JP2003008114A - 希土類元素ドープファイバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 希土類元素がドープされた希土類元素ドープ
ファイバ１に対して、高品質な出力光が得られるように
しつつ、光増幅装置やファイバレーザ装置等を高出力化
できるようにする。 【解決手段】 希土類元素を、コア２の中心部に設けた
ドープ部２ａにのみドープし、このドープ部２ａの径
を、ＬＰ₀₁モード及びＬＰ₁₁モードについて、コア２中
心からの距離と、該距離位置での上記各モードの光強度
の最大光強度に対する比率との対応関係を表す光強度分
布線を描いたグラフ上における、該両光強度分布線の交
点の位置に対応する径Ｄ以下に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、コアに希土類元素
がドープされた希土類元素ドープファイバに関する技術
分野に属する。 【０００２】 【従来の技術】従来より、信号光を光ファイバ内で直接
増幅する光増幅装置や、光ファイバをレーザー媒質とし
て利用するファイバレーザ装置が知られており、これら
装置に用いられる光ファイバとしては、コア全体にエル
ビウム（Ｅｒ）等の希土類元素がドープされた希土類元
素ドープファイバがよく知られている。この希土類元素
ドープファイバは、そのコア内に励起光と信号光等の被
増幅光とが入射されると、該励起光により希土類元素を
励起して、この励起した希土類元素イオンの誘導放出現
象により上記被増幅光を増幅して出力するようになって
いる。 【０００３】上記希土類元素ドープファイバでは、より
多くの励起光を入射させて光増幅装置等の高出力化を図
るためには、コアの断面積を出来る限り大きくする必要
がある。ところが、コアの断面積を大きくすると、ＬＰ
₀₁モード以外のモードを遮断するカットオフ波長が長く
なって被増幅光がマルチモードとして伝搬し、これによ
り出力モードが乱れて高品質な出力光が得られなくなっ
てしまう。 【０００４】そこで、希土類元素がドープされた第１コ
アと、この第１コアの周囲を覆う第２コア（第１クラッ
ドともいう）と、この第２コアの周囲を覆うクラッド
（第２クラッド）とを備えたダブルクラッドファイバを
用いることが考えられる。すなわち、このダブルクラッ
ドファイバでは、被増幅光を第１コア内で伝搬させかつ
励起光を第２コア内で伝搬させるので、被増幅光をシン
グルモード化する（ＬＰ ₀₁モードのみを伝搬させる）た
めに第１コアの断面積を大きくすることができなくて
も、第２コアの断面積を大きくして励起入力を高めるこ
とが可能になる。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ダ
ブルクラッドファイバにおいても、上記通常の希土類元
素ドープファイバと同様に、シングルモード化のために
第１コアの断面積を大きくすることができないので、フ
ァイバ単位長さ当たりの希土類元素ドープ量には限界が
あり、このため、励起入力を高めても、励起光の吸収効
率が比較的低くて、それ程の高出力は得られない。ま
た、上記通常の希土類元素ドープファイバと同様に、モ
ードフィールド径がかなり小さいので、増幅された被増
幅光の伝搬時に非線形が生じ易くなる。 【０００６】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、希土類元素がドープさ
れた希土類元素ドープファイバに対して、その希土類元
素のドープ範囲を工夫することによって、高品質な出力
光が得られるようにしつつ、光増幅装置やファイバレー
ザ装置等を高出力化できるようにすることにある。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、コアに希土類元素がドープされた
希土類元素ドープファイバを対象として、上記希土類元
素を、上記コアの中心部に設けたドープ部にのみドープ
し、このドープ部の径を、ＬＰ₀₁モード及びＬＰ₁₁モー
ドについて、コア中心からの距離と、該距離位置での上
記各モードの光強度の最大光強度に対する比率との対応
関係を表す光強度分布線を描いたグラフ上における、該
両光強度分布線の交点の位置に対応する径以下に設定す
るようにした。 【０００８】上記の構成により、被増幅光の導波モード
のうち、光強度がコア中心部（ドープ部）に集中してい
るＬＰ₀₁モード、ＬＰ₀₂モード、ＬＰ₀₃モード等の低次
モードが増幅され、コア中心部で光強度が低くなるＬＰ
₁₁モード、ＬＰ₁₂モード、ＬＰ₂₁モード等の高次モード
は殆ど増幅されない。しかも、ＬＰ₁₁モードを除く高次
