WO2012132664A1 - 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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正浩 柏木
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    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber for amplification, and an optical fiber amplifier and a resonator using the same, and in particular, an optical fiber for amplification capable of outputting light of a desired power and an optical fiber amplifier using the same. And a resonator.
  • the light generated by a seed light source such as a laser oscillator (MO: Master Oscillator) is amplified by an amplifier (PA: Power Amplifier) and output.
  • An MO-PA Master-Oscillator-Power Amplifier
  • an optical fiber amplifier that amplifies light by an amplification optical fiber is known.
  • a double clad fiber in which an active element such as a rare earth element is added to a core is generally used.
  • This double clad fiber includes a double clad fiber whose core propagates only single mode light and a double clad fiber whose core propagates multimode light.
  • the core since the cross-sectional area of the core is small, the density of light propagating through the core may become too high when trying to obtain a high-power laser output. In this case, the energy of light shifts to an undesired wavelength due to the nonlinear optical effect, and an expected laser output may not be obtained. Therefore, with the recent demand for higher output of optical fiber amplifiers, optical fiber amplifiers using a double clad fiber whose core propagates multimode light have attracted attention.
  • Patent Document 1 describes an amplification optical fiber in which an active element is added so as to be distributed in accordance with a high-order mode intensity profile.
  • the LP01 mode is amplified at a high amplification factor.
  • the amplification optical fiber is arranged and used in a state where at least a part thereof is bent.
  • the LP01 mode has a light distribution at the outer peripheral side of the core in a place where the amplification optical fiber is bent.
  • the mode field is distorted and the area tends to be small. Therefore, the LP01 mode is more likely to produce a nonlinear optical effect due to the concentration of light at a place where the amplification optical fiber is bent. Therefore, when trying to output light with high power, there is a possibility that output light with desired power cannot be obtained due to the nonlinear optical effect.
  • an object of the present invention is to provide an amplifying optical fiber capable of outputting light having a desired power, and an optical fiber amplifier and a resonator using the same.
  • the present invention provides an amplification optical fiber having a core and a clad covering the core, wherein the core transmits light of a predetermined wavelength at least an LP01 mode, an LP02 mode, And when the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode are standardized with power, at least one strength of the LP02 mode and the LP03 mode is transmitted to the core in the LP01 mode.
  • Active element that stimulates and emits light of the predetermined wavelength in at least a part of the region stronger than the intensity of the LP01 mode than at least a part of the region where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode Is added at a high concentration and satisfies at least one of the following formulas 1 and 2. It is an feature.
  • I 01 (r) is the strength at a distance r from the center in the radial direction of the core in the LP01 mode
  • I 02 (r) Is the intensity at a distance r from the center in the radial direction of the core in the LP02 mode
  • I 03 (r) is the intensity at a distance r from the center in the radial direction of the core in the LP03 mode
  • n (r ) Is the concentration of the active element added at a distance r from the center in the radial direction of the core, and b is the radius of the core.
  • the active element in the region where at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is stronger than the LP01 mode, the active element has an intensity of the LP01 mode stronger than at least a part of the strength of the LP02 mode and the LP03 mode. It is added at a higher concentration than the area. In the region where the active element is added at a high concentration, since the light amplification factor is high, at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is amplified at a high amplification factor.
  • the amplification optical fiber according to the present invention suppresses the LP01 mode amplification and positively amplifies at least one of the LP02 mode and the LP03 mode so that at least one of the above-described Expression 1 and Expression 2 is satisfied as the entire fiber.
  • the amplification optical fiber of the present invention even when it is used in a bent state, the high-order mode is difficult to shift the center of light toward the outer peripheral side of the core, and the area of the mode field is small. Hard to get smaller. For this reason, in the amplification optical fiber of the present invention, even if it is used in a bent state, the nonlinear optical effect due to the concentration of light is suppressed, and the power of the light that is used and output in a straight state As compared with the above, it is possible to suppress the output light power from being reduced.
  • the core has at least a part of a region where the strength of the LP02 mode is higher than the strength of the LP01 mode when the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode are normalized by power, and In each of at least a part of the region where the intensity of the LP03 mode is stronger than the intensity of the LP01 mode, the active element is at least in the region where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode. It is preferable to add at a higher concentration than a part and satisfy both the formula 1 and the formula 2.
  • the LP02 mode and the LP03 mode are amplified higher than the LP01 mode so as to satisfy the above formulas 1 and 2 as a whole of the fiber. Therefore, light with higher power can be output.
  • the LP02 mode strength and the LP03 mode strength are both higher than the LP01 mode strength. It is preferable that at least a part of the active element is added at a higher concentration than at least a part of a region where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • the active element may be added at a high concentration. Therefore, the active element can be efficiently added so that the LP02 mode and the LP03 mode are amplified with a higher amplification factor than the LP01 mode.
  • the LP02 mode strength and the LP03 mode strength are both higher than the LP01 mode strength.
  • the active element is added at a higher concentration than at least a part of a region where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • Such an amplification optical fiber can output light with higher power.
  • the core includes a region in which at least one of the LP02 mode and the LP03 mode has a strength higher than that of the LP01 mode when the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode are normalized by power.
  • the active element is added at a higher concentration than at least a part of the region where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode. It is preferable to satisfy.
  • amplification optical fiber According to such an amplification optical fiber, light is amplified with a high amplification factor in a region other than the region where the intensity of at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is stronger than the intensity of the LP01 mode.
  • the LP03 mode is amplified at a higher amplification factor than the LP01 mode. Accordingly, it is possible to output light with higher power while suppressing the occurrence of the nonlinear optical effect.
  • the active element is not added to at least a part of a region where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • the core includes a region in which at least one of the LP02 mode and the LP03 mode has a strength higher than that of the LP01 mode when the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode are normalized by power.
  • the active element that stimulates and emits light of the predetermined wavelength is added at a higher concentration than all the regions in which the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode. It is preferable.
  • the amplification factor of light is higher than anywhere in the region where the intensity of the LP01 mode is stronger than that of the LP02 mode and the LP03 mode. It is amplified by.
  • the entire fiber further has at least one of the LP02 mode and the LP03 mode rather than the LP01 mode. Amplification can be performed with a high amplification factor, and light with higher power can be output.
  • the active element is all regions where the intensity of the LP01 mode is stronger than the strength of the LP02 mode and the LP03 mode. It is preferable to add at a higher concentration and satisfy both the formula 1 and the formula 2.
  • the LP02 mode and the LP03 mode as a whole are amplified with a higher amplification factor than the LP01 mode, so that light with higher power can be output.
  • the LP02 mode strength and the LP03 mode strength are both higher than the LP01 mode strength. It is preferable that at least a part of the active element is added at a higher concentration than in all regions where the intensity of the LP01 mode is higher than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • an active element it is only necessary to add an active element to at least a part of a region where the intensity of both the LP02 mode and the LP03 mode is stronger than the intensity of the LP01 mode.
  • the active element can be efficiently added so that the LP03 mode is amplified at a higher amplification factor than the LP01 mode.
  • the LP02 mode strength and the LP03 mode strength are both higher than the LP01 mode strength.
  • the active element is added at a higher concentration than in all the regions where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • the strength of the LP01 mode is larger than that of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • Light is amplified with a high amplification factor. Therefore, the LP02 mode and the LP03 mode are amplified with a higher amplification factor than the LP01 mode, and higher power light can be output.
  • the active element is added at a higher concentration than in all regions where the intensity of the LP01 mode is higher than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode, and satisfies both of the expressions 1 and 2. preferable.
  • the LP02 mode and the LP03 mode can be amplified with a high amplification factor as a whole, and higher power light can be output.
  • the active element is not added to a region where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • optical fiber for amplification According to such an optical fiber for amplification, light is not amplified in a region where the intensity of the LP01 mode is strong. Therefore, the amplification of the LP01 mode can be suppressed as a whole, and the occurrence of the nonlinear optical effect can be further suppressed. it can.
  • a pair of stress applying portions sandwiching the core is provided in the clad. By providing such a stress applying portion, it is possible to propagate light with a single polarization.
  • the optical fiber amplifier of the present invention includes the above-described amplification optical fiber, a seed light source for inputting seed light including LP02 mode and LP03 mode into the amplification optical fiber, and the active element of the amplification optical fiber. And an excitation light source that outputs excitation light to be excited.
  • the LP02 mode and the LP03 mode are amplified with a higher amplification factor than the LP01 mode. Light of desired power can be output.
  • the seed light input to the amplification optical fiber excites only an axially symmetric mode of the amplification optical fiber.
  • the non-axisymmetric higher-order mode does not propagate in the amplification optical fiber, so that the non-axisymmetric higher-order mode is not amplified and output, so that the beam quality is good. Can be output.
  • a resonator according to the present invention is provided on the one side of the amplification optical fiber, an excitation light source that outputs excitation light for exciting the active element of the amplification optical fiber, and the amplification optical fiber.
  • a first FBG Fiber Bragg Grating
  • a second FBG that reflects light having the same wavelength as the light reflected by the 1FBG with a reflectance lower than that of the first FBG.
