JPWO2008133242A1 - 希土類添加コア光ファイバ - Google Patents

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Abstract

この希土類添加コア光ファイバは、少なくともアルミニウムとイッテルビウムとを含む石英系ガラスからなるコアと、このコアの周囲に設けられ、コアよりも低屈折率の石英系ガラスからなるクラッドと、このクラッドの外周に、クラッドよりも低屈折率のポリマー層を有し、フォトダークニング損失増加量ＴＰＤが、下記不等式（Ａ）を満たすように、コアにアルミニウムおよびイッテルビウムが添加されている。この希土類添加コア光ファイバにより、長時間使用しても十分なレーザー発振出力を維持することが可能な光ファイバレーザーを作製し得る。

Description

本発明は、希土類添加コア光ファイバに関し、さらに詳しくは、光ファイバレーザーや光増幅器などの光増幅用ファイバとして用いられ、特に光ファイバレーザーの構成に適した希土類添加コア光ファイバに関する。
本願は、２００７年４月２５日に、日本に出願された特願２００７−１１５４９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）、イッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素を添加した光ファイバ（以下、「希土類添加コア光ファイバ」と記す。）をレーザー活性物質とした単一モード光ファイバレーザーあるいは光増幅器が、光センサや光通信の分野で多くの利用の可能性を有することが報告され、その応用が期待されている。その応用例の一つとして、コアにＹｂを添加した光ファイバ（以下、「Ｙｂ添加コア光ファイバ」と記す。）を用いたＹｂ添加コア光ファイバレーザーがあり、マーカ、リペア、半田、切断／穴あけ、溶接などの用途が検討され、製品化されている。
従来、これらの加工用途に用いられるレーザーとしてはＹＡＧレーザーが主流であったが、近年、加工性能に対する要求が一層厳しくなり、レーザー性能に対する要求は一層高くなっている。
例えば、
１．微細な加工ができるように、より小さなスポットサイズの要求。
２．より高い出力の要求。
３．レーザーのメンテナンスなどの停止時間（ＭＴＢＦ、ＭＴＢＭ）の短縮の要求。
などがある。
これらの要求に対して、Ｙｂ添加コア光ファイバレーザーは、
１．μｍオーダーのスポットサイズ。
２．数Ｗから数ｋＷの出力。
３．３万時間以上の予測寿命。
という特徴があり、従来のＹＡＧレーザーと比べてＹｂ添加コア光ファイバレーザーには大きな利点がある。
希土類添加コア光ファイバとしては、特許文献１および特許文献２に記載されている希土類元素ドープガラスを用いて得られた光ファイバが一般的に知られている。この希土類元素ドープガラスには、ＳｉＯ２系の組成からなるホストガラス中に希土類元素、アルミニウム、フッ素が添加されており、そのガラスをコア部とした希土類添加コア光ファイバとなっている。その結果、コア部には希土類元素、アルミニウム、フッ素が添加される。
一般の光ファイバに使用されるＳｉＯ２ガラスまたはＧｅＯ２−ＳｉＯ２系ガラスでは約０．１質量％以上の希土類元素を添加すると、いわゆる濃度消光を生じる欠点がある。
これは、希土類イオン同士がガラス中で凝集（クラスター化）することによって励起された電子のエネルギーが、非放射的な過程を介して失われ易くなる現象であり、発光の寿命や効率等の発光特性が損なわれる。希土類元素とＡｌを共にドープすることにより、発光特性を損なわずに高濃度の希土類元素を添加することができ、励起光との作用長さが短くても十分な増幅利得が得られるので、レーザーまたは光増幅器の小型化が実現できることが、特許文献１に記載されている。
希土類添加コア光ファイバ、特に希土類元素ドープガラスについての作製方法は特許文献２に記載されている。この方法では、連結した開気孔を有する石英系多孔質ガラス製の母材を、希土類元素イオンおよびアルミニウムイオンを含む溶液に浸漬して、その母材中に希土類元素およびアルミニウムを含浸させ、その後母材を乾燥して希土類元素およびアルミニウムの塩を母材の気孔内に沈積させ、沈積した塩を酸化して安定させる乾燥工程を行い、乾燥工程後の母材を焼結してガラス化する。さらに上記乾燥工程を終えた後から上記焼結工程を終えるまでの間に、フッ素を含有する雰囲気中で上記母材を加熱処理してフッ素をドープさせている。
このようにして得られた希土類元素ドープガラスの周りにクラッド部分となるガラスを合成し、光ファイバ製造用のガラス母材としたのち、該母材を線引きして希土類元素ドープ光ファイバを得る。ここで、Ｙｂ添加コア光ファイバレーザーに使用するための光ファイバを得るためには、該希土類元素ドープガラスの作製工程において、希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）を用いればよい。
Ｙｂ添加コア光ファイバの他の作製方法としては、非特許文献１中に記載されているようなＭＣＶＤ法＋液浸法が代表的である。この方法では、まず、クラッドガラスとなる石英ガラス管内にＳｉＣｌ４，ＧｅＣｌ４，Ｏ２ガスなどを流通させ、石英ガラス管の外側に設置された酸水素バーナーなどの熱源により、ＳｉＣｌ４，ＧｅＣｌ４を酸化反応させてＳｉＯ２，ＧｅＯ２ガラス微粒子を生成させ、石英ガラス管の内側に堆積させる。この時、堆積させる際の温度を下げて、完全な透明ガラスに至らないように制御し多孔質状態とする。次に、作製した多孔質ガラス層を内面に有する石英ガラス管の内部に、Ｙｂイオンを含む溶液を導入して多孔質部分に溶液を浸透させる。溶液を十分に浸透させた後、溶液を石英ガラス管から取り出し、管を乾燥させ、塩素雰囲気中で脱水を行った後、多孔質部分を透明化し、さらに中実化させてＹｂ添加コア光ファイバ用母材を作製する。必要に応じ、作製した母材の周りにクラッド部分となるガラスを合成し、光ファイバ製造用の透明ガラス母材としたのち、該母材を線引きしてＹｂ添加コア光ファイバを得る。さらに、得られた光ファイバを用いてＹｂ添加コア光ファイバレーザーを構成することができる。
図１は、Ｙｂ添加コア光ファイバレーザーの構成の一例を示す図である。このＹｂ添加コア光ファイバレーザーは、Ｙｂ添加コア光ファイバ１と、該ファイバの一端から励起光を入射するように結合された励起光源としてのＬＤ２と、Ｙｂ添加コア光ファイバ１の両端部に結合された光ファイバグレーティング３，４とを備えて構成されている。
特開平１１−３１４９３５号公報 特開平３−２６５５３７号公報 須藤昭一編 エルビウム添加光ファイバ増幅器 オプトロニクス社 Laser Focus World Japan 2005.8, 51-53頁 発行所：株式会社イーエクスプレス Z. Burshtein, et. al., "Impurity Local Phonon NonradiativeQuenching of Yb3+ Fluorescence in Ytterbium-Doped Silicate Glasses", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 36, No. 8, August 2000, pp. 1000-1007
