JP6113748B2 - 曲げ補償型フィルタ・ファイバ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１２月１４日に出願された米国特許仮出願第６１／５７０，３８９号、および２０１１年１２月１４日に出願された米国特許仮出願第６１／５７０，４０３号の利益を主張し、それらの開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に、光ファイバに関する。より詳細には、本発明は、光フィルタとして使用される大モード面積ファイバであり、かつファイバのフィルタリングの性質への曲げ誘起制限を最小にする屈折率プロファイルを示す大モード面積ファイバに関する。

光ファイバ・ベース技術の分野では、光のいくつかの波長をフィルタ処理または抑制することが望ましい、ファイバ・ベース光フィルタを含む大モード面積ファイバの使用への関心が増加している。このような大モード面積フィルタ・ファイバは様々な非線形障害を克服することが知られている。例えば、いくつかのファイバ増幅器およびレーザでは、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）がパワーおよび効率を制限することがある。ＳＲＳに関連する波長を抑制すると、そのような増幅器およびレーザの性能が著しく改善されることが実証されている。いくつかの増幅器は、両立しないまたは本質的により低い利得の波長（例えば、９４０ｎｍ）の効率的な増幅を行うために、１つの波長（例えば、１０６０ｎｍ）での自然放出の増幅またはスプリアス・レイジング（ｓｐｕｒｉｏｕｓ ｌａｓｉｎｇ）の抑制を必要とすることもある。同様に、波長フィルタリングの著しい利点が電気通信、センシングなどのような用途で実証されている。

大モード面積フィルタ・ファイバでは、通常、フィルタリングの程度と、実効面積と、曲げ損失との間にトレードオフがあり、例えば、所要のフィルタリングの程度は、モード面積が増加するにつれて達成することがより困難になる。他の性質（ビーム品質、ポンプ吸収、複屈折など）が、全体的な性能に重要な役割を果たし、フィルタリングの程度を制限することもある。

曲げ摂動が、曲げ損失とフィルタリングの程度との両方を決定するのに重要な役割を果たす。動作の際に従来のフィルタ・ファイバを適正に取り扱いおよびパッケージングするのに通常必要とされる曲げ半径では、曲げ摂動は達成可能な性能を著しく劣化させる。

例えば、従来のフィルタ・ファイバがハイパワー増幅器およびレーザで使用される場合、全体的なシステム性能（出力パワー、パルス・エネルギーなど）は、フィルタ・ファイバが実用的なコイル・サイズで配置されるときに大きい実効面積、低い曲げ損失、および強いフィルタリングが達成されないことによって制限される。

光フィルタ・ファイバの曲げ誘起損失を最小にするために少なくとも２つの異なる手法が使用されている。１つの手法では、非常に曲げ耐性のあるロッド様ファイバを組み込むことによって複合フィルタ・ファイバが実質的にまっすぐに保たれる。フィルタ・ファイバが実質的に直線のままであるように強制することによって、曲げ誘起損失を著しく減少させることができる。この手法は、特にファイバ長が約１メートル以上である場合、多くの用途で実用的でないことがある。すなわち、この手法は、大面積、低い損失、および強いフィルタリングを達成することができるが、いくつかの用途で必要とされるファイバ配置への制約条件を満たさないことがある。

第２の手法は、（ファイバ配置に関するパッケージングおよび他の実用上の制約条件と両立して）使用されるべき特定の「コイル化」を規定し、次に、特定のコイル化半径（および巻数）に基づいてフィルタ・ファイバを利用することによって一定の曲げ損失を予め設定することに関連する。この手法は、上述の曲げ誘起制限、例えば、モード面積と、曲げ損失、およびフィルタリングの間のトレードオフの支配を受ける。同様に、この手法は、大面積フィルタ・ファイバの用途を制限し、ならびに現場設置の際の修正およびフィルタ・ファイバの使用の際の変形を制限すると考えられる。

したがって、ファイバが実用的なコイル・サイズで配置されるときに大きい実効面積、低い曲げ損失、および強いフィルタリングを同時に達成する大モード面積フィルタ・ファイバへの必要性が当技術分野で残されている。

上述の問題が対処され、技術的解決策が、長手軸を有するコア領域を含む光ファイバを提供することによって当技術分野において達成される。クラッド領域がコア領域を囲む。コア領域およびクラッド領域は、コア領域における基本横モードの信号光の軸の方向への伝搬を支持し導波するように構成されている。ファイバは曲げ誘起等価屈折率を有し、クラッド領域のこの勾配は、モードの損失およびフィルタリングの性質に強い影響力を有する。クラッド領域の少なくとも一部分は、曲げ誘起勾配の屈折率と反対のグレーデッド屈折率を有する。クラッド領域は、光ファイバの曲がりに応じて実質的に平坦な等価屈折率を有するように構成されている。

一実施形態では、グレーデッド屈折率の傾き（ファイバがまっすぐにされているときの）は、実質的に負となりうる。グレーデッド屈折率は、実質的に一定の傾きを有する直線とすることができる。一実施形態では、グレーデッド屈折率の傾きは、所定の数の段を含む。

