光元件、光元件制造方法及光系统的制作方法

专利名称：光元件、光元件制造方法及光系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导型的光元件、制造这样的光元件的方法、及包含这样的光元件的光系统。
背景技术：
光纤这样的光波导相应于其用途以各种形式被使用。在作为其用途的一种的光通信系统中，将光纤(光波导)用作光传输介质。作为该光传输介质的光纤对输入到一端的光进行导引，从另一端输出。例如，在使从面发光激光光源输出的光输入到光纤的一端的情况下，从其光耦合效率的观点考虑，优选光纤的一端上的模场直径较大。另外，当使从光纤的另一端输出的光输入到另一光器件时，也存在优选光纤的另一端上的模场直径较大的情况。
例如在专利文献1(特开平8-43650号日本公开专利公报)中，公开了在沿长度方向的一部分范围内增大模场直径的光纤及其制造方法。公开于该文献的光纤具有以石英玻璃为主要成分的芯区和包层，在包层上添加GeO2作为感光剂，芯区的GeO2添加浓度比包层的GeO2添加浓度少，在沿长度方向的一部分范围内，由紫外光照射使芯区与包层的相对折射率差变小，模场直径增大。
另外，在作为其用途的另一种的激光加工系统等的光系统中，在光纤(光波导)的前端设有透镜的光元件被用作光传输介质。例如公开于专利文献2(特开平11-38262号日本公开专利公报)的光元件，具有阶跃型截面折射率分布的光纤与具有渐变型的截面折射率分布的光纤相互熔接地连接，后者的具有渐变型的截面折射率分布的光纤作为折射率分布型的透镜起作用。该光元件利用前端折射率分布型透镜对从光源输出的、通过光纤导引来的光进行平行校正或聚光，照射加工对象物，从而可对该加工对象物进行加工。另外，该光元件可利用光纤对从外部输入到前端的折射率分布型透镜的光进行导引。
另外，在作为其用途的另一种的激光加工系统等的光系统中，光纤(光波导)也被用作光传输介质。作为该光传输介质的光纤将从光源输出的光输入到入射端，对其进行导引，从出射端输出，利用透镜对该输出的光进行平行校正或聚光，照射到加工对象物，从而可对该加工对象物进行加工(参照例如专利文献3特开2003-46166号日本公开专利公报)。
然而，公开于上述专利文献1～3的光纤的光输入输出效率并不好。

发明内容
本发明的目的在于提供一种可输出与入射光的光强度分布不同的光强度分布的光而且光输入输出效率良好的光波导型的光元件、制造这样的光元件的方法、及包含这样的光元件的光系统。
本发明的一个方面的光元件具有光波导，该光波导为单一的光波导，沿其长度方向依次具有第1范围和第2范围，在第2范围内截面折射率分布沿长度方向变化。根据该光元件，在单一的光波导上设有第1范围和截面折射率分布变化的第2范围。因此，在第1范围与第2范围之间没有产生光损耗的连接部分。为此，在该光元件中，可输出与入射光的光强度分布不同的光强度分布的光，而且光输入输出效率良好。
在本发明的光元件中，光波导为光纤，第1范围的外径与第2范围的外径相同。即，在该光元件中，在单一的光纤上设置第1范围和第2范围，所以，第1范围的外径与第2范围的外径相同。因此，在第1范围与第2范围间没有连接部分，光输入输出效率变得良好。另外，该光元件的第1范围的外径与第2范围的外径相同，所以，具有可稳定而且容易地固定到V形槽或套管上的优点。
另外，在本发明的光元件中，也可具有这样的特征，即，光波导沿其长度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿第1位置与第2位置间的长度方向变化，以在第1位置成为单模的预定波长从第1位置受到导引而到达第2位置的光的场分布与高斯分布的重合率大于等于90％。
另外，在本发明的光元件中，也可具有这样的特征，即，光波导沿其长度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿第1位置与第2位置间的长度方向变化，以在第1位置成为单模的预定波长从第1位置受到导引而到达第2位置的基模光的场分布与高斯分布的重合率大于等于90％。
另外，在本发明的光元件中，也可具有这样的特征，即，光波导沿其长度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿第1位置与第2位置间的长度方向变化，以在第1位置成为单模的预定波长从第1位置受到导引而到达第2位置的光的场分布与基模光的场分布的重合率大于等于90％。
上述构成的光元件关于预定波长在光波导的沿长度方向的第1位置上为单模，截面折射率分布沿第1位置与第2位置间的长度方向变化，所以，模场直径沿长度方向变化。另外，从第1位置受到导引而到达第2位置的光的场分布与高斯分布的重合率、从第1位置受到导引而到达第2位置的基模光的场分布与高斯分布的重合率、或从第1位置受到导引而到达第2位置的光的场分布与基模光的场分布的重合率大于等于90％，由于在第1位置与第2位置间没有连接部分，所以，第1位置与第2位置间的损耗低。
在本发明的光元件中，在第1位置与第2位置间的沿长度方向的各位置上，以预定波长从第1位置受到导引而到达该位置的光的场分布与高斯分布的重合率优选大于等于90％，或者，基模光的场分布与高斯分布的重合率优选大于等于90％。另外，其特征在于，在第1位置与第2位置间的沿长度方向的各位置上，以预定波长从第1位置受到导引而到达该位置的光的场分布与基模光的场分布的重合率大于等于90％。
在本发明的光元件中，在预定波长上，第2位置上的模场直径与第1位置上的模场直径相比优选相差大于等于10％。V参数优选沿着第1位置与第2位置间的长度方向变化，另外，第2位置上的V参数优选大于等于2.4。
在本发明的光元件中，在第1位置与第2位置间的沿长度方向的各位置，在预定波长上，最好基模光的场分布的变化率优选小于等于0.1/mm。截面折射率分布的变化沿第1位置与第2位置间的长度方向优选为连续。另外，优选第1位置为光波导的一端，第2位置为光波导的另一端。
另外，本发明的光元件也可具有这样的特征，即，第2范围的模场直径比第1范围的模场直径大，第2范围具有可实现折射率分布型透镜的截面折射率分布。
在该光元件中，由于第2范围的模场直径比第1范围的模场直径大，第2范围具有可实现折射率分布型透镜的截面折射率分布，所以，被封入到光波导的第1范围的芯区内受到导引的光输入到光波导的第2范围时，在其输入后立即按某一发散角前进。然而，在第2范围中受到导引的光由于第2范围内的聚光作用，发散角逐渐减小，不久成为平行光，此后收敛地前进。另外，该光元件由于在第1范围与第2范围间没有连接部分，所以，在第1范围与第2范围的边界处的损耗小。
在这里，本发明的光元件，第1范围内的截面折射率分布优选为阶跃型，另外，第2范围内的截面折射率分布优选为渐变型。
在本发明的光元件中，在第2范围包含光波导的一端的情况下，从第1范围导引至第2范围的光从其一端输出到外部。该输出到外部的光成为例如平行校正光或收敛光。
在本发明的光元件中，优选可在第1范围进行单模传输。在该情况下，当连接了一般在光通信系统中用作光传输通道的单模光纤与本发明的光元件的第1范围时，在该连接位置上的连接损耗小。
另外，在本发明的光元件中，也可具有这样的特征，即，光波导沿其长度方向具有第1位置和第2位置，关于在第1位置为单模的预定波长，在第2位置为多模。
该光元件关于预定波长，在光波导的沿长度方向的第1位置为单模，在第2位置为多模，所以，第1位置和第2位置上的导波光的强度分布相互不同。另外，该光元件由于在第1位置与第2位置间没有连接部分，所以，第1位置与第2位置间的损耗低。
本发明的光元件对于预定波长在第2位置的模式数优选大于等于3，在该情况下，第2位置上的导波光的强度分布可成为多种形状。
对于本发明的光元件，在第1位置与第2位置间，光波导的沿长度方向的截面折射率分布的变化优选为连续，在该情况下，有利于降低第1位置与第2位置间的损耗。