従来の製法を用いてＹｂ添加コア光ファイバを作製し、図１に示すようなＹｂ添加コア光ファイバレーザーを構成し、レーザー発振を試みたところ、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力が、時間の経過とともに減衰してしまい、ついにはレーザー発振が停止してしまうという現象が本発明者等により観測された。さらに、光ファイバレーザー用途の光ファイバとしてメーカーから市販されているＹｂ添加コア光ファイバについても、同様の現象を生じることが本発明者等によって観察された。このため従来のＹｂ添加コア光ファイバでは、光ファイバレーザーの長時間使用に耐えることができないことが判明した。このレーザー発振光の出力減衰は「フォトダークニング」と呼ばれる現象によって引き起こされることが、非特許文献２に記載されている。そして前述した現象は、フォトダークニングにより励起光とレーザー発振光のパワー損失が生じてしまい、レーザー発振光の出力減衰が起こることによると考えられる。
フォトダークニングは、前述した濃度消光とは明らかに異なる現象である。
濃度消光は希土類イオン同士がガラス中で凝集（クラスター化）することによって励起された電子エネルギーが、非放射的な過程を介して失われ易くなる現象である。レーザー発振中に希土類イオンの凝集状態が大きく変化することは通常は起こらないので、長時間のレーザー発振を行ったとしても濃度消光の度合いは変化せず、レーザー発振出力が時間とともに減衰する要因にはならない。従来技術である特許文献１および２は、希土類元素ドープガラスを用いて得られた光ファイバの濃度消光に対しては解決することができるかもしれないが、フォトダークニング現象が起因となって引き起こされるレーザー発振出力の減衰に対しては、従来技術では解決できない。
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、長時間使用しても十分なレーザー発振出力を維持することが可能な光ファイバレーザーを作製し得る希土類添加コア光ファイバの提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、少なくともアルミニウムとイッテルビウムとを含む石英系ガラスからなるコアと、このコアの周囲に設けられた、コアよりも低屈折率の石英系ガラスからなるクラッドと、このクラッドの外周に設けられた、クラッドよりも低屈折率のポリマー層とを有し、
フォトダークニング損失増加量ＴＰＤが、下記不等式（Ａ）
［式（Ａ）中、ＴＰＤは波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量の所望値（単位はｄＢ）、ＤＡｌはコアに含まれるアルミニウム濃度（単位は質量％）、ＡＹｂはコアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量（単位はｄＢ／ｍ）をそれぞれ表す］を満たすように、コアにアルミニウムおよびイッテルビウムが添加されている希土類添加コア光ファイバを提供する。
また、本発明は、少なくともアルミニウムとイッテルビウムとを含む石英系ガラスからなるコアと、このコアの周囲に設けられ、コアよりも低屈折率の石英系ガラスからなるクラッドと、このクラッドの外周に、クラッドよりも低屈折率のポリマー層を有し、
コアのアルミニウム濃度が２質量％以上であり、かつコアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量が８００ｄＢ／ｍ以下となるような濃度でイッテルビウムが添加されている希土類添加コア光ファイバを提供する。
前記希土類添加コア光ファイバにおいて、前記クラッドが、コアの近隣側に位置する内側クラッドと、この内側クラッドの外側に位置する外側クラッドとからなり、コアの屈折率ｎ１、内側クラッドの屈折率ｎ２、外側クラッドの屈折率ｎ３、ポリマー層の屈折率ｎ４が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たしていることが好ましい。
本発明の希土類添加コア光ファイバにおいて、前記ポリマー層と接しているクラッド外周の形状が非円形であることが好ましい。
本発明の希土類添加コア光ファイバにおいて、前記ポリマー層と接しているクラッド外周の形状が六角形、七角形、八角形、九角形、Ｄ型の群から選択される１種であることが好ましい。
本発明の希土類添加コア光ファイバにおいて、クラッドガラスの一部に空孔が存在していることが好ましい。
本発明の希土類添加コア光ファイバにおいて、前記コアはフッ素を含むことが好ましい。
本発明の希土類添加コア光ファイバは、少なくともアルミニウムとイッテルビウムとを含む石英系ガラスからなるコアと、このコアの周囲に設けられ、コアよりも低屈折率の石英系ガラスからなるクラッドと、このクラッドの外周に、クラッドよりも低屈折率のポリマー層を有し、フォトダークニング損失増加量ＴＰＤが、上記不等式（Ａ）を満たすように、コアにアルミニウムおよびイッテルビウムが添加されている構成とした。その結果、希土類元素をレーザー活性物質とした光ファイバレーザーとして本発明の希土類添加コア光ファイバを用いると、長時間レーザー発振をしてもレーザー発振波長の光の出力が減衰しなくなり、長時間使用しても十分なレーザー発振出力を維持することが可能な光ファイバレーザーを作製することができる。
光ファイバレーザーの構成の一例を示す図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第１実施形態を示す断面図である。 本発明のＹｂ添加コア光ファイバのＹｂによる光吸収スペクトルを示すグラフである。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第２実施形態を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバの第３実施形態の例を示す断面図である。 円形対称であるクラッドに励起光を入射した場合の光の伝搬を示す図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバにおける、クラッドの一部に空孔を設けた構造の例を示す断面図である。 本発明の希土類添加コア光ファイバにおける、クラッドの一部に空孔を設けた構造の例を示す断面図である。 本発明の実施例１の希土類添加コア光ファイバを示す断面図である。 実施例で用いたフォトダークニング損失増加量測定装置における測定手順を示す構成図である。 本発明の実施例１で測定されたフォトダークニング損失増加量の結果を示すグラフである。 本発明の実施例１で測定されたフォトダークニング損失増加量の結果を示すグラフである。 本発明の実施例１で用いられた光ファイバレーザーを示す構成図である。 本発明の実施例１で測定された光ファイバレーザーのレーザー発振出力パワーの時間変化を示すグラフである。 本発明の実施例２で測定されたフォトダークニング損失増加量の結果を示すグラフである。 Ｙｂ光吸収量８００ｄＢ／ｍにおける、フォトダークニング損失増加量とＡｌ濃度の関係を示すグラフである。 本発明の実施例３の希土類添加コア光ファイバを示す断面図である。 本発明の実施例３で用いられた光ファイバレーザーを示す構成図である。 比較例のＹｂ添加コア光ファイバを示す断面図である。
符号の説明