一実施形態では、クラッド領域は、内側クラッド領域と外側クラッド領域とを含み、光ファイバは、コア領域と内側クラッド領域との間に形成されたトレンチ領域をさらに含む。曲げ誘起勾配と反対のグレーデッド屈折率を有するクラッド領域の一部分が、内側クラッド領域の少なくとも一部分にわたって延在することができる。任意のファイバの所与のモードに関して、曲げの臨界半径はフィルタリングの性質の重要な測定規準である。曲げ誘起勾配と反対の屈折率傾きを有する領域を導入することによって、提案する方策は、臨界半径を設計によって決定できるようにする。例えば、曲げ誘起勾配と反対のグレーデッド屈折率を有するクラッド領域の一部分は、内側クラッド領域と外側クラッド領域とを分ける境界まで延在することができる。そのような場合、臨界半径もこの境界まで延在することができる。光ファイバは、低波長において実質的に損失なしで基本モードを導波し、大きい波長において高い損失を示すように構成されている。

１つの実施形態では、外側クラッド領域およびトレンチ領域は同じ屈折率を有することができる。内側クラッド領域の事前補償された部分の半径方向位置の関数としてのファイバの材料屈折率は、モード実効屈折率から補償項を引いたものに等しくすることができる。

別の実施形態では、外側クラッド領域は、少なくとも１つのガラス管、または非ドープ・シリカから形成される。少なくとも１つのガラス管は、例えば、Ｈｅｒａｅｕｓ Ｆ３００ガラスなどの市販の管を含むことができる。トレンチ領域は、非ドープ・シリカまたは少なくとも１つのガラス管から形成することができる。

１つの実施形態では、コア領域は、その屈折率をクラッド領域の屈折率より上に増加させる少なくとも１つのドーパントを含むことができる。少なくとも１つのドーパントは、Ｇｅ、Ａｌ、およびＰのうちの少なくとも１つとすることができる。別の実施形態では、コア領域は、屈折率を減少させる少なくとも１つのドーパントを含むことができ、そのドーパントはＦまたはＢとすることができる。別の実施形態では、コア領域は、光ファイバが利得生成するようにする少なくとも１つのドーパントを含むことができ、そのドーパントは希土類元素またはＣｒとすることができる。

コア領域の断面は、円形、環状、楕円、多角形、または他のより複雑な形状とすることができる。

上述の問題が対処され、技術的解決策が、光ファイバを製造する方法を提供することによって当技術分野において達成され、この方法は、長手軸を有するコア領域を形成するステップと、コア領域を囲むクラッド領域を形成するステップであって、コア領域およびクラッド領域が、コア領域における基本横モードの信号光の軸の方向への伝搬を支持し導波するように構成され、ファイバ・プロファイルが、モードの導波の際に損失を示す等価屈折率の曲げ誘起勾配を有し、クラッドの少なくとも一部分が、曲げ誘起勾配と反対のグレーデッド屈折率を有する、ステップとを含む。１つの実施形態では、光ファイバは、ＭＶＣＤ堆積法またはスタッキング法を使用して製作することができる。

本発明は、添付図面に関連して考えられる以下で提示される例示的な実施形態の詳細な説明からより容易に理解することができ、同様の参照番号は同様の要素を参照する。

本発明の一実施形態による大モード面積フィルタ・ファイバのグレーデッド屈折率コア領域の概略図である。 定義済みの曲げ半径を示すように曲げられた従来の大コア直径光ファイバの例示的な区間を示す図である。 従来の非フィルタリング・ファイバの屈折率への曲げの影響を示すグラフであり、図３Ａは、ファイバの実質的に「まっすぐな」区間の屈折率プロファイルを示し、図３Ｂは、図２で曲げられたファイバの等価屈折率プロファイルを示す。 屈折率プロファイルを有する単一の従来のフィルタ・ファイバのフィルタリング損失対波長をグラフで示す図である。 各々が約１２ｃｍの曲げ半径を有するいくつかの従来の曲げフィルタ・ファイバのフィルタリング損失対実効面積Ａ_ｅｆｆのプロットである。 まっすぐな従来のフィルタ・ファイバの屈折率プロファイルのグラフである。 曲げられたときの従来のフィルタ・ファイバの等価屈折率プロファイルのグラフである。 本発明の一実施形態による、事前補償された、まっすぐであるときのフィルタ・ファイバの屈折率プロファイルのグラフである。 本発明の一実施形態による、事前補償された、曲げられたときのフィルタ・ファイバの等価屈折率プロファイルのグラフである。 図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、本発明の一実施形態による、事前補償された、まっすぐであるときのフィルタ・ファイバの追加の屈折率プロファイル、および事前補償された、曲げられたときのフィルタ・ファイバの追加の屈折率プロファイルを示すグラフである。 屈折率プロファイルの不規則、および結果として生じる合計した全屈折率プロファイルと一緒にプロットされた例示的な目標屈折率プロファイルを示すグラフである。 本発明の一実施形態による、事前補償されるように設計されたフィルタ・ファイバの中心からの距離に対する、まっすぐな状態での相対屈折率のプロファイル、および事前補償されるように設計されたフィルタ・ファイバの中心からの距離に対する、曲げられた状態での相対屈折率のプロファイルを示すグラフである。 本発明の一実施形態による、事前補償されるように設計されたフィルタ・ファイバの中心からの距離に対する、まっすぐな状態での相対屈折率のプロファイル、および事前補償されるように設計されたフィルタ・ファイバの中心からの距離に対する、曲げられた状態での相対屈折率のプロファイルを示すグラフである。 各々が約１２ｃｍの曲げ半径を有する２つの提案する設計およびいくつかの従来の曲げフィルタ・ファイバのフィルタリング損失対実効面積Ａ_ｅｆｆのプロットである。 本発明の一実施形態による制約されていない曲げ補償屈折率プロファイルの１つの例を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、ｎ_ｏｕｔ−ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}が、利用可能な好ましい材料ＡおよびＢでのｎ_Ａ−ｎ_Ｂに一致するように制約された曲げ補償プロファイルを示すグ トレンチの屈折率が外側クラッドの屈折率に等しい屈折率制約条件で設計された事前補償されたフィルタ・ファイバを示すグラフである。 本発明の一実施形態による、γｎ／Ｒ_ｂｅｎｄの内側クラッド領域の仮定した直線勾配を有する曲げ補償プロファイルを設計するための大まかな技法を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、γｎ／Ｒ_ｂｅｎｄの内側クラッド領域の仮定した直線勾配を有する曲げ補償プロファイルを設計するための大まかな技法を示すグラフである。

