(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部でのウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）の伝搬をサポートするための複数のマイクロキャビティを形成するのに十分な有効半径におけるサブ波長変動を示す複数の領域を含む光ファイバであって、前記領域が、前記光ファイバの長さ方向に沿って間隔を空けた構成で形成される光ファイバと、
所定の波長での入力光信号の伝搬をサポートするための少なくとも１つの光信号導波装置であって、前記入力光信号の前記光ファイバへのエバネッセント結合を生成するとともに、前記光ファイバの中に形成される少なくとも１つのマイクロキャビティ内でＷＧＭを励起するように前記光ファイバに対して配置される少なくとも１つの光信号導波装置と、
を備えるフォトニック・デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つの光導波装置が複数の光導波装置を備え、前記複数の光導波装置のうちの各光導波装置が、前記光ファイバ内に形成される前記複数のマイクロキャビティのうちの互いに異なるマイクロキャビティに関連する、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項３】
前記複数の光導波装置が、１対１の関係で前記複数のマイクロキャビティに関連する、請求項２に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光導波装置が、エバネッセント結合を生成する光ファイバを備える、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項５】
前記光ファイバが、前記入力光信号の所定の波長の約０．１〜１０倍の直径を有する光マイクロファイバを含む、請求項４に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項６】
前記少なくとも１つの光導波装置が、平面光導波構造体を備える、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項７】
前記少なくとも１つの光導波装置が、自由空間光信号を含む、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光導波装置が、前記光ファイバのマイクロキャビティと物理的に接触して配置されて、エバネッセント結合を生成する、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項９】
前記少なくとも１つの光導波装置が、前記光ファイバの光軸に実質上垂直になるように配向される、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１０】
有効半径における前記サブ波長の変動が、前記光ファイバの物理的な半径におけるサブ波長の変動を含む、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１１】
前記光ファイバ内の少なくとも１つの領域が、前記半径の値が単調に変化するテーパー付き領域を含む、請求項１０に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１２】
前記光ファイバ内の少なくとも１つの領域が、前記半径が少なくとも１つの局所的な最大値を有するボトル領域を含む、請求項１０に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１３】
有効半径における前記サブ波長の変動が、局所的な実効屈折率の値を修正するような前記光ファイバの組成における変動を含む、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１４】
有効半径における前記サブ波長の変動が、局所的な実効屈折率の値を修正するような前記光ファイバに沿った局所的なひずみ値における変動を含む、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１５】
有効半径における前記サブ波長の変動が、化学線に曝すことによって生成される局所的な実効屈折率における変動を含む、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１６】
