(57)【要約】  屈折率変調領域の形成中に光ファイバーが劣化することを防止しつつ、高い反射率を有する屈折率変調領域を形成する。屈折率変調領域ＨＲを設けた光ファイバー１５の製造方法は、コア１５１の屈折率を変化させる反応光Ｌ３を集光させる対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間に、コート層１５５の屈折率と近い屈折率を有するマッチング層ＭＬを配置するステップと、反応光Ｌ３をコア１５１内部に向けて照射して、屈折率変調領域ＨＲを形成するステップと、を含む。
2020003893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア内部に前記コアの屈折率とは異なる屈折率を有する屈折率変調領域を設けた光ファイバーの製造方法であって、
前記コアの屈折率を変化させる反応光を集光させる対物レンズと前記光ファイバーの最外周に設けられた樹脂製のコート層との間に、前記コート層の屈折率と近い屈折率を有するマッチング層を配置するステップと、
前記反応光を前記コア内部に向けて照射して前記屈折率変調領域を形成するステップと、
を含む、光ファイバーの製造方法。
【請求項２】
前記反応光は、前記光ファイバー及び前記コート層にて吸収されない短波長を有する短パルスレーザ光である、請求項１に記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項３】
前記光ファイバーは、前記コアと前記コート層との間に配置され前記コアの外周を覆うクラッドを有し、
前記クラッドは、その長さ方向とは垂直な断面形状において、少なくとも一つの直線部分を有し、
前記反応光は、前記直線部分により形成される曲率を有さない平面に対して垂直に入射される、請求項１又は２のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項４】
前記クラッドの断面形状は、Ｄ字形状、多角形、又は、Ｄ字形状の円周部分の一部を切り取った形状のいずれかである、請求項３に記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項５】
前記マッチング層は液状材料にて形成され、その表面張力により前記対物レンズと前記コート層の間に配置される、請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項６】
前記反応光を前記コアに照射した状態で、前記反応光を前記コアの長さ方向とは垂直な方向に移動させて前記屈折率変調領域を形成するステップをさらに含む、請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項７】
前記コアは、エルビウムをドープしたＺＢＬＡＮガラスである、請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項８】
前記マッチング層は、前記コート層の屈折率に近い屈折率を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項９】
コア内部に前記コアの屈折率とは異なる屈折率を有する屈折率変調領域を設けた光ファイバーであって、
前記コアの屈折率を変化させる反応光を集光させる対物レンズと前記光ファイバーの最外周に設けられた樹脂製のコート層との間に、前記コート層の屈折率と近い屈折率を有するマッチング層を配置するステップと、
前記反応光を前記コア内部に向けて照射して前記屈折率変調領域を形成するステップと、
を含む、製造方法によって製造されてなる光ファイバー。
【請求項１０】
前記コアと前記コート層との間に配置されることで前記コアの外周を覆い、その長さ方向とは垂直な断面形状において少なくとも一つの直線部分を有するクラッドをさらに備える、請求項９に記載の光ファイバー。
【請求項１１】
前記クラッドの断面形状は、Ｄ字形状、多角形、又は、Ｄ字形状の円周部分の一部を切り取った形状のいずれかである、請求項１０に記載の光ファイバー。
【請求項１２】
前記コアは、エルビウムをドープしたＺＢＬＡＮガラスである、請求項９〜１１のいずれかに記載の光ファイバー。
【請求項１３】
前記コアは、複数の前記屈折率変調領域を有する第１グレーティング領域と、複数の前記屈折率変調領域を有し前記第１グレーティング領域から長さ方向に第２間隔を開けて配置される第２グレーティング領域と、を有する請求項９〜１２のいずれかに記載の光ファイバー。
【請求項１４】
前記第１グレーティング領域及び前記第２グレーティング領域に形成される互いに隣接する２つの前記屈折率変調領域は第１間隔を有する、請求項９〜１３のいずれかに記載の光ファイバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振器に使用される光ファイバーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を長さ方向に伝搬させるコアを有する光ファイバーにおいて、当該コアの内部にコアの屈折率よりも高い（又は低い）屈折率を有する複数の領域（屈折率変調領域と呼ぶ）が所定の間隔を空けて形成されたものが知られている。コア内部に光が伝搬するとき、この複数の屈折率変調領域は当該光に対して回折格子として働く。従って、上記のような複数の屈折率変調領域が形成された光ファイバーは、「ファイバーブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ、ＦＢＧ）」と呼ばれる。【０００３】
複数の屈折率変調領域を所定の間隔を空けて形成した光ファイバーに光を伝搬させると、当該光のうち、光ファイバーの屈折率と上記所定の間隔にて決まる波長を有する光を反射光として取り出すことができる。また、例えば、コアに希土類などを添加した光ファイバーの両端近傍に上記所定の間隔で複数の屈折率変調領域を形成し、当該光ファバーに適切な励起光を導入すると、光ファイバーのコア内を伝搬した発光のうち、上記所定の間隔にて決まる波長を有する光を光ファイバー内で往復させて増幅できる。すなわち、レーザ発振を光ファイバー内にて実現できる。【０００４】
特許文献１には、光ファイバーのコア層にパルスレーザ光を照射して当該コア層において化学反応を起こさせることにより、コア層内に屈折率変調領域を形成する技術が開示されている。特許文献１では、１つの屈折率変調領域を形成した後、光ファイバーをグレーティング周期分だけ移動させ、コア層に再度パルスレーザ光を照射することにより、グレーティング周期だけ間隔を空けて複数の屈折率変調領域を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４２６１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１などに開示された従来の屈折率変調領域の形成方法では、光ファイバーのクラッドの外表面に設けられた保護用被膜を剥離した後に、光ファイバーのコア内部にパルスレーザ光を照射していた。この場合、潮解性を有する材料が光ファイバーに用いられていると、空気中の湿度により、屈折率変調領域の形成中に光ファイバーが劣化していた。また、さらなる劣化を防ぐために、屈折率変調領域を形成後に、光ファイバーの外周を保護用被膜などで再度被膜する必要があった。【０００７】
また、従来の形成方法では、パルスレーザ光をコア内部に十分に集光できなかったために、コア内部にて弱い反応しか発生できず、高い反射率を有する屈折率変調領域を形成することができなかった。そのため、レーザ発振器の発振媒体として十分な性能を発揮する光ファイバーを製造するために、コア内部に多数の屈折率変調領域を形成する必要があった。
コア内部に多数の屈折率変調領域を形成することは、コアの長さ方向の広範囲にわたって屈折率変調領域を形成することを意味する。従って、コア内部に多数の屈折率変調領域を形成すると、コアの長さ方向の特性変動のために、屈折率変調領域の特性（特に反射率）がコアの長さ方向で異なることとなり、波長選択性の高いレーザ発振を得ることが難しかった。
また、コア内部に多数の屈折率変調領域を形成する場合には、コア内部に繰り返しパルスレーザを照射する必要があるので、レーザ発振器の発振媒体としての光ファイバーの製造に時間がかかっていた。【０００８】
さらに、従来の形成方法では、パルスレーザ光をコア内部に十分に集光できなかったために、コア内部に形成される屈折率変調領域の長さ方向の幅が大きくなっていた。そのため、隣接する屈折率変調領域同士が重複しないよう、隣接する屈折率変調領域の間の距離を大きくする必要があった。
