JP7268245B2 - 活性元素添加光ファイバ、活性元素添加光ファイバ用母材、共振器、及び、ファイバレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、活性元素添加光ファイバ用母材、共振器、及び、ファイバレーザ装置に関する。

ファイバレーザ装置は、集光性に優れ、パワー密度が高く、小さなビームスポットとなる光が得られることから、レーザ加工分野、医療分野等の様々な分野において用いられている。この様なファイバレーザ装置では、出射する光の高出力化がなされている。一般的に、ファイバレーザ装置は、光を増幅させるために、活性元素である希土類元素がコアに添加された活性元素添加光ファイバを備えている。しかし、活性元素添加光ファイバ内における光のパワー密度が高くなると、誘導ラマン散乱に起因する光の波長変換が生じ易くなり、意図しない波長の光が出射する場合がある。この場合、被加工体等で反射する光が再びファイバレーザ装置に戻って増幅されることにより、設計上増幅されるべき波長の光の増幅が不安定となり、出力が不安定となる場合がある。

このような誘導ラマン散乱を抑制する手段として、コアを伝搬する光の実効断面積を大きくすることが挙げられ、実効断面積を大きくする方法の一つとして、コアの直径を大きくすることが挙げられる。従って、光ファイバにおける誘導ラマン散乱を抑制するために、例えば、光をフューモードで伝搬可能なコアを有する光ファイバが用いられる。

ファイバレーザ装置では、集光性の観点等から出射する光のビーム品質が優れていることが好ましく、そのため上記のように光をフューモードで伝搬可能なコアを有する光ファイバを用いることにより光の実効断面積を大きくする場合であっても、基本モード以外のモードの光が励振されることを抑えたいという要請がある。なお、ビーム品質は、例えば、Ｍ^２（エムスクエア）等で示される。そこで、下記特許文献１に記載の活性元素添加光ファイバのように、光をフューモードで伝搬可能なコアを有する活性元素添加光ファイバを用いつつ、高次モードの光の増幅を抑制することが行われている。

ところで、コアに希土類元素が添加された活性元素添加光ファイバにおいては、励起光の入射・伝播が行われるに従い増幅用光ファイバのコア部分の透過損失が次第に増加して、出力されるレーザ光の強度が時間とともに低下するフォトダークニングという現象が生じることが知られている。このフォトダークニングを抑制する方法の一つとして、例えば、コアにアルミニウムを添加することが行われている。例えば、下記非特許文献１には、コアの中央部に位置する第１領域にのみイッテルビウムを添加し、第１領域を囲う第２領域を含むコア全体にアルミニウムが添加される構成が開示されている。下記非特許文献１の光ファイバでは、第２領域に添加される元素のうちアルミニウムの濃度が最も大きい。

特許第５１２４７０１号公報

Proc. of SPIE Vol. 7580 758016-1 Fiber amplifier utilizing an Yb-doped large-mode-area fiber with confined doping and tailored refractive index profile.

しかし、上記特許文献１のように光をフューモードで伝搬可能にする場合でも、ビーム品質の劣化をより抑制したいとの要請がある。

また、上記非特許文献１の光ファイバを例えば他の光ファイバと融着するために加熱する場合、ガラス中のアルミニウムの拡散係数が大きいため、コアの外側に存在するアルミニウムがクラッドに拡散して、ガラスの屈折率分布が加熱前の屈折率分布から変化し得る。このようにコア及びクラッドの屈折率分布が変化すると、融着部において不要な高次モードが励振されてビーム品質が劣化し得る。

そこで、本発明は、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、活性元素添加光ファイバ用母材、共振器、及び、ファイバレーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、コア及び当該コアの外周面を隙間なく囲むクラッドを備え、光をフューモードで伝搬可能な活性元素添加光ファイバであって、前記コアは、半径がｄとされ、第１領域と第２領域とを含み、前記第１領域は、前記コアの中心軸から半径ｒａまでの領域であり励起光により励起される活性元素であるイッテルビウムが添加され、前記第２領域は前記第１領域を隙間なく囲む半径ｄまでの領域であり、前記第２領域にはゲルマニウムが添加されるとともに、前記第２領域のうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には前記活性元素が非添加であり、前記第１領域のうち前記中心軸から半径ｒｂまでの領域には前記ゲルマニウムが非添加であり、前記第２領域に添加されるドーパントの濃度のうち前記ゲルマニウムの濃度が最も大きいことを特徴とするものである。

上記活性元素添加光ファイバでは、コアの中心側にのみ活性元素であるイッテルビウムが添加されるため、高次モードの光に比べて基本モードの光が増幅され易い。そのため、コアの全体に活性元素が添加される場合に比べて、ビーム品質の劣化を抑制することができる。

ところで、ガラス中のゲルマニウムの拡散係数は、ガラス中のアルミニウムの拡散係数よりも小さい。上記活性元素添加光ファイバでは、コアの外側の領域である第２領域に添加されるドーパントのうち、ゲルマニウムの濃度が最も大きい。このため、上記活性元素添加光ファイバを例えば他の光ファイバに融着するために加熱する場合、コアの外側に添加される主なドーパントがアルミニウムである上記非特許文献１の光ファイバと比較して、コアの外側に添加されるドーパントがクラッドに拡散しに難く、その結果、加熱によるコア及びクラッドの屈折率分布の変化が抑制され得る。したがって、融着部において不要な高次モードが励振され難く、ビーム品質の劣化をより抑制することができる。

また、半径ｒｂから半径ｒｃまでの第１拡散領域には前記活性元素及び前記ゲルマニウムが添加され、前記第１拡散領域では、前記活性元素の濃度が前記コアの外側に向かうにつれて減少するともに、前記ゲルマニウムの濃度が前記コアの外側に向かうにつれて増加し、前記第１拡散領域のうち前記活性元素及び前記ゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第１一致点における前記活性元素及び前記ゲルマニウムの各濃度が、前記中心軸から半径０．５ｒａ以下までの領域における前記活性元素の平均濃度の７０％以下であってもよい。

光ファイバの製造条件によって、第２領域における活性元素の濃度が、第１領域側から第２領域側に向かうにつれて減少する構成を取る場合において、上記構成では、第２領域のゲルマニウムの濃度が、第１領域側から第２領域側に向かうにつれて増加している。このような構成によれば、活性元素の添加量が少ない領域においてもゲルマニウムの添加量が多くなっているため、活性元素の添加量が少ないことによる屈折率の低下が抑制され、コアの屈折率分布が平坦な形状に近づき得る。したがって、第１拡散領域の屈折率の変動を小さくすることができる。また、第１拡散領域において、活性元素の濃度とゲルマニウムの濃度とが０ｗｔ％で一致する場合と比べて、活性元素の濃度とゲルマニウムの濃度とが０ｗｔ％より大きい第１一致点で一致する方が、屈折率分布がより平坦な形状に近づき得る。さらに、第１一致点の活性元素及び前記ゲルマニウムの濃度がコアの中心軸から半径０．５ｒａ以下までの領域における活性元素の平均濃度の７０％以下であることで、活性元素及びゲルマニウムの濃度が必要以上に高くなることを抑制することができ、屈折率分布が平坦な形状から乖離したものになることを抑制することができる。

また、前記コアの中心軸から前記第２領域における半径ｒｄまでの領域には、少なくとも１つの屈折率を上昇させる活性元素以外のアップドーパントが添加され、半径ｒｂから半径ｒｄまでの領域は、前記アップドーパント及び前記ゲルマニウムが添加される第２拡散領域であり、前記第２拡散領域では、前記アップドーパントの濃度が前記コアの外側に向かうにつれて減少するとともに、前記ゲルマニウムの濃度が前記コアの外側に向かうにつれて増加し、前記第２拡散領域のうち前記アップドーパントの総量及び前記ゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第２一致点における前記アップドーパントの総量及び前記ゲルマニウムの各濃度が、前記中心軸から半径０．５ｒａ以下までの領域における前記アップドーパントの総量の平均濃度の５０％以下であってもよい。

光ファイバの製造条件によって、第２領域におけるアップドーパントの濃度が、第１領域側から第２領域側に向かうにつれて減少する構成を取る場合において、上記構成では、第２領域のゲルマニウムの濃度が、第１領域側から第２領域側に向かうにつれて増加している。このような構成によれば、アップドーパントの添加量が少ない領域においてもゲルマニウムの添加量が多くなっているため、アップドーパントの添加量が少ないことによる屈折率の低下が抑制され、コアの屈折率分布が平坦な形状に近づき得る。したがって、第２拡散領域の屈折率の変動を小さくすることができる。また、第２拡散領域において、アップドーパントの総量の濃度とゲルマニウムの濃度とが０ｗｔ％で一致する場合と比べて、アップドーパントの総量の濃度とゲルマニウムの濃度とが０ｗｔ％より大きい第２一致点で一致する方が、屈折率分布がより平坦な形状に近づき得る。さらに、第２一致点のアップドーパントの総量の濃度が第１領域の０≦ｒ≦０．５ｒaにおけるアップドーパントの平均濃度の５０％以下であることで、アップドーパント及びゲルマニウムの濃度が必要以上に高くなることを抑制することができ、屈折率分布が平坦な形状から乖離したものになることを抑制することができる。

上記中心軸から半径ｒｄまでの領域に上記アップドーパントが添加される場合、前記第２領域における半径ｒｃ及び半径ｒｄのうち大きい方から半径ｄまでの領域には、前記ゲルマニウムのみが添加されることが好ましい。

この場合、活性元素添加光ファイバのコア及びクラッドの加熱による屈折率分布の変化を一層抑制することができる。

また、前記コアの半径ｄにおける屈折率分布の傾きが－０．０３５％／μｍ以下であることが好ましい。

この場合、本発明の活性元素添加光ファイバをステップインデックス状の屈折率分布を有する他の光ファイバと接続する際に、光ファイバ間の接続損失の推定値を０．０１ｄＢ以下にし得る。

前記コアの外周面を隙間なく囲むクラッドをさらに備え、前記クラッドには、前記ゲルマニウムが非添加であることが好ましい。

このようにゲルマニウムをクラッドに非添加とすることで、ゲルマニウムがクラッドに添加されている場合と比べて、クラッド内のドーパントがコアに拡散することを抑制することができる。したがって、屈折率分布が変化することをより効果的に抑制することができる。なお、ゲルマニウム、アップドーパント、及びコアの屈折率を低下させるダウンドーパントがクラッドに非添加であれば、屈折率分布が変化することをより一層抑制することができる。

また、前記コアは、ステップインデックス状の屈折率分布を有し、前記コアのＶ値が５以上１２以下であり、０．３９ｄ≦ｒａ≦０．７８ｄであることが好ましい。

このような構成によれば、ＬＰ０１モードの光を高次モードよりも優先的に増幅し得、ビーム品質をより向上させ得る。また、上記のような構成によれば、マイクロベンド損失を抑制するために比屈折率差を小さくすることなくコア径を大きくする場合において、Ｖ値を大きくする事ができ、実効断面積を大きくすることができる結果、誘導ラマン散乱を抑制し得る。

また、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．００４以下であることが好ましい。

コアの外周側における屈折率は、コアを伝搬する光のパワーの分布に影響しやすい。そこで、このような構成によれば、光のパワーが意図せず乱れることを抑制することができる。従って、ビーム品質の低下が一層抑制され得る。

また、０．１ｄ＜ｒａ＜ｄであり、前記コアの中心軸からの距離をｒとする場合に、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、かつ、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在することが好ましい。

本発明者は、活性元素添加光ファイバについて以下のことを見出した。すなわち、上記範囲の第１領域に活性元素が添加され、上記範囲の第２領域に活性元素が０．５ｗｔ％未満で添加されることで、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光を増幅しつつ、高次モードの光の増幅が抑制され得る。その一方、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在することで、ＬＰ０１モードの光が中心軸近傍に集中しすぎることを抑制して、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を大きくし得る。このため、誘導ラマン散乱が生じることを抑制し得る。従って、本発明の活性元素添加光ファイバによれば、ビーム品質の劣化が抑制され得る。

