JP5122990B2 - 異なるファイバを相互接続するための光ファイバ装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、光ファイバ装置および方法に関し、詳細には、異なるファイバを相互接続するための光ファイバ装置および方法に関する。

通常、高出力ファイバ・レーザ、増幅器、および他の装置は、低い光学的損失で相互接続されなければならない多くの個別ファイバおよび部品から組み立てられる。最近開発された高出力光ファイバは、例えば１００マイクロメートル四方より大きく、リング状などの任意の基本ＬＰ_０１モードの界の形状と、モードの界の中央に平坦域を有する等の、非伝統的なモードの界の領域を有する。さらに、ある光ファイバは、これもまた非伝統的な形状をしたＬＰ_０２モードなどの高次横モードの信号を搬送するように設計される。

こうした非標準的なモードの界は既存技術を使用しては効率的に相互接続されることができない。

上述の問題その他が本発明によって対処され、本発明の態様は、少なくともその１つが非ガウス形である異なる横モードの界分布を有する送出ファイバと受信ファイバとの間の低損失結合を提供するためのシステムおよび技法を対象とする。システムは、送出ファイバと受信ファイバとの間に相互接続される特別に設計された結合導波路を含む。結合導波路は、非放物線状屈折率分布を有する一体に形成されたグレーデッド・インデックス・レンズを含む。グレーデッド・インデックス・レンズは、入力として、送出ファイバによって送り出された光信号の結合モードの界を受け取り、この結合モードの界を受信ファイバの対応する結合モードの界に整合する横方向空間分布に変換する。

本発明のさらなる態様によると、説明されている結合導波路は、入射する放射の形式で受け取られた入力のモードの界分布を変換するために受信ファイバの先端に接続されることができる。別法として、結合導波路は、その出力を出射された放射の形式で供給する前に送出ファイバ出力のモードの界分布を変換するために送出ファイバの終端に接続されることもできる。

本発明のさらなる特徴および利点は、以降の詳細な説明および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。

本発明の態様は、その少なくとも１つが非ガウス形である異なるモードの界を有する送出ファイバと受信ファイバとの間の結合損失を減少させるための技法を提供する。送出ファイバと受信ファイバとの間に相互接続された場合に、受信ファイバのモードの界分布に実質的に整合させるために送出ファイバの出力モードの界のサイズと形状とを円滑に変換する、非放物線状屈折率分布を有する特別にあつらえられたマルチモード・ファイバを設計し製造するための技法が説明される。この説明される技法および結合導波路は、例えばファイバ相互接続のために短い長さの放物線状屈折率分布マルチモード・ファイバが使用される従来技術の技法を含む結合損失を低減させるための従来技術の技法に比較して、著しく改善された結合損失の低減を達成する。本明細書で説明されるように、相互接続されるべきファイバの特性に基づいてこうした特殊な非放物線状マルチモード中間ファイバを設計するために、数値的ファイバ設計手段が使用されることができる。説明されたファイバ装置を製造するために、内付け化学気相成長法（ＭＣＶＤ）または他の適切なファイバ製造技術が使用されることができる。

ここで、本発明の設計および作用が、従来のシングル・モード・ファイバ（ＳＭＦ）および代表的なラージ・モード・エリア（ＬＭＡ）エルビウム／イッテルビウム（Ｅｒ：Ｙｂ）ドープ利得ファイバの基本ＬＰ_０１モードの界に関する結合損失の低減に関連して説明される。説明される技法の範囲は、本実施例の中で使用される特定のファイバおよび結合モードを越えて適用されることが以下の議論から理解されよう。

以下でより詳細に説明されるように、ＳＭＦファイバのＬＰ_０１モードの界分布は実質的にガウス形である形状を有し、一方、ＬＭＡファイバのＬＰ_０１モードの界は高度に非ガウス形である形状を有する。２つのファイバの間の差異が図１Ａおよび図１Ｂに示される。図１Ａは、ＳＭＦファイバ１０２とＬＭＡファイバ１０４についてのそれぞれの屈折率分布を比較するグラフ１００を示す。グラフ１００において、ｘ軸は各ファイバを横断するマイクロメートル単位の径方向位置に対応し、各ファイバの中心は原点に対応する。ｙ軸は、径方向位置に応じた各ファイバの屈折率に対応する。階段形状の線１０２はＳＭＦファイバの屈折率分布を示し、Ｍ型の線１０４はＬＭＡファイバの屈折率分布を示す。図１Ａにおいて、従来のＳＭＦに比較して、ＬＭＡファイバの屈折率分布は、（１）極めて大きなコア−クラッドの屈折率差異と、（２）強い中央部のくぼみと、（３）極めて大きなコアの直径とを有することが理解されよう。

図１Ｂは、波長１５５０ｎｍにおいて同等の光パワーを有する２つのファイバそれぞれの各ＬＰ_０１基本モードの界分布を比較するグラフ１２０を示す。グラフ１２０で、この場合もやはりｘ軸は２つのファイバのそれぞれの径方向位置に対応する。ｙ軸は任意の単位で表された電界に対応する。より高く、単峰性の線１２２はＳＭＦファイバのＬＰ_０１基本モードの界分布を示す。低く双峰性である線１２４は、ＬＭＡファイバのＬＰ_０１基本モードの界分布に対応する。図２Ａおよび図２Ｂは、ＳＭＦファイバ１４０およびＬＭＡファイバ１６０についての、波長１５５０ｎｍにおける基本ＬＰ_０１モードの界の数値予測された近視野光強度を比較する一対のグラフ１４０およびグラフ１６０である。

