(57)【要約】光導波路は、導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域と、導波路軸の周囲でコアを囲む誘電体閉じ込め領域とを含み、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備え、閉じ込め領域は使用中、少なくとも第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。コアは、第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３より小さい平均屈折率を有し、コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、λが第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長である。
2004521378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路であって、
導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域と、
導波路軸の周囲でコアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、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備える誘電体閉じ込め領域とを備え、当該閉じ込め領域は使用中は少なくとも第１の範囲の周波数のＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させ、
前記コアが、第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在する導波路。
【請求項２】
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約１０λの距離にわたって横断方向に延在する、請求項１に記載の導波路。
【請求項３】
前記コアの前記平均屈折率が、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．２より小さい、請求項１に記載の導波路。
【請求項４】
前記コアの前記平均屈折率が、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．１より小さい、請求項１に記載の導波路。
【請求項５】
前記コアが気体を含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項６】
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７】
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８】
前記第１の周波数範囲と前記中心周波数の帯域幅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９】
前記導波路の軸が直線である、請求項１に記載の導波路。
【請求項１０】
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１１】
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１２】
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１３】
前記閉じ込め領域が、前記第１の周波数範囲の周波数について、放射損が０．１ｄＢ／ｋｍ未満で少なくとも１つのモードを案内して前記導波路軸に沿って伝搬する、請求項１に記載の導波路。
【請求項１４】
前記閉じ込め領域が、前記第１の周波数範囲の周波数について、放射損が０．０１ｄＢ／ｋｍ未満で少なくとも１つのモードを案内して前記導波路軸に沿って伝搬する、請求項１３に記載の導波路。
【請求項１５】
前記モードがＴＥモードである、請求項１３に記載の導波路。
【請求項１６】
前記導波路が、前記伝搬するＥＭ放射線の平均エネルギーの少なくとも９９％が前記第１の周波数範囲の周波数では前記コア内にあるモードをサポートする、請求項１に記載の導波路。
【請求項１７】
前記モードがＴＥモードである、請求項１６に記載の導波路。
【請求項１８】
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つの誘電体を含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項１９】
前記高屈折率誘電体の屈折率と前記低屈折率誘電体の屈折率との比が１．１より大きい、請求項１８に記載の導波路。
【請求項２０】
前記高屈折率誘電体の屈折率と前記低屈折率誘電体の屈折率との比が１．５より大きい、請求項１９に記載の導波路。
【請求項２１】
前記高屈折率誘電体の屈折率と前記低屈折率誘電体の屈折率との比が２より大きい、請求項２０に記載の導波路。
【請求項２２】
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２３】
前記フォトニック・バンドギャップが、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、かつ任意の偏光を有するＥＭ放射線が、平面の幾何学的形状では、０°から少なくとも８０°の範囲の入射角に対して９５％より大きい反射率を有するのに十分なものある、請求項１に記載の導波路。
【請求項２４】
前記フォトニック結晶が２次元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２５】
前記フォトニック結晶が１次元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２６】
前記閉じ込め領域が、前記導波路軸の周囲でコアを囲む２つの誘電体の交互層を備える、請求項１８に記載の導波路。
【請求項２７】
前記交互の誘電体層のうち少なくとも幾つかの屈折率および厚さが、下記の等式
【数１】
2004521378.tif 000040
をほぼ満足し、
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、請求項２６に記載の導波路。
【請求項２８】
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２６に記載の導波路。
【請求項２９】
前記導波路が、前記閉じ込め領域が前記モードの放射損を前記第１の周波数範囲の周波数に対して０．１ｄＢ／ｋｍ未満に制限するのに十分な数の交互層の対を備える導波路の軸に沿って伝搬する少なくとも１つのモードをサポートする、請求項２６に記載の導波路。
【請求項３０】
前記導波路が、前記閉じ込め領域が前記モードの放射損を前記第１の周波数範囲の周波数に対して０．０１ｄＢ／ｋｍ未満に制限するのに十分な数の交互層の対を備える導波路の軸に沿って伝搬する少なくとも１つのモードをサポートする、請求項２６に記載の導波路。
【請求項３１】
前記低屈折率誘電体がポリマーまたはガラスを含む、請求項１８に記載の導波路。
【請求項３２】
前記高屈折率誘電体がゲルマニウム、テルルまたはカルコゲナイド・ガラスを含む、請求項１８に記載の導波路。
【請求項３３】
前記コアの直径が約８λから８０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３４】
前記コアの直径が約４λから６０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３５】
前記コアの直径が約５λから６０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３６】
