專利名稱：光元件、光元件制造方法及光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波導型的光元件、制造這樣的光元件的方法、及包含這樣的光元件的光系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖這樣的光波導相應于其用途以各種形式被使用。在作為其用途的一種的光通信系統(tǒng)中，將光纖(光波導)用作光傳輸介質(zhì)。作為該光傳輸介質(zhì)的光纖對輸入到一端的光進行導引，從另一端輸出。例如，在使從面發(fā)光激光光源輸出的光輸入到光纖的一端的情況下，從其光耦合效率的觀點考慮，優(yōu)選光纖的一端上的模場直徑較大。另外，當使從光纖的另一端輸出的光輸入到另一光器件時，也存在優(yōu)選光纖的另一端上的模場直徑較大的情況。
例如在專利文獻1(特開平8-43650號日本公開專利公報)中，公開了在沿長度方向的一部分范圍內(nèi)增大模場直徑的光纖及其制造方法。公開于該文獻的光纖具有以石英玻璃為主要成分的芯區(qū)和包層，在包層上添加GeO2作為感光劑，芯區(qū)的GeO2添加濃度比包層的GeO2添加濃度少，在沿長度方向的一部分范圍內(nèi)，由紫外光照射使芯區(qū)與包層的相對折射率差變小，模場直徑增大。
另外，在作為其用途的另一種的激光加工系統(tǒng)等的光系統(tǒng)中，在光纖(光波導)的前端設有透鏡的光元件被用作光傳輸介質(zhì)。例如公開于專利文獻2(特開平11-38262號日本公開專利公報)的光元件，具有階躍型截面折射率分布的光纖與具有漸變型的截面折射率分布的光纖相互熔接地連接，后者的具有漸變型的截面折射率分布的光纖作為折射率分布型的透鏡起作用。該光元件利用前端折射率分布型透鏡對從光源輸出的、通過光纖導引來的光進行平行校正或聚光，照射加工對象物，從而可對該加工對象物進行加工。另外，該光元件可利用光纖對從外部輸入到前端的折射率分布型透鏡的光進行導引。
另外，在作為其用途的另一種的激光加工系統(tǒng)等的光系統(tǒng)中，光纖(光波導)也被用作光傳輸介質(zhì)。作為該光傳輸介質(zhì)的光纖將從光源輸出的光輸入到入射端，對其進行導引，從出射端輸出，利用透鏡對該輸出的光進行平行校正或聚光，照射到加工對象物，從而可對該加工對象物進行加工(參照例如專利文獻3特開2003-46166號日本公開專利公報)。
然而，公開于上述專利文獻1～3的光纖的光輸入輸出效率并不好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可輸出與入射光的光強度分布不同的光強度分布的光而且光輸入輸出效率良好的光波導型的光元件、制造這樣的光元件的方法、及包含這樣的光元件的光系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個方面的光元件具有光波導，該光波導為單一的光波導，沿其長度方向依次具有第1范圍和第2范圍，在第2范圍內(nèi)截面折射率分布沿長度方向變化。根據(jù)該光元件，在單一的光波導上設有第1范圍和截面折射率分布變化的第2范圍。因此，在第1范圍與第2范圍之間沒有產(chǎn)生光損耗的連接部分。為此，在該光元件中，可輸出與入射光的光強度分布不同的光強度分布的光，而且光輸入輸出效率良好。
在本發(fā)明的光元件中，光波導為光纖，第1范圍的外徑與第2范圍的外徑相同。即，在該光元件中，在單一的光纖上設置第1范圍和第2范圍，所以，第1范圍的外徑與第2范圍的外徑相同。因此，在第1范圍與第2范圍間沒有連接部分，光輸入輸出效率變得良好。另外，該光元件的第1范圍的外徑與第2范圍的外徑相同，所以，具有可穩(wěn)定而且容易地固定到V形槽或套管上的優(yōu)點。
另外，在本發(fā)明的光元件中，也可具有這樣的特征，即，光波導沿其長度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿第1位置與第2位置間的長度方向變化，以在第1位置成為單模的預定波長從第1位置受到導引而到達第2位置的光的場分布與高斯分布的重合率大于等于90％。
另外，在本發(fā)明的光元件中，也可具有這樣的特征，即，光波導沿其長度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿第1位置與第2位置間的長度方向變化，以在第1位置成為單模的預定波長從第1位置受到導引而到達第2位置的基模光的場分布與高斯分布的重合率大于等于90％。
另外，在本發(fā)明的光元件中，也可具有這樣的特征，即，光波導沿其長度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿第1位置與第2位置間的長度方向變化，以在第1位置成為單模的預定波長從第1位置受到導引而到達第2位置的光的場分布與基模光的場分布的重合率大于等于90％。
上述構(gòu)成的光元件關(guān)于預定波長在光波導的沿長度方向的第1位置上為單模，截面折射率分布沿第1位置與第2位置間的長度方向變化，所以，模場直徑沿長度方向變化。另外，從第1位置受到導引而到達第2位置的光的場分布與高斯分布的重合率、從第1位置受到導引而到達第2位置的基模光的場分布與高斯分布的重合率、或從第1位置受到導引而到達第2位置的光的場分布與基模光的場分布的重合率大于等于90％，由于在第1位置與第2位置間沒有連接部分，所以，第1位置與第2位置間的損耗低。
在本發(fā)明的光元件中，在第1位置與第2位置間的沿長度方向的各位置上，以預定波長從第1位置受到導引而到達該位置的光的場分布與高斯分布的重合率優(yōu)選大于等于90％，或者，基模光的場分布與高斯分布的重合率優(yōu)選大于等于90％。另外，其特征在于，在第1位置與第2位置間的沿長度方向的各位置上，以預定波長從第1位置受到導引而到達該位置的光的場分布與基模光的場分布的重合率大于等于90％。
在本發(fā)明的光元件中，在預定波長上，第2位置上的模場直徑與第1位置上的模場直徑相比優(yōu)選相差大于等于10％。V參數(shù)優(yōu)選沿著第1位置與第2位置間的長度方向變化，另外，第2位置上的V參數(shù)優(yōu)選大于等于2.4。
在本發(fā)明的光元件中，在第1位置與第2位置間的沿長度方向的各位置，在預定波長上，最好基模光的場分布的變化率優(yōu)選小于等于0.1/mm。截面折射率分布的變化沿第1位置與第2位置間的長度方向優(yōu)選為連續(xù)。另外，優(yōu)選第1位置為光波導的一端，第2位置為光波導的另一端。
另外，本發(fā)明的光元件也可具有這樣的特征，即，第2范圍的模場直徑比第1范圍的模場直徑大，第2范圍具有可實現(xiàn)折射率分布型透鏡的截面折射率分布。
在該光元件中，由于第2范圍的模場直徑比第1范圍的模場直徑大，第2范圍具有可實現(xiàn)折射率分布型透鏡的截面折射率分布，所以，被封入到光波導的第1范圍的芯區(qū)內(nèi)受到導引的光輸入到光波導的第2范圍時，在其輸入后立即按某一發(fā)散角前進。然而，在第2范圍中受到導引的光由于第2范圍內(nèi)的聚光作用，發(fā)散角逐漸減小，不久成為平行光，此后收斂地前進。另外，該光元件由于在第1范圍與第2范圍間沒有連接部分，所以，在第1范圍與第2范圍的邊界處的損耗小。
在這里，本發(fā)明的光元件，第1范圍內(nèi)的截面折射率分布優(yōu)選為階躍型，另外，第2范圍內(nèi)的截面折射率分布優(yōu)選為漸變型。
在本發(fā)明的光元件中，在第2范圍包含光波導的一端的情況下，從第1范圍導引至第2范圍的光從其一端輸出到外部。該輸出到外部的光成為例如平行校正光或收斂光。
在本發(fā)明的光元件中，優(yōu)選可在第1范圍進行單模傳輸。在該情況下，當連接了一般在光通信系統(tǒng)中用作光傳輸通道的單模光纖與本發(fā)明的光元件的第1范圍時，在該連接位置上的連接損耗小。
另外，在本發(fā)明的光元件中，也可具有這樣的特征，即，光波導沿其長度方向具有第1位置和第2位置，關(guān)于在第1位置為單模的預定波長，在第2位置為多模。
該光元件關(guān)于預定波長，在光波導的沿長度方向的第1位置為單模，在第2位置為多模，所以，第1位置和第2位置上的導波光的強度分布相互不同。另外，該光元件由于在第1位置與第2位置間沒有連接部分，所以，第1位置與第2位置間的損耗低。
本發(fā)明的光元件對于預定波長在第2位置的模式數(shù)優(yōu)選大于等于3，在該情況下，第2位置上的導波光的強度分布可成為多種形狀。
對于本發(fā)明的光元件，在第1位置與第2位置間，光波導的沿長度方向的截面折射率分布的變化優(yōu)選為連續(xù)，在該情況下，有利于降低第1位置與第2位置間的損耗。
對于本發(fā)明的光元件，在第2位置為光波導的一端的情況下，從第1位置導引至第2位置的光從其一端輸出到外部。該輸出到外部的光的近場圖形與第2位置上的光波導的強度分布一致。
