(57)【要約】  本発明のマルチクラッド光ファイバは、信号光を導波する平均屈折率ｎ１のコアと；前記コアの周囲に形成された平均屈折率ｎ２の内側クラッドと、前記内側クラッドの周囲に形成された平均屈折率ｎ３の中間クラッドと、励起光を中間クラッドよりも内側に閉じ込める、中間クラッドの周囲に形成された平均屈折率ｎ４の外側クラッドと、からなるクラッドと；を備え、前記ｎ１〜ｎ４が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たし；記信号光の波長において、前記コア中に二つ以上の軸対称モードが存在し；前記二つ以上の軸対称モードが、基本モードと、この基本モードよりも高次の軸対象モードである高次モードであり；所定の曲げ直径で曲げられた時に、前記コア中の前記高次モードが、前記内側クラッドモードとのカップリングにより前記内側クラッド中に拡散して、実質的に前記基本モードのみが前記コア中を伝搬する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光を導波する平均屈折率ｎ１のコアと；
該コアの周囲に形成された平均屈折率ｎ２の内側クラッドと、該内側クラッドの周囲に形成された平均屈折率ｎ３の中間クラッドと、励起光を中間クラッドよりも内側に閉じ込める、中間クラッドの周囲に形成された平均屈折率ｎ４の外側クラッドと、からなるクラッドと；
を備えたマルチクラッド光ファイバであって、
前記ｎ１〜ｎ４が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たし；
前記信号光の波長において、前記コア中に二つ以上の軸対称モードが存在し；
前記二つ以上の軸対称モードが、基本モードと、この基本モードよりも高次の軸対象モードである高次モードであり；
所定の曲げ直径で曲げられた時に、前記コア中の前記高次モードが、前記内側クラッドモードとのカップリングにより前記内側クラッド中に拡散して、実質的に前記基本モードのみが前記コア中を伝搬する；
ことを特徴とするマルチクラッド光ファイバ。
【請求項２】
前記マルチクラッド光ファイバが、所定の曲げ直径で曲げられていることを特徴とする請求項１に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項３】
前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の２倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項４】
前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の５倍以下であり、かつ１３０μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項５】
前記コアの外径が２５〜５０μｍであり；
前記コアと前記内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０５〜０．１３％である；
ことを特徴とする請求項４に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項６】
前記軸対称モードとして、ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０１よりも高次のＬＰ０２モードのみが存在し、前記ＬＰ０２モードよりも高次モードであるＬＰ０３モード以上の高次モードが存在しないことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項７】
前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の２倍以上であることを特徴とする請求項６に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項８】
前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の５倍以下であり、かつ１３０μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項９】
前記コアの外径が３５〜５０μｍであり、前記コアと前記内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０５〜０．１０％であることを特徴とする請求項８に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１０】
前記コアの外径が２５〜３５μｍであり、前記コアと前記内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０７〜０．１３％であることを特徴とする請求項８に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１１】
前記軸対称モードとして、ＬＰ０１モード、前記ＬＰ０１モードよりも高次のＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０２モードよりも高次のＬＰ０３モードが存在し、前記ＬＰ０２モードが内側クラッドモードとのカップリングにより前記内側クラッド中に拡散し、前記ＬＰ０３モードが曲げ損失により前記内側クラッド中に拡散することを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１２】
前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の２倍以上であることを特徴とする請求項１１に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１３】
前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の５倍以下であり、かつ１３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１４】
前記コアの外径が３５〜５０μｍであり、前記コアと前記内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０８〜０．１３％であることを特徴とする請求項１３に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１５】
前記所定の曲げ直径が、８０〜２００ｍｍであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１６】
前記コアに蛍光元素が添加されたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１７】
前記蛍光元素が希土類元素であることを特徴とする請求項１６に記載のマルチクラッド光ファイバ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載のマルチクラッド光ファイバが巻回されてなることを特徴とする光ファイバモジュール。
【請求項１９】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載のマルチクラッド光ファイバ若しくは請求項１８に記載の光ファイバモジュールを有することを特徴とするファイバレーザ又はファイバアンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高パワー光の伝送等に好適なマルチクラッド光ファイバ、並びに該光ファイバを有する光ファイバモジュール、ファイバレーザ及びファイバアンプに関する。
本願は、２００９年６月１７日に、日本国に出願された特願２００９−１４４６３０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】
近年、ファイバアンプやファイバレーザの高出力化の進展にはめざましいものがある。これら高出力化の進展に伴い、ファイバアンプやファイバレーザに適用される希土類添加光ファイバをはじめとする各種光ファイバ型部品に対して、高パワー光に対する耐性の向上が求められている。そして、高パワー光に対する光ファイバの耐性を考える上では、光損傷と非線形光学効果の与える影響を低減することが重要である。光損傷と非線形光学効果は、いずれも光のパワー密度（単位導光断面積あたりの光パワー）が高い場合に生じる現象である。したがって、光損傷や非線形光学効果の発生を抑制しつつ高出力光を得るためには、光のパワー密度を下げれば良い。そして、出力パワーを下げずにパワー密度を下げるためには、光の通る断面積（導光断面積）を大きくすれば良い。通常、導光断面積の指標としては、下記式（１）で定義される実効コア断面積（Ａｅｆｆ）という概念が利用される。【０００３】
【数１】
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【０００４】
式（１）中、Ｅ（ｒ）は光ファイバ内の光の電界分布を示し、ｒは光ファイバの軸中心からの半径方向の距離を示す。
このような観点から、実効コア断面積を拡大する手法が、近年盛んに検討されている。【０００５】
例えば、非特許文献１には、光ファイバのコアの屈折率分布形状を変えることで、実効コア断面積を拡大する手法が開示されている。
非特許文献２には、高次モードが存在する光ファイバであっても、光ファイバを曲げて使用することで高次モードに曲げ損失を発生させ、実効コア断面積が大きい複数モード光ファイバで実質的にシングルモード伝搬を実現する手法が開示されている。【０００６】
