JP2009116193A - ダブルクラッドファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】コア径が大きいダブルクラッドファイバにおいて、単一横モード動作を実現する。
【解決手段】第１コア１と、第１コア１の周囲に設けられ、第１コア１に沿って延びるように複数の細孔２ａが配置された第１クラッド２と、第１クラッド２の周囲に設けられた第２コア３と、第２コア３の周囲に設けられ、第２コア３に沿って延びるように複数の細孔４ａが配置された第２クラッド４とを備えたダブルクラッドファイバ１０ａであって、第１コア１を伝搬するビームの波長において、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率を、第１コア１を伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きく、且つ第１コア１を伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部Ｍを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダブルクラッドファイバに関し、特に、レーザガイドやファイバレーザ用のダブルクラッドファイバに関するものである。

高出力のレーザを伝送するレーザガイド、及び高出力のレーザを発振するファイバレーザでは、コアを伝搬する光強度が増大することにより、自己位相変調（ＳＰＭ）、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）及び誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）などの非線形光学効果が発生するので、ビーム品質の劣化が問題となっている。これらの非線形光学効果の抑制には、ファイバ長を短くして相互作用長を短くしたり、ビームが伝搬するコア径を拡大したりすることが有効である。

例えば、従来の光ファイバ構造では、コア径を拡大すると、多くの高次モードが伝搬することにより、横マルチモード動作となるので、ビーム品質が劣化してしまう。また、近年注目されるフォトニック結晶ファイバでは、周期的な空孔を有するクラッド構造による低ＮＡによって、従来の光ファイバでは不可能な大きさにコア径を拡大できることが知られている。このクラッド構造は、一般的に、複数のキャピラリを最密充填構造で配列することにより構成される。そして、フォトニック結晶ファイバでは、コアを伝搬するビームを上記クラッド構造で閉じ込めることにより、ビーム品質に優れた高出力ファイバレーザやレーザガイドを実現することができる。しかしながら、フォトニック結晶ファイバにおいても、コア径が１００μｍ程度に拡大されると、上記クラッド構造を構成する各空孔の中心間隔Λが広がりすぎるため、上記クラッド構造による低ＮＡを実現してもシングルモード動作させることが難しくなる。なお、光ファイバの伝搬するモードを表すＶ値は、Ｖ＝２／３×πΛ×３^1/2×ＮＡ／λで定義される。ここで、ＮＡは、ファイバの開口数であり、λは、ビームの波長である。そして、Ｖ値が２．４以上になると、その光ファイバは、マルチモード動作となる。

また、第２クラッドが複数の空孔により構成されたダブルクラッドファイバは、第２クラッドが低屈折率のポリマー樹脂により構成された従来のダブルクラッドファイバのように、ポンプガイドから漏れた励起光がポリマー樹脂を損傷することがないので、高出力のレーザの伝送や発振において有用である。

例えば、非特許文献１には、ダブルクラッドファイバとして、１００μｍのコア径を有するコアと、そのコアの周囲に配置され互いに平行に延びる複数の細孔により構成された第１クラッドと、その第１クラッドの周囲に配置されたポンプガイド（第２コア）と、そのポンプガイドの周囲に配置され互いに平行に延びる複数の空孔により構成された第２クラッドとを備えたフォトニック結晶ファイバが開示されている。そして、これによれば、種光レーザを増幅することにより、平均出力が４２Ｗとなり、増幅後のビーム品質がエムスクエアで１．３となる、と記載されている。なお、エムスクエア（Ｍ^２）は、
Ｍ^２＝πＷ_０θ／λで定義される。ここで、Ｗ_０は、ビームウエストにおけるビーム半径であり、θは、ビームの発散角であり、λは、ビームの波長である。そして、回折限界のビームでは、エムスクエアが１となる。
C. D. Brooks and F D Teodro, "Multimegawatt peak-power, single-transverse-mode operation,"Appl. Phys. Lett., vol. 89, 2006.

