(57)【要約】【課題】希土類イオンが添加されたマルチモードファイバにおいて、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めること。【解決手段】コアに希土類イオンが添加され且つ規格化周波数が２．４０以上であるマルチモードファイバ（１１）は、その一部区間又は全区間を屈曲することにより構成されたフィルタ部（１１１）を備え、フィルタ部（１１１）の最小直径（直径Ｒ１）は、（１）ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の各モードのみが伝搬するように、又は、ＬＰ０１及びＬＰ１１の各モードのみが伝搬するように、且つ、（２）伝搬する前記各モードのうち最高次モードの損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように、定められている。【選択図】図１
2018190834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアに希土類イオンが添加され且つ規格化周波数が２．４０以上であるマルチモードファイバであって、
当該マルチモードファイバは、その一部区間又は全区間を屈曲することにより構成されたフィルタ部を備え、
当該フィルタ部の最小直径は、（１）ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の各モードのみが伝搬するように、又は、ＬＰ０１及びＬＰ１１の各モードのみが伝搬するように、且つ、（２）伝搬する前記各モードのうち最高次モードの損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように、定められている、
ことを特徴とするマルチモードファイバ。
【請求項２】
前記マルチモードファイバは、前記規格化周波数が３．８３以上であり、
前記フィルタ部の最小直径は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチモードファイバ。
【請求項３】
前記フィルタ部の最小直径は、ＬＰ０１及びＬＰ１１のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ１１の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチモードファイバ。
【請求項４】
前記フィルタ部は、前記マルチモードファイバの少なくとも一部区間をループ状又はコイル状に巻くことにより構成されている、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のマルチモードファイバ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載のマルチモードファイバと、
当該マルチモードファイバに励起光を供給する１又は複数の励起光源と、を備えている、
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項６】
前記マルチモードファイバの両端部のうち種光が入射される側の端部を入射端部として、
前記フィルタ部は、前記入射端部の近傍を含む一部区間をループ状又はコイル状に巻くことにより構成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記マルチモードファイバの両端部のうち前記入射端部と逆側の端部を出射端部として、
前記フィルタ部は、前記マルチモードファイバの前記入射端部の近傍から前記出射端部の近傍までの区間である中央区間をコイル状に巻くことにより構成されている、
ことを特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
【請求項８】
請求項５〜７の何れか１項に記載の光増幅器と、
前記マルチモードファイバに種光を供給する種光光源と、を備えている、
ことを特徴とするファイバレーザ。
【請求項９】
前記マルチモードファイバの両端部のうち種光が入射される側の端部と逆側の端部を出射端部として、
前記１又は複数の励起光源は、前記出射端部に結合されている、
ことを特徴とする請求項８に記載のファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアに希土類イオンが添加されたマルチモードファイバに関する。また、本発明は、このようなマルチモードファイバを備えた光増幅器及びファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
出力ビームの出力を高めることを目的として、励起物質として働く希土類イオンがコアに添加されたマルチモードファイバを光増幅用ファイバとして備えた光増幅器が産業界において利用されている。このような光増幅器を用いたファイバレーザは、高出力なレーザ光を出力することができる。そのため、このようなファイバレーザは、切断や溶接などに代表される加工用途に用いられる。
【０００３】
このようなファイバレーザを加工用途に用いる場合、加工精度を高めるために、レーザ光のビームウェスト径（断面径）が小さなレーザ光であって、且つ、高出力なレーザ光を出力することが求められる。すなわち、このようなファイバレーザには、高いビーム品質を有し、且つ、高出力なレーザ光を出力することが求められる。ビーム品質は、ビームウェスト径をどれだけ小さく絞ることができるかを表す指標であり、ビームパラメータ積（ＢＰＰ：Beam Parameter Products）又はＭ２が用いられる。
【０００４】
特許文献１の図１には、高品質且つ高出力なレーザ光を得るために、光増幅用ファイバ（特許文献１に記載の励起用光ファイバ）と、複数の励起光入射手段と、モードフィルタとを備えたファイバレーザが示されている。光増幅用ファイバのコアには励起物質が添加されており、その励起物質は、励起光入射手段から入射される励起光によって励起される。光増幅用ファイバは、レーザ発振を生じさせる共振器として機能するとともに、そのレーザ光の出力を増幅する。したがって、このように構成されたファイバレーザは、光増幅器としての機能を有する。
【０００５】
特許文献１のファイバレーザは、励起用光ファイバとしてモードフィールド径が大きなフォトニック結晶ファイバを採用している。このモードフィールド径が大きなフォトニック結晶ファイバは、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）として機能する。これにより、複数の励起光入射手段から高出力な励起光を入射する場合であっても、励起用光ファイバの内部における励起光密度が過度に高まることを防止できる。したがって、この構成によれば、励起用光ファイバが過度の熱により破壊されることを防止することができる。すなわち、この励起用光ファイバは、高出力なマルチモードのレーザ光を出力することができる。
【０００６】
また、このファイバレーザは、モードフィルタとして励起用光ファイバの所定の位置に形成されたフォトニック結晶ファイバを採用している。モードフィルタは、基本モードの光のみを透過し、高次モードの光を遮断することができる。したがって、この構成によれば、励起用光ファイバによって得られるマルチモードのレーザ光のうち基本モードのレーザ光のみを選択して出力することができる。すなわち、高いビーム品質を有するレーザ光を出力することができる。
【０００７】
以上のように、特許文献１のファイバレーザは、高いビーム品質を有し、且つ、高出力なレーザ光を出力することができる。
【０００８】
また、特許文献１には、光ファイバを曲げることによって曲げ損失を形成することにより、光ファイバの発振モードをシングルモードにすることができる旨が記載されている。このことは、曲げ損失を形成することにより、ファイバレーザが出力するレーザ光のビーム品質を高めることができることを意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−３８９６号公報（２０１０年１月７日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載のファイバレーザには増幅効率を更に高める余地がある。その理由を以下に説明する。
【００１１】