非特許文献３及び４には、フォトニッククリスタルファイバを利用した実効コア断面積拡大の手法と、比屈折率差を小さくすることによる実効コア断面積拡大の手法がそれぞれ開示されている。これらの手法によれば、実効コア断面積の拡大が実現できる。
非特許文献５には、リーケージファイバを利用した実効コア断面積拡大の手法が開示されている。
非特許文献６〜８には、コアの周囲に高次モードのみを結合させて除去し、実質的にシングルモード伝搬を実現する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Proc. of SPIE vol. 5335, p. 132-139 (2004)
【非特許文献２】Opt. Lett., vol. 25, p. 442-444 (2000)
【非特許文献３】Opt. Express, 14, p. 2715-2720 (2006)
【非特許文献４】Proc. of ECOC 2008, Th. 3. C. 1 (2008)
【非特許文献５】Proc. of CLEO/QELS 2008, CPDB6 (2008)
【非特許文献６】Proc. of OFC/NFOEC 2008, OWU2 (2008)
【非特許文献７】Opt. Express, 13, p. 3477-3490 (2005)
【非特許文献８】Proc. of ECOC 2008, Mo. 4. B. 4 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、非特許文献１で開示されている手法では、実効コア断面積の拡大と共にカットオフ波長が長くなってしまい、ビーム品質を維持するために必要なシングルモード伝搬と、実効コア断面積拡大との間にトレードオフがあるという問題点があった。また、非特許文献１で開示されている光ファイバの屈折率分布では、ファイバを曲げて使用した時に、実効コア断面積が大幅に小さくなるという問題点もあった（曲げたときの実効コア断面積の挙動に関しては、Opt. Express, 14, ｐ. 69-81 (2006)に詳細な検討結果が示されている）。
また、非特許文献２で開示されている手法は、これまでに比較的広く利用されているが、Proc. of OFC/NFOEC 2008, OTuJ2 (2008)(以下、非特許文献９と略記する）に記載されているように、曲げた時の実効コア断面積の縮小の影響を受け、実効コア断面積の拡大には限界があり、十分に実効コア断面積を拡大できず、曲げた時を考慮すると、コアの外径は実質的には２５μｍ（実効コア断面積に換算すると３２０μｍ２）程度に制限されるという問題点があった。
また、非特許文献３及び４で開示されている手法では、光ファイバが曲げに弱いため、曲げて使用できず、コンパクトなファイバアンプやファイバレーザを実現できないという問題点があった。
非特許文献５で開示されている手法は、リーケージファイバが曲げに弱い点で、非特許文献３及び４で開示されている手法と同様であり、また、原理的に伝送損失が大きいため、レーザの発振効率やアンプの増幅効率を高めることが難しいという問題点もあった。
非特許文献６〜８で開示されている手法は、効果的に高次モードを除去できるが、その屈折率分布や構造が非常に複雑で、しかも非常に高精度な制御が必要であり、製造が難しく、コストが高く、歩留まりが低くなってしまうという問題点があった。【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、構造が簡便で、実質的なシングルモード伝搬と実効コア断面積の拡大が可能な光ファイバを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）上記課題を解決するため、本発明は、信号光を導波する平均屈折率ｎ１のコアと；該コアの周囲に形成された平均屈折率ｎ２の内側クラッドと、該内側クラッドの周囲に形成された平均屈折率ｎ３の中間クラッドと、励起光を中間クラッドよりも内側に閉じ込める、中間クラッドの周囲に形成された平均屈折率ｎ４の外側クラッドと、からなるクラッドと；を備えたマルチクラッド光ファイバであって、前記ｎ１〜ｎ４が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たし；前記信号光の波長において、前記コア中に二つ以上の軸対称モードが存在し；前記二つ以上の軸対称モードが、基本モードと、この基本モードよりも高次の軸対称モードである高次モードであり；所定の曲げ直径で曲げられた時に、前記コア中の前記高次モードが、内側クラッドモードとのカップリングにより前記内側クラッド中に拡散して、実質的に前記基本モードのみが前記コア中を伝搬する。
（２）上記（１）に記載のマルチクラッド光ファイバは、所定の曲げ直径で曲げられていてもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の２倍以上であってもよい。
（４）上記（３）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の５倍以下であり、かつ１３０μｍ以下であってもよい。
（５）上記（４）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記コアの外径が２５〜５０μｍであり、前記コアと前記内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０５〜０．１３％であってもよい。【００１１】
（６）上記（１）または（２）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記軸対称モードとして、ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０１よりも高次のＬＰ０２モードのみが存在し、前記ＬＰ０２モードよりも高次モードであるＬＰ０３モード以上の高次モードが存在しなくてもよい。
（７）上記（６）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の２倍以上であってもよい。
（８）上記（７）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の５倍以下であり、かつ１３０μｍ以下であってもよい。
（９）上記（８）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記コアの外径が３５〜５０μｍであり、前記コアと前記内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０５〜０．１０％であってもよい。
（１０）上記（８）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記コアの外径が２５〜３５μｍであり、前記コアと前記内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０７〜０．１３％であってもよい。【００１２】
（１１）上記（１）または（２）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記軸対称モードとして、ＬＰ０１モード、前記ＬＰ０１モードよりも高次のＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０２モードよりも高次のＬＰ０３モードが存在し、前記ＬＰ０２モードが内側クラッドモードとのカップリングにより前記内側クラッド中に拡散し、前記ＬＰ０３モードが曲げ損失により前記内側クラッド中に拡散してもよい。
（１２）上記（１１）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の２倍以上であってもよい。
（１３）上記（１２）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記内側クラッドの外径が、前記コアの外径の５倍以下であり、かつ１３０μｍ以下であってもよい。
（１４）上記（１３）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記コアの外径が３５〜５０μｍであり、前記コアと前記内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０８〜０．１３％であってもよい。【００１３】
（１５）上記（１）〜（１４）のいずれかに記載のマルチクラッド光ファイバは、前記所定の曲げ直径が、８０〜２００ｍｍであってもよい。
（１６）上記（１）〜（１５）のいずれかに記載のマルチクラッド光ファイバは、前記コアに蛍光元素が添加されていてもよい。
（１７）上記（１６）に記載のマルチクラッド光ファイバは、前記蛍光元素が希土類元素であってもよい。【００１４】
（１８）本発明の光ファイバモジュールは、上記（１）〜（１７）のいずれかに記載のマルチクラッド光ファイバが巻回されてなる。
