WO2011077984A1 - 増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器 - Google Patents

増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器 Download PDF

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Abstract

　ＬＰ０１モード以外の軸対称の高次モードが励振された場合においても、良好なビーム品質の光を出力することができる増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器を提供する。　コア５１と、コア５１を被覆するクラッド５２と、クラッド５２を被覆する外部クラッド５３とを有する増幅用光ファイバ５０であって、コア５１の屈折率は、クラッド５２の屈折率よりも高く、コア５１は、所定の波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードで伝播し、コア５１には、所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置において、コア５１の中心よりも高い濃度で添加されていることを特徴とする。

Description

増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器
　本発明は、増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器に関し、特に、ビーム品質を向上することができる増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器に関する。
　加工機や、医療機器等において使用されるファイバレーザ装置においては、レーザ発振器（ＭＯ：Master Oscillator）等の種光源から発生される光を、増幅用光ファイバによって増幅する光ファイバ増幅器が用いられる場合が多い。
　この増幅用光ファイバとして、コアに希土類元素等の活性元素が添加されたダブルクラッドファイバが用いられる場合がある。このダブルクラッドファイバとして、コアがシングルモード光のみを伝播するダブルクラッドファイバと、コアがマルチモード光を伝播するダブルクラッドファイバとがある。そして、コアがシングルモード光のみを伝播するダブルクラッドファイバにおいては、一般的にコアの直径が小さく、高出力のレーザ出力を得ようとするとコアを伝播する光の密度が高くなり過ぎる場合がある。この場合、非線形光学効果により光のエネルギーが所望でない波長に移行してしまうため、期待したレーザ出力が得られない。そこで、近年の光ファイバ増幅器の高出力化の要求に伴い、コアがマルチモード光を伝播するダブルクラッドファイバを用いた光ファイバ増幅器が注目されている。
　特許文献１には、マルチモード光を伝播する増幅用ダブルクラッドファイバのコアを伝播する光のＬＰ０１モードのみを励振するようなモードコンバータを配することで、マルチモード光を伝播する増幅用ダブルクラッドファイバにおいてもＬＰ０１モードを中心に増幅できることが示されている。さらに、特許文献１においては、ダブルクラッドファイバのコアの中心部に活性元素が添加され、コアの外周部に活性元素が添加されていない増幅用光ファイバを用いることで、利得導波なる効果でＬＰ０１モードが高次モードに比べて効果的に増幅されることが示唆されている。また、特許文献２には、ダブルクラッドファイバのコアの中心部に活性元素が添加され、さらにコアの外周部に光を吸収する吸収元素が添加されている増幅用光ファイバを用いることで、不要な高次モードを減衰させるアイデアが記載されている。
米国特許第５，８１８，６３０号明細書 米国特許第５，１２１，４６０号明細書
　しかし、光がマルチモード伝播できるダブルクラッドファイバを増幅用光ファイバとして用いると、伝播する光においてＬＰ０１モード（基本モード）以外に、ＬＰ０２モード等の高次モードが励振されてしまう。このような高次モードの存在は、出力される光が集光されづらくなる等、出力される光のビーム品質を低下させてしまう。
　また、特許文献１に記載されているモードコンバータを用いて、ＬＰ０１モードのみを励振するためには、入力される種光のモードフィールドの形状と、増幅用ダブルクラッドファイバを伝播する光のＬＰ０１モードのモードフィールドの形状とを一致させる必要がある。本発明者らの知見によると、高次モードの中でも非対称モードであるＬＰ１１モードを励振させないことは比較的容易であるが、軸対称モードであるＬＰ０２モードを励振させないことは困難である。さらに、このような高次モードは、入力時において僅かなパワーである場合や、増幅用光ファイバ内で発生する場合においても、一般的にＬＰ０１モードよりも増幅される比率が高いため、出力される光において高い比率を占めてしまうことを見いだした。特に光の増幅率が高い場合程、高次モードが増幅される比率が高くなり、出力される光のビーム品質が低下する傾向にあることがわかった。
　また、特許文献２に記載されているような光ファイバ増幅器を用いれば、軸対称の高次モードが励振された場合でも、そのモードが減衰することが予想されるが、増幅媒体に減衰物質を加えるためにＬＰ０１モードに対しても利得が下がってしまうという問題がある。
　そこで、本発明は、ＬＰ０１モード以外の軸対称の高次モードが励振された場合においても、良好なビーム品質の光を出力することができる増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記特許文献１に記載の光ファイバ増幅器において、ＬＰ０２モードが高い増幅率で増幅され、ビーム品質が良くない光が出力される場合がある理由について、鋭意検討した。その結果、ＬＰ０２モードは、ダブルクラッドファイバのコアの中心部において強度が強く、活性元素をコアの中心部のみに添加しても、ＬＰ０２モードも増幅されてしまうことが原因であるという結論に至った。そこで、本発明者らは、さらに鋭意検討を重ねて、本発明をするに至った。
　すなわち、本発明の増幅用光ファイバは、コアと、前記コアを被覆するクラッドと、前記クラッドを被覆する外部クラッドとを有する増幅用光ファイバであって、前記コアの屈折率は、前記クラッドの屈折率よりも高く、前記コアは、所定の波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードで伝播し、前記コアには、前記所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、前記ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置において、前記コアの中心よりも高い濃度で添加されていることを特徴とするものである。
