啁啾光纤光栅元件以及光纤激光器的制作方法

本发明涉及通过将随着从一方的端面远离而栅距逐渐变大的光栅形成光纤的纤芯而获得的啁啾光纤光栅元件。另外，涉及具备这样的啁啾光纤光栅元件的光纤激光器。

背景技术：

在光加工以及光通信领域，作为激光振荡器，广泛使用光纤激光器。在这样的光纤激光器中，为了形成包括在纤芯添加了稀土类元素而成的放大用光纤在内的空腔，在放大用光纤的一端连接有作为反射镜而发挥功能的光纤布拉格光栅元件，在放大用光纤的另一端连接有作为半透半反镜发挥功能的光纤布拉格光栅元件。光纤布拉格光栅元件是通过将栅距恒定(成为λ)的光栅形成光纤而获得的元件，具有选择性地反射波长成为2nλ(n为自然数)的光的功能。

在这样的光纤激光器中，若推进高输出化则容易产生光谱烧孔、受激拉曼散射等非线性光学效应，因此为了避免该情况需要实施振荡波长的宽带化。该情况下，取代将栅距恒定的光栅形成纤芯而成的通常的光纤布拉格光栅，而将形成有随着从一方的端面远离而栅距逐渐变大的光栅而成的啁啾光纤光栅元件用作反射镜以及半透半反镜。这是因为啁啾光纤光栅元件的反射频带比通常的光纤布拉格光栅的反射频带宽。

专利文献1公开有这样的啁啾光纤光栅元件(相当于专利文献1的“光纤布拉格光栅元件”)。根据专利文献1，通过将与形成纤芯的光栅相同的光栅也形成包层，从而能够加宽反射频带，并且增大阻断量。

专利文献1：日本公开专利公报“日本特开2008-282044号公报(公开日：2008年11月20日)”

然而，在以往的啁啾光纤光栅元件中，光栅形成得密，并且在从由于入射光和反射光的多重干涉而导致光的能量密度变高的一方的端面向纤芯入射光时，入射端面附近的发热量变大，由此存在可靠性降低这样的问题。产生这样的问题的原因如下。

即，为了制造啁啾光纤光栅元件，首先，制作将锗等具有感光性的元素添加于纤芯而成的光纤，接下来，需要通过在该光纤照射紫外线而形成光栅(被照射紫外线的区域成为构成光栅的高折射率区域)。此时，导致在被照射紫外线的区域即构成光栅的高折射率区域的内部形成缺陷。因此，若光入射于啁啾光纤光栅元件的光栅，则其一部分由于构成光栅的各高折射率区域所包含的缺陷而转换为热。特别是在啁啾光纤光栅元件中，光栅在由于入射光与反射光的多重干涉而使光的能量密度变高的入射端面附近形成得密。因此，入射端面附近的发热量容易变大。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述的问题而完成的，在于实现入射端面附近的发热量比以往的啁啾光纤光栅元件小、且可靠性高的啁啾光纤光栅元件。

为了实现上述的目的，本发明所涉及的啁啾光纤光栅元件，通过在折射率为n0的纤芯形成由折射率为ni(ni＞n0)的高折射率区域构成的光栅而成，其特征在于，上述光栅的栅距λi随着从该啁啾光纤光栅元件的一方的端面远离而变大，上述光栅的折射率差δni＝ni-n0，随着从该啁啾光纤光栅元件的上述一方的端面远离而变大。

另外，为了实现上述的目的，本发明所涉及的啁啾光纤光栅元件，通过在折射率为n0的纤芯形成由折射率为ni(ni＞n0)的高折射率区域构成的光栅而成，上述光栅的栅距λi随着从该啁啾光纤光栅元件的一方的端面远离而变大，上述高折射率区域的厚度di随着从该啁啾光纤光栅元件的一方的端面远离而变大。