一般的に、光ファイバー内で発振できるレーザ光の波長は、隣接する屈折率変調領域の間の距離によって決まる。よって、従来の方法により屈折率変調領域を形成した光ファイバーにおいて短波長のレーザ光を発振させるには、高次の回折による反射を利用する必要があった。高次の回折による反射を利用した場合には、屈折率変調領域は、目的の波長以外の他の波長の光も（強く）反射するため、波長選択性の高いレーザ発振を得ることが難しかった。【０００９】
また、隣接する屈折率変調領域の間の距離を大きくする必要があるため、十分な反射率を有する光ファイバーを製造するには、コアの長さ方向の広範囲にわたり屈折率変調領域を形成する必要があり、上記と同様の問題を生じる。【００１０】
本発明の目的は、ファイバーブラッググレーティングを有する光ファイバーの製造方法において、屈折率変調領域の形成中に光ファイバーが劣化することを防止しつつ、高い反射率を有する屈折率変調領域を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係る光ファイバーの製造方法は、コア内部に屈折率変調領域を設けた光ファイバーの製造方法である。屈折率変調領域は、コアの屈折率とは異なる屈折率を有する領域である。光ファイバーの製造方法は、以下のステップを含む。
◎対物レンズとコート層との間に、コート層の屈折率と近い屈折率を有するマッチング層を配置するステップ。
◎反応光をコア内部に向けて照射して屈折率変調領域を形成するステップ。
上記において、対物レンズは、コアの屈折率を変化させる反応光を集光させるレンズである。コート層は、光ファイバーの最外周に設けられた樹脂製の層である。【００１２】
上記の製造方法においては、光ファイバーの最外周のコート層を剥離することなく、反応光のコア内部への照射を行っている。これにより、コア内部に屈折率変調領域を形成中に光ファイバーが劣化することを防止できる。また、屈折率変調領域を形成後に、コート層を再形成する必要がなくなる。【００１３】
また、対物レンズとコート層との間にマッチング層が配置されることにより、対物レンズとコート層との間の空間の屈折率を高くできる。その結果、対物レンズの開口数を高くして、コア内部に反応光を小さなスポット径にて集光できる。
反応光をコア内部に小さなスポット径にて集光することにより、コア内部の小さな領域に強度の強い反応光を照射できるので、大きな反射率を有する小さな屈折率変調領域をコア内部に形成できる。その結果、上記の製造方法による光ファイバーにおいては、コア内部の屈折率変調領域の形成数が少なくても十分な光反射を得られる。
また、コア内部の屈折率変調領域の形成数を少なくできるので、コアの長さ方向の広範囲にわたり屈折率変調領域を形成する必要がない。その結果、上記の製造方法による光ファイバーにおいては、光ファイバーの長さ方向の特性のバラツキに起因する屈折率変調領域のバラツキが少なく、発振できるレーザ光の波長選択性が高い。【００１４】
さらに、小さな屈折率変調領域をコア内部に形成できることにより、互いに隣接する屈折率変調領域の間の距離を小さくしても、これらの屈折率変調領域が重複しない。その結果、上記の製造方法による光ファイバーにおいては、短波長のレーザ光であっても低次の回折により反射できるので、発振できる短波長のレーザ光の波長選択性が高い。【００１５】
上記の製造方法において、反応光は、光ファイバー及びコート層にて吸収されない短波長を有する短パルスレーザ光であってもよい。これにより、コート層などを変質させることなく、反応光をコア内部により小さなスポット径にて集光できる。【００１６】
光ファイバーは、コアとコート層との間に配置され、コアの外周を覆うクラッドを有してもよい。この場合、当該クラッドは、その長さ方向とは垂直な断面形状において、少なくとも一つの直線部分を有してもよい。さらに、反応光は、クラッドの直線部分により形成される曲率を有さない平面に対して垂直に入射されてもよい。
これにより、コア内部で反応光のスポット形状が歪むことを抑制して、コア内部での反応光のスポット径を小さくできる。また、クラッド内部におけるコアの位置が光ファイバーの長さ方向で異なっていても、スポット形状を歪ませることなく、反応光をコア内部に集光できる。【００１７】
クラッドの断面形状は、Ｄ字形状、多角形、又は、Ｄ字形状の円周部分の一部を切り取った形状のいずれかであってもよい。これにより、コア内部で反応光のスポット形状が歪むことを抑制して、コア内部での反応光のスポット径を小さくできる。【００１８】
マッチング層は液状材料にて形成されてもよい。この場合、マッチング層は、その表面張力により対物レンズとコート層の間に配置されてもよい。
これにより、簡単な方法により、対物レンズとコート層の間にマッチング層を配置できる。【００１９】
上記の製造方法は、反応光をコアに照射した状態で、反応光をコアの長さ方向とは垂直な方向に移動させて屈折率変調領域を形成するステップをさらに含んでもよい。
これにより、コアの長さ方向とは垂直な方向の断面内の広い範囲に屈折率変調領域を形成できる。その結果、屈折率変調領域単位の反射率を高くできる。【００２０】
コアは、エルビウムをドープしたＺＢＬＡＮガラスであってもよい。これにより、コアを励起光により励起することで中赤外の波長の光を発生する光ファイバーを製造できる。【００２１】
マッチング層は、コート層の屈折率に近い屈折率を有してもよい。これにより、コート層とマッチング層との界面において発生する反応光の屈折を最小にして、コア内部に反応光を小さなスポット径にて集光できる。【００２２】
本発明の他の見地に係る光ファイバーは、コア内部にコアの屈折率とは異なる屈折率を有する屈折率変調領域を設けた光ファイバーである。この光ファイバーは、以下の方法によって製造される。
◎コアの屈折率を変化させる反応光を集光させる対物レンズと、光ファイバーの最外周に設けられた樹脂製のコート層との間に、コート層の屈折率と近い屈折率を有するマッチング層を配置するステップ。
◎反応光をコア内部に向けて照射して屈折率変調領域を形成するステップ。【００２３】
上記の製造方法により、コア内部に大きな反射率を有する小さな屈折率変調領域を形成できるので、上記の光ファイバーは、コア内部に屈折率変調領域を形成した領域の長さを短くできる。
また、上記の光ファイバーは、屈折率変調領域のバラツキが少ないので、レーザ光の発振効率が高く、かつ、発振できるレーザ光の波長選択性が高い。
さらに、上記の光ファイバーは、短波長のレーザ光であっても低次の回折により反射できる領域を有するので、発振できる短波長のレーザ光の波長選択性を高くできる。【００２４】
光ファイバーは、コアとコート層との間に配置されることでコアの外周を覆い、その長さ方向とは垂直な断面形状において少なくとも一つの直線部分を有するクラッドをさらに備えてもよい。これにより、コア内部に、大きな反射率を有する小さな屈折率変調領域を形成できる。【００２５】
クラッドの断面形状は、Ｄ字形状、多角形、又は、Ｄ字形状の円周部分の一部を切り取った形状のいずれかであってもよい。これにより、コア内部に、大きな反射率を有する小さな屈折率変調領域を形成できる。【００２６】
コアは、エルビウムをドープしたＺＢＬＡＮガラスであってもよい。これにより、光ファイバーは、コアを励起光により励起することで中赤外の波長の光を発生できる。【００２７】
コアは、複数の屈折率変調領域を有する第１グレーティング領域と、複数の屈折率変調領域を有し第１グレーティング領域から長さ方向に第２間隔を開けて配置される第２グレーティング領域と、を有してもよい。これにより、光ファイバーをレーザ発振器の媒体として用いることができる。【００２８】
第１グレーティング領域及び第２グレーティング領域に形成される互いに隣接する２つの屈折率変調領域は、第１間隔を有してもよい。これにより、光ファイバーは、第１間隔で決定される波長を有するレーザ光を発生できる。
【発明の効果】
【００２９】
屈折率変調領域の形成中に光ファイバーが劣化することを防止しつつ、高い反射率を有する屈折率変調領域を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】レーザ発振器の構成を示す図。
【図２】レーザ発振器で用いられる光ファイバーの詳細構成を示す図。
【図３Ａ】第１クラッドの断面形状の第１例を示す図。
【図３Ｂ】第１クラッドの断面形状の第２例を示す図。
【図３Ｃ】第１クラッドの断面形状の第３例を示す図。
【図３Ｄ】第１クラッドの断面形状の第４例を示す図。
【図４Ａ】屈折率変調領域の形成装置の全体図。
【図４Ｂ】形成装置における対物レンズの近傍の拡大図。
【図５Ａ】評価装置の構成の一例を示す図。
【図５Ｂ】評価装置の構成の他の例を示す図。
【図６】光ファイバーの製造方法を示すフローチャート。
【図７】反応光のスポットをコアの直径方向に移動したときに形成される屈折率変調領域の一例を示す図。
