(57)【要約】      （修正有）【課題】高安定な変調器を用いた高性能ジャイロスコープシステムを提供する。【解決手段】干渉型光ファイバージャイロスコープ（ＩＦＯＧ）システム１２は、第１の選択されたガス２２３で処理し、第２の選択されたガス２２１を充填した密封筺体２２２内に配置した無機材料から形成される光集積回路（ＩＯＣ）１１０を含む。ＩＯＣ１１０は支持構造体２５４上に支持されている位相変調器１１０である。支持構造体２５４はＩＯＣ１１０および他の複数の素子の間で光を接続するように構成されている。【選択図】図１６
2015108617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種類の材料から形成されている少なくとも１つの光集積回路（ＩＯＣ）（１１０）であって、少なくとも１つのＩＯＣの性能は少なくとも１種類の選択されたガス（２２１）に曝露することによって向上されている前記少なくとも１つの光集積回路（ＩＯＣ）（１１０）；及び
少なくとも１つのＩＯＣを支持して、他の素子（７０１／７０３）の間で光を接続するように構成されている支持構造体（２５２）；
を含むシステム（１０）。
【請求項２】
システムがジャイロスコープシステム（１０）であり、少なくとも１種類の材料から形成される少なくとも１つのＩＯＣ（１１０）がニオブ酸リチウムベースの材料から形成される位相変調器（１１０）であり、システムが
筐体（２２２）であって、支持構造体（２５２）が、その中に位相変調器（１１０）が収容されている筐体の少なくとも一部であるか；或いはその中に位相変調器が収容されている筐体内に配置されているか；の１つであり、少なくとも１種類の選択されたガス（２２１）の少なくとも１つが位相変調器と共に筐体内に収容されている前記筐体（２２２）；
を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
材料の表面状態を安定化させるガスを求める方法であって、前記方法が：
材料（２１）の表面（４０）を数値モデリングする工程；
モデリングした材料の表面のそれぞれの複数の試験ガス（４１）への複数の曝露をシミュレートする工程；
それぞれの複数の試験ガスへ曝露された材料の表面の複数の相互作用をシミュレートする工程；及び
それぞれの複数の試験ガスに関して観察された表面状態の複数の電子バンドギャップを概算する工程を含み、
材料の表面を数値モデリングする工程が：
無限層の上下に真空を有する材料の無限層を含む材料の周期的単位格子を形成することによって材料の表面をモデリングする工程を含み、
観察された表面状態の複数の電子バンドギャップを概算する工程が、複数の試験ガス中の１つの試験ガスに関して：
試験ガスを材料の１つの表面に対してエネルギー最適化する工程；
材料の１つの表面に対してエネルギー最適化された試験ガスに関する特定の電子バンドを計算する工程；
材料の１つの表面に対してエネルギー最適化された試験ガスに関する状態密度を計算する工程；及び
材料の１つの表面に対してエネルギー最適化された試験ガスに関して計算された電子バンド及び状態密度に基づいてバンド構造を求める工程を含み、
フェルミ準位最近傍の状態密度の最小値の上下のバンドエネルギーを用いて、試験ガスに関する電子バンドギャップを概算する、
前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本特許出願は、２０１３年１０月２３日出願の「無機導波路をベースとする光学ジャイロにおけるガスの処理及び／又は安定化」と題された米国仮特許出願６１／８９４，６２５（参照として全部を本明細書中に包含する）に対する優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
[2]現在利用できる高性能の光ファイバージャイロ（ＦＯＧ）は、通常はニオブ酸リチウム変調器を用いている。ニオブ酸リチウム（ＬＮ）は、ジャイロスコープの閉ループ運転を可能にし、広範囲のダイナミックレンジにわたってｐｐｍのオーダーのスケールファクターの非直線性を可能にする光位相波形の高帯域変調に最適な材料である。ニオブ酸リチウム変調器は結晶欠陥を起こして、これによって「環境安定性の電気光学デバイス及びその製造方法」と題されたHendryらの米国特許７，２２８，０４６において示されているような環境、特に真空または他のガス曝露に対する感受性が生起することが知られている。この理由のために、幾つかのＦＯＧの設計は、真空または他のガス曝露によって不安定化する可能性があるＬＮ欠陥を安定化させるために、酸素ベースの再充填ガスによる気密シールを用いている。
【０００３】
[3]ＬＮ位相変調器の標準的な陸上での使用においては、このデバイスは通常は１気圧の空気中に浸漬される。当業者に公知なように、空気は約２０．９％の酸素を含む。また、ニオブ酸リチウムの導電率は酸素の分圧が低下するにつれて増加することも公知である（W. Jorgensen及びR.W. Bartlett, J. Phys. Chem. Solids, 30(12), 2639, 1969を参照）。言い換えれば、空気中の酸素に曝露されることによってＬＮの導電率が低く維持される。「安定なニオブ酸リチウム導波路及びその製造方法並びに使用」と題されたMullerらの米国特許８，１８９，９８１において示されているように、ＬＮ変調器の導波路、特にアニールプロトン交換（ＡＰＥ）法によって製造された導波路における欠陥は、導電率の環境誘発変化の一因となる可能性がある。酸素への曝露は、これらの欠陥を安定化させ、アニールプロトン交換ＬＮの性能の変化を妨げるように働く。
【０００４】
[4]ＬＮ位相変調器が低いバンドギャップを有する場合には、変調器は漏電を有する。真空中においては、ニオブ酸リチウム材料中の非配位部位は充填されず、これによってバンドギャップがＯ２中のニオブ酸リチウム材料のバンドギャップより低い低レベルに低下する。
【０００５】
[5]現在利用できるニオブ酸リチウム位相変調器に関する他の問題は、ニオブ酸リチウム位相変調器に近接している他の素子がガス放出する場合に起こる可能性がある。幾つかの放出される化学種は、ＬＮバンドギャップを更にもっと低下させる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許７，２２８，０４６
【特許文献２】米国特許８，１８９，９８１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】W. Jorgensen及びR.W. Bartlett, J. Phys. Chem. Solids, 30(12), 2639, 1969
【発明の概要】
【０００８】
[6]本出願は、少なくとも１種類の材料から形成される少なくとも１つの光集積回路（integrated optical circuit）（ＩＯＣ）、及び少なくとも１つのＩＯＣを支持して他の複数の素子の間で光を接続するように構成されている支持構造体を含むシステムに関する。少なくとも１種類の選択されたガスで処理することによって、少なくとも１つのＩＯＣの性能を向上させる。
【０００９】
[7]図面は代表的な態様のみを示すものであり、したがって範囲を限定するようにはみなされないという理解の元に、添付の図面を用いることによって代表的な態様を更に具体的及び詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】[8]図１Ａは、バルクのニオブ酸リチウムのモデルである。  [9]図１Ｂは、図１Ａのバルクのニオブ酸リチウムの計算されたバンド構造を示す。  [10]図１Ｃは、図１Ａのバルクのニオブ酸リチウムの計算された状態密度を示す。
【図２】[11]図２Ａは、バルクのニオブ酸水素塩のモデルである。  [12]図２Ｂは、図２Ａのバルクのニオブ酸水素塩の計算されたバンド構造を示す。  [13]図２Ｃは、図２Ａのバルクのニオブ酸水素塩の計算された状態密度を示す。
【図３】[14]図３Ａは、真空中のニオブ酸リチウムの表面のモデルである。  [15]図３Ｂは、本出願による図３Ａの真空中のニオブ酸リチウムの表面の計算されたバンド構造を示す。  [16]図３Ｃは、本出願による図３Ａの真空中のニオブ酸リチウムの表面の計算された状態密度を示す。
【図４】[17]図４Ａは、真空中のニオブ酸水素塩の表面のモデルである。  [18]図４Ｂは、本出願による図４Ａの真空中のニオブ酸水素塩の表面の計算されたバンド構造を示す。  [19]図４Ｃは、本出願による図４Ａの真空中のニオブ酸水素塩の表面の計算された状態密度を示す。
【図５】[20]図５Ａは、本出願によるＮ２Ｏガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面のモデルである。  [21]図５Ｂは、本出願による図５ＡのＮ２Ｏガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面の計算されたバンド構造を示す。  [22]図５Ｃは、本出願による図５ＡのＮ２Ｏガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面の計算された状態密度を示す。
【図６】[23]図６Ａは、本出願によるＮ２Ｏガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面のモデルである。  [24]図６Ｂは、図６ＡのＮ２Ｏガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面の計算されたバンド構造を示す。  [25]図６Ｃは、図６ＡのＮ２Ｏガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面の計算された状態密度を示す。
【図７】[26]図７Ａは、本出願によるＯ２ガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面のモデルである。  [27]図７Ｂは、本出願による図７ＡのＯ２ガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面の計算されたバンド構造を示す。  [28]図７Ｃは、本出願による図７ＡのＯ２ガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面の計算された状態密度を示す。