前記コアの直径が約６λから４０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３７】
前記コアの直径が約８λから４０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３８】
光電気通信システムであって、
光信号を生成する送信器と、
前記送信器の一端に結合され、光信号を搬送する請求項１に記載の光導波路とを備え、前記光信号が前記第１の周波数範囲の周波数であるシステム。
【請求項３９】
前記光導波路が３０ｋｍより長い距離を有する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記光導波路が２００ｋｍより長い距離を有する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４１】
前記光導波路が５００ｋｍより長い距離を有する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４２】
前記光導波路の他端に結合され、前記光信号を検出する光受信器を備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４３】
前記光導波路の他端に結合され、前記光信号を増幅する光増幅器を備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４４】
前記光導波路の他端に結合され、前記光信号を電気信号として再生する光再生器を備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４５】
前記光導波路の他端に結合され、前記光導波路によって引き起こされた分散をほぼ取り消す分散を前記光信号に導入する分散補償モジュールを備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４６】
前記光信号が、約１．２ミクロンから約１．７ミクロンの範囲の波長である、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４７】
前記光信号が、約０．７ミクロンから約０．９ミクロンの範囲の波長である、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４８】
前記送信器が様々な波長で複数の信号を生成し、様々な波長が、前記第１の周波数範囲の周波数に対応する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４９】
前記導波路の少なくとも第１の端部が、前記屈折率断面が連続的に変化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５０】
前記屈折率断面が、連続的に変化して作業モードの場の輪郭を変化させる、請求項４９に記載の導波路。
【請求項５１】
前記第１の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したシリコンの領域を更に含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項５２】
前記第１の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の導波路の前記分散調整領域と接触して、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備える、請求項１に記載の導波路。
【請求項５３】
光導波路であって、
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前記コアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、前記コアより大きい平均屈折率を有する誘電体閉じ込め領域とを備え、当該閉じ込め領域は使用中、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在する導波路。
【請求項５４】
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約１０λの距離にわたってコアを横断方向に延在する、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５５】
前記誘電体閉じ込め領域が、少なくとも１０％だけ異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電体を備える、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５６】
前記コアが約６λから６０λの範囲の直径を有する、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５７】
光導波路であって、
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前記コアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、前記導波路軸の周囲で前記コアを囲む少なくとも２つの誘電体の交互層を備えた閉じ込め領域とを備え、前記２つの誘電体は、少なくとも１０％だけ異なる屈折率を有し、使用中は前記閉じ込め領域が、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在する導波路。
【請求項５８】
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約１０λの距離にわたって横断方向に延在する、請求項５７に記載の導波路。
【請求項５９】
前記コアが、約６λから６０λの範囲の直径を有する、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６０】
光導波路であって、
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を囲む誘電体閉じ込め領域であって、異なる屈折率を有する誘電体の少なくとも１２対の交互層を備えた閉じ込め領域とを備え、該交互層が、少なくとも第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のに十分であり、
前記交互層の屈折率が、前記第１の周波数範囲の周波数に対して少なくとも１０％だけ異なり、
前記交互層の対のうち少なくとも一部が、約ａと等しい合計厚さを有し、
前記コアが、約１０ａから１００ａの範囲の直径を有する導波路。
【請求項６１】
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３より小さい平均屈折率を有する、請求項６０に記載の導波路。
【請求項６２】
前記コアの直径が、約２０ａから１００ａの範囲である、請求項６０に記載の導波路。
【請求項６３】
光導波路であって、
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前記コアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約５ミクロンから１７０ミクロンの範囲の直径を有する導波路。
【請求項６４】
前記コアが、約７ミクロンから１００ミクロンの範囲の直径を有する、請求項６３に記載の導波路。
【請求項６５】
前記コアが約１０ミクロンから１００ミクロンの範囲の直径を有する、請求項６３に記載の導波路。
【請求項６６】
光導波路であって、
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を囲む誘電体閉じ込め領域であって、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形成する少なくとも２つの誘電体を備える閉じ込め領域と、該誘電体が、少なくとも第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のに十分であり、