  • the LP02 mode and the LP03 mode are amplified more strongly than the LP01 mode, so that the nonlinear optical effect is suppressed. Even when high-power light is output, light having a desired power can be output.
  • an optical fiber for amplification capable of outputting light having a desired power, and an optical fiber amplifier and a resonator using the optical fiber are provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical fiber amplifier according to a first embodiment of the present invention.
  • an optical fiber amplifier 1 includes a seed light source 10 that outputs light serving as seed light, a pump light source 20 that outputs pump light, and an optical combiner that receives seed light and pump light. 30 and the amplification optical fiber 50 to which the seed light and the pumping light output from the optical combiner 30 are input and the active element excited by the pumping light is added.
  • the seed light source 10 includes, for example, a semiconductor laser device, a Fabry-Perot type, or a fiber ring type fiber laser device.
  • the seed light source 10 is configured to output light including an LP02 mode and an LP03 mode from an optical fiber.
  • the seed light output from the seed light source 10 is not particularly limited as long as it is light including the LP02 mode and the LP03 mode, but the wavelength is determined by the active element added to the amplification optical fiber 50. For example, when the active element is ytterbium (Yb), the wavelength is 1070 nm.
  • the output light of the seed light source 10 is output from the single mode fiber 15 composed of the core and the clad covering the core.
  • the single mode fiber 15 propagates light output from the seed light source 10 as LP01 mode single mode light.
  • the configuration of the single mode fiber 15 is not particularly limited. For example, when the wavelength of the seed light is 1070 nm as described above, the core diameter is 10 ⁇ m, and the relative refraction between the core and the clad is made. The rate difference is 0.13%.
  • the excitation light source 20 is composed of a plurality of laser diodes 21.
  • the laser diode 21 is a Fabry-Perot type semiconductor laser made of a GaAs-based semiconductor, for example, and outputs light having a center wavelength of 915 nm. To do.
  • Each laser diode 21 of the excitation light source 20 is connected to the multimode fiber 22, and the excitation light output from the laser diode 21 propagates through the multimode fiber 22 as multimode light.
  • the optical combiner 30 to which the multimode fiber 22 and the single mode fiber 15 are connected is configured by melting and extending a portion where the multimode fiber is disposed around the single mode fiber 15 as a center,
  • the optical fiber 50 is optically connected to the amplification optical fiber 50.
  • FIG. 2 is a diagram showing a structure in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the amplification optical fiber 50.
  • the amplification optical fiber 50 includes a core 51, a clad 52 that covers the core 51, and an outer clad 53 that covers the clad 52.
  • the refractive index of the cladding 52 is lower than the refractive index of the core 51, and the refractive index of the outer cladding 53 is lower than the refractive index of the cladding 52.
  • the relative refractive index difference between the core 51 and the clad 52 is 0.32%.
  • the core 51 has a diameter of, for example, 30 ⁇ m
  • the cladding 52 has an outer diameter of, for example, 420 ⁇ m
  • the outer cladding 53 has an outer diameter of, for example, 440 ⁇ m.
  • the material constituting the core 51 includes, for example, quartz to which an element such as aluminum that increases the refractive index of quartz is added, and is output from the excitation light source 20 to at least a partial region of the core 51.
  • Ytterbium (Yb) which is an active element that is excited by the excitation light is added.
  • examples of such active elements include rare earth elements such as neodymium (Nd) and erbium (Er).
  • active elements include bismuth (Bi), chromium (Cr), and the like.
  • the material constituting the clad 52 includes, for example, quartz to which no dopant is added, and the material constituting the outer clad 53 includes, for example, an ultraviolet curable resin.
  • LP01 mode which is a basic mode
  • LP02 mode and LP03 mode exist as higher-order modes.
  • a higher-order mode higher than LP04 may exist.
  • amplification of a higher-order mode higher than the LP04 mode is not particularly considered. To do.
  • the wavelength of the light of the seed light source, the dimensions of the core 51 and the clad 52, and the relative refractive index difference between the core 51 and the clad 52 may be set so that a higher-order mode higher than LP04 does not propagate.
  • the wavelength of the seed light is 1070 nm
  • the diameter of the core 51 is 30 ⁇ m
  • the core 51 and the cladding 52 The relative refractive index difference may be 0.32%.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state of the core 51 of the amplification optical fiber 50 shown in FIG.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating the structure of the core 51 in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the amplification optical fiber 50.
  • FIG. 3B is a diagram showing the normalized intensity distribution per unit area in the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode propagating through the core 51.
  • FIG. 3C is a diagram showing a normalized power distribution obtained by integrating the intensity of the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode propagating through the core 51 by the area.
  • FIG. 3D is a diagram showing a state of concentration distribution of the active element added to the core 51.
  • each mode has an intensity distribution that is strongest at the center of the core 51.
  • the intensity at this center is the largest in the LP03 mode, followed by the LP02 mode, and the intensity in the LP01 mode is the smallest.
  • strength of LP01 mode will become larger than the intensity
  • a region in the radial direction from the center of the core 51 until the strength of the LP01 mode becomes larger than the strength of the LP03 mode is defined as a region A.
  • strength of LP01 mode will become larger than the intensity
  • a region where the intensity of the LP01 mode on the outer peripheral side of the region A becomes larger than the strengths of the LP02 mode and the LP03 mode is defined as a region B.
  • a region until the strength of the LP03 mode temporarily becomes larger than the strength of the LP01 mode is defined as a region C, and the strength of the LP03 mode is temporarily larger than the strength of the LP01 mode.
  • the area that is present is referred to as area D.
  • the strength of the LP01 mode is higher than the strength of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • a region where the intensity of the LP01 mode is larger than the strength of the LP02 mode and the LP03 mode on the outer periphery side of the region D is defined as a region E.
  • the strength of the LP02 mode is larger than the strength of the LP01 mode, and further, on the outer peripheral side, the strength of the LP01 mode is smaller than the strength of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • a region where the intensity of the LP01 mode becomes smaller than the strength of the LP02 mode and the LP03 mode on the outer periphery side of the region E is defined as a region F, and a region on the outer periphery side of the region F is defined as a region G.
  • the region A has a circular shape in a cross section perpendicular to the length direction of the core 51, and the other regions B to G are distributed in a ring shape.
  • the diameter of the core 51 is 30 ⁇ m as described above
  • the distance from the center to the boundary between the region A and the region B is about 3 ⁇ m
  • the distance between the center and the region B and the region C is The distance to the boundary
  • the distance from the center to the boundary between the region C and the region D is about 7 ⁇ m
  • the distance from the center to the boundary between the region D and the region E is about 8.5 ⁇ m.
  • the distance from the center to the boundary between the region E and the region F is about 10 ⁇ m
  • the distance from the center to the boundary between the region F and the region G is about 12 ⁇ m.
  • the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode is larger than the intensity of the LP01 mode.
  • the intensity of the LP02 mode is larger than that of the LP01 mode
  • the intensity of the LP03 mode is larger than that of the LP01 mode.
  • the intensity of the LP01 mode is larger than that of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • the active element is added at a concentration higher than at least a part of the region where the intensity of the LP01 mode is stronger than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • the intensity of the LP01 mode in FIG. 3 is higher than the intermediate area 56 including the area E and the area on the area D side in the area C stronger than the LP02 mode and the LP03 mode.
  • Yb which is one of the active elements, is added at a high concentration.
  • the active element is added in the same concentration in the circumferential direction of the core 51.
  • the concentration of the active element Yb added in the present embodiment is, for example, 16 ⁇ 10 25 (pieces / m 3 ) in the central region 55 and the outer peripheral region 57, and 8 ⁇ 10 25 (pieces / piece) in the intermediate region 56. m 3 ).
  • the amplification optical fiber 50 satisfies both the following formulas 1 and 2.
  • I 01 (r) is the intensity at the distance r from the center in the radial direction of the core 51 of the LP01 mode shown in FIG.
  • I 02 (r) is the intensity at a distance r from the center in the radial direction of the core 51 of the LP02 mode shown in FIG. 3B
  • I 03 (r) is the core of the LP03 mode shown in FIG. 3B.
  • 51 is a strength at a distance r from the center in the radial direction of 51
  • n (r) is an additive concentration of the active element at a distance r from the center in the radial direction of the core 51
  • b is a radius of the core 51.
  • the unit of r is (m), the unit of I 01 (r), I 02 (r) I 03 (r) is (W / m 2 ), and the unit of n (r) is (Pieces / m 3 ), and the unit of b is (m).
  • the additive concentration of the active element Yb in the central region 55, the intermediate region 56, and the outer peripheral region 57 described above can be appropriately changed as long as the relationship of Equations 1 and 2 is satisfied.
  • the LP02 mode and the LP03 mode can be amplified with a higher amplification factor than the LP01 mode as a whole fiber. it can. For this reason, it can suppress that a nonlinear optical effect arises, and light can be amplified with a desired amplification factor.
  • the characteristic point of the present invention is that at least one of the LP02 mode and the LP03 mode in the case where the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode are standardized with power in order to satisfy the relationship of Formula 1 and Formula 2.
  • the active element is added at a higher concentration than at least a part where the intensity of the LP01 mode is higher than that of the LP02 mode and the LP03 mode. is there.
