CN101999197B - 掺镱光纤、光纤激光器及光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明的掺镱光纤，具备：含有镱、铝及磷且不含有锗的纤芯，以及包围该纤芯的包层；上述的纤芯中的、上述镱的氧化镱换算浓度为0.09～0.68摩尔％，上述纤芯中的、上述磷的五氧化二磷换算浓度与上述氧化镱换算浓度的摩尔比为3～30，上述纤芯中的、上述铝氧化铝换算浓度与上述氧化镱换算浓度的摩尔比为3～32，上述氧化铝换算浓度与上述五氧化二磷换算浓度的摩尔比为1～2.5。

Description

掺镱光纤、光纤激光器及光纤放大器
技术领域
本发明涉及一种抑制了光子暗化(Photo darkening)的掺镱光纤、以及具有该光纤的光纤激光器及光纤放大器。
本申请主张基于2008年11月14日在日本提出申请的特愿2008-292013号的优先权，在此援用其内容。
背景技术
添加了稀土类元素的光纤内，向该稀土类元素供给激发光时，形成粒子数反转(population inversion)。由此，生成具有与该激发光的波长对应的波长的受激辐射光。因此，这种掺稀土类光纤，在放大具有与受激辐射光的波长相同波长的信号光的光纤放大器、输出具有与受激辐射光的波长相同波长的激光振荡光的光纤激光器中被广泛利用。于是，在光纤放大器和光纤激光器中，期待在更宽的波长区域中具有高且平坦的增益特性、振荡特性。鉴于这些观点，展开掺稀土类光纤的研究开发。
作为掺稀土类光纤，例如，已知掺镱(Yb)光纤。该掺Yb光纤，能够得到光束质量优异的高功率输出光。上述输出光的振荡波长与现有的高输出激光器之一的Nd-YAG大致相同，为1μm附近。因此，其作为焊接、标记、切割等材料加工用途的高输出光源用激光介质的实用化被期待。
图13是例示了现有掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
在此所示的掺Yb光纤110，是单包层光纤，在纤芯111的外周设置了包层112，在该包层112的外周上设置了保护覆盖层113。掺Yb光纤110中，为封闭导波光，纤芯111的折射率高于包层112的折射率。为了提高纤芯111的折射率，通常向纤芯111中添加锗(Ge)、铝(AI)、磷(P)等而可提高折射率的掺杂物。进一步，向纤芯111中作为具有光放大作用的掺杂物添加Yb。通常，以在纤芯111中变成基本均匀的浓度分布的方式添加Yb，不过也可以具有浓度分布，而且还可以添加于包层112的一部分中。
向这种掺Yb光纤入射激发光、入射信号光或用光纤布拉格光栅等搭建空腔而能够得到高功率的信号光。
通常，作为光纤激光器、光纤放大器的光放大介质，使用掺Yb光纤时，为了能使限模注入(Restricted Mode Launch)成为可能且利用光纤型光放大介质的冷却效率高的优点，很多的时候是在实质上为单一模式的条件下使用掺Yb光纤。
用于进行实质上为单一模式的传播的光波导条件，是由纤芯的折射率及纤芯直径(换言之，纤芯的径向折射率分布)、芯径等条件所决定的。此时，需要纤芯的折射率低，或纤芯直径小。非专利文献1中详细公开了单一模式传播用的光波导的条件。非专利文献1中公开了满足单一模式传播所需的开口数(NA)与纤芯直径间的关系。例如，纤芯直径为20μm时，NA必须为约0.04以下。NA与纤芯的折射率间成立近似下式(1)表示的关系。
NA = n 1 2 Δ . . . ( 1 )
根据此式(1)，纤芯直径为20μm时，相对折射率差必须在0.035％以下。另外，纤芯直径为10μm时，相对折射率差必须在0.15％以下。
另一方面，考虑作为光放大介质的性能，对放大用光纤期待能输出更高功率的光。即，光纤中可传播高功率的光是更优的放大用光纤的条件。但是，使光量同等的光入射到纤芯直径小的光纤时，与入射到纤芯直径大的光纤的情况相比，由于前者的光传输截面积小于后者(模场直径)，所以纤芯传播的光的功率密度变高。其结果，容易诱发由于光导致的纤芯玻璃的损伤和光学非线性现象，或者限制光传输时的放大功率。因此，从这个观点出发，优选纤芯直径大。鉴于以上，需将纤芯直径变大，而且，为了进行单一模式传播需将纤芯折射率变低。
使光纤放大器、光纤激光器的特性变差的要因之一是由光纤中传播的激发光和信号光而生成的光纤的损耗增加(光子暗化)(参照非专利文献2及3)。因该损耗增加，作为光放大介质的掺稀土类光纤的光放大效率逐渐降低。其结果，光纤放大器、光纤激光器的输出随着时间的经过而衰减、寿命变短。
目前为止公开了各种用于抑制光子暗化的技术。
例如，非专利文献2中公开了通过应用被称作DND(DirectNanoparticle Deposition)的特殊的制造方法来抑制光子暗化的技术。
另外，非专利文献3中公开了通过向光纤以高浓度添加铝而抑制光子暗化的技术。
另外，非专利文献4中公开了通过在光纤制造时以高浓度添加磷而抑制光子暗化的技术。
另外，专利文献1中公开了通过向光纤中添加氢而抑制光子暗化的技术。
专利文献2中公开了通过向光纤的纤芯中添加稀土类元素及锗及铝及磷，从而使纤芯与包层间的折射率差变小以及抑制稀土类元素的再结晶的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-114335号公报
专利文献2：日本特开平11-112070号公报
非专利文献
非专利文献1：Ming-Jun Li，et.Al.，Effective Area Limit forLarge Mode Area Laser Fibers，The Proceedings of OFC 2008，OTuJ2(2008)
非专利文献2：S.Tammela et al.，The Potential of DirectNanoparticle Deposition for the Next Generation of Optical Fibers，TheProceeding of SPIE Photonics West 2006，Vo1.6116-16(2006)
非专利文献3：T.Kitabayashi et.al.，Population lnversion FaotorDependence of Photodarkening of Yb-doped Fibers and Its Suppressionby Highly Aluminum Doping，The Proceedings of OFC 2006，OThC5(2006)
非专利文献4：M.Engholmet.Al.，Preventing photodarkening inytterbium-doped high power fiber laser；correlation to theUV-transparency of the core glass，The Proceeding of Optics ExpressVo1.16，1260-1268(2008)
但是，如果按照非专利文献2所述的方法，虽然确实比使用现有方法制造时更加抑制光子暗化，但其抑制效果仍然不充分。另外，制造方法特殊，用此方法在原理上无法充分脱水。其结果，与现有方法的MCVD法、VAD法相比，向光纤中混入的OH基变多。因此，用此制造方法制备的光纤中，以该OH基为起因的损耗变大。而且，制造中使用的光纤预塑性坯的尺寸受限制，所以制造成本上升。因此，不能以低成本制造抑制光子暗化的光放大用光纤。
非专利文献3所述的方法中，为了充分地抑制光子暗化，必须添加大量的铝。其结果，光纤的纤芯的折射率变高。光纤型光放大器、光纤激光器中使用的掺稀土类光纤，一般在单一模式传播或少量模式传播的条件下使用。因此，纤芯的折射率高时，相对性地纤芯直径就必须小。纤芯直径小，则由于光纤的有效纤芯截面积(Aeff)变小，传播的光的功率密度变高从而容易出现非线性光学效应。即，生成因非线性光学效应而引起的波长转换，存在不能得到所需的输出光这样的问题。
非专利文献4中所述的方法中，为了充分地抑制光子暗化，必须添加大量的磷。这时也如同非专利文献3中所述的方法，光纤的纤芯的折射率变高。在这种纤芯的折射率高的情况下，为了使光纤单一模式工作，必须使纤芯直径小，然而如上所述，容易出现非线性光学效应，存在不能得到所需的输出光的问题。