　このような増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０１モード（基本モード）を含む光をコアに入力すると共に、クラッドに励起光を入力することで、励起光により、このＬＰ０１モードを含む光が増幅される。このとき、コアに入力するＬＰ０１モードを含む光にＬＰ０２モードが含まれる場合や、増幅用光ファイバ内においてＬＰ０２モードが励振する場合においても、軸対称の高次モードであるＬＰ０２モードの増幅を抑制できる。こうして、良好なビーム品質の光を出力することができる。なお、本発明者らは、このように、コア内に活性元素が均一に添加されている場合と比較して、ＬＰ０２モードの光出力に対するＬＰ０１モードの光の出力比が高くなる理由について、ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置において、コア中心よりも活性元素を多く添加することにより、ＬＰ０２モードの増幅率を抑制することができるので、出力光全体のパワーに対するＬＰ０１モードのパワーの比が高くなり、ビーム品質が向上すると考えている。
　また、本発明の増幅用光ファイバは、コアと、前記コアを被覆するクラッドと、前記クラッドを被覆する外部クラッドとを有する増幅用光ファイバであって、前記コアの屈折率は、前記クラッドの屈折率よりも高く、前記コアは、所定の波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードで伝播し、前記コアには、前記所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、前記コアの中心において、前記ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置よりも低い濃度で添加されていることを特徴とするものである。
　このような増幅用光ファイバにおいても、コアに入力するＬＰ０１モードを含む光にＬＰ０２モードが含まれる場合や、増幅用光ファイバ内においてＬＰ０２モードが励振する場合においても、軸対称の高次モードであるＬＰ０２モードの増幅を抑制でき、良好なビーム品質の光を出力することができる。
　更に上記増幅用光ファイバにおいて、前記活性元素は、前記コアの前記中心には添加されていないことが好ましい。
　このような増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０２モードよりもＬＰ０１モードがより増幅され、出力される光をより良好なビーム品質にすることができる。
　また、上記増幅用光ファイバにおいて、前記活性元素は、前記コアの外周領域において、前記ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置よりも低い濃度で添加されていることが好ましい。
　このような増幅用光ファイバにおいても、ＬＰ０１モードの増幅率に対するＬＰ０２モードの増幅率を抑制でき、出力される光をより良好なビーム品質にすることができる。
　更に、上記増幅用光ファイバにおいて、前記コアの前記外周には活性元素が添加されていないことが好ましい。
　このような増幅用光ファイバによれば、更にＬＰ０２モードの増幅を抑制でき、出力される光を良好なビーム品質にすることができる。
　また、前記活性元素は、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モードの強度よりも強い領域には、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モードの強度よりも弱い領域より、高い濃度で添加されていることが好ましい。
　このような増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０２モードの増幅を抑制でき、出力される光を更に良好なビーム品質にすることができる。
　また、上記増幅用光ファイバにおいて、前記コアは、前記所定の波長の光のＬＰ０３以上の高次モードを伝播しないことが好ましい。
　このような増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０３モード以上の高次モードが増幅されて出力されることがないため、より良好なビーム品質の光を出力することができる。
　また、本発明の光ファイバ増幅器は、上記に記載の増幅用光ファイバと、ＬＰ０１モードを含む種光を前記増幅用光ファイバに入力させる種光源と、前記増幅用光ファイバの前記活性元素を励起する励起光を出力する励起光源と、を備えることを特徴とするものである。
　このような光ファイバ増幅器によれば、増幅用光ファイバにＬＰ０２モードが入力される場合や、増幅用光ファイバにおいてＬＰ０２モードが発生する場合であっても、増幅用光ファイバにおいては、入力する種光のうちＬＰ０１モードが、ＬＰ０２モードよりも高い増幅率で増幅されるため良好なビーム品質の光を出力することができる。
　更に、上記光ファイバ増幅器において、前記増幅用光ファイバに入力する種光は、前記増幅用光ファイバの軸対称のモードのみを励振することが好ましい。
　このような光ファイバ増幅器によれば、増幅用光ファイバにおいて、非軸対称の高次モードが伝播しないため、非軸対称の高次モードが増幅されて出力することがないので、集光が行いやすい良好なビーム品質の光を出力することができる。
　更に、上記光ファイバ増幅器において、前記増幅用光ファイバに入力する種光は、シングルモード光であることが好ましい。
　このような光ファイバ増幅器によれば、増幅用光ファイバにおいて、非軸対称の高次モードが伝播しないため、非軸対称の高次モードが増幅されて出力することがないので、集光が行いやすい良好なビーム品質の光を出力することができる。
　また、本発明の共振器は、上記に記載の増幅用光ファイバと、前記増幅用光ファイバの前記活性元素を励起する励起光を出力する励起光源と、前記増幅用光ファイバの一方側に設けられ、前記励起光により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１ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）と、前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ、前記第１ＦＢＧが反射する光と同じ波長の光を前記第１ＦＢＧよりも低い反射率で反射する第２ＦＢＧと、を備えることを特徴とするものである。
