(57)【要約】【課題】中実領域を伝播させる励起光に対して高い開口数（ＮＡ）を実現可能であって製造コストの低減が図られたホーリーファイバを提供する。【解決手段】  ホーリーファイバ１は、光軸Ｌの方向に延びており光増幅剤が添加された中実領域と、光軸方向に延びる複数の空孔９Ａを有すると共に中実領域の周囲に設けられたクラッド領域９とを備え、光増幅剤を励起する励起光を中実領域で伝播させる。このホーリーファイバ１では、光軸方向に略直交する断面１３において、複数の空孔は中実領域の外周に沿って１層構造で配置されており、複数の空孔のうち互いに隣り合う空孔の間の最短距離ｔが１．０μｍ以下である。この場合、空孔と空孔との間の最短距離が１．０μｍ以下であるので、その間から励起光が漏れだしにくく高ＮＡを実現できる。また、空孔が中実領域の外周に沿って配置されているので空孔の数の低減が図られ、製造コストが低減する。【選択図】図２
2006041191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸方向に延びており少なくとも一部に光増幅剤が添加された中実領域と、前記光軸方向に延びる複数の空孔を有すると共に前記中実領域の周囲に設けられたクラッド領域と、を備え、前記光増幅剤を励起する励起光を前記中実領域で伝播させるホーリーファイバであって、
前記光軸方向に略直交する断面において、前記複数の空孔は、前記中実領域の外周に沿って１層構造で配置されており、前記複数の空孔のうち互いに隣り合う空孔の間の最短距離が１．０μｍ以下であることを特徴とするホーリーファイバ。
【請求項２】
前記最短距離が０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のホーリーファイバ。
【請求項３】
前記最短距離が０．１μｍ以上であることを特徴する請求項１又は請求項２に記載のホーリーファイバ。
【請求項４】
前記中実領域は、
前記光増幅剤が添加された第１領域と、
前記第１領域の周囲に設けられ、前記第１領域の屈折率よりも低い屈折率を有する第２領域と
を有することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のホーリーファイバ。
【請求項５】
前記光増幅剤は金属イオンであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のホーリーファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバレーザ光源に利用することができるホーリーファイバに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバレーザ光源として、例えば、ダブルクラッド型の光ファイバを利用したレーザ光源が開発されている。ダブルクラッド型の光ファイバは、例えば、特許文献１に記載されているように、光増幅剤が添加されたコア領域（第１コア）と、コア領域の周りに設けられコア領域より低い屈折率を有する第１クラッド領域（第２コア）と、その第１クラッド領域の周囲に設けられ第１クラッド領域より低い屈折率を有する第２クラッド領域とを含んで構成されている。そして、この光ファイバでは、光増幅剤を励起するための励起光が、コア領域及び第１クラッド領域内に閉じ込められて伝播しコア領域内の光増幅剤を励起する。励起された光増幅剤は、自然放出光を出力するので、上記光ファイバと光共振器とを組み合わせることで、誘導放出現象を利用してレーザ光を生成できる。
【０００３】
したがって、レーザ光の出力を上げるためには光増幅剤から誘導放出現象によって出力される誘導放出光の強度を高くすればよいが、この誘導放出光の強度は、コア領域及び第１クラッド領域内を伝播する励起光の強度が高い方が高くなる。そこで、コア領域及び第１クラッド領域内を伝播する励起光の強度を上げるために、励起光に対して高い開口数（ＮＡ）を有する光ファイバが求められている。
【０００４】