对于本发明的光元件，在第2位置为光波导的一端的情况下，从第1位置导引至第2位置的光从其一端输出到外部。该输出到外部的光的近场图形与第2位置上的光波导的强度分布一致。
在这里，预定波长的光在光波导中导引后从一端输出到外部，关于垂直于该光的光轴的任一面处的光强度分布，将大于等于峰值强度的60％的光强度的范围的宽度设为W60，将大于等于峰值强度的20％的光强度的范围的宽度设为W20，它们的比(W20/W60)优选小于等于1.4。
另外，预定波长的光在光波导中导引后从一端输出到外部，关于垂直于该光的光轴的任一面处的光强度分布，将大于等于峰值强度的80％的光强度的范围的宽度设为W80，将大于等于峰值强度的20％的光强度的范围的宽度设为W20，它们的比(W20/W80)优选小于等于1.2。在该情况下，从光波导的一端输出的光的强度分布均匀，例如有利于按均匀的强度照射某个一定的范围。
另外，预定波长的光在光波导中导引后从一端输出到外部，关于垂直于该光的光轴的任一面处的光强度分布，优选光强度在周边部分比在中央部分大。在该情况下，由于从光波导的一端输出的光在周边部分比在中央部分大，所以，对例如进行某一形状的开孔加工有利。
本发明的另一方面的光元件制造方法，(1)准备单一的光波导，该单一的光波导具有芯区和包层，包层对于折射率变化激励光具有感光性；(2)将上述折射率变化激励光照射到上述光波导的沿长度方向的一部分的范围；(3)在上述光波导中的上述折射率变化激励光的照射范围内，使截面折射率分布沿上述长度方向变化。
按照该光元件制造方法，最初应准备的光波导具有芯区和包层，包层对于折射率变化激励光具有感光性。将折射率变化激励光照射到该光波导的沿长度方向的一部分的范围内，从而制造光元件。即，将折射率变化激励光的非照射范围设为第1范围，将照射范围设为截面折射率分布变化的第2范围，从而可良好地制造光元件，该光元件具有光波导，该光波导为具有第1范围和第2范围的单一的光波导，在第1范围与第2范围间没有连接部分。
在本发明的光元件制造方法中，光波导也可为光纤。在该情况下，从单一的光纤制造光元件，所以，第1范围的外径与第2范围的外径相同。
本发明的光元件制造方法也可具有这样的特征，即，对于在上述非照射范围成为单模的预定波长，使得在照射范围内的任一预定位置上的模场直径变化。
在本发明的光元件制造方法中，光波导的沿长度方向的折射率变化激励光的照射光量的变化优选为连续，在该情况下，由于光波导的沿长度方向的截面折射率分布的变化为连续，所以，有利于降低第1位置与第2位置间的损耗。
在这里，优选预定位置为光波导的一端，另外，优选照射范围为光波导的沿长度方向的中途的范围，在预定位置上切断光波导，制造光元件。
本发明的光元件制造方法也可具有这样的特征，即，在上述照射范围内形成可实现折射率分布型透镜的截面折射率分布。
其中，准备的光波导的截面折射率分布优选为阶跃型，另外，照射范围内的截面折射率分布优选为渐变型。
另外，照射范围优选包含光波导的一端，另外，优选照射范围为光波导的沿长度方向的中途的范围，在照射范围内的位置上切断光波导，制造光元件。
另外，本发明的光元件制造方法也可具有这样的特征，即，制造光元件，该光元件对于在上述非照射范围为单模的预定波长，在照射范围内的任一预定位置上为多模。
在本发明的光元件制造方法中，光波导的沿长度方向的折射率变化激励光的照射光量的变化优选为连续，在该情况下，由于光波导的沿长度方向的截面折射率分布的变化连续，所以，有利于降低第1位置与第2位置间的损耗。
在这里，预定位置优选为光波导的一端，另外，优选照射范围为光波导的沿长度方向的中途的范围，在预定位置上切断光波导，制造光元件。
本发明的另一方面的光系统包含上述本发明的光元件。
另外，本发明的光系统的特征在于具有输出光的光源和上述本发明的光元件；该光元件将从该光源输出的光输入到入射端，对其进行导引，从出射端输出。
另外，在发明的光系统中，光元件也可将光从第1范围向第2范围进行导引，在该情况下，从光源输出的光在光元件中导引后，从该光元件经过平行校正或收敛后输出到外部。另外，光元件也可将光从第2范围向第1范围进行导引，在该情况下，从光源输出的光容易输入到光元件。
另外，在发明的光系统中，光元件也可将光从第1位置向第2位置进行导引，在该情况下，从光源输出的光在光元件中导引后，从该光元件的第2位置经过改变强度分布后输出到外部。另外，光元件也可将光从第2位置向第1位置进行导引，在该情况下，从光源输出的光容易输入到光元件。


图1为说明本发明一实施方式的光元件的构成的图。
图2为曲线图，该曲线图求出了第2芯区的折射率为n2时的基模的场分布和第2芯区的折射率为(n2+0.005)时的基模的场分布，示出了两者的重合率与折射率n2的关系。
图3为分别示出第2芯区的折射率n2和重合率的长度方向的分布(情况1)的曲线图。
图4为分别示出第2芯区的折射率n2和重合率的长度方向的分布(情况2)的曲线图。
图5为分别示出情况1和情况2的每单位长度的基模光的场分布的变化率与第2芯区的折射率n2的关系的曲线图。
图6为分别示出第2芯区的折射率n2和重合率的长度方向的分布(情况1)的曲线图。
图7为分别示出第2芯区的折射率n2和重合率的长度方向的分布(情况2)的曲线图。
图8为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。
图9为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。
图10为本发明一实施方式的光系统的构成图。
图11为本发明一实施方式的光系统的构成图。
图12为说明本发明一实施方式的光元件的构成的图。
图13为说明本发明一实施方式的光元件的第1动作例的图。
图14为说明本发明一实施方式的光元件的第2动作例的图。
图15为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的第1例的图。
图16为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的第2例的图。
图17为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的第3例的图。
图18为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的第4例的图。
图19为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。
图20为本发明一实施方式的光系统的构成图。
图21为说明本发明一实施方式的光元件的构成的图。
图22为示出了在本发明一实施方式的光元件的第1范围内受到导引的光的强度分布的图。
图23为示出从本发明一实施方式的光元件的第2位置输出的光的强度分布的一例的图。
图24为示出从本发明一实施方式的光元件的第2位置输出的光的强度分布的另一例的图。
图25为示出在实施例的光元件的第1范围内受到导引的光的强度分布的图。
图26为示出实施例的光元件的第2位置上的光的强度分布的图。
图27为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。
图28为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。
图29为本发明一实施方式的光系统的构成图。
图30为示出实施例1的光元件的第1位置上的截面折射率分布的图。
图31为示出实施例1的光元件的第2位置上的截面折射率分布的图。
图32为示出来自实施例1的光元件的第2位置的输出光的强度分布的图。
图33为示出实施例2的光元件的第1位置上的截面折射率分布的图。
图34为示出实施例2的光元件的第2位置上的截面折射率分布的图。
图35为示出来自实施例2的光元件的第2位置的输出光的强度分布的图。
