(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射が閉じ込められる少なくとも１つの誘電内部コア領域と、
前記内部コア領域を取り囲む少なくとも２つの外部誘電領域であって、それぞれが異なる屈折率を有し、該外部領域により電磁放射が前記内部コア領域内に閉じ込められる外部誘電領域と、を備え、
前記外部領域は低誘電材料と高誘電材料の交互層群を含み、
前記屈折率、外部領域の数、外部領域の厚さにより、前記電磁放射の波長レンジに対する全ての偏光に対し０°から少なくとも８０°の範囲の全ての入射角において、平面構造で９５％より大きな反射率が得られるデバイス。
【請求項２】
前記デバイスは円形断面を有する請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記内部コア領域は低誘電材料を含む請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
前記内部コア領域はガスを含む請求項３記載のデバイス。
【請求項５】
前記内部コア領域は空気を含む請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
前記低誘電材料はポリマーまたはガラスを含む請求項１記載のデバイス。
【請求項７】
前記高誘電材料はゲルマニウムまたはテルルを含む請求項１記載のデバイス。
【請求項８】
電磁放射が閉じ込められる少なくとも１つの誘電内部コア領域と、
前記内部コア領域を取り囲む少なくとも２つの外部誘電領域であって、それぞれが異なる屈折率を有し、該外部領域により電磁放射が前記内部コア領域内に閉じ込められる外部誘電領域と、を備え、
前記外部領域は誘電体と薄い金属材料の交互層群を含み、
前記屈折率、外部領域の数、外部領域の厚さにより、前記電磁放射の波長レンジに対する全ての偏光に対し０°から少なくとも８０°の範囲の全ての入射角において、平面構造で９５％より大きな反射率が得られるデバイス。
【請求項９】
前記デバイスは高出力電磁放射をガイドするために使用される請求項１記載のデバイス。
【請求項１０】
前記デバイスは少なくとも１つの広帯域領域の電磁放射をガイドするために使用される請求項１記載のデバイス。
【請求項１１】
前記デバイスは複数の広帯域領域の電磁放射をガイドするために使用される請求項１記載のデバイス。
【請求項１２】
前記広帯域領域における電磁放射は単一モードである請求項１１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記広帯域領域における電磁放射はマルチモードである請求項１１記載のデバイス。
【請求項１４】
前記デバイスは電磁放射を閉じ込めるミクロキャビティとして使用される請求項１記載のデバイス。
【請求項１５】
光が閉じ込められる少なくとも１つの内部コア領域と、
前記内部コア領域を取り囲む少なくとも２つの外部領域であって、それぞれが異なる屈折率を有し、該外部領域により光が前記内部コア領域内に閉じ込められる外部領域と、を備え、
前記外部領域は低誘電材料と高誘電材料の交互層群を含み、
前記屈折率、外部領域の数、外部領域の厚さにより、前記光の波長レンジに対する全ての偏光に対し０°から少なくとも８０°の範囲の全ての入射角において、平面構造で９５％より大きな反射率が得られる、全方向反射を示す導波路。
【請求項１６】
光が閉じ込められる少なくとも１つの内部コア領域と、
前記内部コア領域を取り囲む少なくとも２つの外部領域であって、それぞれが異なる屈折率を有し、該外部領域により光が前記内部コア領域内に閉じ込められる外部領域と、を備え、
前記外部領域は低誘電材料と高誘電材料の交互層群を含み、
前記屈折率、外部領域の数、外部領域の厚さにより、前記光の波長レンジに対する全ての偏光に対し０°から少なくとも８０°の範囲の全ての入射角において、平面構造で９５％より大きな反射が得られるミクロキャビティ。
