JP2013254829A - Rare earth-added double clad fiber - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rare earth-added double clad fiber with a high conversion efficiency and high reliability.SOLUTION: The rare earth-added double clad fiber 1 comprises: an Yb-added core 2; a first clad 3 surrounding the core 2; and a second clad 4 surrounding the first clad 3. The core 2 has a numerical aperture NA between 0.06 and 0.15 inclusive, and a core diameter D0 between 20 μm and 100 μm inclusive. The ytterbium(Yb) is added to only a part of the region of the core 2 ranging from the center of the core 2 to the first clad 3. The Yb-added region expands to 0.11-2.1 times as large as the LP01 mode diameter of the core 2 from the center of the core toward the first clad 3.

Description

本発明は、希土類添加ダブルクラッドファイバに関するものである。   The present invention relates to a rare earth-doped double clad fiber.

Er(エルビウム)、Yb(イッテルビウム)などの希土類元素をドープ(添加)した希土類添加光ファイバは、光通信信号の増幅器として幅広く利用されている。特に、Ybを添加した光ファイバを用いたファイバレーザや光ファイバ増幅器は、高い光変換効率や優れたビーム品質が得られることから、切断、溶接、マーキング等の加工技術分野に幅広く応用されている。   Rare earth doped optical fibers doped (added) with rare earth elements such as Er (erbium) and Yb (ytterbium) are widely used as amplifiers for optical communication signals. In particular, fiber lasers and optical fiber amplifiers using Yb-added optical fibers are widely applied in processing technology fields such as cutting, welding, and marking because high light conversion efficiency and excellent beam quality can be obtained. .

近年、こうした加工技術分野では、高出力、高品質、高信頼性を持つレーザが求められている。高出力化のためには、大強度のレーザ光を光ファイバに入力することが考えられる。高い強度のレーザ光を光ファイバに入力可能なファイバとして、エアホール型ダブルクラッドファイバやポリマー型ダブルクラッドファイバが提案されている(例えば、非特許文献1)。   In recent years, in such a processing technology field, a laser having high output, high quality, and high reliability has been demanded. In order to increase the output, it is conceivable to input a high-intensity laser beam into the optical fiber. As a fiber that can input high-intensity laser light into an optical fiber, an air hole type double clad fiber or a polymer type double clad fiber has been proposed (for example, Non-Patent Document 1).

一方、Yb添加ファイバを用いたレーザ共振器を構成した場合、ファイバレーザから高出力を発振させるためには、低励起パワーから高励起パワーまで変化させる必要がある。しかし、低励起パワーではYb添加ファイバの一部が過飽和吸収体になることによって過飽和吸収体による再吸収が起こり、自己パルスが生じてしまう。この自己パルスは、数kWから数百kWの範囲で発生し、僅かな端面損傷を起こし、ファイバ端面を破壊してしまう。   On the other hand, when a laser resonator using a Yb-doped fiber is configured, in order to oscillate a high output from the fiber laser, it is necessary to change from a low pump power to a high pump power. However, at a low pumping power, a part of the Yb-doped fiber becomes a saturable absorber, whereby reabsorption by the saturable absorber occurs and self-pulses are generated. This self-pulse is generated in the range of several kW to several hundred kW, causing slight end face damage and breaking the end face of the fiber.

非特許文献2では、外部回路を構成し、励起パワーにオフセットをかけ、自己パルスを抑制する方法が記載されているが、自己パルスの抑制効果は完全ではなく、改善が必要である。   Non-Patent Document 2 describes a method of configuring an external circuit, offsetting the excitation power, and suppressing the self-pulse, but the self-pulse suppression effect is not perfect and needs to be improved.

また、非特許文献3では、手動ファイバをYb添加ファイバの間に挟み込み、発振光の共振往復距離を長くし、キャリア緩和時間を調整することによって自己パルスを抑制可能であると記載されているが、別途ファイバを用意することや、Yb添加ファイバとアラインメントを合わせる必要があり、余分なコストがかかる。   Non-Patent Document 3 describes that a self-pulse can be suppressed by sandwiching a manual fiber between Yb-doped fibers, increasing the resonant reciprocation distance of oscillation light, and adjusting the carrier relaxation time. In addition, it is necessary to prepare a separate fiber or to align the Yb-doped fiber with the alignment, resulting in an extra cost.

また、非特許文献4では、希土類添加ファイバの変換効率を向上させる方法として中心添加方法が記載されているが、この方法は、シングルモードファイバ、Er添加ファイバに関するものであり、自己パルス抑制方法としては記載されていない。   Non-Patent Document 4 describes a center addition method as a method for improving the conversion efficiency of a rare earth-doped fiber. This method relates to a single-mode fiber and an Er-doped fiber, and as a self-pulse suppression method. Is not listed.

さらに、Yb添加光ファイバから信頼性を高めるためには、高いフォトダークニング耐性が要求される。ここで、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、光ファイバの出力を劣化させる主な原因となっており、励起反転分布又はYb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いる(例えば、非特許文献6参照)。フォトダークニングは、添加されたYbイオンのクラスタ化が原因で起きることが一般に知られている。Ybイオンのクラスタ化は、添加されたYbイオンが十分な拡散(分離)ができず、酸素欠陥によって起因する現象であり、Yb添加を高濃度化すると、顕著に現れる。   Furthermore, high photodarkening resistance is required in order to increase the reliability of the Yb-doped optical fiber. Here, the photodarkening caused by the mechanism of forming the color center is a main cause for deteriorating the output of the optical fiber, and may occur in proportion to about the seventh power of the excitation inversion distribution or the excitation concentration of Yb ions. It is known (for example, see Non-Patent Document 6). It is generally known that photodarkening occurs due to clustering of added Yb ions. The clustering of Yb ions is a phenomenon caused by oxygen diffusion, because the added Yb ions cannot be sufficiently diffused (separated), and appears significantly when the concentration of Yb addition is increased.

J. Kim et al., Fiber Design For High-Power Low-Cost Yb:Al-Doped Fiber Laser Operating at 980 nm, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 13(No. 3), 2007J. Kim et al., Fiber Design For High-Power Low-Cost Yb: Al-Doped Fiber Laser Operating at 980 nm, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 13 (No. 3), 2007 V. Mizrahi et al., J. Lightwave Technol. Vol. 11, p2021 (1993)V. Mizrahi et al., J. Lightwave Technol. Vol. 11, p2021 (1993) Elimination of Self-Pulsations in Dual-Clad Ytterbium-Doped Fiber Lasers, LLE Review, Vol. 115Elimination of Self-Pulsations in Dual-Clad Ytterbium-Doped Fiber Lasers, LLE Review, Vol. 115 Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers, C. Randy Giles eral., JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. Vol. 9(No. 2), 1991Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers, C. Randy Giles eral., JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. Vol. 9 (No. 2), 1991 Ajoy Ghatak et al., Introduction to Fiber Optics, Cambridge University Press, p435-437Ajoy Ghatak et al., Introduction to Fiber Optics, Cambridge University Press, p435-437 Joona Koponen.et al.,"Photodarkening Measurements in Large-Mode-Area Fibers",SPIE Photonics West 2007,2007,Vol.6453-50Joona Koponen. Et al., “Photodarkening Measurements in Large-Mode-Area Fibers”, SPIE Photonics West 2007, 2007, Vol. 6453-50

ところで、高い非線形耐性及び高ビーム品質ファイバを実現させるためには、コアNA(開口数)を低減させ、有効コア面積を広げる必要がある。   By the way, in order to realize high nonlinear tolerance and high beam quality fiber, it is necessary to reduce the core NA (numerical aperture) and widen the effective core area.