また、上記極大値位置が存在する場合、０．３３８ｄ≦ｒ≦０．６１４ｄの領域において、前記極大値位置が少なくとも１カ所存在することが好ましい。

この場合、ＬＰ０１モードの光がコアの中心に集中しすぎることを抑制しつつ、ＬＰ０１モードの光の第１領域からのはみだし量を抑制して、効率よくＬＰ０１モードの光を増幅し得る。また、極大値位置がこのような範囲に存在することで、活性元素添加光ファイバにおけるＬＰ０１モードの光の実効断面積を効果的に広げることができ、誘導ラマン散乱が生じることが抑制されてビーム品質の劣化が抑制され得る。

また、上記極大値位置が存在する場合、０．５９５ｄ≦ｒａ≦０．７１６ｄであることが好ましい。

コアの第１領域をこのような範囲とすることで、活性元素添加光ファイバにおけるＬＰ０１モードの光を高次モードの光よりも優先的に増幅することが可能となり、ビーム品質の劣化が抑制され得る。

また、上記極大値位置が存在する場合、０．４ｄ＜ｒ≦ｒａの領域において前記極大値位置が少なくとも１カ所存在することが好ましい。

このような構成によれば、ＬＰ０１モードの光がコア１１の中心に集中しすぎることを抑制しつつ、ＬＰ０１モードの光が第１領域からはみ出すことを抑制して、効率よくＬＰ０１モードの光を増幅し得る。

また、上記極大値位置が存在する場合、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高いことが好ましい。

この場合、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光がより増幅され得る。

また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高い場合、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高くてもよい。

この場合、ＬＰ０１モードの光の増幅の効率をより高くすることができる。

また、上記極大値位置が存在する場合、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高くてもよい。

この場合、０．２ｄ＜ｒ＜０．９ｄの範囲における屈折率の極大値を大きくすることによって、コアを伝搬する光の実効断面積をより一層拡大することができる。

また、上記極大値位置が存在する場合、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも低くてもよい。

この場合、ｒ＜０．１ｄの範囲における屈折率の極大値を大きくすることによって、コアを伝搬する光の実効断面積を小さくすることができる。

また、上記極大値位置が存在する場合、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値と同等であってもよい。

なお、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値と同等とは、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値と１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値との差が－０．００７７％以上０．００８９％以下である場合をいう。この場合、ｒ＜０．１ｄの範囲における屈折率の極大値が実効断面積を減少させる効果と、０．２ｄ＜ｒ＜０．９ｄの範囲における屈折率の極大値が実効断面積を拡大させる効果とが同等であれば、本発明に係る光ファイバと矩形状の屈折率分布を持つ光ファイバとを、光損失を抑制して接続することができる。

あるいは、上記極大値位置が存在する場合、この活性元素添加光ファイバは、前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が前記極大値位置における比屈折率差の値以上であり、前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下であり、前記極大値位置が０．５５ｄ以下であってもよい。

なお、以下において、極大値位置は複数存在しても良い。ここで、極大値位置が複数存在する場合における「極大値位置における比屈折率差の値以上」とは、複数の極大値位置のうち最も大きな比屈折率差の値に対応する極大値位置における比屈折率差の値以上を意味する。また、以下において、極大値位置は複数存在しても良い。ここで、極大値位置が複数存在する場合における「極大値位置における比屈折率差の値以下」とは、複数の極大値位置のうち最も大きな比屈折率差の値に対応する極大値位置における比屈折率差の値以下を意味する。

活性元素添加光ファイバを例えばこのように形成することで、上記実効断面積を大きくし得る。

また、上記極大値位置が存在する場合、前記コアは、前記極大値位置から少なくとも前記コアの内側に向かうにつれて屈折率が徐々に低下する屈折率分布を有してもよい。

このような屈折率分布では、例えば、矩形状の屈折率分布や、矩形状の屈折率分布に対して極大値位置とその近傍が上に凸の形状に屈折率が突出する屈折率分布と比べ、極大値位置近傍の屈折率分布のうち端部近傍がコアの中心軸からより遠ざかりやすくなる。このように、極大値位置近傍の屈折率分布の端部近傍がコアの中心軸から遠ざかることによって、ＬＰ０１モードの光がコアの中心軸近傍に集中しすぎることが一層抑制され得、ＬＰ０１モードの光の実効断面積がより一層大きくなり得る。したがって、誘導ラマン散乱が生じることを抑制し得、ビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得る。

また、上記課題を解決するため、本発明は、線引きされることによりコアとなるコアガラス体を備える活性元素添加光ファイバ用母材であって、前記コアガラス体は、半径がｄとされ、第１領域と第２領域とを含み、前記第１領域は、前記コアガラス体の中心軸から半径ｒａまでの領域であり励起光により励起される活性元素が添加され、前記第２領域は前記第１領域を隙間なく囲む半径ｄまでの領域であり、前記第２領域にはゲルマニウムが添加されるとともに、前記第２領域のうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には前記活性元素が非添加であり、前記第１領域のうち前記中心軸から半径ｒｂまでの領域には前記ゲルマニウムが非添加であり、前記第２領域に添加されるドーパントの濃度のうち前記ゲルマニウムの濃度が最も大きいことを特徴とするものである。

このような活性元素添加光ファイバ用母材では、コアガラス体の外側の領域である第２領域に添加されるドーパントのうち、ゲルマニウムの濃度が最も大きい。このため、上記活性元素添加光ファイバ用母材を線引きする場合において、コアガラス体の外側に添加される主なドーパントがアルミニウムである活性元素添加光ファイバ用母材と比較して、コアガラス体の外側に添加される元素がクラッドガラス体に拡散しに難い。したがって、線引き後のコア及びクラッドの屈折率分布が変化し難く、設計値に近い屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバが製造され易い。また、このような活性元素添加光ファイバ用母材から製造された活性元素添加光ファイバでは、上記のように屈折率分布の変化が抑制されているため、他の光ファイバに融着する場合でも、加熱による屈折率分布の変化が抑制されて、ビーム品質の劣化が抑制され得る。

また、半径ｒｂから半径ｒｃまでの第１拡散領域には前記活性元素及び前記ゲルマニウムが添加され、前記第１拡散領域では、前記活性元素の濃度が前記コアガラス体の外側に向かうにつれて減少するともに、前記ゲルマニウムの濃度が前記コアガラス体の外側に向かうにつれて増加し、前記第１拡散領域のうち前記活性元素及び前記ゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第１一致点における前記活性元素及び前記ゲルマニウムの各濃度が、前記中心軸から半径０．５ｒａ以下までの領域における前記活性元素の平均濃度の７０％以下であってもよい。

この場合、第１拡散領域がない場合と比べて、第１領域と第２領域の界面における歪を抑制し得るため、前記コアガラス体が割れることを抑制することができる。

また、前記コアガラス体の中心軸から前記第２領域における半径ｒｄまでの領域には、少なくとも１つの屈折率を上昇させる活性元素以外のアップドーパントが添加され、半径ｒｂから半径ｒｄまでの領域は、前記アップドーパント及び前記ゲルマニウムが添加される第２拡散領域であり、前記第２拡散領域では、前記アップドーパントの濃度が前記コアガラス体の外側に向かうにつれて減少するとともに、前記ゲルマニウムの濃度が前記コアガラス体の外側に向かうにつれて増加し、前記第２拡散領域のうち前記アップドーパントの総量及び前記ゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第２一致点における前記アップドーパントの総量及び前記ゲルマニウムの各濃度が、前記中心軸から半径０．５ｒａ以下までの領域における前記アップドーパントの総量の平均濃度の５０％以下であってもよい。

この場合、第２拡散領域がない場合と比べて、第１領域と第２領域の界面における歪を抑制し得るため、前記コアガラス体が割れることを抑制することができる。

また、上記中心軸から半径ｒｄまでの領域に上記アップドーパントが添加される場合、前記第２領域における半径ｒｃ及び半径ｒｄのうち大きい方から半径ｄまでの領域には、前記ゲルマニウムのみが添加されることが好ましい。

この場合、活性元素添加光ファイバ用母材のコアガラス体及びクラッドガラス体の加熱による屈折率分布の変化を一層抑制することができる。

また、前記コアガラス体の外周面を隙間なく囲むクラッドガラス体をさらに備え、前記クラッドガラス体には、前記ゲルマニウムが非添加であることが好ましい。

このようにゲルマニウムをクラッドガラス体に非添加とすることで、ゲルマニウムがクラッドガラス体に添加されている場合と比べて、クラッドガラス体内のドーパントがコアガラス体に拡散することを抑制することができる。したがって、屈折率分布が変化することをより効果的に抑制することができる。なお、ゲルマニウム、アップドーパント、及びコアガラス体の屈折率を低下させるダウンドーパントがクラッドガラス体に非添加であれば、屈折率分布が変化することをより一層抑制することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明の共振器は、上記のいずれかの活性元素添加光ファイバと、前記活性元素添加光ファイバの一方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合し、励起された前記活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長の光を反射する第１ミラーと、前記活性元素添加光ファイバの他方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合し、前記第１ミラーが反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、を備えることを特徴とするものである。

この共振器によれば、第１ミラーと第２ミラーとの間を行き来する光において、ＬＰ０１モードの光を増幅しつつ、高次モードの光の増幅が抑制される。従って、ビーム品質の劣化が抑制された光を出射することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明のファイバレーザ装置は、上記のいずれかの活性元素添加光ファイバと、前記活性元素を励起する光を出射する光源と、を備えることを特徴とするものである。

上記のようにこの活性元素添加光ファイバではビーム品質の劣化が抑制されて光が増幅され得るため、このファイバレーザ装置によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光を出射することができる。

以上のように、本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制して光を増幅し得る活性元素添加光ファイバ、活性元素添加光ファイバ用母材、共振器、及び、ファイバレーザ装置が提供される。

本発明の第１実施形態に係るファイバレーザ装置を示す図である。 第１実施形態に係る活性元素添加光ファイバの長手方向に垂直な断面の様子を示す図である。 第１実施形態に係る活性元素添加光ファイバのコアに添加される活性元素の濃度分布を示す図である。 図３に示す活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の様子を示す図である。 コアの半径と第１領域の半径との比と、活性元素添加光ファイバから出射する光のビーム品質との関係を示す図である。 コアの半径と第１領域の半径との比と、活性元素添加光ファイバに入射する励起光から活性元素添加光ファイバから出射する光に変換される変換効率との関係を示す図である。 コアの第１領域に添加されるアルミニウムの濃度分布の一例を示す図である。 コアの第１領域に添加されるリンの濃度分布の一例を示す図である。 コアの第１領域に添加されるアルミニウムとリンとの濃度差分布の一例を示す図である。 コアの第１領域に添加されるアルミニウムとリンとの濃度差分布の他の例を示す図である。 コアの第１領域にアルミニウムが添加され、リンが添加されていない場合におけるアルミニウムの濃度分布の一例を示す図である。 コアの第１領域にリンが添加され、アルミニウムが添加されていない場合におけるリンの濃度分布の一例を示す図である。 コアの第１領域にホウ素が添加されている場合における濃度分布の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る活性元素添加光ファイバのコアに添加されるドーパントの濃度分布を示す図である。 第２実施形態に係る活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の様子を示す図である。 アルミニウムの拡散係数とゲルマニウムの拡散係数との関係を示す図である。 コアとクラッドとの境界における屈折率分布の傾きと、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光の接続損失との関係を示す図である。 ステップインデックス状の屈折率分布と、この場合におけるＬＰ０１モードの強度分布とを示す図である。 コアとクラッドとの境界が傾いている屈折率分布と、この場合におけるＬＰ０１モードの強度分布とを示す図である。 Ｖ値が６の場合における第１領域の半径と第２領域の半径との間の比と、コアを伝搬する各モードの光の強度との関係を示す図である。 各Ｖ値における第１領域の半径と第２領域の半径との間の比の好適な範囲を示す図である。 第２実施形態を適用した活性元素添加光ファイバ用母材を図２と同様の視点で示す図である。 ファイバレーザ装置の変形例を示す図である。 クラッドの直径と破断確率との関係を示す図である。 比較例の活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の一例を示す図である。 本発明の活性元素添加光ファイバの実効断面積とステップ型光ファイバの実効断面積との差と、本発明の活性元素添加光ファイバのコアにおける極大値位置との関係の一例を示す図である。 本発明の活性元素添加光ファイバの実効断面積とステップ型光ファイバの実効断面積との差と、本発明の活性元素添加光ファイバのコアにおける極大値位置との関係の他の例を示す図である。