图36为示出实施例3的光元件的第1位置上的截面折射率分布的图。
图37为示出实施例3的光元件的第2位置上的截面折射率分布的图。
图38为示出来自实施例3的光元件的第2位置的输出光的强度分布的图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明用于实施本发明的最佳形式。在附图的说明中，对同样的要素或部分采用相同的符号，省略重复的说明。
图1为说明本发明一实施方式的光元件的构成的图。图1(a)示出该实施方式的光元件10的包含光轴的截面，图1(b)示出光元件10的沿长度方向的模场直径的分布。
如图1(a)所示那样，光元件10为利用作为光波导的石英类的光纤100制造的光波导的光元件，沿光纤100的长度方向具有第1范围110和第2范围120。另外，该光纤100在一端具有第1位置111，在另一端具有第2位置121。第1范围110中的截面折射率分布为阶跃型，由低折射率的包层133围住高折射率的第1芯区131的周围。在第1范围110与第2范围120之间不存在连接部分，在所谓的连续的一根光纤100上设有第1范围110和第2范围120。即，作为光波导的光纤100在单一的光纤上形成第1范围110和第2范围120，如上述那样，在第1范围与第2范围之间不存在连接部分。因此，第1范围110的外径与第2范围120的外径相同。
第2范围120上的截面折射率分布在芯区131与包层133之间具有第2芯区132。第2范围120的第2芯区132的折射率沿长度方向连续地变化，在接近与第1范围110的边界的位置处，与包层133的折射率大致相等，在接近第2位置121的位置处，与第1芯区131的折射率大致相等。即使在第1范围110与第2范围120的边界附近，截面折射率分布的变化也连续。
该光元件10对于预定波长在第1位置111为单模，在第2范围120中，截面折射率分布沿长度方向连续地变化，第1位置111和第2位置121的模场直径相互不同。预定波长指该光元件10的使用波长，例如在将光元件10用于光通信的情况下，为包含从O波段到U波段的信号光波长带区内的任一波长。“连续地变化”和“变化连续”也可包含没有变化、恒定的范围。
另外，在光元件10中，以预定波长从第1位置111受到导引而到达第2位置121的光的场分布与高斯分布的重合率大于等于90％。这样构成的光元件10可降低模场直径相互不同的第1位置111与第2位置121间的光传输损耗。
在这里，2个场分布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为在光纤100的与光轴垂直的截面中以该光轴作为原点相互直交的2座标值。在求出重合率的2个场分布中的一方为高斯分布的情况下，作为下述(2)式中的w的值，代入具体的模场直径的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与第2位置121间的沿长度方向的各位置上，以预定波长从第1位置111受到导引而到达该位置的光的场分布与高斯分布的重合率优选大于等于90％，或者，基模光的场分布与高斯分布的重合率优选大于等于90％，或者，从第1位置111受到导引而到达该位置的光的场分布与基模光的场分布的重合率优选大于等于90％。
另外，在光元件10中，对于预定波长，在第2位置121的模场直径与第1位置111的模场直径相比优选相差大于等于10％。另外，在光元件10中，V参数优选在第1位置111与第2位置121间沿长度方向变化，另外，第2位置121的V参数优选大于等于2.4。在这里，V参数按下述(3)式定义。a为纤芯半径，λ为波长，n1为芯区的折射率，n0为包层的折射率。
V2=(2πaλ)2(n12-n02)---(3)]]>一般情况下，为了光纤进行单模动作，V参数的值需要小于等于2.4，但本实施方式的光元件10即使V参数大于等于2.4，也可进行单模动作。
另外，在光元件10中，在第1位置与第2位置间的沿长度方向的各位置，以预定波长，基模光的场分布的变化率优选小于等于0.1/mm。在这里，基模光的场分布的变化率指基模光的场分布的重合率的每单位长度的变化量。
第1范围110不一定必要，也可仅由存在第2芯区132的第2范围120构成光元件10。
下面，说明本实施方式的光元件10的动作。当从外部将在第1范围110成为单模的预定波长的光输入到第1位置111时，该光在第1范围110内被封入到第1芯区131，按基模导引。此时的导波光的场分布按高斯分布很好地近似。
第1范围110的导波光不久输入到第2范围120，在第2范围120受到导引，从第2位置121输出到外部。在第2范围120受到导引的光虽然最初为基模，但当在第2范围120内存在可存在高阶模的区域时，在该区域内产生从基模到高阶模的光耦合，在即将从第2位置121输出之前混合存在基模和高阶模，从第2位置121输出到外部的光的强度分布成为重叠了这些多个模式各自的光强度分布的强度分布。
在本实施方式的光元件10中，随着接近第2位置121，模场直径增大，所以，与从外部输入到第1位置111的光的直径相比，从第2位置121输出到外部的光的直径被扩大。另外，在第2位置121中，实际的导波光的场分布与高斯分布的重合率大于等于90％，所以，从第1位置111到第2位置121的光基本上可仍以基模受到导引，第1位置111与第2位置121间的光传输损耗被降低。
通常的单模光纤的模场直径小，从端面出射的光发散，耦合损耗大。为了减小耦合损耗，需要将从光纤的端面出射的发散光变换成平行光，但为此需要准直透镜，部件数量增加，成本增大。而在本实施方式的光元件10中，不使用准直透镜即可降低耦合损耗，所以，可抑制部件数量的增加。
下面使用图2～图7说明本实施方式的光元件10的实施例。在实施例(模拟例)中，设光纤100的第1芯区131的外径为8μm，设第2芯区132的外径为100μm，设包层133的外径为125μm。设第1芯区131的折射率n1为1.449，设包层133的折射率n0为1.444，将第2芯区132的折射率n2设定为n0与n1之间的值。设第2范围120的长度为10mm。另外，设波长为1.55μm。
图2为曲线图，该曲线图求出第2芯区132的折射率为n2时的基模的场分布和第2芯区132的折射率为(n2+0.005)时的基模的场分布，示出两者的重合率与折射率n2的关系。从该曲线图可知，第2芯区132的折射率n2处于1.4475附近时，重合率减小，第2芯区132的折射率n2为其它值时，重合率大于等于90％。
图3和图4为示出第2芯区132的折射率n2和重合率各自在长度方向的分布的曲线图。图3示出在光纤100的长度方向上的第2芯区132的折射率n2的变化率为一定的情况(情况1)，图4示出在光纤100的长度方向上的第2芯区132的折射率n2的变化率不为一定的情况(情况2)。在图3和图4中，横轴表示从第1位置111沿长度方向离开的距离，左纵轴表示第2芯区132的折射率n2，右纵轴表示基模光的场分布的重合率。即，右纵轴表示第2芯区132的折射率为n2时的基模的场分布与第2芯区132的折射率为(n2+0.005)时的基模的场分布的重合率。
图5为分别示出情况1和情况2的每单位长度的基模光的场分布的变化率与第2芯区132的折射率n2的关系的曲线图。从该曲线图可知，在情况1下，当第2芯区132的折射率n2处于1.448附近时，每单位长度的基模光的场分布的变化率为较大的0.154/mm。而在情况2，在沿长度方向的各位置，每单位长度的基模光的场分布的变化率小于等于0.058/mm，较小。更为详细地说，在第2芯区132的折射率n2随着沿长度方向接近第2位置121线性地增加的情况1中，存在每单位长度的基模光的场分布的变化率大的区域。另一方面，在情况2，基模光的场分布变化率整体上较少。在该情况2中，在第2芯区132的长度方向上的各部分中，对于具有的折射率n2的基模间的场分布的重合率比其它部分具有的折射率n2的基模间的场分布的重合率小的部分，将其长度设定得比该其它部分的长度长。即，在情况2中，在第2芯区132的长度方向的各部分中，对于具有的折射率n2的基模间的场分布的重合率比其它部分具有的折射率n2的基模间的场分布的重合率小的部分，将其折射率n2的变化(增加)率设定得比该其它部分小。