【請求項１７】
前記外部誘電領域の屈折率は等方性である請求項１記載のデバイス。
【請求項１８】
前記外部誘電領域のそれぞれの屈折率は前記誘電内部コア領域の屈折率よりも大きい請求項１７記載のデバイス。
【請求項１９】
前記外部誘電領域のそれぞれの屈折率は前記誘電内部コア領域の屈折率よりも大きい請求項１記載のデバイス。
【請求項２０】
前記外部誘電領域の屈折率変化は、前記誘電内部コア領域から前記外部誘電領域に入射する電磁放射の全方向反射の周波数レンジを生成し、前記周波数レンジにおける全方向反射は、垂直入射電磁放射のバンド端に対応する周波数ωhにより上から規定され、ＴＭ電磁放射のバンド端と前記誘電内部コア領域により規定される光線との交わりに対応する周波数ωlにより下から規定される請求項１記載のデバイス。
【請求項２１】
前記外部誘電領域の屈折率変化は、（ωh−ωl）／［（１／２）（ωh＋ωl）］で定義されるレンジ対ミッドレンジ比を形成し、前記レンジ比は１０％以上である請求項２０記載のデバイス。
【請求項２２】
前記外部誘電領域の屈折率変化は、（ωh−ωl）／［（１／２）（ωh＋ωl）］で定義されるレンジ対ミッドレンジ比を形成し、前記レンジ比は２０％以上である請求項２０記載のデバイス。
【請求項２３】
前記外部誘電領域の屈折率変化は、（ωh−ωl）／［（１／２）（ωh＋ωl）］で定義されるレンジ対ミッドレンジ比を形成し、前記レンジ比は３０％以上である請求項２０記載のデバイス。
【請求項２４】
前記外部誘電領域の屈折率変化は、（ωh−ωl）／［（１／２）（ωh＋ωl）］で定義されるレンジ対ミッドレンジ比を形成し、前記レンジ比は４０％以上である請求項２０記載のデバイス。
【請求項２５】
電磁放射が閉じ込められる少なくとも１つの誘電内部コア領域と、
前記内部コア領域を取り囲む少なくとも２つの外部誘電領域であって、それぞれが異なる屈折率を有し、該外部領域により電磁放射が前記内部コア領域内に閉じ込められる外部誘電領域と、を備え、
前記外部領域は低誘電材料と高誘電材料の交互層群を含み、
前記外部誘電領域の屈折率変化は、前記誘電内部コア領域から前記外部誘電領域に入射する電磁放射の全方向反射の周波数レンジを生成し、前記周波数レンジにおける全方向反射は、垂直入射電磁放射のバンド端に対応する周波数ωhにより上から規定され、ＴＭ電磁放射のバンド端と前記誘電内部コア領域により規定される光線との交わりに対応する周波数ωlにより下から規定され、
前記屈折率、外部領域の数、外部領域の厚さにより、前記電磁放射の波長レンジに対する全ての偏光に対し０°から少なくとも８０°の範囲の全ての入射角において、平面構造で９５％より大きな反射率が得られるデバイス。
【請求項２６】
前記誘電内部コア領域の屈折率をｎ0、外部誘電領域の高誘電材料層及び低誘電材料層の屈折率をそれぞれｎ1、ｎ2、膜厚をそれぞれｈ1、ｈ2とした場合、ｎ1＞ｎ2＞ｎ0である請求項２５記載のデバイス。
【請求項２７】
前記周波数ωh及び周波数ωlはωh＞ωlであり、それぞれ
0003643774.tif 000012
で与えられる請求項２６記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この出願は１９９８年、１０月１４日に出願された暫定出願番号第６０／１０４，１５３号について優先権を主張する。
【０００２】
（技術分野）
この発明は光導波（optical waveguide）の分野に関し、特に電磁放射の導波を増強させるための全方向多層デバイス（device）に関する。
【０００３】
鏡はおそらく光学デバイス中で最も一般的なものである。古代人は鏡を知っており崇拝と美の対象として使用し、現在では鏡は画像化、太陽エネルギーの収集、レーザ空洞（キャビティ：cavity）において使用されている。鏡のおもしろい光学的性質は、科学者のみらず、芸術家や作家の想像力を捕らえてきた。
【０００４】
