(57)【要約】【課題】希土類添加分布の制御でフォトダークニングの影響を少なくし、低損失且つ高発振効率の高性能な希土類添加光ファイバの提供。【解決手段】コアとそれを囲むクラッドとからなり、少なくともコアに希土類元素が添加されている希土類添加光ファイバにおいて、励起波長における電界分布をＰｐ（ｒ）、コア内を導波する自然放出光および／または誘導放出光の波長における電界分布をＰｓ（ｒ）、希土類添加分布をＤ（ｒ）（単位は質量％）とした時、次式（１）：［数１］2009224405.tif 000007（ここで、ｒ０はコア中心を表し、ｒｃはコア径を表す。）の関係を満たすことを特徴とする希土類添加光ファイバ。【選択図】図１
2009224405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとそれを囲むクラッドとからなり、少なくともコアに希土類元素が添加されている希土類添加光ファイバにおいて、
励起波長における電界分布をＰｐ（ｒ）、コア内を導波する自然放出光および／または誘導放出光の波長における電界分布をＰｓ（ｒ）、希土類添加分布をＤ（ｒ）（単位は質量％）とした時、次式（１）：
【数１】
2009224405.tif 000005
（ここで、ｒ０はコア中心を表し、ｒｃはコア径を表す。）の関係を満たすことを特徴とする希土類添加光ファイバ。
【請求項２】
２層以上のクラッドを有し、次式（２）：
【数２】
2009224405.tif 000006
（ここで、式（２）中の各記号は式（１）における記号と同じ意味である）の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の希土類添加光ファイバ。
【請求項３】
希土類添加分布が、コア中心部よりも外周部の方が高濃度になるように設定されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の希土類添加光ファイバ。
【請求項４】
希土類元素として、少なくともイッテルビウムを添加していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の希土類添加光ファイバ。
【請求項５】
気相添加法および／または液浸添加法によって希土類元素をガラス多孔質母材に添加し、次いで該母材を焼結してコア母材とし、次いで該コア母材の周囲に外付け法やジャケット法によってクラッド部を作製し、得られた光ファイバ母材を線引きし、請求項１〜４のいずれかに記載の希土類添加光ファイバを得ることを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の希土類添加光ファイバを光増幅媒体として有することを特徴とするファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類添加光ファイバに関し、特に、高励起パワー入射後の光ファイバの損失増加現象であるフォトダークニングを改善した希土類添加分布、屈折率分布に関するものである。本発明の希土類添加光ファイバは、主にファイバレーザ用途、または、ファイバアンプ用途等に利用される。
【背景技術】
【０００２】
（１）エルビウム（Ｅｒ）やイッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素を添加した光ファイバコア（希土類添加コア）部、および、その周囲に希土類元素を効率よく励起するためのポンプ光を入射するための第一クラッド部、および、最外層に低屈折率ポリマー樹脂からなる第二クラッド部からなるダブルクラッド型希土類添加光ファイバが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
ダブルクラッド型希土類添加光ファイバは、太径の第一クラッドにポンプ光を結合できるので、コアに直接ポンプ光を入射するシングルクラッド型希土類添加光ファイバと比較して、高エネルギーの光を入射でき、効率的に希土類イオンを励起できる利点がある。
【０００４】
（２）希土類添加コア部の希土類添加分布（光ファイバ半径方向の分布）として、シングルクラッド型希土類添加光ファイバの場合、励起効率はポンプ光の伝搬光パワー分布、および、希土類添加分布の重なり積分に依存する。このため、重なり部分を増加させるため、半径方向に均一、または、伝搬光パワー分布と同様な添加分布にすることなどが提案されている（例えば、特許文献２〜５参照。）。
