JP6571745B2 - ラージモードフィールド直径における伝搬をサポートする偏波保持ファイバ装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１２月１４日出願の米国仮特許出願第６２／４３４１８０号の利益を主張し、参照によりここに取り込まれる。
本発明は、偏波保持光ファイバ、より具体的には、１以上の高次モードをサポートするラージモードエリア内における偏波保持構造体の内包に関する。

偏波保持（ＰＭ）ファイバは、一般的に、コア領域（対称的構成）の対向側部に沿って長手方向に配設された一対の応力ロッドを利用して、光ファイバのコア領域に沿って伝搬する光信号内に応力誘起複屈折をもたらし、信号を直交偏波モードに分割する。応力ロッドは、母材から光ファイバの線引きプロセス中にロッドがファイバの最終形態内に「凍結された（frozen）」応力状態を形成するように、高い熱膨張を示す材料で形成される。各応力ロッドの直径（Ｄ）と、さらにコア領域の中心からのそのずれ（Ｒ１）は、実現され得る複屈折率の強度を決定する。大きな直径のロッド及び／又はコア領域の中心へのロッドの近接性は、より高い複屈折（すなわち、直交偏波モード間の大きな分割）の状態を形成する好適な設計である。

ＰＭファイバは、長年にわたって、主に標準的シングルモードファイバが用いられる状況で好適に使用され、すなわち、ファイバが比較的大きな直径の応力ロッドの最適配置を可能とするのに十分に大きな周囲のクラッド層によって約１０μｍ程度のコア領域を有している。

ハイパワー出力を要する状況では、ラージモードエリアのファイバが用いられればよく、これらのファイバは、４０〜５０μｍを上回るコア領域の直径を有することが知られている。これらのハイパワー光ファイバを利用する多くの設備は、未だにファイバをコイル状に巻くことができる（特定の場所でその「設置面積」を減少させる）ことを要し、したがって、ファイバの最大外径は通常、約１ｍｍ程度となる。これらの制約を考慮すると、応力ロッドが従来のファイバに使用されるのと同じ相対関係において大きなサイズのコアから分離されるハイパワーＰＭファイバを構成可能とすることは、実現的な選択肢ではない。

さらに、コアサイズが増加するにつれて、より多くのモードが伝搬可能となり、不要なモード結合（基本モードの高次モードへのモード結合と、さらに、種々の高次モード中の結合とを含む）が生じる。複屈折は「高速」及び「低速」軸に沿ったこれらのモードの縮退を分割するので、偏波保持配置内のモードの密度は従来の非ＰＭのラージモードエリアファイバよりも２桁高い（すなわち、高いモード密度である）。この高密度の状態は、レーザ又は増幅器の動作に必要な所望レベルのモード純度及び偏波消光による動作を阻害するものと当業者には考えられていた。その上、応力ロッドとコア領域の関係に非対称性が導入された結果として、この高いモード密度がファイバの曲げによって悪化すると考えられていた。

さらに、有用なＰＭラージモードエリアファイバは、光モードの間に所望の複屈折率を（通常、＞１０^−４の桁で）付加し、１メートルの典型的なファイバ長にわたって１０ｄＢを上回る偏波消光比（ＰＥＲ）を保持するのに加えて、種々の誘導モード中で十分に分離した伝搬定数を有する安定的空間分布などの他の特徴的特性を保持すると考えられる。

とりわけこれらの懸念によって、当業者は、レーザ又は増幅器のアプリケーションに有用な偏波保持ラージモードエリアファイバは提供する市販品として実現される可能性が低いという結論に達することになる。

上記の種々の問題及び懸念は、偏波保持光ファイバ、より具体的には、１以上の高次モードをサポートするラージモードエリアファイバ内の偏波保持構造体の内包に関する本発明によって対処される。

本発明の例示の実施形態によると、高次モード（ＨＯＭ）ファイバは、偏波保持光ファイバに沿って伝搬する特定の高次モードの空間モードプロファイルを過度に損なうことなく十分な度合いの複屈折を与える実質的にクラッド内の場所に一対の応力ロッドを含むことによって、偏波保持ファイバとして構成される。

以下に詳細に記載するように、パラメータのセットは、ファイバが曲げられた状況であっても、特定の高次モードに対してＨＯＭファイバ内に許容可能な複屈折及び偏波消光比（ＰＥＲ）を有する構成をもたらす、応力ロッドの直径（Ｄ）及びコア領域の中心からのロッドのずれ（Ｒ１）に関連付けられて開発された。本発明の種々の実施形態の構成は、５０ｃｍ未満に低下したファイバの曲げ半径に対して（空間モードプロファイルの最小変化による）所望の値の複屈折率を保持することが分かった。

本発明の例示の実施形態は、選択された１以上の高次モードの伝搬をサポートするための外側コアによって囲まれた、光信号の（基本モードＬＰ_０１などの）低次モードの伝搬をサポートするための内側中央コアを有する光ファイバの形態をとる。内側コアと外側コアの間の相対屈折率差は、基本モード及び高次モードの双方をサポートするように設計される。外側コアは、クラッド領域によって囲まれる。選択された１以上の高次モードの伝搬は、外側コアの屈折率の値よりも低い屈折率の値を示すクラッド領域によってサポートされる。これらの例示の実施形態の種々の構成は、１以上の分離したクラッド層を備え得る。内側クラッド層（外側コアに隣接している）は、外側クラッド層よりも低い屈折率の値を有するように形成されればよく、内側クラッド層は選択された１以上の高次モードをコアに閉じ込めるように構成され得る。一対の応力ロッドは、光ファイバ内に含まれ、実質的にクラッド領域内に配設され、内側コア領域に対して対称的に位置決めされる。５０〜１５０μｍの範囲内のＤ及び４０〜２００μｍの範囲内のＲ１の値は、本発明の１以上の実施形態による所望のラージモードフィールド直径に対して許容可能なレベルの複屈折を与えることが分かった。種々の実施形態では、長周期グレーティングが、ＰＭ−ＨＯＭファイバの入力及び出力においてモードカプラとして使用され得る。

