JP4667535B1 - 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

Abstract

【課題】 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を提供する。
【解決手段】 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とを有し、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、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、コアの中心部よりも高い濃度で添加される。
【選択図】 図３

Description

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。

ところで、光ファイバ増幅器においては、伝播する光の内ＬＰ０１モードが増幅され、他の高次モードが増幅されないことが、出力される光のビーム品質を向上させる観点から好ましい。下記特許文献には、このような光ファイバ増幅器の一例が記載されている。この光ファイバ増幅器においては、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モードやＬＰ０３モードは励振され易い。そして、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モード等の高次モードは、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、出力する光において高い比率を占めてしまうことを本発明者らは見いだした。そして、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、出力する光のビーム品質が低下する傾向にあることが分かった。

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る場合でも、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モードの利得も下がってしまい、十分な出力を得ることができないという問題がある。

そこで、本発明は、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、ＬＰ０１モード、及び、ＬＰ０２モード、及び、ＬＰ０３モードを含む光が、光ファイバのコアを伝播する場合、ＬＰ０１モード、ＬＰ０２モード、ＬＰ０３モードが、コアの径方向においてどのように分布して増幅されるのかを鋭意検討した。その結果、ＬＰ０２モード、ＬＰ０３モードは、コアの中心部において、ＬＰ０１モードよりも強度が強いということを見出した。従って、コアの径方向に対して均一に活性元素を添加したり、コアの中心部に活性元素を高い濃度で添加してしまうと、上記の様にＬＰ０２モードや、ＬＰ０３モードが高い増幅率で増幅されてしまう。このため、出力光のビーム品質が悪くなってしまうという結論に至った。そこで本発明者らは、更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ＬＰ０１モードの強度が、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、前記コアの中心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。

（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、Ｉ_０１（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、Ｉ_０２（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、Ｉ_０３（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。）

本発明においては、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方よりも強い領域において、活性元素がコアの中心部よりも高い濃度で添加される。この活性元素がコアの中心部よりも高い濃度で添加させる領域においては、光が、コアの中心部よりも高い増幅率で増幅される。このように、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コアの中心部よりも、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ることにより、少なくとも、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの一方よりも、ＬＰ０１モードを高い増幅率で増幅することができる。さらに、上記式１及び式２の少なくとも一方を満たすため、ファイバ全体としても、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの一方よりも、ＬＰ０１モードを高い増幅率で増幅することができるので、出力する光のビーム品質を良好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ＬＰ０１モードの強度が、前記ＬＰ０２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ＬＰ０１モードの強度が、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おいて、前記活性元素が、前記コアの中心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、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、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モードよりも高く増幅され、更に、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域において、ＬＰ０１モードがＬＰ０３モードよりも高く増幅される。そして、上記式１、及び、式２を満たすことにより、全体として、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの両方よりも高い増幅率で増幅される。こうして、ビーム品質をより良好にすることができる。

さらに、上記増幅用光ファイバにおいて、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ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記活性元素が、前記コアの中心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、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの双方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、ＬＰ０１モードが、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの双方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、上記増幅用光ファイバにおいて、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ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３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、前記コアの中心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、ビーム品質を更に良好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ＬＰ０１モードの強度が、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よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記コアの中心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強い領域の全てにおいて、ＬＰ０１モードがより高い増幅率で増幅される。従って、出力する光のビーム品質をより良好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、前記コアの前記中心部には、前記活性元素が添加されていないことが好ましい。

このような増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードの強度がＬＰ０１モードの強度よりも強いコアの中心部において、光が増幅されないため、出力する光のビーム品質をより良好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、前記コアの外周部においては、前記コアの中心部よりも活性元素が高い濃度で添加される領域よりも、前記活性元素の濃度が低くされていることが好ましい。

本発明者らは、上記検討において、ＬＰ０２モード、及び、ＬＰ０３モードは、コアの外周部において、ＬＰ０１モードよりも強度が強いということを更に見出した。従って、このような増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０１モードの強度よりもＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度が強い外周部において、ＬＰ０２モード、及び、ＬＰ０３モードの増幅率をＬＰ０１モードの増幅率よりも低く抑えることができるため、出力する光のビーム品質をより良好にすることができる。