２つの型の鏡、すなわち昔から続いている金属の鏡とより最近の誘電体の鏡とに分類することができる。金属の鏡は任意の角度から入射する広いレンジ（range）の周波数にわたり、光を反射する。すなわち、全方向反射である。しかしながら、赤外及び可視周波数では、数パーセントの入射パワーは吸収により典型的には失われる。多層誘電体鏡は主に特別な角度あるいは特別の角度範囲から入射する狭いレンジの周波数を反射させるために使用される。対応する金属鏡とは異なり、誘電体反射器の損失は非常に低いものとすることができる。
【０００５】
全誘導体構造に対し、任意の入射角の光を反射することができる能力は、完全な光子バンドギャップの存在と関連する。このバンドギャップは３つの直交する方向に沿って周期的な誘電体機能を有するシステムにおいてのみ存在することができる。実際、最近の理論的な解析によると、１つの界面を有する周期システムにおいて全方向反射を達成するための十分条件は、雰囲気媒質の光円錐上方の位相空間においてオーバーラップバンドギャップ領域が存在することであることが予想された。
【０００６】
理論的解析は拡張され、赤外周波数において動作可能な多層全方向反射器が実験的に提供されている。その構造は異なる誘電定数を有する材料（ポリスチレンとテルル）の薄層で構成され、金属鏡と誘電体鏡の両方の特徴が結合されている。その構造は、周波数選択性を備えた金属様の全方向反射と、多層誘電体に典型的な低損失挙動を示す。
【０００７】
（発明の開示）
したがって、この発明によれば、電磁放射が閉じ込められる少なくとも１つの内部コア領域と、前記内部領域を取り囲む少なくとも２つの外部領域とを有し、その領域はそれぞれ異なる屈折率を有するデバイスが提供される。外部領域は電磁放射を内部コア領域内に閉じ込める。屈折率、外部領域の数及び外部領域の厚さにより、平面構造では、電磁放射の波長レンジに対し全ての偏光において、０°から少なくとも８０°までの範囲の入射角に対し９５％を超える反射率が得られる。例示的な実施の形態においては、内部コア領域は低誘電材料で形成され、外部領域は低誘電材料と高誘電材料の交互層を含む。この発明の１つの観点では、デバイスは導波路であり、他の観点ではデバイスは微小空洞（ミクロキャビティ：microcavity）である。
【０００８】
（発明の実施の形態）
図１は、本発明にかかる多層周期誘電膜構造１００の１つの例示的な実施の形態の簡略化したブロック図である。この構造は、界面で、ｎ0で特徴付けられる（例えばｎ0＝１の空気）均一な媒質に結合された交互の誘電層１０２、１０４のアレイから形成される。電磁波は均質な媒質から多層膜に入射する。そのようなシステムに対する全方向反射の可能性は現在認識されている。ｈ1及びｈ2は層の厚さであり、ｎ1及びｎ2はそれぞれの層１０４，１０２の屈折率である。
【０００９】
例示的な入射波は波ベクトル
【数１】
0003643774.tif 000002
【００１０】
及びω＝ｃ｜ｋ｜の周波数を有する。波ベクトルは周期構造１００に対する垂線と共に、２つの独立した電磁モード、横電気（ＴＥ）モードと横磁気（ＴＭ）モードとの間の区別を可能にする対称な鏡面を規定する。ＴＥモードでは、電場はその面に対し垂直であり、ＴＭモードでは磁場がその面に垂直である。層状構造内の１つの特別な層でのＴＥモードの電場（あるいはＴＭモードにおける磁場）の分布は、反対方向に進む２つの平面波の合計として記すことができる。１つのセルの１つの特別な面α内の２つの平面波の振幅は、ユニタリ２×２変換行列Ｕ(α)により隣接するセルの同じ層内の振幅に関連する。
【００１１】
限定構造の輸送特性の一般的な特徴は、無限構造の特性を解明すると理解することができる。無限数の層を有する構造では、層群に垂直な方向に沿う並進対称により、以下の式の型のブロッホの波の解が導かれる。
【００１２】
【数２】
0003643774.tif 000003
【００１３】
式において、Ｅk（ｘ）は長さａの周期を有する周期関数であり、Ｋは以下の式で表されるブロッホの波数である。