モードは、増幅されたとしても伝搬し難く、またＬＰ₀₁
モード等に対する光強度比率は小さい。この結果、出力
光はマルチモードではあるものの、コア中心部に集中し
たニアフィールドが得られ、出力光をレンズ等で集光す
れば、高品質な出力光が得られる。そして、このように
マルチモード型であるので、コア全体の断面積を、ＬＰ
₀₁モードのみを伝搬させるシングルモード型よりも大き
くすることができる。このことで、ダブルクラッドファ
イバのように励起光の入射面積を大きくすることができ
て、励起入力を高めることができる。しかも、ドープ部
の断面積もシングルモード型に比べて大きくすることが
でき、これにより、ダブルクラッドファイバとは異な
り、励起光の吸収効率を向上させることができる。ま
た、ダブルクラッドファイバでは、クラッド（第２クラ
ッド）は紫外線硬化型樹脂等で構成されるが、この発明
のファイバのクラッドは、通常のファイバのように石英
（ＳｉＯ₂ ）で構成することができ、励起光に対して低
損失になるように構成することができる。さらに、モー
ドフィールド径がシングルモード型に比べて大きくな
り、高出力光の伝搬に対して非線形の発生閾値が高くな
って、非線形が生じ難くなる。したがって、光増幅装置
やファイバレーザ装置等を高出力化するのに最適なファ
イバが得られる。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る希
土類元素ドープファイバ１の断面を示し、この希土類元
素ドープファイバ１は、石英からなるコア２と、このコ
ア２の周囲を覆う、石英（ＳｉＯ₂ ）からなるクラッド
３とを備えている。上記コア２は、石英にゲルマニウム
が添加されて上記クラッド３よりも屈折率が大きくなる
ようになされており、図２に示すように、このファイバ
１は階段型の屈折率分布を有することになる。 【００１０】上記コア２の中心部には、ＥｒやＮｄ、Ｌ
ａ、Ｙｂ等の希土類元素がドープされたドープ部２ａが
設けられており、希土類元素はこのドープ部２ａにのみ
ドープされていて、コア２のドープ部２ａ以外の部分
（ドープ部２ａの周囲を覆う部分）にはドープされてい
ない。尚、ダブルクラッドファイバでは、希土類元素が
ドープされた第１コアの屈折率が、この第１コアの周囲
を覆う第２コアよりも高く設定されているが、このファ
イバ１のコア２におけるドープ部２ａの屈折率は、ダブ
ルクラッドファイバとは異なり、図２に示すように、コ
ア２のドープ部２ａ以外の部分と同じに設定されてい
る。 【００１１】上記コア２のドープ部２ａの径Ｄ_Erは、図
３に示すように、ＬＰ₀₁モード及びＬＰ₁₁モードについ
て、コア２中心からの距離と、該距離位置での上記各モ
ードの光強度（Ｉ）の最大光強度（Ｉｍａｘ）に対する
比率（Ｉ／Ｉｍａｘ）との対応関係を表す光強度分布線
を描いたグラフ上における、該両光強度分布線の交点の
位置に対応する径Ｄ以下に設定されている。すなわち、
横軸にコア２中心からの距離をとりかつ縦軸に上記各モ
ードの光強度の、当該モードの最大光強度に対する比率
（各モードにおいて最大光強度を示すときに１になる）
をとって上記光強度分布線を描いたグラフ上において、
ＬＰ₀₁モードの光強度分布線は、最大光強度を示すコア
２中心から周縁に向かって光強度が小さくなるような曲
線を描く一方、ＬＰ₁₁モードの光強度分布線は、コア２
中心と周縁との中間で最大光強度を示し、該中間からコ
ア２中心及び周縁に向かって光強度が小さくなるような
曲線を描き、該両光強度分布線同士は、ＬＰ₁₁モードの
光強度が最大光強度を示す位置よりもコア２中心側で交
わる。この交点の横軸座標であるコア２中心からの距離
の２倍が、該交点の位置に対応する径Ｄとなり、この交
点の位置からコア２中心側に希土類元素がドープされて
いることになる。 【００１２】尚、図３では、ＬＰ₀₁モード及びＬＰ₁₁モ
ード以外にも、参考のために、ＬＰ ₀₂モード、ＬＰ₁₂モ
ード、ＬＰ₂₁モード等の各導波モードの光強度分布線も
描いている。また、これら各導波モードの光強度分布線
は、エルビウムドープファイバにおいてコア２の径Ｄｃ
を３０μｍとし、コア２とクラッド３との比屈折率差Δ
を０．５％とし、被増幅光の波長を１．５５μｍとして
描いたものである。 【００１３】上記のように希土類元素を、コア２の中心
部に設けたドープ部２ａにのみドープし、このドープ部
２ａの径Ｄ_Erを、ＬＰ₀₁モードの光強度分布線とＬＰ₁₁
モードの光強度分布線との交点の位置に対応する径Ｄ以
下に設定しておくと、コア２内に励起光と信号光等の被
増幅光とを入射させたときに、マルチモードで伝搬する
