JP2014197193A

JP2014197193A - リング結合器

Info

Publication number: JP2014197193A
Application number: JP2014050458A
Authority: JP
Inventors: アール．ホーランドウィリアム; R Holland William
Original assignee: OFS Fitel LLC
Current assignee: OFS Fitel LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-10-16
Also published as: US9459407B2; EP2778727B1; EP2778727A1; US20140270644A1

Abstract

【課題】開口数（ＮＡ）が次第に変化するリング結合器を提供する。【解決手段】一端に環状断面１３０および第１の開口数（ＮＡ）を備える導波路。導波路はさらに、第２のＮＡを有する、もう一方の端に環状または円形断面１５０のいずれかを備える。導波路は、第１のＮＡ（一端での）から第２のＮＡ（もう一方の端での）に移行する、次第に変化するＮＡを有する。【選択図】図１Ａ

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、参照によりその全部が本明細書に組み込まれている、２０１３年３月１５日にHollandによって出願された米国仮特許出願第６１／７８７，２８３号、題名「Collapsible Ring Combiner」の利益を主張するものである。

本開示は、概して導波路に関し、より詳細には、光導波路に関する。

高出力用途のための光デバイスは、しばしば、出力のより小さいファイバ・ガイドへの集中化または結合を目的として、光導波路境界の寸法の縮小の何らかの方式を実行する。たとえば、テーパ型ファイバ・バンドルは、次いで先細りにされてその直径を小さくする、溶融ファイバの複合導波路を形成する。残念ながら、このように先細りにすることにより、ビームの開口数（numerical aperture、ＮＡ）が増えることになる。したがって、これらのタイプのテーパ型導波路で光の損失を防ぐために、入力でのＮＡは、ＮＡの結果的な増加が臨界角を超えず、導波路が全内部反射を維持するように十分に小さくなければならない。

特開２０１２−４３８２０号公報

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、一端から他端に次第に変化するＮＡを有する導波路を備えた装置を提供することを目的とする。

本開示は、一端に環状断面および第１の開口数（ＮＡ）を備える導波路を提供する。導波路はさらに、第２のＮＡを有するもう一方の端に環状断面または円形断面のいずれかを備える。その導波路は、第１のＮＡ（一端での）から第２のＮＡ（もう一方の端での）に移行する、次第に変化するＮＡを生じる。

他のシステム、デバイス、方法、特徴、および利点が、以下の図面および詳細な説明の考察から当業者には明らかとなろう。すべてのそのような追加のシステム、方法、特徴、および利点は、本明細書に含まれ、本開示の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されるものとする。

本開示の多数の態様が、以下の図面を参照してよりよく理解され得る。図中の構成要素は、必ずしも原寸に比例せず、その代わりに、本開示の原理を明確に説明することに重点が置かれる。さらに、図中で、同様の参照番号は、いくつかのビューを通して一致する部分を指示する。

入力端での環状断面と出力端での円形断面とを有する、リング結合器の一実施形態の側面図である。入力端での円形断面と出力端での環状断面とを有する、リング結合器の一実施形態の側面図である。一端での環状断面ともう一方の端での異なる環状断面とを有する、リング結合器の第２の実施形態の側面図である。図１のリング結合器を介して伝播するときの基本モード（ＬＰ０１）の振る舞いを示すグラフである。図１のリング結合器を介して伝播するときの基本モード（ＬＰ０１）の振る舞いを示すグラフである。図１のリング結合器を介して伝播するときの基本モード（ＬＰ０１）の振る舞いを示すグラフである。図１のリング結合器を介して伝播するときの高次モード（ＬＰ０３）の振る舞いを示すグラフである。図１のリング結合器を介して伝播するときの高次モード（ＬＰ０３）の振る舞いを示すグラフである。図１のリング結合器を介して伝播するときの高次モード（ＬＰ０３）の振る舞いを示すグラフである。図１のリング結合器を介して伝播するときの別の高次モード（ＬＰ０４４）の振る舞いを示すグラフである。図１のリング結合器を介して伝播するときの別の高次モード（ＬＰ０４４）の振る舞いを示すグラフである。図１のリング結合器を介して伝播するときの別の高次モード（ＬＰ０４４）の振る舞いを示すグラフである。ビームが図１のリング結合器を介して伝播するときのＬＰ０４４ビームのモードの開口数（ＮＡ）の展開を示すグラフである。