图6和图7为分别示出第2芯区132的折射率n2和重合率的长度方向的分布的曲线图。图6示出光纤100的长度方向的第2芯区132的折射率n2的变化率为一定的情况(情况1)，图7示出光纤100的长度方向的第2芯区132的折射率n2的变化率不一定的情况(情况2)。在图6和图7中，横轴表示从第1位置111沿长度方向离开的距离，左纵轴表示第2芯区132的折射率n2，右纵轴表示实际的导波光的场分布与基模光的场分布的重合率。从该图可知，第2位置121的实际的导波光的场分布与基模光的场分布的重合率在情况1为77.3％，而在每单位长度的损耗小的情况2，高达98.5％。
下面，说明制造本实施方式的光元件10的方法。图8为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。图8(a)示出最初光纤的截面折射率分布，图8(b)示出P2O5添加浓度分布，图8(c)示出GeO2添加浓度分布，图8(d)示出F元素添加浓度分布，图8(e)示出折射率变化激励光照射后的第2范围120上的截面折射率分布。它们为径向的分布。
在该制造方法中，首先准备光纤。在这里准备的光纤具有与应制造的光元件10的第1范围110同样的阶跃型的截面折射率分布，以石英玻璃为主要成分，具有芯区A和包层B(图8(a))。在芯区A作为折射率上升剂均匀地添加例如P2O5(图8(b))。在包层B中的接近芯区A的部分C(以后将成为第2芯区132的部分)，添加GeO2作为感光剂，该部分C对于折射率变化激励光具有感光性(图8(c))。在这里，折射率变化激励光指的是，能够激励添加了作为感光剂的GeO2的石英玻璃的折射率变化这样的波长的光，例如优选使用从KrF受激准分子激光光源输出的波长248nm的紫外激光。
另外，GeO2不仅为感光剂，而且也为折射率上升剂，所以，在包层中添加了GeO2的部分C中，作为折射率下降剂添加F元素(图8(d))。通过这样设定各添加剂的浓度分布，从而实现图8(a)所示那样的截面折射率分布和与图8(c)所示分布同样的形状的感光性分布。
在这样的光纤的沿长度方向的一部分的范围内(应成为光元件10的第2范围120的范围)照射折射率变化激励光。通过该照射，使照射范围的包层B中的添加了GeO2的部分C的折射率上升，该上升的部分成为第2芯区132，成为图8(e)所示那样的截面折射率分布。此时，折射率变化激励光的照射光量沿长度方向连续地变化，在与第1范围110的边界接近的位置较少，在接近第2位置121的位置较多。另外，第2位置121的近旁的折射率变化激励光的照射光量为在第2位置121使第2芯区132的折射率上升到获得所期望的截面折射率分布所需要的光量。
图9为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。该图分别示出光元件10A～10C的包含光轴的截面。图9(b)所示光元件10B和图9(c)所示光元件10C分别为与图1所示光元件10同样的构成。该图(a)所示光元件10A相对光元件10B、10C可以说是半成品，通过在沿长度方向的中途的范围上照射折射率变化激励光而形成第2范围120，在该第2范围120的某一位置切断，从而分成光元件10B和光元件10C这样2个元件。如果将折射率变化激励光的照射范围设为包含光纤的一端，则在其照射后立即获得图1所示那样的光元件10。
下面，说明本发明的光系统的实施方式。图10为本发明一实施方式的光系统的构成图。该图所示光系统1由光连接器20连接光元件10a和光元件10b而构成。光元件10a、10b具有与上述本实施方式的光元件10同样的构成，其第2范围120a、120b分别由光连接器20进行连接器连接。
在该光系统1中，从光元件10a的第1范围110a导引至第2范围120a的光从光元件10a的第2位置121a输出，经过光连接器20，输入到光元件10b的第2位置121b，从光元件10b的第2范围120b导引至第1范围110b。从光元件10a的第2位置121a输出的光的光束直径大，功率密度低。因此，可防止在光耦合端面的损伤。
图11为本发明一实施方式的光系统的构成图。该图所示光系统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具有与上述本实施方式的光元件10相同的构成，分别夹住功能元件40配置其第2范围120a、120b。
在该光系统2中，从光源30输出的光输入到光元件10a的第1位置111a，从光元件10a的第1范围110a导引至第2范围120a，从光元件10a的第2位置121a输出，输入到功能元件40。经过功能性元件40的光输入到光元件10b的第2位置121b，从光元件10b的第2范围120b导引至第1范围110b，从光元件10b的第1位置111b输出，输入到光敏器50而受光。
功能元件40例如为光滤波器或光隔离器等，配置在光元件10a的第2位置121a与光元件10b的第2位置121b间的空间。这样，在该光系统2中，可进行传输特性的监控等。
下面，说明本发明的另一实施方式。图12为说明本发明一实施方式的光元件的构成的图。图12(a)示出该光元件12的包含光轴的截面，图12(b)示出第1范围210的截面折射率分布，图12(c)示出第2范围220的截面折射率分布。
如图12(a)所示那样，光元件12为利用作为光波导的石英类的光纤200制造的光波导型的光元件，沿光纤200的长度方向具有第1范围210和第2范围220。第2范围220的模场直径比第1范围210的模场直径大。
第1范围210的截面折射率分布优选为阶跃型，低折射率的包层212围住高折射率的芯区211的周围(图12(b))。
在第1范围210，优选可进行单模传输。在该场合，当连接一般在光通信系统中用作光传输通道的单模光纤与光元件12的第1范围210时，其连接位置的连接损耗小。
第2范围220的截面折射率分布为可实现折射率分布型透镜的分布，优选为渐变型，中心部分的折射率最高，随着从中心离开，折射率逐渐减小，在离开中心的距离超过某一值的区域内，折射率为一定(图12(c))。
在第1范围210与第2范围220间不存在连接部分，在所谓连续的一根光纤200上设有第1范围210和第2范围220。即，作为光波导的光纤200在单一的光纤上形成第1范围210和第2范围220，如上述那样，在第1范围与第2范围之间不存在连接部分。因此，第1范围210的外径与第2范围220的外径相同。第1范围210与第2范围220的边界上的截面折射率分布的变化不连续或陡峭。第1范围210具有光纤200的一方的端部，第2范围220包含光纤200的另一方的端部。
下面，说明图12所示光元件12的动作。图13为说明本发明一实施方式的光元件的第1动作例的图。图14为说明本发明一实施方式的光元件的第2动作例的图。这些图示出光元件12的包含光轴的截面，还在第2范围220示出截面中的光线轨迹。
光纤200的第2范围220的模场直径比第1范围210的模场直径大，第2范围220具有可实现折射率分布型透镜的截面折射率分布，所以，封入到光纤200的第1范围210的芯区211而导引来的光输入到光纤200的第2范围220时，在其输入后立即按某一发散角前进。然而，在第2范围220中受到导引的光由于第2范围220的聚光作用，发散角逐渐减小，不久成为平行光，此后收敛地前进。
如图13所示那样，如在第2范围220中受到导引的光成为平行光的部位该光到达光纤200的端面位置，则光从该端面仍作为平行光输出到外部。即，在该情况下，光元件12可将经由光纤200导引的光进行平行校正后输出到外部。在光朝与上述相反的方向前进的情况下，光容易输入到光纤200。