【図８】[29]図８Ａは、本出願によるＯ２ガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面のモデルである。  [30]図８Ｂは、図８ＡのＯ２ガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面の計算されたバンド構造を示す。  [31]図８Ｃは、図８ＡのＯ２ガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面の計算された状態密度を示す。
【図９】[32]図９Ａは、本出願によるＣＯ２ガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面のモデルである。  [33]図９Ｂは、本出願による図９ＡのＣＯ２ガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面の計算されたバンド構造を示す。  [34]図９Ｃは、本出願による図９ＡのＣＯ２ガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面の計算された状態密度を示す。
【図１０】[35]図１０Ａは、本出願によるＣＯ２ガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面のモデルである。  [36]図１０Ｂは、図１０ＡのＣＯ２ガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面の計算されたバンド構造を示す。  [37]図１０Ｃは、図１０Ａの４ＣＯ２ガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面の計算された状態密度を示す。
【図１１】[38]図１１は、本出願による、素子性能試験にかけながら選択されたガスを充填した密封筺体内に配置した無機材料から形成される試験素子の一態様の側面図を示す。
【図１２】[39]図１２は、本出願による、素子性能試験にかける前に選択されたガスで処理した無機材料から形成される試験素子の一態様の側面図を示す。
【図１３】[40]図１３は、本出願による、第１の選択されたガスで処理し、素子性能試験にかけながら第２の選択されたガスを充填した密封筺体内に配置した無機材料から形成される試験素子の一態様の側面図を示す。
【図１４】[41]図１４は、本出願による、選択されたガスを充填した少なくとも１つの密封筺体内に配置した無機材料から形成される光学素子を含むジャイロスコープシステムの一態様を示す。
【図１５】[42]図１５は、本出願による、無機材料から形成され、選択されたガスで処理した光学素子を含むジャイロスコープシステムの一態様を示す。
【図１６】[43]図１６は、本出願による、第１の選択されたガスで処理し、第２の選択されたガスを充填した密封筺体内に配置した無機材料から形成される光学素子を含むジャイロスコープシステムの一態様を示す。
【図１７】[44]図１７は、本出願による、第１の選択されたガスで処理し、第２の選択されたガスを充填した密封筺体内に配置した無機材料から形成される光学素子を含むジャイロスコープシステムの一態様を示す。
【図１８】[45]図１８は、種々の構成のガスに関して秒角単位で測定されたジャイロスコープ角度誤差の測定値をプロットしている。
【図１９】[46]図１９は、本出願による材料の表面状態を安定化させるガスを求める方法の一態様のフロー図である。
【図２０】[47]図２０は、本出願による試験素子を形成する材料の表面状態を安定化させるガスに曝露した試験素子を試験する方法の一態様のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[48]一般的な慣習にしたがい、種々の記載されている特徴は一定の縮尺ではなく、代表的な態様に関連する特定の特徴を強調するように描いている。
[49]以下の詳細な説明においては、本明細書の一部を形成し、特定の代表的な態様を例示する目的で示す添付の図面を参照する。しかしながら、他の態様を用いることができ、論理的、機械的、及び電気的な変更を行うことができることを理解すべきである。更に、図面及び明細書に示す方法は、個々の工程を実施することができる順番を限定するものと解釈すべきではない。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で捉えるべきではない。
【００１２】
[50]高性能の光ファイバージャイロスコープ（fiber-optic gyroscopes）には、ニオブ酸リチウム変調器（lithium niobate modulators）を含ませることができる。かかるニオブ酸リチウム変調器には、ニオブ酸リチウム材料中に形成される光学導波路（例えば光集積チップ（integrated optical chip）（ＩＯＣ））が含まれる。ニオブ酸リチウム（本明細書においてはＬＮとも呼ぶ）は、室温において高電気絶縁性である誘電材料である。良好なジャイロスコープの性能は、時間及び温度変化にわたるＬＮの絶縁特性及び絶縁特性の安定性に依存する。「ジャイロスコープ」及び「ジャイロ」という用語は、本明細書においては互換的に用いる。本発明において規定するように、ジャイロの性能には、角度誤差及びスケールファクタの非直線性が含まれる。高性能のジャイロは、対象の幾つかのバンド幅にわたって１０秒角（arcesc）未満の角度誤差、及び幾つかの回転ダイナミックレンジにわたって１００ｐｐｍ未満のスケールファクタの非直線性を有する。
【００１３】
[51]本明細書に記載するモデリング及び試験の技術は、現在入手できるＬＮベースの位相変調器の欠点を克服するためのガスを選択するために用いる。ＬＮベースの位相変調器には、ＩＯＣ内のプロトン交換（ＨＮ）ニオブ酸リチウム材料から形成される変調器が含まれる。本発明において規定するプロトン交換ニオブ酸リチウム材料は、ニオブ酸リチウムベースの材料である。本明細書において記載する技術によって、複数の試験ガスのモデリング及び試験に基づいてニオブ酸リチウムベースの材料の表面欠陥状態を除去、阻止、又は最小にするのに最適な１種類以上のガスを選択する。本明細書において記載するＩＯＣは、酸化ニオブベースの電気光学無機材料から形成される。本明細書において用いる「無機材料」という用語は、「酸化ニオブベースの電気光学無機材料」又は「ニオブ酸リチウムベースの材料」を指す。
【００１４】
[52]比較的高いバンドギャップ（真空に関して）を与えるガスを用いて材料を予備処理するか、かかるガスを材料と共に密封筐体内に収容するか、又は両方を行う。例えば、選択されたガスを、ジャイロスコープ内のＬＮベースの位相変調器のための予備処理ガスとしてか、及び／又は充填ガスとして用いることができる。
【００１５】
[53]時間及び温度変化にわたって、本明細書に記載する技術にしたがって処理していないニオブ酸リチウム導波路を含む光集積チップは、僅かにより導電性になって漏電を起こす可能性がある。この漏電はジャイロの性能を低下させる。具体的には、この漏電によって、角度誤差及びスケールファクタの非直線性の両方が増加する可能性がある。当業者に公知なように、結晶質無機材料（例えばＬＮ）の漏電は、任意の表面欠陥状態に関する電子バンドギャップの幅に関係する。より具体的には、当業者に公知なように、ＬＮ（又はＨＮ）における漏電は、任意の表面欠陥状態に関する電子バンドギャップの幅に関係する。
【００１６】
[54]上記に記載したように、酸素への曝露は、漏電をもたらすこれらの欠陥を安定化させ、ＬＮの性能における変化を阻止するように働く。これは、ニオブ上のＯ２充填原子価結合部位による。リガンドと形成することができる異なるタイプの結合が存在する。１つのタイプはリガンドからの中性配位（通常はゼロ電荷の金属中心において見られる）に起因するものであり、この場合には、通常は金属上のｄ軌道を空にするＯ２ｐ軌道からの電子供与が存在する。このタイプは共有結合の形成に起因するものであり、この場合には、Ｎｂ及びＯ２からの電子が共有され、Ｏ２及びＮｂが結合中に電子を供与する。より強いσ（シグマ）結合は幾つかのｓ混成を有し、これはリガンドを中性リガンドに関するよりも近く引き寄せる。共有結合リガンドに関しては、金属上のｄからのリガンド上のｐへの金属中心からのπ（パイ）結合逆供与が存在すると、結合は更により強くなる。言い換えれば、より多くの共有が存在するが、金属中心から酸素への電子の損失も存在する。部分的な状態密度においては、Ｏ２が存在しないと、原子価結合の上方にｓ、ｐ、及びｄバンドが存在し、これはＯ２を加えると消失する。これらのバンドは、フェルミを結合レベルに下方シフトする。
【００１７】
[55]当業者に公知なように、固体の導電率は、材料の原子価結合と伝導バンドとの間のエネルギーギャップが操作温度における熱エネルギーと比べて大きい場合には低い。したがって、大きいエネルギーギャップ又はバンドギャップはより低い導電率を確保し、小さいバンドギャップはより高い導電率の指標である。
【００１８】
[56]数多くのモデリング及びシミュレーションを用いて、ニオブ酸リチウム表面の酸素への曝露のバンドギャップに対する効果を求めることができる。計算によって、伝導バンドギャップは酸素の存在下において比較的大きく、これとは逆に、表面が酸素欠乏しているとバンドギャップは比較的低いことが示される。
【００１９】
[57]適切に選択されたガスを材料と接触させると、化学反応によって表面欠陥状態の減少が引き起こされる。本明細書において規定する「無機材料の少なくとも１つの表面を処理する」ことには、（１）追加の強制条件なしに受動的予備処理を行うこと；（２）温度、圧力、放射線等の下での能動的予備処理を行うこと；（３）予備処理なしに充填を行うこと；（４）活性化温度、圧力、放射線の条件で充填を行うこと；（５）受動的予備処理及び受動的充填を行うこと；（６）活性化条件下で充填と共に受動的予備処理を行うこと；（７）能動的予備処理及び受動的充填を行うこと；並びに（８）能動的予備処理及び能動的充填を行うこと；が含まれる。無機材料を包み込むガスは、本発明においては充填ガス（又は再充填ガス）と呼ぶ。この場合には、無機材料をハウジング又は密封筐体内に配置し、ハウジングにガスを充填して無機材料をガス中に包み込む。このようにして、包み込まれたガスは無機材料と接触（これを処理）する。ハウジング又は密封筺体は、試験ユニット又はシステムにおいて無機材料を用いることを可能にするように適切に設計される。
【００２０】
[58]当業者に理解されるように、ＩＯＣベースのデバイスをシステム内で操作する前にＩＯＣを処理ガスに一時的に曝露することは、システム内におけるＩＯＣベースのデバイスの操作中にＩＯＣを充填ガスに曝露することとは区別される。
【００２１】