　このような共振器によれば、光の共振において、増幅用光ファイバのコアを光が伝播するときに、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モードの光より強く増幅されるので、活性元素の濃度がコアに均一に添加されたファイバを用いる場合と比較して、ＬＰ０２モードの光強度に対するＬＰ０１モード光強度が強い、良好なビーム品質の光を出力することができる。
　以上のように、本発明によれば、良好なビーム品質の光を高い強度で出力することができる増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器が提供される。
本発明の第１実施形態に係る光ファイバ増幅器を示す図である。 図１の増幅用光ファイバの長手方向に垂直な断面における構造を示す図である。 図２の増幅用光ファイバのコアの様子を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る増幅用光ファイバのコアの様子を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る増幅用光ファイバのコアの様子を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る増幅用光ファイバのコアの様子を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る共振器を示す図である。 実施例１～５、及び、比較例１における増幅用光ファイバに、ＬＰ０１モードのパワーが７０％で、ＬＰ０２モードのパワーが３０％の種光を入力する場合において、出力光のビーム品質を示す図である。 実施例４、及び、比較例１における増幅用光ファイバに、ＬＰ０１モードのパワー、及び、ＬＰ０２モードのパワーが共に５０％の種光を入力する場合において、出力光のビーム品質を示す図である。 実施例４、及び、比較例１における増幅用光ファイバに、ＬＰ０１モードのパワーが３０％で、ＬＰ０２モードのパワーが７０％の種光を入力する場合において、出力光のビーム品質を示す図である。
　以下、本発明に係る増幅用光ファイバ、及び、光ファイバ増幅器及び共振器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。
　（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態に係る光ファイバ増幅器を示す図である。
　図１に示すように、本実施形態における光ファイバ増幅器１００は、種光を出力する種光源１０と、励起光を出力する励起光源２０と、種光及び励起光が入力する光コンバイナ３０と、光コンバイナ３０から出力される種光及び励起光が入力する増幅用光ファイバ５０とを主な構成として備える。
　種光源１０は、例えば、半導体レーザ装置や、ファブリペロー型やファイバリング型のファイバレーザ装置から構成されている。この種光源１０は、ＬＰ０１モードを含む光を光ファイバから出力するように構成されている。このＬＰ０１モードを含む光を出力する種光源１０としては、一般的な半導体レーザ装置や、ファイバレーザ装置を用いることができる。また、種光源１０から出力される種光は、ＬＰ０１モードを含む光である限りにおいて、特に制限されるものではないが、例えば、波長が１０７０ｎｍのレーザ光とされる。
　また、種光源１０の出力光は、コア、及び、コアを被覆するクラッドから構成されるシングルモードファイバ１５から出力される。このシングルモードファイバ１５は、種光源１０から出力される種光を、ＬＰ０１モードのシングルモード光として伝播する。このシングルモードファイバ１５の構成は特に制限されるものではないが、例えば、種光の波長が上記のように１０７０ｎｍである場合には、コアの直径が１０μｍとされ、コアとクラッドとの比屈折率差が０．１３％とされる。
　励起光源２０は、複数のレーザダイオード２１から構成され、レーザダイオード２１は、本実施形態においては、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の光を出力する。また、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１は、マルチモードファイバ２２に接続されており、レーザダイオード２１から出力される励起光は、マルチモードファイバ２２をマルチモード光として伝播する。
　マルチモードファイバ２２及びシングルモードファイバ１５が接続される光コンバイナ３０は、シングルモードファイバ１５を中心としてその周りにマルチモードファイバ２２を配置した部分が溶融延伸されて一体化することにより構成されており、増幅用光ファイバ５０に光学的に接続されている。
　図２は、増幅用光ファイバ５０の長手方向に垂直な断面における構造を示す図である。図２に示すように増幅用光ファイバ５０は、コア５１と、コア５１を被覆するクラッド５２と、クラッド５２を被覆する外部クラッド５３とから構成される。クラッド５２の屈折率はコア５１の屈折率よりも低く、外部クラッド５３の屈折率はクラッド５２の屈折率よりも低くされる。例えば、本実施形態において、コア５１とクラッド５２との比屈折率差は、０．１５％とされる。また、コア５１の直径は、例えば３０μｍとされ、クラッド５２の外径は、例えば４２０μｍとされ、外部クラッド５３の外径は、例えば４４０μｍとされる。また、コア５１を構成する材料としては、例えば、石英の屈折率を上昇させるアルミニウム等の元素が添加される石英が挙げられ、コア５１の少なくとも一部の領域には、励起光源２０から出力される励起光により励起状態とされる活性元素であるイッテルビウム（Ｙｂ）が添加される。なお、このような活性元素としては、イッテルビウム（Ｙｂ）の他に、例えばネオジウム（Ｎｄ）やエルビウム(Ｅｒ)等の希土類元素を挙げることができる。また、クラッド５２を構成する材料としては、例えば、ドーパントが添加されない石英が挙げられ、外部クラッド５３を構成する材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂が挙げられる。
　上記のようなコア５１とクラッド５２との屈折率差により、コア５１には種光源からの所定の波長の光が閉じ込められて伝播する。このコア５１を伝播する光のモードとしては、基本モードＬＰ０１の他に高次のモードとして、ＬＰ０２が存在する。本実施形態に係る増幅用光ファイバ５０においては、ＬＰ０３以上の高次モードは伝播しないように、種光源の光の波長、コア５１並びにクラッド５２の寸法、及びコア５１とクラッド５２との比屈折率差を設定している。