在這里，預定波長的光在光波導中導引后從一端輸出到外部，關(guān)于垂直于該光的光軸的任一面處的光強度分布，將大于等于峰值強度的60％的光強度的范圍的寬度設為W60，將大于等于峰值強度的20％的光強度的范圍的寬度設為W20，它們的比(W20/W60)優(yōu)選小于等于1.4。
另外，預定波長的光在光波導中導引后從一端輸出到外部，關(guān)于垂直于該光的光軸的任一面處的光強度分布，將大于等于峰值強度的80％的光強度的范圍的寬度設為W80，將大于等于峰值強度的20％的光強度的范圍的寬度設為W20，它們的比(W20/W80)優(yōu)選小于等于1.2。在該情況下，從光波導的一端輸出的光的強度分布均勻，例如有利于按均勻的強度照射某個一定的范圍。
另外，預定波長的光在光波導中導引后從一端輸出到外部，關(guān)于垂直于該光的光軸的任一面處的光強度分布，優(yōu)選光強度在周邊部分比在中央部分大。在該情況下，由于從光波導的一端輸出的光在周邊部分比在中央部分大，所以，對例如進行某一形狀的開孔加工有利。
本發(fā)明的另一方面的光元件制造方法，(1)準備單一的光波導，該單一的光波導具有芯區(qū)和包層，包層對于折射率變化激勵光具有感光性；(2)將上述折射率變化激勵光照射到上述光波導的沿長度方向的一部分的范圍；(3)在上述光波導中的上述折射率變化激勵光的照射范圍內(nèi)，使截面折射率分布沿上述長度方向變化。
按照該光元件制造方法，最初應準備的光波導具有芯區(qū)和包層，包層對于折射率變化激勵光具有感光性。將折射率變化激勵光照射到該光波導的沿長度方向的一部分的范圍內(nèi)，從而制造光元件。即，將折射率變化激勵光的非照射范圍設為第1范圍，將照射范圍設為截面折射率分布變化的第2范圍，從而可良好地制造光元件，該光元件具有光波導，該光波導為具有第1范圍和第2范圍的單一的光波導，在第1范圍與第2范圍間沒有連接部分。
在本發(fā)明的光元件制造方法中，光波導也可為光纖。在該情況下，從單一的光纖制造光元件，所以，第1范圍的外徑與第2范圍的外徑相同。
本發(fā)明的光元件制造方法也可具有這樣的特征，即，對于在上述非照射范圍成為單模的預定波長，使得在照射范圍內(nèi)的任一預定位置上的模場直徑變化。
在本發(fā)明的光元件制造方法中，光波導的沿長度方向的折射率變化激勵光的照射光量的變化優(yōu)選為連續(xù)，在該情況下，由于光波導的沿長度方向的截面折射率分布的變化為連續(xù)，所以，有利于降低第1位置與第2位置間的損耗。
在這里，優(yōu)選預定位置為光波導的一端，另外，優(yōu)選照射范圍為光波導的沿長度方向的中途的范圍，在預定位置上切斷光波導，制造光元件。
本發(fā)明的光元件制造方法也可具有這樣的特征，即，在上述照射范圍內(nèi)形成可實現(xiàn)折射率分布型透鏡的截面折射率分布。
其中，準備的光波導的截面折射率分布優(yōu)選為階躍型，另外，照射范圍內(nèi)的截面折射率分布優(yōu)選為漸變型。
另外，照射范圍優(yōu)選包含光波導的一端，另外，優(yōu)選照射范圍為光波導的沿長度方向的中途的范圍，在照射范圍內(nèi)的位置上切斷光波導，制造光元件。
另外，本發(fā)明的光元件制造方法也可具有這樣的特征，即，制造光元件，該光元件對于在上述非照射范圍為單模的預定波長，在照射范圍內(nèi)的任一預定位置上為多模。
在本發(fā)明的光元件制造方法中，光波導的沿長度方向的折射率變化激勵光的照射光量的變化優(yōu)選為連續(xù)，在該情況下，由于光波導的沿長度方向的截面折射率分布的變化連續(xù)，所以，有利于降低第1位置與第2位置間的損耗。
在這里，預定位置優(yōu)選為光波導的一端，另外，優(yōu)選照射范圍為光波導的沿長度方向的中途的范圍，在預定位置上切斷光波導，制造光元件。
本發(fā)明的另一方面的光系統(tǒng)包含上述本發(fā)明的光元件。
另外，本發(fā)明的光系統(tǒng)的特征在于具有輸出光的光源和上述本發(fā)明的光元件；該光元件將從該光源輸出的光輸入到入射端，對其進行導引，從出射端輸出。
另外，在發(fā)明的光系統(tǒng)中，光元件也可將光從第1范圍向第2范圍進行導引，在該情況下，從光源輸出的光在光元件中導引后，從該光元件經(jīng)過平行校正或收斂后輸出到外部。另外，光元件也可將光從第2范圍向第1范圍進行導引，在該情況下，從光源輸出的光容易輸入到光元件。
另外，在發(fā)明的光系統(tǒng)中，光元件也可將光從第1位置向第2位置進行導引，在該情況下，從光源輸出的光在光元件中導引后，從該光元件的第2位置經(jīng)過改變強度分布后輸出到外部。另外，光元件也可將光從第2位置向第1位置進行導引，在該情況下，從光源輸出的光容易輸入到光元件。


圖1為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的構(gòu)成的圖。
圖2為曲線圖，該曲線圖求出了第2芯區(qū)的折射率為n2時的基模的場分布和第2芯區(qū)的折射率為(n2+0.005)時的基模的場分布，示出了兩者的重合率與折射率n2的關(guān)系。
圖3為分別示出第2芯區(qū)的折射率n2和重合率的長度方向的分布(情況1)的曲線圖。
圖4為分別示出第2芯區(qū)的折射率n2和重合率的長度方向的分布(情況2)的曲線圖。
圖5為分別示出情況1和情況2的每單位長度的基模光的場分布的變化率與第2芯區(qū)的折射率n2的關(guān)系的曲線圖。
圖6為分別示出第2芯區(qū)的折射率n2和重合率的長度方向的分布(情況1)的曲線圖。
圖7為分別示出第2芯區(qū)的折射率n2和重合率的長度方向的分布(情況2)的曲線圖。
圖8為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。
圖9為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。
圖10為本發(fā)明一實施方式的光系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖11為本發(fā)明一實施方式的光系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖12為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的構(gòu)成的圖。
圖13為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的第1動作例的圖。
圖14為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的第2動作例的圖。
圖15為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的第1例的圖。
圖16為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的第2例的圖。
圖17為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的第3例的圖。
圖18為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的第4例的圖。
圖19為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。
圖20為本發(fā)明一實施方式的光系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖21為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的構(gòu)成的圖。
圖22為示出了在本發(fā)明一實施方式的光元件的第1范圍內(nèi)受到導引的光的強度分布的圖。
圖23為示出從本發(fā)明一實施方式的光元件的第2位置輸出的光的強度分布的一例的圖。
圖24為示出從本發(fā)明一實施方式的光元件的第2位置輸出的光的強度分布的另一例的圖。
圖25為示出在實施例的光元件的第1范圍內(nèi)受到導引的光的強度分布的圖。
圖26為示出實施例的光元件的第2位置上的光的強度分布的圖。
圖27為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。
圖28為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。
圖29為本發(fā)明一實施方式的光系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖30為示出實施例1的光元件的第1位置上的截面折射率分布的圖。
