(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｙｂが添加されたコアと、
上記コアを囲む第１クラッドと、
上記第１クラッドを囲む第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバであって、
上記コアの開口数は、０．０６以上０．１５以下であり、
上記コアの直径は、２０μｍ以上１００μｍ以下であり、
上記Ｙｂは、上記コアの中心から上記第１クラッドに向かって一部領域でのみ添加され、
上記一部領域は、上記コアの中心から上記第１クラッドに向かって該コアのＬＰ０１モード径の０．５５倍以上２．１倍以下である
ことを特徴とする希土類添加ダブルクラッドファイバ。
【請求項２】
請求項１に記載されている希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、
上記第２クラッドの外径は、上記コア径の１０倍以上４０倍以下である
ことを特徴とする希土類添加ダブルクラッドファイバ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されている希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、
９１５ｎｍ波長帯域の上記コアの吸収係数は、５０ｄＢ／ｍ以上３００ｄＢ／ｍ以下であることを特徴とする希土類添加ダブルクラッドファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類添加ダブルクラッドファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｅｒ（エルビウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）などの希土類元素をドープ（添加）した希土類添加光ファイバは、光通信信号の増幅器として幅広く利用されている。特に、Ｙｂを添加した光ファイバを用いたファイバレーザや光ファイバ増幅器は、高い光変換効率や優れたビーム品質が得られることから、切断、溶接、マーキング等の加工技術分野に幅広く応用されている。
【０００３】
近年、こうした加工技術分野では、高出力、高品質、高信頼性を持つレーザが求められている。高出力化のためには、大強度のレーザ光を光ファイバに入力することが考えられる。高い強度のレーザ光を光ファイバに入力可能なファイバとして、エアホール型ダブルクラッドファイバやポリマー型ダブルクラッドファイバが提案されている（例えば、非特許文献１）。
【０００４】
一方、Ｙｂ添加ファイバを用いたレーザ共振器を構成した場合、ファイバレーザから高出力を発振させるためには、低励起パワーから高励起パワーまで変化させる必要がある。しかし、低励起パワーではＹｂ添加ファイバの一部が過飽和吸収体になることによって過飽和吸収体による再吸収が起こり、自己パルスが生じてしまう。この自己パルスは、数ｋＷから数百ｋＷの範囲で発生し、僅かな端面損傷を起こし、ファイバ端面を破壊してしまう。
【０００５】
非特許文献２では、外部回路を構成し、励起パワーにオフセットをかけ、自己パルスを抑制する方法が記載されているが、自己パルスの抑制効果は完全ではなく、改善が必要である。
【０００６】
また、非特許文献３では、手動ファイバをＹｂ添加ファイバの間に挟み込み、発振光の共振往復距離を長くし、キャリア緩和時間を調整することによって自己パルスを抑制可能であると記載されているが、別途ファイバを用意することや、Ｙｂ添加ファイバとアラインメントを合わせる必要があり、余分なコストがかかる。
【０００７】
また、非特許文献４では、希土類添加ファイバの変換効率を向上させる方法として中心添加方法が記載されているが、この方法は、シングルモードファイバ、Ｅｒ添加ファイバに関するものであり、自己パルス抑制方法としては記載されていない。
【０００８】