　次に増幅用光ファイバ５０のコア５１について、さらに詳しく説明する。図３は、図２に示す増幅用光ファイバ５０のコア５１の様子を示す図である。具体的には、図３のＡは、増幅用光ファイバ５０の長手方向に対して垂直な断面におけるコア５１の構造の様子を示す図である。また、図３のＢは、コア５１を伝播するＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードをパワーで規格化した場合のＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードの強度分布を示す図である。また、図３のＣは、コア５１に添加される活性元素の濃度分布の様子を示す図である。
　図３のＢに示すように、図３のＡに示すコア５１の中心から距離ｒの位置において、ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる。また、ＬＰ０２モードは、コア５１の中心で最も強くなる強度分布である。一方、ＬＰ０１モードは、コア５１の中心で最も強くなる強度分布であるモードであるが、コア５１の中心から距離ｒの位置における強度と比較して、その強度比は、ＬＰ０２モードほど大きくない。コア５１を伝播するＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードをパワーで規格化した場合、コア５１の中心において、ＬＰ０１モードは、ＬＰ０２モードよりも弱い強度となる。このようにコア５１の中心近傍であって、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モードよりも弱い強度である領域を中心領域５５と呼ぶ。
　また、中心領域５５を囲む領域であって、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モードよりも強い強度となる領域を中間領域５６と呼ぶ。この中間領域５６は、図３のＡに示すように、コア５１の断面において、リング状に分布する。
　さらに、中間領域５６を囲む領域であって、ＬＰ０１モードが、ＬＰ０２モードよりも弱い強度である領域を外周領域５７と呼ぶ。これら領域は、コア５１を伝播するＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードをパワーで規格化した場合、例えば、上述のようにコア５１の直径を３０μｍとする場合に、中心領域５５の直径は８μｍであり、中間領域５６の外径は２２μｍとなる。
　そして、図３のＣに示すように、本実施形態に係る増幅用光ファイバ５０において、活性元素Ｙｂは、コア５１の全体に添加されているが、コア５１の中心を含む中心領域５５には、ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置（コア５１の中心から距離ｒ）を含む中間領域５６よりも低い濃度で添加されている。別言すれば、コア５１には、活性元素Ｙｂが、ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置において、コア５１の中心領域５５よりも高い濃度で添加されている。この活性元素Ｙｂは、例えばコア５１の中心においては、石英に対して１．０ｗｔ％添加され、ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置（コア５１の中心から距離ｒの位置）を含む中間領域５６及び外周領域５７においては、石英に対して２．０ｗｔ％添加されている。
　次に、光ファイバ増幅器１００の動作について説明する。
　まず、種光源１０から波長１０７０μｍの光がシングルモードファイバ１５から出力される。このとき上述のシングルモードファイバ１５の構成により、ＬＰ０１モードのみが伝播する。そして、シングルモードファイバ１５を伝播するＬＰ０１モードの光は、光コンバイナ３０に入力する。
　また、励起光源２０からは、増幅用光ファイバ５０のコア５１に添加されている活性元素Ｙｂを励起する励起光が出力される。このときの波長は、上述のように、例えば９１５μｍの波長とされる。そして、励起光源２０から出力された励起光は、マルチモードファイバ２２を伝播して、光コンバイナ３０に入力する。
　光コンバイナ３０に入力した種光及び励起光は、増幅用光ファイバ５０に入力して、種光は、増幅用光ファイバ５０のコア５１を伝播し、励起光は、増幅用光ファイバ５０のクラッド５２とコア５１とを伝播する。種光は、主としてＬＰ０１モードとして入力されるが、増幅用光ファイバ５０のコア５１は、種光の波長の光に対して、ＬＰ０１モードおよびＬＰ０２モードとして伝播し得るため、ＬＰ０１モードが入力されるとＬＰ０２モードが励振され、ＬＰ０１モードおよびＬＰ０２モードとして伝播する。そして、励起光がコア５１を通過する際、コア５１に添加されている活性元素Ｙｂが励起される。励起された活性元素Ｙｂは、種光により誘導放出を起こして、この誘導放出によりＬＰ０１モードおよびＬＰ０２モードの種光は増幅される。
　このとき、コア５１のＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置（コア５１の中心から距離ｒ）における活性元素Ｙｂの濃度が、コア５１の中心における活性元素Ｙｂの濃度よりも高くされている。ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置においては、ＬＰ０１モードの光はゼロでなく、所定の強度となっている。そして、ＬＰ０１モードの光は、ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置（コア５１の中心から距離ｒ）においても誘導放出が起きて増幅される。一方、コア５１の中心から距離ｒの位置においては、ＬＰ０２モードの光は、強度がゼロであるため、ＬＰ０２モードの光は誘導放出することなく、増幅されない。ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置における活性元素Ｙｂは、ＬＰ０２モードの光によって誘導放出されることなく、ＬＰ０１モードの光のみを効率的に増幅する。
　コア５１の中心では、活性元素Ｙｂの濃度がＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置における活性元素Ｙｂの濃度よりも低いため、この領域での光の増幅はＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置における増幅より抑制される。
　以上説明したように、コア５１の中心とＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置における、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードの光に対する増幅率の関係により、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モードの光より強く増幅され、ＬＰ０１モード光を効率よく増幅することができる。