前記閉じ込め領域の前記誘電体の屈折率が、前記第１の周波数範囲の周波数に対して少なくとも１０％だけ異なり、
前記コアが、約５ミクロンから１７０ミクロンの範囲の直径を有する導波路。
【請求項６７】
前記コアが、約７ミクロンから１００ミクロンの範囲の直径を有する、請求項６６に記載の導波路。
【請求項６８】
前記コアが、約１０ミクロンから１００ミクロンの範囲の直径を有する、請求項６６に記載の導波路。
【請求項６９】
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を囲む誘電体閉じ込め領域とを含むフォトニック結晶光導波路を設計する方法であって、前記閉じ込め領域が、少なくとも第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ように構成され、前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３より小さい平均屈折率を有し、
モード分離、群速度分散、放射損、吸収損、およびクラッドの非線形抑制を含む、前記導波ＥＭ放射線に対して１つ以上の設計基準に基づき、前記コアの横断方向の寸法を選択することを含む方法。
【請求項７０】
前記コアの横断方向の寸法が、少なくとも２つの前記設計基準に基づく、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記コアの横断方向寸法の上限が、前記モード分離に基づいて選択され、前記横断方向寸法の下限が、群速度分散、放射損、吸収損、およびクラッドの非線形抑制のうちの少なくとも１つに基づいて選択される、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
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つの誘電体を備え、さらに、
前記放射損、吸収損、およびクラッドの非線形抑制を含む前記設計基準のうちの少なくとも１つに基づいて、異なる屈折率の屈折率対比を選択することを含む、請求項６９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体光導波路および光電気通信の分野に関する。
【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番号６０／２６４，２０１および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】
光ファイバを下る信号は徐々に減衰するので、通常は５０〜１００ｋｍごとに周期的な増幅および／または再生が必要である。このような増幅器は高額であり、スペース、電源および保守が問題となる海底ケーブルでは特に不便である。石英系光ファイバの損失は、約０．２ｄＢ／ｋｍまで下げられ、そのポイントでレイリー散乱プロセスによって制限される。レイリー散乱は、分子スケールでの光と媒体との顕微鏡的相互作用の結果であり、ω4ρに比例する。ここで、ωは光の周波数であり、ρは材料の他の幾つかの定数を伴う材料密度である。
【０００５】
損失に加えて、光ファイバに沿って伝搬する信号は、また、非線形相互作用を起こすことがある。理想的な線形材料では、光は自身と相互作用せず、このためファイバは相互作用または漏話を起こすことなく別々の波長で同時に複数の通信チャネルを搬送することができる（波長分割多重化、すなわち、ＷＤＭ）。しかし、実在の光学媒体は全て（真空でさえ）何らかの非線形特性を有する。石英および他の一般材料の非線形性は弱いが、光が長距離（数百または数千キロメートル）にわたって伝搬するか、高出力で伝搬する場合に重大になる。このような非線形特性は多くの望ましくない効果をもたらし、その効果には例えば、パルスを益々広げさせ、ビット速度を制限することがある自己／交差位相変調（ＳＰＭ／ＸＰＭ）、および異なる波長路間の漏話を誘発し、ＷＤＭで達成可能なチャネル数を制限することがある４光波混合（ＦＷＭ）および誘導ラマン／ブリュアン散乱（ＳＲＳ／ＳＢＳ）がある。このような非線形性は、導波路材料の物理的特性であり、通常は導波路コアの密度にスケーリングする。
【０００６】
通常、長距離通信に使用する光ファイバは、所望の周波数範囲にある１つの基本モードしかサポートしないほど十分小さいコアを有し、したがって、「単一モード」ファイバと呼ばれる。単一モードの動作は、モード分散によって生じる信号劣化を制限するために必要であり、これは異なる速度を有する複数導波モードに信号を結合できる場合に発生する。にもかかわらず、「単一モード」ファイバという名称は多少誤った名称である。実際、単一モード・ファイバは２つの光モードをサポートし、ファイバ内の２つの直交偏光で構成される。このように２つのモードが存在し、それが類似していることが、偏波モード分散（ＰＭＤ）として知られる問題の原因である。理想的なファイバは、その軸線の周囲に完全な回転対称を有し、その場合は２つのモードが等しく挙動し（「縮退」し）、問題を引き起こさない。しかし現実には、製造時に実際のファイバは多少の非円形性を有し、さらに対称性を崩れさせる環境ストレスがある。これは２つの効果を有し、それは両方とも予測できない状態でファイバに沿ってランダムに発生する。第一に、光の偏波は、ファイバを下方向に伝搬するにつれ回転し、第二に、２本の偏光は異なる速度で進行する。したがって、送信される信号は全て、ランダムに変化する速度で進行し、ランダムで変化する偏光で構成され、ＰＭＤとなり、パルスは時間とともに拡散し、ビット速度および／または距離が制限されない限り、最終的には重複する。偏波依存損失など、他の有害な効果もある。完全な円対称を有する他の導波モードもあり、したがって真に「一重項（ｓｉｎｇｌｅｔ）」モードであるが、このようなモードは基本モードではなく、複数モードをサポートするのに十分な大きさのコアでのみ可能である。しかし、従来の光ファイバでは、「単一モード」しかサポートしない小さいコアの基本モードに関連するＰＭＤ効果が、コアが大きい多モード・ファイバのモード分散の効果よりはるかに好ましい。
【０００７】
光導波路に沿って光信号を配向することに伴う別の問題は、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。
【０００８】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。しかしながら、分散と自己位相変調のような他の非線形プロセスとの間の集合相互作用が、分散補償を複雑にすることがある。
【００１０】
ＴＩＲ屈折率導波に基づかない別のタイプの導波路ファイバは、ブラッグ・ファイバであり、これは導波路軸の周囲でコアを囲む複数の誘電体層を含む。複数の層は円筒形ミラーを形成し、これはある範囲の周波数にわたって光をコアに閉じこめる。複数の層はフォトニック結晶として知られるものを形成し、ブラッグ・ファイバはフォトニック結晶ファイバの一例である。ブラッグ・ファイバは、長距離の光送信には実際的でないと述べる研究者もいる（Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．，ＬＴ−１：５８８（１９８３）のＮ．Ｊ．ＤｏｒａｎおよびＫ．Ｊ．Ｂｌｏｗ，Ｊ．参照）。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、光送信での使用に特に適した特性を有するフォトニック結晶ファイバを特徴とする。特に、本明細書で説明するフォトニック結晶ファイバは、損失が少なく、小さい非線形効果を示し、非縮退単一モードで効果的に動作することができる。
【００１２】