特許文献１に記載のファイバレーザは、（１）励起用光ファイバは、基本モードのレーザ光と高次モードのレーザ光とを区別することなく増幅し、（２）モードフィルタは、増幅された基本モードのレーザ光及び増幅された高次モードのレーザ光のうち増幅された高次モードのレーザ光を除去することによって、レーザ光のビーム品質を高めている。したがって、特許文献１に記載のファイバレーザにおいて、複数の励起光入射手段から励起用光ファイバに入射した励起光のパワーのうち、高次モードのレーザ光の増幅に寄与した励起光のパワーは、ファイバレーザから出力されるレーザ光の出力に還元されることなく捨てられることになる。
【００１２】
また、特許文献１に記載のファイバレーザは、屈曲した光ファイバをモードフィルタの代わりに採用している。光ファイバを屈曲することによって曲げ損失を形成することによって、光ファイバの発振モードをシングルモードにすることができ、結果としてレーザ光のビーム品質を高めることができる。しかしながら、特許文献１に記載のファイバレーザには増幅効率を更に高める余地がある。その理由を以下に説明する。
【００１３】
基本モードのレーザ光は、光ファイバのコアの中心近傍に集中して分布する。そのため、光ファイバのコアに添加された希土類イオンのうち光増幅に寄与する希土類イオンは、コアの中心近傍に分布する希土類イオンのみである。換言すれば、コアの外縁近傍に分布する希土類イオンは、光増幅に寄与しない。その一方で、光ファイバに入射された励起光は、コアの中心近傍に分布する希土類イオンと、コアの外縁近傍に分布する希土類イオンとを区別することなく励起する。その結果、光ファイバに入射された励起光のパワーのうちコアの外縁近傍に分布する希土類イオンを励起するために使われた励起光のパワーは、ファイバレーザから出力されるレーザ光の出力に還元されることなく無駄に散逸することになる。
【００１４】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コアに希土類イオンが添加されたマルチモードファイバにおいて、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るマルチモードファイバは、コアに希土類イオンが添加され且つ規格化周波数が２．４０以上であるマルチモードファイバであって、当該マルチモードファイバは、その一部区間又は全区間を屈曲することにより構成されたフィルタ部を備え、当該フィルタ部の最小直径は、（１）ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の各モードのみが伝搬するように、又は、ＬＰ０１及びＬＰ１１の各モードのみが伝搬するように、且つ、（２）伝搬する前記各モードのうち最高次モードの損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように、定められている、ことを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、基本モードであるＬＰ０１モードに加えて、（１）ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の各モード、又は、（２）ＬＰ１１がマルチモードファイバのコアを伝搬する。したがって、マルチモードファイバの増幅効率を高めることができる。また、高次モードのうち所定のモードのみを伝搬する構成を採用することによって、ビーム品質が必要以上に低下することを抑制できる。したがって、本マルチモードファイバは、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めることができる。
【００１７】
本発明の一態様に係るマルチモードファイバは、前記マルチモードファイバは、前記規格化周波数が３．８３以上であり、前記フィルタ部の最小直径は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている、ことが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、マルチモードファイバをＬＰ０１に加えてＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２が伝搬するため、マルチモードファイバをＬＰ０１及びＬＰ１１が伝搬する場合と比較して、増幅効率を高めることができる。したがって、出射光のビーム品質と増幅効率とを両立させつつも、増幅効率をより重視したい場合には、フィルタ部の最小直径をこのように構成してもよい。
【００１９】
本発明の一態様に係るマルチモードファイバにおいて、前記フィルタ部の最小直径は、ＬＰ０１及びＬＰ１１のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ１１の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている、ことが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、マルチモードファイバをＬＰ０１及びＬＰ１１のみが伝搬するため、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２が伝搬する場合と比較して、ビーム品質を高めることができる。したがって、出射光のビーム品質と増幅効率とを両立させつつも、ビーム品質をより重視したい場合には、フィルタ部の最小直径をこのように構成してもよい。
【００２１】
本発明の一態様に係るマルチモードファイバにおいて、前記フィルタ部は、前記マルチモードファイバの少なくとも一部区間をループ状又はコイル状に巻くことにより構成されている、ことが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、フィルタ部の大きさを変えることなく、ループ状あるいはコイル状に巻く巻き数を変化させることによって、フィルタ部を構成する区間の長さを任意に設定することができる。
【００２３】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光増幅器は、上述した各態様のうち何れか一態様に係るマルチモードファイバと、当該マルチモードファイバに励起光を供給する１又は複数の励起光源と、を備えている、ことを特徴とする。
【００２４】
このように、上述した本発明の一態様に係るマルチモードファイバを備えた光増幅器も本発明の範疇に含まれる。本光増幅器は、上述した本発明の一態様に係るマルチモードファイバと同様の効果を奏する。
【００２５】
本発明の一態様に係る光増幅器において、前記マルチモードファイバの両端部のうち種光が入射される側の端部を入射端部として、前記フィルタ部は、前記入射端部の近傍を含む一部区間をループ状又はコイル状に巻くことにより構成されている、ことが好ましい。
【００２６】
上記の構成によれば、マルチモードファイバの内部を伝搬する高次モードのうちＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２以外の高次モードをマルチモードファイバの前段において迅速に除去することができる。したがって、フィルタ部を除いたマルチモードファイバの後段において、励起された状態の希土類イオンは、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の４つのモードのみを増幅する。したがって、マルチモードファイバの後段においてＬＰ３１やＬＰ１２などの高次モードを増幅することを抑制できるので、本光増幅器は、増幅効率を更に高めることができる。
【００２７】
本発明の一態様に係る光増幅器において、前記マルチモードファイバの両端部のうち前記入射端部と逆側の端部を出射端部として、前記フィルタ部は、前記マルチモードファイバの前記入射端部の近傍から前記出射端部の近傍までの区間である中央区間をコイル状に巻くことにより構成されている、ことが好ましい。
【００２８】
上記の構成によれば、中間区間を全てコイル状に巻くことにより、光増幅器を更にコンパクト化することができる。
【００２９】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るファイバレーザは、上述した各態様のうち何れか一態様に係る光増幅器と、前記マルチモードファイバに種光を供給する種光光源と、を備えている、ことを特徴とする。
【００３０】
このように、上述した本発明の一態様に係る光増幅器を備えたファイバレーザも本発明の範疇に含まれる。本ファイバレーザは、上述した本発明の一態様に係る光増幅器と同様の効果を奏する。
【００３１】