１…Ｙｂ添加コア光ファイバ、２…励起光源、３，４…光ファイバグレーティング、１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０…希土類添加コア光ファイバ、１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１…コア、１２，３２，５２，６２…クラッド、１３，２４，３３，４４，５３，６３，７４…ポリマー層、２２，４２，７２…内側クラッド、２３，４３，７３…外側クラッド、６４，７５，７６…空孔。
特許文献１および２には、ＳｉＯ２系の組成からなるホストガラス中に希土類元素、アルミニウム、フッ素が添加された希土類元素ドープガラスおよびその製造方法が示されており、希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）を用い、またそのＹｂドープガラスをコア部に用いてＹｂ添加コア光ファイバとすることは、従来技術でも可能である。しかしながら、特許文献１および２には希土類としてエルビウム（Ｅｒ）を選択したものに限り詳細な記載がなされているが、希土類としてイッテルビウムを選択したものについては何ら記載がない。また特許文献１および２に開示されている技術は、希土類元素の濃度消光を解決するための手段であり、したがって、レーザー発振光が経時的に出力減衰するという課題に対しては、従来技術によるＹｂ添加コア光ファイバを用いても解決することは困難である。さらに言えば、Ｙｂ添加コア光ファイバ中のイッテルビウムイオン（Ｙｂ３＋）のレーザー発振に関与するエネルギー準位は、基底状態の２Ｆ７／２状態と励起状態の２Ｆ５／２状態の２つだけであるため、濃度消光が起こり難いということが知られており、非特許文献３には、アルミニウムおよびフッ素が添加されていないガラス中で濃度消光が生じる時のイッテルビウム濃度は５×１０２０ｃｍ−３であることが示されている。
光ファイバレーザーに使用されるＹｂ添加コア光ファイバは、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量が１００〜２０００ｄＢ／ｍの範囲となるようにイッテルビウムの濃度が調整されていることが一般的である。これをイッテルビウム濃度に換算すると０．１１×１０２０ｃｍ−３〜２．２×１０２０ｃｍ−３となり、非特許文献３に示された濃度消光が生じる時のイッテルビウム濃度よりも小さい。したがってイッテルビウムの濃度消光を抑制するために必要なアルミニウムは必要ないと考えられる。
一方、レーザー発振光の出力減衰という課題に対しては、後述するように、こちらもＹｂ添加コア光ファイバにアルミニウムを添加することが解決手段となるが、その時のアルミニウム添加量は濃度消光を抑制するのに必要なアルミニウム添加量よりもはるかに多い。例えば、コアのフッ素濃度が０．６質量％、アルミニウム濃度が０．１質量％、かつコアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量が１０００ｄＢ／ｍとなるような濃度でイッテルビウムが添加されているＹｂ添加コア光ファイバは、濃度消光はまったく観測されなかったが、フォトダークニングによる損失増加は顕著に現れた。さらにコアのフッ素濃度を０．６質量％、アルミニウム濃度を０．１質量％として、Ｙｂ光吸収量が２００ｄＢ／ｍから１９００ｄＢ／ｍまでの範囲で幾つか異なるＹｂ添加コア光ファイバについて蛍光寿命を測定した。結果を表１に示す。
Ｙｂ光吸収量によらず蛍光寿命は一定の値であり、ゆえにＹｂ光吸収量が２００ｄＢ／ｍから１９００ｄＢ／ｍまでの範囲においても濃度消光は起こっていない。
従来技術である特許文献１および２では、イッテルビウム、アルミニウム、フッ素の濃度に関して適切な濃度が示されておらず、レーザー発振光の出力減衰という課題は従来技術によるＹｂ添加コア光ファイバを用いても解決することは困難である。
一方、本発明の希土類添加コア光ファイバは、レーザー発振光の出力減衰という課題を解決するために、以下の特徴を有する。少なくともアルミニウムとイッテルビウムとを含む石英系ガラスからなるコアを有する。コアよりも低屈折率の石英系ガラスからなるクラッドがコアの周囲に設けられている。クラッドよりも低屈折率のポリマー層をクラッドの外周に有する。また、フォトダークニング損失増加量が所望の値になるように、コアに含まれるアルミニウム濃度および、コアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量が調整されている。
（第１実施形態の第１例）
本発明による希土類添加コア光ファイバの第１実施形態の第１例について、図２を参照して説明する。
本例の希土類添加コア光ファイバ１０は、希土類元素が添加されたコア１１と、コア１１を囲み、コア１１よりも低屈折率のクラッド１２と、クラッド１２の外周にクラッド１２よりも低屈折率のポリマー層１３とから構成されている。
図２の希土類添加コア光ファイバ１０は、アルミニウム（Ａｌ）と希土類元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）とを含む石英系ガラスからなるコア１１と、コア１１の周囲に設けられた石英（ＳｉＯ２）ガラスからなるクラッド１２と、クラッド１２の外周にクラッド１２よりも低屈折率のポリマー層１３とを有する。また、コアのＡｌ濃度は、２質量％以上としてある。さらに、このコアに含まれるＹｂによってもたらされる光吸収のうち、波長９７６ｎｍ付近に位置する光吸収帯のピーク光吸収量が８００ｄＢ／ｍ以下となるような濃度でＹｂがコアに含まれている。図３に、本発明による希土類添加コア光ファイバのＹｂによる光吸収スペクトルの一例を示す。
コアにＹｂを添加した希土類添加コア光ファイバを用いて光ファイバレーザーを構成すると、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光を出力する光ファイバレーザーが得られる。しかしながら、従来のＹｂ添加コア光ファイバを用いた光ファイバレーザーでは、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力が、時間の経過とともに減衰してしまい、ついにはレーザー発振が停止してしまうという現象が生じる。
一方、本発明の希土類添加コア光ファイバを用いて構成された光ファイバレーザーでは、長時間レーザー発振をしても、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力の減衰速度を大幅に低減させることができる。コアのＡｌ濃度が高いほど、光ファイバレーザーのレーザー発振出力の減衰速度は小さくなる。また、コアに含まれるＹｂ濃度が高いほど、光ファイバレーザーのレーザー発振出力の減衰速度が大きくなるので、コアのＡｌ濃度およびＹｂによってもたらされる光吸収量を本発明の希土類添加コア光ファイバのようにすることで、光ファイバレーザーにおける出力の減衰速度を大幅に低減させることができる。
また、本発明のような構造とすることにより、本発明の希土類添加コア光ファイバをダブルクラッド光ファイバとすることが可能となり、より高出力な励起光パワーを供給して、より高出力なレーザー発振を得ることができる。