根据本发明，能够实现入射端面附近的发热量比以往小的啁啾光纤光栅元件。作为其结果，能够实现可靠性比以往高的啁啾光纤光栅元件。

附图说明

图1是一实施方式的啁啾光纤光栅元件的纵剖视图以及横剖视图。

图2是表示图1所示的啁啾光纤光栅元件所具备的纤芯的折射率分布的图表。

图3是表示入射至图1所示的啁啾光纤光栅元件所具备的纤芯的光所包含的波长为1062.5nm、1063.5nm、1064.5nm、1065.5nm的成分波的功率分布的图表。

图4是决定第一实施例、第二实施例以及比较例的啁啾光纤光栅元件的光栅的栅距的二次函数λ1(z)、二次函数λ2(z)以及一次函数λ0(z)的图表。

图5是表示第一实施例、第二实施例以及比较例的啁啾光纤光栅元件的透射光谱的图表。

图6是表示第二实施例以及比较例的啁啾光纤光栅元件的发热量分布的图表。

图7是一变形例的啁啾光纤光栅元件的纵剖视图以及横剖视图。

图8是表示入射至图1所示的啁啾光纤光栅元件的光的行进路线的示意图。

具体实施方式

〔啁啾光纤光栅元件的结构〕

参照图1对本发明的一实施方式的啁啾光纤光栅元件1的结构进行说明。图1是啁啾光纤光栅元件1的纵剖视图(左侧)以及横剖视图(右侧)。

如图1所示，啁啾光纤光栅元件1是具备圆柱状的纤芯11、和包围纤芯11的圆筒状的包层12的光纤型元件。包层12的折射率nclad低于纤芯11的折射率ncore，经由一方的端面1a而入射至纤芯11的光在纤芯11的内部传播，经由另一方的端面1b而从纤芯11射出。此外，啁啾光纤光栅元件1也可以具备包围包层12的圆筒状的覆层(未图示)。

如图1所示，在啁啾光纤光栅元件1的纤芯11，形成有由沿着纤芯11的中心轴排列的多个高折射率区域11a1～11a10构成的光栅11a。各高折射率区域11ai(i＝1，2，…，10)是折射率比纤芯11的基材折射率(除高折射率区域11a1～11a10以外的区域的折射率)n0高的圆柱状的区域。对于各高折射率区域11ai的折射率，替换参照的附图而在后文中说明。

如图1所示，光栅11a的栅距λ1～λ9随着从端面1a远离而变大。此处，各栅距λi是在将从端面1a至各高折射率区域11ai的中心为止的距离设为zi时，由λi＝zi+1-zi定义的量，表示邻接的两个高折射率区域11ai、11ai+1的中心间隔。在以往的啁啾光纤光栅元件中，光栅11a的栅距λ1～λ9随着从端面1a远离而以一次函数方式增加。更准确而言，满足λ(zi)＝λi的函数λ(z)通过z的一次函数λ(z)＝α0+α1z(α0、α1为常量)来赋予。相对于此，在本实施方式的啁啾光纤光栅元件1中，光栅11a的栅距λ1～λ9随着从端面1a远离而以二次函数方式增加。更准确而言，满足λ(zi)＝λi的函数λ(z)通过z的二次函数λ(z)＝α0+α1z+α2z²(α0、α1、α2为常量)来赋予。此外，高折射率区域11ai的厚度di以使比di/λi成为恒定(图示的例子中为0.5)的方式决定。

由啁啾光纤光栅元件1反射的光的波长频带，比由形成有栅距恒定(成为λ)的光栅的通常的光纤布拉格光栅元件反射的光的波长频带宽。这是因为：通常的光纤布拉格光栅元件的光栅选择性地反射波长成为2nλ(n为整数)的光，相对于此，啁啾光纤光栅元件1的光栅11a选择性地反射波长成为2nλ1以上且2nλ9以下的光。

此外，对于光栅11a向啁啾光纤光栅元件1的形成，能够通过与通常的光栅向光纤布拉格光栅元件的形成相同的方法来实现。即，首先，制造将锗等具有感光(紫外线)性元素添加于纤芯11而成的光纤，接下来，对该光纤中的应该形成高折射率区域11a1～11a10的区域，选择性地照射紫外线。此处，对于各高折射率区域11ai的折射率而言，若增加向应该形成该高折射率区域11ai的区域照射的紫外线量则变高，若减少向应该形成该高折射率区域11ai的区域照射的紫外线的量则变低。因此，为了使各高折射率区域11ai的折射率成为目标折射率，而只要对向该区域照射的紫外线的强度、向该区域照射紫外线的时间进行调整，而将向应该形成该高折射率区域11ai的区域照射的紫外线量设为与目标折射率对应的量即可。