本発明の一態様に係るファイバレーザにおいて、前記マルチモードファイバの両端部のうち種光が入射される側の端部と逆側の端部を出射端部として、前記１又は複数の励起光源は、前記出射端部に結合されている、構成を採用してもよい。
【００３２】
本ファイバレーザは、自然放出増幅光の発生を抑制することができる。したがって、後方励起の配置を採用した場合であっても、複数の励起光源において生じ得る故障を抑制することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の一態様によれば、コアに希土類イオンが添加されたマルチモードファイバにおいて、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るマルチモードファイバを備えたファイバレーザの構成を示すブロック図である。
【図２】マルチモードファイバにおける規格化伝搬定数の規格化周波数依存性を示すグラフである。
【図３】マルチモードファイバのコア近傍における各モードの光の強度分布を示すグラフである。
【図４】マルチモードファイバのコアの内部における励起準位密度を示すグラフである。
【図５】マルチモードファイバのコアの内部における励起準位の総和と、マルチモードファイバを伝搬する光のモード数との相関関係を示すグラフである。
【図６】第１の実施例であるマルチモードファイバの曲げ直径を変化させることによって得られた、伝搬する各モードの曲げ損失を示すグラフである。
【図７】第２の実施例であるマルチモードファイバの曲げ直径を変化させることによって得られた、伝搬する各モードの曲げ損失を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るマルチモードファイバを備えた種光光源の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るマルチモードファイバを備えた光増幅器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るマルチモードファイバ（Multi-Mode Fiber：ＭＭＦ）について、図１〜図５を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るＭＭＦ１１を備えた光増幅器１０を含むファイバレーザ１の構成を示すブロック図である。図２は、ＭＭＦにおける規格化伝搬定数Ｂの規格化周波数Ｖ依存性を示すグラフである。図３は、ＭＭＦ１１のコア近傍における各モードの光の強度分布を示すグラフである。図４は、ＭＭＦ１１のコアの内部における励起準位密度を示すグラフである。図５は、ＭＭＦ１１のコアの内部における励起準位の総和と、ＭＭＦ１１を伝搬する光のモード数との相関関係を示すグラフである。
【００３６】
（ファイバレーザ１の概要）
図１に示すように、ファイバレーザ１は、光増幅器１０と、種光光源２０と、ヘッド３０とを備えている。
【００３７】
種光光源２０が備えている光ファイバ２７の先端は、接続点Ｐ１１において光増幅器１０のＭＭＦ１１の入射端部に融着されている。
【００３８】
また、光増幅器１０が備えているデリバリファイバ１５の先端は、接続点Ｐ１４においてヘッド３０の一方の端部に融着されている。このように構成されたファイバレーザ１において、光増幅器１０は、種光光源２０から供給された種光を増幅することによって高出力なレーザ光を出力する。光増幅器１０が出力するレーザ光は、光増幅器１０の後段に接続されたヘッド３０を介して、加工対象物に照射される。なお、本実施形態において種光の波長は、１０９０ｎｍである。したがって、光増幅器１０が出力するレーザ光の波長も１０９０ｎｍである。なお、種光及び光増幅器１０が出力するレーザ光の波長は、１０９０ｎｍに限定されるものではない。
【００３９】
ファイバレーザ１は、ヘッド３０を介して高出力なレーザ光を工対象物に照射することができるため、ファイバレーザ１は、切断や溶接などに代表される加工用途に好適に用いることができる。
【００４０】
本実施形態では、光増幅器１０について説明する。種光光源２０については、第２の実施形態において後述する。ヘッド３０としては、加工用途に用いられるヘッドを適宜採用することができる。したがって、ヘッド３０についての説明は、省略する。
【００４１】
（光増幅器１０）
【００４２】
図１に示すように、光増幅器１０は、ＭＭＦ１１と、励起光源群１２と、光ファイバ群１３と、コンバイナ１４と、デリバリファイバ１５とを備えている。励起光源群１２は、複数の励起光源であるＬＤ（レーザダイオード）１２１〜１２６からなる。光ファイバ群１３は、複数の光ファイバ１３１〜１３６からなる。
【００４３】
ＭＭＦ１１は、コアとクラッドとを備えたステップインデックス型の光ファイバであって、そのコアに励起物質として働く希土類イオン（本実施形態では、Ｙｂ３＋イオン）が添加された光ファイバである。ＭＭＦ１１は、基本モードであるＬＰ０１に加えて少なくとも１つの高次モードを伝搬することができる光ファイバ、すなわちマルチモードファイバである。ＭＭＦ１１の出射端部は、接続点Ｐ１２においてコンバイナ１４の一方の端部に融着されている。
【００４４】
光ファイバ１３１の一方の端部は、ＬＤ１２１と光学的に結合されており、光ファイバ１３１の他方の端部は、接続点Ｐ１３においてコンバイナ１４の他方の端部に融着されている。同様に、光ファイバ１３２〜１３６の各々の一方の端部は、それぞれ、ＬＤ１２２〜１２６の各々と光学的に結合されている。また、光ファイバ１３２〜１３６の各々の他方の端部は、何れも、接続点Ｐ１３においてコンバイナ１４の他方の端部に融着されている。このように、光増幅器１０は、後方励起型の配置を採用している。後方励起型の構成を採用することによって、前方励起型の構成を採用する場合と比較して、自然放出増幅光の発生を抑制することができる。なお、後方励起型の構成のほうが前方励起型の構成と比較して、自然放出増幅光の発生を抑制できる理由については、後述する。
【００４５】
ただし、本発明の一態様に係る光増幅器は、後方励起型に限定されるものではなく、図８及び図９に示すように前方励起型であってもよいし、双方向励起型であってもよい。
【００４６】
デリバリファイバ１５の一方の端部は、接続点Ｐ１３においてコンバイナ１４の他方の端部に融着されている。また、デリバリファイバ１５の他方の端部は、接続点Ｐ１４においてヘッド３０の一方の端部に融着されている。デリバリファイバ１５の他方の端部は、上述したデリバリファイバ１５の先端に対応する。
【００４７】
このように構成された光増幅器１０において、ＬＤ１２１〜１２６が出射する励起光は、光ファイバ１３１〜１３６及びコンバイナ１４を介して、出射端部を介してＭＭＦ１１に供給される。ＭＭＦ１１に供給された励起光は、ＭＭＦ１１を接続点Ｐ１２から接続点Ｐ１１に向かう方向へ伝搬する過程において、ＭＭＦ１１のコアに添加された多数の希土類イオンを励起する。
【００４８】
励起された状態の希土類イオンを多数含むＭＭＦ１１のコアには、その一方の端部から種光が供給される。ＭＭＦ１１に供給された種光は、ＭＭＦ１１を接続点Ｐ１１から接続点Ｐ１２に向かう方向へ伝搬する。その過程において、種光は、励起状態に遷移した希土類イオンの電子が発光再結合するトリガーとなる。したがって、種光は、接続点Ｐ１１から接続点Ｐ１２へ伝搬する過程において増幅され、高出力なレーザ光となる。この高出力なレーザ光は、デリバリファイバ１５を介してヘッド３０に供給され、ヘッド３０から加工対象物に照射される。
【００４９】
（ＭＭＦ１１の概要）
ＭＭＦ１１は、コアとクラッドとを備えたステップインデックス型の光ファイバであって、そのコアに励起物質として働く希土類イオンが添加された光ファイバである。ＭＭＦ１１は、クラッドとしてダブルクラッドを採用している。しかし、ＭＭＦ１１のクラッドは、シングルクラッドであってもよい。ＭＭＦ１１は、基本モードであるＬＰ０１に加えて少なくとも１つの高次モードを伝搬することができる光ファイバ、すなわちマルチモードファイバである。
【００５０】
＜光ファイバを伝搬するモードの数＞
まず、ステップインデックス型の光ファイバを伝搬するモードの数について図２を参照して説明する。光ファイバが伝搬することができるモードの数は、式（１）により定義される規格化周波数Ｖに依存する。規格化周波数Ｖは、光ファイバの仕様を表す指標の１つである。
【００５１】
【数１】
2018190834.tif 000003