さらに、Ｙｂ添加光ファイバから信頼性を高めるためには、高いフォトダークニング耐性が要求される。ここで、カラーセンター形成のメカニズムによって起こるフォトダークニングは、光ファイバの出力を劣化させる主な原因となっており、励起反転分布又はＹｂイオンの励起濃度の約７乗に比例して起こることが知られている（例えば、非特許文献６参照）。フォトダークニングは、添加されたＹｂイオンのクラスタ化が原因で起きることが一般に知られている。Ｙｂイオンのクラスタ化は、添加されたＹｂイオンが十分な拡散（分離）ができず、酸素欠陥によって起因する現象であり、Ｙｂ添加を高濃度化すると、顕著に現れる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J. Kim et al., Fiber Design For High-Power Low-Cost Ｙｂ:Al-Doped Fiber Laser Operating at ９８０ ｎｍ, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, Vol. １３（No. ３）, ２００７
【非特許文献２】V. Mizrahi et al., J. Lightwave Technol. Vol. １１, p２０２１ （１９９３）
【非特許文献３】Elimination of Self-Pulsations in Dual-Clad Ytterbium-Doped Fiber Lasers, LLE Review, Vol. １１５
【非特許文献４】Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers, C. Randy Giles eral., JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. Vol. ９（No. ２）, １９９１
【非特許文献５】Ajoy Ghatak et al., Introduction to Fiber Optics, Cambridge University Press, p４３５-４３７
【非特許文献６】Joona Koponen.et al.,"Photodarkening Measurements in Large-Mode-Area Fibers",SPIE Photonics West ２００７,２００７,Vol.６４５３-５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、高い非線形耐性及び高ビーム品質ファイバを実現させるためには、コアＮＡ（開口数）を低減させ、有効コア面積を広げる必要がある。
【００１１】
しかし、コア径が２０μｍ以上且つ１００μｍ以下となる高次マルチモードを有するダブルクラッドファイバにおいては、コア面積が広いために低励起状態での高次モードは十分に励起されず、過飽和吸収体として働くためにＱスイッチング状態となる。自己パルスのピーク強度は、Ｙｂ添加ファイバ長及びファイバのＹｂ総吸収によって異なるが、数１０ｋＷまで達する場合があり、ファイバの端面破壊は勿論のこと、ファイバレーザシステムを壊す深刻な問題になる。
【００１２】
したがって、ファイバレーザ共振器が擬似連続発振に至る前の低励起状態で自己パルスが起こり、ファイバを破壊させるという問題がある。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、希土類添加ダブルクラッドファイバを高い変換効率及び高い信頼性を持つものにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、第１の発明では、
Ｙｂが添加されたコアと、
上記コアを囲む第１クラッドと、
上記第１クラッドを囲む第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバを対象とし、
上記希土類添加ダブルクラッドファイバでは、
上記コアの開口数は、０．０６以上０．１５以下であり、
上記コアの直径は、２０μｍ以上１００μｍ以下であり、
上記Ｙｂは、上記コアの中心から上記第１クラッドに向かって一部領域でのみ添加され、
上記一部領域は、上記コア中心から上記第１クラッドに向かって該コアのＬＰ０１モード径の０．１１倍以上２．１倍以下である。
【００１５】
ここで、コアの開口数ＮＡが０．０６よりも小さくなると光の閉じ込めが弱く光変換効率が低下するためにコアＮＡを０．０６以上に上げる必要があり、０．１５よりも大きくなると、ビーム品質が低下する。しかし、ＮＡを０．０６以上０．１５以下にすることで、閉じ込めが強く且つ高いビーム品質の実現が可能である。