  • seed light is output from the seed light source 10 from the single mode fiber 15.
  • the wavelength of this seed light is, for example, 1070 ⁇ m as described above.
  • the seed light including the LP01 mode propagates due to the configuration of the single mode fiber 15 described above.
  • the seed light propagating through the single mode fiber 15 is input to the optical combiner 30.
  • the excitation light source 20 outputs excitation light that excites the active element Yb added to the core 51 of the amplification optical fiber 50.
  • the wavelength at this time is, for example, a wavelength of 915 ⁇ m as described above. Then, the excitation light output from the excitation light source 20 propagates through the multimode fiber 22 and is input to the optical combiner 30.
  • the seed light and the pumping light input to the optical combiner 30 are input to the amplification optical fiber 50, the seed light propagates through the core 51 of the amplification optical fiber 50, and the pumping light is clad of the amplification optical fiber 50. 52 is mainly propagated.
  • the seed light is mainly input as the LP01 mode
  • the core 51 of the amplification optical fiber 50 can propagate as the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode with respect to the light having the wavelength of the seed light.
  • the LP02 mode and the LP03 mode are excited and propagate as the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode.
  • the active element Yb added to the core 51 is excited.
  • the excited active element Yb causes stimulated emission by seed light, and the seed light in the LP01 mode, LP02 mode, and LP03 mode is amplified by this stimulated emission.
  • the concentration of the active element Yb in the central region 55 and the outer peripheral region 57 of the core 51 is made higher than the concentration of the active element Yb in the intermediate region 56 of the core 51, and the above formulas 1 and 2 are satisfied.
  • the LP02 mode and the LP03 mode are amplified with a higher amplification factor than the LP01 mode.
  • the active element Yb is added at a low concentration. Amplification is suppressed.
  • the active element is added so as to satisfy the above formulas 1 and 2, the seed light amplified by the LP02 mode and the LP03 mode at a higher amplification factor than the LP01 mode as a whole of the core 51. Is output from the amplification optical fiber 50 as output light. Therefore, in the output light, the power of the LP01 mode is kept low.
  • At least one of the LP02 mode and the LP03 mode is stronger than the LP01 mode in the regions A, B, and F, and
  • the active element is added at a concentration higher than a part of the region C and the region E where the intensity of the LP01 mode is higher than at least a part of the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • the region where the active element is added at a high concentration since the light amplification factor is high, at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is amplified at a high amplification factor.
  • both the LP02 mode and the LP03 mode are amplified with a high amplification factor.
  • the amplification factor of the LP01 mode is suppressed because the light amplification factor is not high.
  • the amplification optical fiber of the present embodiment suppresses the LP01 mode amplification and positively amplifies the LP02 mode and the LP03 mode so that the amplification optical fiber 50 as a whole satisfies the above formulas 1 and 2. .
  • the amplification optical fiber 50 As described above, in the higher-order modes such as the LP02 mode and the LP03 mode that are positively amplified in the amplification optical fiber 50, places where the strength is strong are dispersed in the radial direction of the core 51. Therefore, even if such a higher-order mode is amplified, the nonlinear optical effect is less likely to occur than when the LP01 mode is amplified. Therefore, in the amplification optical fiber 50, light can be amplified at a higher amplification factor while being inhibited by the nonlinear optical effect, and the amplification optical fiber 50 as a whole has high power. Can be output.
  • the amplification optical fiber 50 Even when the amplification optical fiber 50 is used in a bent state, in the high-order mode, the center of the light is not easily shifted to the outer peripheral side of the core 51, and the area of the mode field is not easily reduced. For this reason, in the amplification optical fiber 50 of this embodiment, even if it is used in a bent state, the occurrence of nonlinear optical effects due to the concentration of light is suppressed, and light that is used and output in a straight line state. It can be suppressed that the power of the output light becomes smaller than the power of.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state of the core of the amplification optical fiber according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 3 in the first embodiment.
  • the amplification optical fiber in this embodiment uses a core 51a instead of the core 51 of the amplification optical fiber 50 in the first embodiment.
  • the core 51a is divided into the central region 55a, the intermediate region 56a, and the outer peripheral region 57a in the same manner as being divided into the central region 55, the intermediate region 56, and the outer peripheral region 57. It is delimited.
  • the active element is added to the central region 55a and the outer peripheral region 57a at the same concentration as the central region 55 and the outer peripheral region 57 of the core 51 in the first embodiment.
  • the core 51a of the amplification optical fiber of the present embodiment differs from the core 51 of the amplification optical fiber 50 of the first embodiment in that no active element is added to the intermediate region 56a. And addition of the active element of the core 51a is set so that the relationship of the said Formula 1 and Formula 2 may be satisfy
  • the LP01 mode is not amplified.
  • the regions A, G, and G in which the LP02 mode and the LP03 mode are stronger than the LP01 mode are strong in the LP01 mode.
  • Light is amplified in the center region 55a and the outer peripheral region 57a including a part of the region B and the region F.
  • the LP02 mode and the LP03 mode have a higher amplification factor than the LP01 mode as a whole of the core 51a. Amplified.
  • the LP01 mode is not amplified in this region. Therefore, the LP02 mode and the LP03 mode can be amplified with a higher amplification factor than the LP01 mode as the entire core 51a. Therefore, even when high-power light is output while suppressing the nonlinear optical effect, light having a desired power can be output.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a state of the core of the amplification optical fiber according to the third embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 3 in the first embodiment.
  • the amplification optical fiber in the embodiment uses a core 51b instead of the core 51 of the amplification optical fiber 50 in the first embodiment.
  • the core 51b is divided into a central region 55b, an intermediate region 56b, and an outer peripheral region 57b.
  • the boundary between the central region 55b and the intermediate region 56b coincides with the boundary between the region B and the region C
  • the boundary between the intermediate region 56b and the outer peripheral region 57b is coincident with the boundary between the region E and the region F.
  • the intermediate region 56b includes all of the region C and the region E in which the intensity of the LP01 mode is higher than that of the LP02 mode and the LP03 mode.
  • the concentration of the active element Yb added to the center region 55b is equal to the concentration of the active element Yb added to the center region 55 of the core 51 of the first embodiment.
  • the concentration of the active element Yb added to the intermediate region 56b is the same as the concentration of the active element Yb added to the intermediate region 56 of the core 51 of the first embodiment, and is added to the outer peripheral region 57b.
  • the concentration of the active element Yb is the same as the concentration of the active element Yb added to the outer peripheral region 57 of the core 51 of the first embodiment.
  • the core 51b is set so as to satisfy the relationship of Formula 1 and Formula 2.
  • the intermediate region 56b includes all of the region C and the region E in which the LP01 mode is stronger than the LP02 mode and the LP03 mode.
  • the LP01 mode amplification is suppressed in the regions C and E.
  • the intensity of at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is stronger than the intensity of the LP01 mode.
  • the active element Yb is the same as in the first embodiment. Since it is added at a high concentration, at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is amplified with a high amplification factor.
  • the strength of both the LP02 mode and the LP03 mode is stronger than the strength of the LP01 mode. Both are amplified with a higher gain than the LP01 mode.
  • the amplification optical fiber of this embodiment since the amplification of light can be suppressed in all regions where the intensity of the LP01 mode is higher than the intensity of the LP02 mode and the LP03 mode, the nonlinear optical effect can be suppressed, and the amplification light Even when the fiber 50 as a whole has a higher light amplification factor than the first embodiment, light can be output to a desired power.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a state of the core of the amplification optical fiber according to the fourth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 3 in the first embodiment.
  • the amplification optical fiber in the embodiment uses a core 51c instead of the amplification optical fiber core 51b in the third embodiment.
  • the core 51c is divided into a central region 55c, an intermediate region 56c, and an outer peripheral region 57c in the same manner as the core 51b of the third embodiment is divided into a central region 55b, an intermediate region 56b, and an outer peripheral region 57b.
  • active elements are added to the central region 55c and the outer peripheral region 57c at the same concentration as the central region 55b and the outer peripheral region 57b of the core 51b in the third embodiment.
  • the core 51c of the amplification optical fiber of the present embodiment is different from the core 51b of the third embodiment in that no active element is added to the intermediate region 56c. Therefore, when the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode are normalized by power, the active element Yb is added in the region C and the region E where the strength of the LP01 mode is higher than that of the LP02 mode and the LP03 mode. It has not been.
  • the core 51c is set so that the relationship of Formula 1 and Formula 2 may be satisfy
  • the active element is not added in the intermediate region 56c including the region C and the region E stronger than the LP01 mode than the LP02 mode and the LP03 mode.
  • C and region E light is not amplified, so that the LP01 mode amplification is suppressed as a whole of the fiber.
  • the light is amplified at a high amplification factor in the central region 55c and the outer peripheral region 57c, which are regions where the intensity of at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is stronger than the intensity of the LP01 mode.
  • the LP02 mode and the LP03 mode are amplified with a high amplification factor as the amplification optical fiber.
  • the amplification optical fiber of the present embodiment since light is not amplified in the intermediate region 56c, the amplification of the LP01 mode can be further suppressed as a whole fiber, and light with higher power can be output. .