動的なフォトニック・デバイスが形成され、有効半径における前記サブ波長の変動が時間に応じて変化する、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１７】
前記動的なフォトニック・デバイスが、時間に応じて前記光ファイバのマイクロキャビティに加えられるひずみを変化させることによって作製される、請求項１６に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１８】
前記動的なフォトニック・デバイスが、時間に応じて前記光ファイバのマイクロキャビティの周辺温度を変化させることによって作製される、請求項１６に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項１９】
前記入力光信号がおよそ１．５μｍ程度の波長を含み、前記光ファイバに沿った複数の領域内の有効半径における前記サブ波長の変動がおよそナノメートルスケール程度である、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【請求項２０】
前記複数のマイクロキャビティのうちの１対の隣接するマイクロキャビティが、前記光ファイバに沿った所定の距離Ｌによって分離され、これらの隣接したマイクロキャビティにおけるＷＧＭ間の結合がｅｘｐ（−Ｓ）に比例し、ここで、Ｓ＝Ｌ／δｚ０であり、δｚ０が
【数１】
0005484497.tif 000018
で定義される場の変動の局所的な空間長であり、ｎｅｆｆが前記局所的な実効屈折率として定義され、λｑが共振波長であり、ｒ０が前記光ファイバの名目上の半径であり、Ｒが前記光ファイバの曲率の半径である、請求項１に記載のフォトニック・デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年２月２２日出願の米国特許仮出願第６１／４４５，５２４号の利益を主張し、これを参考として本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明は、結合フォトニック・マイクロデバイスから形成された共振器などの装置に関し、より詳細には、サブ波長（たとえばナノメートルスケール）の半径変動を有する光ファイバを利用して結合共振空洞を作製するマイクロデバイスの形成に関する。
【背景技術】
【０００３】
当技術分野で知られている小型共振フォトニック・デバイスは、結合された高Ｑ値の空洞、たとえばリング水晶共振子またはフォトニック水晶共振子から作製される。共振は、円形構造体の周辺の回りを光信号が進み、ほぼかすめるような入射角で内部反射を繰り返すときに、円形構造体の中で生成されるウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）を循環させる結果である。これらの構造体では光の漏れを非常に小さくすることができ、固有のＱ値（Ｑ値）が高くなる。Ｑ値は一般に、共振器（または任意のタイプの発振装置）に蓄えられるエネルギーに対するエネルギー損失の測定値として定義され、共振の中心周波数をその帯域幅で割った値で特徴付けられる。したがって、好ましい「高いＱ」共振器は、相対的に狭く急峻なピークを有する共振特性に関連している。
【０００４】
これらの小型共振フォトニック・デバイスを製造して、従来の平面フォトニック共振微細構造体と同様に、互いに結合することができ、より複雑な機能（たとえばフィルタ、分散補償装置、遅延線などの構造体）を実行することのできる、より複雑な構造体にしてもよい。
【０００５】
従来の共振器構造体は、伝搬する光信号のおよそ波長程度以上のサイズの形状を生成することによって形成される。たとえば、既知のリングまたはトロイドまたは球は通常、寸法が数十ミクロンである。このような構造体は普通、リソグラフィ技法（たとえば、シリコン材料をエッチングして特徴パターンを生成すること）を使用して生成されるが、結果として、表面粗さが望ましくない。リソグラフィに関連する粗さにより、伝搬する光信号の散乱が生じ、デバイスのＱ値が低下する。さらに、従来の製造プロセスが不正確であることにより、複数のデバイスを互いに結合してより複雑な構造体を形成することができる精度に限界がある。さらに小さい寸法（すなわち、サブ波長）の共振器構造体を生成することが有用になるはずであり、性能に関して一定の利点を提供するが、このようなより小さい寸法により、製造する際にさらなる困難が生じる。