(57)【要約】【課題】本発明は微小構造光導波路に関し、特に調整可能な周期構造および共振構造を提供する、光導波路のクラッド構造への光活性材料の周期プラグに関する。【解決手段】光活性材料の「プラグ」の周期シーケンスを内部クラッド・エア・トンネル内に備えた微小構造光導波路が形成される。共振構造および周期構造を生成する回折格子構造として、このプラグを利用する。プラグの間隔の変化、あるいはプラグの初期間隔を微小構造光導波路の形成中に修正することによって導波路を調整することができる。一般的には、種類が異なる任意の数の光活性材料を使用してプラグを形成することができ、複数の異なる材料を同一構造に使用し、かつ、交番方式で導入することができる。【選択図】図２
2004310114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小構造光導波路であって、
前記微小構造光導波路の長さに沿って配置された中央コア領域と、
前記中央コア領域を取り囲む内部クラッド層とを備え、前記内部クラッド層は、前記導波路の長さに沿って配置された少なくとも１つのエアチャネルを包含すべく微小構造化されており、前記少なくとも１つのエアチャネルは、所望の周期性∧を示すべく配置された、光活性材料の第１の複数のプラグを備えることを特徴とする微小構造光導波路。
【請求項２】
請求項１に記載の微小構造光導波路であって、前記少なくとも１つのエアチャネルは、前記コア領域を取り囲むべく軸方向に配置された複数のエアチャネルからなり、少なくとも２つの対向するエアチャネルの各々は光活性材料の第１の複数のプラグを備えることを特徴とする微小構造光導波路。
【請求項３】
請求項１に記載の微小構造光導波路であって、前記少なくとも１つのエアチャネルは、代替光活性材料の第２の複数のプラグを備え、前記代替光活性材料は前記最初の光活性材料の光特性とは異なる光特性を示すことを特徴とする微小構造光導波路。
【請求項４】
請求項３に記載の微小構造光導波路であって、前記光活性材料の第１の複数のプラグの屈折率は温度の上昇に伴って低くなり、また、前記代替光活性材料の第２の複数のプラグの屈折率は温度の上昇に伴って高くなることを特徴とする微小構造光導波路。
【請求項５】
請求項１に記載の微小構造光導波路であって、前記プラグの前記周期性は、前記エアチャネル内の前記プラグの間隔を変化させる環境要因を修正することによって調整可能であることを特徴とする微小構造光導波路。
【請求項６】
請求項１に記載の微小構造光導波路であって、前記光活性材料は液体からなることを特徴とする微小構造光導波路。
【請求項７】
請求項１に記載の微小構造光導波路であって、前記導波路は、テーパー領域を備える光ファイバからなり、それにより伝搬信号を前記中央コア領域と前記内部クラッド層との間で結合することができることを特徴とする微小構造光導波路。
【請求項８】
内部クラッド層の長さに沿って配置された少なくとも１つのエアチャネル内に光活性材料の複数のプラグを備えた微小光導波路を形成する方法であって、
ａ）光活性材料の貯蔵容器を供給する工程と、
ｂ）前記微小構造光導波路の末端に真空源を取り付ける工程と、
ｃ）前記微小構造光導波路の反対側の末端の近傍を、定義された時間期間の間、光活性材料の前記貯蔵容器中に降下させる工程と、
ｄ）一定量の光活性材料を少なくとも１つの内部クラッド・エアチャネル内に吸い込むべく真空を印加する工程と、
ｅ）前記貯蔵容器から前記微小構造光導波路を除去する工程と、
ｆ）前記微小構造光導波路内に光活性材料の所望する複数のプラグが導入されるまで工程ｃ）〜ｅ）を繰り返す工程とを備えることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、前記微小構造光導波路内の前記プラグの周期性∧を決定するべく、工程ｃ）〜ｅ）の周波数を制御することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であってさらに、中央テーパー領域を形成すべく、最終微小構造光導波路を加熱し、かつ、引き伸ばす工程を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微小構造光導波エレメントに関し、より詳細には、調整可能(tunable) な周期構造および共振構造を提供するための、ファイバなどの光導波路のクラッド構造への光活性材料の周期「プラグ」の含有に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号の特性を修正する光デバイスには、波長可変フィルタ、減衰器、スイッチ、偏光回転子などのデバイスが含まれている。