ２０を伝搬する光を閉じ込める。バンドギャップ領域は、ボイドの代わりに、当業者がブラッグ反射器または薄膜干渉コーティングとして認識する屈折率の交互層からなる。かかるファイバ２０は、ブラッグダブルフォトニックバンドギャップファイバと呼ばれる。バンドギャップ領域２２におけるピッチ４および層屈折率は、異なる範囲の周波数にわたってバンドギャップを生成するために、領域３６のそれらとは異なってもよい。バンドギャップ領域２２および３６における層の数は、所望の反射率、モード閉じ込めおよび全体的なファイバ寸法を提供するために、図２２に示すそれと異なってもよい。かかる重層構造のバンドギャップ設計は周知であり、他のところでも教示されている。内側バンドギャップ２２は、２つの目的のために働く。すなわち、それは、レーザ光線をファイバの中心コアモードに閉じ込め、かつポンプ光用のマルチモードコアの役割をする。外側バンドギャップ３６は、マルチモードポンプ光を内側バンドギャップ領域２２に閉じ込める。本発明の教示によれば、希土類元素または遷移金属（たとえばＥｒ、ＹｂもしくはＮｄ）などの光学活性ドーパント９３は、ダブルクラッドファイバ増幅器／レーザの空の空気コア３４には配置されず、内側クラッド２２の界面部４４に配置される。他方で、活性分子を、コアの回りではなく、ダブルクラッドファイバ増幅器／レーザのガス状コア３４に配置することができる。

図２３を参照すると、図２２に示すのと類似したブラッグダブルフォトニックバンドギャップファイバの切り取られた拡大図が、コア領域に表面モードを生じるように修正されている。表面モードは、元のピッチ４をより小さなピッチ４’へ修正するか、コア１２に最も近い層の屈折率を修正するか、または元のピッチ４の不完全な周期で終わることによって、コア／内側クラッド界面３４に生成される。ピッチ４’の崩壊または屈折率の変化をもたらす修正された層間隔５は、１つまたは複数の表面モードが、これらのモードをコアに閉じ込められた信号モードに結合させる周波数および伝搬定数を備えて利得領域４４に生成されるように、選択される。

再び図２２を参照すると、バンドギャップ領域２２および３６が、これらのバンドギャップを区別できないように、同じパラメータを有する、ブラッグフォトニックバンドギャップファイバの代替実施形態を説明することができる。領域９５の屈折率は、領域２２および３６の実効屈折率より低くなるように選択されて、領域２２および３６へのポンプ光の閉じ込めは、全反射（ＴＩＲ）機構を介するようにされる。本実施形態において、領域２２および３６のバンドギャップの周波数範囲を定義するパラメータは、ポンプ光の周波数がバンドギャップの周波数範囲の外にあるように、選択される。

本発明はまた、ＴＩＲを介したポンプ導波のためのホーリー格子を備えたファイバを含む。再び図２および１５を参照すると、内側毛細管空気孔より大きな外側毛細管空気孔が、示されている。したがって、中空コアは、第１の空気クラッドまたは内側クラッドを形成する、空気が充填された第１の毛細管セット、および第１の空気クラッドより低い実効屈折率を備えた第２の空気クラッドを形成するための、第１の毛細管セットより大きな直径を備えた、空気を充填された第２の毛細管セット、によって囲まれている。屈折率間のこの差は、ポンプ光が、２つの「穴あき」領域間の界面でＴＩＲを経験する原因となる。外側または第２の空気クラッドはまた、バンドギャップを有していてもいなくてもよい。ポンプ光が、バンドギャップ効果またはＴＩＲ効果によって閉じ込められるかどうかにかかわらず、本発明における利得領域、コア領域および表面モードの定義は、全く影響されない。したがって、表面モードを生成するための、かつ内側クラッドバンドギャップを実現するための教示は、変化しない。

ポンプ光を閉じ込める機構によって、様々な可能な実施形態が定義される。内側クラッドのバンドギャップがポンプ周波数を含む場合には、ポンプおよび信号光の両方をバンドギャップ効果によってコア領域に閉じ込める１つのフォトニックバンドギャップ格子だけが、必要になる。この場合には、第２のフォトニックバンドギャップ領域は必要ではなく、またコア近くのポンプ領域は非常に小さく、外部のダイオードレーザ源から結合するのが難しい。

他方では、より大きなポンプ領域が望ましい場合には、この領域に光を閉じ込める方法が必要である。領域２２内の格子は、ポンプ周波数でフォトニックバンドギャップを有することができない。なぜなら、この格子は、ポンプが２２を伝搬するのを妨げるからである。しかしながら、領域２２は、ＴＩＲまたはバンドギャップのいずれかによりポンプ周波数で導波できる第２のクラッドで囲むことができる。バンドギャップに関し、空気孔は、どちらのバンドギャップのために設計するかに依存して、より小さいかまたはより大きくてもよい。ＴＩＲについては、２つの選択が可能である。