根据专利文献1中所述的方法，虽然能够抑制光子暗化，但是需要氢含浸工序与光照射工序。因此，制造工艺变得复杂，难以制造大量的光纤。
专利文献2中没有关于光子暗化的抑制的记载，不仅存在仅凭向纤芯以专利文献2中所述的浓度范围添加上述元素等而无法充分抑制光子暗化的疑虑，而且还有纤芯的折射率变高，光纤的有效纤芯截面积(Aeff)变小，从而生成因非线性光学效应而产生波长转换，无法得到所需的输出光的疑虑。
发明内容
本发明鉴于上述事情，以提供能够用现有方法制造的、抑制了光子暗化的光纤为课题。
本发明为了达成解决上述课题的目的，采用了以下的手段。
(1)本发明的掺镱光纤，具备：含有镱、铝及磷且不含有锗的纤芯，以及包围该纤芯的包层；上述纤芯中的、上述镱的氧化镱换算浓度为0.09～0.68摩尔％，上述纤芯中的、上述磷的五氧化二磷换算浓度与上述氧化镱换算浓度的摩尔比为3～30，上述纤芯中的、上述铝的氧化铝换算浓度与上述氧化镱换算浓度的摩尔比为3～32，上述氧化铝换算浓度与上述五氧化二磷换算浓度的摩尔比为1～2.5。
(2)另外，本发明的掺镱光纤，具备：含有镱、铝、磷及锗的纤芯，以及包围该纤芯的包层；上述纤芯中的、上述镱的氧化镱换算浓度为0.09～0.68摩尔％，上述纤芯中的、上述锗的氧化锗换算浓度为0.1～1.1摩尔％，上述纤芯中的、上述磷的五氧化二磷换算浓度与上述氧化镱换算浓度的摩尔比为3～30，上述纤芯中的、上述铝的氧化铝换算浓度与上述氧化镱换算浓度的摩尔比为3～32，上述氧化铝换算浓度与上述五氧化二磷换算浓度的摩尔比为1～2.5。
(3)上述(2)的情况中，优选上述氧化锗换算浓度为0.30～0.59摩尔％。
(4)上述(1)或(2)的情况中，优选上述纤芯及上述包层由石英玻璃构成。
(5)上述(1)或(2)的情况中，优选上述五氧化二磷换算浓度与上述氧化镱换算浓度的摩尔比为5～30，上述氧化铝换算浓度与上述氧化镱换算浓度的摩尔比为5～32。
(6)上述(1)或(2)的情况中，优选上述氧化铝换算浓度与上述五氧化二磷换算浓度，均在8摩尔％以下。
(7)上述(1)或(2)的情况中，优选上述纤芯与上述包层的相对折射率差为0.05～0.3％。
(8)上述(7)的情况中，优选上述纤芯与上述包层的相对折射率差为0.1～0.25％。
(9)上述(1)或(2)的情况中，优选上述纤芯，进一步含有氟和/或硼。
(10)上述(1)或(2)的情况中，优选上述纤芯，进一步含有选自上述镱以外的稀土类元素及过渡金属元素中的至少一种。
(11)上述(1)或(2)的情况中、优选具备至少两层上述包层，径向内侧的包层的折射率高于外侧的包层的折射率。
(12)上述(1)或(2)的情况中，优选具备至少三层上述包层，径向最内侧的包层的折射率nc1、最外侧包层的折射率nc3、以及在上述最内侧及上述最外侧的包层之间的中间包层的折射率nc2，满足nc1＞nc2＞nc3的关系。
(13)本发明的光纤激光器，含有上述(1)或(2)中所述的掺镱光纤作为光放大介质。
(14)本发明的光纤放大器，含有上述(1)或(2)中所述的掺镱光纤作为光放大介质。
根据上述(1)或(2)中所述的掺镱光纤，可以廉价且大量地提供抑制了光子暗化且能得到优异的光放大效果的光纤。另外，通过使用这种光纤作为光放大介质，可以低价提供对输出随着时间的经过而衰减进行了抑制的、光学特性良好的光纤激光器及光纤放大器。
附图说明
图1为表示实施例1中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图2为表示实施例1中的激发光照射前后的损耗量和其差分的波长之间的关系的座标图。
图3为表示实施例2中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图4为表示实施例3中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图5为表示实施例4中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图6为表示实施例5中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图7为表示实施例6中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图8为表示实施例7中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图9为表示实施例8中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图10为表示实施例9中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图11为表示实施例10中制备的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图12为表示比较例2中的激发光照射前后的损耗量和其差分的波长之间的关系的座标图。
图13为表示现有掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
图14为表示比较例9～11的掺Yb光纤的径向截面及折射率分布的图。
符号说明
1，2，3，4，5，6，7，8，9，10  掺镱光纤
11，21，31，41，51，61，71，81，91、101  纤芯
12，22，32，42，52，62，72，82，92，102  包层
42a，52a，62a，92a，102a  内侧包层
42b，52b，62b，92b，102b  外侧包层
72a，82a  最内侧包层
72b，82b  中间包层
72c，82c  最外侧包层
具体实施方式
下面对本发明进行详细的说明。
以下用“摩尔％”的单位表示的添加成分的浓度，在具有折射率分布的光纤中，除非另有说明，均为平均值。
<掺Yb光纤>
本发明的掺Yb光纤具备纤芯及包围该纤芯的包层。上述纤芯至少含有Yb、Al及P。上述纤芯中的、Yb的氧化镱(Yb2O3)换算浓度(以下，有时仅简写为“Yb2O3换算浓度”)、P的五氧化二磷(P2O5)换算浓度(以下，有时仅简写为“P2O5换算浓度”)及Al的氧化铝(Al2O3)换算浓度(以下，有时仅简写为“Al2O3换算浓度”)满足下述条件。
(A)Yb2O3换算浓度为0.09～0.68摩尔％。
(B)P2O5换算浓度与Yb2O3换算浓度的摩尔比(P2O5换算浓度(摩尔％)/Yb2O3换算浓度(摩尔％))为3～30。
(C)Al2O3换算浓度与Yb2O3换算浓度的摩尔比(Al2O3换算浓度(摩尔％)/Yb2O3换算浓度(摩尔％))为3～32。
(D)Al2O3换算浓度与P2O5换算浓度的摩尔比(Al2O3换算浓度(摩尔％)/P2O5换算浓度(摩尔％))为1～2.5。
Yb为具有光放大作用的掺杂物。Al为具有提高折射率作用及抑制玻璃的结晶化作用的掺杂物。P为具有抑制光子暗化作用及提高折射率作用的掺杂物。
纤芯中的P具有抑制光子暗化的作用。然而，纤芯只含有Yb及P的光纤，在使纤芯的折射率为所需的低值时，玻璃发生结晶。因此，该光纤不能作为放大用光纤使用。但通过进一步在纤芯中含有Al，而能够一边抑制光子暗化，一边即使将纤芯的折射率变为所需的低值也能抑制玻璃的结晶化。Al具有抑制玻璃的结晶化的作用的原因可以推测为在玻璃中分散有Yb及P。而且，应特别指出的是通过同时含有Al及P而有降低折射率的效果。
本发明中，通过将纤芯中的Yb2O3换算浓度、P2O5换算浓度及Al2O3换算浓度以满足上述(A)～(D)的条件的方式分别设定在规定的范围内而能使光子暗化的抑制及玻璃的结晶化的抑制高水平并存，而且能得到更优异的光放大效果。
鉴于上述观点，本发明中，使纤芯中的Yb2O3换算浓度为0.09～0.68摩尔％。通过控制在0.09摩尔％以上而能得到充分的光放大效果。具体为，将掺Yb光纤应用于光纤放大器、光纤激光器中时，能得到大概为10dB以上的良好的放大效果。另外，在0.68摩尔％以下时，能够将纤芯的折射率的上升抑制在容许范围内，能使纤芯与包层的相对折射率差(Δ)为0.3％以下。