ＰＭ−ＨＯＭファイバの適合性を評価するのに使用される特性の１つは、正規化有効面積であり、伝搬波長の二乗で除された有効面積Ａ_ｅｆｆとして定義される。本発明の目的のために、種々の例示のファイバ設計は、正規化ファイバ有効面積Ａ_ｅｆｆ／λ^２＞１０００におけるハイパワーアプリケーションに対して所望の偏波状態を保持（すなわち、定義される偏波消光比（ＰＥＲ）を保持）することができる。

本発明の例示の一実施形態は、外側コア（第２の屈折率の値を示す）が内側コアを囲むように配設され、第１の屈折率の値を有する所定サイズの内側コアを備えた偏波保持光ファイバの形態をとる。単一のクラッド層（又は複数のクラッド層）は外側コアを囲むように配設され、内側コア、外側コア及びクラッド（さらにそれらの相対屈折率の値）の組合せは、内側コアにおける基本ＬＰ０１モードを含む低次モード（ＬＯＭ）の伝搬、及び外側コア内の定義された１以上の高次ＬＰ_ｎｍモードの伝搬をサポートするように構成される。ＰＭファイバは、外側コアのいずれかの側部の実質的にクラッド層内に配設されて低速偏波軸を画定する共通軸に沿って配置された一対の応力ロッドをさらに含み、各応力ロッドが内側コアの中心と応力ロッドの内側縁部との間で同様の直径Ｄ及び同様の分離Ｒ１を示し、Ｄ及びＲ１の値は、定義された１以上の高次ＬＰ_ｎｍモードに対して所定の応力誘起複屈折を与えるように選択される。

本発明の他の例示の実施形態は、入来する低次モード光信号の伝搬をサポートするための光信号入力構成、光信号入力構成の出力端子に配設されて低次モードを選択された高次ＬＰ_ｎｍモードに変換するための入力モード変換器、及び入力モード変換器に連結された偏波保持高次モード（ＰＭ−ＨＯＭ）光ファイバを備えた偏波保持光学システムとして示されればよく、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバは選択された高次ＬＰ_ｎｍモードの伝搬をサポートする。ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ自体は、外側コア（第２の屈折率の値を示す）が内側コアを囲むように配設され、所定サイズで第１の屈折率の値を有する内側コアを含むように形成される。単一のクラッド層（又は複数のクラッド層）は外側コアを囲むように配設され、内側コア、外側コア及びクラッド（さらにそれらの相対屈折率の値）の組合せは、内側コアにおける基本ＬＰ０１モードを含む低次モード（ＬＯＭ）の伝搬、及び外側コア内の定義された１以上の高次ＬＰ_ｎｍモードの伝搬をサポートするように構成される。ＰＭファイバは、外側コアのいずれかの側部の実質的にクラッド層内に配設され、低速偏波軸を画定する共通軸に沿って配置された一対の応力ロッドをさらに含み、各応力ロッドが内側コアの中心と応力ロッドの内側縁部との間で同様の直径Ｄ及び同様の分離Ｒ１を示し、Ｄ及びＲ１の値は、定義された１以上の高次ＬＰ_ｎｍモードに対して所定の応力誘起複屈折を与えるように選択される。

本発明の種々の例示の実施形態は、光増幅器のためのＰＭ−ＨＯＭゲインファイバとして形成され得る。これらの場合には、光伝搬領域が、光ゲインを与え得るＴｍ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｈｏ又は他の希土類などの１以上の特定のドーパントを含むように形成される。

本発明の他の例示の実施形態は、同調周波数帯域幅の動作の単一偏波ＨＯＭ装置として形成され得る。これらの単一偏波の実施形態について、長周期グレーティングは、ＨＯＭ生成のソースとしての役割を果たすが、それと同時に異なる直交偏波状態に対して個別の周波数範囲にわたってモード変換をも与える。