添付図面は本発明の概念を示すためのものであり、原寸に比例していないことがあることを理解されたい。

図１は、本発明の一実施形態による大モード面積フィルタ・ファイバ１００のコア領域の概略図である。フィルタ・ファイバ１００は、長手軸１０４を有するコア領域１０２と、コア領域を囲むクラッド領域１０６とを含むことができる。コア領域１０２およびクラッド領域１０６は、コア領域１０２における信号光の軸１０４の方向への伝搬を支持し導波するように構成することができる。このために、コア領域１０２（ｎ_ｃｏｒｅ＝ｎ_ｃ）の屈折率はクラッド領域１０６（ｎ_ｃｌａｄ）よりも大きい。好ましくは、コア領域１０２およびクラッド領域１０６は、信号光を信号光の中心波長において基本横モードで優先的に伝搬するように構成されている。

信号光の中心波長という用語は、線幅拡大のよく知られている現象、すなわち、信号源は正確には単一波長で光を放出しないことを認識するように意図される。むしろ、すべての光源は、強度が一般に最大である中心波長で、ならびに中心波長の両側に延びるある範囲の波長でより低い強度で放出する。この範囲は線幅として知られている。以下、信号の波長は本質的にゼロでない線幅で特徴づけられる信号光を指すと理解される。

フィルタ・ファイバ１００は、例えば、伝送システム、アクセスシステム、センサ装置、自動車などを含む様々な用途で使用される標準の非利得生成ファイバとすることができる。代替として、フィルタ・ファイバ１００は、例えば、光ファイバ増幅器および光ファイバ・レーザに応用される利得生成フィルタ・ファイバとすることができる。

コア領域１０２は単一の領域とすることができ、または２つ以上の異なる領域の複合体とすることができる。コア領域（複数可）は、屈折率の勾配を有することができ、例えば、異なるドーパント、異なる屈折率、および／または利得生成フィルタ・ファイバの場合には異なる光利得を有することができる。クラッド領域１０６は２つ以上の異なる領域の複合体とすることができる。コア領域と同様に、クラッド領域は、例えば、異なるドーパントおよび／または異なる屈折率を有することができる。したがって、クラッド領域１０６は、内側クラッド領域と、内側クラッド領域の半径方向外側に配置された１つまたは複数の外側クラッド領域（図示せず）とを含むことができる。外側クラッド領域は、例えば、内側クラッド領域の屈折率よりも小さい屈折率を有するダウンドープ領域（またはトレンチ）を含むことができる。内側クラッド領域の屈折率（ｎ_ｃｌａｄ）は、多くの場合コントラスト（ｃｏｎｔｒａｓｔ）と呼ばれる他の屈折率差をΔｎ_ｃ＝ｎ_ｃｏｒｅ−ｎ_ｃｌａｄを用いて測定するための基準系（ａ ｆｒａｍｅ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を構成する。

光フィルタ・ファイバ１００は、シリカと、特定の領域の１つまたは複数の好適なドーパントとで製作することができる。例えば、コア領域１０２は、実質的に純粋なまたはアンドープのシリカを含むことができるクラッド領域１０６の屈折率より上に屈折率を増加させる１つまたは複数のドーパントを含むことができる。例示的な屈折率増加ドーパントはＧｅ、Ａｌ、およびＰを含む。しかし、当業者にはよく知られている理由で、コア領域１０２は、ＦまたはＢなどの１つまたは複数の屈折率低減ドーパントを含むこともある。同様に、内側クラッド領域のいくつかの部分は、トレンチを形成するために１つまたは複数の屈折率低減ドーパントを含むことがある。いくつかの領域は屈折率増加ドーパントと屈折率低減ドーパントとを含むことがある。