P2O5换算浓度与Yb2O3换算浓度的摩尔比为3～30，优选5～30。下限值以上时，能得到更高的抑制光子暗化的效果，例如，能将因光子暗化而导致的损耗增加抑制在0.01dB以下。另外，上限值以下时，能使纤芯的相对折射率差(Δ)为0.3％以下，能使光损耗为50dB/km以下等，所以能得到具有良好特性的掺Yb光纤。特别是通过使上述摩尔比为5～30而能得到更高的抑制玻璃的结晶化的效果，光纤的制备变容易。
Al2O3换算浓度与Yb2O3换算浓度的摩尔比为3～32，优选5～32。下限值以上时，即使降低纤芯的折射率也能得到更高的抑制玻璃的结晶化的效果。另外，上限值以下时，能得到P2O5换算浓度与Yb2O3换算浓度的摩尔比为上限值以下的情况同样的效果。尤其通过使上述摩尔比为5～32而能得到更高的抑制玻璃的结晶化的效果，光纤制备变容易。
Al2O3换算浓度与P2O5换算浓度的摩尔比为1～2.5，优选1～1.8。下限值以上时，能得到更高的抑制以光纤的应变为起因的裂纹和玻璃的结晶化的效果，能稳定生产掺Yb光纤。
另外，上限值以下时，能使纤芯的相对折射率差(Δ)为0.3％以下，能得到具有良好的特性的掺Yb光纤。
纤芯中的Al2O3换算浓度，优选8摩尔％以下。Al的含有量变得必要以上多时，光纤的传输损耗变高。通过控制在此范围而能抑制传输损耗，能得到更高的光放大效果。具体为，例如能使光损耗为50dB/km以下。
因同样的原因，纤芯中的P2O5换算浓度也优选为8摩尔％以下。
并且，本发明中，特别优选为Al2O3换算浓度及P2O5换算浓度，均在8摩尔％以下。
纤芯与包层的相对折射率差(Δ)优选0.05～0.3％，更有选0.1～0.25％。通过控制在0.3％以下而能在将光纤使用于实质上为单一模式条件下时，使纤芯直径变小，不使光的功率密度变过高。即，能得到抑制了由于光引起的光纤玻璃的损伤、光学非线性现象的高效果。因此，能容易地得到高输出光。另外，通过控制在0.25％以下而能得到更高输出的光。另一方面，通过控制在0.05％以上而能充分的封存光，能够抑制由于弯曲和侧压造成的波导不稳定等而产生的弯曲损耗的增大。其结果，可以进行更稳定的导波光。
本发明中，“纤芯与包层的相对折射率差”，是指将纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n0时，利用式：(n1-n0)/n1×100算出的值。
“实质上为单一模式”是指，虽然波导构造为多模式，但由于弯曲等而高阶模式被去除，实际效果为单一模式的情况。
纤芯及包层，优选由石英玻璃构成。石英玻璃不仅在一般的传输用光纤中广泛使用，而且可以减少传输损耗，有利于高功率放大光。
纤芯中，除了Yb、AI及P，还可以含有其他的元素。通过含有其他的元素而能提高掺Yb光纤的性能，或赋予不同的功能。
例如，通过纤芯中含有锗(以下，简写为Ge)而能在掺Yb光纤中容易地形成光纤布拉格光栅。
另外，通过含有氟(以下，简写为F)及硼(以下，简写为B)中的一个或两个而能使纤芯的折射率分布的控制变容易，容易地得到具有所需的光学特性的光纤。
另外，通过在纤芯中含有选自镱以外的稀土类元素及过渡金属元素中的至少一种而能表达共掺敏化作用，或能使激发波长发生变化，或能以特定波长振荡。
上述稀土类元素，可以是现有掺Yb光纤中使用的公知的物质，具体为，可以举出铒(Er)、铥(Tm)、钇(Y)、钬(Ho)、钐(Sm)、镨(Pr)及钕(Nd)等。
上述过渡元素也根据目的从公知的物质中适当的选择即可。
纤芯中含有其他元素可以是一种，也可以是两种以上。并且，使用浸渍法等公知的方法将这些元素向纤芯添加即可。
纤芯中含有其他的元素，可以根据目的适当选自其种类。并且，根据元素的种类适当的设定其浓度即可。
例如，使Ge含有时，二氧化锗(GeO2)换算浓度优选为0.1～1.1摩尔％，更优选0.3～0.59摩尔％。0.1～1.1摩尔％的二氧化锗(GeO2)换算浓度相当于纤芯中的Ge浓度0.035～0.37摩尔％。通过添加GeO2，每1摩尔％中以相对折射率约发生0.1％的折射率上升。因此，从波导光学的设计出发，为了获得所所需的某折射率，需要相对性地减少同样具有提高折射率作用的五氧化二磷和氧化铝、氧化镱等的掺杂量。本发明中由于利用了由同时添加五氧化二磷及氧化铝而减少折射率的效果，所以通过减少氧化铝，或相对性地减少氧化镱的掺杂量而使纤芯的折射率下降。例如，添加2摩尔％二氧化锗，则纤芯的相对折射率约上升0.2％，所以需要减少氧化铝、氧化镱的任一个或两个的掺杂量以使相对折射率减少约0.2％的部分的方式进行制备。减少氧化铝，则因玻璃的结晶化而导致光纤产品无法制造。另外，减少氧化镱，则光的放大效果将减少其对应的部分。因此，减少这些的添加量并不优选。例如，以纤芯与包层的相对折射率差0.25％的设计来制备掺镱光纤时，如上所述，若添加2摩尔％的二氧化锗，则需要以相对折射率减少0.2％的方式减少氧化铝和氧化镱的掺杂量。例如，若只通过削减氧化铝的添加量而使相对折射率减少0.2％的部分，则需要将氧化铝削减1.4摩尔％的部分。在这种情况下，将发生玻璃的结晶化，不能制造产品。另外，若只削减氧化镱，则因氧化镱本身的浓度(添加量)就不多而无法使相对折射率削减0.2％。鉴于以上，大量的GeO2的添加大多时不优选。另一方面，GeO2的添加量少时，不能充分发挥添加的目的。例如，考虑向本光纤中赋予光栅，则所需要的GeO2最低限为0.1摩尔％，优选0.3摩尔％以上。另一方面，如果为1.1摩尔％程度，则足以赋予光栅，但鉴于上述大量的GeO2的弊处，更优选为0.59摩尔％以下。
添加0.6摩尔％二氧化锗，则纤芯的相对折射率约上升0.06％。因此，需要减少氧化铝、氧化镱中任一个或多个的掺杂量以使相对折射率减少约0.06％的部分的方式制备光纤。减少氧化铝时，如上所述，因玻璃的结晶化而无法制造产品。另外，减少氧化镱时，因光的放大效果将减少其对应的部分，所以不优选。例如，以纤芯与包层的相对折射率差0.20％的设计来制备掺镱光纤，添加了0.6摩尔％二氧化锗时，需要减少氧化铝、氧化镱的掺杂量以使相对折射率减少0.06％的部分。例如，若只通过氧化铝而减少0.06％的部分时，需要削减0.4摩尔％的部分的氧化铝。此时，如上所述，发生玻璃的结晶化，不能制造产品。另外，若只削减氧化镱，则因氧化镱本身的浓度(添加量)就不多，所以以使相对折射率减少0.06％的方式削减其添加量，则光的放大效率降低，不能得到所需的输出。
另外，关于含有二氧化锗、五氧化二磷、氧化铝组成的光纤，虽然在上述专利文献2中有公开，但关于本发明的效果的光子暗化并没有公开，另外，专利文献2的实施例中，没有公开关于相对折射率为0.29％以下的组成比。因此，以专利文献2中所述的内容，不能充分降低纤芯的折射率，难以兼得避免纤芯玻璃的损耗、光学非线性现象，及单一模式传播这两个方面。
鉴于以上，若没有附加光栅等需要添加GeO2的特殊的目的时，优选尽量不添加GeO2。因为，如上所述，尽管即使添加GeO2也对光子暗化没有特殊的影响，但随着GeO2的添加折射率会上升。其结果，与有效截面积的扩大相反，耐功率性变低。
同样地，对于Al及P以外的、提高折射率剂(Ti等)元素，若其效果不是特别有效，优选尽量不添加提高折射率元素。
另外，含有B时，优选三氧化二硼(B2O3)换算浓度为0.01～5摩尔％，更优选0.05～1摩尔％。上述范围的上限值以下时，抑制残余应力的增大，得到充分强度的光纤。
另外，含有F时，优选0.05～3摩尔％，更优选0.1～1摩尔％。上述范围的上限值以下时，可以减低成本。
另外，含有作为稀土类元素或过渡金属元素的铥(Tm)时，优选氧化铥(Tm2O3)换算浓度为0.01～1摩尔％，更优选0.05～0.5摩尔％。上述范围的上限值以下时，可以抑制浓度猝灭(ConcentrationQuenching)等问题。
包层可以为一层构造，也可以为二层或三层构造等多层构造。
例如，通过制成双包层光纤或三包层光纤等多包层光纤而可以得到较单包层光纤更高输出的光。多包层光纤中，通过使激发光向包层中波导而可以抑制激发光向纤芯集中。因此，抑制了纤芯玻璃的损伤和光学非线性现象，可以制备更高输出的光纤激光器、光纤放大器。从这个观点出发，相比双包层光纤，优选激发光的利用效率高的三包层光纤。
另外，包层的形状没有特别限定，可以根据目的适当的选择。例如，为了抑制倾斜模式，如图5和图7～11中所示，优选使径向截面形状为多边形状、D型状等的非圆形状。
