JP4947853B2 - Rare earth element doped fiber - Google Patents

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Description

【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、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（ＬＰ０１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、上記希土類元素ドープファイバによる被増幅光の波長における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。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、ＬＰ０１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、Ｌａ、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ＤＥｒ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、ＬＰ０２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ＤＥｒ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２ａ）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、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ＤＥｒ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、上記希土類元素ドープファイバによる被増幅光の波長における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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention belongs to a technical field related to a rare earth element-doped fiber having a core doped with a rare earth element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an optical amplification device that directly amplifies signal light in an optical fiber and a fiber laser device that uses an optical fiber as a laser medium are known. As an optical fiber used in these devices, erbium ( Rare earth element-doped fibers doped with rare earth elements such as Er) are well known. In this rare earth element doped fiber, when excitation light and amplified light such as signal light enter the core, the rare earth element is excited by the excitation light, and the stimulated emission phenomenon of the excited rare earth element ions is caused. The amplified light is amplified and output.
[0003]
In the rare earth element-doped fiber, it is necessary to increase the cross-sectional area of the core as much as possible in order to increase the output of an optical amplifying apparatus or the like by allowing more excitation light to enter. However, if the cross-sectional area of the core is increased, the cutoff wavelength for blocking modes other than the LP 01 mode becomes longer, and the amplified light propagates as a multimode, thereby disturbing the output mode and obtaining high-quality output light. It will not be possible.
[0004]
Therefore, a first core doped with a rare earth element, a second core (also referred to as a first cladding) covering the periphery of the first core, and a cladding (second cladding) covering the periphery of the second core are provided. It is conceivable to use a double clad fiber. That is, in this double clad fiber, the light to be amplified is propagated in the first core and the pumping light is propagated in the second core, so that the light to be amplified is made into a single mode (only the LP 01 mode is propagated). Even if the cross-sectional area of the first core cannot be increased, the cross-sectional area of the second core can be increased to increase the excitation input.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the double-clad fiber as well, since the cross-sectional area of the first core cannot be increased because of the single mode, as in the case of the normal rare earth element-doped fiber, the rare earth element doping amount per unit length of the fiber For this reason, even if the excitation input is increased, the absorption efficiency of the excitation light is relatively low, and such a high output cannot be obtained. Further, like the normal rare earth element-doped fiber, since the mode field diameter is considerably small, nonlinearity is likely to occur during propagation of amplified light to be amplified.
[0006]
The present invention has been made in view of such a point, and the object of the present invention is to improve the quality of the rare earth element-doped fiber doped with the rare earth element by devising the rare earth element doping range. An object of the present invention is to make it possible to increase the output of an optical amplifying device, a fiber laser device, etc.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, for a rare earth element-doped fiber in which a core is doped with a rare earth element, the rare earth element is doped only in a doped portion provided in the central portion of the core. For the LP 01 mode and the LP 11 mode at the wavelength of the light to be amplified by the rare earth element-doped fiber, the diameter of the doped portion is set to the distance from the core center and the maximum light intensity of the light intensity of each mode at the distance position. The diameter corresponding to the position of the intersection of the two light intensity distribution lines on the graph depicting the light intensity distribution line representing the correspondence with the ratio is set.