另一方面，如图14所示那样，当在第2范围220中被导引的光成为收敛状态的部位该光到达光纤200的端面位置时，光从该端面朝外部收敛地输出。即，在该情况下，光元件12可在将由光纤200导引的光聚光后输出到外部。
在该光元件12中，由于在第1范围210与第2范围220间没有连接部分，所以，与通过熔接连接制造的现有的光元件相比，损耗小，光输入输出的效率优良。
下面，使用图15～图18说明制造图12所示光元件12的方法。图15为说明本实施方式的光元件制造方法的第1例的图。图15(a)示出作为折射率下降剂的F的添加浓度分布，图15(b)示出兼作折射率上升剂和感光剂的Ge的添加浓度分布，图15(c)示出最初的光纤的截面折射率分布，图15(d)示出折射率变化激励光照射后的第2范围220的截面折射率分布。它们为径向的分布。
在该第1例中，准备的光纤如图15(a)所示那样，在芯区中，离开中心的径向距离越大，则F添加浓度稍变高，在包层内，在达到某一预定直径之前，径向距离越大，则F添加浓度越低，在预定直径的外侧，F添加浓度为一定。另外，如图15(b)所示那样，在芯区不添加Ge，在达到包层内的预定直径之前，径向距离越大则Ge添加浓度越低，在预定直径的外侧不添加Ge。准备的光纤如图15(c)所示那样，具有与应制造的光元件12的第1范围210同样的阶跃型的截面折射率分布，以石英玻璃为主要成分，具有芯区和包层。
在这样的光纤的沿长度方向的一部分的范围上(应成为光元件12的第2范围220的范围)照射折射率变化激励光。在这里，石英玻璃中添加了作为感光剂的Ge，该折射率变化激励光为可激励石英玻璃的折射率变化这样的波长的光，例如优选从KrF受激准分子激光光源输出的波长248nm的紫外激光。通过该照射，使照射范围内的包层中的、具有感光性的区域的折射率上升。此时，感光性越大，即越接近芯区，则折射率的上升的程度越大。通过适当地设定折射率变化激励光的照射量，从而在照射范围内成为图15(d)所示那样的渐变型的截面折射率分布。
图16为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的第2例的图。图16(a)示出作为折射率下降剂的F的添加浓度分布，图16(b)示出兼作折射率上升剂和感光剂的Ge的添加浓度分布，图16(c)示出最初的光纤的截面折射率分布，图16(d)示出折射率变化激励光照射后的第2范围220的截面折射率分布。它们为径向的分布。
在该第2例中，准备的光纤如图16(a)所示那样，在芯区不添加F，在达到包层内的某一预定直径之前，径向距离越大，则F添加浓度越高，在预定直径的外侧，不添加F。另外，如图16(b)所示那样，在芯区不添加Ge，在达到包层内的预定直径之前，添加一定波度的Ge，在预定直径的外侧不添加Ge。准备的光纤的截面折射率分布如图16(c)所示那样，在芯区中折射率高，在达到包层内的预定直径之前，径向距离越大，则折射率越低，另外，预定直径外侧的折射率为一定，比芯区的折射率低，比达到包层内的预定直径之前的折射率高。
在这样的光纤的沿长度方向的一部分的范围上(应成为光元件12的第2范围220的范围)照射折射率变化激励光。通过该照射，使照射范围内的包层中的、具有感光性的区域的折射率上升。此时，在达到包层内的预定直径之前的范围感光性为一定，所以，该范围中的折射率上升量为一定。通过适当地设定折射率变化激励光的照射量，从而在照射范围内成为图16(d)所示那样的渐变型的截面折射率分布。
图17为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的第3例的图。图17(a)示出作为折射率下降剂的F的添加浓度分布，图17(b)示出兼作折射率上升剂和感光剂的Ge的添加浓度分布，图17(c)示出作为折射率上升剂的P的添加浓度分布，图17(d)示出最初的光纤的截面折射率分布，图17(e)示出折射率变化激励光照射后的第2范围220的截面折射率分布。它们为径向的分布。
在该第3例中，准备的光纤如图17(a)所示那样，在芯区和包层双方添加一定浓度的F。另外，如图17(b)所示那样，在芯区不添加Ge，在达到包层内的预定直径之前，径向距离越大，则Ge添加浓度越低，在预定直径的外侧，不添加Ge。另外，如图17(c)所示那样，在芯区添加P，在包层不添加P。准备的光纤的截面折射率分布如图17(d)所示那样，在芯区中折射率高，在达到包层内的预定直径之前，径向距离越大，则折射率越低，在预定直径外侧，折射率低。
在这样的光纤的沿长度方向的一部分的范围上(应成为光元件12的第2范围220的范围)照射折射率变化激励光。通过该照射，使照射范围内的包层中的、具有感光性的区域的折射率上升。此时，感光性越大，即越接近芯区，则折射率的上升程度越大。通过适当地设定折射率变化激励光的照射量，从而在照射范围内成为图17(e)所示那样的渐变型的截面折射率分布。
图18为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的第4例的图。图18(a)示出作为折射率下降剂的F的添加浓度分布，图18(b)示出兼作折射率上升剂和感光剂的Ge的添加浓度分布，图18(c)示出作为折射率上升剂的P的添加浓度分布，图18(d)示出最初的光纤的截面折射率分布，图18(e)示出折射率变化激励光照射后的第2范围220的截面折射率分布。它们为径向的分布。
在该第4例中，准备的光纤如图18(a)所示那样，在芯区不添加F，在包层添加一定浓度的F。另外，如图18(b)所示那样，在芯区不添加Ge，在达到包层内的预定直径之前，径向距离越大，则Ge添加浓度越低，在预定直径的外侧，不添加Ge。另外，如图18(c)所示那样，在芯区添加P，在包层不添加P。准备的光纤的截面折射率分布如图18(d)所示那样，在芯区中折射率高，在达到包层内的预定直径之前，径向距离越大，则折射率越低，在预定直径外侧，折射率低。
与上述第3例(图17)相比较，在该第4例(图18)中，在芯区不添加作为折射率下降剂的F，这样，作为折射率上升剂的P的添加浓度可较低，从而可获得同样的截面折射率分布。
在这样的光纤的沿长度方向的一部分的范围上(应成为光元件12的第2范围220的范围)照射折射率变化激励光。通过该照射，使照射范围内的包层中的、具有感光性的区域的折射率上升。此时，感光性越大，即越接近芯区，则折射率的上升程度越大。通过适当地设定折射率变化激励光的照射量，从而在照射范围内成为图18(e)所示那样的渐变型的截面折射率分布。
图19为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。该图分别示出光元件12A～12C的包含其光轴的截面。图19(b)所示光元件12B和图19(c)所示光元件12C分别为与图12所示光元件12同样的构成。该图19(a)所示光元件12A相对光元件12B、12C可以说是半成品，通过在沿长度方向的中途的范围照射折射率变化激励光而形成第2范围220，在该第2范围220的某一位置切断，从而分成光元件12B和光元件12C这样2个元件。如折射率变化激励光的照射范围包含光纤的一端，则在其照射后立即获得图12所示那样的光元件12。
下面，说明本发明的光系统1的实施方式。图20为本发明一实施方式的光系统的构成图。该图所示光系统3为对加工对象物9进行加工的激光加工系统，具有上述本实施方式的光元件12和激光光源22。激光光源22用于输出应照射到加工对象物9的激光。光元件12将从激光光源22输出的激光输入到一端，将该输入的激光依次导引至第1范围210和第2范围220后，将该激光从另一端输出到外部，将该输出的激光照射到加工对象物9。