フィルタ・ファイバ１００が利得生成ファイバである場合、コア領域１０２は少なくとも１つの利得生成ドーパント（例えば、希土類元素またはＣｒ）を含むことができる。利得生成ドーパントはコア領域１０２全体の全域にわたって分布することができ、またはコア領域１０２の一部分にのみ閉じ込めることができる。

前述の説明の半径という用語の使用は、コア領域１０２の断面が円形および／または環状であることを意味するが、実際には、コア領域１０２は非円形であることがあり、例えば、コア領域１０２は楕円、多角形、または他のより複雑な形状であることがある。それにもかかわらず、当技術分野で一般的であるように、半径という用語が簡単かつ明瞭にするために使用されることがある。

図２は、定義済みの曲げ半径を示すように曲げられた光ファイバ２００の例示的な区域を示す。図示のように、曲げられたファイバ２００は、図示のようなｘｙ方位の場合、曲げ半径Ｒ_ｂｅｎｄを有すると定義される。ファイバを曲げると、上記のように、損失、フィルタリング、および実効面積を含むモードの性質に変化が導入されることが見いだされている。特に、曲げられたファイバ２００の等価屈折率モデルは、以下のように、伝搬する光信号が半径Ｒ_ｂｅｎｄの曲がりのまわりを進むとき伝搬する光信号が異なる横位置ｘで「見る」異なる経路長を明らかにするように決定され、次に分析され、
であり、ここで、経路長は等価屈折率プロファイルｎ_ｅｑ ^２を定義することによって適合され、等価屈折率プロファイルｎ_ｅｑ ^２は、
であり、これは、光ファイバ材料の公称屈折率プロファイル（ｎ^２）の修正版であると見なされる。図３Ａおよび３Ｂは、従来の非フィルタリング・ファイバの屈折率への曲げの影響を示し、図３Ａは、ファイバの実質的に「まっすぐな」区間の屈折率プロファイルを示し、図３Ｂは、図２で曲げられたようなファイバの屈折率プロファイルを示す。図示のように、等価屈折率は、以下の関係の
によって定義される傾きに沿って上方にシフトされる。

上述で定義した等価屈折率モデルは、ファイバ（特に、大面積ファイバ）の曲げの効果がファイバ材料自体のプロファイル（低いコントラストを仮定する）に一定の屈折率勾配を付加するようにたとえることができるという結論になる。先行技術のファイバ設計は、等価屈折率プロファイルが曲げ誘起勾配に等しい傾きをクラッドにおいて有する［すなわち、クラッドが一定の材料屈折率を有する］という制限を受けるフィルタリングの性質を制御することに集中している。この制限は、モード面積、フィルタ性能、および曲げ損失の間に重要なトレードオフを課する。しかし、本発明によれば、発明者等は、等価屈折率プロファイルが曲げ誘起勾配よりも大きさの非常に小さい傾きを有する設計を考える。そのような場合、曲げ誘起勾配は、製作された屈折率プロファイルの傾きによって少なくとも部分的に相殺される。多くのハイパワー用途では、有害な非線形効果が信号光に生じないようにすることが重要である。このために、大モード面積（ＬＭＡ）のファイバが多くの場合使用される。ＬＭＡファイバは、比較的大きいモード・フィールド直径（ＭＦＤ）または比較的大きいモード・フィールド面積（Ａ_ｅｆｆ）を有する。当業者は、モード・フィールド形状が実質的にガウス形であるときのみＭＦＤおよびＡ_ｅｆｆが等価なパラメータであることを認識している。しかし、モード・フィールド形状が完全にガウス分布から外れている場合、ＭＦＤは、概して、非線形性に関連する導波モードのサイズを記述するのに最善の方法ではない。この場合、当産業界は、代わりに、
で与えられるＡ_ｅｆｆに頼り、ここで、Ｅはモードの電界の横方向空間包絡線であり、積分はファイバの断面積にわたって行われると理解される。モード・フィールド形状が、軸対称（すなわち、ファイバの長手方向回転軸のまわりに対称）のガウス関数に近い場合、ＭＦＤはモードの直径に対して適切な測定規準であり、
として表すことができ、ここで、ｒは動径座標である。モード・フィールド形状が軸対称ガウス関数に正確に等しい場合、Ａ_ｅｆｆ＝π×ＭＦＤ^２／４である。

ＬＭＡファイバは、有利には、非線形性の効果を減少させるが、ＬＭＡファイバは、不利には、曲げ歪みにより敏感であり、それがＡ_ｅｆｆを減少させ、光モードを半径方向に変位させて歪ませる。モード・サイズは、スプライス損失などの他の重要なシステム態様に影響を与えることがある。

従来のフィルタ・ファイバでは、モード面積とフィルタ選択性または鋭度との間に本質的なトレードオフがある。図４Ａは、挿入図に示された屈折率プロファイル（以下でより詳細に説明する）を有する単一の従来のフィルタ・ファイバのフィルタリング損失対波長をグラフで示す。図４Ｂは、各々が約１２ｃｍの曲げ半径を有するいくつかの従来の曲げフィルタ・ファイバのフィルタリング損失対実効面積Ａ_ｅｆｆのプロットである。図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、フィルタリング（または雑音波長抑制）を達成できる量に関して限界（黒色破線で示されるような）がある。この限界は実効面積とともに減少する。