したがって、サブミクロンの製造において求められる確度を達成することは困難であり、光デバイスに求められる確度の再現可能な結果を達成するのに必要な技法はまだ開発されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】出願番号第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／５１８７９号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の問題に対して１つまたは複数の解決策を提供し、共振空洞を生成するのに十分なサブ波長サイズの放射状の摂動を含むように形成される微細構造を備える複雑な結合フォトニック・マイクロデバイスの開発に関し、この微細構造は、互いに結合し、相対的に複雑なフォトニック・マイクロデバイスを形成するように配置してもよい。
【０００８】
好ましい一実施形態では、共振微細構造のうちのいくつかが、光ファイバの長手方向に沿って形成され、このファイバは、ファイバ（以下に「デバイス・ファイバ」と呼ぶ）の長さ方向に沿ったいくつかの位置でＷＧＭをサポートするために使用される、半径におけるサブ波長（たとえば、ナノメートルスケール）の変動を含むように構成される。これらの局所的な半径変動の配置および分離を注意深く選択することにより、またマイクロファイバ（または他の適切な構成）を使用して、デバイス・ファイバとの間で光信号を結合することにより、複数の結合された微細構造（たとえば、リング共振器など）を形成してもよい。
【０００９】
半径における変動を使用して、長さに応じて半径が単調に減少する「テーパー付き」領域を形成してもよく、またはマイクロファイバの長さ方向に沿って特定の位置まで半径が増加し、この位置を超えると半径が減少する「ボトル」領域を形成してもよい。半径における実際の物理的な修正を使用してもよいが、屈折率の局所的な変化をもたらすこと（たとえば、ドーパントを加え、もしくは取り除くこと）、またはファイバの局所的なひずみ状態もしくは温度を変化させることにより、光ファイバの「有効半径」におけるサブ波長の変化を実現することも可能である。有効半径での変化は、時間に応じて変化してもよく（たとえば、第１の期間にひずみを加え、第２の期間にひずみを取り除く）、あるタイプの光スイッチング・デバイスを生成する。両方のタイプの変動（物理変動および有効変動）の組合せも使用してよい。
【００１０】
実施形態によっては、複数のマイクロファイバ（すなわち、直径がおよそ１ミクロン以下のファイバ）を使用して、デバイス・ファイバの長さ方向に沿った複数の異なる位置でＷＧＭを励起してもよい（すなわち、デバイス・ファイバの長さ方向に沿って形成された複数の微細構造に複数のマイクロファイバを関連付ける）。
【００１１】
他の実施形態では、「励起」マイクロファイバを平面導波路で置き換えて、光入力信号をデバイス・ファイバに供給し、同様に、伝搬する光信号の一部分をデバイス・ファイバに結合させ、ＷＧＭを励起して、デバイス・ファイバの特定の領域内で循環させることができる。また、自由空間の光入力信号を使用してもよい。他の実施形態では、マイクロファイバ、平面導波路、自由空間光信号、または一般に、デバイス・ファイバ（以下に時々「光導波装置」と呼び、自由空間信号を利用することを含むものとする）に光信号を導くための任意の適切な装置の組合せを使用することが示してある。
【００１２】
入力信号導波装置（マイクロファイバ、平面導波路、自由空間光源など）は、デバイス・ファイバへの光信号のエバネッセント結合を可能にするために、デバイス・ファイバの十分近くに配置する必要がある。一実施形態では、入力信号導波装置は、（すべての場合に物理的な接触が必要なわけではないが）デバイス・ファイバと物理的に接触するよう配置してもよい。入力光導波装置のデバイス・ファイバへの相対的な配向が、この２つの要素間で実現される結合度合いの要因でもあり、入力光信号の伝搬方向がデバイス・ファイバの光軸に垂直に配置されるときに、最適な結合が実現する。
【００１３】
具体的な一実施形態では、本発明は、内部でのウィスパリングギャラリーモード（ＷＭＧ）の伝搬をサポートするための複数のマイクロキャビティを形成するのに十分な有効半径におけるサブ波長変動を示す複数の領域を含む光ファイバを備えるフォトニック・デバイスを定義し、これらの領域は、光ファイバの長さ方向に沿って間隔を空けた構成で形成され、このデバイスは、所定の波長での入力光信号の伝搬をサポートするための少なくとも１つの光信号導波装置を有し、この少なくとも１つの光導波装置は、入力光信号の光ファイバへのエバネッセント結合を生成し、光ファイバの中に形成される少なくとも１つのマイクロキャビティ内でＷＧＭを励起するように光ファイバに配置される。