しかしながら、非特許文献１に開示されたフォトニック結晶ファイバでは、理想的な単一横モード動作時のエムスクエアの値の１．１よりも、エムスクエアの値が劣化している。また、非特許文献１には、優れたビーム品質を得るためのファイバ構造に関する設計指針について全く明らかにされていない。

本発明は、か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、コア径が大きいダブルクラッドファイバにおいて、単一横モード動作を実現することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、第１コアを伝搬するビームの波長において、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部を備えるようにしたものである。

具体的に本発明に係るダブルクラッドファイバは、第１コアと、上記第１コアの周囲に設けられ、該第１コアに沿って延びるように複数の細孔が配置された第１クラッドと、上記第１クラッドの周囲に設けられた第２コアと、上記第２コアの周囲に設けられ、該第２コアに沿って延びるように複数の細孔が配置された第２クラッドとを備えたダブルクラッドファイバであって、上記第１コアを伝搬するビームの波長において、上記第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、上記第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きく、且つ該第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部を備えていることを特徴とする。

上記の構成によれば、第１コアを伝搬するビームの波長において、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部を備えているので、第１コアを伝搬するセカンドモードが曲げなどの摂動によって第２コアを伝搬するモードに効率的に結合される。これにより、仮に、第１コアのコア径が大きくなって、第１コアにおいてセカンドモードが発生したとしても、そのセカンドモードが第２コアのモードに結合されるので、第１コアには基本モードのみが伝搬され、単一横モード動作が得られる。したがって、コア径が大きいダブルクラッドファイバにおいて、単一横モード動作を実現することが可能になる。

上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の７個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の７個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
0.00660Ｎ²−0.08688Ｎ＋0.49188≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.01046Ｎ²−0.124904Ｎ＋0.62508
の関係式を満たすように構成されていてもよい。

上記の構成によれば、第１コアが中央の７個の格子形成部からなるダブルクラッドファイバにおいて、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部が具体的に構成される。

上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の１９個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の１９個以外によりＮ層（Ｎは３以下の自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
0.00733Ｎ²−0.10093Ｎ＋0.636533≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00733Ｎ²−0.78533Ｎ＋0.50027
の関係式を満たすように構成されていてもよい。

上記の構成によれば、第１コアが中央の１９個の格子形成部からなり、第１クラッドの複数の細孔が３層以下に形成されたダブルクラッドファイバにおいて、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部が具体的に構成される。

上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の３７個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の３７個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
0.00525Ｎ²−0.06847Ｎ＋0.51401≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00516Ｎ²−0.07794Ｎ＋0.62016
の関係式を満たすように構成されていてもよい。

上記の構成によれば、第１コアが中央の３７個の格子形成部からなるダブルクラッドファイバにおいて、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部が具体的に構成される。

上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の７個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の７個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
0.00713Ｎ²−0.09383Ｎ＋0.53123≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00962Ｎ²−0.11491Ｎ＋0.57507
の関係式を満たすように構成されていてもよい。

上記の構成によれば、第１コアが中央の７個の格子形成部からなるダブルクラッドファイバにおいて、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部が具体的に構成される。

上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の１９個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の１９個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
0.00792Ｎ²−0.08482Ｎ＋0.54029≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00674Ｎ²−0.09286Ｎ＋0.58561
の関係式を満たすように構成されていてもよい。

上記の構成によれば、第１コアが中央の１９個の格子形成部からなるダブルクラッドファイバにおいて、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部が具体的に構成される。

上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の３７個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の３７個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
0.00567Ｎ²−0.07395Ｎ＋0.55513≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00474Ｎ²−0.07170Ｎ＋0.57055
の関係式を満たすように構成されていてもよい。

上記の構成によれば、第１コアが中央の３７個の格子形成部からなるダブルクラッドファイバにおいて、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部が具体的に構成される。

上記コア径Ｄ_１は、２００μｍ以上であってもよい。

上記の構成によれば、第１コアのコア径Ｄ_１が２００μｍ以上であるので、巨大なコア径を有し、且つ単一横モード動作が可能なるダブルクラッドファイバが具体的に構成される。

上記コア径Ｄ_２は、５００μｍ以上であってもよい。

上記の構成によれば、第２コアのコア径Ｄ_２が５００μｍ以上であるので、ダイオードスタックの１００Ｗ〜１ｋＷの励起光を束ねた直径５００μｍの光ファイバと直接接続することが可能になる。これにより、励起光を供給する光ファイバとダブルクラッドファイバとがレンズ結合部品を用いることなく接続されるので、低コスト且つ高効率に励起することが可能になる。

本発明によれば、第１コアを伝搬するビームの波長において、第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きくすると共に、第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部を備えているので、コア径が大きいダブルクラッドファイバにおいて、単一横モード動作を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではない。