図１Ｂ、図２Ａ、および図２Ｂからわかるように、基本ＬＰ_０１モードの界はその形状とそのサイズの両方で異なっている。これら２つのモードの界の間の重なり積分を介して計算された光学的損失は約７．４ｄＢである。結果として、これら２つのファイバが突き合せ結合、融着接続、またはバルク・レンズなどの従来の方法を使用して互いに直接的に接続された場合には、著しい量の光学的損失が存在する。もう１つの問題は、例えばこの実施例におけるＬＭＡファイバなどのようにファイバの一方または双方が高次モードを導波可能であるときは、「失われた」光エネルギーのいくらかが高次モードによって捕捉されることができ、それによってマルチパス干渉（ＭＰＩ）または他の有害な影響を引き起こすことである。

熱誘導式ドーパント拡散は、融着接続の部分のモードの界のサイズおよび形状の両方をコントロールするために使用されることができる。融着接続が高温度に維持される場合は、コアに含まれるドーパントはガウス形濃度分布に近づき、したがって、ラージ・モード・ファイバの継ぎ合わせ接続の部分でガウス形のモードの界の形状を形成する。しかし、ドーパント拡散に必要とされる時間は線形距離の二乗に比例する。したがって、本明細書で示されたＬＭＡファイバなどのようにコア直径が相対的に大きな場合には、拡散の速度は最大可能な温度においてさえも実用的であるには遅すぎる。その上、ドーパント拡散は極めて融通性のある技法ではない。

図３は、ＳＭＦ送出ファイバ２１０をＬＭＡ受信ファイバ２２０に相互接続させることによる光ファイバ伝送路２００の構成を説明する簡略化された分解図を示す。信号伝播の方向は矢印２０２で示される。参照に便利なように、２つのファイバ２１０および２２０に対するそれぞれの基本ＬＰ_０１モードの界分布２１２および２２２が、それぞれのファイバ端の上に示されている。上で議論されたように、２つのモードの界分布２１２および２２２の形状およびサイズの相違は、著しい量の結合損失をもたらす。

結合損失を低減させるために使用されてきた１つの技法は、ガウス形の形状を有する出力モードの界を、なおガウス形の形状を有するけれども異なるサイズのモードの界に変換するために、放物線状屈折率分布を有する精密で短い、通常１ミリメートル未満の長さのグレーデッド・インデックスマルチモード・ファイバを備えた、「徐々に増加する屈折率レンズ」とも呼ばれるグレーデッド・インデックス（ＧＲＩＮ）ファイバ・レンズを使用することである。この技法の限界が図４に示される。

図４は修正された光学伝送路２５０を説明する簡略化された分解図を示し、ここでは、最適化された放物線状屈折率分布を有するＧＲＩＮレンズを組み込んだ結合導波路２３０の使用を通じて結合損失が低減される。結合導波路２３０は送出ファイバ２１０の光信号出力を変換する。変換された信号の基本ＬＰ_０１モードの界分布２３２が、結合導波路２３０の出力端の上に示される。図４に示されるように、変換されたモードの界２３２は、受信ファイバのモードの界分布２２２のサイズにより密接に整合している。しかし、図４から明らかなように、２つのモードの界２３２および２２２はなお著しく異なる形状を有しており、著しい量の結合損失をもたらすこととなる。

図５は本発明の態様による伝送路３００の簡略化された分解図を示し、ここでは、本明細書で説明される技法によって設計された最適化された非放物線状屈折率分布を有するＧＲＩＮレンズを組み込んだ結合導波路２４０の使用を通じて結合損失が低減されている。図５に示されるように、結合導波路２４０の出力は受信ファイバのモードの界分布２２２への著しく改良された整合である横モードの界分布２４２であり、図４に示されたような放物線状の屈折率分布を有する結合導波路を使用した場合の到達可能な結合損失低減の大きさに比較して、結合損失低減に著しい改善をもたらす。

本発明は、ファイバ光学と従来の光学との間の類推を通して説明されることができる。放物線状屈折率分布を備えたＧＲＩＮファイバ・レンズは従来の光学で使用される球面レンズに類似している。球面レンズは、その球面の輪郭の形状が研磨するのに容易で経済的であるので広く使用されている。光学技術者は、非球面レンズが収差を克服し全体として球面レンズより性能が優れることができるけれども、製造することが相対的に困難で高価であることを何世紀にもわたって理解してきた。球面レンズの光路長は、放物線状屈折率ファイバの光路長と全く同様に、光軸からの距離の二乗に伴って変化する。本発明は非放物線状屈折率分布を備えたマルチモードＧＲＩＮファイバ・レンズを利用する。非放物線状ＧＲＩＮファイバ・レンズは非球面レンズに類似している。しかし、従来の光学素子とは異なり、非放物線状屈折率光ファイバに対する放物線状屈折率光ファイバの製造上の優位性は存在しない。