このようなデバイスには、そのデバイスを通って伝搬する信号の位相／振幅を変化させるべく、デバイスの１つまたは複数の領域の屈折率を周期的に変化させるための様々な手段が使用されている。従来のこの種のデバイスには、所望の周期性を導入するべく、ブラッグ回折格子および／または長周期回折格子などの構造が含まれている。通常、従来の回折格子は、光ファイバまたは導波路のコアの感光性屈折率の周期摂動である。これらの回折格子はＵＶ露光によって生成され、したがってその性質は恒久的である。適用可能導波路の調整範囲は、例えば、物理的ひずみ変化、温度変化、磁界変化を回折格子に導入することによって達成され、あるいは回折格子の物理的変化を始めとする他の環境方法によって達成されている。
【０００３】
異なるスキームでは、所望する特定の材料（液体／重合体／微小球）の周期構造が、水素の装填を必要とすることなく、あるいは感光性コアを必要とすることなくファイバ内に導入されるファイバ−ファイバ・デバイスを利用することができることが望ましい。したがって、光活性材料を導入することにより、回折格子構造を書き込むＵＶレーザ源を使用する必要性が除去され、それにより時間および労力が著しく節約される。また、活性材料の屈折率を選択することにより、異なるモード間あるいは１つのモードにおける異なる偏光間の結合を比較的短い結合距離で達成することができるよう、可能な限り大きいことが一般的に望ましい屈折率摂動の差を決定する際の追加的な自由度が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
微小構造光導波エレメントに関し、より詳細には、調整可能な周期構造および共振構造を提供するための、光導波路のクラッド構造への光活性材料の周期「プラグ」の含有に関する本発明により、従来技術に残されている必要性が対処される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、光ファイバなどの微小構造光導波路内の選択されたエアチャネル(air channel：空気溝）に光活性材料が周期的に充填され、それにより、導波路／ファイバに沿って伝搬する光のエバネセントフィールド（evanescent field)（伝搬定数、偏光等）が操作される。特定の実施例では、コア領域を取り囲み、かつ、光ファイバの長さに沿って軸方向に展開するよう、クラッド領域にエアチャネルが導入され、次に、伝搬する光信号の光特性を変化させるべく、１つまたは複数のクラッド層エアチャネル中に光活性材料が注入される。光活性材料は、エアチャネルの長さに沿って配置された、光活性材料の個別的な周期「プラグ」が生成されるよう、「周期」プロセスを使用して注入される。光活性材料は、良く知られている回折格子構造に類似した周期∧になるように注入される。本発明によれば、この周期性を使用して、伝搬モードにおける異なる偏光間の結合が提供され、偏光回転子が生成される。
【０００６】
微小構造光ファイバ内の伝送特性の調整性は、光活性材料の周期性を変化させることによって達成される。光活性材料の周期性の変化は、例えば、チャネル内の空気を微小構造ファイバのテーパが施された部分の両端で加熱して周期構造の両側に圧力を誘導し、それによりプラグ間の空気を圧縮し、ミクロ液体(microfluidic)構造の周期を変化させることによって達成する。クラッド内における空気／活性材料の周期性に対する代替として、それぞれ光特性が異なる（例えば一方の材料がｄｎ／ｄＴ＞０であり、もう一方の材料がｄｎ／ｄＴ＜０である）２種類の光活性材料を周期的に注入することもできる。
【０００７】
本発明の動作によれば、例えば温度、光あるいは電界または磁界を印加することにより、光活性材料の屈折率、損失、散乱あるいは複屈折などの光特性を変化させることができ、延いてはデバイス内の光信号の伝搬特性を変化させ、あるいは伝搬特性に影響を及ぼすことができる。
【０００８】
本発明のその他の態様および実施例については、以下の考察に目を通し、かつ、添付の図面を参照することによって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