《発明の実施形態１》
図１〜図７は、本発明に係るダブルクラッドファイバの実施形態１を示している。

図１は、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ａの横断面図である。

ダブルクラッドファイバ１０ａは、図１に示すように、ファイバ中心である第１コア１と、第１コア１の周囲に設けられた第１クラッド２と、第１クラッド２の周囲に設けられた第２コア３と、第２コア３の周囲に設けられた第２クラッド４と、第２クラッドの周囲に設けられたサポート層５と、第１コア１、第１クラッド２、第２コア３及び第２クラッド４により構成されたモード制御部Ｍとを備えている。なお、ダブルクラッドファイバ１０ａの直径は、例えば、５ｍｍ程度である。

第１コア１及び第２コア３は、石英により構成され、ほぼ石英単体の屈折率になっている。

第１クラッド２は、石英により構成され、第１コア１に沿って互いに平行に延びる複数の細孔２ａを有しているので、その屈折率が石英単体の屈折率よりも低くなっている。また、第１クラッド２において、細孔２ａの中心間隔Λに対する径ｄの比ｄ／Λは、０．３〜０．５である。ここで、比ｄ／Λが０．３よりも小さい場合には、第１コア１を伝搬するビームの閉じ込め効果が弱くなるおそれがあり、比ｄ／Λが０．５よりも大きい場合には、第１コア１において高次モードが伝搬するおそれがある。

第１コア１及び第１クラッド２の結合体は、後述するように、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部Ｌを備えている。

第２クラッド４は、石英により構成され、第２コア１に沿って互いに平行に延びる複数の細孔４ａを有しているので、その屈折率が石英単体の屈折率よりも低くなっている。

サポート層５は、石英により構成され、ほぼ石英単体の屈折率になっている。

ここで、図２は、ダブルクラッドファイバ１０ａを製造するためのプリフォーム２０の横断面図である。なお、ダブルクラッドファイバ１０ａは、プリフォーム２０を加熱及び延伸して、ファイバ状に線引きすることにより製造される。

プリフォーム２０は、図２に示すように、第１コア１を形成するために中央に配置された１９本の円柱状のコアロッド１１と、第１クラッド２を形成するためにコアロッド１１の集合束の周囲に配置された７２本の円筒状の第１キャピラリ１２と、第２コア３を形成するために第１キャピラリ１２の集合束の周囲に配置された筒状の第２コア形成部１３と、第２クラッド４を形成するために第２コア形成部１３の周囲に配置された８８本の円筒状の第２キャピラリ１４と、サポート層５を形成するために第２キャピラリ１４の集合束の周囲に配置された円筒状のサポート層形成管１５とを備えている。なお、第２コア形成部１３は、横断面における内周端が正六角形に形成され、その外周端が円形に形成されている。

各コアロッド１１及び各第１キャピラリ１２は、同一の外径を有し、図２に示すように、横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように最密充填で配置されることにより、上述した複数の格子形成部Ｌを構成している。

第１コア１は、中央の１９個の格子形成部Ｌ（１９本のコアロッド１１）により構成されたコア径Ｄ_１を有している。ここで、中央の１９個の格子形成部Ｌと中央の１９個以外の７２個の格子形成部Ｌとは、同一の外径となるので、コア径Ｄ_１は、６Λ−ｄと定義される。

また、第１クラッド２は、中央の１９個以外の７２個の格子形成部Ｌ（７２本の第１キャピラリ１２）により構成され、ファイバ横断面において、１８個の細孔２ａが正六角形状に配置された第１の層と、その第１の層の周囲に２４個の細孔２ａが正六角形状に配置された第２の層と、その第２の層の周囲に３０個の細孔２ａが正六角形状に配置された第３の層との３層に形成されている。

モード制御部Ｍは、第１コア１を伝搬するビームの波長において、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率（ｎ_３）を、第１コア１を伝搬するセカンドモードの実効屈折率（ｎ_２）よりも大きく、且つ第１コア１を伝搬する基本モードの実効屈折率（ｎ_１）よりも小さくするように構成されている。すなわち、モード制御部Ｍは、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するように構成されている。これにより、第１コア１を伝搬するセカンドモードが曲げなどの摂動によって第２コア３を伝搬するモードに効率的に結合されるので、第１コア１には基本モードのみが伝搬され、単一横モード動作が得られることになる。

