ダブルクラッドファイバー

ダブルクラッドファイバー( DCF ) は、通常の 2 層ではなく 3 層の光学材料からなる構造を持つ光ファイバーの一種です。最も内側の層はコアと呼ばれ、その周囲を内側クラッドが取り囲み、さらに外側クラッドが取り囲んでいます。3 つの層は屈折率の異なる材料でできています。

ダブルクラッドファイバーには 2 種類あります。1 つ目は光ファイバーの歴史の初期に、光ファイバーの分散を工学的に制御する目的で開発されました。これらのファイバーでは、コアが光の大部分を運び、内側クラッドと外側クラッドがコア誘導信号の導波路分散を変更します。2 つ目の種類のファイバーは、1980 年代後半に高出力ファイバー増幅器やファイバーレーザーで使用するために開発されました。これらのファイバーでは、コアに活性ドーパント材料がドープされており、信号光の誘導と増幅の両方を行います。内側クラッドとコアは一緒にポンプ光を誘導し、コアでの増幅に必要なエネルギーを提供します。これらのファイバーでは、コアの屈折率が最も高く、外側クラッドの屈折率が最も低くなります。ほとんどの場合、外側クラッドはガラスではなくポリマー材料で作られています。

分散補償用の二重クラッドファイバでは、内側クラッド層の屈折率は外側層よりも低い。このタイプのファイバは、ディプレストインナークラッドファイバやWプロファイルファイバとも呼ばれる（屈折率プロファイルの対称プロットが表面的にWの文字に似ていることから）。^[1]

このタイプの二重クラッド ファイバーには、マイクロベンディング損失が非常に低いという利点があります。また、ゼロ分散点が 2 つあり、標準的な単一クラッド ファイバーよりもはるかに広い波長範囲にわたって分散が低くなっています。このような二重クラッド ファイバーの分散は大幅に設計できるため、これらのファイバーは光通信やその他のアプリケーション における色分散の補償に使用できます。

高出力光ファイバ増幅器およびレーザー用の最新の二重クラッド光ファイバーでは、内側クラッドの屈折率が外側クラッドよりも高くなっています。これにより、内側クラッドは、コアと同様に全反射によって光を導くことができますが、波長範囲が異なります。これにより、高出力だが放射輝度が低いダイオードレーザーを光ポンプ源として使用できるようになりました。ポンプ光は、大きな内側クラッドに簡単に結合すると、内側クラッドを伝搬し、信号が小さなコア内を伝搬します。ドープされたコアは、伝搬するにつれてクラッド光を徐々に吸収し、増幅プロセスを駆動します。このポンピング方式は、クラッドポンピングと呼ばれることが多く、ポンプ光が小さなコアに結合される従来のコアポンピングの代替手段です。ポラロイドファイバー研究チーム (H. Po他) によるクラッドポンピングの発明は、ファイバー増幅器およびレーザーの設計に革命をもたらしました。^[3]この方法を使用すると、現代のファイバーレーザーは、コア内の信号光が回折限界に近いビーム品質を維持しながら、最大数キロワットの連続出力を生成することができます。^[4]

クラッドの形状は、特にコアの直径が内側のクラッドのサイズに比べて小さい場合に非常に重要です。二重クラッドファイバーの円形対称性は、ファイバーレーザーにとって最悪のソリューションと思われます。この場合、クラッド内の光の多くのモードがコアを逃し、そのためコアをポンピングするために使用できません。 ^[5]幾何光学の用語では、ポンプ光の光線のほとんどはコアを通過せず、したがってコアをポンピングできません。 光線追跡、^[6]、近軸伝搬のシミュレーション^[7]、およびモード解析^[8]でも同様の結果が得られます。

一般に、導波路のモードには「傷跡」があり、これは古典的な軌道に対応しています。傷跡がコアを避けると、モードは結合されず、二重クラッドファイバー増幅器でそのようなモードを励起することは無駄になります。傷跡は、いわゆるカオスファイバー^[9]では多かれ少なかれ均一に分布します。カオスファイバーはより複雑な断面形状を持ち、内側のクラッドの強度分布がより均一になり、ポンプ光を効率的に使用できます。ただし、傷跡はカオスファイバーでも発生します。

カオスファイバーには、らせん状の変形が小さいほぼ円形が最も効率的であると思われます。このようなファイバーでは、光線の角運動量は滑らかな壁からの反射ごとに増加し、光線が「チャンク」に当たると、らせん状の曲線が壊れます (右の図を参照)。このチャンクの近くに配置されたコアは、他のカオスファイバーと比較して、すべての光線によってより規則的に遮断されます。光線のこの動作は、波動光学に類似しています。モードの用語では、すべてのモードはチャンクの近くで非ゼロの導関数を持ち、そこにコアが配置されている場合はそれを避けることができません。モードの 1 つの例を下の右の図に示します。一部のモードには傷跡や広い空隙が見られますが、これらの空隙のいずれもコアを覆っていません。

螺旋状のクラッドを持つ DCF の特性は、角運動量の保存として解釈できます。境界でのモードの導関数の 2 乗は、圧力として解釈できます。螺旋状の境界に接触するモード (および光線) は、いくらかの角運動量を境界に伝達します。この角運動量の伝達は、チャンクでの圧力によって補償される必要があります。したがって、どのモードもチャンクを避けることはできません。モードは、古典的な軌道 (光線) に沿って強い傷跡と広い空隙を示す可能性がありますが、少なくとも 1 つの傷跡は、螺旋部分によって伝達される角運動量を補償するためにチャンクに近づく必要があります。

