(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イッテルビウム、アルミニウムおよびリンを少なくとも含有するコアと、このコアを囲むクラッドと、を備え、
前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル％と、前記コア中の前記アルミニウムの酸化アルミニウム換算モル％と、が同じであり、
前記コア中の前記イッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル％に対する前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル％の比が１０以上かつ３０以下であり、
前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下であり、
前記コアおよび前記クラッドがシリカガラスをベースとするガラスから構成されており、
前記酸化イッテルビウム換算モル％をαとすると、前記αは、０．０５≦α×０．５≦０．３０なる関係を満たす
ことを特徴とするイッテルビウム添加光ファイバ。
【請求項２】
イッテルビウム、アルミニウムおよびリンを少なくとも含有するコアと、このコアを囲むクラッドと、を備え、
前記コア中の前記イッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル％に対する前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル％の比が１０以上かつ３０以下であり、
前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下であり、
前記コアおよび前記クラッドがシリカガラスをベースとするガラスから構成されており、
前記酸化イッテルビウム換算モル％をα、前記コア中の前記アルミニウムの酸化アルミニウム換算モル％をβ、前記五酸化二リン換算モル％をγとすると、前記α、前記βおよび前記γは、β＞γであって、０．０５≦（β−γ）×０．１９+α×０．５≦０．３０なる関係を満たす
ことを特徴とするイッテルビウム添加光ファイバ。
【請求項３】
前記β及び前記γが、１＜（β／γ）≦３なる関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載のイッテルビウム添加光ファイバ。
【請求項４】
イッテルビウム、アルミニウムおよびリンを少なくとも含有するコアと、このコアを囲むクラッドと、を備え、
前記コア中の前記イッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル％に対する前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル％の比が１０以上かつ３０以下であり、
前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下であり、
前記コアおよび前記クラッドがシリカガラスをベースとするガラスから構成されており、
前記酸化イッテルビウム換算モル％をα、前記コア中の前記アルミニウムの酸化アルミニウム換算モル％をβ、前記五酸化二リン換算モル％をγとすると、前記α、前記βおよび前記γは、β＜γであって、０．０５≦（γ−β）×０．０４+α×０．５≦０．３０なる関係を満たす
ことを特徴とするイッテルビウム添加光ファイバ。
【請求項５】
前記β及び前記γが、０．５６≦（β／γ）＜１なる関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載のイッテルビウム添加光ファイバ。
【請求項６】
前記コアにゲルマニウムを含有しないことを特徴とする
請求項１、２または４のいずれか１項に記載のイッテルビウム添加光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イッテルビウムが添加された光増幅用のイッテルビウム添加光ファイバに関し、さらに詳しくは、フォトダークニングと呼ばれる出力低下および非線形光学効果を抑制したイッテルビウム添加光ファイバに関する。
本願は、２００８年１１月０４日に、日本国に出願された特願２００８−２８３１６５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
光増幅用ファイバは、軸対称な導波構造を有する光ファイバのコアおよび／またはクラッドに希土類元素などが添加された構成をなしており、ファイバアンプやファイバレーザなどの光活性媒質として使用されている。特に、希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）を含有するＹｂ添加光ファイバを、光増幅用光ファイバとして用いたファイバレーザは、そのビーム品質がよく、パワーの高い出力光が得られる。また、このファイバレーザは、その出力光の発振波長が、既存の高出力レーザの１つであるＮｄ−ＹＡＧとほぼ同じ１μｍ付近である。そのため、Ｙｂ添加光ファイバは、溶接、マーキング、切断などの材料加工用途の高出力光源用レーザ媒体としての実用化が期待されている。【０００３】
ファイバ型光増幅器やファイバレーザでは、フォトダークニングと呼ばれる現象が知られている。これは、ファイバ中を伝搬する励起光や信号光によって生じる光ファイバの伝送損失が増加する現象である。このような伝送損失が増加した場合、増幅媒体である希土類添加光ファイバの利得が低下する。すなわち、ファイバ型光増幅器やファイバレーザの出力が経時的に低下することになるので、信頼性の点でも問題となる。【０００４】
一般に、高出力のレーザ光を光ファイバで伝播させた場合、このレーザ光と異なる波長の光が発生し、増幅されて、いわゆる誘導ラマン散乱が発生することが知られている。その結果、伝播させたレーザ出力光の強度低下やレーザ光のスペクトル幅の拡大という問題が生じる。すなわち、誘導ラマン散乱に代表される非線形光学効果が発現しないように、光ファイバを設計することが好適である。【０００５】
これまでにフォトダークニングを抑制するための手法が種々開示されている。
例えば、ＤＮＤ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と呼ばれる特殊な製造方法を適用することにより、フォトダークニングを抑制する手法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。【０００６】
また、光ファイバにアルミニウムを高濃度に添加することによって、フォトダークニングを抑制する手法が開示されている（例えば、非特許文献２参照）。
さらに、光ファイバにリンを高濃度に添加することによって、フォトダークニングを抑制する手法が開示されている（例えば、非特許文献３参照）。【０００７】
また、シリカガラスの屈折率に関して、以下の情報が開示されている。
シリカガラス（ＳｉＯ２）からなる母材に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と五酸化二リン（Ｐ２Ｏ５）を共添加することにより、コアの屈折率上昇を抑制できることが開示されている（例えば、非特許文献４、５参照）。特に、酸化アルミニウムと五酸化二リンの添加濃度（ｍｏｌ％）が等量に近付くほど、純粋な二酸化ケイ素の屈折率に近付くことが開示されている。【０００８】
また、特許文献１には、光ファイバのコア中に、希土類元素とゲルマニウムとアルミニウムとリンとが添加された光ファイバが開示されている。この特許文献１では、これらの元素をコアに添加することで、コアとクラッドとの屈折率差が小さくなること、および希土類元素の再結晶化が抑制されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１１２０７０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】S.Tammela et al., The Potential of Direct Nanoparticle Deposition for the Next Generation of Optical Fibers, The Proceeding of SPIE Photonics West 2006, Vol.6116-16 (2006)
【非特許文献２】T. Kitabayashi et. al., Population Inversion Factor Dependence of Photodarkening of Yb-doped Fibers and Its Suppression by Highly Aluminum Doping, The Proceedings of OFC 2006, OThC5(2006)
【非特許文献３】M. Engholm et. al., Preventing photodarkening in ytterbium-doped high power fiber laser; correlation to the UV-transparency of the core glass, The Proceeding of Optics Express Vol.16, 1260-1268 (2008)
【非特許文献４】D. S. Lipatov et. al., Optical Properties of Highly Al2O3and P2O5 Doped Silica Hosts for Large Mode Area Fiber Lasers and Amplifiers, the proceedings of ECOC2007, Poster Session P020.