【００１６】
また、コア径は、２０μｍよりも小さいと、高出力化が難しくなり、１００μｍよりも大きいとポンプガイド径を太くする必要があるのでファイバが硬くなって曲げられないために、装置の小型化及び軽量化が困難になり、また、ファイバ冷却効果が低下するためにレーザ発振特性及び信頼性が低下する。しかし、本発明では、コア径は、２０μｍ以上１００μｍ以下なので、高出力化及び装置の小型化が可能になる。Ｙｂ添加領域がコア中心から第１クラッドに向かってコアのＬＰ０１モード（基本モード）径の０．５５倍よりも小さいと、Ｙｂ吸収係数を高めるためにＹｂ添加濃度を高くする必要があり、Ｙｂイオンのクラスタ化によってフォトダークニング耐性が低下する傾向になり、２．１よりも大きいと、低励起状態で高次モードの反転分布が低く、過飽和吸収体になるために自己パルスが起こる。しかし、本発明では、０．５５倍以上２．１倍以下であるので、フォトダークニング耐性が高く、且つ、自己パルスが起こらないファイバが得られる。このように、希土類元素であるＹｂをコア中心の一部領域のみに添加することにより、低励起状態でも擬似連続発振を起こすような反転分布状態を作り、自己パルス発生が抑制される。
【００１７】
第２の発明では、第１の発明において、
上記第２クラッドの外径は、上記コア径の１０倍以上４０倍以下である。
【００１８】
例えば、第２クラッドの外径は、コア径の１０倍よいも小さいとき、ファイバに入力される励起光パワーが制限されるために高出力レーザが困難になる。逆に４０倍よりも大きいと、ポンプガイドの吸収係数を高めるためにコアに添加されるＹｂ濃度を高くする必要があり、フォトダークニング耐性が悪化する恐れがある。しかし、上記の構成によると、１０倍以上４０倍以下であるため、ファイバレーザの高出力化及び高いフォトダークニング耐性の実現が可能になる。
【００１９】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、
９１５ｎｍ波長帯域の上記コアの吸収係数は、５０ｄＢ／ｍ以上３００ｄＢ／ｍ以下である。
【００２０】
例えば、コアの吸収係数が５０ｄＢ／ｍよりも小さいとき、ポンプガードの吸収係数が低くなるためにファイバを長くする必要があり、非線形耐性が低下される他、自己パルスは発生がしやすくなる。逆に３００ｄＢ／ｍよりも大きいと、コア中にＹｂ添加濃度を高める必要があり、フォトダークニング耐性を低下させる恐れがある。しかし、上記の構成によると、５０ｄＢ／ｍ以上３００ｄＢ／ｍ以下であるため、非線形特性の低下及び低いフォトダークニング耐性を招かず、高出力ファイバレーザの実現が可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、コアの開口数を０．０６以上０．１５以下とし、コア直径を２０μｍ以上１００μｍ以下とし、Ｙｂをコアから第１クラッドに向かって一部領域で添加し、このＹｂ添加領域をコア中心から第１クラッドに向かってコアのＬＰ０１モード径の０．５５倍以上２．１倍以下としたことにより、希土類添加ダブルクラッドファイバを高い変換効率及び高い信頼性を持つものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】シミュレーションで用いたファイバの概略構成を示す正面図である。
【図２】１００％のＹｂ添加に対する平均反転分布を示すグラフである。
【図３】１００％のＹｂ添加に対するＡＳＥ後方出力を示すグラフである。
【図４】１００％のＹｂ添加に対する各モードのＡＳＥ出力割合を示すグラフである。
【図５】６３％のＹｂ中心添加に対する平均反転分布を示すグラフである。
【図６】６３％のＹｂ中心添加に対する各モードのＡＳＥ出力割合を示すグラフである。
【図７】４７％のＹｂ環状添加の添加プロファイルを示すグラフである。
【図８】４７％のＹｂ環状添加に対する平均反転分布を示すグラフである。
【図９】４７％のＹｂ環状添加の励起パワーに対する各モードのＡＳＥ出力割合を示すグラフである。
【図１０】Ｙｂ添加プロファイルに依存する出射ビームパタンを示すグラフである。
【図１１】コア径及びＹｂ添加プロファイルに依存する出射ビームパタンを示すグラフである。
【図１２】コア径とＬＰ01のモードフィルド径の相関関係を示す表である。