[0008]
With the above configuration, among the waveguide modes of the light to be amplified, lower order modes such as the LP 01 mode, the LP 02 mode, and the LP 03 mode in which the light intensity is concentrated in the core central portion (dope portion) are amplified. Higher-order modes such as the LP 11 mode, LP 12 mode, and LP 21 mode in which the light intensity decreases at the core center are hardly amplified. In addition, higher-order modes other than the LP 11 mode are difficult to propagate even if amplified, and the light intensity ratio with respect to the LP 01 mode is small. As a result, although the output light is multi-mode, a near field concentrated in the center of the core can be obtained, and high-quality output light can be obtained by collecting the output light with a lens or the like. And since it is a multimode type | mold in this way, the cross-sectional area of the whole core can be made larger than the single mode type | mold which propagates only LP01 mode. As a result, the incident area of the excitation light can be increased as in the case of a double clad fiber, and the excitation input can be increased. In addition, the cross-sectional area of the doped portion can be made larger than that of the single mode type, thereby improving the absorption efficiency of the excitation light unlike the double clad fiber. In the double clad fiber, the clad (second clad) is made of an ultraviolet curable resin or the like. However, the clad of the fiber of the present invention can be made of quartz (SiO 2 ) like a normal fiber. , It can be configured to have a low loss with respect to the excitation light. Further, the mode field diameter is larger than that of the single mode type, the non-linear generation threshold is increased with respect to the propagation of high output light, and the non-linearity is less likely to occur. Therefore, it is possible to obtain an optimum fiber for increasing the output of the optical amplification device, the fiber laser device, or the like.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross section of a rare earth element-doped fiber 1 according to an embodiment of the present invention. The rare earth element doped fiber 1 is made of a quartz core 2 and quartz (SiO 2 ) covering the periphery of the core 2. The clad 3 is provided. The core 2 has a refractive index higher than that of the cladding 3 by adding germanium to quartz. As shown in FIG. 2, the fiber 1 has a step-type refractive index distribution. .
[0010]
The core 2 is provided with a doped portion 2a doped with a rare earth element such as Er, Nd, La, or Yb. The rare earth element is doped only in the doped portion 2a. The portion other than the doped portion 2a (the portion covering the periphery of the doped portion 2a) is not doped. In the double clad fiber, the refractive index of the first core doped with the rare earth element is set higher than that of the second core covering the periphery of the first core. Unlike the double clad fiber, the refractive index of 2a is set to be the same as that of the core 2 other than the doped portion 2a, as shown in FIG.
[0011]
As shown in FIG. 3, the diameter D Er of the doped portion 2a of the core 2 is the distance from the center of the core 2 and the light intensity (I of each mode at the distance position) for the LP 01 mode and the LP 11 mode. ) Is set to a diameter D corresponding to the position of the intersection of the two light intensity distribution lines on the graph depicting the light intensity distribution line representing the correspondence relationship with the ratio (I / Imax) to the maximum light intensity (Imax). ing. That is, the horizontal axis indicates the distance from the center of the core 2 and the vertical axis indicates the ratio of the light intensity of each mode to the maximum light intensity of the mode (1 when the maximum light intensity is indicated in each mode). On the graph depicting the light intensity distribution line, the LP 01 mode light intensity distribution line draws a curve in which the light intensity decreases from the center of the core 2 showing the maximum light intensity toward the periphery, while LP 11 The mode light intensity distribution line shows a maximum light intensity between the center and the periphery of the core 2, and draws a curve in which the light intensity decreases from the center toward the center and the periphery of the core 2 The lines intersect at the core 2 center side from the position where the light intensity of the LP 11 mode shows the maximum light intensity. Twice the distance from the center of the core 2 which is the horizontal coordinate of the intersection is a diameter D corresponding to the position of the intersection, and the rare earth element is doped from the position of the intersection to the center of the core 2. .
[0012]
In FIG. 3, in addition to the LP 01 mode and the LP 11 mode, the light intensity distribution lines of the waveguide modes such as the LP 02 mode, the LP 12 mode, and the LP 21 mode are also drawn for reference. Further, the light intensity distribution lines of these waveguide modes are such that, in the erbium-doped fiber, the diameter Dc of the core 2 is 30 μm, the relative refractive index difference Δ between the core 2 and the cladding 3 is 0.5%, It is drawn with a wavelength of 1.55 μm.
