光ファイバ母材の製造方法及び光ファイバ
【課題】希土類元素の濃度の制御が容易で、有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きく、ファイバアンプやファイバレーザにおいて、非線形光学効果の発生を効果的に抑制できる光ファイバ、及び該光ファイバの製造に好適な光ファイバ母材の製造方法の提供。
【解決手段】コアに希土類元素が添加された光ファイバ母材の製造方法であって、ＭＣＶＤ法により、主に二酸化ケイ素からなるガラス微粒子を石英管内に堆積させる工程と、液浸法により、希土類元素とアルミニウムを、前記石英管内のガラス微粒子に添加する工程と、前記石英管内にリンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる工程と、希土類元素、アルミニウム及びリンを添加した前記石英管を加熱してコラップスする工程と、を有することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
【解決手段】コアに希土類元素が添加された光ファイバ母材の製造方法であって、ＭＣＶＤ法により、主に二酸化ケイ素からなるガラス微粒子を石英管内に堆積させる工程と、液浸法により、希土類元素とアルミニウムを、前記石英管内のガラス微粒子に添加する工程と、前記石英管内にリンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる工程と、希土類元素、アルミニウム及びリンを添加した前記石英管を加熱してコラップスする工程と、を有することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアに少なくとも希土類元素、リン及びアルミニウムを共添加した光ファイバと、その製造に好適な光ファイバ母材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバアンプやファイバレーザの性能を阻害する要因として、非線形光学効果と呼ばれる現象が知られている。これは、光ファイバのコアを伝搬する光のパワーが大きい場合に発生する現象であり、光の波長変換が生じるなどの問題点がある。例えば、出力光パワーが数十Ｗを超えるような高出力ファイバレーザの場合、非線形光学効果の一種である誘導ラマン散乱の発生により、出力光の波長よりもやや長い波長の光が発生し、これが増幅されることで、出力光のスペクトル幅が広がってしまうという問題点がある。したがって、誘導ラマン散乱に代表される非線形光学効果の発生を抑制するように、光ファイバを設計することが重要となる。
【０００３】
一般に、光ファイバの非線形定数γは、下記式（１）によって与えられる。
γ＝（２π／λ）×（ｎ２／Ａｅｆｆ） ・・・（１）
式（１）中、λは波長、ｎ２は非線形屈折率、Ａｅｆｆは有効断面積である。式（１）から明らかなように、非線形光学効果の発生を抑制するためには、Ａｅｆｆを大きくすることが有効である。
【０００４】
一方、光ファイバの比屈折率差の分布とＡｅｆｆとの関係については、以下のことが知られている。図６〜８は、光ファイバのコアの径方向断面における比屈折率差の分布形状を例示する図である。図中、横軸は半径位置、縦軸は比屈折率差（％）を示す。Ａｅｆｆの大きさは、コア径と比屈折率差が同じであれば、「図６の光ファイバ＞図７の光ファイバ＞図８の光ファイバ」となる（非特許文献１参照）。図６や図７に示すように、比屈折率差の分布形状が矩形に近いほど、光ファイバのコアを伝搬する光の電解分布が広がり、Ａｅｆｆが大きくなる。一方、図８に示すように、比屈折率差の分布形状が釣鐘状になると、反対にＡｅｆｆが小さくなる。なお、ここで「比屈折率差（Δ）」は、下記式（２）で表される。式（２）中、ｎｃｏｒｅはコアの屈折率を、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率をそれぞれ示す。
Δ＝（ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄ）／ｎｃｏｒｅ×１００（％） ・・・（２）
【０００５】
例えば、希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）を添加して光ファイバ母材を製造する方法としては、ＭＣＶＤ法により、石英管内に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなるガラス微粒子を堆積させ、Ｙｂとアルミニウム（Ａｌ）を含む水溶液を使用して、液浸法によりＹｂとＡｌを添加する方法が知られている。この方法で作製した光ファイバ母材の比屈折率差の分布形状は、通常、図８に示す釣鐘状となる。これは、ＭＣＶＤ法で堆積させたガラス微粒子のかさ密度に、径方向において分布が生じるからである。ＭＣＶＤ法では、石英管をその外壁面上から加熱するため、石英管の内壁面に近い位置ほど温度が高く、ガラス微粒子はかさ密度が高くなるが、石英管の中心に近い位置ほど温度が低く、かさ密度が低くなる。そして、液浸法によるドーパントの添加量は、ガラス微粒子のかさ密度が小さいほど（すなわち、空孔率が高いほど）ドーパントの添加量が多くなる。したがって、液浸法でＹｂとＡｌを添加すると、比屈折率差の分布形状は図８に示す釣鐘状となるのである。
【０００６】
上記のように、希土類添加光ファイバ母材の製造方法としては、ＭＣＶＤ法により、石英管内にガラス微粒子を堆積させ、このガラス微粒子に液浸法により、希土類元素を添加する方法が知られている。そして、この時、希土類イオンの凝集（クラスタリング）を抑制するために、Ａｌを共添加する方法が知られている。Ａｌを添加する方法としては、液浸法により添加する方法（特許文献１参照）、ＭＣＶＤ法により石英管内にガラス微粒子を堆積させる際に、ＡｌＣｌ３ガスを石英管内に流入させる方法（特許文献２参照）が開示されている。
一方、リン（Ｐ）の添加方法としては、ＭＣＶＤ法により石英管内にガラス微粒子を堆積させる際に、ＰＯＣｌ３ガスを石英管内に流入させる方法（特許文献３参照）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２９３１０２６号公報
【特許文献２】特開２００３−１３７５４２号公報
【特許文献３】特公平０４−０５９２５４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．５３３５，ｐｐ．１３２−１３９（２００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、光ファイバ母材の製造時に、希土類元素、Ａｌ及びＰを添加する方法については、すでに開示されている。そして、光ファイバ母材は、上記のようにＭＣＶＤ法と液浸法を併用した後、石英管を加熱してガラス微粒子を焼結させることが必要となる。しかし、希土類元素、Ａｌ及びＰを共添加する際の、各ドーパントを添加する工程の違いと、光ファイバ母材や光ファイバの特性との関係の詳細については、これまで知られておらず、ファイバアンプやファイバレーザにおいて、非線形光学効果の発生を抑制できる光ファイバの最適な製造方法は、これまでに開示されていないのが実情である。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、希土類元素の濃度の制御が容易で、有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きく、ファイバアンプやファイバレーザにおいて、非線形光学効果の発生を効果的に抑制できる光ファイバ、及び該光ファイバの製造に好適な光ファイバ母材の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、
本発明は、コアに希土類元素が添加された光ファイバ母材の製造方法であって、ＭＣＶＤ法により、主に二酸化ケイ素からなるガラス微粒子を石英管内に堆積させる工程と、液浸法により、希土類元素とアルミニウムを、前記石英管内のガラス微粒子に添加する工程と、前記石英管内にリンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる工程と、希土類元素、アルミニウム及びリンを添加した前記石英管を加熱してコラップスする工程と、を有することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法を提供する。
本発明の光ファイバ母材の製造方法は、前記液浸法において、三塩化イッテルビウム及び三塩化アルミニウム、又は三塩化イッテルビウム及び三塩化アルミニウム六水和物の水溶液を使用して、イッテルビウム及びアルミニウムを前記ガラス微粒子に添加することが好ましい。
本発明の光ファイバ母材の製造方法は、前記リンを含むガスがオキシ塩化リンガスであることが好ましい。
【００１２】
また、本発明は、上記本発明の方法で製造された光ファイバ母材を紡糸して得られた光ファイバであって、コアの径方向断面において、酸化アルミニウムの濃度が五酸化二リンの濃度よりも高い領域が無いか、又は該領域がある場合には、該領域よりも、五酸化二リンの濃度が酸化アルミニウムの濃度よりも高い領域の方が広いことを特徴とする光ファイバを提供する。
本発明の光ファイバは、コアの径方向断面のうち、五酸化二リンの濃度及び酸化アルミニウムの濃度の少なくともいずれかが０．５モル％以上である領域において、五酸化二リンの濃度と酸化アルミニウムの濃度との差が０．５モル％よりも小さい径方向内側の領域を第一領域とし、五酸化二リンの濃度と酸化アルミニウムの濃度との差が０．５モル％以上である、前記第一領域よりも径方向外側の領域を第二領域とした時、第一領域と第二領域との合計に対する第二領域の比率が５０％以上であることが好ましい。
本発明の光ファイバは、前記第一領域において、五酸化二リンの濃度及び酸化アルミニウムの濃度が略同等であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、希土類元素の濃度の制御が容易で、有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きく、ファイバアンプやファイバレーザにおいて、非線形光学効果の発生を効果的に抑制できる光ファイバ、及び該光ファイバの製造に好適な光ファイバ母材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１で作製した光ファイバ母材の径方向断面における比屈折率差の測定結果を示すグラフである。
【図２】実施例１で作製した光ファイバ母材の径方向断面におけるＡｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布の分析結果を示すグラフである。
【図３】Ｙｂを添加せず、Ａｌを液浸法で、Ｐを焼結でそれぞれ添加して作製した光ファイバ母材の比屈折率差の分布形状を例示するグラフである。