〔纤芯的折射率分布〕

接下来，参照图2对啁啾光纤光栅元件1所具备的纤芯11的折射率分布进行说明。图2是表示纤芯11的折射率分布的图。在图2所示的图中，横轴表示距啁啾光纤光栅元件1的一方的端面1a的距离z，纵轴表示纤芯的折射率ncore。

如图2所示，光栅11a的折射率差δni随着从啁啾光纤光栅元件1的一方的端面1a远离而变大。此处，折射率差δni是在将各高折射率区域11ai的最大折射率设为ni，将纤芯11的基材折射率设为n0时，由δni＝ni-n0定义的量。在以往的啁啾光纤光栅元件中，光栅11a的折射率差n1～n10为恒定。相对于此，在本实施方式的啁啾光纤光栅元件1中，光栅11a的折射率差n1～n10随着从端面1a远离而以一次函数方式增加。更准确而言，满足δn(zi)＝δi的函数δn(z)通过z的一次函数δn(z)＝β0+β1z(β0、β1为常量)来赋予。

以下，对基于采用这样的折射率分布的效果进行说明。此处，为了简化，考虑使λ1＝2λ1以上且λ9＝2λ9以下的波长频带的光从啁啾光纤光栅元件1的一方的端面1a向纤芯11入射的情况。

在啁啾光纤光栅元件1中，采用光栅11a的栅距λ1～λ9随着从端面1a远离而变大的结构。因此，对于从端面1a向纤芯11入射的光而言，波长越短的成分波在越接近端面1a的区域反射。换言之，波长越长的成分波到达距端面1a越远的区域。例如，图3示出从端面1a入射至纤芯11的光所包含的波长1062.5nm、1063.5nm、1064.5nm、1065.5nm的成分波的功率分布。因此，纤芯11的光的功率密度在端面1a处成为最大，并随着从端面1a远离而变小。

在以往的啁啾光纤光栅元件中，采用使光栅11a的折射率差δn1～δn10成为恒定的结构。因此，高折射率区域11a1～11a10的发热量在最接近端面1a的高折射率区域11a1成为最大，并随着从端面1a远离而变小。相对于此，在本实施方式的啁啾光纤光栅元件1中，采用使光栅11a的折射率差δn1～δn10随着从端面1a远离而以一次函数方式增加(随着接近端面1a而以一次函数方式减少)的结构。

因此，若从端面1a入射的光的功率相同，则接近端面1a的高折射率区域11ai(例如，i＝1，2，3)的发热量比以往的啁啾光纤光栅元件变少。另外，距端面1a远的高折射率区域11ai(例如，i＝10，9，8)的发热量比以往的啁啾光纤光栅元件变多。这是因为，单位功率密度的光入射时的各高折射率区域11ai的发热量与该高折射率区域11ai所包含的缺陷(用于赋予折射率差δni的紫外线照射时产生的缺陷)的数量相关，在接近端面1a的高折射率区域11ai，照射的紫外线量相对少，因此所包含的缺陷的数量也相对少，而在距端面1a远的高折射率区域11ai，照射的紫外线量相对多，所包含的缺陷的数量也相对变多。

因此，本实施方式的啁啾光纤光栅元件1的发热量的分布成为，比以往的啁啾光纤光栅元件的发热量的分布平均化(均匀化)的分布。因此，能够使接近端面1a的高折射率区域11ai(特别是最接近端面1a的高折射率区域11a1)的温度比以往的啁啾光纤光栅元件低。作为其结果，能够使啁啾光纤光栅元件1的可靠性比以往的啁啾光纤光栅元件高。