ガウス形のモードの界分布は、あるモードの電界分布Ｅは、数学的関数、



（Ａは定数、ｒはファイバ中の径方向位置、ω_０はモード・フィールド径）
によって記述されることができる場合であると理解される。定義により、導波される横モードはファイバの断面を横切って一定の複素位相角、すなわち、平面位相を有する。この理由により、本発明が２つの光ファイバの導波横モード間のモード変換器として使用される場合は、ファイバの断面を横切る位相角は、マルチモード光結合導波路セグメントの入力端および出力端の両方で実質的に一定になる。

所与の軸対象のモードの界分布がどの程度ガウス形に近いかは、



として定義されるＭ^２パラメータを用いて定量化されることができ、ここで、ガウス形の形状はＭ^２＝１．０で定義される。Ｍ^２パラメータが大きくなるに伴って、モードの界の形状は次第に非ガウス形になる。一般的に言えば、ここに説明された技法は、１．２未満のＭ^２パラメータを有する第１ファイバを１．２より大きなＭ^２パラメータを有する第２ファイバに結合させる場合、または、それぞれが１．２より大きなＭ^２パラメータを有する２つのファイバを結合させる場合に、特に有益である。しかし、ここに説明される技法は、そのうちの少なくとも１つが非ガウス形のモードの界を有するファイバの任意の組合せに対して結合損失を低減するために使用されてもよいことを理解されよう。

ここで、見本のＳＭＦファイバとＬＭＡファイバとの間の結合損失を低減させるための結合導波路を設計するための技法が説明される。最初に、上で議論された図１Ｂ、図２Ａ、および図２Ｂに示されたモードの界分布に基づいて、最適化された放物線状屈折率分布が、円筒対称スカラー有限差分ビーム伝播法（ＦＤ−ＢＰＭ）などの適切な技法を使用して創り出された。図６は最適化された放物線状屈折率分布４０２を示すグラフ４００を示す。

次いで、最適化された放物線状屈折率分布４０２には、式（３）に含まれるものなどの様々な乱れの原因が与えられる。選択される固有の乱れの原因は相互接続されるべき特定のファイバに応じて変わることができる。例えば、現在議論されているＳＭＦファイバとＬＭＡファイバとの間の結合損失を低減させるためには、固有の乱れの原因は、放物線状屈折率分布の中に中央部のくぼみを持ち込み、径方向依存性の指数を２から約２．５に変化させる乱れの原因を含む。

乱れの原因が存在する下での放物線状分布の光学的結合を予測するために、ＦＤ−ＢＰＭコードなどの適切な数値処理ルーティンが使用されることができる。改良された性能をもたらす乱れのある屈折率分布を見出すために、関連するパラメータ空間を探索するためのトライ・アンド・エラー法または非線形最適化ルーティンが使用されることができる。改良された性能は、ＬＰ_０１−ＬＰ_０１結合損失として、または、送出ファイバおよび受信ファイバの任意の他の２つのモード間の結合損失として、定量化されることができる。以下に言及されるように、改良された性能は、受信ファイバの望ましくないモードの中への結合を最小化させることであることができる。

上述された技法の適用を通じて、（１）ガウス形の形状の中央部のくぼみと、（２）径方向への屈折率の非放物線状依存性とを含む乱れのある屈折率分布が見出された。図７は、乱れのある屈折率分布４５２の全体的形状を示すグラフ４５０を示す。屈折率分布４５２は、以下の式によって表現されることができ、



ここで、ｎ（ｒ）は径方向位置ｒの関数としての屈折率分布、ｎ_０はｒ＝０であるコア中心の屈折率、ｎ_ｃｌａｄはクラッドの屈折率、ａはコアの半径、ｇはコアの急峻さを制御するパラメータ、Ｃはガウス形の形状の中央くぼみの深さを制御するパラメータ、ｗはガウス形の形状の中央くぼみの幅を制御するパラメータである。Δは、
によって与えられるコア中心とクラッドとの比屈折率差である。

指数ｇが２に等しく係数Ｃが０に等しいときは、この場合には、式（３）および式（４）は放物線状屈折率分布を表す。図６に示された最適化された放物線状屈折率分布４０２は、
ｎ_ｃｌａｄ＝１．４４４、
ｎ_０＝１．４７２５、
Δ＝０．０１９１７、
ａ＝４３μｍ、
ｇ＝２、および
Ｃ＝０
の値を有する。

もし式（３）でＣ≠０またはｇ≠２、またはその両方であるとき、この場合には、結果として得られる屈折率分布は非放物線状である。図７に示された最適化された非放物線状屈折率分布４５２は、
ｎ_ｃｌａｄ＝１．４４４、
ｎ_０＝１．４７２５、
Δ＝０．０１９１７、
ａ＝２０．６μｍ、
ｇ＝２．４６、
ｗ＝４．７μｍ、および
Ｃ＝０．２２
の値を有する。

非放物線状屈折率分布を数学的に表現するために他の技法および等式が使用されることができることに留意すべきである。したがって、式（３）は説明された技法の１つの例として提示されたものであり、説明された技法の範囲はこの特定の例を越えて拡張されることを理解されよう。

図８は、送出ファイバとして作用するＳＭＦのＬＰ_０１モードからのエネルギーを受信ファイバとして作用するＬＭＡファイバの基本ＬＰ_０１モードの中に結合させるための３つの異なる結合導波路の屈折率分布を比較したグラフ５００を示す。線５０２は上で議論された最適化された放物線状屈折率分布を示す。線５０４は、同様に上で議論された最適化された非放物線状屈折率分布を示す。線５０６は線５０４の階段状の近似を示し、ここで線５０４は１０個の対称的な階段５０６ａ〜５０６ｊに分解されている。