【図４】比較例１で作製した光ファイバ母材の比屈折率差の測定結果を示すグラフである。
【図５】比較例１で作製した光ファイバ母材の径方向断面における、ＥＰＭＡによるＡｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布の分析結果を示すグラフである。
【図６】有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きい光ファイバについて、コアの径方向断面における比屈折率差の分布形状を例示する図である。
【図７】有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きい光ファイバについて、コアの径方向断面における比屈折率差の分布形状の他の例を示す図である。
【図８】有効断面積（Ａｅｆｆ）が小さい光ファイバについて、コアの径方向断面における比屈折率差の分布形状を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について詳しく説明する。
なお、以下に示す光ファイバ母材又は光ファイバの、ドーパントの濃度及び比屈折率差の値は、特に断りのない限り、径方向断面において、中心から等距離にある部位（１０箇所）の平均値である。
【００１６】
＜光ファイバ母材の製造方法＞
本発明の光ファイバ母材の製造方法は、コアに希土類元素が添加された光ファイバ母材の製造方法であって、ＭＣＶＤ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、主に二酸化ケイ素からなるガラス微粒子（スート）を石英管内に堆積させる工程（以下、スート堆積工程と略記する）と、液浸法により、希土類元素とアルミニウムを、前記石英管内のガラス微粒子に添加する工程（以下、液浸工程と略記する）と、前記石英管内にリンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる工程（以下、焼結工程と略記する）と、希土類元素、アルミニウム及びリンを添加した前記石英管を加熱してコラップスする工程（以下、コラップス工程と略記する）と、を有することを特徴とする。
【００１７】
（スート堆積工程）
スート堆積工程では、ＭＣＶＤ法により、主に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなるガラス微粒子（スート）を石英管内に堆積させる。ＭＣＶＤ法は、通常の手法で行えば良い。また、「主に二酸化ケイ素からなるガラス」とは、「シリカガラス」のことである。さらに、「石英管内に堆積させる」とは、「石英管の内表面上に堆積させる」ことを指す。
【００１８】
通常、スート堆積工程では、例えば、同時にアルミニウム（Ａｌ）やリン（Ｐ）を気相でガラス微粒子に添加することも可能である。この時、Ａｌを添加する場合には三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）ガスを、Ｐを添加する場合にはオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）ガスを、それぞれ使用するのが一般的である。しかし、このようにＡｌやＰも添加しようとすると、これらの添加量を制御するために、原料ガスであるＡｌＣｌ３ガスやＰＯＣｌ３ガスの流量を調整する必要がある。すると、ガスの流量が変化することで、堆積させたガラス微粒子のかさ密度が大きく変化してしまい、液浸工程で添加される希土類元素の濃度が変動し、コア中の希土類元素の濃度を所望の値に制御することが困難となってしまう。さらに、原料ガスからの結晶の析出を防止するために、ガス搬送ライン内において、ＡｌＣｌ３ガスが凝結するのを防止するために、ガス搬送ラインを加熱して高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまう。
そこで、本発明では、スート堆積工程でＡｌやＰなどのドーパントの添加は行わずに、ガラス微粒子を堆積させる。
【００１９】
（液浸工程）
液浸工程では、液浸法により、希土類元素とＡｌを、石英管内に堆積させたガラス微粒子に添加する。
前記希土類元素は、目的に応じて適宜選択すれば良いが、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イットリウム（Ｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）及びネオジム（Ｎｄ）等が例示できる。これら希土類元素は一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。本発明においては、作製した光ファイバ母材を光ファイバとし、これからファイバアンプやファイバレーザを構成することを考慮すると、Ｙｂが特に好ましい。
【００２０】
液浸法は、通常の手法で行えば良い。例えば、希土類元素やＡｌを含有する原料化合物の水溶液を調製し、この水溶液に、ガラス微粒子を堆積させた石英管を所定時間浸漬すれば良い。希土類元素の原料化合物は、希土類の塩化物が好ましく、例えば、希土類元素がＹｂである場合には、三塩化イッテルビウム（ＹｂＣｌ３）が好ましい。また、Ａｌの原料化合物としては、ＡｌＣｌ３又は三塩化アルミニウム六水和物（ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）が好ましい。
【００２１】
希土類元素の原料化合物は、通常、蒸気圧が低いため、石英管内に気相で添加することは極めて困難であり、コア中の希土類元素の濃度を所望の値に制御することは極めて困難である。そこで、本発明においては、希土類元素を液浸法で添加する。
また、Ａｌの原料化合物は、ガス化する温度が比較的低く、例えば、ＡｌＣｌ３は２００℃程度で加熱すれば、気相で容易に石英管内に流入させることができる。しかし、コア中のＡｌの濃度を所望の値に制御するためには、スート堆積工程で述べたように、ガス搬送ラインを加熱して高温に維持する必要がある。これは、後述する焼結工程でも同様である。そこで、本発明においては、Ａｌの濃度を制御するために、Ａｌは気相で添加するのではなく、液浸法で添加する。
【００２２】
石英管内のガラス微粒子に添加する希土類元素とＡｌの量は、液浸法で使用する、これらの原料化合物の溶液における濃度を調整することで調整できる。
【００２３】
液浸工程では、使用する原料化合物の溶液中において、希土類元素の原料化合物又はＡｌの原料化合物と相互作用して沈殿を生じる化合物は、併用できない。したがって、このような沈殿を生じる化合物を原料化合物とするドーパントは、液浸工程では添加できない。例えば、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）は、Ｐの原料化合物として使用できるが、水溶液中でＡｌＣｌ３と常温で難溶性（高融点）であるリン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ４）などの沈殿を生じる。また、ＰＯＣｌ３も水溶液中では分解されてＨ３ＰＯ４となる。したがって、本発明において、Ｐは、液浸法では添加しない。
【００２４】
浸漬後は、石英管を取り出し、石英管内のガラス微粒子を乾燥させることが好ましい。そして、乾燥は、石英管内に酸素ガス等のガスを継続して流入させることにより行うことが好ましい。
【００２５】
（焼結工程）
焼結工程では、ガラス微粒子に希土類元素とＡｌを添加した石英管内に、リンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる。
焼結は、リンを含むガスを流入させること以外は、通常の手法で行えば良い。
リンを含むガスとしては、ＰＯＣｌ３が好ましい。ＰＯＣｌ３は、ガス化する温度が低く、気相で容易に石英管内に流入させることができる。
また、焼結工程では、スート堆積工程とは異なり、リンを含むガスの流量を調整しても、希土類元素の濃度制御が困難になることも無い。
このように、リンは気相での添加に適しており、液浸工程での添加に適さないので、本発明においては、焼結工程で添加する。
【００２６】
（コラップス工程）
コラップス工程では、希土類元素、Ａｌ及びＰを添加した前記石英管を加熱してコラップスする。コラップスは、前記石英管を使用すること以外は、通常の手法で行えば良い。そして、コラップス工程を行うことで、光ファイバ母材が得られる。
【００２７】
以上のように、本発明においては、希土類元素とＡｌを液浸工程で、Ｐを焼結工程でそれぞれ添加することで、光ファイバ母材中のＡｌの濃度分布と、Ｐの濃度分布とを制御できる。例えば、Ａｌの濃度分布は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の濃度分布で、Ｐの濃度分布は五酸化二リン（Ｐ２Ｏ５）の濃度分布でそれぞれ確認できる。
【００２８】
本発明により製造された光ファイバ母材においては、コアの径方向断面において、Ａｌ２Ｏ３の濃度がＰ２Ｏ５の濃度よりも高い領域（以下、Ａｌ高濃度領域と略記する）が無いか、又はＡｌ高濃度領域がある場合には、Ａｌ高濃度領域よりも、Ｐ２Ｏ５の濃度がＡｌ２Ｏ３の濃度よりも高い領域（以下、Ｐ高濃度領域と略記する）の方が広いことが好ましい。さらに、コアの径方向断面のうち、Ｐ２Ｏ５の濃度及びＡｌ２Ｏ３の濃度の少なくともいずれかが０．５モル％以上である領域においては、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が０．５モル％よりも小さい径方向内側の領域を第一領域とし、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が０．５モル％以上である、前記第一領域よりも径方向外側の領域を第二領域とした時、第一領域と第二領域との合計に対する第二領域の比率は５０％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましい。このようにすることで、比屈折率差の分布形状が矩形に近づき、良好な特性となる。
【００２９】
さらに、コアの径方向断面のうち、前記第一領域においては、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が小さい方が好ましく、Ｐ２Ｏ５の濃度及びＡｌ２Ｏ３の濃度が略同等であることがより好ましい。このような領域では、ＰとＡｌが互いに屈折率上昇を打ち消し合い、ＳｉＯ２の比屈折率差に近いものとなる。
【００３０】
本発明により製造された光ファイバ母材は、上記のようなドーパントの濃度分布を有することにより、径方向断面におけるコアの比屈折率差の分布形状が、図６又は図７に示すように、矩形に近くなり、良好な特性を有する。
【００３１】
＜光ファイバ＞
本発明の光ファイバは、上記本発明の方法で製造された光ファイバ母材を紡糸して得られた光ファイバであって、コアの径方向断面において、Ａｌ高濃度領域が無いか、又はＡｌ高濃度領域がある場合には、Ａｌ高濃度領域よりもＰ高濃度領域の方が広いことを特徴とする。