【図８】光ファイバーのグレーティング領域の光学顕微鏡像。
【図９】グレーティング領域の形成長さと反射率との関係を示す図。
【図１０】グレーティング領域の反射スペクトルを示す図。
【図１１Ａ】最適でない条件で形成した屈折率変調領域を含む第１グレーティング領域の散乱光強度を示す図。
【図１１Ｂ】最適条件で形成した屈折率変調領域を含む第２グレーティング領域の散乱光強度を示す図。
【図１２】第２実施形態に係る反応光の入射方法の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
１．第１実施形態
（１）レーザ発振器
以下、第１実施形態に係る、レーザ媒体及び共振器として機能する光ファイバー１５の製造方法について説明していく。まず、図１を用いて、本実施形態に係る製造方法により製造される光ファイバー１５が用いられるレーザ発振器１を説明する。図１に示すような、光ファイバー１５をレーザ媒体及び共振器として用いるレーザ発振器１は、ファイバーレーザとも呼ばれ、レーザ加工装置の光源として使用できる。図１は、レーザ発振器の構成を示す図である。
【００３２】
レーザ発振器１は、励起光源１１と、光導入部１３と、光ファイバー１５と、コリメータ１７と、を備える。
励起光源１１は、光ファイバー１５のクラッド１５３（後述）に入射する励起光Ｌ２を出力する半導体レーザである。クラッド１５３に入射された励起光Ｌ２がコア１５１を通過することで、コア１５１内で励起光Ｌ２が吸収される。その後、誘導放出により、コア１５１内部にて発光が増幅され、さらに光ファイバー１５内部を両端のミラーにより反射を繰り返すことにより、レーザ発振に至る。当該レーザ発振により生じる光の波長は、コア１５１にドープされた元素により定まる。
【００３３】
光導入部１３は、励起光源１１から出力した励起光Ｌ２を光ファイバー１５のクラッド１５３に導入する。光導入部１３は、励起光導波ファイバー１３１と、導入レンズ１３３と、を有する。
励起光導波ファイバー１３１は、励起光源１１から出力した励起光Ｌ２を導入レンズ１３３に導波する、例えば光ファイバーである。導入レンズ１３３は、光ファイバー１５の一端である入口Ｉの近傍に配置され、励起光導波ファイバー１３１により導波された励起光Ｌ２を、クラッド１５３に導入する。
【００３４】
光ファイバー１５は、本実施形態のレーザ発振器１において、レーザ媒体及び共振器として機能し、励起光Ｌ２の照射により発生したレーザ光Ｌ１を増幅させてレーザ発振させる。コリメータ１７は、光ファイバー１５の出口Ｏから出射したレーザ光Ｌ１を平行光線とするレンズである。
【００３５】
（２）光ファイバー
次に、図１及び図２を用いて、レーザ発振器１のレーザ媒体及び共振器として機能し、本実施形態に係る製造方法にて製造される光ファイバー１５を説明する。図２は、レーザ発振器で用いられる光ファイバーの詳細構成を示す図である。光ファイバー１５は、コア１５１と、クラッド１５３と、コート層１５５と、グレーティング領域１５７と、を有する。
【００３６】
コア１５１は、光導入部１３から導入した励起光Ｌ２により励起され、コア１５１にドープされた物質により決まる波長のレーザ光Ｌ１を発生する。すなわち、コア１５１は、レーザ発振器１のレーザ媒体として機能する。本実施形態において、コア１５１は、希土類元素をドープしたフッ化物ファイバーである。具体的には、希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）をドープしたＺＢＬＡＮガラスである。ＺＢＬＡＮガラスは、ジルコニウム（Ｚｒ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ナトリウム（Ｎａ）を主成分とするガラスある。
【００３７】
エルビウムをドープしたＺＢＬＡＮガラスをコア１５１の材料として用いることにより、コア１５１は、励起光Ｌ２により励起されることで、中赤外の波長（具体的には、２．８μｍ近辺）のレーザ光Ｌ１を発生できる。
【００３８】
クラッド１５３は、コア１５１の外周においてコア１５１を覆うように形成された、コア１５１の屈折率よりも小さな屈折率を有する層である。本実施形態において、クラッド１５３は、第１クラッド１５３ａと第２クラッド１５３ｂにより構成される。
第１クラッド１５３ａは、コア１５１の外周を覆うＺＢＬＡＮガラスである。第１クラッド１５３ａは、コア１５１よりも小さな屈折率を有する。そのため、第１クラッド１５３ａは、コア１５１内部で発生したレーザ光Ｌ１を、コア１５１との界面において反射することで、レーザ光Ｌ１をコア１５１内部に閉じ込める。
【００３９】
本実施形態において、図２に示すように、第１クラッド１５３ａは、長さ方向（図２）に垂直な方向の断面において、４辺（４つの直線部分）を有する四角形を有している。
【００４０】
なお、第１クラッド１５３ａは、長さ方向に垂直な方向の断面形状として四角形を有しているが、これに限られない。例えば、第１クラッド１５３ａを、円形（図３Ａ）、Ｄ字形状（図３Ｂ）、多角形（例えば、八角形（図３Ｃ））、Ｄ字形状の円周の一部を切り取った形状（図３Ｄ）などの断面形状とすることができる。
図３Ａは、第１クラッドの断面形状の第１例を示す図である。図３Ｂは、第１クラッドの断面形状の第２例を示す図である。図３Ｃは、第１クラッドの断面形状の第３例を示す図である。図３Ｄは、第１クラッドの断面形状の第４例を示す図である。
【００４１】
第２クラッド１５３ｂは、第１クラッド１５３ａの外周を覆う樹脂である。例えば、第２クラッド１５３ｂは、低屈折率フッ化物樹脂製である。第２クラッド１５３ｂは、第１クラッド１５３ａよりも小さな屈折率を有する。そのため、第２クラッド１５３ｂは、クラッド１５３に入射された励起光Ｌ２を、第１クラッド１５３ａとの界面において反射することで、励起光Ｌ２を第１クラッド１５３ａ及びコア１５１内部に閉じ込める。これにより、励起光Ｌ２を、第１クラッド１５３ａ及びコア１５１内部を複数回通過できる。
【００４２】
コート層１５５は、光ファイバー１５の最外周に設けられた樹脂（例えば、アクリル樹脂）製の被膜である。コート層１５５は、潮解性を有する光ファイバー１５（ＺＢＬＡＮガラス製の第１クラッド１５３ａ、コア１５１）と空気中の水分とが接触することを防止する層である。上記のコート層１５５により、光ファイバー１５が劣化することを防止できる。
【００４３】
（３）グレーティング領域
グレーティング領域１５７は、コア１５１を伝搬したレーザ光Ｌ１の一部を反射する領域である。本実施形態において、グレーティング領域１５７は、第１グレーティング領域１５７ａと、第２グレーティング領域１５７ｂと、を有する。
第１グレーティング領域１５７ａは、光ファイバー１５の励起光Ｌ２の入口Ｉの近傍において、コア１５１内部に形成される。図２に示すように、第１グレーティング領域１５７ａは、第１間隔Ｄ１を空けて形成された複数の屈折率変調領域ＨＲを含む。屈折率変調領域ＨＲは、コア１５１の屈折率とは異なる屈折率を有する領域である。すなわち、第１グレーティング領域１５７ａにおいては、屈折率が相対的に高い箇所と相対的に低い箇所が交互に配置される。
【００４４】
グレーティング領域１５７内のある屈折率変調領域ＨＲからの反射光と、第１間隔Ｄ１を空けて配置された隣接する屈折率変調領域ＨＲからの反射光とが同一箇所で同位相となっていれば、これら２つの反射光は、干渉により互いにその強度を強めることとなる。このような反射光の強度の強め合いがグレーティング領域１５７内で発生し、結果的に光反射が起こる。
【００４５】
第２グレーティング領域１５７ｂは、光ファイバー１５のレーザ光Ｌ１の出口Ｏ近傍において、コア１５１内部に形成される。すなわち、第２グレーティング領域１５７ｂは、第１グレーティング領域１５７ａから、コア１５１の長さ方向に、第２間隔Ｄ２を空けて形成される。図３に示すように、第２グレーティング領域１５７ｂは、第１グレーティング領域１５７ａと同様に、第１間隔Ｄ１を空けて形成された複数の屈折率変調領域ＨＲを含む。
【００４６】
従って、第２グレーティング領域１５７ｂは、第１グレーティング領域１５７ａにおける反射原理と同様の原理にて、コア１５１を出口Ｏ方向に伝搬してきたレーザ光Ｌ１のうち、第１間隔Ｄ１にて決まる波長のレーザ光Ｌ１の一部を、コア１５１の入口Ｉに向けて反射できる。出口Ｏ方向に伝搬してきたレーザ光Ｌ１のうち、第２グレーティング領域１５７ｂを通過したレーザ光Ｌ１が、出口Ｏから出力される。
なお、より多くのレーザ光Ｌ１を出口Ｏから出力するため、第２グレーティング領域１５７ｂにおけるレーザ光Ｌ１の反射率は、第１グレーティング領域１５７ａにおける反射率よりも小さいことが好ましい。具体的には、第２グレーティング領域１５７ｂの形成長さは、第１グレーティング領域１５７ａの形成長さよりも短いことが好ましい。