しかし、コア径が20μm以上且つ100μm以下となる高次マルチモードを有するダブルクラッドファイバにおいては、コア面積が広いために低励起状態での高次モードは十分に励起されず、過飽和吸収体として働くためにQスイッチング状態となる。自己パルスのピーク強度は、Yb添加ファイバ長及びファイバのYb総吸収によって異なるが、数10kWまで達する場合があり、ファイバの端面破壊は勿論のこと、ファイバレーザシステムを壊す深刻な問題になる。   However, in a double-clad fiber having a high-order multimode with a core diameter of 20 μm or more and 100 μm or less, since the core area is wide, the high-order mode in the low excitation state is not sufficiently excited and works as a saturable absorber. Therefore, the Q switching state is entered. The peak intensity of the self-pulse varies depending on the Yb-doped fiber length and the total Yb absorption of the fiber, but can reach up to several tens of kW, which is a serious problem that breaks the fiber laser system as well as the end face of the fiber.

したがって、ファイバレーザ共振器が擬似連続発振に至る前の低励起状態で自己パルスが起こり、ファイバを破壊させるという問題がある。   Therefore, there is a problem that the self-pulse occurs in a low excitation state before the fiber laser resonator reaches the quasi-continuous oscillation, and the fiber is broken.

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、希土類添加ダブルクラッドファイバを高い変換効率及び高い信頼性を持つものにすることにある。   The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to make a rare earth-doped double clad fiber having high conversion efficiency and high reliability.

上記の目的を達成するために、第1の発明では、
Ybが添加されたコアと、
上記コアを囲む第1クラッドと、
上記第1クラッドを囲む第2クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバを対象とし、
上記希土類添加ダブルクラッドファイバでは、
上記コアの開口数は、0.06以上0.15以下であり、
上記コアの直径は、20μm以上100μm以下であり、
上記Ybは、上記コアの中心から上記第1クラッドに向かって一部領域でのみ添加され、
上記一部領域は、上記コア中心から上記第1クラッドに向かって該コアのLP01モード径の0.11倍以上2.1倍以下である。
In order to achieve the above object, in the first invention,
A core to which Yb is added;
A first cladding surrounding the core;
For a rare earth-doped double clad fiber having a second clad surrounding the first clad,
In the rare earth-doped double clad fiber,
The numerical aperture of the core is 0.06 or more and 0.15 or less,
The core has a diameter of 20 μm or more and 100 μm or less,
The Yb is added only in a partial region from the center of the core toward the first cladding,
The partial region is 0.11 to 2.1 times the LP01 mode diameter of the core from the core center toward the first cladding.

ここで、コアの開口数NAが0.06よりも小さくなると光の閉じ込めが弱く光変換効率が低下するためにコアNAを0.06以上に上げる必要があり、0.15よりも大きくなると、ビーム品質が低下する。しかし、NAを0.06以上0.15以下にすることで、閉じ込めが強く且つ高いビーム品質の実現が可能である。   Here, when the numerical aperture NA of the core is smaller than 0.06, light confinement is weak and the light conversion efficiency is lowered, so the core NA needs to be increased to 0.06 or more, and when larger than 0.15, Beam quality is degraded. However, by setting NA to 0.06 or more and 0.15 or less, confinement is strong and high beam quality can be realized.

また、コア径は、20μmよりも小さいと、高出力化が難しくなり、100μmよりも大きいとポンプガイド径を太くする必要があるのでファイバが硬くなって曲げられないために、装置の小型化及び軽量化が困難になり、また、ファイバ冷却効果が低下するためにレーザ発振特性及び信頼性が低下する。しかし、本発明では、コア径は、20μm以上100μm以下なので、高出力化及び装置の小型化が可能になる。Yb添加領域がコア中心から第1クラッドに向かってコアのLP01モード(基本モード)径の0.11倍よりも小さいと、Yb吸収係数を高めるためにYb添加濃度を高くする必要があり、Ybイオンのクラスタ化によってフォトダークニング耐性が低下する傾向になり、2.1よりも大きいと、低励起状態で高次モードの反転分布が低く、過飽和吸収体になるために自己パルスが起こる。しかし、本発明では、0.11倍以上2.1倍以下であるので、フォトダークニング耐性が高く、且つ、自己パルスが起こらないファイバが得られる。このように、希土類元素であるYbをコア中心の一部領域のみに添加することにより、低励起状態でも擬似連続発振を起こすような反転分布状態を作り、自己パルス発生が抑制される。   If the core diameter is smaller than 20 μm, it is difficult to increase the output. If the core diameter is larger than 100 μm, the pump guide diameter needs to be increased, and the fiber becomes hard and cannot be bent. It is difficult to reduce the weight, and the fiber cooling effect is lowered, so that the laser oscillation characteristics and reliability are lowered. However, in the present invention, since the core diameter is 20 μm or more and 100 μm or less, high output and miniaturization of the apparatus can be realized. If the Yb addition region is smaller than 0.11 times the LP01 mode (fundamental mode) diameter of the core from the core center toward the first cladding, it is necessary to increase the Yb addition concentration in order to increase the Yb absorption coefficient. Photodarkening resistance tends to decrease due to ion clustering, and when it is larger than 2.1, a high-order mode inversion distribution is low in a low excitation state, and a self-pulse occurs because it becomes a saturable absorber. However, in the present invention, since it is 0.11 times or more and 2.1 times or less, a fiber having high photodarkening resistance and no self-pulsing can be obtained. In this way, by adding Yb, which is a rare earth element, only to a partial region of the core center, an inversion distribution state that causes quasi-continuous oscillation even in a low excitation state is created, and self-pulse generation is suppressed.

第2の発明では、第1の発明において、
上記第2クラッドの外径は、上記コア径の10倍以上40倍以下である。
In the second invention, in the first invention,
The outer diameter of the second cladding is not less than 10 times and not more than 40 times the core diameter.

例えば、第2クラッドの外径は、コア径の10倍よいも小さいとき、ファイバに入力される励起光パワーが制限されるために高出力レーザが困難になる。逆に40倍よりも大きいと、ポンプガイドの吸収係数を高めるためにコアに添加されるYb濃度を高くする必要があり、フォトダークニング耐性が悪化する恐れがある。しかし、上記の構成によると、10倍以上40倍以下であるため、ファイバレーザの高出力化及び高いフォトダークニング耐性の実現が可能になる。   For example, when the outer diameter of the second cladding is 10 times the core diameter or smaller, the power of the pumping light input to the fiber is limited, so that a high-power laser becomes difficult. Conversely, if it is larger than 40 times, it is necessary to increase the concentration of Yb added to the core in order to increase the absorption coefficient of the pump guide, and the photodarkening resistance may be deteriorated. However, according to the above configuration, since it is 10 times or more and 40 times or less, it is possible to realize high output of the fiber laser and high photodarkening resistance.