[59]最も高いＬＮバンドギャップを確保する再充填ガス及び／又は処理ガスは、ＩＯＣ中のＬＮを安定化させる最適の候補材料の典型例である。ニオブ酸リチウムＩＯＣを安定化ガス（モデリングに基づいて選択される）と共にパッケージして、（１）ニオブ酸リチウムの性能を安定化させ；及び（２）光ファイバージャイロスコープの他の内部素子及び／又は材料との相互作用を最小にするか又は無視できるものにする。
【００２２】
[60]（１）ニオブ酸リチウムの表面を数値モデリングし；（２）モデリングされたニオブ酸リチウムの表面の種々の充填ガスとの相互作用（充填ガス原子に対するニオブの配位を含む）を観察し；そして（３）観察された表面状態の電子バンドギャップを概算する；ことに基づいて、ニオブ酸リチウムを安定化させるために最適な１種類又は複数の充填ガスを求める方法が提供される。モデルは、ニオブ酸塩の無限層を含み、無限層の上下に真空空間を有する周期的単位ＬＮ格子（periodic unit LN cell）から構成される。試験ガスを無限層の１つの表面に対してエネルギー最適化し、バンド構造の計算を行う。全ての計算は、密度汎関数法を用いる商業的に入手できる量子力学ソフトウエア（例えばAccelrys, Inc.からのCASTEP）を用いる。
【００２３】
[61]幾つかの態様においては、ＩＯＣのニオブ酸リチウムにおけるリチウムは、部分的に水素で交換されている。これによって、ＬＮ内における本発明においてＨＮと呼ぶニオブ酸水素塩（hydrogen niobate）の混合物が生成する。ＬＮはＩＯＣにおいて用いる基本的な無機材料にすることができる。部分的にプロトン交換されたニオブ酸リチウムは、光集積チップ導波路において用いられる活性形態であり、通常は、アニールプロトン交換ニオブ酸リチウム（annealed proton exchanged lithium niobate）（又はＡＰＥニオブ酸リチウム）と呼ばれる。ＡＰＥニオブ酸リチウムに最も近く対応する下記に記載するモデリングにおける場合は、完全に水素交換されたニオブ酸リチウムである。完全に水素交換されたニオブ酸リチウムは、本発明においてはニオブ酸水素塩（又はＨＮ）と呼ぶ。この後者の場合においては、ニオブ酸水素塩の周期的単位格子（periodic unit cell）をモデリングにおいて用いる。ＬＮ及びＨＮは両方とも、ジャイロスコープにおけるＩＯＣを形成するために用いる場合には、同様の性能の懸念を有する。
【００２４】
[62]ＬＮ又はＨＮのいずれかのバンドギャップは、特定の電子バンド及び状態密度（density of states）を計算し、フェルミ準位最近傍の状態密度の最小値の上下のバンドエネルギーを用いて相対バンドギャップを求めることによって求められる。この方法によって、比較のために一貫した方法で、表面状態によってポピュレートされる可能性があるフェルミ準位近傍のエネルギーが計上される。
【００２５】
[63]改善ガスは、本発明においては配位ガスとも呼ぶ。非配位部位は、本発明においては非結合部位又は欠陥とも呼ぶ。配位部位は、それ自体安定であるが、他の化学種と優先的に会合する化学種である。配位化学種はまた、本発明においてはリガンドとも呼ぶ。十分な熱処理を与えると、配位化学種を、それが結合している表面から解離させることができる。反応性化学種は、それ自体は安定性が低いが、他の化学種に結合させるとより安定であるか、又は他の化学種に結合した際に最も安定である化学種を形成するために結合を切断する化学種である。他の化学種に結合した際には、反応性化学種を除去するためにはより多くのエネルギーが必要である。反応性ガスは、光集積チップに関係する素子によって生成する他のガスと反応する可能性がある。反応性化学種にはまた酸化性化学種も含まれ、この場合には、酸化性化学種は、反応性物質の表面の酸化状態を増加させるか、或いは反応性物質の表面の電子密度を減少させる。
【００２６】
[64]本明細書に記載するモデリングを、ＬＮ及びＨＮに基づく複数の試験ガスに関して行った。ガス曝露を行わないバルクのＨＮに関しては、最も低いバンドギャップは２．８８７ｅＶである。ＨＮを真空中に配する場合には、最も低いバンドギャップは０．２４２ｅＶである。而して、真空はバンドギャップの低下を生起させることによってＨＮ材料に強く影響を及ぼす。表１は、ＨＮ材料（全てプロトン交換）に施すそれぞれの複数の試験ガスに関して観察される表面状態の電子バンドギャップに関する概算モデル結果を示す。１番目の縦列及び４番目の縦列は試験ガスを示す。２番目の縦列は、１番目の縦列における試験ガスに関する最も低いバンドギャップを電子ボルト（ｅＶ）で示す。５番目の縦列は、４番目の縦列における試験ガスに関する最も低いバンドギャップを電子ボルト（ｅＶ）で示す。ここで示す表において、分子の数は、２以上のタイプの分子を組み合わせる際の相対比を例示するように示す。
【００２７】
【表１−１】
2015108617.tif 000003
【００２８】
【表１−２】
2015108617.tif 000004
【００２９】
[65]バルクのＬＮに関しては、最も低いバンドギャップは３．３０５ｅＶであり、フェルミ準位は−４．１７６ｅＶである。ＬＮを真空中に配する場合には、最も低いバンドギャップは０．０２５ｅＶである。真空は、バンドギャップの低下を生起させることによってＬＮ材料に大きく影響を及ぼす。表２は、ＬＮ材料に施すそれぞれの複数の試験ガスに関して観察される表面状態の電子バンドギャップに関するモデル概算結果を示す。１番目の縦列は試験ガスを示す。２番目の縦列は最も低いバンドギャップを電子ボルト（ｅＶ）で示す。
【００３０】
【表２】
2015108617.tif 000005
【００３１】
[66]幾つかのガスはＬＮ又はＨＮの表面と相互作用して、（１）ニオブ上にキャッピング結合（通常はＯ）を形成し；（２）ニオブの周囲の正規の配位（formal coordination）を増加させ；及び／又は（３）電子供与化学種をニオブに与える；ことによって、比較的高いＬＮ又はＨＮバンドギャップを生起させるか、又はガスを含まない場合よりもバンドギャップを増加させる。一例として、典型的な充填ガスとして言及したＯ２は、真空バンドギャップを、ＨＮに関しては０．２４２ｅＶから０．３４９ｅＶへ、ＬＮに関しては０．０２５ｅＶから２．２５４ｅＶへ上昇させる。この態様の１つの実施においては、Ｎ２Ｏ及びＯ３ガスによって正規のＮｂ−Ｘキャッピング結合（formal Nb-X capping bond）（ＸはＯ又はＮ原子である）が形成され、これにより高いバンドギャップが得られる。この態様の他の実施においては、ＮＨ３及びＰＭｅ３ガスのような非反応性ガスによってＮｂとの配位が形成され、これによってメカニズムが伝統的な酸化から変化する。
【００３２】
[67]幾つかの態様においては、試験ガスは電子に富む希ガスである。例えば、Ｘｅガスはバンドギャップを真空レベルの上方に維持する。Ｏ２と組み合わせると、ＸｅはＮｂ−Ｏ結合を増強して、それによってバンドギャップを上昇させることが観察される。上記の表１において示されるように、ＨＮに対する４Ｘｅ＋４Ｏ２は約１．４７４ｅＶのバンドギャップを有し、ＨＮに対する４Ｘｅ＋４ＣＯ２＋Ｏ２は約１．４３８ｅＶのバンドギャップを有する。而して、最大の効果のためにはＸｅをＯ２と組み合わせる。Ｘｅは、Ｎｂ−Ｏ（Ｏ２から）の結合距離が短くなるにつれてＯ２のより良好な配位を推進するように思われる。末端のＮｂ−Ｏ−Ｏ配位に代えて、ＮｂＯ２に関しては３員環中心が存在する。Ｏ２の処理を行い、次にＸｅの処理を行うことによって、Ｎｂ−Ｏ結合が増強し、それによってバンドギャップが上昇する。Ｘｅに関して見られるものと同じ効果がＮｅに関しても見られたが、Ｈｅに関しては見られなかった。上記の表１において示されるように、ＨＮに対する４Ｏ２最適化＋４Ｎｅは約１．５３３ｅＶのバンドギャップを有する。上記の表１において示されるように、ＨＮに対する４Ｏ２＋４Ｈｅは約０．３９６ｅＶのバンドギャップを有する。ニオブへの配位を形成するＯ２ガスは、特にＯ２−Ｎｂ結合が短くなってより強い結合を示す場合には、バンドギャップをＨＮにおいて気体を含まない真空のもの（即ち０．２４２ｅＶ）よりも上昇させる。
【００３３】
[68]ＣＯ２及びフルオロカーボンのような非反応性ガスは、ニオブの配位状態を満足させるのを助けないので、バンドギャップを低下させる。
[69]表１及び２において示されるように、ガスのＮ２Ｏ、Ｏ３、ＮＨ３、及びＰＭｅ３は、ニオブの配位状態を満足させるのを助けることができるので、バンドギャップを増加させる。ガスのＮＨ３及びＰＭｅ３は、それ以上は反応しない有用な配位ガスである。ガスのＯ３及びＮ２Ｏは有用な反応性ガスである。Ｏ３はニオブ酸塩表面へキャッピング酸素原子を与えて、ニオブに配位することができるＯ２を解離させることができる。しかしながら、Ｎ２Ｏは、条件に応じて反応性ガス及び配位ガスの両方として機能する。
【００３４】
[70]Ｎ２Ｏのものよりも高い大きいバンドギャップを示す他の処理ガスには、高配位性のガスであり、反応性であるＮＯ、ＮＯ２、及びＳＯ２が含まれる。後者のガスは他の反応（例えば水との酸形成）を与える可能性がある。この態様の１つの実施においては、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、ＳＯ２、ＮＨ３、及びＰＭｅ３など（しかしながらこれらに限定されない）の配位ガスを、ジャイロ又は変調器を取り囲む雰囲気として用いる。
【００３５】
[71]ＮＨ３は伝統的なルイス塩基であり、金属部品を腐食させる可能性があるが、トリアジン類、ホスファジン類、及びホスフィン類のようなより低い塩基性を有する他の窒素ベース又は第Ｖ族ベースの分子は、腐食を起こすことなく有用であると思われる。例えば、ＨＮ表面に対するＰＭｅ３は、Ｏ２よりも良好な０．４９４ｅＶの算出バンドギャップを有することが見出された。しかしながら、ＰＭｅ３は、酸化して酸化物を形成し、ＨＮバンドギャップを０．１７７ｅＶ（Ｏ２よりも低い）へ低下させるＰＭｅ３の高い傾向のために酸素と共に用いてはならない。ＰＭｅ３は、腐食抑制剤中において時々用いられ、最も通常的にはより安定なホスホネート形態で用いられるアルキルホスフィン化合物の一般的な群に関係する。而して、ＰＭｅ３よりも反応性が低いか、又はＮＨ３よりも副反応が少ないより安定なホスフィンは、バンドギャップを増加させるのに有用である。
【００３６】