光ファイバ母材の紡糸は、通常の手法で行えば良い。
【００３２】
本発明の光ファイバは、コア直径が２０〜３５μｍであることが好ましく、２５〜３０μｍであることがより好ましい。
ファイバレーザにおいては、出力光のビーム品質を良好なものとするために、出力光をコア中でシングルモード伝搬又は少数モード伝搬させることが好ましい。そのためには、前記式（２）で表される比屈折率差を小さくして、上記のようにコア直径を大きくすることで、シングルモード伝搬又は少数モード伝搬と、非線形光学効果の抑制とを両立できる。
【００３３】
本発明の光ファイバは、前記光ファイバ母材と同様の、径方向断面におけるドーパントの濃度分布及び比屈折率差の分布形状を有するものとなる。
すなわち、光ファイバは、比屈折率差の分布形状が、図６又は図７に示すように矩形に近くなり、光ファイバのコアを伝搬する光の電解分布が広がり、Ａｅｆｆが大きくなる。したがって、誘導ラマン散乱等の非線形光学効果の発生が効果的に抑制されたファイバアンプやファイバレーザを作製できる。また、希土類元素の濃度の制御も容易である。
【実施例】
【００３４】
以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。
表１は、下記実施例及び比較例での光ファイバ母材の製造時における各ドーパントの添加工程と、得られた光ファイバ母材の光特性を示したものである。詳細については、以下、順次説明する。
【００３５】
【表１】
【００３６】
なお、表１中、「Ｙｂ濃度の制御性」の評価基準は、以下の通りである。
○・・・再現性が良く、容易に制御できる
△・・・再現性が悪く、制御が困難である
×・・・再現性が極めて悪く、制御できない
【００３７】
＜光ファイバ母材の製造＞
［実施例１］
ＭＣＶＤ法により、石英管内にＳｉＯ２ガラス微粒子（スート）を堆積させた。
次いで、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂ及びＡｌを添加した。具体的には、ＹｂＣｌ３とＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏを純水に溶解させた溶液に、ＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた石英管を３時間浸漬し、前記溶液を除去した後、石英管内に酸素ガスを継続して流入させることにより、ＳｉＯ２ガラス微粒子を６時間乾燥させた。
次いで、ＰＯＣｌ３を酸素ガスでバブリングして石英管内に流入させながら、石英管を酸水素バーナで加熱し、Ｐを添加しながらＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、石英管内の内圧を調整しながら、石英管を酸水素バーナでさらに高温で加熱してコラップスを行い、中実な光ファイバ母材を作製した。
プリフォームアナライザを使用して、得られた光ファイバ母材の径方向断面における比屈折率差の分布形状を測定した。測定結果を図１に示す。また、光ファイバ母材を、その径方向で輪切りにし、ＥＰＭＡにより、その断面の径方向におけるＡｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。分析結果を図２に示す。なお、図１及び２では、コアの半径部分に相当するグラフのみを示している。そして、横軸は半径を示し、「０」はコアの中心を示す。これらは、以降の図においても同様である。
【００３８】
その結果、図１に示すように、比屈折率差の分布形状は、図７と類似しており、矩形に近く、良好であった。また、図２に示すように、Ａｌ２Ｏ３の濃度分布とＰ２Ｏ５の濃度分布が異なっており、Ａｌ高濃度領域よりもＰ高濃度領域の方が広くなっていた。そして、Ｐ２Ｏ５の濃度が０．５モル％以上である領域（半径がおよそ０〜０．０８の領域）において、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が０．５モル％よりも小さい径方向内側の第一領域は、半径がおよそ０〜０．０５の領域であり、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が０．５モル％以上である前記第一領域よりも径方向外側の第二領域は、半径がおよそ０．０５〜０．０８の領域である。そして、第一領域と第二領域との合計に対する第二領域の比率は、およそ６１％となっている。ここに示すように第一領域においては、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が小さく、Ｐ２Ｏ５の濃度及びＡｌ２Ｏ３の濃度が略同等となっている。
【００３９】
Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５が等モル量添加されていると、互いに屈折率上昇を打ち消し合い、ＳｉＯ２の屈折率に近付く。また、Ｐ高濃度領域においては、過剰なＰ２Ｏ５が屈折率上昇に寄与する。図３は、Ｙｂを添加せず、Ａｌ２Ｏ３の濃度分布とＰ２Ｏ５の濃度分布が、実施例１（図２）と同じになるように、Ａｌを液浸法で、Ｐを焼結でそれぞれ添加して作製した光ファイバ母材の比屈折率差の分布形状を示すグラフである。Ａｌ２Ｏ３やＰ２Ｏ５を含有する領域の中央付近では、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の含有量が等モルになっているので、ＳｉＯ２と略同等の比屈折率差になっている。Ａｌ２Ｏ３やＰ２Ｏ５を含有する領域の外側では、前記理由から、過剰なＰ２Ｏ５が寄与して比屈折率差が上昇している。
一方、Ｙｂ２Ｏ３の濃度が実施例１と同じになるように、Ｙｂ２Ｏ３を液浸法で添加して作製した光ファイバ母材では、Ｙｂ２Ｏ３の濃度分布は、実施例１でのＡｌ２Ｏ３の濃度分布とパターンが類似し、釣鐘状となる。Ｙｂ２Ｏ３は、ＳｉＯ２ガラスの屈折率を上昇させるドーパントであるため、比屈折率差の分布は図８に示すような釣鐘状となる。そして、Ｙｂ２Ｏ３の屈折率上昇分と、図３における屈折率上昇分とを足し合わせると、図１に示すような、矩形に近い比屈折率差の分布となる。
【００４０】
［比較例１］
実施例１と同様の方法で、ＭＣＶＤ法により、石英管内にＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏを使用しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、ＰＯＣｌ３を酸素ガスでバブリングして石英管内に流入させ、この時同時に、ＡｌＣｌ３ガスも石英管内に流入させながら、石英管を酸水素バーナで加熱し、ＰとＡｌを添加しながらＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。比屈折率差の分布の測定結果を図４に、濃度分布の分析結果を図５にそれぞれ示す。
【００４１】
その結果、比屈折率差の分布は、図８に示すプロファイルに類似しており、釣鐘状に近く、良好ではなかった。また、Ａｌ２Ｏ３の濃度分布とＰ２Ｏ５の濃度分布は、径方向断面においてほぼ同じになっており、径方向のいずれの位置においても、屈折率上昇を打ち消し合うものであった。また、Ｙｂ２Ｏ３は液浸法で添加しているので、Ｙｂ２Ｏ３の濃度分布は、実施例１の光ファイバ母材におけるＡｌ２Ｏ３の濃度分布とパターンが似ており、釣鐘状であった。Ｙｂ２Ｏ３は、ＳｉＯ２ガラスの屈折率を上昇させるドーパントであるため、比屈折率差の分布形状は図４に示すように釣鐘状になったと考えられる。
このように、得られた光ファイバ母材は特性が良好ではなく、加えて、この製造方法では、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００４２】
［比較例２］
ＭＣＶＤ法により、石英管内に、Ａｌを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。Ａｌは、特開２００３−１３７５４２に記載の方法で、気相で添加した。すなわち、ＡｌＣｌ３ガスを石英管内に流入させながら、ＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、比較例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、実施例１と同様の方法で、Ｐを添加しながらＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させ、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。
【００４３】
その結果、比屈折率差の分布形状は、比較例１の場合と同様に釣鐘状に近く、良好ではなかった。また、Ａｌ２Ｏ３の濃度分布とＰ２Ｏ５の濃度分布も比較例１の場合と同様であり、比較例１の場合と同様の理由で、比屈折率差の分布形状が釣鐘状になってしまったと考えられる。
さらに、この製造方法では、光ファイバ母材のＹｂ濃度の制御が困難であった。この製造方法では、スート堆積時にＡｌを添加しているが、この時、Ａｌの添加量を制御するために、ＡｌＣｌ３ガスの流量を変化させたため、ＳｉＯ２ガラス微粒子のかさ密度が大きく変化し、液浸法で添加されるＹｂ２Ｏ３の濃度が変動してしまったことが原因と考えられる。このように、Ｙｂ濃度を再現性良く制御できないという問題点が発生してしまった。
加えて、この製造方法でも、比較例１の場合と同様に、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００４４】
［比較例３］
ＭＣＶＤ法により、石英管内に、Ｐを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。Ｐは、ＰＯＣｌ３を酸素ガスでバブリングして石英管内に流しながら、ＳｉＯ２ガラス微粒子を合成することで添加した。
次いで、実施例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂとＡｌを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、ＰＯＣｌ３やＡｌＣｌ３ガスを流入させずに、石英管を酸水素バーナで加熱し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。
【００４５】
その結果、比屈折率差の分布形状は、矩形に近く、良好であった。Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布は、実施例１の場合と同様であった。
しかし、この製造方法でも、光ファイバ母材のＹｂ濃度の制御が困難であった。これは、スート合成時にＰを添加しており、Ｐの添加量を制御するために、ＰＯＣｌ３ガスの流量を変化させたことで、ＳｉＯ２ガラス微粒子のかさ密度が大きく変化し、比較例２の場合と同様に、液浸法で添加されるＹｂ２Ｏ３の濃度が変動してしまったことが原因と考えられる。このように、Ｙｂ濃度を再現性良く制御できないという問題点が発生してしまった。