【０００５】
（３）さらに、励起効率の増加のため、希土類添加量を増加させる必要があるが、高濃度添加すると、希土類添加イオン同士のクラスタリングが発生することが一般に知られている。このクラスタリングは、フォトダークニングを引き起こし、高出力励起パワーを入射することで、光ファイバの伝搬損失が増加することが一般に知られている（例えば、非特許文献１参照。）。これを回避する方法として、アルミニウムを高濃度に添加する方法や、クラスタリングを抑制するためのダイレクトナノパーティクルデポジション（以下、ＤＮＤ）法で希土類添加光ファイバを作製する方法が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。
【特許文献１】特開平１１−２６８４３号公報
【特許文献２】特開２００４−１３７１１０号公報
【特許文献３】特開平１１−２７８８６２号公報
【特許文献４】特開平９−２３５１３０号公報
【特許文献５】特開平７−１０９１４４号公報
【非特許文献１】T. Kitabayashi, et al,“Population Inversion Factor Dependence of Photodarkening of Yb―doped Fibers and its Suppression by Highly Aluminum Doping”, OFC2006, Anaheim, USA, paper OThC5, 2006
【特許文献６】特表２００２−５２６３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記（２）の従来技術にあっては、励起光パワー分布にあわせて、希土類添加分布を一致させる、または、径方向に均一にした場合、高励起パワー部分に高濃度希土類が添加されているため、希土類濃度分布に依存したクラスタリングが発生する。そのため、クラスタリングに依存してフォトダークニングが発生するため、光ファイバ損失が増加する。結果として、自然放出光、および／または誘導放出光も伝送損失が増加するため、パワー出力が低下してしまう問題点がある。
【０００７】
前記（３）のＤＮＤ法にあっては、火炎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、高度な製造技術が必要であり、製造安定性を維持することが難しく、製造コストの観点から、好ましくない。
【０００８】
さらに、特許文献６に開示されたように、アルミニウムを高濃度添加した場合、アルミニウムは屈折率を上昇させる元素であるため、低△コアへの適用が難しいという問題がある。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、希土類添加分布の制御でフォトダークニングの影響を少なくし、低損失且つ高発振効率の高性能な希土類添加光ファイバの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明は、コアとそれを囲むクラッドとからなり、少なくともコアに希土類元素が添加されている希土類添加光ファイバにおいて、
励起波長における電界分布をＰｐ（ｒ）、コア内を導波する自然放出光および／または誘導放出光の波長における電界分布をＰｓ（ｒ）、希土類添加分布をＤ（ｒ）（単位は質量％）とした時、次式（１）：
【００１１】
【数１】
2009224405.tif 000003
【００１２】
（ここで、ｒ０はコア中心を表し、ｒｃはコア径を表す。）の関係を満たすことを特徴とする希土類添加光ファイバを提供する。
【００１３】
本発明の希土類添加光ファイバにおいて、２層以上のクラッドを有し、次式（２）：
【００１４】
【数２】
2009224405.tif 000004
【００１５】
（ここで、式（２）中の各記号は式（１）における記号と同じ意味である）の関係を満たすことが好ましい。
【００１６】
本発明の希土類添加光ファイバにおいて、希土類添加分布が、コア中心部よりも外周部の方が高濃度になるように設定されたことが好ましい。
【００１７】
本発明の希土類添加光ファイバにおいて、希土類元素として、少なくともイッテルビウムを添加していることが好ましい。
【００１８】
また本発明は、気相添加法および／または液浸添加法によって希土類元素をガラス多孔質母材に添加し、次いで該母材を焼結してコア母材とし、次いで該コア母材の周囲に外付け法又はジャケット法によってクラッド部を作製し、得られた光ファイバ母材を線引きし、前記本発明に係る希土類添加光ファイバを得ることを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法を提供する。