  • FIG. 7 is a view showing a state of the core of the amplification optical fiber according to the fifth embodiment of the present invention, and is a view corresponding to FIG. 3 in the first embodiment.
  • the amplification optical fiber in the embodiment uses a core 51d in place of the core 51 of the amplification optical fiber in the first embodiment.
  • the active element Yb is added at a high concentration to the region A, the region B, the region D, the region F, and the region G, and the region C and the region E include The active element Yb is added at a lower concentration than the region A or the like.
  • the strength of at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is higher than the strength of the LP01 mode.
  • all the regions region C, region where the active element is stronger in the LP01 mode than in the LP02 mode and LP03 mode
  • amplification optical fiber In such an amplification optical fiber, light is amplified at a high amplification factor in a region where the intensity of at least one of the LP02 mode and the LP03 mode is higher than the intensity of the LP01 mode, and the intensity of the LP01 mode is LP02 mode, LP03. In a region stronger than the mode intensity, light is amplified with a low amplification factor. Therefore, according to the amplification optical fiber of the present embodiment, the LP01 mode amplification is suppressed and the LP02 mode and the LP03 mode can be further amplified, so that the light can be amplified with a higher amplification factor.
  • the LP01 mode strength is higher than the LP02 mode and LP03 mode strength.
  • the active element may not be added. That is, the region C and the region E may be configured such that no active element is added. With this configuration, light is not amplified in a region where the intensity of the LP01 mode is stronger than that of the LP02 mode and the LP03 mode, and the amplification of the LP01 mode can be further suppressed. Accordingly, it is possible to further suppress the occurrence of the nonlinear optical effect.
  • FIG. 8 is a diagram showing a resonator according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the resonator 2 includes a pumping light source 20, an amplification optical fiber 50, an optical combiner 30, and a double clad provided between the amplification optical fiber 50 and the optical combiner 30.
  • a fiber 65, a first FBG 61 provided in the double clad fiber 65, a multimode fiber 66 provided on the side opposite to the double clad fiber 65 side of the amplification optical fiber 50, and a second FBG 62 provided in the multimode fiber 66 are mainly used.
  • the double clad fiber 65 has a cross-sectional structure perpendicular to the longitudinal direction similar to that of the optical fiber for amplification, and is composed of a core, a clad covering the core, and an outer clad covering the clad.
  • the outer diameter and refractive index of the core, clad, and outer clad of the double clad fiber 65 are substantially the same as the core, clad, and outer clad of the amplification optical fiber 50.
  • the first embodiment in the same manner as the amplification optical fiber 50 is connected to the optical combiner 30, one end of the double clad fiber 65 is connected to the optical combiner 30 and the core of the multimode fiber 22 is connected.
  • the clad of the double clad fiber 65 is optically connected.
  • the other end of the double clad fiber 65 is connected to the amplification optical fiber 50, the core of the double clad fiber 65 and the core 51 of the amplification optical fiber 50 are connected, and the clad of the double clad fiber 65 and the amplification light are connected.
  • the clad 52 of the fiber 50 is connected.
  • the first FBG 61 is provided in the core of the double clad fiber 65.
  • the first FBG 61 is provided on one side of the amplification optical fiber 50.
  • the first FBG 61 has a portion where the refractive index increases at a constant period along the longitudinal direction of the double clad fiber 65, and this period is adjusted so that the amplification optical fiber 50 in the excited state is in the excited state.
  • the active element is configured to reflect at least part of the wavelength of light emitted. When the active element is Yb as described above, the first FBG 61 has a reflectance of, for example, 100% at 1070 nm, for example.
  • the multimode fiber 66 provided on the opposite side of the amplification optical fiber 50 from the double clad fiber 65 side propagates the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode in the same manner as the amplification optical fiber 50.
  • the refractive indexes of the core and the clad are set.
  • the multimode fiber 66 has one end connected to the amplification optical fiber 50 and nothing connected to the other end, and is a free end.
  • the core 51 of the amplification optical fiber 50 and the multimode fiber 66 are connected to each other. The core is connected.
  • the second FBG 62 is provided in the core of the multimode fiber 66.
  • the second FBG 62 is provided on the other side of the amplification optical fiber 50.
  • the second FBG 62 has a portion where the refractive index is increased at a constant period along the longitudinal direction of the multimode fiber 66, and light having the same wavelength as the light reflected by the first FBG 61 is reflected at a lower reflectance than the first FBG 61.
  • the first FBG 61 is configured to reflect light having the same wavelength as that reflected by the first FBG 61 with a reflectance of 50%.
  • the pumping light when pumping light is output from each laser diode 21 of the pumping light source 20, the pumping light is input to the cladding of the double-clad fiber 65 in the optical combiner 30, and the double-clad fiber. Input from 65 clads to the clad of the optical fiber 50 for amplification.
  • the active element added to the core 51 of the amplification optical fiber 50 is brought into an excited state. And the active element made into the excited state emits spontaneous emission light of a specific wavelength.
  • the spontaneously emitted light at this time is, for example, light having a constant band with a center wavelength of 1070 nm.
  • This spontaneously emitted light propagates through the core 51 of the amplification optical fiber 50, is reflected by the first FBG 61 provided in the core of the double clad fiber 65, and the reflected light is reflected by the second FBG 62, so that the light Resonance occurs.
  • the light is amplified when propagating through the core 51 of the amplification optical fiber 50, and part of the light is transmitted through the second FBG and output from the multimode fiber 66.
  • the LP02 mode and the LP03 mode are amplified more strongly than the LP01 mode light. Even in the case of outputting light, it is possible to output light having a desired power.
  • the amplification optical fiber 50 according to the first embodiment has been described as an example of the amplification optical fiber.
  • the amplification optical fiber 50 described in the second to fifth embodiments. May be used.
  • the amplification optical fiber 50 of the above-described embodiment has a structure in which only the core 51 (51a, 51b, 51c, 51d) is disposed in the clad 52, but the present invention is not limited to this.
  • a pair of stress applying portions may be provided in the clad 52 of the amplification optical fiber 50 of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a modification of the amplification optical fiber 50 in the first embodiment.
  • the overlapping description is abbreviate
  • the amplification optical fiber 54 is different from the amplification optical fiber 50 of the first embodiment in that a pair of stress applying portions 58 sandwiching the core 51 is provided in the clad 52. That is, the amplification optical fiber 54 of this modification is a polarization maintaining fiber (PANDA fiber).
  • PANDA fiber polarization maintaining fiber
  • each stress applying portion 58 has a diameter of, for example, 35 ⁇ m.
  • the relative refractive index difference with respect to the cladding 52 is set to ⁇ 1%, and is provided at a distance of 5 ⁇ m from the outer peripheral surface of the core 51.
  • Examples of the material constituting the stress applying portion 58 include quartz to which boron (B) is added as a dopant. By providing such a stress applying portion 58, it is possible to propagate single polarized light.
  • Such an amplification optical fiber 54 can have a polarization extinction ratio of about 20 dB between the light input to the core 51 and the light output from the core 51.
  • the amplification optical fiber 54 is used instead of the amplification optical fiber 50, and a wavelength converter such as a wavelength conversion fiber is connected to the output end of the amplification optical fiber 54. It is possible to obtain light that has been wavelength-converted efficiently.
  • seed light having a wavelength in the near-infrared region can be output from the seed light source 10 to obtain visible light or ultraviolet light.
  • the amplification optical fiber 54 is used in place of the amplification optical fiber 50, and a wavelength converter is connected to the output end of the resonator, thereby outputting from the amplification optical fiber 54.
  • the wavelength-converted light can be efficiently obtained from the emitted light. Therefore, light in a band different from the reflection band of the first FBG 61 and the second FBG 62 can be obtained.
  • Such a stress applying portion may be provided in the clad similarly to the modification of the first embodiment in the amplification optical fiber having the core as in the second to fifth embodiments.
  • the additive concentration distribution of the active element in the core satisfies the relationship of Formula 1 and Formula 2, but satisfies either of the relationship of Formula 1 and Formula 2. If it is, the LP02 mode and the LP03 mode can be amplified at a higher amplification factor than the LP01 mode, and either the LP02 mode or the LP03 mode is amplified higher than the LP01 mode as compared with the conventional case. Since it is possible to amplify at a rate, it is possible to output light having a desired power even when outputting light having higher power than conventional amplification optical fibers.
  • the active element may be added at a higher concentration in the region D than in other intermediate regions.
  • the region D an active element having the same concentration as that in the central region and the outer peripheral region may be added.
  • the core includes all of the regions in which at least one of the strengths of the LP02 mode and the LP03 mode is stronger than the strength of the LP01 mode when the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode are normalized by the power.
  • the active element is at least a part of the region where the intensity of LP01 mode is stronger than the intensity of LP02 mode and LP03 mode (part of region C, It is added at a higher concentration than in the region E), and satisfies both the above formulas 1 and 2.
  • the LP03 mode can be amplified with a higher amplification factor than in the first and second embodiments.
  • the concentration of the active element Yb added is set in two stages in the central region, the intermediate region, and the outer peripheral region.