図５Ａは、従来のまっすぐなフィルタ・ファイバの屈折率プロファイル７００である。図５Ｂは、フィルタ・ファイバが曲げられたときの従来のフィルタ・ファイバの屈折率プロファイル７００’である。図５Ａのまっすぐなファイバのプロファイルでは、プロファイル７００は、通常、ファイバ中心の近くのコア領域７０２で高い屈折率を示し、トレンチ７０６として知られる実質的に低い屈折率領域で落ち着く領域７０４の迅速に減少する屈折率と、それに続いて、クラッド領域７１０で平坦になる領域７０８の迅速に増加する屈折率とを伴う。

理想的には、摂動のない場合、図５Ａの従来のフィルタ・ファイバは、破線７１４（すなわち、短波長の実効屈折率ｎ_ｅｆｆを示す）で示されるように、損失なしで低波長の信号光のモードを厳密に導波するように構成されている。同時に、破線７１２（すなわち、長波長の実効屈折率ｎ_ｅｆｆを示す）で示されるように、図５Ａの従来のフィルタ・ファイバは、大きい波長で高い損失を示すように構成されている。

従来のフィルタ・ファイバは、図５Ｂに示されるように曲げを受けると漏洩性になる、すなわち、フィルタ・ファイバの等価屈折率プロファイル７００’は半径の増加とともに「上向き傾斜」または曲げ誘起勾配を示し、それはクラッド領域７１０で顕著である。クラッド領域７１０の臨界曲げ半径７１６において、破線７１４と傾斜したプロファイル７００’との交点によって表されるように、選択性は、より短い波長はもはや導波されないので低下する。

曲がりがきついほど、臨界半径がコア領域７０２の中心に近づき、その結果、次第により低い波長で選択性が減少する。これは、そのような設計に所望の実効モード面積よりも小さい実効モード面積を有することを強いる。したがって、従来のフィルタ・ファイバが原理的に達成できる理想的な性能は、実用的なコイル状フィルタ・ファイバでは達成することができない。

図６Ａは、本発明の一実施形態による、フィルタ・ファイバがまっすぐであるときの事前補償されたフィルタ・ファイバ８０１の屈折率プロファイル８００である。図６Ｂは、本発明の一実施形態による、フィルタ・ファイバが曲げられたときの事前補償されたフィルタ・ファイバ８０１’の屈折率プロファイル８００’である。事前補償されたフィルタ・ファイバ８０１、８０１’は、ファイバ中心の近くのコア領域８０２と、コア領域８０２のまわりに形成されたクラッド領域８０６とを含む。クラッド領域８０６は、コア領域８０２によって支持されるモードを導波するように構成されている。動作中に、クラッド領域８０６は、特定の波長でのモードの導波の際に損失を引き起こすように設計された屈折率を有する。一実施形態では、クラッド領域８０６の少なくとも一部分８０８は、実効曲げ誘起勾配と反対のグレーデッド屈折率を有する。

１つの実施形態では、クラッド領域８０６は、内側クラッド領域８１２と外側クラッド領域８１４とを含むことができる。トレンチ領域８１６を、コア８０２と内側クラッド領域８１２との間に形成することができる。図６Ａは、予想される曲げ誘起勾配を内側クラッド領域８１２の全範囲にわたって事前補償する屈折率の傾斜をもつサブ領域８０８を有する内側クラッド領域８１２を示す。

曲げ損失は、ファイバの等価屈折率がモードの実効屈折率に近い領域の屈折率プロファイルに最も敏感である。したがって、曲げ補償は、ファイバ・プロファイルのこの部分のみが図７Ａおよび図７Ｂに示すような事前補償傾斜を有する場合であっても有効でありうる。図７Ａを参照すると、１つの実施形態では、フィルタ・ファイバ９０１の屈折率９００の事前補償された傾斜は、好ましくは、内側クラッドの外側の領域を含む内側クラッド領域９１２の一部分９０８のみにわたって延びることができる。図７Ａは、実質的に連続的である事前補償された傾斜９０２を示す。図７Ｂを参照すると、代替の実施形態では、フィルタ・ファイバ９０１’は少数の立ち下がり段９１８を伴って製作されうる。図６Ａ、図７Ａ、図７Ｂにおいて、内側クラッド領域８１２、９１２のグレーデッド屈折率部分８０８、９０８は、曲げ誘起勾配と反対の勾配を有する。

図６Ａを再度参照すると、屈折率プロファイル８００は、ファイバ中心の近くのコア領域８０２で高い屈折率を示し、実質的に低い屈折率のトレンチ領域８１６で落ち着く領域８０３の迅速に減少する屈折率と、それに続いて、領域８０７の迅速に増加する屈折率とを伴う。クラッド領域で実質的な平坦部を示す図５Ａのフィルタ・ファイバとは対照的に、図６Ａの内側クラッド領域８１２の屈折率は、フィルタ・ファイバ８０１の予想される曲がりを事前補償するための立ち下がり傾斜またはグレーディングを示す。