角運動量による解釈は、チャンクの最適なサイズを示しています。チャンクをコアよりも大きくする理由はありません。チャンクが大きいと、傷跡が十分に局所化されず、コアとの結合が得られません。傷跡をコアよりも小さい角度内に局所化する理由はありません。半径の導関数が小さいと、製造の堅牢性が低下します。が大きいほど、条件を破ることなく許容される形状の変動が大きくなります。したがって、チャンクのサイズは、コアのサイズと同じオーダーである必要があります。 ${\displaystyle R'(\phi )}$${\displaystyle R'(\phi )>0}$

より厳密には、螺旋状領域の性質は、ディリクレ・ラプラシアンのモードの境界挙動に関する定理から導かれる。^[10]この定理はコアのない領域に対して定式化されているが、コアを避けるモードを禁止している。したがって、コアを避けるモードは、コアのない領域のモードと同様であるはずである。

被覆管形状の確率的最適化により、ほぼ円形の螺旋がポンプとコアの最適な結合を実現することが確認された。^[11]

テーパードダブルクラッドファイバー（T-DCF）は、外側と内側のクラッドとコアの直径が長さに応じて滑らかに変化するファイバーです。T-DCFの狭い側のコアは基本モードの伝搬のみをサポートしますが、広い側のコアは多くのモードを導くことができます。しかし、T-DCFの狭い端に発射された光は、モードの内容が変化することなく広いコアに伝搬することが実験的に示されました。^[12]その結果、T-DCFの広い端（実質的にマルチモード）では、光は最低次モードでのみ伝搬し、ビーム品質は優れています。したがって、テーパードファイバーは、マルチモードファイバーで基本モードレジーム伝搬（および増幅）を実装するユニークで簡単な方法です。

ファイバー内のポンピングエネルギーの吸収効率は、ダブルクラッドファイバーレーザーの重要なパラメータである。多くの場合、この効率は^{[2]で近似できる。}

${\displaystyle 1-\exp \left(-F{\frac {\pi r^{2}}{S}}\alpha L\right),}$

どこ

${\displaystyle S}$被覆の断面積である

${\displaystyle r}$コアの半径（円形とみなされる）

${\displaystyle \alpha}$コアにおけるポンプ光の吸収係数である

${\displaystyle L}$は二重クラッドファイバーの長さであり、

${\displaystyle F}$は無次元の調整パラメータであり、「充填係数」と呼ばれることもあります。${\displaystyle 0<F<1}$

充填率は、ポンプ光の初期分布、クラッドの形状、およびその中のコアの位置によって異なる場合があります。

コアにおけるポンプの吸収効率の指数的挙動は明らかではありません。クラッドの一部のモード (または一部の光線) は、他のモードよりもコアとの結合が良好であると予想されます。したがって、「真の」依存関係は、複数の指数の組み合わせである可能性があります。上図および右図に示すように、シミュレーションとの比較によってのみ、この近似が正当化されます。特に、この近似は円形ファイバーでは機能しません。以下に引用する Bedo らによる初期の研究を参照してください。カオスファイバーの場合、は 1 に近づきます。の値は、波の伝播、モードによる展開、または幾何光学光線追跡による数値解析によって推定できます。値 0.8 および 0.9 は、経験的な調整パラメータにすぎず、円形オフセットと長方形という 2 つの特定のクラスの二重クラッドファイバーの数値シミュレーションと簡単な推定値との良好な一致を提供します。明らかに、上記の簡単な推定値は、オフセットパラメータがクラッドのサイズに比べて小さくなると失敗します。 ${\displaystyle F}$${\displaystyle F}$

ディリクレ・ラプラシアンのモードの特殊な境界挙動により、螺旋状のクラッドでは充填係数が特に急速に1に近づきます。^{[10]ダブルクラッドファイバーの設計者は、最適化された形状（ポンプをコアに効率的に結合するため）とファイバーを線引きするために使用される}プリフォームの製造の単純さとの間の妥当な妥協点を求めています。 ${\displaystyle F}$

ファイバーレーザーのパワースケーリングは、誘導ブリルアン散乱や誘導ラマン散乱などの望ましくない非線形効果によって制限されます。これらの効果は、ファイバーレーザーが短い場合に最小限に抑えられます。ただし、効率的な動作のためには、ポンプが短い長さに沿ってコアに吸収される必要があります。上記の推定は、この楽観的なケースに適用されます。特に、内側のクラッドから外側のクラッドまでの屈折率のステップが大きいほど、ポンプの閉じ込めが良くなります。極限ケースとして、ガラスから空気までの屈折率のステップは2のオーダーになる可能性があります。^[13]充填係数を使用した推定は、内側のクラッドのサイズを縮小することで、効率的な二重クラッドファイバーレーザーをどれだけ短くできるかを推定します。

良好なクラッド形状の場合、上で定義した充填係数は1に近づきます。クラッドの様々なテーパリングで次の向上が可能です。^[14]このようなクラッドの非従来型の形状が提案されています。^[15]${\displaystyle F}$

アクティブゲイン媒体を備えた平面導波路は、従来の固体レーザーと二重クラッドファイバーレーザーの中間的な位置を占めています。平面導波路は、マルチモードポンプと高品質の信号ビームを閉じ込めることができ、ポンプの効率的な結合と回折限界の出力を可能にします。^{[7] [16]}