以下、本発明に係る光ファイバ及びレーザ装置の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下に例示する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができる。なお、理解の容易のため、それぞれの図のスケールと、以下の説明に記載のスケールとが異なる場合がある。また、以下において、屈折率を使用して説明する箇所は比屈折率差を使用して説明してもよく、比屈折率差を使用して説明する箇所は屈折率差を使用して説明してもよい場合がある。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係るレーザ装置を示す図である。図１に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置１は、共振器型のファイバレーザ装置とされ、活性元素添加光ファイバ１０と、励起光源２０と、第１光ファイバ３０と、第１光ファイバ３０に設けられる第１ＦＢＧ３５と、第２光ファイバ４０と、第２光ファイバ４０に設けられる第２ＦＢＧ４５と、光コンバイナ５０と、第３光ファイバ６０と、を主な構成として備える。

＜活性元素添加光ファイバの構成＞
図２は、図１に示す活性元素添加光ファイバ１０の断面の様子を示す断面図である。図２に示すように活性元素添加光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の外周面を隙間なく囲む内側クラッド１２と、内側クラッド１２の外周面を被覆する外側クラッド１３と、外側クラッド１３を被覆する被覆層１４とを主な構成として備える。内側クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低く、外側クラッド１３の屈折率は内側クラッド１２の屈折率よりも低くされている。つまり、活性元素添加光ファイバ１０は、いわゆるダブルクラッド光ファイバである。

コア１１は、第１領域１１ａと第２領域１１ｂとを有する。以下、コア１１の半径をｄとし、コア１１の径方向における中心軸Ｃからの距離をｒとして説明する。第１領域１１ａは、中心軸Ｃから半径ｒａまでの領域とされる。つまり、第１領域１１ａは、０≦ｒ≦ｒａの領域とされる。ただし、第１領域１１ａの半径ｒａは、コア１１の半径ｄの１０％より大きく７５％以下である。つまり、０．１ｄ＜ｒａ≦０．７５ｄである。また、第２領域１１ｂは、第１領域１１ａを囲み、第１領域１１ａの外周面からコア１１の外周面までの領域とされる。つまり、第２領域１１ｂは、第１領域１１ａを隙間なく囲みｒａ＜ｒ≦ｄの領域とされる。

コア１１には、励起光源２０から出射される励起光で励起される活性元素が一部に添加されている。図３は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素の濃度分布を示す図である。図３に示すように、第１領域１１ａは、上記活性元素が全体に渡って添加される石英ガラスから成り、第２領域１１ｂは、上記活性元素が０．５ｗｔ％未満で添加される石英ガラスから成る。この様な石英ガラスには、活性元素が非添加の石英ガラスが含まれる。従って、活性元素が径方向の所定の領域に０．５ｗｔ％以上で添加されているとすると、本実施形態では、第１領域１１ａが当該所定の領域となり、この所定の領域の半径がｒａとなる。

なお、第１領域１１ａには、全体に渡って活性元素が０．５ｗｔ％以上添加されており、第２領域１１ｂから活性元素が検出されたとしても、検出量は０．５ｗｔ％より低い量となる。

第１領域１１ａの中心近傍における活性元素の濃度は、その周りの活性元素が添加される領域での当該活性元素の平均濃度よりも高くされる。この中心近傍は、図３に示すように、コアの半径の１０％の領域とされる。つまり、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値は、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高い。

本実施形態では、第１領域１１ａに添加される活性元素がイッテルビウム（Ｙｂ）とされ、第１領域１１ａには、フォトダークニングに対する耐性を高めるためにアルミニウム及びリンが更に添加されている。また、第２領域１１ｂには、例えば屈折率を上昇させるゲルマニウム（Ｇｅ）等のドーパントが添加されている。図４は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の屈折率分布の様子を示す図である。このような添加物およびその濃度分布により、第１領域１１ａ及び第２領域１１ｂは図４に示す屈折率分布とされる。

なお、屈折率を調整するために、フッ素（Ｆ）やホウ素（Ｂ）等のドーパントが少なくとも一部に添加されても良い。また、本実施形態と異なるが、第１領域１１ａに添加される活性元素はイッテルビウム以外の活性元素であっても良い。このような活性元素としては、希土類元素として、イッテルビウムの他にツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）等が挙げられ、さらに活性元素として、希土類元素の他にビスマス（Ｂｉ）等を挙げることができる。

図４に示すように、コア１１は、中心軸Ｃから内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となるまでの領域であり、内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となる部分の内側とされる。図４には、比屈折率差が０．０５％である位置、すなわちコア１１の外周面の位置が破線で示されている。なお、このようにコア１１の領域が定義される理由は、比屈折率差が０．０５％未満の領域の形状が多少変わっても、活性元素添加光ファイバ１０の光学特性に与える影響が殆どないためである。なお、コアの比屈折率差は、クラッドにおけるコアに隣接する領域に対するコアの比屈折率差を指す。

本実施形態では、第２領域１１ｂでは、第１領域１１ａとの境界から内周近傍まで屈折率が上昇し、内周近傍から外周近傍までの領域において、概ね一定の比屈折率差とされ、外周近傍の領域において内側クラッド１２に向けて比屈折率差が低下している。本実施形態では、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．０１以下とされ、少なくとも第２領域１１ｂにおける１．１ｒａ＜ｒ≦ｄの領域には、ゲルマニウムのみが添加されて、屈折率が調節されている。

本実施形態では、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値は、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における屈折率の平均値よりも高い。また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高い。

また、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在する。より具体的には、極大値位置とは、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値γよりも高い屈折率を有する領域の径方向の長さγｗが、活性元素添加光ファイバ１０を伝搬する光の波長の１／１０以上ある領域における屈折率の極大値の位置をいう。図４に示すように、本実施形態では、このような極大値位置が２カ所存在し、また、屈折率が極小となる位置が２カ所存在する。それぞれの極大値位置は、第１領域１１ａ内に存在し、第２領域１１ｂ内にはこのような極大値位置が存在しない。一方の極大値位置は、中心軸上に存在し、他方の極大値位置は、０．４ｄ＜ｒ≦ｒａの領域内に存在する。本実施形態において、この他方の極大値位置近傍の屈折率分布は、当該極大値位置から少なくとも前記コアの内側に向かうにつれて屈折率が徐々に低下する屈折率分布になっている。当該屈折率分布は、極大値位置からコア１１の中心軸側に向かって屈折率の単調減少が終わる特異点を有しており、この特異点は、コア１１の中心軸から極大値位置の間に存在している。なお、この屈折率分布は、極大値位置からクラッド側に向かって屈折率の単調減少が終わる他方の特異点を有している。図４に示す例では、他方の極大値位置は概ねｒ＝０．５ｄとなる位置に存在する。また、これらの極大値位置での屈折率は、標準偏差が０．０１以下である１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率よりも高い。

この活性元素添加光ファイバ１０は、フューモードファイバであり、コア１１を少なくとも波長１０７０ｎｍの光が伝搬する場合に、当該光は、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に少なくともＬＰ１１モードの光が伝搬することができる。従って、活性元素添加光ファイバ１０がシングルモードファイバである場合と比べて、光の実効断面積を大きくすることができる。なお、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０は、波長１０３０ｎｍから１０９０ｎｍのいずれかの波長の光が伝搬する場合であっても、基本モードであるＬＰ０１モードの光の他に少なくともＬＰ１１モードの光が伝搬することができる。

ここで、第１領域１１ａの半径ｒａについて説明する。

図５は、コア１１の半径ｄと第１領域の半径ｒａとの比と、活性元素添加光ファイバ１０から出射する光のビーム品質（Ｍ^２）との関係を示す図である。より具体的には、図５は、半径ｄと半径ｒａとの比ｒａ／ｄを変えたときにコア１１を伝搬する光のモードが増幅される程度を数値シミュレーションによって見積もり、それをビーム品質（Ｍ^２）に換算した図である。図５に示すように、コア１１の半径ｄと活性元素が全体に渡って添加される第１領域１１ａの半径ｒａとの比ｒａ／ｄが０．７を超えると、すなわち、ｒa＞０．７ｄの場合、ビーム品質が僅かに劣化し始めることが分かる。別言すれば、ｒa≦０．７ｄであれば、ビーム品質の劣化が抑制され得る。また、ｒａ／ｄが０．７よりも小さい場合、すなわち、ｒａ＜０．７ｄである場合、Ｍ^２が概ね１に収束し、ビーム品質の劣化がより抑制されることが分かる。一方、上記比ｒａ／ｄが０．７５を超えると高次モードの増幅が大きくなり、ビーム品質が急激に劣化することが分かる。つまり、上記のように、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１において、ｒa／ｄが０．７５以下であることで、すなわち、第１領域１１ａの半径ｒａが０＜ｒａ≦０．７５ｄであることで、活性元素添加光ファイバ１０において高次モードの増幅が抑制され、出射する光のビーム品質の劣化が抑制される。このように、第１領域１１ａの半径ｒａが０＜ｒａ≦０．７５ｄであれば、活性元素添加光ファイバ１０において高次モードの増幅が抑制され、出射する光のビーム品質の劣化が抑制される。また、０＜ｒａ≦０．７ｄであれば、活性元素添加光ファイバ１０において高次モードの増幅がより抑制され、出射する光のビーム品質の劣化がより抑制される。

なお、第１領域１１ａの半径ｒａが０．１ｄよりも大きい場合、液浸法などの既存の製法を用いて活性元素添加光ファイバを容易に製造し得る。

図６は、コア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比と、活性元素添加光ファイバ１０に入射する励起光から活性元素添加光ファイバ１０から出射する光に変換される変換効率との関係を示す図である。変換効率は、「活性元素添加光ファイバ１０から出射する光のパワー／活性元素添加光ファイバ１０に入射する励起光のパワー」で示される。図６に示すように、コア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比（ｒa／ｄ）が０．４であると、最大の変換効率の概ね９０％となり、また、ｒa／ｄが０．４よりも大きくなると、すなわち、０．４ｄ＜ｒaであると、変換効率の最大値に対する比率が９０％よりも大きくなる。なお、上述のように、ｒa／ｄが０．７５以下である場合、出射する光のビーム品質の劣化が抑制される。つまり、ｒa／ｄが０．７５以下であれば、ｒa／ｄを０．４よりも大きくすることで、変換効率の低下を抑制しつつ、ビーム品質の良いレーザを作ることができる。従って、変換効率がコア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比が０．４より大きいことが好ましい。つまり、０．４ｄ＜ｒａであることが、光の増幅の効率を高くすることができる観点から好ましい。さらに、コア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比が０．５であると、最大の変換効率の概ね９７％となる。従って、変換効率がコア１１の半径ｄと第１領域１１ａの半径ｒａとの比が０．５より大きいことが更に好ましい。つまり、０．５ｄ＜ｒａであることが、光の増幅の効率を更に高くすることができる観点から好ましい。また、０．５ｄ＜ｒａであれば、高次モードの増幅を抑制しつつ、基本モードを効率よく増幅し得る。

＜活性元素添加光ファイバ以外の構成＞
第１光ファイバ３０は、コアの構成が活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の構成と異なるダブルクラッド光ファイバとされる。第１光ファイバ３０は、活性元素添加光ファイバ１０の一方に端部に接続される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と第１光ファイバ３０のコアとが光学的に結合され、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第１光ファイバ３０の内側クラッドとが光学的に結合される。

第１光ファイバ３０のコアは、活性元素が添加されていない点において、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と主に異なる。第１光ファイバ３０は、フューモードファイバとされ、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１が伝搬する光と同様の光を伝搬する。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬する各ＬＰモードの光は、そのまま第１光ファイバ３０のコアを伝搬することができる。なお、第１光ファイバ３０のコアの定義は活性元素添加光ファイバ１０のコア１１の定義と同様とされる。

上記のように第１光ファイバ３０には第１ＦＢＧ３５が設けられている。こうして、第１ＦＢＧ３５は活性元素添加光ファイバ１０の一方側に配置され、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第１ＦＢＧ３５は、コアにおける第１ＦＢＧ３５以外の部分よりも屈折率が高い高屈折率部と、コアにおける第１ＦＢＧ３５以外の部分と同様の屈折率である低屈折率部とが、コアの長手方向に沿って周期的に繰り返されている。この高屈折率部の繰り返しパターンは、例えば高屈折率部となる部位に紫外線が照射されて形成される。この様にして形成される第１ＦＢＧ３５は、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加されている活性元素が励起状態とされたときに放出する光のうち所定波長を含む光を反射する第１ミラーとして構成されている。例えば、本実施形態のように活性元素添加光ファイバ１０のコア１１に添加される活性元素がイッテルビウムである場合、上記所定波長は、例えば、１０３０ｎｍから１０９０ｎｍとされ、１０７０ｎｍ等が挙げられる。また、第１ＦＢＧ３５の反射率は、後述の第２ＦＢＧ４５の反射率よりも高く、上記所定波長を含む光を例えば９９％以上で反射する。