　すなわち、本実施形態に係る増幅用光ファイバ５０は、活性元素Ｙｂの濃度がコア５１に均一に添加されたファイバと比較して、ＬＰ０２モードの光強度に対するＬＰ０１モード光強度が強い、良好なビーム品質の光を出力することができる。
　従って、本実施形態に係る増幅用光ファイバ５０においては、全てのモードを合わせた光出力は、活性元素Ｙｂの濃度がコア５１に均一に添加されたファイバと比較して、同程度となり、ＬＰ０２モードの増幅が抑制されたことにより、励起光のパワーがＬＰ０１モードの増幅に寄与することができるので、ＬＰ０１モード光強度が強い、良好なビーム品質の光を出力することができる。
　こうして増幅用光ファイバ５０からは、活性元素Ｙｂの濃度がコア５１に均一に添加されたファイバと比較して、良好なビーム品質の光を出力することができる。従って、このような増幅用光ファイバ５０を用いた本実施形態の光ファイバ増幅器１００からは良好なビーム品質の光を出力することができる。
　更に、本実施形態においては、増幅用光ファイバ５０が、ＬＰ０３以上の高次モードを伝播しない構成であるため、良好なビーム品質の光を出力することができる。
　また、本実施形態の光ファイバ増幅器１００においては、増幅用光ファイバ５０にＬＰ０１モードから成るシングルモード光を種光として入力しているため、活性元素Ｙｂの濃度がコア５１に均一に添加されたファイバの場合に最も高い増幅率となるＬＰ０２モードと比較して、ＬＰ０１モードが大きく増幅され、良好なビーム品質の光を出力することができる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について図４を参照して詳細に説明する。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。図４は、本発明の第２実施形態に係る増幅用光ファイバのコアの様子を示す図であり、第１実施形態における図３に相当する図である。
　図４のＡに示すように、本実施形態における増幅用光ファイバは、第１実施形態におけるコア５１に代えて、コア５１ａが用いられている。このコア５１ａの中間領域５６ａ及び外周領域５７ａは、図４のＣに示すように、第１実施形態における増幅用光ファイバ５０のコア５１の中間領域５６及び外周領域５７と同様の構成とされている。そして、本実施形態の増幅用光ファイバのコア５１ａは、中心領域５５ａに活性元素が添加されていない点において、第１実施形態の増幅用光ファイバ５０のコア５１と異なる。
　本実施形態の増幅用光ファイバによれば、コア５１ａの中心領域５５ａに活性元素が添加されていないため、入力される光のうちＬＰ０２モードの強度が強い中心領域５５ａにおいて、光が増幅されない。そして、第１の実施形態と同様に、ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置（コア５１ａの中心から距離ｒの位置）においては、ＬＰ０１モードの光のみが増幅され、ＬＰ０２モードの光は増幅されない。このため、ＬＰ０２モードよりもＬＰ０１モードがより増幅され、より良好なビーム品質の光を出力することができる。従って、本実施形態の増幅用光ファイバを用いることにより、よりビーム品質の高い光を出力することができる光ファイバ増幅器とすることができる。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について図５を参照して詳細に説明する。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、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。図５は、本発明の第３実施形態に係る増幅用光ファイバのコアの様子を示す図であり、第１実施形態における図３に相当する図である。
　図５のＡに示すように、本実施形態における増幅用光ファイバは、第１実施形態におけるコア５１に代えて、コア５１ｂが用いられている。このコア５１ｂの中心領域５５ｂ及び中間領域５６ｂの構成は、図５のＣに示すように、第１実施形態における増幅用光ファイバ５０のコア５１の中心領域５５及び中間領域５６と同様とされる。そして、本実施形態の増幅用光ファイバのコア５１ｂは、外周領域５７ｂに添加されている活性元素の濃度が、中間領域５６ｂに添加されている活性元素の濃度よりも低い点において、第１実施形態の増幅用光ファイバ５０のコア５１と異なる。また、この外周領域５７ｂに添加されている活性元素の濃度は、中心領域５５ｂに添加されている活性元素の濃度と略同じとされている。
　本実施形態の増幅用光ファイバによれば、第１の実施形態と同様に、ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置（コア５１ｂの中心から距離ｒの位置）において添加されている活性元素の濃度が、外周領域５７ｂに添加されている活性元素の濃度よりも高いため、ＬＰ０２モードの光の増幅が抑制される。一方、コア５１の中心から距離ｒにおいて、ＬＰ０１モードの光は、高い効率で増幅される。このため、ＬＰ０２モードよりもＬＰ０１モードがより増幅され、より光ビーム品質の高い光を出力することができる。従って、本実施形態の増幅用光ファイバを用いることにより、よりビーム品質の高い光を出力することができる光ファイバ増幅器とすることができる。
　（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態について図６を参照して詳細に説明する。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、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。図６は、本発明の第４実施形態に係る増幅用光ファイバのコアの様子を示す図であり、第１実施形態における図３に相当する図である。
　図６のＡに示すように、本実施形態における増幅用光ファイバは、第１実施形態におけるコア５１に代えて、コア５１ｃが用いられている。このコア５１ｃの中間領域５６ｃの構成は、図６のＣに示すように、第１実施形態における増幅用光ファイバ５０のコア５１の中間領域５６と同様とされる。そして、本実施形態の増幅用光ファイバにおいては、中心領域５５ｃ及び外周領域５７ｃに活性元素が添加されていない点において、第１実施形態の増幅用光ファイバ５０と異なる。つまり、本実施形態においては、中間領域５６ｃのみに活性元素が添加されている。