【図１３】Ｙｂ中心添加割合変化に対するレーザ出力変化をシミュレーションするためのファイバ構成図である。
【図１４】Ｙｂ中心添加割合に対するファイバレーザの出力を示す表である。
【図１５】６３％のＹｂ中心添加ファイバに関するレーザ評価結果を示す表である。
【図１６】４７％のＹｂ環状添加ファイバのレーザ評価結果を示す表である。
【図１７】１００％のＹｂ添加ファイバのレーザ評価結果を示す表である。
【図１８】実施例及び比較例のパルス波形及び発振スペクトルを示す図である。
【図１９】図１８のXIX部を拡大して示すグラフである。
【図２０】図１８のIIX部を拡大して示すグラフである。
【図２１】図１８のIIXI部を拡大して示すグラフである。
【図２２】図１８のIIXII部を拡大して示すグラフである。
【図２３】図１８のIIXIII部を拡大して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の希土類添加ダブルクラッドファイバ１は、Ｙｂが添加されたコア２を有する。コア２の開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）は０．０６以上０．１５以下（０．０６≦ＮＡ≦０．１５）であり、コア径Ｄ０は２０μｍ以上１００μｍ以下（２０μｍ≦Ｄ０≦１００μｍ）である。
【００２５】
コア２は、第１クラッド３で囲まれている。Ｙｂは、コア２から第１クラッド３に向かって一部領域で添加されている。Ｙｂ添加領域は、コア２の中心から第１クラッド３に向かって、コア２のＬＰ０１モード（基本モード）径の０．５５倍以上２．１倍以下である。
【００２６】
さらに第１クラッド３は、第２クラッド４で囲まれている。第２クラッド４の外径（ファイバ径）Ｄ２は、コア径Ｄ０の１０倍以上４０倍以下（１０Ｄ０≦Ｄ２≦４０Ｄ０）である。
【００２７】
また、９１５ｎｍ波長帯域のコアの吸収係数は、５０ｄＢ／ｍ以上３００ｄＢ／ｍ以下である。
【００２８】
そして、本実施形態の希土類添加ダブルクラッドファイバ１は、希土類元素をコア２の中心付近にのみ添加し、低励起状態でも擬似連続発振を起こすような反転分布状態を作り、自己パルス発生を抑制するように構成されている。
【００２９】
＜シミュレーション１＞
Ｙｂが添加されたマルチモードファイバの低励起状態において自己パルスの影響を調べるために、コア全体（１００％）にＹｂ添加ファイバにおいて、各モードのＡＳＥ後方出力割合及び各モードの反転分布割合を算出した。反転分布とは、励起光（Pump Laser Diode=ＰＬＤ）をファイバに入力すると、基底準位（Ｎ１）の電子が励起準位（Ｎ２）へ励起されるが、基底準位（Ｎ１）から、励起準位（Ｎ２）までどの位のキャリアが励起されたかを数値で表したものであり、以下の式（１）に現れる。
【００３０】
【数１】
0006002453.tif 000002
【００３１】
ここで、Ｎ＝Ｎ１＋Ｎ２になる。Ｙｂ添加ファイバの反転分布は、励起波長、励起パワー、コア径Ｄ０、ファイバ長、ファイバ構造、Ｙｂ添加濃度などに影響されるために各パラメーターの状況を判断しなければならない。
【００３２】
図１に示すように、コアＮＡは０.０６、コア径Ｄ０は３０μｍ、第１クラッド３の外径であるポンプガイド径Ｄ１は２６０μｍ、ファイバ長は６.５ｍ、Ｙｂ濃度は１ｗｔ％（重量比の百分率）になる希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、励起パワーに対する各モードのＡＳＥ（amplitude stimulated emission）後方出力割合及び平均反転分布を計算した。ここで、平均反転分布の計算には、（式１）によって計算された反転分布値をファイバの長さで割った。Ｙｂはコア全体に添加されており、励起（ＰＬＤ）波長は９７６ｎｍを用いた。
【００３３】
図２によると、Ｙｂ添加ファイバの平均反転分布は励起パワーを上げると共に増加しており、励起パワーが約１２Ｗから反転分布は飽和した。自己パルスがなくなると予測される４％の平均反転分布は、５Ｗの励起パワーで得られた。
【００３４】
図３によると、ＡＳＥ出力は励起パワー増加と共に上がっており、その傾向は、励起パワーに対する反転分布の変化と類似である。したがって、ファイバレーザの出力は反転分布の増加と比例し、強くなると考えられる。