本発明者は、コア半径が大きい（例えば、導波放射線の波長の約２倍より大きい）フォトニック結晶ファイバ（ブラッグ・ファイバなど）の設計は、多くの望ましい特性をもたらすことを認識している。例えば、本発明者は、フォトニック結晶ファイバの導波モードのコアの外側にあるエネルギーの部分は、コア半径の３乗に逆比例すると判断した。したがって、誘電体閉じ込め層に関連する放射および発散損は、コア半径を増加させることにより非常に小さくすることができる。さらに、閉じ込め機構は内部全反射（ＴＩＲ）に基づかないので、コア材料は、比較的高い屈折率を有する材料に制限されない。したがって、コア材料は、損失および非線形性を最小にするように選択することができる。例えば、ファイバは中空コアを有することができる。さらに、本発明者は、コア内への閉じ込めは、屈折率で大きい対比を有するようにコア外部の層（または領域）の材料を選択することによって、さらに改善されることを発見した。このような対比は、大きいコア半径によって外部層（または領域）による散逸の問題が小さくなるので可能であり、したがって吸収損にではなく、所望の屈折率対比を提供することに基づき、外部層（または領域）の成分材料を選択することができる。
【００１３】
本発明者は、さらに、コアが大きいと複数の導波モードとなるが、複数モードは相互に大きく異なる減衰損を有することを認識している。複数モード間の損失差（すなわち、モード・フィルタリング）は、素早く中位の送信長さでの単一モード動作をもたらし、したがってモード分散が回避される。さらに、最低損モードは、縮退がないように選択することができ、これで偏波モード分散などの効果がなくなる。にもかかわらず、本発明者は、コア・サイズに上限があることも認識している。コア・サイズが大きすぎる（例えば、導波放射線の波長の約４０倍より大きい）場合、モードは間隔が狭くなり、したがって摂動によって異なるモード同士が結合しやすくなる。また、本発明者が、ブラッグ・ファイバではＴＥ01モードがコア／クラッド境界面付近にノードを有し、これが損失および非線形効果の減少をもたらすことを認識している。
【００１４】
次に、本発明の様々な態様、特徴および利点について要約する。
一般的に、１つの態様では、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誘電体閉じ込め領域であって、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む閉じ込め領域とを含み、閉じ込め領域が使用中は少なくとも第１の範囲の周波数でＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させる光導波路を特徴とする。コアは、第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３未満の平均屈折率を有し、コアは約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、誘電体閉じ込め領域は、少なくとも約６λの距離にわたってコアから横断方向に延在する。
【００１５】
一般的に、別の態様では、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誘電体閉じ込め領域とを含む光導波路を特徴とする。閉じ込め領域はコアより大きい平均屈折率を有し、閉じ込め領域は使用中は少なくとも第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する。コアは、第１の周波数範囲の周波数では約１．３未満の平均屈折率を有し、コアは、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、誘電体閉じ込め領域は、少なくとも約６λの距離にわたってコアから横断方向に延在する。
【００１６】
一般的に、別の態様では、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誘電体閉じ込め領域とを含む光導波路を特徴とする。閉じ込め領域は、導波路軸の周囲でコアを囲む少なくとも２つの誘電体の交互の層を含み、２つの誘電体は少なくとも１０％だけ異なる屈折率を有し、閉じ込め領域は使用中は少なくとも第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する。コアは、第１の周波数範囲の周波数では約１．３未満の平均屈折率を有し、コアは約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、誘電体閉じ込め領域は少なくとも約６λの距離にわたってコアから横断方向に延在する。
【００１７】
一般的に、別の態様では、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誘電体閉じ込め領域とを含む光導波路を特徴とする。閉じ込め領域は、異なる屈折率を有する誘電体の少なくとも１２対の交互層を含み、層は、少なくとも第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するのに十分である。交互層の屈折率は、第１の周波数範囲の周波数では少なくとも１０％だけ異なる。交互層の対のうちの少なくとも一部は約ａに等しい合計厚さを有し、コアは約１０ａから１００ａの範囲の直径を有する。幾つかの実施形態では、コア直径は約２０ａと８０ａの間の範囲である。
【００１８】
別の態様では、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誘電体閉じ込め領域とを含む光導波路を特徴とする。閉じ込め領域は、少なくとも第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する。コアは、第１の周波数範囲の周波数では約１．３未満の平均屈折率を有し、コアは、約５ミクロンから１７０ミクロンの範囲の直径を有する。
【００１９】
一般的に、別の態様では、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誘電体閉じ込め領域とを含む光導波路を特徴とする。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形成する少なくとも２つの誘電体を含み、誘電体は、少なくとも第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するのに十分である。閉じ込め領域の誘電体の屈折率は、第１の周波数範囲の周波数で少なくとも１０％だけ異なり、コアは約５ミクロンから１７０ミクロンの範囲の直径を有する。
【００２０】
上述した導波路のいずれかの実施形態は、以下の特徴のいずれかを含むことができる。
誘電体閉じ込め領域は、コアから少なくとも約８λ、約１０λ、または約１２λの距離にわたって横断方向に延在することができる。コアの平均屈折率は、第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３未満、約１．２未満、または約１．１未満でよい。コアは気体を含むことができる。
【００２１】
コアの直径は、４λ、６λ、８λ、または１０λのいずれかの下限、および１００λ、８０λ、６０λ、または４０λのいずれかの上限を有する範囲内であってもよく、ここで、λは第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長である。
【００２２】
コアの直径は、５ミクロン、７ミクロン、１０ミクロン、および１２ミクロンのいずれかの下限、および１７０ミクロン、１２０ミクロン、および１００ミクロン、および５０ミクロンのいずれかの上限を有する範囲であってもよい。
【００２３】
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してもよい。代替的には、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してもよい。第１の周波数範囲の帯域と中心周波数との比率は、少なくとも約１０％であってもよい。
