(57)【要約】【課題】フォトダークニングが抑制された希土類元素添加光ファイバおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】石英管１の内面にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子層３を形成し、該ガラス微粒子層を加熱してガラス層６とし、コラプスしてコア母材とする。このとき、〔コラプス後のコア母材におけるコア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９５％であること〕を満たすように、ガラス微粒子層３中への希土類元素の添加を行うか、または、ガラス微粒子層を形成した後に、塩素ガスを反応管内に導入して希土類元素の削減を行うか、または、これらの両方の処理を行う。【選択図】図１
2011238882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素添加光ファイバの製造方法であって、
石英管の内面に、希土類元素を添加しながらガラス微粒子を堆積させて、または、ガラス微粒子を堆積させた後で希土類元素を添加して、希土類元素が添加されたガラス微粒子層を形成するガラス微粒子層形成工程と、
該ガラス微粒子層を加熱してガラス層とするガラス化工程と、
前記工程によってガラス層が内面に形成された石英管を、コラプスしてコア母材とするコラプス工程とを少なくとも有し、
コラプス工程後のコア母材におけるコア中の希土類元素の濃度が下記（Ａ）の濃度の変化を満たすように、下記（Ｂ）および（Ｃ）のいずれか一方または両方の加工を行うことを特徴とする、
前記希土類元素添加光ファイバの製造方法。
（Ａ）コア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９５％であること。
（Ｂ）ガラス微粒子層形成工程において希土類元素の添加量を制御すること。
（Ｃ）ガラス微粒子層形成工程の後に石英管内にＣｌ2ガスを導入し、該Ｃｌ2ガスを、該管の内面に接触させることによって、希土類元素の添加量を減少させること。
【請求項２】
ガラス微粒子層形成工程においてガラス微粒子層を形成する方法が、焼結ＭＣＶＤ法であって、
ガラス微粒子層形成工程において、石英管の内面にガラス微粒子層を複数回堆積させた後、少なくとも希土類元素を含んだ溶液を、前記ガラス微粒子層の内面に接触させて該層内に溶液を浸透させることによって、該層中に希土類元素を添加し、加熱乾燥し、
コラプス工程において、石英管内にＣｌ2ガスを導入することによって、上記（Ａ）の濃度の変化を満たす、請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
ガラス微粒子層を形成する方法が、気相ＭＣＶＤ法であり、
ガラス微粒子層形成工程、および、ガラス化工程において、石英管の内面に、ガラス微粒子と少なくとも希土類元素とを同時に堆積させ、層厚が増加するに従って、石英管内に送る希土類元素の量を変化させることによって、上記（Ａ）の濃度の変化を満たす、請求項１記載の製造方法。
【請求項４】
ガラス微粒子層形成工程の後で、かつ、最終コラプス工程の前に、石英管内にＣｌ2ガスを導入し、該Ｃｌ2ガスを、該管の内面に接触させることによって添加元素をエッチングし、コラプス工程後のコア母材におけるコアの中心の希土類元素の濃度をさらに低下させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項５】
ガラス微粒子層形成工程において、上記（Ａ）の濃度の変化を満たすようにガラス微粒子層中に希土類元素を添加しながら、同時に、下記（Ｄ）または（Ｅ）の濃度の変化を満たすように、ガラス微粒子層中にアルミニウムを共添加する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
（Ｄ）コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９０％であること。
（Ｅ）コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定であること。
【請求項６】
アルミニウムの濃度が、上記（Ｄ）の濃度の変化を満たすものであり、
ガラス微粒子層形成工程の後で、加熱乾燥を行ない、コラプス工程中において、石英管内にＣｌ2ガスを導入し、該Ｃｌ2ガスを、ガラス微粒子層の内面またはガラス層の内面に接触させることによって、コラプス後のコア母材におけるコアの中心のアルミニウムの濃度をさらに低下させる、請求項５記載の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法によって得られた希土類元素添加光ファイバであって、
少なくとも希土類元素が添加されたコアと、その周囲の石英クラッド層とを有し、
コア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９５％となっていることを特徴とする、希土類元素添加光ファイバ。
【請求項８】
コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されており、
コア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９０％となっている、請求項７記載の希土類元素添加光ファイバ。
【請求項９】
コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されており、
コア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定となっている、請求項７記載の希土類元素添加光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コア部分に希土類元素が添加（ドープ）された光ファイバである希土類元素添加光ファイバと、その製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム(Ｎｄ)などの希土類元素をコア部分に添加した光ファイバ、とりわけ、ファイバレーザおよび光ファイバ増幅器は、高い変換効率や優れたビーム品質が得られることから、レーザ加工技術分野で大きな関心を集めている。
希土類元素添加光ファイバによって高品質なファイバレーザを実現するためには、広い利得スペクトル、低い再吸収、レーザの安定性、高い光−光の変換効率、低いフォトダークニング、低損失などの物性が要求される。これらの物性のなかでも、特に、高い変換効率は、エネルギー利用効率や装置の軽量化の観点から、より必要とされている。フォトダークニングが抑制された光ファイバであれば、冷却装置を別途構成しなくても良いので、レーザ装置はより軽量化される。
【０００３】
希土類元素をコア部分に添加した光ファイバ母材を製造する方法としては、ＶＡＤ（Vapor phase Axial Deposition）法、ＯＶＤ（Outside Vapor Deposition）法、ＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法などが挙げられる。また、前記ＭＣＶＤ法には、焼結ＭＣＶＤ法や気相ＭＣＶＤ法が知られている。
【０００４】
希土類元素添加光ファイバは、高出力レーザや増幅器として用いられるので、光ファイバの温度変化に対しては高い信頼性が求められる。特に、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、励起反転分布または希土類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おり、光ファイバが劣化する主な原因となっている（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
フォトダークニングは、添加された希土類元素のイオンのクラスタ化が原因であることが一般に知られている。この希土類元素のイオンのクラスタ化は、ドープされた希土類元素のイオンが十分な拡散（分離）ができず、酸素欠陥になる現象である。
希土類元素のイオンが高濃度化すると、クラスタ化も顕著に現れるので、希土類元素の添加量が増加するにつれて、フォトダークニングも増大する傾向がある。