さらに、上記増幅用光ファイバにおいて、前記コアの前記外周部には、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、出力する光のビーム品質を更に良好にすることができる。

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、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、ＬＰ０２モードや、ＬＰ０３モードが励振される場合においても、ＬＰ０１モードをより高い増幅率で増幅するため、良好なビーム品質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、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、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、マルチモード光を伝播する増幅用光ファイバにおいて、非軸対称の高次モードや高次モードの光が励振しにくいため、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モード及びＬＰ０３モード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モード及びＬＰ０３モードの強度に対するＬＰ０１モードの強度が強い、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、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。

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、２、及び、比較例１における出力光のビーム品質を示す図である。 実施例３、４、及び、比較例２における出力光のビーム品質を示す図である。 実施例５、６、及び、比較例３における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、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。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、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。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の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の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の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。

そして、領域Ａ、及び、領域Ｇ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。そして、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｆにおいては、ＬＰ０１モードの強度が、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度の一方よりも大きくなる。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の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、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、コアの中心部よりも高い濃度で添加されている。つまり、上記領域のＢ〜Ｆの少なくとも一部のリング状の領域において、活性元素の一つであるＹｂがコア５１の中心部よりも高い濃度で添加されている。

更に、この活性元素の添加は、下記式１及び式２のいずれも満たすように添加されている。

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、Ｉ_０１（ｒ）は、図３の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、Ｉ_０２（ｒ）は、図３の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、Ｉ_０３（ｒ）は、図３の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、Ｉ_０１（ｒ）、Ｉ_０２（ｒ）Ｉ_０３（ｒ）の単位は、（Ｗ／ｍ^２）であり、ｎ（ｒ）の単位は、（個／ｍ^３）であり、ｂの単位は、（ｍ）である。

そして、本実施形態においては、図３のＡに示すように、コア５１中心を含む中心領域５５に活性元素Ｙｂを８×１０^２５（個／ｍ^３）添加し、この中心領域５５の外側の外周領域５７に活性元素Ｙｂを１６×１０^２５（個／ｍ^３）添加している。この中心領域５５と外周領域５７との境界は、領域Ｃに含まれる。

すなわち、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における活性元素Ｙｂの添加濃度は、活性コアの中心部の中心領域５５における活性元素Ｙｂの添加濃度より高い。

また、この中心領域５５における活性元素Ｙｂの添加濃度と外周領域５７における活性元素Ｙｂ添加濃度は、式１及び式２の関係を満たすように設定されている。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、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも、ＬＰ０１モードを高い増幅率で増幅することができ、出力する光のビーム品質を良好にすることができる。

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、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、活性元素をコアの中心部よりも高い濃度で添加したということである。

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の外周領域５７における活性元素Ｙｂの濃度が、コア５１の中心部を含む中心領域５５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、ＬＰ０１モードは、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも高い増幅率で増幅される。特にＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度が、ＬＰ０１強度よりも強い領域Ａ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、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モード光の増幅が抑制される。

こうして、コア５１全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりもＬＰ０１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、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのパワーが低く抑えられており、ＬＰ０１モードのパワーが高くされている。こうして、ビーム品質の良好な出力光が出力される。

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モードやＬＰ０３モードの強度が強いコア５１の中心部において、活性元素が低い濃度で添加されているため、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードの増幅が抑制される。そして、コア５１の中心部よりも高い濃度で活性元素Ｙｂが添加される外周領域５７においては、光がコア５１の中心部よりも強く増幅される。この光が強く増幅される領域は、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方よりも強い領域をより多く含み、全体として、式１及び式２を満たすように、中心領域と外周領域との境界およびそれぞれの領域における添加濃度分布が設定されているため、コア５１全体として、ＬＰ０１モードは、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも高い増幅率で増幅される。このようにＬＰ０１が高い増幅率で増幅されるため、出力する光のビーム品質を良好にすることができる。