另外，也可在激光光源22与光元件12的一端之间，设置用于对从激光光源22输出的光进行聚光后使其入射到光元件12的一端的透镜系。另外，也可在光元件12的另一端与加工对象物9之间设置用于使从光元件12的另一端输出的光进行聚光后照射到加工对象物9的透镜系。
从光元件12的另一端输出的光根据加工目的等适当设定，可如图13所示那样进行平行校正，也可如图14所示那样使其收敛。
该光系统3通过将从激光光源22输出的光从光元件12的第1范围210导引至第2范围220，从而进行平行校正或聚光后从光元件12的另一端输出到外部。然而，光元件12也可从第2范围220将光导引至第1范围210，在该情况下，从激光光源22输出的光可容易地输入到光元件12的另一端。
下面，说明本发明的另一实施方式。图21为说明本发明一实施方式的光元件的构成的图。图21(a)示出该光元件14的包含光轴的截面，图21(b)～(d)示出沿长度方向的各位置的截面折射率分布。
如图1(a)所示那样，光元件14为利用作为光波导的石英类的光纤300制造的光波导型的光元件，沿光纤300的长度方向具有第1范围310和第2范围320。另外，该光纤300在一端具有第1位置311，在另一端具有第2位置312。第1范围310的截面折射率分布为阶跃型，由低折射率的包层333围住高折射率的第1芯区331的周围(图21(b))。在第1范围310与第2范围320之间不存在连接部分，在所谓的连续的一根光纤300上设有第1范围310和第2范围320。即，作为光波导的光纤300在单一的光纤上形成第1范围310和第2范围320，如上述那样，在第1范围与第2范围之间不存在连接部分。因此，第1范围310的外径与第2范围320的外径相同。
第2范围320的截面折射率分布在第1芯区331与包层333之间具有第2芯区332(图21(c)、(d))。第2范围320的第2芯区332的折射率沿长度方向连续地变化，在接近与第1范围310的边界的位置处，与包层333的折射率大致相等(图21(c))，在接近第2位置321的位置处，与第1芯区331的折射率大致相等(图21(d))。即使在第1范围310与第2范围320的边界近旁，截面折射率分布的变化也连续。“连续地变化”和“变化连续”也包含没有变化、恒定的范围。
该光元件14对于预定波长在包含第1位置311的第1范围310内为单模，在第2范围320中的至少第2位置321为多模。预定波长为该光元件14的使用波长，例如在将光元件14用于光通信的情况下，为包含从O波段到U波段的信号光波长带区内的任一波长。
另外，第1范围310不一定必要，也可仅由存在第2芯区332的第2范围320构成光元件14。
下面，说明本实施方式的光元件14的动作。对于预定波长，在第1范围310为单模，在第2范围320内，随着接近第2位置321，模式数增加。因此，从外部输入到光纤300的第1位置311的预定波长的光在第1范围310内被封入到芯区331，按基模导引。此时的导波光的光强度分布(与光轴垂直的面中的光强度分布)按高斯分布很好地近似(参照图22)。
第1范围310的导波光不久输入到第2范围320受到导引。在第2范围320受到导引的光虽然最初为基模，但在可存在高阶模的区域，产生从基模到高阶模的光耦合，在即将从第2位置321输出之前混合存在基模和高阶模，从第2位置321输出到外部的光的强度分布成为重叠了这些多个模式各自的光强度分布的强度分布(参照图23和图24)。
图22为说明在本发明一实施方式的光元件14的第1范围进行导波的光强度分布的图。对于导波光的波长，由于在第1范围310仅基模可存在，所以，如图所示那样，第1范围310的导波光的强度分布按高斯分布良好地近似。
图23为示出从本发明一实施方式的光元件14的第2位置321输出的光的强度分布的一例的图。该图示出从光元件14的第2位置321输出的光在与光轴垂直的任一面(以下称“测定面”)的光强度分布。该图的横轴表示在测定面上与光轴直交的直线(以下称“测定直线”)上的位置。测定面可为紧靠第2位置321的面，也可为从第2位置321离开预定距离的面。
在该图所示例中，从第2位置321输出的光的强度分布平坦。另外，将大于等于峰值强度的80％的光强度的范围的宽度设为W80，将大于等于峰值强度的20％的光强度的范围的宽度设为W20，它们的比(W20/W80)小于等于1.2。在第2位置321，通过将基模光和高阶模光各自的比例设定为适当的值，从而可获得这样的光强度分布。
在测定面上的某一方位(或某一范围内的方位)的测定直线上，比(W20/W80)小于等于1.2即可，如在测定面上的所有方位的测定直线上比(W20/W80)小于等于1.2，则最为理想。在这里，对于预定波长，如在第2位置321的模式数大于等于3，则有利于使测定面上的光强度分布变得平坦。
图24为示出从本发明一实施方式的光元件14的第2位置输出的光的强度分布的另一例的图。该图也示出上述测定面中的光强度分布，横轴表示上述测定直线上的位置。在该图所示例中，与中央部分相比周边部分的光强度较大。在第2位置321，使2阶模光的比例增大地设定，从而可获得这样的光强度分布。例如，在进行开孔加工的情况，如为这样的光强度分布，则可有效地利用光能。
下面，说明本发明一实施方式的光元件14的实施例。在实施例(模拟例)中，设光纤300的第1芯区331的外径为8μm，设第2芯区332的外径为100μm，设包层333的外径为125μm。设第1芯区331的折射率n1为1.449，设包层333的折射率n0为1.444，第2芯区332的折射率n(z)用下式(1a)、(1b)表示。在这里，z为表示长度方向的位置的变量，z0为长度的参数，其值设为4mm，z1为第2范围320的长度，其值设为8mm。另外，波长设为1.55μm。
n(z)＝n0+(n1-n0)f(z)…(1a)f(z)=1-exp(-z/z0)1-exp(-z1/z0)---(1b)]]>图25为示出在实施例的光元件14的第1范围310进行导引的光的强度分布的图。图26为示出实施例的光元件14在第2位置321的光强度分布的图。在第1范围310受到导引的光的强度分布如图25所示那样按高斯分布良好地近似。而在第2范围320中受到导引后的第2位置321的光的强度分布如图26所示那样，与中央部分相比周边部分，光强度较大。这是因为，在经由第2范围320对光进行导引的期间，产生从基模向2阶模的光耦合。
下面，说明光元件14的另一实施方式。该一实施方式的光元件14在以下说明的点中，与前面说明的光元件14不同。即，在该一实施方式的光元件14中，在第2范围320，截面折射率分布沿长度方向为一定。对于从第2位置321输出的光，设大于等于峰值强度的60％的光强度的范围的宽度为W60，设大于等于峰值强度的20％的光强度的范围的宽度为W20，此时，可具有它们的比(W20/W60)小于等于1.4的强度分布。另外，当设大于等于峰值强度的80％的光强度的范围的宽度为W80，设大于等于峰值强度的20％的光强度的范围的宽度为W20时，它们的比(W20/W80)优选小于等于1.2。
该实施方式的光元件14在第2范围320中的截面折射率分布沿长度方向为一定，但按照后述的光元件14的制造方法，相对在应成为第2芯区的区域添加了感光性的折射率上升剂的光纤，照射折射率变化激励光，制造光元件14，所以，在第1范围310与第2范围320的边界，截面折射率分布的变化连续。
下面，说明该光元件14的实施例的1～3。图30为示出实施例1的光元件的第1位置的截面折射率分布的图。图31为示出实施例1的光元件的第2位置的截面折射率分布的图。图32为示出从实施例1的光元件的第2位置的输出光的强度分布的图。
另外，图33为示出实施例2的光元件的第1位置的截面折射率分布的图。图34为示出实施例2的光元件的第2位置的截面折射率分布的图。图35为示出从实施例2的光元件的第2位置的输出光的强度分布的图。