　本実施形態の増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０２モードの光強度がゼロとなる位置（コア５１ｃの中心から距離ｒの位置）を含む中間領域５６ｃにのみ活性元素が添加されているため、ＬＰ０２モードの強度が強い中心領域５５ｃ、外周領域５７ｃにおいて、光が増幅されない。そして、ＬＰ０１モードの強度が強い中間領域５６ｃにおいてのみ、光が増幅される。このため、ＬＰ０２モードよりもＬＰ０１モードがより増幅され、光ビーム品質の更に高い光を出力することができる。従って、本実施形態の増幅用光ファイバを用いることにより、ビーム品質の更に高い光を出力することができる光ファイバ増幅器とすることができる。
　（第５実施形態）
　次に、本発明の第５実施形態について図７を参照して詳細に説明する。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、同一の参照符号を付して特に説明する場合を除き重複する説明は省略する。図７は、本発明の第５実施形態に係る共振器を示す図である。
　図７に示すように、本実施形態の共振器２００は、励起光源２０と、増幅用光ファイバ５０と、光コンバイナ３０と、増幅用光ファイバ５０と光コンバイナ３０との間に設けられるダブルクラッドファイバ６５と、ダブルクラッドファイバ６５に設けられる第１ＦＢＧ６１と、増幅用光ファイバ５０のダブルクラッドファイバ６５側と反対側に設けられるマルチモードファイバ６６と、マルチモードファイバ６６に設けられる第２ＦＢＧ６２とを主な構成として備える。
　ダブルクラッドファイバ６５は、長手方向に垂直な断面の構造が増幅用光ファイバと同様であり、コアと、コアを被覆するクラッドと、クラッドを被覆する外部クラッドとから構成される。ダブルクラッドファイバ６５のコア、クラッド、及び、外部クラッドの外径や屈折率等は、増幅用光ファイバ５０のコア、クラッド、及び、外部クラッドと略同様とされ、増幅用光ファイバ５０と同様にＬＰ０１モード、ＬＰ０２モードを伝播するが、ダブルクラッドファイバ６５のコアには、活性元素が添加されていない。そして、第１実施形態において、増幅用光ファイバ５０が光コンバイナ３０に接続されるのと同様にして、ダブルクラッドファイバ６５の一端が、光コンバイナ３０に接続されて、マルチモードファイバ２２のコアとダブルクラッドファイバ６５のクラッドとが光学的に接続されている。また、ダブルクラッドファイバ６５の他端は、増幅用光ファイバ５０に接続され、ダブルクラッドファイバ６５のコアと増幅用光ファイバ５０のコア５１とが接続され、ダブルクラッドファイバ６５のクラッドと増幅用光ファイバ５０のクラッド５２とが接続されている。
　また、ダブルクラッドファイバ６５のコアには、第１ＦＢＧ６１が設けられている。こうして第１ＦＢＧ６１は、増幅用光ファイバ５０の一方側に設けられている。第１ＦＢＧ６１は、ダブルクラッドファイバ６５の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、この周期が調整されることにより、励起状態とされた増幅用光ファイバ５０の活性元素が放出する光の少なくとも一部の波長を反射するように構成されている。第１ＦＢＧ６１は、上述のように活性元素がＹｂである場合、例えば、波長が１０７０ｎｍの光の反射率が、１００％とされる。
　また、増幅用光ファイバ５０のダブルクラッドファイバ６５側と反対側に設けられるマルチモードファイバ６６は、増幅用光ファイバ５０と同様にＬＰ０１モード、ＬＰ０２モードを伝播するように、コアの直径や、コア及びクラッドの屈折率が設定されている。そして、マルチモードファイバ６６は、一端が増幅用光ファイバ５０に接続されて、他端には何も接続されず自由端となっており、増幅用光ファイバ５０のコア５１とマルチモードファイバ６６のコアとが接続されている。
　また、マルチモードファイバ６６のコアには、第２ＦＢＧ６２が設けられている。こうして第２ＦＢＧ６２は、増幅用光ファイバ５０の他方側に設けられている。第２ＦＢＧ６２は、マルチモードファイバ６６の長手方向に沿って一定の周期で屈折率が高くなる部分が繰り返されており、第１ＦＢＧ６１が反射する光と同じ波長の光を第１ＦＢＧ６１よりも低い反射率で反射するように構成され、例えば、第１ＦＢＧ６１が反射する光と同じ波長の光を５０％の反射率で反射するように構成されている。
　このような共振器２００においては、励起光源２０のそれぞれのレーザダイオード２１から励起光が出力されると、この励起光が光コンバイナ３０において、ダブルクラッドファイバ６５のクラッドに入力して、ダブルクラッドファイバ６５のクラッドから、増幅用光ファイバ５０のクラッドに入力する。そして、第１実施形態と同様にして、増幅用光ファイバ５０のコア５１に添加されている活性元素を励起状態とする。そして励起状態とされた活性元素は、特定の波長の自然放出光を放出する。このときの自然放出光は、例えば、中心波長が１０７０ｎｍで一定の帯域を有する光である。この自然放出光は、増幅用光ファイバ５０のコア５１を伝播して、ダブルクラッドファイバ６５のコアに設けられている第１ＦＢＧ６１により反射され、反射された光が、第２ＦＢＧ６２で反射されて、光の共振が生じる。そして、光が、増幅用光ファイバ５０のコア５１を伝播するときに増幅されて、一部の光が第２ＦＢＧと透過して、マルチモードファイバ６６から出力される。
　本実施形態においても、増幅用光ファイバ５０のコア５１を光が伝播するときに、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モードの光より強く増幅されるので、活性元素Ｙｂの濃度がコア５１に均一に添加されたファイバを用いる場合と比較して、ＬＰ０２モードの光強度に対するＬＰ０１モード光強度が強い、良好なビーム品質の光を出力することができる。
　なお、本実施形態においては、増幅用光ファイバとして、第１実施形態の増幅用光ファイバ５０を用いた例で説明したが、第２実施形態～第４実施形態で説明した増幅用光ファイバ５０を用いても良い。
　以上、本発明について、第１～第５実施形態を例に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　例えば、第３実施形態において、外周領域５７ｂに活性元素が添加されていないものとしても良い。このように構成する場合においても、入力される光のうちＬＰ０２モードよりもＬＰ０１モードの方が高い増幅率で増幅されるので、良好なビーム品質の光を出力することができる。
　また、第３実施形態において、中心領域５５ｂ及び外周領域５７ｂに添加される活性元素を互いに異なる濃度としても良い。
　また、第１～第４実施形態において、増幅用光ファイバは、コアに入力される光のうちＬＰ０３以上の高次モードを伝播しない構成としたが、ＬＰ０３モード以上の高次モードを伝播する構成としても良い。
　また、第１～第４実施形態において、励起光を増幅用光ファイバの出力端側と反対側の端面から入力する前方励起構成を例に説明したが、励起光用の光コンバイナを増幅用光ファイバの出力端側に設け、励起光を増幅用光ファイバの出力端側端面から入力する後方励起構成としてもよい。