図９は、ＬＭＡファイバ５５２の基本ＬＰ_０１モードの界を、放物線状屈折率分布結合導波路５５２の出力の横モードの界分布、ならびに非放物線状屈折率分布結合導波路５５６の出力の横モードの界分布と比較したグラフ５５０である。ＬＭＡファイバ５５２および非放物線状屈折率分布結合導波路５５６のモードの界分布の間の改善された一致が明らかである。

これらの屈折率分布に対する予測結合損失が、円筒対称スカラー有限差分ビーム伝播法（ＦＤ−ＢＰＭ）の助けにより計算された。最適化された放物線状屈折率分布ファイバのセグメントが約３４６マイクロメートルの長さであるとき、図８の放物線状屈折率分布５０２は約１．２５ｄＢの予測結合損失を有した。対照的に、マルチモード結合導波路セグメントが約２０５マイクロメートルの長さであるとき、連続的な非放物線状屈折率分布５０４は約０．１ｄＢの予測結合損失を有した。送出ファイバの個々のモードと受信ファイバの個々のモードとの間の結合損失は両方の伝播方向で同一であり、言い換えると結合損失は相反的であることに留意されるべきである。したがって、本発明は光学的に相反でありいずれの伝播方向における光学結合にも有効である。

本発明の効率は、実質的に非放物線状のマルチモード結合導波路セグメントの内側でのいくつかの導波横モード間の光学的干渉に依存する。入力の電界がマルチモード結合導波路セグメントに入ると、入力の電界はいくつかの導波横モードに分解され、そのそれぞれはマルチモード結合導波路セグメントを異なる軸方向伝播定数で、言い換えると、相異なる位相速度で進む。通常、マルチモード結合導波路セグメントによって導波される横モードのわずかなものだけが、入力の界によって実質的に励起される。異なる導波横モードのそれぞれの中に含まれる光パワーの量は、それらがマルチモード結合導波路セグメントの中を独立して進むので実質的に一定のままである。しかし、各モードは異なる位相速度で進むので、それらがマルチモード結合導波路セグメントの出力端で再結合されるときには、通常、さまざまなモード間の相対位相差が累積される。さまざまなモード間の累積された相対位相差は、マルチモード結合導波路セグメントの出力における光学的な界をその入力における光学的な界とは実質的に異なるものにする。これらのモードは、励起される横モードの位相速度によって決定されるある特定の距離においては、累積された相対位相差がほとんど無い状態で再結合される。このような特別な場合には、最初の入力の界が出力端で実質的に再生される。

本発明のある実施形態において、マルチモード導波路内で実質的に励起されるモードの数は比較的少なく、すなわち１０未満であり、したがって、その位置で励起されたモードの全てが極めてゼロまたはπラジアンに近い相対位相を累積する１つまたは複数の距離が存在する。これらの距離の場所では、入力および出力モードの界は、共に平面位相を有し、したがって、例えば受信光ファイバの特有のモードであることが可能な平面位相の出力電界に結合させるのに適している。本発明において、実質的に励起されたモードの少なくともいくつかの累積相対位相が０ラジアンの代わりに実質的にほぼπラジアンである場合は、出力電界は入力電界とは実質的に異なるサイズおよび形状を示すことができる。

従来技術の放物線状屈折率ＧＲＩＮファイバ・レンズでは位相速度の全ては等間隔であり、その結果、平面位相をもたらす距離はいわゆる「フルピッチ」、「１／２ピッチ」および「１／４ピッチ」距離として定義されることができる。「フルピッチ」距離では、全てのモードの間の累積された相対位相は２πの倍数であり、出力電界は入力信号と同じ極性を有する。「１／２ピッチ」距離では、全てのモード間の相対位相差は同様に２πの倍数であるが、電界は入力信号と逆の極性を有する。「１／４ピッチ」距離では、全ての奇数のモード（ＬＰ_０１、ＬＰ_０３、ＬＰ_０５など）は極めて０ラジアンに近い累積相対位相を有するが、一方、全ての偶数のモード（ＬＰ_０２、ＬＰ_０４、ＬＰ_０６など）はπラジアンに極めて近い蓄積相対位相を有する。この事実は、従来技術のＧＲＩＮファイバ・レンズにガウス形入力信号のサイズとガウス形出力信号のサイズとの間に大きな差異をもたらすことを可能にさせたが、入力電界と出力電界との間の形状の差異は可能にさせなかった。本発明のある実施形態において、同様に、励起されたモードの位相速度は互いに整数倍だけ異なるが、この場合には、「１／４ピッチ」差が隣接するモードが極めてπラジアンに近い累積相対位相差を有する距離として定義されることができる特殊な距離が存在する。しかし、この場合において、本発明は入力電界と出力電界のサイズと形状の両方の間で大きな差異を生じさせることができる。

送出ファイバ、結合導波路、および受信ファイバのそれぞれのコアの位置決めのために、傾斜へき開、またはコア同心化によるなどしてわずかに乱されることが可能であることに留意すべきである。その場合、少量の光が望まれていないモードの中に結合されることがある。こうしたランダムな結合は本発明の動作の上述の原理に対して実質的な影響を及ぼすことはない。