ここで、ｎｃｏはコアの屈折率であり、ｎｃｌはクラッドの屈折率であり、ａはコアの直径である。ｋは、２πと、光ファイバを伝搬するモードの波長λの逆数（すなわち１／λ）により表される定数である。
【００５２】
また、光ファイバを伝搬するモードに対するコアを伝搬するモードの割合を表す指標として、式（２）により定義される規格化伝搬定数Ｂが知られている。
【００５３】
【数２】
2018190834.tif 000004
ここで、βは光ファイバを伝搬するモードの伝搬定数である。
【００５４】
図２に示すように、光ファイバを伝搬するモードの数は、その光ファイバの規格化周波数Ｖが大きいほど多くなり、小さいほど少なくなる。すなわち、規格化周波数Ｖを１０から徐々に小さくしていくにしたがって、ＬＰ４２、ＬＰ１３、ＬＰ６１、ＬＰ３２、ＬＰ５１、ＬＰ０３、ＬＰ２２、ＬＰ４１、ＬＰ１２、ＬＰ３１の順番で光ファイバ内を伝搬できなくなることが分かる。
【００５５】
規格化周波数Ｖが５．１３（有効数字３桁の場合）未満である場合、光ファイバ内を伝搬できるモードは、高次モードであるＬＰ０２、ＬＰ２１、ＬＰ１１と、基本モードであるＬＰ０１との合計４モードである。規格化周波数Ｖが３．８３（有効数字３桁の場合）未満である場合、光ファイバ内を伝搬できるモードは、ＬＰ１１モード及びＬＰ０１モードの合計２モードである。規格化周波数Ｖが２．４０（有効数字３桁の場合）未満である場合、光ファイバ内を伝搬できるモードは、ＬＰ０１モードのみとなる。
【００５６】
以上のことから、規格化周波数Ｖが所望の値となるように光ファイバを設計することによって、光ファイバを伝搬するモードの数を所望の数に限定することができることが分かる。
【００５７】
本実施形態におけるＭＭＦ１１は、規格化周波数Ｖが３．８３以上となるように設計されている。したがって、１つの方向に沿って直線状にＭＭＦ１１を配置した場合、ＭＭＦ１１は、少なくともＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の４つのモードを伝搬する。
【００５８】
＜ビーム品質＞
光増幅器１０を備えたファイバレーザ１を加工用途に用いる場合、加工精度を高めるために、レーザ光のビームウェスト径（断面径）が小さなレーザ光であって、且つ、高出力なレーザ光を出力することが求められる。すなわち、光増幅器１０には、高いビーム品質を有し、且つ、高出力なレーザ光を出力することが求められる。ビーム品質は、ビームウェスト径をどれだけ小さく絞ることができるかを評価する指標の総称であり、ビームパラメータ積（ＢＰＰ：Beam Parameter Products）又はＭ２を用いて表すことができる。ビーム品質を評価するための指標として、ＢＰＰを用いてもよいし、Ｍ２を用いてもよい。
【００５９】
光の性質として、１つの点状の光源から発せされた光を集光する集光系において、上記光源から発せられた光を上記光源の大きさよりも小さく集光することはできないことが知られている。ＭＭＦ１１のような光ファイバの一方の端面（出射端面）から出射される光を集光する集光系を考えた場合には、当該出射端面を一種の光源と考えることができる。この場合、上記出射端面のうち光が分布する領域（分布領域）の大きさ（直径）を光源の大きさと見做すことができる。したがって、上述した光の性質に鑑みれば、上記出射端面から出射された光は、分布領域の大きさよりも小さく集光することはできない。分布領域の大きさは、光のモードに依存して変化する。
【００６０】
ここで、ＭＭＦ１１及びデリバリファイバ１５を伝搬するモードを考える場合、コアの中心近傍に集中して分布するモードと、コアの外周部近傍に分布するモードとを比較すると、コアの中心近傍に集中して分布するモードの方が出射端面内における分布領域が小さい。したがって、コアの中心近傍に集中して分布するモードと、コアの外周部近傍に分布するモードとを比較すると、コアの中心近傍に集中して分布するモードの方がより小さく集光することができる。すなわち、ビーム品質を高めるという観点では、コアの中心近傍に集中して分布するモードの方がコアの外周部近傍に分布するモードより有利である。
【００６１】
ここで、ステップインデックス型の光ファイバを伝搬する各モードの分布について図３を参照して説明する。図３の横軸に示す規格化コア半径は、ＭＭＦ１１の中心からの距離を、そのコアの半径ａ（本実施形態ではａ＝１３．５μｍ）で規格化したものである。すなわち、規格化コア半径の絶対値が１である位置（すなわち、図３においては規格化コア半径が１または−１の位置）がコアとクラッドとの境界に対応する。
【００６２】
図３に示すように、基本モードであるＬＰ０１の強度は、コアの中心に極大を有し、コアの中心から遠ざかるにしたがって強度が単調減少する。このように、ＬＰ０１は、コアの中心近傍に集中して分布しているため、小さく集光することができる。したがって、ビーム品質を高めるという観点では、ＭＭＦ１１及びデリバリファイバ１５を伝搬するモードとして、基本モードであるＬＰ０１のみを選択することが好ましい。すなわち、ＬＰ０１のみを伝搬するように規格化周波数Ｖを定めればよい。
【００６３】
＜増幅効率＞
その一方で、ＭＭＦ１１及びデリバリファイバ１５を伝搬するモードとしてＬＰ０１のみを選択した場合、ＭＭＦ１１における増幅効率を高めることが難しい。以下にその理由を説明する。なお、増幅効率は、例えば、（１）ＭＭＦ１１に対して供給した励起光のパワーに対する、（２）ＭＭＦ１１から出力されるレーザ光のパワーの割合で表すことができる。
【００６４】
上述したように、ＬＰ０１は、コアの中心近傍に集中して分布している。したがって、ＬＰ０１の増幅に寄与できる希土類イオンは、励起光によって励起された希土類イオンのうちコアの中心近傍に分布している希土類イオンである。したがって、増幅効率を高める観点では、コアの中心近傍に分布する希土類イオンを選択的に励起することが好ましい。
【００６５】
しかしながら、例えばＭＭＦ１１のコアとしてダブルクラッドを採用した場合、コアの中心近傍に分布する希土類イオンを選択的に励起することは困難である。実際のＭＭＦ１１において、励起光は、コア内に添加された希土類イオンをその分布する位置に関わらず励起する。したがって、ＭＭＦ１１及びデリバリファイバ１５を伝搬するモードとしてＬＰ０１のみを選択した場合、コアの外周部近傍に分布する希土類イオンは、ＬＰ０１の増幅に寄与することができない。すなわち、コアの外周部近傍に分布する希土類イオンを励起するために用いられた励起光のパワーが無駄に散逸するため、結果として増幅効率を高めることができない。
【００６６】
図４は、励起光及び種光が供給された状態のＭＭＦ１１の内部における励起準位密度の分布を示す。横軸の原点がコアの中心を示し、横軸の１３．５μｍの位置がコアとクラッドとの境界を示す。また、図５は、コアの内部に存在する励起準位の総和と、コアの内部を伝搬するモード数（以下、伝搬モード数）との相関関係を表す。励起準位の総和は、換言すれば、励起されたままの希土類イオンの数の総和である。
【００６７】
図４において、励起準位密度が高くなるほど光の増幅に寄与できていない希土類イオンが多く残存していること、すなわち、増幅効率が低いことを示す。図４に示す通り、ＭＭＦ１１を伝搬するモードがＬＰ０１のみの場合、コアの中心近傍（半径５μｍ以下の領域）を除いて励起準位密度が高く、励起光のパワーを無駄にしていることが分かる。
【００６８】
図５においても同様に、伝搬モード数がＬＰ０１のみの場合、コアの内部に励起されたままの希土類イオンが多く残存していることが分かる。
【００６９】
そこで、ＭＭＦ１１を伝搬するモードの増幅効率を高めるために、本実施形態では、ＭＭＦ１１を伝搬するモードとして、基本モードであるＬＰ０１と、高次モードであるＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２とを採用する。
【００７０】
図３に示すように、ＬＰ１１及びＬＰ２１の各モードは、コアの中心に極小を有し、規格化コア半径が０．５以上０．７５以下の領域に極大を有する。このようにコアの中心近傍を除いた領域に極大を有するモードを伝搬させることによって、コアの中心近傍を除いた領域に分布する希土類イオンも光の増幅に寄与できるようになる。具体的には、ＭＭＦ１１内をＬＰ１１及びＬＰ２１の各モードを伝搬させることによって、図４に示すように、コアの中心を除いたほぼ全域において増幅効率を高めることができる。
【００７１】