[72]表１及び２に示す結果はモデリングによって得た。ここで、図１Ａ〜１０Ｃを参照して幾つかの代表的なモデリングの例を説明する。図１Ａはバルクのニオブ酸リチウム２０のモデルである。図１Ｂは、図１Ａのバルクのニオブ酸リチウム２０の計算されたバンド構造を示す。図１Ｃは、図１Ａのバルクのニオブ酸リチウム２０の計算された状態密度を示す。バンド構造は、伝導帯（ゼロに指定されているフェルミ準位の上方）、及び価電子帯（ゼロに指定されているフェルミ準位の下方）の両方の計算されるエネルギーを示す。状態密度図は、幾つかの原子価状態がフェルミ準位の上方に存在している可能性があることを示しており、したがってバンドギャップ（最も高い価電子帯及び最も低い伝導帯を用いて得る）を求める際に重要である。バルクのニオブ酸リチウム２０を、ニオブ酸塩の無限層を含む周期的単位ＬＮ格子としてモデリングする。バルクのＬＮに関するバンドギャップは約３．３０５ｅＶである。無限質量であるバルクの単位格子においては、ニオブ部位の全てが原子価に応じて化合している（即ち結合している）。ニオブ部位の全てが原子価に応じて化合している場合には、バンドギャップは最大になる。ニオブ酸リチウム位相変調器のための高いバンドギャップを有することが望ましい。次の図２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ｂ、７Ｂ、８Ｂ、９Ｂ、及び１０Ｂにおいて、計算されたバンドギャップは、当業者に公知なように、上部の帯域と下部の帯域との間の間隔である。表面を生成させることによってニオブ酸リチウムのバルク単位格子から無限質量を除去すると、バンドギャップは減少する。
【００３７】
[73]図２Ａは、バルクのニオブ酸水素塩のモデルである。図２Ｂは、図２Ａのバルクのニオブ酸水素塩の計算されたバンド構造を示す。図２Ｃは、図２Ａのバルクのニオブ酸水素塩の計算された状態密度を示す。バルクのニオブ酸水素塩２０を、ニオブ酸塩の無限層を含む周期的単位ＨＮ格子としてモデリングする。バルクのＨＮに関するバンドギャップは約２．８８７ｅＶであり、バルクのＬＮの場合よりも低い。
【００３８】
[74]図３Ａは、真空中のニオブ酸リチウムの表面４０のモデルである。概して２０において示されるモデリングされたニオブ酸リチウム材料は、真空に曝露された表面４０を有する。図３Ｂは、本出願による図３Ａの真空中のニオブ酸リチウムの表面４０の計算されたバンド構造を示す。図３Ｃは、本出願による図３Ａの真空中のニオブ酸リチウムの表面４０の計算された状態密度を示す。バルクのニオブ酸リチウム２０を、表面４０の上方の真空空間及び無限層の下方の真空（図３Ａにおいては見られない）を有する、ニオブ酸塩の無限層を含む周期的単位ＬＮ格子としてモデリングする。真空中のバルクのＬＮに関するバンドギャップは約０．０２５ｅＶである。３．３０５ｅＶのバルクのモデリングされたバンドギャップからの約３．２８ｅＶのバンドギャップのこの低下は、真空が導電率を上昇させる観点からＬＮに対していかに有害であるかを示す。
【００３９】
[75]図４Ａは、真空中のニオブ酸水素塩の表面４５のモデルである。概して３０において示されるモデリングされたニオブ酸水素塩材料は、真空に曝露された表面４５を有する。図４Ｂは、本出願による図４Ａの真空中のニオブ酸水素塩の表面４５の計算されたバンド構造を示す。図４Ｃは、本出願による図４Ａの真空中のニオブ酸水素塩の表面４５の計算された状態密度を示す。バルクのニオブ酸水素塩３０を、表面４０の上方の真空空間及び無限層の下方の真空（図４Ａにおいては見られない）を有する、ニオブ酸塩の無限層を含む周期的単位ＬＮ格子としてモデリングする。真空中のバルクのＨＮに関するバンドギャップは約０．２４２ｅＶである。２．８８７ｅＶのバルクのモデリングされたバンドギャップからの約２．６４５ｅＶのバンドギャップのこの低下は、真空が導電率を上昇させる観点からＨＮに対していかに有害であるかを示す。
【００４０】
[76]図５Ａは、本出願によるＮ２Ｏガスに曝露したニオブ酸リチウムの表面のモデルである。概して２１において示されるモデリングされたニオブ酸リチウム材料は、概して４１において示されるＮ２Ｏガスに曝露された表面４０を有する。具体的には、Ｎ２Ｏガス４１に曝露されたニオブ酸リチウムを、ここではニオブ酸リチウム２１と呼ぶ。Ｎ２Ｏガス４１はまた、ここでは試験ガス４１とも呼ぶ。図５Ｂは、本出願による図５ＡのＮ２Ｏガス４１に曝露したニオブ酸リチウムの表面４０の計算されたバンド構造を示す。図５Ｃは、本出願による図５ＡのＮ２Ｏガス４１に曝露したニオブ酸リチウムの表面４０の計算された状態密度を示す。Ｎ２Ｏガス４１に曝露したニオブ酸リチウムの表面４０のバンドギャップは約０．８０７ｅＶである。
【００４１】
[77]図５Ｂに関して示すバンドギャップは次のようにして得られる。ＬＮ材料２１の表面４０を数値モデリングした後、試験ガス４１に対する表面４０の曝露のシミュレーションを実施する。次に、（１）試験ガス４１をＬＮ材料２１の表面４０に対してエネルギー最適化し；（２）材料２０の１つの表面４０に対してエネルギー最適化した試験ガス４１に関する特定の電子バンド（specific electronic band）（図５Ｂ）を計算し；（３）ＬＮ材料２１の表面４０に対してエネルギー最適化した試験ガス４１に関して状態密度（図５Ｃ）を計算し；そして、（４）ＬＮ材料２１の表面４０に対してエネルギー最適化した試験ガス４１に関して計算された電子バンド及び状態密度に基づいてバンド構造を求める；ことによって、試験ガス４１に関して観察される表面状態の電子バンドギャップを概算する。フェルミ準位最近傍の状態密度の最小値の上下のバンドエネルギーを用いて、試験ガス４１に関する電子バンドギャップを概算する。図７Ａ〜７Ｃ及び９Ａ〜９Ｃに対して同じ技術が適用される。
【００４２】
[78]図６Ａは、本出願によるＮ２Ｏガスに曝露したニオブ酸水素塩の表面のモデルである。概して３１において示されるモデリングされたニオブ酸水素塩材料は、概して４６において示されるＮ２Ｏガスに曝露された表面４５を有する。具体的には、Ｎ２Ｏガス４６に曝露されたニオブ酸水素塩を、ここではニオブ酸水素塩３１と呼ぶ。Ｎ２Ｏガス４６はまた、ここでは試験ガス４６とも呼ぶ。図６Ｂは、図６ＡのＮ２Ｏガス４６に曝露したニオブ酸水素塩の表面４５の計算されたバンド構造を示す。図６Ｃは、図６ＡのＮ２Ｏガス４６に曝露したニオブ酸水素塩の表面４５の計算された状態密度を示す。Ｎ２Ｏガス４６に曝露したニオブ酸水素塩の表面４５のバンドギャップは約０．６０ｅＶである。
【００４３】
[79]図６Ｂに関して示すバンドギャップは次のようにして得られる。ＨＮ材料３１の表面４５を数値モデリングした後、試験ガス４６に対する表面４５の曝露のシミュレーションを実施する。次に、（１）試験ガス４６をＨＮ材料３１の表面４５に対してエネルギー最適化し；（２）材料２０の１つの表面４５に対してエネルギー最適化した試験ガス４６に関する特定の電子バンド（図６Ｂ）を計算し；（３）ＨＮ材料３１の表面４５に対してエネルギー最適化した試験ガス４６に関して状態密度（図６Ｃ）を計算し；そして、（４）ＨＮ材料３１の表面４５に対してエネルギー最適化した試験ガス４６に関して計算された電子バンド及び状態密度に基づいてバンド構造を求める；ことによって、試験ガス４６に関して観察される表面状態の電子バンドギャップを概算する。フェルミ準位最近傍の状態密度の最小値の上下のバンドエネルギーを用いて、試験ガス４６に関する電子バンドギャップを概算する。図８Ａ〜８Ｃ及び１０Ａ〜１０Ｃに対して同じ技術が適用される。
【００４４】
[80]図７Ａは、本出願によるＯ２ガスに曝露されたニオブ酸リチウムの表面のモデルである。概して２２において示されるモデリングされたニオブ酸リチウム材料は、概して４２において示されるＯ２ガスに曝露された表面４０を有する。具体的には、Ｏ２ガス４２に曝露されたニオブ酸リチウムを、ここではニオブ酸リチウム２２と呼ぶ。Ｏ２ガス４２はまた、ここでは試験ガス４２とも呼ぶ。図７Ｂは、本出願による図７ＡのＯ２ガス４２に曝露されたニオブ酸リチウムの表面４０の計算されたバンド構造を示す。図７Ｃは、本出願による図７ＡのＯ２ガス４２に曝露されたニオブ酸リチウムの表面４０の計算された状態密度を示す。Ｏ２ガス４２に曝露されたニオブ酸リチウムの表面４０のバンドギャップは約２．２５４ｅＶである。而して、Ｏ２ガス４２はニオブ酸リチウム２２のバンドギャップを増加させるのに有利である。
【００４５】
[81]図８Ａは、本出願によるＯ２ガスに曝露されたニオブ酸水素塩の表面のモデルである。概して３２において示されるモデリングされたニオブ酸水素塩材料は、概して４７において示されるＯ２ガスに曝露された表面４５を有する。具体的には、Ｏ２ガス４７に曝露されたニオブ酸水素塩を、ここではニオブ酸水素塩３２と呼ぶ。Ｏ２ガス４７はまた、ここでは試験ガス４７とも呼ぶ。図８Ｂは、図８ＡのＯ２ガス４７に曝露されたニオブ酸水素塩の表面４５の計算されたバンド構造を示す。図８Ｃは、図８ＡのＯ２ガス４７に曝露されたニオブ酸水素塩の表面４５の計算された状態密度を示す。Ｏ２ガス４７に曝露されたニオブ酸水素塩の表面４５のバンドギャップは約０．３４９ｅＶである。
【００４６】
[82]図９Ａは、本出願によるＣＯ２ガスに曝露されたニオブ酸リチウムの表面のモデルである。概して２３において示されるモデリングされたニオブ酸リチウム材料は、概して４４において示されるＣＯ２ガスに曝露された表面４０を有する。具体的には、ＣＯ２ガス４４に曝露されたニオブ酸リチウムを、ここではニオブ酸リチウム２３と呼ぶ。ＣＯ２ガス４４はまた、ここでは試験ガス４４とも呼ぶ。図９Ｂは、本出願による図９ＡのＣＯ２ガスに曝露されたニオブ酸リチウムの表面４０の計算されたバンド構造を示す。図９Ｃは、本出願による図９ＡのＣＯ２ガス４４に曝露されたニオブ酸リチウムの表面４０の計算された状態密度を示す。ＣＯ２ガス４４に曝露されたニオブ酸リチウムの表面４０のバンドギャップは０．０１８ｅＶであり、これは図３Ｂにおいて示す真空中のＬＮのバンドギャップの０．０２５ｅＶよりも低い。
【００４７】
[83]図１０Ａは、本出願によるＣＯ２ガスに曝露されたニオブ酸水素塩の表面のモデルである。概して３３において示されるモデリングされたニオブ酸水素塩材料は、概して４８において示されるＣＯ２ガスに曝露された表面４５を有する。具体的には、ＣＯ２ガス４８に曝露されたニオブ酸水素塩を、ここではニオブ酸水素塩３３と呼ぶ。ＣＯ２ガス４８はまた、ここでは試験ガス４８とも呼ぶ。図１０Ｂは、図１０ＡのＣＯ２ガスに曝露されたニオブ酸水素塩の表面４５の計算されたバンド構造を示す。図１０Ｃは、図１０ＡのＣＯ２ガスに曝露されたニオブ酸水素塩の表面４５の計算された状態密度を示す。ＣＯ２ガス４８に曝露されたバルクのニオブ酸水素塩は、概してニオブ酸水素塩３３として示す。ＣＯ２ガス４８に曝露されたニオブ酸水素塩の表面４５のバンドギャップは０．２９４ｅＶであり、これは図４Ｂにおいて示す真空中のＨＮのバンドギャップ（例えば０．２４２ｅＶ）とほぼ同等である。