【非特許文献５】DiGIOVANNI et. al., Structure and properties of silica containing aluminum and phosphorus near the AlPO４ join, Journal of Non-Crystalline Solids 113(1989)58-64.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、非特許文献１に記載されている手法によれば、確かにフォトダークニングを抑制できるものの、この手法は原理的に脱水が十分にできない。そのため、水酸基に起因する伝送損失が大きいという問題があった。さらに、母材のサイズを大型化することが困難であり、収率も低い。ゆえに、光ファイバの製造コストを低下させるには、不利な手法であった。【００１２】
非特許文献２に記載されている手法では、フォトダークニングを十分に抑制するために、多量のアルミニウムの添加が必要である。その結果、光ファイバのコアの屈折率が高くなってしまうという問題があった。ファイバ型光増幅器やファイバレーザに使用される希土類添加光ファイバは、シングルモード伝搬または少数モード伝搬の条件下で使用されることが一般的である。したがって、コアの屈折率が高い場合、相対的にコア径を小さくしなければならない。コア径が小さいことは、光ファイバの有効コア断面積（Ａｅｆｆ）が小さくなることから、伝搬する光のパワー密度が高くなって非線形光学効果が発現しやすい。すなわち、非線形光学効果による波長変換が生じて、所望の出力光が得られないという問題があった。【００１３】
非特許文献３に記載されている手法では、フォトダークニングを抑制するために、多量のリンの添加が必要である。しかし、リンは屈折率を上昇させる添加剤であるため、コアの屈折率が高くなる。したがって、この手法によって得られた光ファイバを用い、シングルモード伝搬または少数モード伝搬にて光を伝送しようとすると、上述のような非線形光学効果が発現しやすいという問題があった。【００１４】
非特許文献４、５では、アルミニウムおよびリンを含有し、シリカガラスを主成分とする光ファイバの屈折率については詳細に検討されている。しかしながら、イッテルビウム、アルミニウムおよびリンを含有し、シリカガラスを主成分とする光ファイバの屈折率については検討されていない。
一方、コアにイッテルビウムと他の希土類元素を共添加した光ファイバは、ファイバ型光増幅器用途やファイバレーザ用途に有用であることが知られている。【００１５】
特許文献１ではフォトダークニングの抑制に関して記載がなく、上記元素らを特許文献１に記載の濃度範囲でコアに添加したのみでは、フォトダークニングを十分に抑制できない虞がある。【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、フォトダークニングを抑制するとともに、コアの屈折率上昇を抑えて非線形光学効果を抑制することができるイッテルビウム添加光ファイバの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用した。
（１）本発明のイッテルビウム添加光ファイバは、イッテルビウム、アルミニウムおよびリンを少なくとも含有するコアと、このコアを囲むクラッドと、を備え、前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル％と、前記コア中の前記アルミニウムの酸化アルミニウム換算モル％と、が同じであり、前記コア中の前記イッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル％に対する前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル％の比が１０以上かつ３０以下であり、前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下であり、前記コアおよび前記クラッドがシリカガラスをベースとするガラスから構成されており、前記酸化イッテルビウム換算モル％をαとすると、前記αは、０．０５≦α×０．５≦０．３０なる関係を満たしている。
【００１８】
（２）本発明のイッテルビウム添加光ファイバは、イッテルビウム、アルミニウムおよびリンを少なくとも含有するコアと、このコアを囲むクラッドと、を備え、前記コア中の前記イッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル％に対する前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル％の比が１０以上かつ３０以下であり、前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下であり、前記酸化イッテルビウム換算モル％をα、前記コア中の前記アルミニウムの酸化アルミニウム換算モル％をβ、前記五酸化二リン換算モル％をγとすると、前記α、前記βおよび前記γは、β＞γであって、０．０５≦（β−γ）×０．１９+α×０．５≦０．３０なる関係を満たす。
【００１９】
（３）上記（２）の場合、前記β及び前記γが、１＜（β／γ）≦３なる関係を満たすのが好ましい。
【００２０】
（４）本発明のイッテルビウム添加光ファイバは、イッテルビウム、アルミニウムおよびリンを少なくとも含有するコアと、このコアを囲むクラッドと、を備え、前記コア中の前記イッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル％に対する前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル％の比が１０以上かつ３０以下であり、前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下であり、前記酸化イッテルビウム換算モル％をα、前記コア中の前記アルミニウムの酸化アルミニウム換算モル％をβ、前記五酸化二リン換算モル％をγとすると、前記α、前記βおよび前記γは、β＜γであって、０．０５≦（γ−β）×０．０４+α×０．５≦０．３０なる関係を満たす。
【００２１】
（５）上記（４）の場合、前記β及び前記γが、０．５６≦（β／γ）＜１なる関係を満たすのが好ましい。
【００２２】
（６）上記（１）、（２）または（４）のいずれかの場合、前記コアにゲルマニウムを含有しないのが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のイッテルビウム添加光ファイバは、イッテルビウム、アルミニウムおよびリンを少なくとも含有するコアと、このコアを囲むクラッドと、を備え、前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル濃度と、前記コア中の前記アルミニウムの酸化アルミニウム換算モル濃度と、が同じであり、前記コア中の前記イッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル濃度に対する前記コア中の前記リンの五酸化二リン換算モル濃度の比が１０以上かつ３０以下であり、前記コアと前記クラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下である。そのため、フォトダークニングとバックグラウンド損失とを抑制できるとともに、コアの屈折率上昇を抑えて非線形光学効果を抑制できる光ファイバを実現可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Ｙｂ添加光ファイバにおいて、コア中の五酸化二リンのモル濃度と、コアとクラッドとの比屈折率差との関係を示すグラフである。