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モード及びＬＰ０３モードの強度に対するＬＰ０１モードの強度が強い、良好なビーム品質の光を出力することができる。従って、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１からは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１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、励振されるＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのパワーを小さく抑えることができ、ＬＰ０１モードをより大きく増幅することができる。従って、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が中心領域５５、外周領域５７に区切られているのと同様に、中心領域５５ａ、外周領域５７ａに区切られている。そして、外周領域５７ａは、図４のＤに示すように、第１実施形態におけるコア５１の外周領域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。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の中心領域５５ａに活性元素が添加されていないため、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度が強い領域Ａを含む中心領域５５ａにおいて、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３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モードの強度よりもＬＰ０１モードの強度が強い領域である領域Ｃの一部、及び、領域Ｅ、及び、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの一方よりもＬＰ０１モードの強度が強い領域である領域及び領域Ｆを含む外周領域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モードよりもＬＰ０１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、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度が強いコアの中心部に活性元素が添加されていないため、コアの中心部においてＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードが増幅されない。従って、コア５１ａ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも、ＬＰ０１モードをより高い増幅率で増幅することができるので、出力する光のビーム品質をより良好にすることができる。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、ビーム品質のより良好な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、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、第１実施形態のコア５１が中心領域５５外周領域５７に区切られているのに対し、中心領域５５ａと外周領域５７ｂとの間に中間領域５６ｂが設けられている。そして、中心領域５５ｂは、直径や添加さえる活性元素の濃度が、第１実施形態の中心領域５５と同様とされている。従って、中心領域５５ｂと中間領域５６ｂとの境界は、第１実施形態と同様に領域Ｃに含まれる。また、中間領域５６ｂは、図５のＤに示すように、第１実施形態におけるコア５１の外周領域５７と同様の濃度で活性元素が添加されており、中間領域５６ｂと外周領域５７ｂとの境界は、領域Ｅと領域Ｆとの境界と略等しくされている。そして、本実施形態の増幅用光ファイバのコア５１ｂは、外周領域５７ｂの活性元素の添加濃度が、第１実施形態の外周領域５７の活性元素の添加濃度よりも低くされている。従って、外周領域５７ｂは、中間領域５６ｂよりも活性元素の濃度が低くされている。なお、本実施形態においては、この外周領域５７ｂにおける活性元素の添加濃度が、中心領域５５ｂにおける活性元素の添加濃度と同様とされている。こうして、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における活性元素Ｙｂの添加濃度は、活性コアの中心部の中心領域５５ｂ、及び、コアの外周部を含む外周領域における活性元素Ｙｂの添加濃度より高くされている。

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、ＬＰ０２モードやＬＰ０３モードがＬＰ０１モードよりも強いコア５１ｂの中心領域５５ｂ及び外周領域５７ｂにおける活性元素の濃度が低く抑えられているため、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度が強い領域Ａ及び領域Ｇを含む中心領域５５ｂ及び外周領域５７ｂにおいて、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの増幅が抑制される。そして、第１の実施形態と同様に、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりもＬＰ０１モードの強度が強い領域である領域Ｃの一部及び領域Ｅ、及び、ＬＰ０２モードの強度よりもＬＰ０１モードの強度が強い領域である領域Ｄを含む中間領域５６ｂにおいて、ＬＰ０１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、中心領域５５ｂ及び外周領域５７ｂにおいて、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの増幅を抑制することができ、上述のように、コア５１ｂ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５１ｂ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも、ＬＰ０１モードをより高い増幅率で増幅することができるので、出力する光のビーム品質をより良好にすることができる。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、ビーム品質のより良好な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の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、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、中間領域５６ｃは、図６のＤに示すように、第３実施形態におけるコア５１ｂの中間領域５６ｂ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における活性元素Ｙｂの添加濃度は、活性コアの中心部の中心領域５５ｂ、及び、コアの外周部である外周領域における活性元素Ｙｂの添加濃度より高くされている。