圖31為示出實施例1的光元件的第2位置上的截面折射率分布的圖。
圖32為示出來自實施例1的光元件的第2位置的輸出光的強度分布的圖。
圖33為示出實施例2的光元件的第1位置上的截面折射率分布的圖。
圖34為示出實施例2的光元件的第2位置上的截面折射率分布的圖。
圖35為示出來自實施例2的光元件的第2位置的輸出光的強度分布的圖。
圖36為示出實施例3的光元件的第1位置上的截面折射率分布的圖。
圖37為示出實施例3的光元件的第2位置上的截面折射率分布的圖。
圖38為示出來自實施例3的光元件的第2位置的輸出光的強度分布的圖。
具體實施例方式
下面參照附圖詳細說明用于實施本發(fā)明的最佳形式。在附圖的說明中，對同樣的要素或部分采用相同的符號，省略重復的說明。
圖1為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的構(gòu)成的圖。圖1(a)示出該實施方式的光元件10的包含光軸的截面，圖1(b)示出光元件10的沿長度方向的模場直徑的分布。
如圖1(a)所示那樣，光元件10為利用作為光波導的石英類的光纖100制造的光波導的光元件，沿光纖100的長度方向具有第1范圍110和第2范圍120。另外，該光纖100在一端具有第1位置111，在另一端具有第2位置121。第1范圍110中的截面折射率分布為階躍型，由低折射率的包層133圍住高折射率的第1芯區(qū)131的周圍。在第1范圍110與第2范圍120之間不存在連接部分，在所謂的連續(xù)的一根光纖100上設有第1范圍110和第2范圍120。即，作為光波導的光纖100在單一的光纖上形成第1范圍110和第2范圍120，如上述那樣，在第1范圍與第2范圍之間不存在連接部分。因此，第1范圍110的外徑與第2范圍120的外徑相同。
第2范圍120上的截面折射率分布在芯區(qū)131與包層133之間具有第2芯區(qū)132。第2范圍120的第2芯區(qū)132的折射率沿長度方向連續(xù)地變化，在接近與第1范圍110的邊界的位置處，與包層133的折射率大致相等，在接近第2位置121的位置處，與第1芯區(qū)131的折射率大致相等。即使在第1范圍110與第2范圍120的邊界附近，截面折射率分布的變化也連續(xù)。
該光元件10對于預定波長在第1位置111為單模，在第2范圍120中，截面折射率分布沿長度方向連續(xù)地變化，第1位置111和第2位置121的模場直徑相互不同。預定波長指該光元件10的使用波長，例如在將光元件10用于光通信的情況下，為包含從O波段到U波段的信號光波長帶區(qū)內(nèi)的任一波長?！斑B續(xù)地變化”和“變化連續(xù)”也可包含沒有變化、恒定的范圍。
另外，在光元件10中，以預定波長從第1位置111受到導引而到達第2位置121的光的場分布與高斯分布的重合率大于等于90％。這樣構(gòu)成的光元件10可降低模場直徑相互不同的第1位置111與第2位置121間的光傳輸損耗。
在這里，2個場分布1、2的重合率Ce用下述(2)式表示。另外，高斯分布用下述(2)式表示。x、y為在光纖100的與光軸垂直的截面中以該光軸作為原點相互直交的2座標值。在求出重合率的2個場分布中的一方為高斯分布的情況下，作為下述(2)式中的w的值，代入具體的模場直徑的2分之1的值。
Ce2=|∫∫φ1*φ2dxdy|2∫∫|φ1|2dxdy·∫∫|φ2|2dxdy---(1)]]>φ(x.y)=Cexp(-x2+y2w2)---(2)]]>另外，在光元件10中的第1位置111與第2位置121間的沿長度方向的各位置上，以預定波長從第1位置111受到導引而到達該位置的光的場分布與高斯分布的重合率優(yōu)選大于等于90％，或者，基模光的場分布與高斯分布的重合率優(yōu)選大于等于90％，或者，從第1位置111受到導引而到達該位置的光的場分布與基模光的場分布的重合率優(yōu)選大于等于90％。
另外，在光元件10中，對于預定波長，在第2位置121的模場直徑與第1位置111的模場直徑相比優(yōu)選相差大于等于10％。另外，在光元件10中，V參數(shù)優(yōu)選在第1位置111與第2位置121間沿長度方向變化，另外，第2位置121的V參數(shù)優(yōu)選大于等于2.4。在這里，V參數(shù)按下述(3)式定義。a為纖芯半徑，λ為波長，n1為芯區(qū)的折射率，n0為包層的折射率。
V2=(2πaλ)2(n12-n02)---(3)]]>一般情況下，為了光纖進行單模動作，V參數(shù)的值需要小于等于2.4，但本實施方式的光元件10即使V參數(shù)大于等于2.4，也可進行單模動作。
另外，在光元件10中，在第1位置與第2位置間的沿長度方向的各位置，以預定波長，基模光的場分布的變化率優(yōu)選小于等于0.1/mm。在這里，基模光的場分布的變化率指基模光的場分布的重合率的每單位長度的變化量。
第1范圍110不一定必要，也可僅由存在第2芯區(qū)132的第2范圍120構(gòu)成光元件10。
下面，說明本實施方式的光元件10的動作。當從外部將在第1范圍110成為單模的預定波長的光輸入到第1位置111時，該光在第1范圍110內(nèi)被封入到第1芯區(qū)131，按基模導引。此時的導波光的場分布按高斯分布很好地近似。
第1范圍110的導波光不久輸入到第2范圍120，在第2范圍120受到導引，從第2位置121輸出到外部。在第2范圍120受到導引的光雖然最初為基模，但當在第2范圍120內(nèi)存在可存在高階模的區(qū)域時，在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生從基模到高階模的光耦合，在即將從第2位置121輸出之前混合存在基模和高階模，從第2位置121輸出到外部的光的強度分布成為重疊了這些多個模式各自的光強度分布的強度分布。
在本實施方式的光元件10中，隨著接近第2位置121，模場直徑增大，所以，與從外部輸入到第1位置111的光的直徑相比，從第2位置121輸出到外部的光的直徑被擴大。另外，在第2位置121中，實際的導波光的場分布與高斯分布的重合率大于等于90％，所以，從第1位置111到第2位置121的光基本上可仍以基模受到導引，第1位置111與第2位置121間的光傳輸損耗被降低。
通常的單模光纖的模場直徑小，從端面出射的光發(fā)散，耦合損耗大。為了減小耦合損耗，需要將從光纖的端面出射的發(fā)散光變換成平行光，但為此需要準直透鏡，部件數(shù)量增加，成本增大。而在本實施方式的光元件10中，不使用準直透鏡即可降低耦合損耗，所以，可抑制部件數(shù)量的增加。
下面使用圖2～圖7說明本實施方式的光元件10的實施例。在實施例(模擬例)中，設光纖100的第1芯區(qū)131的外徑為8μm，設第2芯區(qū)132的外徑為100μm，設包層133的外徑為125μm。設第1芯區(qū)131的折射率n1為1.449，設包層133的折射率n0為1.444，將第2芯區(qū)132的折射率n2設定為n0與n1之間的值。設第2范圍120的長度為10mm。另外，設波長為1.55μm。
圖2為曲線圖，該曲線圖求出第2芯區(qū)132的折射率為n2時的基模的場分布和第2芯區(qū)132的折射率為(n2+0.005)時的基模的場分布，示出兩者的重合率與折射率n2的關(guān)系。從該曲線圖可知，第2芯區(qū)132的折射率n2處于1.4475附近時，重合率減小，第2芯區(qū)132的折射率n2為其它值時，重合率大于等于90％。
圖3和圖4為示出第2芯區(qū)132的折射率n2和重合率各自在長度方向的分布的曲線圖。圖3示出在光纖100的長度方向上的第2芯區(qū)132的折射率n2的變化率為一定的情況(情況1)，圖4示出在光纖100的長度方向上的第2芯區(qū)132的折射率n2的變化率不為一定的情況(情況2)。在圖3和圖4中，橫軸表示從第1位置111沿長度方向離開的距離，左縱軸表示第2芯區(qū)132的折射率n2，右縱軸表示基模光的場分布的重合率。即，右縱軸表示第2芯區(qū)132的折射率為n2時的基模的場分布與第2芯區(qū)132的折射率為(n2+0.005)時的基模的場分布的重合率。
圖5為分別示出情況1和情況2的每單位長度的基模光的場分布的變化率與第2芯區(qū)132的折射率n2的關(guān)系的曲線圖。從該曲線圖可知，在情況1下，當?shù)?芯區(qū)132的折射率n2處于1.448附近時，每單位長度的基模光的場分布的變化率為較大的0.154/mm。而在情況2，在沿長度方向的各位置，每單位長度的基模光的場分布的變化率小于等于0.058/mm，較小。更為詳細地說，在第2芯區(qū)132的折射率n2隨著沿長度方向接近第2位置121線性地增加的情況1中，存在每單位長度的基模光的場分布的變化率大的區(qū)域。另一方面，在情況2，基模光的場分布變化率整體上較少。在該情況2中，在第2芯區(qū)132的長度方向上的各部分中，對于具有的折射率n2的基模間的場分布的重合率比其它部分具有的折射率n2的基模間的場分布的重合率小的部分，將其長度設定得比該其它部分的長度長。即，在情況2中，在第2芯區(qū)132的長度方向的各部分中，對于具有的折射率n2的基模間的場分布的重合率比其它部分具有的折射率n2的基模間的場分布的重合率小的部分，將其折射率n2的變化(增加)率設定得比該其它部分小。
