(57)【要約】分散プロファイルが調整された作業モードを有する光導波路。該導波路は、（ｉ）導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、少なくとも１つのフォトニック・バンドギャップを有するフォトニック結晶を含み、使用中に、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、（ｉｉ）導波路軸に沿って延在し、導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートする誘電体コア領域と、（ｉｉｉ）導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域とを含み、分散調整領域が、第１の周波数範囲で導波モードと相互作用して作業モードを生成する１つ以上の追加モードを導入する。
2004526181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分散プロファイルが調整された作業モードを有する光導波路において、
導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、少なくとも１つのフォトニック・バンドギャップを有するフォトニック結晶を含む誘電体閉じ込め領域と、当該閉じ込め領域が使用中に第１の周波数範囲のＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させ、
前記導波路軸に沿って延在し、かつ前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、前記第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートする誘電体コア領域と、
前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域であって、前記第１の周波数範囲において前記導波モードと相互作用して前記作業モードを生成する１つ以上の追加モードを導入する誘電分散調整領域とを備える導波路。
【請求項２】
前記コアが、前記誘電体閉じ込め領域の最高屈折率成分より小さい平均屈折率を有する、請求項１に記載の導波路。
【請求項３】
前記コアの平均屈折率が１．１より小さい、請求項１に記載の導波路。
【請求項４】
前記コアが気体を含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項５】
前記閉じ込め領域が、異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電体材料を備える、請求項１に記載の導波路。
【請求項６】
前記屈折率が高い方の誘電体材料の屈折率と前記屈折率が低い方の誘電体材料の屈折率との比率が１．１より大きい、請求項５に記載の導波路。
【請求項７】
前記屈折率が高い方の誘電体材料の屈折率と前記屈折率が低い方の誘電体材料の屈折率との比率が１．５より大きい、請求項６に記載の導波路。
【請求項８】
前記屈折率が高い方の誘電体材料の屈折率と前記屈折率が低い方の誘電体材料の屈折率との比率が２より大きい、請求項７に記載の導波路。
【請求項９】
前記閉じ込め領域の前記２つの誘電体材料がフォトニック結晶を形成する、請求項５に記載の導波路。
【請求項１０】
前記フォトニック・バンドギャップが全方向フォトニック・バンドギャップである、請求項１に記載の導波路。
【請求項１１】
前記フォトニック・バンドギャップは、前記第１の周波数範囲で前記コアから前記閉じ込め領域に入射し、かつ偏光したＥＭ放射線が０°から少なくとも８０°の範囲の入射角に対して９５％より大きい平面幾何学形状の反射率を有するのに十分なものである、請求項１に記載の導波路。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶が２次元で周期的なフォトニック結晶である、請求項１に記載の導波路。
【請求項１３】
前記フォトニック結晶が１次元で周期的なフォトニック結晶である、請求項１に記載の導波路。
【請求項１４】
前記閉じ込め領域が、導波路軸の周囲で前記コアを囲む前記２つの誘電体材料の交互層を備える、請求項５に記載の導波路。
【請求項１５】
前記交互の誘電体層の屈折率および厚さが、前記フォトニック・バンドギャップを生成するのに十分である、請求項１４に記載の導波路。
【請求項１６】
前記フォトニック・バンドギャップが全方向フォトニック・バンドギャップである、請求項１５に記載の導波路。
【請求項１７】
前記交互の誘電体層のうち少なくとも一部の屈折率および厚さが、
【数１】
2004526181.tif 000007
の式をほぼ満足し、ここで、ｄhiおよびｄloがそれぞれ、隣接する高屈折率層および低屈折率層の厚さであり、ｎhiおよびｎloがそれぞれ、前記隣接する高屈折率層および低屈折率層の屈折率である、請求項１５に記載の導波路。
【請求項１８】
前記閉じ込め領域が少なくとも１２対の交互層を備える、請求項１５に記載の導波路。
【請求項１９】
前記閉じ込め領域が、前記導波モードの放射損失を前記第１の周波数範囲の周波数に対して１ｄＢ／ｍ未満に制限するのに十分な数の交互層の対を備える、請求項１５に記載の導波路。
【請求項２０】
前記閉じ込め領域が、前記導波モードの放射損失を前記第１の周波数範囲の周波数に対して０．１ｄＢ／ｍ未満に制限するのに十分な数の交互層の対を備える、請求項１５に記載の導波路。
【請求項２１】
前記第１の周波数範囲が、約１．２ミクロンから１．７ミクロンの範囲の波長に対応する、請求項１に記載の導波路。
【請求項２２】
前記第１の周波数範囲が、約０．７ミクロンから０．９ミクロンの範囲の波長に対応する、請求項１に記載の導波路。
【請求項２３】
前記第１の周波数範囲の帯域幅と前記第１の周波数範囲の中心周波数との比率が、少なくとも約１０％である、請求項１に記載の導波路。
【請求項２４】
前記導波路軸がほぼ直線である、請求項１に記載の導波路。
【請求項２５】
前記コアが円形の断面を有する、請求項１に記載の導波路。
【請求項２６】
前記コアが六角形の断面を有する、請求項１に記載の導波路。
【請求項２７】
前記コアが長方形の断面を有する、請求項１に記載の導波路。
【請求項２８】
前記作業モードの有効屈折率の変動が、前記第１の周波数範囲にわたって１０％より大きい、請求項１に記載の導波路。
【請求項２９】
前記作業モードの有効屈折率の変動が、前記第１の周波数範囲にわたって５０％より大きい、請求項１に記載の導波路。
【請求項３０】
前記作業モードの有効屈折率の変動が、前記第１の周波数範囲にわたって１００％より大きい、請求項１に記載の導波路。
【請求項３１】
前記誘電体調整領域が、前記導波路軸に対して前記コアと前記閉じ込め領域との間に配置される、請求項１に記載の導波路。
【請求項３２】
前記分散調整領域が、前記導波路軸の周囲で前記コアを囲み、前記１つ以上の追加モードを導入する１つ以上の誘電体層を備える、請求項３１に記載の導波路。
【請求項３３】
前記１つ以上の追加モードを導入する前記１つ以上の誘電体層がコアに隣接する、請求項３２に記載の導波路。
【請求項３４】
前記分散調整領域が、前記コアと前記１つ以上の追加モードを導入する前記１つ以上の誘電体層との間に配置された少なくとも１つの追加誘電体層を備える、請求項３２に記載の導波路。
【請求項３５】
前記１つ以上の追加モードを導入する前記１つ以上の誘電体層が、前記閉じ込め領域に隣接する、請求項３２に記載の導波路。
【請求項３６】
前記コアがライト・ラインを形成し、前記導波コア・モードと前記分散調整領域によって導入された前記１つ以上のモードとの間の相互作用により、前記第１の周波数範囲の周波数サブセットに対してライト・ラインと交差する、請求項３２に記載の導波路。
【請求項３７】
前記分散調整領域によって導入された前記１つ以上のモードが、前記フォトニック・バンドギャップの１つ以上の欠陥状態に対応する、請求項１に記載の導波路。
【請求項３８】
前記１つ以上の追加モードを導入する前記１つ以上の誘電体層が、１つの誘電体層のみで構成される、請求項３２に記載の導波路。
【請求項３９】
前記１つのみの誘電体層が、１つのみの追加モードをサポートする厚さを有する、請求項３８に記載の導波路。
【請求項４０】
前記１つののみの誘電体層が、複数の追加モードをサポートする厚さを有する、請求項３８に記載の導波路。
【請求項４１】
前記分散調整領域が、前記フォトニック結晶内に少なくとも１つの欠陥を形成して、前記１つ以上の追加モードを前記第１の周波数範囲に導入する、請求項１に記載の導波路。
【請求項４２】
前記閉じ込め領域および前記分散調整領域が、異なる屈折率を有し、かつ前記導波路軸の周囲で前記コアを囲む２つの誘電体材料の交互層を備える、請求項３１に記載の導波路。
【請求項４３】
前記高屈折率誘電体層の屈折率と前記低屈折率誘電体層の屈折率との比率が１．１より大きい、請求項４２に記載の導波路。
【請求項４４】
前記高屈折率誘電体層の屈折率と前記低屈折率誘電体層の屈折率との比率が１．５より大きい、請求項４３に記載の導波路。
【請求項４５】
前記高屈折率誘電体層の屈折率と前記低屈折率誘電体層の屈折率との比率が２より大きい、請求項４４に記載の導波路。
【請求項４６】
前記分散調整領域における１つ以上の層の厚さが、前記閉じ込め領域の対応する層の厚さと異なる、請求項４２に記載の導波路。
【請求項４７】
前記分散調整領域の少なくとも１つの層が、前記フォトニック結晶に欠陥を導入して前記第１の周波数範囲で前記１つ以上の追加モードをサポートする厚さを有する、請求項４２に記載の導波路。
【請求項４８】
前記コアがほぼ均一な屈折率を有する、請求項１に記載の導波路。
【請求項４９】
前記調整された分散プロファイルが、前記第１の周波数範囲でゼロ分散の周波数ポイントを備える、請求項１に記載の導波路。
【請求項５０】
導波モードがＴＥモードである、請求項４９に記載の導波路。
【請求項５１】
前記第１の周波数範囲が約１．２ミクロンから１．７ミクロンの範囲の波長に対応する、請求項４９に記載の導波路。
【請求項５２】
前記第１の周波数範囲が約０．７ミクロンから０．９ミクロンの範囲の波長に対応する、請求項４９に記載の導波路。
【請求項５３】
前記分散調整領域が複数の追加モードを前記第１の周波数範囲に導入し、前記導波モードが前記複数の追加モードと相互作用して、それぞれが調整された分散プロファイルを有する複数の不連続作業モードを生成する、請求項１に記載の導波路。
【請求項５４】
前記作業モードの各々が、前記第１の周波数範囲の異なる周波数にゼロ分散ポイントを有する、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５５】
前記第１の周波数範囲が約１．２ミクロンから１．７ミクロンの範囲の波長に対応する、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５６】
前記第１の周波数範囲が約０．７ミクロンから０．９ミクロンの範囲の波長に対応する、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５７】
前記調整された分散プロファイルが、前記第１の周波数範囲に、絶対値が２００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）より大きい分散Ｄを有する第１の周波数ポイントを含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項５８】
前記調整された分散プロファイルが、前記第１の周波数範囲に、絶対値が１，０００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）より大きい分散Ｄを有する第１の周波数ポイントを含む、請求項５７に記載の導波路。
【請求項５９】
前記調整された分散プロファイルが、前記第１の周波数範囲に、絶対値が１０，０００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）より大きい分散Ｄを有する第１の周波数ポイントを含む、請求項５８に記載の導波路。
【請求項６０】