コヒーレントミクロ液体共振(coherent microfluids resonance)の原理については、図１に示す微小構造光ファイバ１０を参照することによって最も良く理解されよう。図に示すように、ファイバ１０は、内部クラッド層１４および外部クラッド層１６によって取り囲まれたコア領域１２を備えている。以下で詳細に説明するように、内部クラッド層１４には光活性材料１８が周期的に配置されている。この実施例では、活性材料１８は、コア領域１２を取り囲むべく軸方向に配置され、かつ、ファイバ１０の長さに沿って展開した複数の個別エアチャネル２０内に配置されている。本発明による構造を支持し得る重要な要因は、活性材料１８がチャネル２０内に周期的に配置されていることにある。チャネル２０内では、活性材料１８の個別の「バブル」すなわち「プラグ」（図１に関連する写真を参照されたい）が形成され、その周期は∧である。以下で詳細に考察するように、周期的に間隔を隔てた活性材料プラグ１８が存在することにより、伝搬基本モードとより高次のモードの間で位相が整合する。共伝搬導波モード間の結合を達成するためには、位相整合は、次の関係を満足しなければならない。
【数１】
2004310114.tif 000003
図１に示すように、βｆｕｎおよびβｈｉｇｈは、それぞれ基本モードおよびより高次のモードの伝搬定数であり、∧は活性材料部分１８の周期である。微小構造光ファイバ１０の場合、図１に示すように、基本モードのエバネセントフィールドは、内部クラッド１４のチャネル２０とオーバラップし、したがって、より高次のモードへの結合を提供するべく機能する活性材料１８を貫通している。２つのモードの位相が整合すると、その２つのモードの間で光パワーが交換される。より高次のモードへ特定の波長で伝達される光の量は、結合係数と関連している。
【００１０】
結合係数は、周期構造の屈折率の差によって決まり、次の関係によってモードフィールドＥｆｕｎとＥｈｉｇｈの間でオーバラップしている。
【数２】
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以下で説明するように、一つの例示的な光活性材料（トリフルオロトルエン（trifluorotoluence)）の屈折率は１．４０５であり、したがって各チャネル２０における液体と空気の間の屈折率差によって、屈折率差Δｎ＝０．４０５がもたらされる。この屈折率の差は、感光性光ファイバ回折格子の中で得られる屈折率の変化よりはるかに大きいが、結合係数κは、基本モードとより高次のモードのオーバラップに関係している。以下で説明するファイバの内部クラッドと同様の寸法を有する従来のファイバに対して計算された結合係数κは、約１×１０−５／μｍ程度であり、従来の長周期回折格子の大きさとほぼ同じ程度の大きさである。本明細書において考察する例示的な実施例には微小構造光ファイバが利用されているが、本発明の原理は、スラブ型光導波路などの任意の微小構造光導波構造との使用にも等しく適用することができることに留意されたい。
【００１１】
図２は、図１に示すファイバ１０などの周期微小構造光ファイバの形成に使用することができる特定の装置を示したものである。図に示すように、装置３０は、光活性材料１８が充填された液体貯蔵容器３２を備えている。クランプ装置３６には電動機３４が結合され、クランプ装置３６は、ファイバ１０を取り囲んでいる外部ハウジングに取り付けられている（図に示すように）。電動機３４の運動は、クランプ装置３６を介してその方向が変化し、液体貯蔵容器３２中へのファイバ１０の端面２２の周期線形ディッピング（periodic linear dipping)（図２の±ｙで示す）を提供している。ファイバ１０のもう一方の端面２４には真空ポンプ３８が取り付けられており、それにより端面２４を介して真空が印加され、液体プラグ１８および空気（交番している）がファイバ１０の各チャネル２０中に吸い込まれる。液体プラグ１８の周期∧は、この特定の実施例では、電動機３４の回転周波数ωを調整することによって制御されている。また、１サイクルにおける空気中のファイバの変位に対する液体１８中へのファイバ１０の変位を調整することにより、液体と空気の比率を制御することも可能である。このような装置の内部に微小構造スラブ型光導波路を同様にクランプし、導波構造のクラッド層内に活性材料の周期配置を形成することもできる。
【００１２】
上で説明したファイバ１０の特定の実施例では、ファイバ１０は、内部クラッド層１４の内部に一組の６本の概ね円筒状のチャネル（この事例では「管」）２０を備えている。ゲルマニウムがドープされた８μｍのコア領域１２を備えたファイバ内では、伝搬する光信号は、クラッド層１４中の活性プラグ１８と相互作用することはできない。ファイバ内を伝搬する光と活性プラグ１８の間の相互作用を達成するためには、図３に示すように、テーパが施された領域４０を生成するべく、ファイバ１０にテーパを施し、かつ、引き伸ばさなければならない。テーパが施された領域４０の内部では、クラッド層１４中にモードフィールドが展開し、それにより活性プラグ１８の影響を受けるようになる。