【００４８】
[84]図１１〜１３において示すように、表１及び２におけるガスのリスト中のガスのような１種類以上の試験ガスに曝露された試験素子について、ガスを試験した。試験は、上記に記載したモデリングを確認又は実証するために行う。ソフトウエアモデリングによって予測して試験デバイスの性能が向上する場合には、試験は陽性である。
【００４９】
[85]図１１は、本出願による、素子性能試験にかけながら、選択されたガス２２１を充填した密封筺体２２０内に配置した無機材料から形成される試験素子１００の一態様の側面図を示す。「選択されたガス２１１」は、ここでは「選択された試験ガス２２１」及び「充填ガス」とも呼ぶ。選択されたガスを充填した密封筺体を、ここでは「選択されたガスを充填した密封筐体」とも呼ぶ。試験素子１００の試験は、選択された試験ガス２２１で処理することによって試験素子１００の性能が向上するかどうかを求めるために行う。「選択されたガス」という用語は、モデリングを行うため、試験素子を処理するため、又はシステム内の光学素子を処理するために選択されるガスに適用される。「光学素子（optical component）」及び「光集積回路（integrated optical circuit）」の用語は、本明細書においては互換的に用いる。一般的に、本明細書において用いる「選択された試験ガス」という用語は、試験素子を（上記に規定するように）処理するために用いるガスに適用される。
【００５０】
[86]試験システム２００は、試験材料（例えばＬＮ又はＨＮ）から形成される試験素子１００、及び試験素子１００を支持する構造体２５０を含む。図１１において示されるように、構造体２５０は密封筺体２２０に取り付けられている支持構造体である。他のタイプの支持構造体も可能である。試験は、密封筺体２２０内で選択された試験ガス２２１と接触させることによって試験素子１００の性能が向上するかどうかを求めるために行う光学試験である。入力試験ビーム５０を試験素子１００に向けて、試験素子１００と光接続して、試験素子１００中を伝播させて、１以上の出力試験ビーム５１として出力させる。この態様の１つの実施においては、試験素子１００内に形成された光学導波路は、選択された試験ガス２２１に曝露された試験素子１００の表面上にあるか又はそれに隣接している。この態様の他の実施においては、試験素子１００は光集積チップ１００である。この場合においては、光学導波路を光集積チップ１００内に形成して、光接続した試験ビーム５０の光学モードを、それが光集積チップ１００中を伝播する際に維持する。
【００５１】
[87]選択された試験ガス２２１は、試験材料の少なくとも１つの表面を数値モデリングし；モデリングされた試験材料の少なくとも１つの表面の、それぞれの複数の試験ガス（例えば、それぞれ図５Ａ、６Ａ、７Ａ、８Ａ、９Ａ、及び１０Ａにおいて示される試験ガス４１、４６、４２、４７、４４、及び４８）への複数の曝露をシミュレートし；それぞれの複数の試験ガスに曝露された材料（例えば、それぞれ図５Ａ、６Ａ、７Ａ、８Ａ、９Ａ、及び１０Ａにおいて示される材料２１、３１、２２、３２、２３、及び３３）の表面（例えば、図５Ａ、７Ａ、及び９Ａにおいて示される表面４０、或いは図６Ａ、８Ａ、及び１０Ａにおいて示される表面４５）の複数の相互作用をシミュレートし；そして、それぞれの複数の試験ガスに関して観察される表面状態の複数の電子バンドギャップを概算する；ことによって選択される。
【００５２】
[88]図１２は、本出願による、素子性能試験にかける前に選択されたガス２２３で処理（例えばそれに曝露）した無機材料から形成される試験素子１０１（ＩＯＣ１０１）の一態様の側面図を示す。図１２において示されるように、試験素子１０１は試験システム２０１内で試験するように配置される。試験システム２０１は、無機試験材料（例えばＬＮ又はＨＮ）から形成される試験素子１０１、及び試験素子１００を支持する構造体２５１を含む。図１２において示されるように、構造体２５１は、入力試験ビーム５２を試験素子１０１中に接続するためにその上に試験素子１０１を配置する支持構造体である。図１２において示されるように、試験素子１０１の表面１０９を構造体２５１上に配置する。他のタイプの支持構造体も可能である。試験は、試験素子１０１の少なくとも一部を処理するために用いた選択された試験ガス２２３と接触させることによって試験素子１０１の性能が向上するかどうかを求めるために行う光学試験である。光学入力試験ビーム５２を光学素子１０１に接続し、１以上の光学出力試験ビーム５３を測定する。
【００５３】
[89]図１２において示されるように、表面１０９の反対側の試験素子１０１の表面１０８は、選択されたガス２２３に曝露することによって安定化されている。表面１０８に対して垂直の試験素子１０１の表面も、ハッシュマークによって示されるように選択された試験ガス２２３に曝露されているように示されている。この態様の１つの実施においては、光学導波路は表面１０８内又はこれに隣接して形成される。光学導波路は、光接続した入力試験ビーム５２の伝播をサポートするように設計されている。
【００５４】
[90]選択された試験ガス２２３は、図１１を参照して上記に記載したようにして選択された試験ガス２２１を選択したのと同じようにして選択される。
[91]図１３は、本発明による素子性能試験にかけながら、第１の選択されたガス２２３で処理した無機材料で形成され、第２の選択されたガス２２１を充填した密封筐体２２０内に配置されている試験素子１０１の一態様の側面図である。試験素子１０１の試験は、第１の選択されたガス２２３及び第２の選択された試験ガス２２１で処理することによって試験素子１０１の性能が向上するかどうかを求めるために行う。第１の選択されたガス２２３及び第２の選択された試験ガス２２１の選択は、図１１を参照して上記に記載した通りである。試験素子１０１の光学試験は、図１１を参照して上記に記載した通りである。この態様の１つの実施においては、第１の選択されたガス２２３及び第２の選択された試験ガス２２１は同じガスである。
【００５５】
[92]表３は、好ましいガスの組み合わせ及び条件のリストを示す。表３の１番目の縦列は好ましいガスを示し、表３の２番目の縦列は１番目の縦列における関連するガスに関する最も低いバンドギャップを示す。
【００５６】
【表３】
2015108617.tif 000006
【００５７】
[93]他のガスは、真空中のバンドギャップに関しては比較的高いバンドギャップを有する。表４は、有益なガスの組み合わせのリストを示す。表４の１番目の縦列は好ましいガスを示し、表４の２番目の縦列は１番目の縦列における関連するガスに関する最も低いバンドギャップを示す。
【００５８】
【表４】
2015108617.tif 000007
【００５９】
[94]上記に記載のモデリング及び試験によって、希釈ガスを、真空中のバンドギャップに関して比較的高いバンドギャップを有する好ましいガスと組み合わせて、無機材料の安定化を向上させることができることが示される。表５は、有益なガスの組み合わせのリストを示す。表５の１番目の縦列は好ましいガスを示し、表４の２番目の縦列は１番目の縦列における関連するガスに関する最も低いバンドギャップを示す。
【００６０】
【表５】
2015108617.tif 000008
【００６１】
[95]この態様の１つの実施においては、複数のガスを組み合わせた混合物として筐体中に同時に導入する。この態様の他の実施においては、まず第１のガス（例えばＮ２Ｏ）を筐体に加え、次に第２のガスを同じ筐体に加える。この態様の更に他の実施においては、第２の選択されたガスのＮ２の前に、第１の選択されたガスのＮ２Ｏを筐体に加える。この態様の更に他の実施においては、第１の選択されたガスのＮ２Ｏを筐体に加え、同時に第２の選択されたガスのＣＯ２を加える。この後者の場合においては、Ｎ２Ｏ及びＣＯ２を同時に加えるとバンドギャップは高い。
【００６２】
[96]非反応性ガスを第２のガスとして用いることができる。非反応性ガスの例は、Ｎ２、ＣＯ２、希ガス、ＣＯである。他の非反応性ガスとしては、ＮＨ３、ＰＨ３、ＰＭｅ３、Ｏ２、飽和炭化水素が挙げられる。真に非反応性のガスであるガスは、希ガス及び飽和炭化水素である。Ｎｂ上に配位するが結合を切断しない配位ガスは、Ｎ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＮＨ３、ＰＨ３、ＰＭｅ３、及びＯ２である。Ｎ２Ｏガスは、条件に応じて反応性又は配位性のガスのいずれかである。
【００６３】
[97]この態様の１つの実施においては、ニオブ酸リチウムベースの材料を予備処理するために用いる第１の選択されたガスは、Ｏ３、Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＳＯ２、ＳＯのような反応性酸化物であり、ニオブ酸リチウムベースの材料をその中に取り囲む第２の選択されたガスは非反応性ガスである。例えば、ニオブ酸リチウムベースの材料を予備処理するために用いる第１の選択されたガスは、次の反応性酸化物のリスト：Ｏ３、Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＳＯ２、ＳＯから選択することができ、ニオブ酸リチウムベースの材料をその中に取り囲む第２の選択されたガスは、Ｎ２Ｏと希ガスの混合物である。
【００６４】
[98]この態様の１つの実施においては、ニオブ酸リチウムベースの材料を予備処理するために用いる第１の選択されたガスは、Ｏ３、Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、ＳＯ２、ＳＯのような反応性酸化物であり、ニオブ酸リチウムベースの材料をその中に取り囲む第２の選択されたガスは、Ｎ２Ｏと非反応性ガスの混合物である。
【００６５】
[99]最も高い配位飽和を得るプロセスは、代わりのガス又は処理によって達成することができる。例えば、Ｎ２Ｏを用いて表面を酸化するか又は中性（Ｎ２Ｏ）リガンドを配位して、ニオブ配位飽和を実現することができる。
【００６６】