具体的に、モード制御部Ｍは、第１コア１、第１クラッド２、第２コア３及び第２クラッド４を例えば下記の表１の条件で調整することにより構成される。

図３及び図４は、上記表１の条件で調整されたダブルクラッドファイバ（１０ａ）における第１コア１を伝搬する基本モード及びセカンドモードのモードプロファイルである。ここで、基本モードの実効屈折率をｎ_１とセカンドモードの実効屈折率をｎ_２とすると、その間にはｎ_１＞ｎ_２という関係が成り立つ。

また、図５は、第２コア３を伝搬するモードのモードプロファイルである。ここで、第２コア３におけるモードの実効屈折率をｎ_３とする。また、第２コア３を伝搬するモードは、図５に示すように、複数の細孔２ａに構成された第１クラッド２と複数の細孔４ａに構成された第２クラッド４との間を伝搬することになる。

この第２コア３の領域が第１コア１の領域に対して十分広いときには、クラッドモードの実効屈折率ｎ_３は、基本モードの実効屈折率ｎ_１やセカンドモードの実効屈折率をｎ_２よりも大きくなる。すなわち、ｎ_３＞ｎ_１＞ｎ_２という関係になる。

これに対して、第１コア１のコア径Ｄ_１を大きくしたり、第１クラッド２の細孔２ａの層数Ｎを増やしたりすることにより、第２コア３の横断面積を十分に小さくすると、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率ｎ_３を小さくすることができる。したがって、第１コア１のコア径Ｄ_１、第２コア３のコア径Ｄ_２及び第１クラッド２の細孔２ａの層数Ｎを適切に選択することにより、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係を成立させることができる。

ここで、各モードの実効屈折率（ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３）については、参考文献（S. Jungling and J. C. Chen, "A study and optimization of eigenmode calculations using the imaginary-distance beam-propagation method", J. Quantum Electron., vol. 30, p.2098, 1994.）に記載された虚軸ビーム伝搬法を用いて固有モード解析を行うことにより、算出することができる。なお、計算パラメータは、下記の表２のとおりである。

図６は、層数Ｎが３層であり、ｄ／Λの値が０．４である場合におけるコア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係を示すグラフである。ここで、図６では、第１コア１を伝搬する基本モードの実効屈折率ｎ_１の変化を曲線Ａで示し、第１コア１を伝搬するセカンドモードの実効屈折率ｎ_２の変化を曲線Ｂで示し、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率ｎ_３の変化を曲線Ｃで示している。そして、図６のグラフにおいて、ハッチングを付した領域が上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する領域である。なお、図６のグラフの結果は、ｄ／Λの値が０．３及び０．５の場合にも成立する。

さらに、層数Ｎが、１層、２層、４層及び５層である場合における各モードの実効屈折率（ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３）を算出した後に、コア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係により、各層数Ｎにおいて、上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する条件が導かれる。

図７は、各層数Ｎにおいて、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するコア径比Ｄ_１／Ｄ_２の領域を示すグラフである。ここで、図７では、破線の内側が上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する領域である。なお、図７中の点Ｘは、上述した非特許文献１に開示されたフォトニック結晶ファイバを示している。

図７中の破線の上側及び下側の曲線を、例えば、最小二乗法で二次関数で近似すると、
0.00733Ｎ²−0.10093Ｎ＋0.636533≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00733Ｎ²−0.78533Ｎ＋0.50027
という関係式１が導かれる。なお、Ｎは、３以下の自然数である。

また、ダブルクラッドファイバにおける製造上の誤差を８％とすると、上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する安全領域は、図７中の実線に囲まれた領域になる。そして、この実線の上側及び下側の曲線を、同様に二次関数で近似すると、
0.00792Ｎ²−0.08482Ｎ＋0.54029≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00674Ｎ²−0.09286Ｎ＋0.58561という関係式２が導かれる。

したがって、モード制御部Ｍを、コア径比Ｄ_１／Ｄ_２が上記関係式１、好ましくは上記関係式２を満たすように構成すれば、第１コア１のコア径Ｄ_１が２００μｍ以上に拡大されても、ダブルクラッドファイバ１０ａを単一横モードに動作させることができる。