光ファイバのＮＡを大きくするためには、光を伝播させるべき領域とその周囲との屈折率差を大きくすれば良い。そこで、光軸方向に延びる空孔を有する光ファイバ（ホーリーファイバ）を利用することが提案されており、例えば、非特許文献１には、励起光を閉じ込めて伝播させるべき中実領域の周囲に複数の空孔が、光軸方向に直交する断面において２層構造で配置されたホーリーファイバが開示されている。
【特許文献１】特許第３４７９２１９号公報
【非特許文献１】C.Simonneau, et al., “High-power air-clad photonic crystal fiber cladding-pumped EDFA for WDM application in the C-band.”, ECOC-IOOC 2003  Proceedings VOLUME 6 - Post-Deadline Papers, September 21-25, 2003, pp34-35.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した非特許文献１に記載されたホーリーファイバでは、励起光を閉じ込めて伝播させるべき中実領域の周囲に複数の空孔を形成して、ＮＡの向上を図っている。しかしながら、これらの複数の空孔は、中実領域の周囲に２層からなる層構造で形成されているので、空孔の数が多くなり製造コストが高くなるという問題点がある。
【０００６】
そこで、本発明は、中実領域を伝播させる励起光に対して高い開口数（ＮＡ）を実現可能であって製造コストの低減が図られたホーリーファイバを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ホーリーファイバでは、中実領域の周囲に複数の空孔を含んで構成されるクラッド領域を設け、そのクラッド領域内での空気の占める割合が９０％程度であれば、理論的には開口数（ＮＡ）が１になることが期待されるが、実際には理論値より小さなＮＡとなっている。この理論値と実側値との違いが生じる原因として、本発明者らは、光軸方向に直交する断面において、中実領域の周囲に複数の空孔を配置しても、空孔間にガラス層が残っていることに着目した。そして、空孔間のガラス層を通して中実領域を伝播する励起光が漏れ出ることによってＮＡが低下することを見いだし、本発明に至った。
【０００８】
すなわち、本発明に係るホーリーファイバは、光軸方向に延びており少なくとも一部に光増幅剤が添加された中実領域と、光軸方向に延びる複数の空孔を有すると共に中実領域の周囲に設けられたクラッド領域と、を備え、光増幅剤を励起する励起光を中実領域で伝播させるホーリーファイバであって、光軸方向に略直交する断面において、複数の空孔は、中実領域の外周に沿って１層構造で配置されており、複数の空孔のうち互いに隣り合う空孔の間の最短距離が１．０μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
この場合、少なくとも一部に光増幅剤が添加された中実領域の周囲に設けられたクラッド領域は、光軸方向に直交する断面において、中実領域の外周に沿って配置された複数の空孔を有しているので、上記励起光は、中実領域とクラッド領域との屈折率差によって中実領域内に閉じ込められて伝播する。そして、その断面において、空孔と空孔との間の最短距離が１．０μｍ以下であることから、空孔と空孔との間から励起光が漏れ出しにくく、励起光に対して高ＮＡを実現できる。また、複数の空孔は、上記断面において１層構造で配置されているので、例えば、複数の空孔を２層構造で配置する場合に比べて空孔の数を少なくでき、製造コストの低減が図れる。
【００１０】
更に、本発明に係るホーリーファイバでは、上記最短距離が０．５μｍ以下であることが好ましい。この場合、励起光が空孔と空孔との間から更に漏れ出しにくいので、励起光に対して高ＮＡの実現に有効である。
【００１１】
更にまた、本発明に係るホーリーファイバでは、上記最短距離が０．１μｍ以上であることが好ましい。この構成によれば、ホーリーファイバの強度が保て、ホーリーファイバが破断することが抑制される。
【００１２】