（１９）本発明のファイバレーザ又はファイバアンプは、上記（１）〜（１７）のいずれかに記載のマルチクラッド光ファイバ若しくは上記（１８）に記載の光ファイバモジュールを有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、構造が簡便で、実質的なシングルモード伝搬と実効コア断面積の拡大が可能な光ファイバを提供できる。また、このような光ファイバを使用することで、光学特性が良好な光ファイバモジュール、ファイバレーザ及びファイバアンプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】従来の光ファイバの屈折率分布を例示する図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す屈折率分布を有した光ファイバを曲げた時の、等価直線導波路の屈折率分布を例示する図である。
【図２Ａ】本発明のマルチクラッド光ファイバの屈折率分布を例示する図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す本発明のマルチクラッド光ファイバを曲げた時の、等価直線導波路の屈折率分布を例示する図である。
【図３Ａ】本発明のマルチクラッド光ファイバの一実施形態を模式的に示す図である。
【図３Ｂ】本発明のマルチクラッド光ファイバにおける屈折率プロファイルを例示する図である。
【図４】図３Ｂに示す屈折率プロファイルを有するマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を示すグラフである。
【図５】コアの外径が３０μｍ、内側クラッドの外径が９０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図６】コアの外径が３０μｍ、内側クラッドの外径が１００μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図７】コアの外径が３０μｍ、内側クラッドの外径が１１０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図８】コアの外径が３０μｍ、内側クラッドの外径が１２０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図９】コアの外径が３５μｍ、内側クラッドの外径が８０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１０】コアの外径が３５μｍ、内側クラッドの外径が９０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１１】コアの外径が３５μｍ、内側クラッドの外径が１００μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１２】コアの外径が３５μｍ、内側クラッドの外径が１１０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１３】コアの外径が４０μｍ、内側クラッドの外径が９０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１４】コアの外径が４０μｍ、内側クラッドの外径が１００μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１５】コアの外径が４０μｍ、内側クラッドの外径が１１０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１６】コアの外径が４０μｍ、内側クラッドの外径が１２０μｍの場合の本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１７】内側クラッドの外径と、最低次（１ｓｔ）のクラッドモードとのモードカップリングが生じる曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１８】コアと内側クラッドとの間の比屈折率差が０．１０％である本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図１９】コアと内側クラッドとの間の比屈折率差が０．１１％である本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図２０】コアと内側クラッドとの間の比屈折率差が０．１２％である本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図２１】コアと内側クラッドとの間の比屈折率差が０．１３％である本発明のマルチクラッド光ファイバにおける、Γ値と曲げ直径との関係を例示するグラフである。
【図２２】内側クラッドが屈折率分布を有する本発明のマルチクラッド光ファイバの屈折率分布を例示する図である。
【図２３】実施例１における、中実化後の光ファイバのコア、内側クラッド及び中間クラッドの屈折率分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について詳しく説明する。
＜マルチクラッド光ファイバ＞
図３Ａは、本発明のマルチクラッド光ファイバ１（以下、単に光ファイバ１、あるいはファイバ１ということがある）の一実施形態を模式的に示した図である。本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、信号光を導波する平均屈折率ｎ１のコアａと；該コアａの周囲に形成された平均屈折率ｎ２の内側クラッドｂと、該内側クラッドｂの周囲に形成された平均屈折率ｎ３の中間クラッドｃと、励起光を中間クラッドｃよりも内側に閉じ込める、中間クラッドｃの周囲に形成された平均屈折率ｎ４の外側クラッドｄと、からなるクラッドｅと；を少なくとも備える。また、本発明のマルチクラッド光ファイバ１では、前記ｎ１〜ｎ４が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たし、信号光波長において、前記コアａ中に二つ以上の軸対称モード（すなわち、基本モードと、この基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード））が存在し、所定の曲げ直径で曲げられた時に、前記コアａ中の高次モードが、内側クラッドモードとのカップリングによりクラッドｅ中に拡散して、実質的に基本モードのみがコアａ中を伝搬する。
【００１８】
本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、少なくとも内側クラッドｂ、中間クラッドｃ、及び一層の外側クラッドｄを備え、これらの平均屈折率がｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たしていることが必要である。これにより、所定の曲げ直径に曲げて使用することで、コアａ中に存在する二つ以上の軸対称モードのうち、基本モードのみがコアａ中を伝搬し、実質的なシングルモード伝搬が可能となる。
本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、例えば、図２２に示すように、内側クラッドｂが屈折率分布を有していても良いし（内側クラッドｂが複数層でも良いし）、中間クラッドｃ及び／又は外側クラッドｄが屈折率分布を有していても良く、セグメントコア型のコアａを有していても良い。このように、これら各部ａ〜ｄの少なくともいずれかにおいて屈折率分布を有する光ファイバの場合、各部ａ〜ｄの屈折率は、コアａ、内側クラッドｂ、中間クラッドｃ及び外側クラッドｄ各々の平均屈折率がｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たすようになっていれば良い。
【００１９】
コアａ、内側クラッドｂ、中間クラッドｃ及び外側クラッドｄは、公知の材質で作製されたもので良い。通常は、コアａ、内側クラッドｂ及び中間クラッドｃは、ガラスで作製されたものが好ましい。外側クラッドｄは、ポリマーで作製されたものでも良いし、ホーリークラッド等、ガラスで作製されたものでも良い。
前記ｎ１〜ｎ４は、コアａや各クラッドｂ〜ｄを構成する材質、添加成分の種類で、適宜調整できる。
【００２０】
本発明の光ファイバ１は、技術的には、マルチクラッド光ファイバにおいて実効コア断面積を拡大した、実質的なシングルモード光ファイバと呼ぶべきものである。
光ファイバを同一の曲率半径で一様に曲げた時の光ファイバの諸特性を計算する方法として、いくつかのものが知られているが、ここでは最も直感的に理解し易いものとして、導波路の曲がりの影響を等価直線導波路に変換して計算する手法（例えば、Opt. Express, 14, p. 69−81 (2006)参照）に基づいて、本発明の光ファイバについて説明する。
【００２１】