以上説明したように、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ａによれば、第１コア１を伝搬するビームの波長において、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率ｎ_３を、第１コア１を伝搬するセカンドモードの実効屈折率ｎ_２よりも大きくすると共に、第１コア１を伝搬する基本モードの実効屈折率ｎ_１よりも小さくするモード制御部Ｍを備えているので、第１コア１を伝搬するセカンドモードが曲げなどの摂動によって第２コア３を伝搬するモードに効率的に結合される。これにより、第１コア１のコア径Ｄ_１が大きくなって、第１コア１においてセカンドモードが発生したとしても、そのセカンドモードが第２コア２のモードに結合されるので、第１コア１には基本モードのみが伝搬され、単一横モード動作が得られる。したがって、コア径が大きいダブルクラッドファイバにおいて、単一横モード動作を実現することができる。

また、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ａでは、第２コア２のコア径Ｄ_２が５００μｍ以上であるので、ダイオードスタックの１００Ｗ〜１ｋＷの励起光を束ねた直径５００μｍの光ファイバと直接接続することができる。これにより、励起光を供給する光ファイバとダブルクラッドファイバとをレンズ結合部品を用いることなく接続することができるので、低コスト且つ高効率に励起することができる。

また、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ａにおいて、第１クラッド２の細孔２ａを３層以下にすると、プリフォーム２０を作製する際に、複数本のコアロッド（１１）の集合束の外周部を第１キャピラリ（１２）に置き換える場合に、置き換える本数が少なくなり、製造コストを抑制することができる。また、円柱状の石英ロッドに長さ方向に沿ってドリルで複数の貫通孔を形成してプリフォーム（２０）を作製する場合には、形成する穴の個数が少なくなるので、製造コストを抑制することができる。

《発明の実施形態２》
図８〜図１０は、本発明に係るダブルクラッドファイバの実施形態１を示している。上記実施形態１では、第１コア１が１９本のコアロッド１１により構成されたダブルクラッドファイバを例示したが、本実施形態では、第１コア１が７本のコアロッド１１により構成されたダブルクラッドファイバを例示する。なお、以下の各実施形態において、図１〜図７と同じ部分については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図８は、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ｂの横断面図である。

ダブルクラッドファイバ１０ｂは、図８に示すように、ファイバ中心である第１コア１と、第１コア１の周囲に設けられた第１クラッド２と、第１クラッド２の周囲に設けられた第２コア３と、第２コア３の周囲に設けられた第２クラッド４と、第２クラッドの周囲に設けられたサポート層５と、第１コア１、第１クラッド２、第２コア３及び第２クラッド４により構成されたモード制御部Ｍとを備えている。

ここで、ダブルクラッドファイバ１０ｂは、上記実施形態１と同様に、プリフォーム（不図示）を加熱及び延伸して、ファイバ状に線引きすることにより製造される。

このプリフォームは、第１コア１を形成するために中央に配置された７本の円柱状のコアロッド（１１）と、第１クラッド２を形成するためにコアロッド（１１）の集合束の周囲に配置された５４本の円筒状の第１キャピラリ（１２）と、第２コア３を形成するために第１キャピラリ（１２）の集合束の周囲に配置された筒状の第２コア形成部（１３）と、第２クラッド４を形成するために第２コア形成部（１３）の周囲に配置された８８本の円筒状の第２キャピラリ（１４）と、サポート層５を形成するために第２キャピラリ（１４）の集合束の周囲に配置された円筒状のサポート層形成管（１５）とを備えている。なお、各コアロッド（１１）及び各第１キャピラリ（１２）は、上記実施形態１と同様に、横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように最密充填で配置されることにより、複数の格子形成部Ｌを構成している。

第１コア１は、中央の７個の格子形成部Ｌ（７本のコアロッド）により構成されたコア径Ｄ_１を有している。ここで、コア径Ｄ_１は、４Λ−ｄと定義される。

また、第１クラッド２は、中央の７個以外の５４個の格子形成部Ｌ（５４本の第１キャピラリ）により構成され、ファイバ横断面において、１２個の細孔２ａが正六角形状に配置された第１の層と、その第１の層の周囲に１８個の細孔２ａが正六角形状に配置された第２の層と、その第２の層の周囲に２４個の細孔２ａが正六角形状に配置された第３の層との３層に形成されている。

モード制御部Ｍは、上記実施形態１と同様に、第１コア１を伝搬するビームの波長において、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率ｎ_３を、第１コア１を伝搬するセカンドモードの実効屈折率ｎ_２よりも大きく、且つ第１コア１を伝搬する基本モードの実効屈折率ｎ_１よりも小さくするように構成されている。すなわち、モード制御部Ｍは、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するように構成されている。