【００１４】
したがって、これら実施形態の様々な組合せにより、デバイス・ファイバでのサブ波長（たとえば、ナノメートルスケール）の変動を生成することに基づいて、多数の異なる複雑な構造体の生成が可能になる。
【００１５】
実際には、本発明のさらなる他の変形形態および態様は、以下の議論の過程で、また添付図面を参照することによって明らかになるであろう。
【００１６】
次に各図面を参照すると、いくつかの図において同様の番号は同様の部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】閉じ込められた領域内でのウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）をサポートするために使用されるファイバの半径におけるサブ波長スケールの変動を示す、本発明の例示的な構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、光ファイバの半径がサブ波長スケールで増大し、続いて低減する「ボトル」領域を利用する、本発明の一実施形態を示す図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の実施形態での場の振幅をプロットした図である。
【図３】図３（ａ）乃至（ｄ）は、テーパー付きのデバイス・ファイバに沿った入力マイクロファイバの様々な位置での、共振場の振幅の表面をプロットした図であり、図３（ｅ）は、３つの異なる状態（ｎ＝０、１、２）における暗状態の空間分布を示す図であり、図３（ｆ）は、入力マイクロファイバの１つの例示的な位置における伝送をプロットしたグラフであり、図３（ｇ）は、長さに応じた、デバイス光ファイバの半径変動をプロットした図である。
【図４】本発明に従って形成される微小共振器の形の結合微細構造の例示的な構成を示す図である。
【図５】例示的なリング微細構造を示す図であり、図５（ａ）は、本発明の結合マイクロキャビティを含むデバイス・ファイバから形成されるリング微細構造を示す図であり、図５（ｂ）は、従来技術の平面リング微細構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
フォトニクスでは、共振構造体の「暗状態」は、導波路への結合が禁止されているか、または通常の（明るい）状態よりもはるかに小さい状態として定義される。暗状態は、もともとは光と原子の相互作用において探究されており、電磁誘導透過の効果を生じることで知られている。暗状態の理解および利用は、光の低減、停止および格納、高精度分光法、センシング、原子時計、計測などに対して基本的に重要である。最近では、フォトニック、プラズモン、およびメタ材料のナノ構造に暗状態を適用することに関心が集まっている。
【００１９】
本発明のために、結合高Ｑ値マイクロキャビティ（たとえば、リング共振器、フォトニック結晶共振器）から生成されるフォトニック・デバイスに対して暗状態の属性が調査される。これらのデバイスの許容可能な性能は、サブナノスケールの製作確度を必要とし、これらのデバイスを形成するのに使用される製作方法および材料における不完全性に著しく影響される。
【００２０】
明確な暗状態は、しっかり閉じたＷＧＭの形での横方向のマイクロファイバに結合された光ファイバに存在することが分かってきたが、これは、２０１１年９月１６日出願の同時係属の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／５１８７９号で詳細に論じ、参考として本明細書に援用する。暗状態の出現は、ファイバの相対的に単純な（すなわち、線形または２次の）ナノメートルスケールの半径変動によって確実になる。このような小さな変動は、光ファイバ内に自然に存在するか、または製造後のプロセスにおいて制御された方法でもたらすことができる。以下で詳細に述べるように、ナノメートルスケールのフォトニック・デバイスにおける暗状態の存在を利用することができると、光を検知し、切り替え、減速するためにファイバ・ベースのデバイスを使用する機会が生まれる。シリカでできているので、これらのデバイスは、同程度のリソグラフィで製造される共振器デバイスよりもはるかに小さな損失を示すが、単一光ファイバ（「デバイス・ファイバ」）内に集積することができるという利点も提供する。
【００２１】