【００１４】
【数３】
0003643774.tif 000004
【００１５】
無限系の解は伝播するものでも一過性のものであってもよく、それぞれ、実または虚のブロッホ波数に対応する。式２の解は無限系ω（Ｋ，ｋy）に対するバンド構造を規定する。
【００１６】
ω（Ｋ，ｋy）関数をω−ｋy面上に投影することにより無限構造の解を表すと好都合である。図２Ａ及び図２Ｂはそのような投影された構造の例である。
【００１７】
図２Ａは光線（ライトライン：light line）２００とブルースター線２０２と共に多層膜の投影されたバンド構造を示したグラフであり、ｎ1＝２．２及びｎ2＝１．７、厚さ比ｈ2／ｈ1＝２．２／１．７の制限された角許容度（アクセプタンス：acceptance）の反射率範囲が示されている。
【００１８】
図２Ｂは光線２０４とブルースター線２０６と共に多層膜の投影されたバンド構造を示したグラフであり、第１及び第２の高調波での全方向反射率範囲が示されている。膜パラメータはｎ1＝４．６及びｎ2＝１．６、厚さ比ｈ2／ｈ1＝１．６／０．８である。これらのパラメータは実験で測定した実際のポリマー−テルル膜パラメータと同様である。
【００１９】
（薄い灰色の）領域２０８及び２１０は、Ｋが厳密に実の位相空間、すなわち伝播状態の領域を強調したものである。領域２１４（白色）は一過性の状態を含む領域を示している。領域２１４と２１６は全方向反射領域を表す。
【００２０】
多層膜構造に対する投影されたバンド構造の形状は直観的に理解することができる。ｋy＝０では、層群に対し垂直に進行する波に対するバンドギャップは回復する。ｋy＞０では、バンドは周波数において上方に曲がる。ｋy→∞となるにつれ、モードは主に高い屈折率を有するスラブに制限され、層間で結合しない（そのため、ｋxとは独立している）。
【００２１】
制限構造では、層群とは平行な方向での並進対称が保存され、このためｋyは一定の量を維持する。層群に対し垂直な方向では、並進対称はもはや存在しない。それにもかかわらず、式２で規定されたようにＫ−数は依然として関連する。というのは、Ｋ−数は単に、単一の二層膜の誘電特性及び構造特性により決定されるからである。Ｋが虚である領域では電磁場は強く減衰される。層数が増加するにつれ透過係数は指数的に減少し、反射率は一定に近づく。
【００２２】
主な興味は周期構造の外部の均一な媒質から発する波にあるので、光線上に存在する位相の部分にのみ焦点が存在する。均一な媒質から生ずる波は条件ω≧ｃｋy／ｎ0を満たす。式において、ｎ0は均一媒質の屈折率であり、そのため均質媒質は光線上に存在しなければならない。ｋy＝０の均一媒質の状態は直角入射であり、ｋx＝０のω＝ｃｋy／ｎ0線上に存在する状態は９０°の角度での入射である。
【００２３】
光線２００により規定される限定された位相空間内に存在すると共に構造の伝播解（灰色領域２０８）に対応する（ω，ｋy）を有する図２Ａの状態は、均一媒質内及び構造内の両方共で伝播することができる。これらの波は部分的にあるいは全体として膜を通過する。一過性の領域（白色領域２１２）内の（ω，ｋy）を有する波は均一な媒質中は伝播するが、構造内では減衰する。位相空間のこの部分に対応する波はその構造で反射される。
【００２４】
図２Ａへと導かれる多層系は、制限された反射率円錐を有する構造を表す。というのは、どの周波数に対しても常にｋyベクトルを見出すことができるからである。そのベクトルに対しては、その周波数の波はその構造内を伝播することができ、このようにその膜を通過することができる。例えば、ω＝０．２８５  ２πｃ／ａの波（水平破線２１８）はＴＥモードでは０（垂直入射）から０．２８５  ２π／ａ（９０°入射）までの範囲のｋy値のレンジでは反射され、一方、ＴＭモードではその波はｋy＝０．１８７  ２π／ａ（〓４１°入射）で透過し始める。所定の周波数での全方向反射に対する必要かつ十分な基準は、光円錐内で構造の透過状態が存在しないことである。この基準は図２Ｂの周波数レンジ２１４及び２１６で満足される。実際、図２Ｂに導かれる系は２つの全方向反射レンジを示す。