また、本発明に係るホーリーファイバにおける中実領域は、光増幅剤が添加された第１領域と、第１領域の周囲に設けられ、第１領域の屈折率よりも低い屈折率を有する第２領域とを有することが好ましい。
【００１３】
この場合、中実領域が有する第１領域に光増幅剤が添加されており、第１領域の周囲の第２領域の屈折率が第１領域の屈折率よりも小さいので、励起光によって励起された光増幅剤から出力される光を第１領域内に閉じ込めて伝播させることができる。
【００１４】
また、本発明に係るホーリーファイバにおける光増幅剤としては、例えば、金属イオンが挙げられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のホーリーファイバによれば、製造コストの低減を図りつつ高ＮＡを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明によるホーリーファイバの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１に示す本実施形態のホーリーファイバ（以下、単に、ファイバという）１は、線状の石英ガラスからなっており、このファイバ１は、光増幅剤及び光増幅補助剤として、例えば、Ｅｒ３＋、Ｙｂ３＋、Ｂｉ３＋、Ａｌ３＋などの金属イオンがドープされたコア領域（第１領域）３を有している。このコア領域３は、励起光により励起された光増幅剤から出力される光を伝播させるための領域である。このコア領域３の周囲には、光増幅剤から出力される光をコア領域３内に閉じ込めて伝播させるために、コア領域３の屈折率よりも小さい屈折率を有する第１クラッド領域（第２領域）５が設けられている。
【００１８】
このコア領域３及び第１クラッド領域５からなる中実領域７は、光増幅剤を励起するための励起光をマルチモードで伝播させるためのポンピングガイドとして機能し、中実領域７の周囲には、石英ガラスからなっており、励起光を中実領域７内に閉じ込めて伝播させるための第２クラッド領域（クラッド領域）９が設けられている。
【００１９】
この第２クラッド領域９は、第１クラッド領域５の周囲に設けられファイバ１の光軸Ｌの方向に沿って延びた複数の空孔９Ａを含んで構成される。第２クラッド領域９は、複数の空孔９Ａを有していることからその平均屈折率が第１クラッド領域５の屈折率よりも小さくなる結果、励起光が中実領域７に閉じ込められる。そして、第２クラッド領域９の周囲には、この第２クラッド領域９をサポートするために石英ガラスからなる第３クラッド領域１１が設けられている。
【００２０】
図２は、ファイバ１の光軸Ｌに直交する断面図である。図２に示すように、ファイバ１の光軸Ｌに直交する断面であるファイバ断面１３の形状は直径Ｄ１の円形形状である。そして、このファイバ断面１３において、中実領域７の形状は直径Ｄ２の円形形状であって、複数の空孔９Ａは、第１クラッド領域５の外周に沿って環状に１層構造で配置されている。
【００２１】
図３は、第２クラッド領域９の拡大断面図である。各空孔９Ａの形状は、ファイバ１の半径方向における空孔９Ａの厚みｄ１が周方向の厚みｄ２より長い長円形状であり、複数の空孔９Ａのうち互いに隣り合う空孔９Ａ，９Ａ間の最短距離ｔは、１．０μｍ以下となっている。この最短距離ｔは、中実領域７を伝播させる励起光に対する開口数（ＮＡ）を高める観点から０．５μｍ以下が更に好ましい一方、ファイバ１が破断しないようにファイバ１の強度を保つために、０．１μｍ以上であることが好適である。そして、複数の空孔９Aは、上記のような配置関係を満たすと共に、ファイバ１において、第２クラッド領域９内での全空孔９Ａの空孔体積比率が９０％以上となるように、その大きさ及び数が調整されている。なお、本明細書において、ファイバ１のＮＡとは、上述したように中実領域７を伝播させる励起光に対するＮＡを意味するものである。
【００２２】
上記構成から理解されるように、ファイバ１は、２つのクラッド領域、すなわち、第１クラッド領域５及び第２クラッド領域９を有するダブルクラッド型と呼ばれるファイバである。
【００２３】