【００４７】
光ファイバー１５のコア１５１が、上記のように、励起光Ｌ２の入口Ｉ側に第１グレーティング領域１５７ａを有し、レーザ光Ｌ１の出口Ｏ側に第２グレーティング領域１５７ｂを有することで、特定波長を有するレーザ光Ｌ１を、第１グレーティング領域１５７ａと第２グレーティング領域１５７ｂとの間で増幅できる。すなわち、光ファイバー１５のいずれかの端部にミラーなどを配置することなく、コア１５１内でレーザ光Ｌ１のレーザ発振を実現できる。
【００４８】
また、十分な強度のレーザ発振を実現するために光ファイバー１５の端部近傍にミラーなどを配置する必要がないので、本実施形態の光ファイバー１５を備えるレーザ発振器１は、損失を少なくできる。その結果、より大きな強度のレーザ光Ｌ１を効率よく出力できる。
【００４９】
（４）屈折率変調領域の形成装置
以下、本実施形態に係る光ファイバー１５の製造方法（屈折率変調領域ＨＲの形成方法）について説明する。まず、図４Ａ及び図４Ｂを用いて、本実施形態に係る光ファイバー１５に屈折率変調領域ＨＲを形成する形成装置２００の構成を説明する。図４Ａは、屈折率変調領域の形成装置の全体図である。図４Ｂは、形成装置における対物レンズの近傍の拡大図である。
形成装置２００は、反応光源２０１と、移動台２０３と、対物レンズ２０５と、制御部２０９と、を主に備える。反応光源２０１は、反応光Ｌ３を出力する光源である。反応光Ｌ３は、コア１５１の当該反応光Ｌ３が照射された箇所において化学反応を起こさせて、当該箇所の屈折率を、コア１５１の屈折率と異ならせる。
【００５０】
従って、反応光Ｌ３は、コア１５１に対しては、屈折率を変調させる反応を起こさせるための十分なエネルギーを有することが好ましい。また、反応光Ｌ３をコア１５１内部で小さいスポット径にて集光させるには、反応光Ｌ３の波長は短い方が好ましい。
その一方で、反応光Ｌ３の経路となっている他の箇所、すなわち、光ファイバー１５のクラッド１５３及びコート層１５５に対しては、反応光Ｌ３は、これらと相互作用して吸収されないことが好ましい。すなわち、反応光Ｌ３の波長は、クラッド１５３及びコート層１５５と相互作用するような短波長でない方が好ましい。このため、反応光Ｌ３として、クラッド１５３及びコート層１５５にて吸収され相互作用しない最小の波長を有するものを選択する。
【００５１】
本実施形態においては、上記の光ファイバー１５に対する反応光Ｌ３の条件、及び、反応光源２０１として使用する光源の入手容易性等を考慮して、一般的な加工用レーザ（ＹＡＧレーザ）を反応光源２０１として用いた。また、当該反応光源２０１からの光を高調波変換して、波長５１５ｎｍの反応光Ｌ３を出力するようにした。
このように、反応光Ｌ３の波長を適切に選択することにより、クラッド１５３及びコート層１５５を変質させることなく、反応光Ｌ３をコア１５１内部により小さなスポット径にて集光できる。
【００５２】
また、反応光源２０１は、上記波長を有するフェムト秒の短パルスレーザ光（パルス幅：４００ｆｓ（フェムト秒））を、反応光Ｌ３として発生する。さらに、反応光Ｌ３の出力強度は、例えば、０．０１μＪ〜１μＪの範囲にて調整される。反応光Ｌ３の出力強度は、屈折率変調領域ＨＲを形成する光ファイバー１５の種類などに従って適宜調整される。
【００５３】
移動台２０３は、光ファイバー１５の長さ方向（図４ＡではＸ方向）、及び、それに垂直な高さ方向（図４ＡではＺ方向）に移動可能なステージである。移動台２０３として、ピエゾ素子などを駆動源とした移動台（ステージ）を用いることができる。これにより、光ファイバー１５をその長さ方向及び高さ方向に高精度に移動できるので、光ファイバー１５のコア１５１内部の正確な位置に屈折率変調領域ＨＲを形成できる。
【００５４】
また、移動台２０３は、その上部に、屈折率変調領域ＨＲを形成する光ファイバー１５を配置する。以下、図４Ｂを用いて、本実施形態の移動台２０３における光ファイバー１５の配置方法を説明する。
図４Ｂに示すように、移動台２０３の上面には、Ｘ方向に並んで一対の保持部材２０４が固定されている。一対の保持部材２０４は、Ｘ方向（長さ方向）に若干の張力を加えた状態で、光ファイバー１５を２箇所で保持するクランプである。光ファイバー１５の長さ方向（Ｘ方向）に張力を加えることにより、光ファイバー１５が保持部材２０４の間で撓んだ状態で保持されることを回避できる。
【００５５】
対物レンズ２０５は、光路変更部材２０７（例えば、プリズムミラー）を介して、反応光源２０１から伝搬された反応光Ｌ３の焦点をコア１５１内に結ぶレンズである。また、図４Ｂに示すように、対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間には、マッチング層ＭＬが配置されている。
【００５６】
マッチング層ＭＬは、例えば、光学顕微鏡において「液浸対物レンズ」を形成するために用いられるイマージョンオイル（カーギル標準屈折液）（液状材料の一例）により形成される。マッチング層ＭＬの屈折率は、空気の屈折率（１．０）よりも大きいことが好ましく、１．３〜１．６の範囲がより好ましく、コート層１５５の屈折率に近い１．５程度が最も好ましい。空気よりも大きい屈折率により、マッチング層ＭＬは、対物レンズ２０５の開口数を増大できる。本実施形態では、マッチング層ＭＬとして、屈折率が１．５程度であるイマージョンオイルを用いている。
また、イマージョンオイルであるマッチング層ＭＬは、その表面張力により、対物レンズ２０５及び光ファイバー１５のコート層１５５に保持されている。上記の構成により、対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間は、空気よりも屈折率が高い状態となる。
【００５７】
制御部２０９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶装置（ＳＳＤ、ハードディスクなど）、各種インターフェースを備えたコンピュータシステムと、反応光源２０１の制御部と、移動台２０３の制御部と、により構成され、上記の反応光源２０１、移動台２０３、及び対物レンズ２０５を制御する。
なお、反応光源２０１の制御部、及び、移動台２０３の制御部は、制御部２０９のコンピュータシステムにおいてプログラム（当該プログラムは、コンピュータシステムの記憶装置に記憶されている）を実行することにより制御されてもよい。
【００５８】
形成装置２００は、さらに、光路変更部材２０７の上部に図示しないカメラを備える。このカメラにより、対物レンズ２０５を介して、反応光Ｌ３により形成された加工痕を観察することができる。その結果、コア１５１の適切な位置に反応光Ｌ３を照射できる。
【００５９】
また、形成装置２００は、光ファイバー１５の片側からコア１５１に白色光を導入する白色光源（図示せず）を備える。白色光をコア１５１に導入することにより、光ファイバー１５の反射あるいは透過スペクトルの観察が可能となる。その結果、形成装置２００による製造中に、形成されたグレーティング領域１５７の品質を確認することが可能となり、製造時間の短縮とともに、グレーティング領域１５７の品質を安定化させることができる。
【００６０】
さらに、他の実施形態において、形成装置２００において、クラッド１５３に励起光Ｌ２を導入することにより発生したレーザ発振出力を測定することで、形成されたグレーティング領域１５７の評価を行ってもよい。具体的には、形成装置２００に、後述する評価装置３００を導入することにより、励起光Ｌ２を用いたグレーティング領域１５７の評価を実行できる。
【００６１】
さらなる他の実施形態において、移動台２０３はＹ方向にも移動可能であってもよい。これにより、コア１５１の断面において二次元形状の屈折率変調領域ＨＲを形成できる。
【００６２】
上記の構成を有することにより、本実施形態に係る形成装置２００は、移動台２０３及び／又は対物レンズ２０５により反応光Ｌ３の焦点位置を移動させて、光ファイバー１５のコア１５１内部の任意の位置の屈折率を異ならせることができる。その結果、コア１５１内部に任意の形態の屈折率変調領域ＨＲを形成できる。
【００６３】
（５）光ファイバーの評価装置
以下、図５Ａを用いて、上記の形成装置２００を用いて形成したグレーティング領域１５７を有する光ファイバー１５の評価装置３００を説明する。図５Ａは、評価装置の構成の一例を示す図である。
図５Ａに示すように、評価装置３００は、上記の形成装置２００に組み込まれている。従って、評価装置３００は、形成装置２００にてグレーティング領域１５７を形成しながら白色光Ｌ４をクラッド１５３に入射し、グレーティング領域１５７を透過した透過光Ｌ１’のスペクトル強度を測定することで、レーザ発振媒体としての光ファイバー１５の性能を評価できる。