図１には、光ファイバのテーパー付きの部分においてＷＧＭを生成するのに利用される例示的な構成が示してあり、前述の我々の同時係属出願においてより完全に説明している。図に示すように、光ファイバ１０（以下に「デバイス・ファイバ１０」と呼ぶ）は、テーパー付き領域１２を含むように形成され、このテーパーは、ナノメートルスケールで形成される。すなわち、デバイス・ファイバ１０の半径は、長さに応じてナノメートルスケールで低減するように形成される。テーパー付き領域１２の例示的な長さｌは、一般に、およそ伝搬する光信号に関連する波長程度である（たとえば、１．３または１．５μｍの入力信号に対して、テーパー付き領域の長さｌは、およそ１ミクロン程度であることが適切である）。
【００２２】
光マイクロファイバ１４は、入力光信号をデバイス・ファイバ１０に供給する。一般に、「マイクロファイバ」は、直径が伝搬波長の約０．１〜１０倍程度の光ファイバとして定義され、１．５μｍの信号の場合、これは、直径がおよそ０．１５〜１５μｍということになる。エバネッセント結合を生成する任意の適切なタイプの光ファイバを使用して、入力信号をデバイス・ファイバ１０に供給してもよく、ただ便宜上、この議論では用語「マイクロファイバ」を使用することを理解されたい。図１を参照すると、光マイクロファイバ１４は、デバイス・ファイバ１０の十分近くに配置され、その結果、エバネッセント結合が生じ、マイクロファイバ１４に沿って伝搬する光信号の少なくとも一部分が、デバイス・ファイバ１０に進む。一実施形態では、光マイクロファイバ１４は、デバイス・ファイバ１０と物理的に接触するように配置して、エバネッセント結合の生成を確実なものにしてもよい。さらに、光マイクロファイバ１４は、最大の結合効率を実現するように、デバイス・ファイバ１０の光軸（図１のｚ軸）に対して垂直に配向されることが好ましい。本発明により他の配向を使用し、やはりデバイス・ファイバ１０内にＷＧＭを生成してもよいことが明らかである。
【００２３】
続いて図１を参照すると、光信号Ｏをマイクロファイバ１４に導くために使用される光源１６が示してある。光信号Ｏがマイクロファイバ１４に沿って伝搬するとき、この信号Ｏの一部分がデバイス・ファイバ１０のテーパー付き領域１２にエバネッセントに結合し、図１に示すように、デバイス・ファイバ１０とマイクロファイバ１４の間のオーバラップ部分の近傍内のデバイス・ファイバ１０内にＷＧＭを生成する。光信号Ｏは、マイクロファイバ１４に沿って伝搬を続け、最終的に検出器１８に結合され、この結合器が、受信信号の特性を測定してデバイス・ファイバ１０内の共振の挙動を監視するが、詳細は以下で論じることになる。以下に記述する様々な実施形態は、デバイス・ファイバと相互作用しＷＧＭを励起するためのマイクロファイバの使用を説明するが、デバイス・ファイバ１０内でＷＧＭを励起するための光「入力／出力」として、他のタイプの光平面導波路構造体または自由空間光信号（すなわち光導波構成）を使用できることにも留意されたい。
【００２４】
以下に論じるデバイス・ファイバ１０に沿ったＷＧＭの特性長は、およそΔｚが１００μｍ程度である。結果として、この長さに沿ったナノメートルスケールのファイバの半径変動は、およそ１メートル程度の曲率Ｒのきわめて大きい半径に対応する。図１の構成において、ターニング・ポイントｚｔと、マイクロファイバ１４がデバイス・ファイバ１０に結合するポイントｚ１との間に暗状態が完全に閉じ込められるようになることが分かる。
【００２５】
図２（ａ）には、本発明の一実施形態が示してあり、デバイス・ファイバ１０は、図１のデバイスで示したテーパー付き領域１２の代わりに「ボトル」領域２０を含む。図２（ａ）を参照すると、デバイス・ファイバ１０の領域２０は、ファイバの半径が単調に増大する第１の部分２２と、続いてファイバの半径が単調に低減する第２の部分２４を含む。マイクロファイバ１４は、前述したのと同様に、ボトル領域２０内でＷＧＭを励起するために使用される。この構成では、ＷＧＭは、デバイス・ファイバ１０に沿って、ターニング・ポイントｚｔ１とｚｔ２の間で閉じ込められ、図２（ｂ）の場の振幅のプロットに示すように、マイクロファイバ１４が閉じ込められたＷＧＭのノードに配置される場合に暗状態が生成される。
【００２６】
本発明の目的として、デバイス・ファイバ１０（具体的には、テーパー付き領域１２、２２または２４）は、以下のように定義される小さくサブ波長スケールの半径変動を有するものと考えられる。
ｒ（ｚ）−ｒ０＝Δｒ（ｚ）
ここで、ｒ０は名目上の半径であり、ｚはファイバ軸として定義される。マイクロファイバ１４によって励起されたＷＧＭは、以下に定義される波長の近傍で共振する。
λ＝λｑ＝２πｎｅｆｆｒ０／ｑ