このフォトダークニングを抑制する技術として、コアに希土類元素とアルミニウム（Ａｌ）とを共添加する方法が提案されている（例えば、非特許文献２）。
また、クラスタ化を抑制するために、希土類元素を水やアルコールなどに溶かし、酸水素火炎中に溶液を直接的に霧化させてガラス微粒子層中に添加するＤＮＤ法（Direct Nano Particle Deposition Method）が提案されている（例えば、非特許文献３）。
更に、希土類元素が添加されたコアに、ホウ素（Ｂ）、フッ素（Ｆ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などを添加することで、希土類元素のクラスタ化を抑制する方法も提案されている（例えば、特許文献１）。いずれの製法も希土類のクラスタ化を低減させるためには十分な拡散が必要であり、よりガラスを柔らかくすることが有利である。
【０００６】
しかしながら、上記のような、希土類元素を添加したコアを有する光ファイバの製造方法について、本発明者等がより詳細に検討したところ、それぞれに問題が含まれていることがわかった。
先ず、コアにアルミニウムを高濃度添加することについては、コアの開口数（ＮＡ）の制御が困難になるという問題があり、屈折率を下げるためには、Ｂ、Ｆなどの元素を添加しなければならない。
また、ＤＮＤ法では、火炎中に液相の霧状の液滴をナノメートルオーダのサイズで噴霧するためには、高価な設備および高度な技術が必要であり、低コストや製造の安定性から好ましくない。
更に、コアに第３の添加物（ドーパント）を添加する方法でも、屈折率プロファイルの制御が困難であるために、安定的なコア作製は簡単ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７００６７５２号公報（US 7006752 B2)
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】SPIE Photonics West 2007、Vol. 6453-50
【非特許文献２】OFC2006、OThC5、2006
【非特許文献３】SPIE Photonics West 2006、Vol. 6116-16 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、上記した問題点を解決し、フォトダークニングが抑制された希土類元素添加ファイバおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意研究を行った結果、コアの中心部分から外側部分にいたるまでの希土類元素の濃度を光強度分布に応じて変化させれば、フォトダークニングを抑制し得ることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、次の特徴を有するものである。
【００１１】
（１）希土類元素添加光ファイバの製造方法であって、
石英管の内面に、希土類元素を添加しながらガラス微粒子を堆積させて、または、ガラス微粒子を堆積させた後で希土類元素を添加して、希土類元素が添加されたガラス微粒子層を形成するガラス微粒子層形成工程と、
該ガラス微粒子層を加熱してガラス層とするガラス化工程と、
前記工程によってガラス層が内面に形成された石英管を、コラプスしてコア母材とするコラプス工程とを少なくとも有し、
コラプス工程後のコア母材におけるコア中の希土類元素の濃度が下記（Ａ）の濃度の変化を満たすように、下記（Ｂ）および（Ｃ）のいずれか一方または両方の加工を行うことを特徴とする、
前記希土類元素添加光ファイバの製造方法。
（Ａ）コア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９５％であること。
（Ｂ）ガラス微粒子層形成工程において希土類元素の添加量を制御すること。
（Ｃ）ガラス微粒子層形成工程の後に石英管内にＣｌ2ガスを導入し、該Ｃｌ2ガスを、該管の内面に接触させることによって、希土類元素の添加量を減少させること。
（２）ガラス微粒子層形成工程においてガラス微粒子層を形成する方法が、焼結ＭＣＶＤ法であって、
ガラス微粒子層形成工程において、石英管の内面にガラス微粒子層を複数回堆積させた後、少なくとも希土類元素を含んだ溶液を、前記ガラス微粒子層の内面に接触させて該層内に溶液を浸透させることによって、該層中に希土類元素を添加し、加熱乾燥し、
コラプス工程において、石英管内にＣｌ2ガスを導入することによって、上記（Ａ）の濃度の変化を満たす、上記（１）記載の製造方法。
（３）ガラス微粒子層を形成する方法が、気相ＭＣＶＤ法であり、
ガラス微粒子層形成工程、および、ガラス化工程において、石英管の内面に、ガラス微粒子と少なくとも希土類元素とを同時に堆積させ、層厚が増加するに従って、石英管内に送る希土類元素の量を変化させることによって、上記（Ａ）の濃度の変化を満たす、上記（１）記載の製造方法。
（４）ガラス微粒子層形成工程の後で、かつ、最終コラプス工程の前に、石英管内にＣｌ2ガスを導入し、該Ｃｌ2ガスを、該管の内面に接触させることによって添加元素をエッチングし、コラプス工程後のコア母材におけるコアの中心の希土類元素の濃度をさらに低下させる、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の製造方法。
（５）ガラス微粒子層形成工程において、上記（Ａ）の濃度の変化を満たすようにガラス微粒子層中に希土類元素を添加しながら、同時に、下記（Ｄ）または（Ｅ）の濃度の変化を満たすように、ガラス微粒子層中にアルミニウムを共添加する、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の製造方法。
（Ｄ）コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９０％であること。
（Ｅ）コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定であること。
（６）アルミニウムの濃度が、上記（Ｄ）の濃度の変化を満たすものであり、
ガラス微粒子層形成工程の後で、加熱乾燥を行ない、コラプス工程中において、石英管内にＣｌ2ガスを導入し、該Ｃｌ2ガスを、ガラス微粒子層の内面またはガラス層の内面に接触させることによって、コラプス後のコア母材におけるコアの中心のアルミニウムの濃度をさらに低下させる、上記（５）記載の製造方法。
（７）上記（１）〜（６）のいずれかに記載の製造方法によって得られた希土類元素添加光ファイバであって、
少なくとも希土類元素が添加されたコアと、その周囲の石英クラッド層とを有し、
コア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９５％となっていることを特徴とする、希土類元素添加光ファイバ。
（８）コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されており、
コア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、５％〜９０％となっている、上記（７）記載の希土類元素添加光ファイバ。
（９）コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されており、
コア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定となっている、上記（７）記載の希土類元素添加光ファイバ。
【発明の効果】
【００１２】
希土類元素を添加した光ファイバに対して、本発明では、コアに添加される希土類元素の濃度を制御し、コア内の希土類元素濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が５％〜９５％となるように、該コアの中心の濃度を低下させている。
この構成によって、当該光ファイバを用いてファイバレーザを構成した場合、レーザ発振の基本モードの電界分布が、コアの中心において高くなっても、コア中心のＹｂ濃度が比較的低いので希土類イオンの励起濃度が低くなり、フォトダークニングが起こり難くなる。
【００１３】
また、本発明では、コアにアルミニウム（以下、Ａｌ）をさらに添加することで、より効果的にフォトダークニングを抑制している。