Ｄの記号がマイナスである、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６１】
Ｄの記号がプラスである、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６２】
前記第１の周波数ポイントにおける相対的分散傾斜が約０．０２ｎｍ-1より大きい絶対値を有する、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６３】
前記第１の周波数ポイントにおける相対的分散傾斜が約０．１ｎｍ-1より大きい絶対値を有する、請求項６２に記載の導波路。
【請求項６４】
前記調整された分散プロファイルが、前記第１の周波数ポイントに約２００ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）より大きい性能指数を有する、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６５】
前記調整された分散プロファイルが、前記第１の周波数ポイントに約５００ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）より大きい性能指数を有する、請求項６４に記載の導波路。
【請求項６６】
前記第１の周波数範囲が、約１．２ミクロンから１．７ミクロンの範囲の波長に対応する、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６７】
前記第１の周波数範囲が、約０．７ミクロンから０．９ミクロンの範囲の波長に対応する、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６８】
前記導波モードがＴＥモードである、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６９】
前記導波モードがＥＨ11モードである、請求項５７に記載の導波路。
【請求項７０】
前記導波モードがＨＥ11モードである、請求項５７に記載の導波路。
【請求項７１】
前記閉じ込め領域、前記コアおよび前記分散調整領域が、異なる断面屈折率プロファイルを有する少なくとも２つの軸方向セグメントを備える、請求項１に記載の導波路。
【請求項７２】
スケーリング係数を除き、前記２つのセグメントの断面プロファイルがほぼ同一である、請求項７１に記載の導波路。
【請求項７３】
前記スケーリング係数が１％より大きい、請求項７１に記載の導波路。
【請求項７４】
前記導波路の少なくとも第１の端部は、前記屈折率断面が連続的に変化して前記作業モードの場プロファイルを変更する結合セグメントを含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項７５】
前記最初に言及した導波路に結合された第２の導波路を備え、前記第１の導波路に隣接する前記第２の導波路の断面が、前記作業モードの前記第２の導波路への結合を改善するように配置されたドープ済みシリコンの領域を更に備える、請求項１に記載の導波路。
【請求項７６】
前記最初に言及した導波路に結合された第２の導波路を備え、前記第１の導波路に隣接する前記第２の導波路の断面が、前記第１の導波路の分散調整領域に接触し、前記作業モードの前記第２の導波路への結合を改善する中空リングを更に備える、請求項１に記載の導波路。
【請求項７７】
光電気通信システムにおいて、
少なくとも第１の光信号を搬送する伝送導波路と、
請求項１に記載の光導波路を備える分散補償導波路であって、前記伝送導波路と結合され、前記伝送導波路によって前記第１の光信号に与えられた分散を補償するように選択された調整済み分散プロファイルを有する分散補償導波路とを備える、システム。
【請求項７８】
前記伝送導波路が、使用中にそれぞれ対応する周波数で複数の光信号を搬送し、前記分散補償導波路の調整済み分散プロファイルが前記伝送導波路によって前記各光信号に与えられた分散を補償するように選択される、請求項７７に記載のシステム。
【請求項７９】
前記分散補償ファイバは、光出力が少なくとも２５ｄＢｍに到達するように設計された前記システム内に配置される、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８０】
光信号の分散を補償するための方法において、
調整された分散プロファイルを有するフォトニック結晶ファイバに前記光信号を結合することを含む方法。
【請求項８１】
前記フォトニック結晶ファイバが１次元で周期的なフォトニック結晶を含む閉じ込め領域を備える、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記フォトニック結晶ファイバが２次元で周期的なフォトニック結晶を含む閉じ込め領域を備える、請求項８０に記載の方法。
【請求項８３】
選択された分散プロファイルを有する分散補償ファイバを設計する方法において、
導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して前記導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、導波路軸に沿って延在し、かつ前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域とを備える導波路設計に分散調整領域を導入することと、前記誘電体閉じ込め領域が、フォトニック・バンドギャップを有するフォトニック結晶構造を含み、前記誘電分散調整領域が、前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれ、
前記導波モードと相互作用して前記選択された分散プロファイルを有する作業モードを生成する１つ以上のモードを前記第１の周波数範囲に導入するために、前記分散調整領域の屈折率プロファイルを選択することとを備える方法。
【請求項８４】
分散プロファイルが調整された作業モードを有する光導波路において、
導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、使用中に第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる閉じ込め領域と、
前記導波路軸に沿って延在し、かつ前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、前記第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートし、かつ前記誘電体閉じ込め領域より小さい平均屈折率を有するコア領域と、
前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域であって、前記導波モードと相互作用して前記作業モードを生成する１つ以上の追加モードを前記第１の周波数範囲に導入する誘電分散調整領域とを備える、導波路。
【請求項８５】
光導波路において、
導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、少なくとも１つのフォトニック・バンドギャップを生成するフォトニック結晶構造を備え、かつ使用中に第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して前記導波路軸に沿って伝搬させる閉じ込め領域と、
前記導波路軸に沿って延在し、かつ前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、前記第１の周波数範囲で前記少なくとも１つの導波モードをサポートするコア領域と、
前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域とを備え、前記分散調整領域の存在により前記導波コア・モードが前記第１の周波数範囲の少なくとも１つの周波数サブセットに対して前記分散調整領域に侵入する作業モードを形成する、導波路。
【請求項８６】
フォトニック結晶光導波路において、
導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域と、
導波路軸の周囲で前記コアに囲まれた第１のセットの少なくとも３つの誘電体層とを備え、前記第１のセットの連続層間の屈折率の差により前記第１のセットの後続層ごとに記号が変化し、
前記コアと前記第１のセットの層との間に配置された少なくとも１つの追加誘電体層を備え、前記追加誘電体層の厚さが前記第１のセットの層のうちの任意の３つの連続層それぞれの厚さとは１０％以上異なる導波路。
【請求項８７】
前記第１のセットの層が前記第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して前記導波路軸に沿って伝搬させる、請求項８６に記載の導波路。
【請求項８８】
前記追加誘電体層の厚さが前記第１のセットの層にある任意の３つの連続層それぞれの厚さとは３０％以上異なる、請求項８６に記載の導波路。
【請求項８９】
前記追加誘電体層の厚さが、前記第１のセットの層にある任意の３つの連続層それぞれの厚さとは１５０％以上異なる、請求項８６に記載の導波路。
【請求項９０】
フォトニック結晶光導波路において、
導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域と、
前記導波路軸の周囲でコアを囲む交互配置の複数の高屈折率誘電体層および複数の低屈折率誘電体層と、
前記コアと前記複数の交互誘電体層との間に配置された少なくとも１つの追加誘電体層とを備え、前記追加誘電体層の厚さが、前記複数の交互誘電体層のうちの任意の３つの連続層それぞれの厚さとは１０％以上異なる導波路。
【請求項９１】
前記複数の交互誘電体層が、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して前記導波路軸に沿って伝搬させる、請求項９０に記載の導波路。
【請求項９２】
前記追加誘電体層の厚さが前記複数の交互誘電体層にある任意の３つの連続層それぞれの厚さとは３０％以上異なる、請求項９０に記載の導波路。
【請求項９３】
前記追加誘電体層の厚さが前記複数の交互誘電体層にある任意の３つの連続層それぞれの厚さとは１５０％以上異なる、請求項９０に記載の導波路。
【請求項９４】
光導波路において、
導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、使用中に第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して前記導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、
前記導波路軸に沿って延在し、かつ前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、前記誘電体閉じ込め領域より小さい平均屈折率を有し、ライト・ラインを形成して、前記第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートするコア領域と、
前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域とを備え、前記分散調整領域の存在により前記導波モードが前記ライト・ラインと交差する作業モードが形成される導波路。
【請求項９５】
光導波路において、
導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、使用中に第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して前記導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、
前記導波路軸に沿って延在し、かつ前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、前記第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートするコア領域と、