　また、種光源１０に接続される光ファイバとして、マルチモードファイバを用いて、増幅用光ファイバにマルチモード光を入力しても良い。このとき、光コンバイナの種光伝播用のファイバにマルチモード光ファイバを用い、種光源に接続されるマルチモードファイバの中心軸と、光コンバイナの種光伝播用のファイバの中心軸とを概略一致させて融着接続する。こうすることで、このマルチモードファイバは、軸対称のモードを伝播し、増幅用光ファイバに入力する種光が軸対称のモードから成る光とされる。こうすることで、増幅用光ファイバに入力される種光は、ＬＰ０１モードの他に、軸対称の高次モードのみとなる。このため、増幅用光ファイバに入力される種光に非軸対称の高次モードが含まれる場合と比べて、集光を行いやすい良好なビーム品質の光を出力することができる。このようなマルチモードファイバの一例として、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードを伝播し、ＬＰ０３モード以上の高次モードを伝播しないマルチモードファイバが挙げられる。このようなマルチモードファイバとしては、コアを伝播する光が、１０７０μｍである場合に、コアの直径を３０μｍとし、コアとクラッドとの比屈折率差を０．１５％とすれば良い。
　なお、上記実施形態で説明した光ファイバ増幅器１００や共振器２００は、そのままファイバレーザ装置として用いられることができる。
　以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものでは無い。
　（実施例１）
　出力される光のビーム品質の検証をシミュレーションにより行うために、第１実施形態と同様の増幅用光ファイバを想定した。本実施例における増幅用光ファイバは、コアの直径が３０μｍで、クラッドの外形が４２０μｍで、外部クラッドの外径が４４０μｍとした。そして、コアとクラッドとの比屈折率差は、０．１５％とした。なお、以降の実施例を通して、最大の励起光パワー条件において最も増幅効率が高くなるように、それぞれの増幅用光ファイバの長さを設定した。
　このような増幅用光ファイバに、波長が１０７０ｎｍの光を入力して、この光におけるＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードをそれぞれパワーで規格化すると、コアの径方向において、直径が４μｍの中心領域でＬＰ０２モードがＬＰ０１モードよりも強い強度となり、内径が４μｍで外形が１１μｍの中間領域でＬＰ０１モードがＬＰ０２モードよりも強い強度となり、この中間領域よりも外側の外周領域でＬＰ０２モードがＬＰ０１モードよりも強い強度となる。
　そこで、中心領域にＹｂを１ｗｔ％添加して、中間領域と外周領域にＹｂを２ｗｔ％添加するものとした。
　（実施例２）
　第２実施形態と同様の増幅用光ファイバを想定し、中心領域にＹｂを添加しないこと以外は、実施例１と同様にした。
　（実施例３）
　第３実施形態と同様の増幅用光ファイバを想定し、外周領域にＹｂを１ｗｔ％添加するものとしたこと以外は、実施例１と同様にした。
　（実施例４）
　第４実施形態と同様の増幅用光ファイバを想定し、中心領域及び外周領域にＹｂを添加しないこと以外は、実施例１と同様にした。
　（実施例５）
　中心領域に添加されるＹｂの濃度を１．６ｗｔ％とし、外周領域のＹｂの濃度を１．６ｗｔ％とするものとしたこと以外は、実施例３と同様の構成とした。
　（比較例１）
　コア全体に均一にＹｂを２．０ｗｔ％添加するものとしたこと以外は、実施例１と同様の構成とした。
　次に実施例１～実施例５、及び、比較例１の増幅用光ファイバに対して、ＬＰ０１モードのパワーが７０％で、ＬＰ０２モードのパワーが３０％の比率であり、全体のパワーが２００ｍＷの強度の種光を入力すると共に、励起光を入力して、この励起光のパワーを１０Ｗ、３０Ｗ、５０Ｗ、７０Ｗと変化させた場合の出力光の出力パワー及びビーム品質（Ｍ２）を計算により求めた。このビーム品質Ｍ２は、波長λ、及び、出力光の拡がり角Θ、及び、ビーム径Ｄにより下記の式のように定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　その結果を図８に示す。図８に示すように、どの励起光のパワーにおいても、実施例１～５及び比較例１において、出力パワーに差は生じなかった。そして、実施例１は、どの励起光のパワーにおいても比較例１よりもビーム品質を示すＭ２が低い数値となり、良好なビーム品質の光が出力されることが示された。そして、実施例２は更に良好なビーム品質の光が出力され、実施例５は更に良好なビーム品質の光が出力され、実施例３は更に良好なビーム品質の光が出力され、実施例４は最も良好なビーム品質の光が出力される結果となった。
　次に、実施例４の増幅用光ファイバ、及び、比較例１の増幅用光ファイバに対して、ＬＰ０１モード、及び、ＬＰ０２モードが共に５０％の比率であり、パワーが２００ｍＷの強度の種光を入力すると共に、励起光を入力して、この励起光のパワーを１０Ｗ、３０Ｗ、５０Ｗ、７０Ｗと変化させた場合の出力光の出力パワー及びビーム品質（Ｍ２）を計算により求めた。その結果を図９に示す。図９に示すように、実施例４と比較例１において、励起光パワーの差は殆ど生じなかった。また、実施例４は、比較例１よりも良好なビーム品質の光が出力される結果となった。
　次に、実施例４の増幅用光ファイバ、及び、比較例１の増幅用光ファイバに対して、ＬＰ０１モードのパワーが３０％、及び、ＬＰ０２モードが７０％の比率であり、全体のパワーが２００ｍＷの強度の種光を入力すると共に、励起光を入力して、この励起光のパワーを１０Ｗ、３０Ｗ、５０Ｗ、７０Ｗと変化させた場合の出力光の出力パワー及びビーム品質（Ｍ２）を計算により求めた。その結果を図１０に示す。図１０に示すように、実施例４と比較例１において、励起光パワーの差は殆ど生じなかった。また、実施例４は、比較例１よりも良好なビーム品質の光が出力される結果となった。
　以上より、本発明である、活性元素が、コアに入力する光におけるＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードがパワーで規格化される場合に、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モードの強度よりも強い領域において、コアの中心領域よりも高い濃度で添加されている増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０２モードよりもＬＰ０１モードの方が高い増幅率で増幅され、良好なビーム品質の光を出力することができることが確認された。また、増幅用光ファイバを伝播する光におけるＬＰ０１モードのパワーとＬＰ０２モードのパワーとの比率に関わらず、ＬＰ０２モードよりもＬＰ０１モードの方が高い増幅率で増幅され、良好なビーム品質の光を出力することができることが確認された。