ここで、ｑは大きい正の整数であり、ｎｅｆｆはＷＧＭの実効屈折率である。この分析を目的として、マイクロファイバ１４は、位置ｚ＝ｚ１でのデバイス・ファイバ１０の表面で発射されるコヒーレントな光の点光源と考えられ、波長λｃは共振の近くにある。すなわち、｜λｃ−λｑ｜＜＜λｑ／ｑである。円柱座標では、共振ＷＧＭは、Ｕ（ｚ，ρ，φ，λ）＝ｅｘｐ（ｉｑφ）Ｆ（ρ）Ｇ（ｚ，ｚ１，λ）と定義され、Ｆ（ρ）は、デバイス・ファイバ１０の標準半径モードの成分であり、Ｇ（ｚ，ｚ１，λ）は、シュレディンガー方程式のグリーン関数に比例する。
Ｇｚｚ＋ｋ２（ｚ）Ｇ＝Γδ（ｚ−ｚ１）
ここで、
【数１】
0005484497.tif 000002
ここで、ｋ（ｚ）は、伝搬定数の小さいｚ成分であり、γおよびΓは、それぞれ減衰定数および結合定数である。マイクロファイバ１４を通る共振伝送振幅ｆ（λ）は以下のように定義される。
ｆ（λ）＝１−Ｇ（ｚ１，ｚ１，λ）
【００２７】
図１の実施形態（デバイス・ファイバ１０に沿ったテーパー付き領域１２）では、Δｒｚがｚとともに単調に増大し、マイクロファイバ１４がない場合、どんな局在化状態もサポートしない。したがって、この構成についてのシュレディンガー方程式の解は、ｚ≧ｚ１で発せられる波であり、ターニング・ポイントｚｔ（すなわち、ｋ（ｚ）＝０であるポイント）よりも小さいｚについては指数関数的に消失する。暗状態の量子化波長、すなわち
【数２】
0005484497.tif 000003
においては、破壊的な干渉の状態は
【数３】
0005484497.tif 000004
であることを要する。上記関係から分かるように、これらの波長では、Ｇ（．）＝０すなわちマイクロファイバ１４の位置での共振場の振幅がゼロに等しいので、マイクロファイバ１４と暗状態は光学的に分離される。この同じ時刻に、これら同じ波長では、デバイス・ファイバ１０の軸ｚに沿った光の分布が完全に局所化される。
【００２８】
上式はまた、任意のΔｒ（ｚ）に対して共振場および伝送振幅を決定し、Δｒ（ｚ）がそれぞれ一定で線形の関数であるとき、一様で円錐形の微小共振器の場合を一般化する。これら２つの状況を比較するために、Δｒ（ｚ）の２次変動を考慮する。すなわち、ｒ（ｚ）＝ｒ０＋ｚ２／（２Ｒ）である。シュレディンガー方程式の解は、
【数４】
0005484497.tif 000005
で表される波長の無次元偏差、および
【数５】
0005484497.tif 000006
で表される距離を介して表すことができる。
【数６】
0005484497.tif 000007
ここで、
【数７】
0005484497.tif 000008
【００２９】
図３（ａ）〜（ｄ）には、マイクロファイバのそれぞれ以下の固定された無次元の位置
【数８】
0005484497.tif 000009
（「２」の値が図３（ｄ）などに関連しており、「８」の値が図３（ａ）のプロットに関連している）についての平面
【数９】
0005484497.tif 000010
における共振場
【数１０】
0005484497.tif 000011
の振幅の表面プロットが示してある。図３（ａ）〜３（ｄ）のそれぞれにおいて、図面の左手部分は、マイクロファイバ１４とデバイス・ファイバ１０の相対的な位置を示しており（「ｚ」の値が位置を定義する）、図面の右手部分は、共振場の振幅の関連する表面プロットを示している。これらのプロットの興味深い特徴は、同じ波長すなわち
【数１１】
0005484497.tif 000012
においてスペクトルのすべてがカットオフになることである。
【００３０】
図３（ａ）の垂直線は、第１の３つの暗状態
【数１２】
0005484497.tif 000013
を示し、空間振幅分布が図３（ｅ）に示してある。これら暗状態が、デバイス・ファイバ１０とマイクロファイバ１４の間の接触ポイントにおいて、その光源から離れて局所化していることに留意することは興味深い。マイクロファイバ１４の伝送振幅が、
【数１３】
0005484497.tif 000014
の場合について、図３（ｆ）にプロットされている。図３（ｇ）には、（共振特性から計算した通り）領域１２に沿ったデバイス・ファイバ１０の半径の変動が示してあり、開発された理論から以下の通り、図３（ａ）〜（ｄ）の表面プロットにおける主ピークの偏移に比例する。デバイス・ファイバ１０に沿った半径変動の実験測定に関して、この結果を以下で詳細に論じる。要約すると、ｒ０が約５０μｍ、Ｒが約１００ｍ、λが約１．５μｍの従来の光ファイバにおいては、共振場の特有のサイズおよびスペクトル幅は、それぞれδｚ０が約１００μｍであり、δλ０が約３ｐｍであることを、上式から結論づけることができる。