  • the distribution is not different in two stages but may be a distribution that changes in three or more stages, or a distribution that changes continuously.
  • the active element may not be added to the outer peripheral region as long as at least one of the above formulas 1 and 2 is satisfied, or the above formulas 1 and As long as at least one of the formulas 2 is satisfied, no active element may be added to the central region. Even in such a configuration, at least one of the LP02 mode and the LP03 mode among the input light is amplified with a higher amplification factor than the LP01 mode.
  • the active elements added to the central region 55b and the outer peripheral region 57b may have different concentrations as long as at least one of the equations 1 and 2 is satisfied.
  • the amplification optical fiber is configured not to propagate higher-order modes higher than LP03 among the light input to the core, but is configured to propagate higher-order modes higher than LP03 mode. It is also good.
  • the forward pumping configuration in which the pumping light is input from the end surface opposite to the output end side of the amplification optical fiber has been described as an example.
  • the pumping light optical combiner is used as the amplification light. It is good also as a back pumping structure which provides in the output-end side of a fiber and inputs excitation light from the output-end side end surface of the optical fiber for amplification.
  • a multimode fiber may be used and the multimode light may be input to the amplification optical fiber.
  • a multi-mode fiber is used as the seed light propagation fiber of the optical combiner, and the central axis of the multi-mode fiber connected to the seed light source and the central axis of the seed light propagation fiber of the optical combiner are approximately matched.
  • the multimode fiber propagates in an axially symmetric mode, and the seed light input to the amplification optical fiber is light composed of the axially symmetric mode.
  • the seed light input to the amplification optical fiber is only the axially symmetric high-order mode in addition to the LP01 mode.
  • a multimode fiber that propagates in the LP01 mode, the LP02 mode, and the LP03 mode and does not propagate higher order modes higher than the LP04 mode.
  • the light propagating through the core is 1070 ⁇ m
  • the diameter of the core is 30 ⁇ m
  • the relative refractive index difference between the core and the clad is 0.32%.
  • optical fiber amplifier 1 and the resonator 2 described in the above embodiment can be used as they are as a fiber laser device.
  • an amplification optical fiber capable of outputting light of a desired power, and an optical fiber amplifier and a resonator using the same are provided, and a processing field using laser light is provided. It can be used in the medical field.

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Abstract

　所望のパワー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とを有する増幅用光ファイバ５０であって、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、及び、ＬＰ０３モードで伝播し、コア５１には、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加される。

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、所望のパワー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の一つとして、レーザ発振器（ＭＯ：Master Oscillator）等の種光源により発生される光を、増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）で増幅して出力するＭＯ－ＰＡ（Master Oscillator－Power Amplifier）型のファイバレーザ装置が知られている。この増幅器に用いられる増幅器の一つとして、増幅用光ファイバによって光を増幅する光ファイバ増幅器が知られている。
　この増幅用光ファイバにおいては、一般的に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ている。このダブルクラッドファイバには、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、コアの断面積が小さいため、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い、期待したレーザ出力が得られないことがある。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。
　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）や、ＬＰ０２モード等の高次モードが励振される。下記特許文献１には、活性元素が、高次モードの強度プロファイルに合わせて、分布するように添加される増幅用光ファイバが記載されている。
特表２０１０－５１８６３３号公報
　しかし、特許文献１に記載の増幅用光ファイバの様に、単に、活性元素が、高次モードの強度プロファイルに合わせて、分布するように添加されると、増幅しようとする高次モードの他にＬＰ０１モードまで高い増幅率で増幅されることがある。ところで、ＬＰ０１モードは、コアの中心に強度の強い場所が集中しているため、ＬＰ０１モードが増幅されると、コアの中心において光の密度が高くなりすぎて、非線形光学効果が生じ易くなり、期待した出力光を得ることができない傾向がある。さらに、通常、増幅用光ファイバは、少なくとも一部が曲げられた状態で配置されて使用されるが、ＬＰ０１モードは、増幅用光ファイバが曲げられた場所において、光の分布がコアの外周側にずれると共に、モードフィールドが歪んで面積が小さくなり易い。従って、ＬＰ０１モードは、増幅用光ファイバが曲げられている場所においては、光の集中による非線形光学効果をより生じ易い。従って、パワーの高い光を出力しようとすると、非線形光学効果によって、所望のパワーの出力光を得られない虞がある。
　そこで、本発明は、所望のパワー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。
　上記課題を解決するため、本発明は、コアと、前記コアを被覆するクラッドとを有する増幅用光ファイバであって、前記コアは、所定の波長の光を少なくともＬＰ０１モード、及び、ＬＰ０２モード、及び、ＬＰ０３モードで伝播し、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加され、下記式１及び式２の少なくとも一方を満たすことを特徴とするものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 （ただし、ｒは、前記コアの径方向における中心からの距離であり、Ｉ０１（ｒ）は、前記ＬＰ０１モードの前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、Ｉ０２（ｒ）は、前記ＬＰ０２モードの前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、Ｉ０３（ｒ）は、前記ＬＰ０３モードの前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、ｎ（ｒ）は、前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける活性元素の添加濃度であり、ｂは前記コアの半径である。）
　本発明の増幅用光ファイバにおいては、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方がＬＰ０１モードよりも強い領域において、活性元素が、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度の少なくとも一部よりも強い領域よりも高い濃度で添加される。この活性元素が高い濃度で添加される領域においては、光の増幅率が高いため、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方が、高い増幅率で増幅される。一方、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部においては、光の増幅率が高くないため、ＬＰ０１モードの増幅が抑制される。このように、本発明の増幅用光ファイバは、ＬＰ０１モードの増幅を抑え、ファイバ全体として、上記式１及び式２の少なくとも一方を満たすようにＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方を積極的に増幅させる。
　ところで、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードといった高次モードは、強度の強い場所が、コアの径方向に分散している。従って、このような高次モードが増幅されても、ＬＰ０１モードが増幅される場合と比べて、非線形光学効果が生じづらい。従って、パワーの高い光を出力する場合においても、非線形光学効果により光のエネルギーが他の波長に移行することを抑制でき、所望のパワーの光を出力することができる。
　また、本発明者の知見によれば、増幅用光ファイバが曲げられた状態で使用される場合においても、高次モードは、光の中心がコアの外周側にずれづらく、モードフィールドの面積が小さくなりにくい。このため、本発明の増幅用光ファイバにおいては、曲げられた状態で使用されても、光の集中による非線形光学効果が生じることが抑制され、直線の状態で使用されて出力される光のパワーと比べて、出力される光のパワーが小さくなることを抑制することができる。
　また、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部、及び、前記ＬＰ０３モードの強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部のそれぞれにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも、高い濃度で添加され、前記式１及び前記式２の両方を満たすことが好ましい。
　このような増幅用光ファイバにおいては、ファイバ全体として、上記式１、及び、式２を満たすように、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードがＬＰ０１モードよりも高く増幅される。従って、よりパワーの高い光を出力することができる。
　さらに、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度が共に前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも、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、ファイバ全体として、上記式１、及び、式２を満たすように、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの双方の強度が、ＬＰ０１の強度よりも強い領域の少なくとも一部に活性元素を高い濃度で添加すれば良い。従って、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードが、ＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅されるように、効率的に活性元素を添加することができる。
　さらに、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度が共に前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも、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、さらにパワーの高い光を出力することができる。
　また、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも、高い濃度で添加され、前記式１及び前記式２の両方を満たすことが好ましい。
　このような増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域以外において、光が高い増幅率で増幅され、ファイバ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードが、ＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅される。従って、非線形光学効果が生じることを抑制して、よりパワーの高い光を出力することができる。