第２光ファイバ４０は、外側クラッドを有さない点において、第１光ファイバ３０と異なり、第２光ファイバ４０の他の構成は第１光ファイバ３０の外側クラッド以外の構成と同様とされる。従って、第２光ファイバ４０は、コアをクラッドが囲み、当該クラッドが被覆層で被覆される構成である。第２光ファイバ４０は、活性元素添加光ファイバ１０の他方に端部に接続される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と第２光ファイバ４０のコアとが光学的に結合され、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第２光ファイバ４０のクラッドとが光学的に結合される。従って、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬するフューモードの光は、フューモードのまま第２光ファイバ４０のコアを伝搬する。なお、図１に示すファイバレーザ装置１の構成の場合、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２と第２光ファイバ４０のクラッドとが光学的に結合されなくても良い。

第２光ファイバ４０のコアには、上記のように第２ＦＢＧ４５が設けられている。こうして、第２ＦＢＧ４５は活性元素添加光ファイバ１０の他方側に配置され、活性元素添加光ファイバ１０のコア１１と光学的に結合する。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５と同様に高屈折率部と低屈折率部とが周期的に繰り返されて形成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する所定波長を含む光を第１ＦＢＧ３５よりも低い反射率で反射する第２ミラーとして構成されている。第２ＦＢＧ４５は、第１ＦＢＧ３５が反射する光が入射する場合に、この光を例えば１０％程度の反射率で反射する。こうして、第１ＦＢＧ３５と活性元素添加光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とで、共振器が形成されている。また、本実施形態では第２光ファイバ４０の活性元素添加光ファイバ１０側と反対側の他端には特に何も接続されていないが、第２光ファイバ４０のコアよりも大径のガラスロッド等が接続されても良い。

励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成される。本実施形態では、レーザダイオード２１は、例えば、ＧａＡｓ系半導体を材料としたファブリペロー型半導体レーザであり中心波長が９１５ｎｍの励起光を出射する。また、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１は光ファイバ２５に接続されており、レーザダイオード２１から出射する励起光は光ファイバ２５を例えばマルチモード光として伝搬する。

それぞれの光ファイバ２５は、光コンバイナ５０において、第１光ファイバ３０の一端に接続されている。具体的には、それぞれの光ファイバ２５のコアが第１光ファイバ３０の内側クラッドと光学的に結合するように、それぞれの光ファイバ２５のコアと第１光ファイバ３０の内側クラッドとが接続されている。従って、それぞれのレーザダイオード２１が出射する励起光は、光ファイバ２５を介して第１光ファイバ３０の内側クラッドに入射して、第１光ファイバ３０の内側クラッドから活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射する。

第３光ファイバ６０は、コア及びクラッドを有する光ファイバとされる。第３光ファイバ６０のコアは、光コンバイナ５０において第１光ファイバ３０のコアに接続されている。従って、第１光ファイバ３０のコアを光コンバイナ５０に向かって伝搬する光は、第３光ファイバ６０のコアに入射する。また、第３光ファイバ６０の第１光ファイバ３０と接続される側と反対側には、光を熱に変換する終端部６５が設けられている。

次に、ファイバレーザ装置１の動作について説明する。

まず、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出射される。この励起光は光ファイバ２５から、第１光ファイバ３０の内側クラッドを介して、活性元素添加光ファイバ１０の内側クラッド１２に入射して、当該内側クラッド１２を主に伝搬する。内側クラッド１２を伝搬する励起光は、コア１１を通過する際にコア１１に添加されている活性元素を励起する。励起状態とされた活性元素は、所定波長を含む波長帯域の自然放出光を放出する。この自然放出光を起点として、第１ＦＢＧ３５及び第２ＦＢＧ４５で共通して反射される所定波長を含む光が、第１ＦＢＧ３５と第２ＦＢＧ４５との間を共振する。共振する光が活性元素添加光ファイバ１０のコア１１を伝搬するときに、励起状態の活性元素が誘導放出を起こして、共振する光が増幅される。共振する光のうち、一部の光は第２ＦＢＧ４５を透過して、第２光ファイバ４０から出射する。そして、第１ＦＢＧ３５と活性元素添加光ファイバ１０と第２ＦＢＧ４５とを含む共振器内における利得と損失が等しくなったところでレーザ発振状態となり、第２光ファイバ４０から一定のパワーの光が出射する。

なお、活性元素添加光ファイバ１０側から第１光ファイバ３０に伝搬し第１ＦＢＧ３５を透過する光の大部分は、終端部６５で熱に変換されて消滅する。

ところで、上記のように活性元素添加光ファイバ１０、第１光ファイバ３０及び第２光ファイバ４０はそれぞれＬＰ１１モードの光を伝搬可能なフューモードファイバとされる。従って、第１光ファイバ３０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点、及び、第２光ファイバ４０と活性元素添加光ファイバ１０との接続点やその他の位置において、ＬＰ１１モードの光が励振され得る。しかし、活性元素添加光ファイバ１０では、ＬＰ０１モードの光が増幅され、高次モードの光の増幅が抑制される。このため、第２光ファイバ４０から出射する光は、ＬＰ１１モードの光の増幅が抑制された光とされ得る。従って、本実施形態のファイバレーザ装置１によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光が出射され得る。

以上説明したように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、活性元素であるイッテルビウムが全体に渡って添加される第１領域１１ａの半径ｒａが０．１ｄ＜ｒａ≦０．７５ｄであり、第２領域１１ｂは活性元素が０．５ｗｔ％より低い濃度で添加される。さらに、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高く、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、極大値位置が少なくとも１カ所存在する。

上記半径の第１領域１１ａに活性元素が添加され、第２領域１１ｂに活性元素が０．５ｗｔ％より低い濃度で添加されることで、コア１１を伝搬する基本モードの光を増幅しつつ、高次モードの光の増幅が抑制され得る。また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における活性元素の濃度の平均値よりも高いことで、コアを伝搬するＬＰ０１モードの光がより増幅され得る。その一方、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、極大値位置が少なくとも１カ所存在することで、ＬＰ０１モードの光が中心軸近傍に集中しすぎることを抑制して、ＬＰ０１モードの光の実効断面積を大きくし得る。このため、誘導ラマン散乱が生じることを抑制し得る。従って、本実施形態の活性元素添加光ファイバによれば、ビーム品質の劣化が抑制されて光を増幅することができる。

また、上述のように、上記他方の極大値位置近傍の屈折率分布は、当該極大値位置から少なくとも前記コアの内側に向かうにつれて屈折率が徐々に低下する屈折率分布になっている。このような屈折率分布では、例えば、矩形状の屈折率分布に対して極大値位置とその近傍が上に凸の形状に屈折率が突出する屈折率分布の場合と比べて、屈折率が傾斜する分だけ極大値位置は中心軸から遠ざかり易くなる。このように、極大値位置が中心軸から遠ざかることで、ＬＰ０１モードの光がコア中心軸近傍に集中しすぎることが一層抑制され得、ＬＰ０１モードの光の実効断面積がより一層大きくなり得る。したがって、誘導ラマン散乱が生じることが抑制されてビーム品質の劣化が抑制され得る。

従って、この活性元素添加光ファイバを有する共振器、及びファイバレーザ装置１によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光を出射することができる。

また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高い。このため、ＬＰ０１モードの光の増幅の効率をより高くすることができる。ただし、ｒ＝０．２ｄの領域における屈折率が、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値以上であってもよい。

また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、０．４ｄ＜ｒ≦ｒａの領域において、極大値位置が少なくとも１カ所存在する。このため、ＬＰ０１モードの光がコア１１の中心に集中しすぎることを抑制しつつ、ＬＰ０１モードの光が第１領域１１ａからはみ出すことを抑制して、効率よくＬＰ０１モードの光を増幅し得る。なお、このような範囲に極大値位置が存在しなくてもよい。また、極大値位置が第１領域に存在していれば、極大値位置が第１領域に存在していない場合と比べると、より確実にＬＰ０１モードの光が第１領域１１ａからはみ出すことを抑制し得、効率よくＬＰ０１モードの光を増幅し得る。

また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．０１以下である。一般的に、コアの外周側における屈折率は、コアを伝搬する光のパワーの分布に影響しやすい。このため、このような構成によれば、光のパワーが意図せず乱れることを抑制することができる。なお、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．０１以下でなくともよい。

また、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、１．１ｒａ＜ｒ≦ｄの領域は、ゲルマニウムのみが添加された石英から成る。従って、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差を０．０１以下にし易い。ただし、第２領域１１ｂの活性元素が０．５ｗｔ％未満である限りにおいて、１．１ｒａ＜ｒ≦ｄの領域にゲルマニウム以外のドーパントが添加されてもよい。

また、上記実施形態では、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値は、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高い例を説明したが、０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値は、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高くなくてもよい。０≦ｒ≦０．１ｄの領域における活性元素の濃度の平均値が０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高くない場合でも、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバになり得る。

また、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高くてもよい。この場合、０．２ｄ＜ｒ＜０．９ｄの範囲における屈折率の極大値を大きくすることによって、コアを伝搬する光の実効断面積をより一層拡大することができる。

また、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも低くてもよい。この場合、光ファイバ中を伝搬する光の電界分布の広がりを抑制し得、コアを伝搬する光の実効断面積を小さくし得る。これは、ｒ＜０．１ｄの範囲における屈折率の極大値を大きくすることによって実現し得る。このため、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードとの伝搬定数差を大きくすることができ、ビーム品質の劣化を抑制し得る。

また、０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値と同等であってもよい。この場合、ｒ＜０．１ｄの範囲における屈折率の極大値が実効断面積を減少させる効果と、０．２ｄ＜ｒ＜０．９ｄの範囲における屈折率の極大値が実効断面積を拡大させる効果とが同等であれば、本発明に係る光ファイバと矩形状の屈折率分布を持つ光ファイバとを、光損失を抑制して接続することができる。

また、上記極大値位置をコアに添加される活性元素以外の元素によって形成してもよい。以下、この点について説明する。

例えば、コアの第１領域の少なくとも一部に活性元素とともにアルミニウム及びリンを添加してもよい。アルミニウム又はリンを活性元素とともにコアに添加することによって、フォトダークニングを抑制し得る。また、アルミニウムとリンとを共添加する場合において、アルミニウムの濃度がリンの濃度よりも高い場合はアルミニウムが屈折率を上昇させるアップドーパントとして作用し、リンが屈折率を減少させるダウンドーパントとして作用する。一方、リンの濃度がアルミニウムの濃度よりも高い場合は、リンがアップドーパントして作用し、アルミニウムがダウンドーパントとして作用する。そのため、アルミニウムとリンとを濃度差を付けて共添加することによって、コアの屈折率が過度に上昇することを抑制しつつ、フォトダークニングを抑制し得る。このように第１領域にアップドーパントとダウンドーパントとをさらに添加する場合、例えば、図７に示す濃度分布でアルミニウムを添加し、図８に示す濃度分布でリンを添加してもよい。この場合、図９に示すようなアルミニウムとリンとの濃度差の分布が形成され、濃度差が最大となる０．５ｄ付近に極大値位置が形成される。また、図１０のようなアルミニウムとリンとの濃度差の分布によっても、０．５ｄ付近に極大値位置が形成される。なお、第１領域に添加されるアップドーパント及びダウンドーパントのそれぞれの濃度分布を調整することによって、第１領域のうち０．５ｄ付近とは異なる位置に極大値位置を形成することが可能である。