具体的には、励起光をダブルクラッド光ファイバのクラッドに注入すると、励起光はクラッドを伝搬し、伝搬する間にコアに添加されている希土類に励起光パワーを供給して、コア内を伝搬する光（信号光やビームなど）を増幅したり、レーザー発振させることができる。また、ポリマー層の屈折率を石英ガラスよりも小さくすることで、ポリマー層に囲まれたクラッドの開口数（ＮＡ）を大きくすることができるとともに、クラッドの断面積も大きくできるので、ダブルクラッド光ファイバに高出力な励起光パワーを供給することが可能である。
従来の希土類添加コア光ファイバでは、高出力な励起光パワーでは、レーザー発振出力の劣化がより顕著になり、ダブルクラッド光ファイバとしての使用に耐えられない。一方、本発明の希土類添加コア光ファイバは、前述したような組成のコアを有し、さらに本実施形態において示されるように、クラッド外周にポリマー層を有するダブルクラッド光ファイバであるので、長時間レーザー発振を維持することが可能である。
（第１実施形態の第２例）
本発明による希土類添加コア光ファイバの第１実施形態の第２例について、具体例を挙げて説明する。
本例の希土類添加コア光ファイバの基本構造は、図２に示す希土類添加コア光ファイバとほぼ同じであるが、アルミニウム（Ａｌ）と希土類元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）とを含む石英系ガラスからなるコアには、コアに含まれるアルミニウム濃度をＤＡｌ（単位は質量％）、コアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量をＡＹｂ（単位はｄＢ／ｍ）としたときに、前記不等式（Ａ）を満たすように、アルミニウム及びイッテルビウムが添加されている。
前記不等式（Ａ）中、ＴＰＤとはＹｂ添加コア光ファイバにおける波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量の所望の値であり単位はｄＢである。ＴＰＤは、本発明のＹＢ添加コア光ファイバを用いて光ファイバレーザーを設計する時に決められる値であり、光ファイバレーザーの出力減衰速度の許容値、使用環境、Ｙｂ添加コア光ファイバに入力される励起光源の強度、レーザー発振出力の所望値などを考慮して決定される値である。ＴＰＤをある値に設定した場合、Ｙｂ添加コア光ファイバのフォトダークニング損失増加量がＴＰＤ以下であれば、このＹｂ添加コア光ファイバを用いた光ファイバレーザーは良好な特性が得られる。逆に、Ｙｂ添加コア光ファイバのフォトダークニング損失増加量がＴＰＤを超える値である場合、このＹｂ添加コア光ファイバを用いた光ファイバレーザーのレーザー発振出力の減衰速度が想定よりも大きくなってしまうため、長時間のレーザー発振を行うことができない。
不等式（Ａ）の右辺からは、コアに含まれるアルミニウム濃度ＤＡｌ（単位は質量％）およびコアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量をＡＹｂ（単位はｄＢ／ｍ）という２つのバラメータを用いてＹｂ添加コア光ファイバのフォトダークニング損失増加量を推定することができる。
ただし、不等式（Ａ）は、試作した様々なＹｂ添加コア光ファイバのアルミニウム濃度、Ｙｂ光吸収量、フォトダークニング損失増加量のデータから得られた経験式である。経験式が得られた過程については後述する。
本発明のように、フォトダークニング損失増加量が所望の値になるように、コアに含まれるアルミニウム濃度、および、コアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量が調整されている希土類添加コア光ファイバであれば、Ｙｂ添加コア光ファイバ中のイッテルビウムの濃度が大小様々であっても、本発明の希土類添加コア光ファイバを用いた光ファイバレーザーは良好な特性が得られる。特に、
・長時間レーザー発振をしてもレーザー発振波長の光の出力が殆ど減衰しなくなり、長時問使用しても十分なレーザー発振出力を維持することが可能。
・Ｙｂ添加コア光ファイバ中のイッテルビウムの濃度を高くしても、レーザー発振波長の光の出力減衰を小さいまま維持できる。
・Ｙｂ添加コア光ファイバ中のイッテルビウムの濃度を高くすることができるので、レーザー発振に必要な光ファイバが短くて済む。これによりコスト低減、非線形光学現象によるノイズ光発生の抑制などができる。
などの効果を得ることができる。
また、本発明のような構造とすることにより、本発明の希土類添加コア光ファイバをダブルクラッド光ファイバとすることが可能となり、より高出力な励起光パワーを供給して、より高出力なレーザー発振を得ることができる。
具体的には、励起光をダブルクラッド光ファイバのクラッドに供給すると、励起光はクラッドを伝搬し、伝搬する間にコアに添加されている希土類に励起パワーを供給して、コア内を伝搬する光（信号光やビームなど）を増幅したり、レーザー発振させることができる。また、ポリマー層の屈折率を石英ガラスよりも小さくすることで、ポリマー層に囲まれたクラッドの開口数（ＮＡ）を大きくすることができるとともに、クラッドの断面積も大きくできるので、ダブルクラッド光ファイバに高出力な励起光パワーを供給することが可能である。
従来の希土類添加コア光ファイバでは、高出力な励起光パワーでは、レーザー発振出力の劣化がより顕著になり、ダブルクラッド光ファイバとしての使用に耐えられない。一方、本発明の希土類添加コア光ファイバは、前述したような組成のコアを有し、さらに本実施形態において示すようにクラッド外周にポリマー層を有するダブルクラッド光ファイバであるので、長時間レーザー発振を維持することが可能である。
（第２実施形態）
本発明による希土類添加コア光ファイバの第２実施形態について、図４を参照して説明する。
本例の希土類添加コア光ファイバ２０は、希土類元素が添加されたコア２１と、コア２１の近隣側に位置する内側クラッド２２と、内側クラッド２２の外側に位置する外側クラッド２３と、外側クラッド２３の外側に位置するポリマー層２４とから構成されている。
図４の希土類添加コア光ファイバ２０は、アルミニウム（Ａｌ）と希土類元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）とを含む石英系ガラスからなるコア２１と、コア２１の近隣側に設けられたゲルマニウム（Ｇｅ）を含む石英系ガラスからなる内側クラッド２２と、内側クラッド２２の外側に設けられた石英ガラスからなる外側クラッド２３と、外側クラッド２３の外側にそれよりも低屈折率のポリマー層２４とを有する。
この希土類添加コア光ファイバ２０は、コア２１の屈折率ｎ１、内側クラッド２２の屈折ｎ２、外側クラッド２３の屈折率ｎ３およびポリマー層２４の屈折率ｎ４が、
ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４となるような屈折率構造を有している。すなわち本構造は、クラッドが内側クラッド２２、外側クラッド２３、そしてポリマー層２４とからなるトリプルクラッド構造となっている。