摂動のない場合、図６Ａの事前補償されたフィルタ・ファイバ８０１は、損失なしで低波長の信号光のモードを厳密に導波し、大きい波長で高い損失を示すように構成されている。図６Ｂに示すような曲げを受けるとき、フィルタ・ファイバ８０１は漏洩性にならない、すなわち、フィルタ・ファイバの等価屈折率プロファイル８００’は、外側クラッド領域８１４との界面の臨界半径８２０まで半径が増加するのに対して実質的に平坦な等価屈折率を示す。それによって、選択性は、内側クラッド領域８１２の少なくとも一部分で維持される。今では、短波長漏洩の臨界半径８２０は、設計によって決定される。

図６Ａに示した実施形態では、フィルタ・ファイバ８０１の事前補償された部分８０８は、
ｄｎ／ｄｒ＝−ｎ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}／Ｒ_ｅｑ
の屈折率勾配を有し、ここで、ｎ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}はフィルタ・ファイバ８０１の公称屈折率（例えば、シリカの屈折率＝１．４５をもつ）であり、Ｒ_ｅｑはマルクーゼ・モデルの等価曲げ半径である。図６Ｂに示したように、フィルタ・ファイバ８０１が曲げられた場合、実質的に平坦な領域８２２を有し、それ故に、大きい実効モード面積により多く貢献する等価屈折率によって光学的性質が決定される。

１つの実施形態では、Ｒ_ｅｑは単にフィルタ・ファイバのコイルの物理的半径とすることができる。別の実施形態では、物理的コイル半径（Ｒ_ｃｏｉｌ）を歪みおよび他の効果に対して調整して、等価半径（例えば、Ｒ_ｅｑ＝Ｒ_ｃｏｉｌ／０．８）を提供することができる。さらに、実際のファイバの曲率半径は決して完全に一定ではなく、より小さい曲率半径をもつフィルタ・ファイバ８０１の部分が損失の大部分をもたらすことがあり、そのため、Ｒ_ｅｑは、より複雑な方法で細目にわたるファイバ取り扱いおよびレイアウトによって決まることがあり、経験的に決定されることがある。別の実施形態では、フィルタ・ファイバは予想される配置に対して設計され、異なる配置で利用されることがある。事前補償は、ある範囲の構成（例えば、コイル・サイズ）内で著しい利益を与えることができるが、予想される曲率と実際の曲率との間の不一致が大きいと、性能劣化（例えば、高い曲げ損失、不十分なフィルタリング、多モード化（ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅｄｎｅｓｓ）など）がもたらされることがある。

別の実施形態では、内側クラッド領域８１２、９１２の事前補償された部分の半径方向位置ｒの関数としてのフィルタ・ファイバの材料屈折率は、モード実効屈折率ｎ_ｅｆｆから補償項を引いたものにほぼ等しく、すなわち、
ｎ_{ｐｏｒｔｉｏｎ}≒ｎ_ｅｆｆ（１−ｒ／Ｒ_ｅｑ）
であり、ここで、Ｒ_ｅｑは５０ｃｍ未満であり、事前補償された部分の範囲は大きく、実例として、２０ミクロンを超える。

コア領域８０２の屈折率、コア領域８０２の半径、およびトレンチ領域８１６の屈折率は、一緒にして、実質的に、信号波長（低い損失が望ましい）および雑音波長（大きい抑制が望ましい）における基本モードの実効面積Ａ_ｅｆｆおよび実効屈折率ｎ_ｅｆｆを決定する。基本モードの実効屈折率に関するクラッド領域８０６の等価屈折率（補償傾斜および曲げ摂動を含む）は、信号波長および雑音波長での損失をそれぞれ決定する。好ましい実施形態では、クラッド領域８０６の等価屈折率は、信号波長の屈折率ｎ_ｅｆｆ（λ_{ｓｉｇｎａｌ}）より下であるが、クラッド領域８０６の可能な限り大きい部分にわたって雑音屈折率ｎ_ｅｆｆ（λ_{ｎｏｉｓｅ}）より上でなければならない。図６Ｂに示すように、これは、曲げ摂動が事前補償されている場合、最もよく達成される（たとえ曲げ摂動の補償が不完全である場合でもある程度まで達成することができる）。いくつかの好ましい実施形態では、事前補償されたフィルタ・ファイバ８０１は、大きい半径方向範囲がかなり大きい負の屈折率勾配を有しているクラッド領域８０６を含む。

製作された実際のプロファイルは、本開示の利益を有する当業者なら理解されるようにかなり大きい不規則を有することがある。図８は、屈折率プロファイルの不規則１００２、および結果として生じる合計した全屈折率プロファイル１００４と一緒にプロットされた例示的な目標屈折率プロファイル１０００を示す。全屈折率プロファイル１００４の勾配は、目標屈折率プロファイル１０００の勾配から著しく逸脱しているが、それにもかかわらず合計した全屈折率プロファイル１００４の計算された性能は非常に良好である。勾配の傾向または平滑化された勾配が、大きいクラッド領域にわたって目標勾配と一致していることが本開示の利益を有する当業者なら理解されよう。

