JP2008020919A - 曲げに対する向上した抵抗力を有するファイバ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げにより誘起される歪みに対する向上した抵抗力を備えたラージ・モード・エリア（ＬＭＡ）ファイバを提供する。
【解決手段】本ＬＭＡファイバは、伝播するモードの実効屈折率がコアの大部分にわたって曲げられたファイバの「等価」屈折率未満にとどまるように高振動性モードを使用する。減少された実効屈折率を信号モードに与えることによって、コアの「禁じられた」（エバネセント）領域が減少され、伝播するモードの曲げにより誘起される歪みが大幅に回避される。
【選択図】図４

Description

（発明に関する米国政府利権の記載）
本発明は、国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）により授与された授与番号７０ＮＡＮＢ４Ｈ３０３５のＮＩＳＴ ＡＴＰプログラムに基づく米国政府の支援で作成された。米国政府は本発明に一定の権利を有する。

本発明は、曲げにより誘起される歪みに対する向上した抵抗力を示す光ファイバに関し、より詳細には、曲げにより誘起される歪みを最小化するように、コアの屈折率よりも十分に下の実効屈折率を示す高振動性モードの伝播をサポートするラージ・モード・エリア（Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ：ＬＭＡ）ファイバに関する。

ファイバ光学技術の分野では、ファイバベースの光増幅器等の製造に特に関連してラージ・モード・エリア（ＬＭＡ）ファイバの使用に対する関心が高まっており、これはラージ・モード・エリア・ファイバが、ラマン散乱およびブリルアン散乱などの様々な非線形の障害を克服し、従って通常のコア構成を有する従来技術のファイバに対して著しいパワーの増加を可能にすることが知られているからである。しかしながら、ラージ・モード・エリアの使用は、マクロベンディング損失、モード間結合、およびファイバの屈折率プロファイル内の不均一性に対して敏感であるなどのファイバ関連の感度のプレゼンス（ｐｒｅｓｅｎｃｅ）を増加させる。

ハイパワー増幅の用途に適したＬＭＡ光ファイバを開発するために少なくとも２つの異なるアプローチが従来技術でとられてきた。基本的にメカニカルなアプローチである一つのアプローチでは、曲げに対して極めて抵抗力のあるロッドのようなファイバが使用される。ファイバを基本的にまっすぐのままにさせることによって、モード間結合とベンディング損失をともに著しく減少することができる。しかしながら、こうしたファイバのほとんどの「現場」用途では、ファイバ・ケーブルを曲げる必要がありスプールすることさえ必要である。従って、曲げに対するファイバの物理的能力を制限することは非実用的な解決策であると考えられている。もう一つのアプローチは、使用される特定の「スプーリング（ｓｐｏｏｌｉｎｇ）」を規定することによってベンディング損失を管理し、ひいてはファイバを指定されたスプール半径（および巻き数）に従って常に使用することと関連する。

これらの解決策は中程度にラージ・モード・エリアの通常のファイバ設計には適切に展開されることができるが、（例えば現場でファイバをスプールするのに必要とされるような）最小量のファイバの曲げが伝播する信号モードの中に著しい歪み（例えば有効エリアの減少）を導入することが判明しているＬＭＡファイバにとって、これらの解決策が有効であることは見出されていない。曲げにより誘起される損失およびモード間結合に関する通常の管理は、曲げによって有効エリアが実質的に減少されるファイバ構成をもたらす。

従って、ファイバが様々な用途で曲げを受けたときにそのモード強度が著しく歪まされることのないラージ・モード・エリア・ファイバを提供する必要性が当技術分野に残されている。さらに、歪みに抵抗力のあるモードを提供できる能力は非線形の障害の減少をもたらし、また、信号モードの増幅利得用材料との相互作用が従来技術の歪みに敏感なモードと比較して向上するなどの付加的な利益を有することもできる。

従来技術に残されている要求は、曲げにより誘起される変化に対して向上した抵抗力を示す光ファイバに関し、より詳細には、歪みを最小化するように、コア領域の全域にわたって、曲げられたファイバの等価屈折率未満の実効屈折率を示す高振動性モード（ｈｉｇｈｌｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙ ｍｏｄｅ）の伝播をサポートするラージ・モード・エリア（ＬＭＡ）ファイバに関する本発明によって対処される。

