JP5657274B2 - Rare earth element-doped optical fiber and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、コア部分に希土類元素が添加(ドープ)された光ファイバである希土類元素添加光ファイバと、その製造方法に関するものである。   The present invention relates to a rare earth element-doped optical fiber that is an optical fiber having a core portion doped (doped) with a rare earth element, and a method for manufacturing the same.

イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、ネオジム(Nd)などの希土類元素をコア部分に添加した光ファイバ、とりわけ、ファイバレーザおよび光ファイバ増幅器は、高い変換効率や優れたビーム品質が得られることから、レーザ加工技術分野で大きな関心を集めている。
希土類元素添加光ファイバによって高品質なファイバレーザを実現するためには、広い利得スペクトル、低い再吸収、レーザの安定性、高い光−光の変換効率、低いフォトダークニング、低損失などの物性が要求される。これらの物性のなかでも、特に、高い変換効率は、エネルギー利用効率や装置の軽量化の観点から、より必要とされている。フォトダークニングが抑制された光ファイバであれば、冷却装置を別途構成しなくても良いので、レーザ装置はより軽量化される。
Optical fibers with rare earth elements such as ytterbium (Yb), erbium (Er), thulium (Tm), neodymium (Nd) added to the core, especially fiber lasers and optical fiber amplifiers, have high conversion efficiency and excellent beam quality. Has attracted great interest in the field of laser processing technology.
In order to realize a high-quality fiber laser with rare-earth-doped optical fibers, physical properties such as a wide gain spectrum, low reabsorption, laser stability, high light-to-light conversion efficiency, low photodarkening, and low loss are required. Required. Among these physical properties, in particular, high conversion efficiency is more required from the viewpoint of energy utilization efficiency and weight reduction of the apparatus. If the optical fiber suppresses photodarkening, the cooling device does not need to be separately configured, and thus the laser device is further reduced in weight.

希土類元素をコア部分に添加した光ファイバ母材を製造する方法としては、VAD(Vapor phase Axial Deposition)法、OVD(Outside Vapor Deposition)法、MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)法などが挙げられる。また、前記MCVD法には、焼結MCVD法や気相MCVD法が知られている。   Examples of a method for manufacturing an optical fiber preform in which a rare earth element is added to the core include a VAD (Vapor phase Axial Deposition) method, an OVD (Outside Vapor Deposition) method, and an MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) method. As the MCVD method, a sintered MCVD method and a vapor phase MCVD method are known.

希土類元素添加光ファイバは、高出力レーザや増幅器として用いられるので、光ファイバの温度変化に対しては高い信頼性が求められる。特に、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、励起反転分布または希土類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おり、光ファイバが劣化する主な原因となっている(例えば、非特許文献1)。   Since the rare earth element-doped optical fiber is used as a high-power laser or an amplifier, high reliability is required for the temperature change of the optical fiber. In particular, photodarkening caused by the color center formation mechanism is known to occur in proportion to approximately the seventh power of the excitation inversion distribution or the excitation concentration of rare earth ions, which is a major cause of optical fiber deterioration. (For example, Non-Patent Document 1).

フォトダークニングは、添加された希土類元素のイオンのクラスタ化が原因であることが一般に知られている。この希土類元素のイオンのクラスタ化は、ドープされた希土類元素のイオンが十分な拡散(分離)ができず、酸素欠陥になる現象である。
希土類元素のイオンが高濃度化すると、クラスタ化も顕著に現れるので、希土類元素の添加量が増加するにつれて、フォトダークニングも増大する傾向がある。
このフォトダークニングを抑制する技術として、コアに希土類元素とアルミニウム(Al)とを共添加する方法が提案されている(例えば、非特許文献2)。
また、クラスタ化を抑制するために、希土類元素を水やアルコールなどに溶かし、酸水素火炎中に溶液を直接的に霧化させてガラス微粒子層中に添加するDND法(Direct Nano Particle Deposition Method)が提案されている(例えば、非特許文献3)。
更に、希土類元素が添加されたコアに、ホウ素(B)、フッ素(F)、ゲルマニウム(Ge)などを添加することで、希土類元素のクラスタ化を抑制する方法も提案されている(例えば、特許文献1)。いずれの製法も希土類のクラスタ化を低減させるためには十分な拡散が必要であり、よりガラスを柔らかくすることが有利である。
It is generally known that photodarkening is caused by clustering of ions of added rare earth elements. This clustering of ions of rare earth elements is a phenomenon in which doped rare earth ions cannot sufficiently diffuse (separate) and become oxygen defects.
When the concentration of rare earth element ions is increased, clustering also appears prominently. Therefore, as the amount of rare earth element added increases, photodarkening tends to increase.
As a technique for suppressing this photodarkening, a method of co-adding rare earth elements and aluminum (Al) to the core has been proposed (for example, Non-Patent Document 2).
In addition, in order to suppress clustering, a DND method (Direct Nano Particle Deposition Method) in which rare earth elements are dissolved in water or alcohol, and the solution is directly atomized in an oxyhydrogen flame and added to the glass fine particle layer. Has been proposed (for example, Non-Patent Document 3).
Furthermore, a method for suppressing clustering of rare earth elements by adding boron (B), fluorine (F), germanium (Ge) or the like to the core to which rare earth elements are added has been proposed (for example, patents). Reference 1). Both methods require sufficient diffusion to reduce the rare earth clustering, and it is advantageous to make the glass softer.

しかしながら、上記のような、希土類元素を添加したコアを有する光ファイバの製造方法について、本発明者等がより詳細に検討したところ、それぞれに問題が含まれていることがわかった。
先ず、コアにアルミニウムを高濃度添加することについては、コアの開口数(NA)の制御が困難になるという問題があり、屈折率を下げるためには、B、Fなどの元素を添加しなければならない。
また、DND法では、火炎中に液相の霧状の液滴をナノメートルオーダのサイズで噴霧するためには、高価な設備および高度な技術が必要であり、低コストや製造の安定性から好ましくない。
更に、コアに第3の添加物(ドーパント)を添加する方法でも、屈折率プロファイルの制御が困難であるために、安定的なコア作製は簡単ではない。
However, when the present inventors studied in more detail about the manufacturing method of the optical fiber which has the core which added the rare earth elements as mentioned above, it turned out that each has a problem.
First, there is a problem that adding a high concentration of aluminum to the core makes it difficult to control the numerical aperture (NA) of the core. In order to reduce the refractive index, elements such as B and F must be added. I must.
Also, in the DND method, in order to spray liquid-phase mist-like droplets in the size of nanometer order in the flame, expensive equipment and advanced technology are necessary, and from the viewpoint of low cost and manufacturing stability. It is not preferable.
Furthermore, even in the method of adding the third additive (dopant) to the core, since it is difficult to control the refractive index profile, stable core production is not easy.

米国特許第7006752号公報(US 7006752 B2)US Patent No. 7006752 (US 7006752 B2)

SPIE Photonics West 2007、Vol. 6453-50SPIE Photonics West 2007, Vol. 6453-50 OFC2006、OThC5、2006OFC2006, OThC5, 2006 SPIE Photonics West 2006、Vol. 6116-16 (2006)SPIE Photonics West 2006, Vol. 6116-16 (2006)

本発明の課題は、上記した問題点を解決し、フォトダークニングが抑制された希土類元素添加ファイバおよびその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a rare earth element-doped fiber in which photodarkening is suppressed and a manufacturing method thereof.

本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意研究を行った結果、コアの中心部分から外側部分にいたるまでの希土類元素の濃度を光強度分布に応じて変化させれば、フォトダークニングを抑制し得ることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、次の特徴を有するものである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that if the concentration of rare earth elements from the central part of the core to the outer part is changed according to the light intensity distribution, photodarkening The present invention has been completed.
That is, the present invention has the following characteristics.

(1)希土類元素添加光ファイバの製造方法であって、
石英管の内面に、希土類元素を添加しながらガラス微粒子を堆積させて、または、ガラス微粒子を堆積させた後で希土類元素を添加して、希土類元素が添加されたガラス微粒子層を形成するガラス微粒子層形成工程と、
該ガラス微粒子層を加熱してガラス層とするガラス化工程と、
前記工程によってガラス層が内面に形成された石英管を、コラプスしてコア母材とするコラプス工程とを少なくとも有し、
コラプス工程後のコア母材におけるコア中の希土類元素の濃度が下記(A)の濃度の変化を満たすように、下記(B)および(C)のいずれか一方または両方の加工を行うことを特徴とする、
前記希土類元素添加光ファイバの製造方法。
(A)コア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜95%であること。
(B)ガラス微粒子層形成工程において希土類元素の添加量を制御すること。
(C)ガラス微粒子層形成工程の後に石英管内にCl2ガスを導入し、該Cl2ガスを、該管の内面に接触させることによって、希土類元素の添加量を減少させること。
(2)ガラス微粒子層形成工程においてガラス微粒子層を形成する方法が、焼結MCVD法であって、
ガラス微粒子層形成工程において、石英管の内面にガラス微粒子層を複数回堆積させた後、少なくとも希土類元素を含んだ溶液を、前記ガラス微粒子層の内面に接触させて該層内に溶液を浸透させることによって、該層中に希土類元素を添加し、加熱乾燥し、
コラプス工程において、石英管内にCl2ガスを導入することによって、上記(A)の濃度の変化を満たす、上記(1)記載の製造方法。
(3)ガラス微粒子層を形成する方法が、気相MCVD法であり、
ガラス微粒子層形成工程、および、ガラス化工程において、石英管の内面に、ガラス微粒子と少なくとも希土類元素とを同時に堆積させ、層厚が増加するに従って、石英管内に送る希土類元素の量を変化させることによって、上記(A)の濃度の変化を満たす、上記(1)記載の製造方法。
(4)ガラス微粒子層形成工程の後で、かつ、最終コラプス工程の前に、石英管内にCl2ガスを導入し、該Cl2ガスを、該管の内面に接触させることによって添加元素をエッチングし、コラプス工程後のコア母材におけるコアの中心の希土類元素の濃度をさらに低下させる、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(5)ガラス微粒子層形成工程において、上記(A)の濃度の変化を満たすようにガラス微粒子層中に希土類元素を添加しながら、同時に、下記(D)または(E)の濃度の変化を満たすように、ガラス微粒子層中にアルミニウムを共添加する、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(D)コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜90%であること。
(E)コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定であること。
(6)アルミニウムの濃度が、上記(D)の濃度の変化を満たすものであり、
ガラス微粒子層形成工程の後で、加熱乾燥を行ない、コラプス工程中において、石英管内にCl2ガスを導入し、該Cl2ガスを、ガラス微粒子層の内面またはガラス層の内面に接触させることによって、コラプス後のコア母材におけるコアの中心のアルミニウムの濃度をさらに低下させる、上記(5)記載の製造方法。
(7)上記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法によって得られた希土類元素添加光ファイバであって、
少なくとも希土類元素が添加されたコアと、その周囲の石英クラッド層とを有し、
コア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜95%となっていることを特徴とする、希土類元素添加光ファイバ。
(8)コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されており、
コア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜90%となっている、上記(7)記載の希土類元素添加光ファイバ。
(9)コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されており、
コア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定となっている、上記(7)記載の希土類元素添加光ファイバ。
(1) A method for producing a rare earth element-doped optical fiber,
Glass fine particles are deposited on the inner surface of a quartz tube while adding rare earth elements or by adding rare earth elements after glass fine particles are deposited to form a glass fine particle layer to which rare earth elements are added. A layer forming step;
A vitrification step of heating the glass fine particle layer to form a glass layer;
A collapsing step in which the quartz tube having the glass layer formed on the inner surface by the step is collapsed into a core base material;
One or both of the following (B) and (C) are processed so that the concentration of the rare earth element in the core in the core base material after the collapse process satisfies the following change in the concentration (A): And
A method for producing the rare earth element-doped optical fiber.
(A) The concentration of the rare earth element in the core is a maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then decreases toward the core center. It is the lowest point, and the ratio of the core center concentration to the maximum concentration value is 5% to 95%.
(B) Controlling the amount of rare earth element added in the glass fine particle layer forming step.
(C) To reduce the amount of rare earth element added by introducing Cl 2 gas into the quartz tube after the glass fine particle layer forming step and bringing the Cl 2 gas into contact with the inner surface of the tube.
(2) The method of forming the glass fine particle layer in the glass fine particle layer forming step is a sintered MCVD method,
In the glass fine particle layer forming step, after the glass fine particle layer is deposited a plurality of times on the inner surface of the quartz tube, a solution containing at least a rare earth element is brought into contact with the inner surface of the glass fine particle layer so that the solution penetrates into the layer. Adding a rare earth element in the layer, drying by heating,
The manufacturing method according to (1), wherein in the collapse step, Cl 2 gas is introduced into the quartz tube to satisfy the change in the concentration of (A).
(3) The method of forming the glass fine particle layer is a gas phase MCVD method,
In the glass fine particle layer forming step and the vitrification step, glass fine particles and at least a rare earth element are simultaneously deposited on the inner surface of the quartz tube, and the amount of rare earth element sent into the quartz tube is changed as the layer thickness increases. To satisfy the change in the concentration of (A).
(4) After the glass fine particle layer forming step and before the final collapsing step, Cl 2 gas is introduced into the quartz tube, and the additive element is etched by bringing the Cl 2 gas into contact with the inner surface of the tube. And the manufacturing method in any one of said (1)-(3) which further reduces the density | concentration of the rare earth element of the center of the core in the core base material after a collapse process.
(5) In the glass fine particle layer forming step, the rare earth element is added to the glass fine particle layer so as to satisfy the change in the concentration of (A), and at the same time, the following change in the concentration of (D) or (E) is satisfied. Thus, the manufacturing method in any one of said (1)-(3) which co-adds aluminum in a glass fine particle layer.
(D) The concentration of aluminum in the core of the core base material after the collapse has a maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then decreases toward the core center. It is the lowest point of descent at the core center, and the ratio of the core center concentration to the maximum concentration value is 5% to 90%.
(E) The concentration of aluminum in the core in the core base material after the collapse has a maximum value at least between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and the maximum value from there to the center of the core It remains constant.
(6) The aluminum concentration satisfies the change in the concentration in (D) above,
After the glass fine particle layer forming step, heat drying is performed, and during the collapse step, Cl 2 gas is introduced into the quartz tube, and the Cl 2 gas is brought into contact with the inner surface of the glass fine particle layer or the inner surface of the glass layer. The method according to (5), wherein the concentration of aluminum at the center of the core in the core base material after the collapse is further reduced.
(7) A rare earth element-doped optical fiber obtained by the production method according to any one of (1) to (6) above,
Having a core to which at least a rare earth element is added, and a surrounding quartz cladding layer,
The concentration of the rare earth element in the core is the maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then descends toward the core center. The ratio of the concentration of the core center to the maximum value of the concentration is 5% to 95%.
(8) A rare earth element and aluminum are co-added to the core,
The concentration of aluminum in the core is a maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then descends toward the core center. The rare earth element-doped optical fiber according to (7), wherein the concentration ratio of the core center to the maximum concentration value is 5% to 90%.
(9) A rare earth element and aluminum are co-added to the core,
The concentration of aluminum in the core is a maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and the maximum value is constant from there to the center of the core (7 ) Rare earth element-doped optical fiber.