図１Ａに示すようなある屈折率分布を有する光ファイバを曲げた時、その光ファイバの等価直線導波路の屈折率分布は、図１Ｂに示すように、一方向に傾斜したものとなる。一方、本発明のような内側クラッドと中間クラッドを有するマルチクラッド光ファイバ（図２Ａに示すような屈折率分布を有するマルチクラッド光ファイバ）を曲げた時の、等価直線導波路の屈折率分布は図２Ｂのようになる。ただし、ここに示すものは模式図であって、実寸比率を必ずしも反映したものではない。光ファイバをある所定の直径（曲げ直径）に曲げた時、内側クラッドの最外部に、周囲のクラッドと比較して屈折率の高い部位（高屈折率部、図２Ｂ中の符号Ａで示す部位）が出現する。本発明は、曲げ直径をある適切な範囲に設定することにより、クラッド導波構造によってコアの基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）のみを除去する（例えば、Opt. Express, 13, p. 3477−3490 (2005)参照）のと同様に、この高屈折率部Ａが実効的に、コアａの高次モードのみを除去する働きを有するという新たな知見に基づき、完成されたものである。図３Ｂに示す屈折率プロファイルによって、各軸対称モードのパワーのコア領域内に存在する比率（Γ値）の曲げ直径依存性を計算した結果を図４に示す。図４において、「１ｓｔ」は最低次のクラッドモード（１ｓｔクラッドモード）を、「２ｎｄ」は最低次の次に高次のクラッドモード（２ｎｄクラッドモード）をそれぞれ示す。これは、さらに以降の図においても同様である。計算には、円筒座標フルベクトル有限要素法（例えば、「Opt. Express, 14, p. 11128-11141 (2006) 」参照）を適用している。また、計算波長は１０６４ｎｍである。ここで、Γ値は下記式（２）で定義されるものである。なお、図３Ｂに示す屈折率プロファイルを有するマルチクラッド光ファイバ１は、平均屈折率がｎ１のコアａと平均屈折率がｎ２の内側クラッドｂとの間の比屈折率差が０．１％であり、平均屈折率がｎ２の内側クラッドｂと平均屈折率がｎ３の中間クラッドｃとの間の比屈折率差が０．３％であり、平均屈折率がｎ３の中間クラッドｃと平均屈折率がｎ４の外側クラッドｄとの間の比屈折率差が約５．５％である。また、コアａの外径は３０μｍ、内側クラッドｂの外径は９０μｍ、中間クラッドｃの外径は４００μｍ、外側クラッドｄの外径は４４０μｍである。
【００２２】
【数２】
2010146792.tif 000004
【００２３】
式（２）中、φ（ｘ，ｙ）はファイバの径方向断面における任意の点（ｘ，ｙ）での主要電界を示す。図４中、基本モードであるＬＰ０１では、曲げ直径に対して単調にΓ値が変化しており、これは、曲げ損失によって光パワーが漏洩していることを意味する。一方、基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）であるＬＰ０２では、例えば、曲げ直径約１３０ｍｍ付近と約９５ｍｍ付近において、Γ値が急激に減少する領域が存在する。これは、コアモード（ここではＬＰ０２モード）と、曲げによって生じたクラッド導波構造に起因するクラッドモードとが共鳴結合（光パワーのモード間の移動、モードカップリング）していることを意味する（図２Ｂ中、符号Ｂで示す直線部分）。モードカップリングでは、カップリングするモード同士の伝搬定数が近い場合に、効率的にパワーの移動が起こることが知られており、例えば、ここでは、曲げ直径約１３０ｍｍ付近と約９５ｍｍ付近において、コアａのＬＰ０２モードとクラッドモードの伝搬定数が略一致していると推定される。そのため、この曲げ直径付近においてモードカップリングが起きて、コアａ中のＬＰ０２モード（高次モード）のみがクラッドｅ中に漏洩する。コアａ中のＬＰ０１モード（基本モード）については、計算した曲げ直径の範囲内では伝搬定数が一致するクラッドモードが出現しないため、クラッドｅへのパワーの漏洩が、曲げ損失以外ではほとんど起こらない。また、図４から明らかなように、曲げ直径約１３０ｍｍ付近と約９５ｍｍ付近では、基本モードの単調的なΓ値の低下も十分小さいので、この程度の曲げであれば、曲げによる基本モードの漏洩は無視し得るほど小さい。したがって、コアａ中の高次モードのみがクラッドｅ中に漏洩し、基本モードはコアａ中に残留するため、例えば、ファイバ長が１ｍ以上であれば、実質的にシングルモードでの伝搬が可能となる。伝搬光をシングルモードとすることができると、例えば、その光ファイバ１を使用してファイバレーザやファイバアンプを構成した場合、出力されるビームもシングルモードとすることができるため、ビーム品質が良く、ビーム径を小さく絞ることが可能な出力光が得られる。これにより、例えば、出力光のパワー密度を上げて効率的に物品を加工したり、微細に加工したりできる。
【００２４】
本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、曲げることではじめてクラッド導波構造が誘起されるという点で、例えば、Opt. Express, 13, p. 3477-3490 (2005) に記載の光ファイバと異なる。かかる文献に記載の光ファイバは、クラッド導波構造を屈折率分布として付与しているため、ファイバの曲げの有無に関わらず高次モードを除去できるという利点があるものの、クラッド導波構造は厳密に設計・製造する必要があり、製造時の形状、屈折率等のばらつきにより、容易には製造できないという問題点がある。また、曲げた時にクラッド導波構造が変化してしまうため、曲げ直径によって特性が変化してしまうという問題点もある。これに対して本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、屈折率構造が単純なので容易に製造できる。そして、たとえ製造時の形状、屈折率等のばらつきにより、モードカップリング条件にずれが生じても、実使用時の曲げ直径を調節することで所望の特性が得られるので、幅広い品質のものを、自由度の高い使用法で使いこなすことができ、製造上及び使用上の許容性が高い。さらには、長手方向に曲げ直径を意図的に段階的又は分布的に変化させて曲げることも可能なので、製造上及び使用上の許容性が一層高い。このように、本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、実効コア断面積を拡大した、実質的シングルモード光ファイバとして、安価に提供可能なものである。ここで、実質的にシングルモードであるとは、実使用環境において、信号光波長におけるコアａの軸対称な基本モードと軸対称な高次モードとの比率が１９．３ｄＢ以上であることを指す。これは、使用（測定）環境や対象とする高次モードが異なるものの、ＩＴＵ−Ｔ（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector）勧告Ｇ．６５０．１に記載の判定基準と同等であることを意味する。
しかしながら、上記の実質的シングルモードの定義は、ファイバに光を入射する励振条件や、ファイバ中での（希土類等の蛍光元素による）ゲインのモード依存性等、ファイバの導波構造そのものの性質だけでなく、他の要因にも影響されるため、上記比率の観測が難しいという問題がある。したがって、上記定義をベースとして、「ある曲げ直径に光ファイバを曲げたときの軸対称高次モード（たとえばＬＰ０２モード等）の閉じ込め損失がある値以上であること」を実質的シングルモードの条件とすることも、ファイバの導波構造そのものの性質としてのシングルモード特性を表すことがある（たとえば、２００６年電子情報通信学会総合大会，Ｃ−３−８６（２００６）参照）。本発明では、「ある曲げ直径に曲げたときの軸対称高次モード（たとえばＬＰ０２モード等）の閉じ込め損失が１ｄＢ／ｔｕｒｎ以上であること」を実質的シングルモードの条件とする。閉じ込め損失が１ｄＢ／ｔｕｒｎというのは、Γ値で約０．８０以下であり（デシベルとパワー比率の関係から当業者には公知）、図４で説明すると、曲げ直径約１３０ｍｍ付近と約９５ｍｍ付近ではこのΓ値を実現できている。
以下、上記機能を得るための好ましいパラメータの数値範囲について、順次説明する。
【００２５】
本発明においては、内側クラッドｂの外径は、コアａの外径の２倍以上であることが好ましい。その理由について、以下、説明する。
【００２６】
図５〜８は、コアａの外径を３０μｍ、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差を０．１％、内側クラッドｂと中間クラッドｃとの間の比屈折率差を０．３％にそれぞれ固定し、内側クラッドｂの外径を変化させた時の、曲げ直径とΓ値との関係を示すグラフである。なお、図７〜８において、「３ｒｄ」は「２ｎｄ」の次に高次のクラッドモード（３ｒｄクラッドモード）を示す。これは、さらに以降の図においても同様である。これらのグラフから明らかなように、内側クラッドｂの外径が小さくなるに従い、モードカップリングが生じる曲げ直径は小さくなる。この関係は、例えば、コアａの外径が３５μｍ及び４０μｍの場合でも同様である。図９〜１２は、コアａの外径を３５μｍ、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差を０．１％、内側クラッドｂと中間クラッドｃとの間の比屈折率差を０．３％にそれぞれ固定し、内側クラッドｂの外径を変化させた時の、曲げ直径とΓ値との関係を示すグラフである。また、図１３〜１６は、コアａの外径を４０μｍ、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差を０．１％、内側クラッドｂと中間クラッドｃとの間の比屈折率差を０．３％にそれぞれ固定し、内側クラッドｂの外径を変化させた時の、曲げ直径とΓ値との関係を示すグラフである。コアａの外径が大きくなるに従い、図９〜１６に示すように、モードカップリングが生じる曲げ直径は小さくなる傾向がある。図１７は、内側クラッドｂの外径と、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード（ＬＰ０２モード））と１ｓｔクラッドモードとのモードカップリングが生じる曲げ直径との関係を、コアａの外径ごとに計算した時の結果を例示するグラフである。コアａの外径が大きくなるに従い、モードカップリングが生じる曲げ直径が小さくなるという傾向は、図１７からも明らかである。
【００２７】