【００４６】
［比較例４］
ＭＣＶＤ法により、石英管内に、ＰとＡｌを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。この時、ＰＯＣｌ３を酸素ガスでバブリングして石英管内に流入させ、同時に、ＡｌＣｌ３ガスも石英管内に流入させながら、ＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させることで、ＰとＡｌを添加した。
次いで、比較例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、比較例３と同様の方法で、ＰＯＣｌ３ガスやＡｌＣｌ３ガスを流入させずに、石英管を酸水素バーナで加熱し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。
【００４７】
その結果、比屈折率差の分布形状は、比較例１の場合と同様に釣鐘状に近く、良好ではなかった。Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布も比較例１の場合と同様であった。
また、この製造方法でも、光ファイバ母材のＹｂ濃度の制御が困難であった。これは、比較例２又は３の場合と同様に、スート堆積時にＰとＡｌを添加しており、Ｐの添加量を制御するためにＰＯＣｌ３ガスの流量を、Ａｌの添加量を制御するためにＡｌＣｌ３ガスの流量をそれぞれ変化させたことが原因と考えられる。さらに、この製造方法では、スート堆積時にＰとＡｌの両方を添加しているため、比較例２及び３の場合よりも、一層、Ｙｂ濃度の制御が困難であった。このように、Ｙｂ添加濃度を再現性良く制御できないという問題点が発生してしまった。
加えて、この製造方法でも、比較例１及び２の場合と同様に、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００４８】
［比較例５］
比較例３と同様の方法で、ＭＣＶＤ法により、石英管内に、Ｐを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、比較例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、ＡｌＣｌ３ガスを石英管内に流入させながら、石英管を酸水素バーナで加熱し、Ａｌを添加しながらＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。
【００４９】
その結果、比屈折率差の分布形状は、比較例１の場合と同様に釣鐘状に近く、良好ではなかった。Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布も比較例１の場合と同様であった。
また、この製造方法でも、比較例３の場合と同様に、光ファイバ母材のＹｂ濃度の制御が困難であり、Ｙｂ濃度を再現性良く制御できないという問題点が発生してしまった。
加えて、この製造方法でも、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００５０】
［比較例６］
石英管内に堆積させたＳｉＯ２ガラス微粒子に、液浸法でＹｂ、Ａｌ及びＰを添加するため、液浸溶液の調製を試みた。しかし、ＹｂＣｌ３、ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ及びＨ３ＰＯ４を純水に添加して撹拌したところ、白色沈殿が生じ、液浸溶液を調製できなかった。白色沈殿は、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ４）であると考えられる。
【００５１】
［比較例７］
比較例２と同様の方法で、ＭＣＶＤ法により、石英管内に、Ａｌを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂ及びＰを添加するため、ＹｂＣｌ３及びＨ３ＰＯ４を純水に溶解させた溶液に石英管を浸漬し、乾燥させた後、ＳｉＯ２ガラス微粒子の焼結、コラップスを行ったが、Ｐを所望の十分な濃度で添加できなかった。理由は明らかではないが、液浸法は、高濃度のＰの添加に適していなかった。
また、この製造方法でも、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００５２】
［比較例８］
実施例１と同様の方法で、ＭＣＶＤ法により、石英管内にＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、比較例７と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂ及びＰを添加し、乾燥させた後、ＳｉＯ２ガラス微粒子の焼結、コラップスを行ったが、比較例７の場合と同様に、Ｐを所望の十分な濃度で添加できなかった。
また、この製造方法でも、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００５３】
＜光ファイバの製造＞
［実施例２］
実施例１で作製した光ファイバ母材を使用して、コアにＹｂ、Ｐ及びＡｌを共添加した光ファイバを作製した。具体的には、以下の通りである。
光ファイバ母材を使用して外付け法によりクラッド部を形成させた後、機械研磨によって、クラッド部の径方向における断面形状が正七角形となるように加工した。
次いで、紡糸を行い、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が０．４６となる低屈折率の樹脂で外周上を被覆し、さらにその上を、通常の高屈折率紫外線硬化性樹脂で被覆して、ダブルクラッド光ファイバとした。
得られた光ファイバは、径方向断面が正七角形状のものであり、コア径（直径）が２６μｍであり、クラッドの径方向断面である正七角形の内接円の直径が約４００ｎｍであった。また、カットオフ波長は１．６９μｍ、有効断面積（Ａｅｆｆ）は３９３μｍ２であり、直径１５０ｍｍに曲げて使用した時の曲げ損失は、実用上問題ないレベルであった。
【００５４】
［比較例９］
比較例１で作製した光ファイバ母材を使用し、実施例２と同様の方法で、同様の形状及びサイズの光ファイバを作製した。この時、カットオフ波長が１．６９μｍとなるように調整した。
得られた光ファイバは、Ａｅｆｆは２８８μｍ２であり、直径１５０ｍｍに曲げて使用した時の曲げ損失は、実用上問題ないレベルであった。
【００５５】
上記のように、実施例２及び比較例９の光ファイバは、いずれもカットオフ波長が同じであるにも関わらず、Ａｅｆｆが大きく異なっており、約１．４倍の違いがあった。これは、実施例１の光ファイバ母材の方が、比屈折率差の分布形状が矩形に近く、光ファイバのコアを伝搬する光の電解分布が広がったためである。
【００５６】
＜誘導ラマン散乱の抑制効果の評価＞
［試験例１］
実施例２で作製した光ファイバの誘導ラマン散乱の抑制効果を確認するために、ファイバレーザを構成して、レーザ発振実験を行った。具体的には、以下の通りである。
光ファイバのコアに、波長１０６０ｎｍで平均出力１Ｗのパルス状の種光を入射させ、クラッドに波長９１５ｎｍで出力５０Ｗの励起光を入射させて、波長１０６０ｎｍの光を増幅した。増幅用光ファイバの出射口側には、波長１１００ｎｍ以上の光をカットするフィルタを配置した。波長１０６０ｎｍ付近の出力光を増幅する場合、一次の誘導ラマン散乱光は、波長１１１０ｎｍ付近に発生する。さらに、二次の誘導ラマン散乱光は、波長１１６０ｎｍ付近に発生する。そこで、前記フィルタを配置することで、出力光から誘導ラマン散乱光をカットし、波長１０６０ｎｍ付近の出力光を選択的に取り出すことにより、出力光の波長の広がりを抑制した。所望の波長以外の光が含まれると、出力光をレンズで集光する場合に色収差の問題が生じるが、これにより、この問題を解決できる。このような、フィルタの使用による波長の広がりの抑制は、一般的に適用される手段である。上記のようにフィルタを通して得られた出力光のパワーを測定したところ、３２Ｗであった。
【００５７】
［試験例２］
比較例９で作製した光ファイバを使用し、試験例１と同様の方法で、フィルタを通して得られた出力光のパワーを測定したところ、２７Ｗであった。
【００５８】
比較例１の光ファイバ母材を使用して作製した比較例９の光ファイバでは、Ａｅｆｆが小さいため、誘導ラマン散乱が多く発生して出力光の波長幅が広くなっており、長波長の光をフィルタでカットしたことで、出力光のパワーが低下した。
一方、実施例１の光ファイバ母材は、比屈折率差の分布形状が矩形に近いため、この母材を使用して作製した実施例２の光ファイバは、誘導ラマン散乱の発生が抑制されたものであった。そのため、波長幅の広がりが抑制され、且つエネルギー変換効率が高いファイバレーザが作製できた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアに少なくとも希土類元素、リン及びアルミニウムを共添加した光ファイバと、その製造に好適な光ファイバ母材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバアンプやファイバレーザの性能を阻害する要因として、非線形光学効果と呼ばれる現象が知られている。これは、光ファイバのコアを伝搬する光のパワーが大きい場合に発生する現象であり、光の波長変換が生じるなどの問題点がある。例えば、出力光パワーが数十Ｗを超えるような高出力ファイバレーザの場合、非線形光学効果の一種である誘導ラマン散乱の発生により、出力光の波長よりもやや長い波長の光が発生し、これが増幅されることで、出力光のスペクトル幅が広がってしまうという問題点がある。したがって、誘導ラマン散乱に代表される非線形光学効果の発生を抑制するように、光ファイバを設計することが重要となる。
【０００３】
一般に、光ファイバの非線形定数γは、下記式（１）によって与えられる。
γ＝（２π／λ）×（ｎ２／Ａｅｆｆ） ・・・（１）
式（１）中、λは波長、ｎ２は非線形屈折率、Ａｅｆｆは有効断面積である。式（１）から明らかなように、非線形光学効果の発生を抑制するためには、Ａｅｆｆを大きくすることが有効である。
【０００４】
一方、光ファイバの比屈折率差の分布とＡｅｆｆとの関係については、以下のことが知られている。図６〜８は、光ファイバのコアの径方向断面における比屈折率差の分布形状を例示する図である。図中、横軸は半径位置、縦軸は比屈折率差（％）を示す。Ａｅｆｆの大きさは、コア径と比屈折率差が同じであれば、「図６の光ファイバ＞図７の光ファイバ＞図８の光ファイバ」となる（非特許文献１参照）。図６や図７に示すように、比屈折率差の分布形状が矩形に近いほど、光ファイバのコアを伝搬する光の電解分布が広がり、Ａｅｆｆが大きくなる。一方、図８に示すように、比屈折率差の分布形状が釣鐘状になると、反対にＡｅｆｆが小さくなる。なお、ここで「比屈折率差（Δ）」は、下記式（２）で表される。式（２）中、ｎｃｏｒｅはコアの屈折率を、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率をそれぞれ示す。