本発明によると、高振動性モード（「高振動性」との規定は大きなΔｎ_ｅｆｆを有することである）のファイバ内部での使用は、ファイバが曲げられた場合に伝播する信号の特性にごく僅かな摂動をもたらす。ファイバを曲げることによって等価屈折率プロファイルが変更されるので、高振動性モードの使用は伝播するモードの実効屈折率を曲げにより誘起される等価屈折率よりも下に維持し、それによって伝播する（高振動性の）モードがコアの全域に広がることを可能とする。対照的に、基本モードだけが従来技術のＬＭＡファイバ内を伝播する場合には、この基本モードの実効屈折率はある範囲において曲げにより誘起される等価屈折率よりも大きくなり「禁じられた領域（ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ ｒｅｇｉｏｎ）」を生成する。本発明による高振動性モードのＬＭＡファイバを使用する場合には「禁じられた領域」は存在しない。

ステップ・インデックス型ファイバの場合には、ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｅｆｆに等しい量Δｎ_ｅｆｆが大きければそのモードは「高振動性」であると考えられている。より複雑なファイバ設計では、２つ以上の屈折率をコアの中に存在させることができ、これらの場合にはΔｎ_ｅｆｆを以下のように定義することができる。
ここで、ｄＡは面積積分と定義され、Ｅは光場（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ）である。

もしも典型的な曲げ半径が知られており曲げられたファイバの等価屈折率がその高振動性モードの実効屈折率よりも大きい場合には、本発明によれば、モードは十分に「高振動性である」と考えられる。これは、Δｎ_ｅｆｆ＞Δｎ_ｂｅｎｄ≒ｎ_ｃｏｒｅＲ_ｃｏｒｅ／Ｒ_ｂｅｎｄと表現することができる。別法として、もしもΔｎ_ｅｆｆ＞０．５（λ^２／Ａ_ｅｆｆ）または０．５（λ／Ｒ_ｃｏｒｅ）^２であるなら、モードを、（通常のファイバに対して）十分に「高振動性である」と定義することができる。ここで、数値「０．５」は、１未満である限りある範囲まで変化させることができ、０．２５〜１の範囲は許容範囲であることがわかった。このようなモードは、典型的な曲げ半径が製造時には知られていない場合であっても、通常のファイバに比べ、曲げにより誘起される歪みに対して十分な抵抗力を示す。

本発明のその他のおよび更なる態様および実施形態が、以降の議論の過程で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。

コア半径が大きくなりモード・エリアが約６００μｍ^２を超えると（すなわち、ラージ・モード・エリア・ファイバ、またはＬＭＡファイバ）、曲げにより誘起される歪みの影響は、通常のスプール式ファイバパッケージングに関連する任意の曲げ半径に対して顕著になる。この事実は図１および図２の線図に示され、これらは２つの異なるＬＭＡファイバに対しいずれも「曲げる前」および「曲げた後」に関してシミュレートされたモード・プロファイルを示す。図１は、Δｎが０．０００５程度（すなわち、ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_{ｃｌａｄｄｉｎｇ}≒０．０００５）を有する「低コントラスト（ｌｏｗ−ｃｏｎｔｒａｓｔ）」ステップ・インデックス型ＬＭＡ光ファイバのモード・プロファイルを示す。図１の曲線Ａは曲げに先立つモード・プロファイルを示し、曲線Ｂは相対的に「ゆるやかな」半径の曲げ（２４ｃｍ程度）と関連する。図２のモード・プロファイルのプロットは相対的に「高コントラスト（ｈｉｇｈ−ｃｏｎｔｒａｓｔ）」のＬＭＡファイバ（Δｎ＝０．０１）と関連する。曲線Ｃは「曲げる前」のプロファイルと関連し、曲線Ｄは図１のＬＭＡファイバに使用されたときと等しい曲げ半径（２４ｃｍ）でのプロットである。両方の場合とも、ファイバは等しい（大きな）４３μｍのコア半径（Ｒ_ｃｏｒｅ）を有するように選択された。図１および図２のプロットを比較すると、それらのモード・フィールドはいくらか異なっているが、しかし両方とも、このごく僅かな曲げの値に対してさえも、基本的に同等のレベルのモード・エリアの減少を示すことが明らかである。