また、コアの第１領域に活性元素とともにアップドーパントを添加してもよい。例えば、第１領域の少なくとも一部にアルミニウムをアップドーパントとしてさらに添加してもよい。例えば、図１１に示す例では、図９に示す０．５ｄ付近の極大値位置においてアルミニウムの濃度が最大となるようにアルミニウムが添加される。このような濃度分布でアップドーパントであるアルミニウムを添加すれば、０．５ｄ付近において屈折率がより上昇し、０．５ｄ付近において極大値位置を形成することが容易となる。また、図１２に示す例では、図９に示す０．５ｄ付近の極大値位置においてリンの濃度が最大となるようにリンが添加される。このような濃度分布でアップドーパントであるリンを添加すれば、０．５ｄ付近において屈折率がより上昇し、０．５ｄ付近において極大値位置を形成することが容易となる。なお、第１領域に添加されるアップドーパントの濃度分布を調整することによって、第１領域のうち０．５ｄ付近とは異なる位置に極大値位置を形成することが可能である。

また、コアの第１領域の少なくとも一部に活性元素とともにダウンドーパントを添加してもよい。例えば、図１３に示す例では、図９に示す０．５ｄ付近の極大値位置においてホウ素の濃度が最小となるようにホウ素が添加される。このような濃度分布でダウンドーパントであるホウ素を添加すれば、０．５ｄ付近における屈折率の低下が抑制され、０．５ｄ付近において極大値位置を形成することが容易となる。なお、第１領域に添加されるダウンドーパントの濃度分布を調整することによって、第１領域のうち０．５ｄ付近とは異なる位置に極大値位置を形成することが可能である。

なお、アップドーパントは上記に限定されず、例えばゲルマニウムであってもよい。また、ダウンドーパントは上記に限定されず、例えばフッ素であってもよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。図１４は、第２実施形態に係る活性元素添加光ファイバのコアに添加されるドーパントの濃度分布を示す図である。図１５は、第２実施形態に係る活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の様子を示す図である。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、特に説明する場合を除き、同一の参照符号を付して重複する説明は省略する。

本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０は、第１実施形態の活性元素添加光ファイバ１０と同様に、図２に示す構成を有しており、コア１１は、コア１１の中心軸Ｃから半径ｒａまでの領域である第１領域１１ａと、第１領域１１ａを隙間なく囲む半径ｄまでの領域である第２領域１１ｂとを含む。しかし、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０は、コアに添加されるドーパントが第１実施形態の活性元素添加光ファイバと異なる。

図１４に示すように、本実施形態のコア１１には、活性元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、リン（Ｐ）と、ホウ素（Ｂ）と、ゲルマニウム（Ｇｅ）とが添加されている。本実施形態ではアルミニウムの濃度がリンの濃度よりも高い。そのため、アルミニウムがアップドーパントとして作用し、リン及びホウ素がダウンドーパントとして作用する。なお、本実施形態における半径ｒａの位置は、イッテルビウムの濃度が０．５ｗｔ％となる位置であり、概ね０．６５ｄの位置である。

活性元素であるイッテルビウムは、第１領域１１ａと、第２領域１１ｂのうち半径ｒａから半径ｒｃまでの領域とに亘って添加されており、第２領域１１ｂのうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には非添加である。なお、本実施形態において非添加とは、各ドーパントの濃度が０．１ｗｔ％以下であることを言う。このイッテルビウムの濃度は、コア１１の中心軸Ｃから第１領域１１ａ中の半径ｒｂまでの領域では概ね２．５ｗｔ％であるが、半径ｒｂから半径ｒｃに向かうにつれて減少している。このように、イッテルビウムは、半径ｒｂから半径ｒｃまでの領域において外側に向かって拡散して、ｒｃよりも外側が非添加となる濃度分布を有している。半径ｒｂから半径ｒｃの領域は、活性元素が外側に向かって拡散している第１拡散領域である。なお、本実施形態における半径ｒｂの位置は概ね０．４２ｄの位置であり、半径ｒｃの位置は概ね０．７０ｄの位置である。

なお、本実施形態におけるｒａ、ｒｂ、ｒｃ、及びｄの中心軸Ｃからのそれぞれの距離は、０＜ｒｂ＜ｄ及び０＜ｒａ≦ｒｃ＜ｄである。

アップドーパントであるアルミニウムは、第１領域１１ａと、第２領域１１ｂのうち半径ｒａから半径ｒｄまでの領域とに亘って添加されている。一方、第２領域１１ｂのうち半径ｒｄから半径ｄまでの領域におけるアルミニウムの濃度は概ね０．１ｗｔ％以下である。このアルミニウムの濃度は、コア１１の中心軸Ｃから半径ｒｂまでの領域では概ね４．５ｗｔ％であるが、半径ｒｂから半径ｒｄに向かうにつれて減少している。このように、アルミニウムは、半径ｒｂから半径ｒｄまでの領域において外側に向かって拡散して、ｒｄよりも外側が概ね非添加となる濃度分布を有している。半径ｒｂから半径ｒｄの領域は、アップドーパントが外側に向かって拡散している第２拡散領域である。なお、リンもアルミニウムと概ね同様の濃度分布で添加されている。

なお、本実施形態では、半径ｒｃと半径ｒｄとは概ね同じ値になるように各ドーパントの濃度が調整されている。したがって、上記第１拡散領域と上記第２拡散領域とは一致する。そこで、以下、第１拡散領域と第２拡散領域とを区別せずに単に拡散領域ということがある。しかし、半径ｒｃと半径ｒｄとが異なる値になるように濃度を調整して、第１拡散領域と第２拡散領域とを一致させないようにしてもよい。

ホウ素は、概ね中心軸Ｃから半径０．５０ｄまでの領域に亘って微量添加されており、濃度の最大値は概ね０．５ｗｔ％である。また、第２領域１１ｂにおけるホウ素の濃度は概ね０．１ｗｔ％以下である。

ゲルマニウムは、以下の濃度分布で添加されている。中心軸Ｃから半径ｒｂまでの領域におけるゲルマニウムの濃度は０．１ｗｔ％以下であり、ゲルマニウムが非添加である。半径ｒｂから半径ｒｃ，ｒｄまでの領域では、ゲルマニウムの濃度はコア１１の外側に向かうにつれて増加し、半径ｒｃ，ｒｄの領域から概ね半径０．９５ｄまでの領域では亘って概ね１．６ｗｔ％で一定である。また、概ね半径０．９５ｄの領域から外側に向かって次第に減少し、半径ｄの領域では概ね１．０ｗｔ％である。

ここで、上述のように、拡散領域では、ゲルマニウムの濃度がコアの外側に向かうにつれて増加するのに対し、イッテルビウム、アルミニウム、及びリンの各濃度がコアの外側に向かうにつれて減少する。したがって、拡散領域には、ゲルマニウム及び活性元素であるイッテルビウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第１一致点と、ゲルマニウム及びアップドーパントの総量の濃度が０より大きい濃度で一致する第２一致点と、ゲルマニウム及びダウンドーパントの総量の濃度が０より大きい濃度で一致する第３一致点とが含まれる。本実施形態では、アルミニウムの濃度がリンの濃度よりも大きいため、上述のようにアップドーパントはアルミニウムの１種類である。よって、本実施形態における第２一致点では、ゲルマニウム及びアルミニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する。また、上述のように、本実施形態におけるダウンドーパントはリン及びホウ素である。しかし、本実施形態では、図１４に示す第３一致点とされる箇所及びその周辺におけるホウ素の濃度は、リンの濃度に比べて極めて小さい。このため、本実施形態では、リンの濃度とゲルマニウムの濃度とが一致する箇所を第３一致点と解釈して差し支えない。本実施形態において、これら第１一致点、第２一致点、及び第３一致点は第１領域１１ａ内に位置しており、第１一致点は概ね０．６１ｄに、第２一致点は概ね０．６５ｄに、及び第３一致点は概ね０．６３ｄに、それぞれ位置している。第１一致点におけるイッテルビウム及びゲルマニウムの各濃度は、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域におけるイッテルビウムの平均濃度の７０％以下である。ただし、第１一致点におけるイッテルビウム及びゲルマニウムの各濃度は、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域におけるイッテルビウムの平均濃度の例えば７０．６％以下であってもよく、４６．１％以下であってもよく、４５．１％以下であってもよく、４０％以下であってもよい。また、この第１一致点では、イッテルビウムの濃度がアップドーパントの濃度よりも小さい。また、第２一致点におけるアルミニウム及びゲルマニウムの各濃度は、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域におけるアルミニウムの平均濃度の５０％以下である。ただし、第２一致点におけるアルミニウム及びゲルマニウムの各濃度は、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域におけるアルミニウムの平均濃度の例えば３４．４％以下であってもよい。

このように、第１領域１１ａ内に第１一致点、第２一致点、及び第３一致点が位置することにより、第２領域１１ｂに添加されるドーパントの濃度のうちゲルマニウムの濃度が最も大きくなっている。しかし、本実施形態において、第１一致点、第２一致点、及び第３一致点が第１領域１１ａ内に位置することは必須ではない。

このような濃度分布でコアにイッテルビウム、アルミニウム、リン、ホウ素、及びゲルマニウムが添加されることによって、コアの屈折率分布が図１５に示す屈折率分布となる。図１５に示すコア１１の屈折率分布は、第１実施形態のコア１１の屈折率分布と同様に、第１領域１１ａのうち概ね半径０．８ｒａ近傍に極大値位置を有する。しかし、本実施形態において、コアの屈折率分布が極大値位置を有することは必須ではない。なお、図１５では縦軸が比屈折率差で示されているが、縦軸を屈折率で表してもよい。

以上のように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０のコア１１は、半径がｄとされ、第１領域１１ａと第２領域１１ｂとを含み、第１領域１１ａは、コア１１の中心軸Ｃから半径ｒａまでの領域であり活性元素が添加され、第２領域１１ｂは第１領域１１ａを隙間なく囲む半径ｄまでの領域であり、第２領域１１ｂにはゲルマニウムが添加されるとともに、第２領域１１ｂのうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には活性元素が非添加であり、第１領域１１ａのうち中心軸Ｃから半径ｒｂまでの領域にはゲルマニウムが非添加であり、第２領域１１ｂに添加されるドーパントの濃度のうちゲルマニウムの濃度が最も大きい。

上記のように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、第２領域１１ｂのうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域において活性元素が非添加である。このように、この活性元素添加光ファイバ１０ではコア１１の中心側にのみ活性元素が添加される。このため、高次モードの光に比べて基本モードの光が増幅され易く、コア１１の全体に活性元素が添加される場合に比べて、ビーム品質の劣化を抑制することができる。

また、上述のように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０は、第１実施形態の活性元素添加光ファイバ１０と同様に第１領域１１ａに極大値位置を有する。したがって、第１実施形態と同様に、基本モードの光が中心軸近傍に集中しすぎることが抑制され得、よりビーム品質の劣化を抑制することができる。ただし、上記のように、本実施形態においては極大値位置を有することは必須ではない。

ところで、図１６は、ガラス中のゲルマニウムの拡散係数と、ガラス中のアルミニウムの拡散係数との関係を示す図である。図１６において、横軸は絶対温度の逆数を示し、縦軸はゲルマニウム及びアルミニウムのそれぞれの拡散係数の対数を示す。図１６に示すように、ガラス中のゲルマニウムの拡散係数は、ガラス中のアルミニウムの拡散係数よりも大きい。

上述のように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０では、コア１１の外側の領域である第２領域１１ｂに添加される元素のうち、ゲルマニウムの濃度が最も大きい。このため、活性元素添加光ファイバ１０を例えば他の光ファイバに融着するために加熱する場合、コアの外側に添加される主なドーパントがアルミニウムである光ファイバと比較して、コアの外側に添加されるドーパントがクラッドに拡散し難い。よって、加熱によるコア及びクラッドの屈折率分布の変化が抑制され得る。したがって、融着部において不要な高次モードが励振され難く、ビーム品質の劣化を抑制することができる。また、中心軸Ｃから半径ｒｂまでの領域には、屈折率を向上させるゲルマニウムが非添加とされているので、ゲルマニウムの添加が無い分だけ、添加元素数が少なくなる。このため、数多くの添加元素による屈折率分布の設計の複雑化を抑制でき、より設計値に近い屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバを実現し得る。

また、上述のように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０において、半径ｒｂから半径ｒｃまでの第１拡散領域には活性元素及びゲルマニウムが添加される。また、第１拡散領域では、活性元素の濃度がコア１１の外側に向かうにつれて減少するともに、ゲルマニウムの濃度がコア１１の外側に向かうにつれて増加する。また、第１拡散領域のうち活性元素及びゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第１一致点における活性元素及びゲルマニウムの各濃度が、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域における活性元素の平均濃度の７０％以下である。