また、モード制御部Ｍは、以下に示すように、上記実施形態１と同様に、各モードの実効屈折率（ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３）を上記表２に示す計算パラメータにより算出した後に、コア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係により、各層数Ｎにおいて、上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する条件を満たすように構成される。

図９は、層数Ｎが３層であり、ｄ／Λの値が０．４である場合におけるコア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係を示すグラフである。ここで、図９では、第１コア１を伝搬する基本モードの実効屈折率ｎ_１の変化を曲線Ａで示し、第１コア１を伝搬するセカンドモードの実効屈折率ｎ_２の変化を曲線Ｂで示し、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率ｎ_３の変化を曲線Ｃで示している。そして、図９のグラフにおいて、ハッチングを付した領域が上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する領域である。なお、図９のグラフの結果は、ｄ／Λの値が０．３及び０．５の場合にも成立する。

さらに、層数Ｎが、１層、２層、４層及び５層である場合における各モードの実効屈折率（ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３）を算出した後に、コア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係により、各層数Ｎにおいて、上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する条件が導かれる。

図１０は、各層数Ｎにおいて、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するコア径比Ｄ_１／Ｄ_２の領域を示すグラフである。ここで、図１０では、破線の内側が上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する領域である。

図１０中の破線の上側及び下側の曲線を、上記実施形態１と同様に二次関数で近似すると、
0.00660Ｎ²−0.08688Ｎ＋0.49188≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.01046Ｎ²−0.124904Ｎ＋0.62508
という関係式３が導かれる。

また、ダブルクラッドファイバにおける製造上の誤差を８％とすると、上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する安全領域は、図１０中の実線に囲まれた領域になる。そして、この実線の上側及び下側の曲線を、同様に二次関数で近似すると、
0.00713Ｎ²−0.09383Ｎ＋0.53123≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00962Ｎ²−0.11491Ｎ＋0.57507
という関係式４が導かれる。

したがって、モード制御部Ｍを、コア径比Ｄ_１／Ｄ_２が上記関係式３、好ましくは上記関係式４を満たすように構成すれば、第１コア１のコア径Ｄ_１が２００μｍ以上に拡大されても、ダブルクラッドファイバ１０ｂを単一横モードに動作させることができる。

以上説明したように、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ｂによれば、上記実施形態１と同様にコア径が大きいダブルクラッドファイバにおいて、単一横モード動作を実現することができる。

《発明の実施形態３》
図１１〜図１３は、本発明に係るダブルクラッドファイバの実施形態３を示している。

図１１は、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ｃの横断面図である。

ダブルクラッドファイバ１０ｃは、図１１に示すように、ファイバ中心である第１コア１と、第１コア１の周囲に設けられた第１クラッド２と、第１クラッド２の周囲に設けられた第２コア３と、第２コア３の周囲に設けられた第２クラッド４と、第２クラッドの周囲に設けられたサポート層５と、第１コア１、第１クラッド２、第２コア３及び第２クラッド４により構成されたモード制御部Ｍとを備えている。

ここで、ダブルクラッドファイバ１０ｃは、上記実施形態１及び２と同様に、プリフォーム（不図示）を加熱及び延伸して、ファイバ状に線引きすることにより製造される。

このプリフォームは、第１コア１を形成するために中央に配置された３７本の円柱状のコアロッド（１１）と、第１クラッド２を形成するためにコアロッド（１１）の集合束の周囲に配置された９０本の円筒状の第１キャピラリ（１２）と、第２コア３を形成するために第１キャピラリ（１２）の集合束の周囲に配置された筒状の第２コア形成部（１３）と、第２クラッド４を形成するために第２コア形成部（１３）の周囲に配置された８８本の円筒状の第２キャピラリ（１４）と、サポート層５を形成するために第２キャピラリ（１４）の集合束の周囲に配置された円筒状のサポート層形成管（１５）とを備えている。なお、各コアロッド（１１）及び各第１キャピラリ（１２）は、上記実施形態１及び２と同様に、横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように最密充填で配置されることにより、複数の格子形成部Ｌを構成している。

第１コア１は、中央の３７個の格子形成部Ｌ（３７本のコアロッド）により構成されたコア径Ｄ_１を有している。ここで、コア径Ｄ_１は、８Λ−ｄと定義される。

また、第１クラッド２は、中央の３７個以外の９０個の格子形成部Ｌ（９０本の第１キャピラリ）により構成され、ファイバ横断面において、２４個の細孔２ａが正六角形状に配置された第１の層と、その第１の層の周囲に３０個の細孔２ａが正六角形状に配置された第２の層と、その第２の層の周囲に３６個の細孔２ａが正六角形状に配置された第３の層との３層に形成されている。