　また、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部には、前記活性元素が添加されていないことが好ましい。
　このように構成することで、ＬＰ０１モードの強度が強い領域の少なくとも一部においては、光が増幅されず、ファイバ全体としてＬＰ０１モードの増幅が抑制される。従って、更に非線形光学効果を抑制することができる。
　また、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも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、活性元素が高い濃度で添加される領域においては、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域のどこよりも、光が高い増幅率で増幅される。こうして、光が高い増幅率で増幅される場所においては、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方が、高い増幅率で増幅され、ファイバ全体として更に、ＬＰ０１モードよりもＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方を高い増幅率で増幅することができ、よりパワーの高い光を出力することができる。
　さらに、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部、及び、前記ＬＰ０３モードの強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部のそれぞれにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも高い濃度で添加され、前記式１及び前記式２の両方を満たすことが好ましい。
　このような増幅用光ファイバにおいては、ファイバ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードが、ＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅されるので、よりパワーの高い光を出力することができる。
　さらに、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度が共に前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも、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モード及びＬＰ０３モードの双方の強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部に活性元素を添加すれば良いため、ファイバ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードが、ＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅されるように、効率的に活性元素を添加することができる。
　さらに、前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度が共に前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも、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モード及びＬＰ０３モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも大きい領域全体において、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも大きい領域全体よりも、光が高い増幅率で増幅される。従って、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードが、ＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅され、より高いパワーの光を出力することができる。
　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも、高い濃度で添加され、前記式１及び前記式２の両方を満たすことが好ましい。
　このような増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方よりも高い領域以外において、光が高い増幅率で増幅される。従って、ファイバ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードを高い増幅率で増幅することができ、より高いパワーの光を出力することができる。
　また、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域には、前記活性元素が添加され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、ＬＰ０１モードの強度が強い領域においては、光が増幅されないため、ファイバ全体としてＬＰ０１モードの増幅を抑制でき、非線形光学効果が生じることをより抑制することができる。
　また、前記クラッド内に前記コアを挟む一対の応力付与部が設けられていることが好ましい。このような応力付与部を設けることにより、単一偏波の光を伝搬することができる。
　また、本発明の光ファイバ増幅器は、上記の増幅用光ファイバと、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３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、ＬＰ０１モードが励振される場合においても、ＬＰ０１モードよりもＬＰ０２モードやＬＰ０３モードをより高い増幅率で増幅するため、パワーの高い光を出力する場合においても、所望のパワーの光を出力することができる。
　さらに、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、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、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードがＬＰ０１モードより強く増幅されるので、非線形光学効果が抑制されて、パワーの高い光を出力する場合においても、所望のパワー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、所望のパワー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。
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６実施形態に係る共振器を示す図である。 第１実施形態における増幅用光ファイバの変形例を示す図である。
　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１は、種光となる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し、励起光により励起される活性元素が添加された増幅用光ファイバ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、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３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。また、種光源１０から出力される種光は、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３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、波長は、増幅用光ファイバ５０に添加される活性元素が誘導放出できる波長であり、例えば、活性元素をイッテルビウム（Ｙｂ）とした場合には、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、０．３２％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。さらに活性元素として、希土類元素の他に、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）等が挙げられる。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、基本モードであるＬＰ０１モードの他に、高次のモードとして、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードが存在する。本実施形態に係る増幅用光ファイバ５０においては、ＬＰ０４以上の高次モードが存在しても良いが、本実施形態においては、特にＬＰ０４モード以上の高次モードの増幅については、考慮しないものとする。或いは、ＬＰ０４以上の高次モードが伝播しないように、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も良い。このようにＬＰ０４モード以上の高次モードが伝播されないように設定するには、例えば、上述のように、種光の波長が１０７０ｎｍであり、コア５１の直径が３０μｍで、コア５１とクラッド５２との比屈折率差が０．３２％となるようにすれば良い。
　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（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の構造を示す図である。また、図３（Ｂ）は、コア５１を伝播するＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードにおける規格化した単位面積当たりの強度の分布を示す図である。また、図３（Ｃ）は、コア５１を伝播するＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度を面積で積分し、規格化したパワーの分布を示す図である。また、図３（Ｄ）は、コア５１に添加されている活性元素の濃度分布の様子を示す図である。
　図３（Ｂ）に示すように、それぞれのモードは、コア５１の中心で最も強くなる強度分布を有している。この中心における強度は、ＬＰ０３モードが最も大きく、次いでＬＰ０２モードであり、ＬＰ０１モードの強度が最も小さい。そして、コア５１の中心から径方向に離れると、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０３モードの強度よりも大きくなる。ここで、図３に示すように、コア５１の中心から、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０３モードの強度よりも大きくなるまでの径方向における領域を領域Ａとする。更にコア５１の中心から径方向に離れると、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも大きくなる。ここで、領域Ａの外周側でＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも大きくなるまでの領域を領域Ｂとする。そして、更にコア５１の中心から径方向に離れると、一時的にＬＰ０３モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも大きくなる。ここで、領域Ｂの外周側で、一時的にＬＰ０３モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも大きくなるまでの領域を領域Ｃとして、一時的にＬＰ０３モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも大きくなっている領域を領域Ｄとする。そして、更にコア５１の中心から径方向に離れると、領域Ｄの外周側において、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも大きくなっている。この領域Ｄの外周側で、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも大きくなっている領域を領域Ｅとする。更に領域Ｅの外周側において、ＬＰ０２モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも大きくなり、更に、外周側においては、ＬＰ０１モードの強度は、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも小さくなる。この領域Ｅの外周側で、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも小さくなるまでの領域を領域Ｆとし、領域Ｆの外周側の領域を領域Ｇとする。
　このようにそれぞれの領域を定義する場合に、領域Ａは、コア５１の長さ方向に垂直な断面における形状が、円形となり、他の領域Ｂ～Ｇは、それぞれリング状に分布する。そして、コア５１の直径が、例えば、上述のように、３０μｍである場合に、中心から領域Ａと領域Ｂとの境界までの距離は、約３μｍであり、中心から領域Ｂと領域Ｃとの境界までの距離は、約４μｍであり、中心から領域Ｃと領域Ｄとの境界までの距離は、約７μｍであり、中心から領域Ｄと領域Ｅとの境界までの距離は、約８．５μｍであり、中心から領域Ｅと領域Ｆとの境界までの距離は、約１０μｍであり、中心から領域Ｆと領域Ｇとの境界までの距離は、約１２μｍとなる。
　上記の様に区分した領域をそれぞれのモードの強度で分類すると、領域Ａ及び領域Ｇにおいては、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも大きくなる。また、領域Ｂ及び領域Ｆにおいては、ＬＰ０２モードの強度が、ＬＰ０１モードよりも大きくなり、領域Ｄにおいては、ＬＰ０３モードの強度が、ＬＰ０１モードよりも大きくなる。そして、領域Ｃ及び領域Ｅにおいては、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも大きくなる。
　このようなＬＰ０１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ０３モードの強度の関係は、図３（Ｃ）に示す分布においても同様となる。
　そして、コア５１には、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、活性元素が、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加されている。本実施形態においては、図３（Ｄ）に示すように、図ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも強い領域Ｃにおける領域Ｄ側の領域と領域Ｅとを含む中間領域５６よりも、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも強い領域である領域Ａ及び領域Ｇ、及び、ＬＰ０２モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも強い領域Ｂ及び領域Ｆにおける領域Ｇ側を含む中心領域５５及び外周領域５７において、活性元素の一つであるＹｂが高い濃度で添加されている。なお、活性元素は、コア５１の円周方向に同じ濃度で添加されている。
　本実施形態において添加される活性元素Ｙｂの濃度は、例えば、中心領域５５及び外周領域５７において、１６×１０２５（個／ｍ３）とされ、中間領域５６において、８×１０２５（個／ｍ３）とされる。