【００２４】
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していてもよい。
閉じ込め領域は少なくとも１つのモードを案内して、第１の周波数範囲の周波数では０．１ｄＢ／ｋｍ未満の放射損で、あるいはわずか０．０１ｄＢ／ｋｍ未満の放射損で導波路軸に沿って伝搬することができる。例えば、モードはＴＥモード（例えば、ＴＥ01）でよい。導波路は、第１の周波数範囲の周波数では伝搬するＥＭ放射線の平均エネルギーのうち少なくとも９９％がコア内にあるモードをサポートすることができる。
【００２５】
閉じ込め領域は、異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電体を含むことができる。屈折率が高い方の誘電体の屈折率と屈折率が低い方の誘電体のそれとの比率は、１．１、１．５、または２より大きくてよい。例えば、屈折率が低い方の誘電体はポリマーまたはガラスを含み、屈折率が高い方の誘電体はゲルマニウム、テルル、またはカルコゲナイド・ガラスを含む。
【００２６】
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、かつ偏波を有するＥＭ放射線が、平面の幾何学的形状では、０°から少なくとも８０°の範囲の入射角で９５％より大きい固有反射率を有するのに十分であってもよい。フォトニック結晶は、一次元フォトニック結晶または二次元フォトニック結晶でもよい。
【００２７】
閉じ込め領域は、導波路軸の周囲でコアを囲む２つの誘電体の交互層を含むことができる。例えば、交互誘電体層の少なくとも一部の屈折率および厚さは、
【００２８】
【数１】
2004521378.tif 000003
という等式を十分に満足させ、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。導波路は、導波路軸に沿って伝搬する少なくとも１つのモードをサポートすることができ、ここで閉じ込め領域は、第１の周波数範囲の周波数に対してモードの放射損を０．１ｄＢ／ｋｍ未満、または０．０１ｄＢ／ｋｍ未満にまで制限するのに十分な数の交互層対を含む。
【００２９】
導波路の少なくとも第１の端部は、屈折率断面が連続的に変化して作業モードの場の輪郭を変更する結合区間を含むことができる。さらに、前述の第１の導波路に結合する第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、第２の導波路への作業モードの結合を改善するように配置されたシリコン・ドープ領域を含む。代替的または追加的には、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と接触して、第２の導波路への作業モードの結合を改善する中空リングを含んでもよい。
【００３０】
別の態様では、本発明は、（ｉ）光信号を生成する送信器と、（ｉｉ）送信器の一方端に結合され、光信号を搬送する上述のいずれかの光導波路とを含み、光信号が第１の周波数範囲の周波数である光電気通信システムを特徴とする。光導波路は、３０ｋｍ、２００ｋｍ、または５００ｋｍを超える長さを有することができる。
【００３１】
システムは、さらに、光導波路の他方端に結合されて光信号を検出する光受信器、光導波路の他方端に結合され、光信号を増幅する光増幅器、光導波路の他方端に結合され、光信号を電気信号として再生する光再生器および／または光導波路の他方端に結合され、光導波路によって引き起こされた分散をほぼ相殺する分散を光信号に導入する分散補償モジュールを含むことができる。光信号は、約１．２ミクロンから約１．７ミクロンの範囲、または約０．７ミクロンから約０．９ミクロンの範囲の波長でよい。さらに、送信器は、異なる波長の複数の信号を生成することができ、異なる波長は第１の周波数範囲の周波数に対応する。
【００３２】
一般的に、別の態様では、本発明は、導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域、および導波路軸の周囲でコアを囲む誘電体閉じ込め領域を含むフォトニック結晶光導波路を設計する方法を特徴とし、閉じ込め領域は、少なくとも第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ように構成され、コアは、第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３未満の平均屈折率を有する。方法は、モード分離、群速度分散、放射損、吸収損、およびクラッド非線形抑制など、導波ＥＭ放射線の１つ以上の設計基準に基づき、コアの直径を選択することを含む。例えば、コアの直径は、設計基準のうち少なくとも２つに基づいてもよい。特に、コアの直径の上限は、モード分離に基づいて選択してもよく、直径の下限は、群速度分散、放射損、吸収損、およびクラッド非線形抑制のうち少なくとも１つに基づいて選択してもよい。さらに、閉じ込め領域は、異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電体を含むことができ、方法は、さらに、放射損、吸収損、およびクラッド非線形抑制などの設計基準のうち少なくとも１つに基づき、様々な屈折率について屈折率対比を選択することを含んでもよい。
【００３３】
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、引用によってその全文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。
【００３４】
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。
次に、本発明を、添付の図面を参照しながら以下に記述するが、これは単なる例示としてのものにすぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明は、減衰率が小さく、小さい非線形性を示し、単一モード動作を効果的に提供するフォトニック結晶ファイバ導波路１００を特徴とする。
＜基本構造＞
導波路１００の断面が図１に図示され、その導波路１００は導波路軸に沿って延在する誘電体コア１１０、およびコアを囲む誘電体閉じ込め領域１２０を含む。図１の実施形態では、閉じ込め領域１２０は、異なる屈折率を有する誘電体の交互層１２２および１２４を含むよう図示される。一方の層のセット、例えば、層１２２は、屈折率ｎhiおよび厚さｄhiを有する高屈折率の層セットを形成し、他方の層のセット、例えば、層１２４は、屈折率ｎloおよび厚さｄloを有する低屈折率の層セットを形成し、ここで、ｎhi＞ｎloである。便宜上、図１には誘電体閉じ込め層の一部しか図示していない。実際には、閉じ込め領域１２０は、さらに多くの層（例えば、２０層以上）を含むことができる。導波路１００は、さらに、閉じ込め領域１２０を囲んで、導波路に全体として構造的支持を提供する追加的な構造クラッド層１４０も含むことができる。構造層１４０は、導波路の光学的特性（例えば、放射損および分散）にほとんど寄与しないので、さらには検討しない。
【００３６】
以下のセクションで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は円形の断面で、領域１２０（およびその中の層）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することができる。さらに以下で言及するように、コアおよび閉じ込め領域１１０および１２０は、異なる屈折率を有する複数の誘電体を備えることができる。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ある部分区域によって加重される。しかし、領域１１０と１２０との境界は、屈折率の変化によって形成される。この変化は、２つの異なる誘電体の境界面、または同じ誘電体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。