　このように、本発明に係る増幅用光ファイバ５０は、活性元素Ｙｂの濃度がコア５１に均一に添加されたファイバと比較して、ＬＰ０２モードに対してＬＰ０１モードが強く増幅されるため、活性元素Ｙｂの濃度がコア５１に均一に添加されたファイバと比較して、ＬＰ０１モードの光が強く出力される。
　こうして増幅用光ファイバ５０からは、活性元素Ｙｂの濃度がコア５１に均一に添加されたファイバと比較して、良好なビーム品質の光を出力することができる。従って、このような増幅用光ファイバ５０を用いた本発明の光ファイバ増幅器１００からは良好なビーム品質の光を出力することができる。
　本発明によれば、ＬＰ０１モード以外の軸対称の高次モードが励振された場合においても、良好なビーム品質の光を出力することができる増幅用光ファイバ、及び、それを用いた光ファイバ増幅器及び共振器が提供される。
　１０・・・種光源
　１１・・・レーザダイオード
　１３・・・希土類添加ファイバ
　１５・・・シングルモードファイバ
　２０・・・励起光源
　２１・・・レーザダイオード
　２２・・・マルチモードファイバ
　３０・・・光コンバイナ
　５０・・・増幅用光ファイバ
　５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ・・・コア
　５２・・・クラッド
　５３・・・外部クラッド
　５５、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ・・・中心領域
　５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ・・・中間領域
　５７、５７ａ、５７ｂ、５７ｃ・・・外周領域
　１００・・・光ファイバ増幅器

Claims (11)

  1. 　コアと、前記コアを被覆するクラッドと、前記クラッドを被覆する外部クラッドとを有する増幅用光ファイバであって、
    　前記コアの屈折率は、前記クラッドの屈折率よりも高く、
    　前記コアは、所定の波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードで伝播し、
    　前記コアには、前記所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、前記ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置において、前記コアの中心よりも高い濃度で添加されている
    ことを特徴とする増幅用光ファイバ。
  2. 　コアと、前記コアを被覆するクラッドと、前記クラッドを被覆する外部クラッドとを有する増幅用光ファイバであって、
    　前記コアの屈折率は、前記クラッドの屈折率よりも高く、
    　前記コアは、所定の波長の光を少なくともＬＰ０１モード及びＬＰ０２モードで伝播し、
    　前記コアには、前記所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、前記コアの中心において、前記ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置よりも低い濃度で添加されている
    ことを特徴とする増幅用光ファイバ。
  3. 　請求項１または２に記載の増幅用光ファイバであって、
    前記活性元素は、前記コアの前記中心には添加されていないことを特徴とする増幅用光ファイバ。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバであって、
    前記活性元素は、前記コアの外周領域において、前記ＬＰ０２モードの強度がゼロとなる位置よりも低い濃度で添加されていることを特徴とする増幅用光ファイバ。
  5. 　請求項４に記載の増幅用光ファイバであって、
    前記コアの外周領域において、前記活性元素は、添加されていないことを特徴とする増幅用光ファイバ。
  6. 　請求項１または２に記載の増幅用光ファイバにであって、
    前記活性元素は、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モードをパワーで規格化した場合に、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モードの強度よりも強い領域には、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モードの強度よりも弱い領域より、高い濃度で添加されていることを特徴とする増幅用光ファイバ。
  7. 　請求項１から６に記載のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバであって、
    前記コアは、前記所定の波長の光のＬＰ０３以上の高次モードを伝播しないことを特徴とする増幅用光ファイバ。
  8. 　請求項１から７のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバと、
    　ＬＰ０１モードを含む種光を前記増幅用光ファイバに入力させる種光源と、
    　前記増幅用光ファイバの前記活性元素を励起する励起光を出力する励起光源と、
    を備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。
  9. 　前記増幅用光ファイバに入力する種光は、前記増幅用光ファイバの軸対称のモードのみを励振することを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ増幅器。
  10. 　前記増幅用光ファイバに入力する種光は、シングルモード光であることを特徴とする請求項９に記載の光ファイバ増幅器。
  11. 　請求項１から７のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバと、
    　前記増幅用光ファイバの前記活性元素を励起する励起光を出力する励起光源と、
    　前記増幅用光ファイバの一方側に設けられ、前記励起光により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１ＦＢＧと、
    　前記増幅用光ファイバの他方側に設けられ、前記第１ＦＢＧが反射する光と同じ波長の光を前記第１ＦＢＧよりも低い反射率で反射する第２ＦＢＧと、
    を備えることを特徴とする共振器。
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