このような構造とすることで、コア２１と内側クラッド２２との屈折率差ｎＡ（＝ｎ１−ｎ２）を、コア２１と外側クラッド２３との屈折率差ｎＢ（＝ｎ１−ｎ３）よりも小さくすることができるので、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の有効断面積Ａｅｆｆをより大きくすることができ、誘導ラマン散乱、誘導ブリルアン散乱、四光波混合などの非線形光学現象によるノイズ光の発生を低滅することができる。従来の光ファイバで有効断面積Ａｅｆｆを大きくするためには、コアとクラッドとの屈折率差を小さくする必要があり、コアに含まれるＡｌやゲルマニウムなどのドーパントを少なくしなければならないが、Ａｌ濃度が低いと、光ファイバレーザーにおける出力の減衰速度が大きくなってしまう。
本実施形態の希土類添加コア光ファイバ２０は、コア２１に十分な量のＡｌを添加できるとともに、有効断面積Ａｅｆｆをより大きくすることができ、本実施形態の希土類添加コア光ファイバ２０を用いた光ファイバレーザーは、より高性能、高品質なものとすることができる。
（第３実施形態）
本発明による希土類添加コア光ファイバの第３実施形態について、図５，６を参照して説明する。
本実施形態の第１例の希土類添加コア光ファイバ３０は、希土類元素が添加されたコア３１と、コア３１を囲み、それよりも低屈折率のクラッド３２と、クラッド３２の外周にそれよりも低屈折率のポリマー層３３とから構成され、ダブルクラッド構造をなしている。
本実施形態の第２例の希土類添加コア光ファイバ４０は、希土類元素が添加されたコア４１と、コア４１の近隣側に位置する内側クラッド４２と、内側クラッド４２の外側に位置する外側クラッド４３と、外側クラッド４３の外側に位置するポリマー層４４とから構成され、トリプルクラッド構造をなしている。
本発明の第３実施形態は、本発明の第１実施形態あるいは第２実施形態に加えて、ポリマー層３３，４４と接しているクラッド３２，４３の外周の形状が非円形となっている。
具体的には、例えば図５Ａに示されるようにポリマー層３３Ａと接しているクラッド３２Ａや、図６Ａに示されるようにポリマー層４４Ａと接している外側クラッド４３Ａの形状が六角形である場合、図５Ｂに示されるようにポリマー層３３Ｂと接しているクラッド３２Ｂや、図６Ｂに示されるようにポリマー層４４Ｂと接している外側クラッド４３Ｂの形状が七角形である場合、図５Ｃに示されるようにポリマー層３３Ｃと接しているクラッド３２Ｃや、図６Ｃに示されるようにポリマー層４４Ｃと接している外側クラッド４３Ｃの形状が八角形である場合、図５Ｄに示されるようにポリマー層３３Ｄと接しているクラッド３２Ｄや、図６Ｄに示されるようにポリマー層４４Ｄと接している外側クラッド４３Ｄの形状が九角形である場合、図５Ｅに示されるようにポリマー層３３Ｅと接しているクラッド３２Ｅや、図６Ｅに示されるようにポリマー層４４Ｅと接している外側クラッド４３Ｅの形状がＤ型である場合がある。
励起光をダブルクラッド光ファイバのクラッドに供給すると、励起光はクラッドを伝搬し、伝搬する間にコアに添加されている希土類に励起パワーを供給して、コア内を伝搬する光（信号光やビームなど）を増幅したり、レーザー発振させることができる。しかし、図７に示す光ファイバ５０のように、クラッド５２が円形対称である場合、図７に示すような角度で入射した励起光は、ポリマー層５３との界面で反射し、一定角度で螺旋を描きながらクラッド５２内を伝搬してしまい、コア５１に結合できない。そのため、コア５１に励起パワーを供給できる入射パスは一部に限られてしまい、クラッド５２に入射した全励起光のうち僅かにすぎないといった問題点が生じる。
本発明のようにポリマー層と接しているクラッド外周の形状を非円形とすることで、クラッドに入射した励起光は、クラッドとポリマー層の界面で反射しながら伝搬する際、光ファイバの横断面において極めてランダムな軌跡を形成しながら、クラッドで囲まれた領域内を伝搬する。その結果、励起光がコアを通過する確率が高められ、コアを伝搬する信号光の増幅効率を良好なものにすることができる。
励起光がコアを通過する確率が高められる結果、コアに供給される励起光パワーはより大きなものとなる。ＹｂおよびＡｌが添加されているコアの組成や濃度などが、従来の希土類添加コア光ファイバと同様であった場合、レーザー発振出力の劣化がより顕著になり、ダブルクラッド光ファイバとしての使用に耐えられない。一方、本発明の希土類添加コア光ファイバは、前述したような組成のコアを有し、さらに本実施形態において示すようにクラッド外周にポリマー層を有するダブルクラッド光ファイバまたはトリプルクラッド光ファイバで、かつ、ポリマー層と接しているクラッド外周の形状が非円形となっているので、励起光がコアを通過する確率が高められ、コア内を伝搬する信号光の増幅効率を良好なものとすることができて、かつ、長時間レーザー発振を維持することが可能となる。
本発明による希土類添加コア光ファイバにおいて、クラッドの一部に空孔を設けることでも、長時間レーザー発振を維持し得るダブルクラッド光ファイバまたはトリプルクラッド光ファイバとすることが可能である。また、空孔位置を最適化することにより、スキュー光の低減などを達成することができる。
図８Ａおよび図８Ｂに、クラッドの一部に空孔を設けた希土類添加コア光ファイバの具体的な構造を示す。
図８Ａに示す希土類添加コア光ファイバ６０では、クラッド６２の一部に複数の空孔６４，６４，・・・が設けられている。
このような構造とすることで、クラッド６２に入射した励起光は、クラッド６２とポリマー層６３の界面で反射しながら伝搬する際、クラッド６２に設けた空孔６４，６４，・・・とクラッド６２との界面においても励起光が反射しながらクラッド６２内を伝搬する。従って、この励起光は、光ファイバの横断面において、より一層ランダムな勅跡を形成しながらクラッド６２で囲まれた領域内を伝搬し、その結果、励起光がコア６１を通過する確率が高められ、コア６１内を伝搬する信号光の増幅効率を良好なものにすることができる。
同様に、図８Ｂに示す希土類添加コア光ファイバ７０では、内側クラッド７２の一部に複数の空孔７５，７５，・・・が設けられ、外側クラッド７３の一部に複数の空孔７６，７６，・・・が設けられている。
このような構造とすることで、外側クラッド７３に入射した励起光は、外側クラッド７３とポリマー層７４の界面で反射しながら伝搬する際、外側クラッド７３に設けた空孔７６，７６，・・・と外側クラッド７３との界面においても励起光が反射しながら外側クラッド７３内を伝搬する。従って、この励起光は、光ファイバの横断面において、より一層ランダムな軌跡を形成しながら外側クラッド７３で囲まれた領域内を伝搬し、その結果、励起光がコア７１を通過する確率が高められ、コア７１内を伝搬する信号光の増幅効率を良好なものにすることができる。
本発明による希土類添加コア光ファイバにおいて、コアにＹｂ、Ａｌに加えてさらにフッ素（Ｆ）も添加させることが好ましい。コアにＡｌを添加する場合、Ａｌ濃度が高いと、コアの屈折率が上昇してしまい、モードフィールド径、カットオフ波長などの光学特性が変化してしまうが、本発明ではコアにフッ索を添加することによって、Ａｌ濃度増加による屈折率上昇を相殺している。その結果、光ファイバとして適正なコアの屈折率やクラッドとの比屈折率差を維持したまま、Ａｌを高濃度で添加することが可能となる。
以下、実施例および比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
［実施例１］
図９に示すような構造のＹｂ添加コアダブルクラッド光ファイバで、コアに含まれるＡｌおよびＹｂ濃度が異なる複数の光ファイバを用意した。