【００３１】
ここで、図２に示した「ボトル」構成を参照すると、半径変動Δｒ（ｚ）が完全に局所化された状態（「ボトル状態」とも呼ばれる）をサポートすることが分かる。領域２０に沿ったデバイス・ファイバ１０の半径のもっとも単純な２次変動が以下で定義される。
ｒ（ｚ）＝ｒ０−ｚ２／（２Ｒ）
また、共振スペクトルの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）が以下で定義される。
【数１４】
0005484497.tif 000015
上記に定義した同じパラメータを有する従来の光ファイバでは、図２の構成により、およそ２ｐｍ程度のΔλＦＳＲの値が生じる。前述の通り、図２（ｂ）に示すように、マイクロファイバ１４の位置（すなわちｚ１）がそのノードと一致する場合、ボトル状態が暗くなる。
【００３２】
図４には、本発明に従って形成される微小共振器の形の結合微細構造の例示的な構成が示してある。この具体的な実施形態では、デバイス・ファイバ１００が、１対のボトル形状の微小共振器１１０および１１２を含むように形成され、各微小共振器が、サブ波長スケールの半径変動を示すように形成され、前述の方法でＷＧＭをサポートすることができる。図４に示した具体的な構成では、第１のマイクロファイバ１３０−１が、第１の微小共振器１１０内でＷＧＭを励起するために使用され、位置ｚ１においてデバイス・ファイバ１００に沿った（好ましくは、デバイス・ファイバ１００の光軸ｚに対して実質上直交して（垂直に）配向された）微小共振器１１０に沿って配置される。同様にして、第２のマイクロファイバ１３０−２が、位置ｚ２において第２の微小共振器１１２に沿って配置され、この場合、第２の微小共振器１１２から外部結合したＷＧＭを受けるのに使用される。一般に、マイクロファイバ１３０−１および１３０−２を使用して、関連する微小共振器のＷＧＭとの間で光を結合することができる。これら要素のそれぞれのボトル構成を考慮すると、１対のターニング・ポイントがＷＧＭを閉じ込めるように示してあり、ターニング・ポイントｚｔ１およびｚｔ２が第１の微小共振器１１０に関連しており、ターニング・ポイントｚｔ３およびｚｔ４が第２の微小共振器１１２に関連している。第１の共振器１１０のターニング・ポイントｚｔ２と第２の共振器１１２のターニング・ポイントｚｔ３の間の長さＬの分離がやはり図４に示してある。すなわち、この長さＬは、共振器１１０および１１２それぞれの縁部間の長さを表す。
【００３３】
各微小共振器におけるＷＧＭは、上記に定義した場の変動δｚ０の空間長を示す。すなわち以下の通りである。
【数１５】
0005484497.tif 000016
本発明によれば、デバイス・ファイバ１００に沿った半径のナノメートルスケールの変動は、およそ数十ミクロン程度のδｚ０についての値になることが分かる。微小共振器１１０と１１２の間の結合は、ｅｘｐ（−Ｓ）の量に比例し、ここでＳ＝Ｌ／δｚ０である（また、Ｌは上記に定義した微小共振器の「縁部」間の距離である）。
【００３４】
たとえば、ほぼ３０μｍのδｚ０の値に対して、ほぼ１００μｍの距離Ｌにより、各モード間での非常に著しい結合が確実になる。より正確には、２つの同一共振器について、共振波長間の分離が以下のように決まる。
【数１６】
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【００３５】
前述の通り、本発明の一態様は、複数の入力／出力光信号経路（マイクロファイバ、平面導波路光源、自由空間信号、またはそれらの任意の組合せであり、まとめて「光導波装置」と呼ぶ）から構成される相対的に複雑なデバイスを作製できることであり、ファイバの長さ方向に沿ったサブ波長スケールの半径変動をもたらすことにより、複数の共振構造を含むように形成される単一のデバイス・ファイバとともに使用される。図５（ａ）には、このような複雑な構造体の１つが示してあり、この場合、１対のマイクロファイバ２００、２１０とともに、図４に示す微小共振器１１０および１１２を利用する。図５（ａ）に示すマイクロファイバ２００および２１０の位置決めにより、図５（ｂ）に示す従来技術の平面リング微小構造と同様の構成が作製されるが、サブ波長の寸法で作製され、単一の光ファイバ内に集積化される。
【００３６】