【図２】Ｙｂ添加光ファイバにおいて、酸化イッテルビウムのモル濃度と、コアとクラッドとの比屈折率差との関係を示すグラフである。
【図３】Ｙｂ添加光ファイバのコア中の酸化イッテルビウムのモル濃度に対する五酸化二リンのモル濃度の比と、フォトダークニングによる損失増加量との関係を示すグラフである。
【図４】Ｙｂ添加光ファイバのコア中の酸化イッテルビウムのモル濃度に対する五酸化二リンのモル濃度の比と、波長１２００ｎｍにおけるバックグラウンド損失値との関係を示すグラフである。
【図５】増幅用光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差と、レーザ出力光パワーとの関係を示すグラフである。
【図６】増幅用光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差と、レーザ出力光パワーとの関係を示すグラフである。
【図７】コアにゲルマニウムが更に添加されたＹｂ添加光ファイバにおいて、コア中の五酸化二リンのモル濃度と、コアとクラッドとの比屈折率差との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明のイッテルビウム添加光ファイバの最良の形態について説明する。
この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
以下、「モル％」の単位で示す添加成分の濃度は、屈折率分布を有する光ファイバにおいては、特に断りのない限り平均値である。
「コア径」とは、「コアの最大比屈折率差の１／ｅの比屈折率差を有する径」のことを指す。
【００２８】
＜イッテルビウム添加光ファイバ＞
本発明のイッテルビウム添加光ファイバ（以下、「Ｙｂ添加光ファイバ」と略記する）は、コアおよびそれを囲むクラッドを備え、コアに少なくともイッテルビウム（Ｙｂ）、アルミニウム（Ａｌ）およびリン（Ｐ）を含有している。そして、コア中のイッテルビウムの酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）換算モル濃度（以下、単に酸化イッテルビウムの濃度と略記する場合がある）に対する、コア中のリンの五酸化二リン（Ｐ２Ｏ５）換算モル濃度（以下、単に五酸化二リンの濃度と略記する場合がある）の比が１０以上かつ３０以下である。コアとクラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下である。
【００２９】
イッテルビウムは、光増幅作用を有するドーパントである。
アルミニウムは、屈折率上昇作用およびシリカガラスの結晶化抑制作用を有するドーパントである。
リンは、フォトダークニング抑制作用および屈折率上昇作用を有するドーパントである。
【００３０】
コア中のリンは、フォトダークニングの抑制作用を有する。しかしながら、コアがイッテルビウムおよびリンのみを含有する光ファイバでは、コアの屈折率を所望の低い値とした場合、シリカガラスが結晶化してしまう。そのため、この光ファイバは、増幅用光ファイバとして使用できない。しかし、さらにアルミニウムをコアに含有させることにより、フォトダークニングを抑制しつつ、コアの屈折率を所望の低い値にしても、シリカガラスの結晶化を抑制できる。アルミニウムがシリカガラスの結晶化抑制作用を有するのは、イッテルビウムおよびリンをシリカガラス中に分散させるからであると推測される。
【００３１】
本発明は、コア中のイッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル濃度に対する、コア中のリンの五酸化二リン換算モル濃度の比を、所定の範囲に設定することにより、フォトダークニングを抑制できる。
【００３２】
上記のような観点から、コア中のイッテルビウムの酸化イッテルビウム換算モル濃度に対する、コア中のリンの五酸化二リン換算モル濃度の比が１０以上かつ３０以下であることが好ましく、１５以上かつ２０以下であることがより好ましい。
このモル濃度比が１０未満では、急激にフォトダークニングによる損失増加量が増える。
一方、このモル濃度比が３０を超えると、急激にバックグラウンド損失値が大きくなる。
一般に、バックグラウンド損失値が大きくなると、Ｙｂ添加光ファイバをファイバレーザに適用した場合、そのファイバレーザはエネルギー変換効率が低下する。
【００３３】
また、コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度をα、コア中のアルミニウムの酸化アルミニウム換算モル濃度（以下、単に酸化アルミニウムのも濃度と略記する場合がある）をβ、コア中の五酸化二リンのモル濃度をγとすると、β＝γである。この場合、０．０５≦α×０．５≦０．３０なる関係を満たすことが好ましく、０．０８≦α×０．５≦０．２０なる関係を満たすことがより好ましく、０．１０≦α×０．５≦０．１５なる関係を満たすことが最も好ましい。
上記の関係式において、「０．５」は１ｍｏｌ％当たりの酸化イッテルビウムが、コアの屈折率の上昇に与える寄与率（変化率）である。
【００３４】
酸化イッテルビウムは、モル濃度に比例してコアの屈折率を上昇させる。これに対して、酸化アルミニウムと五酸化二リンは、コアの屈折率の上昇を互いに相殺する。したがって、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度（β）と、コア中の五酸化二リンのモル濃度（γ）が等しい（β＝γ）場合、コアの屈折率を変化させるのは酸化イッテルビウムのみとなる。
したがって、α、βおよびγは、β＝γの場合、０．０５≦α×０．５≦０．３０なる関係を満たすようにすれば、ガラスの結晶化を抑制しつつフォトダークニングを抑制する高い効果が得られる。
α×０．５が０．０５より小さくなると、すなわち、コアとクラッドとの屈折率差が０．０５より小さくなると、曲げ損失や光ファイバへの外部応力による損失が大きく、実用的ではない。一方、α×０．５が０．３０より大きくなると、すなわち、コアとクラッドとの屈折率差が０．３０より大きくなると、誘導ラマン散乱に代表される非線形光学効果の発現により波長変換が生じやすく、所望の出力光が得られない。
【００３５】
また、コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度をα、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度をβ、コア中の五酸化二リンのモル濃度をγとすると、β＞γであってもよい。この場合、０．０５≦（β−γ）×０．１９+α×０．５≦０．３０なる関係を満たすことが好ましく、０．０８≦（β−γ）×０．１９+α×０．５≦０．２０なる関係を満たすことがより好ましい。
上記の関係式において、「０．５」は１ｍｏｌ％当たりの酸化イッテルビウムが、コアの屈折率の上昇に与える寄与率（変化率）であり、「０．１９」は１ｍｏｌ％当たりの酸化アルミニウムが、コアの屈折率の上昇に与える寄与率（変化率）である。
【００３６】
コア中の酸化アルミニウムのモル濃度（β）が、コア中の五酸化二リンのモル濃度（γ）よりも高い（β＞γ）場合、過剰な酸化アルミニウムのモル濃度に比例して、コアの屈折率が上昇する。また、酸化イッテルビウムもコアの屈折率を上昇させる。したがって、過剰な酸化アルミニウムと酸化イッテルビウムによるコアの屈折率上昇は、加成性が成立する。
したがって、α、βおよびγは、β＞γの場合、０．０５≦（β−γ）×０．１９+α×０．５≦０．３０なる関係を満たすようにすれば、ガラスの結晶化を抑制しつつフォトダークニングを抑制する高い効果が得られる。