また、ＬＰ０２は、コアの中心に極大を有するとともに、コアとクラッドとの境界近傍に小さいとはいえ更なる極大を有する。ＭＭＦ１１内を、ＬＰ１１及びＬＰ２１に加えてＬＰ２０を伝搬させることによって、図４に示すように、コアの外周部近傍（半径８μｍ以上の領域）における増幅効率を更に高めることができる。
【００７２】
図５に示すように、伝搬モード数が１から増加するにしたがって、コアの内部に残存する励起されたままの希土類イオンの数が明らかに単調減少することが分かる。すなわち、増幅効率を高めることができる。
【００７３】
ただし、伝搬モード数が大きくなるにしたがって、コアの内部に残存する励起されたままの希土類イオンの数は、一定の値に漸近するような振る舞いを見せる。すなわち、伝搬モード数を大きくしすぎても増幅効率はやがて頭打ちになる。また、伝搬モード数を５以上にする場合、ＬＰ３１及びＬＰ１２といった高次モードを採用することになる。ＬＰ３１及びＬＰ１２といった高次モードは、コアの内部のみならずクラッドにまで強く分布している。このことは、ビーム品質を高めるという観点からも好ましくない。
【００７４】
以上のことから、本実施形態では、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めるために、ＭＭＦ１１の内部を伝搬するモードとして、ＬＰ０１に加えて、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２を採用する。すなわち、本実施形態のＭＭＦ１１は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の４つのモードを伝搬するように構成されている。これらの４つのモード伝搬するＭＭＦ１１の構成を以下に説明する。
【００７５】
（ＭＭＦ１１の構成）
本実施形態のＭＭＦ１１は、上述したようにステップインデックス型の光ファイバであって、そのコアに励起物質として働く希土類イオンが添加された光ファイバである。そのうえで、ＭＭＦ１１のコア半径ａ、コアの屈折率ｎｃｏ、クラッドの外径、及びクラッドの屈折率ｎｃｌに代表される各パラメータは、ＭＭＦ１１の規格化周波数Ｖが３．８３以上となるように定められている。したがって、１つの方向に沿って直線状にＭＭＦ１１を配置した場合、ＭＭＦ１１は、少なくともＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の４つのモードを伝搬する。換言すれば、ＭＭＦ１１は、直線状に配置された場合、これらの４つのモードに加えてＬＰ３１やＬＰ１２などの高次モードを伝搬するように構成されていてもよい。
【００７６】
図１に示すように、ＭＭＦ１１は、その一部区間を屈曲することにより構成されたフィルタ部１１１と、フィルタ部１１１以外の余剰な区間をコイル状に丸めて束ねた余剰部１１２とを備えている。なお、ＭＭＦ１１においてフィルタ部１１１が設けられている一部区間は、ＭＭＦ１１の一部を構成する区間であればよい。具体的には、ＭＭＦの一部区間は、（１）図１に示すように、ＭＭＦ１１の入射端部の近傍を含み、ＭＭＦ１１の出射端部の近傍を含まない区間であってもよいし、（２）ＭＭＦ１１の出射端部の近傍を含み、ＭＭＦ１１の入射端部の近傍を含まない区間であってもよいし、（３）ＭＭＦ１１の入射端部の近傍及び出射端部の近傍を含まない区間であってもよい。
【００７７】
本実施形態において、フィルタ部１１１は、ＭＭＦ１１の一部区間をおよそ円形に複数回（本実施形態では図１に示すように３回）巻くことによって構成されている。すなわち、フィルタ部１１１は、ＭＭＦ１１の一部区間をコイル状に丸めて束ねたものである。なお、ＭＭＦ１１の一部区間を円形に巻く回数は、１回であってもよいし、複数回であってもよく、任意の回数に設定することができる。本願明細書において、ＭＭＦ１１の一部区間を円形に１回巻いた状態をループ状と称し、ＭＭＦ１１の一部区間を円形に複数回巻いた状態をコイル状と称する。また、フィルタ部１１１においてＭＭＦ１１の一部区間を屈曲する形状（以下、フィルタ部１１１の形状）は、円形に限定されるものではなく、円形の一部（例えば半円）を構成する中心角が３６０°未満である弧であってもよい。
【００７８】
本実施形態のフィルタ部１１１において、その形状が円形であるため、その直径は、当該円形の直径により定義される。本実施形態のフィルタ部１１１において、その直径Ｒ１は、フィルタ部１１１の全区間を通じて一定に構成されている。したがって、フィルタ部１１１の最小直径及び最大直径は、何れも直径Ｒ１である。最小直径及び最大直径の各々は、それぞれ、複数回巻かれたコイル状のフィルタ部１１１における最小の直径及び最大の直径を意味する。この直径Ｒ１は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている。なお、フィルタ部１１１の形状が弧である場合であってもフィルタ部１１１の直径は、次のように定義できる。すなわち、弧を構成する曲線の曲率に対応した仮想的な円を仮定し、その仮想的な円の直径を弧の直径とすればよい。また、弧の曲率（弧の半径の逆数）が一定でない場合には、（１）弧を構成する微小区間の各々のうち最も曲率が大きい微小区間を選択し、（２）選択した微小区間に対応した仮想的な円の直径をフィルタ部１１１の最小直径とすればよい。
【００７９】
この構成によれば、ＭＭＦ１１がＬＰ０１に加えてＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２を伝搬することによって、ＭＭＦ１１の増幅効率を高めることができる。また、ＬＰ３１やＬＰ１２などのクラッドに強く浸み出して伝搬する高次モードを伝搬させないため、ＬＰ０１のみを伝搬させる場合と比較してもいたずらにビーム品質を低下させることがない。したがって、ＭＭＦ１１は、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めることができる。すなわち、出射光のビーム品質と増幅効率とを両立できる。また、ＬＰ０２の曲げ損失（請求の範囲に記載の損失）が０．１ｄＢ／ｍ以下であることによって、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１の曲げ損失も０．１ｄＢ／ｍ以下となる（詳しくは図６を参照して後述する）。したがって、ＭＭＦ１１は、フィルタ部１１１を設けたことにより生じ得る曲げ損失の増大を防止することができる。
【００８０】
なお、フィルタ部１１１の形状が円形である場合と、弧である場合とを比較した場合、円形である場合のほうが、所定のスペース内にフィルタ部１１１を配置した場合に、フィルタ部１１１の長さを稼ぐことができる。そのため、フィルタ部１１１の最小直径を必要以上に小さくしなくて済む。結果として、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の曲げ損失を弧である場合より低減することができる。また、同様の理由から、形状が円形であるフィルタ部１１１において、コイル状のフィルタ部１１１の巻き数が少ない場合と多い場合とを比較した場合、巻き数が多い場合の方がフィルタ部１１１の長さを稼ぐことができる。したがって、巻き数が多い場合の方が曲げ損失をより低減することができ、且つ、ビーム品質をより向上させることができる。
【００８１】
また、上述したように、直径Ｒ１は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている。この条件を満たす範囲内で直径Ｒ１が大きい場合と小さい場合とを比較した場合、小さくすればするほど、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のなかでＬＰ０１が占める割合が高くなる。その結果、出射光のビーム品質を更に高めることができる反面、増幅効率が低下する。したがって、直径Ｒ１は、上記の条件を満たす範囲内において、ビーム品質及び増幅効率の何れを重視するのかに応じて、適宜定めることができる。
【００８２】
なお、ＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１の曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下と小さいことは、コアからクラッドに漏れ出すＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１が少ないことを意味する。したがって、この構成によれば、出射光の損失を抑制することができる、すなわち、出射光の高出力化を図ることができる。