光導波路は、その許容されるモード次数の振る舞いを支配する２つの直交する次元（dimension）によって説明される。たとえば、光ファイバは、半径ｒおよび方位角ψの次元座標を有する円筒形である。離散的ＬＰ_ｍｎモードは、２πの順次的倍数を形成する横断経路の長さとして見ることができる両方の次元の特定の配列を記述する。ファイバの断面積が減らされるとき（長さに沿って先細りにすることを通してのように）、半径方向の次元（寸法）は減り、所与のモードはより大きい動径波動ベクトルまたは開口数（ＮＡ）を有するように変形する。

テーパ型ファイバ・バンドルは、高出力用途で光出力を集中させるための機構を提供する。残念ながら、導波路の先細りは、導波路の断面積が減るときに開口数（ＮＡ）の増加をもたらす。その結果、光がより大きい断面積で受光コーン内である角度で導波路に入るときにも、ＮＡの増加は、光がより小さい断面積の導波路に進むときにその光が導波路を逃れる結果をもたらし得ることになる。したがって、この種の損失を避けるために、光は、光がより大きい断面積からより小さい断面積に伝播するときにＮＡが増えるときにも、その光の閉じ込めを確保する入口角（entrance angle）で導波路に入る必要がある。

開示される実施形態は、その中でビームのＮＡ（たとえば、導波路内で維持されるモードの一群）がビームが導波路に沿って伝播するときに減らされる導波路構造を示す。それにより、導波路は、ビームがその導波路から逃げることなしにそのビームの伝播を可能にする。一実施形態で、導波路は、入力端での環状断面、出力端での円形断面、および、環状入力端から円形出力端に次第に変化するＮＡ（「変化するＮＡ」）を備える。有意には、導波路の形状は、有効な断面積が導波路に沿って減らないような方法で、入力端から出力端まで変化する。このタイプのリング結合器を使用することによって、光は、導波路から逃げるビームの損失を最小限に抑えて、集中させることができる。

この総括を念頭に置いて、図に示すような実施形態の説明が、ここで詳細に参照される。いくつかの実施形態がこれらの図面に関して説明されるが、本明細書で開示される１つまたは複数の実施形態に本開示を限定する意図はない。反対に、すべての代替、修正、および同等のものを網羅することが意図される。

図１Ａは、入力端での環状断面１３０および出力端での円形断面１６０を有するリング結合器の一実施形態の側面図である。図１Ａに示すようにその円筒形の導波路は、導波路の長さに沿って縮小する管の外径を有する。ＮＡの増加が、外径の減少の結果として予期され得るが、導波路は薄壁の環状断面１３０からより厚い円形断面１６０に展開するので、モードの特徴は、実際には、増える壁の厚さによって決定され得る。したがって、導波路がその面積を感知できるほどに変えない連続的な断熱方式で変形される場合、その環状断面は、円形断面を有する固体円柱へと崩壊する。結果として、ソース１１０がビーム１２０ａを該導波路に投入するとき、モード１４０ａの半径方向の経路は、一般に、より浅い角度に移動し（導波路の中心軸に対して）、モード角の全体的な減少をもたらすことになり、ビーム１６０ａがビーム１２０ａの入口角よりも小さい角度で導波路を出る結果をもたらす。