第3の発明では、第1又は第2の発明において、
915nm波長帯域の上記コアの吸収係数は、50dB/m以上300dB/m以下である。
In the third invention, in the first or second invention,
The absorption coefficient of the core in the 915 nm wavelength band is 50 dB / m or more and 300 dB / m or less.

例えば、コアの吸収係数が50dB/mよりも小さいとき、ポンプガードの吸収係数が低くなるためにファイバを長くする必要があり、非線形耐性が低下される他、自己パルスは発生がしやすくなる。逆に300dB/mよりも大きいと、コア中にYb添加濃度を高める必要があり、フォトダークニング耐性を低下させる恐れがある。しかし、上記の構成によると、50dB/m以上300dB/m以下であるため、非線形特性の低下及び低いフォトダークニング耐性を招かず、高出力ファイバレーザの実現が可能になる。   For example, when the absorption coefficient of the core is smaller than 50 dB / m, it is necessary to lengthen the fiber because the absorption coefficient of the pump guard is low, so that non-linear resistance is reduced and self-pulses are easily generated. On the other hand, if it is higher than 300 dB / m, it is necessary to increase the concentration of Yb added in the core, which may reduce the photodarkening resistance. However, according to the above configuration, since it is 50 dB / m or more and 300 dB / m or less, a reduction in nonlinear characteristics and low photodarkening resistance are not caused, and a high-power fiber laser can be realized.

以上説明したように、本発明によれば、コアの開口数を0.06以上0.15以下とし、コア直径を20μm以上100μm以下とし、Ybをコアから第1クラッドに向かって一部領域で添加し、このYb添加領域をコア中心から第1クラッドに向かってコアのLP01モード径の0.11倍以上2.1倍以下としたことにより、希土類添加ダブルクラッドファイバを高い変換効率及び高い信頼性を持つものとすることができる。   As described above, according to the present invention, the numerical aperture of the core is 0.06 or more and 0.15 or less, the core diameter is 20 μm or more and 100 μm or less, and Yb is in a partial region from the core toward the first cladding. By adding this Yb-doped region from the center of the core toward the first cladding, the LP01 mode diameter of the core is 0.11 times or more and 2.1 times or less, thereby making the rare earth-doped double-clad fiber high conversion efficiency and high reliability. It can have a sex.

シミュレーションで用いたファイバの概略構成を示す正面図である。It is a front view which shows schematic structure of the fiber used by simulation. 100%のYb添加に対する平均反転分布を示すグラフである。It is a graph which shows the average inversion distribution with respect to 100% Yb addition. 100%のYb添加に対するASE後方出力を示すグラフである。It is a graph which shows the ASE back output with respect to 100% Yb addition. 100%のYb添加に対する各モードのASE出力割合を示すグラフである。It is a graph which shows the ASE output ratio of each mode with respect to 100% Yb addition. 63%のYb中心添加に対する平均反転分布を示すグラフである。It is a graph which shows the average inversion distribution with respect to 63% of Yb center addition. 63%のYb中心添加に対する各モードのASE出力割合を示すグラフである。It is a graph which shows the ASE output ratio of each mode with respect to 63% of Yb center addition. 47%のYb環状添加の添加プロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the addition profile of 47% of Yb cyclic | annular addition. 47%のYb環状添加に対する平均反転分布を示すグラフである。It is a graph which shows the average inversion distribution with respect to 47% of Yb cyclic | annular addition. 47%のYb環状添加の励起パワーに対する各モードのASE出力割合を示すグラフである。It is a graph which shows the ASE output ratio of each mode with respect to the excitation power of 47% Yb cyclic | annular addition. Yb添加プロファイルに依存する出射ビームパタンを示すグラフである。It is a graph which shows the emitted beam pattern depending on a Yb addition profile. コア径及びYb添加プロファイルに依存する出射ビームパタンを示すグラフである。It is a graph which shows the outgoing beam pattern depending on a core diameter and a Yb addition profile. コア径とLP01のモードフィルド径の相関関係を示す表である。It is a table | surface which shows the correlation of a core diameter and the mode filled diameter of LP01. Yb中心添加割合変化に対するレーザ出力変化をシミュレーションするためのファイバ構成図である。It is a fiber block diagram for simulating the laser output change with respect to Yb center addition ratio change. Yb中心添加割合に対するファイバレーザの出力を示す表である。It is a table | surface which shows the output of the fiber laser with respect to Yb center addition ratio. 63%のYb中心添加ファイバに関するレーザ評価結果を示す表である。It is a table | surface which shows the laser evaluation result regarding 63% Yb center addition fiber. 47%のYb環状添加ファイバのレーザ評価結果を示す表である。It is a table | surface which shows the laser evaluation result of 47% Yb cyclic | annular addition fiber. 100%のYb添加ファイバのレーザ評価結果を示す表である。It is a table | surface which shows the laser evaluation result of 100% Yb addition fiber. 実施例及び比較例のパルス波形及び発振スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the pulse waveform and oscillation spectrum of an Example and a comparative example. 図18のXIX部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows the XIX part of FIG. 図18のIIX部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows the IIX part of FIG. 図18のIIXI部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows the IIXI part of FIG. 図18のIIXII部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows the IIXII part of FIG. 図18のIIXIII部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows the IIXIII part of FIG.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、本実施形態の希土類添加ダブルクラッドファイバ1は、Ybが添加されたコア2を有する。コア2の開口数(NA:Numerical Aperture)は0.06以上0.15以下(0.06≦NA≦0.15)であり、コア径D0は20μm以上100μm以下(20μm≦D0≦100μm)である。   As shown in FIG. 1, a rare earth-doped double clad fiber 1 of this embodiment has a core 2 doped with Yb. The numerical aperture (NA) of the core 2 is 0.06 to 0.15 (0.06 ≦ NA ≦ 0.15), and the core diameter D0 is 20 μm to 100 μm (20 μm ≦ D0 ≦ 100 μm). is there.

コア2は、第1クラッド3で囲まれている。Ybは、コア2から第1クラッド3に向かって一部領域で添加されている。Yb添加領域は、コア2の中心から第1クラッド3に向かって、コア2のLP01モード(基本モード)径の0.11倍以上2.1倍以下である。   The core 2 is surrounded by the first cladding 3. Yb is added in a partial region from the core 2 toward the first cladding 3. The Yb-added region is 0.11 to 2.1 times the LP01 mode (fundamental mode) diameter of the core 2 from the center of the core 2 toward the first cladding 3.

さらに第1クラッド3は、第2クラッド4で囲まれている。第2クラッド4の外径(ファイバ径)D2は、コア径D0の10倍以上40倍以下(10D0≦D2≦40D0)である。   Further, the first cladding 3 is surrounded by the second cladding 4. The outer diameter (fiber diameter) D2 of the second cladding 4 is not less than 10 times and not more than 40 times (10D0 ≦ D2 ≦ 40D0) of the core diameter D0.