ここで、該コアの中心のＡｌ濃度を低下させる態様では、Ａｌと希土類元素とのモル比が３以上になるようにＡｌ濃度を減らすことにより希土類元素のクラスタの形成が抑制される他、コア中心の屈折率を減らすことによってコア中心の電界分布を低下し、希土類イオンの反転分布を低減させて、フォトダークニングを抑制する効果が得られる。
一方、該コアの中心のＡｌ濃度を低下させない態様では、Ａｌと希土類元素のモル比が３以上になるように希土類元素濃度を減らすことによって、コア中心の電界分布が高くても反転分布を低下させて、フォトダークニングを抑制する効果が得られると共に、高いビーム品質を維持できるという効果も得られる。また、マルチモードファイバレーザでは高次横モードの利得飽和が起こり難いために自己パルスが起こりやすく、ファイバ端面が破壊される問題を、希土類元素の中心濃度を低下させることにより低次モードの利得飽和を早く起こし、利得を安定化させることにより解消できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明による製造方法の一例を説明するために、各工程のようすを順に描いた模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１で作製したコア母材における、添加物の濃度と屈折率のプロファイルを模式的に示したグラフ図である。図２（ａ）は、Ｙｂの濃度のプロファイルを示し、図２（ｂ）は、Ａｌの濃度のプロファイルを示し、図２（ｃ）は、屈折率のプロファイルを示している。各グラフ図では、コア母材の胴体最外面から、コア中心を通過し、反対側の胴体最外面に至るまでの、該コア母材内の各位置を横軸にとり、各位置におけるＹｂの添加濃度、Ａｌの添加濃度、屈折率の値を縦軸にとっている。本発明でいうプロファイル（分布曲線）とは、濃度、屈折率、光の強度などの各種の物理量が、ファイバやコア母材中にどのように分布しているかを示すグラフの曲線である。
【図３】図３は、シングルモードファイバにおける、中心窪みの幅に対する反転分布の変化を示すグラフ図である。
【図４】図４は、マルチモードファイバにおける、中心窪みに対する反転分布の変化を示すグラフ図である。
【図５】図５は、コア外径１２．５μｍ、クラッド外径１２５μｍのシングルモードファイバに関する、屈折率プロファイルの中心窪みの深さと基本モード（ＬＰ０１）の電界強度の相関を示すグラフ図である。
【図６】図６は、コア外径４０μｍ、クラッド外径１２５μｍのマルチモードファイバに関する、屈折率プロファイルの中心窪みの深さと基本モード（ＬＰ０１）の電界強度の相関を示すグラフ図である。
【図７】図７は、コア径４０μｍに対し、屈折率中心窪みの深さが３８％になった場合の、屈折率プロファイル、電界分布、電界分布のＸ軸断面および電界分布のＹ軸断面を示したグラフ図である。
【図８】図８は、本発明の実施例において、フォトダークニングを評価するために用いた装置の構成を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施例１において、フォトダークニングの評価を行った結果を示すグラフ図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例１において、反転分布に対するフォトダークニングレートをログプロットしたグラフ図である。図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施例２で作製したコア母材における、添加物の濃度と屈折率のプロファイルを模式的に示したグラフ図である。図１１（ａ）は、Ｙｂの濃度のプロファイルを示し、図１１（ｂ）は、Ａｌの濃度のプロファイルを示し、図１１（ｃ）は、屈折率のプロファイル示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明では、希土類元素添加ファイバを製造するに際し、気相ＭＣＶＤ法、または、焼結ＭＣＶＤ法を用いて、石英管の内面にガラス微粒子層を形成する（ガラス微粒子層形成工程）。
気相ＭＣＶＤ法は、石英管の内面に、ガラス微粒子と添加物（希土類元素やＡｌなど）とを同時に堆積させることによって、添加物を含ませながらガラス微粒子層を成膜する方法である。この方法では、供給ガスの量や原料を制御することで、添加物の濃度に勾配を設けることが可能である。
また、ガラス微粒子を堆積させた後の工程で（例えば、コラプスを行ないながら）、Ｃｌ2ガス（塩素ガス）を反応管（石英管の内面にガラス微粒子層等を形成した、管状の中間体）内に送り、反応管内面に該塩素ガスを接触させることで、少なくとも反応管内面の表層の添加物を除去し、もって添加物濃度の勾配を設けることが可能である。以下、Ｃｌ2ガスを反応管内に導入して添加物濃度の勾配を設ける処理を、「塩素処理」とも呼ぶ。
焼結ＭＣＶＤ法は、ガラス微粒子層を先に堆積させ、添加物を含有する溶液を該層に接触させて層内に浸透させることによって、添加物を後から層内に添加する方法である。この方法では、ガラス微粒子層の堆積後、添加物の浸透および添加物を拡散させ、添加物の濃度に勾配を設ける。この方法においても、反応管の内面に対して塩素処理を行ってよい。
以下の説明では、焼結ＭＣＶＤ法の手順を主体として本発明を詳しく説明し、必要に応じて、気相ＭＣＶＤ法に言及する。
【００１６】
また、以下の説明で用いる流量の単位〔ＳＬＭ〕は、〔Standard Liter / Min ；標準リットル毎分〕の略であって、１気圧、０℃における１分間当たりの流量をリットルで表示した単位である。また、流量の単位〔ＳＣＣＭ〕は、〔standard cc / min；標準ｃｃ毎分〕の略であって、１気圧、０℃における１分間当たりの流量をｃｃで表示した単位である。
【００１７】
本発明の製造方法では、先ず、無水石英管の内面に対する好ましい下地処理として、図１（ａ）に示すように、無水石英管の内面に一端から他端に向けて、六フッ化硫黄（ＳＦ6）、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ2）を混合ガスとして供給し、加熱温度７００〜２０００℃のもとで、無水石英管の内壁面のエッチングを行う。
無水石英管は、石英製の中空管であって、その石英中に含まれるＯＨ基の量が、赤外線分光器による測定の限界である１ｐｐｍ以下であるものを意味する。
無水石英管の寸法は、特に限定はされないが、図１の例では、外径２８ｍｍ、肉厚１．５ｍｍ、長さ５００ｍｍである。
ＭＣＶＤ法では、原料中に含まれるＯＨ基や、コア母材の作製中に混入するＯＨ基によって伝送損失（吸収）が増大し、レーザ特性が悪化する。無水石英管の使用は、ＯＨ基の含有量をより減少させることを目的とする。
上記エッチングでは、ＳＦ6の流量は０．０１〜０．２〔ＳＬＭ〕、Ｈｅの流量は０．１〜０．５〔ＳＬＭ〕、Ｏ2の流量は０．５〜３．０〔ＳＬＭ〕が、それぞれに好ましい。
加熱は、図１（ａ）に例示するようなバーナー２による加熱や、電気炉による加熱などが挙げられる。好ましいバーナーとしては、酸水素バーナーが挙げられる。以下の加熱も同様である。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示すように、加熱温度１０００〜２０００℃のもとで、反応管内にＣｌ２ガスを供給し、無水石英管１の内壁面を脱水する工程を加えてもよい。
【００１９】
次に、焼結ＭＣＶＤ法では、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、加熱温度１２００〜１５００℃で反応管内にガラス微粒子層を堆積させ、少なくとも希土類元素を含有した溶液の浸透および添加物のイオン拡散を行うことで、添加物の濃度に勾配をつける。また、気相ＭＣＶＤ法では、少なくとも希土類元素の濃度に勾配がつくように反応管内に添加ガラス微粒子層を堆積させる（図示せず）。
焼結ＭＣＶＤ法、気相ＭＣＶＤ法のいずれであっても、ガラス微粒子層内の希土類元素の濃度が、図２（ａ）の濃度プロファイルに従った濃度の変化を満たすようにすることが重要である。濃度プロファイルとは、コアの胴体最外面から、コア中心を通過し、反対側の胴体最外面に至るまでの間の濃度の変化を表した曲線をいう。