【００２５】
全方向反射に対する必要条件は、構造の外側からの光が多層構造のブルースター角θB＝ｔａｎ-1（ｎ1／ｎ2）に到達することができないことである。というのは、この角度では、ＴＭモードは透過されるからである。この条件は、ブルースター線が光線の外側に位置する時、すなわち層群の屈折率の項がｓｉｎ-1（ｎ0／ｎ2）＜θBである時に満たされる。十分条件は結晶内で伝播モードがｋy＝０とｋy＝ω／ｃ間で存在しない１つの特別の周波数の存在である。
【００２６】
図２Ａは１つの構造の例であり、ブルースタークロッシング（crossing）は均一媒質からくる光に近づくことが出来ないけれども（ブルースタークロッシングは光円錐の外側に存在する）、全方向反射レンジを有していない。これは、あらゆる周波数が結合され結晶内で伝播状態とされるＴＭモードのより低いバンド端におけるモードの大きな群速度によるものである。これは図２Ｂと対比させるべきであり、図２では前方向反射レンジ（領域２１４）が示されている。高い屈折率により実際に、同様により高い高調波において追加の全方向反射レンジ（領域２１６）が与えられる。
【００２７】
全方向レンジは、垂直入射バンド端ωｈ（ｋx＝π／ａ、ｋy＝０）（点２２０）により上から、光線とＴＭ許容バンド端の頂部の交わりωl（ｋx＝π／ａ、ｋy＝ωl／ｃ）（点２２２）により下から規定される。バンド端に対する正確な表現は以下の式の通りである。
【００２８】
【数４】
0003643774.tif 000005
式において、
【数５】
0003643774.tif 000006
及び
【数６】
0003643774.tif 000007
である。
【００２９】
全方向反射レンジの広がりを定量化するために使用される大きさのないパラメータは、（ωh−ωl）／１／２（ωh＋ωl）として規定されるレンジ対ミッドレンジ比である。図３はこの比を、ｎ2／ｎ1及びｎ1／ｎ0の関数としてプロットしたものである。ここで、ωh及びωlは４分の１波長層厚を用いた式３の解により決定され、ｎ1＞ｎ2である。この図の中の等高線は異なる材料のインデックスパラメータに対する様々な等しい全方向レンジを表し、設計目的では有効である。例示的な材料に対する比率は約４５％（ｎ1／ｎ2＝２．８７５、ｎ2／ｎ0＝１．６）であり、点３００の破線の交わりに位置している。
【００３０】
ギャップの広がりに対し近似の分析表現を有することも有効であろう。これは式３において、
【００３１】
【数７】
0003643774.tif 000008
【００３２】
を設定することにより得ることができる。所定の入射角θ０では、周波数の近似幅は以下の通りである。
【００３３】
【数８】
0003643774.tif 000009
【００３４】
垂直入射ではＴＭモードとＴＥモードの間の違いはない。斜角が増加するとＴＥモードのギャップが増加し、ＴＭモードのギャップが減少する。さらに、ギャップの中央がより高い周波数にシフトする。そのため、全方向反射が存在するための基準をもう一度述べると、垂直入射のギャップと９０°のＴＭモードのギャップの間での周波数のオーバーラップの存在である。そのレンジ対ミッドレンジに対する分析表現は以下の式を設定することにより得ることができる。
【００３５】
【数９】
0003643774.tif 000010
【００３６】
さらに、最大レンジ幅は４分の１波長スタックと等しくない厚さの値に対して得られるが、４分の１波長スタックからそらすことにより得られるバンド幅の増加は典型的には数パーセントにすぎない。
【００３７】
一般に、ＴＭモードは全方向レンジの低い周波数端を規定する。屈折率を特別に選択したものに対する一例が図２Ｂに示されている。これは光線内に存在する領域内に以下の式を示すことにより立証される。
【００３８】
【数１０】