また、915nm波長帯域のコアの吸収係数は、50dB/m以上300dB/m以下である。   In addition, the absorption coefficient of the core in the 915 nm wavelength band is 50 dB / m or more and 300 dB / m or less.

そして、本実施形態の希土類添加ダブルクラッドファイバ1は、希土類元素をコア2の中心付近にのみ添加し、低励起状態でも擬似連続発振を起こすような反転分布状態を作り、自己パルス発生を抑制するように構成されている。   In the rare earth-doped double clad fiber 1 of this embodiment, a rare earth element is added only near the center of the core 2 to create an inversion distribution state that causes quasi-continuous oscillation even in a low excitation state, thereby suppressing self-pulse generation. It is configured as follows.

<シミュレーション1>
Ybが添加されたマルチモードファイバの低励起状態において自己パルスの影響を調べるために、コア全体(100%)にYb添加ファイバにおいて、各モードのASE後方出力割合及び各モードの反転分布割合を算出した。反転分布とは、励起光(Pump Laser Diode=PLD)をファイバに入力すると、基底準位(N1)の電子が励起準位(N2)へ励起されるが、基底準位(N1)から、励起準位(N2)までどの位のキャリアが励起されたかを数値で表したものであり、以下の式(1)に現れる。
<Simulation 1>
In order to investigate the influence of self-pulse in the low excitation state of the multimode fiber doped with Yb, the ASE rear power ratio of each mode and the inversion distribution ratio of each mode are calculated in the Yb-doped fiber for the entire core (100%). did. Inversion distribution means that when excitation light (Pump Laser Diode = PLD) is input to a fiber, electrons in the ground level (N1) are excited to the excitation level (N2). This is a numerical value indicating how many carriers have been excited up to the level (N2), and appears in the following equation (1).

ここで、N=N1+N2になる。Yb添加ファイバの反転分布は、励起波長、励起パワー、コア径D0、ファイバ長、ファイバ構造、Yb添加濃度などに影響されるために各パラメーターの状況を判断しなければならない。   Here, N = N1 + N2. Since the inversion distribution of the Yb-doped fiber is affected by the pump wavelength, pump power, core diameter D0, fiber length, fiber structure, Yb-doped concentration, etc., the status of each parameter must be determined.

図1に示すように、コアNAは0.06、コア径D0は30μm、第1クラッド3の外径であるポンプガイド径D1は260μm、ファイバ長は6.5m、Yb濃度は1wt%(重量比の百分率)になる希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、励起パワーに対する各モードのASE(amplitude stimulated emission)後方出力割合及び平均反転分布を計算した。ここで、平均反転分布の計算には、(式1)によって計算された反転分布値をファイバの長さで割った。Ybはコア全体に添加されており、励起(PLD)波長は976nmを用いた。   As shown in FIG. 1, the core NA is 0.06, the core diameter D0 is 30 μm, the pump guide diameter D1 which is the outer diameter of the first cladding 3 is 260 μm, the fiber length is 6.5 m, and the Yb concentration is 1 wt% (weight). In the rare earth-doped double clad fiber (percentage ratio), the ASE (amplitude stimulated emission) backward output ratio and average inversion distribution of each mode with respect to the excitation power were calculated. Here, in the calculation of the average inversion distribution, the inversion distribution value calculated by (Equation 1) was divided by the length of the fiber. Yb was added to the entire core, and an excitation (PLD) wavelength of 976 nm was used.

図2によると、Yb添加ファイバの平均反転分布は励起パワーを上げると共に増加しており、励起パワーが約12Wから反転分布は飽和した。自己パルスがなくなると予測される4%の平均反転分布は、5Wの励起パワーで得られた。   According to FIG. 2, the average inversion distribution of the Yb-doped fiber increases as the pump power is increased, and the inversion distribution is saturated from about 12 W. A 4% average inversion distribution, predicted to be free of self-pulses, was obtained with an excitation power of 5W.

図3によると、ASE出力は励起パワー増加と共に上がっており、その傾向は、励起パワーに対する反転分布の変化と類似である。したがって、ファイバレーザの出力は反転分布の増加と比例し、強くなると考えられる。   According to FIG. 3, the ASE output increases with increasing pump power, and the tendency is similar to the change of the inversion distribution with respect to the pump power. Therefore, it is considered that the output of the fiber laser increases in proportion to the increase in inversion distribution.

励起パワーに対する各モードのASE出力割合を示す図4によると、30μmコア径D0に対する体表的なモードは五つであり、基本モードであるLP01、高次モードであるLP11、LP21、LP02、LP31になる。発振閾値付近である低励起パワーの5W基準に対するLP01の出力割合は30.3%、LP11は19.9%、LP21は9.8%、LP02は5.7%、LP31は2.1%であった。ここで、LP11、LP21、LP31は前方及び後方に向かって伝播されるために計算結果に2倍した。なお、図4のLP11/2、LP21/2、LP31/2はLP11、LP21、LP31のASEパワーの半分であることを意味する。5Wの励起パワーに対する平均反転分布は3.9%であることから各モードの平均反転分布は、1.18%、0.78%、0.38%、0.22%、0.08%であり、LP01以外は1.0%を下回るために不安定な反転分布を持ち、低励起状態では自己パルスを起こす可能性が高い。したがって、平均反転分布が1.0%を下回るLP11、LP21、LP02、LP31は十分に励起されず、過飽和吸収体及び再吸収損失となり、自己パルスを起こす要因であると考えられる。   According to FIG. 4 showing the ASE output ratio of each mode with respect to the excitation power, there are five superficial modes with respect to the 30 μm core diameter D 0, LP01 being the basic mode, LP11, LP21, LP02, LP31 being the higher order modes. become. The output ratio of LP01 with respect to the 5 W reference of low excitation power near the oscillation threshold is 30.3%, LP11 is 19.9%, LP21 is 9.8%, LP02 is 5.7%, and LP31 is 2.1%. there were. Here, LP11, LP21, and LP31 are propagated toward the front and rear, so that the calculation result is doubled. Note that LP11 / 2, LP21 / 2, and LP31 / 2 in FIG. 4 mean half of the ASE power of LP11, LP21, and LP31. Since the average inversion distribution for 5 W excitation power is 3.9%, the average inversion distribution of each mode is 1.18%, 0.78%, 0.38%, 0.22%, 0.08%. Except for LP01, it is less than 1.0%, so it has an unstable inversion distribution, and there is a high possibility of causing a self-pulse in a low excitation state. Therefore, LP11, LP21, LP02, and LP31 whose average inversion distribution is less than 1.0% are not sufficiently excited, become supersaturated absorbers and reabsorption losses, and are considered to be factors that cause self-pulses.