この低コントラストおよび高コントラストＬＭＡファイバの両方と関連する顕著な曲げにより誘起される歪みを、ＬＭＡファイバの屈折率に及ぼすファイバの曲げの影響を示す図３を参照して説明することができる。図示のように、プロットＩはステップ・インデックス型ＬＭＡファイバの屈折率のプロットで、ｎ_ｃｏｒｅおよびｎ_ｃｌａｄの通常の値を示す。以降の議論はステップ・インデックス型ＬＭＡファイバの使用と関連するが、本発明の原理は、グレーデッド・インデックス型ファイバ、パラボリック・インデックス型ファイバ等などの様々な他のタイプのＬＭＡファイバに等しく適用できることを理解されたい。図３に戻って参照すると、通常の基本モード（ＬＰ_０１）信号がこのファイバ内を伝播することを許容する場合は、ｎ_ｅｆｆと定義されるこの基本モードに対する「実効屈折率」が水平にプロットされた直線ＩＩとして示され、コア屈折率ｎ_ｃｏｒｅより確定された距離Δｎ_ｅｆｆ下方に位置する。ＬＭＡファイバに沿って所定の曲げを生じさせると、この曲げられたファイバの等価屈折率ｎ_ｂｅｎｄは、図３の傾斜したプロット直線ＩＩＩで示されるような様式で変化する。一般的に言えば、曲げられたファイバの等価屈折率を次のように定義することができる。
ここでＲ_ｂｅｎｄを曲げられたファイバの曲率半径と定義する。

図３の分析は大きな歪みの発生の推定を可能とする。特に、曲げにより誘起される屈折率の変化Δｎ_ｂｅｎｄが基本モードの実効屈折率Δｎ_ｅｆｆよりも大きくなると、その場合にはコアの一部分が基本モードの実効屈折率よりも小さい等価屈折率を有することになる。（図３で斜線を引かれた）コアのこの部分は「禁じられた」領域であり、波動がコアのこの部分から大部分締め出される（または、コアのこの部分においては「エバネセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）」である）ことを意味する。いまや基本モードがコアの一部分から強制的に外に出されるので、基本モードは大きな歪みと、著しく減少した有効エリアと、コア内に存在することのできる増幅利得用材料とのおそらくは弱められた相互作用とを持ちやすくなるであろう。従って、大きな歪みに対する直感的に理解できる条件を次のように表現することができる。
この条件はＬＭＡファイバにとっては急激により制限が厳しいものになる。すなわち、曲げにより誘起される屈折率が大きくなるだけでなく、モード間隔も概してΔｎ_ｅｆｆ≒（λ／Ｒ_ｃｏｒｅ）^２となるにつれて減少する。

反対に、本発明による曲げにより誘起される歪みから実質的に自由であるモードに関する有用な条件を以下のように表現することができる。
ここで「Ｃ」は、許容できる曲げにより誘起される歪みの程度と関連する定数である。この許容範囲は異なる用途に対しては異なってよいので、Ｃが約０．５〜１．５の範囲は、曲げにより誘起される歪みがこのモードの有効エリアに対し比較的小さな影響しか及ぼさないことを多くの場合に保証する。

従来技術のＬＭＡファイバ設計はこの基本的な問題を認識していないかまたは対処していない。実は、平坦化されたモードの設計はいくつかのＬＭＡファイバのケースに対し改善されたエリアをもたらすが、これらの設計は、Δｎ_ｅｆｆを減少させることによって極めて大きなコア・サイズを有するファイバの曲げにより誘起される歪みを実際には悪化させる。上述のように、全体のファイバ・コントラスト（ｆｉｂｅｒ ｃｏｎｔｒａｓｔ）に関わらず、曲げ歪みに関する基本モードの屈折率差Δｎ_ｅｆｆは主としてコア・サイズにより決定され、それゆえ（低コントラストの対語としての）「高コントラスト」ファイバの使用は歪みを回避することはなく、言い換えれば問題を解決しない。