前記導波路軸の周囲で前記閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域とを備え、前記分散調整領域の存在により前記導波コア・モードが前記第１の周波数範囲内の異なる周波数サブセットに対してそれぞれが分散調整領域に侵入する複数の不連続作業モードを形成する導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路の分野およびその導波路の分散調整に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２００１年１月２５日出願の米国仮特許出願の出願番号６０／２６４，２０１、２００１年１月２９日出願の出願番号６０／２６４，７７５、２００１年１月３０日出願の出願番号６０／２６５，０５１、２００１年２月１４日出願の出願番号６０／２６８，７９３、２００１年１１月８日出願の出願番号６０／３３７，６０３に対する優先権を主張し、引用によってその内容を本明細書の記載に援用する。
【０００３】
光導波路は光信号を案内して、好ましい１つの経路または複数の経路に沿って伝搬する。したがって、光導波路は異なる場所間で光信号情報を搬送するのに使用することができ、それ故、光導波路は光電気通信網の基盤を形成する。最も普及している一般的なタイプの光導波路は、屈折率導波に基づく光ファイバである。このようなファイバは、導波路軸に沿って延在するコア領域、および導波路軸の周囲でコアを囲み、コア領域の屈折率より小さい屈折率を有するクラッド領域を含む。屈折率の対比により、屈折率が高い方のコア内でほぼ導波路軸に沿って伝搬する光線は、コアとクラッドの境界面から内部全反射（ＴＩＲ）を起こす。その結果、光ファイバは、１つ以上のモードの電磁（ＥＭ）放射線を案内して導波路軸に沿ってコア内で伝搬する。このような導波モードの数は、コアの直径とともに増加する。特に、屈折率導波機構では、最低周波数の導波モードより下にクラッド・モードが存在しない。商用化されている屈折率導波光ファイバはほとんど全てが、コアとクラッドの一方または両方に不純物をドープして屈折率の対比を生成し、コアとクラッドの境界面を生成する石英系である。例えば、一般に使用されている石英光ファイバは、約１．４５の屈折率を有し、１．５ミクロンの範囲の波長に対して最大約２〜３％の屈折率対比を有する。
【０００４】
光導波路に沿って光信号を配向することに伴う一つの問題は、その導波路に色分散または群速度分散が存在することである。このような分散は、異なる周波数の導波放射線が導波路軸に沿って異なる速度（群速度）で伝搬する程度の尺度である。光パルスは全て、ある範囲の周波数を含むので、分散によって光パルスは、異なる周波数成分が異なる速度で進行するタイミングで広がる。このように広がると、光信号の隣接するパルスまたは「ビット」が重複し始め、それによって信号検出が劣化する。したがって補償しないと、光送信長にわたる分散によって、光信号のビット速度または帯域幅に上限が与えられる。
【０００５】
色分散は２つの要因を含む。材料分散と導波路分散である。材料分散は、光導波路の材料成分の屈折率の周波数依存性から生じる。導波路分散は、導波モードの空間分布における周波数依存の変化から生じる。導波モードの空間分布が変化するにつれ、これは導波路の異なる領域をサンプリングし、したがって群速度を効果的に変化させる導波路の平均屈折率の変化を「見る」ことになる。従来の石英光ファイバでは、材料分散および導波路分散は約１３１０ｎｍで相互に相殺され、ゼロ分散ポイントを生成する。石英光ファイバは、ゼロ分散ポイントを約１５５０ｎｍに移動させるようにも改良され、これは石英の材料吸収の最小値に相当する。
【０００６】
ゼロ分散で操作するとパルスの拡散が最小になるが、４光波混合（ＦＷＭ）などの光ファイバの非線形相互作用も増大させる。その理由は、異なる周波数は長い距離にわたって位相一致状態を維持するからである。これは、共通の光ファイバで複数の信号を異なる波長で搬送する波長分割多重化（ＷＤＭ）システムで、特に問題になる。このようなＷＤＭシステムでは、上述したようにＦＷＭは異なる波長のチャネル間での漏話を招く。この問題に対応するため、ＷＤＭシステムは、交差位相変調を最小にするために十分な分散を導入する光ファイバを通して信号を送信し、その後、「分散補償ファイバ」（ＤＣＦ）を通して信号を送信して、元の分散を取り消し、補償した信号のパルス拡散を最小にする。分散補償ファイバの重要な基準は、伝送ファイバの集合分散を補償するのに十分大きい分散を提供し、ＷＤＭチャネルそれぞれで分散を補償し、導入する損失または非線形効果が大きすぎないことである。したがって、ＤＣＦの１つの有用な測度は性能指数（ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  ｍｅｒｉｔ）（ＦＯＭ）であり、これは、例えば、ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）の単位などでＤＣＦにより与えられた分散と、例えば、ｄＢ／ｋｍの単位などでＤＣＦにより導入される損失との比率である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光ファイバ伝送システムでは、伝送ファイバおよびＤＣＦの損失は、通常、周期的な光増幅および／または検出およびその後の光信号の再生によって補償される。しかし実際には、ＦＯＭが大きいＤＣＦでさえ、このような分散補償、増幅および／または再生間で光ファイバの長さに対する制限がある。分散が存在すると、分散補償を複雑にする自己位相変調（ＳＰＭ）などの他の非線形効果を強化することがあるからである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、調整された分散プロファイルを有する光導波路を特徴とする。例えば、導波路は、１つ以上の選択波長での分散が小さいか、または全くない長距離伝送に使用する導波モードをサポートすることができる。さらに、例えば、導波路は、１つ以上の選択波長で非常に大きい値の分散を与える分散補償に使用する導波モードをサポートすることができる。特に、光導波路は、屈折率導波型閉じ込め作用ではなく、フォトニック結晶閉じ込め作用に基づく。その結果、導波路は、空気などの屈折率が低いコアを有することができ、それによりコアの非線形プロセスが最小になり、ゼロ分散またはほぼゼロ分散で光伝送が可能になる。さらに、このような導波路は、屈折率対比が大きい構成要素を含むことができ、これにより大きい分散および／または設計可能なプロファイルを有する分散補償導波路の設計が容易になる。
【０００９】
次に、本発明の様々な態様、特徴および利点を概説する。
一般的に、一態様では、本発明は、分散プロファイルが調整された作業モードを有する光導波路を特徴とする。導波路は、（ｉ）導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、少なくとも１つのフォトニック・バンドギャップを有するフォトニック結晶を含み、使用中に、第１の周波数範囲のＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、（ｉｉ）導波路軸に沿って延在し、導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートするコア領域と、（ｉｉｉ）導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域であって、導波モードと相互作用して作業モードを生成する１つ以上の追加モードを第１の周波数範囲に導入する誘電分散調整領域とを含む。
【００１０】
他の態様では、本発明は、分散プロファイルが調整された作業モードを有する光導波路を特徴とする。導波路は、（ｉ）導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、使用中に、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、（ｉｉ）導波路軸に沿って延在し、導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートし、かつ誘電体閉じ込め領域より小さい平均屈折率を有する誘電体コア領域と、（ｉｉｉ）導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域であって、導波モードと相互作用して作業モードを生成する１つ以上の追加モードを第１の周波数領域に導入する誘電体分散調整領域とを含む。
【００１１】
他の態様では、本発明は、（ｉ）導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、少なくとも１つのフォトニック・バンドギャップを生成するフォトニック結晶構造を含み、かつ使用中に、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、（ｉｉ）導波路軸に沿って延在し、導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートする誘電体コア領域と、（ｉｉｉ）導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域とを含み、分散調整領域の存在により、導波コア・モードが、第１の周波数範囲内の少なくとも１つの周波数サブセットに対して分散調整領域に侵入する作業モードを形成する光導波路を特徴とする。
【００１２】
他の態様では、本発明は、（ｉ）導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域と、（ｉｉ）導波路軸の周囲でコアを囲む少なくとも３つの誘電体層の第１のセットであって、第１のセットの連続する層間の屈折率の差は、第１のセットのその後の層ごとに記号が変化する第１のセットと、（ｉｉｉ）コアと第１のセットの層との間に配置された少なくとも１つの追加誘電体層とを含み、追加誘電体層の厚さは、第１のセットの層にある任意の３つの連続層それぞれの厚さとは１０％以上異なるフォトニック結晶光導波路を特徴とする。例えば、第１のセットの層は、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させることができる。さらに、追加誘電体層の厚さは、第１のセットの層にある任意の３つの連続層それぞれの厚さとは３０％以上、１５０％以上、または５００％以上も異なることがある。
【００１３】
他の態様では、本発明は、（ｉ）導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域と、（ｉｉ）導波路軸の周囲でコアを囲む交互配置の複数の高屈折率誘電体層および複数の低屈折率誘電体層と、（ｉｉｉ）コアと複数の交互誘電体層との間に配置された少なくとも１つの追加誘電体層とを含み、追加誘電体層の厚さが、複数の交互誘電体層にある任意の３つの連続層それぞれの厚さとは１０％以上異なるフォトニック結晶光導波路を特徴とする。例えば、複数の交互層は第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させることができる。さらに、追加誘電体層の厚さは、複数の交互層にある任意の３つの連続層それぞれの厚さとは３０％以上、１５０％以上、または５００％以上も異なることがある。
【００１４】
他の態様では、本発明は、（ｉ）導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、使用中に、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、（ｉｉ）導波路軸に沿って延在し、導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、誘電体閉じ込め領域より小さい平均屈折率を有し、ライト・ラインを形成して、第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートするコア領域と、（ｉｉｉ）導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域とを含み、分散調整領域の存在により導波モードがライト・ラインと交差する作業モードを形成する要因を導入する光導波路を特徴とする。