【００３５】
励起パワーに対する各モードのＡＳＥ出力割合を示す図４によると、３０μｍコア径Ｄ０に対する体表的なモードは五つであり、基本モードであるＬＰ０１、高次モードであるＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１になる。発振閾値付近である低励起パワーの５Ｗ基準に対するＬＰ０１の出力割合は３０．３％、ＬＰ１１は１９．９％、ＬＰ２１は９．８％、ＬＰ０２は５．７％、ＬＰ３１は２．１％であった。ここで、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ３１は前方及び後方に向かって伝播されるために計算結果に２倍した。なお、図４のＬＰ１１／２、ＬＰ２１／２、ＬＰ３１／２はＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ３１のＡＳＥパワーの半分であることを意味する。５Ｗの励起パワーに対する平均反転分布は３．９％であることから各モードの平均反転分布は、１．１８％、０．７８％、０．３８％、０．２２％、０．０８％であり、ＬＰ０１以外は１．０％を下回るために不安定な反転分布を持ち、低励起状態では自己パルスを起こす可能性が高い。したがって、平均反転分布が１．０％を下回るＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１は十分に励起されず、過飽和吸収体及び再吸収損失となり、自己パルスを起こす要因であると考えられる。
【００３６】
＜シミュレーション２＞
コア６３％のＹｂ中心添加に対するシミュレーションでは、コアＮＡは０.０６、コア径Ｄ０は３０μｍ、ポンプガイド径Ｄ１は２６０μｍ、ファイバ長は６.５ｍ、Ｙｂ濃度は２.０ｗｔ％になる希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、励起パワーに対する各モードのＡＳＥ後方出力割合及び平均反転分布を算出した。中心添加６３％に対する平均反転分布を示す図５によると、１００％中心添加の平均反転分布と異なり、５Ｗの低励起パワーでも平均反転分布は４．３％を超えており、十分に全モードが励起されていると考えられる。
【００３７】
図６によると、コア３０μｍに対する体表的なモードは五つがあり、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１になる。発振閾値付近である５Ｗの低励起パワーで、基準に対するＬＰ０１の出力割合は９６．８％、ＬＰ１１は１．１％、ＬＰ２１は０．０４９％、ＬＰ０２は０．６７％、ＬＰ３１は０．００５％になり、ＡＳＥ出力に寄与するのはＬＰ０１のみであった。励起パワー５Ｗに対する平均反転分布は４．３％であることから各モードの平均反転分布は、４．１％、０．０５％、０．００２％、０．０２％、０．０００２％であり、ＬＰ０１はかなり反転分布が高い。ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１の反転分布は１．０％を下回るが、コア外周にはＹｂが添加されないために過飽和吸収体にはならず、自己パルスを起こさない。ここで、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ３１は前方及び後方に向かって伝播されるために計算結果に２倍した。
【００３８】
＜シミュレーション３＞
コア４７％のＹｂ環状添加に対するシミュレーションでは、コアＮＡは０.０６、コア径Ｄ０は３０μｍ、ポンプガイド径Ｄ１は２６０μｍ、ファイバ長は６.５ｍ、Ｙｂ濃度は１．５ｗｔ％になる希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、励起パワーに対する各モードの出力割合及び平均反転分布を算出した。
【００３９】
図７によると、中心から６３％まではＹｂが添加されておらず、９.４μｍから第１クラッド３界面の１５μｍまで添加されている。
【００４０】
図８に示すように、４７％の環状添加に対する平均反転分布は、６３％中心添加の平均反転分布と異なり、５Ｗの低励起パワーでの平均反転分布は１．５％であり、中心添加よりもかなり低い値を示す。したがって、４７％環状添加よりも６３％中心添加の方が高い光−光変換効率になると予測される。