〔实施例〕

首先，作为第一实施例，制作利用图4的图表所示的二次函数λ1(z)来决定光栅11a的栅距λi的啁啾光纤光栅元件1。在第一实施例的啁啾光纤光栅元件1中，纤芯11的直径为20μm，纤芯11相对于在纤芯11传播的光的有效折射率为1.45，构成光栅11a的高折射率区域11ai的个数约为55000个。在第一实施例的啁啾光纤光栅元件1中，通过满足δn(zout)/δn(zin)＝1.16的一次函数n(z)来决定光栅11a的折射率差δni。此处，zin是从啁啾光纤光栅元件1的入射端面1a至最接近入射端面1a的高折射率区域11a1的距离。另外，zout是从入射端面1a至最接近射出端面1b的高折射率区域11an(n是构成光栅11a的高折射率区域11ai的个数)的距离。

另外，作为第二实施例，制作利用图4的图表所示的二次函数λ2(z)决定光栅11a的栅距λi的啁啾光纤光栅元件1。在第二实施例的啁啾光纤光栅元件1中，纤芯11的直径为20μm，纤芯11相对于在纤芯11传播的光的有效折射率为1.45，构成光栅11a的高折射率区域11ai的个数约为55000个。在第二实施例的啁啾光纤光栅元件1中，通过满足δn(zout)/δn(zin)＝1.29的一次函数n(z)来决定光栅11a的折射率差δni。

另外，作为比较例，制作利用图4的图表所示的一次函数λ0(z)来决定光栅的栅距λi的啁啾光纤光栅元件。在比较例的啁啾光纤光栅元件中，纤芯的直径为20μm，纤芯11相对于在纤芯11传播的光的有效折射率为1.45，构成光栅的高折射率区域的个数约为55000个。在比较例的啁啾光纤光栅元件中，将光栅的折射率差δni设为恒定。

图5是表示第一实施例的啁啾光纤光栅元件1、第二实施例的啁啾光纤光栅元件1、以及比较例的啁啾光纤光栅元件的透射光谱的图表。

根据图5所示的图表可知：第一实施例的啁啾光纤光栅元件1以及第二实施例的啁啾光纤光栅元件1具有与比较例的啁啾光纤光栅元件相同的透射光谱。即，可确认即使采用使光栅11a的栅距λi以二次函数方式增加，并且使光栅11a的折射率差δni以一次函数方式增加的结构，也不会产生光学特性的劣化。

图6是表示第二实施例的啁啾光纤光栅元件1以及比较例的啁啾光纤光栅元件的发热量分布的图表。在图6中，作为比较例的啁啾光纤光栅元件的发热量，示出以使最大值成为100％的方式规格化的发热量。另外，在图6中，作为第二实施例的啁啾光纤光栅元件1的发热量，示出以使总发热量与比较例的啁啾光纤光栅元件的总发热量一致的方式规格化的发热量。

根据图6所示的图表，第二实施例的啁啾光纤光栅元件1，相比于比较例的啁啾光纤光栅元件，接近端面a的区域的发热量变小，作为其结果，可确认最大发热量变小。

〔变形例〕

最后，参照图7对啁啾光纤光栅元件1的变形例进行说明。图7是本变形例的啁啾光纤光栅元件1的纵剖视图(左侧)以及横剖视图(右侧)。

在本变形例的啁啾光纤光栅元件1中，取代使构成光栅11a的高折射率区域11ai的折射率差δni随着距端面1a远离而变大的结构，而采用使构成光栅11a的高折射率区域11ai的厚度di随着距端面1a远离而变大的结构。在图示的例子中，从d1/λ1＝0.3至d10/λ10＝0.5为止，比di/λi随着从端面1a远离而变大。

在该情况下，若从端面1a入射的光的功率相同，则接近端面1a的高折射率区域11ai(例如，i＝1，2，3)的发热量比以往的啁啾光纤光栅元件变少。另外，距端面1a远的高折射率区域11ai(例如，i＝10，9，8)的发热量比以往的啁啾光纤光栅元件变多。这是因为，单位功率密度的光入射时的各高折射率区域11ai的发热量与该高折射率区域11ai所包含的缺陷(用于赋予折射率差δni的紫外线照射时产生的缺陷)的数量相关，在接近端面1a的高折射率区域11ai，厚度di相对薄，因此所包含的缺陷的数量也相对少，而在距端面1a远的高折射率区域11ai，厚度di相对厚，因此所包含的缺陷的数量也相对多。