本光ファイバ１が使用されるような高出力かつ高ビーム品質を必要とするファイバレーザ等のアプリケーションでは、励起光量が大きいことが必要である。ここで、励起光を導光するクラッド（中間クラッドｃ）の外径は、２５０μｍ以上であることが求められるとする。そのような条件下では、光ファイバ１の許容曲げ直径の下限値を、光ファイバ１表面の曲げ応力に起因する光ファイバ１の破断の確率の許容上限値から決定することが好ましい。光ファイバ１の信頼性レベルを１００ｐｐｍ／ｍ／１０年と想定すると、一般的に使用されるガラス製の光ファイバにおいては、許容される曲げ直径の下限値は、実効的には約８０ｍｍである。
【００２８】
曲げ直径の下限値が８０ｍｍである場合、内側クラッドｂの外径の下限値は、図１７から求めることができる。モードカップリング時の曲げ直径が８０ｍｍとなる内側クラッドｂの外径は、コアａの外径が３０μｍの時には約６５μm、コアａの外径が３５μｍの時には約７５μｍ、コアａの外径が４０μmの時には約８３μmとなっていることがわかる。すなわち、内側クラッドｂの外径の下限値は、コアａの外径に比例し、コアａの外径のおおむね２倍となっている。したがって、内側クラッドｂの外径は、コアａの外径の２倍以上であることが好ましい。
【００２９】
一方、内側クラッドｂの外径は、コアａの外径の５倍以下であることが好ましい。これは、内側クラッドｂの外径をコアａの外径の５倍よりも大きくする利点が、実用的に特に無いからである。
また、内側クラッドｂの外径は、１３０μm以下であることが好ましい。その理由について、以下、説明する。
【００３０】
図４〜１６までを詳細に検討すると、以下のことが判る。
（１）同一のクラッドモード（例えば、１ｓｔクラッドモード）における曲げ直径とΓ値との関係に着目すると、コアａの外径や内側クラッドｂの外径を変化させた場合、コアａの外径が小さいほど、また内側クラッドｂの外径が小さいほど、Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲が広い。ここで「Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲」とは、例えば、「Γ値が０．６以下となる曲げ直径の範囲」を指す。コアａの外径が小さいほど、Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲が広くなることは、例えば、内側クラッドｂの外径が同じでコアａの外径が異なる場合の計算結果である図５と図１０を比較し、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード（ＬＰ０２モード））と１ｓｔクラッドモードとの結合でΓ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が、図５では約６ｍｍ（図５中、矢印で示す幅Ｗ１）、図１０では約２．５ｍｍ（図１０中、矢印で示す幅Ｗ２）であることから理解できる。一方、内側クラッドｂの外径が小さいほど、Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲が広くなることは、例えば、図６と図７を比較し、ＬＰ０２モードと１ｓｔクラッドモードとの結合でΓ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が、図６（内側クラッドｂの外径が１００μｍである場合の計算）では約３．５ｍｍ（図６中、矢印で示す幅Ｗ３）、図７（内側クラッドｂの外径が１１０μｍである場合の計算）では約２．０ｍｍ（図７中、矢印で示す幅Ｗ４）であることから理解できる。
（２）コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と２ｎｄクラッドモードとの結合は、Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲が狭い。これは、例えば、図７におけるコアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード（ＬＰ０２モード））と１ｓｔクラッドモードとの結合でΓ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が約２．０ｍｍ(図７中、矢印で示す幅Ｗ４)、ＬＰ０２モードと２ｎｄクラッドモードとの結合でΓ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が約１．５ｍｍ（図７中、矢印で示す幅Ｗ５）、ＬＰ０２モードと３ｒｄクラッドモードとの結合でΓ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が約６．０ｍｍ（図７中、矢印で示す幅Ｗ６）であることから理解できる。
（３）コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と高次のクラッドモードとの結合は、相対的に小さい曲げ直径で生じる。これは、例えば、図７において、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード（ＬＰ０２モード））と１ｓｔクラッドモードとの結合、ＬＰ０２モードと２ｎｄクラッドモードとの結合、ＬＰ０２モードと３ｒｄクラッドモードとの結合が、それぞれ曲げ直径約１８０ｍｍ付近、１４０ｍｍ付近、１２０ｍｍ付近で生じていることから理解できる。また、高次のクラッドモードにおいても、コアａの外径が小さいほど、また内側クラッドｂの外径が小さいほど、Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲が広い。コアａの外径が小さいほど、Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲が広くなることは、例えば、内側クラッドｂの外径が同じでコアａの外径が異なる場合の計算結果である図７と図１２を比較し、ＬＰ０２モードと３ｒｄクラッドモードとの結合でΓ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が、図７では約６．０ｍｍ（図７中、矢印で示す幅Ｗ６）、図１２では約２．５ｍｍ（図１２中、矢印で示す幅Ｗ７）であることから理解できる。一方、内側クラッドの外径が小さいほど、Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲が広くなることは、例えば、図６と図７を比較し、ＬＰ０２モードと２ｎｄクラッドモードとの結合でΓ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が、図６では３．０ｍｍ（図６中、矢印で示す幅Ｗ８）、図７では１．５ｍｍ（図７中、矢印で示す幅Ｗ５）であることから理解できる。
【００３１】
ここで、Γ値が小さくなる曲げ直径の範囲が狭いことの問題点について説明する。
光ファイバを製造したり、ある径で巻回する場合には、いずれにおいても、ばらつきが生じることを考慮に入れる必要がある。
光ファイバを製造する場合、図３に例示した屈折率分布は、非常に理想的なものに過ぎず、実際には、各層間の境界における屈折率変化は図３よりもなだらかであるし、例えば、コア中央にディップやツノと呼ばれる屈折率変化部が現れることもある。さらには、これらの現実の光ファイバにおける屈折率分布は、光ファイバの長手方向でも微妙に変化している。以上のことを考慮すると、所望のモードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲は、できるだけ広いことが望まれる。また、光ファイバを巻回する場合、作業のばらつきや実際の収納上の制限により、完全に均一な径で巻回することは現実上困難であり、所望のモードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲は、できるだけ広いことが望まれる。実用上のモードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲は、幅として２ｍｍ以上は確保することが望まれる。
【００３２】
このような条件と、前記（１）〜（３）より、少なくとも以下の結論が得られる。
（ａ）コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と１ｓｔクラッドモードとの結合を利用する場合、内側クラッドｂの外径の上限値は、いずれのコアａの外径であっても１１０μｍ以下である。内側クラッドｂの外径が１１０μｍを超えると、Γ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が２ｍｍよりも狭くなる。
（ｂ）コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と２ｎｄクラッドモードとの結合は実用上利用できない。
（ｃ）コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と３ｒｄクラッドモードとの結合を利用する場合、内側クラッドｂの外径の上限値は、コアａの外径によって異なるが、１３０μｍ以下である。内側クラッドｂの外径が１３０μｍを超えると、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と３ｒｄクラッドモードとのモードカップリングにおいて、Γ値が０．６以下となる曲げ直径の幅が２ｍｍよりも狭くなる。