<シミュレーション2>
コア63%のYb中心添加に対するシミュレーションでは、コアNAは0.06、コア径D0は30μm、ポンプガイド径D1は260μm、ファイバ長は6.5m、Yb濃度は2.0wt%になる希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、励起パワーに対する各モードのASE後方出力割合及び平均反転分布を算出した。中心添加63%に対する平均反転分布を示す図5によると、100%中心添加の平均反転分布と異なり、5Wの低励起パワーでも平均反転分布は4.3%を超えており、十分に全モードが励起されていると考えられる。
<Simulation 2>
In the simulation for Yb center addition of 63% core, the rare earth addition double that core NA is 0.06, core diameter D0 is 30 μm, pump guide diameter D1 is 260 μm, fiber length is 6.5 m, and Yb concentration is 2.0 wt%. In the clad fiber, the ASE rear output ratio and the average inversion distribution of each mode with respect to the excitation power were calculated. According to FIG. 5 showing the average inversion distribution with respect to 63% center addition, unlike the average inversion distribution with 100% center addition, the average inversion distribution exceeds 4.3% even at a low excitation power of 5 W. It is considered excited.

図6によると、コア30μmに対する体表的なモードは五つがあり、LP01、LP11、LP21、LP02、LP31になる。発振閾値付近である5Wの低励起パワーで、基準に対するLP01の出力割合は96.8%、LP11は1.1%、LP21は0.049%、LP02は0.67%、LP31は0.005%になり、ASE出力に寄与するのはLP01のみであった。励起パワー5Wに対する平均反転分布は4.3%であることから各モードの平均反転分布は、4.1%、0.05%、0.002%、0.02%、0.0002%であり、LP01はかなり反転分布が高い。LP11、LP21、LP02、LP31の反転分布は1.0%を下回るが、コア外周にはYbが添加されないために過飽和吸収体にはならず、自己パルスを起こさない。ここで、LP11、LP21、LP31は前方及び後方に向かって伝播されるために計算結果に2倍した。   According to FIG. 6, there are five superficial modes for the core 30 μm, which are LP01, LP11, LP21, LP02, and LP31. The output ratio of LP01 with respect to the reference is 96.8%, LP11 is 1.1%, LP21 is 0.049%, LP02 is 0.67%, and LP31 is 0.005 with a low excitation power of 5 W near the oscillation threshold. Only LP01 contributed to the ASE output. Since the average inversion distribution for the excitation power of 5 W is 4.3%, the average inversion distribution in each mode is 4.1%, 0.05%, 0.002%, 0.02%, 0.0002%. LP01 has a considerably high inversion distribution. The inversion distribution of LP11, LP21, LP02, and LP31 is less than 1.0%. However, since Yb is not added to the outer periphery of the core, it does not become a saturable absorber and does not cause a self pulse. Here, LP11, LP21, and LP31 are propagated toward the front and rear, so that the calculation result is doubled.

<シミュレーション3>
コア47%のYb環状添加に対するシミュレーションでは、コアNAは0.06、コア径D0は30μm、ポンプガイド径D1は260μm、ファイバ長は6.5m、Yb濃度は1.5wt%になる希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、励起パワーに対する各モードの出力割合及び平均反転分布を算出した。
<Simulation 3>
In the simulation of 47% core Yb addition, rare earth-added double with core NA 0.06, core diameter D0 30 μm, pump guide diameter D1 260 μm, fiber length 6.5 m, and Yb concentration 1.5 wt% In the clad fiber, the output ratio and average inversion distribution of each mode with respect to the excitation power were calculated.

図7によると、中心から63%まではYbが添加されておらず、9.4μmから第1クラッド3界面の15μmまで添加されている。   According to FIG. 7, Yb is not added up to 63% from the center, and is added from 9.4 μm to 15 μm at the interface of the first cladding 3.

図8に示すように、47%の環状添加に対する平均反転分布は、63%中心添加の平均反転分布と異なり、5Wの低励起パワーでの平均反転分布は1.5%であり、中心添加よりもかなり低い値を示す。したがって、47%環状添加よりも63%中心添加の方が高い光−光変換効率になると予測される。   As shown in FIG. 8, the average inversion distribution for 47% cyclic addition is different from the average inversion distribution of 63% center addition, and the average inversion distribution at a low excitation power of 5 W is 1.5%. Shows a considerably low value. Therefore, it is predicted that 63% center addition will give higher light-light conversion efficiency than 47% cyclic addition.

励起パワーに対する各モードのASE後方出力割合を示す図9によると、コア30μmに対するモードは五つであり、LP01、LP11、LP21、LP02、LP31になる。発振閾値付近の低励起パワーの5Wで、LP01の出力割合は33.1%、LP11は5.0%、LP21は29.5%、LP02は7.08%、LP31は15%であった。5Wの励起パワーに対する平均反転分布は1.5%であることから各モードの平均反転分布は、0.48%、0.67%、0.42%、0.10%、0.20%であり、全モードの反転分布は1.0%以下であった。ここで、LP11、LP21、LP31は前方及び後方に向かって伝播されるために計算結果に2倍した。特に、LP01、LP11の反転分布は比較的に高いが、LP01、LP11領域にはYbが添加されていないので自己パルスと関係ない。1.0%を下回る、LP21、LP02、LP31は過飽和吸収体及び再吸収損失となり、自己パルスを起こす要因になる。また、環状添加プロファイルの特徴から、LP01、LP11のASE割合が高くてもYb添加プロファイルと伝播モードが結合しないために誘導放出には寄与しない。したがって、反転分布が低いLP21、LP02、LP31などの高次モードがレーザ発振に寄与することとなり、発振に不安定な過飽和吸収体となり、自己パルスを起こす他、光−光変換効率が低下される。   According to FIG. 9 showing the ASE rear output ratio of each mode with respect to the excitation power, there are five modes for the core 30 μm, which are LP01, LP11, LP21, LP02, and LP31. The output ratio of LP01 was 33.1%, LP11 was 5.0%, LP21 was 29.5%, LP02 was 7.08%, and LP31 was 15% at a low excitation power of 5 W near the oscillation threshold. Since the average inversion distribution for the excitation power of 5 W is 1.5%, the average inversion distribution in each mode is 0.48%, 0.67%, 0.42%, 0.10%, 0.20%. Yes, the inversion distribution of all modes was 1.0% or less. Here, LP11, LP21, and LP31 are propagated toward the front and rear, so that the calculation result is doubled. In particular, the inversion distribution of LP01 and LP11 is relatively high, but Yb is not added to the LP01 and LP11 regions, so it is not related to the self pulse. LP21, LP02, and LP31 below 1.0% become a saturable absorber and reabsorption loss, which causes self-pulse. In addition, due to the characteristics of the cyclic addition profile, even if the ASE ratio of LP01 and LP11 is high, the Yb addition profile and the propagation mode do not combine, and thus do not contribute to stimulated emission. Therefore, higher order modes such as LP21, LP02, and LP31 having a low inversion distribution contribute to laser oscillation, become a saturable absorber unstable to oscillation, cause self-pulses, and reduce light-light conversion efficiency. .