【００６４】
評価装置３００は、白色光源３０１と、光導波ファイバー３０３と、導入部３０５と、第１光測定部３０７と、を備える。白色光源３０１は、白色光Ｌ４を出力する。本実施形態において、白色光Ｌ４は、光ファイバー１５で励起できる光の波長を含む、１０００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲の波長を有する。白色光源３０１としては、例えば、白色光ＬＥＤ光源、白色電灯などを用いることができる。
【００６５】
光導波ファイバー３０３は、白色光源３０１から出力した白色光Ｌ４を、導入部３０５に導波する光ファイバーである。導入部３０５は、光ファイバー１５のグレーティング領域１５７が形成されている一端とは反対側の他端近傍に配置され、白色光Ｌ４を当該他端からクラッド１５３に導入する。第１光測定部３０７は、グレーティング領域１５７を通過した透過光Ｌ１’のスペクトル強度を測定する、例えば、光スペクトルアナライザである。
【００６６】
評価装置３００の他の例として、図５Ｂに示すような、グレーティング領域１５７にて反射した反射光Ｌ１’’のスペクトル強度を測定する構成を有するものを使用できる。図５Ｂは、評価装置の他の例を示す図である。
図５Ｂに示すように、反射光Ｌ１’’を測定する評価装置３００’においては、導入部３０５にミラー３０５ａが設けられる。ミラー３０５ａは、ハーフミラー、ダイクロイックミラーなどであり、グレーティング領域１５７にて反射された反射光Ｌ１’’を白色光Ｌ４とは異なる方向に反射する。その一方、ミラー３０５ａは、白色光Ｌ４を透過させる。
【００６７】
また、評価装置３００’は、第２光測定部３０９を有する。第２光測定部３０９は、グレーティング領域１５７にて反射され、ミラー３０５ａにより反射された反射光Ｌ１’’のスペクトル強度を測定する、例えば、光スペクトルアナライザである。
【００６８】
（６）光ファイバーの製造方法
次に、図６を用いて、上記の形成装置２００を用いた本実施形態に係る屈折率変調領域ＨＲの形成方法（光ファイバー１５の製造方法）を説明する。図６は、光ファイバーの製造方法を示すフローチャートである。
最初に、屈折率変調領域ＨＲを形成する光ファイバー１５を、コート層１５５を剥離することなく、形成装置２００の保持部材２０４にて保持する。すなわち、本実施形態においては、光ファイバー１５にコート層１５５が被膜された状態で、反応光Ｌ３をコア１５１に照射して屈折率変調領域ＨＲを形成する。
【００６９】
光ファイバー１５を移動台２０３に設置後、ステップＳ１において、対物レンズ２０５を光ファイバー１５に近づけて、対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間にマッチング層ＭＬを配置する。
具体的には、対物レンズ２０５と光ファイバー１５との隙間に、マッチング層ＭＬを形成するためのイマージョンオイルを注入する。これにより、イマージョンオイル、すなわち、マッチング層ＭＬは、互いに近接して配置された対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間に、その表面張力により保持される。
このように、マッチング層ＭＬを形成する材料を液状とすることで、その表面張力を用いて、対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間に、屈折率の低い空気の層を形成することなく、簡単にマッチング層ＭＬを形成できる。
【００７０】
対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間にマッチング層ＭＬを配置後、ステップＳ２において、反応光源２０１から反応光Ｌ３を発生させる。反応光源２０１が発生した反応光Ｌ３は、対物レンズ２０５を通過後、マッチング層ＭＬ内部を伝搬する。マッチング層ＭＬの屈折率は１．５程度と、コート層１５５（対物レンズ２０５、クラッド１５３）の屈折率と近い。従って、マッチング層ＭＬとコート層１５５との界面における屈折は、マッチング層ＭＬを配置しない場合の空気とコート層１５５との界面における屈折よりも小さくなる。
【００７１】
マッチング層ＭＬとコート層１５５との界面における反応光Ｌ３の屈折を小さくすることで対物レンズ２０５の開口数を大きくできるので、反応光Ｌ３を小さなスポット径にてコア１５１内部に集光できる。
【００７２】
反応光Ｌ３をコア１５１内部に照射した状態で、ステップＳ３において、移動台２０３をＺ方向（コア１５１の長さ方向とは垂直な方向の一例）に移動させる。これにより、反応光Ｌ３のスポットＳＰが、コア１５１内部をコア１５１の直径方向に移動する。
また、反応光Ｌ３のスポットＳＰをＺ方向に移動させるときの移動速度は、短パルスの反応光Ｌ３を反応光源２０１から出力する頻度（周波数）、及び／又は、光ファイバー１５を構成する材料等に基づいて決定される。本実施形態においては、上記移動速度を３０μｍ〜３ｍｍ／秒の範囲とした。本実施形態では、反応光Ｌ３を上記移動速度にて移動させて、反応光Ｌ３をコア１５１（コア１５１の径：１５μｍ）内をＺ方向に１〜１００回往復させている。
【００７３】
さらに、反応光Ｌ３のＺ方向の移動範囲（屈折率変調領域ＨＲの形成範囲）は、コア１５１内部のみならず、第１クラッド１５３ａの一部まで及んでいることが好ましい。例えば、コア１５１からレーザ光Ｌ１の半波長分だけ、第１クラッド１５３ａ側へ移動範囲を拡げることが好ましい。
【００７４】
スポットＳＰをＺ方向に移動することにより、図７に示すように、コア１５１の長さ方向とは垂直な断面内（Ｙ−Ｚ平面内）において、Ｚ方向に延びる屈折率変調領域ＨＲを形成できる。その結果、屈折率変調領域ＨＲ単位の反射率をより高くできる。図７は、反応光のスポットをコアの直径方向に移動したときに形成される屈折率変調領域の一例を示す図である。
【００７５】
また、反応光Ｌ３のスポットＳＰをＺ方向に移動させるときの移動速度を所定の範囲に設定することにより、Ｚ方向に対して均質な屈折率変調領域ＨＲを形成できる。
なお、スポットＳＰの移動速度が上記の範囲内にない場合には、屈折率変調領域ＨＲがＺ方向に対して不均質となる。後述するように、不均質な屈折率変調領域ＨＲは、レーザ光Ｌ１を散乱してしまい、光ファイバー１５内におけるレーザ発振効率を低下させる。
【００７６】
さらに、反応光Ｌ３のＺ方向の移動範囲を第１クラッド１５３ａの一部まで拡げることで、第１クラッド１５３ａの一部まで屈折率変調領域ＨＲを延ばすことができる。
コア１５１と第１クラッド１５３ａとの界面でレーザ光Ｌ１が反射する際、レーザ光Ｌ１は、コア１５１の外周からレーザ光Ｌ１の半波長分程度、第１クラッド１５３ａに漏れ出す。従って、第１クラッド１５３ａ側へ屈折率変調領域ＨＲを延ばすことにより、第１クラッド１５３ａに漏れ出したレーザ光Ｌ１に対しても、屈折率変調領域ＨＲによる反射をさせることができる。
【００７７】
上記ステップＳ２及びＳ３を実行して１つの屈折率変調領域ＨＲを形成後、ステップＳ４において、さらに屈折率変調領域ＨＲを形成するか否かを判断する。
本実施形態では、屈折率変調領域ＨＲの形成を継続するか否かは、屈折率変調領域ＨＲの形成数が予め決められた数となったか否かにより決定する。
他の実施形態において、グレーティング領域１５７が形成された光ファイバー１５にて発生するレーザ発振出力の大きさを、屈折率変調領域ＨＲの形成を継続するか否かの判断基準としてもよい。
さらに他の実施形態において、グレーティング領域１５７の反射スペクトルを、屈折率変調領域ＨＲの形成を継続するか否かの判断基準としてもよい。例えば、グレーティング領域１５７にて反射された特定の波長を有する光の強度が所望の大きさとなったか否かを、屈折率変調領域ＨＲの形成を継続するか否かの判断基準としてもよい。その他、当該光のスペクトル形状（当該光のピーク波長、スペクトルの半値幅、サイドローブの有無など）を判断基準としてもよい。
【００７８】
上記の判断基準に基づいて、屈折率変調領域ＨＲの形成を継続しないと決定した場合（ステップＳ４で「Ｎｏ」）、屈折率変調領域ＨＲの形成プロセスを終了する。
一方、屈折率変調領域ＨＲの形成を継続すると決定した場合（ステップＳ４で「Ｙｅｓ」）、ステップＳ５において反応光Ｌ３の照射を停止する。その後、ステップＳ６において、移動台２０３をＸ方向に移動させて、光ファイバー１５を第１間隔Ｄ１だけ長さ方向に移動させる。
【００７９】
光ファイバー１５を第１間隔Ｄ１だけ長さ方向に移動後、当該長さ方向の位置にて、上記のステップＳ２〜Ｓ４を実行し、他の屈折率変調領域ＨＲを形成する。