【００１９】
また本発明は、前記本発明に係る希土類添加光ファイバを光増幅媒体として有することを特徴とするファイバレーザを提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の希土類添加光ファイバは、前記式（１）又は（２）によって規定される範囲に希土類添加分布を制御したによって、高励起パワー入射後の光ファイバの損失増加現象であるフォトダークニングを抑制することができ、発振光が受ける損失を少なくすることができる。
また、損失が少ないため、発振効率を高くすることができる。
また、複数クラッドとすることで、クラッド中をマルチモードで励起光が伝搬するため、励起効率が高く維持でき、希土類添加分布を柔軟に設計することができ、かつ、発振光が受ける損失を少なくすることができる。
希土類添加分布の制御でフォトダークニングの影響を少なくできるので、製法は安定性の良い方法を選択することができる。
フォトダークニングの影響が少ないため、不必要にアルミニウムを添加する必要がなく、低屈折率のコア部を作ることができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の希土類添加光ファイバは、前述した課題を解決するために、コアの希土類添加分布を最適化している。より具体的には、コア内を導波する自然放出光および／または誘導放出光（の波長）における電界分布をＰｓ（ｒ）（ピーク値を１として規格化）、励起波長における電界分布をＰｐ（ｒ）（ピーク値を１として規格化）、希土類添加分布をＤ（ｒ）（単位は質量％）とした時、前述した式（１）の関係を満たすように、コア部の希土類添加分布を調整したことを特徴とする。
【００２２】
式（１）において、分母は、希土類元素の励起分布および／またはフォトダークニングと関係のある項を示しており、分子はフォトダークニングに起因する発振光の受ける損失と関係のある項を示している。またｒｏはコア中心、ｒｃはコア径を示している。
よって、式（１）を満たす希土類添加分布とすることで、フォトダークニングが生じても、発振波長における電界分布と発振光の受ける損失分布（フォトダークニング分布）との重なりが少ないため、高効率な発振効率を得ることができる。ただし、０の場合では、希土類添加分布と発振波長の重なりはないことになり、誘導放出が起こらないため、望ましくない。同様に、０．３５より大きい場合では、発振光の受ける損失が大きいため望ましくない。
【００２３】
また、式（１）を満たすための具体的な構造として、ダブルクラッド型希土類添加光ファイバ構造とすることが好ましい。これにより、第一クラッドに入射された励起（ポンプ）光波長における電界分布Ｐｐ（ｒ）は、マルチモード分布となるため、コア径方向に対し、ほぼ均一に照射される（ここでは１とする）とみなすことができ、励起効率が低下することはない。結果として、ダブルクラッド型の希土類添加光ファイバにおいて、式（１）は、前記式（２）のように記述することができる。
【００２４】
よって、式（２）を満たすために、単純に希土類添加分布Ｄ（ｒ）のみを考慮すれば良く、容易に発振波長における電界分布と発振光の受ける損失分布（フォトダークニング分布）との重なりを小さくできる。ただし、０より大きい必要があるのは前述したとおりである。
【００２５】
さらに、前記式（１）又は（２）の関係を満たす、本発明に係る希土類添加光ファイバの製造方法において、気相で希土類元素を添加する気相添加法、または、ガラス多孔質（スート）状態を形成した後に、希土類元素を添加した溶液中に浸す液浸添加法のいずれでもよく、またスートを形成する方法として、気相軸付け（ＶＡＤ）法、外付け（ＯＶＤ）法、内付け（ＣＶＤ）法、ＤＮＤ法、いずれでも限定されるものではない。これらの方法は、光ファイバ製造において一般的な方法であるため、製造安定性やコストが安価になる利点がある。
【００２６】
また、本発明に係る希土類添加光ファイバは、フォトダークニングによる影響が非常に小さいため、アルミニウム濃度を不必要に高くする必要はなく、屈折率の制御も容易である利点がある。
【００２７】
前記の式（１）又は（２）の関係を満たすための希土類添加光ファイバおよび母材の設計方法を記載する。