Yb添加プロファイルに対する出射ビームパタンを示す図10の添加プロファイルに対するシミュレーション結果から判るように出射ビームパタンは添加プロファイルに大きく依存した。コア全体に添加した場合は、LP01の基本モード及びコア周辺に高次モードに関する出射ビームが見られる。47%環状添加の場合は、LP01の基本モードは観測されず、高次モードに関する出射ビームのみ見られる。しかしながら、63%の中心添加に関しては、コア中心にLP01の基本モードが顕著に現れる他、高次モード出射ビームが全く見られない。この結果からも中心添加することによって低励起状態での高次モード領域での過飽和吸収領域をなくすことにより、自己パルス化を抑制することが判る。   As can be seen from the simulation result for the addition profile in FIG. 10 showing the output beam pattern with respect to the Yb addition profile, the output beam pattern greatly depends on the addition profile. When added to the entire core, the exit beam related to the fundamental mode of LP01 and the higher-order mode can be seen around the core. In the case of 47% annular addition, the fundamental mode of LP01 is not observed, and only the outgoing beam related to the higher order mode is seen. However, with respect to 63% center addition, the fundamental mode of LP01 appears remarkably at the core center, and no higher-order mode emission beam is seen at all. From this result, it can be seen that self-pulsing is suppressed by eliminating the supersaturated absorption region in the high-order mode region in the low excitation state by adding the center.

コア径D0及びYb添加径を変化させ、出射ビームの形状変化をシミュレーションした。図11によると、コアNAが0.06以上0.15以下、コア径D0が20μm以上100μm以下の範囲において、Yb添加領域がコアの70%以下ではLP01などの低モード出射ビームの強度がコア周辺の高次モードの出射ビーム強度よりも高いことが判った。この結果より、Yb添加領域はコア径D0の70%まで自己パルスが抑制可能であると判断される。   The core diameter D0 and the Yb addition diameter were changed, and the shape change of the emitted beam was simulated. According to FIG. 11, when the core NA is 0.06 or more and 0.15 or less and the core diameter D0 is 20 μm or more and 100 μm or less, the intensity of the low-mode emission beam such as LP01 is low when the Yb-added region is 70% or less of the core. It was found to be higher than the outgoing beam intensity of the surrounding higher-order modes. From this result, it is determined that the self-pulse can be suppressed up to 70% of the core diameter D0 in the Yb addition region.

図12によると、LP01(基本モード)モードフィルド径(非特許文献5)は、コアNA及びコア径D0に大きく依存し、コア径D0が大きいほどLP01のモードフィルド径MFDも大きくなることが判った。また、LP01のモードフィルド径(MFD;Mode Field Diameter)は、コア径D0が小さいほど大きくなり、例えば、コアNAは0.08、コア径D0は20μmの場合、LP01のモードフィルド径は23.4μmとなり、コアNAが0.15、コア径D0が40μmの場合、LP01のモードフィルド径は19.7μmになる。さらに、コアNAが0.08、コア径D0が40μmの場合、中心添加40%に対するLP01モードフィルド径の比率は0.27、中心添加80%に対するLP01モードフィルド径の比率は1.4であり、Yb添加径をLP01モード径の関数で表現可能となり、好ましいYb中心添加範囲は、LP01モードフィルド径の0.1倍以上2倍以下の範囲になる。   According to FIG. 12, the LP01 (basic mode) mode filled diameter (Non-Patent Document 5) greatly depends on the core NA and the core diameter D0, and the larger the core diameter D0, the larger the mode filled diameter MFD of LP01. It was. Further, the mode field diameter (MFD) of LP01 increases as the core diameter D0 decreases. For example, when the core NA is 0.08 and the core diameter D0 is 20 μm, the mode field diameter of LP01 is 23. When the core NA is 0.15 and the core diameter D0 is 40 μm, the mode filled diameter of LP01 is 19.7 μm. Furthermore, when the core NA is 0.08 and the core diameter D0 is 40 μm, the ratio of the LP01 mode filled diameter to 40% of the center addition is 0.27, and the ratio of the LP01 mode filled diameter to 80% of the center addition is 1.4. The Yb addition diameter can be expressed as a function of the LP01 mode diameter, and a preferable Yb center addition range is a range of 0.1 to 2 times the LP01 mode filled diameter.

<シミュレーション4>
図13はYb中心添加割合変化に対するレーザ出力変化をシミュレーションするためのファイバ構成図である。コアNAは0.08、コア径D0は40μm、ポンプガイド径D1は260μm、ファイバ長は6.5m、Yb濃度は0.5wt%以上1.5wt%以下になる希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて励起パワーに対する各モードの出力割合及び平均反転分布の計算を行った。励起波長は976nmを用いた。
<Simulation 4>
FIG. 13 is a fiber configuration diagram for simulating the laser output change with respect to the Yb center addition ratio change. Pump power in rare earth-doped double clad fiber with core NA of 0.08, core diameter D0 of 40 μm, pump guide diameter D1 of 260 μm, fiber length of 6.5 m, and Yb concentration of 0.5 wt% to 1.5 wt% The output ratio of each mode and the average inversion distribution were calculated. The excitation wavelength was 976 nm.

図14によると、Yb中心添加割合に対するファイバレーザの出力は低励起状態と高励起状態で多少異なるが、基本的には類似である。Yb中心添加割合に対するファイバの発振出力は、Yb中心添加割合の低減とともに下がるように見られるが、添加濃度を最適化すれば類似な差を示す。しかし、Yb添加濃度を上げることによってYbイオンクラスタ化が起こり、フォトダークニング耐性の低下及び損失増大の問題を起こすためにYb添加濃度は限界がある。現実的には、約2wt%以下が好ましく、1.5wt%以下がより好ましい。   According to FIG. 14, the output of the fiber laser with respect to the Yb center addition ratio is slightly different between the low excitation state and the high excitation state, but is basically similar. The oscillation output of the fiber with respect to the Yb center addition ratio seems to decrease with a decrease in the Yb center addition ratio, but a similar difference is shown when the addition concentration is optimized. However, Yb ion clustering occurs by increasing the Yb addition concentration, and the Yb addition concentration has a limit in order to cause a problem of reduction in photodarkening resistance and increase in loss. Actually, about 2 wt% or less is preferable, and 1.5 wt% or less is more preferable.

また、ファイバ長は、5.0m以上20.0m以下が好ましい。   The fiber length is preferably 5.0 m or more and 20.0 m or less.

加えて、光ファイバの端面には、必要に応じて、HRコート、ARコートを施してもよく、HRコートは、HR分光が、1010〜1100nm範囲で99%以上の反射率を有する光学薄膜を適用することが好ましい。ARコートは、AR分光が、800〜1000nmまで97%以上の透過率を有する光学薄膜を適用することが好ましい。   In addition, HR coating and AR coating may be applied to the end face of the optical fiber as needed. The HR coating is an optical thin film having a reflectance of 99% or more in the HR spectrum range of 1010 to 1100 nm. It is preferable to apply. As the AR coat, it is preferable to apply an optical thin film having an AR spectrum having a transmittance of 97% or more from 800 to 1000 nm.