用意したＹｂ添加コア光ファイバのクラッド直径は１２５μｍ、ポリマー層の外径は１７５μｍ、コア直径はＡｌ濃度に応じて５μｍ〜１１μｍとし、コアのＡｌ濃度は、０質量％、１質量％、２質量％、３質量％の４種類とした。いずれの光ファイバでも、ポリマー層にはクラッドの屈折率よりも小さい材質を使用した。具体的には、フッ素化アクリル樹脂配合物とした。ポリマー層の屈折率はおよそ１．３８とした。また、これらＹｂ添加コア光ファイバのＹｂ濃度が異なるものも複数用意し、Ｙｂ濃度によってもたらされる波長９７６ｎｍ付近の光吸収帯のピーク光吸収量が１００ｄＢ／ｍから１５００ｄＢ／ｍの範囲内で吸収量が異なるようにしてある。
用意したＹｂ添加コア光ファイバのレーザー発振光のパワー減衰特性を評価するにあたっては、非特許文献２の「フォトダークニングの計測システム」を参考にした。前述した通り、レーザー発振光のバワー劣減は、フォトダークニングによるパワー損失が原因であると考えられる。Ｙｂ添加コア光ファイバに波長９７６ｎｍの励起光を強いパワーで入射すると、フォトダークニングが生じて損失が生じる。波長９７６ｎｍの励起光を一定時間入射後、ある特定の波長での損失量を測定することで、被測定光ファイバにおけるフォトダークニング損失増加の大きさが測定でき、それはすなわちレーザー発振波長１０６０ｎｍの光の減衰速度と関係するので、Ｙｂ添加コア光ファイバのレーザー発振光のパワー減衰特性を評価することができる。
用意したＹｂ添加コア光ファイバを、図１０に示すようなフォトダークニング損失増加量測定装置にセットして測定を行った。
ここで、測定条件として被測定光ファイバの波長９７６ｎｍ付近のピーク光吸収量（単位；ｄＢ／ｍ）×サンプル長（単位：ｍ）＝３４０ｄＢとなるようにサンプル長を調整し、波長９７６ｎｍ励起光の光パワーを４００ｍＷとした。励起光の入射を１００分間行った後の波長８１０ｎｍのフォトダークニング損失増加量を測定した。測定結果を、図１１Ａおよび図１１Ｂに示す。
図１１Ａおよび図１１Ｂによると、単位長さ当たりのＹｂ光吸収量が大きいほど、つまり光ブァイバコア部のＹｂ濃度が大きいほど、波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量が大きいことが分かる。また、光ファイバコア部のＡｌ濃度が大きいほど、波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量が小さくなっている。
次に、Ｙｂ添加コア光ファイバを用いて光ファイバレーザーを構成し、その光ファイバレーザーを長時間に渡って発振させ、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力パワーを観測した。
図１２に、光ファィバレーザーの構成を示す。この光ファイバレーザーは、励起ＬＤ、光ファイバグレーティングＡ、Ｙｂ添加コア光ファイバおよび光ファイバグレーティングＢから構成されている。
Ｙｂ添加コア光ファイバは、コアと、クラッドと、ポリマー層を有するダブルクラッド光ファイバであり、本発明のＹｂ添加コア光ファイバを用いた。
また、比較のために従来のＹｂ添加コア光ファイバも使用した。
本発明のＹｂ添加コア光ファイバおよび従来のＹｂ添加コア光ファイバの、コアに含まれるＡｌの濃度、Ｙｂによってもたらされる波長９７６ｎｍ付近の光吸収帯のピーク光吸収量、そして波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量をそれぞれ表２に示す。
また、上記Ｙｂ添加コア光ファイバのコア直径は７．５μｍ、クラッド直径は１２５μｍ、ポリマー層の外径は１７５μmとした。また、ポリマー層はクラッドの屈折率よりも小さい材質を使用し、その屈折率をおよそ１．３８とした。コアとクラッドとの比屈折率差Δは、表２の本発明品１および本発明品２は０．２３％であり、従来品は０．２１％となった。
図１１Ｂからも明らかなように、本発明品のＹｂ添加コア光ファイバはＡｌ濃度が２質量％、ピーク光吸収量が８００ｄＢ／ｍ以下であるので、フォトダークニング損失増加量は０．５ｄＢ以下であった。一方、従来品はＡｌの濃度が２質量％よりも小さく、ピーク光吸収量が８００ｄＢ／ｍ以上であるため、フォトダークニング損失増加量は０．５ｄＢを超えていた。
光ファイバグレーティングＡも光ファイバで構成されており、この光ファイバもコアと、クラッドと、ポリマー層を有するダブルクラッド光ファイバである。
ただし、コアヘの添加物はゲルマニウム（Ｇｅ）のみとし、コアとクラッドとの比屈折率差Δが０．２３％となるようにＧｅの濃度を調整した。コア直径は７．５μｍ、クラッド直径は１２５μｍ、ポリマー層の外径は１７５μｍとした。また、ポリマー層はクラッドの屈折率よりも小さい材質を使用し、その屈折率をおよそ１．３８とした。光ファイバグレーティングＡは、反射波長１０６０ｎｍにおける反射率をほぼ１００％とした。
光ファイバグレーティングＢも光ファイバで構成されており、この光ファイバはコアと、クラッドと、クラッドの外周には屈折率の高い保護被覆層を設けた通常のシングルモード光ファイバである。
ただし、コアヘの添加物はゲルマニウム（Ｇｅ）のみとし、コアとクラッドとの比屈折率差Δが０．２３％となるようにＧｅ濃度を調整した。コア直径は７．５μｍ、クラッド直径は１２５μｍ、保護被覆の外径は２５０μｍとした。光ファイバグレーティングＢは、反射波長１０６０ｎｍにおける反射率を１０％とした。
励起ＬＤから波長９７６ｎｍの励起光を、光ファイバグレーティングＡを介してＹｂ添加コア光ファイバに入射した。この時、波長９７６ｎｍの励起光パワーを１３Ｗとした。
励起光の入射によって光ファイバレーザーからはレーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力が得られた。
その光ファイバレーザーを長時間に渡ってレーザー発振させ、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力パワーの時間変化を測定した。結果を表３および図１３に示す。
波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量が０．５ｄＢ以下であるＹｂ添加コア光ファイバを用いて構成された光ファイバレーザーは、長時間レーザー発振してもレーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力がほとんど減衰しなかった。一方、波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量が０．５ｄＢよりも大きいＹｂ添加コア光ファイバを用いて構成された光ファイバレーザーは、時間の経過とともにレーザー発振波長１０６０ｎｍの光の大きな出力減衰が観測された。また、フォトダークニング損失増加量が大きいほど、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力減衰速度は大きかった。
表３および図１３より、３万時間後のレーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力は、本発明品１のＹｂ添加コア光ファイバを用いた光ファイバレーザーでは７．７Ｗ、本発明品２を用いた光ファイバレーザーでは７．１Ｗ、従来品を用いた光ファイバレーザーでは５．１Ｗになると予想される。本発明品を用いた光ファイバレーザーならば、３万時間という長時間レーザー発振させても、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力は、初期出力８Ｗに対して出力減衰はわずか１０％以下であることが分かった。