次に、このファイバ１の動作について説明する。なお、以下の説明では、コア領域３内の光増幅剤を励起可能な波長を有する励起光が光源（不図示）から出力され、ファイバ１の端面から入射するものとして説明する。光増幅剤として例えば、Ｙｂ３＋を利用した時は、励起光としては波長０．９８μｍの光である。
【００２４】
このファイバ１の端面から入射した励起光は、第１クラッド領域５と第２クラッド領域９との屈折率差によって中実領域７に閉じ込められて伝播するので、この励起光によって光増幅剤が励起される。その結果、光増幅剤から自然放出光が出力され、その自然放出光は、コア領域３と第１クラッド領域５との屈折率差によってコア領域３に閉じ込められてコア領域３を伝播する。
【００２５】
そして、このファイバ１と光共振器とを組み合わせることで、この自然放出光を利用して、励起光によって励起された光増幅剤から、コア領域３内を伝播する誘導放出光を生じさせることができ、その結果、レーザ光が生成される。したがって、図１〜図３に示したファイバ１を、光ファイバレーザ光源に好適に利用することができる。なお、コア領域３内を伝播する自然放出光や誘導放出光は、通常、シングルモードで伝播させるが、マルチモードで伝播させても良い。
【００２６】
上記ファイバ１では、隣り合う空孔９Ａ，９Ａ間の最短距離ｔを１．０μｍ以下とすることで、少なくとも０．３以上の高ＮＡを実現している。これにより、光源からの光が中実領域３へ入射する際の入射効率が向上することから中実領域３内での励起光の強度は、ＮＡが低い場合に比べて高まる。これにより、光増幅剤が効率的に励起されて誘導放出光の出力が向上する結果、高出力の光ファイバレーザ光源を実現できる。
【００２７】
ここで、空孔９Ａ，９Ａ間の最短距離ｔが１．０μｍ以下となっていることから高ＮＡを実現できることを、図４を利用して具体的に説明する。
【００２８】
図４は、隣接する空孔９Ａ，９Ａ間の最短距離ｔとＮＡとの関係を示したグラフである。表１に示す実施例としてのファイバＡとＢ、及び比較例としてのファイバＣのＮＡ実測値を縦軸に、各ファイバＡ〜Ｃの空孔間最短距離ｔを横軸にプロットしてある。なお、ＮＡ測定用の光源としてはタングステンランプを使用した。
【表１】
2006041191.tif 000003
表１に示したファイバ径Ｄ１は、ファイバ１の直径であり、直径Ｄ２は中実領域７の直径であり（図２参照）、厚さｄ１はファイバの半径方向の空孔９Ａの厚さである（図３参照）。また、空孔体積比率は、第２クラッド領域９内で全空孔９Ａが占める割合であり、第２クラッド領域９内に空気が含まれる割合に対応している。
【００２９】
また、図４に示した空孔間最短距離ｔが０の点は計算値である。ｔが０というのは単なるガラスロッドが空気中に存在している状態であり、第１クラッド領域５（ガラス）の屈折率ｎ０を１．４５とし、第２クラッド領域９（空気）の屈折率ｎ１を１．０として（１）式から計算により求めることが可能である。
【数１】
2006041191.tif 000004
尚、（１）式中のφは、中実領域７を伝播できるように励起光をファイバ１に入射する際の最大入射角（図１参照）である。ＮＡは入射角φのｓｉｎを取った値であり、（１）式から求めたＮＡの計算値が１．０を越える場合には、ＮＡは、１．０であることを意味している。
【００３０】
表１に示すファイバＡ，Ｂの空孔体積比率はともに９０％以上であり、第２クラッド領域９の平均屈折率ｎ１は１．０４５以下である。従って、第２クラッド領域９の平均屈折率ｎ１から（１）式により計算されるＮＡは１．０（計算上は１．０以上）である。また、ファイバＣの空孔体積比率は８７％であり、第２クラッド領域９の平均屈折率ｎ１は１．０５８５である。従って、（１）式から求められるＮＡは、０．９９である。しかしながら、図４に示されるように、実測されたＮＡは（１）式から計算された値と大きく乖離し、小さな値を示している。このことから、空孔体積比率に基づいて求められる第２クラッド領域９の平均屈折率ｎ１以外の要因が、ＮＡに影響していることが分かる。
【００３１】