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モードやＬＰ０３モードがＬＰ０１モードよりも強いコア５１ｃの中心領域５５ｃ及び外周領域５７ｃにおいて活性元素が添加されていないため、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度が強い領域Ａ及び領域Ｇを含む中心領域５５ｃ及び外周領域５７ｃにおいて、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの増幅がされない。そして、第３の実施形態と同様に、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの強度よりもＬＰ０１モードの強度が強い領域である領域Ｃの一部及び領域Ｅ、及び、ＬＰ０２モードの強度よりもＬＰ０１モードの強度が強い領域である領域Ｄを含む中間領域５６ｃにおいて、ＬＰ０１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、中心領域５５ｃ及び外周領域５７ｃにおいて、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの増幅がされなく、上述のように、コア５１ｃ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５１ｃ全体として、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも、ＬＰ０１モードをより高い増幅率で増幅することができるので、出力する光のビーム品質をより良好にすることができる。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、ビーム品質のより良好な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、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実施形他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、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、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのいずれかよりも、ＬＰ０１モードを高い増幅率で増幅することができ、従来と比較して、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードとの比のいずれかを高めることができるので、コアの全体に均一に活性元素が添加された従来の増幅用光ファイバと比較して、出力する光のビーム品質を良好にすることができる。

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く、或いは、第３実施形態において、中心領域５５ｂ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、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５実施形態においては、中心領域５５、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ及び中間領域５６ｂ、５６ｃ及び外周領域５７、５７ａ、５７ｂ、５７ｃを基準に活性元素の添加の濃度を変化させた。しかし、本発明においては、例えば、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モードの少なくとも一方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、コアの中心部よりも高い濃度で添加され、式１及び式２の少なくとも一方を満たすこととしても良い。すなわち、式１及び式２の少なくとも一方を満たすこと限りにおいて、領域Ｂ〜Ｆの少なくとも一部に活性元素が、コアの中心よりも高い濃度で添加されることとしても良い。この場合においても、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの少なくとも一方よりもＬＰ０１モードが高い増幅率で増幅されるので、コアの全体に均一に活性元素が添加される場合と比べて、出力される光のビーム品質を良好にすることができる。

また、本発明においては、上記式１及び式２を満たす限りにおいて、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、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの両方よりも強度が強い領域の全てにおいて、活性元素が、コアの中心部よりも高い濃度で添加されていることしても良い。すなわち、上記実施形態において、領域Ｃ及び領域Ｅの全てにおいて、コアの中心部よりも高い濃度で活性元素を添加することとしても良い。このように活性元素を添加することにより、ＬＰ０１モードをＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも更に高い増幅率で増幅することができる。この場合において、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの両方よりも強度が強い領域における活性元素の濃度を、それ以外の全ての領域における活性元素の濃度よりも高くすることとしても良く、さらに、それ以外の全ての領域においては、活性元素を添加しなくても良い。すなわち、領域Ｃ及び領域Ｅにおける活性元素の濃度を、領域Ｃ及び領域Ｅ以外の領域における活性元素よりも高くすることとしても良く、さらに、領域Ｃ及び領域Ｅ以外の領域においては、活性元素を添加しなくても良い。このように活性元素を添加することで、ＬＰ０１モードがＬＰ０２モード及びＬＰ０３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、出力される光のビーム品質をより高くすることができる。

また、本発明においては、上記式１及び式２を満たす限りにおいて、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、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の強度よりも強い領域の全てにおいて、活性元素が、コアの中心部よりも高い濃度で添加されることとしても良い。すなわち、領域Ｂ〜Ｆの全てにおいて、コアの中心よりも高い濃度で活性元素が添加されることとしても良い。この場合において、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の強度よりも強い領域以外の領域においては、活性元素を添加しなくても良い。すなわち、領域Ｂ〜Ｆ以外の領域（領域Ａ、領域Ｇ）においては、活性元素を添加しなくても良い。このように活性元素を添加することで、常にＬＰ０１モードがＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードよりも高い増幅率で増幅することができる。従って、出力される光のビーム品質を最も高くすることができる。

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２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、クラッドの外径が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、０．３２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。

そして、第２実施形態と同様に、コアの径方向において、コアの中心を中心とした直径が１０μｍの中心領域と、中心領域を囲み、外周面までの外周領域に分けて、外周領域にＹｂを１６×１０^２５（個／ｍ^３）添加して、中心領域には何ら活性元素を添加しないものとした。