本発明の他のさらなる態様及び実施形態は、以下の説明中に添付図面を参照することによって明らかとなる。

ここで図面を参照する。

図１は、本発明の例示の実施形態により形成された例示のＰＭ−ＨＯＭ光ファイバの断面ファイバである。 図２は、図１に示す例示のファイバについての屈折率プロファイルである。 図３は、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバの代替的例示の実施形態の断面図であり、クラッド内に配設された非円形の（ここでは楕円形の）応力ロッドを含む。 図４は、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバのさらに他の例示の実施形態の断面図であり、この場合には一対の非円形の（「Ｄ」形状の）応力ロッドを含む。 図５は、本発明の１以上の実施形態により形成されたＰＭ−ＨＯＭ光ファイバのさらに他の例示の実施形態を示し、この場合には外側コア領域とクラッド層の間に配設されたトレンチ領域を含む。 図６は、本発明の例示の実施形態によるＰＭ−ＨＯＭファイバの区画を利用する例示のハイパワー偏波保持光通信システムを示す。 図７は、ＰＭ−ＨＯＭファイバの区画の側面図であり、（ＰＭ−ＨＯＭファイバの区画の入力及び場合によっては出力における）モード変換に使用される長周期グレーティング（ＬＰＧ）を作成するプロセス中のファイバの好適な配向を示す。 図８は、図７の図示の側面図であり、具体的にはＰＭ−ＨＯＭファイバ内の応力ロッドに対する（ＬＰＧを作成するための）ＵＶ書込みビームの配向を示す。 図９は、本発明の１以上の実施形態により形成されたＰＭ−ＨＯＭ光ゲインファイバを利用するファイバベースの増幅器配置の図である。 図１０は、本発明の例示の実施形態により形成された（ファイバのコアにわたって軸方向に測定した）例示のＰＭ−ＨＯＭ光ファイバの電界及び複屈折率の双方のプロットを含む。 図１１は、ＰＭ−ＨＯＭファイバコア領域に対する応力ロッドの場所（Ｒ１）の関数としての複屈折率のプロットである。 図１２は、異なるＲ１の値のセットに対する応力ロッドの直径（Ｄ）の関数としての複屈折率のプロットのセットを含む。 図１３は、Ｒ１の関数としての複屈折率の値の２つのプロットを含み、一方のプロットは直径１００μｍの応力ロッドのものであり、他方は直径１２５μｍの応力ロッドに対応付けられている。 図１４は、２つの異なる直交偏波に対するＬＰＧが刻み込まれたＰＭ−ＨＯＭファイバの正規化伝送スペクトルを含み、光源からＰＭ−ＨＯＭファイバ（入力ＬＰＧを含むＰＭ−ＨＯＭファイバ）への光のインカップリング及びＰＭ−ＨＯＭファイバから光学スペクトルアナライザへの光のアウトカップリングについてのシングルモードファイバを使用する。

我々は、応力ロッドの直径Ｄ及び応力ロッドのずれＲ１（「ずれ」は光ファイバの中心と応力ロッドの内縁部との間の分離として定義される）の特定の範囲について、種々のハイパワーアプリケーション（例えば、レーザ、増幅器など）において満足に動作するＰＭ−ＨＯＭ光ファイバを構成することが可能であることを見出した。１０００より大きい正規化有効面積（Ａ_ｅｆｆ／λ^２）を有する光ファイバに対して、少なくとも１０^−４の複屈折率が得られた。応力ロッドの直径と、応力ロッドとコアの中心とのずれとの間のトレードオフを理解することによって、曲げられた場合（５０ｃｍ未満の曲げ半径を保持している）であっても、種々の伝搬光学モードの空間電界分布を過度に歪めることなく十分に複屈折が実現される特定の場所に応力ロッドを位置決めすることが可能であることが分かった。

図１は、本発明の例示の実施形態により形成されたＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０の断面図である。この場合、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０は、外側コア１４によって囲まれた内側コア１２を含む。高次モードの伝搬をサポートするために、内側コア１２及び外側コア１４の組合せは、（従来のシングルモード又はマルチモード光ファイバと比べて）比較的大きなコア直径を有する「ペデスタル」構成を備える。例えば、４０〜５０μｍの範囲の外側コア１４の直径は、大きなコア直径のアプリケーションに標準的である。

クラッド層１８は、外側コア１４を囲むように配設される。一対の応力ロッド２０は、クラッド層１８のものとは大幅に異なる熱膨張率（ＣＴＥ）を有する材料で形成される。図１に示すように、一対の応力ロッド２０は、実質的にクラッド層１８内に配設され、内側コア１２の中心に対して対称的に位置決めされる。本発明の例示の実施形態では、応力ロッド２０は、（好ましくは１０モル％から３０モル％の範囲のボロン濃度の）ボロンドープシリカを含む。一般的に、応力ロッド２０は、線引きされた光ファイバ内に応力誘起複屈折をもたらすのに要する（クラッド層１８を形成する材料のＣＴＥに対して）ＣＴＥに必須の差を示す任意の材料から形成されればよい。例示の一実施形態では、応力ロッド２０は、２．３７×１０^−６／ＫのＣＴＥを示すように形成され、それは０．５×１０^−６のＣＴＥを有する周囲のシリカクラッド層１８と比べてＣＴＥに約１．８７×１０^−６／Ｋの差（ここでは様々にΔＣＴＥともいう）を生じ、所望の複屈折率を与える。一般的に、約０．５×１０^−６／Ｋから７．５×１０^−６／Ｋの範囲のΔＣＴＥが、本発明の目的に対して有用であると見なされる。これに限定されないが、Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２及びＢ_２Ｏ_３＋Ｐ_２Ｏ_５＋ＳｉＯ_２などの材料が、（１０〜３０モル％のＢドーパント濃度及び０〜２０モル％のＰドーパント濃度で）使用された。Ｇｅ及びＦなどの他のドーパントが使用されてもよい。さらに、以下に記載するように、応力ロッドは円形の幾何学形状を有するものに限定されない。