希土類元素を添加した光ファイバに対して、本発明では、コアに添加される希土類元素の濃度を制御し、コア内の希土類元素濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が5%〜95%となるように、該コアの中心の濃度を低下させている。
この構成によって、当該光ファイバを用いてファイバレーザを構成した場合、レーザ発振の基本モードの電界分布が、コアの中心において高くなっても、コア中心のYb濃度が比較的低いので希土類イオンの励起濃度が低くなり、フォトダークニングが起こり難くなる。
For optical fibers doped with rare earth elements, the present invention controls the concentration of rare earth elements added to the core, and the ratio of the core center concentration to the maximum value of the rare earth element concentration in the core is 5% to 95%. Thus, the concentration at the center of the core is reduced.
With this configuration, when a fiber laser is configured using the optical fiber, even if the electric field distribution of the fundamental mode of laser oscillation is high at the center of the core, the Yb concentration at the core center is relatively low, so that rare earth ions are excited. The density becomes low, and photodarkening hardly occurs.

また、本発明では、コアにアルミニウム(以下、Al)をさらに添加することで、より効果的にフォトダークニングを抑制している。
ここで、該コアの中心のAl濃度を低下させる態様では、Alと希土類元素とのモル比が3以上になるようにAl濃度を減らすことにより希土類元素のクラスタの形成が抑制される他、コア中心の屈折率を減らすことによってコア中心の電界分布を低下し、希土類イオンの反転分布を低減させて、フォトダークニングを抑制する効果が得られる。
一方、該コアの中心のAl濃度を低下させない態様では、Alと希土類元素のモル比が3以上になるように希土類元素濃度を減らすことによって、コア中心の電界分布が高くても反転分布を低下させて、フォトダークニングを抑制する効果が得られると共に、高いビーム品質を維持できるという効果も得られる。また、マルチモードファイバレーザでは高次横モードの利得飽和が起こり難いために自己パルスが起こりやすく、ファイバ端面が破壊される問題を、希土類元素の中心濃度を低下させることにより低次モードの利得飽和を早く起こし、利得を安定化させることにより解消できる。
In the present invention, photodarkening is more effectively suppressed by further adding aluminum (hereinafter, Al) to the core.
Here, in the embodiment in which the Al concentration at the center of the core is lowered, the formation of rare earth element clusters is suppressed by reducing the Al concentration so that the molar ratio of Al to the rare earth element is 3 or more. By reducing the refractive index at the center, the electric field distribution at the core center is lowered, the inversion distribution of rare earth ions is reduced, and the effect of suppressing photodarkening is obtained.
On the other hand, in an embodiment in which the Al concentration at the center of the core is not reduced, the inversion distribution is reduced even if the electric field distribution at the core center is high by reducing the rare earth element concentration so that the molar ratio of Al to the rare earth element is 3 or more. As a result, the effect of suppressing photodarkening is obtained, and the effect of maintaining high beam quality is also obtained. Also, in multimode fiber lasers, high-order transverse mode gain saturation is unlikely to occur, so self-pulses are likely to occur, and the fiber end face is destroyed. Low-order mode gain saturation is reduced by reducing the central concentration of rare earth elements. Can be eliminated by stabilizing the gain.

図1は、本発明による製造方法の一例を説明するために、各工程のようすを順に描いた模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the steps in order for explaining an example of the manufacturing method according to the present invention. 図2は、本発明の実施例1で作製したコア母材における、添加物の濃度と屈折率のプロファイルを模式的に示したグラフ図である。図2(a)は、Ybの濃度のプロファイルを示し、図2(b)は、Alの濃度のプロファイルを示し、図2(c)は、屈折率のプロファイルを示している。各グラフ図では、コア母材の胴体最外面から、コア中心を通過し、反対側の胴体最外面に至るまでの、該コア母材内の各位置を横軸にとり、各位置におけるYbの添加濃度、Alの添加濃度、屈折率の値を縦軸にとっている。本発明でいうプロファイル(分布曲線)とは、濃度、屈折率、光の強度などの各種の物理量が、ファイバやコア母材中にどのように分布しているかを示すグラフの曲線である。FIG. 2 is a graph schematically showing the concentration and refractive index profiles of additives in the core base material produced in Example 1 of the present invention. 2A shows a Yb concentration profile, FIG. 2B shows an Al concentration profile, and FIG. 2C shows a refractive index profile. In each graph, the horizontal axis represents each position in the core base material from the outermost surface of the core base material to the core outer surface on the opposite side, and the addition of Yb at each position. The values of concentration, Al addition concentration, and refractive index are plotted on the vertical axis. The profile (distribution curve) referred to in the present invention is a graph curve showing how various physical quantities such as concentration, refractive index, and light intensity are distributed in the fiber and the core preform. 図3は、シングルモードファイバにおける、中心窪みの幅に対する反転分布の変化を示すグラフ図である。FIG. 3 is a graph showing the change of the inversion distribution with respect to the width of the center depression in the single mode fiber. 図4は、マルチモードファイバにおける、中心窪みに対する反転分布の変化を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the change of the inversion distribution with respect to the center depression in the multimode fiber. 図5は、コア外径12.5μm、クラッド外径125μmのシングルモードファイバに関する、屈折率プロファイルの中心窪みの深さと基本モード(LP01)の電界強度の相関を示すグラフ図である。FIG. 5 is a graph showing the correlation between the depth of the central depression of the refractive index profile and the electric field strength of the fundamental mode (LP01) for a single mode fiber having a core outer diameter of 12.5 μm and a cladding outer diameter of 125 μm. 図6は、コア外径40μm、クラッド外径125μmのマルチモードファイバに関する、屈折率プロファイルの中心窪みの深さと基本モード(LP01)の電界強度の相関を示すグラフ図である。FIG. 6 is a graph showing the correlation between the depth of the central depression of the refractive index profile and the electric field strength of the fundamental mode (LP01) for a multimode fiber having a core outer diameter of 40 μm and a cladding outer diameter of 125 μm. 図7は、コア径40μmに対し、屈折率中心窪みの深さが38%になった場合の、屈折率プロファイル、電界分布、電界分布のX軸断面および電界分布のY軸断面を示したグラフ図である。FIG. 7 is a graph showing a refractive index profile, an electric field distribution, an X-axis cross section of the electric field distribution, and a Y-axis cross section of the electric field distribution when the depth of the refractive index central depression is 38% with respect to the core diameter of 40 μm. FIG. 図8は、本発明の実施例において、フォトダークニングを評価するために用いた装置の構成を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of an apparatus used for evaluating photodarkening in an example of the present invention. 図9は、本発明の実施例1において、フォトダークニングの評価を行った結果を示すグラフ図である。FIG. 9 is a graph showing the result of evaluation of photodarkening in Example 1 of the present invention. 図10は、本発明の実施例1において、反転分布に対するフォトダークニングレートをログプロットしたグラフ図である。図である。FIG. 10 is a graph plotting the photodarkening rate with respect to the population inversion in Example 1 of the present invention. FIG. 図11は、本発明の実施例2で作製したコア母材における、添加物の濃度と屈折率のプロファイルを模式的に示したグラフ図である。図11(a)は、Ybの濃度のプロファイルを示し、図11(b)は、Alの濃度のプロファイルを示し、図11(c)は、屈折率のプロファイル示している。FIG. 11 is a graph schematically showing the additive concentration and refractive index profiles in the core preform produced in Example 2 of the present invention. FIG. 11A shows a Yb concentration profile, FIG. 11B shows an Al concentration profile, and FIG. 11C shows a refractive index profile.

本発明では、希土類元素添加ファイバを製造するに際し、気相MCVD法、または、焼結MCVD法を用いて、石英管の内面にガラス微粒子層を形成する(ガラス微粒子層形成工程)。
気相MCVD法は、石英管の内面に、ガラス微粒子と添加物(希土類元素やAlなど)とを同時に堆積させることによって、添加物を含ませながらガラス微粒子層を成膜する方法である。この方法では、供給ガスの量や原料を制御することで、添加物の濃度に勾配を設けることが可能である。
また、ガラス微粒子を堆積させた後の工程で(例えば、コラプスを行ないながら)、Cl2ガス(塩素ガス)を反応管(石英管の内面にガラス微粒子層等を形成した、管状の中間体)内に送り、反応管内面に該塩素ガスを接触させることで、少なくとも反応管内面の表層の添加物を除去し、もって添加物濃度の勾配を設けることが可能である。以下、Cl2ガスを反応管内に導入して添加物濃度の勾配を設ける処理を、「塩素処理」とも呼ぶ。
焼結MCVD法は、ガラス微粒子層を先に堆積させ、添加物を含有する溶液を該層に接触させて層内に浸透させることによって、添加物を後から層内に添加する方法である。この方法では、ガラス微粒子層の堆積後、添加物の浸透および添加物を拡散させ、添加物の濃度に勾配を設ける。この方法においても、反応管の内面に対して塩素処理を行ってよい。
以下の説明では、焼結MCVD法の手順を主体として本発明を詳しく説明し、必要に応じて、気相MCVD法に言及する。
In the present invention, when the rare earth element-doped fiber is manufactured, a glass fine particle layer is formed on the inner surface of the quartz tube by using a gas phase MCVD method or a sintered MCVD method (glass fine particle layer forming step).
The gas phase MCVD method is a method in which glass fine particles and additives (rare earth elements, Al, etc.) are simultaneously deposited on the inner surface of a quartz tube to form a glass fine particle layer while containing the additives. In this method, it is possible to provide a gradient in the concentration of the additive by controlling the amount of the supply gas and the raw material.
Further, in the process after depositing the glass particles (for example, while collapsing), a Cl 2 gas (chlorine gas) is applied to the reaction tube (a tubular intermediate having a glass particle layer formed on the inner surface of the quartz tube). It is possible to remove at least the surface layer additive on the inner surface of the reaction tube, thereby providing a gradient of the additive concentration. Hereinafter, the process of introducing Cl 2 gas into the reaction tube to provide the additive concentration gradient is also referred to as “chlorine treatment”.
The sintered MCVD method is a method in which a glass fine particle layer is first deposited, and a solution containing the additive is brought into contact with the layer to infiltrate the layer, thereby adding the additive into the layer later. In this method, after the glass fine particle layer is deposited, the additive permeates and diffuses the additive, thereby providing a gradient in the additive concentration. Also in this method, chlorination may be performed on the inner surface of the reaction tube.
In the following description, the present invention will be described in detail mainly on the procedure of the sintered MCVD method, and the vapor phase MCVD method will be referred to as necessary.

また、以下の説明で用いる流量の単位〔SLM〕は、〔Standard Liter / Min ;標準リットル毎分〕の略であって、1気圧、0℃における1分間当たりの流量をリットルで表示した単位である。また、流量の単位〔SCCM〕は、〔standard cc / min;標準cc毎分〕の略であって、1気圧、0℃における1分間当たりの流量をccで表示した単位である。   The unit of flow [SLM] used in the following explanation is an abbreviation of [Standard Liter / Min; standard liter per minute], and is a unit expressed in liters per minute at 1 atm and 0 ° C. is there. The unit [SCCM] of the flow rate is an abbreviation of [standard cc / min; standard cc per minute], and is a unit in which the flow rate per minute at 1 atm and 0 ° C. is expressed in cc.

本発明の製造方法では、先ず、無水石英管の内面に対する好ましい下地処理として、図1(a)に示すように、無水石英管の内面に一端から他端に向けて、六フッ化硫黄(SF6)、ヘリウム(He)、酸素(O2)を混合ガスとして供給し、加熱温度700〜2000℃のもとで、無水石英管の内壁面のエッチングを行う。
無水石英管は、石英製の中空管であって、その石英中に含まれるOH基の量が、赤外線分光器による測定の限界である1ppm以下であるものを意味する。
無水石英管の寸法は、特に限定はされないが、図1の例では、外径28mm、肉厚1.5mm、長さ500mmである。
MCVD法では、原料中に含まれるOH基や、コア母材の作製中に混入するOH基によって伝送損失(吸収)が増大し、レーザ特性が悪化する。無水石英管の使用は、OH基の含有量をより減少させることを目的とする。
上記エッチングでは、SF6の流量は0.01〜0.2〔SLM〕、Heの流量は0.1〜0.5〔SLM〕、O2の流量は0.5〜3.0〔SLM〕が、それぞれに好ましい。
加熱は、図1(a)に例示するようなバーナー2による加熱や、電気炉による加熱などが挙げられる。好ましいバーナーとしては、酸水素バーナーが挙げられる。以下の加熱も同様である。
In the production method of the present invention, first, as a preferred ground treatment for the inner surface of the anhydrous quartz tube, as shown in FIG. 1A, sulfur hexafluoride (SF) is formed on the inner surface of the anhydrous quartz tube from one end to the other end. 6 ) Helium (He) and oxygen (O 2 ) are supplied as a mixed gas, and the inner wall surface of the anhydrous quartz tube is etched at a heating temperature of 700 to 2000 ° C.
An anhydrous quartz tube means a hollow tube made of quartz, and the amount of OH groups contained in the quartz is 1 ppm or less which is the limit of measurement by an infrared spectrometer.
The dimensions of the anhydrous quartz tube are not particularly limited, but in the example of FIG. 1, the outer diameter is 28 mm, the wall thickness is 1.5 mm, and the length is 500 mm.
In the MCVD method, transmission loss (absorption) increases due to OH groups contained in the raw material and OH groups mixed during the production of the core base material, and the laser characteristics deteriorate. The use of an anhydrous quartz tube aims to further reduce the OH group content.
In the above etching, the flow rate of SF 6 is 0.01 to 0.2 [SLM], the flow rate of He is 0.1 to 0.5 [SLM], and the flow rate of O 2 is 0.5 to 3.0 [SLM]. Are preferred for each.
Examples of the heating include heating by the burner 2 illustrated in FIG. 1A and heating by an electric furnace. A preferable burner includes an oxyhydrogen burner. The following heating is the same.