１つのオプションとして、第２または外側クラッド領域３６は、実効屈折率が内側クラッド領域２２より低くなるように、内側クラッド領域２２の空孔より大きな空孔を有することができる。基本的に、より多くの空気が外側クラッドに入れられるので、その実効屈折率は下がる。なぜなら、空気の屈折率が、シリカより低いからである。これらの空気孔は、周期的である必要がない。理想的には、ガラスを全く用いずに空気で内側クラッドを囲み、最大の開口数を得るのが望ましいであろう。しかしこれは、取り扱いが難しい脆いファイバを製作することになるであろう。

第２のオプションは、領域２２より低い実効屈折率を有する固体材料を見つけることであろう。このようにすれば、１つの格子だけが必要になる。しかしながら、実効屈折率は１．２未満であり、かかる低屈折率を有する低損失固体材料はない。かくして、空気またはガスが必要になる。

したがって、光学活性中空コアＰＢＧＦによって、非線形減衰が大幅に低減された狭帯域光場またはパルス光場を増幅および生成するためなどの様々な用途が可能になる。かかる「単一周波数」または狭線幅増幅器は、活性中空コアＰＢＧＦによって可能になる。なぜなら、空気コアＰＢＧＦにおける結果としてのＳＢＳ閾値によって、狭線幅光源が伝搬し増幅することが可能になるからである。

本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、本発明に様々な修正および変更を施すことができることは、当業者に明白であろう。たとえば、光学活性中空コアフォトニックバンドギャップファイバは、光場の生成および増幅を意図したシステム全体にわたって用いることが可能である。光学活性ファイバを、発振器構成においてポンプすることが可能であり、続いて、発振器構成が、増幅器として動作するように構成された光学活性中空コアフォトニックバンドギャップファイバの直列チェーンにおいて増幅される。増幅器は、一連の光学的にコヒーレントな出力を生成するために、直列ではなく並列に動作するように組み立てることが可能である。

したがって、本発明は、本発明の修正および変更が、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲に入るならば、それらを含むように意図されている。

本発明の教示による、等方性の円形断面を有する、能動的にドープされた単一フォトニックバンドギャップ結晶ファイバの概略断面図である。 本発明による、十字形状などの異方性特性の欠陥、および２つのバンドギャップにおける異なる空孔サイズを有する２バンドギャップフォトニックバンドギャップ結晶ファイバの概略図である。 本発明による、ファイバレーザとして用いられるフォトニックバンドギャップ結晶ファイバの概略図である。 本発明による、欠陥内を伝搬する光モードのエネルギ割合対円形断面を有する欠陥の、ピッチに対する数値比率、のグラフである。 本発明による、円形断面および図１の場合より大きな欠陥半径を有する能動的にドープされた単一フォトニックバンドギャップ結晶ファイバのトリミングされた概略断面図である。 本発明による、円形断面および図５の場合より大きな欠陥半径を有する能動的にドープされた単一フォトニックバンドギャップ結晶ファイバの概略断面図である。 本発明による、六角形断面の欠陥を有するフォトニックバンドギャップ結晶のトリミングされた概略図である。 本発明による、図７の場合より大きな半径を備えた六角形断面の欠陥を有するフォトニックバンドギャップ結晶の概略図である。 本発明による、図８の場合より大きな半径を備えた六角形断面の欠陥を有するフォトニックバンドギャップ結晶の概略図である。 本発明による、欠陥内における伝搬光モードのエネルギ割合対六角形断面を有する欠陥の、ピッチに対する数値比率、のグラフである。 本発明による、図１５のダブルクラッドフォトニックバンドギャップファイバ構成における空気コア導波を実証する計算による出力である。 本発明による、図１５のダブルクラッドフォトニックバンドギャップファイバ構成における内側クラッド導波モードを実証する計算による出力である。 本発明による、外側クラッドモードとの関連で、欠陥内に大きなエネルギ割合を有するモードのための、ならびにコアおよび内側クラッドモードのオーバーラップする表面モードのための欠陥を有するフォトニックバンドギャップ結晶における信号およびポンプオーバーラップ部を定義する環帯内におけるモード電力の割合のグラフである。 本発明による、図１のフォトニックバンドギャップファイバ用の正規化周波数対正規化伝搬定数のグラフである。 本発明による、デイジー形状などの等方性特性の欠陥、および異なるウェビング厚さに見られるような、２つのバンドギャップにおける異なる空孔サイズを有する２バンドギャップフォトニックバンドギャップ結晶ファイバ断面のモードファイバプロファイルである。 本発明による、図１５のアクティブファイバの第１のタイプのポンプおよび信号オーバーラップのための、波長の関数としての光伝送のグラフである。 本発明による、図１５のアクティブファイバの第２のタイプのポンプおよび信号オーバーラップのための、波長の関数としての光伝送のグラフである。 表面モードを有しないバンドギャップ領域の説明図である。 本発明による、バンドギャップ領域内における所望の表面モード相互作用の説明図である。 本発明による、バンドギャップ領域内における表面モード相互作用の所望の上限の説明図である。 本発明による、図１６および１７のアクティブファイバ設計と共に用いるための、スケーリングされた周波数および空気またはボイド充填割合の関数としてのバンドギャップのグラフである。 大きな中心コアを囲む同心層のクラッド構造を有するダブルフォトニックバンドギャップブラッグファイバの概略断面図である。 コア−クラッド界面における表面モードを支持する最も内側のクラッド層の乱れを示すダブルフォトニックバンドギャップブラッグファイバの概略断面図の拡大図である。

