(57)【要約】  電磁誘導透明化（ＥＩＴ）フォトニック禁制帯（ＰＢＧ）ファイバ。ＥＩＴ-ＰＢＧファイバは、フォトニック禁制帯（ＰＢＧ）ファイバの透過帯及び禁制帯特性を、ＥＩＴ効果を示す媒質の透明性制御と組み合わせ、様々な光デバイスの形成を可能にする。
2007513366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバにおいて、
電磁誘導透明化を示す第１の媒質、及び
第２の媒質、
を有し、
前記第１の媒質及び前記第２の媒質がフォトニック禁制帯構造を有するファイバを形成することを特徴とするファイバ。
【請求項２】
前記ファイバが導波路であることを特徴とする請求項１に記載のファイバ。
【請求項３】
前記第１の媒質が低い第１の周波数の信号の透過率を有し、第２の周波数の信号による前記導波路の照射が前記第１の周波数の信号の透過率を高めることを特徴とする請求項２に記載の導波路。
【請求項４】
前記第２の媒質内に空のチャンバが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の導波路。
【請求項５】
前記チャンバが前記第１の媒質を形成する液体で満たされ、前記第１の媒質が結合周波数においてＥＩＴ（電磁誘導透明化）効果を有することを特徴とする請求項４に記載の導波路。
【請求項６】
前記チャンバが前記第１の媒質を形成する気体で満たされ、前記第１の媒質が結合周波数においてＥＩＴ（電磁誘導透明化）効果を有することを特徴とする請求項４に記載の導波路。
【請求項７】
前記気体が一定の圧力に保たれていることを特徴とする請求項６に記載の導波路。
【請求項８】
前記導波路が前記第１の周波数の信号に分散変化特性を生じさせることを特徴とする請求項３に記載の導波路。
【請求項９】
光スイッチにおいて、
ＰＢＧファイバ、
入力、及び
出力、
を備え、
前記ＰＢＧファイバは電磁誘導透明化を示す第１の媒質及び第２の媒質を有し、前記第１の媒質及び前記第２の媒質がフォトニック禁制帯構造を有するファイバを形成し、
前記入力はスイッチング信号及び第１の信号を受け入れ、
前記出力は前記スイッチング信号に応答して前記第１の信号をある程度透過させる、
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項１０】
信号の伝送を選択する方法において、
伝送信号をファイバに通す工程、
前記ファイバを通してスイッチング信号を送る工程、及び
前記ファイバを通る伝送に対して前記伝送信号を選択する工程、
を有してなり、
前記ファイバはフォトニック禁制帯構造を有し、結合周波数を有する結合信号で照射されたときに、透明性周波数幅Ｗにおいて電磁誘導透明化を示し、前記伝送信号は前記幅Ｗ内の周波数を有し、
前記選択は前記スイッチング信号の周波数を前記結合周波数に設定することによっておこることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００３年１１月１４日に出願された米国特許出願第１０/７１４２９７号の恩典と優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明はフォトニック禁制帯構造における電磁誘導透明化に関する。さらに詳しくは、本発明は注入媒質における電磁誘導透明化の使用をサポートするためのフォトニック禁制帯ファイバの物理的特性及びモード特性の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
フォトニック結晶は、禁制帯構造を生じる、誘電率の多次元周期的変化を有する構造である。禁制帯内の電磁波長の透過率は低くなり、禁制帯より上の電磁波長及び下の電磁波長の透過率は高くなる。
【０００４】
誘電率の変化を生じるフォトニック結晶の周期的変化への欠陥の導入により、結晶内を伝搬できる許容光波長または禁制光波長を変えることができる。フォトニック結晶内を伝搬することはできないが、欠陥領域内を伝搬することはできる光は、欠陥領域内に閉じ込められる。３次元フォトニック結晶内の特定の線欠陥は、禁制帯内の光波長に対して、導波チャネルとして作用することができる。