另外，图36为示出实施例3的光元件的第1位置的截面折射率分布的图。图37为示出实施例3的光元件的第2位置的截面折射率分布的图。图38为示出从实施例3的光元件的第2位置的输出光的强度分布的图。
在图32、图35、图38中，示出从第2位置321输出的光的与光轴垂直的任一面(以下称“测定面”)中的光强度分布。另外，在图30、图31、图33、图34、图36、及图37中，横轴示出光纤300的从中心轴线往径向的长度r，纵轴表示相对折射率差。在图32、图35、图38中，横轴示出在上述测定面的离开光轴的长度r，纵轴表示光强度。
实施例1的光元件的光纤300的直径、第1芯区331的直径、第2芯区332的直径、第1芯区的相对折射率差(峰值)、第2芯区的相对折射率差(峰值)、第2范围320的长度分别为125μm、8μm、29.8μm、0.346％、0.345％、1.37mm，为具有图30和图31所示截面折射率分布的光元件。
进行该实施例1的光元件的模拟，可获得图32所示强度分布的光输出。按照实施例1，W20＝15.55μm，W60＝13.55μm，W20/W60＝1.147601，如图32所示那样，可获得在径向的周边部分强度大的光强度分布。
实施例2的光元件的光纤300的直径、第1芯区331的直径、第2芯区332的直径、第1芯区的相对折射率差(峰值)、第2芯区的相对折射率差(峰值)、第2范围320的长度分别为125μm、8μm、27.8μm、0.346％、0.436％、1.2mm，为具有图33和图34所示截面折射率分布的光元件。
进行该实施例2的光元件的模拟，可获得图35所示强度分布的光输出。按照实施例2，W20＝14.95μm，W80＝12.95μm，W20/W80＝1.15444，如图35所示那样，获得平坦的强度分布的光输出。
实施例3的光元件的光纤300的直径、第1芯区331的直径、第2芯区332的直径、第1芯区的相对折射率差(峰值)、第2芯区的相对折射率差(峰值)、第2范围320的长度分别为125μm、8μm、29.8μm、0.346％、0.345％、1.35mm，为具有图36和图37所示截面折射率分布的光元件。
进行该实施例3的光元件的模拟，可获得图38所示强度分布的光输出。按照实施例3，W20＝15.05μm，W60＝12.45μm，W20/W60＝1.208835，相对于强度分布为高斯分布的、由通常的光纤获得的光输出，如图38所示那样，获得平坦的强度分布的光输出。
下面，说明制造本发明一实施方式的光元件14的方法。图27为说明实施方式的光元件制造方法的图。图27(a)示出最初光纤的截面折射率分布，图27(b)示出P2O5添加浓度分布，图27(c)示出GeO2添加浓度分布，图27(d)示出F元素添加浓度分布，图27(e)示出折射率变化激励光照射后的第2范围320的截面折射率分布。它们为径向的分布。
首先准备光纤。在这里准备的光纤具有与应制造的光元件14的第1范围310同样的阶跃型的截面折射率分布，以石英玻璃为主要成分，具有芯区A和包层B(图27(a))。在芯区A作为折射率上升剂例如均匀地添加P2O5(图27(b))。在芯区B中的接近芯区A的部分C(以后应成为第2芯区332的部分)，添加GeO2作为感光剂，相对折射率变化激励光具有感光性(图27(c))。在这里，石英玻璃中添加了作为感光剂的GeO2，折射率变化激励光为可激励该石英玻璃的折射率变化的波长的光，例如优选从KrF受激准分子激光光源输出的波长248nm的紫外激光。
另外，GeO2不仅为感光剂，而且也为折射率上升剂，所以，在包层B中的添加了GeO2的部分C，作为折射率下降剂添加F元素(图27(d))。通过这样设定各添加剂的浓度分布，从而实现图27(a)所示那样的截面折射率分布和图27(c)所示分布同样形状的感光性分布。
在这样的光纤的沿长度方向的一部分的范围(应成为光元件14的第2范围320的范围)照射折射率变化激励光。通过该照射，使照射范围的包层B中的添加了GeO2的部分的折射率上升，该上升的部分成为第2芯区332，成为图27(e)所示那样的截面折射率分布。此时，折射率变化激励光的照射光量沿长度方向连续地变化，在与第1范围310的边界接近的位置较少，在接近第2位置321的位置较多。另外，第2位置321的近旁的折射率变化激励光的照射光量为在第2位置321使第2芯区332的折射率上升到可获得成为多模的那样的截面折射率分布所需要的光量。
图28为说明本发明一实施方式的光元件制造方法的图。该图分别示出光元件14A～14C的包含光轴的截面。图28(b)所示光元件14B和图28(c)所示光元件14C分别为与图21所示光元件14同样的构成。该图28(a)所示光元件14A相对光元件14B、14C可以说是半成品，通过在沿长度方向的中途的范围照射折射率变化激励光而形成第2范围320，在该第2范围320的某一位置切断，从而分成光元件14B和光元件14C这样2个元件。如折射率变化激励光的照射范围包含光纤的一端，则在其照射后立即获得图21所示那样的光元件14。
下面，说明本发明一实施方式的光系统4。图29为本实施方式的光系统4的构成图。该图所示光系统4为对加工对象物9进行加工的激光加工系统，具有上述本实施方式的光元件14和激光光源24。激光光源24用于输出应照射到加工对象物9的激光。光元件14将从激光光源24输出的激光输入到一端的第1位置311，将该输入的激光依次导引至第1范围310和第2范围320后，将该激光从另一端的第2位置321输出到外部，将该输出的激光照射到加工对象物9。
另外，也可在激光光源24与光元件14的第1位置311之间，设置用于对从激光光源24输出的光进行聚光后使其入射到光元件14的第1位置311的透镜系。另外，也可在光元件14的第2位置321与加工对象物9之间设置用于使从光元件14的第2位置321输出的光进行聚光后照射到加工对象物9的透镜系。
从光元件14的第2位置321输出的光的强度分布根据加工目的等适当设定，可如图23所示那样为平坦状，也可如图24所示那样使光强度在周边部分比在中央部分大。
该光系统4通过将从激光光源24输出的光从光元件14的第1位置311导引至第2位置321，从而从光元件14的第2位置321改变强度分布后输出到外部。然而，光元件14也可从第2位置321将光导引至第1位置311，在该情况下，从光源24输出的光可容易地输入到光元件14的第2位置321。
产业上利用的可能性按照本发明，提供一种光元件，该光元件可输出与入射光的光强度分布不同的光强度分布的光，而且光输入输出效率良好。另外，提供适合于该光元件的制造的光元件制造方法。另外，提供包含该光元件的光系统。
权利要求
1.一种光元件，其特征在于具有光波导，该光波导为单一的光波导，沿其长度方向依次具有第1范围和第2范围，在上述第2范围，截面折射率分布沿上述长度方向变化。
2.根据权利要求1所述的光元件，其特征在于上述光波导为光纤，上述第1范围的外径与上述第2范围的外径相同。
3.根据权利要求1或2所述的光元件，其特征在于上述光波导沿其长度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿上述第1位置与上述第2位置之间的长度方向变化，以在上述第1位置成为单模的预定波长从上述第1位置受到导引而到达上述第2位置的光的场分布与高斯分布的重合率大于等于90％。
4.根据权利要求1或2所述的光元件，其特征在于上述光波导沿其长度方向具有第1位置和第2位置，截面折射率分布沿上述第1位置与上述第2位置之间的长度方向变化，以在上述第1位置成为单模的预定波长从上述第1位置受到导引到达上述第2位置的光的场分布与基模光的场分布的重合率大于等于90％。
5.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第1位置与上述第2位置之间的沿长度方向的各位置，以上述预定波长从上述第1位置受到导引到达该位置的光的场分布与高斯分布的重合率大于等于90％。