0003643774.tif 000011
【００３９】
式７に対する物理的理由は電場のベクトル性質に存在する。第１のバンドの上部では、電場により高い誘電領域にそのエネルギーが集中される。
【００４０】
垂直入射から離れると、ＴＭモードの電場は周期性方向の成分を有する。この成分は電場の大部分を低い誘電領域に押しやる。そのためＴＭモードの群速度は向上する。対照的に、ＴＥモードの電場は常に周期性の方向に対し垂直であり、そのエネルギーは主に高い誘電領域内に集中される。
【００４１】
ポリスチレン−テルル（ＰＳ−Ｔｅ）材料系を選択して、全方向反射について明らかにした。テルルは高い屈折率を有し、興味のある周波数レンジでの損失特性が低い。さらに、ＰＳのガラス転移温度が高いこと、凝縮の潜熱が比較的低いことにより、Ｔｅのポリマー層中への拡散が最小に抑えられる。測定レンジにおいて一連の吸収ピークを有するＰＳの選択により、吸収ピークが一過性の状態の領域内に位置する場合に生じる反射と吸収の間の競合が立証される。Ｔｅ（０．８μｍ）及びＰＳ（１．６５μｍ）膜を逐次析出させ、９層膜を作製した。
【００４２】
ＮａＣｌ  ２５ｍｍ塩基板（研摩ＮａＣｌウインドウ、ウイルマッドグラス（Wilmad Glass））上にテルル（９９．９９＋％、ストレムケミカルズ（Strem Chemicals））の０．８±０．０９μｍ厚の膜を１０-6ｔｏｒｒ、７Ａで真空蒸着した（ラッドインダストリーズ（Ladd Indusctires）３００００）。層の厚さ及び析出速度を結晶厚モニター（サイコン（Sycon）ＳＴＭ１００）を用いてその場でモニタした。トルエン中１０％のポリスチレン（グッドイヤー（Goodyesr）  ＰＳ標準、１１０，０００ｇ／ｍｏｌ）溶液を１０００ＲＰＭで、テルルコートされた基板上にスピンキャスト（cast）し、数時間乾燥させ、ポリマー層の厚さを１．６５±０．０９μｍとした。９層膜の順はＴｅ／ＰＳ／Ｔｅ／ＰＳ／Ｔｅ／ＰＳ／Ｔｅ／ＰＳ／Ｔｅであった。
【００４３】
この特別な多層膜の光学応答は、どの入射角度においても（我々が０°から８０°まで測定した実験では）１０から１５μｍレンジにおいて高い反射領域を有するように設計した。斜角の入射での光学応答を、偏光子（ＺｎＳ  スペクトラテック（SpectraTech））及び角反射ステージ（スペクトラテックによるビーマックス（VeeMax））を備えたフーリエ変換赤外分光計（ニコレット（Nicolet）８６０）を用いて測定した。垂直入射では、ニコレット赤外顕微鏡を用いて反射率を測定した。反射率測定のためのバックグラウンドとして、新たに蒸着させたアルミニウム鏡を使用した。
【００４４】
図４は、垂直、４５°、８０°の入射でのＴＭ及びＴＥモードに対する波長の関数として計算した反射率（実線）及び測定した反射率（破線）（％）を示す一連のグラフである。このように、全方向反射バンドが示されている。図４では、計算された反射スペクトルと測定された反射スペクトルとの間での良い一致が示されている。計算は膜パラメータを用い、Ｆ．アベレス（Abeles）、Ｄｅ  Ｐｈｙｓｉｑｕｅ  ５，７０６（１９５０）（この内容はこの中で引用され参照される）において説明されている変換行列法を用いて行った。
【００４５】
異なる入射角での高い反射率の領域はオーバーラップし、あらゆる角の入射光に対する周波数の反射レンジが形成される。全方向レンジの周波数位置は層の厚さにより決定され、調整すると仕様を満たすことが可能である。式６からレンジは５．６μｍであると計算され、中央波長は１２．４μｍであり、実験の屈折率パラメータに対する図３の破線で示される４５％のレンジ対ミッドレンジ比に対応する。これらの値は測定データと一致する。計算は損失のない媒質に対するものであり、そのため〜１３及び１４μｍでのＰＳ吸収バンドの予想をしていない。ＰＳ吸収ピークはＴＭモードでは入射角が大きくなるにつれ増加し、ＴＥモードでは減少することがわかる。
【００４６】