(実施例)
実施例では、希土類元素としてYbを採用したYb添加光ファイバをMCVD装置により作製した。希土類元素供給源にYb(DPM)を用いた。石英管としては、無水石英を採用した。
(Example)
In the example, a Yb-doped optical fiber employing Yb as a rare earth element was produced using an MCVD apparatus. Yb (DPM) 3 was used as the rare earth element supply source. Anhydrous quartz was adopted as the quartz tube.

線引工程を経て得られた希土類添加ダブルクラッドファイバ1は、コア径D0が40±3μm、ポンプガイド径D1が600±10μm、ファイバ径D2が1000±20μm、コア開口数NAが0.07〜0.075であった。   The rare earth-doped double clad fiber 1 obtained through the drawing process has a core diameter D0 of 40 ± 3 μm, a pump guide diameter D1 of 600 ± 10 μm, a fiber diameter D2 of 1000 ± 20 μm, and a core numerical aperture NA of 0.07 to 0.075.

線引された希土類添加ダブルクラッドファイバ1を用いてファイバレーザ評価を行った。ファイバレーザ評価構成は図13と同様な構成であった。   Fiber laser evaluation was performed using the drawn rare earth doped double clad fiber 1. The fiber laser evaluation configuration was the same as that shown in FIG.

ファイバ長は15mであり、ファイバの一方の端面にはHR/ARコート、他方の端面はフラット端面加工を行った。HR分光は1010〜1100nm範囲で97%反射率になるようにAR分光は800〜1010nmまで95%以上の透過率になるようにした。励起波長は975nmを用いた。   The fiber length was 15 m, HR / AR coating was applied to one end face of the fiber, and flat end face processing was performed on the other end face. The HR spectroscopy was made to have a transmittance of 97% in the range of 1010 to 1100 nm, and the AR spectroscopy was made to have a transmittance of 95% or more from 800 to 1010 nm. The excitation wavelength was 975 nm.

図15によると、PLD印加電流90Aで、最大の光−光変換効率は70%、最大内部変換効率である発振パワー/(励起パワー−漏れパワー)×100%は、74.3%が得られた。特に、評価領域の励起パワーでのパルスは全く観測されず、シミュレーション結果と同様で、中心添加が自己パルス抑制に効果があることが判った。   According to FIG. 15, when the PLD application current is 90 A, the maximum light-light conversion efficiency is 70%, and the maximum internal conversion efficiency is oscillation power / (pumping power-leakage power) × 100%, which is 74.3%. It was. In particular, no pulse was observed at the excitation power in the evaluation region, and it was found that the addition of the center was effective in suppressing the self-pulse as in the simulation results.

(比較例1)
中心添加有効性を確認するために47%環状添加ファイバに関して、ファイバ作製及びレーザ評価を行った。コア作製及びファイバ化は実施例1と似ているが、コア作製においてコア外周付近にはYbを添加し、コア中心にはYb添加を実施しなかった。
(Comparative Example 1)
In order to confirm the center addition effectiveness, fiber fabrication and laser evaluation were performed on a 47% annularly added fiber. Core production and fiber formation were similar to Example 1, but Yb was added near the outer periphery of the core in the production of the core, and Yb was not added to the core center.

線引工程を経て得られた光ファイバは、コア径D0が40±3μm、ポンプガイド径D1が600±10μm、ファイバ径D2が1000±20μm、コア開口数NAが0.07〜0.075であった。コア形成部の915nm帯域の吸収係数は、80〜120dB/mであった。   The optical fiber obtained through the drawing process has a core diameter D0 of 40 ± 3 μm, a pump guide diameter D1 of 600 ± 10 μm, a fiber diameter D2 of 1000 ± 20 μm, and a core numerical aperture NA of 0.07 to 0.075. there were. The absorption coefficient in the 915 nm band of the core forming part was 80 to 120 dB / m.

線引されたファイバを用いファイバレーザ評価を行った。ファイバレーザ評価構成は図13と同様な構成であった。ファイバ長は15mであり、ファイバの一方の端面にはHR/ARコート、他方の端面はフラット端面加工を行った。HR分光は1010〜1100nm範囲で97%反射率になるようにAR分光は800〜1010nmまで95%以上の透過率になるようにした。励起波長は975nmを用いた。   Fiber laser evaluation was performed using the drawn fiber. The fiber laser evaluation configuration was the same as that shown in FIG. The fiber length was 15 m, HR / AR coating was applied to one end face of the fiber, and flat end face processing was performed on the other end face. The HR spectroscopy was made to have a transmittance of 97% in the range of 1010 to 1100 nm, and the AR spectroscopy was made to have a transmittance of 95% or more from 800 to 1010 nm. The excitation wavelength was 975 nm.

図16によると、PLD印加電流90Aで、最大の光−光変換効率は64.8%、内部変換効率は72.3%であり、実施例1の70%の最大光―光変換効率、74.3%の最大内部変換効率よりも低かった。特に、自己パルスは評価された励起パワーの全領域で観測された。このように自己パルスの起源は、マルチモードコアにおけるコア外周の添加領域によるものであることが、シミュレーション結果からも判る。   According to FIG. 16, the maximum light-light conversion efficiency is 64.8% and the internal conversion efficiency is 72.3% at the PLD application current of 90 A, and the maximum light-light conversion efficiency of 74% in Example 1 is 74. It was lower than the maximum internal conversion efficiency of 3%. In particular, self-pulses were observed over the entire range of pump powers evaluated. Thus, it can be seen from the simulation results that the origin of the self-pulse is due to the added region on the outer periphery of the multi-mode core.

(比較例2)
中心添加有効性を確認するためにコア全体に添加(100中心添加)ファイバに関してレーザ評価を行った。コア作製及びファイバ化は実施例と似ているが、コア作製においてYbをコア全体に添加した。
(Comparative Example 2)
In order to confirm the effectiveness of center addition, laser evaluation was performed on a fiber added to the entire core (100 center addition). The core fabrication and fiberization are similar to the examples, but Yb was added to the entire core in the core fabrication.

線引工程を経て得られた希土類添加ダブルクラッドファイバは、コア径D0が40±3μm、ポンプガイド径D1が600±10μm、ファイバ径D2が1000±20μm、コア開口数NAが0.07〜0.075であった。コア形成部の915nm帯域の吸収係数は、100〜120dB/mであった。   The rare earth-doped double clad fiber obtained through the drawing process has a core diameter D0 of 40 ± 3 μm, a pump guide diameter D1 of 600 ± 10 μm, a fiber diameter D2 of 1000 ± 20 μm, and a core numerical aperture NA of 0.07-0. 0.075. The absorption coefficient in the 915 nm band of the core forming part was 100 to 120 dB / m.

線引された希土類添加ダブルクラッドファイバを用いファイバレーザ評価を行った。ファイバレーザ評価構成は図13と同様な構成であった。ファイバ長は9.6mであり、ファイバの一方の端面にはHR/ARコート、他方の端面はフラット端面加工を行った。HR分光は1010〜1100nm範囲で97%反射率になるようにAR分光は800〜1010nmまで95%以上の透過率になるようにした。励起波長は975nmを用いた。   Fiber laser evaluation was performed using drawn rare-earth doped double clad fiber. The fiber laser evaluation configuration was the same as that shown in FIG. The fiber length was 9.6 m, HR / AR coating was applied to one end face of the fiber, and flat end face processing was performed on the other end face. The HR spectroscopy was made to have a transmittance of 97% in the range of 1010 to 1100 nm, and the AR spectroscopy was made to have a transmittance of 95% or more from 800 to 1010 nm. The excitation wavelength was 975 nm.