　このように活性元素が添加されることにより、増幅用光ファイバ５０は、下記式１及び式２のいずれも満たすものとされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ただし、ｒは、コア５１の径方向における中心からの距離であり、Ｉ０１（ｒ）は、図３（Ｂ）に示すＬＰ０１モードのコア５１の径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、Ｉ０２（ｒ）は、図３（Ｂ）に示すＬＰ０２モードのコア５１の径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、Ｉ０３（ｒ）は、図３（Ｂ）に示すＬＰ０３モードのコア５１の径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、ｎ（ｒ）は、コア５１の径方向における中心から距離ｒにおける活性元素の添加濃度であり、ｂはコア５１の半径である。なお、ｒの単位は、（ｍ）であり、Ｉ０１（ｒ）、Ｉ０２（ｒ）Ｉ０３（ｒ）の単位は、（Ｗ／ｍ２）であり、ｎ（ｒ）の単位は、（個／ｍ３）であり、ｂの単位は、（ｍ）である。
　上述の中心領域５５、中間領域５６、外周領域５７における活性元素Ｙｂの添加濃度とは、式１及び式２の関係を満たすものであれば、適宜、変更することができる。すなわち、コア５１内の活性元素の添加濃度分布は、式１及び式２の関係を満たすものであれば、ファイバ全体として、ＬＰ０１モードよりもＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードを高い増幅率で増幅することができる。このため、非線形光学効果が生じることを抑制することができ、所望の増幅率で光を増幅できる。
　このように、本発明において特徴的な点は、式１及び式２の関係を満たすために、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、活性元素が、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い少なくとも一部よりも高い濃度で添加された点にある。
　次に、光ファイバ増幅器１の動作について説明する。
　まず、種光源１０から種光がシングルモードファイバ１５から出力される。この種光の波長は、例えば、上述のように１０７０μｍとされる。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モードを含む種光が伝播する。そして、シングルモードファイバ１５を伝播する種光は、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を主に伝播する。種光は、主としてＬＰ０１モードとして入力するが、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モード及びＬＰ０３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モード及びＬＰ０３モードが励振され、ＬＰ０１モードおよびＬＰ０２モード及びＬＰ０３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モード及びＬＰ０３モードの種光は増幅される。
　このとき、コア５１の中心領域５５及び外周領域５７における活性元素Ｙｂの濃度が、コア５１の中間領域５６における活性元素Ｙｂの濃度よりも高くされ、上記式１及び式２を満たしている。このため、コア５１全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードは、ＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅される。特にＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モード強度よりも強い領域である領域Ｃにおける領域Ｄ側の領域及び領域Ｅにおいては、活性元素Ｙｂが低い濃度で添加されているため、ＬＰ０１モード光の増幅が抑制される。
　上述のように、活性元素は、上記の式１及び式２を満たすように添加されているため、コア５１全体として、ＬＰ０１モードよりもＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードが高い増幅率で増幅された種光は、増幅用光ファイバ５０から出力光として出力する。従って、出力光においては、ＬＰ０１モードのパワーが低く抑えられている。
　以上説明したように、本実施形態の増幅用光ファイバ５０においては、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方がＬＰ０１モードよりも強い領域Ａ、及び、領域Ｂ、及び、領域Ｆの一部、及び、領域Ｇにおいて、活性元素が、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度の少なくとも一部よりも強い領域Ｃの一部及び領域Ｅよりも高い濃度で添加される。この活性元素が高い濃度で添加される領域においては、光の増幅率が高いため、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方が、高い増幅率で増幅される。特に領域Ａ及び領域Ｇにおいては、光が高い増幅率で増幅されるので、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの双方が高い増幅率で増幅される。一方、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも高い領域Ｃの一部及び領域Ｅにおいては、光の増幅率が高くないため、ＬＰ０１モードの増幅が抑制される。このように、本実施形態の増幅用光ファイバは、ＬＰ０１モードの増幅を抑え、増幅用光ファイバ５０全体として、上記式１及び式２を満たすようにＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードを積極的に増幅させる。このように増幅用光ファイバ５０において積極的に増幅されるＬＰ０２モードやＬＰ０３モードといった高次モードは、強度の強い場所が、コア５１の径方向に分散している。従って、このような高次モードが増幅されても、ＬＰ０１モードが増幅される場合と比べて、非線形光学効果が生じづらい。従って、増幅用光ファイバ５０においては、非線形光学効果に阻害されることが抑制された状態で、光をより高い増幅率で増幅することができ、増幅用光ファイバ５０全体として、パワーの高い光を出力することができる。
　なお、増幅用光ファイバ５０が曲げられた状態で使用される場合においても、高次モードは、光の中心がコア５１の外周側にずれづらく、モードフィールドの面積が小さくなりにくい。このため、本実施形態の増幅用光ファイバ５０においては、曲げられた状態で使用されても、光の集中による非線形光学効果が生じることが抑制され、直線の状態で使用されて出力される光のパワーと比べて、出力される光のパワーが小さくなることを抑制することができる。
　（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（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実施形態における増幅用光ファイバ５０のコア５１に代えて、コア５１ａが用いられている。このコア５１ａは、第１実施形態のコア５１と同様にして、中心領域５５、中間領域５６、外周領域５７に区切られているのと同様に、中心領域５５ａ、中間領域５６ａ、外周領域５７ａに区切られている。そして、中心領域５５ａ及び外周領域５７ａには、図４（Ｄ）に示すように、第１実施形態におけるコア５１の中心領域５５及び外周領域５７と同様の濃度で活性元素が添加されている。しかし、本実施形態の増幅用光ファイバのコア５１ａは、中間領域５６ａ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。そして、コア５１ａの活性元素の添加は、第１実施形態と同様にして、上記式１及び式２の関係を満たすように設定されている。
　本実施形態の増幅用光ファイバにおいては、コア５１ａの中間領域５６ａに活性元素が添加されていないため、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりもＬＰ０１モードの強度が強い領域Ｃの一部と、領域Ｅを含む中間領域５６ａにおいて、ＬＰ０１モードが増幅されない。そして、第１の実施形態と同様に、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも強い領域である領域Ａ、及び、領域Ｇ、及び、ＬＰ０２モードがＬＰ０１モードの強度が強い領域である領域Ｂ及び領域Ｆの一部を含む中心領域５５ａ及び外周領域５７ａにおいて、光が増幅される。そして、上述のように、コア５１ａには、上記式１及び式２を満たすように活性元素が添加されているため、コア５１ａ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードがＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅される。
　本実施形態の増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０１モードの強度が強い領域Ｃの一部及び領域Ｅを含む中間領域５６ａにおいて活性元素が添加されていないため、この領域においてＬＰ０１モードが増幅されない。従って、コア５１ａ全体として、ＬＰ０２モード及ＬＰ０３モードをＬＰ０１モードよりも、より高い増幅率で増幅することができる。従って、非線形光学効果を抑制して、パワーの高い光が出力される場合においても、所望のパワーの光を出力することができる。
　（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（Ａ）に示すように、実施形態における増幅用光ファイバは、第１実施形態における増幅用光ファイバ５０のコア５１に代えて、コア５１ｂが用いられている。このコア５１ｂは、中心領域５５ｂ、中間領域５６ｂ、外周領域５７ｂに区切られている。ただし、中心領域５５ｂと中間領域５６ｂとの境界が、領域Ｂと領域Ｃとの境界と一致しており、中間領域５６ｂと外周領域５７ｂとの境界が、領域Ｅと領域Ｆとの境界に一致している点において、第１実施形態のコア５１と異なる。従って、中間領域５６ｂには、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域Ｃ及び領域Ｅの全てを含んでいる。
　そして、本実施形態の増幅用光ファイバのコア５１ｂは、中心領域５５ｂに添加される活性元素Ｙｂの濃度が、第１実施形態のコア５１の中心領域５５に添加される活性元素Ｙｂの濃度と同様とされ、中間領域５６ｂに添加される活性元素Ｙｂの濃度が、第１実施形態のコア５１の中間領域５６に添加される活性元素Ｙｂの濃度と同様とされ、外周領域５７ｂに添加される活性元素Ｙｂの濃度が、第１実施形態のコア５１の外周領域５７に添加される活性元素Ｙｂの濃度と同様とされる。
　そして、このように活性元素が添加されることにより、本実施形態においても、コア５１ｂは、式１及び式２の関係を満たすように設定されている。
　本実施形態の増幅用光ファイバにおいては、中間領域５６ｂが、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも強い領域Ｃ及び領域Ｅの全てを含む。この中間領域５６ｂにおいては、活性元素の濃度が低く抑えられているため、領域Ｃ及び領域Ｅにおいて、ＬＰ０１モードの増幅が抑制される。また、中心領域５５ｂ及び外周領域５７ｂにおいては、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度がＬＰ０１モードの強度よりも強く、これらの領域においては、第１の実施形態と同様にして活性元素Ｙｂが高い濃度で添加されるため、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方が高い増幅率で増幅される。特に中心領域５５ｂに含まれる領域Ａ、及び、外周領域に含まれる領域Ｇにおいては、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モード双方に強度がＬＰ０１モードの強度よりも強いため、ファイバ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの双方が、ＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅される。
　本実施形態の増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域において、光の増幅を抑制できるため、非線形光学効果を抑制でき、増幅用光ファイバ５０全体として、第１実施形態よりも光の増幅率を高くする場合においても、所望のパワーに光を出力することができる。
　（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３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（Ａ）に示すように、実施形態における増幅用光ファイバは、第３実施形態における増幅用光ファイバのコア５１ｂに代えて、コア５１ｃが用いられている。このコア５１ｃは、第３実施形態のコア５１ｂが中心領域５５ｂ、中間領域５６ｂ、外周領域５７ｂに区切られているのと同様にして、中心領域５５ｃ、中間領域５６ｃ、外周領域５７ｃに区切られている。そして、図６（Ｄ）に示すように、中心領域５５ｃ及び外周領域５７ｃには、第３実施形態におけるコア５１ｂの中心領域５５ｂ及び外周領域５７ｂと同様の濃度で活性元素が添加されている。しかし、本実施形態の増幅用光ファイバのコア５１ｃは、中間領域５６ｃに活性元素が添加されていない点において、第３実施形態のコア５１ｂと異なる。従って、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域である領域Ｃ及び領域Ｅにおいて、活性元素Ｙｂが添加されていない。
　そして、このような濃度分布で活性元素が添加されることにより、本実施形態においても、コア５１ｃは、式１及び式２の関係を満たすように設定されている。
　本実施形態の増幅用光ファイバにおいては、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりもＬＰ０１モードよりも強い領域Ｃ及び領域Ｅを含む中間領域５６ｃにおいて活性元素が添加されていないため、ＬＰ０１モードの強度が強い領域Ｃ及び領域Ｅにおいて、光が増幅されず、このため、ファイバ全体としてＬＰ０１モードの増幅が抑制される。そして、第３の実施形態と同様に、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度がＬＰ０１モードの強度よりも強い領域である中心領域５５ｃ及び外周領域５７ｃ、光が高い増幅率で増幅されるため、増幅用光ファイバ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードが高い増幅率で増幅される。
　本実施形態の増幅用光ファイバによれば、中間領域５６ｃにおいて、光が増幅されないため、ファイバ全体として、ＬＰ０１モードの増幅をより抑制することができ、よりパワーの高い光を出力することができる。
　（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７（Ａ）に示すように、実施形態における増幅用光ファイバは、第１実施形態における増幅用光ファイバのコア５１に代えて、コア５１ｄが用いられている。このコア５１ｄは、図７（Ｄ）に示すように、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｄ、領域Ｆ、領域Ｇには、活性元素Ｙｂが高い濃度で添加され、領域Ｃ、領域Ｅには、活性元素Ｙｂが領域Ａ等より低い濃度で添加されている。すなわち、本実施形態の増幅用光ファイバは、コア５１において、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域（領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｄ、領域Ｆ、領域Ｇ）の全てにおいて、活性元素が、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域（領域Ｃ、領域Ｅ）よりも、高い濃度で添加されるものである。
　そして、本実施形態においても、上述の式１及び式２を満たす。