【００４１】
励起パワーに対する各モードのＡＳＥ後方出力割合を示す図９によると、コア３０μｍに対するモードは五つであり、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１になる。発振閾値付近の低励起パワーの５Ｗで、ＬＰ０１の出力割合は３３．１％、ＬＰ１１は５．０％、ＬＰ２１は２９．５％、ＬＰ０２は７．０８％、ＬＰ３１は１５％であった。５Ｗの励起パワーに対する平均反転分布は１．５％であることから各モードの平均反転分布は、０．４８％、０．６７％、０．４２％、０．１０％、０．２０％であり、全モードの反転分布は１．０％以下であった。ここで、ＬＰ１１、ＬＰ２１、ＬＰ３１は前方及び後方に向かって伝播されるために計算結果に２倍した。特に、ＬＰ０１、ＬＰ１１の反転分布は比較的に高いが、ＬＰ０１、ＬＰ１１領域にはＹｂが添加されていないので自己パルスと関係ない。１．０％を下回る、ＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１は過飽和吸収体及び再吸収損失となり、自己パルスを起こす要因になる。また、環状添加プロファイルの特徴から、ＬＰ０１、ＬＰ１１のＡＳＥ割合が高くてもＹｂ添加プロファイルと伝播モードが結合しないために誘導放出には寄与しない。したがって、反転分布が低いＬＰ２１、ＬＰ０２、ＬＰ３１などの高次モードがレーザ発振に寄与することとなり、発振に不安定な過飽和吸収体となり、自己パルスを起こす他、光−光変換効率が低下される。
【００４２】
Ｙｂ添加プロファイルに対する出射ビームパタンを示す図１０の添加プロファイルに対するシミュレーション結果から判るように出射ビームパタンは添加プロファイルに大きく依存した。コア全体に添加した場合は、ＬＰ０１の基本モード及びコア周辺に高次モードに関する出射ビームが見られる。４７％環状添加の場合は、ＬＰ０１の基本モードは観測されず、高次モードに関する出射ビームのみ見られる。しかしながら、６３％の中心添加に関しては、コア中心にＬＰ０１の基本モードが顕著に現れる他、高次モード出射ビームが全く見られない。この結果からも中心添加することによって低励起状態での高次モード領域での過飽和吸収領域をなくすことにより、自己パルス化を抑制することが判る。
【００４３】
コア径Ｄ０及びＹｂ添加径を変化させ、出射ビームの形状変化をシミュレーションした。図１１によると、コアＮＡが０．０６以上０．１５以下、コア径Ｄ０が２０μｍ以上１００μｍ以下の範囲において、Ｙｂ添加領域がコアの７０％以下ではＬＰ０１などの低モード出射ビームの強度がコア周辺の高次モードの出射ビーム強度よりも高いことが判った。この結果より、Ｙｂ添加領域はコア径Ｄ０の７０％まで自己パルスが抑制可能であると判断される。
【００４４】
図１２によると、ＬＰ０１（基本モード）モードフィルド径（非特許文献５）は、コアＮＡ及びコア径Ｄ０に大きく依存し、コア径Ｄ０が大きいほどＬＰ０１のモードフィルド径ＭＦＤも大きくなることが判った。また、ＬＰ０１のモードフィルド径（ＭＦＤ；Mode Field Diameter）は、コア径Ｄ０が小さいほど大きくなり、例えば、コアＮＡは０.０８、コア径Ｄ０は２０μｍの場合、ＬＰ０１のモードフィルド径は１４．５μｍとなり、コアＮＡが０.１５、コア径Ｄ０が４０μｍの場合、ＬＰ０１のモードフィルド径は１９．７μｍになる。さらに、コアＮＡが０．０８、コア径Ｄ０が４０μｍの場合、中心添加４０％に対するＬＰ０１モードフィルド径の比率は０．６８、中心添加８０％に対するＬＰ０１モードフィルド径の比率は１．４であり、Ｙｂ添加径をＬＰ０１モード径の関数で表現可能となる。
【００４５】
＜シミュレーション４＞
図１３はＹｂ中心添加割合変化に対するレーザ出力変化をシミュレーションするためのファイバ構成図である。コアＮＡは０.０８、コア径Ｄ０は４０μｍ、ポンプガイド径Ｄ１は２６０μｍ、ファイバ長は６.５ｍ、Ｙｂ濃度は０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下になる希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて励起パワーに対する各モードの出力割合及び平均反転分布の計算を行った。励起波長は９７６ｎｍを用いた。