本発明を、２つの異なる光ファイバの特定のモードの間の光信号を直接的に結合させるために使用する場合には、送出ファイバのモードから非放物線状マルチモード結合導波路セグメントの任意の横モードの中に結合されるパワーの総量が、非放物線状マルチモード結合導波路の横モードと受信ファイバの所望のモードとの間で結合されるパワーの総量に近似的に等しくなるべきである。この結合は、重なり積分を適切に正規化されたモードの界に適用することによって数値的に評価されることができる。入力の界と出力の界との間の光学的結合が（例えばマルチモード結合導波路セグメントの屈折率分布を微調整するなどして）より対称的に行なわれる場合は、本発明はより効率的な結合を提供しよう。

したがって、本発明を使用して２つの異なるファイバのモードの界の直接的な結合を得ようとする場合は、その目標は次の２つの重要な特性を示す非放物線状結合導波路セグメントを設計することであり、すなわち、（１）入力の界とそのセグメント内の所与のモードとの間の光学結合は、所望の出力の界とセグメントのそのモードとの間の光学結合に近似的に等しくなるべきであり、（２）セグメントの長さは、結合導波路内に励起されたモードの少なくともいくらかの累積相対位相が実質的にｎラジアンであり、結合導波路内の他の励起されたモードの累積相対位相が実質的に０ラジアンになるような長さの近傍にあるように選択されるべきである。

図１０は、様々なモードの受信ファイバの間で結合される光エネルギーの量が、非放物線状屈折率分布結合導波路の長さに依存する程度を示すグラフ６００である。線６０１〜線６０４は、それぞれ、受信ファイバのＬＰ_０１、ＬＰ_０２、ＬＰ_０３およびＬＰ_０４モードの長さ依存性を示す。線６０１は、受信ファイバのＬＰ_０１モードから失われる信号パワーのパーセントを結合導波路の長さに応じて示し、一方、線６０２〜線６０４は、受信ファイバ中のいくつかの望ましくない高次コア・モードによって得られる信号パワーのパーセントを示す。グラフ６００は、特定の結合導波路設計のセグメント長さがＬＰ_０１モードから失われるエネルギーの量にいかに影響を及ぼし、ならびに、いかに多くのエネルギーが望ましくない高次コア・モードに結合されるかを示している。

特に、グラフ６００に示されるように、２０５マイクロメートルの特定のセグメント長さにおいて、ＬＰ_０１モード６０１から失われるエネルギーの量が最小化される。しかしながら、受光ＬＭＡファイバの高次コア・モードに結合されるエネルギーの量は、このセグメント長さにおいては最小化されることができない。例えば、受光ＬＭＡファイバのＬＰ_０３モード６０３の中に結合される光エネルギーの量は約１６３マイクロメートルで最小化され、局部的最大値は２０５マイクロメートルの近くにある。もしも、最も重要な設計目標がＬＰ_０３モード６０３の中への結合を最小化することであるならば、そのときは、そのセグメント長さがＬＰ_０１モード損失６０１の増加をもたらすとしても、セグメントの長さは１６３マイクロメートル付近にあるように選択されることができる。

いったん、結合導波路のための適切な屈折率分布が設計されてしまうと、ファイバは、内付け化学気相成長法（ＭＣＶＤ）などの従来技術で知られた標準的な光ファイバ製造技法によって製造されることができる。この工程では、化学反応が気相化された化学的スートを層ごとに重ねる方法でシリカ（ＳｉＯ_２）または他の適切な材料で製造された外管の内面上に堆積させる。各スート層は次の層の堆積に先立って固化される。

化学的堆積工程が完成されると、基材の管は、中実で円柱状プリフォームを形成するために、その管の崩壊を引き起こさせ堆積されたスート層を焼結させるのに十分な高温に加熱される。必要であれば、プリフォームの外径を調節するためにフッ化水酸化、プラズマエッチング、または他の適切な技法が使用されることができる。加えて、プリフォームの外径を修正するために、シリカ・チューブがオーバークラッドとしてプリフォームに加えられてもよい。次いで、出来上がったプリフォームが光ファイバに線引きされる。

堆積されたスート層は完成したファイバ内の同心円状の円筒領域になる。１つまたは複数の屈折率変更ドーパントを各堆積されたスート層の中に添加することによって、完成されたファイバ中の各円筒領域の屈折率分布を精密に制御することが可能である。典型的なドーパントは、ゲルマニウム、アルミニウム、フッ素、およびリンを含む。説明された技法は、個々の層の屈折率および径方向寸法を極めて高精度に制御された状態にすることができる。

ＭＣＶＤ技法は、非放物線状屈折率分布を有する結合導波路を製造するために使用されることができる。図８の線５０６で示されたように、屈折率分布は一連の階段５０６ａ〜５０６ｊを使用して近似されることができる。各階段が堆積されたスートの層に対応する。階段の数および各階段の特定の寸法は、上述されたモデリング技法を使用して最適化される。加えて、使用されるべき層の数を決定するときに製造費用が考慮されることができる。特定の状況によって層の数はこの範囲の外になることもあるが、層の数は７と５０との間に及ぶことが期待される。実際には、堆積された層は結合導波路の性能に影響を与える可能性があるリップルまたは他の非均一性を示すことがある。これらの非均一性は、結合導波路の径方向屈折率設計を調節することにより補償されることができる。通常、いくつかのガラス・プリフォームが製造されることが必要とされ、設計は、プリフォームまたはファイバの設計のいくつかの繰り返しを通じて洗練されることが必要とされる可能性がある。図１１は、完成されたファイバ７００の縮尺どおりには表されていない断面を示す。ファイバ７００は、コア７０２と外側のクラッド７０４を含む。コアは１０個の同心円の層状領域７０４ａ〜７０４ｊを含み、各層は図８に示された階段状屈折率分布５０６の１つの階段に対応する。