（ａ）所望の光学特性が得られる屈折率分布を算出する。希土類添加光ファイバの屈折率分布は、ステップ型、ディプレスト型等、特に限定されるものではないが、発振波長において、シングルモード励振されることが重要である。マルチモード発振時においても、希土類添加光ファイバを曲げて、高次モードを曲げ損失で減衰させて、シングルモード励振とする方法でも問題ない。
（ｂ）所望の屈折率分布で得られる吸収波長及び発振波長での電界分布を計算する。
（ｃ）得られた電界分布と希土類添加分布の重なり積分の比が、前記式（１）又は（２）を満たすように希土類添加分布を設計する。
（ｄ）設計にて得られた屈折率分布、及び希土類添加分布となるように希土類添加光ファイバ母材を作製し、次いで、線引きして希土類添加光ファイバ素線として評価する。
【実施例】
【００２８】
前記母材設計方法に基づいて、希土類添加光ファイバ母材を試作し、線引きして希土類添加光ファイバ（ここでは、希土類添加ダブルクラッドファイバ）を作製し、評価を行った。
【００２９】
（実施例１）
図１に示すような屈折率分布を持つ光ファイバ母材（コア△０．１５％、コア径４．４μｍ）をＭＣＶＤ法でデポジションしたスートに液浸法にてアルミニウム（Ａｌ）、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加し、図１に示す所望の設計となるように調整し、最終的に焼結、コラプスしたコア母材に対し、ジャケット法にてクラッド部を作製して、光ファイバ母材を作製した。その後、紡糸装置にて線引きし低屈折率のポリマー樹脂を被覆することで、希土類添加ダブルクラッドファイバを試作（第二クラッド部図示せず）した。同様に、図１にＹｂ添加分布を示す。コア△はアルミニウム（Ａｌ）を添加することで形成している。設計時に得られている特性にて、式（２）を使用して算出した値は、０．３１であった。得られたファイバの第一クラッド部に波長９８０ｎｍの励起光を入射し、信号光として波長１０６０ｎｍの光をコア入射したところ、発振効率も良好であり、フォトダークニングによる出力低下もほとんどなかった。
【００３０】
（実施例２）
図２に示すような屈折率分布を持つ光ファイバ母材（コア△０．１０％、コア径５．４μｍ）をＶＡＤ法でデポジションしたスートに液浸法にてアルミニウム（Ａｌ）、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加し、図２に示す所望の設計となるように調整し、最終的に焼結したコア母材に対し、外付け法にてクラッド部を作製して母材を作製した。その後、紡糸装置にて線引きし低屈折率のポリマー樹脂を被覆することで、希土類添加ダブルクラッドファイバを試作（第二クラッド部図示せず）した。同様に、図２にＹｂ添加分布を示す。コア△はアルミニウム（Ａｌ）、および、ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加することで形成している。設計時に得られている特性にて、式（２）を使用して算出した値は、０．２７であった。得られたファイバの第一クラッド部に波長９８０ｎｍの励起光を入射し、信号光として波長１０６０ｎｍの光をコア入射したところ、発振効率も良好であり、フォトダークニングによる出力低下もほとんどなかった。
【００３１】
（実施例３）
図３に示すような屈折率分布を持つ光ファイバ母材（コア△０．４５％、コア径２．５μｍ）をＰＣＶＤ法でデポジションしたスートに液浸法にてアルミニウム（Ａｌ）、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加し、図３に示す所望の設計となるように調整し、最終的に焼結したコア母材に対し、外付け法にてクラッド部を作製して母材を作製した。その後、紡糸装置にて線引きし低屈折率のポリマー樹脂を被覆することで、希土類添加ダブルクラッドファイバを試作（第二クラッド部図示せず）した。同様に、図３にＹｂ添加分布を示す。コア△はアルミニウム（Ａｌ）ゲルマニウム（Ｇｅ）、およびフッ素（Ｆ）を添加することで形成している。設計時に得られている特性にて、式（２）を使用して算出した値は、０．３４であった。得られたファイバの第一クラッド部に９８０ｎｍの励起光を入射し、信号光として１０６０ｎｍの光をコア入射したところ、発振効率も良好であり、フォトダークニングによる出力低下もほとんどなかった。
【００３２】
（比較例１）