これらおよび同様のデバイスの性能は、サブナノスケールの設計確度を必要とし、製造法が不完全であることに著しく影響される。シリカから形成される同様のマイクロデバイスを有することが望ましいが、これらマイクロデバイスは、同様のリソグラフィで製造されるフォトニック回路と比較して伝搬損失がはるかに小さく、感度、Ｑ値、遅延時間などに対してはるかに良好な性能を潜在的に示すはずである。近赤外の光波長（約１．３μｍや１．５μｍ一般的な遠隔通信用の波長などの）で動作するマイクロデバイスにとって高純度シリカが適切な材料選択であるが、他の波長に対しては、他の材料選択がより有益になることもある。たとえば、２μｍを超える波長では、フッ化物またはカルコゲニドのファイバを使用してもよい。
【００３７】
各図面に示したデバイス・ファイバ１０および１００の実施形態では、ファイバ半径における物理変化を使用して結合微細共振器構造体を作製する様子が示してある。このタイプの物理変化は、従来の光ファイバを局所的に伸長させるか圧縮するかしながら、この光ファイバを加熱することによって形成することができる。局所エッチングなど他の技法を使用して、ファイバ半径における長さに応じた所望のサブ波長の変動をもたらすことができる。
【００３８】
本発明の代替実施形態では、ファイバの物理的な半径と局所的な屈折率の値ｎｅｆｆの両方によってＷＧＭの特性が制御されるので、一定のファイバ半径を維持しながらｎｅｆｆを変化させることにより（あるいは、両方のパラメータを変化させることが可能である）、本発明による結合共振器微小構造体を作製することが可能である。ｎｅｆｆの値を変更することは、ガラスのひずみ状態を変更すること（たとえば、ひずみの下でファイバを引っ張り、次いで局所的に加熱してひずみをアニールし、したがって局所的な屈折率を増大させること）により、組成を変更することにより、または化学線に曝されると屈折率が変化する光屈折効果などのよく知られた方法によって屈折率を変更することにより、実現することができる。後者の場合、少なくともファイバの外部領域を、ＧｅまたはＳｎなどの適切な材料でドープして、ガラスの光屈折特性に影響を与えてもよい。たとえば、光ファイバの製造中に、構造体にドーパントを加える（または構造体から抽出する）ことができる。これらの変更は、「一度設定したら後はお任せ（ｓｅｔ−ｉｔ−ａｎｄ−ｆｏｒｇｅｔ−ｉｔ）」の操作で実行することができ、または、ファイバ半径および組成のうちのいずれか１つ（もしくは両方）を変更しながら構造体の挙動を連続して監視することができる。
【００３９】
あるいは、デバイス・ファイバの局所領域の周囲温度を変化させることなどにより、ファイバ半径の変化を動的にもたらす（すなわち、時間に応じて変化させる）ことができる。このタイプの動的制御により、光スイッチを作製することが可能になる。
【００４０】
実際には、ｎｅｆにおける永久または可逆性の変化を誘起する任意のメカニズムを使用して、本発明による微小共振器構造体を作製してもよい。
【００４１】
一般に、半径の「物理的」な変化および局所的な屈折率の変化は、本発明の目的のためのデバイス・ファイバの「有効半径」に変化をもたらすものとみなされる。有効半径におけるサブ波長のスケール変化は、やはり、光ファイバの物理的な半径と局所的な屈折率の両方を修正することによってもたらされてもよいことを理解されたい。さらに、デバイス・ファイバの半径変動は、単調でもよく、局所的に最小および最大でもよく、またはいくつかの位置で最大および最小でもよい。
【００４２】
本発明の具体的な実施形態は、０．０１〜１００ｍｍの長さにわたって０．１〜１００ｎｍの半径変動を有し、半径が約１μｍの横方向のマイクロファイバによって励起されるＷＧＭ用の光微小共振器として使用される光ファイバを利用してもよい。前述の通り、マイクロファイバは、平面導波路構造または自由空間信号で置き換えることができ、具体的な実施形態では、これらの光導波構成の組合せを使用して、単一デバイス・ファイバに沿って形成される複数の別々の微小共振器構造体に複数の別々の光信号（および／またはデバイス・ファイバからの外部結合光信号）を導いてもよい。
【００４３】
本発明の様々な態様の説明を容易にするために、本発明の具体的な例がこれまで詳細に記述されているが、本発明は、それらの例の詳細内容に本発明を限定するものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲内にあるすべての修正形態、実施形態および代替形態を含むものである。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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