図１に示すようなコア構造は、内側コア１２内に伝搬光信号の基本モードＬＰ_０１を誘導し、内側コア１２及び外側コア１４の双方内に高次モード（ＨＯＭ）、例えば、ＬＰ_０３及び／又はＬＰ_０８を伝搬するように設計される。一般的に、内側コア１２は、これに限定されないが、ＬＰ_１１、ＬＰ_１２及びＬＰ_２１モードを含む種々の他の非基本低次モードを伝搬するように構成され得る。内側コア１２と外側コア１４の間の相対屈折率差は、基本ＬＰ_０１モード及び高次モード（ＨＯＭ）の双方をサポートするように設計される。一般的に、内側コア１２は、外側コア１４よりも高い屈折率を有する（例えば、図２の屈折率プロファイル参照）。ただし、例えば、トレンチがコア領域のいずれかよりも低い屈折率を有する低下した屈折率のトレンチが内側コア１２と外側コア１４の間に含まれ得る発明の教示に従って、ＰＭ−ＨＯＭファイバを作り出す際に考慮する点について、他の実施形態も検討する。この場合には、トレンチの幅は、ＨＯＭを実質的に外側コア１４内に誘導するように選択される。

光学的母材（プリフォーム）からファイバが線引きされる製造プロセス中に、大きなΔＣＴＥの応力ロッド２０の存在によって、ファイバの断面にわたって不均一な半径方向応力分布が形成され、この不均一な応力がファイバの最終形態に「凍結されて」残る。その結果、その後にファイバ内を伝搬する光信号は、ファイバの直交する「高速」及び「低速」軸として表記される直交偏波モードに信号を分割する応力誘起複屈折を受ける。

上記のように、そして以下で詳細を説明するように、応力ロッドの直径Ｄと、さらに（図１に示すような）内側コア１２の中心からのそれらのずれＲ１は、本発明の１以上の実施形態により選択されて、誘導された高次モードの空間モードプロファイルに非対称性を導入する電位を最小化しつつ、内側コア１２及び外側コア１４内を伝搬する選択されたＨＯＭに可能な限り高い応力誘起複屈折を実現する。この場合も、種々の実施形態は、外側コア１４にＨＯＭを閉じ込める際の補助として、内側コア１２と外側コア１４の間に低下した屈折率のトレンチを含んでいてもよいことが理解されるはずである。

図２は、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０の屈折率プロファイルであり、この説明の場合には、プロファイルが「低速」の水平偏波軸に関連付けられ、伝搬光信号は応力ロッドの存在によって影響を受ける。上記のように、応力ロッド２０は、クラッド層１８に対して大きなΔＣＴＥをもたらす材料（例えば、ホウケイ酸ガラス）で形成される。ホウケイ酸ガラスを使用するのは、図２に示すようにこの材料が低い屈折率の値を示す場合である（実際、屈折率の値はクラッド層１８の屈折率と同様であればよい）。この低い屈折率の値は、応力誘起複屈折をもたらすのに要する熱膨張特性に差を設けるために必要であるが、伝搬ビームを歪める形態でファイバの波動誘導特性を変化させることがある。他の例示の実施形態では、応力ロッド２０の組成は、シリカガラスと実質的に同じ屈折率の値を示すように構成され得るので、変形の問題を最小化する。他で記載したように、応力ロッド２０を形成するのにＰ及びＧｅなどのドーパントがボロンと組み合わせて又はボロンの代わりに使用されてもよく、これらの種々の代替例はシリカガラスに近似した屈折率の値を示し得る。

図３は、本発明の代替的例示の実施形態の断面図である。ここで、一対の非円形応力ロッド２２は、実質的にクラッド領域１８内に配設され内側コア１２に対して対称的に位置決めされる。図示するように、応力ロッド２２は楕円形の形態であり、この特定の構成では、各ロッドの主軸が光ファイバ内に誘起された偏波状態の「低速軸」に整合されている（一般的に、コアに対して任意の配向の応力ロッドが考えられる）。図１と関連して上記の例示の実施形態と同様に、内側コア１２の中心と各非円形応力ロッド２２の内側端部との間のずれＲ１、及び応力ロッド２２の相当直径Ｄ_Ｍ（以下で定義される）の双方は、本発明の１以上の例示の実施形態により選択された高次モードの光信号の偏波保持伝搬を与えるように構成されたパラメータである。非円形応力ロッド２２について、ロッドの相当直径Ｄ_Ｍは（４Ａ_ｃｓ／π）^１／２で与えられ、ここでＡ_ｃｓは応力ロッドの断面積である。非円形応力ロッドを配置する際のＰＭ−ＨＯＭの複屈折分析について、相当直径「Ｄ_Ｍ」は円形応力ロッドの場合の「Ｄ」と同じ状況で使用される。

本発明のさらに他の例示の実施形態も、非円形応力ロッドを使用して図４に示される。この特定の例示の実施形態では、クラッド層１８は２つの分離層として形成され、内側クラッド層１８−Ｉは第１の屈折率の値を有し、外側クラッド層１８−Ｏは（内側層１８−Ｉに対して）高い第２の屈折率の値を有する。この特定の実施形態では、一対の「Ｄ」形状の非円形応力ロッド２４は、内側クラッド層１８−Ｉ内に配設され、外側クラッド層１８−Ｏとの境界線に配設される。ここでも応力ロッド２４の直径Ｄ及び内側コア１２の中心からのそれらのずれＲ１は、ＨＯＭファイバ内に所望の量の複屈折を与えるのに有用なファクタである。図３及び４に示す例示の「非円形」幾何学形状は単に例示であり、本発明の例示の実施形態に使用され得る他の多数の（例えば、周知の「ボウタイ」応力ロッド幾何学形状などの）幾何学形状が存在することが理解されるはずである。