次に、この増幅用光ファイバに光を入射するシングルモードファイバを想定した。このシングルモードファイバにおいては、コアの直径が１０μｍで、コアΔが０．１６％で、クラッドの外径が１２５μｍとした。このようなシングルモードファイバを伝播する光における各モードのパワーの比率は、ＬＰ０１モードが６２％であり、ＬＰ０２モードが３１．５％であり、ＬＰ０３モードが６．５％である。

そして、このシングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。このときのＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのプロファイルは、図４のＢ、Ｃと略同様になった。従って、Ｙｂを添加した中間領域及び外周領域は、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の強度よりも強い領域を含んでいた。さらに、この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていた。

（実施例２）
第４実施例と同様にしてコアの径方向において、第１実施形態と同様の通信領域と、中心領域を囲んで、外径が２０μｍの中間領域と、中間領域から外周面までの外周領域に分けて、中間領域にＹｂを１６×１０^２５（個／ｍ^３）添加して、中心領域及び外周領域には何ら活性元素を添加しないものとしたこと以外は、実施例１の増幅用光ファイバと同様の増幅用光ファイバを想定し、更に、実施例１のシングルモードファイバと同様のシングルモードファイバを想定した。

そして、第１実施形態と同様にして、シングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。このときのＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのプロファイルは、第１実施形態と同様であり、従って、Ｙｂを添加した中間領域は、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の強度よりも強い領域を含んでいた。さらに、この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていた。

（比較例１）
コア全体に均一にＹｂを１６×１０^２５（個／ｍ^３）添加するものとしたこと以外は、実施例１と同様の増幅用光ファイバを想定し、更に、実施例１のシングルモードファイバと同様のシングルモードファイバを想定した。

そして、実施例１と同様にして、シングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていなかった。

次に実施例１、２、及び、比較例１のシングルモードファイバから増幅用光ファイバに入力される光のパワーを２００ｍＷの強度として、増幅用光ファイバのクラッド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Ｍ^２を計算により求めた。このビーム品質Ｍ^２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。

その結果を図８に示す。図８に示すように、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Ｍ^２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る結果となった。なお、どの励起光のパワーにおいても、実施例１、２及び比較例１において、出力パワーに差は生じなかった。

（実施例３）
実施例１の増幅用光ファイバと同様の増幅用光ファイバを想定し、更に、実施例１におけるシングルモードファイバの代わりに、コアの直径が１５μｍで、コアΔが０．０７％で、クラッドの外径が１２５μｍのシングルモードファイバを想定した。このようなシングルモードファイバを伝播する光における各モードのパワーの比率は、ＬＰ０１モードが８９．８％であり、ＬＰ０２モードが９．８％であり、ＬＰ０３モードが０．４％である。

そして、実施例１と同様にして、シングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。このときのＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのプロファイルは、図４のＢ、Ｃと略同様になった。したがって、Ｙｂを添加した外周領域は、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の強度よりも強い領域を含んでいた。さらに、この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていた。

（実施例４）
実施例２の増幅用光ファイバと同様の増幅用光ファイバを想定し、更に、実施例２におけるシングルモードファイバの代わりに、実施例３のシングルモードファイバと同様のシングルモードファイバを想定した。

そして、実施例２と同様にして、シングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。このときのＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのプロファイルは、実施例３と略同様になった。したがって、Ｙｂを添加した中間領域は、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を含んでいた。さらに、この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていた。

（比較例２）
コア全体に均一にＹｂを１６×１０^２５（個／ｍ^３）添加するものとしたこと以外は、実施例３と同様の増幅用光ファイバを想定し、実施例３のシングルモードファイバと同様のシングルモードファイバを想定した。

そして、実施例３と同様にして、シングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていなかった。

次に実施例３、４、及び、比較例２のシングルモードファイバから増幅用光ファイバに入力される光のパワーを２００ｍＷの強度として、増幅用光ファイバのクラッド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（Ｍ^２）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３は、どの励起光のパワーにおいても比較例２よりもビーム品質を示すＭ^２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４は更に良好なビーム品質の光が出力される結果となった。なお、どの励起光のパワーにおいても、実施例３、４及び比較例２において、出力パワーに差は生じなかった。