図１１Ｂからも明らかなように、Ｙｂ添加コア光ファイバのコアにおけるＡｌ濃度を２質量％以上とし、かつコアに含まれるＹｂによってもたらされる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に位置する光吸収帯のピーク光吸収量が８００ｄＢ／ｍ以下となるような濃度でＹｂを含有させることで、波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量が０．５ｄＢ以下であるＹｂ添加コア光ファイバとすることが可能である。そして、このようなＹｂ添加コア光ファイバを用いることで、光ファイバレーザーは長時間レーザー発振しても、レーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力をほとんど減衰させないようにすることが可能である。
［実施例２］
ここでは、前記不等式（Ａ）の導出方法について説明する。
実施例１で示したＹｂ添加コア光ファイバのフォトダークニング損失増加量の測定結果について、Ｙｂ光吸収量およびコアに含まれるアルミニウム濃度との関係を経験式で表すことを試みた。経験式の算出には、図１１Ａのデータを使用した。図１１Ａについて８１０ｎｍ損失増加量を対数表示にしたものを図１４に示す。図１４の曲線は指数関数の形をなしており、下記経験式（１）で表すことができた。
ここでＬＰＤは波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量（単位はｄＢ）、ＡＹｂは単位長さ当たりのＹｂ光吸収量（単位はｄＢ／ｍ）である。Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２はフィッティング係数である。図１４の各Ａｌ濃度のデータに対して経験式（１）を用いてそれぞれフィッティングを行った。最もフィッティングが合うように、Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２のフィッティング係数を調整しながらフィッティングを行った。各Ａｌ濃度に対してＣ０、Ｃ１、Ｃ２は表４のように求められた。
表４より、フィッティング係数Ｃ１、Ｃ２は、Ａｌ濃度が異なっていてもほとんど同じであるが、フィッティング係数Ｃ０はＡｌ濃度によって変化していることが分かった。フィッティング係数Ｃ１、Ｃ２はＡｌ濃度に対してほとんど不変だったので、各Ａｌ濃度で得られたＣ１、Ｃ２をそれぞれ平均した値である、Ｃ１＝４．３０４、Ｃ２＝０．００３４３として経験式（１）に代入して、下記経験式（２）を得た。
フィッティング係数Ｃ０は、Ａｌ濃度の変数になると予想される。
次に、図１４のデータのうち、単位長さ当たりのＹｂ光吸収量が８００ｄＢ／ｍのみに着目して、波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量とＡｌ濃度との関係を調べた。図１５に８１０ｎｍ損失増加量とＡｌ濃度の関係を示す。図１５は８１０ｎｍ損失増加量を対数表示にしてある。図１５を見たところ、８１０ｎｍ損失増加量の対数とＡｌ濃度は直線関係を示しているので、以下の経験式（３）で表すことができた。
ここでＤＡｌはコアに含まれるＡｌ濃度（単位は質量％）である。
経験式（３）は単位長さ当たりのＹｂ光吸収量が８００ｄＢ／ｍのみのデータを用いて得られた式であるから、経験式（２）のＡＹｂに８００ｄＢ／ｍを代入して、下記式（４）を得た。
式（３）に式（４）を代入することで、下記式（５）を得た。
式（２）に式（５）を代入することで、下記経験式（６）を得た。
式（６）を変形して、下記式（７）を得た。
よって式（７）はフォトダークニング損失増加量の測定結果について、Ｙｂ光吸収量およびコアに含まれるアルミニウム濃度との関係を表す経験式である。フォトダークニング損失増加量の測定値ＬＰＤが、前述したフォトダークニング損失増加量の所望の値ＴＰＤ以下であれば、つまり、下記式（８）
であれば、このＹｂ添加コア光ファイバを用いた光ファイバレーザーは良好な特性が得られることになる。
式（７）、式（８）より、前記不等式（Ａ）が得られる。
実施例１で示したように、フォトダークニング損失増加量が０．５ｄＢ以下であるＹｂ添加コア光ファイバを用いて構成された光ファイバレーザーは、長時間レーザー発振をしてもレーザー発振波長１０６０ｎｍの光の出力がほとんど減衰しなかった。そのようなＹｂ添加コア光ファイバを得るためには、不等式（Ａ）においてフォトダークニング損失増加量の所望の値をＴＰＤ＝０．５ｄＢとした不等式（Ｂ）を用い、この不等式の関係を満たすようなＹｂ光吸収量およびアルミニウム濃度とすればよい。
不等式（Ｂ）の効果を確認するために、図２に示すような構造のＹｂ添加コア光ファイバで、コアに含まれるＡｌ濃度およびＹｂ光吸収量が異なる９種類のファイバを用意した。各ファイバのＡｌ濃度およびＹｂ光吸収量を表５に示す。
サンプルＡ、Ｂ、Ｃは、Ｙｂ光吸収量を６００ｄＢ／ｍとしてあり、それぞれＡｌ濃度が異なる。サンプルＤ、Ｅ、Ｆは、Ｙｂ光吸収量を８００ｄＢ／ｍとしてあり、それぞれＡｌ濃度が異なる。サンプルＧ、Ｈ、Ｉは、Ｙｂ光吸収量を１０００ｄＢ／ｍとしてあり、それぞれＡｌ濃度が異なる。比較例であるサンプルＡ、Ｄ、ＧのＹｂ光吸収量およびＡｌ濃度をそれぞれ不等式（Ｂ）に代入してみると、いずれのファイバも不等式（Ｂ）の右辺は０．５を超えてしまうため、不等式（Ｂ）の条件を満たしていない。一方、本発明の光ファイバであるサンプルＢ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｈ、Ｉは、いずれも不等式（Ｂ）の条件を満たしている。
実施例１と同様に、サンプルＡからＩまでのＹｂ添加コア光ファイバについて、波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量測定を行った。結果を表５に示す。表５より、本発明の光ファイバであるサンプルＢ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｈ、Ｉは、いずれもフォトダークニング損失増加量が０．５ｄＢ以下であった。一方、比較例であるサンプルＡ、Ｄ、Ｇは、フォトダークニング損失増加量が０．５ｄＢよりも大きかった。
表５の結果からも明らかなように、コアに含まれるアルミニウム濃度およびコアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍに存在する光吸収帯のピーク光吸収量が不等式（Ｂ）を満たすようにコアにアルミニウムおよびイッテルビウムを添加することで、波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量が０．５ｄＢ以下であるＹｂ添加コア光ファイバを得ることが可能である。
［実施例３］
図１６に示すような構造のＹｂ添加コア光ファイバを用意した。