図17によると、PLD印加電流90Aで、最大の光−光変換効率は62.8%、内部変換効率は71.2%であり、実施例1の70%の最大光―光変換効率、74.3%の最大内部変換効率よりも低かった。特に、自己パルスは57Wの励起パワーまで観測されたが、その以降は観測されなかった。これは、低励起パワーではコアの高次モード(コアの外周部分)の反転分布が低く、過飽和吸収体になるが、高励起パワーではコア中心且つコア外周部分まで反転分布が高くなり、過飽和吸収領域が完全になくなったためである。このように、自己パルスの起源は、マルチモードコアにおいてコア外周の添加によるものであることが、シミュレーション結果からも判る。   According to FIG. 17, at a PLD application current of 90 A, the maximum light-light conversion efficiency is 62.8% and the internal conversion efficiency is 71.2%, which is 70% of the maximum light-light conversion efficiency of Example 1, 74 It was lower than the maximum internal conversion efficiency of 3%. In particular, self-pulses were observed up to an excitation power of 57 W, but were not observed thereafter. This is because the inversion distribution of the higher-order core mode (the outer periphery of the core) is low at low pumping power and becomes a supersaturated absorber. However, at high pumping power, the inversion distribution increases to the core and the core outer periphery. This is because the area is completely gone. Thus, it can be seen from the simulation results that the origin of the self-pulse is due to the addition of the outer periphery of the multi-mode core.

図18によると、実施例の中心添加ファイバのファイバ総吸収が12.6dB、比較例1のファイバ総吸収は9.4dB、比較例2のファイバ総吸収は9.4dBであり、実施例のファイバ総吸収は比較例よりも高い。ファイバの自己パルスはファイバ総吸収が高いほど顕著に現れることから、実施例の方がより自己パルスが発生しやすいはずだが、自己パルスは観測されなかった。しかし、ファイバの総吸収係数が低い比較例1及び2は、既に低励起状態からパルスが観測される他、特に比較例2から自己パルス発生が顕著であった。   According to FIG. 18, the total fiber absorption of the center-added fiber of the example is 12.6 dB, the fiber total absorption of Comparative Example 1 is 9.4 dB, and the fiber total absorption of Comparative Example 2 is 9.4 dB. Total absorption is higher than the comparative example. Since the self-pulse of the fiber appears more conspicuously as the total fiber absorption is higher, the self-pulse should not be observed although the example should be more likely to generate the self-pulse. However, in Comparative Examples 1 and 2 where the total absorption coefficient of the fiber is low, a pulse was already observed from a low excitation state, and self-pulse generation was particularly remarkable from Comparative Example 2.

62Wの励起パワーでの発振スペクトルは、実施例よりも比較例1及び2の方が広いことから、自己パルスは高次モードの発振によるものであると考えられた。   Since the oscillation spectrum at the excitation power of 62 W is wider in Comparative Examples 1 and 2 than in the Example, it was considered that the self-pulse was due to higher-order mode oscillation.

以上の観点から、915nm波長帯域でのコアのYb吸収係数が50〜300dB/m、コア径D0が20〜100μmのマルチモードのコア2を有し、コアNAが0.06〜0.15である希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、Yb添加をコア直径の40%以上70%以下の範囲で行うことが好ましい。Yb中心添加が40%以下になるとYb濃度を上げなければいけないのでYbクラスタリングが増え、フォトダークニング耐性の悪化や変換効率が悪化する恐れがある。また、70%以上になると高次モード効果が顕著に現れ、自己パルスが発生し、ファイバが破壊される。   From the above viewpoint, the core has a multimode core 2 with a Yb absorption coefficient of 50 to 300 dB / m and a core diameter D0 of 20 to 100 μm in a 915 nm wavelength band, and a core NA of 0.06 to 0.15. In a rare earth-doped double clad fiber, it is preferable to add Yb in a range of 40% to 70% of the core diameter. If the Yb center addition is 40% or less, the Yb concentration must be increased, so that Yb clustering increases, and photodarkening resistance and conversion efficiency may deteriorate. On the other hand, if the ratio is 70% or more, the higher-order mode effect appears remarkably, a self-pulse is generated, and the fiber is broken.

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。   In addition, the above embodiment is an essentially preferable illustration, Comprising: It does not intend restrict | limiting the range of this invention, its application thing, or a use.

以上説明したように、本発明は、コアを囲む第1クラッドと、第1クラッドを囲む第2クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバについて有用である。   As described above, the present invention is useful for a rare earth-doped double clad fiber having a first cladding surrounding a core and a second cladding surrounding the first cladding.

1 希土類添加ダブルクラッドファイバ
2 コア
3 第1クラッド
4 第2クラッド
1 Rare earth doped double clad fiber
2 core
3 First cladding
4 Second clad

Claims (3)

Ybが添加されたコアと、
上記コアを囲む第1クラッドと、
上記第1クラッドを囲む第2クラッドとを有する希土類添加ダブルクラッドファイバであって、
上記コアの開口数は、0.06以上0.15以下であり、
上記コアの直径は、20μm以上100μm以下であり、
上記Ybは、上記コアの中心から上記第1クラッドに向かって一部領域でのみ添加され、
上記一部領域は、上記コアの中心から上記第1クラッドに向かって該コアのLP01モード径の0.11倍以上2.1倍以下である
ことを特徴とする希土類添加ダブルクラッドファイバ。
A core to which Yb is added;
A first cladding surrounding the core;
A rare earth-doped double clad fiber having a second clad surrounding the first clad,
The numerical aperture of the core is 0.06 or more and 0.15 or less,
The core has a diameter of 20 μm or more and 100 μm or less,
The Yb is added only in a partial region from the center of the core toward the first cladding,
The rare earth-doped double clad fiber, wherein the partial region is 0.11 to 2.1 times the LP01 mode diameter of the core from the center of the core toward the first clad.
請求項1に記載されている希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、
上記第2クラッドの外径は、上記コア径の10倍以上40倍以下である
ことを特徴とする希土類添加ダブルクラッドファイバ。
In the rare earth-doped double clad fiber according to claim 1,
The rare earth-doped double clad fiber, wherein an outer diameter of the second clad is 10 to 40 times the core diameter.
請求項1又は2に記載されている希土類添加ダブルクラッドファイバにおいて、
915nm波長帯域の上記コアの吸収係数は、50dB/m以上300dB/m以下であることを特徴とする希土類添加ダブルクラッドファイバ。
In the rare earth-doped double clad fiber according to claim 1 or 2,
A rare earth-doped double clad fiber, wherein the core has an absorption coefficient of 50 dB / m to 300 dB / m in the 915 nm wavelength band.
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