上記のステップＳ１〜Ｓ６を繰り返し実行することにより、グレーティング領域１５７において、互いに隣接する屈折率変調領域ＨＲの間隔を第１間隔Ｄ１だけ空けて、複数の屈折率変調領域ＨＲを形成できる。
【００８０】
（７）実施例
（７−１）実施例における屈折率変調領域の形成条件
以下、上記のステップＳ１〜Ｓ６を形成装置２００にて実行して製造した光ファイバー１５の実施例について説明する。まず、実施例における屈折率変調領域ＨＲの形成条件について説明する。
グレーティング領域１５７を形成する光ファイバー１５は、断面形状が四角形であるコア１５１にエルビウムをドープしたＺＢＬＡＮガラス製のものを用いた。また、実施例で用いた光ファイバー１５は、第１クラッド１５３ａがＺＩＢＬＡＮガラス、第２クラッド１５３ｂが樹脂であるダブルクラッドの光ファイバーである。
【００８１】
マッチング層ＭＬは、低自家蛍光のイマージョンオイル（屈折率：１．５１５、粘度：４５０ｍｍ２／ｓ、オリンパス（登録商標）製）を、対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間に表面張力により保持させた。
【００８２】
屈折率変調領域ＨＲは、パルス幅が４００ｆｓ、波長が５１５ｎｍである反応光Ｌ３を用いて形成した。反応光Ｌ３の強度は、反応光Ｌ３による照射痕を確認しながら０．５μＪ付近にて調整した。
【００８３】
互いに隣接する屈折率変調領域ＨＲの間隔（第１間隔Ｄ１）を９７０ｎｍとした。この間隔は、エルビウムドープしたＺＢＬＡＮガラスのコア１５１にて励起されるレーザ光Ｌ１（波長：約２．８μｍの中赤外光）を、一次の回折を利用して反射できるものである。また、反応光Ｌ３のスポットＳＰのＺ方向の移動速度は、３０μｍ／秒とした。本実施例においては、反応光Ｌ３のスポットＳＰを上記移動速度にてＺ方向に１往復させて、屈折率変調領域ＨＲを形成した。
【００８４】
（７−２）評価結果
（７−２−１）グレーティング領域の光学顕微鏡像
以下、実施例において製造したグレーティング領域１５７を有する光ファイバー１５の評価結果を説明する。まず、図８を用いて、光ファイバー１５に形成されたグレーティング領域１５７の光学顕微鏡像について説明する。図８は、光ファイバーのグレーティング領域の光学顕微鏡像である。
【００８５】
図８の光学顕微鏡像において、グレーティング領域１５７は、コア１５１の長さ方向とは垂直な線状（縦線状）の明暗が現れている部分に対応する。グレーティング領域１５７に対応する箇所において縦線状の明暗が明確であることから、上記の製造条件を用いて、コア１５１の直径方向に均質な屈折率変調領域ＨＲが形成されていることが分かる。
【００８６】
上記のように、光学顕微鏡観察により、グレーティング領域１５７の形成状態を視覚的に確認することができる一方、グレーティング領域１５７及び屈折率変調領域ＨＲの微視的な構造を精度よく特定することは困難である。
グレーティング領域１５７及び屈折率変調領域ＨＲの微視的な構造を特定する方法としては、例えば、電子顕微鏡観察などが考えられるが、これらを電子顕微鏡観察するにはコア１５１の一部を外部に取り出す必要がある。コア１５１の一部を外部に取り出すためには、クラッド１５３の剥離などが必要であり、電子顕微鏡観察までの作業により、グレーティング領域１５７及び屈折率変調領域ＨＲの微視的な構造は破壊される可能性が大きい。また、ＺＢＬＡＮガラスなどの潮解性を有する材料で形成された光ファイバーの場合には、屈折率変調領域ＨＲを外部に取り出すまでに屈折率変調領域ＨＲが変質してしまい、その構造が変化する。
【００８７】
以上のように、屈折率変調領域ＨＲの構造を特定することには不可能・非実際的事情があるので、本実施形態では、グレーティング領域１５７の光学特性に基づく性能評価をすることにより、形成した屈折率変調領域ＨＲを評価した。
【００８８】
（７−２−２）グレーティング領域の形成長さと反射率との関係
次に、グレーティング領域１５７の形成長さと、グレーティング領域１５７によるレーザ光Ｌ１の反射率との関係を用いて、上記の条件にて製造したグレーティング領域１５７の性能評価を行った。
グレーティング領域１５７の形成長さとグレーティング領域１５７によるレーザ光Ｌ１の反射率との関係は、上記の評価装置３００を用いて得た。具体的には、屈折率変調領域ＨＲを形成装置２００により形成しながら、白色光Ｌ４をクラッド１５３に入射し、形成されたグレーティング領域１５７を透過した白色光Ｌ４のうち、レーザ光Ｌ１に対応する波長（２．８μｍ）の光成分の強度を第１光測定部３０７により測定し、透過前の白色光Ｌ４のレーザ光Ｌ１に対応する波長の光成分の強度と、第１光測定部３０７にて測定したレーザ光Ｌ１に対応する波長の光成分の強度との差分を、透過前の白色光Ｌ４のレーザ光Ｌ１に対応する波長の光成分の強度にて除算することで反射率を算出した。
【００８９】
実施例における、グレーティング領域１５７の形成長さとレーザ光Ｌ１の反射率との関係を、図９に示す。図９に示すように、形成長さが２．０ｍｍ程度であっても、グレーティング領域１５７の反射率は１近くになっている。これは、上記の屈折率変調領域ＨＲの形成条件を用いることで、グレーティング領域１５７に含まれる１つの屈折率変調領域ＨＲが有する反射率を高くできることを示している。また、形成長さが短いグレーティング領域１５７でも、十分な強度のレーザ光Ｌ１を得られることを示している。
【００９０】
（７−２−３）グレーティング領域の透過スペクトル
次に、グレーティング領域１５７を透過する白色光Ｌ４のスペクトル（グレーティング領域の透過スペクトル）による、グレーティング領域１５７の性能評価を行った。グレーティング領域１５７の反射スペクトルは、上記の評価装置３００を用いて得た。具体的には、グレーティング領域１５７を透過した白色光Ｌ４に含まれる各波長の成分強度を第１光測定部３０７により測定し、透過前の白色光Ｌ４に含まれる各波長の成分強度と、第１光測定部３０７にて測定した白色光Ｌ４の対応する波長成分の強度との商を、当該波長における透過率として算出した。その後、上記透過率の算出を、白色光Ｌ４に含まれる全波長に対して繰り返し実行して透過スペクトルとした。
【００９１】
実施例における、グレーティング領域１５７の透過スペクトルを、図１０に示す。図１０に示すように、特定の１つの波長（２．８μｍ）のみにおいて、グレーティング領域１５７の透過率が顕著に小さくなっていることが分かる。すなわち、１つの波長においてグレーティング領域１５７の反射率が顕著に大きくなっている。これは、上記の屈折率変調領域ＨＲの形成条件を用いることで、反射する光の波長選択性が高いグレーティング領域１５７を形成できることを示している。
【００９２】
すなわち、実施例のグレーティング領域１５７は、２．８μｍの波長を有するレーザ光Ｌ１を、一次の回折を使用した反射にて反射できていることを示している。さらに言い換えると、互いに隣接する屈折率変調領域ＨＲの第１間隔Ｄ１を、上記波長のレーザ光Ｌ１を一次の回折を使用して反射できる間隔（９７０ｎｍ）としても、隣接する屈折率変調領域ＨＲ同士が重複することなく、屈折率変調領域ＨＲが適切に形成されていることを示している。
【００９３】
（７−２−４）屈折率変調領域の均質性評価
グレーティング領域１５７に形成された屈折率変調領域ＨＲの均質性の形成条件依存性について、光学顕微鏡像以外の方法で評価した。具体的には、図２に示す光ファイバー１５の第１グレーティング領域１５７ａにおいて、反応光Ｌ３のフルエンス（反応光Ｌ３の強度／スポット径）を過剰に大きくした最適でない条件にて屈折率変調領域ＨＲを形成した。その一方、第２グレーティング領域１５７ｂにおいて、上記の最適条件で屈折率変調領域ＨＲを形成した。その後、第１グレーティング領域１５７ａ側（入口Ｉ側）から赤色光（波長：６５０ｎｍ）を入射してコア１５１中を伝搬させて、各グレーティング領域１５７ａ、１５７ｂにおける上記赤色光の散乱光強度を測定した。
【００９４】
図１１Ａに、最適でない条件で形成した屈折率変調領域ＨＲを含む第１グレーティング領域１５７ａの散乱光強度を示す。また、図１１Ｂに、最適条件で形成した屈折率変調領域ＨＲを含む第２グレーティング領域１５７ｂの散乱光強度を示す。
【００９５】
図１１Ａに示すように、上記の第１グレーティング領域１５７ａでは、入射した赤色光の散乱が顕著であった。一方、図１１Ｂに示すように、上記の第２グレーティング領域１５７ｂでは、赤色光の散乱が見られなかった。図１１Ａに示すように、光が散乱することは、コア１５１の長さ方向以外の方向にも光が反射されていることを意味し、屈折率変調領域ＨＲが不均質に形成されていると予測される。このように、屈折率変調領域ＨＲの形成条件が最適化されておらず、屈折率変調領域ＨＲがコア１５１内部で不均質であると、グレーティング領域１５７でレーザ光Ｌ１が散乱して、コア１５１内部を伝搬できるレーザ光Ｌ１の割合が減少することが分かる。すなわち、屈折率変調領域ＨＲがコア１５１内部において不均質であると、レーザ光Ｌ１の発振効率が低下する。