（β−γ）×０．１９+α×０．５が０．０５より小さくなると、すなわち、コアとクラッドとの屈折率差が０．０５より小さくなると、曲げ損失や光ファイバへの外部応力による損失が大きく、実用的ではない。一方、（β−γ）×０．１９+α×０．５が０．３０より大きくなると、すなわち、コアとクラッドとの屈折率差が０．３０より大きくなると、誘導ラマン散乱に代表される非線形光学効果の発現により波長変換が生じやすく、所望の出力光が得られない。
この際、β及びγが、１＜（β／γ）≦３なる関係を更に満たすのが好ましい。（β／γ）が３より大きくなると、コアとクラッドとの比屈折率差が０．３０より大きくなる場合があり、上述したように所望の出力光が得られなくなる。
【００３７】
また、コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度をα、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度をβ、コア中の五酸化二リンのモル濃度をγとすると、β＜γであってもよい。この場合、０．０５≦（γ−β）×０．０４+α×０．５≦０．３０なる関係を満たすことが好ましく、０．０８≦（γ−β）×０．０４+α×０．５≦０．２０なる関係を満たすことがより好ましい。
上記の関係式において、「０．５」は１ｍｏｌ％当たりの酸化イッテルビウムが、コアの屈折率の上昇に与える寄与率（変化率）であり、「０．０４」は１ｍｏｌ％当たりの五酸化二リンが、コアの屈折率の上昇に与える寄与率（変化率）である。
【００３８】
コア中の五酸化二リンのモル濃度（γ）が、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度（β）よりも高い（β＜γ）場合、過剰な五酸化二リンのモル濃度に比例して、コアの屈折率が上昇する。また、酸化イッテルビウムもコアの屈折率を上昇させる。したがって、過剰な五酸化二リンと酸化イッテルビウムによるコアの屈折率上昇は、加成性が成立することが分かる。
したがって、α、βおよびγは、β＜γの場合、０．０５≦（γ−β）×０．０４+α×０．５≦０．３０なる関係を満たすようにすれば、ガラスの結晶化を抑制しつつフォトダークニングを抑制する高い効果が得られる。
（γ−β）×０．０４+α×０．５が０．０５より小さくなると、すなわち、コアとクラッドとの屈折率差が０．０５より小さくなると、曲げ損失や光ファイバへの外部応力による損失が大きく、実用的ではない。一方、（γ−β）×０．０４+α×０．５が０．３０より大きくなると、すなわち、コアとクラッドとの屈折率差が０．３０より大きくなると、誘導ラマン散乱に代表される非線形光学効果の発現により波長変換が生じやすく、所望の出力光が得られない。
この際、β及びγが、０．５６≦（β／γ）＜１なる関係を更に満たすのが好ましい。（β／γ）が０．５６より小さくなると、コアとクラッドとの比屈折率差が０．３０より大きくなる場合があり、上述したように所望の出力光が得られなくなる。
【００３９】
コアおよびクラッドは、シリカガラス（ＳｉＯ２）をベースとするガラスから構成されていることが好ましい。シリカガラスは、一般的な伝送用光ファイバで汎用されているのに加え、伝送損失の低減が可能であり、光を高効率で増幅するのに有利である。
【００４０】
コアの屈折率分布は、特に限定されず、目的に応じて適宜調整すればよい。コアの屈折率分布は、例えば、単峰ステップ型でもよいし、釣鐘型、凹型、デュアルシェイプ、セグメントコア、二重凹型、Ｗ型など、公知のいかなる屈折率分布でもよい。
【００４１】
コアおよびクラッドの屈折率は、Ｙｂ添加光ファイバの構造や、所望の比屈折率差などを考慮して、調整することが好ましい。
例えば、導波する光を閉じ込めるためには、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高いことが好ましい。
【００４２】
コアとクラッドとの比屈折率差は、０．０５〜０．３０％であることが好ましく、０．０８〜０．２０％であることがより好ましい。
コアとクラッドとの比屈折率差が０．０５％未満では、光ファイバにおいて光を閉じ込める十分な効果が得られない。そのため、光ファイバを曲げたり、光ファイバに側圧を加えたりすると、光を安定に伝搬できなくなる。一方、コアとクラッドとの比屈折率差が０．３０％を超えると、光ファイバを実質的にシングルモード条件で使用する場合、または、光ファイバを少ないモード数で使用する場合、コア径が小さくなり、光のパワー密度が高くなる。そのため、光によるコアガラスの損傷や光学的非線形現象を抑制する効果が得られ難くなる。これにより、高出力の光が得られ難くなる。
ここで「コアとクラッドとの比屈折率差」とは、コアの屈折率をｎ１、クラッドの屈折率をｎ０とした場合に、式：（ｎ１−ｎ０）／ｎ１×１００で算出される値である。
【００４３】
コア径は、コアの屈折率に応じて適宜設定することが好ましいが、通常は、１０〜４０μｍであることが好ましく、２０〜３０μｍであることがより好ましい。
【００４４】
本発明のＹｂ添加光ファイバは、コアにイッテルビウム、アルミニウムおよびリンを所定量添加すること以外は、公知の手法で製造できる。
例えば、ＭＣＶＤ法、ＶＡＤ法などでファイバプリフォームを作製し、これを所望の外径となるように紡糸して、その外周上にＵＶ硬化樹脂などで保護被覆層を形成することで製造できる。１層目のＵＶ被覆層にシリカガラスよりも屈折率の低い樹脂をコーティングすることにより、ダブルクラッドファイバを製造することもできる。
イッテルビウムは、ファイバプリフォーム作製過程において、スートに液浸法で添加する手法や、液滴を噴霧する手法で添加できる。
また、例えば、クラッドの形状を非円形状とする場合、イッテルビウム添加後のファイバプリフォームを所望の形状に外削し、これを紡糸すればよい。
また、例えば、クラッド中に応力付与部を設ける場合、イッテルビウム添加後のファイバプリフォームにおいて、その中心軸方向に孔を設け、好ましくはその内表面を研削および研磨して鏡面化した後、ここにＭＣＶＤ法などで作製したＢ２Ｏ３−ＳｉＯ２ガラス製の応力付与部材を挿入し、次いで紡糸すればよい。
【００４５】
本発明によれば、フォトダークニングの抑制効果に優れ、所望の高出力光が得られるＹｂ添加光ファイバを、ＭＣＶＤ法やＶＡＤ法などの公知の手法を適用して製造できる。また、製造時に使用するファイバプリフォームのサイズも制限されることがない。したがって、上記のような優れた特性を有するＹｂ添加光ファイバを、安価かつ大量に提供できる。
また、このような光ファイバを光増幅媒体として使用することで、経時に伴う出力低下が抑制され、光学特性が良好なファイバレーザおよびファイバアンプを安価に提供できる。
【００４６】
以下、実験例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実験例に限定されるものではない。
【００４７】
以下の実験例１〜９において、基本的に、コアは酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および五酸化二リン（Ｐ２Ｏ５）を含むシリカガラスからなり、クラッドはシリカガラスからなる。
【００４８】
「実験例１」
Ｙｂ添加光ファイバを作製した。作製したＹｂ添加光ファイバはシングルクラッドファイバであり、コアの外周上にクラッドが設けられ、クラッドの外周上に保護被覆層が設けられたものである。
ファイバプリフォームは、ＭＣＶＤ法で作製した。また、イッテルビウムは液浸法で添加した。そして、ファイバプリフォームをガラス外径が約１２５μｍになるまで紡糸し、外周上に保護被覆層を設けた。
