JP5124701B1 - 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

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。
【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、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。

（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、１６×１０^２５（個／ｍ^３）とされ、中間領域５６において、８×１０^２５（個／ｍ^３）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。

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（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（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（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。

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 (13)

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の両方を満たす
   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. 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全てにおいて、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の両方を満たす
   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。）
3. 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または２に記載の増幅用光ファイバ。
4. 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全ての領域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。）
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４に記載の増幅用光ファイバ。
6. 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５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６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４に記載の増幅用光ファイバ。
9. 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４から８のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
10. 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９のいずれか１項に記載の増幅用光ファイバ。
11. 請求項１から１０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。
12. 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１１に記載の光ファイバ増幅器。
13. 請求項１から１０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。

Images