この現象に対する物理的基盤は、透過の深さと吸収量との関係にある。透過長はξ∝Ｉｍ（１／Ｋ）であり、Ｋはブロッホの波数である。ξは全方向反射器のＴＭモードでは入射角の単調増加関数であり、ＴＥモードではほぼ一定である。このように、ＴＭモードは、図５の表に示されるように、入射角が増加すると構造内により深く浸透し、より簡単に吸収される。そのギャップ内に存在するモードに対するブロッホの波数の虚部分の大きさはバンド端からの距離に関連する。この距離はＴＥモードでは入射角が増加するとギャップが広がるため増加し、ＴＭモードではギャップが縮むために減少する。
【００４７】
ＰＳ−Ｔｅ構造は完全な光子バンドギャップを有しない。その全方向反射は、それよりも系の伝播状態に有効な制限された位相空間による。材料及びプロセスは、低コスト、広い領域への適用性に対し選択した。全方向性の他に、測定によりポリマーは赤外領域では損失があるが、性能を犠牲にせず反射用に適用することができることが示されている。全方向反射を達成する可能性は、材料の特別な選択には関連せず、興味のある多くの波長に適用することができる。この発明にかかる構造は広範囲の周波数に対し金属様の全方向反射を提供し、同時に損失が低い。さらに、周波数選択の柔軟性が提供される。
【００４８】
本発明にかかる、全反射多層膜を用いたキャビティ内での光の閉じ込め及び導波について説明する。多層膜構造は、共に出願中の、共通の譲受人の、１９９９年２月１９日に出願された出願番号第０９／２５３，３７９号及び１９９９年３月１２に出願された出願番号第０９／２６７，８５４号において説明されている。これらはこの中で引用され、参照される。特に、非常に損失の低い広帯域光ファイバの製造方法が提供される。この光ファイバは鋭く曲がった部分の周りを伝達することができる。さらに、設計により、近距離場光ファイバチップの出力を伝える能力が改良される。
【００４９】
図６Ａは例示的な構造６００の簡略化したブロック断面図である。図６Ｂはその構造６００の半径方向の屈折率プロファイルの対応する断面図である。構造は低い誘電材料ｎ0、例えば空気を中心とする屈折率ｎ1，ｎ2が交互となっている同一中心の円筒形層群６０４−６１６からなっている。コアの半径はｈ0であり、層の厚さはｈ1，ｈ2である。例示的な実施の形態は異なる材料及び対応する異なる層厚からなる個々の層を含む。多層膜のパラメータは、どの入射角及び偏光からの光も信号周波数のレンジでは多層膜により完全に反射されるように選択される。
【００５０】
例えば、図２Ｂのようにｎ0，ｎ1，ｎ2，ｈ1，ｈ2の値では、光は２つの広帯域全方向反射レンジ２１４及び２１６内ではどの周波数でも光を導くことができる。一般的には、電磁放射は閉じ込められる領域のサイズにより、マルチモードあるいは単一モードである。このように、各広帯域レンジ内では、電磁放射は内側のコア領域のサイズによりマルチモードとも単一モードともすることができる。コア半径が大きいと、光はマルチモードであり、半径が非常に小さいと光は単一モードである。
【００５１】
従来の光ファイバは、総内側反射により伝播ＥＭパルスを閉じ込め、その場合、電磁（ＥＭ）波は低インデックスクラッディングにより取り囲まれた高インデックスファイバコアを通って進行する。本発明によれば、オムニガイド（Omniguide：登録商標）導波構造内での閉じ込めの方法は、中空ファイバの壁でのＥＭ波の偏光独立全方向反射である。この閉じ込めのモードの利点は多い。
【００５２】
材料吸収に関連する損失は非常に低い。というのは、波は本質的に空気中を進行するからである。空気は他の高密度の媒質に比べ損失が非常に低い。これにより、損失の低い伝播が可能となる。これは、通信用の光ガイド、レーザなどを含む基本的に全てのデバイスにおいて重要なことである。
【００５３】