コア中の酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）のモル濃度を０．２０ｍｏｌ％で一定とし、コア中の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のモル濃度を２．５ｍｏｌ％で一定として、コア中の五酸化二リン（Ｐ２Ｏ５）のモル濃度を変化させた場合、Ｙｂ添加光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差（Δ）の変化を求めた。
結果を図１に示す。
【００４９】
図１の結果から、五酸化二リンのモル濃度が、酸化アルミニウムのモル濃度とほぼ等しい、２．５ｍｏｌ％近傍である場合、コアとクラッドとの比屈折率差が最小になることが分かった。また、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも高濃度の領域において、比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明した。同様に、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも低濃度の領域においても、比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明した。また、比屈折率差の最小値は、０．１０％であった。また、コアにおいて相対的に酸化アルミニウムが過剰な領域（五酸化二リンのモル濃度が２．５ｍｏｌ％以下の場合）の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値は０．１９０であった。さらに、コアにおいて相対的に五酸化二リンが過剰な領域（五酸化二リンのモル濃度が２．５ｍｏｌ％以上の場合）の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値は０．０４０であった。
これらの結果を表１に示す。
【００５０】
「実験例２」
コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度を０．１０ｍｏｌ％で一定とし、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度を２．５ｍｏｌ％で一定とした以外は実験例１と同様にして、コア中の五酸化二リンのモル濃度を変化させた場合、Ｙｂ添加光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差の変化を求め、図１と同様のグラフ（図示略）を作成した。
この結果から、五酸化二リンのモル濃度が、酸化アルミニウムのモル濃度とほぼ等しい、２．５ｍｏｌ％近傍である場合、コアとクラッドとの比屈折率差が最小になることが分かった。また、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも高濃度の領域において、比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明した。同様に、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも低濃度の領域においても、比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明した。また、比屈折率差の最小値は、０．０６％であった。また、コアにおいて相対的に酸化アルミニウムが過剰な領域（五酸化二リンのモル濃度が２．５ｍｏｌ％以下の場合）の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値は０．１８６であった。さらに、コアにおいて相対的に五酸化二リンが過剰な領域（五酸化二リンのモル濃度が２．５ｍｏｌ％以上の場合）の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値は０．０４１であった。
これらの結果を表１に示す。
【００５１】
「実験例３」
コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度を０．４０ｍｏｌ％で一定とし、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度を５．０ｍｏｌ％で一定とした以外は実験例１と同様にして、コア中の五酸化二リンのモル濃度を変化させた場合、Ｙｂ添加光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差の変化を求め、図１と同様のグラフ（図示略）を作成した。
この結果から、五酸化二リンのモル濃度が、酸化アルミニウムのモル濃度とほぼ等しい、５．０ｍｏｌ％近傍である場合、コアとクラッドとの比屈折率差が最小になることが分かった。また、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも高濃度の領域において、比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明した。同様に、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも低濃度の領域においても、比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明した。また、比屈折率差の最小値は、０．２３％であった。また、コアにおいて相対的に酸化アルミニウムが過剰な領域（五酸化二リンのモル濃度が５．０ｍｏｌ％以下の場合）の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値は０．１９０であった。さらに、コアにおいて相対的に五酸化二リンが過剰な領域（五酸化二リンのモル濃度が５．０ｍｏｌ％以上の場合）の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値は０．０４２であった。
これらの結果を表１に示す。
【００５２】
「実験例４」
コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度を０．７０ｍｏｌ％で一定とし、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度を５．０ｍｏｌ％で一定とした以外は実験例１と同様にして、コア中の五酸化二リンのモル濃度を変化させた場合、Ｙｂ添加光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差の変化を求め、図１と同様のグラフ（図示略）を作成した。
この結果から、五酸化二リンのモル濃度が、酸化アルミニウムのモル濃度とほぼ等しい、５．０ｍｏｌ％近傍である場合、コアとクラッドとの比屈折率差が最小になることが分かった。また、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも高濃度の領域において、比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明した。同様に、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも低濃度の領域においても、比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明した。また、比屈折率差の最小値は、０．３５％であった。また、コアにおいて相対的に酸化アルミニウムが過剰な領域（五酸化二リンのモル濃度が５．０ｍｏｌ％以下の場合）の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値は０．１９３であった。さらに、コアにおいて相対的に五酸化二リンが過剰な領域（五酸化二リンのモル濃度が５．０ｍｏｌ％以上の場合）の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値は０．０３７であった。