[100]Ｎ２Ｏは昇温温度において反応性酸化剤のＯ化学種を形成して、温度上昇のような種々の方法によってＮ２Ｏの反応性の増加を達成することができることが知られている。他の活性化方法を用いない場合には、２００〜３００℃の範囲の温度が必要な可能性がある。しかしながら、他の活性化方法を用いて、Ｏ２又は空気をガス混合物中に加えるか、及び／又は表面に含侵させたアルカリ活性化剤（これは、アルカリ金属塩の溶液コート、浸漬、又は洗浄手順によって施すことができる）を用いることによって、酸化温度を１００〜２００℃程度の低さに低下させることができる。アルカリ活性化剤はまた、水の存在下においてＮ２Ｏに向かう表面の反応性を維持するのも助ける。この文脈においては、代わりの方法は、湿分を含まないＩＯＣの表面、及び／又は１００℃又はそれ以上の昇温温度におけるアルカリ金属塩、及びＯ２又はＯ２混合物（空気、混合物中の他のガスの例としてＮ２又はＣＯ２）中で用いるＮ２Ｏによる予備処理の組み合わせを用いる。
【００６７】
[101]図１４〜１７において示されるように、ジャイロスコープシステムにおいて用いる変調器素子について少なくとも１種類のガスを用いる。少なくとも１種類のガスは、変調器の性能を向上させて高性能ジャイロスコープシステムを提供するように選択する。これらの改良された変調器によって、上記に記載の現在入手できる光学変調器の問題が克服される。ジャイロスコープシステムにおける光学素子について用いるように選択されるこの少なくとも１種類のガスは、図１１〜１３に示される試験素子についての試験の結果に基づいて選択される。この態様の１つの実施においては、高性能ジャイロスコープシステムは干渉型光ファイバージャイロスコープ（ＩＦＯＧ）である。
【００６８】
[102]いずれの湿式又は乾式エッチングプロセスもＩＯＣに対する予備処理を与える可能性があるので、ジャイロスコープにおいて用いるＩＯＣに関する選択される処理は、ＩＯＣを形成するのに用いる製造プロセスを考慮して行わなければならない。
【００６９】
[103]図１４〜１７において示す態様の１つの実施においては、変調器は位相変調器である。図１４〜１７において示す態様の他の実施においては、変調器は周波数変調器である。この態様の更に他の実施においては、図１４〜１７のジャイロスコープシステムにおける変調器は、ニオブ酸リチウム材料から形成される。この態様の更に他の実施においては、図１４〜１７のジャイロスコープシステムにおける変調器は、ニオブ酸水素塩材料（即ち部分的に交換されアニールされたニオブ酸リチウム材料）から形成される。この態様の更に他の実施においては、光学素子は、ＬＮ又はＨＮから形成される少なくとも１つの光学素子を含む、ジャイロスコープシステム以外の光学システムにおけるものである。この態様の更に他の実施においては、光学素子は、ＬＮ又はＨＮ以外の無機材料から形成される少なくとも１つの光学素子を含むシステムにおけるものである。
【００７０】
[104]図１４は、本出願による、選択されたガス２２１を充填した少なくとも１つの密封筐体２２２内に配置されている無機材料から形成されるＩＯＣ１１０を含むＩＦＯＧシステム１０の一態様を示す。ＩＦＯＧシステム１０は、広帯域光源７０１を含む。広帯域光源７０１は、異なる波長及び偏光状態を有する多くの光波を含む光信号を生成する。入力ファイバー７０２は広帯域光源７０１をカプラー７０４に接続し、同じファイバー７０２はカプラー７０４からの光を光集積回路（ＩＯＣ）１１０（本発明においては位相変調器１１０とも呼ぶ）の導波路に接続する。カプラー７０４は入力ファイバー７０２及び出力ファイバー７０６の両方を含む。出力ファイバー７０６はＩＯＣ１１０からの戻り信号を速度検出器７０８に送り、これは検知ファイバー７０３から戻る信号を読み取る。ＩＯＣ１１０は、ビーム分割／結合素子１１１、偏光素子、及びＩＯＣ１１０を通過する光線を位相変調するために用いる２以上の電極を含む。一態様においては、ビーム分割器はＹ字形ビーム分割器１１１であり、信号を２つの信号に分割する。幾つかの態様においては、偏光素子はＩＯＣ１１０の導波路それ自体であってよく、一方、他の態様においては、偏光素子は光路に沿った別の素子であってよい。広帯域光源７０１からの信号は、ＩＯＣ１１０を通過することによって直線偏光される。ピグテールファイバー７０９及び７１０は、ＩＯＣ１１０を検知コイル１２０に接続する。一態様においては、信号は検知コイル１２０とＩＯＣ１１０との間に配置されている偏光解消器によって偏光解消される。偏光解消器はピグテールファイバー７０９及び／又は７１０のいずれかの上に配置することができる。検知コイル１２０はコイル形に巻回された検知ファイバー７０３を含む。
【００７１】
[105]ＩＯＣ１１０は選択されたガスを充填した密封筐体２２２内に収容される。選択されたガスを充填した密封筐体２２２には、選択されたガス２２１が充填されている。ＩＯＣ１１０は密封筐体２２２内の構造体２５２の上に支持されている。この態様の１つの実施においては、密封筐体２２２がＩＯＣ１１０を支持する。構造体２５２はＩＯＣ１１０を支持して、光をレーザー７０１とサーキュレーター７０４との間で接続する。この態様の他の実施においては、試験素子１００を支持する構造体２５２は、密封筐体２２２の少なくとも一部である。この態様の更に他の実施においては、試験素子１００を支持する構造体２５２は、密封筐体２２２内に配置される。
【００７２】
[106]上記に記載したように、少なくとも１種類の選択されたガス２２１は、材料の表面を数値モデリングし；モデリングされた材料の表面の、それぞれの複数の試験ガスへの複数の曝露をシミュレートし；それぞれの複数の試験ガスに曝露された材料の表面の複数の相互作用をシミュレートし；そして、それぞれの複数の試験ガスに関して観察される表面状態の複数の電子バンドギャップを概算する；ことによって選択される。
【００７３】
[107]この態様の１つの実施においては、ＩＦＯＧシステム１０のＩＯＣ１１０をジャイロ試験にかけて、ＩＯＣ１１０を選択されたガスに曝露することによってＩＦＯＧシステム１０の性能が向上するかどうかを求める。この態様の他の実施においては、ＩＯＣ１１０は、その中にＩＦＯＧシステム１０が収容されている乗物の姿勢を測定するために操作されるＩＦＯＧシステム１０内で操作する。この態様の更に他の実施においては、ＩＯＣ１１０は他のタイプのジャイロスコープシステムにおけるものである。例えば、光学システムが共振型光ファイバージャイロスコープである場合には、当業者に理解されるようにＩＯＣ１１０をＣＣＷ変調器及びＣＷ変調器に置き換えることができる。
【００７４】
[108]図１５は、本出願による、無機材料から形成され、選択されたガス２２３で処理されたＩＯＣ１１０を含むＩＦＯＧシステム１１の一態様を示す。ＩＯＣ１１０は支持構造体２５３上に支持されている位相変調器である。ＩＦＯＧシステム１１は、図１４を参照して上記に記載したＩＦＯＧシステム１０と構造及び機能が同様である。ＩＯＣ１１０は構造体２５３上に支持され、光ファイバー７０２を介して光源７０１からの光学ビームを入力するように整列されている。ＩＯＣ１１０は選択されたガス２２３で処理されている。ＩＯＣ１１０のそれぞれの少なくとも１つの表面（又は一部）は、ＩＯＣ１１０をＩＦＯＧシステム１１内の支持構造体２５３の上に配置する前に、選択されたガス２２３に曝露する。
【００７５】
[109]上記に記載したように、少なくとも１種類の選択されたガス２２３は、図１４を参照して上記に記載したように選択される。この態様の１つの実施においては、ＩＦＯＧシステム１１をジャイロシステム性能試験にかける。この態様の他の実施においては、ＩＦＯＧシステム１１は移動車両内で操作される。
【００７６】
[110]図１６は、本出願による、第１の選択されたガス２２３で処理し、第２の選択されたガス２２１を充填した密封筺体２２２内に配置した無機材料から形成されるＩＯＣ１１０を含むＩＦＯＧシステム１２の一態様を示す。ＩＯＣ１１０は支持構造体２５４上に支持されている位相変調器１１０である。ＩＦＯＧシステム１２は、図１４及び１５を参照して上記に記載したＩＦＯＧシステム１０及び１１と構造及び機能が同様である。
【００７７】
[111]この態様の他の実施においては、ＩＦＯＧシステム１２をジャイロシステム性能試験にかける。この態様の他の実施においては、ＩＦＯＧシステム１２は移動車両内で操作される。この態様の更に他の実施においては、第１の選択されたガス２２３及び第２の選択されたガス２２１は同じガスである。
【００７８】
[112]図１７は、本出願による、第１の選択されたガス２２３で処理し、第２の選択されたガス２２１を充填した密封筺体２２２内に配置した無機材料から形成されるＩＯＣ１１０を含むＩＦＯＧシステム１３の一態様を示す。ＩＦＯＧシステム１３は、図１４〜１６を参照して上記に記載したＩＦＯＧシステム１０〜１２と構造及び機能が同様である。図１７のＩＦＯＧシステム１３は、図１７に示す筐体２２２が、ＩＦＯＧシステム１３内の光源７０１、入力ファイバー７０２、出力ファイバー７０６、カプラー７０４、及び速度検出器７０８と接触している安定化充填ガス２２１を収容している点で図１４のシステム１０と異なる。
【００７９】
[113]ＩＦＯＧシステム１３は、適当な安定化充填ガス（例えば２２１）及び／又は処理ガス（例えば２２３）によって、ニオブ酸リチウムの性能を安定化し、且つ、安定化充填ガス（例えば２２１）と共に筐体２２２内に収容されているＩＦＯＧシステム１３内の他の素子／材料（例えば、光源７０１、入力ファイバー７０２、出力ファイバー７０６、カプラー７０４、及び速度検出器７０８）との反応を最小にするように設計されている。充填ガスは、分子状酸素（Ｏ２）含有充填ガスに対する代替物として選択される。本明細書に記載するモデリングに基づいて、モデリングされ、次に試験システムにおいて試験された選択された充填ガスは、ニオブ酸リチウムのバンドギャップを増加させるＯ２よりも良好な能力を有する。
【００８０】
[114]この態様の１つの実施においては、ＩＦＯＧシステム１３をジャイロシステム性能試験にかける。この態様の他の実施においては、ＩＦＯＧシステム１３は移動車両内で操作される。この態様の更に他の実施においては、第１の選択されたガス２２３及び第２の選択されたガス２２１は同じガスである。この態様の更に他の実施においては、ＩＯＣ１１０は選択されたガス２２３で処理しないが、選択されたガス２２１を充填した密封筺体２２２内に配置する。
【００８１】
[115]この態様の１つの実施においては、ＬＮ材料位相変調器（又は「ＬＮ位相変調器」）を組み立てる前に、ＬＮ材料を、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２、及びＳＯ２で予備処理（これに曝露）する。これは、ＬＮ又はＨＮ位相変調器を取り囲む充填ガスに代えて行って、充填ガスそれ自体のＬＮ又はＨＮ位相変調器に対する負の効果を回避することができる。位相変調器において用いるためのＬＮ材料の予備処理は、次にガスをフラッシングする場合にはアセンブリ内で考慮される。ＬＮ材料の表面が酸化されたら、ニオブ酸塩はより安定になる。この時点において、充填ガスは不活性である。完全に酸化された表面は、ＣＯ２又は有機分解の生成物に対して感受性がより低い。