（実施例５）
実施例１の増幅用光ファイバと同様の増幅用光ファイバを想定し、更に、実施例１におけるシングルモードファイバの代わりに、コアの直径が２０μｍで、コアΔが０．０４％で、クラッドの外径が１２５μｍのシングルモードファイバを想定した。このようなシングルモードファイバを伝播する光における各モードのパワーの比率は、ＬＰ０１モードが９９．４％であり、ＬＰ０２モードが０．４％であり、ＬＰ０３モードが０．２％である。

そして、実施例１と同様にして、シングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。このときのＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのプロファイルは、図４のＢ、Ｃと略同様になった。したがって、Ｙｂを添加した外周領域は、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を含んでいた。さらに、この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていた。

（実施例６）
実施例２の増幅用光ファイバと同様の増幅用光ファイバを想定し、更に、実施例２におけるシングルモードファイバの代わりに、実施例５のシングルモードファイバと同様のシングルモードファイバを想定した。

そして、実施例２と同様にして、シングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。このときのＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードのプロファイルは、実施例５と略同様になった。したがって、Ｙｂを添加した中間領域は、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を含んでいた。さらに、この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていた。

（比較例３）
コア全体に均一にＹｂを１６×１０^２５（個／ｍ^３）添加するものとしたこと以外は、実施例５の増幅用光ファイバと同様の増幅用光ファイバを想定し、実施例５のシングルモードファイバと同様のシングルモードファイバを想定した。

そして、実施例５と同様にして、シングルモードファイバから増幅用光ファイバに光を入射した。この増幅用光ファイバは、上記の式１及び式２の関係を満たしていなかった。

次に実施例５、６、及び、比較例３のシングルモードファイバから増幅用光ファイバに入力される光のパワーを２００ｍＷの強度として、増幅用光ファイバのクラッド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（Ｍ^２）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５は、どの励起光のパワーにおいても比較例３よりもビーム品質を示すＭ^２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６は更に良好なビーム品質の光が出力される結果となった。なお、どの励起光のパワーにおいても、実施例５、６及び比較例３において、出力パワーに差は生じなかった。

以上の結果より、本発明の様にＬＰ０２モードやＬＰ０３モードの強度が強いコア５１の中心において、活性元素が添加されず、上記式１及び上記式２を満たす増幅用光ファイバによれば、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの増幅が抑制され、ＬＰ０１モードが高い増幅率で増幅されるため、出力する光のビーム品質を良好にすることができることが分かった。そして、外周部において活性元素が添加されない増幅用光ファイバにおいては、更に、光のビーム品質が良好にすることができることが分かった。

本発明によれば、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。

１・・・光ファイバ増幅器
２・・・共振器
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
５６ｂ、５６ｃ・・・中間領域
５７、５７ａ、５７ｂ、５７ｃ・・・外周領域
６１・・・第１ＦＢＧ
６２・・・第２ＦＢＧ

Claims (12)

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ＬＰ０１モードの強度が、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、前記コアの中心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。
   

   

   （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、Ｉ_０１（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、Ｉ_０２（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、Ｉ_０３（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ＬＰ０１モードの強度が、前記ＬＰ０２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ＬＰ０１モードの強度が、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おいて、前記活性元素が、前記コアの中心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ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３モードの強度よりも強い領域の少なくとも一部において、前記活性元素が、前記コアの中心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ＬＰ０１モードの強度が前記ＬＰ０２モードの強度及び前記ＬＰ０３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、前記コアの中心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ＬＰ０１モードの強度が、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よりも強い領域の全てにおいて、前記活性元素が、前記コアの中心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. 前記コアの前記中心部には、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. 前記コアの外周部においては、前記コアの中心部よりも活性元素が高い濃度で添加される領域よりも、前記活性元素の濃度が低くされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
8. 前記コアの前記外周部には、活性元素が添加されていない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. 請求項１から８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。
10. 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９に記載の光ファイバ増幅器。
11. 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１０に記載の光ファイバ増幅器。
12. 請求項１から８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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