Claims (10)

1. バンドギャップ効果によって光が導波される中空ボイドを有するバンドギャップ光導波領域と、
   光導波を強化するために、前記中空ボイドに隣接して配置された微細構造と、
   前記光導波に活性利得を提供するために、前記中空ボイドと前記微細構造との間の界面エリアに配置された複数の活性利得材料と、
   を含むことを特徴とする装置。
2. 前記微細構造がフォトニック結晶導波路を含み、前記界面エリアが、前記導波路の導波モードを空間的にオーバーラップさせる活性材料でドープされた信号およびポンプオーバーラップ部を含み、前記フォトニック結晶導波路が、
   導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、前記閉じ込め領域が、少なくとも１つのフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を含み、動作中に前記閉じ込め領域が、前記導波路軸に沿ってポンプエネルギを伝搬させるための第１の導波モードとして、前記導波路軸に沿って伝搬する第１の周波数範囲の電磁（ＥＭ）放射線を導波する、誘電体閉じ込め領域を含み、
   前記誘電体閉じ込めのための前記信号およびポンプオーバーラップ部に配置された前記複数の活性利得材料が、前記第１の導波モードと空間的にオーバーラップするための、第２の周波数範囲における第２の周波数の第２の導波モードでＥＭエネルギを放射するために、信号エネルギによる刺激のための潜在的なエネルギ源として、前記ポンプエネルギを吸収し、前記ポンプエネルギを蓄積して、前記少なくとも１つのフォトニックバンドギャップ領域と、界面を伝搬する少なくとも１つ表面モードを支持する前記中空ボイドとの間の界面によって画成される表面が、前記信号およびポンプオーバーラップ、ならびに前記中空ボイドに関連する状態をオーバーラップさせることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記界面エリアに電磁放射線を放射させるために、前記中空ボイドの半径より１．０〜３．０倍大きな範囲における半径を有する前記界面エリアに印加される励起源をさらに含む装置であって、前記励起源が、前記第２の周波数の前記第２の導波モードのために光利得を生じるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記微細構造が、約０．４〜１．０の範囲内のボイド充填割合を提供する複数の開口を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記微細構造が、少なくとも１つのフォトニックバンドギャップの少なくとも一部にスペクトル的にオーバーラップする少なくとも１つの光モードのために光利得を提供するためのアクティブフォトニック結晶バンドギャップファイバを含み、前記フォトニック結晶バンドギャップファイバが、ピッチと、前記フォトニックバンドギャップ結晶の約４４％〜９８％の範囲の体積割合を有する孔とを有し、かつ、
   平面断面を囲む境界と、前記平面断面に垂直な長さ寸法とを有する欠陥をもたらす前記中空ボイドであって、前記欠陥の境界が数値によって特徴づけられる中空ボイドをさらに有し、
   前記数値が、前記欠陥によってもたらされる前記局所的なモードの波長が前記フォトニックバンドギャップの波長領域で伝搬するように、選択され、
   前記ピッチに対する前記欠陥の前記数値の比率が、前記フォトニックバンドギャップ内の表面モードの励起と相互作用するように選択されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記微細構造が、周期面を有し、活性要素を含み、かつ第１のバンドギャップ領域を有するフォトニックバンドギャップを生成するように構成された、第１の周期性の活性周期二次元誘電体構造を含む装置であって、
   前記活性周期二次元誘電体構造が、前記周期面に垂直な方向に、前記第１のバンドギャップ領域の波長で光利得を提供するために、励起源によって光学的にポンプされることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 第２のバンドギャップによる光エネルギの閉じ込めのために、前記活性周期構造に前記平面において隣接している第２の周期性の第２の周期構造をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記中空ボイドが、前記活性周期構造内に欠陥をもたらし、前記第１のバンドギャップ領域内に少なくとも１つのフォトニック欠陥状態を生じて、前記欠陥状態に対応する周波数で増幅がもたらされるようにすることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記活性要素が、前記第１の周期構造の信号およびポンプオーバーラップ部に配置するための活性ガス、希土類元素または遷移金属元素を含む群に属することを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記周期構造の信号およびポンプオーバーラップ部によって定義された表面が、少なくとも１つのフォトニック欠陥状態の光場内に配置され、前記欠陥が、前記構造の前記信号およびポンプオーバーラップ部における少なくとも１つの活性要素にオーバーラップする少なくとも１つの表面モードを支持することを特徴とする、請求項９に記載の装置。

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