【００４６】
図１４によると、Ｙｂ中心添加割合に対するファイバレーザの出力は低励起状態と高励起状態で多少異なるが、基本的には類似である。Ｙｂ中心添加割合に対するファイバの発振出力は、Ｙｂ中心添加割合の低減とともに下がるように見られるが、添加濃度を最適化すれば類似な差を示す。しかし、Ｙｂ添加濃度を上げることによってＹｂイオンクラスタ化が起こり、フォトダークニング耐性の低下及び損失増大の問題を起こすためにＹｂ添加濃度は限界がある。現実的には、約２ｗｔ％以下が好ましく、１．５ｗｔ％以下がより好ましい。
【００４７】
また、ファイバ長は、５．０ｍ以上２０．０ｍ以下が好ましい。
【００４８】
加えて、光ファイバの端面には、必要に応じて、ＨＲコート、ＡＲコートを施してもよく、ＨＲコートは、ＨＲ分光が、１０１０〜１１００ｎｍ範囲で９９％以上の反射率を有する光学薄膜を適用することが好ましい。ＡＲコートは、ＡＲ分光が、８００〜１０００ｎｍまで９７％以上の透過率を有する光学薄膜を適用することが好ましい。
【実施例】
【００４９】
（実施例）
実施例では、希土類元素としてＹｂを採用したＹｂ添加光ファイバをＭＣＶＤ装置により作製した。希土類元素供給源にＹｂ（ＤＰＭ）３を用いた。石英管としては、無水石英を採用した。
【００５０】
線引工程を経て得られた希土類添加ダブルクラッドファイバ１は、コア径Ｄ０が４０±３μｍ、ポンプガイド径Ｄ１が６００±１０μｍ、ファイバ径Ｄ２が１０００±２０μｍ、コア開口数ＮＡが０．０７〜０．０７５であった。
【００５１】
線引された希土類添加ダブルクラッドファイバ１を用いてファイバレーザ評価を行った。ファイバレーザ評価構成は図１３と同様な構成であった。
【００５２】
ファイバ長は１５ｍであり、ファイバの一方の端面にはＨＲ／ＡＲコート、他方の端面はフラット端面加工を行った。ＨＲ分光は１０１０〜１１００ｎｍ範囲で９７％反射率になるようにＡＲ分光は８００〜１０１０ｎｍまで９５％以上の透過率になるようにした。励起波長は９７５ｎｍを用いた。
【００５３】
図１５によると、ＰＬＤ印加電流９０Ａで、最大の光−光変換効率は７０％、最大内部変換効率である発振パワー／（励起パワー−漏れパワー）×１００％は、７４．３％が得られた。特に、評価領域の励起パワーでのパルスは全く観測されず、シミュレーション結果と同様で、中心添加が自己パルス抑制に効果があることが判った。
【００５４】
（比較例１）
中心添加有効性を確認するために４７％環状添加ファイバに関して、ファイバ作製及びレーザ評価を行った。コア作製及びファイバ化は実施例１と似ているが、コア作製においてコア外周付近にはＹｂを添加し、コア中心にはＹｂ添加を実施しなかった。
【００５５】
線引工程を経て得られた光ファイバは、コア径Ｄ０が４０±３μｍ、ポンプガイド径Ｄ１が６００±１０μｍ、ファイバ径Ｄ２が１０００±２０μｍ、コア開口数ＮＡが０．０７〜０．０７５であった。コア形成部の９１５ｎｍ帯域の吸収係数は、８０〜１２０ｄＢ／ｍであった。
【００５６】
線引されたファイバを用いファイバレーザ評価を行った。ファイバレーザ評価構成は図１３と同様な構成であった。ファイバ長は１５ｍであり、ファイバの一方の端面にはＨＲ／ＡＲコート、他方の端面はフラット端面加工を行った。ＨＲ分光は１０１０〜１１００ｎｍ範囲で９７％反射率になるようにＡＲ分光は８００〜１０１０ｎｍまで９５％以上の透過率になるようにした。励起波長は９７５ｎｍを用いた。
【００５７】
図１６によると、ＰＬＤ印加電流９０Ａで、最大の光−光変換効率は６４．８％、内部変換効率は７２．３％であり、実施例１の７０％の最大光―光変換効率、７４．３％の最大内部変換効率よりも低かった。特に、自己パルスは評価された励起パワーの全領域で観測された。このように自己パルスの起源は、マルチモードコアにおけるコア外周の添加領域によるものであることが、シミュレーション結果からも判る。
【００５８】
（比較例２）
中心添加有効性を確認するためにコア全体に添加（１００中心添加）ファイバに関してレーザ評価を行った。コア作製及びファイバ化は実施例と似ているが、コア作製においてＹｂをコア全体に添加した。
【００５９】