図８に示すような一例では、目標屈折率プロファイルの勾配は、半径方向範囲が４０ミクロンを超える事前補償された領域を有することができる。

図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の一実施形態による、事前補償されるように設計されたフィルタ・ファイバの中心からの距離に対する、それぞれ、まっすぐおよび曲げられた状態での相対屈折率のプロファイルを示す。図示の例では、Ａ_ｅｆｆは、図９Ｃに示すように、従来のＷファイバよりも１０倍を超える選択性を伴って約１５０μｍ^２となるように選択されている。実効屈折率差は、およそｎ_ｅｆｆ（１０６０ｎｍ）−ｎ_ｅｆｆ（１１３５ｎｍ）≒０．６×１０^−４であるように選択されている。ファイバは半径方向に対称であるように選択されている。図８Ａ〜図８Ｃの例は、異なる信号損失閾値、例えば、０．１ｄＢ／ｍを使用することができることを示している。閾値は、最終的に、予想されるファイバ長および許容可能な信号損失に適合するように選ぶことができる。

同様に、雑音波長の抑制の程度は用途およびシステム・パラメータによって決まる。一般に、利得ファイバのファイバ長は、数メートルとすることができ（例えば、強力なポンプ吸収をもつコア・ポンプＹｂファイバでは）、または何十メートルとすることができる（例えば、クラッド・ポンプＥｒドープ・ファイバでは）。非利得ドープ・ファイバでは、長さは、１ｍよりも非常に短い長さを含む非常に広い範囲にわたって変わることができる。雑音損失の全量（雑音損失率×長さに等しい）は、少なくとも数ｄＢであるべきであるが、好ましくは２０ｄＢを超えるべきである。したがって、例えば、雑音損失率は、２０ｄＢの積を達成するために短いファイバ長（例えば、２ｍ）では１０ｄＢ／ｍを超えることが好ましい。より長い長さ（例えば、２０ｍ）では、１ｄＢ／ｍの損失は大きい全損失を引き起こすのに十分である。利得ファイバでは、信号損失および雑音損失の好適な比率は、ポンプ吸収を基準にして指定することができ（両方ともｄＢ／ｍ単位で指定される）、雑音損失は、ポンプ吸収の少なくとも２０％、好ましくはポンプ吸収の少なくとも１００％であるべきである。信号損失は、ポンプ吸収の５％未満、好ましくはポンプ吸収の１％未満であるべきである。

本発明は、主として、従来の手段で達成するには大きすぎる実効面積を対象としている。したがって、それは、主として、５０平方ミクロンを超える、特に１００平方ミクロンを超える実効面積を対象としている。

最良の性能を達成するには非常に正確に画定された屈折率プロファイルが望ましい。好ましい製作方法は、屈折率プロファイル精度を改善するか、製作をより容易にするか、またはコストを低減することができる。一実施形態では、曲げ補償フィルタ・ファイバは、従来の堆積（例えば、ＭＣＶＤ）、または「微細構造化」製作方法（スタッキング）によって製作することができる。そのような考慮事項および製造方法は設計に制約条件を課すことがある。図１０Ａは、制約されていない曲げ補償屈折率プロファイルの１つの例を示し、一方、図１０Ｂは、ｎ_ｏｕｔ−ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}が、利用可能な好ましい材料ＡおよびＢでのｎ_Ａ−ｎ_Ｂに一致するように制約された曲げ補償プロファイルを示す。他のパラメータ（例えば、トレンチ幅）は、この制約条件による設計要求事項を満たすように適合させることができる。

別の例では、外側クラッドは、純粋シリカまたは市販のガラス管から部分的に形成することができる。好ましくは、純粋シリカの屈折率、またはわずかに高い屈折率（０〜５ｅ^−４）をもつ管を使用することができ、それは、これらが低コストおよび高度に予測可能な屈折率を有するからである。他の領域は、純粋シリカまたは市販の管から形成することができる。例えば、トレンチ領域は純粋シリカとすることができる。

２つの領域間の屈折率差は、利用可能な好ましい材料によって制約されることがある。例えば、２つの領域は、同一の材料から形成され、ゼロの屈折率差、例えば、ｎ_ｏｕｔ−ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}≒０を有することができる。別の例では、名目上純粋でアンドープのシリカの屈折率は、不純物および欠陥のために製作条件および方法に応じて変化しうるというよく知られている事実が、Ｈｅｒａｅｕｓ Ｆ３００ガラスの１つの管を使用することによって利用されて、外側クラッドの一部を形成することができるが、トレンチは、気相堆積などの別の供給源に由来するアンドープ・シリカから形成されうる。これは、屈折率差、例えば、ｎ_ｏｕｔ−ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}≒５×１０^−４をもたらすことができる。