図２（ａ）に示す濃度プロファイルのように、本発明では、コラプス後のコア母材におけるコア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置（中間位置と呼ぶ）で最大値となっており、該中間位置からコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっている。濃度プロファイルは、コアの中心軸に対して対称であるから、コア径全体にわたる濃度プロファイルは、図２（ａ）に示す濃度プロファイルのように、突き出た凸状の中央が窪んだ曲線を描く。
濃度の最大値は、図２（ａ）に示す例のように、中間位置でピークをもった増減パターンである必要はなく、コアの胴体外周面から中間位置までが最大値のまま一定であり、該中間位置からコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっていてもよい。「最大値のまま一定」とは、最大値を中心に最大値付近を細かく増減し、概して最大値のままとなっている状態をも含む。
濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合は、５％〜９５％である。濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合の好ましい範囲については、後述する。
【００２０】
焼結ＭＣＶＤ法では、無水石英管１を１２００〜１５００℃に加熱しつつ、その一端から、ガラス原料ガス、ガス、反応ガスなどの各種ガスを該管内に導入することにより、該管１の内面にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子層３を形成する。ガラス微粒子層は、スートとも呼ばれる。
この工程で管内に送られる各種ガスのうち、ガラス原料ガスは、必須であって、ＳｉＣｌ4 、ＳｉＦ4などが挙げられる。
ガスは、添加すべき元素を管内に搬送するための担体となるガスであって、Ｏ2、Ｈｅ、Ａｒなどが挙げられる。気相ＭＣＶＤ法の場合、この工程において、ガスによって運ばれる元素は、Ａｌ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｐなどである。
焼結ＭＣＶＤ法では、希土類元素とＡｌは、後の液浸工程において溶液中から添加される。リン（Ｐ）は、ガラス微粒子層を堆積させる際に添加される。
【００２１】
各ガスの流量は、焼結ＭＣＶＤ法、気相ＭＣＶＤ法の場合で多少異なり、また、使用する石英管や添加すべき希土類元素などによっても異なるが、総じて、ガラス原料ガス（ＳｉＣｌ4など）は０．１〜０．６〔ＳＬＭ〕、ガス（Ｈｅなど）は０．３〜０．６〔ＳＬＭ〕、反応ガス（Ｏ2など）は０．４〜３．０〔ＳＬＭ〕が、それぞれ好ましい流量である。
【００２２】
焼結ＭＣＶＤ法では、ガラス微粒子層を堆積する際には、比較的低温である１２００〜１５００℃で堆積を行う。焼結ＭＣＶＤ法において、ガラス微粒子層を１５００℃よりも高い高温で堆積させると、ガラス微粒子の大きさが過度に細かくなることや、直接的にガラス化されることが原因となって、後述する液浸工程において、ガラス微粒子層中に染み込む希土類元素の添加濃度や屈折率プロファイルが影響を受け、好ましくない。また、加熱温度が１２００℃未満では、ガラス微粒子と石英管の内面との密着性が弱く、液透や自然乾燥工程でガラス微粒子層が剥がれる場合がある。
【００２３】
焼結ＭＣＶＤ法、気相ＭＣＶＤ法のいずれの場合も、ガラス微粒子を堆積させる際には、石英管の内圧が、反応管内のガスやガラス微粒子の流れに影響するので、反応管の内圧を、反応管外の圧力（大気圧）よりも４〜１０Ｐａ程度低くなるように制御することが望ましい。
【００２４】
一方、気相ＭＣＶＤ法では、ガラス微粒子層形成工程において、希土類元素、Ａｌ、その他の全ての添加物が、ガスによって管内に送り込まれ、ガラス微粒子層内に上記濃度の勾配が形成されるように添加される。
気相ＭＣＶＤ法によってガラス微粒子層を堆積かつガラス化させる場合の温度は、１８００〜２０００℃が一般的である。気相ＭＣＶＤ法によってガラス微粒子層を形成する場合の詳細な技術それ自体は、従来技術を参照してもよい。
【００２５】
焼結ＭＣＶＤ法、気相ＭＣＶＤ法のいずれの場合も、ガラス微粒子を堆積させる工程では、ガス、反応ガスだけではなく、これらに加えてさらに、リン（Ｐ）、三フッ化ホウ素（ＢＦ3）などを供給してもよい。例えば、リンはガスにて供給し、ＢＦ3は、直接的に供給するなどである。
ＢＦ3を添加したガラスは、石英より屈折率が低いので、Ｙｂなどの希土類が添加されたコアの屈折率を低減することができる。ＢＦ3の代わりに、Ｂ、Ｆ、四ふっ化けい素（ＳｉＦ4）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ3）、三臭化ホウ素（ＢＢｒ3）などを代替することもできるが、堆積効率や扱い安さの観点からＢＦ３が望ましい。
【００２６】
ガラス微粒子層は、１回の堆積による単層や、複数回の堆積による積層構造であってよく、そのトータルの層厚は、使用する石英管の内径や、製造すべきファイバのコアの構造によっても異なるが、０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍが汎用的である。とりわけ、コアに希土類元素とＡｌとを添加した、シングルモード、エアホール型のダブルクラッド光ファイバを製造する場合には、ガラス微粒子層のトータルの層厚は、０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍが好ましい範囲である。
焼結ＭＣＶＤ法において、ガラス微粒子層を複数回堆積させて積層構造とする場合、連続的にスートを堆積させ、イオン拡散やコラプス段階で塩素処理することで添加物の濃度を勾配させる。
ガラス微粒子層を複数回堆積させて積層構造とする場合、例えば、１回の堆積の層厚を０．０１ｍｍ〜０．０２ｍｍとして、それを２回〜５回繰り返して、上記のトータル層厚とするのが好ましい態様である。これらの値は、コラプス後のコア母材のコア径に応じて、適宜決定すればよい。
例えば、コア母材のコア径が細い場合の例として、１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の場合、１回の堆積の層厚は、０．０１ｍｍ〜０．０３ｍｍ程度が好ましく、それを３回〜５回繰り返して、トータルの層厚を０．０３ｍｍ〜０．１５ｍｍとすることが好ましい。また、コア母材のコア径が太い場合の例として、２ｍｍ〜３ｍｍ程度の場合、１回の堆積の層厚は、０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度が好ましく、それを３回〜５回繰り返して、トータルの層厚を０．０６ｍｍ〜０．２５ｍｍとすることが好ましい。
一方、気相ＭＣＶＤ法では、供給ガス中の添加物の含有量を変化させることによって、ガラス微粒子層を堆積させながら添加物の濃度勾配を自在に形成することが可能であるから、単層、積層構造を区別する必要は特にない。
【００２７】
上記したように、焼結ＭＣＶＤ法では、液浸工程として、少なくとも希土類元素を含有する溶液をガラス微粒子層の内面に接触させ、該層中に溶液を浸透させて、希土類元素を層中に添加する。
希土類元素イオンのクラスタ化は、フォトダークニングを発生させて、ファイバレーザ特性に悪影響を及ぼすので、本発明の好ましい態様では、コアに希土類元素とＡｌとを共添加して、Ａｌによって希土類元素イオンを分離し、クラスタ化を抑制する。
よって、Ａｌの添加量は重要であり、Ａｌと希土類元素とのモル比も、希土類元素添加ファイバの特性に重要なパラメータになる。
例えば、Ｙｂのクラスタ化を抑制するためには、ＡｌとＹｂのモル比Ｒ（＝Ａｌ／Ｙｂ）を３以上にすることが望ましい。ＡｌとＹｂのモル比Ｒのより好ましい範囲は、３〜１０である。前記のモル比Ｒは、Ａｌと他の希土類元素とを組み合わせる場合も同様である。
【００２８】
ガラス微粒子層形成工程において、ガラス微粒子層中に希土類元素を添加しながら、同時に、Ａｌを添加するに際しては、焼結ＭＣＶＤ法、気相ＭＣＶＤ法のいずれであっても、ガラス微粒子層内のＡｌの濃度が、図２（ｂ）の濃度プロファイル、または、図１１（ｂ）の濃度プロファイルに従った濃度の変化を満たすようにすることが重要である。