以上から、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と、１ｓｔクラッドモード〜３ｒｄクラッドモードまでのモードの少なくともいずれか一つとの結合までを利用するためには、内側クラッドｂの外径は１３０μm以下が好ましい。
【００３３】
本発明においては、コアａの外径は２５μｍ以上であることが好ましい。本発明の課題の一つは、実効コア断面積の拡大にある。したがって、例えば、非特許文献９に記載されている通り、従来の手法で実現可能な、コアａの外径が２５μｍよりも小さいものに本発明の手法を適用する利点が無いからである。
【００３４】
一方、コアａの外径は５０μｍ以下であることが好ましい。
図４〜１６から、内側クラッドｂの外径が同じ場合、コアａの外径を大きくすると、モードカップリングが生じる曲げ直径は小さくなる傾向が見られ、またモードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲は狭くなる傾向が見られる。このことから、許容される曲げ直径の下限値を８０ｍｍに、モードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲を±１ｍｍ以上にするという実用上の制限を設けると、本発明の手法を適用した場合の実効コア断面積の拡大には、上限値が存在すると考えられる。そして、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と３ｒｄクラッドモードとの結合までを念頭に置いて計算すると、コアａの外径の上限値は５０μｍとなる。コアａの外径が５０μｍを超えると、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と３ｒｄクラッドモード（あるいは１ｓｔクラッドモード）とのモードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲が±１ｍｍよりも狭くなる。
【００３５】
本発明においては、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差は０．１３％以下であることが好ましい。その理由は、以下の通りである。
コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差を０．１０％から０．１３%まで変化させた場合の、Γ値と曲げ直径との関係の計算結果を図１８〜２１に示す。なお、ここでは、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差以外のパラメータは、図３Ｂに示す屈折率プロファイルを有するマルチクラッド光ファイバ１の場合と同じである。コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が大きくなるに従い、モードカップリングが生じる曲げ直径は小さくなり、またモードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲は狭くなる。これはコアａの外径を大きくする場合と同様で望ましくない。したがって、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差の上限値にも、許容される曲げ直径とモードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲による制限があり、その上限値は約０．１３％である。図２１に示すように、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が０．１３％の場合、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）と１ｓｔクラッドモードとの結合でΓ値が０．６以下となる曲げ直径の幅Ｗ９が２ｍｍ（±１ｍｍ）程度であり、すなわちモードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲が２ｍｍ程度となる。コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が０．１３％よりも大きくなると、モードカップリングが生じる曲げ直径の許容範囲が２ｍｍよりも狭くなり、好ましくない。
【００３６】
一方、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差は０．０５％以上であることが好ましい。
コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差の下限値は、安定して比屈折率差を維持して製造できる光ファイバの製造適性で決まる。ＶＡＤ（Vapor phase axial deposition）法、ＭＣＶＤ（Modified chemical vapor deposition）法、ＰＣＶＤ（Plasma chemical vapor deposition）法、ＯＶＤ（outside vapor deposition）法、ＤＮＤ（Direct nanoparticle deposition）法等で光ファイバを製造する場合には、概ね０．０５％が安定して製造できる下限値である。
【００３７】
本発明においては、中間クラッドｃと内側クラッドｂとの間の比屈折率差は０．１０％以上であることが好ましい。中間クラッドｃと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が０．１０％以上０．２０％以下の場合、内側クラッドｂと中間クラッドｃとの間でモード結合が生じるようになる。そのため、中間クラッドモードの挙動を計算に含める必要があり、解析が複雑になる。しかし、中間クラッドｃと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が０．１０〜０．２０％の範囲であれば、計算は複雑になるが、本発明の効果を奏する。また、この比屈折率差が０．１０％より小さいと、内側クラッドｂを設けることによる効果がほとんど得られない。したがって、実効的な中間クラッドｃと内側クラッドｂとの間の比屈折率差の下限値は０．１０％である。
さらには、中間クラッドｃと内側クラッドｂとの間の比屈折率差は０．２０％より大きいことがより好ましい。中間クラッドｃと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が０．２０％より大きい場合、中間クラッドｃと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が変化しても、光ファイバの特性上の差異は特に現れず、本発明の効果を奏し、更にファイバの設計が容易になる。
【００３８】
次に、本発明のマルチクラッド光ファイバ１使用時の曲げ条件について説明する。
曲げ直径の下限値は、上記の通り脆性破壊から決定され、８０ｍｍである。
一方、曲げ直径の上限値は、２００ｍｍ以下であることが好ましい。図４〜２１から明らかなように、実際に使用できる曲げ直径許容幅を有する結合が生じるのは、２００ｍｍまでの領域である。また、使用性を考慮すると、曲げ直径が大きいと設置スペースが大きくなる点で好ましくない。
以上より、本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、８０〜２００ｍｍの範囲の曲げ直径で巻回して使用することが好ましい。
【００３９】
次に、除去する高次モードの状況に分類して、より具体的な実施の形態について説明する。
除去すべきコアの軸対称の高次モードとして、ＬＰ０２モードしかない場合は、これまでに説明したコアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）とクラッドモードとの結合を利用して、ＬＰ０２モードをクラッドｅ中に拡散させ、除去すれば良い。
この時、コアａの外径が３５〜５０μｍの範囲である場合には、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差は、０．０５〜０．１０％であることが好ましい。その理由は、以下の通りである。
ＬＰ０２モードしか軸対称の高次モードが無い光ファイバの屈折率構造について考えると、単純な単峰型のコアにおいて、モード数は、コアの外径と、コアと内側クラッドとの間の比屈折率差でおおよそ決定される（たとえば、非特許文献９参照）。一般的にコアの外径が大きい場合においてモード数を減らすためには、コアと内側クラッドとの間の比屈折率差が小さいことが必要である。図９〜１６で明らかなように、コアａの外径が３５μｍの時には、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が０．１０％の場合に、ＬＰ０３モードは存在しないが、コアａの外径が４０μｍの時には、内側クラッドｂの外径が９０μｍ、及び１００μｍの時にＬＰ０３モードが（非常にΓ値は小さいものの）存在するようになる。したがって、コアの外径が大きい場合、具体的にはコアの外径が３５〜５０μｍの範囲である場合には、コアと内側クラッドとの間の比屈折率差は、０．０５〜０．１０％であることが好ましい。比屈折率差が０．１０％を超えると、除去しなければならないコアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）数が増加する。
【００４０】
一方、コアａの外径が２５〜３５μｍの範囲である場合には、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差は、０．０７〜０．１３％であることが好ましい。その理由は、以下の通りである。