　このような増幅用光ファイバにおいては、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域において、高い増幅率で光が増幅され、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード、ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域においては、光が低い増幅率で増幅される。従って、本実施形態の増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０１モードの増幅が抑制され、よりＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードを増幅することができるので、更に高い増幅率で光を増幅することができる。
　なお、本実施形態の増幅用光ファイバのコア５１において、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域には、活性元素が添加されない構成としても良い。つまり領域Ｃ及び領域Ｅには、活性元素が添加されない構成としても良い。このように構成することにより、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域で、光が増幅されず、よりＬＰ０１モードの増幅を抑制することができる。従って、非線形光学効果が生じることをより抑制することができる。
　（第６実施形態）
　次に、本発明の第６実施形態について図８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８は、本発明の第６実施形態に係る共振器を示す図である。
　図８に示すように、本実施形態の共振器２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であるが、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１０７０ｎｍにおいて反射率が、例えば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、ＬＰ０３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２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、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードがＬＰ０１モードの光より強く増幅されるので、非線形光学効果が抑制され、パワーの高い光を出力する場合においても、所望のパワー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５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６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、上述の実施形態の増幅用光ファイバ５０は、クラッド５２内にコア５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ）のみが配置される構造とされたが、本発明は、これに限らない。例えば、第１実施形態の増幅用光ファイバ５０のクラッド５２内に一対の応力付与部が設けられても良い。図９は、このような第１実施形態における増幅用光ファイバ５０の変形例を示す図である。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、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９において、増幅用光ファイバ５４は、コア５１を挟む一対の応力付与部５８が、クラッド５２内に設けられる点において、第１実施形態の増幅用光ファイバ５０と異なる。つまり、本変形例の増幅用光ファイバ５４は、偏波保持ファイバ（PANDA fiber）とされる。例えば、上記のように、コア５１の直径が３０μｍで、コア５１とクラッド５２との比屈折率差が０．３２％である場合、それぞれの応力付与部５８は、例えば、直径が３５μｍとされ、クラッド５２との比屈折率差が－１％とされて、コア５１の外周面から５μｍの間隔をあけて設けられる。応力付与部５８を構成する材料としては、例えば、ドーパントとしてホウ素（Ｂ）が添加された石英を挙げることができる。このような応力付与部５８を設けることにより、単一偏波の光を伝搬することができる。このような増幅用光ファイバ５４は、コア５１に入力する光と、コア５１から出力する光との偏波消光比を２０ｄＢ程度にすることができる。
　この単一偏波の光を出力することにより、単一偏波ではない光を出力する場合と比べて、出力する光と効率的に波長変換することができる。例えば、図１の光ファイバ増幅器１において、増幅用光ファイバ５０の代わりに増幅用光ファイバ５４を用い、増幅用光ファイバ５４の出力端に波長変換用ファイバ等の波長変換器を接続することにより、効率的に波長変換された光を得ることができる。例えば、種光源１０から波長が近赤外域の種光を出力して、可視光域や紫外光域の光を得ることができる。また、図８に示す共振器においても、増幅用光ファイバ５０に代わりに、増幅用光ファイバ５４を用い、共振器の出力端に波長変換器を接続することで、増幅用光ファイバ５４から出力される光から効率的に波長変換された光を得ることができる。従って、第１ＦＢＧ６１や第２ＦＢＧ６２の反射帯域と異なる帯域の光を得ることができる。
　このような応力付与部は、第２～５実施形態のようなコアを有する増幅用光ファイバにおいても、上記第１実施形態の変形例と同様にしてクラッドに設けられても良い。
　また、上述のそれぞれの本実施形態においては、コア内の活性元素の添加濃度分布は、式１及び式２の関係を満たすものとしたが、式１及び式２の関係のいずれか一方を満たすものであれば、ＬＰ０１モードよりも、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの何れかを高い増幅率で増幅することができ、従来と比較して、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの何れかをＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅することができるので、従来の増幅用光ファイバと比較して、パワーの高い光を出力する場合においても、所望のパワーの光を出力することができる。
　また、第１実施形態、及び、第２実施形態において、領域Ｄにおいて、他の中間領域よりも、活性元素が高い濃度で添加されても良い。例えば、領域Ｄにおいて、中心領域、外周領域と同様の濃度の活性元素が添加されても良い。こうすることで、コアには、ＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全て（領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｄ、領域Ｆの一部、領域Ｇ）において、活性元素が、ＬＰ０１モードの強度がＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部（領域Ｃの一部、領域Ｅ）よりも、高い濃度で添加され、上記の式１及び式２の両方を満たすことになる。このように構成することで、第１実施形態及び第２実施形態よりも更に、ＬＰ０３モードを高い増幅率で増幅することができる。
　また、上述のそれぞれの実施形態に係る増幅用光ファイバ５０では、中心領域、中間領域、外周領域において、活性元素Ｙｂ添加濃度は、２段階に設定するものとしたが、式１及び式２の少なくとも一方の関係を満たすものであれば、２段階に異なるものでなく、３段階以上に変化する分布であっても良いし、連続的に変化する分布であっても良い。
　また、第１実施形態～第４実施形態において、上記の式１及び式２の少なくとも一方を満たす限りにおいて、外周領域に活性元素が添加されていないものとしても良く、或いは、上記の式１及び式２の少なくとも一方を満たす限りにおいて、中心領域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モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方が、ＬＰ０１モードよりも高い増幅率で増幅される。
　また、第１実施形態～第４実施形態において、式１及び式２の少なくとも一方を満たす限りにおいて、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６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５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モード及びＬＰ０３モードを伝播し、ＬＰ０４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０．３２％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１や共振器２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。
　以上説明したように、本発明によれば、所望のパワー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、レーザ光を用いる加工分野、医療分野等に利用することができる。
　１・・・光ファイバ増幅器
　２・・・共振器
　１０・・・種光源
　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、５４・・・増幅用光ファイバ
　５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ・・・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
　５８・・・応力付与部
　６１・・・第１ＦＢＧ
　６２・・・第２ＦＢＧ

Claims (16)

  1. 　コアと、前記コアを被覆するクラッドとを有する増幅用光ファイバであって、
    　前記コアは、所定の波長の光を少なくともＬＰ０１モード、及び、ＬＰ０２モード、及び、ＬＰ０３モードで伝播し、
    　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加され、
    下記式１及び式２の少なくとも一方を満たす
    ことを特徴とする増幅用光ファイバ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     （ただし、ｒは、前記コアの径方向における中心からの距離であり、Ｉ０１（ｒ）は、前記ＬＰ０１モードの前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、Ｉ０２（ｒ）は、前記ＬＰ０２モードの前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、Ｉ０３（ｒ）は、前記ＬＰ０３モードの前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける強度であり、ｎ（ｒ）は、前記コアの径方向における中心から距離ｒにおける活性元素の添加濃度であり、ｂは前記コアの半径である。）
  2. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部、及び、前記ＬＰ０３モードの強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部のそれぞれにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも高い濃度で添加され、
    　前記式１及び前記式２の両方を満たすことを特徴とする請求項１に記載の増幅用光ファイバ。
  3. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度が共に前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも、高い濃度で添加されていることを特徴とする請求項２に記載の増幅用光ファイバ。
  4. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度が共に前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも、高い濃度で添加されていることを特徴とする請求項３に記載の増幅用光ファイバ。
  5. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部よりも、高い濃度で添加され、
    　前記式１及び前記式２の両方を満たすことを特徴とする請求項１に記載の増幅用光ファイバ。
  6. 　前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部には、前記活性元素が添加されていないことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
  7. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記所定の波長の光を誘導放出する活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも高い濃度で添加されていることを特徴とする請求項１に記載の増幅用光ファイバ。
  8. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部、及び、前記ＬＰ０３モードの強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部のそれぞれにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも高い濃度で添加され、
    　前記式１及び前記式２の両方を満たすことを特徴とする請求項７に記載の増幅用光ファイバ。
  9. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度が共に前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも、高い濃度で添加されていることを特徴とする請求項８に記載の増幅用光ファイバ。
  10. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度が共に前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも、高い濃度で添加されていることを特徴とする請求項９に記載の増幅用光ファイバ。
  11. 　前記コアには、前記ＬＰ０１モード及び前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードをパワーで規格化する場合における、前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの少なくとも一方の強度が、前記ＬＰ０１モードの強度よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い全ての領域よりも、高い濃度で添加され、
    　前記式１及び前記式２の両方を満たすことを特徴とする請求項７に記載の増幅用光ファイバ。
  12. 　前記ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域には、前記活性元素が添加されないことを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
  13. 　前記クラッド内に前記コアを挟む一対の応力付与部が設けられていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
  14. 　請求項１から１３のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバと、
    　ＬＰ０２モード及びＬＰ０３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。
  15. 　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１４に記載の光ファイバ増幅器。
  16. 　請求項１から１３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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