これらの結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
0005470266.tif 000002
【００５４】
表１の結果から、五酸化二リンのモル濃度と、酸化アルミニウムのモル濃度とがほぼ等量であるとき、コアとクラッドとの比屈折率差が最小値を示すことが分かった。また、コアにおいて相対的に酸化アルミニウムのモル濃度または五酸化二リンのモル濃度が過剰になると、コアとクラッドとの比屈折率差が大きくなることが分かった。この際、コア中の酸化アルミニウムの濃度に対するコア中の五酸化二リンの濃度の比が１より大きく、かつ３以下であれば、この光ファイバにおいて、コアとクラッドとの比屈折率差が０．１以上０．３以下となることがわかった。また、コア中の酸化アルミニウムの濃度に対するコア中の五酸化二リンの濃度の比が０．５６以上、かつ１より小さければ、この光ファイバにおいて、コアとクラッドとの比屈折率差が０．１以上０．３以下となることがわかった。
また、実験例１〜４において算出した、コアにおいて相対的に酸化アルミニウムが過剰な領域の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値の平均値は０．１９であった。また、実験例１〜４において算出した、コアにおいて相対的に五酸化二リンが過剰な領域の比屈折率差の変化を表す直線の傾きの絶対値の平均値は０．０４であった。以上の結果から、これら直線の傾きの値を１ｍｏｌ％当たりに換算すると、コアにおいて相対的に過剰な酸化アルミニウムが、コアとクラッドとの比屈折率差に対する寄与率（変化率）は０．１９％／ｍｏｌ％であり、コアにおいて相対的に過剰な五酸化二リンが、コアとクラッドとの比屈折率差に対する寄与率（変化率）は０．０４％／ｍｏｌ％であることが分かった。
【００５５】
図２は、表１に示した結果に基づいて、酸化イッテルビウムのモル濃度と、コアとクラッドとの比屈折率差との関係を示すグラフである。
図２に示したグラフは、原点を通る直線としてフィッティングでき、その直線の傾きが０．５％／ｍｏｌ％であった。したがって、この値を１ｍｏｌ％当たりに換算すると、酸化イッテルビウムが、コアとクラッドとの比屈折率差に対する寄与率（変化率）は０．５％／ｍｏｌ％である。
また、図２に示したグラフは、酸化アルミニウムのモル濃度を２．５ｍｏｌ％（実験例１、２）または５．０ｍｏｌ％（実験例３、４）とした場合に、酸化イッテルビウムのモル濃度と比屈折率差との関係を示すものである。図２に示したように、異なる２つの酸化アルミニウムのモル濃度における屈折率差をほぼ同じ直線上にプロットできることから、酸化イッテルビウムのモル濃度の比屈折率差に対する寄与は、酸化アルミニウムのモル濃度や五酸化二リンのモル濃度から独立していることが分かった。
【００５６】
実験例１〜４により得られた知見をまとめると、以下のようになる。
コアにイッテルビウム、アルミニウムおよびリンを含有し、シリカガラスを主成分とするＹｂ添加光ファイバでは、五酸化二リンのモル濃度と、酸化アルミニウムのモル濃度とがほぼ等量である場合、コアの屈折率がシリカガラスの屈折率に近付く。
また、コアにおいて相対的に過剰な酸化アルミニウムが、コアとクラッドとの比屈折率差に対する寄与率（変化率）は０．１９％／ｍｏｌ％であった。コアにおいて相対的に過剰な五酸化二リンが、コアとクラッドとの比屈折率差に対する寄与率（変化率）は０．０４％／ｍｏｌ％であった。
さらに、酸化イッテルビウムのモル濃度は、酸化アルミニウムのモル濃度や五酸化二リンのモル濃度から独立してコアの屈折率の変化に関与する。その酸化イッテルビウムのモル濃度のコアの屈折率に対する寄与率（変化率）は０．５％／ｍｏｌ％であった。
【００５７】
「実験例５」
コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度、および、コア中の五酸化二リンのモル濃度を変化させたこと以外は実験例１と同様にして、Ｙｂ添加光ファイバを数種類作製した。
以下の方法により、作製したＹｂ添加光ファイバのフォトダークニングによる損失増加量を評価した。
【００５８】
（フォトダークニングによる損失増加量の評価方法）
コアのＹｂ吸収量が３４０ｄＢとなるような中心軸方向における長さのＹｂ添加光ファイバを使用し、そのコアに、波長９７６ｎｍの励起光を入射光量が４００ｍＷとなるように１００分間照射した。そして、波長８００ｎｍにおける照射前後の損失の差分を「フォトダークニングによる損失増加量」とした。
【００５９】
図３は、Ｙｂ添加光ファイバのコア中の酸化イッテルビウムのモル濃度に対する、コア中の五酸化二リンのモル濃度の比と、フォトダークニングによる損失増加量との関係を示すグラフである。
図３の結果から、フォトダークニングによる損失増加量は、コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度に対する、コア中の五酸化二リンのモル濃度の比に大きく依存することが分かった。このモル濃度の比が１０以上であれば、フォトダークニングによる損失増加量を０．５ｄＢ以下にでき、フォトダークニングを十分に抑制できることが分かった。一方、このモル濃度の比が１０未満では、フォトダークニングによる損失増加量が０．５ｄＢを超える。そのため、このようなＹｂ添加光ファイバを用いたファイバレーザは、長期間レーザ発振させた場合に出力低下が生じ、信頼性の点で問題となる。
【００６０】
また、図３の結果から、このモル濃度の比が大きい領域ほど、フォトダークニングによる損失増加量を小さくできる（ゼロに近いレベルにできる）ことが判明した。そして、このモル濃度の比が１０未満では、急激にフォトダークニングによる損失増加量が増えることが判明した。
【００６１】
フォトダークニングによる損失増加量は、図３に示すように、このモル濃度の比が２０以上であれば、ほぼゼロとなる。フォトダークニングによる損失増加量は、理想的にはゼロであることが好ましい。しかしながら、０．５ｄＢ程度の損失増加は実質的にゼロに近いレベルであり、実用上問題ない。また、このモル濃度の比が２０以上であれば、フォトダークニングによる損失増加量はほぼゼロであるが、五酸化二リンのモル濃度が高くなる。この場合、光ファイバ母材作製時に、母材が割れ易くなる。したがって、コアにおける五酸化二リンの濃度分布を均一にすることが難しくなり、結果として、大型の母材の作製が困難になり、低コスト化に不利である。
【００６２】
以上の結果から、フォトダークニングによる損失増加量である０．５ｄＢ以下、すなわち、コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度に対する、コア中の五酸化二リンのモル濃度の比が１０以上であれば、実質的に問題のないＹｂ添加光ファイバであると結論付けられる。
【００６３】
「実験例６」
実験例５にて作製したＹｂ添加光ファイバについて、波長１２００ｎｍにおける損失波長特性を測定した。
図４は、Ｙｂ添加光ファイバのコア中の酸化イッテルビウムのモル濃度に対する五酸化二リンのモル濃度の比と、波長１２００ｎｍにおけるバックグラウンド損失値との関係を示すグラフである。