[0013]
As described above, the rare earth element is doped only in the doped portion 2a provided in the central portion of the core 2, and the diameter D Er of the doped portion 2a is set to the light intensity distribution line of the LP 01 mode and the light intensity distribution of the LP 11 mode. When the diameter D corresponding to the position of the intersection with the line is set, when the pump light and the amplified light such as the signal light are made incident in the core 2, the amplified light propagates in the multimode. , LP 01 mode in which the light intensity is concentrated in the core 2 center (doped portion 2a), LP 02 mode, the lower order modes such as LP 03 mode is amplified, the light intensity is low in the core 2 center LP 11 Higher-order modes such as the mode, LP 12 mode, and LP 21 mode are hardly amplified. As shown in FIG. 3, in the LP 12 mode and the LP 13 mode, the maximum light intensity is shown on the core 2 center side from the position of the intersection, but higher order modes other than the LP 11 mode are amplified. However, the light intensity ratio with respect to the LP 01 mode is small. As a result, although the output light is multi-mode, a near field concentrated at the center of the core 2 is obtained, and if the output light is collected by a lens or the like, high-quality output light can be obtained.
[0014]
And since it is a multimode type in this way, unlike the single mode type in which only the LP 01 mode is propagated, there is no problem even if the cut-off wavelength for blocking the modes other than the LP 01 mode becomes long. The cross-sectional area of the erbium-doped fiber can be made larger than that of the single mode type. To 30 μm). Thereby, the incident area of excitation light can be enlarged like a double clad fiber, and excitation input can be increased. Moreover, the cross-sectional area of the doped portion 2a can also be made larger than that of the single mode type (in the above-described erbium-doped fiber, the diameter D Er of the doped portion 2a can be set to about 10.6 μm at maximum). It is possible to improve the absorption efficiency of the excitation light, which is difficult to realize with the double clad fiber. In the double clad fiber, the clad (second clad) is made of an ultraviolet curable resin or the like. However, the clad 3 of the fiber 1 can be made of quartz like an ordinary fiber, and can be used as excitation light. On the other hand, it can be configured to have a low loss.
[0015]
Further, the mode field diameter becomes larger than that of the single mode type (in the above-described erbium-doped fiber, the mode field diameter is 14 μm with respect to only the LP 01 mode, and the mode field diameter is 9.6 μm when this mode is changed to the single mode type. Therefore, the non-linear generation threshold is increased with respect to the propagation of high-power light, and the non-linearity is less likely to occur.
[0016]
Therefore, by using this fiber 1 for an optical amplifying device, a fiber laser device or the like, it is possible to obtain high-quality output light, and it is possible to increase the performance of these devices by increasing their output.
[0017]
【Effect of the invention】
As described above, according to the rare earth element doped fiber of the present invention, the rare earth element is doped only in the doped portion provided in the central portion of the core, and the diameter of the doped portion is set to the amplified light by the rare earth element doped fiber. By setting the diameter corresponding to the position of the intersection of the LP 01 mode light intensity distribution line and the LP 11 mode light intensity distribution line at a wavelength of λ, high-quality output light can be obtained, and an optical amplifying device or fiber High performance can be achieved by increasing the output of a laser device or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a rare earth element-doped fiber according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a refractive index distribution of the rare earth element-doped fiber of FIG.
FIG. 3 is a graph depicting a light intensity distribution line representing the correspondence between the distance from the core center and the ratio of the light intensity of each waveguide mode at the distance position to the maximum light intensity for each waveguide mode; is there.
[Explanation of symbols]
1 rare earth element doped fiber 2 core 2a doped portion

Claims (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、上記希土類元素ドープファイバによる被増幅光の波長における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。A rare earth element-doped fiber having a core doped with a rare earth element,
The rare earth element is doped only in the doped part provided in the central part of the core,
For the LP 01 mode and LP 11 mode at the wavelength of light to be amplified by the rare earth element doped fiber, the diameter of the doped portion is the distance from the core center and the maximum light intensity of the light intensity of each mode at the distance position. A rare earth element-doped fiber having a diameter corresponding to a position of an intersection of the light intensity distribution lines on a graph depicting a light intensity distribution line representing a correspondence relationship with the ratio of
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