【００８２】
[116]この態様の１つの実施においては、ＬＮ材料のチップは、高いバンドギャップを有するように設計され、また、選択されたガスが近接する素子によるいかなる放出ガスとも反応しない完全なシステムを考慮して設計される。システムの設計者によって、本明細書に記載するモデリング方法を用いて、通常は比較的高いバンドギャップを有する反応性化学種と、通常は僅かにより低いバンドギャップを有する配位化学種の反応性（しかしながらいずれも未処理のチップよりも高いバンドギャップを有する）の間の得失評価のバランスが取られる。孤立電子対は電子不足中心に結合している電子対であり、孤立電子対は反応性化学種及び配位化学種の両方がニオブの配位不足状態を満足していることが必要である。
【００８３】
[117]本明細書に記載するガスは、（１）配位化学種を含む配位ガス（改善ガス）；（２）反応性化学種を含む反応性ガス；又は（３）配位ガスと反応性ガスの両方；の１つとして用いることができる。この態様の１つの実施においては、配位ガス及び反応性ガスの両方として同じガスを用いる。
【００８４】
[118]本明細書に記載するガスは、比較的高いバンドギャップを与えるために、システム内のニオブ酸リチウム（又はニオブ酸水素塩）試験素子又は光学素子の表面上の非配位部位に結合するように選択される。分析によって、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）はＨＮ（プロトン交換ニオブ酸リチウム）よりもＯ２によるバンドギャップの回復が遙かにより高く、これは、リチウム又は場合によっては他のカチオンが、ガス表面においてより大きいバンドギャップを安定化させるのを助けることを示唆している。
【００８５】
[119]試験素子についてガスを試験し、好適なガスが選択されたら、選択されたガスを、図１４〜１７を参照して上記に記載した３つの形態の１つのジャイロスコープシステムにおける光学素子（例えば光学変調器）について用いる。第１の態様においては、ニオブ酸リチウム位相変調器をガス中に収容する（図１４）。第２の態様においては、ニオブ酸リチウム位相変調器をジャイロスコープシステム内に配置する前に、ニオブ酸リチウムを選択されたガスで処理（それに曝露）する（図１５）。第３の態様においては、ニオブ酸リチウム位相変調器を選択されたガス中に収容する前に、ニオブ酸リチウムを選択されたガスで処理（それに曝露）する。この後者の態様においては、第１の選択されたガスはニオブ酸リチウムの表面を処理するために用い、第２の選択されたガスによってニオブ酸リチウム位相変調器を取り囲む。
【００８６】
[120]この態様の１つの実施においては、図１４、１６、及び１７を参照して記載したＩＦＯＧシステム１０、１２、及び１３内の位相変調器１１０を、Ｎ２Ｏと共に密封筺体内に収容する。この態様の他の実施においては、図１４、１６、及び１７を参照して記載したＩＦＯＧシステム１０、１２、及び１３内の位相変調器１１０を、Ｎ２Ｏ及び少なくとも１種類の非反応性ガスと共に密封筺体内に収容する。この態様の更に他の実施においては、図１４、１６、及び１７を参照して記載したＩＦＯＧシステム１０、１２、及び１３内の位相変調器１１０を、Ｎ２Ｏ及びＮ２と共に密封筺体内に収容する。この後者の場合の態様においては、Ｎ２を加える前にＮ２Ｏを筐体に加える。この態様の更に他の実施においては、図１４、１６、及び１７を参照して記載したＩＦＯＧシステム１０、１２、及び１３内の位相変調器１１０を、Ｎ２Ｏ及び少なくとも１種類の配位ガスと共に密封筺体内に収容する。
【００８７】
[121]この態様の更に他の実施においては、位相変調器を第２の選択されたガスと共に密封筺体内に収容する前に、図１４、１６、及び１７を参照して記載したＩＦＯＧシステム１０、１２、及び１３内の位相変調器１１０を第１の選択されたガスで予備処理する。この後者の場合の幾つかの態様においては、第１の選択されたガスは反応性酸化物を含み、第２の選択されたガスはＮ２Ｏを含む。この後者の場合の他の態様においては、第１の選択されたガスは反応性酸化物を含み、第２の選択されたガスは非反応性ガスを含む。この後者の場合の他の態様においては、第１の選択されたガスは反応性酸化物を含み、第２の選択されたガスはＮ２Ｏと希ガスの混合物である。この態様の更に他の実施においては、システムを操作する前に、少なくとも１種類の選択されたガスの少なくとも１つでＩＯＣを処理する。
【００８８】
[122]この態様の更に他の実施においては、少なくとも１つのＩＯＣは、システムを操作する前に少なくとも１種類の選択されたガスの少なくとも１つによって処理すること；及び、システムの操作中に少なくとも１種類の選択されたガスの少なくとも１つを充填した密封筺体内に収容すること；をいずれかを行う。
【００８９】
[123]図１８は、種々の構成のガスに関して秒角単位で測定されたジャイロスコープの角度誤差の測定値をプロットしている。プロットした角度誤差のメカニズムは、ニオブ酸リチウム変調器性能の指標である。ここで示されるデータによって、当業者が光集積チップの機能を向上させるように光集積チップのための充填ガスを選択することが可能になる。この態様の１つの実施においては、光集積チップはニオブ酸リチウム以外の他の結晶質材料を含み、この場合には本明細書に記載するモデリングを他のタイプの結晶質材料に適用する。
【００９０】
[124]図１９は、本発明による、ガスが材料の表面状態を安定化させるかどうかを求めるための方法１９００の一態様のフロー図である。材料のバンドギャップが真空中の変調器のバンドギャップを超えて増加し、空気中のバルク材料のバンドギャップに近付く場合には、このガスは材料の表面状態を安定化したと決定される。方法１９００は図１Ａ〜１０Ｃにおいて行われるモデリングに適用することができる。
【００９１】
[125]ブロック１９０２において、材料（例えば、図１Ａ、３Ａ、５Ａ、７Ａ、及び９Ａにおける材料２０、或いは図２Ａ、４Ａ、６Ａ、８Ａ、及び１０Ａにおける材料３０、４５）の表面（例えば、図１Ａ、３Ａ、５Ａ、７Ａ、及び９Ａにおける表面４０、或いは図２Ａ、４Ａ、６Ａ、８Ａ、及び１０Ａにおける表面４５）を数値モデリングする。バルク材料は、無限層の上下に真空空間を有する材料の無限層を含む周期的単位格子としてモデリングする。
【００９２】
[126]ブロック１９０４において、モデリングした材料の表面のそれぞれの複数の試験ガスへの複数の曝露をシミュレートする。シミュレーションは、複数の試験ガスにおける試験ガスのそれぞれに関して行う。試験ガスは、上記表１及び２にリストされているガスの少なくとも２つを含む。
【００９３】
[127]ブロック１９０６において、それぞれの複数の試験ガスに曝露された材料の表面の複数の相互作用をシミュレートする。
[128]ブロック１９０８〜１９１４は、複数の試験ガスにおける１つの試験ガスに関して観察された表面状態の複数の電子バンドギャップを概算するために一緒に用いる。ブロック１９０８において、試験ガスを材料の１つの表面に対してエネルギー最適化する。ブロック１９１０において、材料の１つの表面に対してエネルギー最適化した試験ガスに関する特定の電子バンドを計算する。ブロック１９１２において、材料の１つの表面に対してエネルギー最適化した試験ガスに関する状態密度を計算する。
【００９４】
[129]ブロック１９１４において、材料の１つの表面に対してエネルギー最適化した試験ガスに関して計算された電子バンド及び状態密度に基づくバンド構造を求める。フェルミ準位最近傍の状態密度の最小値の上下のバンドエネルギーを用いて、試験ガスに関する電子バンドギャップを概算する。この態様の１つの実施においては、方法１９００は、密度汎関数理論を用いる量子力学ソフトウエアを実行することによって行う。
【００９５】
[130]上記に記載したように、バンドギャップを増加させると（モデリングによって）決定されたガスを、試験素子について試験するために選択する。図２０は、本出願による、試験素子を形成する材料の表面状態を安定化させるガスに曝露された試験素子を試験する方法２０００の一態様のフロー図である。
【００９６】
[131]ブロック２００２において、複数の試験ガスにおける試験ガスの少なくとも１つを、材料（例えばＬＮ又はＨＮ）から形成される試験素子について試験するために選択する。選択は、方法１９００にしたがって材料についてそれぞれの複数の試験ガスに関して概算されるそれぞれの複数の電子バンドギャップに基づく。この態様の１つの実施においては、選択はまた、複数の試験ガスにおける少なくとも１つの試験ガスと、その中で試験素子を最終的に操作する図１７を参照して上記に記載したＩＦＯＧシステム１３における他の素子（例えば、光源７１０及び検出器７０８）、及びその中で試験素子を最終的に操作するシステムにおける他の材料の少なくとも１つとの反応を最小化することにも基づく。この態様の１つの実施においては、試験システム（例えば、図１１〜１３を参照して上記に記載した試験システム２００〜２０２）は、試験中の効果を求める他の材料及び／又は他の素子を含む。
【００９７】
[132]ブロック２００４において、試験素子を処理（例えば、試験前に充填ガス以外の選択された試験ガスに曝露）するかどうかを決定する。試験システムが試験ガスで処理された試験素子を含む場合には、フローはブロック２００４から２２０６へ進む。ブロック２００６において、試験素子の少なくとも一部を、複数の試験ガスの選択された少なくとも１種類の試験ガスで処理する。「複数の試験ガスの選択された少なくとも１種類の試験ガス」はまた、ここでは「複数の試験ガスの選択された少なくとも１つ」及び「選択された試験ガス」とも呼ぶ。ブロック２００６の１つの実施においては、「複数の試験ガスの選択された少なくとも１つ」は「第１の選択された試験ガス」である。ブロック２００８において、処理された試験素子を試験ガスと共に密封筺体内に収容するかどうかを決定する。処理された試験素子を試験ガスと共に密封筺体内に収容しないことがブロック２００８において決定される場合には、方法２０００のフローはブロック２０１０へ進む。ブロック２０１０において、試験素子を試験する。方法２０００のブロック２０１０のこの態様の１つの実施においては、試験素子１０１を図１２の試験システム２０１内で試験する。
【００９８】