【０００５】
光導波路ファイバは一般に単一モードファイバと多モードファイバに分類することができる。いずれのタイプの光ファイバもファイバコアに沿って光子を誘導するために全反射（ＴＩＲ）に依存する。一般に、単一モードファイバのコア直径は比較的小さく、したがって光波長の単一モードしか導波路に沿って伝搬させない。単一モードファイバは一般に、光パルスの間隔をより密にすることができ、ファイバに沿う分散の影響がより小さいから、より広い帯域幅を提供することができる。さらに、伝搬している光に対するパワー減衰率は単一モードファイバにおいてより小さい。全ての波長に対して単一モード特性を維持する光ファイバは、無限単一モードファイバと定義される。
【０００６】
より大きなコア直径を有する光ファイバは一般に多モードファイバとして分類され、光波長の複数のモードを導波路に沿って伝搬させる。複数のモードは相異なる速度で進行する。このモード群速度差の結果、進行時間が異なり、導波路に沿って伝搬している光パルスの広がりが生じる。この効果はモード分散と称され、パルスが伝送され得る速度を制限し、したがって多モードファイバの帯域幅を制限する。モード分散の効果を制限するために（ステップインデックス多モードファイバではなく）勾配屈折率多モードファイバが開発された。しかし、現行設計の多モードファイバ及び勾配屈折率多モードファイバは単一モードファイバの帯域幅能力を有していない。
【０００７】
フォトニック結晶は、光子（光モード）を多モード状態で光導波路構造を通して誘導することができる、別の手段である。フォトニック結晶は、ＴＩＲを用いて光子を誘導するのではなく、光を導波するためにブラッグ散乱に依存する。フォトニック結晶構造を定める特性は、１つまたはそれより多くの軸に沿う誘電材料の周期性である。格子を形成している材料の誘電率が相異なり、材料の光吸収が最小であれば、格子界面における散乱及びブラッグ回折の効果によりフォトニック結晶構造に沿って、あるいはフォトニック結晶構造を通して、光子を誘導することが可能になる。図１は３つのフォトニック禁制帯を有する通常のフォトニック結晶を示す。許容透過周波数はそれぞれの禁制帯の上及び下である。
【０００８】
電磁誘導透明化（ＥＩＴ）は入射レーザ光に対してそれまでは不透明または分散性の媒質をある程度透明にする効果である。透明にしたいレーザ光周波数において誘起される媒質内の電子の運動がわずかでしかないというのが古典的説明である。これは、電子の運動を減退させる正弦力位相オフセットによって達成することができる。電子の運動は媒質の誘電率に反映され、運動の減退は注目する周波数における誘電率を変化させる。
【０００９】
図２は、注目する媒質内の原子の３つのエネルギー状態準位、|n>，|n+1>及び|n+2>に関する、ＥＩＴの可能な一例を示す。原子はエネルギー状態間を（電子がエネルギー状態準位間を移動する）ラビ周波数で振動する。実験的に、結合レーザ周波数（波長λｃ）は一定に保たれ、プローブレーザ周波数（波長λｐ）が変えられる。図２に示されるエネルギー準位を有する媒質を通るプローブ周波数の透過率が測定され、特定のプローブ周波数において透過率はかなり高くなる。透過率の増大は通常、透明幅によって定められ、透明幅の範囲内でプローブ波長は高められた透過率を受ける。一般に、プローブレーザ線幅（波長広がり）が透明幅に比較して狭い条件が存在する。
【００１０】
電磁誘導透明化の一例を図３Ａ及び３Ｂに見ることができる。図３Ａは、結合レーザがない状態での、プローブレーザの％透過率をプローブレーザ波長の関数として示す。図３Ｂは、結合レーザが定周波数に設定されている状態での、プローブレーザの％透過率を示す。結合レーザがある状態では、それまでは透過率がゼロの領域において透過率のかなりの増大がおこる。
【００１１】