Δ＝（ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄ）／ｎｃｏｒｅ×１００（％） ・・・（２）
【０００５】
例えば、希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）を添加して光ファイバ母材を製造する方法としては、ＭＣＶＤ法により、石英管内に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなるガラス微粒子を堆積させ、Ｙｂとアルミニウム（Ａｌ）を含む水溶液を使用して、液浸法によりＹｂとＡｌを添加する方法が知られている。この方法で作製した光ファイバ母材の比屈折率差の分布形状は、通常、図８に示す釣鐘状となる。これは、ＭＣＶＤ法で堆積させたガラス微粒子のかさ密度に、径方向において分布が生じるからである。ＭＣＶＤ法では、石英管をその外壁面上から加熱するため、石英管の内壁面に近い位置ほど温度が高く、ガラス微粒子はかさ密度が高くなるが、石英管の中心に近い位置ほど温度が低く、かさ密度が低くなる。そして、液浸法によるドーパントの添加量は、ガラス微粒子のかさ密度が小さいほど（すなわち、空孔率が高いほど）ドーパントの添加量が多くなる。したがって、液浸法でＹｂとＡｌを添加すると、比屈折率差の分布形状は図８に示す釣鐘状となるのである。
【０００６】
上記のように、希土類添加光ファイバ母材の製造方法としては、ＭＣＶＤ法により、石英管内にガラス微粒子を堆積させ、このガラス微粒子に液浸法により、希土類元素を添加する方法が知られている。そして、この時、希土類イオンの凝集（クラスタリング）を抑制するために、Ａｌを共添加する方法が知られている。Ａｌを添加する方法としては、液浸法により添加する方法（特許文献１参照）、ＭＣＶＤ法により石英管内にガラス微粒子を堆積させる際に、ＡｌＣｌ３ガスを石英管内に流入させる方法（特許文献２参照）が開示されている。
一方、リン（Ｐ）の添加方法としては、ＭＣＶＤ法により石英管内にガラス微粒子を堆積させる際に、ＰＯＣｌ３ガスを石英管内に流入させる方法（特許文献３参照）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２９３１０２６号公報
【特許文献２】特開２００３−１３７５４２号公報
【特許文献３】特公平０４−０５９２５４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．５３３５，ｐｐ．１３２−１３９（２００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、光ファイバ母材の製造時に、希土類元素、Ａｌ及びＰを添加する方法については、すでに開示されている。そして、光ファイバ母材は、上記のようにＭＣＶＤ法と液浸法を併用した後、石英管を加熱してガラス微粒子を焼結させることが必要となる。しかし、希土類元素、Ａｌ及びＰを共添加する際の、各ドーパントを添加する工程の違いと、光ファイバ母材や光ファイバの特性との関係の詳細については、これまで知られておらず、ファイバアンプやファイバレーザにおいて、非線形光学効果の発生を抑制できる光ファイバの最適な製造方法は、これまでに開示されていないのが実情である。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、希土類元素の濃度の制御が容易で、有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きく、ファイバアンプやファイバレーザにおいて、非線形光学効果の発生を効果的に抑制できる光ファイバ、及び該光ファイバの製造に好適な光ファイバ母材の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、
本発明は、コアに希土類元素が添加された光ファイバ母材の製造方法であって、ＭＣＶＤ法により、主に二酸化ケイ素からなるガラス微粒子を石英管内に堆積させる工程と、液浸法により、希土類元素とアルミニウムを、前記石英管内のガラス微粒子に添加する工程と、前記石英管内にリンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる工程と、希土類元素、アルミニウム及びリンを添加した前記石英管を加熱してコラップスする工程と、を有することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法を提供する。
本発明の光ファイバ母材の製造方法は、前記液浸法において、三塩化イッテルビウム及び三塩化アルミニウム、又は三塩化イッテルビウム及び三塩化アルミニウム六水和物の水溶液を使用して、イッテルビウム及びアルミニウムを前記ガラス微粒子に添加することが好ましい。
本発明の光ファイバ母材の製造方法は、前記リンを含むガスがオキシ塩化リンガスであることが好ましい。
【００１２】
また、本発明は、上記本発明の方法で製造された光ファイバ母材を紡糸して得られた光ファイバであって、コアの径方向断面において、酸化アルミニウムの濃度が五酸化二リンの濃度よりも高い領域が無いか、又は該領域がある場合には、該領域よりも、五酸化二リンの濃度が酸化アルミニウムの濃度よりも高い領域の方が広いことを特徴とする光ファイバを提供する。
本発明の光ファイバは、コアの径方向断面のうち、五酸化二リンの濃度及び酸化アルミニウムの濃度の少なくともいずれかが０．５モル％以上である領域において、五酸化二リンの濃度と酸化アルミニウムの濃度との差が０．５モル％よりも小さい径方向内側の領域を第一領域とし、五酸化二リンの濃度と酸化アルミニウムの濃度との差が０．５モル％以上である、前記第一領域よりも径方向外側の領域を第二領域とした時、第一領域と第二領域との合計に対する第二領域の比率が５０％以上であることが好ましい。
本発明の光ファイバは、前記第一領域において、五酸化二リンの濃度及び酸化アルミニウムの濃度が略同等であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、希土類元素の濃度の制御が容易で、有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きく、ファイバアンプやファイバレーザにおいて、非線形光学効果の発生を効果的に抑制できる光ファイバ、及び該光ファイバの製造に好適な光ファイバ母材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１で作製した光ファイバ母材の径方向断面における比屈折率差の測定結果を示すグラフである。
【図２】実施例１で作製した光ファイバ母材の径方向断面におけるＡｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布の分析結果を示すグラフである。
【図３】Ｙｂを添加せず、Ａｌを液浸法で、Ｐを焼結でそれぞれ添加して作製した光ファイバ母材の比屈折率差の分布形状を例示するグラフである。
【図４】比較例１で作製した光ファイバ母材の比屈折率差の測定結果を示すグラフである。
【図５】比較例１で作製した光ファイバ母材の径方向断面における、ＥＰＭＡによるＡｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布の分析結果を示すグラフである。
【図６】有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きい光ファイバについて、コアの径方向断面における比屈折率差の分布形状を例示する図である。
【図７】有効断面積（Ａｅｆｆ）が大きい光ファイバについて、コアの径方向断面における比屈折率差の分布形状の他の例を示す図である。
【図８】有効断面積（Ａｅｆｆ）が小さい光ファイバについて、コアの径方向断面における比屈折率差の分布形状を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について詳しく説明する。
なお、以下に示す光ファイバ母材又は光ファイバの、ドーパントの濃度及び比屈折率差の値は、特に断りのない限り、径方向断面において、中心から等距離にある部位（１０箇所）の平均値である。
【００１６】
＜光ファイバ母材の製造方法＞
本発明の光ファイバ母材の製造方法は、コアに希土類元素が添加された光ファイバ母材の製造方法であって、ＭＣＶＤ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、主に二酸化ケイ素からなるガラス微粒子（スート）を石英管内に堆積させる工程（以下、スート堆積工程と略記する）と、液浸法により、希土類元素とアルミニウムを、前記石英管内のガラス微粒子に添加する工程（以下、液浸工程と略記する）と、前記石英管内にリンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる工程（以下、焼結工程と略記する）と、希土類元素、アルミニウム及びリンを添加した前記石英管を加熱してコラップスする工程（以下、コラップス工程と略記する）と、を有することを特徴とする。
【００１７】
（スート堆積工程）
スート堆積工程では、ＭＣＶＤ法により、主に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなるガラス微粒子（スート）を石英管内に堆積させる。ＭＣＶＤ法は、通常の手法で行えば良い。また、「主に二酸化ケイ素からなるガラス」とは、「シリカガラス」のことである。さらに、「石英管内に堆積させる」とは、「石英管の内表面上に堆積させる」ことを指す。
【００１８】
通常、スート堆積工程では、例えば、同時にアルミニウム（Ａｌ）やリン（Ｐ）を気相でガラス微粒子に添加することも可能である。この時、Ａｌを添加する場合には三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）ガスを、Ｐを添加する場合にはオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）ガスを、それぞれ使用するのが一般的である。しかし、このようにＡｌやＰも添加しようとすると、これらの添加量を制御するために、原料ガスであるＡｌＣｌ３ガスやＰＯＣｌ３ガスの流量を調整する必要がある。すると、ガスの流量が変化することで、堆積させたガラス微粒子のかさ密度が大きく変化してしまい、液浸工程で添加される希土類元素の濃度が変動し、コア中の希土類元素の濃度を所望の値に制御することが困難となってしまう。さらに、原料ガスからの結晶の析出を防止するために、ガス搬送ライン内において、ＡｌＣｌ３ガスが凝結するのを防止するために、ガス搬送ラインを加熱して高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまう。