光ファイバの製造条件によって、第２領域１１ｂにおける活性元素の濃度が、第１領域１１ａ側から第２領域１１ｂ側に向かうにつれて減少する構成を取る場合において、この構成では、第２領域１１ｂのゲルマニウムの濃度が、第１領域１１ａ側から第２領域１１ｂ側に向かうにつれて増加している。このような構成によれば、活性元素の添加量が少ない領域においてもゲルマニウムの添加量が多くなっているため、活性元素の添加量が少ないことによる屈折率の低下が抑制され、コア１１の屈折率分布が平坦な形状に近づき得る。したがって、第１拡散領域の屈折率の変動を小さくすることができる。また、第１拡散領域において、活性元素の濃度とゲルマニウムの濃度とが０ｗｔ％で一致する場合と比べて、活性元素の濃度とゲルマニウムの濃度とが０ｗｔ％より大きい第１一致点で一致する方が、屈折率分布がより平坦な形状に近づき得る。さらに、第１一致点の活性元素及びゲルマニウムの濃度がコア１１の中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域における活性元素の平均濃度の７０％以下であることで、活性元素及びゲルマニウムの濃度が必要以上に高くなることを抑制することができ、屈折率分布が平坦な形状から乖離したものになることを抑制することができる。

なお、半径ｒｂから半径ｒｃまでの第１拡散領域には活性元素及びゲルマニウムが添加され、第１拡散領域では、活性元素の濃度がコア１１の外側に向かうにつれて減少するともに、ゲルマニウムの濃度がコア１１の外側に向かうにつれて増加し、第１拡散領域のうち活性元素及びゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第１一致点における活性元素及びゲルマニウムの各濃度が、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域における活性元素の平均濃度の７０％以下である構成は必須ではない。このような構成を有さなくても、コア１１の中心軸Ｃから半径ｒａまでの領域である励起光により励起される活性元素であるイッテルビウムが添加される第１領域１１ａと、第１領域１１ａを隙間なく囲む半径ｄまでの領域である第２領域１１ｂとを含み、第２領域１１ｂにはゲルマニウムが添加されるとともに、第２領域１１ｂのうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には活性元素が非添加であり、第１領域１１ａのうち中心軸Ｃから半径ｒｂまでの領域にはゲルマニウムが非添加であり、第２領域１１ｂに添加されるドーパントの濃度のうちゲルマニウムの濃度が最も大きければ、ビーム品質の劣化を抑制することができる。

また、上述のように、本実施形態の活性元素添加光ファイバ１０において、コア１１の中心軸Ｃから半径ｒｄまでの領域には、少なくとも１つの屈折率を上昇させるアップドーパントが添加される。また、半径ｒｂから半径ｒｄまでの領域は、アップドーパント及びゲルマニウムが添加される第２拡散領域である。また、第２拡散領域では、アップドーパントの濃度がコア１１の外側に向かうにつれて減少するとともに、ゲルマニウムの濃度がコア１１の外側に向かうにつれて増加する。また、第２拡散領域のうちアップドーパントの総量及びゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第２一致点におけるアップドーパントの総量及びゲルマニウムの各濃度が、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域における前記アップドーパントの総量の平均濃度の５０％以下である。

光ファイバの製造条件によって、第２領域１１ｂにおけるアップドーパントの濃度が、第１領域１１ａ側から第２領域１１ｂ側に向かうにつれて減少する構成を取る場合において、上記構成では、第２領域１１ｂのゲルマニウムの濃度が、第１領域１１ａ側から第２領域１１ｂ側に向かうにつれて増加している。このような構成によれば、アップドーパントの添加量が少ない領域においてもゲルマニウムの添加量が多くなっているため、アップドーパントの添加量が少ないことによる屈折率の低下が抑制され、コア１１の屈折率分布が平坦な形状に近づき得る。したがって、第２拡散領域の屈折率の変動を小さくすることができる。また、第２拡散領域において、アップドーパントの総量の濃度とゲルマニウムの濃度とが０ｗｔ％で一致する場合と比べて、アップドーパントの総量の濃度とゲルマニウムの濃度とが０ｗｔ％より大きい第２一致点で一致する方が、屈折率分布がより平坦な形状に近づき得る。さらに、第２一致点のアップドーパントの総量の濃度が第１領域の０≦ｒ≦０．５ｒaにおけるアップドーパントの平均濃度の５０％以下であることで、アップドーパント及びゲルマニウムの濃度が必要以上に高くなることを抑制することができ、屈折率分布が平坦な形状から乖離したものになることを抑制することができる。

なお、コア１１の中心軸Ｃから半径ｒｄまでの領域には、少なくとも１つの屈折率を上昇させるアップドーパントが添加され、半径ｒｂから半径ｒｄまでの領域は、アップドーパント及びゲルマニウムが添加される第２拡散領域であり、第２拡散領域では、アップドーパントの濃度がコア１１の外側に向かうにつれて減少するとともに、ゲルマニウムの濃度がコア１１の外側に向かうにつれて増加し、第２拡散領域のうちアップドーパントの総量及びゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第２一致点におけるアップドーパントの総量及びゲルマニウムの各濃度が、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域における前記アップドーパントの総量の平均濃度の５０％以下である構成は必須ではない。このような構成を有さなくても、コア１１の中心軸Ｃから半径ｒａまでの領域であり励起光により励起される活性元素であるイッテルビウムが添加される第１領域１１ａと、第１領域１１ａを隙間なく囲む半径ｄまでの領域である第２領域１１ｂとを含み、第２領域１１ｂにはゲルマニウムが添加されるとともに、第２領域１１ｂのうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には活性元素が非添加であり、第１領域１１ａのうち中心軸Ｃから半径ｒｂまでの領域にはゲルマニウムが非添加であり、第２領域１１ｂに添加されるドーパントの濃度のうちゲルマニウムの濃度が最も大きければ、ビーム品質の劣化を抑制することができる。

なお、本実施形態において、中心軸Ｃから半径ｒｄまでの領域にアップドーパントが添加される場合、第２領域１１ｂおける半径ｒｃ及び半径ｒｄのうち大きい方から半径ｄまでの領域には、ゲルマニウムのみが添加されることが好ましい。

この場合、活性元素添加光ファイバのコア及びクラッドの加熱による屈折率分布の変化を一層抑制することができる。

また、コアの半径ｄにおける屈折率分布の傾きが－０．０３５％／μｍ以下であることが好ましい。この点について、以下説明する。

コア及びクラッドが理想的なステップインデックス状の屈折率分布となっている光ファイバに、活性元素添加光ファイバを融着接続する場合、当該活性元素添加光ファイバのコア及びクラッドもステップインデックス状の屈折率分布を有することが好ましい。しかし、活性元素添加光ファイバは、製造時における線引き等によってコア及びクラッドに添加されたドーパントが拡散して、コアとクラッドとの境界における屈折率分布に傾きが生じ得る。図１５の屈折率分布を例にすると、上記境界における屈折率分布の傾きは、屈折率分布の半径ｄにおける接線Ｌの図１５の縦軸に対する傾きとなる。

本発明者は、コアのクラッドに対する比屈折率差が０．１４％であり、コア半径が２８ｕｍである光ファイバのうち、理想的なステップインデックス状の屈折率分布を有する基準光ファイバと、コアとクラッドとの境界に傾きを有する屈折率分布を有する光ファイバとを融着接続した場合におけるＬＰ０１モードの光の接続損失を推定した。その結果を図１７に示す。図１７に示すように、上記境界の傾きが－０．０３５％／μｍ以下であれば、基準光ファイバに融着接続した場合にＬＰ０１モードの光の接続損失が０．０１ｄＢ以下になることが分かった。ＩＴＵ－Ｔ勧告Ｌ．１２には、同種の光ファイバ同士を融着接続した場合における接続損失を平均で０．１ｄＢ未満にすることが記載されている。上記の光の接続損失は０．０１ｄＢ以下であり、上記ＩＴＵ－Ｔ勧告に記載される０．１ｄＢよりも一桁小さい。そのため、接続損失の推定値が０．０１ｄＢ以下であれば、十分に実用に耐え得る。

図１８は、上記基準光ファイバの屈折率分布と、この場合におけるＬＰ０１モードの強度分布とを示す図である。図１９は、コアとクラッドとの境界の傾きが－０．０３５％／ｕｍである屈折率分布と、この場合におけるＬＰ０１モードの強度分布とを示す図である。図１８及び図１９に示すように、上記境界の傾きが－０．０３５％／ｕｍである屈折率分布を有する光ファイバのコアを伝搬するＬＰ０１モードの強度分布は、理想的なステップインデックス状の屈折率分布を有する光ファイバのコアを伝搬するＬＰ０１モードの光の強度分布と概ね一致することが分かった。したがって、コアとクラッドとの境界の傾きが－０．０３５％／μｍ以下になるように屈折率分布を調整することによって、接続損失が生じることを効果的に抑制することができる。

また、内側クラッド１２には、ゲルマニウムが非添加であることが好ましい。

このようにゲルマニウムを内側クラッド１２に非添加とすることで、ゲルマニウムが内側クラッド１２に添加されている場合と比べて、内側クラッド１２内のドーパントがコアに拡散することを抑制することができる。したがって、屈折率分布が変化することをより効果的に抑制することができる。なお、ゲルマニウム、アップドーパント、及びダウンドーパントが内側クラッド１２に非添加であれば、屈折率分布が変化することをより一層抑制することができる。

また、コア１１は、ステップインデックス状の屈折率分布を有し、コア１１のＶ値が５以上１２以下であり、０．３９ｄ≦ｒａ≦０．７８ｄであることが好ましい。この点について、以下説明する。

Ｖ値は、光ファイバのコアを伝搬し得る光のモード数を判断するための値であり、Ｖ値の値が大きい程コアを伝搬し得る光のモード数が多いことを意味する。図２０は、Ｖ値が６であるステップインデックス状の屈折率分布を有する光ファイバにおける、第１領域の半径ｒａと第２領域の半径ｄとの比ｒａ／ｄと、ＬＰ０１モードの強度を１としたときのコアを伝搬する各伝搬モードの強度との関係を算出した結果を示している。図２０において、ρ０１はＬＰ０１モードの光を、ρ１１はＬＰ１１モードの光を、ρ２１はＬＰ２１モードの光を、ρ３１はＬＰ３１モードの光を、ρ１２はＬＰ１２モードの光を、それぞれ示している。図２０からは、高次モードよりも基本モードを優先的に増幅させるためには、希土類元素を添加する第１領域１１ａを、高次モードよりも基本モードの強度が大きい範囲であるＡ点以上Ｂ点以下までの範囲とすることが好ましいことが分かる。次に、Ｖ値が２．５～１２であるステップインデックス状の屈折率分布を有する光ファイバにおけるＡ点及びＢ点を算出した結果を図２１に示す。なお、Ａ点は高次モードよりも基本モードの強度が大きい範囲における下限であり、Ｂ点は当該範囲における上限である。図２１からは、Ｖ値が５以上１２以下の場合、Ａ点の比ｒａ／ｄ及びＢ点の比ｒａ／ｄはＶ値によらずほぼ一定であり、ｒａ／ｄの値が０．４以上０．７以下であることが好ましいことが分かる。また、以下の表１に、図２１の２．４以上１２以下の範囲に属する各Ｖ値におけるＡ点の比ｒａ／ｄ及びＢ点の比ｒａ／ｄを示す。

以下、確認的に各Ｖ値におけるｒａ／ｄのとり得る範囲を文章でも示す。すなわち、Ｖ値が２．４の場合、０≦ｒａ／ｄ≦１となり、Ｖ値が３の場合、０≦ｒａ／ｄ≦０．９９となり、Ｖ値が４の場合、０≦ｒａ／ｄ≦０．８４となり、Ｖ値が５の場合、０．３９≦ｒａ／ｄ≦０．７８となり、Ｖ値が６の場合、０．４１≦ｒａ／ｄ≦０．７５となり、Ｖ値が７の場合、０．４≦ｒａ／ｄ≦０．７３となり、Ｖ値が８の場合、０．４≦ｒａ／ｄ≦０．７２となり、Ｖ値が９の場合、０．４≦ｒａ／ｄ≦０．７１となり、Ｖ値が１０の場合、０．３９≦ｒａ／ｄ≦０．７となり、Ｖ値が１１の場合、０．３９≦ｒａ／ｄ≦０．７となり、Ｖ値が１２の場合、０．３９≦ｒａ／ｄ≦０．６９となり得る。ここで、上記表１に鑑みると、Ｖ値が５以上１２以下の場合、Ａ点の比ｒａ／ｄ及びＢ点の比ｒａ／ｄはＶ値によらずほぼ一定であり、ｒａ／ｄの値が０．３９以上０．７８以下であることがより好ましいことが分かる。