次に、図1(b)に示すように、加熱温度1000〜2000℃のもとで、反応管内にClガスを供給し、無水石英管1の内壁面を脱水する工程を加えてもよい。 Next, as shown in FIG. 1B, a step of supplying a Cl 2 gas into the reaction tube at a heating temperature of 1000 to 2000 ° C. to dehydrate the inner wall surface of the anhydrous quartz tube 1 may be added. .

次に、焼結MCVD法では、図1(c)、(d)に示すように、加熱温度1200〜1500℃で反応管内にガラス微粒子層を堆積させ、少なくとも希土類元素を含有した溶液の浸透および添加物のイオン拡散を行うことで、添加物の濃度に勾配をつける。また、気相MCVD法では、少なくとも希土類元素の濃度に勾配がつくように反応管内に添加ガラス微粒子層を堆積させる(図示せず)。
焼結MCVD法、気相MCVD法のいずれであっても、ガラス微粒子層内の希土類元素の濃度が、図2(a)の濃度プロファイルに従った濃度の変化を満たすようにすることが重要である。濃度プロファイルとは、コアの胴体最外面から、コア中心を通過し、反対側の胴体最外面に至るまでの間の濃度の変化を表した曲線をいう。
図2(a)に示す濃度プロファイルのように、本発明では、コラプス後のコア母材におけるコア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置(中間位置と呼ぶ)で最大値となっており、該中間位置からコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっている。濃度プロファイルは、コアの中心軸に対して対称であるから、コア径全体にわたる濃度プロファイルは、図2(a)に示す濃度プロファイルのように、突き出た凸状の中央が窪んだ曲線を描く。
濃度の最大値は、図2(a)に示す例のように、中間位置でピークをもった増減パターンである必要はなく、コアの胴体外周面から中間位置までが最大値のまま一定であり、該中間位置からコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっていてもよい。「最大値のまま一定」とは、最大値を中心に最大値付近を細かく増減し、概して最大値のままとなっている状態をも含む。
濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合は、5%〜95%である。濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合の好ましい範囲については、後述する。
Next, in the sintered MCVD method, as shown in FIGS. 1 (c) and 1 (d), a glass fine particle layer is deposited in a reaction tube at a heating temperature of 1200 to 1500 ° C., and penetration of a solution containing at least a rare earth element and The additive concentration is graded by ion diffusion of the additive. Further, in the vapor phase MCVD method, an added glass fine particle layer is deposited in the reaction tube so as to have a gradient in the concentration of at least the rare earth element (not shown).
Whether the sintering MCVD method or the vapor phase MCVD method is used, it is important that the concentration of the rare earth element in the glass fine particle layer satisfies the concentration change according to the concentration profile of FIG. is there. The density profile refers to a curve representing a change in density from the outermost surface of the core to the core outermost surface passing through the core center.
As in the concentration profile shown in FIG. 2A, in the present invention, the concentration of the rare earth element in the core in the core base material after the collapse is at least a position (intermediate) between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core. (Referred to as a position), and descends from the intermediate position toward the core center, and is the lowest point of descent at the core center. Since the concentration profile is symmetric with respect to the central axis of the core, the concentration profile over the entire core diameter draws a curve in which the protruding convex center is depressed as in the concentration profile shown in FIG.
The maximum value of the density does not need to be an increase / decrease pattern having a peak at the intermediate position as in the example shown in FIG. 2A, and the maximum value is constant from the core body outer peripheral surface to the intermediate position. , It may descend from the intermediate position toward the core center, and may be the lowest point of descent at the core center. “Constant at the maximum value” includes a state in which the vicinity of the maximum value is finely increased and decreased around the maximum value and generally remains at the maximum value.
The ratio of the core center concentration to the maximum concentration value is 5% to 95%. A preferred range of the ratio of the core center concentration to the maximum concentration value will be described later.

焼結MCVD法では、無水石英管1を1200〜1500℃に加熱しつつ、その一端から、ガラス原料ガス、ガス、反応ガスなどの各種ガスを該管内に導入することにより、該管1の内面にガラス微粒子を堆積させてガラス微粒子層3を形成する。ガラス微粒子層は、スートとも呼ばれる。
この工程で管内に送られる各種ガスのうち、ガラス原料ガスは、必須であって、SiCl4 、SiF4などが挙げられる。
ガスは、添加すべき元素を管内に搬送するための担体となるガスであって、O2、He、Arなどが挙げられる。気相MCVD法の場合、この工程において、ガスによって運ばれる元素は、Al、Er、Yb、Tm、Pなどである。
焼結MCVD法では、希土類元素とAlは、後の液浸工程において溶液中から添加される。リン(P)は、ガラス微粒子層を堆積させる際に添加される。
In the sintered MCVD method, while the anhydrous quartz tube 1 is heated to 1200 to 1500 ° C., various gases such as a glass raw material gas, a gas, and a reactive gas are introduced into the tube from one end thereof, thereby the inner surface of the tube 1. A glass fine particle layer 3 is formed by depositing glass fine particles. The glass fine particle layer is also called soot.
Of the various gases sent into the tube in this step, the glass raw material gas is essential, and examples thereof include SiCl 4 and SiF 4 .
The gas is a gas serving as a carrier for transporting the element to be added into the tube, and examples thereof include O 2 , He, and Ar. In the case of the gas phase MCVD method, elements carried by the gas in this step are Al, Er, Yb, Tm, P, and the like.
In the sintered MCVD method, the rare earth element and Al are added from the solution in the subsequent immersion process. Phosphorus (P) is added when the glass fine particle layer is deposited.

各ガスの流量は、焼結MCVD法、気相MCVD法の場合で多少異なり、また、使用する石英管や添加すべき希土類元素などによっても異なるが、総じて、ガラス原料ガス(SiCl4など)は0.1〜0.6〔SLM〕、ガス(Heなど)は0.3〜0.6〔SLM〕、反応ガス(O2など)は0.4〜3.0〔SLM〕が、それぞれ好ましい流量である。 Flow rate of each gas, sintering MCVD method, slightly different in the case of the gas phase MCVD method, also, etc. but a quartz tube or a rare earth element to be added to be used, generally, a glass material gas (such as SiCl 4) is 0.1-0.6 [SLM], gases (He, etc.) is 0.3 to 0.6 [SLM], (such as O 2) the reaction gas is 0.4 to 3.0 [SLM], preferred are Flow rate.

焼結MCVD法では、ガラス微粒子層を堆積する際には、比較的低温である1200〜1500℃で堆積を行う。焼結MCVD法において、ガラス微粒子層を1500℃よりも高い高温で堆積させると、ガラス微粒子の大きさが過度に細かくなることや、直接的にガラス化されることが原因となって、後述する液浸工程において、ガラス微粒子層中に染み込む希土類元素の添加濃度や屈折率プロファイルが影響を受け、好ましくない。また、加熱温度が1200℃未満では、ガラス微粒子と石英管の内面との密着性が弱く、液透や自然乾燥工程でガラス微粒子層が剥がれる場合がある。   In the sintered MCVD method, the glass fine particle layer is deposited at a relatively low temperature of 1200 to 1500 ° C. In the sintered MCVD method, when the glass fine particle layer is deposited at a temperature higher than 1500 ° C., the size of the glass fine particles becomes excessively fine or directly vitrified, which will be described later. In the immersion process, the addition concentration and refractive index profile of the rare earth element soaked into the glass fine particle layer are affected, which is not preferable. Further, when the heating temperature is less than 1200 ° C., the adhesion between the glass fine particles and the inner surface of the quartz tube is weak, and the glass fine particle layer may be peeled off during liquid permeation or natural drying.

焼結MCVD法、気相MCVD法のいずれの場合も、ガラス微粒子を堆積させる際には、石英管の内圧が、反応管内のガスやガラス微粒子の流れに影響するので、反応管の内圧を、反応管外の圧力(大気圧)よりも4〜10Pa程度低くなるように制御することが望ましい。   In both cases of the sintered MCVD method and the vapor phase MCVD method, when the glass fine particles are deposited, the internal pressure of the quartz tube influences the flow of the gas in the reaction tube and the glass fine particles. It is desirable to control the pressure so that it is about 4 to 10 Pa lower than the pressure outside the reaction tube (atmospheric pressure).

一方、気相MCVD法では、ガラス微粒子層形成工程において、希土類元素、Al、その他の全ての添加物が、ガスによって管内に送り込まれ、ガラス微粒子層内に上記濃度の勾配が形成されるように添加される。
気相MCVD法によってガラス微粒子層を堆積かつガラス化させる場合の温度は、1800〜2000℃が一般的である。気相MCVD法によってガラス微粒子層を形成する場合の詳細な技術それ自体は、従来技術を参照してもよい。
On the other hand, in the gas phase MCVD method, in the glass fine particle layer forming step, rare earth elements, Al, and all other additives are sent into the tube by gas, so that the gradient of the concentration is formed in the glass fine particle layer. Added.
The temperature at which the glass fine particle layer is deposited and vitrified by the vapor phase MCVD method is generally 1800 to 2000 ° C. For the detailed technique itself in the case of forming the glass fine particle layer by the vapor phase MCVD method, the prior art may be referred to.

焼結MCVD法、気相MCVD法のいずれの場合も、ガラス微粒子を堆積させる工程では、ガス、反応ガスだけではなく、これらに加えてさらに、リン(P)、三フッ化ホウ素(BF3)などを供給してもよい。例えば、リンはガスにて供給し、BF3は、直接的に供給するなどである。
BF3を添加したガラスは、石英より屈折率が低いので、Ybなどの希土類が添加されたコアの屈折率を低減することができる。BF3の代わりに、B、F、四ふっ化けい素(SiF4)、三塩化ホウ素(BCl3)、三臭化ホウ素(BBr3)などを代替することもできるが、堆積効率や扱い安さの観点からBFが望ましい。
In both of the sintered MCVD method and the vapor phase MCVD method, in the step of depositing the glass fine particles, not only the gas and the reactive gas, but also phosphorus (P) and boron trifluoride (BF 3 ) in addition to these. Etc. may be supplied. For example, phosphorus is supplied by gas, and BF 3 is supplied directly.
Since the glass to which BF 3 is added has a lower refractive index than quartz, the refractive index of the core to which a rare earth such as Yb is added can be reduced. Instead of BF 3 , B, F, silicon tetrafluoride (SiF 4 ), boron trichloride (BCl 3 ), boron tribromide (BBr 3 ), etc. can be substituted, but the deposition efficiency and handling ease From the viewpoint of BF 3, BF 3 is desirable.

ガラス微粒子層は、1回の堆積による単層や、複数回の堆積による積層構造であってよく、そのトータルの層厚は、使用する石英管の内径や、製造すべきファイバのコアの構造によっても異なるが、0.02mm〜0.2mmが汎用的である。とりわけ、コアに希土類元素とAlとを添加した、シングルモード、エアホール型のダブルクラッド光ファイバを製造する場合には、ガラス微粒子層のトータルの層厚は、0.02mm〜0.2mmが好ましい範囲である。
焼結MCVD法において、ガラス微粒子層を複数回堆積させて積層構造とする場合、連続的にスートを堆積させ、イオン拡散やコラプス段階で塩素処理することで添加物の濃度を勾配させる。
ガラス微粒子層を複数回堆積させて積層構造とする場合、例えば、1回の堆積の層厚を0.01mm〜0.02mmとして、それを2回〜5回繰り返して、上記のトータル層厚とするのが好ましい態様である。これらの値は、コラプス後のコア母材のコア径に応じて、適宜決定すればよい。
例えば、コア母材のコア径が細い場合の例として、1mm〜1.5mm程度の場合、1回の堆積の層厚は、0.01mm〜0.03mm程度が好ましく、それを3回〜5回繰り返して、トータルの層厚を0.03mm〜0.15mmとすることが好ましい。また、コア母材のコア径が太い場合の例として、2mm〜3mm程度の場合、1回の堆積の層厚は、0.02mm〜0.05mm程度が好ましく、それを3回〜5回繰り返して、トータルの層厚を0.06mm〜0.25mmとすることが好ましい。
一方、気相MCVD法では、供給ガス中の添加物の含有量を変化させることによって、ガラス微粒子層を堆積させながら添加物の濃度勾配を自在に形成することが可能であるから、単層、積層構造を区別する必要は特にない。
The glass fine particle layer may be a single layer by a single deposition or a laminated structure by a plurality of depositions, and the total layer thickness depends on the inner diameter of the quartz tube used and the structure of the core of the fiber to be manufactured. However, 0.02 mm to 0.2 mm is general purpose. In particular, in the case of producing a single-mode, air-hole type double clad optical fiber in which a rare earth element and Al are added to the core, the total layer thickness of the glass fine particle layer is preferably 0.02 mm to 0.2 mm. It is a range.
In the sintered MCVD method, when a glass fine particle layer is deposited a plurality of times to form a laminated structure, soot is continuously deposited, and the concentration of the additive is graded by chlorination in an ion diffusion or collapse stage.
When the glass fine particle layer is deposited multiple times to form a laminated structure, for example, the thickness of one deposition is set to 0.01 mm to 0.02 mm, and this is repeated 2 to 5 times to obtain the above total layer thickness. This is a preferred embodiment. These values may be appropriately determined according to the core diameter of the core base material after the collapse.
For example, as an example when the core diameter of the core base material is thin, when the thickness is about 1 mm to 1.5 mm, the layer thickness of one deposition is preferably about 0.01 mm to 0.03 mm, and it is 3 times to 5 times. It is preferable that the total layer thickness is 0.03 mm to 0.15 mm by repeating the process. Moreover, as an example when the core diameter of the core base material is thick, when the thickness is about 2 mm to 3 mm, the layer thickness of one deposition is preferably about 0.02 mm to 0.05 mm, and this is repeated 3 to 5 times. Thus, the total layer thickness is preferably 0.06 mm to 0.25 mm.
On the other hand, in the gas phase MCVD method, by changing the content of the additive in the supply gas, it is possible to freely form a concentration gradient of the additive while depositing the glass fine particle layer. There is no particular need to distinguish the laminated structure.