【００８３】
また、コアからクラッドに漏れ出した各モードは、クラッド内を伝搬し、接続点Ｐ１１などの融着点において反射され、戻り光としてＬＤ１２１〜１２６に入射することがある。ＬＤ１２１〜１２６に入射する戻り光の光量が多くなりすぎた場合、ＬＤ１２１〜１２６の動作を不安定にする、あるいは、ＬＤ１２１〜１２６の信頼性を低下させるなどの好ましくない影響をＬＤ１２１〜１２６に与えることがある。ＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１の曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下と小さいことによって、コアからクラッドに漏れ出すＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１を抑制し、結果として、ＬＤ１２１〜１２６が上述した好ましくない影響を受けることを避けることができる。
【００８４】
ＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１の曲げ損失が大きいということは、出射光を構成するＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１の各モードがコアからクラッドへ漏洩することを意味し、出射光の損失が増大することを意味する。また、コアからクラッドへ漏洩したＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１の各モードは、クラッドを伝搬し、やがてＬＤ１２１〜１２６に達し、ＬＤ１２１〜１２６に好ましくない影響を与え得る。ＬＰ０２、ＬＰ０１、ＬＰ１１、及びＬＰ２１の曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下であることにより、出射光の損失を抑制し、且つ、ＬＤ１２１〜１２６に与え得る好ましくない影響を軽減できる。
【００８５】
出射光のビーム品質を高めるために、増幅用のファイバとしてコア径が小さい光ファイバ（例えばシングルモードファイバ（ＳＭＦ））を採用することも考えられる。しかし、このような構成を採用した場合、ビーム品質を高めることはできるものの、増幅効率を高めることが難しい。これは、ＳＭＦのコアを伝搬する基本モードがコアの中心近傍に強く分布していることに起因する。基本モードがコアの中心近傍に強く分布していることによって、ＳＭＦに入射した励起光のパワーうち、励起用光ファイバのコアの外周部近傍に位置する希土類イオンを励起した励起光のパワーは、信号光の増幅に寄与することができず、無駄に散逸する。
【００８６】
ここで、ＭＭＦ１１は、規格化周波数Ｖが３．８３以上となるように構成されたＭＭＦであるため、ＳＭＦと比較した場合、大きなコア径を有する。ＭＭＦ１１がＳＭＦと比較して大きなコア径を有することによって、ＭＭＦ１１は、基本モードであるＬＰ０１に加えて所定の高次モード（ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２）を導波することができる。そのため、当該高次モードが励振されやすくなり、コアの中心部近傍に位置するＹｂ３＋イオンのみならず外周部近傍に位置するＹｂ３＋イオンも出射光の増幅に寄与しやすくなる。したがって、ＭＭＦ１１に入射された励起光のパワーのうちコアの外縁近傍に分布するＹｂ３＋イオンを励起するために使われた励起光のパワーが無駄に散逸することを抑制できる。したがって、ＭＭＦ１１は、出射光のビーム品質と増幅効率とを両立できる。
【００８７】
また、ＭＭＦ１１の一部区間をコイル状に巻くことによりフィルタ部１１１を構成することによって、フィルタ部１１１の大きさを変えることなく、フィルタ部１１１を構成する区間の長さを任意に設定することができる。また、この構成によれば、光増幅器１０が長さの長いＭＭＦ１１を採用している場合であっても、ＭＭＦ１１をコンパクトに収納することができる。したがって、コンパクトな光増幅器１０及びコンパクトなファイバレーザ１を実現することができる。
【００８８】
また、図１に示すように、フィルタ部１１１は、余剰部１１２の前段に配置されていることが好ましい。すなわち、ＭＭＦ１１の両端部のうち種光が入射される側の端部（接続点Ｐ１１側の端部）を入射端部として、フィルタ部１１１は、入射端部の近傍を含む一部区間をコイル状に巻くことにより構成されている、ことが好ましい。
【００８９】
この構成によれば、ＭＭＦ１１に供給された種光が含む高次モードのうちＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２以外の高次モードを、ＭＭＦ１１のうち接続点Ｐ１１に比較的近い区間において除去することができる。したがって、余剰部１１２において、励起された状態の希土類イオンは、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２の４つのモードのみを増幅する。したがって、ＬＰ３１やＬＰ１２などの高次モードを増幅することを防止できるので、増幅効率を更に高めることができる。
【００９０】
〔ＭＭＦ１１の変形例〕
本実施形態では、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように直径Ｒ１を定めている。しかし、ビーム品質と増幅効率とを両立させつつも、ビーム品質を増幅効率よりも重視したい場合には、ＬＰ０１及びＬＰ１１のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ１１の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように直径Ｒ１を定めてもよい。なお、この場合には、ＭＭＦ１１は、規格化周波数Ｖが２．４０以上となるように構成されていればよい。
【００９１】
なお、本変形例は、本実施形態に係るＭＭＦ１１のみならず、第２の実施形態に係るＭＭＦ２１及び第３の実施形態に係るＭＭＦ５１の何れにも適用可能である。
【００９２】
（後方励起型が自然放出増幅光を抑制できる理由）
なお、光増幅器１０を採用する後方励起型の構成は、前方励起型の構成と比較して、自然放出増幅光の発生を抑制することができることを記載した。その理由は、以下の通りである。
【００９３】
後方励起型の構成を採用した場合、図１に示すように、信号光は、ＭＭＦ１１に対して接続点Ｐ１１から入射され、励起光は、ＭＭＦ１１に対して接続点Ｐ１２から入射される。ＭＭＦ１１が延伸されている方向に沿ってみた場合、すなわち、接続点Ｐ１１から接続点Ｐ１２に向かう方向、あるいは、接続点Ｐ１２から接続点Ｐ１１に向かう方向に沿ってみた場合、励起光のパワーは、接続点Ｐ１２において最も高く、接続点Ｐ１２から遠ざかるにしたがって減衰し、接続点Ｐ１１において最も低くなるように分布する。これは、接続点Ｐ１２から接続点Ｐ１１に向かってＭＭＦ１１内を伝搬するためである。ここで、励起光のエネルギーは、Ｙｂ３＋イオンに吸収される。その結果、Ｙｂ３＋イオンに蓄積させるエネルギーは、接続点Ｐ１２において最も高く、接続点Ｐ１２から遠ざかるにしたがって減衰し、接続点Ｐ１１において最も低くなるように分布する。
【００９４】
一方、ＭＭＦ１１が延伸されている方向に沿ってみた場合、信号光のパワーは、接続点Ｐ１１において最も低く、接続点Ｐ１１から遠ざかるにしたがって増幅され、接続点Ｐ１２において最も高くなるように分布する。接続点Ｐ１１から接続点Ｐ１２に向かってＭＭＦ１１内を伝搬するにしたがって、信号光のパワーは、Ｙｂ３＋イオンに蓄積されたエネルギーによって増幅されるためである。
【００９５】
以上のように、ＭＭＦ１１が延伸されている方向に沿ってみた場合、Ｙｂ３＋イオンに蓄積させるエネルギーの分布と、信号光のパワーの分布とは、同じ傾向を有する。したがって、後方励起型の構成において、Ｙｂ３＋イオンに残存するエネルギーは、ＭＭＦ１１が延伸されている方向に沿ってみた場合、均一になる傾向がある。すなわち、Ｙｂ３＋イオンに残存するエネルギーが局所的に高くなることを抑制することができるため、自然放出増幅光の発生を抑制することができる。
【００９６】