圖6和圖7為分別示出第2芯區(qū)132的折射率n2和重合率的長度方向的分布的曲線圖。圖6示出光纖100的長度方向的第2芯區(qū)132的折射率n2的變化率為一定的情況(情況1)，圖7示出光纖100的長度方向的第2芯區(qū)132的折射率n2的變化率不一定的情況(情況2)。在圖6和圖7中，橫軸表示從第1位置111沿長度方向離開的距離，左縱軸表示第2芯區(qū)132的折射率n2，右縱軸表示實際的導波光的場分布與基模光的場分布的重合率。從該圖可知，第2位置121的實際的導波光的場分布與基模光的場分布的重合率在情況1為77.3％，而在每單位長度的損耗小的情況2，高達98.5％。
下面，說明制造本實施方式的光元件10的方法。圖8為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。圖8(a)示出最初光纖的截面折射率分布，圖8(b)示出P2O5添加濃度分布，圖8(c)示出GeO2添加濃度分布，圖8(d)示出F元素添加濃度分布，圖8(e)示出折射率變化激勵光照射后的第2范圍120上的截面折射率分布。它們?yōu)閺较虻姆植肌?br> 在該制造方法中，首先準備光纖。在這里準備的光纖具有與應制造的光元件10的第1范圍110同樣的階躍型的截面折射率分布，以石英玻璃為主要成分，具有芯區(qū)A和包層B(圖8(a))。在芯區(qū)A作為折射率上升劑均勻地添加例如P2O5(圖8(b))。在包層B中的接近芯區(qū)A的部分C(以后將成為第2芯區(qū)132的部分)，添加GeO2作為感光劑，該部分C對于折射率變化激勵光具有感光性(圖8(c))。在這里，折射率變化激勵光指的是，能夠激勵添加了作為感光劑的GeO2的石英玻璃的折射率變化這樣的波長的光，例如優(yōu)選使用從KrF受激準分子激光光源輸出的波長248nm的紫外激光。
另外，GeO2不僅為感光劑，而且也為折射率上升劑，所以，在包層中添加了GeO2的部分C中，作為折射率下降劑添加F元素(圖8(d))。通過這樣設定各添加劑的濃度分布，從而實現(xiàn)圖8(a)所示那樣的截面折射率分布和與圖8(c)所示分布同樣的形狀的感光性分布。
在這樣的光纖的沿長度方向的一部分的范圍內(nèi)(應成為光元件10的第2范圍120的范圍)照射折射率變化激勵光。通過該照射，使照射范圍的包層B中的添加了GeO2的部分C的折射率上升，該上升的部分成為第2芯區(qū)132，成為圖8(e)所示那樣的截面折射率分布。此時，折射率變化激勵光的照射光量沿長度方向連續(xù)地變化，在與第1范圍110的邊界接近的位置較少，在接近第2位置121的位置較多。另外，第2位置121的近旁的折射率變化激勵光的照射光量為在第2位置121使第2芯區(qū)132的折射率上升到獲得所期望的截面折射率分布所需要的光量。
圖9為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。該圖分別示出光元件10A～10C的包含光軸的截面。圖9(b)所示光元件10B和圖9(c)所示光元件10C分別為與圖1所示光元件10同樣的構(gòu)成。該圖(a)所示光元件10A相對光元件10B、10C可以說是半成品，通過在沿長度方向的中途的范圍上照射折射率變化激勵光而形成第2范圍120，在該第2范圍120的某一位置切斷，從而分成光元件10B和光元件10C這樣2個元件。如果將折射率變化激勵光的照射范圍設為包含光纖的一端，則在其照射后立即獲得圖1所示那樣的光元件10。
下面，說明本發(fā)明的光系統(tǒng)的實施方式。圖10為本發(fā)明一實施方式的光系統(tǒng)的構(gòu)成圖。該圖所示光系統(tǒng)1由光連接器20連接光元件10a和光元件10b而構(gòu)成。光元件10a、10b具有與上述本實施方式的光元件10同樣的構(gòu)成，其第2范圍120a、120b分別由光連接器20進行連接器連接。
在該光系統(tǒng)1中，從光元件10a的第1范圍110a導引至第2范圍120a的光從光元件10a的第2位置121a輸出，經(jīng)過光連接器20，輸入到光元件10b的第2位置121b，從光元件10b的第2范圍120b導引至第1范圍110b。從光元件10a的第2位置121a輸出的光的光束直徑大，功率密度低。因此，可防止在光耦合端面的損傷。
圖11為本發(fā)明一實施方式的光系統(tǒng)的構(gòu)成圖。該圖所示光系統(tǒng)2具有光源30、光元件10a、功能元件40、光元件10b、及光敏器50。光元件10a、10b具有與上述本實施方式的光元件10相同的構(gòu)成，分別夾住功能元件40配置其第2范圍120a、120b。
在該光系統(tǒng)2中，從光源30輸出的光輸入到光元件10a的第1位置111a，從光元件10a的第1范圍110a導引至第2范圍120a，從光元件10a的第2位置121a輸出，輸入到功能元件40。經(jīng)過功能性元件40的光輸入到光元件10b的第2位置121b，從光元件10b的第2范圍120b導引至第1范圍110b，從光元件10b的第1位置111b輸出，輸入到光敏器50而受光。
功能元件40例如為光濾波器或光隔離器等，配置在光元件10a的第2位置121a與光元件10b的第2位置121b間的空間。這樣，在該光系統(tǒng)2中，可進行傳輸特性的監(jiān)控等。
下面，說明本發(fā)明的另一實施方式。圖12為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的構(gòu)成的圖。圖12(a)示出該光元件12的包含光軸的截面，圖12(b)示出第1范圍210的截面折射率分布，圖12(c)示出第2范圍220的截面折射率分布。
如圖12(a)所示那樣，光元件12為利用作為光波導的石英類的光纖200制造的光波導型的光元件，沿光纖200的長度方向具有第1范圍210和第2范圍220。第2范圍220的模場直徑比第1范圍210的模場直徑大。
第1范圍210的截面折射率分布優(yōu)選為階躍型，低折射率的包層212圍住高折射率的芯區(qū)211的周圍(圖12(b))。
在第1范圍210，優(yōu)選可進行單模傳輸。在該場合，當連接一般在光通信系統(tǒng)中用作光傳輸通道的單模光纖與光元件12的第1范圍210時，其連接位置的連接損耗小。
第2范圍220的截面折射率分布為可實現(xiàn)折射率分布型透鏡的分布，優(yōu)選為漸變型，中心部分的折射率最高，隨著從中心離開，折射率逐漸減小，在離開中心的距離超過某一值的區(qū)域內(nèi)，折射率為一定(圖12(c))。
在第1范圍210與第2范圍220間不存在連接部分，在所謂連續(xù)的一根光纖200上設有第1范圍210和第2范圍220。即，作為光波導的光纖200在單一的光纖上形成第1范圍210和第2范圍220，如上述那樣，在第1范圍與第2范圍之間不存在連接部分。因此，第1范圍210的外徑與第2范圍220的外徑相同。第1范圍210與第2范圍220的邊界上的截面折射率分布的變化不連續(xù)或陡峭。第1范圍210具有光纖200的一方的端部，第2范圍220包含光纖200的另一方的端部。
下面，說明圖12所示光元件12的動作。圖13為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的第1動作例的圖。圖14為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的第2動作例的圖。這些圖示出光元件12的包含光軸的截面，還在第2范圍220示出截面中的光線軌跡。
光纖200的第2范圍220的模場直徑比第1范圍210的模場直徑大，第2范圍220具有可實現(xiàn)折射率分布型透鏡的截面折射率分布，所以，封入到光纖200的第1范圍210的芯區(qū)211而導引來的光輸入到光纖200的第2范圍220時，在其輸入后立即按某一發(fā)散角前進。然而，在第2范圍220中受到導引的光由于第2范圍220的聚光作用，發(fā)散角逐漸減小，不久成為平行光，此后收斂地前進。
如圖13所示那樣，如在第2范圍220中受到導引的光成為平行光的部位該光到達光纖200的端面位置，則光從該端面仍作為平行光輸出到外部。即，在該情況下，光元件12可將經(jīng)由光纖200導引的光進行平行校正后輸出到外部。在光朝與上述相反的方向前進的情況下，光容易輸入到光纖200。
另一方面，如圖14所示那樣，當在第2范圍220中被導引的光成為收斂狀態(tài)的部位該光到達光纖200的端面位置時，光從該端面朝外部收斂地輸出。即，在該情況下，光元件12可在將由光纖200導引的光聚光后輸出到外部。