上記したように、焼結MCVD法では、液浸工程として、少なくとも希土類元素を含有する溶液をガラス微粒子層の内面に接触させ、該層中に溶液を浸透させて、希土類元素を層中に添加する。
希土類元素イオンのクラスタ化は、フォトダークニングを発生させて、ファイバレーザ特性に悪影響を及ぼすので、本発明の好ましい態様では、コアに希土類元素とAlとを共添加して、Alによって希土類元素イオンを分離し、クラスタ化を抑制する。
よって、Alの添加量は重要であり、Alと希土類元素とのモル比も、希土類元素添加ファイバの特性に重要なパラメータになる。
例えば、Ybのクラスタ化を抑制するためには、AlとYbのモル比R(=Al/Yb)を3以上にすることが望ましい。AlとYbのモル比Rのより好ましい範囲は、3〜10である。前記のモル比Rは、Alと他の希土類元素とを組み合わせる場合も同様である。
As described above, in the sintered MCVD method, as a liquid immersion process, a solution containing at least a rare earth element is brought into contact with the inner surface of the glass fine particle layer, the solution is penetrated into the layer, and the rare earth element is added to the layer. To do.
Since the clustering of rare earth ions causes photodarkening and adversely affects fiber laser characteristics, in a preferred embodiment of the present invention, rare earth elements and Al are co-added to the core, and the rare earth ions are added by Al. To suppress clustering.
Therefore, the addition amount of Al is important, and the molar ratio between Al and rare earth element is also an important parameter for the characteristics of the rare earth element doped fiber.
For example, in order to suppress the clustering of Yb, it is desirable that the molar ratio R (= Al / Yb) between Al and Yb is 3 or more. A more preferable range of the molar ratio R of Al and Yb is 3-10. The molar ratio R is the same when Al is combined with other rare earth elements.

ガラス微粒子層形成工程において、ガラス微粒子層中に希土類元素を添加しながら、同時に、Alを添加するに際しては、焼結MCVD法、気相MCVD法のいずれであっても、ガラス微粒子層内のAlの濃度が、図2(b)の濃度プロファイル、または、図11(b)の濃度プロファイルに従った濃度の変化を満たすようにすることが重要である。
図2(b)に示す濃度プロファイルの変化パターンは、図2(a)に示す希土類元素の濃度プロファイルと同様であって、コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっている。よって、コア径全体にわたる濃度プロファイルは、図2(b)に示す濃度プロファイルのように、突き出た凸状の中央が窪んだ曲線を描いている。
Alの濃度プロファイルも、希土類元素の濃度プロファイルと同様に、濃度の最大値は、図2(b)に示す例のように、中間位置でピークをもった増減パターンである必要はなく、コアの胴体外周面から中間位置までが最大値のまま一定であり、該中間位置からコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっていてもよい。
濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合については、後述する。
また、図11(b)に示す濃度プロファイルの変化パターンは、図2(b)に示す濃度プロファイルの変化パターンと比べると、中央に濃度の窪みが無い。即ち、Al濃度は、コアの胴体外周面とコアの中心との間の中間位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定となっている。この変化パターンは、図11(b)に示すような、コアの中心部がピークとなるようなパターンだけでなく、コアの胴体外周面からコアの中心まで濃度が一定となっている矩形波状のパターンであってもよい。
In the glass fine particle layer forming step, when adding rare earth elements to the glass fine particle layer and adding Al at the same time, the Al in the glass fine particle layer can be obtained by either the sintered MCVD method or the vapor phase MCVD method. It is important to satisfy the density change according to the density profile shown in FIG. 2B or the density profile shown in FIG. 11B.
The change pattern of the concentration profile shown in FIG. 2 (b) is the same as the concentration profile of the rare earth element shown in FIG. 2 (a), and the aluminum concentration in the core in the core base material after the collapse is at least that of the core. It has a maximum value at a position between the outer peripheral surface of the fuselage and the center of the core, descends from the center toward the core center, and is the lowest point of descent at the core center. Therefore, the concentration profile over the entire core diameter draws a curve in which the protruding convex center is depressed like the concentration profile shown in FIG.
Similarly to the concentration profile of the rare earth element, the maximum concentration value does not need to be an increase / decrease pattern having a peak at the intermediate position as in the example shown in FIG. The maximum value from the outer peripheral surface of the body to the intermediate position may be constant and may be lowered from the intermediate position toward the core center, and may be the lowest point of descent at the core center.
The ratio of the core center concentration to the maximum concentration value will be described later.
In addition, the density profile change pattern shown in FIG. 11B has no density depression in the center as compared to the density profile change pattern shown in FIG. That is, the Al concentration has a maximum value at an intermediate position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and remains constant at the maximum value from there to the center of the core. This change pattern is not only a pattern in which the central portion of the core has a peak as shown in FIG. 11B, but also a rectangular wave shape in which the concentration is constant from the outer peripheral surface of the core to the center of the core. It may be a pattern.

溶液をガラス微粒子層の内面に接触させるには、例えば、図1(d)に示すように、該溶液を反応管内に注入してガラス微粒子層の内面に接触させる方法が効率のよい方法として挙げられる。このとき、溶液4をガラス微粒子層の内面に均等に接触させて、該層の内面全体から均一に浸透させるために、該反応管1の中心軸を水平に保った状態で、該反応管を中心軸の周りに速度2〜20回転/分程度で回転させることが望ましい。
該反応管を回転させる方法は、特に限定はされないが、例えば、旋盤チャックによって該反応管を保持し、該旋盤を回転させる方法などが挙げられる。
In order to bring the solution into contact with the inner surface of the glass particle layer, for example, as shown in FIG. 1 (d), a method of injecting the solution into the reaction tube and bringing it into contact with the inner surface of the glass particle layer is an effective method. It is done. At this time, in order to uniformly bring the solution 4 into contact with the inner surface of the glass fine particle layer and to uniformly infiltrate the entire inner surface of the layer, the reaction tube 1 is kept in a state where the central axis of the reaction tube 1 is kept horizontal. It is desirable to rotate around the central axis at a speed of about 2-20 revolutions / minute.
The method of rotating the reaction tube is not particularly limited, and examples thereof include a method of holding the reaction tube by a lathe chuck and rotating the lathe.

希土類元素やAlなどの共添加物は、塩化物や酸化物などの化合物またはその水和物として上記溶媒に溶かすのが好ましい。
希土類元素の化合物またはその水和物としては、塩化エルビウム(ErCl3、ErCl3・6H2O)、塩化ネオジム(NdCl3)、塩化イッテルビウム(YbCl3、YbCl3・6H2O)、塩化ツリウム(TmCl3)、塩化ランタン(LaCl3)などが挙げられる。これらの添加物は、単一であっても複数組み合わせたものでもよい。扱い易さの観点からは、YbCl3・6H2Oなどの水和物が好ましい材料として挙げられる。
また、共添加物であるAlやその他の元素の化合物またはその水和物としては、AlCl3、AlCl3・6H2O、Al(NO3)3 、P25、H3PO4などが挙げられる。これらの添加物は、単一であっても複数組み合わせたものでもよい。Alについては、扱い易さの観点からは、AlCl3・6H2Oが好ましい材料として挙げられる。
The co-additives such as rare earth elements and Al are preferably dissolved in the solvent as compounds such as chlorides and oxides or hydrates thereof.
The compound or a hydrate of the rare earth element, erbium chloride (ErCl 3, ErCl 3 · 6H 2 O), neodymium chloride (NdCl 3), ytterbium chloride (YbCl 3, YbCl 3 · 6H 2 O), thulium chloride ( TmCl 3 ), lanthanum chloride (LaCl 3 ) and the like. These additives may be a single additive or a combination thereof. From the viewpoint of ease of handling, hydrates such as YbCl 3 .6H 2 O are preferred materials.
Further, Al or other elemental compounds that are co-additives or hydrates thereof include AlCl 3 , AlCl 3 .6H 2 O, Al (NO 3 ) 3 , P 2 O 5 , H 3 PO 4 and the like. Can be mentioned. These additives may be a single additive or a combination thereof. As for Al, from the viewpoint of ease of handling, AlCl 3 .6H 2 O is mentioned as a preferable material.

添加物を溶かすための溶媒としては、例えば、水やエタノール、メタノールなどのアルコール類が好ましいものとして挙げられる。これらの溶媒は、塩化物、塩などの化合物を十分に溶解でき、しかも自然乾燥により殆ど揮散するのに加え、Cl2などの反応性ガスによって、容易かつ十分に除去できるので簡便である。これらの点から、特に好ましい溶媒は、高純度エタノールである。 As a solvent for dissolving the additive, for example, alcohols such as water, ethanol and methanol are preferable. These solvents are convenient because they can sufficiently dissolve compounds such as chlorides and salts, and can be easily and sufficiently removed by a reactive gas such as Cl 2 in addition to being almost volatilized by natural drying. From these points, a particularly preferred solvent is high-purity ethanol.

希土類元素が添加された光ファイバの光-光の変換効率は、上記溶液に含まれる添加物の濃度によって大きく影響される。
例えば、YbとAlとを共添加する場合、溶質のそれぞれの濃度〔wt%〕は、Ybが0.05〜1.5〔wt%〕、Alが0.05〜2〔wt%〕程度が望ましい。具体的な一例として、YbとAlとをエタノールに溶かす場合、50ccのエタノールに対し、YbCl3・6H2Oが0.1〜0.15g、AlCl3・6H2Oが0.33〜0.5gが好ましい量である。
The light-light conversion efficiency of an optical fiber to which a rare earth element is added is greatly affected by the concentration of the additive contained in the solution.
For example, when Yb and Al are added together, the solute concentrations [wt%] are about 0.05 to 1.5 [wt%] for Yb and about 0.05 to 2 [wt%] for Al. desirable. As a specific example, when dissolving and Yb and Al in ethanol, to ethanol 50cc, YbCl 3 · 6H 2 O is 0.1~0.15g, AlCl 3 · 6H 2 O is from 0.33 to 0. 5g is a preferred amount.

液浸工程の最適条件は、ガラス微粒子層の厚さによっても異なるが、例えば、温度20〜60℃、液浸時間20分〜2時間などの条件が挙げられる。   Optimum conditions for the immersion process vary depending on the thickness of the glass fine particle layer, but examples include conditions such as a temperature of 20 to 60 ° C. and an immersion time of 20 minutes to 2 hours.

次に、HeとO2を供給しながら反応管内の溶液を排出するために1〜3時間、自然乾燥を行い、その後、バーナーの温度を50〜1800℃に段階的に上げ、ガラス微粒子層を加熱乾燥し、イオン拡散させる。
YbCl3・6H2OとAlCl3・6H2Oは、約900℃以上になると、熱乾燥する際に、Yb(OH)3、Al(OH)3およびHClに分解される。また、YbとAlが単体になってからは、温度と共に微粒子中を拡散していく。拡散状況は、パイプの温度や塩素流量によって大きく異なる。たとえば、イオンの拡散を促進させるためには塩素流量を増やした方が好ましい。しかし、添加イオンのエッチングも促進されるので注意が必要である。
Next, in order to discharge the solution in the reaction tube while supplying He and O 2 , natural drying is performed for 1 to 3 hours, and then the temperature of the burner is gradually increased to 50 to 1800 ° C. Heat drying and ion diffusion.
YbCl 3 · 6H 2 O and AlCl 3 · 6H 2 O, when above about 900 ° C., during the heat drying, is decomposed into Yb (OH) 3, Al ( OH) 3 and HCl. Further, after Yb and Al become simple substances, they diffuse in the fine particles with the temperature. The diffusion situation varies greatly depending on the pipe temperature and chlorine flow rate. For example, it is preferable to increase the chlorine flow rate in order to promote ion diffusion. However, care must be taken because etching of the added ions is promoted.

1.3μm波長の損失と1.248μm波長の損失の差が2.2〜20dB/kmとなるように、かつ、1.3μm波長の損失と1.38μm波長の損失の差が58〜1160dB/kmとなるように、残留水分(OH基)を除去する。   The difference between the loss of 1.3 μm wavelength and the loss of 1.248 μm wavelength is 2.2 to 20 dB / km, and the difference between the loss of 1.3 μm wavelength and the loss of 1.38 μm wavelength is 58 to 1160 dB / km. Residual moisture (OH group) is removed so that the distance becomes km.

次に、図1(e)に示すように、反応管の内圧を反応管外の圧力(大気圧)よりも100Pa〜200Pa程度低くし、残留する微量の水分や異物を除去すべく、He、O2およびCl2のガスを供給し、無水石英管の温度を1500〜1900℃まで上げ、Yb、Alを微粒子の内部まで拡散させる。
このときの各ガスの流量は、Heは0.1〜1.0〔SLM〕、O2は0.1〜5.0〔SLM〕、Cl2は0.01〜0.5〔SLM〕が望ましい。特に、Cl2の流量は、温度と共に塩化物の分解を促進させるために重要である。
Next, as shown in FIG. 1 (e), the internal pressure of the reaction tube is made lower by about 100 Pa to 200 Pa than the pressure outside the reaction tube (atmospheric pressure) to remove residual traces of moisture and foreign matter, O 2 and Cl 2 gases are supplied, the temperature of the anhydrous quartz tube is raised to 1500 to 1900 ° C., and Yb and Al are diffused into the fine particles.
The flow rate of each gas at this time is 0.1 to 1.0 [SLM] for He, 0.1 to 5.0 [SLM] for O 2 , and 0.01 to 0.5 [SLM] for Cl 2. desirable. In particular, the flow rate of Cl 2 is important to promote the decomposition of chloride with temperature.