一方、図４に示されているように、隣り合う空孔９Ａ，９Ａ間の最短距離ｔが短くなるにつれてＮＡが高くなって（１）式から求めた値に近づいていることに着目すると、ファイバ１のＮＡでは、隣り合う空孔９Ａ，９Ａ間の最短距離ｔが重要なパラメータであって、その最短距離ｔを小さくすることによりＮＡを向上させることが可能であることがわかる。これは、最短距離ｔが短くなるにつれて、空孔９Ａ，９Ａ間のガラス層の厚みが励起光の波長に対して薄くなり、その結果、そのガラス層を伝わって中実領域７から漏れ出る励起光が減少するので、励起光が中実領域７により閉じ込められやすくなるからである。
【００３２】
そして、実施例としてのファイバＡ，Ｂは最短距離ｔが１．０μｍ以下であることから、そのＮＡは、実用上、高ＮＡとして知られる約０．３以上となっており、比較例としてのファイバＣよりも高くなっている。また、図４より、最短距離ｔが０．５μｍ以下では、ＮＡが急激に増加するので、ＮＡを高くする観点から、最短距離ｔは、０．５μｍ以下が更に好ましいことがわかる。
【００３３】
なお、図４で示した結果は、空孔９Ａ，９Ａ間の最短距離ｔとＮＡとの関係を説明するための、１つの例であり、本実施形態のファイバ１が、例えば、表１に示したファイバＡ，Ｂに限定されるものではない。
【００３４】
ところで、光軸Ｌ方向に延びる複数の空孔９Ａを有するファイバ１は、例えば、次のようにして製造される。すなわち、先ず、中実の光ファイバ母材を用意し、その光ファイバ母材に、その長手方向に延びる複数の空孔を形成する。続いて、その複数の空孔が形成された光ファイバ母材を、その空孔を加圧しながら線引きする。この線引き時に、空孔９Ａが所望の大きさであって且つ隣り合う空孔９Ａ，９Ａ間の最短距離ｔが１．０μｍ以下になるように、光ファイバ母材に加える圧力を制御しながらファイバ１を製造する。このファイバ１の製造においては、空孔の数は少ない方が、ファイバ１を製造し易く、製造コストの低減が図れる。
【００３５】
本実施形態のファイバ１では、ファイバ断面１３において複数の空孔９Ａは、第１クラッド領域５の外周に沿って１層構造で形成しているので、例えば、複数の空孔を２層以上の層構造で形成する場合よりも、空孔の数の減少が図られる結果、製造コストを低減できる。すなわち、図１〜図３に示したファイバ１では、製造コストを低減しつつ高ＮＡが実現できている。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、中実領域７は、コア領域３と、そのコア領域３の屈折率よりも低い屈折率を有する第１クラッド領域５との２つの領域からなるが、この場合に限定されない。中実領域は、光増幅剤を励起する励起光を閉じ込めて伝播させることができ、その光増幅剤から出力された光を伝播できる構造であればよい。なお、式（１）では、ｎ０は、第１クラッド領域５の屈折率としたが、中実領域７がコア領域３及び第１クラッド領域５からなる場合以外では、例えば、中実領域のうち最も外側であって第２クラッド領域（クラッド領域）９と接する領域の屈折率とすればよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、ホーリーファイバ１は、光ファイバレーザ光源に利用されるものとして説明したが、例えば、励起光と共に信号光を入射することで光増幅器としても利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のホーリーファイバの一実施形態の縦断面図である。
【図２】図１に示したホーリーファイバの光軸に直交する断面図である。
【図３】図２に示したホーリーファイバの第２クラッド領域の拡大断面図である。
【図４】隣り合う空孔間の最短距離と開口数（ＮＡ）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１…ホーリーファイバ、３…コア領域（第１領域）、５…第１クラッド領域（第２領域）、７…中実領域、９…第２クラッド領域（クラッド領域）、９Ａ…空孔、Ｌ…光軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006041191.tif 000008