【００９６】
その逆に、図１１Ｂに示すように、光の散乱がほとんど見られないことは、コア１５１の長さ方向以外の光反射が少ないことを意味し、屈折率変調領域ＨＲが均質に形成されていると予測される。このように、屈折率変調領域ＨＲの形成条件を最適化することで、屈折率変調領域ＨＲをコア１５１内部で均質にできると、グレーティング領域１５７でレーザ光Ｌ１が散乱せず、コア１５１内部を伝搬できるレーザ光Ｌ１の割合を大きくできる。すなわち、屈折率変調領域ＨＲがコア１５１内部において均質であると、レーザ光Ｌ１の発振効率を高くできる。
【００９７】
（８）まとめ
上記の評価結果から、本実施形態に係る屈折率変調領域ＨＲの形成方法は、従来の方法と比較して、以下のような有利点があることが分かる。上記のように、本実施形態においては、光ファイバー１５にコート層１５５が被膜された状態で、対物レンズ２０５とコート層１５５との間にマッチング層ＭＬを配置することで、レーザ媒体及び発振器として十分な性能を有する光ファイバー１５を製造できている。
コート層１５５を剥離することなく屈折率変調領域ＨＲを形成することで、コア１５１内部に屈折率変調領域ＨＲを形成中に、光ファイバー１５が劣化することを防止できる。また、屈折率変調領域ＨＲを形成後に、コート層１５５を再形成する必要がなくなる。
【００９８】
また、本実施形態では、屈折率変調領域ＨＲの形成において、対物レンズ２０５と光ファイバー１５のコート層１５５との間に、屈折率が１．５程度のマッチング層ＭＬを配置することにより、対物レンズ２０５の開口数を大きくして、反応光Ｌ３のコア１５１内部でのスポット径を小さくできる。
さらに、反応光Ｌ３の波長として、コート層１５５及びクラッド１５３にて吸収されない最小の波長である５１５ｎｍを選択することで、コート層１５５及びクラッド１５３を反応光Ｌ３により劣化させることなく、反応光Ｌ３をさらに小さなスポット径にてコア１５１内部に集光できる。
【００９９】
上記のようにして反応光Ｌ３を小さなスポット径にてコア１５１内部に集光することは、コア１５１内部に大きなフルエンスの反応光Ｌ３を照射できることを意味する。すなわち、上記のようにして反応光Ｌ３を小さなスポット径にてコア１５１内部に集光することによって、コア１５１の反応光Ｌ３が照射された部分に、屈折率を変化させる反応を集中的に強く発生させることができる。その結果、高い反射率を有し、かつ、サイズの小さな屈折率変調領域ＨＲをコア１５１内部に形成できる。
【０１００】
高い反射率を有し、かつ、サイズの小さな屈折率変調領域ＨＲをコア１５１内部に形成できると、グレーティング領域１５７における屈折率変調領域ＨＲの形成数を少なくしても、レーザ発振させるには十分な反射率を有するグレーティング領域１５７を形成できる。
【０１０１】
上記のように、本実施形態に係る製造方法を用いた場合、形成長さが少なくとも１．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度のグレーティング領域１５７を有する光ファイバー１５であれば、ファイバーレーザのレーザ媒体及び共振器として十分な性能を有する。グレーティング領域１５７の形成長さを短くできれば、グレーティング領域１５７を有する光ファイバー１５の製造時間を短縮できる。
【０１０２】
また、グレーティング領域１５７の形成長さを短くできることにより、品質の安定したグレーティング領域１５７を形成できる。なぜなら、グレーティング領域１５７の形成長さが長くなると、光ファイバー１５の構造のゆがみ（捻れ、コア１５１の位置の偏りなど）の影響を受けて、グレーティング領域１５７の特性が長さ方向の位置によって異なることがあるからである。
【０１０３】
さらに、サイズの小さな屈折率変調領域ＨＲをコア１５１内部に形成できる本実施形態に係る方法は、従来の方法と比較して、隣接する屈折率変調領域ＨＲ同士がコア１５１の長さ方向において重複することを回避できる。その結果、隣接する屈折率変調領域ＨＲの間隔（第１間隔Ｄ１）を、中赤外のレーザ光Ｌ１を一次の回折を使用して反射させるための間隔（１μｍ程度）としても、隣接する屈折率変調領域ＨＲが重複しない。
【０１０４】
隣接する屈折率変調領域ＨＲの第１間隔Ｄ１を、一次の回折を使用して反射させるための間隔としても屈折率変調領域ＨＲが重複しないことにより、第１間隔Ｄ１で決まる特定の波長のみを有するレーザ光Ｌ１を発振できる。すなわち、スペクトル特性に優れた理想的なレーザ光を出力できる。
【０１０５】
また、本実施形態に係る製造方法は、均質な屈折率変調領域ＨＲをコア１５１内部に形成できる。その結果、屈折率変調領域ＨＲにおいてレーザ光Ｌ１の散乱が生じないので、指向性が強く、かつ、スペクトル特性に優れた理想的なレーザ光を出力できる。
【０１０６】
２．第２実施形態
上記の第１実施形態においては、第１クラッド１５３ａの長さ方向に垂直な方向の断面形状として、円形、Ｄ字形状、多角形、星形などの任意の断面形状とすることができるとしていたが、これに限られない。コア１５１に屈折率変調領域ＨＲを形成する反応光Ｌ３は、図１２に示すように、第１クラッド１５３ａの曲率を有さない平面から垂直に入射させることが好ましい。図１２は、第２実施形態に係る反応光の入射方法の一例を示す図である。
【０１０７】
従って、第１クラッド１５３ａに曲率を有さない平面を形成するために、第１クラッド１５３ａは、長さ方向に垂直な方向の断面形状において、少なくとも１つの直線部分を有することが好ましい。すなわち、第１クラッド１５３ａの断面形状は、Ｄ字形状、多角形（例えば、四角形、八角形など）などが好ましい。
【０１０８】
第１クラッド１５３ａの曲率を有さない平面から垂直に反応光Ｌ３を入射することで、コア１５１内部で反応光Ｌ３のスポット形状が歪むことを抑制して、コア１５１内部における反応光Ｌ３のスポット形状を小さくできる。また、第１クラッド１５３ａ内部におけるコア１５１の位置が、光ファイバー１５の長さ方向で異なっていても、スポット形状を歪ませることなく、反応光Ｌ３をコア１５１内部に適切に集光できる。
【０１０９】
３．実施形態の共通事項
上記第１実施形態及び第２実施形態は、下記の構成及び機能を共通に有している。
光ファイバー１５（光ファイバーの一例）の製造方法は、コア１５１（コアの一例）内部に、コア１５１の屈折率とは異なる屈折率を有する屈折率変調領域ＨＲ（屈折率変調領域の一例）を設けた光ファイバーの製造方法である。光ファイバー１５の製造方法は、以下のステップを含む。
◎コア１５１の屈折率を変化させる反応光Ｌ３（反応光の一例）を集光させる対物レンズ２０５（対物レンズの一例）と光ファイバー１５の最外周に設けられた樹脂製のコート層１５５（コート層の一例）との間に、コート層１５５の屈折率と近い屈折率を有するマッチング層ＭＬ（マッチング層の一例）を配置するステップ（例えば、ステップＳ１）。
◎反応光Ｌ３をコア１５１内部に向けて照射して、屈折率変調領域ＨＲを形成するステップ（例えば、ステップＳ２〜Ｓ６）。
【０１１０】
上記の製造方法においては、光ファイバー１５の最外周のコート層１５５を剥離することなく、反応光Ｌ３のコア１５１内部への照射を行っている。これにより、コア１５１内部に屈折率変調領域ＨＲを形成中に光ファイバー１５が劣化することを防止できる。また、屈折率変調領域ＨＲを形成後に、コート層１５５を再形成する必要がなくなる。
【０１１１】
また、対物レンズ２０５とコート層１５５との間にマッチング層ＭＬが配置されることにより、対物レンズ２０５とコート層１５５との間の空間の屈折率を空気よりも高くできる。その結果、対物レンズ２０５の開口数を高くして、コア１５１内部に反応光Ｌ３を小さなスポット径にて集光できる。
反応光Ｌ３をコア１５１内部に小さなスポット径にて集光することにより、コア１５１内部の小さな領域に強度の強い反応光Ｌ３を照射できるので、大きな反射率を有する小さな屈折率変調領域ＨＲを、コア１５１内部に形成できる。その結果、上記の製造方法による光ファイバー１５においては、コア１５１内部の屈折率変調領域ＨＲの形成数が少なくても十分な光反射を得られる。
【０１１２】
また、コア内部の屈折率変調領域の形成数を少なくできるので、コアの長さ方向の広範囲にわたり屈折率変調領域ＨＲを形成する必要がない。その結果、上記の製造方法による光ファイバー１５においては、光ファイバー１５の長さ方向の特性のバラツキに起因する屈折率変調領域ＨＲのバラツキが少なく、発振できるレーザ光の波長選択性が高い。
【０１１３】