ここで、Cl2は、ガラスの脱水効果を示す他に、ガラス層の内面に存在する余分な希土類元素とAlとを除去する効果および塩化物分解の促進効果を示すので、これを利用して、コア中心の屈折プロファイルの制御、コアの中心の希土類元素の濃度、および、アルミニウムの濃度をさらに低下させることができる。
よって、石英管内へのCl2ガスの導入量やパイプ温度をコントロールすることで、コア母材の中心の希土類元素の濃度プロファイル、および、Alの濃度プロファイルをコントロールすることができる。
例えば、Cl2ガスの流量を増やすほど、希土類元素の濃度プロファイルおよびAlの濃度プロファイルのそれぞれのコア中心の窪みは深くなる。また、Cl2ガスの流量および温度を増やすほど、塩化物の分解が促進され、屈折率プロファイルは、胴体最外面の付近には角などの異常な形状はなく、胴体最外面から急峻に立ち上がり、コア中心までは放物曲線を描くような丸やかな形状が得られる。
Cl2流量を上げすぎると屈折率プロファイルの中心が窪みすぎて、光−光の変換効率やビーム品質に悪影響を及ぼすので注意が必要である。
Here, Cl 2 shows the effect of removing excess rare earth elements and Al existing on the inner surface of the glass layer and the effect of promoting the decomposition of chloride in addition to showing the dehydration effect of the glass. Further, the control of the refractive profile at the core center, the rare earth element concentration at the core center, and the aluminum concentration can be further reduced.
Therefore, by controlling the amount of Cl 2 gas introduced into the quartz tube and the pipe temperature, the concentration profile of the rare earth element at the center of the core base material and the concentration profile of Al can be controlled.
For example, as the flow rate of Cl 2 gas is increased, the depressions at the core centers of the rare earth element concentration profile and the Al concentration profile become deeper. Further, as the Cl 2 gas flow rate and temperature are increased, the decomposition of chloride is promoted, and the refractive index profile has no abnormal shape such as corners in the vicinity of the outermost surface of the fuselage, and rises sharply from the outermost surface of the fuselage, A round shape that draws a parabolic curve is obtained up to the center of the core.
If the Cl 2 flow rate is increased too much, the center of the refractive index profile will be recessed too much, and this will have an adverse effect on the light-light conversion efficiency and beam quality.

コア中の希土類元素の濃度の範囲については、中間位置における希土類元素の濃度の最大値に対する、コア中心における希土類元素の濃度の割合は、5〜95%とすべきであり、変換効率の観点から5〜60%がより好ましく、5〜25%が特に好ましい範囲である。Ybコアが利得媒体として働くために反転分布(励起イオンの濃度)に大きな変動を与えないための条件であることが重要である。   Regarding the range of the rare earth element concentration in the core, the ratio of the rare earth element concentration in the core center to the maximum value of the rare earth element concentration in the middle position should be 5 to 95%, from the viewpoint of conversion efficiency. 5 to 60% is more preferable, and 5 to 25% is a particularly preferable range. In order for the Yb core to function as a gain medium, it is important that the conditions are such that the inversion distribution (excitation ion concentration) does not vary greatly.

図3は、シングルモードファイバにおける、中心窪みの幅に対する反転分布の変化を示すグラフ図であり、図4は、マルチモードファイバにおける、中心窪みに対する反転分布の変化を示すグラフ図である。これらの図では、aはコア外径、bはYb濃度プロファイルの中心窪みの幅を示しており、屈折率プロファイルはステップ形状である。
図3、図4では、ステップインデッスプロファイルにおいて、中心窪みの持っていないYb濃度を0%[(b/a)×100%]とし、Yb濃度の中心窪みの幅(即ち、濃度が最大となる中間位置からコア中心まで距離の2倍)と反転分布との相関を示している。
励起条件は、ファイバの長さ15Mに対し、励起波長は976nm、入力パワーは500Wである。
図3(b)のグラフ図から明らかなとおり、コア外径10μm、クラッド外径125μm、NA0.08のシングルモードファイバでは、窪みの幅bが2μm(17%)となるまで反転分布の変化は見られない。
また、図4(b)のグラフ図から明らかなとおり、コア外径40μm、クラッド外径125μm、NA0.08のマルチモードファイバでは,中心窪みの幅bが9μm(23%)となるまで反転分布の変化は見られない。
この結果からも、中心のYb濃度を減らしても反転分布に影響がなく、有効的にフォトダークニングを抑制することが可能になることがわかる。
窪みの幅bは、シングルモードファイバとマルチモードファイバとによって多少異なるが、LP01(基本モード)のMFD(モードフィルドダイヤメータ)の5〜50%が好ましい範囲である。
また、コア中のAlの濃度の範囲については、中間位置におけるAlの濃度の最大値に対する、コア中心におけるAlの濃度の割合は、0%〜90%が好ましく、ビーム品質や、変換効率の観点から0%〜60%がより好ましい。
Alの濃度プロファイルは、屈折率プロファイルとほぼ一致するが、リン(P)、希土類ドープ量によって多少影響される。ビーム品質やビームプロファイルに大きな変動を与えない条件が重要である。
シングルモードの場合の、中間位置におけるAlの濃度の最大値に対する、コア中心におけるAlの濃度の割合は、40%が特に好ましい値である。マルチモードの場合の中間位置におけるAlの濃度の最大値に対する、コア中心におけるAlの濃度の割合は、20%が特に好ましい値である。
FIG. 3 is a graph showing the change in the inversion distribution with respect to the width of the center depression in the single mode fiber, and FIG. 4 is a graph showing the change in the inversion distribution with respect to the center depression in the multimode fiber. In these drawings, a indicates the core outer diameter, b indicates the width of the central depression of the Yb concentration profile, and the refractive index profile has a step shape.
3 and 4, in the step index profile, the Yb concentration that the central depression does not have is set to 0% [(b / a) × 100%], and the width of the central depression of the Yb concentration (that is, the concentration is maximum). (2 times the distance from the intermediate position to the core center) and the inversion distribution.
The excitation conditions are a fiber length of 15 M, an excitation wavelength of 976 nm, and an input power of 500 W.
As is apparent from the graph of FIG. 3B, in the single mode fiber having the core outer diameter of 10 μm, the cladding outer diameter of 125 μm, and NA of 0.08, the change in the inversion distribution is reduced until the width b of the recess becomes 2 μm (17%). can not see.
As is clear from the graph of FIG. 4B, in a multimode fiber having a core outer diameter of 40 μm, a cladding outer diameter of 125 μm, and an NA of 0.08, the inversion distribution is obtained until the central recess width b becomes 9 μm (23%). No change is seen.
From this result, it can be seen that even if the Yb density at the center is reduced, the inversion distribution is not affected and photodarkening can be effectively suppressed.
The width b of the dent varies slightly depending on the single mode fiber and the multimode fiber, but 5 to 50% of the LP01 (basic mode) MFD (mode filled diameter) is a preferable range.
As for the range of Al concentration in the core, the ratio of the Al concentration at the core center to the maximum value of Al concentration at the intermediate position is preferably 0% to 90%. From the viewpoint of beam quality and conversion efficiency. From 0% to 60% is more preferable.
The Al concentration profile is almost the same as the refractive index profile, but is somewhat affected by the amount of phosphorus (P) and rare earth doping. Conditions that do not significantly change the beam quality and beam profile are important.
In the case of the single mode, the ratio of the Al concentration at the core center to the maximum value of the Al concentration at the intermediate position is particularly preferably 40%. The ratio of the Al concentration at the core center to the maximum value of the Al concentration at the intermediate position in the case of the multimode is a particularly preferable value of 20%.

図5は、コア外径12.5μm、クラッド外径125μmのシングルモードファイバに対し、図6は、コア外径40μm、クラッド外径125μmのマルチモードファイバに対し、屈折率プロファイルの中心窪みの深さと基本モード(LP01)の電界強度の相関を示すグラフ図である。
図5(a)は、シングルモード光ファイバの屈折率プロファイルの中心窪みの深さによる電界強度の変化を示すグラフ図であり、図6(a)は、マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルの中心窪みの深さによる電界強度の変化を示すグラフ図である。屈折率プロファイルの中心窪みの深さの割合[(b/a)×100%]は、図5(b)、図6(b)に示すとおり、屈折率プロファイルの最大ピーク高さaと窪みの深さbの割合として表している。
シングルモードの場合、全モードの電界分布の積、基本モードの電界分布、窪み中心の電界分布を分離し、窪みの深さと電界分布の変化の振る舞いを計算したところ、窪み深さの割合が60%になるまで窪み中心の電界分布は基本モードと同様な振る舞いを示し、強度変化は僅か7%であった。
また、マルチモードの場合、窪み中心の電界分布は約20%の窪み深さの割合まで基本モードと同様な振る舞いを示しており、その変化は28%程度である。
この結果から、ビーム品質の変化を伴わない中心窪み深さの割合は、シングルモードは60%まで、マルチモードは20%までが最も好ましい範囲になる。
FIG. 5 shows a single mode fiber having a core outer diameter of 12.5 μm and a cladding outer diameter of 125 μm, and FIG. 6 shows a depth of the central depression of the refractive index profile for a multimode fiber having a core outer diameter of 40 μm and a cladding outer diameter of 125 μm. It is a graph which shows the correlation of the electric field intensity | strength of fundamental mode (LP01).
FIG. 5A is a graph showing the change in electric field strength depending on the depth of the central depression of the refractive index profile of the single mode optical fiber, and FIG. 6A is the center of the refractive index profile of the multimode optical fiber. It is a graph which shows the change of the electric field strength by the depth of a hollow. The ratio of the depth of the central recess of the refractive index profile [(b / a) × 100%] is shown in FIGS. 5 (b) and 6 (b). Expressed as a percentage of depth b.
In the single mode, the product of the electric field distribution of all modes, the electric field distribution of the fundamental mode, and the electric field distribution at the center of the dent are separated, and the behavior of the change in the dent depth and the electric field distribution is calculated. The electric field distribution at the center of the depression showed the same behavior as in the basic mode until the intensity was changed, and the intensity change was only 7%.
In the case of the multimode, the electric field distribution at the center of the depression shows the same behavior as the basic mode up to a ratio of the depression depth of about 20%, and the change is about 28%.
From this result, the ratio of the depth of the center depression without changing the beam quality is most preferably in the single mode up to 60% and in the multi mode up to 20%.

図7は、コア外径40μmに対し、屈折率中心窪みの深さが38%になった場合の、屈折率プロファイル、電界分布、電界分布のX軸断面および電界分布のY軸断面を示したグラフ図である。
図7(a)は、コア外径40μmに対し、屈折率中心窪みの深さが38%の屈折率プロファイルを示している。
図7(b)は、全モード積の電界強度の積を3次元的に示すグラフ図である。
図7(c)は、電界分布のX軸断面を示すグラフ図であり、図7(d)は、電界分布のY軸断面を示すグラフ図である。尚、X軸断面とは、光ファイバの中心軸に直交する1つの軸をX軸として、中心軸とX軸とを含む平面で光ファイバを切断したときの断面である。また、Y軸断面とは、光ファイバの中心軸とX軸に直交する軸をY軸として、中心軸とY軸とを含んだ平面で光ファイバを切断したときの断面である。
これら図7(c)、(d)のグラフ図によって、中心窪みの深さが38%あっても、電界強度の中央には窪みがないことがわかる。
FIG. 7 shows the refractive index profile, the electric field distribution, the X-axis cross section of the electric field distribution, and the Y-axis cross section of the electric field distribution when the depth of the refractive index central depression is 38% with respect to the core outer diameter of 40 μm. FIG.
FIG. 7A shows a refractive index profile in which the depth of the refractive index central depression is 38% with respect to the core outer diameter of 40 μm.
FIG. 7B is a graph showing three-dimensionally the product of the electric field strengths of all mode products.
FIG. 7C is a graph showing the X-axis cross section of the electric field distribution, and FIG. 7D is a graph showing the Y-axis cross section of the electric field distribution. The X-axis cross section is a cross section when the optical fiber is cut along a plane including the central axis and the X axis, with one axis orthogonal to the central axis of the optical fiber as the X axis. The Y-axis cross section is a cross section when the optical fiber is cut along a plane including the central axis and the Y axis, with the axis orthogonal to the central axis and the X axis of the optical fiber as the Y axis.
These graphs of FIGS. 7C and 7D show that there is no depression at the center of the electric field strength even when the depth of the central depression is 38%.

希土類元素の濃度プロファイルの中央の窪みの幅(即ち、濃度が最大となる中間位置からコア中心までの距離の2倍)は、シングルモード光ファイバの場合と、マルチモード光ファイバの場合とで、互いに異なる。
シングルモード光ファイバの場合には、中央の窪みの幅は、希土類元素の濃度プロファイルの中央の窪みを0%とした場合の光ファイバに形成されるLP01モード径の40%以下が好ましく、20%以下がより好ましく、15%以下が特に好ましい。
マルチモード光ファイバの場合には、中央の窪みの幅は、希土類元素の濃度プロファイルの中央の窪みを0%とした場合の光ファイバに形成されるLP01モード径の60%以下が好ましく、40%以下がより好ましく、30%以下が特に好ましい。
いずれのモードの場合も、希土類元素の濃度プロファイルの中央の窪みの幅の下限は、特に限定はされないが、前記LP01モード径の5〜50%範囲が好ましい。
また、Alの濃度プロファイルの中央の窪みの幅も、上記希土類元素の場合と同様に、シングルモード光ファイバの場合と、マルチモード光ファイバの場合とで、互いに異なる。
シングルモード光ファイバの場合には、中央の窪みの幅は、Alの濃度プロファイルの中央の窪みを0%とした場合の光ファイバに形成されるLP01モード径の40%以下が好ましく、30%以下がより好ましく、20%以下が特に好ましい。
マルチモード光ファイバの場合には、中央の窪みの幅は、Alの濃度プロファイルの中央の窪みを0%とした場合の光ファイバに形成されるLP01モード径の60%以下が好ましく、40%以下がより好ましく、35%以下が特に好ましい。
いずれのモードの場合も、Alの濃度プロファイルの中央の窪みの幅の下限は、特に限定はされないが、前記LP01モード径の5〜40%範囲が好ましい。
The width of the depression at the center of the concentration profile of the rare earth element (that is, twice the distance from the intermediate position where the concentration is maximum to the center of the core) is the case of the single mode optical fiber and the case of the multimode optical fiber. Different from each other.
In the case of a single mode optical fiber, the width of the central depression is preferably 40% or less of the LP01 mode diameter formed in the optical fiber when the central depression of the concentration profile of the rare earth element is 0%, preferably 20%. The following is more preferable, and 15% or less is particularly preferable.
In the case of a multimode optical fiber, the width of the central depression is preferably 60% or less of the LP01 mode diameter formed in the optical fiber when the central depression of the concentration profile of the rare earth element is 0%, and 40% The following is more preferable, and 30% or less is particularly preferable.
In any mode, the lower limit of the width of the central depression of the concentration profile of the rare earth element is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 50% of the LP01 mode diameter.
Also, the width of the central depression of the Al concentration profile is different between the case of the single mode optical fiber and the case of the multimode optical fiber, as in the case of the rare earth element.
In the case of a single mode optical fiber, the width of the central depression is preferably 40% or less of the LP01 mode diameter formed in the optical fiber when the central depression of the Al concentration profile is 0%, and preferably 30% or less. Is more preferable, and 20% or less is particularly preferable.
In the case of a multimode optical fiber, the width of the central depression is preferably 60% or less of the LP01 mode diameter formed in the optical fiber when the central depression of the Al concentration profile is 0%, and preferably 40% or less. Is more preferable, and 35% or less is particularly preferable.
In any mode, the lower limit of the width of the central depression of the Al concentration profile is not particularly limited, but is preferably in the range of 5 to 40% of the LP01 mode diameter.