該導波路の長さにわたって一定の断面積を維持するために、該導波路の壁の厚さは拡大し、それによって、ＮＡを一般に低くする拡大導波路に似た構造を呈する。このことを念頭に置いて、数学的関係が導出可能であり、入力壁の厚さ、ＮＡ減少の規模、出力直径などの目標パラメータに基づく設計を可能にする。したがって、当業者に認識されるように、導波路は、ＮＡがその導波路の長さに沿って次第に変化し、より高いＮＡからより低いＮＡになるように、設計することができる。他の実施形態では、導波路は、ＮＡがその導波路の長さに沿って相対的に一定のままであるように、設計することができる。

これをさらに詳しく考察するために、図３Ａから図５Ｃは、ビームが図１の導波路構造を介して伝播するときのモードの振る舞い（behavior）を示す。より具体的には、図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃ（総称して、図３）は、それが図１のリング結合器を介して伝播するときの基本モード（ＬＰ０１）の振る舞いを示すグラフであり、図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃ（総称して、図４）は、それが図１のリング結合器を介して伝播するときの高次モード（ＬＰ０３）の振る舞いを示すグラフであり、そして、図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃ（総称して、図５）は、それが図１のリング結合器を介して伝播するときの別の高次モード（ＬＰ０４４）の振る舞いを示すグラフである。

例示を目的として、環状断面１３０の入力は、３００μｍの内径と４００μｍの外径を有する。例示的導波路は、円形断面１５０出力が２６５μｍの外径を有するように、先細りにされる。この特定の実施形態で、入力ビームは、０．４０のＮＡを有する。

図３に示すように、基本モード（ＬＰ０１）は、リング形状のビームとして環状断面１３０で開始する（図３Ａ）。ビームが図１の導波路に沿って伝播するとき、そのリングは、その導波路の減少する直径に対応するより小さい直径に発展する（図３Ｂ）。最終的に、ビームが円形断面１５０に達するとき、それは基本モードへと崩壊する（図３Ｃ）。

別の例では、図４に示すように、ＬＰ０３高次モードは、導波路の長さに沿って伝播される。ＬＰ０３は、３つのモードで開始し（図４Ａ）、より小さい直径に発展し（図４Ｂ）、最終的に図４ＣのＬＰ０３に崩壊する。

最後の一例では、図５に示すように、ＬＰ０４４モードは０．４０の開口数に励起される最高次数モードに一致するので、ＬＰ０４４モードが選択される。図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃに示すように、ＬＰ０４４モードさえも導波路の固体の、円形断面１５０の予期された形状に移行する。ＬＰ０４４モードのモードＮＡの展開が、図６を参照してより詳細に示される。具体的には、４００μｍ、３５０μｍ、３００μｍ、および２６５μｍのモード解が、図６に示される。０．４０ＮＡを有する４００μｍの環状断面へのビームの発射は、導波路を十分満たさず、第１の４４モードを投入する。ビームが伝播するとき、モードの総数は、１４０（３５０μｍで）、１８３（３００μｍで）、および３０３（２６５μｍで）に増える。図６に示すように、そのビームを備える最も低い４４モードは、次第に減少するＮＡを介して展開し、最終的に、０．１５の最終ＮＡで導波路を出る。この減少係数は、出力半径を入力壁の厚さで割ったものと等しい。

図１Ｂは、入力端での円形断面１５０と出力端での環状断面１３０とを有するリング結合器の一実施形態の側面図である。したがって、図１Ａの実施形態とは違い、図１Ｂの実施形態は、モード１４０ｂの半径方向の経路が、ビームがその導波路を介して伝播するにつれて増え、次第に増えるＮＡにより導波路から最終的に出てくる、該導波路に入る入力ビーム１６０ｂを示す。この種の構造は、ポンプ・ブロックするためにまたはそこで導波路からの光の除去が望まれる他の用途のために使用することができる。たとえば、図１Ｂの実施形態（より低いＮＡ円形からより高いＮＡ環状に）は、信号灯にフィルタをかけ、それがダイオード光源に達するのを防ぐために使用することができる。ゲイン・ファイバから発するクラッド光（cladding light）は、図１Ｂの導波路に入り、より低いＮＡからより高いＮＡに伝播し、それによって、図１Ｂの導波路に接続されたより低いＮＡポンプ・ピグテールに入るのを拒否されることになる。