6.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第1位置与上述第2位置之间的沿长度方向的各位置，在上述预定波长上，基模光的场分布与高斯分布的重合率大于等于90％。
7.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第1位置与上述第2位置之间的沿长度方向的各位置，以上述预定波长从上述第1位置受到导引到达该位置的光的场分布与基模光的场分布的重合率大于等于90％。
8.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述预定波长上，在上述第2位置的模场直径与上述第1位置的模场直径相比相差大于等于10％。
9.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于V参数在上述第1位置与上述第2位置之间沿长度方向变化。
10.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第2位置的V参数大于等于2.4。
11.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于在上述第1位置与上述第2位置之间的沿长度方向的各位置，在上述预定波长上，基模光的场分布的变化率小于等于0.1/mm。
12.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于截面折射率分布的变化沿上述第1位置与上述第2位置之间的长度方向连续。
13.根据权利要求3或4所述的光元件，其特征在于上述第1位置为上述光波导的一端，上述第2位置为上述光波导的另一端。
14.根据权利要求1或2所述的光元件，其特征在于上述第2范围的模场直径比上述第1范围的模场直径大，上述第2范围具有可实现折射率分布型透镜的截面折射率分布。
15.根据权利要求14所述的光元件，其特征在于上述第1范围的截面折射率分布为阶跃型。
16.根据权利要求14所述的光元件，其特征在于上述第2范围的截面折射率分布为渐变型。
17.根据权利要求14所述的光元件，其特征在于上述第2范围包含上述光波导的一端。
18.根据权利要求14所述的光元件，其特征在于可在上述第1范围进行单模传输。
19.根据权利要求1或2所述的光元件，其特征在于上述光波导沿其长度方向具有第1位置和第2位置，关于在上述第1位置成为单模的预定波长，在上述第2位置为多模。
20.根据权利要求19所述的光元件，其特征在于关于上述预定波长，在上述第2位置的模数大于等于3。
21.根据权利要求19所述的光元件，其特征在于在上述第1位置与上述第2位置之间，上述光波导的沿长度方向的截面折射率分布的变化是连续的。
22.根据权利要求19所述的光元件，其特征在于上述第2位置为上述光波导的一端。
23.根据权利要求22所述的光元件，其特征在于上述预定波长的光在上述光波导中被导引后从上述一端输出到外部，关于与该光的光轴垂直的任一面处的光强度分布，在将大于等于峰值强度的60％的光强度的范围的宽度设为W60，将大于等于峰值强度的20％的光强度的范围的宽度设为W20时，它们的比W20/W60小于等于1.4。
24.根据权利要求23所述的光元件，其特征在于上述预定波长的光在上述光波导中被导引后从上述一端输出到外部，关于与该光的光轴垂直的任一面处的光强度分布，在将大于等于峰值强度的80％的光强度的范围的宽度设为W80，将大于等于峰值强度的20％的光强度的范围的宽度设为W20时，它们的比W20/W8)小于等于1.2。
25.根据权利要求22所述的光元件，其特征在于上述预定波长的光在上述光波导中被导引后从上述一端输出到外部，关于与该光的光轴垂直的任一面处的光强度分布，光强度在周边部分比中央部分大。
26.一种光元件制造方法，其特征在于准备单一的光波导，该光波导具有芯区和包层，上述包层相对折射率变化激励光具有感光性；将上述折射率变化激励光照射到上述光波导的沿长度方向的一部分的范围；在上述光波导中的上述折射率变化激励光的照射范围，使截面折射率分布沿上述长度方向变化。
27.根据权利要求26所述的光元件制造方法，其特征在于上述光波导为光纤。
28.根据权利要求26或27所述的光元件制造方法，其特征在于关于在上述非照射范围成为单模的预定波长，使在上述照射范围内的任一预定位置上的模场直径变化。
29.根据权利要求28所述的光元件制造方法，其特征在于沿上述光波导的长度方向的折射率变化激励光的照射光量的变化是连续的。
30.根据权利要求28所述的光元件制造方法，其特征在于上述预定位置为上述光波导的一端。
31.根据权利要求28所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范围为沿上述光波导的长度方向的中途的范围，在上述预定位置切断上述光波导。
32.根据权利要求26或27所述的光元件制造方法，其特征在于上述包层在与上述芯区邻接的区域相对折射率变化激励光具有感光性，在上述照射范围，形成可实现折射率分布型透镜的截面折射率分布。
33.根据权利要求32所述的光元件制造方法，其特征在于准备的上述光波导的截面折射率分布为阶跃型。
34.根据权利要求32所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范围中的截面折射率分布为渐变型。
35.根据权利要求32所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范围包含上述光波导的一端。
36.根据权利要求32所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范围为沿上述光波导的长度方向的中途的范围，在上述照射范围内的位置切断上述光波导。
37.根据权利要求26或27所述的光元件制造方法，其特征在于关于在上述非照射范围成为单模的预定波长，在上述照射范围内的任一预定位置为多模。
38.根据权利要求37所述的光元件制造方法，其特征在于沿上述光波导的长度方向的折射率变化激励光的照射光量的变化是连续的。
39.根据权利要求37所述的光元件制造方法，其特征在于上述预定位置为上述光波导的一端。
40.根据权利要求37所述的光元件制造方法，其特征在于上述照射范围为沿上述光波导的长度方向的中途的范围，在上述预定位置切断上述光波导。
41.一种光系统，其特征在于包含上述权利要求1～25中任一项所述的光元件。
42.一种光系统，其特征在于具有，输出光的光源和权利要求17所述的光元件，该光元件将从上述光源输出的光输入到入射端，对其进行导引，从出射端输出。
43.根据权利要求42所述的光系统，其特征在于上述光元件从上述第1范围向上述第2范围对光进行导引。
44.根据权利要求42所述的光系统，其特征在于上述光元件从上述第2范围向上述第1范围对光进行导引。
45.一种光系统，其特征在于具有，输出光的光源和权利要求22所述的光元件，该光元件将从上述光源输出的光输入到入射端，对其进行导引，从出射端输出。
46.根据权利要求45所述的光系统，其特征在于上述光元件从上述第1位置向上述第2位置对光进行导引。
47.根据权利要求45所述的光系统，其特征在于上述光元件从上述第2位置向上述第1位置对光进行导引。
全文摘要
本发明提供光元件、光元件制造方法及光系统。该光元件具有光波导。该光波导为单一的光波导，沿其长度方向依次具有第1范围和第2范围。在该光波导中，截面折射率分布在第2范围沿长度方向变化。
文档编号G02B6/24GK1823287SQ20048002035
公开日2006年8月23日 申请日期2004年8月27日 优先权日2003年8月29日
发明者桥本健, 大村真树, 须永圭, 石川真二, 井上享 申请人:住友电气工业株式会社