【００１５】
他の態様では、本発明は、（ｉ）導波路軸を囲む誘電体閉じ込め領域であって、使用中に、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域と、（ｉｉ）導波路軸に沿って延在し、導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域であって、第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートするコア領域と、（ｉｉｉ）導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電分散調整領域とを含み、分散調整領域の存在により、導波コア・モードが複数の不連続作業モードを形成し、各モードは第１の周波数範囲の異なる周波数のサブセットに対して分散調整領域に侵入する光導波路を特徴とする。誘電体閉じ込め領域は、ＴＩＲ屈折率導波またはフォトニック結晶構造を使用して、放射線を案内することができる。
【００１６】
上記導波路の各実施形態も、以下の特徴のいずれかを含むことができる。
コアは、誘電体閉じ込め領域の最高屈折率の構成要素より小さい平均屈折率を有する。コアの平均屈折率は、１．３未満、１．２未満、または１．１未満でよい。コアは気体を含むことができる。コアは、ほぼ均一な屈折率を有することができる。
【００１７】
閉じ込め領域は、異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電体材料を含むことができる。高屈折率誘電体材料の屈折率と、低屈折率誘電体材料の屈折率との比率は、１．１、１．５または２より大きくてよい。閉じ込め領域の２つの誘電体材料がフォトニック結晶を形成する。さらに、フォトニック・バンドギャップは全方向フォトニック・バンドギャップでよい。フォトニック・バンドギャップは、第１の周波数範囲でコアから閉じ込め領域に入射し、偏光したＥＭ放射線が、０°から少なくとも８０°の範囲の入射角で、９５％より大きい平面幾何学形状の反射率を有するのに十分であってもよい。
【００１８】
フォトニック結晶は、２次元で周期的なフォトニック結晶または１次元で周期的なフォトニック結晶でよい。
閉じ込め領域は、導波路軸の周囲でコアを囲む２つの誘電体材料の交互層を含むことができる。交互の誘電体層の屈折率および厚さは、フォトニック・バンドギャップ（例えば、全方向フォトニック・バンドギャップ）を生成するのに十分であってもよい。交互誘電体層のうち少なくとも一部の屈折率および厚さは、以下の品質をほぼ満足する。
【００１９】
【数１】
2004526181.tif 000003
ここで、ｄhiおよびｄloはそれぞれ、隣接する高屈折率層および低屈折率層の厚さであり、ｎhiおよびｎloはそれぞれ、隣接する高屈折率層および低屈折率層の屈折率である。閉じ込め領域は、少なくとも１２対の交互層を含むことができる。長距離伝送用途では、閉じ込め領域は第１の周波数範囲の周波数で導波モードの放射損失を０．１ｄＢ／ｋｍ未満に制限するのに十分な数の対の交互層を含むことができる。分散補償用途では、閉じ込め領域は、第１の周波数範囲の周波数で導波モードの放射損失を１ｄＢ／ｍ未満に制限するのに十分な数の対の交互層を含むことができる。
【００２０】
第１の周波数範囲は、約１．２ミクロンから１．７ミクロンの範囲の波長に対応する。あるいは、第１の周波数範囲は、約０．７ミクロンから０．９ミクロンの範囲の波長に対応する。第１の周波数範囲の帯域幅と第１の周波数範囲の中心周波数との比率は、少なくとも約１０％である。
【００２１】
導波路軸はほぼ直線であるか、１つ以上の屈曲部を含んでもよい。コアは、円形の断面、六角形の断面、または長方形の断面を有することができる。
作業モードの有効屈折率の変動は、第１の周波数範囲にわたって１０％を超えるか、第１の周波数範囲にわたって５０％を超えるか、第１の周波数範囲にわたって１００％を超えてもよい。
【００２２】
誘電体調整領域は、導波路軸に対してコアと閉じ込め領域との間に配置されてもよい。分散調整領域は、導波路軸の周囲でコアを囲み、かつ１つ以上の追加モードを導入する１つ以上の誘電体層を含んでもよい。例えば、これらの層はコアに隣接するか、閉じ込め領域に隣接する、またはこれを１つ以上の追加層によって、コアまたは閉じ込め領域から隔置してもよい。１つ以上の追加モードを導入する１つ以上の誘電体層は、１つのみの誘電体層で構成し、１つの誘電体層は、１つのみの追加モードを導入するのに十分な厚さを有するか、複数の追加モードを導入するのに十分な厚さを有してもよい。
【００２３】
分散調整領域は、フォトニック結晶に少なくとも１つの欠陥を形成し、１つ以上の追加モードを第１の周波数範囲に導入することがある。すなわち、分散調整領域によって導入された１つ以上のモードは、フォトニック・バンドギャップの１つ以上の欠陥状態に対応する。導波コア・モードと分散調整領域によって導入される１つ以上のモードとの相互作用により、作業モードが、第１の周波数範囲の周波数のサブセットに対してライト・ラインと交差する。
【００２４】
閉じ込め領域および分散調整領域は、異なる屈折率を有し、かつ導波路軸の周囲でコアを囲む２つの誘電体材料の交互層を含んでもよい。高屈折率誘電体層の屈折率と、低屈折率誘電体層の屈折率との比率は、１．１、１．５または２より大きくてもよい。分散調整領域にある１つ以上の層の厚さは、閉じ込め領域にある対応する層の厚さとは異なってもよい。例えば、分散調整領域にある少なくとも１つの層は、フォトニック結晶に欠陥を導入して第１の周波数範囲で１つ以上の追加モードをサポートする厚さを有することができる。
【００２５】
調整分散プロファイルは、第１の周波数範囲にゼロ分散の周波数ポイントを含んでもよく、これは長距離伝送に有用である。例えば、導波モードはＴＥモードであってもよい。
分散調整領域は、複数の追加モードを第１の周波数領域に導入することができ、ここで、導波モードは複数の追加モードと相互作用して、それぞれが調整された分散プロファイルを有する複数の不連続作業モードを生成する。例えば、作業モードはそれぞれ、第１の周波数範囲の異なる周波数でゼロ分散のポイントを有してもよい。
【００２６】
調整された分散プロファイルは、分散補償に使用することができ、第１の周波数範囲に、絶対値が２００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）以上、１，０００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）以上、または１０，０００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）以上の分散Ｄを有する第１の周波数ポイントを含むことができる。Ｄの記号はマイナスまたはプラスでもよい。第１の周波数ポイントにおける相対分散の傾斜は、約０．０２ｎｍ-1より大きい、または約０．１ｎｍ-1さえも上回る絶対値を有する。調整された分散プロファイルは、第１の周波数ポイントにおいて約２００ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）を上回る、または約５００ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）をも上回る性能指数を有することができる。導波モードは、ＴＥモード、ＥＨ11モード、およびＨＥ11モードのいずれかでよい。
【００２７】
閉じ込め領域、コア、および分散調整領域は、異なる断面屈折率プロファイルを有する少なくとも２つの軸方向セグメントを含むことができる。例えば、スケーリング係数を除き２つのセグメントの断面プロファイルはほぼ同一でよい（約１％、２％、または５％より大きくてよい）。
【００２８】
少なくとも導波路の第１の端部は結合セグメントを含み、そこで屈折率断面が連続的に変動し、作業モードの場のプロファイルを変化させる。さらに、最初に言及した導波路に結合した第２の導波路があってもよく、第１の導波路に隣接する第２の導波路の断面は、作業モードの第２の導波路への結合を改善するように配置されたドープ済みシリコンの領域を含む。代替的または追加的に、第１の導波路に隣接する第２の導波路の断面は、第１の導波路の分散調整領域に接触して、作業モードと第２の導波路との結合を改善する中空リングを含むことができる。
【００２９】
他の態様では、本発明は、光電気通信システムを含み、該システムは、少なくとも第１の光信号を搬送する伝送導波路と、上記光導波路のいずれかを含む分散補償導波路とを含み、分散補償導波路は、伝送導波路に結合され、伝送導波路によって第１の光信号に与えられる分散を補償するため選択された調整済み分散プロファイルを有する。システムの幾つかの実施形態では、伝送導波路は、対応する周波数ごとに複数の光信号の各々を搬送することができ、分散補償導波路の調整済み分散プロファイルは、伝送導波路によって各光信号に与えられる分散を補償するように選択される。また、システムの幾つかの実施形態では、光出力が少なくとも２５ｄＢｍに達するように設計されたシステム内に、分散補償ファイバを配置することができる。
【００３０】
他の態様では、本発明は、光信号の分散を補償する方法を特徴とし、該方法は、調整された分散プロファイルを有するフォトニック結晶ファイバに光信号を結合させることを含む。例えば、フォトニック結晶ファイバは、上記特徴のいずれかを有することができる。
【００３１】
他の態様では、本発明は、選択した分散プロファイルを有する分散補償ファイバを設計する方法を特徴とする。該方法は、（ｉ）導波路軸を囲み、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる誘電体閉じ込め領域、および導波路軸に沿って延在し、導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれた誘電体コア領域を含む初期の導波路設計に分散調整領域を導入することを含み、誘電体閉じ込め領域は、フォトニック・バンドギャップを有するフォトニック結晶構造を含み、誘電分散調整領域は、導波路軸の周囲で閉じ込め領域に囲まれ、更に（ｉｉ）導波モードと相互作用して選択された分散プロファイルを有する作業モードを生成する１つ以上のモードを第１の周波数範囲に導入するために、分散調整領域の屈折率プロファイルを選択することを含む。フォトニック結晶分散補償ファイバは、上記の特徴のいずれかを有することができる。
【００３２】
他に定義されていない限り、本明細書で使用する技術的および科学的用語は全て、本発明が属する技術分野の当業者によって通常理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で説明するものと同様、または等しい方法および材料を、本発明の実践または試験に使用することができるが、適切な方法および材料について以下で説明する。本明細書で言及する全ての出版物、特許出願、特許および他の参照文献は、引用によって全体を本明細書の記載に援用する。矛盾する場合は、定義も含め本明細書が支配する。また、材料、方法および例は例示にすぎず、制限を意図するものではない。
【００３３】
本発明の追加の特徴、目的および利点は、以下の詳細な説明、図面、および請求の範囲から明白である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明は、調整された分散プロファイルを有するフォトニック結晶ファイバ導波路１００を特徴とする。導波路１００の断面は、図１に図示され、導波路軸に沿って延在する誘電体コア１１０、誘電分散調整領域１３０、およびコアおよび分散調整領域を囲む誘電体閉じ込め領域１２０を含む。閉じ込め領域１２０は、第１の周波数領域でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させるフォトニック結晶構造を含む。閉じ込め作用の詳細について、以下でさらに説明する。分散調整領域１３０がない場合、コア１１０は、第１の周波数範囲で少なくとも１つの導波モードをサポートする。分散調整領域１３０の存在により、第１の周波数範囲で少なくとも１つの追加モードが導入され、これは導波モードと相互作用して、その分散特性を変化させ、調整された分散プロファイルを有する作業モードを生成する。導波路１００は、閉じ込め領域１２０を囲み、かつ全体として導波路に構造的支持を提供する追加クラッド層１４０をさらに含むことができる。クラッド層１４０は、導波路の光学的特性（例えば、放射損失および分散）に有意に寄与しないので、さらには検討しない。