本発明の一つの特定の実施形態では、上に定義した条件はΔｎ_ｅｆｆ＞ＣΔｎ_ｂｅｎｄとなるような十分に高次のモードを使用することによって満たされる。図４は、高次モード（ＨＯＭ）の実効屈折率と曲げられたファイバの等価屈折率との関係を説明する屈折率プロファイルを含む。図４の線図は、図３の線図と同一の曲げ半径とコア・サイズとに基づいており、従って、プロットＩＩＩ（曲げられたファイバの等価屈折率）は同一である。本発明によると、しかしながら、ＨＯＭの使用が図示のようにΔｎ_ｅｆｆの値をかなり増大させている。すなわち、ｎ_ｅｑの値よりも十分に下の値にとどまり、それらを使用したときには「禁じられた領域」の生成を解消するＬＰ_０５、ＬＰ_０７等などのいくつかの高次モードが存在する。従って、ファイバが曲げられたときでもこれらのＨＯＭはラージ・コア・エリア内をほとんど歪むことなくまたはまったく歪まずに伝播するであろう。実際には、ファイバが曲げられてよい特定の範囲（例えば、３ｃｍと４０ｃｍとの間のＲ_ｂｅｎｄ）と、コア・サイズと、コアおよびクラッドに関連する屈折率の値とを知ることによって、ファイバの曲げと関連する歪みを実質的に減少させる適切なＨＯＭが決定され使用されることができる。

本発明による高振動性モードをサポートするファイバの例示の屈折率プロファイルが図５に示される。図示のように、この特定のプロファイルは通常の「ステップ・インデックス型」プロファイルではなく、高振動性モードとのより効率的な入力結合および出力結合を可能とする、その代わりに多層型の屈折率プロファイルである。

図６は、図５の屈折率プロファイルを有するファイバと関連する２つの異なる高次モードについて曲げ半径に応じた（μｍ^２で測定された）有効コア面積のプロットを含む。比較のために、同様のステップ・インデックス型ＬＭＡファイバの基本モードに対する有効コア面積もまた示される。高振動性モードであるＬＰ_０７と関連する基本的に一定の有効エリアが、曲げにより誘起される歪みがおそらく生じる状況のもとでその真価を実証していることが明らかである。対照的に、ＨＯＭ ＬＭＡファイバのＬＰ_０３モードとステップ・インデックス型ＬＭＡファイバの基本モードはともに、現場敷設でファイバが遭遇する可能性のある通常の範囲の曲げ半径である３〜２４ｃｍの範囲の曲げ半径にわたって、曲げに応じた有効エリアの著しい減少を示している。従って、本発明により適切なファイバを選択することが重要であるだけでなく、曲げによる歪みに抵抗力のある適切なＬＭＡモードを選択することもまた重要であることが見出された。