図４の結果から、バックグラウンド損失値は、コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度に対する、コア中の五酸化二リンのモル濃度の比に大きく依存していることが分かった。また、このモル濃度の比が３０以下であれば、バックグラウンド損失値は１００ｄＢ／ｋｍ以下であり、損失値の低減効果が十分に得られることが分かった。一方、このモル濃度の比が３０を超えると、バックグラウンド損失値が１００ｄＢ／ｋｍを超えてしまう。そのため、このＹｂ添加光ファイバをファイバレーザに適用した場合、そのファイバレーザのエネルギー変換効率が著しく低下する。
【００６４】
また、図４の結果から、このモル濃度の比が３０を超えると、急激にバックグラウンド損失値が大きくなる。一般に、バックグラウンド損失値が大きくなると、このＹｂ添加光ファイバをファイバレーザに適用した場合、そのファイバレーザはエネルギー変換効率が低下することが知られている。したがって、バックグラウンド損失値は小さいほど好適である。しかしながら、現実には、あるレベルよりもバックグラウンド損失値が小さいものであれば実用可能であることが分かっている。
そこで、バックグラウンド損失値が急激に変化する臨界点である、コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度に対する、コア中の五酸化二リンのモル濃度の比が３０以下の領域、すなわち、バックグラウンド損失値が１００ｄＢ／ｋｍ（波長１２００ｎｍ）以下であれば、実用上問題ないＹｂ添加光ファイバである。
【００６５】
「実験例７」
本発明では、コアにイッテルビウム、アルミニウムおよびリンを含有し、シリカガラスを主成分とするＹｂ添加光ファイバについて、フォトダークニングを抑制すること、および、コアの屈折率上昇を抑えることにより非線形光学効果を抑制することを両立する光ファイバの構成を見出した。
フォトダークニングおよび非線形光学効果を完全に抑制する、すなわちゼロにすることが理想であるが、現実にはこれらを完全に抑制することは困難である。また、フォトダークニングおよび非線形光学効果を完全に抑制するには、製造装置の構成が複雑になり、製造コストが増加するという問題がある。したがって、工業製品としてある程度許容できるレベルまで、フォトダークニングおよび非線形光学効果を抑制するのが現実的な対応である。そこで、本発明では、現実的な数値を「目標値」として設定した。
フォトダークニングの抑制における目標値は、フォトダークニングによる損失増加量が０．５ｄＢ以下とした。
非線形光学効果の抑制における目標値は、コアとクラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下とした。
【００６６】
フォトダークニングによる損失増加量の目標値を０．５ｄＢ以下とした理由は、この目標値を達成した光ファイバを用いたファイバレーザを１０００時間連続運転した場合、１０００時間後の出力光パワーが初期の出力光パワーの７０％以上であったためである。出力低下に対する要求仕様は、製品毎あるいはユーザ毎に異なるが、運転開始から１０００時間後に初期の７０％以上の出力が維持されていれば、工業製品として許容できるレベルである。
【００６７】
非線形光学効果の抑制における目標値を、コアとクラッドとの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下とした理由は、この目標値を達成した光ファイバを用いたファイバレーザの出力光パワーと出力光のビーム品質が良好となるからである。
一般に、コアとクラッドとの比屈折率差があまりにも小さい場合、例えば、０．０５％未満の場合、光の閉じ込め効果が低いことが知られている。そのため、光ファイバの曲げや光ファイバへの側圧の印加による外部応力や、温度変化による体積変化に伴う応力に対して、光の伝搬状態が不安定になるので実用的でないと判断される。
【００６８】
コアとクラッドとの比屈折率差があまりにも大きい場合、例えば、０．３０％以上の場合、有効コア断面積（Ａｅｆｆ）が小さくなり、非線形光学効果の影響が大きくなる。例えば、非線形光学効果の一種である誘導ラマン散乱が多く発生し、レーザ出力光のスペクトル幅が拡がり、ビーム品質の低下を招くことや、ラマン光発生効率によって出力の低下を招くことがある。ビーム品質の低下を抑制するためには、増幅用光ファイバの出口側に波長フィルタを配置して、レーザ出力光より長波長側に現れる誘導ラマン散乱光をカットする方法が用いられる場合もある。その場合、最終的に波長フィルタで誘導ラマン散乱光をカットすることになるので、出力光パワーが十分に得られない。また、非線形光学効果を許容できるシステムの場合でも、さらに高出力を得ようとすると、増幅媒体である光ファイバが光損傷により破壊される現象が生じる。光損傷の閾値は、光のパワー密度に大きく依存する。ゆえに、破壊を避けるためには、有効コア断面積を大きく、すなわち、コアとクラッドとの比屈折率差を低く維持する必要がある。
【００６９】
「実験例８」
コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度、コア中の五酸化二リンのモル濃度およびコア中の酸化アルミニウムのモル濃度が大きく変わらない範囲にて、これらのドーパントのモル濃度を微調整し、コアとクラッドとの比屈折率差を変化させたこと以外は実験例１と同様にして、Ｙｂ添加光ファイバを数種類作製した。
比屈折率差の小さい光ファイバを作製する場合、屈折率を下げる効果を有するフッ素を適量添加し、比屈折率差を調整した。
この実験例８では、Ｙｂ添加光ファイバを、コア径が３０μｍのステッププロファイルを有したコアとし、クラッド径を４００μｍとし、その外周を低屈折率樹脂でコーティングし、さらにその外周を高屈折率樹脂コーティングしたダブルクラッドファイバとした。
【００７０】
このダブルクラッドファイバを増幅用光ファイバとして用い、その全長を直径３００ｍｍの円柱状の部材に巻き付けた。
円柱状の部材に巻き付けた状態の増幅用光ファイバのコアに、波長１０６０ｎｍ、平均パワー１Ｗのパルス状の種光を入射した。また、クラッドに波長９１５ｎｍ、パワー５０Ｗの励起光を入射して、波長１０６０ｎｍの光を増幅した。
そして、増幅用光ファイバにより増幅した波長１０６０ｎｍの光の出力光パワーを測定した。
ここでは、波長フィルタを用いずに、増幅用光ファイバから出力される波長１０６０ｎｍ帯（誘導ラマン散乱光を含む）の出力光パワーを測定した。増幅用光ファイバの長さを、出力光パワーが最大になるように、適宜調整した。
この測定によって得られた、増幅用光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差と、レーザ出力光パワーとの関係を図５に示す。図５に示すグラフにおいて、横軸は増幅用光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差、縦軸は増幅用光ファイバの出口側のレーザ出力光パワーを示す。
【００７１】
図５の結果から、コアとクラッドとの比屈折率差が０．０５％以上であれば、出力光パワーが３０Ｗ以上となり、実用レベルのエネルギー変換効率が得られていると考えられる。一方、コアとクラッドとの比屈折率差が０．０５％未満では、光の閉じ込め効果が低いために曲げ損失が増大し、得られる出力光パワーが著しく低下することが分かった。増幅用光ファイバの巻き直径を３００ｍｍよりも大きくすれば、曲げ損失を低減できるとも考えられるが、ファイバレーザ装置を小型化できなくなる。そのため、これ以上巻き直径を大きくすることは好ましくない。曲げ損失のみを考慮すると、コアとクラッドとの比屈折率差が大きい方が曲げ損失を小さくでき、巻き直径を小さくできるので、ファイバレーザ装置の小型化に有利である。