一方、前方励起型の構成を採用した場合、信号光及び励起光は、ＭＭＦ１１に対して、何れも同じ接続点から入射される。図１に示した光増幅器１０が前方励起型の構成を採用していたと仮定した場合、信号光及び励起光の大部分は、接続点Ｐ１１からＭＭＦ１１に入射される。したがって、励起光のパワーは、接続点Ｐ１１において最も高く、接続点Ｐ１１から遠ざかるにしたがって減衰し、接続点Ｐ１２において最も低くなるように分布する。その結果、Ｙｂ３＋イオンに蓄積させるエネルギーは、接続点Ｐ１１において最も高く、接続点Ｐ１１から遠ざかるにしたがって減衰し、接続点Ｐ１２において最も低くなるように分布する。
【００９７】
一方、信号光のパワーは、接続点Ｐ１１において最も低く、接続点Ｐ１１から遠ざかるにしたがって増幅され、接続点Ｐ１２において最も高くなるように分布する。
【００９８】
以上のように、ＭＭＦ１１が延伸されている方向に沿ってみた場合、Ｙｂ３＋イオンに蓄積させるエネルギーの分布と、信号光のパワーの分布とは、逆の傾向を有する。したがって、前方励起型の構成において、Ｙｂ３＋イオンに残存するエネルギーは、接続点Ｐ１１において最も高く、接続点Ｐ１１から遠ざかるほど低くなる。その結果、接続点Ｐ１１の近傍において自然放出増幅光の発生が大きくなる。
【００９９】
〔第１の実施例〕
本発明の第１の実施例であるＭＭＦ１１について図６を参照して説明する。図６は、本実施例のＭＭＦ１１の曲げ直径を変化させることによって得られた、伝搬する各モードの曲げ損失を示すグラフである。
【０１００】
本実施例では、ＭＭＦ１１のコア半径ａとして１３．５μｍを採用し、コアの屈折率ｎｃｏとして１．４５１を採用し、クラッドの外径として２５０μｍを採用し、クラッドの屈折率ｎｃｌとして１．４４９を採用した。したがって、ＭＭＦ１１の規格化周波数Ｖは、５．９８である。
【０１０１】
また、ＭＭＦ１１の全長として１０ｍを採用し、フィルタ部１１１の長さとして１ｍを採用した。
【０１０２】
図６に示す曲げ損失は、このように構成されたＭＭＦ１１を用いて計算した。図６に基づけば、フィルタ部１１１の直径Ｒ１を１７４ｍｍ以上２６４ｍｍ未満に設定することによって、ＭＭＦ１１の内部をＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるようにＭＭＦ１１を構成することができる。
【０１０３】
また、図６に基づけば、フィルタ部１１１の直径Ｒ１を７９ｍｍ以上１０２ｍｍ未満に設定することによって、ＭＭＦ１１の内部をＬＰ０１及びＬＰ１１のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ１１の曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるようにＭＭＦ１１を構成することができる。
【０１０４】
なお、本実施形態ではＭＯＰＡ（Master Oscillator - Power Amplifier）型のファイバレーザ１を用いてＭＭＦ１１について説明した。しかし、ＭＭＦ１１を適用するファイバレーザは、ＭＯＰＡ型に限定されるものではなく、共振器型のファイバレーザであってもよい。
【０１０５】
〔第２の実施例〕
本発明の第２の実施例であるＭＭＦ１１について図７を参照して説明する。図７は、本実施例のＭＭＦ１１の曲げ直径を変化させることによって得られた、伝搬する各モードの曲げ損失を示すグラフである。
【０１０６】
本実施例では、ＭＭＦ１１のコア半径ａとして１２．５μｍを採用し、コアの屈折率ｎｃｏとして１．４５１を採用し、クラッドの外径として２５０μｍを採用し、クラッドの屈折率ｎｃｌとして１．４４９を採用した。したがって、ＭＭＦ１１の規格化周波数Ｖは、５．１２である。
【０１０７】
また、ＭＭＦ１１の全長として１０ｍを採用し、フィルタ部１１１の長さとして１ｍを採用した。
【０１０８】
図７に示す曲げ損失は、このように構成されたＭＭＦ１１を用いて計算した。図７に基づけば、フィルタ部１１１の直径Ｒ１を１１１ｍｍ以上１９２ｍｍ未満に設定することによって、ＭＭＦ１１の内部をＬＰ０１及びＬＰ１１のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ１１の曲げ損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるようにＭＭＦ１１を構成することができる。
【０１０９】
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係るマルチモードファイバ（Multi-Mode Fiber：ＭＭＦ）について、図８を参照して説明する。図８は、本実施形態に係るＭＭＦ２１を備えた種光光源２０の構成を示すブロック図である。
【０１１０】
種光光源２０は、第１の実施形態において説明したファイバレーザ１の一部を構成し、光増幅器１０に対して種光を供給する。なお、種光光源２０は、請求の範囲に記載の光増幅器の一態様である。
【０１１１】
図８に示すように、種光光源２０は、ＭＭＦ２１と、励起光源群２２と、光ファイバ群２３と、コンバイナ２４と、ファイバグレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）２５，２６と、光ファイバ２７とを備えている。励起光源群２２は、複数の励起光源であるＬＤ（レーザダイオード）２２１〜２２７からなる。光ファイバ群２３は、複数の光ファイバ２３１〜２３７からなる。
【０１１２】
ＭＭＦ２１は、ＭＭＦ１１と同様に、コアとクラッドとを備えたステップインデックス型の光ファイバであって、そのコアに励起物質として働く希土類イオン（本実施形態では、ＹＢ３＋イオン）が添加された光ファイバである。ＭＭＦ２１は、基本モードであるＬＰ０１に加えて少なくとも１つの高次モードを伝搬することができるマルチモードファイバである。ＭＭＦ２１の一方の端部は、接続点Ｐ２２においてコンバイナ２４の他方の端部に融着されている。ＭＭＦ２１の一方の端部のことを入射端部と称し、ＭＭＦ２１の他方の端部のことを出射端部と称する。
【０１１３】
ＭＭＦ２１の出射端部は、接続点Ｐ２３において、光ファイバ２７の一方の端部に融着されている。光ファイバの２７の他方の端部は、図１に示すように、接続点Ｐ１１において光増幅器１０に融着されている。
【０１１４】
光ファイバ２３１の一方の端部は、ＬＤ２２１と光学的に結合されており、光ファイバ２３１の他方の端部は、接続点Ｐ２１においてコンバイナ２４の一方の端部に融着されている。同様に、光ファイバ２３２〜２３７の各々の一方の端部は、それぞれ、ＬＤ２２２〜２２７の各々と光学的に結合されている。また、光ファイバ２３２〜２３７の各々の他方の端部は、何れも、接続点Ｐ２１においてコンバイナ２４の一方の端部に融着されている。このように、種光光源２０は、前方励起型の配置を採用している。ただし、本発明の一態様に係る種光光源は、前方励起型の配置に限定されるものではなく、後方励起型であってもよいし、双方向励起型であってもよい。
【０１１５】
このように構成された種光光源２０において、ＬＤ２２１〜２２７が出射する励起光は、光ファイバ２３１〜２３７及びコンバイナ２４を介してＭＭＦ２１の入射端部に供給される。ＭＭＦ２１に供給された励起光は、ＭＭＦ１１の場合と同様にコアに添加された多数の希土類イオンを励起する。
【０１１６】
励起状態に遷移した希土類イオンの電子は、やがて発光再結合する。いずれかの希土類イオンの発光再結合をトリガーとして、ＭＭＦ２１の内部では誘導放出が発生する。
【０１１７】
ＭＭＦ２１の接続点Ｐ２２とフィルタ部２１１との間には、ＦＢＧ２５が設けられている。同様に、ＭＭＦ２１の接続点Ｐ２３とフィルタ部２１１との間には、ＦＢＧ２６が設けられている。そのため、ＦＢＧ２５とＦＢＧ２６とにより挟まれたＭＭＦ２１は、共振器として働く。その結果、ＭＭＦ２１は、その出射端部からレーザ光である種光を出射する。
【０１１８】
本実施形態において、ＭＭＦ２１は、ＭＭＦ１１の場合と同様に規格化周波数Ｖが３．８３以上となるように定められている。ＭＭＦ２１は、ＭＭＦ２１の一部区間を屈曲することにより構成されたフィルタ部２１１を備えている点においてＭＭＦ１１と同じである。ただし、ＭＭＦ２１のフィルタ部２１１は、ＭＭＦ２１の入射端部の近傍からＭＭＦ２１の出射端部の近傍までの区間である中央区間をコイル状に巻くことにより構成されている点が、ＭＭＦ１１のフィルタ部１１１と異なる（図８参照）。なお、ＭＭＦ２１においてフィルタ部２１１が設けられている中央区間は、図８に示すように、ＭＭＦ２１の一方の端部である入射端部の近傍から、ＭＭＦ２１の他方の端部である出射端部の近傍までの区間である。中央区間は、（１）ＭＭＦ２１のうち入射端部及び出射端部を含まない区間とも表現できるし、（２）図８に示すように、ＭＭＦ２１のうち、ＦＢＧ２５のＦＢＧ２６側の端部からＦＢＧ２６のＦＢＧ２５側の端部までの区間とも表現できる。この中央区間は、ＭＭＦ２１の一部を構成する一部区間を入射端部及び出射端部に向かって拡張し、入射端部の近傍及び出射端部の近傍を含むように構成することによって得られる。したがって、ＭＭＦ２１における中央区間の長さは、ＭＭＦにおける一部区間の長さと比較して長い。すなわち、空間的には、中央区間は、一部区間を包含する。一方、概念的には、中央区間は、一部区間に包含される。中央区間と一部区間とにおける空間的な包含関係及び概念的な包含関係は、図１に記載のＭＭＦ１１及び図９に記載のＭＭＦ５１においても同様である。