そこで、本発明では、スート堆積工程でＡｌやＰなどのドーパントの添加は行わずに、ガラス微粒子を堆積させる。
【００１９】
（液浸工程）
液浸工程では、液浸法により、希土類元素とＡｌを、石英管内に堆積させたガラス微粒子に添加する。
前記希土類元素は、目的に応じて適宜選択すれば良いが、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イットリウム（Ｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、サマリウム（Ｓｍ）、プラセオジム（Ｐｒ）及びネオジム（Ｎｄ）等が例示できる。これら希土類元素は一種を単独で使用しても良いし、二種以上を併用しても良い。本発明においては、作製した光ファイバ母材を光ファイバとし、これからファイバアンプやファイバレーザを構成することを考慮すると、Ｙｂが特に好ましい。
【００２０】
液浸法は、通常の手法で行えば良い。例えば、希土類元素やＡｌを含有する原料化合物の水溶液を調製し、この水溶液に、ガラス微粒子を堆積させた石英管を所定時間浸漬すれば良い。希土類元素の原料化合物は、希土類の塩化物が好ましく、例えば、希土類元素がＹｂである場合には、三塩化イッテルビウム（ＹｂＣｌ３）が好ましい。また、Ａｌの原料化合物としては、ＡｌＣｌ３又は三塩化アルミニウム六水和物（ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）が好ましい。
【００２１】
希土類元素の原料化合物は、通常、蒸気圧が低いため、石英管内に気相で添加することは極めて困難であり、コア中の希土類元素の濃度を所望の値に制御することは極めて困難である。そこで、本発明においては、希土類元素を液浸法で添加する。
また、Ａｌの原料化合物は、ガス化する温度が比較的低く、例えば、ＡｌＣｌ３は２００℃程度で加熱すれば、気相で容易に石英管内に流入させることができる。しかし、コア中のＡｌの濃度を所望の値に制御するためには、スート堆積工程で述べたように、ガス搬送ラインを加熱して高温に維持する必要がある。これは、後述する焼結工程でも同様である。そこで、本発明においては、Ａｌの濃度を制御するために、Ａｌは気相で添加するのではなく、液浸法で添加する。
【００２２】
石英管内のガラス微粒子に添加する希土類元素とＡｌの量は、液浸法で使用する、これらの原料化合物の溶液における濃度を調整することで調整できる。
【００２３】
液浸工程では、使用する原料化合物の溶液中において、希土類元素の原料化合物又はＡｌの原料化合物と相互作用して沈殿を生じる化合物は、併用できない。したがって、このような沈殿を生じる化合物を原料化合物とするドーパントは、液浸工程では添加できない。例えば、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）は、Ｐの原料化合物として使用できるが、水溶液中でＡｌＣｌ３と常温で難溶性（高融点）であるリン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ４）などの沈殿を生じる。また、ＰＯＣｌ３も水溶液中では分解されてＨ３ＰＯ４となる。したがって、本発明において、Ｐは、液浸法では添加しない。
【００２４】
浸漬後は、石英管を取り出し、石英管内のガラス微粒子を乾燥させることが好ましい。そして、乾燥は、石英管内に酸素ガス等のガスを継続して流入させることにより行うことが好ましい。
【００２５】
（焼結工程）
焼結工程では、ガラス微粒子に希土類元素とＡｌを添加した石英管内に、リンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる。
焼結は、リンを含むガスを流入させること以外は、通常の手法で行えば良い。
リンを含むガスとしては、ＰＯＣｌ３が好ましい。ＰＯＣｌ３は、ガス化する温度が低く、気相で容易に石英管内に流入させることができる。
また、焼結工程では、スート堆積工程とは異なり、リンを含むガスの流量を調整しても、希土類元素の濃度制御が困難になることも無い。
このように、リンは気相での添加に適しており、液浸工程での添加に適さないので、本発明においては、焼結工程で添加する。
【００２６】
（コラップス工程）
コラップス工程では、希土類元素、Ａｌ及びＰを添加した前記石英管を加熱してコラップスする。コラップスは、前記石英管を使用すること以外は、通常の手法で行えば良い。そして、コラップス工程を行うことで、光ファイバ母材が得られる。
【００２７】
以上のように、本発明においては、希土類元素とＡｌを液浸工程で、Ｐを焼結工程でそれぞれ添加することで、光ファイバ母材中のＡｌの濃度分布と、Ｐの濃度分布とを制御できる。例えば、Ａｌの濃度分布は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の濃度分布で、Ｐの濃度分布は五酸化二リン（Ｐ２Ｏ５）の濃度分布でそれぞれ確認できる。
【００２８】
本発明により製造された光ファイバ母材においては、コアの径方向断面において、Ａｌ２Ｏ３の濃度がＰ２Ｏ５の濃度よりも高い領域（以下、Ａｌ高濃度領域と略記する）が無いか、又はＡｌ高濃度領域がある場合には、Ａｌ高濃度領域よりも、Ｐ２Ｏ５の濃度がＡｌ２Ｏ３の濃度よりも高い領域（以下、Ｐ高濃度領域と略記する）の方が広いことが好ましい。さらに、コアの径方向断面のうち、Ｐ２Ｏ５の濃度及びＡｌ２Ｏ３の濃度の少なくともいずれかが０．５モル％以上である領域においては、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が０．５モル％よりも小さい径方向内側の領域を第一領域とし、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が０．５モル％以上である、前記第一領域よりも径方向外側の領域を第二領域とした時、第一領域と第二領域との合計に対する第二領域の比率は５０％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましい。このようにすることで、比屈折率差の分布形状が矩形に近づき、良好な特性となる。
【００２９】
さらに、コアの径方向断面のうち、前記第一領域においては、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が小さい方が好ましく、Ｐ２Ｏ５の濃度及びＡｌ２Ｏ３の濃度が略同等であることがより好ましい。このような領域では、ＰとＡｌが互いに屈折率上昇を打ち消し合い、ＳｉＯ２の比屈折率差に近いものとなる。
【００３０】
本発明により製造された光ファイバ母材は、上記のようなドーパントの濃度分布を有することにより、径方向断面におけるコアの比屈折率差の分布形状が、図６又は図７に示すように、矩形に近くなり、良好な特性を有する。
【００３１】
＜光ファイバ＞
本発明の光ファイバは、上記本発明の方法で製造された光ファイバ母材を紡糸して得られた光ファイバであって、コアの径方向断面において、Ａｌ高濃度領域が無いか、又はＡｌ高濃度領域がある場合には、Ａｌ高濃度領域よりもＰ高濃度領域の方が広いことを特徴とする。
光ファイバ母材の紡糸は、通常の手法で行えば良い。
【００３２】
本発明の光ファイバは、コア直径が２０〜３５μｍであることが好ましく、２５〜３０μｍであることがより好ましい。
ファイバレーザにおいては、出力光のビーム品質を良好なものとするために、出力光をコア中でシングルモード伝搬又は少数モード伝搬させることが好ましい。そのためには、前記式（２）で表される比屈折率差を小さくして、上記のようにコア直径を大きくすることで、シングルモード伝搬又は少数モード伝搬と、非線形光学効果の抑制とを両立できる。
【００３３】
本発明の光ファイバは、前記光ファイバ母材と同様の、径方向断面におけるドーパントの濃度分布及び比屈折率差の分布形状を有するものとなる。
すなわち、光ファイバは、比屈折率差の分布形状が、図６又は図７に示すように矩形に近くなり、光ファイバのコアを伝搬する光の電解分布が広がり、Ａｅｆｆが大きくなる。したがって、誘導ラマン散乱等の非線形光学効果の発生が効果的に抑制されたファイバアンプやファイバレーザを作製できる。また、希土類元素の濃度の制御も容易である。
【実施例】
【００３４】
以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。
表１は、下記実施例及び比較例での光ファイバ母材の製造時における各ドーパントの添加工程と、得られた光ファイバ母材の光特性を示したものである。詳細については、以下、順次説明する。
【００３５】
【表１】
【００３６】
なお、表１中、「Ｙｂ濃度の制御性」の評価基準は、以下の通りである。
○・・・再現性が良く、容易に制御できる
△・・・再現性が悪く、制御が困難である
×・・・再現性が極めて悪く、制御できない
【００３７】
＜光ファイバ母材の製造＞
［実施例１］
ＭＣＶＤ法により、石英管内にＳｉＯ２ガラス微粒子（スート）を堆積させた。
次いで、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂ及びＡｌを添加した。具体的には、ＹｂＣｌ３とＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏを純水に溶解させた溶液に、ＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた石英管を３時間浸漬し、前記溶液を除去した後、石英管内に酸素ガスを継続して流入させることにより、ＳｉＯ２ガラス微粒子を６時間乾燥させた。
次いで、ＰＯＣｌ３を酸素ガスでバブリングして石英管内に流入させながら、石英管を酸水素バーナで加熱し、Ｐを添加しながらＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、石英管内の内圧を調整しながら、石英管を酸水素バーナでさらに高温で加熱してコラップスを行い、中実な光ファイバ母材を作製した。
プリフォームアナライザを使用して、得られた光ファイバ母材の径方向断面における比屈折率差の分布形状を測定した。測定結果を図１に示す。また、光ファイバ母材を、その径方向で輪切りにし、ＥＰＭＡにより、その断面の径方向におけるＡｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。分析結果を図２に示す。なお、図１及び２では、コアの半径部分に相当するグラフのみを示している。そして、横軸は半径を示し、「０」はコアの中心を示す。これらは、以降の図においても同様である。
【００３８】