【００３５】
以下の説明では、数値計算を単純にするため、ファイバ導波路１００は円形の断面であり、コア１１０は円形の断面を有し、領域１２０および１３０は環状の断面を有するものとする。しかし他の実施形態では、導波路およびその構成要素領域は、長方形または六角形の断面など、異なる幾何学的断面を有してもよい。さらに以下で言及するように、コア領域１１０および周囲の領域１２０および１３０は、異なる屈折率を有する複数の誘電体材料を備えてもよい。そのような場合、任意の領域の「平均屈折率」に言及することがあり、これは領域の構成要素の加重屈折率の合計を指し、各屈折率が、その構成要素の領域におけるある部分区域によって加重される。しかし、全てのケースで領域１１０、１２０および１３０のいずれかの境界は、屈折率の変化によって決定される。この変化は、２つの異なる誘電体材料の境界面、または同じ誘電体材料の異なるドーパント濃度（例えば、シリカ中の異なるドーパント濃度）によって引き起こされる。
【００３６】
まず、誘電分散調整領域が存在しないフォトニック結晶導波路ファイバのコアおよび閉じ込め領域について説明する。図２を参照すると、フォトニック結晶ファイバ２００の断面が図示され、フォトニック結晶ファイバ２００は、紙面から出る導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域２１０、およびコア２１０を囲み、かつ異なる屈折率を有する誘電体材料の交互層２２２および２２４を含む誘電体閉じ込め領域２２０を有する。１セットの層、例えば、層２２２は、屈折率ｎhiおよび厚さｄhiを有する高屈折率層セットを形成し、他方の層セット、例えば、層２２４は、屈折率ｎloおよび厚さｄloを有する低屈折率層セットを形成し、ｎhi＞ｎloである。便宜上、図２には、誘電体閉じ込め層の幾つかしか図示されていない。実際には、閉じ込め領域２２０は、より多くの層（例えば、２０層以上）を含むことができる。導波路２００の構造は、長距離伝送ファイバとして多くの利点を有し、２００１年１月２５日出願の「Ｌｏｗ−ｌｏｓｓ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｈａｖｉｎｇ  ｌａｒｇｅ  ｃｏｒｅ  ｒａｄｉｕｓ」という名称の共通所有の米国特許出願第 号にも記載され、引用によってその内容を本明細書の記載に援用する。
【００３７】
誘電体閉じ込め領域２２０は、第１の周波数範囲でＥＭ放射線を案内して、導波路軸に沿って誘電体コア２１０内を伝搬させる。閉じ込め作用は、第１の周波数範囲を含むバンドギャップを形成する領域２２０内のフォトニック結晶構造に基づく。閉じ込め作用は屈折率導波型ではないので、コアは、コアにすぐ隣接する閉じ込め領域の部分より高い屈折率を有する必要がない。反対に、コア２１０は、閉じ込め領域２２０より低い平均屈折率を有してよい。例えば、コア２１０は空気または真空でよい。このような場合、コア内で案内されるＥＭ放射線は、シリカ・コア内で案内されるＥＭ放射線より損失および非線形相互作用がはるかに小さく、シリカまたは他のこのような固体材料に対して多くの気体の吸収および非線形相互作用定数が小さくなる。例えば、追加の実施形態では、コア２１０は多孔質誘電体材料を含み、大部分が空気であるコアを形成しつつ、周囲の閉じ込め領域に多少の構造的支持を提供することができる。したがって、コア２１０は均一な屈折率プロファイルを有する必要がない。
【００３８】
閉じ込め領域２２０の交互層２２２および２２４は、ブラッグ・ファイバとして知られるものを形成する。交互層は平面の誘電体スタック反射器（ブラッグ・ミラーとしても知られる）の交互層と同様である。閉じ込め領域２２０の環状層および誘電体スタック反射器の交互の平面層は、両方ともフォトニック結晶構造の例である。フォトニック結晶構造については、一般的にＪｏｈｎ  Ｄ．  Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他によるＰｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  ＮＪ，  １９９５）で説明されている。
【００３９】
本明細書では、フォトニック結晶とは、フォトニック結晶内にフォトニック・バンドギャップを生成する屈折率変調を伴う誘電体構造である。フォトニック・バンドギャップとは、本明細書では、誘電体構造内にアクセス可能な拡張（すなわち、伝搬、非局所）状態がない周波数範囲である。通常、構造は周期的誘電体構造であるが、例えば、さらに複雑な「準結晶」も含むことができる。バンドギャップを使用して、バンドギャップ構造からずれた「欠陥」領域とフォトニック結晶を組み合わせることにより、光を制限、案内および／または局所化することができる。さらに、ギャップの上下双方で周波数のアクセス可能な拡張状態があり、（屈折率導波型ＴＩＲ構造とは対照的に）光をさらに低い屈折率領域に閉じ込めることができる。「アクセス可能な」状態という用語は、システムの対称または保存則によって既に結合が禁止されていない状態を意味する。例えば、二次元システムでは、偏波が保存され、したがってバンドギャップから同様の偏波状態のみを排除すればよい。（典型的なファイバのように）一様な断面の導波路では、波数ベクトルβが保存され、したがってフォトニック結晶導波モードをサポートするため、バンドギャップから任意のβを有する状態を排除するだけでよい。さらに、円柱対称の導波路では、「角運動量」指数ｍが保存され、したがってバンドギャップから同じｍを有するモードのみを排除すればよい。要するに、高対称のシステムでは、フォトニック・バンドギャップの要件が、対称に関係なく全ての状態が排除される「完全な」バンドギャップと比較して、大幅に緩和される。
【００４０】
したがって、誘電体スタック反射器は、ＥＭ放射線がスタックを通して伝搬できないので、フォトニック・バンドギャップにて反射性が高い。同様に、閉じ込め領域２２０の環状層は、バンドギャップの入射光線に対して反射性が高いので、閉じ込めを提供する。厳密に言うと、フォトニック結晶は、フォトニック結晶中の屈折率変調が無限の範囲を有する場合のみ、バンドギャップ内で完全に反射性となる。それ以外では、入射光は、フォトニック結晶の各側で伝搬モードを結合するエバネッセント・モードを介してフォトニック結晶を「トンネル」することができる。しかし実際には、このようなトンネリングの率は、フォトニック結晶の厚さ（例えば、交互層の数）とともに指数的に低下する。また、トンネリングの率は、閉じ込め領域の屈折率対比の大きさにつれても低下する。
【００４１】
さらに、フォトニック・バンドギャップは、伝搬ベクトルの比較的小さい領域にしか広がらない。例えば、誘電体スタックは普通に入射する光線では反射性が高いが、それでも斜めに入射する光線には部分的にしか反射性をもたない。「完全なフォトニック・バンドギャップ」とは、全ての可能な波数ベクトルおよび全ての偏波にわたって広がるバンドギャップである。通常、完全なフォトニック・バンドギャップは３次元に沿って屈折率変調を有するフォトニック結晶にしか付随しない。しかし、隣接する誘電体材料からフォトニック結晶に入射するＥＭ放射線の状況では、「全方向フォトニック・バンドギャップ」も定義することができ、これは隣接する誘電体材料が伝搬ＥＭモードをサポートする全ての可能な波数ベクトルおよび偏波に対するフォトニック・バンドギャップである。同様な意味合いで、全方向フォトニック・バンドギャップは、ライト・ラインより上にある全ＥＭモードに対するフォトニック・バンドギャップとして定義することができ、ライト・ラインはフォトニック結晶に隣接する材料によってサポートされる最低周波数伝搬モードを形成する。例えば、空気中ではライト・ラインはω＝ｃβによっておおよそ与えられ、ここで、ωは放射線の角周波数、βは波数ベクトル、ｃは光の速度である。全方向平面反射器の説明が米国特許第６，１３０，７８０号で開示され、引用によってその内容を本明細書の記載に援用する。さらに、円筒形の導波路の幾何学的形状に（平面限界内で）全方向反射を提供するために交互誘電体層を使用することが、国際特許出願公開第００／２２４６６号公報で開示され、引用によってその内容を本明細書の記載に援用する。
【００４２】
閉じ込め領域２２０の交互層２２２および２２４がコア２１０に対して全方向バンドギャップを生じる場合、導波モードは強く閉じ込められる。何故なら、原則的にコアから閉じ込め領域に入射するＥＭ放射線が完全に反射するからである。しかし、上述したように、このような全反射は、無限数の層がある場合しか生じない。層が有限数（例えば、約２０層）である場合、全方向フォトニック・バンドギャップは、０°から８０°の範囲の全入射角度、および全方向バンドギャップの周波数を有するＥＭ放射線の全偏波について、少なくとも９５％の平面幾何学的形状の反射性に対応する。さらに、導波路２００が全方向でないバンドギャップを伴う閉じ込め領域を有する場合でも、なお強く導波されたモード、例えば、バンドギャップの周波数範囲で放射損失が０．１ｄＢ／ｋｍ未満のモードをサポートすることができる。通常、バンドギャップが全方向か否かは、交互層によって生じるバンドギャップのサイズ（通常は２つの層の屈折率対比に比例する）、およびフォトニック結晶の最低屈折率成分によって決定される。
【００４３】
図３は、導波路２００のバンド図の典型的な図を示し、ここで、角周波数ωは２πｃ／ａの単位で表され、軸波ベクトルβは２π／ａの単位で表され、ａは、閉じ込め領域の高屈折率層と低屈折率層とを組み合わせた厚さである。暗区域３１０は、閉じ込め領域内でサポートされたモードの連続体に対応する（計算は、無限の半径方向範囲の閉じ込め領域を仮定し、それによってモードの連続体が生成される）。暗領域間のギャップは、バンドギャップ領域に対応し、その中の線は、ほぼコアに制限された導波モード３３０に対応する。特に、図３は、全方向バンドギャップ領域（明るい影の領域３４０）を含む。何故なら、ライト・ライン３５０より上の全波数ベクトルについて、バンドギャップ内に周波数のサブセットがあるからである。特定の周波数範囲内にある導波モードの数は、コアのサイズによって決定される。しかし特に、コアが複数モードをサポートするのに十分なほど大きい場合でも、十分に長い距離にわたって導波路を使用する場合、複数モード間の差損によって、通常は「有効」単一モード動作になる。放射損失の差が生じるのは、各モードが閉じ込め領域に侵入する程度が、通常は変化するからである。一般的に、最低損失モードはＴＥ01モードであり、ここで、モードの呼称は、金属導波路で使用する慣行に従う。
【００４４】
ブラッグ・ミラーの古典的設計は、バンドギャップのサイズを最大にし、ミラーへの場減衰率を最大にする設計で、「４分の１波長スタック」である。このような設計では、高屈折率層の光学的厚さは、低屈折率層のそれと等しく、これによって層の厚さの４倍であるギャップ中間波長が生成される。しかし、光学的厚さは、入射角によって決定される。ブラッグ・ミラーでは、厚さは通常、垂直に入射する光に対して、ｄhi／ｄlo＝ｎlo／ｎhiとなるように選択される。しかし円筒形の導波路２００の場合、所望のモードは通常、ライト・ラインに沿ってあり、垂直入射のβ＝０ポイントから遠く離れ（ここで、βは、導波路軸に沿った波数ベクトルである）、このようなモードはゼロ群速度を有する。したがって、層２２２および２２４のパラメータは、ω≒ｃβについて最適化され、ここで、コアの屈折率は約１であり、４分の１波長条件は下式に対応する。
【００４５】
【数２】
2004526181.tif 000004