図２は、一端にある環状断面２２０と他方端にある異なる環状断面２４０とを有するリング結合器のさらに別の実施形態の側面図である。図１Ａの実施形態とは異なり、図２の実施形態は、固体円柱には崩壊せず、代わりに、それが１つの環状断面２２０から他方の環状断面２４０に移行する（２３０）ときに、より厚い壁のリング構造へと崩壊する。図２の実施形態は、より厚い環状断面２２０内で溶融して図１Ａと同様の固体の出力端を生み出すことができる信号ファイバ２１０の挿入を可能にする中央の開口部を提供する。出力は、その場合、ゲインまたは受動ファイバに結合するのに適することになる。したがって、図２の構造は、ポンプ（リング結合器を介する）と信号（信号ファイバ２１０を介する）との組み合わせを可能にする。

図３から図５のビームの振る舞いを念頭に置いて、図１Ａ、図１Ｂまたは図２の構造は、多数の異なる用途で使用され得る。たとえば、図１Ａの構造のための１つの適用例は、多数のダイオード光源からのポンプ光を低いＮＡビームを含む一般のファイバに結合させる。通常は、ファイバ・ピグテール・ダイオードからのビームＮＡは、約０．１２から約０．２２の範囲にある。図１Ａのそれと同様の構成は、その導波路のリング形状に一致するように入力ファイバの円形の配列を第１に形成することによって、結合されるダイオードの数を増やすために使用することができる。単純な計算で、ＮＡを約０．４０に増やすための従来の方法で第１に組み合わされたソースで、図１の導波路は、約０．１５のより低いＮＡを有するビームまたはより小さいファイバにその光を変えるために使用することができることが判明する。別法として、導波路が、入力と出力の間のＮＡに感知できるほどの変化がないように構造化される場合、そのとき、より低いＮＡ入力ビームが使用され得る。さらに別の実施形態で、円形断面１５０は、０．１５ＮＡを有する入力ビームが、それが円形断面に到達するときに減ることになり、次いで、それが先細りを介して伝播するときに増えて０．１５ＮＡに戻ることになるように、さらに先細りにすることができる。

図１Ａの実施形態はまた、ファイバ・レーザをポンプするために使用することができる。これらのタイプの用途では、高いＮＡのポンプ光が、ダブルクラッド・ファイバに発射される。これは、通常のＮＡ増加結合動作によって図１Ａの導波路に先行するおよびそれに続くことによって行うことができ、ダブルクラッド・ファイバに直接に結合するのに適した高いＮＡ光を有する出力ファイバを生み出すことになる。

図１Ａの実施形態はまた、多重モードおよび単一モード増幅器のために使用することができる。多重モード増幅器では、図１Ａの導波路は、増幅器またはレーザからの出力のＮＡを下げる。たとえば、リング結合器（図１Ａ）に光を当てるための光源は、リンガ結合器入力（ringer combiner input）に一致する大きさのリング形状のモードを使用するレアアース・ゲイン・ファイバから導出されることになる。リング結合器（図１Ａ）は、約０．０８のより低いＮＡおよび多重モードコアに変えることができるより高いＮＡコア（約０．２２）およびより大きい面積（約２５μｍ^２）を多重モード増幅器が有することを可能にする。ゲイン・ファイバが中空コアを有するように設計される場合、次いで、リング結合器（図１Ａ）は、その端に直接に作ることができる。単一モード増幅器では、照明光源は、リング形状のモードを使用してレアアース・ゲイン・ファイバから導出される。しかし、単一モード動作では、リングの壁の厚さは、はるかに薄い（たとえば、約６μｍ）。リング結合器（図１Ａ）は、約０．０８のＮＡを有する基本モードのみを運ぶ。リング結合器（ファイバ先端にまたは別個の要素として形成された）を介して結合した後、増幅されたモードは、非常に低いＮＡ（たとえば、約０．０３）に低減される。このモードは、基本的には、リング結合器（図１Ａ）の大きな固体コア出力の基本モードである。