モード制御部Ｍは、上記実施形態１及び２と同様に、第１コア１を伝搬するビームの波長において、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率ｎ_３を、第１コア１を伝搬するセカンドモードの実効屈折率ｎ_２よりも大きく、且つ第１コア１を伝搬する基本モードの実効屈折率ｎ_１よりも小さくするように構成されている。すなわち、モード制御部Ｍは、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するように構成されている。

また、モード制御部Ｍは、以下に示すように、上記実施形態１及び２と同様に、各モードの実効屈折率（ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３）を上記表２に示す計算パラメータにより算出した後に、コア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係により、各層数Ｎにおいて、上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する条件を満たすように構成される。

図１２は、層数Ｎが３層であり、ｄ／Λの値が０．４である場合におけるコア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係を示すグラフである。ここで、図１２では、第１コア１を伝搬する基本モードの実効屈折率ｎ_１の変化を曲線Ａで示し、第１コア１を伝搬するセカンドモードの実効屈折率ｎ_２の変化を曲線Ｂで示し、第２コア３を伝搬するモードの実効屈折率ｎ_３の変化を曲線Ｃで示している。そして、図１２のグラフにおいて、ハッチングを付した領域が上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する領域である。なお、図１２のグラフの結果は、ｄ／Λの値が０．３及び０．５の場合にも成立する。

さらに、層数Ｎが、１層、２層、４層及び５層である場合における各モードの実効屈折率（ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３）を算出した後に、コア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係により、各層数Ｎにおいて、上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する条件が導かれる。

図１３は、各層数Ｎにおいて、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するコア径比Ｄ_１／Ｄ_２の領域を示すグラフである。ここで、図１３では、破線の内側が上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する領域である。

図１３中の破線の上側及び下側の曲線を、上記実施形態１及び２と同様に二次関数で近似すると、
0.00525Ｎ²−0.06847Ｎ＋0.51401≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00516Ｎ²−0.07794Ｎ＋0.62016
という関係式５が導かれる。

また、ダブルクラッドファイバにおける製造上の誤差を８％とすると、上記ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立する安全領域は、図１３中の実線に囲まれた領域になる。そして、この実線の上側及び下側の曲線を、同様に二次関数で近似すると、
0.00567Ｎ²−0.07395Ｎ＋0.55513≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00474Ｎ²−0.07170Ｎ＋0.57055
という関係式６が導かれる。

したがって、モード制御部Ｍを、コア径比Ｄ_１／Ｄ_２が上記関係式５、好ましくは上記関係式６を満たすように構成すれば、第１コア１のコア径Ｄ_１が２００μｍ以上に拡大されても、ダブルクラッドファイバ１０ｃを単一横モードに動作させることができる。

以上説明したように、本実施形態のダブルクラッドファイバ１０ｃによれば、上記実施形態１及び２と同様にコア径が大きいダブルクラッドファイバにおいて、単一横モード動作を実現することができる。

以上説明したように、本発明は、コア径が大きいダブルクラッドファイバにおいても単一横モード動作が可能であるので、例えば、高出力レーザを伝送するレーザガイド、及び溶接・切断・マーキングなどのレーザ加工に使用されるファイバレーザなどについて有用である。

実施形態１に係るダブルクラッドファイバ１０ａの横断面図である。 ダブルクラッドファイバ１０ａを製造するためのプリフォーム２０の横断面図である。 ダブルクラッドファイバ１０ａの第１コア１を伝搬する基本モードのモードプロファイルである。 ダブルクラッドファイバ１０ａの第１コア１を伝搬するセカンドモードのモードプロファイルである。 ダブルクラッドファイバ１０ａの第２コア３を伝搬するモードのモードプロファイルである。 ダブルクラッドファイバ１０ａにおいて、層数Ｎが３層であり、ｄ／Λの値が０．４である場合におけるコア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係を示すグラフである。 ダブルクラッドファイバ１０ａの各層数Ｎにおいて、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するコア径比Ｄ_１／Ｄ_２の領域を示すグラフである。 実施形態２に係るダブルクラッドファイバ１０ｂの横断面図である。 ダブルクラッドファイバ１０ｂにおいて、層数Ｎが３層であり、ｄ／Λの値が０．４である場合におけるコア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係を示すグラフである。 ダブルクラッドファイバ１０ｂの各層数Ｎにおいて、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するコア径比Ｄ_１／Ｄ_２の領域を示すグラフである。 実施形態３に係るダブルクラッドファイバ１０ｃの横断面図である。 ダブルクラッドファイバ１０ｃにおいて、層数Ｎが３層であり、ｄ／Λの値が０．４である場合におけるコア径比Ｄ_１／Ｄ_２と、各モードの実効屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３との関係を示すグラフである。 ダブルクラッドファイバ１０ｃの各層数Ｎにおいて、ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２という関係が成立するコア径比Ｄ_１／Ｄ_２の領域を示すグラフである。