図５は、本発明により形成されたさらに他の偏波保持光ファイバの断面図である。この特定の構成では、トレンチ層１６が外側コア１４とクラッド層１８の間に配設される。本技術分野では周知のように、（コアに対して）低下した屈折率の値を有するトレンチ層が、コア領域への伝搬信号の閉込めを維持するのに有用となり得る。応力ロッド２０は、本発明の例示の実施形態により形成された偏波保持構造体に使用される場合、トレンチ層１６の一部に重なり得る。トレンチ層１６の存在は、応力ロッド２０の存在によって生じる応力誘起複屈折に影響を与えるとは考えられない。

ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０の一区画を利用する例示の偏波保持ハイパワー光学システムを、図６に示す。この場合には、光信号入力構成は、従来のＰＭファイバ３０の区画に沿って伝搬し入来する（偏波した）光信号を利用するものとして示される。この例示の実施形態では、ＰＭファイバ３０は、基本ＬＰ_０１モード（又は他の非基本低次モード、例えば、ＬＰ_１１、ＬＰ_１２、ＬＰ_２１）の偏波保持伝搬を与える。種々のアプリケーション（レーザ、増幅器など）に必要とされるようなハイパワー配置を提供するために、ラージモードフィールドエリアを与えることが望ましい。したがって、本発明の例示の実施形態によると、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０の区画は、伝搬信号の偏波特性を維持しつつハイパワーな結果を実現するのに使用される。

図６に示すように、入力モード変換器３２（ここでは長周期グレーティング）は、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０の入力端に配設され、伝搬信号の入来基本ＬＰ_０１モード（又は他の非基本低次モード、例えば、ＬＰ_１１、ＬＰ_１２又はＬＰ_２１）を特定のハイパワーアプリケーションに有用な選択された高次モード（例えば、ＬＰ_０８）に変換するのに使用される。上記のように、ＬＰＧは、通常、ファイバコア領域の区画にグレーティング構造を「書き込む」ことによって形成され、モード変換を実行する形態で、コア領域の所定の長さに沿って屈折率を変化させる。本発明の種々の例示の実施形態によると、光ファイバは、ＬＰＧ製造中にＵＶビームがＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０の内側コア１２の高速軸に沿って確実に印加されるように配向されるのが好ましい。図７は（図５に示すように）ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０Ｃの内側コア１２へのＵＶ放射線の印加を示す側面図であり、ＵＶ放射線はＬＰＧ３２を作成するのに用いられ、図８はＰＭ−ＨＯＭファイバ１０Ｃの端面図であり、高速軸に沿った（すなわち、応力ロッド２０の位置に対して直交する）ＵＶ放射線の印加を示す。

種々の実施形態において、ＬＰＧ３２は、ファイバ１０の内側コア１２内にのみ形成され得る。他の実施形態では、外側コア１４はまた感光化され得るので、ＬＰＧ３２は、外側コア１４内にのみ刻み込まれてもよい。言い換えると、グレーティングは、低次モードと高次モードの相互作用に対する電界分布のオーバーラップファクタがファイバの断面にわたって「非ゼロ」となるように、（本発明の１以上の実施形態によると）内側／外側コア領域内に好適には形成され、それによって相互作用モード中でエネルギー交換（変換）が可能となる。

図６に戻ると、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０からの偏波保持高モード光出力信号は例示の出力構成に連結されものとして示され、この例では、出力信号経路に沿って伝搬する所望の低次モード（例えば、基本モードＬＰ_０１）信号に処理信号を再変換して戻すのに使用される第２のモード変換器３４を備える。例示の一実施形態では、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０からの出力は、従来のＰＭファイバ３６の区画に連結される。

図６に示す構成は例示にすぎず、光信号の入力及び出力構成の双方に他の多数の構成も可能であることが理解されるはずである。実際、特定のアプリケーションは、偏波保持モード変換器の使用を必要としないこともあり、モード変換を実行するのにＬＰＧ以外の構造体を利用してもよい。以下に説明するように、ラージモードエリア偏波保持光ファイバにおけるＬＰＧの作成によって特定の高次モードが発生し、それは（これに限定されないが、単一偏波アプリケーションなどの）特定のアプリケーションに使用され得る。

上記のように、本発明の例示の一実施形態は、偏波保持ファイバによる増幅器配置の形成に対応付けられる。図９は、ポンプ信号の存在において信号増幅を与えることが知られている１以上のドーパント（すなわち、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｈｏ又は他の希土類ドーパント）を含むように形成されたＰＭ−ＨＯＭファイバ６０を利用する例示の光増幅器を示す。

図９に示す例示の実施形態では、光信号の入力構成は、入来光信号Ｓの伝搬をサポートする従来の光ファイバ６２を備えるものとして示される。別々のポンプ波入力Ｐは波長分割マルチプレクサ６４（又は他の適切なタイプの光合成器）内の入来信号と合成され、信号Ｓ及びポンプＰの組合せは、この例示の実施形態では、信号Ｓ及びポンプＰの双方を所望の状態の偏波（ＳＯＰ）に沿って整合するのに使用される個別の偏波コントローラ６６を通過するものとして示される。