図２（ｂ）に示す濃度プロファイルの変化パターンは、図２（ａ）に示す希土類元素の濃度プロファイルと同様であって、コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっている。よって、コア径全体にわたる濃度プロファイルは、図２（ｂ）に示す濃度プロファイルのように、突き出た凸状の中央が窪んだ曲線を描いている。
Ａｌの濃度プロファイルも、希土類元素の濃度プロファイルと同様に、濃度の最大値は、図２（ｂ）に示す例のように、中間位置でピークをもった増減パターンである必要はなく、コアの胴体外周面から中間位置までが最大値のまま一定であり、該中間位置からコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっていてもよい。
濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合については、後述する。
また、図１１（ｂ）に示す濃度プロファイルの変化パターンは、図２（ｂ）に示す濃度プロファイルの変化パターンと比べると、中央に濃度の窪みが無い。即ち、Ａｌ濃度は、コアの胴体外周面とコアの中心との間の中間位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定となっている。この変化パターンは、図１１（ｂ）に示すような、コアの中心部がピークとなるようなパターンだけでなく、コアの胴体外周面からコアの中心まで濃度が一定となっている矩形波状のパターンであってもよい。
【００２９】
溶液をガラス微粒子層の内面に接触させるには、例えば、図１（ｄ）に示すように、該溶液を反応管内に注入してガラス微粒子層の内面に接触させる方法が効率のよい方法として挙げられる。このとき、溶液４をガラス微粒子層の内面に均等に接触させて、該層の内面全体から均一に浸透させるために、該反応管１の中心軸を水平に保った状態で、該反応管を中心軸の周りに速度２〜２０回転／分程度で回転させることが望ましい。
該反応管を回転させる方法は、特に限定はされないが、例えば、旋盤チャックによって該反応管を保持し、該旋盤を回転させる方法などが挙げられる。
【００３０】
希土類元素やＡｌなどの共添加物は、塩化物や酸化物などの化合物またはその水和物として上記溶媒に溶かすのが好ましい。
希土類元素の化合物またはその水和物としては、塩化エルビウム（ＥｒＣｌ3、ＥｒＣｌ3・６Ｈ2Ｏ）、塩化ネオジム（ＮｄＣｌ3）、塩化イッテルビウム（ＹｂＣｌ3、ＹｂＣｌ3・６Ｈ2Ｏ）、塩化ツリウム（ＴｍＣｌ3）、塩化ランタン（ＬａＣｌ3）などが挙げられる。これらの添加物は、単一であっても複数組み合わせたものでもよい。扱い易さの観点からは、ＹｂＣｌ3・６Ｈ2Ｏなどの水和物が好ましい材料として挙げられる。
また、共添加物であるＡｌやその他の元素の化合物またはその水和物としては、ＡｌＣｌ3、ＡｌＣｌ3・６Ｈ2Ｏ、Ａｌ(ＮＯ3)3 、Ｐ2Ｏ5、Ｈ3ＰＯ4などが挙げられる。これらの添加物は、単一であっても複数組み合わせたものでもよい。Ａｌについては、扱い易さの観点からは、ＡｌＣｌ3・６Ｈ2Ｏが好ましい材料として挙げられる。
【００３１】
添加物を溶かすための溶媒としては、例えば、水やエタノール、メタノールなどのアルコール類が好ましいものとして挙げられる。これらの溶媒は、塩化物、塩などの化合物を十分に溶解でき、しかも自然乾燥により殆ど揮散するのに加え、Ｃｌ2などの反応性ガスによって、容易かつ十分に除去できるので簡便である。これらの点から、特に好ましい溶媒は、高純度エタノールである。
【００３２】
希土類元素が添加された光ファイバの光-光の変換効率は、上記溶液に含まれる添加物の濃度によって大きく影響される。
例えば、ＹｂとＡｌとを共添加する場合、溶質のそれぞれの濃度〔ｗｔ％〕は、Ｙｂが０．０５〜１．５〔ｗｔ％〕、Ａｌが０．０５〜２〔ｗｔ％〕程度が望ましい。具体的な一例として、ＹｂとＡｌとをエタノールに溶かす場合、５０ｃｃのエタノールに対し、ＹｂＣｌ3・６Ｈ2Ｏが０．１〜０．１５ｇ、ＡｌＣｌ3・６Ｈ2Ｏが０．３３〜０．５ｇが好ましい量である。
【００３３】
液浸工程の最適条件は、ガラス微粒子層の厚さによっても異なるが、例えば、温度２０〜６０℃、液浸時間２０分〜２時間などの条件が挙げられる。
【００３４】
次に、ＨｅとＯ2を供給しながら反応管内の溶液を排出するために１〜３時間、自然乾燥を行い、その後、バーナーの温度を５０〜１８００℃に段階的に上げ、ガラス微粒子層を加熱乾燥し、イオン拡散させる。
ＹｂＣｌ3・６Ｈ2ＯとＡｌＣｌ3・６Ｈ2Ｏは、約９００℃以上になると、熱乾燥する際に、Ｙｂ(ＯＨ)3、Ａｌ(ＯＨ)3およびＨＣｌに分解される。また、ＹｂとＡｌが単体になってからは、温度と共に微粒子中を拡散していく。拡散状況は、パイプの温度や塩素流量によって大きく異なる。たとえば、イオンの拡散を促進させるためには塩素流量を増やした方が好ましい。しかし、添加イオンのエッチングも促進されるので注意が必要である。
【００３５】
１．３μｍ波長の損失と１．２４８μｍ波長の損失の差が２．２〜２０ｄＢ／ｋｍとなるように、かつ、１．３μｍ波長の損失と１．３８μｍ波長の損失の差が５８〜１１６０ｄＢ／ｋｍとなるように、残留水分（ＯＨ基）を除去する。
【００３６】
次に、図１（ｅ）に示すように、反応管の内圧を反応管外の圧力（大気圧）よりも１００Ｐａ〜２００Ｐａ程度低くし、残留する微量の水分や異物を除去すべく、Ｈｅ、Ｏ2およびＣｌ2のガスを供給し、無水石英管の温度を１５００〜１９００℃まで上げ、Ｙｂ、Ａｌを微粒子の内部まで拡散させる。
このときの各ガスの流量は、Ｈｅは０．１〜１．０〔ＳＬＭ〕、Ｏ2は０．１〜５．０〔ＳＬＭ〕、Ｃｌ2は０．０１〜０．５〔ＳＬＭ〕が望ましい。特に、Ｃｌ2の流量は、温度と共に塩化物の分解を促進させるために重要である。
【００３７】
ここで、Ｃｌ2は、ガラスの脱水効果を示す他に、ガラス層の内面に存在する余分な希土類元素とＡｌとを除去する効果および塩化物分解の促進効果を示すので、これを利用して、コア中心の屈折プロファイルの制御、コアの中心の希土類元素の濃度、および、アルミニウムの濃度をさらに低下させることができる。
よって、石英管内へのＣｌ2ガスの導入量やパイプ温度をコントロールすることで、コア母材の中心の希土類元素の濃度プロファイル、および、Ａｌの濃度プロファイルをコントロールすることができる。
例えば、Ｃｌ2ガスの流量を増やすほど、希土類元素の濃度プロファイルおよびＡｌの濃度プロファイルのそれぞれのコア中心の窪みは深くなる。また、Ｃｌ2ガスの流量および温度を増やすほど、塩化物の分解が促進され、屈折率プロファイルは、胴体最外面の付近には角などの異常な形状はなく、胴体最外面から急峻に立ち上がり、コア中心までは放物曲線を描くような丸やかな形状が得られる。
Ｃｌ2流量を上げすぎると屈折率プロファイルの中心が窪みすぎて、光−光の変換効率やビーム品質に悪影響を及ぼすので注意が必要である。
【００３８】
コア中の希土類元素の濃度の範囲については、中間位置における希土類元素の濃度の最大値に対する、コア中心における希土類元素の濃度の割合は、５〜９５％とすべきであり、変換効率の観点から５〜６０％がより好ましく、５〜２５％が特に好ましい範囲である。Ｙｂコアが利得媒体として働くために反転分布（励起イオンの濃度）に大きな変動を与えないための条件であることが重要である。
【００３９】
図３は、シングルモードファイバにおける、中心窪みの幅に対する反転分布の変化を示すグラフ図であり、図４は、マルチモードファイバにおける、中心窪みに対する反転分布の変化を示すグラフ図である。これらの図では、ａはコア外径、ｂはＹｂ濃度プロファイルの中心窪みの幅を示しており、屈折率プロファイルはステップ形状である。
図３、図４では、ステップインデッスプロファイルにおいて、中心窪みの持っていないＹｂ濃度を０％[（ｂ／ａ）×１００％]とし、Ｙｂ濃度の中心窪みの幅（即ち、濃度が最大となる中間位置からコア中心まで距離の２倍）と反転分布との相関を示している。
励起条件は、ファイバの長さ１５Ｍに対し、励起波長は９７６ｎｍ、入力パワーは５００Ｗである。
図３（ｂ）のグラフ図から明らかなとおり、コア外径１０μｍ、クラッド外径１２５μｍ、ＮＡ０．０８のシングルモードファイバでは、窪みの幅ｂが２μｍ（１７％）となるまで反転分布の変化は見られない。
また、図４（ｂ）のグラフ図から明らかなとおり、コア外径４０μｍ、クラッド外径１２５μｍ、ＮＡ０．０８のマルチモードファイバでは，中心窪みの幅ｂが９μｍ（２３％）となるまで反転分布の変化は見られない。