その結果、図１に示すように、比屈折率差の分布形状は、図７と類似しており、矩形に近く、良好であった。また、図２に示すように、Ａｌ２Ｏ３の濃度分布とＰ２Ｏ５の濃度分布が異なっており、Ａｌ高濃度領域よりもＰ高濃度領域の方が広くなっていた。そして、Ｐ２Ｏ５の濃度が０．５モル％以上である領域（半径がおよそ０〜０．０８の領域）において、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が０．５モル％よりも小さい径方向内側の第一領域は、半径がおよそ０〜０．０５の領域であり、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が０．５モル％以上である前記第一領域よりも径方向外側の第二領域は、半径がおよそ０．０５〜０．０８の領域である。そして、第一領域と第二領域との合計に対する第二領域の比率は、およそ６１％となっている。ここに示すように第一領域においては、Ｐ２Ｏ５の濃度とＡｌ２Ｏ３の濃度との差が小さく、Ｐ２Ｏ５の濃度及びＡｌ２Ｏ３の濃度が略同等となっている。
【００３９】
Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５が等モル量添加されていると、互いに屈折率上昇を打ち消し合い、ＳｉＯ２の屈折率に近付く。また、Ｐ高濃度領域においては、過剰なＰ２Ｏ５が屈折率上昇に寄与する。図３は、Ｙｂを添加せず、Ａｌ２Ｏ３の濃度分布とＰ２Ｏ５の濃度分布が、実施例１（図２）と同じになるように、Ａｌを液浸法で、Ｐを焼結でそれぞれ添加して作製した光ファイバ母材の比屈折率差の分布形状を示すグラフである。Ａｌ２Ｏ３やＰ２Ｏ５を含有する領域の中央付近では、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の含有量が等モルになっているので、ＳｉＯ２と略同等の比屈折率差になっている。Ａｌ２Ｏ３やＰ２Ｏ５を含有する領域の外側では、前記理由から、過剰なＰ２Ｏ５が寄与して比屈折率差が上昇している。
一方、Ｙｂ２Ｏ３の濃度が実施例１と同じになるように、Ｙｂ２Ｏ３を液浸法で添加して作製した光ファイバ母材では、Ｙｂ２Ｏ３の濃度分布は、実施例１でのＡｌ２Ｏ３の濃度分布とパターンが類似し、釣鐘状となる。Ｙｂ２Ｏ３は、ＳｉＯ２ガラスの屈折率を上昇させるドーパントであるため、比屈折率差の分布は図８に示すような釣鐘状となる。そして、Ｙｂ２Ｏ３の屈折率上昇分と、図３における屈折率上昇分とを足し合わせると、図１に示すような、矩形に近い比屈折率差の分布となる。
【００４０】
［比較例１］
実施例１と同様の方法で、ＭＣＶＤ法により、石英管内にＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏを使用しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、ＰＯＣｌ３を酸素ガスでバブリングして石英管内に流入させ、この時同時に、ＡｌＣｌ３ガスも石英管内に流入させながら、石英管を酸水素バーナで加熱し、ＰとＡｌを添加しながらＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。比屈折率差の分布の測定結果を図４に、濃度分布の分析結果を図５にそれぞれ示す。
【００４１】
その結果、比屈折率差の分布は、図８に示すプロファイルに類似しており、釣鐘状に近く、良好ではなかった。また、Ａｌ２Ｏ３の濃度分布とＰ２Ｏ５の濃度分布は、径方向断面においてほぼ同じになっており、径方向のいずれの位置においても、屈折率上昇を打ち消し合うものであった。また、Ｙｂ２Ｏ３は液浸法で添加しているので、Ｙｂ２Ｏ３の濃度分布は、実施例１の光ファイバ母材におけるＡｌ２Ｏ３の濃度分布とパターンが似ており、釣鐘状であった。Ｙｂ２Ｏ３は、ＳｉＯ２ガラスの屈折率を上昇させるドーパントであるため、比屈折率差の分布形状は図４に示すように釣鐘状になったと考えられる。
このように、得られた光ファイバ母材は特性が良好ではなく、加えて、この製造方法では、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００４２】
［比較例２］
ＭＣＶＤ法により、石英管内に、Ａｌを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。Ａｌは、特開２００３−１３７５４２に記載の方法で、気相で添加した。すなわち、ＡｌＣｌ３ガスを石英管内に流入させながら、ＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、比較例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、実施例１と同様の方法で、Ｐを添加しながらＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させ、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。
【００４３】
その結果、比屈折率差の分布形状は、比較例１の場合と同様に釣鐘状に近く、良好ではなかった。また、Ａｌ２Ｏ３の濃度分布とＰ２Ｏ５の濃度分布も比較例１の場合と同様であり、比較例１の場合と同様の理由で、比屈折率差の分布形状が釣鐘状になってしまったと考えられる。
さらに、この製造方法では、光ファイバ母材のＹｂ濃度の制御が困難であった。この製造方法では、スート堆積時にＡｌを添加しているが、この時、Ａｌの添加量を制御するために、ＡｌＣｌ３ガスの流量を変化させたため、ＳｉＯ２ガラス微粒子のかさ密度が大きく変化し、液浸法で添加されるＹｂ２Ｏ３の濃度が変動してしまったことが原因と考えられる。このように、Ｙｂ濃度を再現性良く制御できないという問題点が発生してしまった。
加えて、この製造方法でも、比較例１の場合と同様に、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００４４】
［比較例３］
ＭＣＶＤ法により、石英管内に、Ｐを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。Ｐは、ＰＯＣｌ３を酸素ガスでバブリングして石英管内に流しながら、ＳｉＯ２ガラス微粒子を合成することで添加した。
次いで、実施例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂとＡｌを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、ＰＯＣｌ３やＡｌＣｌ３ガスを流入させずに、石英管を酸水素バーナで加熱し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。
【００４５】
その結果、比屈折率差の分布形状は、矩形に近く、良好であった。Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布は、実施例１の場合と同様であった。
しかし、この製造方法でも、光ファイバ母材のＹｂ濃度の制御が困難であった。これは、スート合成時にＰを添加しており、Ｐの添加量を制御するために、ＰＯＣｌ３ガスの流量を変化させたことで、ＳｉＯ２ガラス微粒子のかさ密度が大きく変化し、比較例２の場合と同様に、液浸法で添加されるＹｂ２Ｏ３の濃度が変動してしまったことが原因と考えられる。このように、Ｙｂ濃度を再現性良く制御できないという問題点が発生してしまった。
【００４６】
［比較例４］
ＭＣＶＤ法により、石英管内に、ＰとＡｌを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。この時、ＰＯＣｌ３を酸素ガスでバブリングして石英管内に流入させ、同時に、ＡｌＣｌ３ガスも石英管内に流入させながら、ＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させることで、ＰとＡｌを添加した。
次いで、比較例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、比較例３と同様の方法で、ＰＯＣｌ３ガスやＡｌＣｌ３ガスを流入させずに、石英管を酸水素バーナで加熱し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。
【００４７】
その結果、比屈折率差の分布形状は、比較例１の場合と同様に釣鐘状に近く、良好ではなかった。Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布も比較例１の場合と同様であった。
また、この製造方法でも、光ファイバ母材のＹｂ濃度の制御が困難であった。これは、比較例２又は３の場合と同様に、スート堆積時にＰとＡｌを添加しており、Ｐの添加量を制御するためにＰＯＣｌ３ガスの流量を、Ａｌの添加量を制御するためにＡｌＣｌ３ガスの流量をそれぞれ変化させたことが原因と考えられる。さらに、この製造方法では、スート堆積時にＰとＡｌの両方を添加しているため、比較例２及び３の場合よりも、一層、Ｙｂ濃度の制御が困難であった。このように、Ｙｂ添加濃度を再現性良く制御できないという問題点が発生してしまった。
加えて、この製造方法でも、比較例１及び２の場合と同様に、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００４８】
［比較例５］
比較例３と同様の方法で、ＭＣＶＤ法により、石英管内に、Ｐを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、比較例１と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂを添加し、ＳｉＯ２ガラス微粒子を乾燥させた。
次いで、ＡｌＣｌ３ガスを石英管内に流入させながら、石英管を酸水素バーナで加熱し、Ａｌを添加しながらＳｉＯ２ガラス微粒子を焼結させた。
次いで、実施例１と同様の方法でコラップスを行い、光ファイバ母材を作製した。
そして、得られた光ファイバ母材について、実施例１と同様に、比屈折率差の分布を測定し、Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布を線分析した。
【００４９】
その結果、比屈折率差の分布形状は、比較例１の場合と同様に釣鐘状に近く、良好ではなかった。Ａｌ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の濃度分布も比較例１の場合と同様であった。
また、この製造方法でも、比較例３の場合と同様に、光ファイバ母材のＹｂ濃度の制御が困難であり、Ｙｂ濃度を再現性良く制御できないという問題点が発生してしまった。
加えて、この製造方法でも、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００５０】
［比較例６］