図１Ａのリング結合器は、モード変換器として使用することもできる。モード変換の用途では、リング結合器は、基本モードのリング形状のコアへの結合を可能にする。たとえば、ファイバ増幅器またはレーザ空洞が、リング結合器を使用してシード信号を投入するまたは格子反射器を追加することによって、形成され得る。

図１Ａまたは図２のリング結合器に光を当てるためのリング形状のゲイン・ファイバが、約５μｍから約１０μｍの壁の厚さを有する大直径（直径で約５０μｍから約１００μｍ）のコアを作ることによって、形成され得る。そのようなコアは、レアアース要素でドープされることになり、非常に高いＮＡ（たとえば、約０．２２）を生み出すためにかなり高い濃度を含み得る。ゲイン・ファイバはさらに、低密度ガラス構造を使用し、固体の、中空の、または他の方法で低指数のいずれかのセンタで構成され得る。この設計は、非常に大きいモードの有効面積と小さいクラッド横断面をもたらし、高いクラッド吸収を有するダブルクラッド・ポンピングのための理想的条件を成す。モード混合はまた、円形の外径を貫き易くし、内面を成形することによって、行われ得る。

本明細書に示すように、この種のリング結合器（図１Ａおよび図２）を使用することによって、光は、導波路から逃げるビームによる損失を最小限にとどめて集中させることができる。これは、多数の異なる光学関連用途でのリング結合器（図１Ａ、図１Ｂ、および図２）の使用を可能にする。

例示的実施形態が示され、説明されたが、記載のような本開示にはいくつかの変更、修正または代替が行われ得ることが、当業者には明らかとなろう。したがって、すべてのそのような変更、修正、および代替は、本開示の範囲内にあるものと見なされるべきである。

Claims

第１の開口数（ＮＡ）を有し光を導く第１の端であって、環状断面をさらに有する第１の端と、
第２のＮＡを有し光を導く第２の端であって、円形断面をさらに有する第２の端と、
前記第１の端と前記第２の端との間の導波路であって、前記第１のＮＡから前記第２のＮＡに次第に移行する変化するＮＡを生じる前記導波路と
を備える、装置。
前記第１の端は入力であり、前記第２の端は出力である、請求項１に記載の装置。
前記第１の端は出力であり、前記第２の端は入力である、請求項１に記載の装置。
前記導波路は、前記環状断面から前記円形断面に次第に移行する変化する横断面を備え、
前記環状断面は環状断面積を有し、前記円形断面は円形断面積を有し、前記円形断面積は前記環状断面積とほぼ同じである、請求項１に記載の装置。
前記環状断面は環状断面積を有し、前記円形断面は円形断面積を有し、前記円形断面積は前記環状断面積とほぼ同じである、請求項１に記載の装置。
前記第１のＮＡは、前記第２のＮＡよりも大きい、請求項１に記載の装置。
第１の開口数（ＮＡ）を有し光を導く第１の端であって、第１の環状断面をさらに有する第１の端と、
第２のＮＡを有し光を導く第２の端であって、第２の環状断面をさらに有する第２の端と、
前記第１の端と前記第２の端との間の導波路であって、前記第１のＮＡから前記第２のＮＡに次第に移行する変化するＮＡを生じる前記導波路と
を備える、装置。
前記第１の端は入力であり、前記第２の端は出力である、請求項７に記載の装置。
前記第１の端は出力であり、前記第２の端は入力である、請求項７に記載の装置。
前記導波路は、前記第１の環状断面から前記第２の環状断面に次第に移行する変化する横断面を備える、請求項７に記載の装置。
前記第１の環状断面は第１の断面積を有し、前記第２の環状断面は第２の断面積を有し、前記第１の断面積は前記第２の断面積とほぼ同じである、請求項７に記載の装置。
前記第１のＮＡは、前記第２のＮＡよりも大きい、請求項７に記載の装置。