したがって、コア１１がステップインデックス状の屈折率分布を有し、コア１１のＶ値が５以上１２以下である場合において、０．３９ｄ≦ｒａ≦０．７８ｄであれば、ＬＰ０１モードの光を高次モードよりも優先的に増幅することが可能となり、ビーム品質を向上し得る。また、上記の場合、マイクロベンド損失を抑制するために比屈折率差を小さくすることなくコア径を大きくする場合において、Ｖ値を大きくする事ができ、実効断面積を大きくすることができる結果、誘導ラマン散乱を抑制し得る。

また、本実施形態は、線引きされることによりコアとなるコアガラス体と、線引きされることによりクラッドとなるクラッドガラス体とを備える活性元素添加光ファイバ用母材にも適用可能である。図２２は、本実施形態を適用した活性元素添加光ファイバ用母材１００を図２と同様の視点で示す図である。図２２に示すように、活性元素添加光ファイバ用母材１００は、コアガラス体１１０と、クラッドガラス体１２０とを含んでいる。コアガラス体１１０は、半径がｄとされ、第１領域１１０ａと第２領域１１０ｂとを含む。第１領域１１０ａは、コアガラス体１１０の中心軸Ｃから半径ｒａまでの領域であり励起光により励起される活性元素であるイッテルビウムが添加される。第２領域１１０ｂは、第１領域１１０ａを隙間なく囲む半径ｄまでの領域である。第２領域１１０ｂにはゲルマニウムが添加されるとともに、第２領域１１０ｂのうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には活性元素が非添加である。また、第１領域１１０ａのうち中心軸Ｃから半径ｒｂまでの領域にはゲルマニウムが非添加である。また、第２領域１１０ｂに添加されるドーパントの濃度のうちゲルマニウムの濃度が最も大きい。

このような構成によれば、コアガラス体１１０の外側の領域である第２領域１１０ｂに添加されるドーパントのうち、ゲルマニウムの濃度が最も大きい。このため、活性元素添加光ファイバ用母材１００を線引きする場合において、コアガラス体の外側に添加される主なドーパントがアルミニウムである活性元素添加光ファイバ用母材と比較して、コアガラス体の外側に添加される元素がクラッドガラス体に拡散しに難い。したがって、線引き後のコア及びクラッドの屈折率分布が変化し難く、設計値に近い屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバが製造され易い。また、このような活性元素添加光ファイバ用母材１００から製造された活性元素添加光ファイバでは、上記のように屈折率分布の変化が抑制されているため、コアの外側のゲルマニウムの濃度が最も大きくなり得る。よって、活性元素添加光ファイバ用母材１００から製造された活性元素添加光ファイバを他の光ファイバに融着する場合でも、加熱による屈折率分布の変化が抑制されて、ビーム品質の劣化が抑制され得る。また、中心軸Ｃから半径ｒｂまでの領域には、屈折率を向上させるゲルマニウムが非添加とされているので、ゲルマニウムの添加が無い分だけ、添加元素数が少なくなる。このため、数多くの添加元素による屈折率分布の設計の複雑化を抑制でき、より設計値に近い屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバ用母材を実現し得る。

また、この活性元素添加光ファイバ用母材１００では、半径ｒｂから半径ｒｃまでの第１拡散領域には活性元素及びゲルマニウムが添加される。また、第１拡散領域では、活性元素の濃度がコアガラス体の外側に向かうにつれて減少するともに、ゲルマニウムの濃度がコアガラス体の外側に向かうにつれて増加し、第１拡散領域のうち活性元素及びゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第１一致点における活性元素及びゲルマニウムの各濃度が、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域における活性元素の平均濃度の７０％以下である。したがって、コアガラス体の屈折率分布が平坦な形状に近づき得る。また、この場合、第１拡散領域がない場合と比べて、第１領域と第２領域の界面における歪を抑制し得るため、前記コアガラス体が割れることを抑制することができる。なお、この構成は、活性元素添加光ファイバの場合と同様に必須ではない。

また、この活性元素添加光ファイバ用母材１００では、コアガラス体１１０の中心軸Ｃから第２領域１１０ｂにおける半径ｒｄまでの領域には、少なくとも１つの屈折率を上昇させるアップドーパントが添加される。また、半径ｒｂから半径ｒｄまでの領域は、アップドーパント及びゲルマニウムが添加される第２拡散領域であり、第２拡散領域では、アップドーパントの濃度がコアガラス体の外側に向かうにつれて減少するとともに、ゲルマニウムの濃度がコアガラス体１１０の外側に向かうにつれて増加する。また、第２拡散領域のうちアップドーパントの総量及びゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第２一致点におけるアップドーパントの総量及びゲルマニウムの各濃度が、中心軸Ｃから半径０．５ｒａ以下までの領域におけるアップドーパントの総量の平均濃度の５０％以下である。したがって、コアガラス体の屈折率分布が平坦な形状に近づき得る。この場合、第２拡散領域がない場合と比べて、第１領域と第２領域の界面における歪を抑制し得るため、前記コアガラス体が割れることを抑制することができる。なお、この構成は、活性元素添加光ファイバの場合と同様に必須ではない。

なお、活性元素添加光ファイバ用母材のガラスの加熱による屈折率分布の変化を一層抑制する観点から、第２領域１１０ｂおける半径ｒｃ及び半径ｒｄのうち大きい方から半径ｄまでの領域には、ゲルマニウムのみが添加されることが好ましい。

また、クラッドガラス体１２０内のドーパントがコアガラス体１１０に拡散することを抑制する観点から、クラッドガラス体１２０には、ゲルマニウムが非添加であることが好ましい。

以上、本発明について実施形態を例に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されて解釈されるものではなく、本発明の目的を達成する範囲において適宜構成を変更することができる。

例えば、上記実施形態の活性元素添加光ファイバ１０のＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長は１７６０ｎｍよりも短いことが好ましい。ＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長をこのようにすることで、例えば、活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げて活性元素添加光ファイバ１０に１０７０ｎｍの光を伝搬させる場合に、この直径１２０ｍｍに曲げられた活性元素添加光ファイバ１０の部位において、ＬＰ０２モードのカットオフ波長を１０７０ｎｍより短くすることができ、ＬＰ０１モードの光を伝搬させつつもＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。図２３は、ファイバレーザ装置１の変形例を示す図である。具体的には、このように活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げた部位を有するファイバレーザ装置を示す図である。なお、図２３の説明において、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、特に説明する場合を除き、重複する説明は省略する。図２３のファイバレーザ装置１では、活性元素添加光ファイバ１０のＬＰ０２モードの光の理論カットオフ波長は１７６０ｎｍよりも短く、活性元素添加光ファイバ１０が直径１２０ｍｍで曲げられた屈曲部１５を有する点で上記実施形態のファイバレーザ装置と異なる。この屈曲部１５を波長１７６０ｎｍの光が伝搬することでＬＰ０２モードの光を漏洩させることができる。従って、活性元素添加光ファイバ１０が屈曲部１５を有することで、ＬＰ０１モードの光を伝搬させつつも、偶モードの高次モードの光の伝搬を抑制することができる。

ところで、活性元素添加光ファイバ１０を直径１２０ｍｍで曲げると、活性元素添加光ファイバ１０が破断する懸念がある。そこで、この場合には活性元素添加光ファイバ１０の石英ガラスから成るクラッドの直径が所定の大きさ以内にされることが好ましい。この石英ガラスから成るクラッドは、外側クラッド１３が樹脂から成る場合には、内側クラッド１２であり、外側クラッド１３が石英ガラスから成る場合には、内側クラッド１２及び外側クラッド１３である。図２４は、クラッドの直径と破断確率との関係を示す図である。この破断確率は、石英ガラスから成るクラッドを有する光ファイバを直径１２０ｍｍで１周巻き、光ファイバの長さが１％伸びる荷重を印加する場合において、８万時間後における光ファイバの破断確率である。図２４より、クラッドの直径が４３０μｍ以下であれば、８万時間後における光ファイバの破断確率を１０^－６以下に抑えることができる。従って、外側クラッド１３が樹脂から成る場合には、内側クラッド１２の直径が４３０μｍ以下とされることが好ましく、外側クラッド１３が石英ガラスから成る場合には、外側クラッド１３の直径が４３０μｍ以下とされることが好ましい。

また、上記実施形態では、ファイバレーザ装置として、共振器型のファイバレーザ装置を例に説明したが、本発明の活性元素添加光ファイバ１０が用いられるファイバレーザ装置は、例えば、活性元素添加光ファイバ１０に励起光及び種光が入射するＭＯ－ＰＡ（Master Oscillator - Power Amplifier）型であっても良い。

また、上記実施形態では、中心軸Ｃから内側クラッド１２に対して比屈折率差が０．０５％となるまでの領域をコア１１としたが、コアとする領域は、光ファイバの中心軸から内側クラッドに対して比屈折率差が０％よりも大きい領域であれば、比屈折率差が０．０５％となるまでの領域でなくてもよい。

以下、上記極大値位置を有する活性元素添加光ファイバ等に関して、実施例及び比較例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１～３３）
図２に示す活性元素添加光ファイバを実施例１～３３として準備した。これらの活性元素添加光ファイバにおいて、第１領域１１ａにイッテルビウムを全体に渡って添加し、第２領域１１ｂには活性元素を非添加とした。また、第１領域には、アルミニウムとリンとホウ素とを添加して屈折率を調整した。実施例１～３３の活性元素添加光ファイバの次の値を表２に示す。Ａ：０≦ｒ≦０．１ｄの領域におけるイッテルビウムの濃度の平均値（ｗｔ％）、Ｂ：０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値（ｗｔ％）、Ｃ：０≦ｒ≦０．１ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差の平均値（％）、Ｄ：ｒ＝０．２ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差（％）、Ｅ：０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域における極大値位置でのクラッドに対する比屈折率差（％）、Ｆ：ｄ＝１とする場合の極大値位置、Ｇ：ｄ＝１とする場合の第１領域１１ａの半径ｒａ、Ｈ：０≦ｒ≦０．９ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差の平均値（％）、Ｉ：１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差の分布の標準偏差。なお、実施例４の活性元素添加光ファイバの屈折率分布は図４に示す通りであり、この活性元素添加光ファイバのコアに添加されるイッテルビウムの濃度分布は図３に示す通りである。また、それぞれの活性元素添加光ファイバは、ＬＰ０２モードの理論カットオフ波長が１７６０ｎｍよりも短い光ファイバであった。

（比較例１～３３）
図２５は、比較例の活性元素添加光ファイバのコアの屈折率分布の一例を示す図である。それぞれの比較例では、０≦ｒ≦０．９ｄの領域でのクラッドに対する比屈折率差が一定であり、ｒ＝０．９ｄから外周側に向かって徐々に当該比屈折率差が下がるものとし、ｒ＝ｄの領域において、クラッドに対する比屈折率差が０．０５％になるようにした。このことは、０≦ｒ≦０．９ｄの領域において、活性元素が一定の濃度で添加され、ｒ＝０．９ｄから外周側に向かって徐々に活性元素の濃度が下がることを意味する。それぞれの比較例の０≦ｒ≦０．９ｄの領域でのクラッドに対する比屈折率差が、対応する実施例のＨ：０≦ｒ≦０．９ｄの領域における内側クラッド１２に対する比屈折率差の平均値と同じになるようにした。従って、例えば、比較例１の０≦ｒ≦０．９ｄの領域でのクラッドに対する比屈折率差は、実施例１のＨと同じ値で０．１４１（％）である。このような条件で、以下のシミュレーションを行った。

次に、実施例１～３３の活性元素添加光ファイバ及び比較例１～３３の活性元素添加光ファイバのそれぞれのコアに波長１０７０ｎｍの光を伝搬させる場合のＬＰ０１モードの光の実効断面積（μｍ^２）をシミュレーションにより求めた。この結果を表３に示す。