另外，也可以在纤芯的附近设置应力附加部。应力附加部，是例如由向石英玻璃中添加了B2O3等的材料所形成的。
纤芯的折射率分布，可以根据目的适当调整。例如，可以为如图13中例示的单峰阶梯型，也可以为例如图1和图3～11中所示的钓钟型、凹型、双层型(Dual Shape)、扇形纤芯、二重凹型、W型等公知的任何的折射率分布。
纤芯及包层的折射率，优选考虑掺Yb光纤的构造和所需的相对折射率差等而调整。
例如，为了封存波导的光，优选纤芯的折射率高于包层的折射率。
另外，在具备至少二层包层的多包层光纤的情况下，优选径向内侧的包层的折射率高于径向外侧的包层的折射率。通过如此，可以得到更高输出的光。另外，此处“径向内侧”及“径向外侧”表示的是二层的包层的径向上的相对位置关系。
因此，“径向内侧的包层”及“径向外侧的包层”不一定仅表示双包层光纤的二层的包层，也表示具备三层以上的包层的多包层光纤中的，任意二层包层。
另外，在具备至少三层的包层的多包层光纤的情况下，径向最内侧的包层的折射率nc1、最外侧的包层的折射率nc3、在上述最内侧及最外侧的包层之间的中间包层的折射率nc2，优选满足nc1＞nc2＞nc3的关系。通过如此，可以有效地得到更高输出的光。
此处“中间包层”，只要为配置在最内侧及最外侧的包层间则可以是任意的包层，例如，不只表示三包层光纤中最内侧及最外侧的包层间的中间包层。
纤芯直径，优选根据纤芯的折射率适当设定，通常优选4～50μm，更优选8～43μm。
本发明的掺Yb光纤，除了向纤芯中添加规定量的Yb、Al及P之外，可以用公知技术制造。
例如，可用MCVD法、VAD法等制备光纤预型体，将其拉丝成所需的外径，在其外周上用UV固化树脂等形成防护覆盖层而进行制造。在光纤预型体制备过程中，可以使用以液浸法添加的技术、喷雾液滴的技术来向套管添加Yb。
另外，例如，要使包层的形状为非圆形状时，可以将Yb添加后的光纤预型体外削成所需的形状，对其进行拉丝。
另外，例如，要在包层中设置应力附加部时，可以在Yb添加后的光纤预型体中，其中心轴方向(光纤预型体的长度方向)设置孔，优选将其内表面研削及研磨而镜面化后，此处用MCVD法等***制备的B2O3-SiO2玻璃制的应力附加部材，然后拉丝。
<光纤激光器、光纤放大器>
本发明的光纤激光器或光纤放大器，其特征在于，含有上述本发明的掺Yb光纤作为光放大介质。
而且，除了作为放大介质使用上述本发明的掺Yb光纤之外，可以采用与公知的光纤激光器或光纤放大器同样的方法来制造。
根据本发明，可以将具有优异的光子暗化抑制效果的、能得到所需的高输出光的掺Yb光纤，应用MCVD法、VAD法等的公知的技术来制造。另外，对制造时使用的光纤预型体的尺寸也没有限制。因此，可以廉价且大量地提供如上所述的具有优异特性的掺Yb光纤。
另外，通过使用上述的光纤作为光放大介质而可以低价提供抑制了输出随着时间的经过而衰减的、光学特性良好的光纤激光器及光纤放大器。
实施例
以下，通过具体的实施例，进一步详细地说明本发明。但是，本发明不会因以下的实施例而受任何限定。
在以下的实施例中，掺Yb光纤的由光子暗化引起的损耗增加量，采用下面的方法进行了评价。由此，对于用途、构造不同的光纤也能相对性地比较损耗增加量。
(光子暗化引起的损耗增加量的评价方法)
使用纤芯的Yb吸收量成为340dB的长度的掺Yb光纤，将波长976nm的激发光以入射光量成为400mW的方式，向该纤芯照射100分钟。然后，以波长800nm下的照射前后的损耗的差分作为“光子暗化引起的损耗增加量”。
[实施例1]
制备了图1所示构造的掺Yb光纤。图1是表示掺Yb光纤1的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤1为单包层光纤，在纤芯11的外周上设置包层12，在包层12的外周上设置保护覆盖层13。
采用MCVD法制备光纤预型体。另外，用液浸法添加Yb。接着，拉丝光纤预型体以使玻璃外径变成约为125μm，并在外周上设置保护覆盖层。
纤芯的Yb2O3为0.46摩尔％，P2O5/Yb2O3为6.61，Al2O3/Yb2O3为15.92，Al2O3/P2O5为2.41。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.29％。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起损耗增加几乎看不见，采用上述评价的损耗增加量为0.01dB以下。在图2中表示此时激发光照射前后的损耗量与其差分的波长的关系的座标图。图2中，波长1000nm附近的损耗量数据出现干扰是因为在该波长带存在Yb的光吸收带。
另外，使用所得的掺Yb光纤制备光纤放大器，评价了光输出的经时间变化。其结果，是初期输出为1.5W的光纤放大器，经过100小时后的输出衰减量为3％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为1％以下。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表1。
[实施例2]
制备了图3所示构造的掺Yb光纤。图3为表示掺Yb光纤2的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤2为单包层光纤，在纤芯21的外周上设置有包层22，包层22的外周上设置有保护覆盖层23。
采用VAD法制备了光纤预型体。另外，用液浸法添加Yb。接着，拉丝光纤预型体使玻璃外径变成约为125μm，并在外周上设置了保护覆盖层。
纤芯的Yb2O3为0.38摩尔％，P2O5/Yb2O3为29.71，Al2O3/Yb2O3为31.06，Al2O3/P2O5为1.05。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.14％。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得的掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为3W的光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为3％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加以外，还包含起因于温度变化和测定偏差的衰减量。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为1％以下。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表1。
[实施例3]
制备了图4表示构造的掺Yb光纤。图4为掺Yb光纤3的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤3是具有三层构造的纤芯31的单包层光纤，在纤芯31的外周上设置了包层32，在包层32的外周上设置了保护覆盖层33。纤芯31由中央纤芯31a、设置在中央纤芯31a的外周上的环槽31b、及设置在环槽31b的外周上的环形纤芯31c构成。
采用MCVD法制备了光纤预型体。另外，采用液浸法添加了Yb。接着，拉丝光纤预型体以使玻璃外径成为约125μm，冰在外周上设置保护覆盖层。
纤芯的Yb2O3为0.09摩尔％，P2O5/Yb2O3为22.33，Al2O3/Yb2O3为28.00，Al2O3/P2O5为1.25。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.07％。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得的掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为4.5W的光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为4％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加以外，还包含起因于温度变化和测定偏差的衰减量。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为2％以下。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表1。