数値シミュレーションは、階段状の設計が小さな製造上の変動を許容することを示している。さらに、そうした変動の存在のもとでも、予測された結合損失は、通常、放物線状屈折率分布を使用して達成可能な結合損失よりもはるかに小さい。融着接続とそれに続く精密へき開に基づいて、２つの他のファイバの間に精密でサブミリメートルのセグメントのファイバを組み立てるための方法は、当技術分野で知られている。

本発明のさらなる態様によると、結合装置の性能は、非放物線状マルチモード結合導波路セグメントの屈折率分布を操作することによって調整されることができる。ＵＶ照射、熱的に誘導されたドーパント拡散、または高温度での結合導波路セグメントの物理的伸張または圧縮などの技法が、組み立てられた結合導波路セグメントの屈折率分布を操作するために使用されることができる。このような方法で、プリフォームから線引きされたファイバまたは組み立てられた結合装置の性能は、調整され改善されることができる。本明細書で使用されているように、調整は、次のいずれかまたは全てを単独でまたは組合せて含み、それらは、（１）異なる光ファイバの送出および受光モード間の光学的損失を低減させること、（２）光ファイバ末端に結合させる場合の光学的損失を低減させること、（３）Ｍ^２、およびしたがって光ファイバ末端から放出されるビーム品質を改良すること、または（４）他の適切な技法、である。

図１２は、異なるファイバ間の結合損失を低減させるために非放物線状屈折率分布を有する結合導波路を設計し製造するための上述の技法による全体的な方法８００の流れ図を示す。工程８０１で、最適化された放物線状屈折率分布が結合されるべきモードの界に基づいて創り出される。工程８０２で、最適化された放物線状屈折率分布に対する様々な乱れの原因の存在のもとで、光学的結合を予測するために数値処理ルーティンが使用される。工程８０３で、改善された性能をもたらす乱れのある屈折率分布を見出すためにパラメータ空間が探索される。最後に、工程８０４で、所望の屈折率分布を有する結合導波路が製造される。上で議論されたように、通常、工程８０４は、径方向の屈折率設計の反復する調整と改良とを含む。

図１３〜図１５は、非放物線状屈折率分布を備えたマルチモード結合導波路を含む光伝送システムの代替の構成を説明する一連の図を示す。図１３〜図１５は、本発明の態様による例示の構成であり網羅的な構成でないことが意図されていることを理解されよう。

図１３は本発明の態様による光学的伝送路９００を示す。伝送路は、それらの少なくとも１つが非ガウス形である異なるモードの界分布を有する送出ファイバ９０２と受信ファイバ９０４とを含む。本明細書で説明されたような特別設計されたものであるマルチモード・ファイバ９０６が、送出ファイバ９０２と結合導波路９０６とを相互接続するために使用される。結合導波路９０６は、送出ファイバ９０２に接続される本明細書で「入力端」と呼ばれる第１端と、受信ファイバ９０４に接続される本明細書で「出力端」と呼ばれる第２端とを有する。上で議論されたように結合導波路は精密な長さを有する。

マルチモード結合導波路９０６は、機械的突き合せ結合、融着接続、または他の適切な技法で他のファイバ９０２および９０４に取り付けられることができる。マルチモード・ファイバ９０６の特殊な設計は、この設計が送出ファイバ９０２から出射する光信号のサイズと形状の両方を受信ファイバ９０４のサイズと形状に実質的に整合するように変換し、それによって結合損失の実質的な低減をもたらすことを確実にする。送出ファイバ９０２または受信ファイバ９０４のいずれか一方はシングル・モードまたはマルチモードであることが可能であることを理解されよう。さらに、本発明の本態様は送出ファイバ９０２および受信ファイバ９０４の基本ＬＰ_０１モードに関して説明されているが、説明された技法は、送出ファイバの任意特定のモードを受信ファイバの任意特定のモードに結合させるために適用されることができる。

図１４および図１５に示されるように、本発明による特別に設計された結合導波路は光ファイバの末端で使用されることができる。例えば、図１４で、結合導波路９２６の出力端は受信ファイバ９２４の先端に接続される。送出ファイバはいずれも結合導波路９２６の入力端に接続されていない。その代わりに、結合導波路の入力端は露出されたままであり、入射する放射９２２の形をした光入力を受光する。したがって、この構成を使用して、精密な長さの特別設計された非放物線状マルチモード・ファイバが、バルク光学源９２８等などの外部源からファイバの中に送出される強度パターンのサイズまたは形状を変換するために使用されることができる。