本発明の製造方法では、添加物を含有したガラス微粒子層を形成した後、図1(e)に示すように、希土類元素さらにはAlを含有したガラス微粒子層5を加熱してガラス化し、希土類元素が添加されたガラス層6を得る(ガラス化工程)。同図は、加工の途中の状態を示しており、ガラス微粒子層5の一部がガラス層6となっている。
ガラス化のための加熱温度は、屈折率プロファイルの制御およびコア扁平を抑制する点から、1900℃〜2300℃、特に、1950℃〜2200℃が好ましい範囲である。
In the production method of the present invention, after forming the glass fine particle layer containing the additive, as shown in FIG. 1 (e), the glass fine particle layer 5 containing the rare earth element and further Al is heated to be vitrified. The glass layer 6 to which the element is added is obtained (vitrification process). This figure shows a state in the middle of processing, and a part of the glass fine particle layer 5 is a glass layer 6.
The heating temperature for vitrification is preferably 1900 ° C. to 2300 ° C., particularly 1950 ° C. to 2200 ° C., from the viewpoint of controlling the refractive index profile and suppressing core flatness.

ガラス化工程の後に、図1(f)に示すように、無水石英管を1900〜2300℃で加熱してコラプスし、コア母材を得る(コラプス工程)。コラプスとは、ガラス層を収縮させながら反応管の中央で一体化させ、内部に空間の無いコアとすること(中実化すること)である。
コラプス工程では、コラプスを行いながらCl2ガスを石英管内に流すことで、脱水、プロファイルの制御、および、添加物の濃度制御が可能になる。Cl2ガスの流量は、5SCCMから100SCCM、好ましくは5〔SCCM〕〜10〔SCCM〕である。
コラプス工程により、中心の希土類元素添加コアとその周囲の石英クラッド層とを有してなるコア母材が得られる。
得られたコア母材の周囲にコア径とクラッド径を合わせるために必要に応じてさらなるガラス層の被服、外層(例えば、第2のクラッド層や、サポート層)を加えて光ファイバ母材を製造、線引して、希土類元素添加ファイバを得る。
After the vitrification step, as shown in FIG. 1 (f), the anhydrous quartz tube is heated at 1900 to 2300 ° C. to be collapsed to obtain a core base material (collapse step). “Collapse” means that the glass layer is shrunk and integrated at the center of the reaction tube to form a core having no space inside (making it solid).
In the collapse process, Cl 2 gas is allowed to flow through the quartz tube while collapsing, whereby dehydration, profile control, and additive concentration control are possible. The flow rate of the Cl 2 gas is 5 SCCM to 100 SCCM, preferably 5 [SCCM] to 10 [SCCM].
By the collapsing process, a core base material having a central rare earth element-added core and a surrounding quartz cladding layer is obtained.
In order to match the core diameter and the cladding diameter around the obtained core preform, an additional glass layer coating and an outer layer (for example, a second cladding layer or a support layer) are added as necessary to form an optical fiber preform. Manufacture and drawing to obtain a rare earth element-doped fiber.

本発明による希土類元素添加光ファイバは、上記で説明した本発明の製造方法によって得られる結果物であって、その構成上の特徴は、少なくとも希土類元素が添加されたコアと、その周囲の石英クラッド層とを有し、その特徴は、コア中の希土類元素の濃度プロファイルにあり、希土類元素の濃度が、図2(a)、図11(a)に示すように、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっている。
濃度の最大値に対するコア中心の濃度の好ましい割合や、濃度プロファイルのコア中央の窪みの深さおよび幅の範囲は、製造方法の説明で述べたとおりである。
The rare earth element-doped optical fiber according to the present invention is a result obtained by the manufacturing method of the present invention described above, and the structural features thereof are at least a core doped with a rare earth element and a surrounding quartz cladding. The layer is characterized by the concentration profile of the rare earth element in the core, and the concentration of the rare earth element is at least as shown in FIGS. 2 (a) and 11 (a). It is the maximum value at a position between the center of the core and descends from the center toward the core center, and is the lowest point of descent at the core center.
The preferable ratio of the concentration at the core center to the maximum value of the concentration and the range of the depth and width of the depression at the center of the core of the concentration profile are as described in the description of the manufacturing method.

また、本発明による希土類元素添加光ファイバの好ましい態様では、コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されている。この態様では、コア中のアルミニウムの濃度が、図2(b)に示すように、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の中間位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっている。即ち、濃度プロファイルのコア中央に窪みがある。
また、コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加された他の好ましい態様では、コア中のアルミニウムの濃度が、図11(b)に示すように、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の中間位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定となっている。即ち、濃度プロファイルのコア中央に窪みが無い。
In a preferred embodiment of the rare earth element-doped optical fiber according to the present invention, a rare earth element and aluminum are co-doped in the core. In this aspect, as shown in FIG. 2B, the concentration of aluminum in the core has a maximum value at least at an intermediate position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core. It descends as it goes to, and is the lowest point of descent at the core center. That is, there is a dent in the center of the core of the concentration profile.
In another preferred embodiment in which a rare earth element and aluminum are co-added to the core, the concentration of aluminum in the core is at least between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, as shown in FIG. It has a maximum value at an intermediate position, and the maximum value is constant from there to the center of the core. That is, there is no depression at the center of the core of the concentration profile.

本発明による希土類元素添加光ファイバは、通信、溶接、切断、マーキング、照明、医療など、種々の分野で用いられるレーザ装置、光増幅器を構成するために利用可能であり、例えば、エアホール型のダブルクラッド光ファイバやポリマー型ダブルクラッド光ファイバ、偏波保持光ファイバなどが好ましい構造として挙げられる。   The rare earth element-doped optical fiber according to the present invention can be used for constructing laser devices and optical amplifiers used in various fields such as communication, welding, cutting, marking, illumination, medical, and the like. A preferable structure is a double clad optical fiber, a polymer double clad optical fiber, a polarization maintaining optical fiber, or the like.

実施例1
本実施例では、焼結MCVD法によってガラス微粒子層を堆積させて、希土類元素添加光ファイバを形成した。
(無水石英管内面のエッチング)
外径28mm、厚さ1.5mm、長さ500mmの無水石英管を旋盤に取付け、無水石英管内面に一端から他端にむけて、Heを0.5〔SLM〕にて、O2を1.8〔SLM〕にて、SF6を0.2〔SLM〕にて供給しながら、酸水素バーナーによって1800〜2000℃で無水石英管の内面のエッチングを行った。
Example 1
In this example, a rare earth element-doped optical fiber was formed by depositing a glass fine particle layer by a sintered MCVD method.
(Etching of the inner surface of anhydrous quartz tube)
An anhydrous quartz tube having an outer diameter of 28 mm, a thickness of 1.5 mm, and a length of 500 mm is attached to a lathe. The inner surface of the anhydrous quartz tube is directed from one end to the other, He is 0.5 [SLM], and O 2 is 1 The inner surface of the anhydrous quartz tube was etched with an oxyhydrogen burner at 1800 to 2000 ° C. while supplying SF 6 at 0.2 [SLM] at 0.8 [SLM].

(ガラス微粒子層の形成)
SiCl4を0.2〔SLM〕にて、Heを0.4〔SLM〕にて、O2を2.0〔SLM〕にて供給し、1450℃で4回連続して0.2mm膜厚のガラス微粒子を堆積した。ガラス微粒子を堆積する際には、石英管の内圧を大気圧よりも5Pa低くなるように、反応管内の圧力を制御した。この段階では添加物がないために濃度プロファイルに変化はない。
(Formation of glass fine particle layer)
SiCl 4 is supplied at 0.2 [SLM], He is supplied at 0.4 [SLM], and O 2 is supplied at 2.0 [SLM]. Of glass particles were deposited. When depositing glass particles, the pressure in the reaction tube was controlled so that the internal pressure of the quartz tube was 5 Pa lower than the atmospheric pressure. At this stage, there is no change in the concentration profile because there is no additive.

(ガラス微粒子層へのYbCl3、AlCl3の浸透)
0.1gのYbCl3・6H2Oと、0.33gのAlCl3・6H2Oとを、溶媒であるエタノール50ミリリットルに溶かし(Al:Ybモル比=5.3:1)、該溶液を、ガラス微粒子層が反応管内壁上に形成された上記の石英管中に流し込み、反応管を旋盤チャックに水平に保持し、速度5回転/分、室温で1時間回転させた。
(Penetration of YbCl 3 and AlCl 3 into glass fine particle layer)
0.1 g of YbCl 3 .6H 2 O and 0.33 g of AlCl 3 .6H 2 O are dissolved in 50 ml of ethanol as a solvent (Al: Yb molar ratio = 5.3: 1). The glass fine particle layer was poured into the quartz tube formed on the inner wall of the reaction tube, and the reaction tube was held horizontally on a lathe chuck and rotated at a speed of 5 rotations / minute at room temperature for 1 hour.

(乾燥工程)
反応管の内圧が大気圧よりも1Pa低くなるように維持し、Heを0.5〔SLM〕、O2を3.0〔SLM〕供給しながら反応管内のエタノールを排除するために2.5時間、自然乾燥を行った。
その後、YbCl3・6H2OとAlCl3・6H2Oの分解、および、微粒子内部へ拡散させるために、酸水素バーナーの温度を50〜1800℃に段階的に上げ、石英管を加熱乾燥させた。この段階で、He、O2と共に、Cl2流量が0.12〔SLM〕流れるために、昇温とともに塩化物および添加物の分解を促進させ、添加物イオンをスート微粒子内部へ均一に拡散させるために濃度プロファイルや屈折率プロファイルが胴体最外周面の付近には角などの異常な形状はなく、胴体最外周面から急峻に立ち上がり、中心までは放物曲線である擬似ステップ形状になる。
YbCl3・6H2O、AlCl3・6H2Oなどの塩化物は、約900℃以上になると、それぞれに、Yb(OH)3とHCl、Al(OH)3とHClに分解される。また、YbとAlが単体および酸化物になってからは固まり易く、なかなか均一に拡散しない。しかし、Cl2を流すことにより昇温と共に添加物は細かく分解され、微粒子中を拡散していく。拡散状態はパイプの温度や塩素流量によって大きく異なるが、温度が高い、塩素流量を増やすほど添加物のクラスタが小さくなり均一な拡散が促進される。
屈折率プロファイルを確認したところ、Cl2を流さないコアの屈折率プロファイルはパイプの界面にピーク(角)や中心の窪みがないプロファイルを示したが、Cl2を流したコアは胴体最外周面から急峻に立ち上がり、コア中心が丸い擬似ステップ形状を示し、均一な拡散が確認された。また、Cl2を流すことによりスート堆積や液透中に混入された水を除去する効果もあるのでコア中のOH濃度制御も可能になる。
(Drying process)
In order to eliminate ethanol in the reaction tube while maintaining the internal pressure of the reaction tube at 1 Pa lower than atmospheric pressure and supplying He at 0.5 [SLM] and O 2 at 3.0 [SLM] Natural drying was performed for a time.
Then, in order to decompose YbCl 3 · 6H 2 O and AlCl 3 · 6H 2 O and diffuse them into the inside of the fine particles, the temperature of the oxyhydrogen burner is raised stepwise to 50-1800 ° C., and the quartz tube is heated and dried. It was. At this stage, since the Cl 2 flow rate is 0.12 [SLM] along with He and O 2 , the decomposition of chlorides and additives is promoted as the temperature rises, and the additive ions are uniformly diffused into the soot particles. Therefore, the density profile and the refractive index profile do not have an abnormal shape such as a corner in the vicinity of the outermost peripheral surface of the fuselage, but rise steeply from the outermost peripheral surface of the fuselage and have a pseudo step shape that is a parabolic curve up to the center.
Chlorides such as YbCl 3 .6H 2 O and AlCl 3 .6H 2 O are decomposed into Yb (OH) 3 and HCl and Al (OH) 3 and HCl, respectively, at about 900 ° C. or higher. Moreover, after Yb and Al become simple substances and oxides, they tend to harden and do not readily diffuse uniformly. However, by flowing Cl 2 , the additive is finely decomposed as the temperature rises and diffuses in the fine particles. Although the diffusion state varies greatly depending on the pipe temperature and chlorine flow rate, the higher the temperature, the higher the chlorine flow rate, the smaller the additive clusters and the more uniform diffusion is promoted.
When checking refractive index profile, but the core refractive index profile which does not shed Cl 2 showed a profile there is no depression of the interface to the peak (square) and the center of the pipe, the core was flushed with Cl 2 torso outermost peripheral surface As a result, the core center showed a pseudo step shape with a round core, and a uniform diffusion was confirmed. In addition, by flowing Cl 2 , there is an effect of removing water mixed in soot deposition and liquid permeation, so that the OH concentration in the core can be controlled.

(コラプス)
反応管の内圧を大気圧よりも高くするために内圧と大気圧との差圧を+30Paの差圧になるように維持して、Heを0.6〔SLM〕にて、O2を3.0〔SLM〕にて、Cl2を段階的に100〔SCCM〕から8〔SCCM〕まで変化させながら、各ガスを供給し、無水石英管の温度を1800〜2300℃まで上げてガラス微粒子層をガラス層とし、パイプ管を収縮させるコラプスを行い、コア母材を得た。
コラプスの最終段階では、Cl2流量を8〔SCCM〕とし、添加物濃度や屈折プロファイルの窪みの深さが全体高さの40%になる様に制御を行った。コラプス段階でのCl2効果を確認するためにCl2を止めてコラプスを行ったコアの屈折率プロファイルは胴体最外面の付近には角などの異常な形状はなく、胴体最外面から急峻に立ち上がり、コア中心には窪みがないコア中心までは放物曲線を描くような擬似ステップ形状を示した。
(Collapse)
In order to make the internal pressure of the reaction tube higher than the atmospheric pressure, the differential pressure between the internal pressure and the atmospheric pressure is maintained to be a differential pressure of +30 Pa, He is 0.6 [SLM], and O 2 is 3. At 0 [SLM], each gas is supplied while Cl 2 is gradually changed from 100 [SCCM] to 8 [SCCM], and the temperature of the anhydrous quartz tube is raised to 1800 to 2300 ° C. to form a glass fine particle layer. The glass base layer was collapsed to shrink the pipe tube to obtain a core base material.
In the final stage of the collapse, the Cl 2 flow rate was set to 8 [SCCM], and the control was performed so that the additive concentration and the depth of the refraction profile were 40% of the total height. In order to confirm the Cl 2 effect at the collapse stage, the refractive index profile of the core that was collapsed with Cl 2 stopped has no abnormal shape such as corners near the outermost surface of the fuselage, and rises sharply from the outermost surface of the fuselage. A pseudo step shape that draws a parabolic curve up to the core center where there is no depression at the core center was shown.