[实施例4]
制备了图5所示构造的掺Yb光纤。图5为表示掺Yb光纤4的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤4为具有二层构造包层42的双包层光纤，在纤芯41的外周上设置内侧包层42a，内侧包层42a的外周上设置外侧包层42b，外侧包层42b的外周上设置保护覆盖层43。另外，内侧包层42a的截面形状为D型形状。
采用MCVD法制备光纤预型体。另外，Yb是在制备套管过程中用喷雾液滴的手法添加的。此时对圆柱形状的光纤预型体进行外削以使截面形状成为图5所示的D型形状。接着，拉丝所得的光纤预型体以使玻璃截面外接圆的直径变成约为400μm。此时，在玻璃的外周上涂布折射率低于玻璃的聚合物包层材料使其固化，制成玻璃包层中能封存激发光的构造。进而，在其外周上用防UV固化树脂进行覆盖。
纤芯的Yb2O3为0.52摩尔％，P2O5/Yb2O3为3.04，Al2O3/Yb2O3为3.10，Al2O3/P2O5为1.02。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.24％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.46。
所得掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得的掺Yb光纤制备了光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为14.8W的脉冲输出光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为1％以下。此输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为几乎没有起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表1。
[实施例5]
制备了图6所示构造的掺Yb光纤。图6为表示掺Yb光纤5的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤5为具有二层构造包层52的双包层光纤，在纤芯51的外周上设置内侧包层52a，在内侧包层52a的外周上设置外侧包层52b，在外侧包层52b的外周上设置保护覆盖层53。另外，内侧包层52a中，在与纤芯51对称的位置上设置了一对应力附加部54，54。
采用VAD法制备光纤预型体。另外，Yb是在套管制备过程中以喷雾液滴的手法添加的。该光纤预型体的中心轴方向上，设置一对相对于纤芯成对称配置的孔，其中***添加硼等而制备的应力附加玻璃，进行拉丝以使玻璃外径变成约为125μm。此时，玻璃的外周上涂布折射率低于玻璃的聚合物包层材使其固化，制成玻璃包层中能封存激发光的构造。进一步在其外周上覆盖防UV固化树脂。
纤芯的Yb2O3为0.33摩尔％，P2O5/Yb2O3为3.02，Al2O3/Yb2O3为5.34，Al2O3/P2O5为1.76。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.29％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.41。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以前述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为10.8W的光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量4％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为2％以下。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表1。
[实施例6]
制备了图7所示构造的掺Yb光纤。图7为掺Yb光纤6的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤6是具有二层构造包层62的双包层光纤，在纤芯61的外周上设置内侧包层62a，内侧包层62a的外周上设置外侧包层62b，外侧包层62b的外周上设置保护覆盖层63。另外，内侧包层62a的截面形状为正七边形状，纤芯61、内侧包层62a及外侧包层62b被配置成同心状。
采用MCVD法制备了光纤预型体。另外，用液浸法添加Yb。此时对圆柱形状的光纤预型体进行外削以使截面形状成为如图7所示的正七边形状。拉丝所得光纤预型体，使玻璃的截面外接圆的直径变成约为420μm。此时，在玻璃的外周上涂布折射率低于玻璃的聚合物包层材使其固化，制成玻璃包层中能封存激发光的构造。进一步在其外周上覆盖防UV固化树脂。
纤芯的Yb2O3为0.39摩尔％，P2O5/Yb2O3为11.98，Al2O3/Yb2O3为18.34，Al2O3/P2O5为1.53。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.13％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.46。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以前述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为122W的光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为6％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为3％以下。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表1。
[实施例7]
制备了图8所示构造的掺Yb光纤。图8为表示掺Yb光纤7的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤7是具有三层构造包层72的三包层光纤，纤芯71的外周上设置最内侧包层72a，最内侧包层72a的外周上设置中间包层72b，中间包层72b的外周上设置最外侧包层72c，最外侧包层72c的外周上设置保护覆盖层73。另外，中间包层72b的截面形状为正八边形状，纤芯71、最内侧包层72a、中间包层72b及最外侧包层72c被配置成同心状。
采用VAD法制备了光纤预型体。另外Yb用液浸法添加。此时对圆柱形状的光纤预型体进行外削使截面形状成为如图8所示的正八边形状。拉丝所得光纤预型体以使玻璃的截面外接圆的直径变成约为380μm。此时，玻璃的外周上涂布折射率低于玻璃的聚合物包层材使其固化，制成玻璃包层中能封存激发光的构造。进一步在其外周上覆盖防UV固化树脂。
纤芯的Yb2O3为0.68摩尔％，P2O5/Yb2O3为17.79，Al2O3/Yb2O3为18.87，Al2O3/P2O5为1.06。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.28％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.47。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为22W的脉冲光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为3％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为1％以下。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表2