符号の説明

Ｌ 格子形成部
Ｍ モード制御部
１ 第１コア
２ 第１クラッド
２ａ 細孔
３ 第２コア
４ 第２クラッド
４ａ 細孔
１０ａ〜１０ｃ ダブルクラッドファイバ

Claims (9)

1. 第１コアと、
   上記第１コアの周囲に設けられ、該第１コアに沿って延びるように複数の細孔が配置された第１クラッドと、
   上記第１クラッドの周囲に設けられた第２コアと、
   上記第２コアの周囲に設けられ、該第２コアに沿って延びるように複数の細孔が配置された第２クラッドとを備えたダブルクラッドファイバであって、
   上記第１コアを伝搬するビームの波長において、上記第２コアを伝搬するモードの実効屈折率を、上記第１コアを伝搬するセカンドモードの実効屈折率よりも大きく、且つ該第１コアを伝搬する基本モードの実効屈折率よりも小さくするモード制御部を備えていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
2. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、
   上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の７個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、
   上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の７個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、
   上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
   0.00660Ｎ²−0.08688Ｎ＋0.49188≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.01046Ｎ²−0.124904Ｎ＋0.62508
   の関係式を満たすように構成されていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
3. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、
   上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の１９個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、
   上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の１９個以外によりＮ層（Ｎは３以下の自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、
   上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
   0.00733Ｎ²−0.10093Ｎ＋0.636533≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00733Ｎ²−0.78533Ｎ＋0.50027
   の関係式を満たすように構成されていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
4. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、
   上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の３７個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、
   上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の３７個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、
   上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
   0.00525Ｎ²−0.06847Ｎ＋0.51401≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00516Ｎ²−0.07794Ｎ＋0.62016
   の関係式を満たすように構成されていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
5. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、
   上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の７個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、
   上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の７個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、
   上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
   0.00713Ｎ²−0.09383Ｎ＋0.53123≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00962Ｎ²−0.11491Ｎ＋0.57507
   の関係式を満たすように構成されていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
6. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、
   上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の１９個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、
   上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の１９個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、
   上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
   0.00792Ｎ²−0.08482Ｎ＋0.54029≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00674Ｎ²−0.09286Ｎ＋0.58561
   の関係式を満たすように構成されていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
7. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記第１コア及び第１クラッドは、ファイバ横断面において、三角格子をそれぞれ形成すると共に、正六角形の外郭を形成するように配置された複数の格子形成部により構成され、
   上記第１コアは、上記複数の格子形成部のうち、中央の３７個により構成されたコア径Ｄ_１を有し、
   上記第１クラッドは、上記複数の格子形成部のうち、上記複数の細孔がそれぞれ形成された上記中央の３７個以外によりＮ層（Ｎは自然数）に構成され、該複数の細孔の間隔Λに対する該各細孔の径ｄの比ｄ／Λが０．３〜０．５であり、
   上記モード制御部は、上記第２コアのコア径Ｄ_２に対する上記コア径Ｄ_１の比Ｄ_１／Ｄ_２が、
   0.00567Ｎ²−0.07395Ｎ＋0.55513≦Ｄ_１／Ｄ_２≦0.00474Ｎ²−0.07170Ｎ＋0.57055
   の関係式を満たすように構成されていることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
8. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記コア径Ｄ_１は、２００μｍ以上であることを特徴とするダブルクラッドファイバ。
9. 請求項１に記載されたダブルクラッドファイバにおいて、
   上記コア径Ｄ_２は、５００μｍ以上であることを特徴とするダブルクラッドファイバ。