【００３７】
誘電体閉じ込め領域１２０は、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誘電体コア１１０内に伝搬させる。閉じ込め機構は、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１２０内のフォトニック結晶構造をベースとするものである。閉じ込め機構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。逆に、コア１１０は、閉じ込め領域１２０より低い平均屈折率を有してもよい。例えば、コア１１０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・コア内で導波されるＥＭ放射線より損失がはるかに小さくて、非線形境界がはるかに小さく、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いことを示す。例えば、追加的な実施形態では、コア１１０は多孔質誘電体を含んで、周囲の閉じ込め領域に多少の構造的支持を提供しながら、なお大部分が空気であるコアを形成することができる。したがって、コア１１０は一様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１２０の交互の層１２２および１２４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１２０の環状層および誘電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、その構造は周期的誘電構造であるが、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存在し、（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・バンドギャップでの反射性が高い。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）とともに指数的に減少する。それは、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でない。「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上に入射する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」も形成することができ、これは隣接する誘電体が伝搬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のフォトニック・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モードのフォトニック・バンドギャップとして形成することができ、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によってほぼ与えられ、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、公開された国際特許出願第ＷＯ００／２２４６６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。
【００４２】
閉じ込め領域１２０の交互層１２２および１２４がコア１１０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。というのは、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、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％の平面的幾何形状の反射性に対応してもよい。さらに、導波路１００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】
追加の実施形態では、誘電体閉じ込め領域は、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もよい。例えば、（平面限界内で）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、閉じ込め領域は、例えば、ハニカム構造に対応する屈折率変調など、（平面限界内で）２次元で周期的なフォトニック結晶を形成するように選択してもよい。例えば、Ｒ．Ｆ．Ｃｒｅｇａｎ他のＳｃｉｅｎｃｅ  ２８５：  １５３７−１５３９（１９９９）を参照されたい。さらに、ブラッグ態様の構成でも、高い屈折率の層で、屈折率および厚さが変化したり、および／または低い屈折率の層で、屈折率および厚さが変化したりすることがある。通常、閉じ込め領域は、フォトニック・バンドギャップを生成する任意の屈折率変調をベースにすることができる。
【００４４】
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、ハロゲン化ガラスなどの酸化ガラス、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。
【００４５】
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。
【００４６】
【数２】
2004521378.tif 000004
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（１）（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（２）を解いて、Ｈを与える。その後、式（３）に従ってＨからＥを決定することができる。
【００４７】
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は縦波数ベクトルである。
【００４８】
以下のセクションで、フォトニック結晶ファイバ導波路１００、および長距離光電気通信に最適性能をもたらすパラメータについて、さらに詳細に分析する。分析は、ブラッグ・ファイバ構成に焦点を絞るが、結果およびスケーリング則は、一般に大きいコアのフォトニック結晶ファイバにも拡張することができる。
＜中空誘電体導波路と金属導波路＞
誘電体導波路１００の原理は、中空金属導波路との類似から考察することができる。図２は、コア半径Ｒを有する中空誘電フォトニック結晶導波路２００（左側）を、コア半径Ｒを有する中空金属導波路２１０（右側）と対比して示す。誘電体導波路２００では、中空コア（屈折率１）が、高い（暗い）屈折率と低い（明るい）屈折率を有する交互層を含む多層閉じ込め領域（以下では「クラッド」）で囲まれる。ここで説明する実施形態では、クラッド層の屈折率はそれぞれ４．６および１．６になるように選択され、０．３３ａおよび０．６７ａの厚さを有し、ここで、ａは高い／低い二分子層の一方の厚さである。ｃ／ａの単位でモード周波νを計算したら（ｃは光の速度）、幾つかの所望の使用波長λについて、ａ＝λ／νから物理量ａを決定することができる。導波路の半径Ｒは、本明細書で示す様々な例ごとに変化し、例えば、最小は２ａから最大は１００ａまである。以下で分かるように、約５ａより大きい（さらに１０ａまたは２０ａよりも大きい）Ｒの値は、多くの利点を有する。
【００４９】