在該光元件12中，由于在第1范圍210與第2范圍220間沒有連接部分，所以，與通過熔接連接制造的現(xiàn)有的光元件相比，損耗小，光輸入輸出的效率優(yōu)良。
下面，使用圖15～圖18說明制造圖12所示光元件12的方法。圖15為說明本實施方式的光元件制造方法的第1例的圖。圖15(a)示出作為折射率下降劑的F的添加濃度分布，圖15(b)示出兼作折射率上升劑和感光劑的Ge的添加濃度分布，圖15(c)示出最初的光纖的截面折射率分布，圖15(d)示出折射率變化激勵光照射后的第2范圍220的截面折射率分布。它們?yōu)閺较虻姆植肌?br> 在該第1例中，準備的光纖如圖15(a)所示那樣，在芯區(qū)中，離開中心的徑向距離越大，則F添加濃度稍變高，在包層內(nèi)，在達到某一預定直徑之前，徑向距離越大，則F添加濃度越低，在預定直徑的外側(cè)，F(xiàn)添加濃度為一定。另外，如圖15(b)所示那樣，在芯區(qū)不添加Ge，在達到包層內(nèi)的預定直徑之前，徑向距離越大則Ge添加濃度越低，在預定直徑的外側(cè)不添加Ge。準備的光纖如圖15(c)所示那樣，具有與應制造的光元件12的第1范圍210同樣的階躍型的截面折射率分布，以石英玻璃為主要成分，具有芯區(qū)和包層。
在這樣的光纖的沿長度方向的一部分的范圍上(應成為光元件12的第2范圍220的范圍)照射折射率變化激勵光。在這里，石英玻璃中添加了作為感光劑的Ge，該折射率變化激勵光為可激勵石英玻璃的折射率變化這樣的波長的光，例如優(yōu)選從KrF受激準分子激光光源輸出的波長248nm的紫外激光。通過該照射，使照射范圍內(nèi)的包層中的、具有感光性的區(qū)域的折射率上升。此時，感光性越大，即越接近芯區(qū)，則折射率的上升的程度越大。通過適當?shù)卦O定折射率變化激勵光的照射量，從而在照射范圍內(nèi)成為圖15(d)所示那樣的漸變型的截面折射率分布。
圖16為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的第2例的圖。圖16(a)示出作為折射率下降劑的F的添加濃度分布，圖16(b)示出兼作折射率上升劑和感光劑的Ge的添加濃度分布，圖16(c)示出最初的光纖的截面折射率分布，圖16(d)示出折射率變化激勵光照射后的第2范圍220的截面折射率分布。它們?yōu)閺较虻姆植肌?br> 在該第2例中，準備的光纖如圖16(a)所示那樣，在芯區(qū)不添加F，在達到包層內(nèi)的某一預定直徑之前，徑向距離越大，則F添加濃度越高，在預定直徑的外側(cè)，不添加F。另外，如圖16(b)所示那樣，在芯區(qū)不添加Ge，在達到包層內(nèi)的預定直徑之前，添加一定波度的Ge，在預定直徑的外側(cè)不添加Ge。準備的光纖的截面折射率分布如圖16(c)所示那樣，在芯區(qū)中折射率高，在達到包層內(nèi)的預定直徑之前，徑向距離越大，則折射率越低，另外，預定直徑外側(cè)的折射率為一定，比芯區(qū)的折射率低，比達到包層內(nèi)的預定直徑之前的折射率高。
在這樣的光纖的沿長度方向的一部分的范圍上(應成為光元件12的第2范圍220的范圍)照射折射率變化激勵光。通過該照射，使照射范圍內(nèi)的包層中的、具有感光性的區(qū)域的折射率上升。此時，在達到包層內(nèi)的預定直徑之前的范圍感光性為一定，所以，該范圍中的折射率上升量為一定。通過適當?shù)卦O定折射率變化激勵光的照射量，從而在照射范圍內(nèi)成為圖16(d)所示那樣的漸變型的截面折射率分布。
圖17為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的第3例的圖。圖17(a)示出作為折射率下降劑的F的添加濃度分布，圖17(b)示出兼作折射率上升劑和感光劑的Ge的添加濃度分布，圖17(c)示出作為折射率上升劑的P的添加濃度分布，圖17(d)示出最初的光纖的截面折射率分布，圖17(e)示出折射率變化激勵光照射后的第2范圍220的截面折射率分布。它們?yōu)閺较虻姆植肌?br> 在該第3例中，準備的光纖如圖17(a)所示那樣，在芯區(qū)和包層雙方添加一定濃度的F。另外，如圖17(b)所示那樣，在芯區(qū)不添加Ge，在達到包層內(nèi)的預定直徑之前，徑向距離越大，則Ge添加濃度越低，在預定直徑的外側(cè)，不添加Ge。另外，如圖17(c)所示那樣，在芯區(qū)添加P，在包層不添加P。準備的光纖的截面折射率分布如圖17(d)所示那樣，在芯區(qū)中折射率高，在達到包層內(nèi)的預定直徑之前，徑向距離越大，則折射率越低，在預定直徑外側(cè)，折射率低。
在這樣的光纖的沿長度方向的一部分的范圍上(應成為光元件12的第2范圍220的范圍)照射折射率變化激勵光。通過該照射，使照射范圍內(nèi)的包層中的、具有感光性的區(qū)域的折射率上升。此時，感光性越大，即越接近芯區(qū)，則折射率的上升程度越大。通過適當?shù)卦O定折射率變化激勵光的照射量，從而在照射范圍內(nèi)成為圖17(e)所示那樣的漸變型的截面折射率分布。
圖18為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的第4例的圖。圖18(a)示出作為折射率下降劑的F的添加濃度分布，圖18(b)示出兼作折射率上升劑和感光劑的Ge的添加濃度分布，圖18(c)示出作為折射率上升劑的P的添加濃度分布，圖18(d)示出最初的光纖的截面折射率分布，圖18(e)示出折射率變化激勵光照射后的第2范圍220的截面折射率分布。它們?yōu)閺较虻姆植肌?br> 在該第4例中，準備的光纖如圖18(a)所示那樣，在芯區(qū)不添加F，在包層添加一定濃度的F。另外，如圖18(b)所示那樣，在芯區(qū)不添加Ge，在達到包層內(nèi)的預定直徑之前，徑向距離越大，則Ge添加濃度越低，在預定直徑的外側(cè)，不添加Ge。另外，如圖18(c)所示那樣，在芯區(qū)添加P，在包層不添加P。準備的光纖的截面折射率分布如圖18(d)所示那樣，在芯區(qū)中折射率高，在達到包層內(nèi)的預定直徑之前，徑向距離越大，則折射率越低，在預定直徑外側(cè)，折射率低。
與上述第3例(圖17)相比較，在該第4例(圖18)中，在芯區(qū)不添加作為折射率下降劑的F，這樣，作為折射率上升劑的P的添加濃度可較低，從而可獲得同樣的截面折射率分布。
在這樣的光纖的沿長度方向的一部分的范圍上(應成為光元件12的第2范圍220的范圍)照射折射率變化激勵光。通過該照射，使照射范圍內(nèi)的包層中的、具有感光性的區(qū)域的折射率上升。此時，感光性越大，即越接近芯區(qū)，則折射率的上升程度越大。通過適當?shù)卦O定折射率變化激勵光的照射量，從而在照射范圍內(nèi)成為圖18(e)所示那樣的漸變型的截面折射率分布。
圖19為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。該圖分別示出光元件12A～12C的包含其光軸的截面。圖19(b)所示光元件12B和圖19(c)所示光元件12C分別為與圖12所示光元件12同樣的構(gòu)成。該圖19(a)所示光元件12A相對光元件12B、12C可以說是半成品，通過在沿長度方向的中途的范圍照射折射率變化激勵光而形成第2范圍220，在該第2范圍220的某一位置切斷，從而分成光元件12B和光元件12C這樣2個元件。如折射率變化激勵光的照射范圍包含光纖的一端，則在其照射后立即獲得圖12所示那樣的光元件12。
下面，說明本發(fā)明的光系統(tǒng)1的實施方式。圖20為本發(fā)明一實施方式的光系統(tǒng)的構(gòu)成圖。該圖所示光系統(tǒng)3為對加工對象物9進行加工的激光加工系統(tǒng)，具有上述本實施方式的光元件12和激光光源22。激光光源22用于輸出應照射到加工對象物9的激光。光元件12將從激光光源22輸出的激光輸入到一端，將該輸入的激光依次導引至第1范圍210和第2范圍220后，將該激光從另一端輸出到外部，將該輸出的激光照射到加工對象物9。
另外，也可在激光光源22與光元件12的一端之間，設置用于對從激光光源22輸出的光進行聚光后使其入射到光元件12的一端的透鏡系。另外，也可在光元件12的另一端與加工對象物9之間設置用于使從光元件12的另一端輸出的光進行聚光后照射到加工對象物9的透鏡系。
從光元件12的另一端輸出的光根據(jù)加工目的等適當設定，可如圖13所示那樣進行平行校正，也可如圖14所示那樣使其收斂。
該光系統(tǒng)3通過將從激光光源22輸出的光從光元件12的第1范圍210導引至第2范圍220，從而進行平行校正或聚光后從光元件12的另一端輸出到外部。然而，光元件12也可從第2范圍220將光導引至第1范圍210，在該情況下，從激光光源22輸出的光可容易地輸入到光元件12的另一端。