この結果からも、中心のＹｂ濃度を減らしても反転分布に影響がなく、有効的にフォトダークニングを抑制することが可能になることがわかる。
窪みの幅ｂは、シングルモードファイバとマルチモードファイバとによって多少異なるが、ＬＰ０１（基本モード）のＭＦＤ（モードフィルドダイヤメータ）の５〜５０％が好ましい範囲である。
また、コア中のＡｌの濃度の範囲については、中間位置におけるＡｌの濃度の最大値に対する、コア中心におけるＡｌの濃度の割合は、０％〜９０％が好ましく、ビーム品質や、変換効率の観点から０％〜６０％がより好ましい。
Ａｌの濃度プロファイルは、屈折率プロファイルとほぼ一致するが、リン（P）、希土類ドープ量によって多少影響される。ビーム品質やビームプロファイルに大きな変動を与えない条件が重要である。
シングルモードの場合の、中間位置におけるＡｌの濃度の最大値に対する、コア中心におけるＡｌの濃度の割合は、４０％が特に好ましい値である。マルチモードの場合の中間位置におけるＡｌの濃度の最大値に対する、コア中心におけるＡｌの濃度の割合は、２０％が特に好ましい値である。
【００４０】
図５は、コア外径１２．５μｍ、クラッド外径１２５μｍのシングルモードファイバに対し、図６は、コア外径４０μｍ、クラッド外径１２５μｍのマルチモードファイバに対し、屈折率プロファイルの中心窪みの深さと基本モード（ＬＰ０１）の電界強度の相関を示すグラフ図である。
図５（ａ）は、シングルモード光ファイバの屈折率プロファイルの中心窪みの深さによる電界強度の変化を示すグラフ図であり、図６（ａ）は、マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルの中心窪みの深さによる電界強度の変化を示すグラフ図である。屈折率プロファイルの中心窪みの深さの割合[（ｂ／ａ）×１００％]は、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すとおり、屈折率プロファイルの最大ピーク高さａと窪みの深さｂの割合として表している。
シングルモードの場合、全モードの電界分布の積、基本モードの電界分布、窪み中心の電界分布を分離し、窪みの深さと電界分布の変化の振る舞いを計算したところ、窪み深さの割合が６０％になるまで窪み中心の電界分布は基本モードと同様な振る舞いを示し、強度変化は僅か７％であった。
また、マルチモードの場合、窪み中心の電界分布は約２０％の窪み深さの割合まで基本モードと同様な振る舞いを示しており、その変化は２８％程度である。
この結果から、ビーム品質の変化を伴わない中心窪み深さの割合は、シングルモードは６０％まで、マルチモードは２０％までが最も好ましい範囲になる。
【００４１】
図７は、コア外径４０μｍに対し、屈折率中心窪みの深さが３８％になった場合の、屈折率プロファイル、電界分布、電界分布のＸ軸断面および電界分布のＹ軸断面を示したグラフ図である。
図７（ａ）は、コア外径４０μｍに対し、屈折率中心窪みの深さが３８％の屈折率プロファイルを示している。
図７（ｂ）は、全モード積の電界強度の積を３次元的に示すグラフ図である。
図７（ｃ）は、電界分布のＸ軸断面を示すグラフ図であり、図７（ｄ）は、電界分布のＹ軸断面を示すグラフ図である。尚、Ｘ軸断面とは、光ファイバの中心軸に直交する１つの軸をＸ軸として、中心軸とＸ軸とを含む平面で光ファイバを切断したときの断面である。また、Ｙ軸断面とは、光ファイバの中心軸とＸ軸に直交する軸をＹ軸として、中心軸とＹ軸とを含んだ平面で光ファイバを切断したときの断面である。
これら図７（ｃ）、（ｄ）のグラフ図によって、中心窪みの深さが３８％あっても、電界強度の中央には窪みがないことがわかる。
【００４２】
希土類元素の濃度プロファイルの中央の窪みの幅（即ち、濃度が最大となる中間位置からコア中心までの距離の２倍）は、シングルモード光ファイバの場合と、マルチモード光ファイバの場合とで、互いに異なる。
シングルモード光ファイバの場合には、中央の窪みの幅は、希土類元素の濃度プロファイルの中央の窪みを０％とした場合の光ファイバに形成されるＬＰ０１モード径の４０％以下が好ましく、２０％以下がより好ましく、１５％以下が特に好ましい。
マルチモード光ファイバの場合には、中央の窪みの幅は、希土類元素の濃度プロファイルの中央の窪みを０％とした場合の光ファイバに形成されるＬＰ０１モード径の６０％以下が好ましく、４０％以下がより好ましく、３０％以下が特に好ましい。
いずれのモードの場合も、希土類元素の濃度プロファイルの中央の窪みの幅の下限は、特に限定はされないが、前記ＬＰ０１モード径の５〜５０％範囲が好ましい。
また、Ａｌの濃度プロファイルの中央の窪みの幅も、上記希土類元素の場合と同様に、シングルモード光ファイバの場合と、マルチモード光ファイバの場合とで、互いに異なる。
シングルモード光ファイバの場合には、中央の窪みの幅は、Ａｌの濃度プロファイルの中央の窪みを０％とした場合の光ファイバに形成されるＬＰ０１モード径の４０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、２０％以下が特に好ましい。
マルチモード光ファイバの場合には、中央の窪みの幅は、Ａｌの濃度プロファイルの中央の窪みを０％とした場合の光ファイバに形成されるＬＰ０１モード径の６０％以下が好ましく、４０％以下がより好ましく、３５％以下が特に好ましい。
いずれのモードの場合も、Ａｌの濃度プロファイルの中央の窪みの幅の下限は、特に限定はされないが、前記ＬＰ０１モード径の５〜４０％範囲が好ましい。
【００４３】
本発明の製造方法では、添加物を含有したガラス微粒子層を形成した後、図１（ｅ）に示すように、希土類元素さらにはＡｌを含有したガラス微粒子層５を加熱してガラス化し、希土類元素が添加されたガラス層６を得る（ガラス化工程）。同図は、加工の途中の状態を示しており、ガラス微粒子層５の一部がガラス層６となっている。
ガラス化のための加熱温度は、屈折率プロファイルの制御およびコア扁平を抑制する点から、１９００℃〜２３００℃、特に、１９５０℃〜２２００℃が好ましい範囲である。
【００４４】
ガラス化工程の後に、図１（ｆ）に示すように、無水石英管を１９００〜２３００℃で加熱してコラプスし、コア母材を得る（コラプス工程）。コラプスとは、ガラス層を収縮させながら反応管の中央で一体化させ、内部に空間の無いコアとすること（中実化すること）である。
コラプス工程では、コラプスを行いながらＣｌ2ガスを石英管内に流すことで、脱水、プロファイルの制御、および、添加物の濃度制御が可能になる。Ｃｌ2ガスの流量は、５ＳＣＣＭから１００ＳＣＣＭ、好ましくは５〔ＳＣＣＭ〕〜１０〔ＳＣＣＭ〕である。
コラプス工程により、中心の希土類元素添加コアとその周囲の石英クラッド層とを有してなるコア母材が得られる。
得られたコア母材の周囲にコア径とクラッド径を合わせるために必要に応じてさらなるガラス層の被服、外層（例えば、第２のクラッド層や、サポート層）を加えて光ファイバ母材を製造、線引して、希土類元素添加ファイバを得る。
【００４５】
本発明による希土類元素添加光ファイバは、上記で説明した本発明の製造方法によって得られる結果物であって、その構成上の特徴は、少なくとも希土類元素が添加されたコアと、その周囲の石英クラッド層とを有し、その特徴は、コア中の希土類元素の濃度プロファイルにあり、希土類元素の濃度が、図２（ａ）、図１１（ａ）に示すように、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっている。
濃度の最大値に対するコア中心の濃度の好ましい割合や、濃度プロファイルのコア中央の窪みの深さおよび幅の範囲は、製造方法の説明で述べたとおりである。
【００４６】
また、本発明による希土類元素添加光ファイバの好ましい態様では、コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されている。この態様では、コア中のアルミニウムの濃度が、図２（ｂ）に示すように、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の中間位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっている。即ち、濃度プロファイルのコア中央に窪みがある。