[实施例8]
制备了图9所示构造的掺Yb光纤。图9为掺Yb光纤8的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤8为具有二层构造的纤芯81及三层构造包层82的三包层光纤。即，中央纤芯81a的外周上设置环槽81b，环槽81b的外周上设置最内侧包层82a，最内侧包层82a的外周上设置中间包层82b，中间包层82b的外周上设置最外侧包层82c，最外侧包层82c的外周上设置保护覆盖层83。另外，中间包层82b的截面形状为正七边形状，中央纤芯81a、环槽81b、最内侧包层82a、中间包层82b及最外侧包层82c被配置成同心状。
纤芯中除了AI、P、Yb之外还添加了Ge。光纤预型体采用MCVD法制备。另外，Yb用液浸法添加。此时对圆柱形状的光纤预型体进行外削使截面形状成为如图9所示的正七边形状。拉丝所得光纤预型体以使玻璃的截面外接圆的直径变成约为400μm。此时，玻璃的外周上涂布折射率低于玻璃的聚合物包层材使其固化，制成玻璃包层中能封存激发光的构造。进一步在其外周上覆盖防UV固化树脂。
纤芯的Yb2O3为0.28摩尔％，P2O5/Yb2O3为5.79，Al2O3/Yb2O3为7.61，Al2O3/P2O5为1.31，GeO2为0.83摩尔％。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.27％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.46。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为11.3W的光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为1％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为几乎没有。
通过受激准分子曝光，在本掺Yb光纤的纤芯中制造光栅构造的结果，制备了对于波长1064nm的光，反射率为100％、10％、4％的三种光纤光栅。即，确认了可以制备具有任意反射率的光纤光栅。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表2
[实施例9]
制备了图10所示构造的掺Yb光纤。图10为掺Yb光纤9的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤9为具有二层构造包层92的双包层光纤，纤芯91的外周上设置内侧包层92a，内侧包层92a的外周上设置外侧包层92b，外侧包层92b的外周上设置保护覆盖层93。另外，内侧包层92a中，在与纤芯91相对称的位置上设置有一对应力附加部94，94。并且，内侧包层92a的截面形状为正八边形，纤芯91、内侧包层92a及外侧包层92b被配置成同心状。
纤芯中，除了AI、P、Yb之外还添加了F。采用MCVD法制备了光纤预型体。另外，用液浸法添加Yb。此时对圆柱形状的光纤预型体进行外削使截面形状成为如图10所示的正八边形状。进一步在该光纤预型体的中心轴方向上与纤芯相对称地配置了一对孔，其中***添加硼等而制备的应力附加玻璃。接着，拉丝所得光纤预型体以使玻璃的截面外接圆的直径变成约为250μm。此时，玻璃的外周上涂布折射率低于玻璃的聚合物包层材料使其固化，制成玻璃包层中能封存激发光的构造。进一步在其外周上覆盖UV固化树脂。
得到了纤芯的Yb2O3为0.60摩尔％，P2O5/Yb2O3为19.17，Al2O3/Yb2O3为20.17，Al2O3/P2O5为1.05，F为0.40摩尔％的偏振波保持型光纤。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.18％。
另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.43。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为11.3W的光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为1％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为几乎没有起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表2
[实施例10]
制备了图11所示构造的掺Yb光纤。图11为掺Yb光纤10的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤10为具有二层构造包层102的双包层光纤，在纤芯101的外周上设置内侧包层102a，内侧包层102a的外周上设置外侧包层102b，外侧包层102b的外周上设置保护覆盖层103。另外，内侧包层102a的截面形状为正八边形状，纤芯101、内侧包层102a及外侧包层102b被配置成同心状。
纤芯中除了AI、P、Yb之外还添加了Ge、F。采用VAD法制备了光纤预型体。另外，用液浸法添加了Yb。此时对圆柱形状的光纤预型体进行外削使截面形状成为如图11所示的正八边形状。接着，拉丝所得光纤预型体以使玻璃的截面外接圆的直径变成约为420μm。此时，玻璃的外周上涂布折射率低于玻璃的聚合物包层材料使其固化，制成玻璃包层中能封存激发光的构造。进一步在其外周上覆盖防UV固化树脂。
纤芯的Yb2O3为0.26摩尔％，P2O5/Yb2O3为6.62，Al2O3/Yb2O3为9.04，Al2O3/P2O5为1.37，GeO2为0.92摩尔％，F为0.35摩尔％。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.21％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.46。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为11.3W的光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为1％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为几乎没有起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减。
通过受激准分子曝光，在本掺Yb光纤的纤芯中制造光栅构造，制备了相对于波长为1064nm的光，反射率为100％、10％、4％的三种光纤光栅。即，可以确认能够制备具有任意反射率的光纤光栅。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表2
[实施例11]
除了下述之外，与实施例4同样地制备了双包层光纤。即，纤芯中除了Al、P、Yb之外还添加了B；Al、P、Yb的添加量不同；对将截面形状外削成D型状的光纤预型体进行拉丝以使玻璃的截面外接圆的直径变成约为125μm。
纤芯的Yb2O3为0.31摩尔％，P2O5/Yb2O3为22.29，Al2O3/Yb2O3为25.23，Al2O3/P2O5为1.13，B2O5为0.3摩尔％。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.22％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.46。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为20.0W的脉冲光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为1％以下。该输出衰减量，除了包括光纤的损耗增加之外，还包含起因于温度变化、测定偏差的衰减量。因此，认为几乎没有起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表2