用意したＹｂ添加コア光ファイバのコア直径は２０μｍ、内側クラッド直径は１００μｍ、外側クラッド直径は４００μｍ、ポリマー層の外径は４４０μである。コアにはＹｂ、Ａｌを添加し、内側クラッドにはＧｅを添加し、外側クラッドは添加物のほとんどない石英ガラスとした。ポリマー層にはクラッドの屈折率よりも小さい材質を使用した。具体的には、フッ素化アクリル樹脂配合物とした。コアのＡｌ濃度を２．４質量％、Ｙｂ濃度によってもたらされる波長９７６ｎｍ付近の光吸収帯のピーク光吸収量を１５００ｄＢ／ｍとした。
コアの屈折率ｎ１、内側クラッドの屈折率ｎ２、外側クラッドの屈折率ｎ３およびポリマー層の屈折率ｎ４が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４となるように各部分の屈折率を調整した。具体的にはコアの屈折率ｎ１を１．４６０５、内側クラッドの屈折率ｎ２を１．４５９１、外側クラッドの屈折率ｎ３を１．４５６５、およびポリマー層の屈折率ｎ４を１．３８とした。
このＹｂ添加コア光ファイバの波長８１０ｎｍのフォトダークニング損失増加量を測定したところ、０．５ｄＢという結果が得られた。また、このＹｂ添加コア光ファイバのコア部分に波長１０６０ｎｍの光を導波させて、モードフィールド径、有効断面積Ａｅｆｆ、カットオフ波長を測定したところ、モードフィールド径は１７．２μｍ、有効断面積Ａｅｆｆは２５４μｍ２、カットオフ波長は１３００ｎｍという値が得られた。カットオフ波長については、Ｙｂ添加コア光ファイバを直径１５０ｍｍに曲げてコイル状にして再度測定したところ、カットオフ波長は１０６０ｎｍ以下となった。
次に、Ｙｂ添加コア光ファイバを用いて図１７に示すような光ファイバレーザーを構成した。
この光ファィバレーザーは、ＭＯ−ＰＡ方式（ＭＯ：マスターオシレーター、ＰＡ：パワーアンプ）であり、ＭＯ部から出射された波長１０６０ｎｍの信号光を、後方に設置したＹｂ添加コア光ファイバを用いて増幅して、高出力のレーザー光を得るというものである。Ｙｂ添加コア光ファイバは、２０台の励起ＬＤから出射される励起光によって励起される。励起ＬＤから出射された励起光は、マルチポートカプラを介してＹｂ添加コア光ファイバの内側クラッドおよび外側クラッドに入射した。ＭＯ部から出射された波長１０６０ｎｍの信号光は、Ｙｂ添加コア光ファイバのコア部に入射した。
この光ファイバレーザーから得られたレーザー光の波長スペクトルを測定したところ、中心波長１０６０ｎｍのレーザー光であった。波長１０６０ｎｍよりも長波長側には、特にスペクトルのピークは観測されず、誘導ラマン散乱は生じていなかった。
［比較例］
比較例として、図１８に示すような構造のＹｂ添加コア光ファイバを用意した。
用意したＹｂ添加コア光ファイバは、コア、クラッドおよびポリマー層から構成されており、クラッド直径は４００μｍ、ポリマー層の外径を４４０μｍとしてあり、コアにはＹｂ、Ａｌを添加し、クラッドは添加物のほとんどない石英ガラスとした。ポリマー層にはクラッドの屈折率よりも小さい材質を使用した。具体的には、フッ素化アクリル樹脂配合物とした。コアのＡｌ濃度を２．４質量％、Ｙｂ濃度によってもたらされる波長９７６ｎｍ付近の光吸収帯のピーク光吸収量を１５００ｄＢ／ｍとした。コアの屈折率ｎ１を１．４６０５、クラッドの屈折率ｎ２を１．４５６５、および、ポリマー層の屈折率ｎ３を１．３８とした。
コアと、コアに接するクラッドとの屈折率差ｎＡ（＝ｎ１−ｎ２）は、この比較例のＹｂ添加コア光ファイバでは０．００４０である。一方、実施例３のＹｂ添加コア光ファイバの屈折率差ｎＡはコアの屈折率ｎ１と内側クラッドの屈折率ｎ２との差なので０．００１５となる。したがって、比較例の方が、実施例３よりも屈折率差ｎＡが大きい。そのためコア直径を実施例３のＹｂ添加コア光ファイバと同じく２０μｍにすると、カットオフ波長が非常に長くなって、光ファイバレーザーでの使用において支障が出てしまう。カットオフ波長を実施例３の光ファイバと同じにするために、比較例のＹｂ添加コア光ファイバのコア直径を１０．３μｍとした。また、このＹｂ添加コア光ファイバのコア部分に波長１０６０ｎｍの光を導波させて、モードフィールド径、有効断面積Ａｅｆｆ、カットオフ波長を測定したところ、モードフィールド径は９．４μｍ、有効断面積Ａｅｆｆは７４μｍ２、カットオフ波長は１３００ｎｍという値が得られた。
実施例３と同じく、図１７に示す光ファイバレーザーを構成して、この光ファイバレーザーから得られたレーザー光の波長スペクトルを測定したところ、誘導ラマン散乱によるノイズ光が発生しており、波長１０６０ｎｍだけでなく、この波長よりも長波長側においてもレーザー光が出射されていることが観測された。
本発明の希土類添加コア光ファイバによれば、長時間レーザー発振をしてもレーザー発振波長の光の出力が減衰せず、長時間使用しても十分なレーザー発振出力を維持することが可能な光ファイバレーザーを作製することができる。

Claims (7)

  1. 少なくともアルミニウムとイッテルビウムとを含む石英系ガラスからなるコアと、このコアの周囲に設けられた、コアよりも低屈折率の石英系ガラスからなるクラッドと、このクラッドの外周に設けられた、クラッドよりも低屈折率のポリマー層とを有し、
    フォトダークニング損失増加量ＴＰＤが、下記不等式（Ａ）
    ［式（Ａ）中、ＴＰＤは波長８１０ｎｍでのフォトダークニング損失増加量の所望値（単位はｄＢ）、ＤＡｌはコアに含まれるアルミニウム濃度（単位は質量％）、ＡＹｂはコアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量（単位はｄＢ／ｍ）をそれぞれ表す］を満たすように、コアにアルミニウムおよびイッテルビウムが添加されている希土類添加コア光ファイバ。
  2. 少なくともアルミニウムとイッテルビウムとを含む石英系ガラスからなるコアと、このコアの周囲に設けられた、コアよりも低屈折率の石英系ガラスからなるクラッドと、このクラッドの外周に設けられた、クラッドよりも低屈折率のポリマー層とを有し、
    コアのアルミニウム濃度が２質量％以上であり、かつコアに含まれるイッテルビウムによる光吸収帯のうち、波長９７６ｎｍ付近に存在する光吸収帯のピーク光吸収量が８００ｄＢ／ｍ以下となるような濃度でイッテルビウムが添加されている希土類添加コア光ファイバ。
  3. 前記クラッドが、コアの近隣側に位置する内側クラッドと、該内側クラッドの外側に位置する外側クラッドとからなり、コアの屈折率ｎ１、内側クラッドの屈折率ｎ２、外側クラッドの屈折率ｎ３、ポリマー層の屈折率ｎ４が、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たしている請求項１または２に記載の希土類添加コア光ファイバ。
  4. 前記ポリマー層と接しているクラッド外周の形状が非円形である請求項１または２に記載の希土類添加コア光ファイバ。
  5. 前記ポリマー層と接しているクラッド外周の形状が六角形、七角形、八角形、九角形、Ｄ型の群から選択される１種である請求項４に記載の希土類添加コア光ファイバ。
  6. クラッドガラスの一部に空孔が存在している請求項１または２に記載の希土類添加コア光ファイバ。
  7. 前記コアはフッ素を含む請求項１または２に記載の希土類添加コア光ファイバ。
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