その後、信号及びポンプの偏波形態は入力モード変換器７２（例えば、ＬＰＧ）に通され、低次モードにおいて伝搬するエネルギーをＰＭ−ＨＯＭ６０によってサポートされた高次モードに変換する。ＰＭ−ＨＯＭ６０のドープファイバ内のポンプ波の存在によって、偏波光信号Ｓ内に光増幅が発生する。

ＰＭ−ＨＯＭ６０からの増幅された偏波出力信号を、この特定の例示の実施形態では、モード変換動作を実行するのにアキシコンレンズなどの光学レンズ７４を利用する出力信号構成に連結されるものとして図９に示す。本発明の種々の実施形態によると、モード変換を利用するいずれの配置も、偏波保持デバイスとして適切に構成されるべきである。さらに他の実施形態では、自由空間伝搬偏波ビームは、入来自由空間ビームをＰＭ−ＨＯＭファイバに連結するのに使用される（アキシコンレンズなどの）最適なレンズを用いて、ＰＭ−ＨＯＭファイバ１０、６０への入力として使用され得る。

ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０の例示の構成において実行される導波路分析に基づいて、異なるＬＰ_０ｍモードの電場Ｅ（θ，ｒ）が、（内側コア１２の中心から外向きに測定されるように）ファイバの半径方向の位置の関数として決定された。この分析の結果を、左の縦軸を参照して図１０に示す。また、図１０では、この同じ半径方向のスパンにわたって計算された（及び右の縦軸に関連付けられた）複屈折率Ｂ（ｒ，θ）がプロットされる。そして、ＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ１０の積分複屈折率は、以下のように定義され得る。

種々の高次モードＬＰ_０ｍの積分複屈折率は、以下の表１に示すように、基本（ＬＰ_０１）モードから大幅には変化しない。

応力誘起複屈折Ｂ（ｒ，θ）は方位（θ）角依存性を有するが、放射対称的なＬＰ_０ｍモードの電界は有していないことを留意することが有用である。したがって、「ｃｏｓ（２θ）」依存性を含む応力複屈折率の項は、０から３６０度のｃｏｓ（２θ）の積分がゼロとなるので無視できる。他のＨＯＭ（例えば、ＬＰ_ｎｍ）はｃｏｓ（２θ）依存性を有する応力複屈折を示すが、モード電界が実質的に応力ロッドの中心未満（例えば、一例では約１１２．５μｍ）の場合には、その影響は最小となる。したがって、複屈折率は他の放射非対称的なＨＯＭのＬＰ_ｎｍに導入され得ることが分かり、ここでｎ＜３及びｍ＞１である。

異なる応力ロッドの場所Ｒ１での複屈折率への影響を、図１１のプロットに示す。ここで決定された値は、内側コア１２の周囲で対称的に配設された１２５μｍの直径Ｄの円形応力ロッド２０の使用に基づく（図１１の挿入図に示す）。応力ロッドは内側コア１２から遠く離れて位置決めされるので、複屈折率の影響は弱くなり、結果として２つの軸の間で偏波の分離はほとんどないことがこのプロットから明らかである。一方、応力ロッドが内側コア１２に対してどれだけ接近して配置され得るかには制限（すなわち、Ｒ１の最小値）もあるが、それでもファイバのハイパワー要件には所望のラージモードエリアが与えられる。応力ロッドの場所についての関数として測定された有効面積Ａ_ｅｆｆも、図１１にプロットされる。

図１１のプロットに示す情報の検討では、発明のＰＭ−ＨＯＭ光ファイバの例示の実施形態は、約２×１０^−４の許容可能な複屈折率を与えるのと同時に、Ａ_ｅｆｆの最適値に対応して約５０μｍの応力ロッドの場所Ｒ１を利用するように設計され得る。応力ロッドの直径は最大複屈折率の値を生じるように選択される場合、応力の直径における小さなバラつきは、以下に説明するように、実際の複屈折率にはほとんど影響しない。

図１２は、本発明の例示の実施形態により形成されたＰＭ−ＨＯＭ光ファイバのセットに対する応力ロッドの直径の関数としての複屈折率のプロットのセットを含み、各実施形態は内側コアと応力ロッドの間の異なる（固定された）Ｒ１の分離に基づいている。ファイバの４００μｍの外径は各実施形態に対して保持され、所与のロッドの場所Ｒ１に対する異なる応力ロッドの直径Ｄ（８０μｍの最小値から１６０μｍの最大値の範囲にわたる）に関連付けられた複屈折率の値がプロットされた。

所与のＲ１の値に対する図１２に示す結果から、Ｒ１の値に対してファイバの複屈折率を最大化する最適な応力ロッドの直径Ｄが存在することを観測するのは興味深いことである。例えば、Ｒ１＝５０μｍの曲線で見ると、最大の複屈折率は約１１７μｍから１２８μｍの範囲で応力ロッドの直径に関連付けられる。より重要なことに、結果としての複屈折率はこの領域に沿った応力の直径と共に大幅には変化しないので、最適な直径も、より強固な処理に対して「スイートスポット」を与える。

図１３は、２つの異なる実施形態についてＲ１の関数としての複屈折率の特定のプロットを示し、一方では応力ロッドの直径が値Ｄ＝１２５μｍを有し、他方では応力ロッドがＤ＝１２０μｍを有する。これら２つの直径の値の複屈折率の差はわずかであり、図１３の領域Ａに示すＲ１の特定範囲（約５０〜７０μｍ）では差が最小となる。