[实施例12]
除了下述之外，与实施例7同样地制备三包层光纤。纤芯中除Al、P、Yb以外还添加了Tm；AI、P、Yb的添加量不同；对将截面形状外削成正八边形状的光纤预型体进行拉丝以使玻璃的截面外接圆的直径变成约为250μm。用液浸法添加了Tm。
纤芯的Yb2O3为0.25摩尔％，P2O5/Yb2O3为25.80，Al2O3/Yb2O3为27.52，Al2O3/P2O5为1.07，Tm2O3为0.12摩尔％。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.25％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.46。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为15W的脉冲光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为3％以下。该输出衰减量，除了光纤的损耗增加外，也包含温度变化和测定偏差的原因。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为1％以下。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表2
[实施例13]
除了下述之外，与实施例8同样地制备三包层光纤。即，纤芯中Al、P、Yb之外还添加了Nd；Al、P、Yb的添加量不同；对将截面形状外削成正七边形的光纤预型体进行拉丝以使玻璃的截面外接圆的直径变成约为250μm。用液浸法添加了Nd。
纤芯的Yb2O3为0.30摩尔％、P2O5/Yb2O3为13.67、Al2O3/Yb2O3为16.53、Al2O3/P2O5为1.21、Nd2O3为0.15摩尔％。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.18％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.43。
所得的掺Yb光纤的光子暗化引起的损耗增加几乎看不见，以上述评价方法评价的损耗增加量为0.01dB以下。
另外，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化。其结果，是初期输出为15.8W的脉冲光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量位2％以下。该输出衰减量，除了光纤的损耗增加外，也包含温度变化和测定偏差的原因。因此，认为起因于光子暗化引起的损耗增加的输出衰减为1％以下。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表3。
[比较例1]
除了下述之外，与实施例1同样地，制备单包层光纤。即，纤芯中添加Al、Yb、Ge，不添加P；Al、Yb的添加量不同；拉丝光纤预型体以使玻璃外径变成约为200μm。
纤芯的Yb2O3为0.51摩尔％，Al2O3/Yb2O3为0.39，Al2O3为0.2摩尔％，GeO2为0.23摩尔％。即，Al2O3/Yb2O3在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.27％。
所得的掺Yb光纤，光子暗化引起的损耗增加大，以上述评价方法评价的损耗增加量为3.8dB。
因此，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化结果，是初期输出为20W的脉冲光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为30％以上。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表3。
[比较例2]
除了下述之外，与实施例6同样地，制备双包层光纤。即，AI、P、Yb的添加量不同；对讲截面形状外削成正七边形状的光纤预型体进行拉丝以使玻璃的截面外接圆的直径变成约为300μm，。
纤芯的Yb2O3为0.27摩尔％，P2O5/Yb2O3为1.23，Al2O3/Yb2O3为4.95，Al2O3/P2O5为4.01。即，P2O5/Yb2O3、Al2O3/P2O5在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.20％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.43。
所得的掺Yb光纤，光子暗化引起的损耗增加大，以上述评价方法评价的损耗增加量为10.6dB。此时的激发光照射前后的损耗量与其差分的波长之间的关系如图12中的座标图所示。
因此，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化结果，是初期输出为12W的脉冲光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为50％以上。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表3。
[比较例3]
纤芯中添加Al、P、Yb，采用MCVD法制备光纤预型体。用液浸法添加Yb。其结果，所得的光纤预型体，纤芯变白、发生了结晶化。拉伸该光纤预型体，测定了纤芯中的添加成分浓度的结果，Yb2O3为0.35摩尔％，P2O5/Yb2O3为6.31，Al2O3/Yb2O3为4.57，Al2O3/P2O5为0.72。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.17％。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表3。
[比较例4]
除了下述之外，与实施例2同样地制备双包层光纤。即，AI、P、Yb的添加量不同；进一步涂布固化聚合物包层材作为双包层构造。
纤芯的Yb2O3为0.45摩尔％，P2O5/Yb2O3为30.7，Al2O3/Yb2O3为31.1，Al2O3/P2O5为1.01。即，P2O5/Yb2O3在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.27％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.46。
所得的掺Yb光纤，传输损耗大，约达到160dB/km。
因此，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的结果，初期输出未能超过6W。
所得掺Yb光纤及其评价结果示于表4。
[比较例5]
除了Al、P、Yb的添加量不同，与实施例5同样地制备了双包层光纤。
纤芯的Yb2O3为0.22摩尔％，P2O5/Yb2O3为2.14，Al2O3/Yb2O3为4.91，Al2O3/P2O5为2.30。即，P2O5/Yb2O3在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.30％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.44。
所得的掺Yb光纤，光子暗化引起的损耗增加大，采用上述评价方法的传输损耗增加量为1.7dB。
因此，使用所得掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化的结果，是初期输出为12W的脉冲光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为25％以上。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表4
[比较例6]
除了Al、P、Yb的添加量不同，与实施例2同样地制备了单包层光纤。