現在、ＥＩＴの効果は困難な実験条件の下でしか示すことができない。より狭い共鳴線幅（その範囲で透過率が大きくなるプローブレーザ波長の幅）を得るためには、媒質がゼロ温度近くまで冷却されなければならない。あるいは、媒質が冷却されていなければ、より広い共鳴線幅が許容されなければならず、これには高強度結合レーザが通常必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題はフォトニック結晶において電磁誘導透明化の使用を可能にするための手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の例示的実施形態は電磁誘導透明化の使用のための方法及び装置を提供する。
【００１４】
本発明の例示的実施形態はフォトニック禁制帯構造における電磁誘導透明化の使用を提供する。
【００１５】
本発明の例示的実施形態はフォトニック禁制帯ファイバに注入された媒質における電磁誘導透明化の使用を提供する。
【００１６】
本発明の例示的実施形態のさらなる適用分野は以下に与えられる詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は本発明の例示的実施形態を示すが、説明が目的とされているに過ぎず、本発明の範囲の限定が目的とされていないことは当然である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の例示的実施形態は、詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解されることになろう。
【００１８】
以下の例示的実施形態の記述は本質的に説明に過ぎず、本発明、本発明の用途または用法を限定することは全く目的としていない。
【００１９】
本発明の例示的実施形態は、ＰＢＧの部分領域を結合レーザで照射したときにＥＩＴ効果を示す媒質を利用する。本発明の例示的実施形態において、結合レーザはＰＢＧを通るプローブレーザの透過及び特性を操作するために用いられる。
【００２０】
図４は本発明の例示的実施形態にしたがうＰＢＧファイバ１００を示す。結合波長λｃ（及び結合周波数）を有する結合レーザ１５０がＰＢＧファイバ１００の末端を照射する。結合レーザ１５０は、ＰＢＧファイバ１００の様々な部分領域の内部の媒質の様々なエネルギー準位を改変し、透明幅内のある周波数における透過率の増大（ＥＩＴ効果）を可能にする。プローブレーザ１４０は透明幅内のプローブ波長λｐ（及びプローブ周波数）及び／または帯域幅（透過線幅）を有するように選ばれる。図４に示されるＰＢＧファイバ１００は、第１の屈折率をもつ第１の媒質１１０及び様々な屈折率をもついくつかのその他の部分領域を有することができ、例えばコラム１２０は第２の屈折率をもつ第２の媒質からなることができ、（コアと表されることが多い）コラム１３０は第３の屈折率をもつ第３の媒質からなることができる。第１の媒質は背景媒質にさらされ得る。第１，第２及び第３の媒質は、ＰＢＧファイバ１００が、（透過帯周波数と称されることが多い）ある周波数にＰＢＧファイバ１００を通過させ、禁制帯内の、他の周波数のＰＢＧファイバ１００の通過は禁止する特性を示すように選ばれる。第２及び／または第３の媒質は一部が背景媒質にさらされ得る。本発明の例示的実施形態において、プローブレーザ周波数及び／または結合レーザ周波数は透過帯周波数範囲内にあり得る。３つの媒質が示されるが、いかなる数の媒質も本発明の例示的実施形態にしたがうＰＢＧファイバを構成するために用いることができる。
【００２１】
本発明の別の実施形態において、第２及び／または第３の媒質はＰＢＧファイバの空洞を満たす液体及び／または気体とすることができる。第２及び／または第３の媒質が空洞内の液体及び／または気体であれば、空洞からの漏出を防止するために、作成中にそれぞれの媒質の末端が封止される。液体及び／または気体は、結合周波数で照射された場合にプローブ周波数において高められた透過率を示すように選ばれる。
【００２２】