図４に示すような屈折率分布を持つ光ファイバ母材（コア△０．１５％、コア径４．４μｍ）をＭＣＶＤ法でデポジションしたスートに液浸法にてアルミニウム（Ａｌ）、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加し、図４に示す所望の設計となるように調整し、最終的に焼結、コラプスしたコア母材に対し、ジャケット法にてクラッド部を作製して、光ファイバ母材を作製した。その後、紡糸装置にて線引きし低屈折率のポリマー樹脂を被覆することで、希土類添加ダブルクラッドファイバを試作（第二クラッド部図示せず）した。同様に、図４にＹｂ添加分布を示す。コア△はアルミニウム（Ａｌ）を添加することで形成している。設計時に得られている特性にて、式（２）を使用して算出した値は、０．５６であった。得られたファイバの第一クラッド部に９８０ｎｍの励起光を入射し、信号光として１０６０ｎｍの光をコア入射したところ、フォトダークニングによる出力低下が大きかった。
【００３３】
（比較例２）
図５に示すような屈折率分布を持つ光ファイバ母材（コア△０．１０％、コア径５．４μｍ）をＶＡＤ法でデポジションしたスートに液浸法にてアルミニウム（Ａｌ）、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加し、図５に示す所望の設計となるように調整し、最終的に焼結したコア母材に対し、外付け法にてクラッド部を作製して母材を作製した。その後、紡糸装置にて線引きし低屈折率のポリマー樹脂を被覆することで、希土類添加ダブルクラッドファイバを試作（第二クラッド部図示せず）した。同様に、図５にＹｂ添加分布を示す。コア△はアルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加することで形成している。設計時に得られている特性にて、式（２）を使用して算出した値は、０．５６であった。得られたファイバの第一クラッド部に９８０ｎｍの励起光を入射し、信号光として１０６０ｎｍの光をコア入射したところ、フォトダークニングによる出力低下が大きかった。
【００３４】
（比較例３）
図６に示すような屈折率分布を持つ光ファイバ母材（コア△０．４５％、コア径２．５μｍ）をＰＣＶＤ法でデポジションしたスートに液浸法にてアルミニウム（Ａｌ）、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加し、図６に示す所望の設計となるように調整し、最終的に焼結したコア母材に対し、外付け法にてクラッド部を作製して母材を作製した。その後、紡糸装置にて線引きし低屈折率のポリマー樹脂を被覆することで、希土類添加ダブルクラッドファイバを試作（第二クラッド部図示せず）した。同様に、図６にＹｂ添加分布を示す。コア△はアルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、フッ素（Ｆ）を添加することで形成している。設計時に得られている特性にて、式（２）を使用して算出した値は、０．５５であった。得られたファイバの第一クラッド部に波長９８０ｎｍの励起光を入射し、信号光として１０６０ｎｍの光をコア入射したところ、フォトダークニングによる出力低下が大きかった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例１で作製した希土類添加ダブルクラッドファイバの屈折率プロファイルとＹｂ添加分布を示すグラフである。
【図２】実施例２で作製した希土類添加ダブルクラッドファイバの屈折率プロファイルとＹｂ添加分布を示すグラフである。
【図３】実施例３で作製した希土類添加ダブルクラッドファイバの屈折率プロファイルとＹｂ添加分布を示すグラフである。
【図４】比較例１で作製した希土類添加ダブルクラッドファイバの屈折率プロファイルとＹｂ添加分布を示すグラフである。
【図５】比較例２で作製した希土類添加ダブルクラッドファイバの屈折率プロファイルとＹｂ添加分布を示すグラフである。
【図６】比較例３で作製した希土類添加ダブルクラッドファイバの屈折率プロファイルとＹｂ添加分布を示すグラフである。
【図１】
2009224405.tif 000008
【図２】
2009224405.tif 000009
【図３】
2009224405.tif 000010
【図４】
2009224405.tif 000011
【図５】
2009224405.tif 000012
【図６】
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