特定周期のＬＰＧに関連付けられたモード変換共振波長が２つの直交偏波状態を区別するものであることを留意することが有用である。周期Λ_ＬＰＧのＬＰＧによるＬＰ_０１とＬＰ_０８モードとの間のモード変換の例では、高速及び低速偏波状態の共振波長が、異なる偏波状態におけるこれらのモードの有効指数に関連する。特に、共振波長は、
λ^ｓ＝Λ_ＬＰＧ（ｎ_０１ ^ｓ−ｎ_０ｍ ^ｓ）、
λ^ｆ＝Λ_ＬＰＧ（ｎ_０１ ^ｆ−ｎ_０ｍ ^ｆ）
のように与えられ、ここで上付き文字のｓ及びｆは低速及び高速偏波状態をそれぞれ表し、ｎ_０１及びｎ_０ｍはＬＰ_０１及びＬＰ_０ｍモードそれぞれの有効指数である。動作の現行の波長範囲内（すなわち、１０７０ｎｍ付近）では、ＰＭ−ＨＯＭファイバにおける２つの偏波状態のＬＰ_０１とＬＰ_０８モードの間のＬＰＧ共振波長の差はこれらのモードの複屈折率の値に関連し、それは、
λ^ｓ−λ^ｆ＝Λ_ＬＰＧ（（ｎ_０１ ^ｓ−ｎ_０１ ^ｆ）−（ｎ_０８ ^ｓ−ｎ_０８ ^ｆ））≒Λ_ＬＰＧ［Ｂ_０１−Ｂ_０８］
のように与えられ、ここで、Ｂ_０１及びＢ_０８は、それぞれＬＰ_０１及びＬＰ_０８モード複屈折率である。図１４は、高速及び低速偏波軸で測定されたＬＰ_０１とＬＰ_０８の間の共振波長の例を示す。

これは、ＰＭ−ＨＯＭファイバにおいて作製されたＬＰＧが、個別の偏波状態でのＨＯＭ生成に使用され得ることを示す。さらに、ＰＭ−ＨＯＭファイバにおいて作製されたＬＰＧはまた、図１４に示すように、適切な共振波長を選択することによって別々の偏波状態に対してモード変換を実行するのにも使用され得る。特定の偏波状態を有するＨＯＭのこの波長依存的生成は、単一偏波レーザ及び低コスト光センサなどの開発中の装置に非常に有用となり得る。しかしながら、非ＰＭファイバにおいて作製されたＬＰＧは、偏波状態に関わらず、同じモード変換共振波長を与えることに留意すべきである。つまり、ＰＭ−ＨＯＭファイバの例示の実施形態において内側コア、外側コア及びクラッド領域が（それらの屈折率及び寸法の観点から）適切に構成される場合、そのような例示のＰＭ−ＨＯＭファイバにおけるモード変換は、（これに限定されないが、放射状及び方位角状の偏波並びにハイブリッドモードを含む）種々の偏波及び配向の高次モードの励起を生成する。

要約すると、本発明の例示の実施形態によってＰＭ−ＨＯＭ光ファイバを構成する場合、内側コア１２と応力ロッド２０の間の分離Ｒ１は、高次ＬＰ_０ｍモードフィールド分布の整合（すなわち、モードの歪み及びモードの交差を回避すること）を保持する複屈折率の値Ｂの最大許容値によって支配されるので、実質的に一致したモードフィールドエリアを保持する。

したがって、２つのパラメータＤ及びＲ１は、２つの相反する制約：
１）複屈折率Ｂは、特定の値を上回ったままの状態を維持することが望まれる、及び
２）正規化有効面積は、非摂動ＨＯＭ構成に非常に近似した特定の値を上回ることが望まれる、
の下で選択され得る。つまり、応力ロッドの存在に起因する不均一な応力分布からのモードへのいずれの歪みも最小化することが１つの目的である。そのような不均一性は、モードプロファイルを歪めて、Ａ_ｅｆｆの値を低下させてしまう。

本発明の種々の例示の実施形態は、内側コア、外側コア及びクラッド（さらには存在する場合には、トレンチ）における屈折率を制御するのに使用される選択ドーパントを有するシリカベースのガラスを備える。ファイバの複屈折率は、それら（コア及び一対の応力ロッド）の中心が実質的に同一線上となるように、ファイバコアのいずれかの側部に位置するデュアル応力ロッドによって誘起される。応力ロッドは、クラッド層を形成する材料とは大幅に異なる熱膨張率を有するガラスで形成されるので、所望の応力特性及び低い屈折率を誘起し、したがって、空間モードにおける外乱を最小化する。本発明の例示の実施形態は、以下の寸法及び組成の範囲内：
１）クラッド層にわたって測定されるＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ全体の直径が１８０μｍから８００μｍである、
２）応力ロッドがクラッドのガラス材料のものとは大幅に異なるＣＴＥを示す材料で形成される（例えば、クラッドのＣＴＥと応力ロッドのＣＴＥと比較した場合、ΔＣＴＥが約０．５×１０^−６／Ｋから７．５×１０^−６／Ｋの範囲である）、
３）応力ロッドの直径（Ｄ）が約５０μｍから１５０μｍの範囲に及ぶ（応力ロッドは円形又は非円形であればよい）、
４）コアの中心と応力ロッドの間のずれ（Ｒ１）が約４０μｍから約２００μｍの範囲である、
で具現化され得る。