被増幅光のうち、光強度がコア２中心部（ドープ部２
ａ）に集中しているＬＰ ₀₁モード、ＬＰ₀₂モード、ＬＰ
₀₃モード等の低次モードが増幅され、コア２中心部で光
強度が低くなるＬＰ₁₁モード、ＬＰ₁₂モード、ＬＰ₂₁モ
ード等の高次モードは殆ど増幅されない。尚、図３に示
すように、ＬＰ₁₂モード及びＬＰ₁₃モードでは、上記交
点の位置よりもコア２中心側で最大光強度を示すが、Ｌ
Ｐ₁₁モードを除く高次モードは、増幅されたとしても伝
搬し難く、またＬＰ₀₁モード等に対する光強度比率は小
さい。この結果、出力光はマルチモードではあるもの
の、コア２中心部に集中したニアフィールドが得られ、
出力光をレンズ等で集光すれば、高品質な出力光が得ら
れる。 【００１４】そして、このようにマルチモード型である
ので、ＬＰ₀₁モードのみを伝搬させるシングルモード型
とは異なり、ＬＰ₀₁モード以外のモードを遮断するカッ
トオフ波長が長くなっても問題はなく、コア２全体の断
面積をシングルモード型よりも大きくすることができる
（上記例示のエルビウムドープファイバをシングルモー
ド型にした場合、コア径は９．５μｍ程度であるのに対
し、マルチモード型であれば上記のように３０μｍにす
ることができる）。これにより、ダブルクラッドファイ
バのように励起光の入射面積を大きくすることができ
て、励起入力を高めることができる。しかも、ドープ部
２ａの断面積もシングルモード型に比べて大きくするこ
とができ（上記例示のエルビウムドープファイバでは、
ドープ部２ａの径Ｄ_Erを最大１０．６μｍ程度に設定で
きる）、これにより、ダブルクラッドファイバでは実現
が困難であった、励起光の吸収効率の向上化を図ること
ができる。また、ダブルクラッドファイバでは、クラッ
ド（第２クラッド）は紫外線硬化型樹脂等で構成される
が、このファイバ１のクラッド３は、通常のファイバの
ように石英で構成することができ、励起光に対して低損
失になるように構成することができる。 【００１５】さらに、モードフィールド径がシングルモ
ード型よりも大きくなる（上記例示のエルビウムドープ
ファイバでは、ＬＰ₀₁モードのみに関してモードフィー
ルド径が１４μｍになり、これをシングルモード型にし
たときのモードフィールド径９．６μｍと比較して面積
で２．１３倍となる。）ので、高出力光の伝搬に対して
非線形の発生閾値が高くなって、非線形が生じ難くな
る。 【００１６】したがって、このファイバ１を光増幅装置
やファイバレーザ装置等に用いることにより、高品質な
出力光を得ることができると共に、それら装置を高出力
化して高性能化を図ることができる。 【００１７】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の希土類元
素ドープファイバによると、希土類元素を、コアの中心
部に設けたドープ部にのみドープし、このドープ部の径
を、ＬＰ₀₁モードの光強度分布線とＬＰ₁₁モードの光強
度分布線との交点の位置に対応する径以下に設定したこ
とにより、高品質な出力光が得られると共に、光増幅装
置やファイバレーザ装置等を高出力化して高性能化を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施形態に係る希土類元素ドープファ
イバを示す断面図である。 【図２】図１の希土類元素ドープファイバの屈折率分布
を示す説明図である。 【図３】各導波モードについて、コア中心からの距離と
該距離位置での上記各導波モードの光強度の最大光強度
に対する比率との対応関係を表す光強度分布線を描いた
グラフである。 【符号の説明】 １ 希土類元素ドープファイバ ２ コア ２ａ ドープ部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H050 AB04Y AB05X AB18X AC03 AD00 5F072 AB07 AB08 AB09 AK06 JJ04 JJ20 YY17 YY20

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 コアに希土類元素がドープされた希土類
   元素ドープファイバであって、 上記希土類元素は、上記コアの中心部に設けられたドー
   プ部にのみドープされており、 上記ドープ部の径は、ＬＰ₀₁モード及びＬＰ₁₁モードに
   ついて、コア中心からの距離と、該距離位置での上記各
   モードの光強度の最大光強度に対する比率との対応関係
   を表す光強度分布線を描いたグラフ上における、該両光
   強度分布線の交点の位置に対応する径以下に設定されて
   いることを特徴とする希土類元素ドープファイバ。