プリフォームアナライザによる評価の結果、コア母材中のコア径は、約2.1mmであった。   As a result of evaluation by the preform analyzer, the core diameter in the core base material was about 2.1 mm.

図2に示すとおり、コア母材の中心領域の屈折率は、コア母材の外側と比べて局所的に低くなっていることがわかる。これは、コア母材の中心のAlとYbの添加濃度が他の領域と比べ低くなっていることを意味している。
これによって、レーザ発振の基本モードの電界分布は、コアの中心において低くなり、低い反転分布を起こすので、コア中心部はフォトダークニングが起こり難くなる。
コア外径40μmのマルチモードの光ファイバにおいて計算を行った結果、屈折率プロファイルの中心窪みの深さが50%なっても、ビーム形状には影響されないことが判った。
As shown in FIG. 2, it can be seen that the refractive index of the central region of the core base material is locally lower than the outside of the core base material. This means that the additive concentrations of Al and Yb at the center of the core base material are lower than in other regions.
As a result, the electric field distribution of the fundamental mode of laser oscillation becomes low at the center of the core and causes a low inversion distribution, so that photodarkening hardly occurs at the core center.
As a result of calculation in a multimode optical fiber having a core outer diameter of 40 μm, it was found that even if the depth of the central depression of the refractive index profile is 50%, the beam shape is not affected.

本実施例で得られたコア母材が、フォトダークニングの発生を抑制するものであることを確認するために、該コア母材を用いてエアホール型ダブルクラッド光ファイバを作製し、フォトダークニング評価を行った。
該ファイバの主要構成は、コア外径40μm、第一クラッド外径600μm、第二クラッド(エアホール)外径30μm、光ファイバ外径1000μmである。
詳細な評価方法は、参考文献(SPIE Photonics West 2007、Vol. 6453-50)に掲載されている。
光ファイバ全体にわたる均一な反転分布を起こすために、光ファイバ長を125mmとし、エアホール型ダブルクラッド光ファイバを被覆しているポリマージャケットを後端から約20mm除去した。
図8は、その評価のために構築した光学系である。同図に示すように、波長675nmのレーザ光と、波長915nmの励起光(レーザ光)とを光源11から出射し、コリメータ12を通して、エアホール型ダブルクラッド光ファイバ13のコアに一端側(図の左端側)から入力し、他端側から出力される波長675nmのレーザ光を、受光素子14にて受光し、そのパワーを測定する構成とし、該レーザ光の透過率の時間変化を観察することで、フォトダークニングの評価を行なった。尚、図8において、符号Lで示した太い矢印は、前記2つの波長のレーザ光の混合光を意味している。
尚、エアホール型ダブルクラッド光ファイバ13の入力側、出力側の端面は、被服を剥いた状態で端面カットを行い、異常反射がないようにした。また、図8において、符号13aは、ファイバのコネクタを固定する治具であり、符号13aは、ファイバの温度が上昇しないようにする銅製の冷却台である。
In order to confirm that the core preform obtained in this example suppresses the occurrence of photodarkening, an air-hole type double clad optical fiber was produced using the core preform, and photodark Ning evaluation was performed.
The main configuration of the fiber is a core outer diameter of 40 μm, a first cladding outer diameter of 600 μm, a second cladding (air hole) outer diameter of 30 μm, and an optical fiber outer diameter of 1000 μm.
Detailed evaluation methods are described in the reference (SPIE Photonics West 2007, Vol. 6453-50).
In order to cause a uniform inversion distribution over the entire optical fiber, the length of the optical fiber was set to 125 mm, and the polymer jacket covering the air hole type double clad optical fiber was removed from the rear end by about 20 mm.
FIG. 8 shows an optical system constructed for the evaluation. As shown in the figure, a laser beam having a wavelength of 675 nm and an excitation light (laser beam) having a wavelength of 915 nm are emitted from a light source 11 and passed through a collimator 12 to the core of an air hole type double clad optical fiber 13 (see FIG. The laser light having a wavelength of 675 nm output from the other end side is received by the light receiving element 14 and the power thereof is measured, and the temporal change in the transmittance of the laser light is observed. Thus, photodarkening was evaluated. In FIG. 8, the thick arrow indicated by the symbol L means the mixed light of the two wavelengths of laser light.
In addition, the end face of the input side and the output side of the air hole type double clad optical fiber 13 was cut with the clothes being peeled off so as not to cause abnormal reflection. In FIG. 8, reference numeral 13a is a jig for fixing the fiber connector, and reference numeral 13a is a copper cooling stand for preventing the temperature of the fiber from rising.

実施例1の光ファイバ構造の特性の主たる値は、次のとおりである。
コア外径:40〔μm〕
ポンプガイド外径:600〔μm〕
Yb濃度:約5300〔ppm−wt〕
Al濃度:約6100〔ppm−wt〕
吸収係数:0.49〔dB/m〕
Ybドーピング濃度は、約5300〔ppm−wt〕である。
The main values of the characteristics of the optical fiber structure of Example 1 are as follows.
Core outer diameter: 40 [μm]
Pump guide outer diameter: 600 [μm]
Yb concentration: about 5300 [ppm-wt]
Al concentration: about 6100 [ppm-wt]
Absorption coefficient: 0.49 [dB / m]
The Yb doping concentration is about 5300 [ppm-wt].

図9は、フォトダークニング評価を行った結果を示すグラフ図である。同図に示すフォトダークニング評価では、ポンプ光源用レーザダイオード(PLD)の励起パワー(出力ワット数)を変化させたときの、それぞれの場合における675nm波長光の透過率の時間的変化を示している。PLDの出力ワット数は、30W、50W、90W、150Wであり、それぞれの出力に対する透過率の変化を、実線、点線、破線、一点鎖線で示している。
図9のグラフ図から明らかなとおり、フォトダークニングは励起パワー(或いは、反転分布)に大きく依存し、反転分布が高いほどフォトダークニングは早く起きる。
下記式から見積もったフィッティングパラメータβ(ストレッチングパラメータ)は、0.67であった。
上記式中、T(t)は、tを測定時間として、光ファイバの透過率を表す関数、Aは常数、(1−A)は定常状態の透過率、τはフォトダークニング時間常数(フォトダークニングのレート)、βはフィッティングパラメータであって、フォトダークニングによるファイバの透過率変化を意味する。
FIG. 9 is a graph showing the results of photodarkening evaluation. The photodarkening evaluation shown in the figure shows the temporal change in the transmittance of 675 nm wavelength light in each case when the pump power (output wattage) of the pump light source laser diode (PLD) is changed. Yes. The output wattage of the PLD is 30 W, 50 W, 90 W, and 150 W, and the change in transmittance with respect to each output is indicated by a solid line, a dotted line, a broken line, and a one-dot chain line.
As is apparent from the graph of FIG. 9, photodarkening largely depends on the excitation power (or inversion distribution), and the higher the inversion distribution, the faster the photodarkening occurs.
The fitting parameter β (stretching parameter) estimated from the following formula was 0.67.
In the above formula, T (t) is a function representing the transmittance of an optical fiber, where t is a measurement time, A is a constant, (1-A) is a steady-state transmittance, and τ is a photodarkening time constant (photo (Darkening rate), β is a fitting parameter, which means a change in the transmittance of the fiber due to photodarkening.

図10は、反転分布をログプロット(log plot)したグラフであって、横軸は反転分布のログ値であり、縦軸はフォトダークニング時間常数のログ値である。
次式から求めた指数関数の傾きn(linier slope by power law)は、2.2であり、フォトダークニングは反転分布(或いは、励起されたYb濃度)の2.2乗に比例して生じることになる。
上記式中、Iは反転分布、nは指数関数の傾き、τはフォトダークニング時間常数(フォトダークニングのレート)を意味する。
FIG. 10 is a log plot of the inversion distribution, where the horizontal axis is the log value of the inversion distribution and the vertical axis is the log value of the photodarkening time constant.
The exponential function slope n (linier slope by power law) obtained from the following equation is 2.2, and photodarkening occurs in proportion to the power of 2.2 of the inversion distribution (or excited Yb concentration). It will be.
In the above formulas, I is an inversion distribution, n is the slope of the exponential function, and τ is a photodarkening time constant (photodarkening rate).

一般的に、CWファイバレーザの反転分布は5%、パルスレーザの反転分布は30%程度であるから、パルスレーザはCWレーザより約52倍早く劣化することになる。
指数関数nは、Yb濃度やガラスの欠陥など、複雑な要因に影響を受けるために、断定することは難しいが、主に、Yb濃度やAl濃度に影響されることが知られている。
実施例1から得られた指数関数n=2.2は、参考文献(SPIE Photonics West 2007, Vol. 6453-50)で報告されているn=7、参考文献(OFC 2008, OThC5)で報告されているn=2.6より小さい値である。
よって、本実施例1で得られたコア母材を用いて製作した光ファイバは、フォトダークニングを従来よりも抑制し得るものであることを示している。
In general, the inversion distribution of the CW fiber laser is about 5% and the inversion distribution of the pulse laser is about 30%, so that the pulse laser deteriorates about 52 times faster than the CW laser.
The exponential function n is influenced by complicated factors such as Yb concentration and glass defects, and is difficult to determine, but it is known that it is mainly influenced by Yb concentration and Al concentration.
The exponential function n = 2.2 obtained from Example 1 is reported in the reference (OFC 2008, OThC5), n = 7 reported in the reference (SPIE Photonics West 2007, Vol. 6453-50). N is smaller than 2.6.
Therefore, the optical fiber manufactured using the core preform obtained in Example 1 shows that photodarkening can be suppressed as compared with the conventional case.

実施例2
本実施例では、気相MCVD法によってガラス微粒子層を堆積させて、希土類元素添加光ファイバを形成した。
気相MCVD法は、焼結MCVD法とは異なり、スート体積と共に希土類、Alなどの添加物をドープし、堆積と共にガラス化するために、屈折率プロファイルの中心を窪ませることなしに希土類元素の濃度のみを変化させることが可能な方法である。
また、気相MCVD法は、焼結MCVDとは異なり、ガラスの材料になるSiCl4と共に希土類元素やAlCl3などを同時に供給することが可能であるために、基本的に液浸工程は不要である。
Example 2
In this example, a rare earth element-doped optical fiber was formed by depositing a glass fine particle layer by vapor phase MCVD.
The vapor phase MCVD method differs from the sintered MCVD method in that it is doped with additives such as rare earth and Al together with the soot volume, and vitrified with the deposition, so that the rare-earth element is formed without the depression of the center of the refractive index profile. In this method, only the concentration can be changed.
The vapor phase MCVD method, unlike the sintered MCVD method, can simultaneously supply rare earth elements, AlCl 3 and the like together with SiCl 4 which is a glass material. is there.

(無水石英管内面のエッチング)
外径28mm、厚さ1.5mm、長さ500mmの無水石英管を旋盤のチャックに水平に取付け、無水石英管内面に一端から他端にむけて、Heを0.5〔SLM〕にて、O2を1.8〔SLM〕にて、SF6を0.2〔SLM〕にてそれぞれ供給し、酸水素バーナーにより1800〜2000℃で無水石英管の内壁面のエッチングを行った。
(Etching of the inner surface of anhydrous quartz tube)
An anhydrous quartz tube having an outer diameter of 28 mm, a thickness of 1.5 mm, and a length of 500 mm is attached horizontally to the chuck of the lathe, and the He is 0.5 [SLM] on the inner surface of the anhydrous quartz tube from one end to the other end. O 2 was supplied at 1.8 [SLM] and SF 6 was supplied at 0.2 [SLM], and the inner wall surface of the anhydrous quartz tube was etched at 1800 to 2000 ° C. with an oxyhydrogen burner.

(ガラス微粒子層形成構成、および、ガラス化工程)
SiCl4を0.2〔SLM〕にて、Heを0.4〔SLM〕にて、O2を2.0〔SLM〕にて、Yb(DPM)3タンクとAlCl3タンクにガスとしてHeガスを0.2〔SLM〕にて供給し、1950℃の反応管温度で、4回連続して0.06mm膜厚のガラス微粒子の堆積およびガラス化を行った。ここで、微粒子体積およびガラス化を分けることも可能である。
DPMは、ジピバロイルメタナト(または、2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナトとも呼ばれる)である。
(Glass fine particle layer formation structure and vitrification process)
SiCl 4 at 0.2 [SLM], He at 0.4 [SLM], O 2 at 2.0 [SLM], He gas as gas in Yb (DPM) 3 tank and AlCl 3 tank Was supplied at 0.2 [SLM], and glass particles with a thickness of 0.06 mm were deposited and vitrified four times in succession at a reaction tube temperature of 1950 ° C. Here, it is also possible to separate the fine particle volume and vitrification.
DPM is dipivaloylmethanato (also called 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate).

本実施例2では、Yb(DPM)3、AlCl3を反応管まで搬送するためのキャリアーガスとして、Heを用いた。
連続的に変化する屈折率プロファイルを形成するために、AlCl3の流量は、始終変化させず、Yb(DPM)3のみ4回目の堆積で0.1〔SLM〕に減らした。
In Example 2, He was used as a carrier gas for transporting Yb (DPM) 3 and AlCl 3 to the reaction tube.
In order to form a refractive index profile that varies continuously, the flow rate of AlCl 3 was not changed throughout, and only Yb (DPM) 3 was reduced to 0.1 [SLM] in the fourth deposition.