別の例では、事前補償されたフィルタ・ファイバは、トレンチ屈折率が外側クラッド屈折率に等しい図１１に示すような屈折率制約条件で設計することができる。

図１１に示すような一例では、目標屈折率プロファイルの勾配は、半径方向範囲が３０ミクロンを超える事前補償された領域を有することができる。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、γｎ／Ｒ_ｂｅｎｄの内側クラッド領域の仮定した直線勾配を有する曲げ補償されたプロファイルを設計するための大まかな技法を示す。内側クラッド領域において曲げを事前補償するために必要とされるグレーデッド屈折率は、Δｎ／Δｒ≒γｎ／Ｒ_ｂｅｎｄおよびγ≒１（γ≒０．８）であるように選択することができる。１つの例では、Ｒ_ｂｅｎｄ＝１２ｃｍ、γ≒０．８、勾配≒０．１／ｃｍ≒１０^−５／μｍである。簡単な構造により、２つの波長（λ_{ｓｉｇｎａｌ}およびλ_{ｎｏｉｓｅ}）間でどれだけの相対漏洩を達成できるかの推定が行われる。図１１Ｂに示すように、相対漏洩率の概算推定は以下の通りである。
κ＝（２π／λ）（２ｎΔｎ_ｅｆｆ）^１／２
フィールド≒ｅｘｐ（−Δκｒ）
相対漏洩≒ｅｘｐ（−２（２π／λ）（２ｎΔｎ_ｅｆｆ）^１／２Δｒ）
相対漏洩≒ｅｘｐ（−２κΔｒ）

例えば、Δｒ≒５０ミクロンおよびΔｎ_ｅｆｆ≒０．６×１０^−４である場合、相対漏洩は約４×１０^−４である。

例示的な実施形態は、本発明の単なる例証であり、上述の実施形態の多くの変形形態が本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって考案されうることを理解されたい。それ故に、そのような変形はすべて以下の特許請求の範囲およびその均等物の範囲に含まれることが意図される。

Claims (15)

1. 長手軸を有するコア領域と、
   前記コア領域を囲むクラッド領域であって、前記コア領域および前記クラッド領域が、前記コア領域における基本横モードの信号光の前記軸の方向への伝搬を支持し導波するように構成され、前記ファイバがその等価屈折率に曲げ誘起勾配を有し、クラッド領域の少なくとも一部分が、前記モードの前記曲げ誘起勾配と反対のグレーデッド屈折率を有する、クラッド領域と、
   を含み、
   前記モードの前記曲げ誘起勾配と反対の前記グレーデッド屈折率を前記クラッド領域に有する、屈折率のプロファイルは、前記クラッド領域の外側部の実効屈折率と該クラッド領域の内側部のトレンチ領域の実効屈折率との差、
   ｎ_ｏｕｔ−ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}
   が、前記クラッド領域の前記外側部における第１材料及び前記トレンチ領域における第２材料の実効屈折率との差、
   ｎ_Ａ−ｎ_Ｂ
   と一致するように制約されている、
   光ファイバ。
2. 前記クラッド領域が、前記光ファイバの曲がりに応じて実質的に平坦な等価屈折率を有するように構成されている、請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記グレーデッド屈折率の傾きが実質的に負である、請求項１に記載の光ファイバ。
4. 前記グレーデッド屈折率の傾きが一定である、請求項３に記載の光ファイバ。
5. 前記グレーデッド屈折率の傾きが、所定の数の段を含む、請求項３に記載の光ファイバ。
6. 前記クラッド領域が、内側クラッド領域と外側クラッド領域とを含み、前記光ファイバが、前記コア領域と前記内側クラッド領域との間に形成されたトレンチ領域をさらに含む、請求項１に記載の光ファイバ。
7. 前記曲げ誘起勾配と反対のグレーデッド屈折率を有するクラッド領域の前記一部分が、前記内側クラッド領域の少なくとも一部分にわたって延在する、請求項６に記載の光ファイバ。
8. 前記曲げ誘起勾配と反対のグレーデッド屈折率を有するクラッドの前記一部分が、前記内側クラッド領域と前記外側クラッド領域とを分ける境界まで延在する、請求項６に記載の光ファイバ。
9. 低波長においては実質的に損失なしで前記モードを導波し、大きい波長においては高い損失を示すように構成されている、請求項６に記載の光ファイバ。
10. 前記外側クラッド領域および前記トレンチ領域が同じ屈折率を有する、請求項６に記載の光ファイバ。
11. 前記内側クラッド領域の事前補償された部分の半径方向位置の関数としての前記ファイバの材料屈折率が、モード実効屈折率から補償項を引いたものに等しい、請求項６に記載の光ファイバ。
12. 前記コア領域が、その屈折率を前記クラッド領域の屈折率より上に増加させる少なくとも１つのドーパントを含む、請求項１に記載の光ファイバ。
13. 前記コア領域が、その屈折率を前記クラッド領域の屈折率を減少させる少なくとも１つのドーパントを含む、請求項１に記載の光ファイバ。
14. 前記コア領域が、前記光ファイバに利得生成を行わせる少なくとも１つのドーパントを含む、請求項１に記載の光ファイバ。
15. 前記コア領域の断面が、円形、環状、楕円、多角形、または他のより複雑な形状のうちの１つである、請求項１に記載の光ファイバ。