因此，本变形例的啁啾光纤光栅元件1的发热量的分布也成为，比以往的啁啾光纤光栅元件的发热量的分布平均化(均匀化)的分布。因此，能够使接近端面1a的高折射率区域11ai(特别是最接近端面1a的高折射率区域11a1)的温度比以往的啁啾光纤光栅元件低。作为其结果，能够使啁啾光纤光栅元件1的可靠性比以往的啁啾光纤光栅元件高。

〔应用例〕

光纤激光器由(1)放大用光纤、(2)与放大用光纤的一端连接的反射镜元件、(3)与放大用光纤的另一端连接的半透半反镜元件、(4)经由反射镜元件而与放大用光纤连接的激发光源、以及(5)经由半透半反镜元件而与放大用光纤连接的输出用光纤构成。反射镜元件的反射波长频带与半透半反镜元件的反射波长频带具有共通部分(以下，记载为“共通反射频带”)。

在放大用光纤的纤芯添加有稀土类元素，该稀土类元素吸收来自激发光源的激发光并向反转分布状态迁移。而且，若信号光或者自然发射光入射于迁移至反转分布状态的稀土类元素，则受激发射出激光。具有上述的共通反射频带内的波长的激光在被反射镜元件和半透半反镜元件夹着的空腔内往复的过程中递归放大，其一部分经由半透半反镜元件而向输出用光纤供给。

作为这样的光纤激光器的反射镜元件以及半透半反镜元件的一方或者双方，能够使用啁啾光纤光栅元件1。由此，即使为了抑制非线性光学效应的产生，而在实施光纤激光器的振荡波长的宽带化的情况下，也能够为了使激光在空腔内往复，而在反射镜元件以及半透半反镜元件中使激光以所希望的反射率反射。对于作为反射镜元件或者半透半反镜元件而使用的啁啾光纤光栅元件1，可以说如以下那样。

(1)啁啾光纤光栅元件1的朝向

将使啁啾光纤光栅元件1的端面中的光栅11a的栅距λi窄的一方的端面1a与放大用光纤连接的结构设为结构a。另外，将使啁啾光纤光栅元件1的端面中的光栅11a的栅距λi宽的一方的端面1a与放大用光纤连接的结构设为结构b。此时，相比于采用结构b的情况，在采用结构a的情况下，由散射引起的光的损失变小。

之所以采用结构a能够使由散射引起的光的损失变小，是因为其原因如下。如上所述，来自放大用光纤的入射光具有属于共通反射频带的波长。因此，如图8所示，来自放大用光纤的入射光在光栅11a特定的区域a2中从波长短的起依次被反射。因此，啁啾光纤光栅元件1从放大用光纤侧依次被分为：(1)从放大用光纤入射的振荡波长的激光不发生反射地传播的第一区域a1；(2)相对于从放大用光纤入射的振荡波长的激光产生反射的第二区域(与上述的特定的区域相同)a2；(3)从放大用光纤入射的振荡波长的激光中的在第二区域a2不发生反射而残留下来的激光不发生反射地传播的第三区域a3。此时，入射光以及反射光这两者都存在的第一区域a1的光密度比仅存在激光(的一部分)的第三区域a3的光密度变高。因此，采用上述的结构a的情况下，相比于采用上述结构b的情况，能够缩窄光密度高的第一区域a1的光栅11a的栅距λi。然而，栅距窄的光栅(相对于栅距而言光的波长长)相比于栅距宽的光栅(相对于栅距而言光的波长短)，难以产生由散射引起的光的损失。因此，采用上述结构a的情况下，相比于采用上述结构b的情况，能够缩小由散射引起的光的损失。

(2)纤芯的折射率分布

对于作为反射镜元件或者半透半反镜元件而使用的啁啾光纤光栅元件1所具备的纤芯11的折射率分布而言，优选上述的第二区域a2所包含的高折射率区域11a1～11an的平均折射率低于所有的高折射率区域11a1～11an的平均折射率。