金属導波路２１０は、中空誘電体導波路２００と同様に有するが、金属円筒が多層誘電クラッドに取って代わっている。金属の場合、光は、ほぼ完全な金属（光周波数では実際には存在しない）の不透過性のため、コア内に閉じ込められる。Ｒ＝２ａの金属導波路２１０の閉じ込めモードを、最低の７つのモードについて図３（右側）で示す。図３に示す分散関係は２つの保存量を示す。すなわち、軸方向波数βおよび周波数ωである。対称性により、円筒形導波路のモードは、その「角運動量」整数ｍでも表すことができる。ｚ軸に沿った導波路では、モードの（ｚ，ｔ，ψ）依存性は、ｅｘｐ［ｉ（βｚ−ωｔ＋ｍψ）］によって与えられ、ここで、ψは円筒の方位角である。中空金属管では、固有モードはＴＭ（Ｈz＝０）またはＴＥ（Ｅz＝０）として純粋に偏光され、任意のｍのｌ番目のモードはＴＸmlと表示される。
【００５０】
誘電の場合、光は多層クラッドの１次元フォトニック・バンドギャップによって閉じ込められ、これはクラッドが平面になるので、限界内で容易に分析される。その結果のバンド構造を、図３の左側に示す。図３の左側の暗い領域は、光がミラー内に伝搬できるペア（β，ω）に対応し、白およびグレーの領域は光がミラー内に伝搬できない状況に対応する。図３の左側にある黒い太線は、ライト・ライン（ω＝ｃβ）に対応し、グレーの領域はミラーの全方向反射性の周波数領域に対応する。平面誘電ミラーの場合、βは表面に平行な波数ベクトル成分である。フォトニック・ギャップ領域（白およびグレーの領域）では、ミラーが金属と同様に挙動し、モードを強く閉じ込めると予想する。固有モードはそれぞれ保存された有限のｍを有するので、ｒが大きくなるにつれ、ψ方向の有効波数ベクトルｋψ＝ｍ／ｒがゼロになる。これが当てはまらない場合は、ゼロでないｋψ⊥βをブラッグ・バンド図に投影しなければならないので、図３にはバンドギャップがあり得ない。特に、ブラッグ・バンド図は、全方向反射の範囲（グレーの領域）を示し、これは空気からの入射波が平面ミラーによって反射する（およびその逆の）周波数に対応する。全方向反射は、本質的に、そのファイバの案内に厳密には必要ないが、その存在は、ライト・ラインに沿った大きくかつ偏光に依存しないギャップの領域と強い相関がある。
【００５１】
ブラッグ・ミラーは、「ＴＥ」および「ＴＭ」偏光について異なるバンドギャップを有し、それぞれ境界面に純粋に平行な場および直角成分を有する場を指す。（両方の偏光を図３に示す。）厳密に言うと、これは、ｍ＝０の場合のみ、金属導波路のＴＥおよびＴＭのラベルに対応し、非ゼロｍモードは全て、何らかの非ゼロＥr成分を有する。
【００５２】
金属導波路、ブラッグ・ファイバ、および従来の屈折率導波ファイバを含む任意の円筒形導波路によってサポートされるモードは、伝達行列法で計算することができ、ここで、屈折率ｎjの環状領域にある任意の（ｍ，ω，β）の縦方向の場（Ｅ｛ｚ｝およびＨ｛ｚ｝）は、
【００５３】
【数３】
2004521378.tif 000005
の状態で、ベッセル関数Ｊm（ｋjｒ）およびＹm（ｋjｒ）で展開される。各境界面で、係数は、境界条件に一致する４×４の伝達行列に関連付けられる。このような伝達行列全部の積は、コアの場を最外クラッドの場と関連付ける１つの行列を生成する。次に、適切な境界条件を適用することにより、以下でさらに検討するように、様々なモードのβn波数ベクトルを求めることができる。
【００５４】
当面、１次元ブラッグ・ミラーのバンドギャップ内にあるモードが主な関心事である。このようなモードは、クラッド（すなわち、閉じ込め領域）内でｒで指数的に崩壊しなければならず、したがって無限に多いクラッド層の限界内で真の導波モードである（有限の層のケースは、以下でさらに考察する）。これらのモードの大部分は、ω＝ｃβのライト・ラインより上にあり、したがって金属導波路のモードとほぼ同じ方法で中空コア内にて伝搬する。しかし、モードはライト・ラインの下で、なおバンドギャップ内にあることも可能であり、その場合、これはコア／クラッド境界面の周囲に局所化された表面状態である。
【００５５】
図４では、コア半径Ｒ＝２ａおよび上述した平面ミラー・パラメータのブラッグ・ファイバについて計算した第１の結合導波モードを示す。図４の明るい色の線はＴＥおよびＨＥモード、暗い色の線はＴＭおよびＥＨモードであり、この場合も黒い太線はライト・ライン（ω＝ｃβ）である。図４の暗いべたの領域は、多層クラッド内で伝搬するモードの連続対を表す。導波モードは、図３（右側）の金属導波路の導波モードとほぼ同じ周波数であり、１次元バンドギャップが重畳されている。誘電体導波路では、モードはｍ＝０の場合のみ純粋にＴＥおよびＴＭであり、非ゼロｍの場合は、非常にＴＥまたはＴＭに似た、ＨＥおよびＥＨとそれぞれ呼ばれる。さらに、モードが第２のギャップに入った場合は、プライム符号の上付文字を加える。ブラッグ・ファイバの導波モードは、金属導波路と同じ直交性関係を有し、その個々の場のパターンもほぼ同一であるはずであることも分かった。
＜大きいコアのブラッグ・ファイバ＞
上記の計算で、半径Ｒ＝２ａのブラッグ・ファイバのモードが生成された。この小さい半径は、幾つかのモードしかサポートしないという利点を有し、これは全体として容易にプロットされ、理解され、単一モード周波数範囲も有する。しかし、金属導波路との類似は、これがファイバ動作にとって最も望ましい領域ではないことを示す。
【００５６】
金属導波路では、最小損モードはＴＥ01であり、その抵抗損は１／Ｒ3として減少する。さらに、ＴＥ01と他のモード間の差損は、その金属導波路を効果的な単一モードの方法で操作できるようにするモード・フィルタリング効果を生み出す。他方で、大きいコア半径（高い周波数）では、損の大部分が、曲がりによる他の間隔が狭いモード、特に縮退ＴＭ11モードへの散乱になる。
【００５７】
オムニガイド・ファイバでは同様の結果になる。すなわち、最小損モードがＴＥ01であり、その損の多くが１／Ｒ3として減少する。金属導波路と同様に、材料対比が小さい従来の屈折率導波光ファイバとは異なり、コアの閉じ込めの程度に基づき強力なモード・フィルタリング効果を実証した。前述のように、モード間散乱は、Ｒの増加とともに悪化する。
【００５８】
このような考察に基づき、以下でさらに実証されるように、約５ａから１００ａ（さらに７ａから約７０ａ、さらには１０ａから約５０ａ）の範囲のコア半径で所望の結果が得られることが分かった。導波路によって案内される周波数の中央にある中心波長λでは、この範囲は、同様の下位範囲で２λ＜Ｒ＜４０λとほぼ表すことができる。
【００５９】
次の結合セクションでは、Ｒ＝３０ａの中空コア半径、および１７層を有する閉じ込め領域を有するブラッグ・ファイバの実施形態に焦点を絞る。１７層は、屈折率４．６の高屈折率層で始まり、屈折率１．６の低屈折率層と交互になる。高屈折率層と低屈折率層の厚さは、それぞれ０．２２ａおよび０．７８ａである。最小ＴＥ01発散損の点（以下でさらに検討する）は、ω≒０．２８・２πｃ／ａの周波数にあり、したがってこれを電気通信の標準的λ＝１．５５ミクロンに対応させると、ａ＝０．４３４ミクロンになる。同様に、Ｒ＝１３．０２＝８．４λである。
【００６０】
閉じ込め層の層厚さを選択するため、約４分の１波長の状態を使用する。垂直入射では、各層が等しい光学的厚さλ／４、すなわち、ｄhi／ｄlo＝ｎlo／ｎhiを有する「４分の１波長」スタックで最大バンドギャップが獲得され、ここで、ｄおよびｎはそれぞれ高屈折率および低屈折率層の厚さおよび屈折率を指す。しかし、垂直入射はβ＝０に対応し、円筒形の導波路では、所望のモードは通常、ライト・ラインω＝ｃβの付近にある（大きいＲの制限内で、最下位モードは、基本的にｚ軸、すなわち、導波路軸に沿って伝搬する平面波である）。このケースでは、４分の１波長状態が下式のようになる。
【００６１】
【数４】
2004521378.tif 000006
厳密に言うと、式（４）は正確には最適でない。その理由は４分の１波長状態が円筒形の幾何学的形状によって変更されるからであり、そのため、各層の光学的厚さは、半径方向の座標とともに滑らかに変化する必要がある。にもかかわらず、式（４）は、特にギャップ中央の波長より半径が大きいコアでは、多くの望ましい特性を最適化するために優れたガイドラインを提供することが分かった。
【００６２】