さらに、小さな屈折率変調領域ＨＲをコア１５１内部に形成できることにより、互いに隣接する屈折率変調領域ＨＲの間の距離を小さくしても、これらの屈折率変調領域ＨＲが重複しない。その結果、上記の製造方法による光ファイバー１５においては、短波長のレーザ光であっても低次の回折により反射できるので、発振できる短波長のレーザ光の波長選択性が高い。
【０１１４】
４．他の実施形態
以上、本発明の一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るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
例えば、レーザ発振器１にて出力したいレーザ光Ｌ１の波長に応じて、光ファイバー１５の材料、及び、互いに隣接する屈折率変調領域ＨＲ間の第１間隔Ｄ１を、適宜変更できる。また、光ファイバー１５の材料の光学的特性などに応じて、屈折率変調領域ＨＲの形成条件（例えば、反応光Ｌ３の波長、照射時間、強度など）を適宜変更できる。
【０１１５】
（Ａ）上記の第１実施形態及び第２実施形態に係る屈折率変調領域ＨＲを形成する方法は、例えば、反応光Ｌ３により屈折率変調を誘起できるものであれば、フッ化物ファイバー以外にも適用できる。例えば、光ファイバーに限らず様々な光導波路へも応用できる。
【０１１６】
（Ｂ）移動台２０３は、光ファイバー１５の長さ方向（Ｘ方向）、及び、高さ方向（Ｚ方向）に加えて、光ファイバー１５の直径方向（Ｙ方向）にも移動可能であってもよい。この場合、コア１５１に屈折率変調領域ＨＲを形成中に、反応光Ｌ３を光ファイバー１５の高さ方向及び直径方向（すなわち、Ｙ−Ｚ平面内）に二次元的に移動させてもよい。これにより、光ファイバー１５の長さ方向に垂直な断面において二次元的な屈折率変調領域ＨＲを形成できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明は、光ファイバーをレーザ媒体及び共振器とするレーザ発振器に広く適用できる。
【符号の説明】
【０１１８】
１     レーザ発振器
１１   励起光源
１３   光導入部
１３１ 励起光導波ファイバー
１３３ 導入レンズ
１５   光ファイバー
１５１ コア
１５３ クラッド
１５３ａ      第１クラッド
１５３ｂ      第２クラッド
１５５ コート層
１５７ グレーティング領域
１５７ａ      第１グレーティング領域
１５７ｂ      第２グレーティング領域
１７   コリメータ
２００ 形成装置
２０１ 反応光源
２０３ 移動台
２０４ 保持部材
２０５ 対物レンズ
２０７ 光路変更部材
２０９ 制御部
３００、３００’     評価装置
３０１ 白色光源
３０３ 光導波ファイバー
３０５ 導入部
３０５ａ      ミラー
３０７ 第１光測定部
３０９ 第２光測定部
Ｄ１   第１間隔
Ｄ２   第２間隔
ＨＲ   屈折率変調領域
Ｉ     入口
Ｌ１   レーザ光
Ｌ１’ 透過光
Ｌ１’’      反射光
Ｌ２   励起光
Ｌ３   反応光
Ｌ４   白色光
ＭＬ   マッチング層
Ｏ     出口
ＳＰ   スポット
【図１】
2020003893.tif 000003
【図２】
2020003893.tif 000004
【図３Ａ】
2020003893.tif 000005
【図３Ｂ】
2020003893.tif 000006
【図３Ｃ】
2020003893.tif 000007
【図３Ｄ】
2020003893.tif 000008
【図４Ａ】
2020003893.tif 000009
【図４Ｂ】
2020003893.tif 000010
【図５Ａ】
2020003893.tif 000011
【図５Ｂ】
2020003893.tif 000012
【図６】
2020003893.tif 000013
【図７】
2020003893.tif 000014
【図８】
2020003893.tif 000015
【図９】
2020003893.tif 000016
【図１０】
2020003893.tif 000017
【図１１Ａ】
2020003893.tif 000018
【図１１Ｂ】
2020003893.tif 000019
【図１２】
2020003893.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】令和2年11月16日(2020.11.16)
【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】
コア内部に前記コアの屈折率とは異なる屈折率を有する屈折率変調領域を設けた光ファイバーの製造方法であって、
前記コアの屈折率を変化させる反応光を集光させる対物レンズと前記光ファイバーの最外周に設けられた樹脂製のコート層との間に、前記コート層の屈折率と近い屈折率を有するマッチング層を配置するステップと、
前記反応光を前記コア内部に向けて照射して前記屈折率変調領域を形成するステップと、を含み、
前記反応光は、前記光ファイバー及び前記コート層にて吸収されない短波長を有する短パルスレーザ光である、光ファイバーの製造方法。
【請求項２】
前記反応光は、波長が５１５ｎｍである、請求項１に記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項３】
前記光ファイバーは、前記コアと前記コート層との間に配置され前記コアの外周を覆うクラッドを有し、
前記クラッドは、その長さ方向とは垂直な断面形状において、少なくとも一つの直線部分を有し、
前記反応光は、前記直線部分により形成される曲率を有さない平面に対して垂直に入射される、請求項１又は２のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項４】
前記クラッドの断面形状は、Ｄ字形状、多角形、又は、Ｄ字形状の円周部分の一部を切り取った形状のいずれかである、請求項３に記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項５】
前記マッチング層はイマージョンオイルにて形成され、その屈折率が１．３〜１．６の範囲にある、請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項６】
前記反応光を前記コアの長さ方向とは垂直な方向に移動させる移動速度を３０μｍ〜３ｍｍ／秒の範囲とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項７】
前記コアは、エルビウムをドープしたＺＢＬＡＮガラスである、請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項８】
前記マッチング層は、前記コート層の屈折率に近い屈折率を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバーの製造方法。
【請求項９】
コア内部に前記コアの屈折率とは異なる屈折率を有する屈折率変調領域を設けた光ファイバーであって、
前記コアの屈折率を変化させる反応光を集光させる対物レンズと前記光ファイバーの最外周に設けられた樹脂製のコート層との間に、前記コート層の屈折率と近い屈折率を有するマッチング層を配置するステップと、
前記反応光を前記コア内部に向けて照射して前記屈折率変調領域を形成するステップと、を含み、
前記反応光は、前記光ファイバー及び前記コート層にて吸収されない短波長を有する短パルスレーザ光である、製造方法によって製造されてなる光ファイバー。
【請求項１０】
前記コアと前記コート層との間に配置されることで前記コアの外周を覆い、その長さ方向とは垂直な断面形状において少なくとも一つの直線部分を有するクラッドをさらに備える、請求項９に記載の光ファイバー。
【請求項１１】
前記クラッドの断面形状は、Ｄ字形状、多角形、又は、Ｄ字形状の円周部分の一部を切り取った形状のいずれかである、請求項１０に記載の光ファイバー。
【請求項１２】
前記コアは、エルビウムをドープしたＺＢＬＡＮガラスである、請求項９〜１１のいずれかに記載の光ファイバー。
【請求項１３】
前記コアは、複数の前記屈折率変調領域を有する第１グレーティング領域と、複数の前記屈折率変調領域を有し前記第１グレーティング領域から長さ方向に第２間隔を開けて配置される第２グレーティング領域と、を有する請求項９〜１２のいずれかに記載の光ファイバー。
【請求項１４】
前記第１グレーティング領域及び前記第２グレーティング領域に形成される互いに隣接する２つの前記屈折率変調領域は第１間隔を有する、請求項９〜１３のいずれかに記載の光ファイバー。
【国際調査報告】
2020003893.tif 000021
2020003893.tif 000022
2020003893.tif 000023
2020003893.tif 000024