【００１３】
図３に示すように、ファイバ１０の領域４０はテーパが施され、７ｃｍの長さに渡って約３０μｍの外径にくびれている（内径は約８μｍである）。この実施例ではトリフルオロトルエンである周期ミクロ液体プラグ１８は、約４６０μｍの周期∧で間隔を隔てている。上で考察したように、テーパが施された領域４０の中を伝搬する光は、コア領域１２から散開して周期プラグ１８と相互作用することになる。したがって、周期プラグ１８の存在によって基本モード（ＬＰ０１）とより高次のモード（ＬＰ０２）の間のコヒーレント結合が達成される。このようにして生成されたより高次のモードは、広がる方向にテーパが施された断熱部分４２を通って伝搬し、滑らかに内部クラッド層１４の部分４４に変化する。より高次のモードは、内部クラッド層１４中に導かれることになるが、従来の単一モードファイバ５０部分を備えたスライスＳに到達すると減衰する。したがって、周期およびそれぞれのモードの伝搬定数によって決まる波長を中心とする共振損失ピーク中に、より高次のモードへの共振結合が出現する。所望する波長の結合を得るために必要な摂動の周期は、上で説明した第１の式によって与えられ、かつ、それぞれのコアおよびより高次のモードの実効屈折率の知識に基づいている。後者については、従来のビームプロパゲーション法(beam propagation method)を使用して計算することができる。エアギャップ(air gap：空気間隙)中に液体が存在しないと仮定し、かつ、１．５μｍ近辺の共振結合に対する周期を４３５μｍとすると、ＬＰ０１モードとＬＰ０２モードの計算実効屈折率差は、（Δｎｅｆｆ０１−０２）＝０．００４５である。チャネル２０中にプラグ１８が存在すると、エバネセントフィールドとプラグ１８の光活性材料との相互作用によって実効屈折率が影響されることに留意されたい。
【００１４】
図４は、周期ミクロ液体プラグ（例えばプラグ１８など）を備えたファイバ、および液体が連続的に充填された内部クラッド領域を備えたファイバの両方に対する伝送スペクトルを示したものである。曲線Ａは、連続的に充填されたファイバの１５３０ｎｍから１６００ｎｍまでの波長範囲に対する伝送を示したもので、波長を関数とした伝送差が極めて小さいことを示している。対照的に、曲線Ｂは、周期プラグ構造を備えた構造の伝送を示したもので、この場合、約１５６５ｎｍの波長で著しい損失（フィルタリング効果）が生じている。
【００１５】
図５は、実験的に測定した、図２に関連して上で考察した異なるディッピング周波数と結合した伝送スペクトルを示したものである。上で言及したように、ファイバクラッドチャネル内の光活性材料プラグの周期∧は、ディッピング周波数すなわち一定の時間間隔（ｔ）の間にファイバが光活性材料の貯蔵容器中に浸される回数（ｎ）、およびミクロ液体プラグが管に沿って移動する測度（ｖ）によって決定される。個々の時間間隔ｔの間、液体を注入する測度によって決まる一定の距離だけ液体が充填される。この測度は（例えば）１ｃｍ／秒である。したがってディッピング周波数が１２５Ｈｚの場合、ファイバ内の液体の周期∧は約８０μｍである。ファイバのテーパが施された部分（例えば図３に示す部分４０）では、この周期は、テーパが施されたファイバ径のテーパが施されていない部分のファイバ径に対する比率である所定の係数だけ増加する。図３に示す構造の場合、テーパが施されたファイバの直径はテーパが施されていないファイバの直径の１／４であり、したがって周期は約４６０μｍに増加する。ファイバ内への液体の注入は、電動機のあらゆる周波数変化すなわちファイバを液体中に浸す量のあらゆる変化に極端に敏感であるため、上の式から推定される計算周期と観察される周期は若干異なることがある。また、伝送スペクトル上の共振位置も、実効屈折率の差に極めて敏感である。
【００１６】