反応管に到達するYb(DPM)3、および、AlCl3の量は、Heガス流量以外に、Yb(DPM)3、および、AlCl3を蒸気化させる恒温槽の温度、原料配管の温度によっても異なる。Yb(DPM)3のタンクおよびAlCl3タンクの温度は、それぞれ230℃、160℃に設定した。また、AlCl3配管温度は160℃、Yb(DPM)3の配管温度は300℃、石英パイプに原料を供給させるために2層構造を持つハステロイのノズルを使い、300℃に設定した。
ガラス微粒子を堆積する際には、反応管の内圧と大気圧との差圧を−5Paになるようにガラス内圧を制御した。
The amount of Yb (DPM) 3 and AlCl 3 reaching the reaction tube depends not only on the He gas flow rate, but also on the temperature of the constant temperature bath for vaporizing Yb (DPM) 3 and AlCl 3 and the temperature of the raw material piping. Different. The temperatures of the Yb (DPM) 3 tank and the AlCl 3 tank were set to 230 ° C. and 160 ° C., respectively. The AlCl 3 pipe temperature was set to 160 ° C., the Yb (DPM) 3 pipe temperature was set to 300 ° C., and a Hastelloy nozzle having a two-layer structure was used to supply the raw material to the quartz pipe.
When depositing the glass fine particles, the internal pressure of the glass was controlled so that the differential pressure between the internal pressure of the reaction tube and the atmospheric pressure was −5 Pa.

(コラプス)
その後、反応管の内圧を反応管の外圧(大気圧)よりも+30Paだけ低くなるように維持し、Heを0.6〔SLM〕にて、O2を3.0〔SLM〕にて、Cl2を5〔SCCM〕にて、それぞれのガスを供給しながら、反応管の温度を1800〜2300℃まで上げ、ガラス微粒子層をガラス層とし、さらに反応管のコラプスを行い、コア母材を得た。ここで、Cl2は焼結MCVDの効果と同様であるためにプロファイルが影響を受ける。すなわち、Cl2を流すことにより添加物がエッチングされるためにCl2を段階的に下げて、最終コラプス段階ではCl2の流量を0〔SLM〕に減らした。
(Collapse)
Thereafter, the internal pressure of the reaction tube is maintained to be lower by +30 Pa than the external pressure (atmospheric pressure) of the reaction tube, He is 0.6 [SLM], O 2 is 3.0 [SLM], While supplying each gas at 5 [SCCM] with Cl 2 , the temperature of the reaction tube is raised to 1800 to 2300 ° C., the glass fine particle layer is made into a glass layer, the reaction tube is collapsed, and the core base material is Obtained. Here, since Cl 2 is similar to the effect of sintered MCVD, the profile is affected. That is, the additive by flowing Cl 2 is a Cl 2 to be etched stepwise lowered in the final collapse stage reduced the flow rate of Cl 2 to 0 [SLM].

プリフォームアナライザによる評価の結果、コア母材のコア径は、約2.2mmであった。
図11に示すとおり、EPMA(Electron Probe Microscopy Analyzer) 評価結果、コア中心領域において、Yb濃度だけが窪んでおり、Alの濃度は窪んでいないことがわかる。
As a result of the evaluation by the preform analyzer, the core diameter of the core base material was about 2.2 mm.
As shown in FIG. 11, the EPMA (Electron Probe Microscopy Analyzer) evaluation results show that only the Yb concentration is depressed and the Al concentration is not depressed in the core central region.

本実施例2で得られたコア母材が、フォトダークニングの発生を抑制するものであることを確認するために、実施例1と同様に、該コア母材を用いてエアホール型ダブルクラッドファイバを作製し、フォトダークニング評価を行った。
ファイバの主要構成、評価方法は、実施例1と同様である。
コア外径40μm、第一クラッド外径600μm、第二クラッド(エアホール)外径30μm、光ファイバ外径1000μmのエアホール型ダブルクラッド光ファイバを作製し、フォトダークニング評価を行った。光ファイバ全体にわたる均一な反転分布を得るために、光ファイバ長を125mmとし、エアホール型ダブルクラッド光ファイバを被覆しているポリマージャケットを後端から約20mm除去した。詳細な条件は実施例1と同様である。
実施例2の光ファイバ構造の特性の主たる値は、次のとおりである。
コア外径:40〔μm〕
ポンプガイド外径:600〔μm〕
Yb濃度:約5000〔ppm−wt〕
Al濃度:約5500〔ppm−wt〕
吸収係数:0.51〔dB/m〕
Ybドーピング濃度は、約5000〔ppm−wt〕である。
実施例2から得られた指数関数n=2.5で優れたフォトダークニング特性を示した。
In order to confirm that the core base material obtained in Example 2 suppresses the occurrence of photodarkening, the air base type double clad is used using the core base material in the same manner as in Example 1. A fiber was prepared and evaluated for photodarkening.
The main configuration and evaluation method of the fiber are the same as those in Example 1.
An air hole type double clad optical fiber having a core outer diameter of 40 μm, a first cladding outer diameter of 600 μm, a second cladding (air hole) outer diameter of 30 μm, and an optical fiber outer diameter of 1000 μm was fabricated, and photodarkening evaluation was performed. In order to obtain a uniform inversion distribution over the entire optical fiber, the length of the optical fiber was set to 125 mm, and the polymer jacket covering the air hole type double clad optical fiber was removed from the rear end by about 20 mm. The detailed conditions are the same as in Example 1.
The main values of the characteristics of the optical fiber structure of Example 2 are as follows.
Core outer diameter: 40 [μm]
Pump guide outer diameter: 600 [μm]
Yb concentration: about 5000 [ppm-wt]
Al concentration: about 5500 [ppm-wt]
Absorption coefficient: 0.51 [dB / m]
The Yb doping concentration is about 5000 [ppm-wt].
Excellent photodarkening characteristics were exhibited with the exponential function n = 2.5 obtained from Example 2.

本発明によって、フォトダークニングが抑制された希土類元素添加光ファイバを好ましくは製造し得る方法を提供することが可能となり、また、それによって、フォトダークニングが抑制された希土類元素添加光ファイバを提供することが可能となった。   According to the present invention, it is possible to provide a method capable of preferably producing a rare earth element-doped optical fiber with suppressed photodarkening, and thereby provide a rare earth element doped optical fiber with suppressed photodarkening. It became possible to do.

1 無水石英管
2 バーナー
3 ガラス微粒子層
4 希土類元素を含有する溶液
5 希土類元素が浸透したガラス微粒子層
6 希土類元素を含有するガラス層
7 希土類元素を含有するコア
8 コア母材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anhydrous quartz tube 2 Burner 3 Glass fine particle layer 4 Solution containing rare earth element 5 Glass fine particle layer infiltrated with rare earth element 6 Glass layer containing rare earth element 7 Core containing rare earth element Core core material

Claims (8)

希土類元素添加光ファイバの製造方法であって、
石英管の内面に、希土類元素を添加しながらガラス微粒子を堆積させて、または、ガラス微粒子を堆積させた後で希土類元素を添加して、希土類元素が添加されたガラス微粒子層を形成するガラス微粒子層形成工程と、
該ガラス微粒子層を加熱してガラス層とするガラス化工程と、
前記工程によってガラス層が内面に形成された石英管を、コラプスしてコア母材とするコラプス工程とを少なくとも有し、
コラプス工程後のコア母材におけるコア中の希土類元素の濃度が下記(A)の濃度の変化を満たすように、下記(B)および(C)のいずれか一方または両方の加工を行うことを特徴とする、
前記希土類元素添加光ファイバの製造方法。
(A)コア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜95%であること。
(B)ガラス微粒子層形成工程において希土類元素の添加量を制御すること。
(C)ガラス微粒子層形成工程の後に石英管内にCl2ガスを導入し、該Cl2ガスを、該管の内面に接触させることによって、希土類元素の添加量を減少させること。
A method of manufacturing a rare earth element-doped optical fiber,
Glass fine particles are deposited on the inner surface of a quartz tube while adding rare earth elements or by adding rare earth elements after glass fine particles are deposited to form a glass fine particle layer to which rare earth elements are added. A layer forming step;
A vitrification step of heating the glass fine particle layer to form a glass layer;
A collapsing step in which the quartz tube having the glass layer formed on the inner surface by the step is collapsed into a core base material;
One or both of the following (B) and (C) are processed so that the concentration of the rare earth element in the core in the core base material after the collapse process satisfies the following change in the concentration (A): And
A method for producing the rare earth element-doped optical fiber.
(A) The concentration of the rare earth element in the core is a maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then decreases toward the core center. It is the lowest point, and the ratio of the core center concentration to the maximum concentration value is 5% to 95%.
(B) Controlling the amount of rare earth element added in the glass fine particle layer forming step.
(C) To reduce the amount of rare earth element added by introducing Cl 2 gas into the quartz tube after the glass fine particle layer forming step and bringing the Cl 2 gas into contact with the inner surface of the tube.
ガラス微粒子層形成工程においてガラス微粒子層を形成する方法が、焼結MCVD法であって、
ガラス微粒子層形成工程において、石英管の内面にガラス微粒子層を複数回堆積させた後、少なくとも希土類元素を含んだ溶液を、前記ガラス微粒子層の内面に接触させて該層内に溶液を浸透させることによって、該層中に希土類元素を添加し、加熱乾燥し、
コラプス工程において、石英管内にCl2ガスを導入することによって、上記(A)の濃度の変化を満たす、請求項1記載の製造方法。
The method of forming the glass fine particle layer in the glass fine particle layer forming step is a sintered MCVD method,
In the glass fine particle layer forming step, after the glass fine particle layer is deposited a plurality of times on the inner surface of the quartz tube, a solution containing at least a rare earth element is brought into contact with the inner surface of the glass fine particle layer so that the solution penetrates into the layer. Adding a rare earth element in the layer, drying by heating,
The manufacturing method according to claim 1, wherein in the collapsing step, a change in the concentration of (A) is satisfied by introducing Cl 2 gas into the quartz tube.
ガラス微粒子層を形成する方法が、気相MCVD法であり、
ガラス微粒子層形成工程、および、ガラス化工程において、石英管の内面に、ガラス微粒子と少なくとも希土類元素とを同時に堆積させ、層厚が増加するに従って、石英管内に送る希土類元素の量を変化させることによって、上記(A)の濃度の変化を満たす、請求項1記載の製造方法。
The method of forming the glass fine particle layer is a gas phase MCVD method,
In the glass fine particle layer forming step and the vitrification step, glass fine particles and at least a rare earth element are simultaneously deposited on the inner surface of the quartz tube, and the amount of rare earth element sent into the quartz tube is changed as the layer thickness increases. The manufacturing method according to claim 1, wherein the change in the concentration of (A) is satisfied.
ガラス微粒子層を形成する方法が、気相MCVD法であり、
ガラス微粒子層形成工程において、上記(A)の濃度の変化を満たすようにガラス微粒子層中に希土類元素を添加しながら、同時に、下記(D)または(E)の濃度の変化を満たすように、ガラス微粒子層中にアルミニウムを共添加する、請求項1または3記載の製造方法。
(D)コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜90%であること。
(E)コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定であること。
The method of forming the glass fine particle layer is a gas phase MCVD method,
In the glass fine particle layer forming step, while adding a rare earth element to the glass fine particle layer so as to satisfy the change in the concentration of (A), at the same time, so as to satisfy the change in the concentration of (D) or (E) below. The production method according to claim 1 or 3 , wherein aluminum is co-added into the glass fine particle layer.
(D) The concentration of aluminum in the core of the core base material after the collapse has a maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then decreases toward the core center. It is the lowest point of descent at the core center, and the ratio of the core center concentration to the maximum concentration value is 5% to 90%.
(E) The concentration of aluminum in the core in the core base material after the collapse has a maximum value at least between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and the maximum value from there to the center of the core It remains constant.
ガラス微粒子層を形成する方法が、焼結MCVD法であり、The method of forming the glass fine particle layer is a sintered MCVD method,
ガラス微粒子層形成工程において、上記(A)の濃度の変化を満たすようにガラス微粒子層中に希土類元素を添加しながら、同時に、下記(D)の濃度の変化を満たすように、ガラス微粒子層中にアルミニウムを共添加する、請求項1または2に記載の製造方法。In the glass fine particle layer forming step, the rare earth element is added to the glass fine particle layer so as to satisfy the change in the concentration of the above (A), and at the same time, in the glass fine particle layer so as to satisfy the change in the concentration of the following (D). The manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein aluminum is added together.
(D)コラプス後のコア母材におけるコア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜90%であること。(D) The concentration of aluminum in the core of the core base material after the collapse has a maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then decreases toward the core center. It is the lowest point of descent at the core center, and the ratio of the core center concentration to the maximum concentration value is 5% to 90%.
請求項1〜のいずれか1項に記載の製造方法によって得られた希土類元素添加光ファイバであって、
少なくとも希土類元素が添加されたコアと、その周囲の石英クラッド層とを有し、
コア中の希土類元素の濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜95%となっていることを特徴とする、希土類元素添加光ファイバ。
A rare earth element-doped optical fiber obtained by the production method according to any one of claims 1 to 5 ,
Having a core to which at least a rare earth element is added, and a surrounding quartz cladding layer,
The concentration of the rare earth element in the core is the maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then descends toward the core center. The ratio of the concentration of the core center to the maximum value of the concentration is 5% to 95%.
コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されており、
コア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコア中心に向かうに従って下降し、コア中心において下降の最下点となっており、濃度の最大値に対するコア中心の濃度の割合が、5%〜90%となっている、請求項記載の希土類元素添加光ファイバ。
A rare earth element and aluminum are co-added to the core,
The concentration of aluminum in the core is a maximum value at least at a position between the core outer peripheral surface of the core and the center of the core, and then descends toward the core center. The rare earth element-doped optical fiber according to claim 6 , wherein the concentration ratio of the core center to the maximum value of the concentration is 5% to 90%.
コアに希土類元素とアルミニウムとが共添加されており、
コア中のアルミニウムの濃度が、少なくともコアの胴体外周面とコアの中心との間の位置で最大値となっており、そこからコアの中心まで最大値のまま一定となっている、請求項記載の希土類元素添加光ファイバ。
A rare earth element and aluminum are co-added to the core,
The concentration of aluminum in the core, is constant at least has a maximum value at a location between the center of the body outer circumferential surface and the core of the core, while the maximum value from there to the center of the core, according to claim 6 The rare earth element-doped optical fiber described.
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