図１５で、結合導波路９４６の入力端が送出ファイバ９４２に接続される。受信ファイバはいずれも結合導波路９４６の出力端に接続されていない。その代わりに、結合導波路の出力端は露出されたままであり、例えばバルク光学受容器９４８に信号を供給するために使用されることができる出射する放射の形式で光出力を提供する。したがって、この構成を使用して、精密な長さの特別設計されたマルチモード・ファイバが、ファイバの終端から出射される強度分布のサイズおよび／または形状を操作するために使用されることができる。このようにして、光ファイバ・レーザまたは増幅器などの光ファイバ源の放射の空間分布がよりガウス形に作られることができる。

上述のシステムおよび技法は、結合導波路入力部の高次モードから結合導波路出力部の実質的にガウス形の形状の横方向空間分布への結合を提供するために使用されることができることに留意されるべきである。実質的にガウス形の形状の横方向空間分布は、必ずしもそうである必要ではないが、基本モードに対応することができる。こうした構成は、例えば、極めて大きなモードエリアを有する可能性のある高次モード増幅器のための増幅器出口で使用されることができる。高次モード増幅器の出力を実質的にガウス形の横方向空間分布に変換することは、従来の光学素子が結果として生じるビームを平行化し透過させるために使用されることができるので望ましい。この変換は位相板を使用して自由空間で行なわれることができるが、中央ローブの高い強度を低減させるためにエンド・キャップをファイバ末端に設置することが必要となる可能性がある。共振長周期グレーティング・モード変換器の使用は、相対的に小さなモードエリアの基本モードの中への結合に限定されるであろう。本明細書で説明されたような非放物線状結合導波路は、高次モードを大きな実質的にガウス形の形状の横方向空間分布に結合させるために使用されることができる。出力セグメントは高次モード・ファイバとは異なるであろう。結合導波路はラージ・コアを有する出力ファイバの中で、コアレス・ファイバ・セグメントの中で、または自由空間で終了することができる。

本発明は、従来の光ファイバ、微細構造化光ファイバ、偏波面保持（ＰＭ）光ファイバ、シングル・モード光ファイバ、マルチモード光ファイバ、光ファイバおよび増幅器の中で使用されるものなどの希土類ドープ利得発生ファイバ、ダブルクラッド・ファイバなどのクラッディング励起（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｐｕｍｐｅｄ）光ファイバ等、とともに使用されることができることを理解されたい。

さらに、本発明は主としてラージ・モード・エリア光ファイバの非ガウス形の形状のＬＰ_０１モードの界の間のエネルギーを結合させることを意図しているが、また、本発明は、非ガウス形の光の界を結合させる他の場合にも適用されることができる。例えば、また、本発明は、エネルギーを実質的に非ガウス形の形状を概して示す高次の光ファイバ・モード（ＬＰ_０２、ＬＰ_０３など）の中に、またはそこから結合させるために使用されることもできる。その他の例として、本発明は、著しい非放物線状屈折率分布を示すファイバではなく光ロッドの形式で表明されることができる。こうした非放物線状屈折率分布ロッド・レンズは、バルク・レンズまたはミラー、または他の類似の非ファイバ装置の組み立てにおいて有用であることができる。

本明細書で説明された技法は、その少なくとも１つが非ガウス形である任意の２つの異なる形状をしたモードの界の分布間の結合損失を低減させるために適用されることができる。結合導波路の所望の入力および出力モードの界の分布を数学的にモデル化することによって、結合損失を低減させる結合導波路のための非放物線状屈折率分布の数学モデルを生成することができる。次いで、モデル化された結合導波路は、本明細書で説明されたようにＭＣＶＤ技法または他の適切な技法を使用して作られることができる。性能を最適化するために、経験的技法が結合導波路の屈折率分布を調整するために使用されることができる。

前述の説明は当業者が本発明を実施できるようにする詳細を含んでいるが、この説明は実際には例示的であり、それらの多くの修正および変更がこれらの教示の利益を有する当業者には明らかであることを理解されたい。したがって、本明細書中の本発明はここに添付された特許請求の範囲によってのみ定義され、本特許の請求範囲は可能な限り広範囲に従来技術によって容認されることが意図される。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ例示のシングル・モード・ファイバ（ＳＭＦ）およびラージ・モード・エリア（ＬＭＡ）エルビウム／イッテルビウム（Ｅｒ：Ｙｂ）ドープ利得ファイバについて、屈折率分布およびＬＰ_０１基本モードの界の分布を比較した一対のグラフを示す図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれＳＭＦファイバおよびＬＭＡファイバについて、波長１５５０ｎｍにおける基本ＬＰ_０１モードの界の数値予測された近視野光強度を比較した一対のグラフを示す図である。 例示のＳＭＦファイバおよびＬＭＡファイバから組み立てられた光伝送路の分解図である。 放物線状屈折率分布を有する結合導波路が例示のＳＭＦファイバとＬＭＡファイバとの間に相互接続された光伝送路の分解図である。 本発明の態様によって設計された非放物線状屈折率分布を有する結合導波路が例示のＳＭＦファイバとＬＭＡファイバとの間に相互接続された光伝送路の分解図である。 結合導波路のための最適化された放物線状屈折率分布を示す図である。 本発明の態様による結合導波路のための最適化された非放物線状屈折率分布を示す図である。 結合導波路のための最適化された放物線状屈折率分布と、結合導波路のための最適化された非放物線状屈折率分布と、非放物線状屈折率の階段状近似とを示すグラフである。 ＬＭＡファイバのＬＰ_０１モードの界分布と、最適化された放物線状屈折率を有する結合導波路の信号出力と、最適化された非放物線状屈折率を有する結合導波路の信号出力とを比較するグラフである。 様々な結合モードについて、結合損失の長さ依存性を示すグラフである。 本発明のさらなる態様によるマルチモード結合導波路の、尺度どおりには表されていない断面図である。 本発明のさらなる態様による結合導波路を設計するための方法を説明する流れ図である。 本発明による結合導波路を組み込んだ光ファイバ送信路についての代替の構成を示す一連の図である。 本発明による結合導波路を組み込んだ光ファイバ送信路についての代替の構成を示す一連の図である。 本発明による結合導波路を組み込んだ光ファイバ送信路についての代替の構成を示す一連の図である。