また、コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加された他の好ましい態様では、コア中のアルミニウムの濃度が、図１１（ｂ）に示すように、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の中間位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定となっている。即ち、濃度プロファイルのコア中央に窪みが無い。
【００４７】
本発明による希土類元素添加光ファイバは、通信、溶接、切断、マーキング、照明、医療など、種々の分野で用いられるレーザ装置、光増幅器を構成するために利用可能であり、例えば、エアホール型のダブルクラッド光ファイバやポリマー型ダブルクラッド光ファイバ、偏波保持光ファイバなどが好ましい構造として挙げられる。
【実施例】
【００４８】
実施例１
本実施例では、焼結ＭＣＶＤ法によってガラス微粒子層を堆積させて、希土類元素添加光ファイバを形成した。
（無水石英管内面のエッチング）
外径２８ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ５００ｍｍの無水石英管を旋盤に取付け、無水石英管内面に一端から他端にむけて、Ｈｅを０．５〔ＳＬＭ〕にて、Ｏ2を１．８〔ＳＬＭ〕にて、ＳＦ6を０．２〔ＳＬＭ〕にて供給しながら、酸水素バーナーによって１８００〜２０００℃で無水石英管の内面のエッチングを行った。
【００４９】
（ガラス微粒子層の形成）
ＳｉＣｌ4を０．２〔ＳＬＭ〕にて、Ｈｅを０．４〔ＳＬＭ〕にて、Ｏ2を２．０〔ＳＬＭ〕にて供給し、１４５０℃で４回連続して０．２ｍｍ膜厚のガラス微粒子を堆積した。ガラス微粒子を堆積する際には、石英管の内圧を大気圧よりも５Ｐａ低くなるように、反応管内の圧力を制御した。この段階では添加物がないために濃度プロファイルに変化はない。
【００５０】
（ガラス微粒子層へのＹｂＣｌ3、ＡｌＣｌ3の浸透）
０．１ｇのＹｂＣｌ3・６Ｈ2Ｏと、０．３３ｇのＡｌＣｌ3・６Ｈ2Ｏとを、溶媒であるエタノール5０ミリリットルに溶かし（Ａｌ：Ｙｂモル比＝５．３：１）、該溶液を、ガラス微粒子層が反応管内壁上に形成された上記の石英管中に流し込み、反応管を旋盤チャックに水平に保持し、速度５回転／分、室温で１時間回転させた。
【００５１】
（乾燥工程）
反応管の内圧が大気圧よりも１Ｐａ低くなるように維持し、Ｈｅを０．５〔ＳＬＭ〕、Ｏ2を３．０〔ＳＬＭ〕供給しながら反応管内のエタノールを排除するために２．５時間、自然乾燥を行った。
その後、ＹｂＣｌ3・６Ｈ2ＯとＡｌＣｌ3・６Ｈ2Ｏの分解、および、微粒子内部へ拡散させるために、酸水素バーナーの温度を５０〜１８００℃に段階的に上げ、石英管を加熱乾燥させた。この段階で、Ｈｅ、Ｏ2と共に、Ｃｌ2流量が０．１２〔ＳＬＭ〕流れるために、昇温とともに塩化物および添加物の分解を促進させ、添加物イオンをスート微粒子内部へ均一に拡散させるために濃度プロファイルや屈折率プロファイルが胴体最外周面の付近には角などの異常な形状はなく、胴体最外周面から急峻に立ち上がり、中心までは放物曲線である擬似ステップ形状になる。
ＹｂＣｌ3・６Ｈ2Ｏ、ＡｌＣｌ3・６Ｈ2Ｏなどの塩化物は、約９００℃以上になると、それぞれに、Ｙｂ(ＯＨ)3とＨＣｌ、Ａｌ(ＯＨ)3とＨＣｌに分解される。また、ＹｂとＡｌが単体および酸化物になってからは固まり易く、なかなか均一に拡散しない。しかし、Ｃｌ2を流すことにより昇温と共に添加物は細かく分解され、微粒子中を拡散していく。拡散状態はパイプの温度や塩素流量によって大きく異なるが、温度が高い、塩素流量を増やすほど添加物のクラスタが小さくなり均一な拡散が促進される。
屈折率プロファイルを確認したところ、Ｃｌ2を流さないコアの屈折率プロファイルはパイプの界面にピーク（角）や中心の窪みがないプロファイルを示したが、Ｃｌ2を流したコアは胴体最外周面から急峻に立ち上がり、コア中心が丸い擬似ステップ形状を示し、均一な拡散が確認された。また、Ｃｌ2を流すことによりスート堆積や液透中に混入された水を除去する効果もあるのでコア中のＯＨ濃度制御も可能になる。
【００５２】
（コラプス）
反応管の内圧を大気圧よりも高くするために内圧と大気圧との差圧を＋30Ｐａの差圧になるように維持して、Ｈｅを０．６〔ＳＬＭ〕にて、Ｏ2を３．０〔ＳＬＭ〕にて、Ｃｌ2を段階的に１００〔ＳＣＣＭ〕から８〔ＳＣＣＭ〕まで変化させながら、各ガスを供給し、無水石英管の温度を１８００〜２３００℃まで上げてガラス微粒子層をガラス層とし、パイプ管を収縮させるコラプスを行い、コア母材を得た。
コラプスの最終段階では、Ｃｌ2流量を８〔ＳＣＣＭ〕とし、添加物濃度や屈折プロファイルの窪みの深さが全体高さの４０％になる様に制御を行った。コラプス段階でのＣｌ2効果を確認するためにＣｌ2を止めてコラプスを行ったコアの屈折率プロファイルは胴体最外面の付近には角などの異常な形状はなく、胴体最外面から急峻に立ち上がり、コア中心には窪みがないコア中心までは放物曲線を描くような擬似ステップ形状を示した。
【００５３】
プリフォームアナライザによる評価の結果、コア母材中のコア径は、約２．１ｍｍであった。
【００５４】
図２に示すとおり、コア母材の中心領域の屈折率は、コア母材の外側と比べて局所的に低くなっていることがわかる。これは、コア母材の中心のＡｌとＹｂの添加濃度が他の領域と比べ低くなっていることを意味している。
これによって、レーザ発振の基本モードの電界分布は、コアの中心において低くなり、低い反転分布を起こすので、コア中心部はフォトダークニングが起こり難くなる。
コア外径４０μｍのマルチモードの光ファイバにおいて計算を行った結果、屈折率プロファイルの中心窪みの深さが５０％なっても、ビーム形状には影響されないことが判った。
【００５５】
本実施例で得られたコア母材が、フォトダークニングの発生を抑制するものであることを確認するために、該コア母材を用いてエアホール型ダブルクラッド光ファイバを作製し、フォトダークニング評価を行った。
該ファイバの主要構成は、コア外径４０μｍ、第一クラッド外径６００μｍ、第二クラッド（エアホール）外径３０μｍ、光ファイバ外径１０００μｍである。
詳細な評価方法は、参考文献（SPIE Photonics West 2007、Vol. 6453-50）に掲載されている。
光ファイバ全体にわたる均一な反転分布を起こすために、光ファイバ長を１２５ｍｍとし、エアホール型ダブルクラッド光ファイバを被覆しているポリマージャケットを後端から約２０ｍｍ除去した。
図８は、その評価のために構築した光学系である。同図に示すように、波長６７５ｎｍのレーザ光と、波長９１５ｎｍの励起光（レーザ光）とを光源１１から出射し、コリメータ１２を通して、エアホール型ダブルクラッド光ファイバ１３のコアに一端側（図の左端側）から入力し、他端側から出力される波長６７５ｎｍのレーザ光を、受光素子１４にて受光し、そのパワーを測定する構成とし、該レーザ光の透過率の時間変化を観察することで、フォトダークニングの評価を行なった。尚、図８において、符号Ｌで示した太い矢印は、前記２つの波長のレーザ光の混合光を意味している。
尚、エアホール型ダブルクラッド光ファイバ１３の入力側、出力側の端面は、被服を剥いた状態で端面カットを行い、異常反射がないようにした。また、図８において、符号１３ａは、ファイバのコネクタを固定する治具であり、符号１３ａは、ファイバの温度が上昇しないようにする銅製の冷却台である。
【００５６】
実施例１の光ファイバ構造の特性の主たる値は、次のとおりである。
コア外径：４０〔μｍ〕
ポンプガイド外径：６００〔μｍ〕
Ｙｂ濃度：約５３００〔ｐｐｍ−ｗｔ〕
Ａｌ濃度：約６１００〔ｐｐｍ−ｗｔ〕
吸収係数：０．４９〔ｄＢ／ｍ〕
Ｙｂドーピング濃度は、約５３００〔ｐｐｍ−ｗｔ〕である。
【００５７】
図９は、フォトダークニング評価を行った結果を示すグラフ図である。同図に示すフォトダークニング評価では、ポンプ光源用レーザダイオード（ＰＬＤ）の励起パワー（出力ワット数）を変化させたときの、それぞれの場合における６７５ｎｍ波長光の透過率の時間的変化を示している。ＰＬＤの出力ワット数は、３０Ｗ、５０Ｗ、９０Ｗ、１５０Ｗであり、それぞれの出力に対する透過率の変化を、実線、点線、破線、一点鎖線で示している。