表３に示す通り、実施例１～３３の活性元素添加光ファイバにおけるＬＰ０１モードの光の実効断面積は、対応する比較例１～３３の活性元素添加光ファイバにおけるＬＰ０１モードの光の実効断面積よりも大きい結果となった。これは、実施例１～３３の活性元素添加光ファイバでは、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における比屈折率差の平均値よりも高い比屈折率差で、極大値位置が少なくとも１カ所存在するためと考えられる。

また、実施例１～３３の活性元素添加光ファイバ及び比較例１～３３の活性元素添加光ファイバのそれぞれのコアに波長１０７０ｎｍの光を伝搬させる場合に当該活性元素添加光ファイバから出射する光のビーム品質（Ｍ^２）をシミュレーションにより求めた。この結果を表４に示す。

表４に示す通り、実施例１～３３の活性元素添加光ファイバから出射する光のビーム品質の値は、対応する比較例１～３３の活性元素添加光ファイバから出射する光のビーム品質の値よりも小さい値となった。すなわち、実施例１～３３の活性元素添加光ファイバによれば、対応する比較例１～３３の活性元素添加光ファイバに比べてビーム品質の劣化が抑制される結果となった。

なお、表２～４に示す活性元素がイッテルビウムである実施例１～３３において、０≦ｒ≦０．１ｄの領域におけるイッテルビウムの濃度の平均値は１．３１ｗｔ％以上２．８６ｗｔ％であった。また、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域におけるイッテルビウムの濃度の平均値は１．００ｗｔ％以上２．２５ｗｔ％であった。また、０≦ｒ≦０．１ｄの領域におけるクラッドに対するコアの比屈折率差の平均値は０．１２５％以上０．１９５％以下であった。また、ｒ＝０．２ｄの領域におけるクラッドに対するコアの比屈折率差は０．０９１％以上０．１３８％以下であった。また、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域における極大値位置でのクラッドに対する比屈折率差は０．１１％以上０．１９％以下であった。また、０≦ｒ≦０．９ｄの領域におけるクラッドに対する比屈折率差の平均値は０．１０４％以上０．１５６％以下であった。また、１．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差は０．００４以下であった。

次に、上記のように屈折率が極大となる極大値位置がコアに存在する活性元素添加光ファイバの当該コアを伝搬する光の実効断面積と、コアのクラッドに対する比屈折率差が一定である図２５に示すようなステップ型の屈折率分布を有する活性元素添加光ファイバのコアを伝搬する光の実効断面積との関係についてシミュレーションにより調べた。

具体的には、ステップ型の活性元素添加光ファイバのうち１つの活性元素添加光ファイバの比屈折率差と、極大値を有する複数の活性元素添加光ファイバのうち１つの活性元素添加光ファイバの比屈折率差の平均値とが同じである、ステップ型の活性元素添加光ファイバと極大値を有する活性元素添加光ファイバの組を上記シミュレーションの対象とした。つまり、共通の平均値を有する光ファイバ組を上記シミュレーションの対象とした。なお、複数の光ファイバ組のそれぞれにおける共通の平均値は、光ファイバ組ごとに相違する。

上記シミュレーションでは、上記組を構成するステップ型の活性元素添加光ファイバ及び極大値を有する活性元素添加光ファイバのそれぞれの実効断面積を算出し、これら実効断面積の差を求めた。具体的には、コアの中心軸からの距離ｒが０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における上記平均値が上記極大値位置における比屈折率差の値以上になるように形成された極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いて実効断面積の差を求めるシミュレーション１と、上記距離ｒが０以上０．１ｄ以下の領域における上記平均値が上記極大値位置における比屈折率差の値以下になるように形成された極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いて実効断面積の差を求めるシミュレーション２とを行った。

シミュレーション１の結果を図２６に、シミュレーション２の結果を図２７にそれぞれ示す。なお、図２６及び図２７は、極大値を有する活性元素添加光ファイバのコアの比屈折率差の平均値Δがそれぞれ０．１０％、０．１４％、及び０．１８％である場合の極大値位置と実効断面積の差との関係を示している。なお、上述のように、極大値を有する活性元素添加光ファイバのコアの比屈折率差の平均値Δは、当該極大値を有する活性元素添加光ファイバとともに上記光ファイバ組を構成するステップ型光ファイバのコアの比屈折率差に等しい。

図２６に示すように、０．０５５ｄ以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が上記極大値以上である極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いたシミュレーション１によれば、コアの比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下である場合、極大値位置が０．５５ｄ以下であることによって、上記光ファイバ組を構成する同じ比屈折率差を持つステップ型光ファイバの場合に比べて、実効断面積が大きくなることが分かった。つまり、このような極大値を有する活性元素添加光ファイバによれば、実効断面積が大きくなるため、誘導ラマン散乱が一層抑制され得る。なお、コアの比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下である場合とは、コアの屈折率が光を導波し得る程度に高い屈折率である場合であり、例えば、コアの比屈折率差の平均値が０．０５％以上０．１８％以下であってもよい。

また、図２７に示すように、０以上０．１ｄ以下の領域における比屈折率差の平均値が上記極大値以下である極大値を有する活性元素添加光ファイバを用いたシミュレーション２によれば、コアの比屈折率差の平均値が０．１０％以上である場合、極大値位置が０．４５ｄ以上であることによって、上記光ファイバ組を構成する同じ比屈折率差を持つステップ型光ファイバの場合に比べて、実効断面積が大きくなることが分かった。つまり、このような極大値を有する活性元素添加光ファイバによれば、実効断面積が大きくなるため、誘導ラマン散乱が一層抑制され得る。なお、このシミュレーション２において、実効断面積が大きくなる効果を奏する比屈折率差の平均値の上限は、極大値位置が０．４５ｄ以上であれば特に限定されないが、例えば、比屈折率差の平均値の上限を０．１８％に設定してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、ビーム品質の劣化を抑制し得る活性元素添加光ファイバ、活性元素添加光ファイバ用母材、共振器、及び、ファイバレーザ装置が提供され、加工用のレーザ装置等においての利用が期待される。

Claims (18)

1. コア及び当該コアの外周面を隙間なく囲むクラッドを備え、光をフューモードで伝搬可能な活性元素添加光ファイバであって、
   前記コアは、半径がｄとされ、第１領域と第２領域とを含み、
   前記第１領域は、前記コアの中心軸から半径ｒａまでの領域であり励起光により励起される活性元素であるイッテルビウムが添加され、
   前記第２領域は前記第１領域を隙間なく囲む半径ｄまでの領域であり、前記第２領域にはゲルマニウムが添加されるとともに、前記第２領域のうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には前記活性元素が非添加であり、
   前記第１領域のうち前記中心軸から半径ｒｂまでの領域には前記ゲルマニウムが非添加であり、
   前記第２領域に添加されるドーパントの濃度のうち前記ゲルマニウムの濃度が最も大きく、
   ０．１ｄ＜ｒａ＜ｄであり、
   前記コアの前記中心軸からの距離をｒとする場合に、０．４ｄ＜ｒ≦ｒａの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、かつ、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在する
   ことを特徴とする活性元素添加光ファイバ。
2. ０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高い
   ことを特徴とする請求項１に記載の活性元素添加光ファイバ。
3. ０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高い
   ことを特徴とする請求項２に記載の活性元素添加光ファイバ。
4. コア及び当該コアの外周面を隙間なく囲むクラッドを備え、光をフューモードで伝搬可能な活性元素添加光ファイバであって、
   前記コアは、半径がｄとされ、第１領域と第２領域とを含み、
   前記第１領域は、前記コアの中心軸から半径ｒａまでの領域であり励起光により励起される活性元素であるイッテルビウムが添加され、
   前記第２領域は前記第１領域を隙間なく囲む半径ｄまでの領域であり、前記第２領域にはゲルマニウムが添加されるとともに、前記第２領域のうち半径ｒｃから半径ｄまでの領域には前記活性元素が非添加であり、
   前記第１領域のうち前記中心軸から半径ｒｂまでの領域には前記ゲルマニウムが非添加であり、
   前記第２領域に添加されるドーパントの濃度のうち前記ゲルマニウムの濃度が最も大きく、
   ０．１ｄ＜ｒａ＜ｄであり、
   前記コアの前記中心軸からの距離をｒとする場合に、０．２ｄ＜ｒ≦０．９ｄの領域において、０≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い屈折率で、かつ、屈折率が極大となる極大値位置が少なくとも１カ所存在し、
   ０≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記活性元素の濃度の平均値が、０．１ｄ＜ｒ≦ｒａの領域における前記活性元素の濃度の平均値よりも高く、
   ０≦ｒ≦０．１ｄの領域における屈折率の平均値がｒ＝０．２ｄの領域における屈折率よりも高い
   ことを特徴とする活性元素添加光ファイバ。
5. ０．４ｄ＜ｒ≦ｒａの領域において前記極大値位置が少なくとも１カ所存在する
   ことを特徴とする請求項４に記載の活性元素添加光ファイバ。
6. 半径ｒｂから半径ｒｃまでの第１拡散領域には前記活性元素及び前記ゲルマニウムが添加され、
   前記第１拡散領域では、前記活性元素の濃度が前記コアの外側に向かうにつれて減少するともに、前記ゲルマニウムの濃度が前記コアの外側に向かうにつれて増加し、
   前記第１拡散領域のうち前記活性元素及び前記ゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第１一致点における前記活性元素及び前記ゲルマニウムの各濃度が、前記中心軸から半径０．５ｒａ以下までの領域における前記活性元素の平均濃度の７０％以下である
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
7. 前記コアの前記中心軸から前記第２領域における半径ｒｄまでの領域には、少なくとも１つの屈折率を上昇させる活性元素以外のアップドーパントが添加され、
   半径ｒｂから半径ｒｄまでの領域は、前記アップドーパント及び前記ゲルマニウムが添加される第２拡散領域であり、
   前記第２拡散領域では、前記アップドーパントの濃度が前記コアの外側に向かうにつれて減少するとともに、前記ゲルマニウムの濃度が前記コアの外側に向かうにつれて増加し、
   前記第２拡散領域のうち前記アップドーパントの総量及び前記ゲルマニウムの各濃度が０より大きい濃度で一致する第２一致点における前記アップドーパントの総量及び前記ゲルマニウムの各濃度が、前記中心軸から半径０．５ｒａ以下までの領域における前記アップドーパントの総量の平均濃度の５０％以下である
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
8. 前記コアの半径ｄにおける屈折率分布の傾きが－０．０３５％／μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
9. 前記コアは、ステップインデックス状の屈折率分布を有し、
   前記コアのＶ値が５以上１２以下であり、
   ０．３９ｄ≦ｒａ≦０．７８ｄである
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
10. １．１ｒａ＜ｒ≦０．９ｄの領域の比屈折率差の標準偏差が０．００４以下である
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
11. ０．３３８ｄ≦ｒ≦０．６１４ｄの領域において、前記極大値位置が少なくとも１カ所存在する
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
12. ０．５９５ｄ≦ｒａ≦０．７１６ｄである
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
    
13. ０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも高い
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
14. ０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値よりも低い
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
15. ０．１ｄ≦ｒ≦０．８ｒａの領域における屈折率の平均値が１．１ｒａ≦ｒ≦０．９ｄの領域における屈折率の平均値と同等である
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
16. 前記コアのうち０．０５５ｄ≦ｒ≦０．１ｄの領域における前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が前記極大値位置における比屈折率差の値以上であり、
    前記コアの前記クラッドに対する比屈折率差の平均値が０％よりも大きく０．１８％以下であり、
    前記極大値位置が０．５５ｄ以下である
    ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバ。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバと、
    前記活性元素添加光ファイバの一方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合し、励起された前記活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長の光を反射する第１ミラーと、
    前記活性元素添加光ファイバの他方側において、前記活性元素添加光ファイバの前記コアと光学的に結合し、前記第１ミラーが反射する光のうち少なくとも一部の波長の光を前記第１ミラーよりも低い反射率で反射する第２ミラーと、
    を備える
    ことを特徴とする共振器。
18. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の活性元素添加光ファイバと、
    前記活性元素を励起する光を出射する光源と、
    を備える
    ことを特徴とするファイバレーザ装置。

Images