纤芯的Yb2O3为0.28摩尔％，P2O5/Yb2O3为20.29，Al2O3/Yb2O3为38.57，Al2O3/P2O5为1.90。即，Al2O3/Yb2O3在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.55％。
以上述评价方法评价的所得掺Yb光纤的损耗增加量约为0.01dB以下。
使用所得的掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出，因为相对折射率差(Δ)大，所以光纤的模场直径变小。因此，将发生诱导拉曼散射，只能实现初期输出为5W的光纤激光器。另外，使用所得的掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的经时变化结果，是初期输出为5W的脉冲光纤激光器，经过100小时后的输出衰减量为8％以上。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表4。
[比较例7]
纤芯中添加Al、P、Yb，采用MCVD法制备了光纤预型体。用液浸法添加Yb。其结果，所得光纤预型体，纤芯变白，发生了结晶化。拉伸该光纤预型体，测定纤芯中的添加成分浓度的结果，Yb2O3为0.26摩尔％，P2O5/Yb2O3为2.88，Al2O3/Yb2O3为2.88，Al2O3/P2O5为1.00。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表4。
[比较例8]
除了Al、P、Yb的添加量不同以外，与实施例6同样地制备了双包层光纤。
纤芯的Yb2O3为0.48摩尔％，P2O5/Yb2O3为9.02，Al2O3/Yb2O3为24.38，Al2O3/P2O5为2.70。即，Al2O3/P2O5在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.85％。另外，从波导激发光的玻璃包层与封存光的聚合物包层的折射率差得到的包层NA约为0.46。
使用所得的掺Yb光纤制备光纤激光器，评价了光输出的结果，因相对折射率差(Δ)大而光纤的模场直径变小。因此，将发生诱导拉曼散射，只能实现初期输出为7W的光纤激光器。
所得的掺Yb光纤及其评价结果示于表4。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
从上述表1～表4可以看出，纤芯含有Yb、Al及P时，关于纤芯中Yb2O3换算浓度、P2O5换算浓度及Al2O3换算浓度为：Yb2O3换算浓度为0.09～0.68摩尔％；P2O5换算浓度与Yb2O3换算浓度的摩尔比为3～30；Al2O3换算浓度与Yb2O3换算浓度的摩尔比为3～32；Al2O3算浓度与P2O5换算浓度的摩尔比为1～2.5时，能够充分地抑制光子暗化引起的损耗。上述的专利文献2中记载的发明中，因没有公开上述的摩尔比，所以也包含相当于本申请的比较例。因此，专利文献2中记载的发明中，难以如同本申请充分抑制光子暗化。
[比较例9]
制备了如图14所示构造的掺Yb光纤。图14为掺Yb光纤120的径向截面及折射率分布的图。掺Yb光纤120为具有二层构造包层122的双包层光纤，纤芯121的外周上设置内侧包层122a，内侧包层122a的外周上设置外侧包层122b，外侧包层122b的外周上设置保护覆盖层123。
除了下述之外，与实施例4同样地制备比较例9的双包层光纤。即，使用截面形状为圆形的光纤预型体，以内侧包层122b的直径变成约为200μm的方式进行拉丝；以及Al、P、Yb的添加量不同。
纤芯的Yb2O3为1.3摩尔％，GeO2为1.2摩尔％，P2O5/Yb2O3为3.77，Al2O3/Yb2O3为11.00，Al2O3/P2O5为2.92。即，Yb2O3浓度与Al2O3/P2O5在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.45％。所得的掺Yb光纤如表5所示。
所得比较例9的掺Yb光纤中，因锗及镱的添加量多，纤芯的相对折射率变得过高，未能将有效纤芯截面积充分扩大。
[比较例10]
除了Al、P、Ge的添加量不同以外，与比较例9同样地制备双包层光纤。
纤芯的Yb2O3为1.3摩尔％，GeO2为4.5摩尔％，P2O5/Yb2O3为11.54，Al2O3/Yb2O3为8.31，Al2O3/P2O5为0.72。即，Yb2O3浓度与P2O5/Yb2O3在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.3％。所得的掺Yb光纤如表5所示。
所得比较例10的掺Yb光纤中，纤芯中因添加的磷比铝多，所以引起纤芯的结晶化，传输损耗变为100dB/km以上，未能得到能够实用的光纤。
[比较例11]
除了Al、P的添加量不同以外，与比较例10同样地制备了双包层光纤。
纤芯的Yb2O3为1.3摩尔％，GeO2为4.5摩尔％，P2O5/Yb2O3为23.15，Al2O3/Yb2O3为11.00，Al2O3/P2O5为0.48。即，Yb2O3浓度与P2O5/Yb2O3在本发明的范围外。另外，纤芯的相对折射率差(Δ)为0.48％。所得的掺Yb光纤如表5所示。
所得比较例11的掺Yb光纤中，因添加的磷比铝多，所以引起了纤芯的结晶化，传输损耗大到无法测定(1000dB/km以上)，未能得到能够实用的光纤。另外，纤芯的相对折射率变得过高，未能将有效纤芯截面积充分扩大。
[表5]
从上述比较例9～11中现出的传输损耗、表5可看出，这些比较例9～11中未能得到本发明能够实现的、有效纤芯截面积大、充分抑制了光子暗化的能够实用(传输损耗低)的光纤。
工业上的利用可能性
本发明能够作为焊接、标记、切割等材料加工用途的高输出光源用激光介质被利用。

Claims (10)

1.一种掺镱光纤，其特征在于，具备：含有镱、铝及磷且不含有锗的纤芯，以及包围所述纤芯的包层，
所述纤芯设在包含所述光纤的径向截面中的中心的区域，
所述纤芯中的、所述镱的氧化镱换算浓度为0.09～0.68摩尔％，
所述纤芯中的、所述磷的五氧化二磷换算浓度与所述氧化镱换算浓度的摩尔比为3～30，
所述纤芯中的、所述铝的氧化铝换算浓度与所述氧化镱换算浓度的摩尔比为3～32，
所述氧化铝换算浓度与所述五氧化二磷换算浓度的摩尔比为1.02～2.5，
所述纤芯与所述包层的相对折射率差为0.1～0.25％。
2.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述纤芯及所述包层是由石英玻璃构成的。
3.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述五氧化二磷换算浓度与所述氧化镱换算浓度的摩尔比为5～30，所述氧化铝换算浓度与所述氧化镱换算浓度的摩尔比为5～32。
4.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述氧化铝换算浓度与五氧化二磷换算浓度均在8摩尔％以下。
5.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述纤芯进一步含有氟和/或硼。
6.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述纤芯，进一步含有选自除镱以外的稀土类元素和过渡金属元素中的至少一种。
7.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，具备至少两层所述包层，径向内侧的包层的折射率高于外侧的包层的折射率。
8.如权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，具备至少三层所述包层，径向最内侧的包层的折射率nc1、最外侧的包层的折射率nc3、以及在所述最内侧和所述最外侧的包层之间的中间包层的折射率nc2，满足nc1＞nc2＞nc3的关系。
9.一种光纤激光器，其特征在于，含有权利要求1所述的掺镱光纤 作为光放大介质。
10.一种光纤放大器，其特征在于，含有权利要求1所述的掺镱光纤作为光放大介质。
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