以上、本発明において、コアとクラッドとの比屈折率差を０．０５％以上とした目標値は、妥当であると考えられる。
【００７２】
「実験例９」
コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度、コア中の五酸化二リンのモル濃度およびコア中の酸化アルミニウムのモル濃度が大きく変わらない範囲にて、五酸化二リンのモル濃度と酸化アルミニウムのモル濃度を微調整し、コアとクラッドとの比屈折率差を変化させたこと以外は実験例１と同様にして、Ｙｂ添加光ファイバを数種類作製した。
この実験例９では、Ｙｂ添加光ファイバを、コア径が３０μｍのステッププロファイルを有したコアとし、クラッド径を４００μｍとし、その外周を低屈折率樹脂でコーティングし、さらにその外周を高屈折率樹脂コーティングしたダブルクラッドファイバとした。
【００７３】
このダブルクラッドファイバを増幅用光ファイバとして用い、この増幅用光ファイバのコアに、波長１０６０ｎｍ、平均パワー１Ｗのパルス状の種光を入射した。また、クラッドに波長９１５ｎｍ、パワー５０Ｗの励起光を入射して、波長１０６０ｎｍの光を増幅した。
増幅用光ファイバの出口側に、波長１１００ｎｍ以上の光をカットする波長フィルタを配置した。
波長１０６０ｎｍ付近の出力光を増幅する場合、１次の誘導ラマン散乱光は、波長１１１０ｎｍ付近に発生する。
さらに、２次の誘導ラマン散乱光は、波長１１６０ｎｍ付近に発生する。波長１１００ｎｍ以上の光をカットする目的は、誘導ラマン散乱光の発生を抑制し、ビーム品質の低下を抑制するためである。
【００７４】
このような系で、コアとクラッドとの比屈折率差が異なる増幅用光ファイバを用いてファイバレーザ装置を作製し、波長フィルタを通過した後のレーザ出力光パワーを測定した。増幅用光ファイバの長さは、出力光パワーが最大になるように適宜調整した。
この測定によって得られた、増幅用光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差と、レーザ出力光パワーとの関係を図６に示す。図６に示すグラフにおいて、横軸は増幅用光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差、縦軸は波長フィルタを通過したレーザ出力光パワーを示す。
【００７５】
図６の結果から、コアとクラッドとの比屈折率差が０．３０％以下であれば、出力パワーが２５Ｗ以上となり、実用レベルのエネルギー変換効率が得られていると考えられる。
一方、コアとクラッドとの比屈折率差が０．３０％を超えると、誘導ラマン散乱光の発生が大きくなり、得られる出力光パワーが著しく低下することが分かった。この実験例９で得られた出力光パワーは、実験例８で得られた出力光パワーよりも僅かに低下している。これは、増幅用光ファイバの出口側に波長フィルタを配置したことによる損失の影響を受けたものと考えられる。そこで、増幅用光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差を０．３０％以下とすることにより、出力光パワーを高くできるのは明らかである。
以上、本発明において、コアとクラッドとの比屈折率差を０．３０％以下とした目標値は、妥当であると考えられる。
【００７６】
「実験例１０」
コアにイッテルビウム、アルミニウム、リンおよびゲルマニウムを含有させたＹｂ添加光ファイバを作製した。
二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）を１ｍｏｌ％添加したこと以外は実験例１と同様にして作製した。また実験例１と同様に、コア中の酸化イッテルビウムのモル濃度を０．２０ｍｏｌ％で一定とし、コア中の酸化アルミニウムのモル濃度を２．５ｍｏｌ％で一定とし、コア中の五酸化二リンのモル濃度を変化させて、Ｙｂ添加光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差の変化を求めた。得られた結果を表１及び図７に示す。
図７に示すように、五酸化二リンのモル濃度が、酸化アルミニウムのモル濃度とほぼ等しい、２．５ｍｏｌ％近傍である場合、コアとクラッドの比屈折率差が最小になることが分かった。また、比屈折率差が最小になる五酸化二リンのモル濃度よりも低濃度の領域、及び高濃度の領域において比屈折率差の変化をほぼ直線で近似できることが判明し、その傾きの絶対値はそれぞれ０．１９２、０．０４０であった。これらの傾きは実験例１〜４で得られた結果とほぼ同じであった。実験例１と異なるのは、比屈折率差の最小値の値が０．２０％となっていたことであって、実験例１の比屈折率差の最小値の値よりも大きくなった。これは、コアに二酸化ゲルマニウムを含有させたことでコアの屈折率が上昇したことに起因する。
一般的に、ゲルマニウムを含有させたシリカガラスは、二酸化ゲルマニウム１ｍｏｌ％あたり約０．１％の屈折率上昇が起きることが知られている。図７に示す結果を図１に示す結果と比較したところ、いずれの五酸化二リンの濃度の条件においても、比屈折率差の値が０．１％程度大きくなっていた。これは、ゲルマニウムを含有させたことで、一般的に知られている程度の屈折率上昇が生じたものであると考えられる。
すでに述べたように、コアとクラッドの比屈折率差は０．３０％以下にすることが好ましい。図１に示す結果では比屈折率差が０．３０％以下になる五酸化二リンのモル濃度の範囲は１．５〜７．５ｍｏｌ％と広い範囲であった。一方、図７に示す結果では１．８〜５．０ｍｏｌ％と狭くなってしまっている。したがって、コアにゲルマニウムを含有しないほうが、比屈折率差の観点では好ましいといえる。
【００７７】
本実験例１０で得られた光ファイバを用いて、実験例５と同様にフォトダークニングによる損失増加量を評価した。その結果、二酸化ゲルマニウムの含有の有無に関わらず、フォトダークニングによる損失増加量の値は大きく変わらないことが判明した。
【００７８】
以上のことから、グレーティングを付与する等、二酸化ゲルマニウムを添加する特段の目的が無い場合には、二酸化ゲルマニウムは極力添加しないことが望ましい。なぜなら、前述の通り、二酸化ゲルマニウムを添加してもフォトダークニングに特段の影響を与えないにもかかわらず、二酸化ゲルマニウム添加により屈折率上昇を伴ってしまうため、ファイバレーザの出力光パワーと出力光のビーム品質が悪化してしまうためである。同様に、ＡｌとＰ以外の、屈折率上昇剤（Ｔｉ等）もその元素を添加する効果が特段認められないときには、屈折率上昇元素は極力添加しないことが望ましい。
【００７９】
実験例１〜１０の結果をまとめると、フォトダークニングによる損失増加量が０．５ｄＢ以下であること、および、コアとクラッドの比屈折率差が０．０５％以上かつ０．３０％以下であることを両立できれば、フォトダークニングと非線形光学効果を抑制することができる現実的な光ファイバであると考えられる。このとき、コアにはゲルマニウムのように屈折率を上昇させるドーパントを含有させないほうが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、溶接、マーキング、切断等の材料加工用途の高出力光源用レーザ媒体として利用可能である。
【図１】
0005470266.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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