本発明の実践によれば、プラグ１８の周期∧を、チャネル２０内の空気をテーパが施された領域４０の両側で同時に加熱することによって「調整(tune)」することができる。加熱された空気によって周期ミクロ液体プラグ１８の両側に圧力が印加され、それによりプラグ１８間のエアギャップが収縮し、隣接するプラグ１８間の隔たりが小さくなる（周期∧が短くなる）。図６は、本発明による周期プラグを備えた微小構造光ファイバに対する温度変化の影響を示したものである。図６の曲線Ａは、ファイバ１０などのファイバの末端部分を２５℃に維持した場合の伝送スペクトルを示したもので、この場合、伝送スペクトルは、１５９０ｎｍの直ぐ上の周波数でＶ字形の刻み目を有している。ファイバ１０の両端を１２５℃に加熱することにより、加熱後におけるプラグ１８の周期減少の結果としてデバイスの中心波長が減少方向に約１５８３ｎｍの値までシフトする。したがって、ファイバの両端に印加する温度を制御することにより、波長を容易に調整させることができる。
【００１７】
図７は、例示的ファイバ１０のテーパが施された部分４０内のプラグ１８を直接加熱した後に測定した一組の異なる伝送スペクトルを示したものである。この場合、温度の上昇に伴って光活性材料の屈折率が減少し（約−１０−４／℃のｄｎ／ｄＴ）、したがって、液体と空気の屈折率の差（Δｎ）が小さくなるため、結合効率が減少している。曲線Ａは、室温（２５℃）における急峻な共振を示したもので、この急峻な共振は、温度の上昇に伴って弱くなる。また、温度の上昇に伴って背景損失(background loss) が減少していることに留意されたい。これは、テーパが施された部分全体に渡って平均損失が減少することによるものと思われる。プラグ間の空気には膨張する傾向があり、それによりプラグによって形成される回折格子構造の周期が長くなるため、共振には、周期プラグが加熱されると、より長い波長に向かってシフトする傾向がある。
【００１８】
基本的には、本発明は、光ファイバなどの微小構造光導波路の内部クラッド層に沿ったチャネル内に配置された、周期的に間隔を隔てたミクロ液体プラグを開示している。したがって、活性材料プラグの周期を調整することによって（一実施例では「ディッピング周波数」を調整することによって）、あるいは導波路／ファイバをテーパが施された中央領域の両側で加熱することによって共振条件が制御されるコヒーレント共振構造を、導波路などの内部に形成することができる。また、屈折率が温度の関数として変化する液体を加熱することによって共振を減衰させることができる。上で考察したように、他の様々な改変を微小構造光ファイバに加えることができるが、これらの改変は、特許請求の範囲の各請求項によって定義されている本発明の精神および範囲に帰属するものと見なされるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による、活性材料が周期的に注入された、例示的な微小構造光ファイバを示す図である。
【図２】本発明による周期微小構造光ファイバの形成に有用な例示的構造を示す図である。
【図３】周期光活性プラグを備えた微小構造光ファイバの、プラグを備えたクラッド層中への入力光信号の結合を提供するために使用されるテーパが施された部分を示す図である。
【図４】本発明に従って形成された、周期プラグを備えた微小構造光ファイバおよび連続的に充填されたクラッド構造を備えた微小構造光ファイバの両方に対する伝送スペクトルを示すグラフである。
【図５】光活性材料の周期プラグを備えた一組の３つの微小構造光ファイバに対する、それぞれ「ディッピング周波数」（すなわち異なる合成プラグ周期性）が異なる伝送スペクトルを示すグラフである。
【図６】本発明による周期プラグを備えた例示的微小構造光ファイバに対する、それぞれ光ファイバの周囲温度が異なる伝送スペクトルを示すグラフである。
【図７】本発明による周期プラグを備えた例示的微小構造光ファイバに対する、それぞれプラグが含まれているテーパが施されたファイバ部分の温度が異なる一連の伝送スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００２０】
１０  ファイバ
１２  コア領域
１４  内部クラッド層
１６  外部クラッド層
１８  光活性材料
２０  エアチャネル
２２  ファイバの端面
２４  ファイバの端面
３２  液体貯蔵容器
３４  電動機
３６  クランプ装置
３８  真空ポンプ
４０  テーパ領域
４２  断熱部分
【図１】
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【図２】
2004310114.tif 000006
【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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