下面，說明本發(fā)明的另一實施方式。圖21為說明本發(fā)明一實施方式的光元件的構(gòu)成的圖。圖21(a)示出該光元件14的包含光軸的截面，圖21(b)～(d)示出沿長度方向的各位置的截面折射率分布。
如圖1(a)所示那樣，光元件14為利用作為光波導的石英類的光纖300制造的光波導型的光元件，沿光纖300的長度方向具有第1范圍310和第2范圍320。另外，該光纖300在一端具有第1位置311，在另一端具有第2位置312。第1范圍310的截面折射率分布為階躍型，由低折射率的包層333圍住高折射率的第1芯區(qū)331的周圍(圖21(b))。在第1范圍310與第2范圍320之間不存在連接部分，在所謂的連續(xù)的一根光纖300上設有第1范圍310和第2范圍320。即，作為光波導的光纖300在單一的光纖上形成第1范圍310和第2范圍320，如上述那樣，在第1范圍與第2范圍之間不存在連接部分。因此，第1范圍310的外徑與第2范圍320的外徑相同。
第2范圍320的截面折射率分布在第1芯區(qū)331與包層333之間具有第2芯區(qū)332(圖21(c)、(d))。第2范圍320的第2芯區(qū)332的折射率沿長度方向連續(xù)地變化，在接近與第1范圍310的邊界的位置處，與包層333的折射率大致相等(圖21(c))，在接近第2位置321的位置處，與第1芯區(qū)331的折射率大致相等(圖21(d))。即使在第1范圍310與第2范圍320的邊界近旁，截面折射率分布的變化也連續(xù)。“連續(xù)地變化”和“變化連續(xù)”也包含沒有變化、恒定的范圍。
該光元件14對于預定波長在包含第1位置311的第1范圍310內(nèi)為單模，在第2范圍320中的至少第2位置321為多模。預定波長為該光元件14的使用波長，例如在將光元件14用于光通信的情況下，為包含從O波段到U波段的信號光波長帶區(qū)內(nèi)的任一波長。
另外，第1范圍310不一定必要，也可僅由存在第2芯區(qū)332的第2范圍320構(gòu)成光元件14。
下面，說明本實施方式的光元件14的動作。對于預定波長，在第1范圍310為單模，在第2范圍320內(nèi)，隨著接近第2位置321，模式數(shù)增加。因此，從外部輸入到光纖300的第1位置311的預定波長的光在第1范圍310內(nèi)被封入到芯區(qū)331，按基模導引。此時的導波光的光強度分布(與光軸垂直的面中的光強度分布)按高斯分布很好地近似(參照圖22)。
第1范圍310的導波光不久輸入到第2范圍320受到導引。在第2范圍320受到導引的光雖然最初為基模，但在可存在高階模的區(qū)域，產(chǎn)生從基模到高階模的光耦合，在即將從第2位置321輸出之前混合存在基模和高階模，從第2位置321輸出到外部的光的強度分布成為重疊了這些多個模式各自的光強度分布的強度分布(參照圖23和圖24)。
圖22為說明在本發(fā)明一實施方式的光元件14的第1范圍進行導波的光強度分布的圖。對于導波光的波長，由于在第1范圍310僅基模可存在，所以，如圖所示那樣，第1范圍310的導波光的強度分布按高斯分布良好地近似。
圖23為示出從本發(fā)明一實施方式的光元件14的第2位置321輸出的光的強度分布的一例的圖。該圖示出從光元件14的第2位置321輸出的光在與光軸垂直的任一面(以下稱“測定面”)的光強度分布。該圖的橫軸表示在測定面上與光軸直交的直線(以下稱“測定直線”)上的位置。測定面可為緊靠第2位置321的面，也可為從第2位置321離開預定距離的面。
在該圖所示例中，從第2位置321輸出的光的強度分布平坦。另外，將大于等于峰值強度的80％的光強度的范圍的寬度設為W80，將大于等于峰值強度的20％的光強度的范圍的寬度設為W20，它們的比(W20/W80)小于等于1.2。在第2位置321，通過將基模光和高階模光各自的比例設定為適當?shù)闹?，從而可獲得這樣的光強度分布。
在測定面上的某一方位(或某一范圍內(nèi)的方位)的測定直線上，比(W20/W80)小于等于1.2即可，如在測定面上的所有方位的測定直線上比(W20/W80)小于等于1.2，則最為理想。在這里，對于預定波長，如在第2位置321的模式數(shù)大于等于3，則有利于使測定面上的光強度分布變得平坦。
圖24為示出從本發(fā)明一實施方式的光元件14的第2位置輸出的光的強度分布的另一例的圖。該圖也示出上述測定面中的光強度分布，橫軸表示上述測定直線上的位置。在該圖所示例中，與中央部分相比周邊部分的光強度較大。在第2位置321，使2階模光的比例增大地設定，從而可獲得這樣的光強度分布。例如，在進行開孔加工的情況，如為這樣的光強度分布，則可有效地利用光能。
下面，說明本發(fā)明一實施方式的光元件14的實施例。在實施例(模擬例)中，設光纖300的第1芯區(qū)331的外徑為8μm，設第2芯區(qū)332的外徑為100μm，設包層333的外徑為125μm。設第1芯區(qū)331的折射率n1為1.449，設包層333的折射率n0為1.444，第2芯區(qū)332的折射率n(z)用下式(1a)、(1b)表示。在這里，z為表示長度方向的位置的變量，z0為長度的參數(shù)，其值設為4mm，z1為第2范圍320的長度，其值設為8mm。另外，波長設為1.55μm。
n(z)＝n0+(n1-n0)f(z)…(1a)f(z)=1-exp(-z/z0)1-exp(-z1/z0)---(1b)]]>圖25為示出在實施例的光元件14的第1范圍310進行導引的光的強度分布的圖。圖26為示出實施例的光元件14在第2位置321的光強度分布的圖。在第1范圍310受到導引的光的強度分布如圖25所示那樣按高斯分布良好地近似。而在第2范圍320中受到導引后的第2位置321的光的強度分布如圖26所示那樣，與中央部分相比周邊部分，光強度較大。這是因為，在經(jīng)由第2范圍320對光進行導引的期間，產(chǎn)生從基模向2階模的光耦合。
下面，說明光元件14的另一實施方式。該一實施方式的光元件14在以下說明的點中，與前面說明的光元件14不同。即，在該一實施方式的光元件14中，在第2范圍320，截面折射率分布沿長度方向為一定。對于從第2位置321輸出的光，設大于等于峰值強度的60％的光強度的范圍的寬度為W60，設大于等于峰值強度的20％的光強度的范圍的寬度為W20，此時，可具有它們的比(W20/W60)小于等于1.4的強度分布。另外，當設大于等于峰值強度的80％的光強度的范圍的寬度為W80，設大于等于峰值強度的20％的光強度的范圍的寬度為W20時，它們的比(W20/W80)優(yōu)選小于等于1.2。
該實施方式的光元件14在第2范圍320中的截面折射率分布沿長度方向為一定，但按照后述的光元件14的制造方法，相對在應成為第2芯區(qū)的區(qū)域添加了感光性的折射率上升劑的光纖，照射折射率變化激勵光，制造光元件14，所以，在第1范圍310與第2范圍320的邊界，截面折射率分布的變化連續(xù)。
下面，說明該光元件14的實施例的1～3。圖30為示出實施例1的光元件的第1位置的截面折射率分布的圖。圖31為示出實施例1的光元件的第2位置的截面折射率分布的圖。圖32為示出從實施例1的光元件的第2位置的輸出光的強度分布的圖。
另外，圖33為示出實施例2的光元件的第1位置的截面折射率分布的圖。圖34為示出實施例2的光元件的第2位置的截面折射率分布的圖。圖35為示出從實施例2的光元件的第2位置的輸出光的強度分布的圖。
另外，圖36為示出實施例3的光元件的第1位置的截面折射率分布的圖。圖37為示出實施例3的光元件的第2位置的截面折射率分布的圖。圖38為示出從實施例3的光元件的第2位置的輸出光的強度分布的圖。
在圖32、圖35、圖38中，示出從第2位置321輸出的光的與光軸垂直的任一面(以下稱“測定面”)中的光強度分布。另外，在圖30、圖31、圖33、圖34、圖36、及圖37中，橫軸示出光纖300的從中心軸線往徑向的長度r，縱軸表示相對折射率差。在圖32、圖35、圖38中，橫軸示出在上述測定面的離開光軸的長度r，縱軸表示光強度。
實施例1的光元件的光纖300的直徑、第1芯區(qū)331的直徑、第2芯區(qū)332的直徑、第1芯區(qū)的相對折射率差(峰值)、第2芯區(qū)的相對折射率差(峰值)、第2范圍320的長度分別為125μm、8μm、29.8μm、0.346％、0.345％、1.37mm，為具有圖30和圖31所示截面折射率分布的光元件。
進行該實施例1的光元件的模擬，可獲得圖32所示強度分布的光輸出。按照實施例1，W20＝15.55μm，W60＝13.55μm，W20/W60＝1.147601，如圖32所示那樣，可獲得在徑向的周邊部分強度大的光強度分布。
實施例2的光元件的光纖300的直徑、第1芯區(qū)331的直徑、第2芯區(qū)332的直徑、第1芯區(qū)的相對折射率差(峰值)、第2芯區(qū)的相對折射率差(峰值)、第2范圍320的長度分別為125μm、8μm、27.8μm、0.346％、0.436％、1.2mm，為具有圖33和圖34所示截面折射率分布的光元件。