これらの値は、例示にすぎず、本発明の範囲内となると見なされるいくつかの様々な特定の実施形態を図示する目的のためのものである。

より一般的には、これらの例及び実施形態は、本発明の原理の単なる選択的説明であり、その範囲を限定しないことに留意すべきである。追加、省略、置換及び他の変形が、本発明の範囲から逸脱しない範囲内でなされ得る。したがって、本発明は、上記によって限定することなく、ここに添付する特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (9)

1. 偏波保持光ファイバであって、
   第１の屈折率の値及びサイズを有する内側コア、
   前記内側コアを囲むように配設された外側コアであって、前記第１の屈折率の値とは異なる第２の屈折率の値及び伝搬光信号の選択された高次モード（ＰＭ−ＨＯＭ）の伝搬をサポートするために十分な直径を有する外側コア、
   前記外側コアを囲むように配設されたクラッド層であって、該クラッド層が所定の屈折率の値を有し、前記内側コア、前記外側コア及び前記クラッド層の組合せは、前記内側コアが、前記伝搬光信号の基本ＬＰ _０１ モードの伝搬をサポートし、前記外側コアが前記伝搬光信号の定義された１以上の高次ＬＰ_ｎｍモードの伝搬をサポートするように構成されたクラッド層、及び
   前記外側コアのいずれかの側部において実質的に前記クラッド層内に配設され、低速偏波軸を画定する共通軸に沿って配置された一対の応力ロッドであって、該一対の応力ロッドが前記クラッド層の熱膨張率（ＣＴＥ）とは異なるＣＴＥを有する材料で形成され、各応力ロッドが同様の直径Ｄ及び前記内側コアの中心と応力ロッドの内側端部との間に同様の分離Ｒ１を示し、前記Ｄ及びＲ１の値が前記定義された１以上の高次ＬＰ_ｎｍモードに対して所定の応力誘起複屈折率を与えるように選択された一対の応力ロッド
   を備えた偏波保持光ファイバ。
2. 前記内側コアにおけるＬＯＭの前記伝搬をサポートし、前記外側コア及び前記クラッド層における高次ＬＰ_ｎｍモードの前記伝搬をサポートするために、前記第１の屈折率の値が、前記第２の屈折率の値よりも高い、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
3. 前記偏波保持光ファイバが前記内側コアと前記外側コアの間に配設された低下した屈折率のトレンチをさらに備え、該トレンチが前記第１及び第２の屈折率の値の双方よりも低い屈折率の値を有し、該トレンチが実質的に前記外側コア内で高次ＬＰ_ｎｍモードを誘導するように選択された幅を有するように構成される、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
4. 前記クラッド層が、
   前記外側コアに隣接して配置された内側クラッド層であって、前記第２の屈折率の値よりも低い屈折率の値を有する内側クラッド層、及び
   前記内側クラッド層を囲むように配設された外側クラッド層
   を備えた、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
5. 前記偏波保持光ファイバが前記外側コアと前記クラッド層の間に配設されたトレンチ領域をさらに備え、前記トレンチ領域が実質的に前記第２の屈折率の値よりも低い屈折率の値を有し、前記内側コア及び前記外側コア内に前記定義された高次ＬＰ_ｎｍモードの実質的な閉込めを与える、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
6. 前記一対の応力ロッドが、前記クラッド層とは異なる熱膨張率（ＣＴＥ）を有する材料で形成された、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
7. 前記偏波保持光ファイバが、前記内側コア及び前記外側コアのいずれか一方又は双方における光ポンプ波の存在で光ゲインを与えるように構成され、前記光ファイバが、前記内側コア及び前記外側コアのいずれか一方又は双方内に１以上の希土類ドーパント含む、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
8. 高次ＬＰ_ｎｍモードについて、ｎ＜３及びｍ＞１である、請求項１に記載の偏波保持光ファイバ。
9. 偏波保持光学システムであって、
   入来低次モード光信号の伝搬をサポートするための光信号入力構成、
   前記入来低次モードを選択された高次ＬＰ_ｎｍモードに変換するための前記光信号入力構成の出力端に配設された入力モード変換器、並びに
   前記入力モード変換器に連結され、前記選択された高次ＬＰ_ｎｍモードの伝搬をサポートするための偏波保持高次モード（ＰＭ−ＨＯＭ）光ファイバであって、
   入力信号の少なくとも前記入来低次モードの伝搬をサポートするようなサイズの内側コア、
   前記内側コアを囲むように配設された外側コアであって、前記選択された高次ＬＰ_ｎｍモードの伝搬をサポートするように選択された直径を有する外側コア、
   前記外側コアを囲むように配設されたクラッド層、及び
   前記外側コアのいずれかの側部の実質的に前記クラッド層内に配設され、低速偏波軸を画定する共通軸に沿って配置された一対の応力ロッドであって、該一対の応力ロッドが前記クラッド層の熱膨張率（ＣＴＥ）とは異なるＣＴＥを有する材料で形成され、各応力ロッドが同様の直径Ｄ及び前記内側コアの中心と応力ロッドの内側端部との間の同様の分離Ｒ１を示し、前記Ｄ及びＲ１の値が前記選択された１以上の高次ＬＰ_ｎｍモードに対して所定の応力誘起複屈折率を与えるように選択された一対の応力ロッド
   を含むＰＭ−ＨＯＭ光ファイバ
   を備えた偏波保持光学システム。