Claims (11)

1. 光ファイバ結合システムであって、前記システムは、光信号を送出する送出ファイバと光信号を受信する受信ファイバとを含む一対の伝送ファイバを備え、前記送出ファイバおよび前記受信ファイバは、その少なくとも１つが非ガウス形である異なる横モードの界分布を有し、前記システムはさらに、前記送出ファイバに接続される入力端と前記受信ファイバに接続される出力端とを有する所定の長さのマルチモード結合導波路とを備え、
   前記結合導波路は、前記送出ファイバによって送出された光信号の結合モードの界を入力として受信し、前記結合モードの界を前記受信ファイバの対応する結合モードの界に整合する横方向空間分布に変換するよう構成され、
   前記結合導波路は、異なる位相速度を有する複数の導波横モードに入力結合モードの界が分解されるよう構成された屈折率分布を有するグレーデッド・インデックス・レンズを含み、前記導波横モードの少なくとも１つに相対位相差が累積され、
   前記結合導波路の前記出力端において、前記結合導波路にわたって実質的に一定である光位相を有し、前記入力の界のとは実質的に異なる光エネルギの横方向分布を有する出力の界に前記横モードが再結合するよう、前記グレーデッド・インデックス・レンズがさらに構成される、光ファイバ結合システム。
2. 前記結合導波路の前記屈折率分布は、軸方向ではなく横断方向に変化する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記横モードの少なくとも１つによって前記結合導波路の軸方向長さにわたって累積される相対位相は約πラジアン又はその倍数であり、他の横モードによって前記結合導波路の前記軸方向長さにわたって累積される相対位相は約０ラジアンであるように構成された屈折率分布を、前記グレーデッド・インデックス・レンズが有する、請求項２に記載の結合システム。
4. 結合導波路内の任意の２つの導波横モードの軸方向伝搬定数間の差異ΔｎはΔｎ＝Ｎ×Δ（Ｎは整数、Δは結合導波路設計の指標となる数値）として表すことができるように、前記一連の導波横モードのうちの任意の２つのモードは、
   によって与えられるコアの中央とクラッドとの間の屈折率差である数値Δの整数倍だけ分離するよう構成された屈折率分布を、前記グレーデッド・インデックス・レンズが有する、請求項３に記載の結合システム。
5. 隣接する軸方向伝搬定数を有する結合導波路モード間で結合導波路の長さにわたって累積された約πラジアンの相対位相が存在するように、前記結合導波路は約１／４ピッチになるように選択された長さを有する、請求項４に記載の結合システム。
6. 前記グレーデッド・インデックス・レンズは、前記受信ファイバの基本モードＬＰ_０１の界の分布に実質的に整合する横方向空間分布を有するように、前記光信号の前記基本モードＬＰ_０１を変換する、請求項５に記載の結合システム。
7. 前記結合導波路の前記入力および出力端と前記一対の伝送ファイバとの間の接続のうちの少なくとも１つが融着接続である、請求項１に記載の結合システム。
8. 前記一対の伝送ファイバの少なくとも１つは１．２より大きいＭ^２パラメータを備えたモードの界を有する、請求項１に記載の結合システム。
9. 前記結合導波路は
   （Ｃ≠０、またはｇ≠２またはその両方）で表される屈折率分布を有する、請求項１に記載の結合システム。
10. 光伝送路を構築する方法であって、
    入力端と出力端とを有する所定の長さのマルチモード結合導波路を準備する工程を備え、前記マルチモード・ファイバのセグメントは、異なる位相速度を有する複数の導波横モードに入力結合モードの界が分解されるよう構成された屈折率分布を有する一体的に形成されたグレーデッド・インデックス・レンズを含み、前記導波横モードの少なくとも１つに相対位相差が累積され、前記結合導波路の前記出力端において、前記結合導波路にわたって実質的に一定である光位相を有し、前記入力の界のとは実質的に異なる光エネルギの横方向分布を有する出力の界に前記横モードが再結合するよう、前記グレーデッド・インデックス・レンズがさらに構成され、前記方法はさらに、
    前記結合導波路セグメントの一端をある光伝送ファイバの末端に接続する工程を備え、前記結合導波路セグメントは、その２つのモードの界分布の少なくとも１つは非ガウス形である前記第１セグメント端における第１のモードの界分布と前記第２セグメント端における第２のモードの界分布との間の結合を提供する、方法。
11. 前記結合導波路セグメントの他端を第２の光伝送ファイバの末端に接続する工程をさらに備え、前記光伝送ファイバはその少なくとも１つが非ガウス形である異なるモードの界の分布を有し、前記結合導波路が前記２つのファイバ間の低損失結合を提供する、請求項１０に記載の方法。