進行該實施例2的光元件的模擬，可獲得圖35所示強度分布的光輸出。按照實施例2，W20＝14.95μm，W80＝12.95μm，W20/W80＝1.15444，如圖35所示那樣，獲得平坦的強度分布的光輸出。
實施例3的光元件的光纖300的直徑、第1芯區(qū)331的直徑、第2芯區(qū)332的直徑、第1芯區(qū)的相對折射率差(峰值)、第2芯區(qū)的相對折射率差(峰值)、第2范圍320的長度分別為125μm、8μm、29.8μm、0.346％、0.345％、1.35mm，為具有圖36和圖37所示截面折射率分布的光元件。
進行該實施例3的光元件的模擬，可獲得圖38所示強度分布的光輸出。按照實施例3，W20＝15.05μm，W60＝12.45μm，W20/W60＝1.208835，相對于強度分布為高斯分布的、由通常的光纖獲得的光輸出，如圖38所示那樣，獲得平坦的強度分布的光輸出。
下面，說明制造本發(fā)明一實施方式的光元件14的方法。圖27為說明實施方式的光元件制造方法的圖。圖27(a)示出最初光纖的截面折射率分布，圖27(b)示出P2O5添加濃度分布，圖27(c)示出GeO2添加濃度分布，圖27(d)示出F元素添加濃度分布，圖27(e)示出折射率變化激勵光照射后的第2范圍320的截面折射率分布。它們?yōu)閺较虻姆植肌?br> 首先準備光纖。在這里準備的光纖具有與應制造的光元件14的第1范圍310同樣的階躍型的截面折射率分布，以石英玻璃為主要成分，具有芯區(qū)A和包層B(圖27(a))。在芯區(qū)A作為折射率上升劑例如均勻地添加P2O5(圖27(b))。在芯區(qū)B中的接近芯區(qū)A的部分C(以后應成為第2芯區(qū)332的部分)，添加GeO2作為感光劑，相對折射率變化激勵光具有感光性(圖27(c))。在這里，石英玻璃中添加了作為感光劑的GeO2，折射率變化激勵光為可激勵該石英玻璃的折射率變化的波長的光，例如優(yōu)選從KrF受激準分子激光光源輸出的波長248nm的紫外激光。
另外，GeO2不僅為感光劑，而且也為折射率上升劑，所以，在包層B中的添加了GeO2的部分C，作為折射率下降劑添加F元素(圖27(d))。通過這樣設定各添加劑的濃度分布，從而實現(xiàn)圖27(a)所示那樣的截面折射率分布和圖27(c)所示分布同樣形狀的感光性分布。
在這樣的光纖的沿長度方向的一部分的范圍(應成為光元件14的第2范圍320的范圍)照射折射率變化激勵光。通過該照射，使照射范圍的包層B中的添加了GeO2的部分的折射率上升，該上升的部分成為第2芯區(qū)332，成為圖27(e)所示那樣的截面折射率分布。此時，折射率變化激勵光的照射光量沿長度方向連續(xù)地變化，在與第1范圍310的邊界接近的位置較少，在接近第2位置321的位置較多。另外，第2位置321的近旁的折射率變化激勵光的照射光量為在第2位置321使第2芯區(qū)332的折射率上升到可獲得成為多模的那樣的截面折射率分布所需要的光量。
圖28為說明本發(fā)明一實施方式的光元件制造方法的圖。該圖分別示出光元件14A～14C的包含光軸的截面。圖28(b)所示光元件14B和圖28(c)所示光元件14C分別為與圖21所示光元件14同樣的構(gòu)成。該圖28(a)所示光元件14A相對光元件14B、14C可以說是半成品，通過在沿長度方向的中途的范圍照射折射率變化激勵光而形成第2范圍320，在該第2范圍320的某一位置切斷，從而分成光元件14B和光元件14C這樣2個元件。如折射率變化激勵光的照射范圍包含光纖的一端，則在其照射后立即獲得圖21所示那樣的光元件14。
下面，說明本發(fā)明一實施方式的光系統(tǒng)4。圖29為本實施方式的光系統(tǒng)4的構(gòu)成圖。該圖所示光系統(tǒng)4為對加工對象物9進行加工的激光加工系統(tǒng)，具有上述本實施方式的光元件14和激光光源24。激光光源24用于輸出應照射到加工對象物9的激光。光元件14將從激光光源24輸出的激光輸入到一端的第1位置311，將該輸入的激光依次導引至第1范圍310和第2范圍320后，將該激光從另一端的第2位置321輸出到外部，將該輸出的激光照射到加工對象物9。
另外，也可在激光光源24與光元件14的第1位置311之間，設置用于對從激光光源24輸出的光進行聚光后使其入射到光元件14的第1位置311的透鏡系。另外，也可在光元件14的第2位置321與加工對象物9之間設置用于使從光元件14的第2位置321輸出的光進行聚光后照射到加工對象物9的透鏡系。
從光元件14的第2位置321輸出的光的強度分布根據(jù)加工目的等適當設定，可如圖23所示那樣為平坦狀，也可如圖24所示那樣使光強度在周邊部分比在中央部分大。
該光系統(tǒng)4通過將從激光光源24輸出的光從光元件14的第1位置311導引至第2位置321，從而從光元件14的第2位置321改變強度分布后輸出到外部。然而，光元件14也可從第2位置321將光導引至第1位置311，在該情況下，從光源24輸出的光可容易地輸入到光元件14的第2位置321。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性按照本發(fā)明，提供一種光元件，該光元件可輸出與入射光的光強度分布不同的光強度分布的光，而且光輸入輸出效率良好。另外，提供適合于該光元件的制造的光元件制造方法。另外，提供包含該光元件的光系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種光元件，其特征在于具有光波導，該光波導為單一的光波導，沿其長度方向依次具有第1范圍和第2范圍，在上述第2范圍，截面折射率分布沿上述長度方向變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光元件，其特征在于上述光波導為光纖，上述第1范圍的外徑與上述第2范圍的外徑相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光元件，其特征在于上述光波導沿其長度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿上述第1位置與上述第2位置之間的長度方向變化，以在上述第1位置成為單模的預定波長從上述第1位置受到導引而到達上述第2位置的光的場分布與高斯分布的重合率大于等于90％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光元件，其特征在于上述光波導沿其長度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿上述第1位置與上述第2位置之間的長度方向變化，以在上述第1位置成為單模的預定波長從上述第1位置受到導引到達上述第2位置的光的場分布與基模光的場分布的重合率大于等于90％。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第1位置與上述第2位置之間的沿長度方向的各位置，以上述預定波長從上述第1位置受到導引到達該位置的光的場分布與高斯分布的重合率大于等于90％。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第1位置與上述第2位置之間的沿長度方向的各位置，在上述預定波長上，基模光的場分布與高斯分布的重合率大于等于90％。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第1位置與上述第2位置之間的沿長度方向的各位置，以上述預定波長從上述第1位置受到導引到達該位置的光的場分布與基模光的場分布的重合率大于等于90％。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述預定波長上，在上述第2位置的模場直徑與上述第1位置的模場直徑相比相差大于等于10％。
9.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于V參數(shù)在上述第1位置與上述第2位置之間沿長度方向變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第2位置的V參數(shù)大于等于2.4。