図９のグラフ図から明らかなとおり、フォトダークニングは励起パワー（或いは、反転分布）に大きく依存し、反転分布が高いほどフォトダークニングは早く起きる。
下記式から見積もったフィッティングパラメータβ（ストレッチングパラメータ)は、０．６７であった。
2011238882.tif 000003
上記式中、Ｔ（ｔ）は、ｔを測定時間として、光ファイバの透過率を表す関数、Ａは常数、（１−Ａ）は定常状態の透過率、τはフォトダークニング時間常数（フォトダークニングのレート）、βはフィッティングパラメータであって、フォトダークニングによるファイバの透過率変化を意味する。
【００５８】
図１０は、反転分布をログプロット(log plot)したグラフであって、横軸は反転分布のログ値であり、縦軸はフォトダークニング時間常数のログ値である。
次式から求めた指数関数の傾きｎ（linier slope by power law）は、２．２であり、フォトダークニングは反転分布（或いは、励起されたＹｂ濃度）の２．２乗に比例して生じることになる。
2011238882.tif 000004
上記式中、Ｉは反転分布、ｎは指数関数の傾き、τはフォトダークニング時間常数（フォトダークニングのレート）を意味する。
【００５９】
一般的に、ＣＷファイバレーザの反転分布は５％、パルスレーザの反転分布は３０％程度であるから、パルスレーザはＣＷレーザより約５２倍早く劣化することになる。
指数関数ｎは、Ｙｂ濃度やガラスの欠陥など、複雑な要因に影響を受けるために、断定することは難しいが、主に、Ｙｂ濃度やＡｌ濃度に影響されることが知られている。
実施例１から得られた指数関数ｎ＝２．２は、参考文献（SPIE Photonics West 2007, Vol. 6453-50）で報告されているｎ＝７、参考文献（OFC 2008, OThC5）で報告されているｎ＝２．６より小さい値である。
よって、本実施例１で得られたコア母材を用いて製作した光ファイバは、フォトダークニングを従来よりも抑制し得るものであることを示している。
【００６０】
実施例２
本実施例では、気相ＭＣＶＤ法によってガラス微粒子層を堆積させて、希土類元素添加光ファイバを形成した。
気相ＭＣＶＤ法は、焼結ＭＣＶＤ法とは異なり、スート体積と共に希土類、Ａｌなどの添加物をドープし、堆積と共にガラス化するために、屈折率プロファイルの中心を窪ませることなしに希土類元素の濃度のみを変化させることが可能な方法である。
また、気相ＭＣＶＤ法は、焼結ＭＣＶＤとは異なり、ガラスの材料になるＳｉＣｌ4と共に希土類元素やＡｌＣｌ3などを同時に供給することが可能であるために、基本的に液浸工程は不要である。
【００６１】
（無水石英管内面のエッチング）
外径２８ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ５００ｍｍの無水石英管を旋盤のチャックに水平に取付け、無水石英管内面に一端から他端にむけて、Ｈｅを０．５〔ＳＬＭ〕にて、Ｏ2を１．８〔ＳＬＭ〕にて、ＳＦ6を０．２〔ＳＬＭ〕にてそれぞれ供給し、酸水素バーナーにより１８００〜２０００℃で無水石英管の内壁面のエッチングを行った。
【００６２】
（ガラス微粒子層形成構成、および、ガラス化工程）
ＳｉＣｌ4を０．２〔ＳＬＭ〕にて、Ｈｅを０．４〔ＳＬＭ〕にて、Ｏ2を２．０〔ＳＬＭ〕にて、Ｙｂ(ＤＰＭ)3タンクとＡｌＣｌ3タンクにガスとしてＨｅガスを０．２〔ＳＬＭ〕にて供給し、１９５０℃の反応管温度で、４回連続して０．０６ｍｍ膜厚のガラス微粒子の堆積およびガラス化を行った。ここで、微粒子体積およびガラス化を分けることも可能である。
ＤＰＭは、ジピバロイルメタナト（または、２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナトとも呼ばれる）である。
【００６３】
本実施例２では、Ｙｂ(ＤＰＭ)3、ＡｌＣｌ3を反応管まで搬送するためのキャリアーガスとして、Ｈｅを用いた。
連続的に変化する屈折率プロファイルを形成するために、ＡｌＣｌ3の流量は、始終変化させず、Ｙｂ(ＤＰＭ)3のみ４回目の堆積で０．１〔ＳＬＭ〕に減らした。
【００６４】
反応管に到達するＹｂ(ＤＰＭ)3、および、ＡｌＣｌ3の量は、Ｈｅガス流量以外に、Ｙｂ(ＤＰＭ)3、および、ＡｌＣｌ3を蒸気化させる恒温槽の温度、原料配管の温度によっても異なる。Ｙｂ(ＤＰＭ)3のタンクおよびＡｌＣｌ3タンクの温度は、それぞれ２３０℃、１６０℃に設定した。また、ＡｌＣｌ3配管温度は１６０℃、Ｙｂ(ＤＰＭ)3の配管温度は３００℃、石英パイプに原料を供給させるために２層構造を持つハステロイのノズルを使い、３００℃に設定した。
ガラス微粒子を堆積する際には、反応管の内圧と大気圧との差圧を−５Ｐａになるようにガラス内圧を制御した。
【００６５】
（コラプス）
その後、反応管の内圧を反応管の外圧（大気圧）よりも+３０Ｐａだけ低くなるように維持し、Ｈｅを０．６〔ＳＬＭ〕にて、Ｏ2を３．０〔ＳＬＭ〕にて、Ｃｌ2を５〔ＳＣＣＭ〕にて、それぞれのガスを供給しながら、反応管の温度を１８００〜２３００℃まで上げ、ガラス微粒子層をガラス層とし、さらに反応管のコラプスを行い、コア母材を得た。ここで、Ｃｌ2は焼結ＭＣＶＤの効果と同様であるためにプロファイルが影響を受ける。すなわち、Ｃｌ2を流すことにより添加物がエッチングされるためにＣｌ2を段階的に下げて、最終コラプス段階ではＣｌ2の流量を０〔ＳＬＭ〕に減らした。
【００６６】
プリフォームアナライザによる評価の結果、コア母材のコア径は、約２．２ｍｍであった。
図１１に示すとおり、EPMA（Electron Probe Microscopy Analyzer） 評価結果、コア中心領域において、Ｙｂ濃度だけが窪んでおり、Ａｌの濃度は窪んでいないことがわかる。
【００６７】
本実施例２で得られたコア母材が、フォトダークニングの発生を抑制するものであることを確認するために、実施例１と同様に、該コア母材を用いてエアホール型ダブルクラッドファイバを作製し、フォトダークニング評価を行った。
ファイバの主要構成、評価方法は、実施例１と同様である。
コア外径４０μｍ、第一クラッド外径６００μｍ、第二クラッド（エアホール）外径３０μｍ、光ファイバ外径１０００μｍのエアホール型ダブルクラッド光ファイバを作製し、フォトダークニング評価を行った。光ファイバ全体にわたる均一な反転分布を得るために、光ファイバ長を１２５ｍｍとし、エアホール型ダブルクラッド光ファイバを被覆しているポリマージャケットを後端から約２０ｍｍ除去した。詳細な条件は実施例１と同様である。
実施例２の光ファイバ構造の特性の主たる値は、次のとおりである。
コア外径：４０〔μｍ〕
ポンプガイド外径：６００〔μｍ〕
Ｙｂ濃度：約５０００〔ｐｐｍ−ｗｔ〕
Ａｌ濃度：約５５００〔ｐｐｍ−ｗｔ〕
吸収係数：０．５１〔ｄＢ／ｍ〕
Ｙｂドーピング濃度は、約５０００〔ｐｐｍ−ｗｔ〕である。
実施例２から得られた指数関数ｎ＝２．５で優れたフォトダークニング特性を示した。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明によって、フォトダークニングが抑制された希土類元素添加光ファイバを好ましくは製造し得る方法を提供することが可能となり、また、それによって、フォトダークニングが抑制された希土類元素添加光ファイバを提供することが可能となった。
【符号の説明】
【００６９】
１    無水石英管
２    バーナー
３    ガラス微粒子層
４    希土類元素を含有する溶液
５    希土類元素が浸透したガラス微粒子層
６    希土類元素を含有するガラス層
７    希土類元素を含有するコア
８    コア母材
【図１】
2011238882.tif 000005
【図８】
2011238882.tif 000006
【図９】
2011238882.tif 000007
【図２】
2011238882.tif 000008
【図３】
2011238882.tif 000009
【図４】
2011238882.tif 000010
【図５】
2011238882.tif 000011
【図６】
2011238882.tif 000012
【図７】
2011238882.tif 000013
【図１０】
2011238882.tif 000014
【図１１】
2011238882.tif 000015