図７は、ＨＯＭ ＬＭＡファイバの２つの異なる高次モードについて、特に（十分な高振動性ではない）ＬＰ_０３モードおよび（本発明による十分な高振動性の）ＬＰ_０７モードについて、シミュレートされたフィールド・プロファイル（強度の平方根をリニアなグレイスケールに表した）を示す。図示のように、ＬＰ_０３モードは「まっすぐな」ファイバから「曲げられた」ファイバに条件が変化すると大きな歪みを受ける。その一方で、ＬＰ_０７モードは曲げの条件が変化してもほんの少ししか歪みを受けない。特に、図７（ａ）はＬＰ_０３モードと関連するプロファイルを含み、「曲げのない」条件と関連する（プロットＩと指定される）第１のプロットおよび１２ｃｍの曲げ半径（Ｒ_ｂｅｎｄ）と関連するプロットＩＩを備える。曲げにより誘起される歪みはプロットＩＩで明らかである。一方、図７（ｂ）は高振動性のＬＰ_０７モードについての同様のプロットを示し、「曲げのない」条件と関連するプロットＩＩＩおよびプロットＩＶはＲ_ｂｅｎｄ＝６ｃｍと関連するプロットＩＶを備える。プロットＩＶでは、この曲げがプロットＩＩと関連する曲げよりもより厳しいにもかかわらず、歪みがほとんどまたはまったくないことが明らかである。これは本発明の知見による事例であり、ＬＰ_０７モードが、６ｃｍの曲げでのΔｎ_ｂｅｎｄ＝０．００１より数倍大きいΔｎ_０７＝０．００４７の状態にあるからである。先に述べたように、大きな歪みの発生の推定はＲ_ｂｅｎｄ＝ｎＲ_ｃｏｒｅ／Δｎのときに起こり、推定値は（より低いモードの場合の）ＬＰ_０３に対して１１ｃｍ、ＬＰ_０７に対して１．３ｃｍの値となり、これにより、ＬＰ_０３モードは曲げにより誘起される歪みに対する中程度の（基本モードよりは優れた）抵抗力を有し、ＬＰ_０７は本発明による曲げにより誘起される歪みに対して卓越した耐性を示す。

本発明によるＨＯＭ ＬＭＡファイバを使用することの他の利点は、ＨＯＭ信号がファイバに沿ったモードとモードの結合に対する抵抗力を示すことである。図８は、通常のファイバおよび本発明による例示のＨＯＭ ＬＭＡファイバの双方に対してシミュレートされたモード・オーバーラップ（曲げられた／曲げられていない）のプロットである。このオーバーラップは高次モードがモード間結合を減少させることのいくらかの根拠を示しており、それは実質的に「１」未満のオーバーラップ値が曲げの転移地点でモード結合を生じさせることができるからである。本発明によるＬＭＡファイバを効果的に使用するには、曲げに抵抗力のある高振動性モードのファイバの中へまたはこのファイバから信号を結合させることを必要としよう。この結合は、例えば、グレーティング、テーパ、位相板、バルク光学素子等を使用して達成されることができる。ファイバ・コア・プロファイルは通常のステップ・インデックス形の形状を示してもよい。別法として、様々なコアの屈折率プロファイルが、モード結合、ベンディング損失、および／または他の特性を改善するために使用されてもよい。そのようなプロファイルはグレーデッド・インデックス形、パラボリック形、または２層型プロファイルを含んでもよい。本発明により形成されるこのようなファイバの重要な用途はファイバ増幅器およびファイバ・レーザーを含む。これらの用途（および他の用途）のために、同一モードかまたは異なるモードでファイバ内に導波される複合した信号を有することは望ましいことである。例えば、ある信号を上述のように曲げに抵抗力のある信号モードのファイバ内で増幅し、同様に励起光の導波を他のモードで行ってもよい。増幅利得用材料が本発明のファイバ内に組み入れられてもよい。励起ガイディング・ダブル・クラッド、エアー・クラッド、または低屈折率コーティングなどの他の構造体が本発明により形成されたファイバ内に見出されてもよい。事実、（例えば）増幅利得用材料を信号モード強度の頂部に配置することによって増幅利得をこの信号モードと強く作用するように構成し、一方で、（例えば）ノイズ・モードとはただ弱く作用するように構成してもよい。本発明のファイバは微細構造化されたコア領域および／またはクラッド領域をさらに備えてもよく、偏光依存性を最小限にするように特に構成されてもよく、または（複屈折などの）所定の（および基本的には定常的な）偏光依存性を示すように構成されてもよい。

本発明に対して様々な変更および変形が本発明の精神および範囲から逸脱することなく作成されることが当業者にとって明らかであろう。特に、本発明の様々な態様がステップ・インデックス型ＬＭＡファイバと関連して説明されてきたが、曲げ半径の所与の範囲においてファイバの実効屈折率が曲げにより誘起される等価屈折率よりも小さい値にとどまる高次モード（ＨＯＭ）をそのファイバが支持できる限りにおいて、グレーデッド・インデックス形ファイバなどの様々な他のタイプのＬＭＡファイバが使用されてもよい。従って、本発明は、本発明の変更および変形が本明細書に添付された特許請求の範囲およびその均等物の範囲にあるならば、本発明の変更および変形を含むことが意図される。