石英管内に堆積させたＳｉＯ２ガラス微粒子に、液浸法でＹｂ、Ａｌ及びＰを添加するため、液浸溶液の調製を試みた。しかし、ＹｂＣｌ３、ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ及びＨ３ＰＯ４を純水に添加して撹拌したところ、白色沈殿が生じ、液浸溶液を調製できなかった。白色沈殿は、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ４）であると考えられる。
【００５１】
［比較例７］
比較例２と同様の方法で、ＭＣＶＤ法により、石英管内に、Ａｌを添加したＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂ及びＰを添加するため、ＹｂＣｌ３及びＨ３ＰＯ４を純水に溶解させた溶液に石英管を浸漬し、乾燥させた後、ＳｉＯ２ガラス微粒子の焼結、コラップスを行ったが、Ｐを所望の十分な濃度で添加できなかった。理由は明らかではないが、液浸法は、高濃度のＰの添加に適していなかった。
また、この製造方法でも、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００５２】
［比較例８］
実施例１と同様の方法で、ＭＣＶＤ法により、石英管内にＳｉＯ２ガラス微粒子を堆積させた。
次いで、比較例７と同様の方法で、液浸法により、前記ＳｉＯ２ガラス微粒子にＹｂ及びＰを添加し、乾燥させた後、ＳｉＯ２ガラス微粒子の焼結、コラップスを行ったが、比較例７の場合と同様に、Ｐを所望の十分な濃度で添加できなかった。
また、この製造方法でも、Ａｌを気相で添加するので、ガス搬送ラインを高温に維持する必要があり、製造装置が複雑になってしまい、製造コストが上昇してしまうという問題点があった。
【００５３】
＜光ファイバの製造＞
［実施例２］
実施例１で作製した光ファイバ母材を使用して、コアにＹｂ、Ｐ及びＡｌを共添加した光ファイバを作製した。具体的には、以下の通りである。
光ファイバ母材を使用して外付け法によりクラッド部を形成させた後、機械研磨によって、クラッド部の径方向における断面形状が正七角形となるように加工した。
次いで、紡糸を行い、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が０．４６となる低屈折率の樹脂で外周上を被覆し、さらにその上を、通常の高屈折率紫外線硬化性樹脂で被覆して、ダブルクラッド光ファイバとした。
得られた光ファイバは、径方向断面が正七角形状のものであり、コア径（直径）が２６μｍであり、クラッドの径方向断面である正七角形の内接円の直径が約４００ｎｍであった。また、カットオフ波長は１．６９μｍ、有効断面積（Ａｅｆｆ）は３９３μｍ２であり、直径１５０ｍｍに曲げて使用した時の曲げ損失は、実用上問題ないレベルであった。
【００５４】
［比較例９］
比較例１で作製した光ファイバ母材を使用し、実施例２と同様の方法で、同様の形状及びサイズの光ファイバを作製した。この時、カットオフ波長が１．６９μｍとなるように調整した。
得られた光ファイバは、Ａｅｆｆは２８８μｍ２であり、直径１５０ｍｍに曲げて使用した時の曲げ損失は、実用上問題ないレベルであった。
【００５５】
上記のように、実施例２及び比較例９の光ファイバは、いずれもカットオフ波長が同じであるにも関わらず、Ａｅｆｆが大きく異なっており、約１．４倍の違いがあった。これは、実施例１の光ファイバ母材の方が、比屈折率差の分布形状が矩形に近く、光ファイバのコアを伝搬する光の電解分布が広がったためである。
【００５６】
＜誘導ラマン散乱の抑制効果の評価＞
［試験例１］
実施例２で作製した光ファイバの誘導ラマン散乱の抑制効果を確認するために、ファイバレーザを構成して、レーザ発振実験を行った。具体的には、以下の通りである。
光ファイバのコアに、波長１０６０ｎｍで平均出力１Ｗのパルス状の種光を入射させ、クラッドに波長９１５ｎｍで出力５０Ｗの励起光を入射させて、波長１０６０ｎｍの光を増幅した。増幅用光ファイバの出射口側には、波長１１００ｎｍ以上の光をカットするフィルタを配置した。波長１０６０ｎｍ付近の出力光を増幅する場合、一次の誘導ラマン散乱光は、波長１１１０ｎｍ付近に発生する。さらに、二次の誘導ラマン散乱光は、波長１１６０ｎｍ付近に発生する。そこで、前記フィルタを配置することで、出力光から誘導ラマン散乱光をカットし、波長１０６０ｎｍ付近の出力光を選択的に取り出すことにより、出力光の波長の広がりを抑制した。所望の波長以外の光が含まれると、出力光をレンズで集光する場合に色収差の問題が生じるが、これにより、この問題を解決できる。このような、フィルタの使用による波長の広がりの抑制は、一般的に適用される手段である。上記のようにフィルタを通して得られた出力光のパワーを測定したところ、３２Ｗであった。
【００５７】
［試験例２］
比較例９で作製した光ファイバを使用し、試験例１と同様の方法で、フィルタを通して得られた出力光のパワーを測定したところ、２７Ｗであった。
【００５８】
比較例１の光ファイバ母材を使用して作製した比較例９の光ファイバでは、Ａｅｆｆが小さいため、誘導ラマン散乱が多く発生して出力光の波長幅が広くなっており、長波長の光をフィルタでカットしたことで、出力光のパワーが低下した。
一方、実施例１の光ファイバ母材は、比屈折率差の分布形状が矩形に近いため、この母材を使用して作製した実施例２の光ファイバは、誘導ラマン散乱の発生が抑制されたものであった。そのため、波長幅の広がりが抑制され、且つエネルギー変換効率が高いファイバレーザが作製できた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアに希土類元素が添加された光ファイバ母材の製造方法であって、
ＭＣＶＤ法により、主に二酸化ケイ素からなるガラス微粒子を石英管内に堆積させる工程と、
液浸法により、希土類元素とアルミニウムを、前記石英管内のガラス微粒子に添加する工程と、
前記石英管内にリンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる工程と、
希土類元素、アルミニウム及びリンを添加した前記石英管を加熱してコラップスする工程と、
を有することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
【請求項２】
前記液浸法において、三塩化イッテルビウム及び三塩化アルミニウム、又は三塩化イッテルビウム及び三塩化アルミニウム六水和物の水溶液を使用して、イッテルビウム及びアルミニウムを前記ガラス微粒子に添加することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
【請求項３】
前記リンを含むガスがオキシ塩化リンガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ母材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法で製造された光ファイバ母材を紡糸して得られた光ファイバであって、
コアの径方向断面において、酸化アルミニウムの濃度が五酸化二リンの濃度よりも高い領域が無いか、又は該領域がある場合には、該領域よりも、五酸化二リンの濃度が酸化アルミニウムの濃度よりも高い領域の方が広いことを特徴とする光ファイバ。
【請求項５】
コアの径方向断面のうち、五酸化二リンの濃度及び酸化アルミニウムの濃度の少なくともいずれかが０．５モル％以上である領域において、五酸化二リンの濃度と酸化アルミニウムの濃度との差が０．５モル％よりも小さい径方向内側の領域を第一領域とし、五酸化二リンの濃度と酸化アルミニウムの濃度との差が０．５モル％以上である、前記第一領域よりも径方向外側の領域を第二領域とした時、第一領域と第二領域との合計に対する第二領域の比率が５０％以上であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ
【請求項６】
前記第一領域において、五酸化二リンの濃度及び酸化アルミニウムの濃度が略同等であることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ。
【請求項１】
コアに希土類元素が添加された光ファイバ母材の製造方法であって、
ＭＣＶＤ法により、主に二酸化ケイ素からなるガラス微粒子を石英管内に堆積させる工程と、
液浸法により、希土類元素とアルミニウムを、前記石英管内のガラス微粒子に添加する工程と、
前記石英管内にリンを含むガスを流入させながら、該石英管を加熱して、リンを添加しながら該石英管内のガラス微粒子を焼結させる工程と、
希土類元素、アルミニウム及びリンを添加した前記石英管を加熱してコラップスする工程と、
を有することを特徴とする光ファイバ母材の製造方法。
【請求項２】
前記液浸法において、三塩化イッテルビウム及び三塩化アルミニウム、又は三塩化イッテルビウム及び三塩化アルミニウム六水和物の水溶液を使用して、イッテルビウム及びアルミニウムを前記ガラス微粒子に添加することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ母材の製造方法。
【請求項３】
前記リンを含むガスがオキシ塩化リンガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ母材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法で製造された光ファイバ母材を紡糸して得られた光ファイバであって、
コアの径方向断面において、酸化アルミニウムの濃度が五酸化二リンの濃度よりも高い領域が無いか、又は該領域がある場合には、該領域よりも、五酸化二リンの濃度が酸化アルミニウムの濃度よりも高い領域の方が広いことを特徴とする光ファイバ。
【請求項５】
コアの径方向断面のうち、五酸化二リンの濃度及び酸化アルミニウムの濃度の少なくともいずれかが０．５モル％以上である領域において、五酸化二リンの濃度と酸化アルミニウムの濃度との差が０．５モル％よりも小さい径方向内側の領域を第一領域とし、五酸化二リンの濃度と酸化アルミニウムの濃度との差が０．５モル％以上である、前記第一領域よりも径方向外側の領域を第二領域とした時、第一領域と第二領域との合計に対する第二領域の比率が５０％以上であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ
【請求項６】
前記第一領域において、五酸化二リンの濃度及び酸化アルミニウムの濃度が略同等であることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２２８９３３（Ｐ２０１０−２２８９３３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７５３２１（Ｐ２００９−７５３２１）
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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