通过采用上述的折射率分布，能够将啁啾光纤光栅元件1的温度抑制为比通常的光纤布拉格光栅元件(各高折射率区域的折射率与啁啾光纤光栅元件1的所有的高折射率区域11a1～11an的平均折射率相等)的温度低。这时因为，对于反射光所存在的区域的高折射率区域的平均折射率而言，采用了上述的折射率分布的啁啾光纤光栅元件1比通常的光纤布拉格光栅元件低。作为其结果，对于因反射光被高折射率区域吸收而产生的热而言，采用了上述的折射率分布的啁啾光纤光栅元件1比通常的光纤布拉格光栅元件变小。

本实施方式的啁啾光纤光栅元件(1)是在折射率为n0的纤芯形成由折射率为ni(ni＞n0)的高折射率区域(11ai)构成的光栅(11a)而成的啁啾光纤光栅元件(1)，其特征在于，上述光栅(11a)的栅距λi随着从该啁啾光纤光栅元件(1)的一方的端面(1a)远离而变大，上述光栅(11a)的折射率差δni＝ni-n0，随着从该啁啾光纤光栅元件(1)的上述一方的端面(1a)远离而变大。

本实施方式的啁啾光纤光栅元件(1)是通过在折射率为n0的纤芯形成由折射率为ni(ni＞n0)的高折射率区域(11ai)构成的光栅(11a)而成的啁啾光纤光栅元件(1)，其特征在于，上述光栅(11a)的栅距λi随着从该啁啾光纤光栅元件(1)的一方的端面(1a)远离而变大，上述高折射率区域(11ai)的厚度di随着从该啁啾光纤光栅元件(1)的一方的端面(1a)远离而变大。

根据上述的结构，在使光从上述一方的端面(1a)入射时，能够使该端面(1a)附近的发热量比光栅(11a)的折射率差为恒定的以往的啁啾光纤光栅元件(1)小。

在本实施方式的啁啾光纤光栅元件(1)中，优选上述栅距λi随着从该啁啾光纤光栅元件(1)的上述一方的端面(1a)远离而以二次函数方式增加，优选上述折射率差δni随着从该啁啾光纤光栅元件(1)的上述一方的端面(1a)远离而以一次函数方式增加。

根据上述的结构，能够将光学特性(特别是透射光谱)保持为与以往的啁啾光纤光栅元件(1)相等，并且在使光从上述一方的端面(1a)入射时能够使该端面(1a)附近的发热量小于以往的啁啾光纤光栅元件(1)。

此外，本实施方式的啁啾光纤光栅元件(1)能够作为光纤激光器的反射镜或者半透半反镜而利用。即，在放大用光纤的两端分别连接了上述啁啾光纤光栅元件(1)(一方作为反射镜，另一方作为半透半反镜而利用)而成的光纤激光器也包含于本发明的范畴。

该情况下，优选在上述啁啾光纤光栅元件(1)中，(1)将从上述放大用光纤入射的振荡波长的激光不发生反射地传播的区域设为第一区域，(2)将相对于从上述放大用光纤入射的振荡波长的激光发生反射的区域设为第二区域，(3)将从上述放大用光纤入射的振荡波长的激光中的在上述第二区域中不发生反射而残留下来的激光不反射地传播的区域设为第三区域时，第二区域所包含的高折射率区域(11ai)的平均折射率低于所有高折射率区域(11ai)的平均折射率。

根据上述的结构，能够将上述啁啾光纤光栅元件(1)的温度抑制为比通常的光纤布拉格光栅元件(各高折射率区域(11ai)的折射率与上述啁啾光纤光栅元件(1)的所有的高折射率区域(11ai)的平均折射率相等)的温度低。

〔附记事项〕

本发明不限定于上述的各实施方式，而是能够在技术方案所示的范围内进行各种变更，并且在不同的实施方式分别适当地组合公开的技术手段而获得的实施方式也包含于本发明的技术范围。

附图标记说明

1...啁啾光纤光栅元件；1a、1b...端面；11...纤芯；11a...光栅；11ai...高折射率区域；12...包层。