「曲げる前」および「曲げた後」の両方について低コントラストＬＭＡファイバの強度プロットを含む図である。 高コントラストＬＭＡファイバに対して同様の「曲げる前」および「曲げた後」のプロットを含む図である。 ＬＭＡファイバに関するステップ・インデックス形屈折率プロファイルの線図であり、基本モードの実効屈折率の位置とともにファイバが曲げを受けたときの等価屈折率プロファイルの変化を示す図である。 ＬＭＡファイバ内のＨＯＭ信号と関連する実効屈折率の位置を説明し、コア領域内でＨＯＭの実効屈折率が曲げにより誘起される等価屈折率よりも下にとどまっていることを明らかに示す図３と同様の図である。 本発明により形成された例示の曲げに抵抗力のある高振動性のＬＭＡファイバの屈折率プロファイルを含む図である。 通常のＬＭＡファイバおよび本発明の高振動性のＬＭＡファイバの双方について、ファイバの曲げ半径に応じた有効コア面積の変化のプロットを示す図である。 図５の例示のファイバの２つの異なる高次モードに対して、「まっすぐな」ファイバの条件および「曲げられた」ファイバの条件の両方のもとでシミュレートされたフィールド・プロファイルを含む図である。 本発明により形成されたＨＯＭ ＬＭＡファイバの（十分に高振動性でない）ＬＰ_０３モードおよび（高振動性である）ＬＰ_０７モードに対して、「まっすぐな」ファイバと「曲げられた」ファイバとの間のモード・オーバーラップのプロットを示す図である。

Claims (9)

1. 曲げにより誘起される歪みが最小化されるように光信号をラージ・モード・エリア（ＬＭＡ）光ファイバ内で伝播させる方法であって、
   Ｒ_ｃｏｒｅと定義される半径およびｎ_ｃｏｒｅと定義される屈折率とを伴うコア領域を有するＬＭＡファイバを用意する工程を含み、前記ＬＭＡファイバは、所定の曲げ半径Ｒ_ｂｅｎｄに沿って曲げられたときに曲げられたファイバの屈折率Δｎ_ｂｅｎｄを示すものであり、さらに、
   前記ＬＭＡ光ファイバ内を規定波長λで伝播する高振動性モードの信号から出力信号を結合する工程とを含み、前記高振動性モードの信号は有効モード・エリアＡ_ｅｆｆを示し、そして、前記高振動性モードは、ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｅｆｆ（すなわちΔｎ_ｅｆｆ）が曲げにより誘起される歪みを最小化するのに十分な所定のしきい値よりも大きくなるような実効屈折率ｎ_ｅｆｆを示すように選択されることを特徴とする方法。
2. 前記所定のしきい値がＣ_１Δｎ_ｂｅｎｄと定義され、ここでＣ_１は、許容できる程度の曲げにより誘起される歪みと関連する所定の定数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記所定のしきい値がＣ_２（λ^２／Ａ_ｅｆｆ）と定義され、ここでＣ_２は、許容できる程度の曲げにより誘起される歪みと関連する所定の定数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記所定のしきい値がＣ_３（λ／Ｒ_ｃｏｒｅ）^２と定義され、ここでＣ_３は、許容できる程度の曲げにより誘起される歪みと関連する所定の定数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記有効コア面積Ａ_ｅｆｆは６００μｍ^２より大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記高振動性モードの信号は、ＬＰ_０３モードの実効屈折率より下の実効屈折率を伴う高次モードを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記ＬＭＡファイバは前記コア領域の内部に増幅利得用材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記ＬＭＡファイバは、前記高振動性の信号を前記ＬＭＡファイバの中にまたは前記ＬＭＡファイバから効率的に結合させることを可能とするように構成された屈折率プロファイルを示す請求項１に記載の方法。
9. 前記ＬＭＡファイバは微細構造化された領域を備える請求項１に記載の方法。