線引工程を経て得られた希土類添加ダブルクラッドファイバは、コア径Ｄ０が４０±３μｍ、ポンプガイド径Ｄ１が６００±１０μｍ、ファイバ径Ｄ２が１０００±２０μｍ、コア開口数ＮＡが０．０７〜０．０７５であった。コア形成部の９１５ｎｍ帯域の吸収係数は、１００〜１２０ｄＢ／ｍであった。
【００６０】
線引された希土類添加ダブルクラッドファイバを用いファイバレーザ評価を行った。ファイバレーザ評価構成は図１３と同様な構成であった。ファイバ長は９．６ｍであり、ファイバの一方の端面にはＨＲ／ＡＲコート、他方の端面はフラット端面加工を行った。ＨＲ分光は１０１０〜１１００ｎｍ範囲で９７％反射率になるようにＡＲ分光は８００〜１０１０ｎｍまで９５％以上の透過率になるようにした。励起波長は９７５ｎｍを用いた。
【００６１】
図１７によると、ＰＬＤ印加電流９０Ａで、最大の光−光変換効率は６２．８％、内部変換効率は７１．２％であり、実施例１の７０％の最大光―光変換効率、７４．３％の最大内部変換効率よりも低かった。特に、自己パルスは５７Ｗの励起パワーまで観測されたが、その以降は観測されなかった。これは、低励起パワーではコアの高次モード（コアの外周部分）の反転分布が低く、過飽和吸収体になるが、高励起パワーではコア中心且つコア外周部分まで反転分布が高くなり、過飽和吸収領域が完全になくなったためである。このように、自己パルスの起源は、マルチモードコアにおいてコア外周の添加によるものであることが、シミュレーション結果からも判る。
【００６２】
図１８によると、実施例の中心添加ファイバのファイバ総吸収が１２.６ｄＢ、比較例１のファイバ総吸収は９.４ｄＢ、比較例２のファイバ総吸収は９.４ｄＢであり、実施例のファイバ総吸収は比較例よりも高い。ファイバの自己パルスはファイバ総吸収が高いほど顕著に現れることから、実施例の方がより自己パルスが発生しやすいはずだが、自己パルスは観測されなかった。しかし、ファイバの総吸収係数が低い比較例１及び２は、既に低励起状態からパルスが観測される他、特に比較例２から自己パルス発生が顕著であった。
【００６３】
６２Ｗの励起パワーでの発振スペクトルは、実施例よりも比較例１及び２の方が広いことから、自己パルスは高次モードの発振によるものであると考えられた。
【００６４】
以上の観点から、９１５ｎｍ波長帯域でのコアのＹｂ吸収係数が５０〜３００ｄＢ／ｍ、コア径Ｄ０が２０〜１００μｍのマルチモードのコア２を有し、コアＮＡが０.０６〜０.１５である希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、Ｙｂ添加をコア直径の４０％以上７０％以下の範囲で行うことが好ましい。Ｙｂ中心添加が４０％以下になるとＹｂ濃度を上げなければいけないのでＹｂクラスタリングが増え、フォトダークニング耐性の悪化や変換効率が悪化する恐れがある。また、７０％以上になると高次モード効果が顕著に現れ、自己パルスが発生し、ファイバが破壊される。
【００６５】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上説明したように、本発明は、コアを囲む第１クラッドと、第１クラッドを囲む第２クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバについて有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１      希土類添加ダブルクラッドファイバ
２      コア
３      第１クラッド
４      第２クラッド
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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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１０】
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【図１１】
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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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