11.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第1位置與上述第2位置之間的沿長度方向的各位置，在上述預定波長上，基模光的場分布的變化率小于等于0.1/mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于截面折射率分布的變化沿上述第1位置與上述第2位置之間的長度方向連續(xù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光元件，其特征在于上述第1位置為上述光波導的一端，上述第2位置為上述光波導的另一端。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光元件，其特征在于上述第2范圍的模場直徑比上述第1范圍的模場直徑大，上述第2范圍具有可實現(xiàn)折射率分布型透鏡的截面折射率分布。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光元件，其特征在于上述第1范圍的截面折射率分布為階躍型。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光元件，其特征在于上述第2范圍的截面折射率分布為漸變型。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光元件，其特征在于上述第2范圍包含上述光波導的一端。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光元件，其特征在于可在上述第1范圍進行單模傳輸。
19.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光元件，其特征在于上述光波導沿其長度方向具有第1位置和第2位置，關(guān)于在上述第1位置成為單模的預定波長，在上述第2位置為多模。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光元件，其特征在于關(guān)于上述預定波長，在上述第2位置的模數(shù)大于等于3。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光元件，其特征在于在上述第1位置與上述第2位置之間，上述光波導的沿長度方向的截面折射率分布的變化是連續(xù)的。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光元件，其特征在于上述第2位置為上述光波導的一端。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光元件，其特征在于上述預定波長的光在上述光波導中被導引后從上述一端輸出到外部，關(guān)于與該光的光軸垂直的任一面處的光強度分布，在將大于等于峰值強度的60％的光強度的范圍的寬度設為W60，將大于等于峰值強度的20％的光強度的范圍的寬度設為W20時，它們的比W20/W60小于等于1.4。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的光元件，其特征在于上述預定波長的光在上述光波導中被導引后從上述一端輸出到外部，關(guān)于與該光的光軸垂直的任一面處的光強度分布，在將大于等于峰值強度的80％的光強度的范圍的寬度設為W80，將大于等于峰值強度的20％的光強度的范圍的寬度設為W20時，它們的比W20/W8)小于等于1.2。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光元件，其特征在于上述預定波長的光在上述光波導中被導引后從上述一端輸出到外部，關(guān)于與該光的光軸垂直的任一面處的光強度分布，光強度在周邊部分比中央部分大。
26.一種光元件制造方法，其特征在于準備單一的光波導，該光波導具有芯區(qū)和包層，上述包層相對折射率變化激勵光具有感光性；將上述折射率變化激勵光照射到上述光波導的沿長度方向的一部分的范圍；在上述光波導中的上述折射率變化激勵光的照射范圍，使截面折射率分布沿上述長度方向變化。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的光元件制造方法，其特征在于上述光波導為光纖。
28.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的光元件制造方法，其特征在于關(guān)于在上述非照射范圍成為單模的預定波長，使在上述照射范圍內(nèi)的任一預定位置上的模場直徑變化。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的光元件制造方法，其特征在于沿上述光波導的長度方向的折射率變化激勵光的照射光量的變化是連續(xù)的。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的光元件制造方法，其特征在于上述預定位置為上述光波導的一端。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范圍為沿上述光波導的長度方向的中途的范圍，在上述預定位置切斷上述光波導。
32.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的光元件制造方法，其特征在于上述包層在與上述芯區(qū)鄰接的區(qū)域相對折射率變化激勵光具有感光性，在上述照射范圍，形成可實現(xiàn)折射率分布型透鏡的截面折射率分布。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的光元件制造方法，其特征在于準備的上述光波導的截面折射率分布為階躍型。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范圍中的截面折射率分布為漸變型。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范圍包含上述光波導的一端。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范圍為沿上述光波導的長度方向的中途的范圍，在上述照射范圍內(nèi)的位置切斷上述光波導。
37.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的光元件制造方法，其特征在于關(guān)于在上述非照射范圍成為單模的預定波長，在上述照射范圍內(nèi)的任一預定位置為多模。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光元件制造方法，其特征在于沿上述光波導的長度方向的折射率變化激勵光的照射光量的變化是連續(xù)的。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光元件制造方法，其特征在于上述預定位置為上述光波導的一端。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范圍為沿上述光波導的長度方向的中途的范圍，在上述預定位置切斷上述光波導。
41.一種光系統(tǒng)，其特征在于包含上述權(quán)利要求1～25中任一項所述的光元件。
42.一種光系統(tǒng)，其特征在于具有，輸出光的光源和權(quán)利要求17所述的光元件，該光元件將從上述光源輸出的光輸入到入射端，對其進行導引，從出射端輸出。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的光系統(tǒng)，其特征在于上述光元件從上述第1范圍向上述第2范圍對光進行導引。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的光系統(tǒng)，其特征在于上述光元件從上述第2范圍向上述第1范圍對光進行導引。
45.一種光系統(tǒng)，其特征在于具有，輸出光的光源和權(quán)利要求22所述的光元件，該光元件將從上述光源輸出的光輸入到入射端，對其進行導引，從出射端輸出。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的光系統(tǒng)，其特征在于上述光元件從上述第1位置向上述第2位置對光進行導引。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的光系統(tǒng)，其特征在于上述光元件從上述第2位置向上述第1位置對光進行導引。
全文摘要
本發(fā)明提供光元件、光元件制造方法及光系統(tǒng)。該光元件具有光波導。該光波導為單一的光波導，沿其長度方向依次具有第1范圍和第2范圍。在該光波導中，截面折射率分布在第2范圍沿長度方向變化。
文檔編號G02B6/24GK1823287SQ20048002035
公開日2006年8月23日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者橋本健, 大村真樹, 須永圭, 石川真二, 井上享 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社