コアａの外径が小さい場合、具体的にはコアａの外径が２５〜３５μｍの範囲である場合には、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差は、コアａの外径が大きい場合に比べて大きくても問題なく（コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）数が増加することなく）、上限値は０．１３％まで許容される。一方、コアａの外径が小さく、かつコアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が小さい場合、具体的には０．０７％よりも小さい場合には、例えば、非特許文献９に記載されている光ファイバと同等の曲げ損失で、高次モードを除去する手法によりシングルモード伝搬が可能になるので、本発明の手法を適用する利点がない。したがって、コアａの外径が小さい場合、具体的にはコアａの外径が２５〜３５μｍの範囲である場合には、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差は、０．０７〜０．１３％であることが好ましい。
【００４１】
除去すべき軸対称の高次モードとして、ＬＰ０２モードとＬＰ０３モードの二つがある場合は以下の通りである。
まず、コアａの外径が３５μｍよりも小さい場合には、実効コア断面積を大きくするという目的を考慮すると、ＬＰ０３モードが存在する屈折率分布を採用することに利点がない（すなわち、ＬＰ０２モードのみが存在する屈折率で十分に目的が達成される）。
一方、コアａの外径が３５〜５０μｍ、コアａと内側クラッドｂとの間の比屈折率差が０．０８〜０．１３％である場合に、ＬＰ０３モードは存在し、さらにＬＰ０３より高次の軸対称モードは存在しない。ＬＰ０３モードが存在する場合、不要な軸対称な高次モードとしては、ＬＰ０２モードとＬＰ０３モードが存在するので、これらの両方のモードを除去する必要がある。
これらのモードの除去方法としては、以下の二つの方法が例示できる。
【００４２】
一つ目の方法としては、ＬＰ０２モードとＬＰ０３モードの両方を本発明の手法、すなわち、コアａ中の基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）とクラッドモードとの結合で除去する方法が挙げられる。しかし、例えば、図１３から明らかなように、一般的にはＬＰ０２モードとＬＰ０３モードとでは、クラッドモードと結合する曲げ直径が異なるので、両方のモードを本発明の方法で除去するのは通常、難しい。
【００４３】
二つ目の方法としては、ＬＰ０２モードはクラッドモードとの結合でクラッドｅ中に拡散させて除去し、ＬＰ０３モードは非特許文献９等に記載されているように曲げ損失を利用してクラッドｅ中に拡散させて除去する方法が挙げられる。当業者には自明であるが、より高次のモードになるに従い、コアａへの光の閉じ込めが弱くなるので、同じ波長・曲げ直径での曲げ損失が大きくなる。これは、例えば、図１３で、ＬＰ０３モードのΓ値がもともと小さいことからも明らかである。この性質を利用すると、非特許文献９に記載されているものよりも大きい曲げ直径でＬＰ０３モードは除去でき、ＬＰ０１モードの曲げによるモード形状の変形の影響を受けずに除去できる。また、その時の曲げ直径を、ＬＰ０２モードがクラッドモードと結合する曲げ直径に設定することで、ＬＰ０２モードも除去できるようになり、実質的にシングルモード伝搬を実現できる。なお、ＬＰ０３モードの曲げ損失は、曲げ直径を小さくするほど単調に増加するため、ＬＰ０３モード除去のための曲げ直径は、比較的幅広い範囲に設定できる。そのため、ＬＰ０２モードの除去の曲げ直径の設定に、あまり大きな影響を与えないので、両者の両立は比較的容易に実現できる。このような条件は、曲げ直径が８０〜２００ｍｍである場合に、実現可能である。
このように、ＬＰ０２モードをクラッドモードとの結合でクラッドｅ中に拡散させて除去し、ＬＰ０３モードを非特許文献９等に記載されているように曲げ損失を利用してクラッドｅ中に拡散させて除去する方法の場合、コアの外径が３５〜５０μｍの範囲である場合には、コアと内側クラッドとの間の比屈折率差は、０．０８〜０．１３％であることが好ましい。
【００４４】
ＬＰ０４以上のモードがある場合には、コアの外径は５０μｍ以下であることが好ましく、コアと内側クラッドとの間の比屈折率差は、０．１３％以下であることが好ましい。
ＬＰ０４以上のモードがある場合、図６〜１６に示す例と比較して、よりコアの外径が大きく、コアの比屈折率差が大きくなり、この場合、ＬＰ０２モードとクラッドモードとの結合が生じる曲げ直径が８０ｍｍ以下となる。そして、本発明の手法を適用する場合、曲げ直径８０ｍｍにてＬＰ０２モードを除去する必要がある。上述したように、コアの外径が大きくなるほど、及びコアと内側クラッドとの比屈折率差が大きくなるほど、ＬＰ０２モードを除去するのに必要とされる光ファイバ１の曲げ直径が小さくなっていく。したがって、実質的にコアの外径の上限値は約５０μｍ、コアと内側クラッドとの間の比屈折率差の上限値は０．１３％程度に限定される。すなわち、コアの外径が５０μｍより大きくなるとＬＰ０２モードを除去するのに必要な曲げ直径が８０ｍｍよりも小さくなり、上述した光ファイバ１の信頼性レベルを満たせなくなる虞がある。コアと内側クラッドとの比屈折率差が０．１３％を超えた場合も、ＬＰ０２モードを除去するのに必要な曲げ直径が８０ｍｍよりも小さくなり、同様の虞がある。
【００４５】
本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、上記のものに限定されず、例えば、励起光を導光する中間クラッドｃの外周を、スキュー光の抑制のために多角形加工したものやＤ型加工したものでも良い。このような光ファイバを備えたファイバレーザやファイバアンプは、エネルギー利用効率が高く、より好適なものである。
【００４６】
また、本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、外側クラッドｄの外周を保護被覆層で被覆したものが好ましい。保護被覆層は、公知のもので良く、例えば、紫外線硬化性樹脂やシリコーン樹脂等を使用して形成できる。また、保護被覆層は、ヤング率が異なる複数層からなるものでも良いし、着色層を有していても良い。
【００４７】
さらに、コアａにイッテルビウムやエルビウム等の蛍光元素が添加されたものは、光増幅媒体として使用できるので好ましい。蛍光元素としては、希土類元素、ビスマス、クロム等が例示できる。希土類元素としては、ホルミウム、ツリウム、テルビウム、ネオジム、プラセオジウム等が好ましいものとして例示でき、エルビウム、イッテルビウムがより好ましい。特にイッテルビウムが添加されたものは、アップコンバージョンが起こらないので、非常に高い出力光が得られ、本発明の効果が最も顕著に発揮されるものである。
【００４８】
本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、ＭＣＶＤ法、ＶＡＤ法等、公知の方法で作成できる。いずれの方法を採用するかは、光ファイバ１の目的等に応じて適宜決定すれば良い。
【００４９】
本発明のマルチクラッド光ファイバ１と、公知のトリプルクラッド光ファイバとの相違点は、以下の通りである。
例えば、米国特許第６９４１０５３号明細書には、三層のクラッドを備える光ファイバが開示されている。しかし、かかる光ファイバは、コアがシングルモードである点で本発明とは異なり、さらに具体的なファイバ構造、曲げて使用すること、高次モードの除去に関しては何ら開示されていない。
日本国特許第３２９８７９９号明細書にも、三層のクラッドを備える光ファイバが開示されている。しかし、本発明とは課題が異なるので、コアの外径と最内側クラッドの外径との比が、本発明とは大きく異なり、コアの外径も異なる。そして、最内側クラッドの径方向における断面の形状が非軸対称であるため、光ファイバを曲げる方向に依存して奏する効果が異なり、本発明の効果を安定して得ることは出来ない。
米国特許第７０５０６８６号明細書にも、三層のクラッドを備える光ファイバが開示されている。しかし、本発明とは課題が異なり、インナー部とコアとの比屈折率差を小さくすることのみを課題としており、本発明の課題が無く、具体的な構造が開示されていないので、例えば、本発明におけるコアモードとクラッドモードとの結合に必要な構成については何ら記載されておらず、曲げて使用することも記載されていない。実施例に記載されているコア径も２０μｍであり、本発明とは異なる。
【００５０】
＜光ファイバモジュール＞
本発明の光ファイバモジュールは、上記本発明のマルチクラッド光ファイバ１が巻回されてなる。かかる光ファイバモジュールは、本発明のマルチクラッド光ファイバ１を使用すること以外は、公知の光ファイバモジュールの場合と同様の方法で製造できる。
マルチクラッド光ファイバ１は、８０〜２００ｍｍの曲げ直径で巻回されていることが好ましい。
【００５１】
＜ファイバレーザ、ファイバアンプ＞
本発明のファイバレーザ又はファイバアンプは、上記本発明のマルチクラッド光ファイバ１若しくは上記本発明の光ファイバモジュールを有する。かかるファイバレーザ又はファイバアンプは、本発明のマルチクラッド光ファイバ１若しくは光ファイバモジュールを使用すること以外は、公知のファイバレーザ又はファイバアンプの場合と同様の方法で製造できる。
【００５２】