厳密に言うと、式（１）は正確には最適でない。４分の１波長条件が円筒形の幾何学的形状によって修正され、これは各層の光学的厚さをその半径方向座標にて滑らかに変化させる必要がある。さらに、ギャップ中間で場の減衰を最大にすること以外に、追加の設計基準（例えば、一部の帯域幅にわたって平均非線形性を最小にする）が存在することがある。しかし、一般的に、式（１）は、特にギャップ中間波長より数倍大きいコア半径の場合、多くの望ましい特性を最適化するのに優れた近似を提供することが判明した。
【００４６】
導波路２００にとって適切な１セットのパラメータは、以下の通りである。半径Ｒが１５．３５ミクロンに等しい中空の円形コア、およびそれぞれ厚さ０．１５３ミクロンおよび０．３５８ミクロン（すなわち、ｄhi＝０．１５３ミクロンおよびｄlo＝０．３５８ミクロン）を有する高屈折率（ｎhi＝２．８）および低屈折率（ｎhi＝１．５）のグラス（すなわち、カルコゲナイド）の交互する２５個の同心層で構成された閉じ込め領域である。コアの半径が相対的に大きいので、導波モードが多数になる。長距離伝搬で問題となるモードは、通常はＴＥ01モードであり、これは閉じ込め領域への侵入が最も少なく、従って損失が最低のモードである。他の全ての導波モードは、これより減衰率が高く、したがって長距離の伝搬後には無視することができる。ＴＥ01モードは、周波数範囲のほぼ５０％にわたって延在し、バンドギャップ縁部によって上下の両方に仕切られる。全周波数範囲にわたり、これはライト・ラインより上であり、したがって（ｉ）ＴＩＲ機構では案内できず、（ｉｉ）空気コア内では消失しない。実際、モード周波数は、ライト・ラインより０．２５％上より低い全ての箇所にあり、閉じ込め領域の影響が小さいことを示唆する。例えば、周波数範囲の中央で、ギャップ中央では、光出力の０．０１％未満がクラッド内にある。さらに、ＴＥ01モードは、方位対称を有するｍ＝０モードであり、したがって偏波モード分散（ＰＭＤ）を経験しない一重項状態である。
【００４７】
２５層導波路の放射損失を、ＴＥ01である最低損モードＴＥ01、およびＴＥ02である次に低い損失モードについて、図４に示す。特に、放射損失率は、従来のシリカ・ファイバの場合よりはるかに低く、このように少ない層でも０．００１ｄＢ／ｋｍより低くなる。さらに、ＴＥ02モードは、全範囲にわたって損失が非常に高くなる。したがって、これが優勢な損失メカニズムであった場合、ＴＥ01モードが優勢な伝搬モードになり、十分な伝搬長にわたってモード分散を回避することができた。
【００４８】
しかし放射損失に加えて、材料吸収から生じる材料吸収損失がある。コアが中空なため、材料吸収は比較的小さいが、にもかかわらずそこに侵入する導波モードの減衰構成要素の閉じ込め領域による吸収がある。この場合も最低損失モードはＴＥ01およびＴＥ02であり、材料吸収損失が図５にプロットされ、ここでは閉じ込め領域の材料散逸率を０．１ｄＢ／ｍとし、これは高屈折率カルコゲナイド・ガラスの典型的な値である。図５に示すように、閉じ込め領域はシリカより１０００倍大きい材料吸収を有するが、２５層導波路の最低損失モードの有効吸収損失は、シリカの場合より小さくなり、０．００５ｄＢ／ｋｍより低くなる。また、２５層導波路の次に低い損失モードは、これより損失が非常に大きく（約３倍）、これも効率的に単一モード挙動を生成するモード・フィルタとして働く。同様の理由から、２５層導波路の非線形相互作用は、最低損失モードで非常に低下する。その理由は、エネルギー密度がほぼ中空のコアに閉じ込められるからである。
【００４９】
次に、２５層導波路の分散特性について考察する。図６は、ＴＥ01モードの有効屈折率ｎeff＝βｃ／ωを示し、図７はその群速度ｖg＝ｄω／ｄβを示す。最後に、図８は導波路の分散Ｄを示し、これは
【００５０】
【数３】
2004526181.tif 000005
と定義される。閉じ込め領域のバンドギャップに対応する導波路の範囲内で、導波路の群速度および分散は比較的一定であり、同じコア半径を有する中空金属導波路のそれと同様である（図７および図８の点線の曲線に対応する）。他方で、バンドギャップの縁部では、電磁エネルギーが波長の関数として閉じ込め領域により深く侵入し始めるにつれ、分散が劇的に変化する。このように侵入が増加すると、導波された放射線から見た場合の平均屈折率が増加し、そのため縁部付近のモードの群速度が急速に低下し、導波路分散がそれに応じて大きく変化する。図８に示すように、２５層導波路は、ゼロ分散のポイントおよび非常に大きい分散のポイントも含む。このようなポイントは、それぞれ信号伝送および分散補償に有用なことがあるが、バンドギャップ縁部付近にあるという事実から、非常に損失が大きい。以下でさらに説明するように、コアと閉じ込め領域の間に分散調整領域を導入すると、このようなポイントを、損失がはるかに小さいバンドギャップの中央に移動させることができる。
【００５１】
分散調整領域を含む実施形態について説明する前に、本明細書で開示する実施形態のいずれについても、誘電体閉じ込め領域が多層ブラッグ構成とは異なるフォトニック結晶構造を含んでよいことが分かる。例えば、（平面の限界内にて）１次元で周期的なフォトニック結晶の例であるブラッグ構成ではなく、閉じ込め領域を選択して、ハニカム構造に対応する屈折率変調など、例えば、（平面の限界内にて）２次元で周期的なフォトニック結晶を形成することができる。例えば、Ｒ．Ｆ．  Ｃｒｅｇａｎ他のＳｃｉｅｎｃｅ  ２８５：  １５３７−１５３９，  １９９９を参照のこと。
【００５２】
図９は、誘電体コア領域９１０と、異なる屈折率を有する誘電体材料の交互層９２２および９２４を含む誘電体閉じ込め領域９２０とを含むフォトニック結晶ファイバ９００の断面図を示す。ファイバ９００はファイバ２００と同じであるが、コア９１０に隣接する幾つかの第１の層９２８のうち１つ以上の厚さが変化し、分散調整領域９３０を形成する。図２と同様に、便宜上、図９は閉じ込め領域９２０の第１の結合層のみを示す。
【００５３】
これらの層９２８の厚さを変更することにより、コアの導波モード（例えば、ＴＥ01モード）は、導波された波長のサブセットにわたって交互層への侵入がさらに深くなる。このサブセットの特定範囲は、層９２８の厚さの変化によって決定され、これはバンドギャップ内にサブセットを配置するように選択することができる。侵入度が上がると、導波モードの群速度が局所的に減少し、導波路２００の場合に対して余分なマイナスの分散を導入する。その結果、導波路９００の導波モードから導出された作業モードの分散は、分散調整領域への侵入度増加に対応する波長付近で、ゼロにすることができる。例えば、最も内側の２つの第１の層の厚さを（それぞれ０．３５８ミクロンおよび０．１５３ミクロンから）０．２５６ミクロンおよび０．１３７ミクロンへと変更した場合、導波路の元のパラメータ（点線の曲線）に対する結果としての導波路の有効屈折率および群速度（実線の曲線）を、それぞれ図１０および図１１に示す。図１１は、群速度が、約１．５５ミクロンの波長の関数として平坦であることを示し、これはバンドギャップ中央のゼロ分散ポイントに対応する。さらに、厚さが変化すると、ほぼ層９２８に限定されたモードがコアに侵入し、それによって群速度が局所的に増加し、導波路２００の場合に対して余分なマイナスの分散を導入する。
【００５４】
定性的には、層９２８の厚さの変化（この例では、分散調整領域９３０の導入に対応する）は、閉じ込め領域９２０のフォトニック結晶構造に欠陥を生成し、欠陥９２８の領域に局所化された欠陥モードをバンドギャップに入れる。欠陥モードは、コアの少なくとも１つの導波モード（例えば、ＴＥ01モード）と相互作用して、その分散関係ω（β）を変更し、分散プロファイルが調整された作業モードを形成する。
【００５５】
別の例では、層９２８の厚さを最適化して、バンドギャップの中央（すなわち、約１．５５ミクロン）に非常に大きい分散を生成することができる。特に、図１２は、ファイバ９００について約１．５５ミクロンの波長の関数としての分散Ｄを示し、ここで最も内側の高屈折率層（ｎ＝２．８）の厚さは０．３７６ミクロンであり、残りの高屈折率層（ｎ＝２．８）の厚さは０．１７３ミクロンであり、低屈折率層（ｎ＝１．５）の厚さは０．４０６ミクロンである（作業モードは、コアのＴＥ01モードから導出される）。図１２に示すように、これらのパラメータは、約１５．０ｎｍの帯域幅で分散Ｄ＝−４１，０００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）を生成する。同じ波長範囲にわたり、層９２８の材料吸収（および、これよりはるかに少ない程度で、閉じ込め領域のその後の層における散逸）によって引き起こされる散逸を図１３に示し、ここでもこのクラッド層での材料散逸率を０．１ｄＢ／ｍとする。その結果、性能指数（ＦＯＭ）は、図１４に示すように１５ｎｍの帯域幅にわたって１，３００ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）と３，２００ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）の間で変動する。
【００５６】
この例では、ほぼコアに限定されたモードと、コアより非常に大きい平均屈折率を有する分散調整領域によって導入され、かつほぼ局所化したモードとの間の相互作用によって、大きい分散が引き起こされる。相互作用によって、調整された分散特性を有する作業モードが生成される。波長が変化するにつれ、作業モードの性質が、コアにほぼ限定された性質から、分散調整領域へと延在する性質へ変化する。例えば、図１５および図１６は、それぞれ１．５９ミクロンおよび１．５５ミクロンの波長で、この例における作業モードの電界分散を示す。
【００５７】
追加の実施形態では、多くの層をコアから除去することにより１つ以上の層の厚さを変更して分散調整領域を形成することができる。すなわち、分散調整領域を生成する「欠陥」が、閉じ込め領域であった箇所の中央にあってよい。そのような場合、分散調整領域は、コアから欠陥を導入する層までの全ての層を含むものとする。欠陥を囲む残りの層が閉じ込め領域を形成し、その中に誘電体領域のバンドギャップを形成する。さらに、追加の実施形態では、１つ以上の層の厚さを変更する代わりに、または変更するのに加えて、１つ以上の層の屈折率を変更することにより、分散調整領域を形成することができる。さらに他の実施形態では、分散調整領域は、導波路軸を囲む１つ以上の層より複雑な幾何学的形状を有することができる。例えば、閉じ込め領域が、２次元屈折率変調を有するフォトニック結晶構造（例えば、ハニカム構造）を備える場合、分散調整領域は、その屈折率変調に欠陥を導入する誘電体領域でよい。
【００５８】
したがって、一般的に、誘電分散調整領域は、閉じ込め領域に囲まれる領域であり、これは、導波コア・モードと相互作用することで調整された分散プロファイルを有する作業モードを生成する少なくとも１つのモードを閉じ込め領域のバンドギャップに導入する。幾つかの実施形態では、分散調整領域が複数の分離されたサブ領域も含むことが分かる。定性的に、相互作用は、導波路１００に関して図１７に示したバンド略図に関して理解することができ、これは、例えば、コアの平均屈折率が分散調整領域の場合より小さいと仮定する。図１７を参照すると、閉じ込め領域は少なくとも１つのフォトニック・バンドギャップ１７００を形成する。分散調整領域がない場合、閉じ込め領域は、バンドギャップ内でコアに少なくとも１つのコア・モード１７１０（点線）を案内する。コア・モード１７１０はライト・ライン１７２０の上に存在する。コア・モード１７１０との交点が全くないので、分散調整領域は、バンドギャップに少なくとも１つの欠陥モード１７３０（点線）を導入する。欠陥モードは、コアより大きい平均屈折率を有するので、欠陥モードはライト・ライン１７２０と交差することがある。欠陥モード１７３０がライト・ラインより下にある周波数では、欠陥モードは、分散調整領域においてほぼ局所化された表面状態にある。表面状態は、閉じ込め領域のフォトニック・バンドギャップによって一方側に、コアからの内部全反射によって他方側に効果的に閉じ込められる。モード間の相互作用を無視することにより、モード１７１０および１７３０を「非摂動モード」と呼ぶことができる。図１７に示すように、非摂動モードは、周波数および波数ベクトル空間の領域１７５０で相互に交差する。非摂動モードが実際に相互作用して、導波路の実際のモードを形成するのは、領域１７５０である。特に、相互作用によって、低周波数混合モード１７６０（実線）が生成され、その性質は、波数ベクトルの関数として、コア様モードと欠陥様モードとの間で変化する。図１７は、混合モード１７６０の変曲点を示し、これはゼロ分散ポイントに対応する。さらに、混合モード１７６０はライト・ライン１７２０より下に延在し、ここでこれは表面状態である。