従来の光通信ファイバでは材料中の吸収損失を補償するために増幅させる必要があり、このため、ファイバには周期的にエルビウムがドープされる。エルビウムを使用すると、ファイバの帯域幅が厳密に制限される。この発明の構造の損失は非常に低く増幅する必要がないので、使用可能な帯域幅の大きさのオーダーを増加させることが可能である。さらに、全方向多層構造は強い閉じ込めメカニズムを提供し、他の強い閉じ込めメカニズムを有するシステムにおいて立証されているように非常に鋭い湾曲部の周りを通って信号を伝播させる。
【００５４】
そのような多層コートファイバはまた、近距離場走査光学顕微鏡においてファイバチップの出力を向上させるためにも重要である。そのチップを使用して、光の波長よりもずっと小さいスポットサイズの光出力を与える。そのような小さな長さの程度に光を閉じ込めるために現在では金属コーティングが使用されている。金属コーティングでは材料の吸収損失があり、この場合最大出力が制限される。多層コーティングを有するファイバチップはこの問題を克服する。というのは本質的に損失がないからである。
【００５５】
最終的な目的はこれまでに説明した構造に従う多層コーティングからなる壁を有する中空構造を作製することである。その構造は円筒形としてもよいが、それに限定されるものではない。そのような構造を作製するための１つの方法は、ガラスまたはポリマー製の薄壁中空ファイバを獲得する工程と、前記ファイバを誘電体で交互にコートする工程とを含む。層群は低い屈折率成分としてポリマーまたはガラス、高い屈折率材料としてゲルマニウムまたはテルルからなる。ファイバを獲得し、熱蒸着器またはスパッタリング装置を用いて所定の厚さの層の蒸着を行う。続く低インデックス層はそのファイバをポリマーの希薄溶液中に浸漬させることにより、あるいはモノマーを蒸着してその後直ちに重合させることにより、析出される。
【００５６】
他の例示的な方法は、図７に示されるように、一方には微細粉末の型の光インデックス成分が添加され、他方には添加物が存在しない、混合することのないポリマーの組み合わせを用いて全構造を共有押しだし成形する方法である。図７は本発明にかかる共有押しだし成形アセンブリ７００の簡略化した概略図の断面である。押し出し成形装置７０２は空気コア７０６の周囲を取り囲む高インデックスポリマーと低インデックスポリマーの交互層群からなる構造７０４を提供する。
【００５７】
この発明について幾つかの好ましい実施の形態を用いて説明してきたが、本発明の精神及び範囲内であれば、その型及び細部に様々な変更、省略及び追加をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる多層周期誘電膜構造の例示的な実施の形態の簡略化したブロック図である。
【図２Ａ】  制限された角許容度の反射率レンジを示す、光線（ライトライン：light line）及びブルースター線と共に多層膜の投影したバンド構造を示すグラフである。
【図２Ｂ】  第１及び第２の高調波での全方向反射範囲を示す、光線及びブルースター線と共に多層膜の投影したバンド構造を示すグラフである。
【図３】  等高線としてプロットした全方向反射の基本周波数範囲に対するその範囲と中域（ミッドレンジ：midrange）との比率を示すグラフである。
【図４】  直角、４５°及び８０°の入射角でのＴＭ、ＴＥモードに対する波長の関数として計算した反射率（実線）及び測定した反射率（破線）（％）を示す一連のグラフであり、全方向反射率バンドを表す図である。
【図５】  全方向反射器のＴＭモードでは、ξは入射角の単調に増加する関数であることを示す表である。
【図６Ａ】  例示的な構造の断面を示す簡略化したブロック図である。
【図６Ｂ】  図６Ａの構造の対応する断面の半径方向の屈折率プロファイルイを示す図である。
【図７】  本発明にかかる共有押しだし成形アセンブリの簡略化した概略図の断面を示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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