本発明のマルチクラッド光ファイバ１は、構造が簡便で、実質的なシングルモード伝搬と実効コア断面積の拡大が可能なものである。具体的には、所定の曲げ直径で曲げることで、シングルモード伝搬を維持しつつ実効コア断面積を拡大するものである。そして、光損傷や非線形光学効果の発生が抑制されており、高パワー光に対する耐性に優れ、高パワー光の伝送に特に好適である。このようなマルチクラッド光ファイバ１を有する光ファイバモジュール、ファイバレーザ及びファイバアンプは、光ファイバに導入された励起光による誘導放出で、信号光を増幅又はレーザ発振して出力できる。
【実施例】
【００５３】
以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。【００５４】
［実施例１］
図３Ｂに示すような屈折率分布と外径を有する光ファイバを作製した。
まず、コアと内側クラッドを、ＭＣＶＤ法で作製した。出発石英管を、その外側から酸水素火炎を熱源として加熱し、四塩化ケイ素、四塩化ゲルマニウム、酸素及びヘリウムを管内に供給して反応させ、所望の屈折率を有するゲルマニウム添加シリカガラスの層からなる内側クラッド及びコアを、出発石英管の内壁面上に形成した。コア、内側クラッド及び中間クラッド（出発石英管）の比屈折率差は、コアと内側クラッドのゲルマニウム添加量で調整した。その後、前記と同様に、管の外側から酸水素火炎を熱源として加熱し、酸素を導入しつつコラプスを行い、中実化した。この時の屈折率分布を図２３に示す。コアの外径と内側クラッドの外径の比（コアの外径：内側クラッドの外径）は約１：３で、所望の屈折率分布が得られていた。
次いで、外付け工程にて、中間クラッドの外径とコアの外径の比（中間クラッドの外径：コアの外径）が所望の値（１：１３．３）となるように、中間クラッドのガラスを追加して、その後ファイバの外径が４００μｍとなるように紡糸した。この時、屈折率が低いポリマー材（ＯＰ−３８Ｚ、ＤＩＣ社製）を、前記ガラスの外周に塗布し、紫外線を照射して硬化させることで、外側クラッドを形成した。
さらにその外周に、保護材となる紫外線硬化性樹を塗布し、紫外線を照射して硬化させることで、保護被覆層を形成した。
以上により作製した光ファイバについて、ＲＮＦＰ（Refractive Near Field Pattern）法にて屈折率分布を測定した結果、概ね図３Ｂに示すような所望の屈折率分布を有することが確認できた。当該光ファイバを２ｍ使用して、波長１０６４ｎｍにおいてコア透過光の曲げ直径依存性を測定したところ、概ね設計通りの曲げ直径１５０ｍｍと１０５ｍｍ付近でコア透過光の減少が見られ、想定通り、コアを透過する基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）が曲げによって選択的にコアの外に漏洩していることが確認できた。
また、コアの外径を３０μｍにできたことで、実効的にシングルモード条件となる曲げ直径において、実効コア断面積は約４２０μｍ２となった。したがって、非特許文献９に記載されている、従来法による実効的にシングルモード条件となる曲げ直径における実効コア断面積の上限値３２０μｍ２と比較して、実効コア断面積を約３割拡大できた。【００５５】
［実施例２］
実施例１と同様の屈折率分布と外径とを有する光ファイバを作製した。
出発石英管の内壁面上に、実施例１と同様の手法で、内側クラッドを形成した後、コア部分のデポジションを行い、多孔質ガラス層を形成した。次いで、当該管の内部を、塩化アルミニウムと塩化イッテルビウムの混合水溶液に数時間浸漬した後、乾燥させて、コアの添加剤であるアルミニウムとイッテルビウムを導入し、その後管内に酸素、ヘリウム及び塩化チオニルを導入しつつ、誘導加熱炉を熱源として焼結（透明化）及びコラプスを行い、中実化した。この時、コアと内側クラッドの比屈折率差は、アルミニウムおよびイッテルビウムの添加量を調整することで、所望の値とした。
次いで、ロッドインチューブ法で、中間クラッドの外径とコアの外径との比を調整した後、実施例１の場合と同様に、紡糸、外側クラッドの形成、保護被覆層の形成を行った。なお、コアの外径と内側クラッドの外径の比、並びに中間クラッドの外径とコアの外径の比は、実施例１の場合と同様である。
以上により作製した光ファイバ約１５ｍを、約１４０ｍｍの曲げ直径の金属製リールに巻回してモジュール化（コイル化）し、次いでファイバアンプとして、光出力のビーム形状を確認したところ、ビーム品質（Ｍ２）は約１．１で、ほぼ基本モードだけしかないモード分布であることが確認できた。【００５６】
［実施例３］
実施例１と同様の屈折率分布と外径とを有する光ファイバを作製した。
まず、ＶＡＤ法でコアと内側クラッドを形成した。コアはゲルマニウム添加シリカガラスで、内側クラッドは添加剤を添加せずにシリカガラスで形成した。
次いで、外付け法にて中間クラッドを形成した。この時、外付け部の焼結時に、ヘリウムと四フッ化ケイ素を添加して、内側クラッドよりも屈折率を低下させて形成した。
次いで、実施例１の場合と同様に、紡糸、外側クラッドの形成、保護被覆層の形成を行った。なお、コアの外径と内側クラッドの外径の比、並びに中間クラッドの外径とコアの外径の比は、実施例１の場合と同様である。
以上により作製した光ファイバについて、コア透過光の曲げ径依存性を測定したところ、実施例１と概ね同等の特性が得られた。【００５７】
［実施例４］
出発石英管の内壁面上に、実施例１の場合と同様の手法で、内側クラッドを形成した後、コア部分のデポジションを行い、多孔質ガラス層を形成した。この時、熱源として誘導加熱炉を使用し、添加剤として塩化アルミニウムを気相で管内に導入した。次いで、塩化イッテルビウム水溶液で管内を数時間浸漬した後、乾燥させ、酸水素火炎で焼結及びコラプスを行い、中実化した。なお、焼結は、オキシ塩化リンを気相で管内に導入しながら行った。以上の操作により、コアと内側クラッドの屈折率差は、内側クラッドのゲルマニウムの濃度、並びにコアのアルミニウム、リン及びイッテルビウムの濃度をそれぞれ調整することで調整した。
次いで、ロッドインチューブ法で、中間クラッド径とコア径との比を調整した後、中間クラッドの外表面を、径方向の断面形状が略正七角形となるように切削加工した。その後、実施例１の場合と同様に、紡糸、外側クラッドの形成、保護被覆層の形成を行った。
以上により作製した光ファイバは、コアの外径が約３５μｍ、コアと内側クラッドとの間の比屈折率差が０．０９％、内側クラッドの外径が約１１０μｍ、内側クラッドと中間クラッドとの間の比屈折率差が０．３２％、中間クラッドの内接円外径が約３７５μｍ、外側クラッドの外径が約４２０μｍ、外側クラッドの屈折率が１．３７６（中間クラッドと外側クラッドとの比屈折率差が約５．５％）であった。該光ファイバ約１０ｍを、約９０ｍｍの曲げ直径の金属製溝つきトレーに収納してモジュール化（コイル化）し、次いでファイバレーザとして光出力のビーム形状を確認したところ、ビーム品質（Ｍ２）は約１．２で、ほぼ基本モードだけしか存在しないモード分布であることが確認できた。なお、約１３０ｍｍの曲げ直径で曲げてレーザ発振したところ、ビーム品質は２以上で、高次モードが存在することを推測させる結果が得られた。作製した上記光ファイバは、コアの外径を３５μｍにできたことで、実効的にシングルモード条件となる曲げ直径において、実効コア断面積は約５８０μｍ２となった。したがって、非特許文献９に記載されている、従来法による実効的にシングルモード条件となる曲げ直径における実効コア断面積の上限値３２０μｍ２と比較して、実効コア断面積を約８割拡大できた。【００５８】
［実施例５］
実施例１の場合と同様の手法で、コアの外径が４５μｍ、内側クラッドの外径が１２０μｍ、コアと内側クラッドとの比屈折率差が０．１０％、中間クラッドの外径が４００μｍ、内側クラッドと中間クラッドとの比屈折率差が０．３％、外側クラッドの外径が４４０μｍ、外側クラッドの屈折率が１．３７６（中間クラッドと外側クラッドとの比屈折率差が約５．５％）となるように製造パラメータを調整して、光ファイバを作製した。
当該ファイバを２ｍ使用して、波長１０６４ｎｍにおいてコア透過光の曲げ直径依存性を測定したところ、概ね設計通りの曲げ直径１８０ｍｍと１２０ｍｍ付近でコア透過光の減少が見られ、想定通り、コアを透過する基本モードよりも高次の軸対称モード（高次モード）が曲げによって選択的にコアの外に漏洩していることが確認できた。作製した上記光ファイバは、コアの外径を４５μｍにできたことで、実効的にシングルモード条件となる曲げ直径において、実効コア断面積は約８００μｍ２となった。したがって、非特許文献９に記載されている、従来法による実効的にシングルモード条件となる曲げ直径における実効コア断面積の上限値３２０μｍ２と比較して、実効コア断面積を約２．５倍に拡大できた。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係るマルチクラッド光ファイバは、溶接、マーキング、切断等の材料加工用途における高出力光源用レーザ媒体をはじめ、高パワー光の各種伝送媒体として利用可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１  マルチクラッド光ファイバ
ａ  コア
ｂ  内側クラッド
ｃ  中間クラッド
ｄ  外側クラッド
ｅ  クラッド
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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