【０１１９】
フィルタ部２１１において、その直径Ｒ２１１は、一定に構成されている。したがって、フィルタ部２１１の最小直径及び最大直径は、何れも直径Ｒ２１１である。この直径Ｒ２１１は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている。
【０１２０】
本実施形態のＭＭＦ２１は、図１に示したＭＭＦ１１と同様に、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めることができる。また、中間区間を全てコイル状に巻くことにより、余剰部１１２を備えていたＭＭＦ１１と比較して、更にコンパクト化することができる。
【０１２１】
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態に係るマルチモードファイバ（Multi-Mode Fiber：ＭＭＦ）について、図９を参照して説明する。図９は、本実施形態に係るＭＭＦ５１を備えた光増幅器５０の構成を示すブロック図である。
【０１２２】
光増幅器５０は、図１に示した光増幅器１０が備えているＭＭＦ１１をＭＭＦ５１に置換することにより得られる。すなわち、ＭＭＦ５１を除いて光増幅器５０は、光増幅器１０と同様に構成されている。
【０１２３】
具体的には、図９に示すように、光増幅器５０は、ＭＭＦ５１と、励起光源群５２と、光ファイバ群５３と、コンバイナ５４と、デリバリファイバ５５とを備えている。励起光源群５２は、複数の励起光源であるＬＤ（レーザダイオード）５２１〜５２６からなる。光ファイバ群５３は、複数の光ファイバ５３１〜５３６からなる。
【０１２４】
光増幅器５０が備えている励起光源群５２、光ファイバ群５３、コンバイナ５４、及びデリバリファイバ５５の各々は、光増幅器１０が備えている励起光源群１２、光ファイバ群１３、コンバイナ１４、及びデリバリファイバ１５の各々に対応する。よって、本実施形態では、ＭＭＦ５１についてのみ説明する。
【０１２５】
ＭＭＦ５１は、図８に示したＭＭＦ２１からＦＢＧ２５，２６を省略することによって得られる。すなわち、ＭＭＦ５１は、コアとクラッドとを備えたステップインデックス型の光ファイバであって、そのコアに励起物質として働く希土類イオン（本実施形態では、ＹＢ３＋イオン）が添加された光ファイバである。
【０１２６】
ＭＭＦ５１は、ＭＭＦ１１，２１の場合と同様に規格化周波数Ｖが３．８３以上となるように定められている。ＭＭＦ５１は、その一方の端部である入射端部（接続点Ｐ５２側の端部）の近傍から他方の端部である出射端部（接続点Ｐ５３側の端部）の近傍までの区間である中央区間を屈曲することにより構成されたフィルタ部５１１を備えている。フィルタ部５１１において、その直径Ｒ５１１は、一定に構成されている。したがって、フィルタ部５１１の最小直径及び最大直径は、何れも直径Ｒ５１１である。この直径Ｒ５１１は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている。
【０１２７】
本実施形態のＭＭＦ５１は、図１に示したＭＭＦ１１と同様に、出射光のビーム品質を維持しつつ希土類イオンによる増幅効率を高めることができる。また、中間区間を全てコイル状に巻くことにより、余剰部１１２を備えていたＭＭＦ１１と比較して、更にコンパクト化することができる。
【０１２８】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２９】
１  ファイバレーザ
１０，５０  光増幅器
２０  種光光源
１１，２１，５１  マルチモードファイバ（ＭＭＦ）
１１１，２１１，５１１  フィルタ部
１１２  余剰部
１２，２２，５２  励起光源群
１２１〜１２６，２２１〜２２７，５２１〜５２６  ＬＤ（励起光源）
１３，２３，５３  光ファイバ群
１３１〜１３６，２３１〜２３７，５３１〜５３６  光ファイバ
１４，５４  コンバイナ
１５，５５  デリバリファイバ
２５，２６  ファイバグレーティング（ＦＢＧ，Fiber Bragg Grating）
２７  光ファイバ
３０  ヘッド
【図１】
2018190834.tif 000005
【図２】
2018190834.tif 000006
【図３】
2018190834.tif 000007
【図４】
2018190834.tif 000008
【図５】
2018190834.tif 000009
【図６】
2018190834.tif 000010
【図７】
2018190834.tif 000011
【図８】
2018190834.tif 000012
【図９】
2018190834.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月10日(2018.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアに希土類イオンが添加され且つ規格化周波数が５．１３以上であるマルチモードファイバであって、
当該マルチモードファイバは、その一部区間又は全区間を屈曲することにより構成されたフィルタ部を備え、
当該フィルタ部の最小直径は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１、及びＬＰ０２のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ０２の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている、
ことを特徴とするマルチモードファイバ。
【請求項２】
コアに希土類イオンが添加され且つ規格化周波数が３．８３以上であるマルチモードファイバであって、
当該マルチモードファイバは、その一部区間又は全区間を屈曲することにより構成されたフィルタ部を備え、
前記フィルタ部の最小直径は、ＬＰ０１及びＬＰ１１のみが伝搬するように、且つ、ＬＰ１１の損失が０．１ｄＢ／ｍ以下となるように定められている、
ことを特徴とするマルチモードファイバ。
【請求項３】
前記フィルタ部は、前記マルチモードファイバの少なくとも一部区間をループ状又はコイル状に巻くことにより構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチモードファイバ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のマルチモードファイバと、
当該マルチモードファイバに励起光を供給する１又は複数の励起光源と、を備えている、
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項５】
前記マルチモードファイバの両端部のうち種光が入射される側の端部を入射端部として、
前記フィルタ部は、前記入射端部の近傍を含む一部区間をループ状又はコイル状に巻くことにより構成されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記マルチモードファイバの両端部のうち前記入射端部と逆側の端部を出射端部として、
前記フィルタ部は、前記マルチモードファイバの前記入射端部の近傍から前記出射端部の近傍までの区間である中央区間をコイル状に巻くことにより構成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の光増幅器。
【請求項７】
請求項４〜６の何れか１項に記載の光増幅器と、
前記マルチモードファイバに種光を供給する種光光源と、を備えている、
ことを特徴とするファイバレーザ。
【請求項８】
前記マルチモードファイバの両端部のうち種光が入射される側の端部と逆側の端部を出射端部として、
前記１又は複数の励起光源は、前記出射端部に結合されている、
ことを特徴とする請求項７に記載のファイバレーザ。