図５は本発明の別の例示的実施形態にしたがうＰＢＧファイバ２００を示す。ＰＢＧファイバ２００は結合周波数をもつ結合レーザ２５０及びプローブ周波数をもつプローブレーザ２４０によって照射される。本発明の様々な例示的実施形態において、プローブレーザ２４０及び結合レーザ２５０は、パルス状態の光、位相のずれた光、一方のレーザだけが用いられる光、一方のレーザが連続波であり他方はパルス波であるかまたはその他のいずれかの組合せである光を同時につくることができる。本発明の例示的実施形態の範囲は互いに対するレーザの動作態様によって制限されると解されるべきではない。
【００２３】
図５は、３つの媒質を有し、媒質の内の１つが第１の媒質２１０内の独立ブロックにつくられた、ＰＢＧファイバ２００を示す。図示されるように、第２の媒質２３０は独立チャンバ２２０及び２２５に分けられた第３の媒質のコラムで囲まれている。チャンバ２２０及び２２５はＰＢＧ２００の長さに沿って反復させることができる。
【００２４】
本発明の例示的実施形態において、チャンバのそれぞれは固体、液体または気体で満たすことができる。液体及び気体で満たされる場合、個々のチャンバ２２０及び／または２２５は、チャンバ２２０及び／または２２５内の圧力がＰＢＧ２００を囲む周囲の圧力とは異なるような圧力に保つことができる。圧力は、それぞれ、結合レーザ２５０及びプローブレーザ２４０で照射されたときの、チャンバ２２０及び／または２２５内のＥＩＴ効果を高めるために変えることができる。圧力は、それぞれのチャンバ２２０及び２２５並びにＰＢＧファイバ２００の周囲環境に対して、低くするか、高くするかまたは同じとすることができる。チャンバを満たすことができる媒質の例は結合レーザで照射されたときにＥＩＴ効果を示す媒質である。例えば、図２に関して上述したような、３準位挟光遷移を有する気体は、チャンバ２２０及び／または２２５を満たすために用いることができる。
【００２５】
例示的実施形態において、チャンバの屈折率は第１の媒質についての屈折率より低い。
【００２６】
チャンバ２２０及び２２５は、全ファイバ長のコラムチャンバを形成するように線引きしたファイバを用い、次いで周期的な区画を加熱して加熱点においてリフロープロセスをおこさせ、これらの点でチャンバを閉じて周期的に独立チャンバを形成することによって作成することができる。当業者であれば既知の技法を用いて独立チャンバを形成するための別の方法を案出できるであろう。本発明の例示的実施形態は独立チャンバを形成する特定の方法に限定されると解されるべきではない。
【００２７】
本発明の一実施形態にしたがうＰＢＧファイバを作成する方法の一例は、相互に隔てられた第１の面及び第２の面を有する本体を形成するために少なくとも１つのガラス粉末及び結合剤を含む材料をダイに通して押し出すことである。それぞれの面は面積を有し、複数本のチャネルが第１の面から第２の面まで延び、それぞれの面に開口を形成する。独立チャンバがＥＩＴ効果を示すことができる媒質で満たされている実施形態においては、第１または第２の面に開口が形成される必要は全くない。チャネルは断面を有する隔壁によって相互に隔てることができ、壁の断面はそれぞれの面においてアレイをなしている開口を相互に隔てるためにはたらく。この本体を加熱して、結合剤を蒸発させ、ガラス粉末を粘性焼結させて、ガラス体を形成することができる。ガラス体からガラスファイバまたはロッドを線引きしてガラス体にチャネルを形成することができる。チャネルは波長がλｃの結合レーザで照射されたときにＥＩＴを示す媒質で満たすことができ、チャネルは封止される。本発明の別の例示的実施形態において、チャネルを有する本体を周期的長さにおいて周期的に加熱して、リフローをおこさせ、チャネルを封止して、媒質で満たされた独立チャンバを形成することができる。独立チャネルまたは封止チャネルを形成するその他の方法は、本発明の範囲内に入ると目される。例えば、独立チャンバを形成する別法は、加熱されると所定の場所で硬化して独立チャンバの壁を形成するシーラント物質を、チャネル内の周期的長さにおいて挿入することであろう。
【００２８】