【００５９】
追加導波モードは、欠陥モード１７３０とも相互作用することができる。例えば、図１７は追加の「非摂動」コア・モード１７１２を示し、これは欠陥モード１７３０と相互作用する。その結果、３つの混合モード、すなわち、上記低周波数混合モード１７６０、およびこれも混合のモード１７６２および１７６４（実線）が存在する。混合モード１７６４の性質は、比較的小さい波数ベクトルにおける非摂動欠陥モード１７３０の性質から比較的大きい波数ベクトルにおける非摂動コア・モード１７１２の性質へと変化する。混合モード１７６２の性質は、比較的小さい波数ベクトルにおける非摂動コア・モード１７１２の性質から、波数ベクトルの中間範囲では非摂動欠陥モード１７３０の性質へ、次に比較的大きい波数ベクトルでは非摂動コア・モード１７１０の性質へと変化する。特に、混合モード１７６２および１７６４も分散の変曲点および急変を呈する。また、混合モード１７６２は、ライト・ラインより上の位相空間領域で、コア様モードから欠陥様モードへと性質が変化する。混合モード１７６０、１７６２および１７６４のいずれも、光伝送および／または分散補償の作業モードとして使用することができる。
【００６０】
さらに他の実施形態では、分散調整領域１３０のパラメータを調節して、それぞれが調整された分散プロファイルを有する複数の作業モードを生成することも可能である。例えば、分散調整領域のサイズは、それぞれが導波コア・モードと相互作用して複数の作業モードを生成する複数の欠陥モードを導入するに十分な大きさ（例えば、コアのサイズに匹敵する）に拡大することができる。以下の例では、それぞれが異なる波長にゼロ分散ポイントを有する複数の作業モードを提供する導波路１００のパラメータが提供される。このような導波路は、各導波路チャネルがゼロ分散ポイントの１つと対応するＷＤＭ伝送システムに使用することができる。必要に応じて、チャネルを十分な距離だけ隔置して、４光波混合（ＦＷＭ）などの非線形相互作用によって引き起こされるチャネル漏話を制限することができる。
【００６１】
この特定の例では、構造を最適化してλ0≒１２３９、１３０８、１３８７、１４７７、１５７９、１６９７、１８３４および１９９２ｎｍでのゼロ分散ポイントを生成する。パラメータは以下の通りである。すなわちｉ）半径１４．８４μｍの気体コア（ｎ＝１）がコア領域１１０を形成し、ｉｉ）コアを囲む誘電体層がｎ＝１．５有し、９．９μｍの厚さが分散調整領域１３０を形成し、ｉｉｉ）屈折率ｎ＝２．８／１．５および厚さ０．１４８／０．３４７μｍの３４個の交互層がそれぞれ、閉じ込め領域１２０を形成する。
【００６２】
前記の例と同様、分散調整領域がない場合、コアが、閉じ込め領域によって導波路軸に沿って導波された少なくとも１つのモードをサポートする。さらに、コアが複数のモードをサポートしている場合でも、複数モード間の差損が、通常はモード・フィルタを生成し、これは導波路が十分長い場合、最低損失のコア・モード（すなわち、ＴＥ01モード）しか維持せず、それによって単一モード動作を効果的に提供する。分散調整領域がある場合、このコア・モードは、分散調整領域によって導入された欠陥モードと相互作用し、これは部分的に分散調整領域内で導波される。その結果、導波コア・モードと複数の欠陥モードとの相互作用を使用して、複数の不連続作業モードを生成し、各作業モードが、分散Ｄがゼロを通過する領域を有するようにする。さらに一般的には、この相互作用を使用して、作業モードの分散関係ω（β）を調整することができる。図１８は、分散調整領域との相互作用を一切無視するＴＥ01コア・モード（太い破線）の有効屈折率と、欠陥モードとの相互作用を考慮に入れた場合に複数の作業モードの結果としての有効屈折率（円）とを比較する。特に、各作業モードは、分散調整領域のモードとの相互作用によって変化せざるを得なくなるまで、コア・モードの挙動に接近する。
【００６３】
したがって、コア・モードと、少なくとも部分的に分散調整領域内で導波されたモードとの相互作用により、結果としての作業モードが混合の挙動を有する領域が生成される。特に、作業モードは、これが分散調整領域を通して導波されるモードのように効果的に挙動する幾つかの波長と、コア・モードのように挙動する他の波長とを有せざるを得ない。この不連続の挙動により、作業モードは複数の波長において所望の特性を有することになる。したがってこの例では、分散調整領域が存在することにより、場が低屈折率コアから高屈折率の分散調整領域へと振動侵入する複数の作業モードが生成される。
【００６４】
図１９は、複数作業モードの分散（上）および散逸損失（下）を示す。損失の計算は、材料損失が約０．１ｄＢ／ｍであると仮定して実行し、これは仮定される高い屈折率を達成できるカルコゲナイド・ガラスの典型的な値である。
【００６５】
この例の導波路の追加的利点は、複数の作業モードの不連続性により、ある種の「内チャネル」分散が生成されることであり、作業モードごとに、ゼロ分散ポイントでの進行速度が異なる。したがって、個々の導波路チャネルがそれぞれ「ゼロ」分散となっても、複数のチャネルは位相が一致せず、したがって非線形効果が最小になる。さらにこの例では、分散調整領域を使用して、ゼロ分散波長の数および位置を制御するばかりでなく、これを使用して、これらの波長での分散の傾斜を３５ｐｓ／（ｎｍ2ｋｍ）未満になるよう制御して、制限し、これによって各ＷＤＭ波長チャネルにおけるより高次のパルス拡大が最小化される。
【００６６】
追加の実施形態では、複数の作業モードの各々が、対応するＷＤＭ波長チャネルにて大きい分散値、および小さい散逸損失を有するよう、分散調整領域の厚さを最適化することができる。さらに他の実施形態では、上記複数作業モード導波路の閉じ込め領域を、屈折率導波ＴＩＲ機構に基づき、閉じ込め領域で置換することができる。このような実施形態では、閉じ込め領域が、コアおよび分散調整領域より小さい屈折率を有する１つの誘電体層を含むことができる。
【００６７】
したがって、複数作業モード導波路の特徴は、以下のように要約できる。すなわちｉ）コア領域が１つ以上のモード挙動をサポートし、ｉｉ）分散調整領域が、コア・モードから分散調整領域へのエネルギーの周期的侵入をサポートして複数の作業モードを生成し、ｉｉｉ）フォトニック結晶または屈折率導波閉じ込め領域が、光をほぼコアおよび分散調整領域に閉じ込める。
【００６８】
以上の分散の計算全てで、導波路の分散のみを計算し、材料の分散を無視してきた。このような材料分散の正確な値は、問題となる作業モードの正確な材料組成と周波数によって決定される。しかし、一般的に、材料分散の大きさは、分散調整領域によって生成される導波路分散の区別可能な変化の大きさより小さい（例えば、約３０ｐｓ／（ｎｍ  ｋｍ））。したがって、導波路を具体化する際に、材料の分散が何であれ、通常は、導波路の全体的分散には小さいシフトしか導入せず、分散調整領域の設計時に容易に考慮に入れられるシフトである。
【００６９】
通常、当技術分野で知られている計算方法を使用して、本明細書で説明する誘電体導波路のモード特性を決定することができる。さらに、反復計算を使用して、選択された導波路特性を最適化する導波路仕様を決定することができる。このような計算の基礎となる基本的な物理的特性の幾つかを以下で概説する。特に、構造によってサポートされるＥＭモードは、マックスウェルの式および構造の境界条件に従って、数値的に解決することができる。さらに、全ての誘電等方性構造について、マックスウェルの式を下式のように変えることができる。
【００７０】
【数４】
2004526181.tif 000006
ここで、ＨおよびＥはそれぞれ顕微鏡的磁界および電界であり、εは構造のスカラー誘電定数である。このような構造のＥＭモードを解くには、発散方程式に属す式（２）（ここで、Ｈは固有関数であり、ω2／ｃ2は固有値である）によって与えられた特性方程式である式（３）を解いて、Ｈを与える。その後、式（４）に従ってＨからＥを決定することができる。
【００７１】
往々にして、対称性を用いて解を単純化することができる。例えば、本明細書で説明する特定の例の多くに関して、縦軸に沿って連続的な並進対称（すなわち、一様な断面）を仮定することができ、縦軸をｚ軸とする。言うまでもなく、実際には構造はこのような一様性から小さい偏差を有することがある。さらに、構造は有限な空間的範囲を有する。にもかかわらず、導波路直径と比較すると大きいある長さについて一様な断面であるという仮定に基づき、導波路によってサポートされるＥＭモードは、概略的にＦ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ｅｘｐ［ｉ（βｚ−ωｔ）］Ｆ（ｘ，ｙ）と書くことができ、ここで、Ｆは電磁場成分のいずれかである。Ｆの式のパラメータβは導波路軸に沿う波数ベクトルである。
【００７２】
多層導波路は、多層同時延伸技術、同時押出技術、または蒸着技術を使用して作成することができる。適切な高屈折率材料には、２成分および３成分ガラス系などのカルコゲナイド・ガラス、重金属酸化ガラス、非晶質合金、および高屈折率ドープ処理ポリマーがある。適切な低屈折材料には、ホウケイ酸ガラスなどの酸化ガラス、ハロゲン化ガラス、およびポリスチレンなどのポリマーがある。また、低屈折率領域は、シリカ球または中空ファイバなどの中空の構造的支持材料を使用して作成し、高屈折率層または領域を分離することができる。
【００７３】
上記特定の実施形態の全てで、導波路は導波路軸に沿って均一な断面を有すると仮定してきた。しかし、さらに他の実施形態では、導波路の断面は均一なままでなくてよい。例えば、図２０を参照すると、複合導波路２０００は、異なる屈折率断面を有する複数のセグメント２０１０および２０１２を含む。複合導波路２０００は、さらに、セグメント２０１０と２０１２の間に結合セグメント２０１４を含むことができ、結合セグメント２０１４の屈折率断面は、セグメント２０１０と２０１２の間で滑らかに変化し、セグメント２０１０および２０１２内でサポートされるモードを断熱接続する。複合導波路２０００の複数のセグメントは、集合分散を調整するため、追加の自由度を提供する。したがって、各セグメントは、複合導波路の集合分散に特定の寄与を提供するように選択することができる。
【００７４】
一例では、セグメント２０１０および２０１２は、同一の屈折率断面を有し、スケーリング係数が均一であってもよい。例えば、セグメント２０１２のコアおよび層の厚さはそれぞれ、セグメント２０１０の対応する領域に対して一定量で調節する。このような調節は、多層導波路の形成に使用する多層押出プロセスの延伸速度を変更することによって実行することができる。例えば、第１の延伸速度を使用して、第１のセグメントを形成し、第１の延伸速度から第２の延伸速度への滑らかな遷移を使用して、結合セグメントを形成し、第２の延伸速度を使用して、第２のセグメントを形成することができる。
【００７５】
セグメントごとに均一のスケーリング係数を使用することは、各セグメントの分散特性がそれに応じて縮小拡大するので、分析的意味で特に有用である。これはマックスウェルの方程式にそのまま従い、これはスケーラブルである。その結果、導波路が、導波路によってサポートされたモード「ｎ」ごとに分散関数Ｄn（λ）を有し、導波路の屈折率断面の寸法が、関数「ｃ」によって均一に拡大縮小される場合、拡大縮小した構造の結果の分散関数はＤn（λ／ｃ）／ｃとなる。その結果、１本の分散曲線を使用して、同様の形状だが拡大縮小が異なる分散曲線の全群を生成することができる。したがって、相互に対してわずかに拡大縮小された断面を有する複数のセグメント（例えば、セグメント２０１０および２０１２）に対応する複数の曲線をともに加えることにより、複合導波路２０００の全体的性能を最適にすることができる。
【００７６】