[133]処理された試験素子を試験ガスと共に密封筺体内に収容することがブロック２００８において決定される場合には、方法２０００のフローはブロック２０１２へ進む。ブロック２０１２において、処理された試験素子を、複数の試験ガスの選択された少なくとも１種類の試験ガスを充填した密封筺体内に収容する。ブロック２０１２の１つの実施においては、「複数の試験ガスの選択された少なくとも１つ」は、「複数の試験ガスの少なくとも１つの第２の選択された１つ」であり、これはまたここでは「第２の選択された試験ガス」とも呼ぶ。この場合には、試験素子を第１の選択された試験ガスで処理し、第２の選択された試験ガス内に収容する。
【００９９】
[134]ブロック２０１４において、試験素子を試験する。方法２０００のブロック２０１４のこの態様の１つの実施においては、試験素子１０１を密封筺体２２１内に収容し、図１３の試験システム２０２内で試験する。
【０１００】
[135]試験システムが、試験前に（充填ガス以外の）試験ガスで処理された試験素子を含まない場合には、フローはブロック２００４から２２１６へ進む。ブロック２０１６において、試験素子を、複数の試験ガスの選択された少なくとも１つを充填した密封筺体内に収容する。ブロック２０１８において、試験素子を充填ガス内で試験する。方法２０００のブロック２０１８のこの態様の１つの実施においては、試験素子１００を密封筺体２２１内に収容し、図１１の試験システム２００内で試験する。
【０１０１】
[136]この態様の１つの実施においては、複数の無機材料から形成された複数の試験素子について、複数の試験ガス並びに第１及び第２の試験ガスのマトリクスに関して完全試験を行う。この完全試験においては、どのタイプの試験システム（例えば、試験システム２００、２０１、又は２０２）の中でどの試験ガス又は複数の試験ガスの組み合わせが最良の性能を与えるかを求めるために、各タイプの試験素子を、ブロック２０１０、２０１４、及び２０１８の方法のそれぞれにおいて試験する。この態様の１つの実施においては、システム（例えば、ジャイロスコープシステム１０、１１、又は１２）は、最良の性能を与える試験素子及び試験システムの方法で形成及び製造した光学素子を用いる。
【０１０２】
[137]本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、記載されている態様に対する種々の修正を行うことができると理解されるであろう。以下の頁においては、化学的表記は下付き形態ではないが、これらは当業者に理解可能な形態である。
【０１０３】
実施態様：
[138]実施態様１は、少なくとも１種類の材料から形成される少なくとも１つの光集積回路（ＩＯＣ）（ここで、少なくとも１つのＩＯＣの性能は少なくとも１種類の選択されたガスに曝露することによって向上されている）；及び、少なくとも１つのＩＯＣを支持して光を他の素子間で接続するように構成されている支持構造体；を含むシステムを含む。
【０１０４】
[139]実施態様２は、少なくとも１種類の選択されたガスが反応性ガスを含む、実施態様１のシステムを含む。
[140]実施態様３は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも１種類の反応性ガス及び少なくとも１種類の非反応性ガスを含む、実施態様１〜２のいずれかのシステムを含む。
【０１０５】
[141]実施態様４は、システムがジャイロスコープシステムであり、少なくとも１種類の材料から形成される少なくとも１つのＩＯＣがニオブ酸リチウムベースの材料から形成される位相変調器である、実施態様１〜３のいずれかのシステムを含む。
【０１０６】
[142]実施態様５は、筐体（enclosure）をさらに含み、支持構造体が、その中に位相変調器が収容される筐体の少なくとも一部であるか；或いはその中に位相変調器が収容される筐体内に配置されているかのいずれか一方であり；少なくとも１種類の選択されたガスの少なくとも１つが位相変調器と共に筐体内に収容されている、実施態様４のシステムを含む。
【０１０７】
[143]実施態様６は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含む、実施態様５のシステムを含む。
[144]実施態様７は、第２の選択されたガスを筐体に加える前に、第１の選択されたガスを筐体に加える、実施態様６のシステムを含む。
【０１０８】
[145]実施態様８は、位相変調器を第２の選択されたガスと共に筐体内に収容する前に、ニオブ酸リチウムベースの材料を第１の選択されたガスで予備処理する、実施態様６〜７のいずれかのシステムを含む。
【０１０９】
[146]実施態様９は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含み、第１の選択されたガスが反応性酸化ガスを含み、第２の選択されたガスがＮ２Ｏを含む、実施態様８のシステムを含む。
【０１１０】
[147]実施態様１０は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含み、第１の選択されたガスがＮ２Ｏであり、第２の選択されたガスがＮ２である、実施態様４〜９のいずれかのシステムを含む。
【０１１１】
[148]実施態様１１は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含み、第１の選択されたガスが反応性酸化ガスを含み、第２の選択されたガスが非反応性ガスを含む、実施態様４〜１０のいずれかのシステムを含む。
【０１１２】
[149]実施態様１２は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含み、ＩＯＣを操作する前に、ＩＯＣを選択されたガスの少なくとも１つで処理する、実施態様４〜１１のいずれかのシステムを含む。
【０１１３】
[150]実施態様１３は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含み、少なくとも１つのＩＯＣを、システムを操作する前に少なくとも１種類の第１の選択されたガスによって処理し；そしてＩＯＣの操作中に少なくとも１種類の第２の選択されたガスを充填した密封筺体内に収容する；ことによって処理する、実施態様１〜１２のいずれかのシステムを含む。
【０１１４】
[151]実施態様１４は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含み、第１の選択されたガスが反応性酸化ガスを含み、第２の選択されたガスがＮ２Ｏと非反応性ガスの混合物である、実施態様１〜１３のいずれかのシステムを含む。
【０１１５】
[152]実施態様１５は、ニオブ酸リチウムベースの材料から形成される少なくとも１つの位相変調器（ここで、少なくとも１つの位相変調器の性能は、少なくとも１種類の選択されたガスに曝露することによって向上されている）；及び、その中に少なくとも１つの位相変調器を収容する密封筺体；を含み、少なくとも１種類の選択されたガスの少なくとも１つは、少なくとも１つの位相変調器と共に筐体内に収容されているジャイロスコープシステムを含む。
【０１１６】
[153]実施態様１６は、少なくとも１種類の選択されたガスの少なくとも１つがＮ２Ｏを含む、実施態様１５のジャイロスコープシステムを含む。
[154]実施態様１７は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含み、第１の選択されたガスが反応性酸化ガスを含み、第２の選択されたガスがＮ２Ｏを含む、実施態様１５〜１６のいずれかのジャイロスコープシステムを含む。
【０１１７】
[155]実施態様１８は、少なくとも１種類の選択されたガスが少なくとも第１の選択されたガス及び第２の選択されたガスを含み、位相変調器を第２の選択されたガスと共に密封筺体内に収容する前にニオブ酸リチウムベースの材料を第１の選択されたガスに曝露するか；及び、第２の選択されたガスを筐体に加える前にニオブ酸リチウムベースの材料を第１の選択されたガスに対して平衡化させるために、位相変調器を筐体内に収容した後に、ニオブ酸リチウムベースの材料を第１の選択されたガスに曝露する；ことの一方によって、ニオブ酸リチウムベースの材料を少なくとも第１の選択されたガスで予備処理している、実施態様１５〜１７のいずれかのジャイロスコープシステムを含む。
【０１１８】
[156]実施態様１９は、ニオブ酸リチウムベースの材料を予備処理するのに用いる第１の選択されたガスが反応性酸化ガスであり、第２の選択されたガスがＮ２Ｏである、実施態様１８のジャイロスコープシステムを含む。
【０１１９】
[157]実施態様２０は、材料の表面状態を安定化させるガスを求める方法であって、前記方法が：材料の表面を数値モデリングする工程；モデリングされた材料の表面のそれぞれの複数の試験ガスへの複数の曝露をシミュレートする工程；それぞれの複数の試験ガスに曝露された材料の表面の複数の相互作用をシミュレートする工程；及びそれぞれの複数の試験ガスに関して観察される表面状態の複数の電子バンドギャップを概算する工程を含み、材料の表面を数値モデリングする工程が；無限層の上下に真空を有する材料の無限層を含む材料の周期的単位格子を形成することによって材料の表面をモデリングする工程を含み、観察された表面状態の複数の電子バンドギャップを概算する工程が、複数の試験ガスにおける１つの試験ガスに関して：試験ガスを材料の１つの表面に対してエネルギー最適化する工程；材料の１つの表面に対してエネルギー最適化した試験ガスに関する特定の電子バンド（specific electronic band）を計算する工程；材料の１つの表面に対してエネルギー最適化した試験ガスに関する状態密度（density of states）を計算する工程；及び、材料の１つの表面に対してエネルギー最適化した試験ガスに関して計算された電子バンド及び状態密度に基づいてバンド構造を求める工程を含み、フェルミ準位最近傍の状態密度の最小値の上下のバンドエネルギーを用いて、試験ガスに関する電子バンドを概算する、前記方法を含む。
【０１２０】
[158]本明細書においては特定の態様を示し且つ記載したが、同じ目的を達成すると計算される任意の配置を示されている特定の態様と置き換えることができることは、当業者によって認められるであろう。したがって、本発明は特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されると明白に意図される。
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2015108617000001.pdf