図６は本発明の例示的実施形態にしたがうまた別の形のＰＢＧファイバ３００の構成を示す。プローブレーザ３４０及び結合レーザ３５０でＰＢＧファイバ３００を照射することができる。ＰＢＧファイバ３００は第１の媒質３１０並びにチャンバ３２０及び３２５に分割された第２の媒質を有する。この別形においては、独立チャンバ３２０及び３２５がＰＢＧ３００全体にわたって反復され、第１の媒質３１０で囲まれる。チャンバ及び媒質のその他の様々な構成は本発明の範囲内にあると目される。
【００２９】
本発明の実施形態にしたがうＰＢＧファイバは非冷却ＥＩＴ効果に必要な導波結合波長モードフィールド強度レベルを提供することができる。さらに、ＰＢＧファイバにより結合周波数及びプローブ周波数を有するレーザ信号のファイバ内での重畳が可能になり、信号はＰＢＧ内で発散せず、ＥＩＴ効果を示す媒質と連続的に相互作用することができる。
【００３０】
本発明の例示的実施形態は様々なデバイスを構成するためのＰＢＧファイバとＥＩＴ効果の利用を含む。当業者であれば、本発明の例示的実施形態にしたがい、様々な機能にＰＢＧファイバ内のＥＩＴ効果を用いるデバイスを構成するために本発明の開示並びに上に論じたＰＢＧファイバ及び結合レーザ及びプローブレーザを用いることができるであろう。例えば図７Ａ及び７Ｂは、本発明の例示的実施形態にしたがうＥＩＴ特性を有するＰＢＧファイバの、光スイッチ４００としての、可能な一用法を示す。
【００３１】
光スイッチ４００は、ＥＩＴ透明幅がＷの、上の議論にしたがうＰＢＧファイバを備える。プローブレーザ４２０で搬送される信号は透過帯周波数範囲内のプローブ周波数を有するが、信号が通過進行する媒質は特定のプローブ周波数に対して不透明である。したがって、どの信号も光スイッチ４００を通って流れることはない。光スイッチ４００が結合レーザ４３０で照射されると媒質はＥＩＴ効果を示し、プローブ周波数の透過率が高まって、プローブレーザ４２０によって形成された信号が光スイッチ４００を通過し、通過信号４４０として出ることが可能になる。通過信号４４０はプローブレーザ４２０でつくられた原信号と比較すると、分散及び強度変化を受け得る。結合レーザも光スイッチを通過し、同じく分散及び強度変化を受け得る、通過結合信号４５０として光スイッチ４００を出ることができる。その他のデバイス、例えば、フェーズシフタ、ブール論理演算器、波長フィルタ等を本発明の実施形態を用いて形成することができる。ＥＩＴ効果を示す、透過帯周波数を搬送する、媒質を有するＰＢＧファイバを用いる全てのデバイスもまた本発明の範囲内に入ると目される。
【００３２】
本発明の説明は本質的に例示に過ぎず、したがって本発明の骨子を逸脱しない変形は本発明の実施形態の範疇にあると目される。そのような変形は本発明の精神及び範囲からの脱却と見なされるべきではない。例えば、ＰＢＧファイバの構成が図４〜６に示される配置に限定されると解されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】通常のフォトニック結晶の透過帯及び禁制帯を示す図である
【図２】原子における通常の多準位エネルギー状態の図である
【図３】電磁誘導透明化の効果を示す実験データの例を示す
【図４】本発明の例示的実施形態にしたがうＰＢＧファイバの図である
【図５】本発明の別の例示的実施形態にしたがうＰＢＧファイバの図である
【図６】本発明の別の例示的実施形態にしたがうＰＢＧファイバの図である
【図７】本発明の例示的実施形態にしたがうスイッチ及び／または光ファイバを示す
【符号の説明】
【００３４】
１００    ＰＢＧファイバ
１１０    第１の媒質
１２０    第２の媒質からなるコラム
１３０    第３の媒質からなるコラム
１４０    プローブレーザ
１５０    結合レーザ
【図１】
2007513366.tif 000003
【図２】
2007513366.tif 000004
【図３】
2007513366.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2007513366.tif 000009
【図７Ｂ】
2007513366.tif 000010
【国際調査報告】
2007513366.tif 000011
2007513366.tif 000012