例えば、図２１には、図１０から図１６に関して上記構造と同一の屈折率断面を有する第１のセグメントと、同じ屈折率断面を有するが、スケーリング係数が１．０２７５である第２の等長セグメントとから形成した複合導波路の集合分散（実線）を示す。分散曲線は、図２１では個別セグメント（点線）についても図示されている。図２１は、分散補償のための帯域幅を１５．０ｎｍから２８．５ｎｍへと拡大できることを示す。さらに一般的には、この例は、より大きい波長範囲にわたって調整された集合分散曲線を生成するための追加の自由度を示す。特に、体系的に幾つかの分散曲線を相互に加えることにより、広い波長範囲にわたって任意の分散プロファイルと一致し、これを補償するため、集合分散曲線を調整することができる。したがって、例えば、この方法を使用して、ＷＤＭ伝送ファイバの複数の波長チャネルそれぞれで、分散を補償することができる。さらに、この方法を使用して、より大きい帯域幅にわたってＦＯＭを最適化することができる。セグメントによって散逸損失が異なるからである。例えば、上記複合導波路の場合は、帯域幅を２倍に増加するが、帯域幅の最小性能指数を１３００ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）からわずか９７０ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）へと減少させる。
【００７７】
このような複合ファイバは、分散プロファイルに一致するため、追加の自由度を提供するが、所望の分散プロファイルに一致させるため、１つの均一な断面を有する分散補償ファイバを使用することもできる。特に、本明細書で説明するフォトニック導波路ファイバは、大きい絶対値の分散を提供するばかりでなく、例えば、図１２に示すように、導波周波数の範囲にわたって広範囲の分散傾斜も提供する。さらに、以上のパラグラフで説明したスケーリングの原則を使用して、フォトニック導波路ファイバの長さスケールを調節し、それによって特定の波長範囲に合わせて所望の傾斜を調整することができる。分散傾斜が一致したら、分散補償ファイバの１つの長さを選択して、その波長範囲にわたる分散をほぼ取り消すことができる。
【００７８】
本明細書で説明する光導波路は、光電気通信システムで使用することができる。図２２は、光伝送路２２３０によって相互に結合されるソース・ノード２２１０および検出ノード２２２０を含む光電気通信システム２２００の略図を示す。光伝送路は、伝送ファイバ２２３２の１つ以上のセグメント、および分散補償ファイバ２２３４の１つ以上のセグメントを含むことができる。ソース・ノード２２１０は、伝送路に沿って配向された光信号の元のソースか、または光信号を伝送路２２３０へと再配向したり、それを光学的に増幅したり、および／またはこれを電子的に検出して光学的に再生したりする中間ノードでよい。さらに、ソース・ノード２２１０は、様々な波長で複数の光信号を多重化または逆多重化するためのコンポーネントを含むことができる。同様に、検出器ノード２２２０は、伝送路に沿って伝送される光信号の最終宛先であるか、光信号を再配向したり、光学的に増幅したり、および／または電気的に光信号を検出して光学的に再生したりする中間モードであってもよい。また、検出器ノード２２２０も、様々な波長で複数の光信号を多重化または逆多重化するためのコンポーネントを含むことができる。分散補償ファイバを配置して、伝送ファイバによって引き起こされる光信号の分散を事前補償または事後補償することができる。さらに、伝送路に沿って伝送される光信号は、対応する波長の複数の信号を含むＷＤＭ信号でよい。システムの適切な波長は、今日使用されている多くの長距離システムに対応する約１．２ミクロンから約１．７ミクロンの範囲内の波長、さらに現在考慮されているメトロ・システムに対応する約０．７ミクロンから約０．９ミクロンの範囲内の波長を含む。
【００７９】
システムの幾つかの実施形態では、伝送ファイバは本明細書で説明する導波路の１つでよい。例えば、伝送ファイバは、光信号を案内し、上述したように導波光信号の１つ以上の波長にてゼロ分散を生成する分散調整領域を備えた導波路でよい。例えば、フォトニック結晶導波路を伝送ファイバとして使用する場合、チャネルの漏話を引き起こす非線形相互作用は、非線形相互作用係数が小さい材料になるようコア材料（ここに光エネルギーの大部分がある）を選択することにより（例えば、コアは中空でよい）、小さくすることができる。非線形相互作用が小さいので、システム２２００は、分散が小さいか、またはゼロの場合もある波長で操作することができる。さらに、複数の波長にてゼロ分散を有する導波路を使用する場合、その複数の波長における群速度の差が、非線形相互作用によって生じるチャネル漏話を制限することができる。また、ゼロ分散の複数波長に対応する波長を、非線形相互作用によって生じるチャネル漏話を制限するのに十分なほど隔置してよい。したがって、伝送ファイバとして本明細書で説明する導波路を使用する場合、伝送路は、ＷＤＭ信号の１つ以上の波長チャネルで、ゼロ（または少なくとも非常に小さい）分散にて動作することができる。したがって、分散補償が不必要でさえあり、分散補償ファイバ２２３４の必要がなくなる。にもかかわらず、小さい量の分散でさえ最終的には累積する非常に長い光伝送ファイバでは、分散補償ファイバを使用してもよい。
【００８０】
システムのさらに他の実施形態では、分散補償ファイバは、本明細書で説明する導波路の１つでよい。例えば、このようなファイバの分散調整領域は、今日市販されている分散補償ファイバに匹敵する２００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）より大きい値など、絶対値が大きい分散を生成するように選択することができる。さらに、本明細書で説明するファイバは、例えば、１，０００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）、さらには１０，０００ｐｓ／（ｎｍ−ｋｍ）をも超えるような非常に大きい分散値を生成することができる。本明細書で説明するファイバは、大きい帯域幅（例えば、約１０ｎｍ、または１００ｎｍをも超える帯域幅）にわたって所望の分散に一致するように設計することができる。さらに、本明細書で説明する導波路の散逸損失は、その分散に対して小さくすることができる。例えば、本明細書で説明する分散補償ファイバの性能指数（ＦＯＭ）は、１０ｎｍを超える帯域幅にわたって２００ｐｓ／（ｎｍ−ｄＢ）、または５００ｐｓ（ｎｍ−ｄＢ）さえ超えてもよい。本明細書で説明する分散補償ファイバをシステム２２００に使用する場合、伝送ファイバは、従来の屈折率導波ファイバ（例えば、シリカ光ファイバ）に対応するか、本明細書で説明する伝送ファイバに対応してもよい。補償方式は、事前補償、事後補償、およびインライン補償のうち１つまたは複数を含むことができる。
【００８１】
最後に、本明細書で説明する大コア・フォトニック結晶ファイバと、それに隣接するファイバおよび／またはその個々の端部に接続される光学システムとの結合について、簡単に説明する。一般に、相互に接続されたファイバの各モード間の結合効率は、第１のファイバのモードが第２のファイバのモードと空間的にどの程度重なるかに比例する。本明細書で説明するフォトニック結晶ファイバでは、最小損失モードが、通常はＴＥ01モードに関連する。したがって、フォトニック結晶ファイバが大きな長さを有する用途では、ＴＥ01モードでの作業が好ましい。ＴＥ01モードは方位対称を有し、コア中心からある距離で最大になる電界分布を有する。他方で、屈折率導波シリカ・ファイバは、通常、二重縮退ＨＥ11モード（例えば、コア中心で線形偏光する光に対応する）で動作する。このようなモードは、ＴＥ01モードと十分に重複せず、これは方位対称を有し、コア中心からある距離で最大になる電界分布を有する。しかし、本明細書で説明するフォトニック結晶ファイバは、従来の光ファイバのＨＥ11モードと十分に重複するＥＨ11またはＨＥ11導波モードもサポートする。したがって、そのモードと相互作用して、所望の分散特性を有する作業モードを生成するよう、分散調整領域を選択することができる。
【００８２】
代替的または追加的に、モード結合領域を使用して、第１のファイバの第１のモードと第２のファイバの第２のモード間の結合を最適化することができる。例えば、本明細書で説明するフォトニック結晶ファイバの一方からのｍ＝１作業モードを、シリカ光ファイバのＨＥ11モードと結合するには、シリカ・ファイバはモード結合領域を含むことができ、その屈折率断面は軸方向の位置によって変化し、作業モードをＨＥ11モードと滑らかに結合する。１つの例では、結合領域は中空のリング形の断面を有し、これはリング断面内で光を屈折率導波し、その後に軸方向に沿って充填し、従来の光ファイバを形成する。リングの直径および厚さは、作業モードからの結合を最適化するように選択され、その場の分布は、コア中心からある距離で最大になる。別の例では、結合領域にあるシリカ・ファイバの断面に不純物をドープして、結合を最適化する。例えば、ドープはリング形パターンを形成することができる。ドープ・パターンは、結合領域の軸方向範囲にわたって徐々に減少する。さらに、他の実施形態では、結合領域を含むフォトニック結晶ファイバでよい。
【００８３】
本発明の幾つかの実施形態について説明してきた。しかし、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更ができることを理解されたい。したがって、他の実施形態も特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】調整された分散プロファイルを有する導波路１００の断面の略図である。
【図２】ブラッグ・ファイバ導波路２００の断面の略図である。
【図３】全方向バンドギャップを有するブラッグ・ファイバ導波路のフォトニック・バンド図である。
【図４】２５層ブラッグ・ファイバのモードの放射損失のグラフである。
【図５】２５層ブラッグ・ファイバのモードの材料散逸損失のグラフである。
【図６】２５層ブラッグ・ファイバのモードの有効屈折率のグラフである。
【図７】２５層ブラッグ・ファイバのモードの群速度のグラフである。
【図８】２５層ブラッグ・ファイバのモードの分散Ｄのグラフである。
【図９】分散調整領域を有するブラッグ・ファイバ９００の断面の略図である。
【図１０】ブラッグ・ファイバ９００のモードの有効屈折率のグラフである。
【図１１】ブラッグ・ファイバ９００のモードの群速度のグラフである。
【図１２】分散補償ブラッグ・ファイバのモードの分散Ｄのグラフである。
【図１３】分散補償ブラッグ・ファイバのモードの散逸損失のグラフである。
【図１４】分散補償ブラッグ・ファイバのモードの性能指数（ＦＯＭ）のグラフである。
【図１５】１．５９ミクロンにおける分散補償ブラッグ・ファイバのモードの電界分散のグラフである。
【図１６】１．５５ミクロンにおける分散補償ブラッグ・ファイバのモードの電界分散のグラフである。
【図１７】分散調整領域１３０を有するフォトニック結晶ファイバ１００の代表的バンド図である。
【図１８】それぞれ調整された分散プロファイルを有する複数の作業モードを有するブラッグ・ファイバの分散（円）を、分散調整領域がないブラッグ・ファイバの分散（破線）と比較したグラフである。
【図１９】複数の作業モードを有するブラッグ・ファイバの分散Ｄ（上）および散逸損失（下）のグラフである。
【図２０】複数の導波路セグメント２０１０および２０１２を含む複合導波路２０００の略図である。
【図２１】複合導波路２０００の集合分散Ｄ（実線）と個別セグメントの分散Ｄ（点線）とのグラフである。
【図２２】調整された分散プロファイルを有し、本明細書に記載された１つ以上の導波路を実施する光電気通信システムの略図である。
【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１０】
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【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１８】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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