Ｒ＝２ａの場合と同様、このＲ＝３０ａブラッグ・ファイバの導波モードは、半径が等しい金属導波路のモードとの類推によってラベル付けすることができる。ブラッグ・ファイバのこのような２モードの横方向電界輪郭、最低損ＴＥ01、および線形偏光したＥＨ11（金属導波路のＴＭ11と同様のモード）を、２モードのω＝０．２８（２πｃ／ａ）（それぞれβ＝０．２７９２６（２πｃ／ａ）およびβ＝０．２７９５５（２πｃ／ａ）に対応する）について図５に示す。ＴＥ01モードは、円対称で、「方位角」偏光
【００６３】
【数５】
2004521378.tif 000007
される。したがって、二重縮退ＥＨ11モード（２つの直交偏光）とは異なり、ファイバの不完全性によって速度が異なる２つのモードに分割することができず、したがって偏光モード分散（ＰＭＤ）に影響されない。ブラッグ・ファイバのモード・ラベル付けは、金属導波路より複雑であることが判明した。というのは、モードがライト・ラインと交差して、コア／クラッド境界面の周囲で局所化した表面状態になることがあるからである。その場合は、別のモードが「上昇」し、その位置を占める。例えば、ＴＭ01モードはω＝０．２７（２πｃ／ａ）でライト・ラインと交差し、ＴＭ02モードは連続的にＴＭ01のコア場パターンを呈する。不明である場合は、それぞれｒ＝０で優先的なのはＨzまたはＥzかに応じて、モードをＨＥまたはＥＨとラベル表示し、ライト・ラインより上の順番に応じてコア・モードに番号を付ける。
＜コア・サイズのスケーリング則＞
誘電体閉じ込めミラーは反射性が強いので、モード特性の多くは概ね、モードを内側に閉じ込めるコアの幾何学的サイズＲによって決定される。その後、計算した様々な量についてスケーリング関係を導き出し、本セクションでは、場およびモードの基本的なスケーリングを提示することにより、このような導出の土台を作る。このスケーリング関係は、概ね、金属の類似物が保持するのに十分な大きさである限り、使用する正確な屈折率対比などの細部に依存せず、ブラッグ・ファイバ構造の利点および代償を広く理解することができる。
【００６４】
特に、ファイバのＴＥ01（特にＴＥ01）モードのクラッド現象の抑制に焦点を絞る。ＴＥ01モードの重要な特性は、中空の金属導波路との類似により、ｒ＝Ｒ付近の電界にノードを有することである。したがって、クラッド内の電界の大きさは、ＲにおけるＥψの傾斜に比例する。しかし、コア内のＥψの形状は、単にベッセル関数Ｊl（ξr／Ｒ）であり、ここで、ξ（ω）はほぼＪlのｌ番目のゼロである。これで、Ｒでの傾斜は（Ｊ0（ξ）−Ｊ2（ξ））（ξ／２Ｒ）である。さらに４分の１波長スタックでは、Ｅψの値は、高屈折率層から低屈折率層への境界面それぞれの付近で最大になる。したがってＪl振幅（すなわち、Ｅψ〜１）の正規化を含まず、クラッド中の正規化されていないＥψはｄhi／Ｒとしてスケーリングすることが分かる。また、通常は、場の出力を正規化しなければならない。すなわち、Ｒに比例するモード面積の平方根に比例する追加係数で電界ベクトルＥを割る。したがって、
【００６５】
【数６】
2004521378.tif 000008
さらに、クラッド中の場の面積は、周（Ｒと一緒にスケーリングする）に、バンドギャップのサイズによって決定される何らかの定数（浸入度）を掛ける。これを式（５）と組み合わせると、下式が与えられる。
【００６６】
【数７】
2004521378.tif 000009
上式から他の多くのスケーリング関係式が導出される。これに対して、Ｅr成分を有するＴＭまたは混合偏光モードでは、クラッド中の正規化されない場の振幅が、Ｒが変化しても、ほぼ一定のままであり、したがってクラッドの部分エネルギー密度が１／Ｒのみとしてスケーリングし、したがってこれに対するクラッドの影響がはるかに大きくなる。
【００６７】
一般的な位相空間の引数により、コアのモードの総数は面積Ｒ2としてスケーリングしなければならない。さらに、金属導波路では分散関係式は
【００６８】
【数８】
2004521378.tif 000010
のようになり、ここで、ξnはベッセル関数の根または極値である。したがって、カットオフからかけ離れている場合（Ｒ＞＞ξnｃ／ω）、下式が得られる。
【００６９】
【数９】
2004521378.tif 000011
Δβは、ブラッグ・ファイバでは、クラッドへの場の侵入が有限であり、表面状態に遷移し、その後に上記検討したようにモードのラベルを変更するので、さらに多少複雑になることがある。例えば、ＥＨ11モードの場合を考察すると、これは金属限界にてＴＥ01で縮退する。しかし、ブラッグ・ファイバでは、縮退はクラッドへの場の浸入によって破られる。このような縮退の破壊は、誘電多層ミラーから反射した後のＴＥ／ＴＭ偏波の位相ずれに関しても理解することができ、これは摂動理論による小さいずれΔβを含み、、Δβはクラッド内のＥＨ11エネルギーの量に比例し、これはＲとは逆にスケーリングする。
【００７０】
【数１０】
2004521378.tif 000012
しかし、このスケーリング関係をλ＝１．５５ミクロンについて数値的に試験したところ、この分離は最終的に、約４０ａ以上のＲについて、１／Ｒ2としてスケーリングすることが判明した。すなわち、「基本的」ＨＥ11モードがライト・ラインと交差して表面状態になり、ＥＨ11が連続的に遷移して、さらにＨＥ11のようになり、したがって最終的に式（７）のようにスケーリングする。
＜漏洩モードおよび放射損＞
以上の検討では、重要と思われる点を無視してきた。実際には、閉じ込め領域には有限数のクラッド層しかない。以上のこと、および問題のモードが最外領域のライト・ラインより上になることから、場の出力は量子力学的「トンネル効果」に似たプロセス中に徐々に漏洩する。しかし、この放射損はクラッド層の数とともに指数的に減少し、この小ささについて以下で明示的に定量化する。０．１ｄＢ／ｋｍより十分に低い漏洩率を達成するには、少数の層しか必要でないことが判明した。さらに、放射線の漏洩はモードによって非常に異なり、大きいコアのブラッグ・ファイバが効果的に単一モードの方式で作動できるようにするモード・フィルタリング効果を誘発する。
【００７１】
無限に多数のクラッド層の制限内で、オムニガイド・コアのモードは、バンドギャップにより真の閉じ込めモードとなり、別個の実固有値βnを有する。有限的に多数の層の場合、モードは（最も外側のライト・ラインの上で）もはや真には閉じ込められず、無限に拡張した固有値を有するβ値の連続体となる。前者の閉じ込めモードは漏洩共振になる。すなわち、放射線崩壊率αnに比例する幅Δβを有するβnを中心とする実β固有値の重畳である。このような共振は、物理的実βの連続体を介して直接研究することができるが、強力な代替方法は、漏洩モード技術であり、これは複素平面の実βから
【００７２】
【数１１】
2004521378.tif 000013
までの概念的解析接続を使用して、ゼロ入射フラックスの境界条件を満足する。これで、出力崩壊率αnが
【００７３】
【数１２】
2004521378.tif 000014
によって与えられ、ここで、Ｉｍは虚数部を表す。
【００７４】
ブラッグ・ファイバでは、漏洩モード法は下記のようになる。伝達行列を定式化すると、起点でのＴＥおよびＴＭ振幅を、任意の角運動量指数ｍのωおよびβの関数として、最外領域の出力（＋）または入力（−）ＴＥおよびＴＭ円柱波（ハンケル関数）の振幅と接続する２×２行列
【００７５】
【数１３】
2004521378.tif 000015
を計算することができる。漏洩モードでは、無限においてソースがないように、ゼロ入力波の境界条件を組み込むことが望ましく、このような解決法は、
【００７６】
【数１４】
2004521378.tif 000016
のゼロ固有値がある場合は常に存在する。したがって、以下の行列式を使用する。
【００７７】
【数１５】
2004521378.tif 000017
したがって、漏洩モードは
【００７８】
【数１６】
2004521378.tif 000018
によって定義される。任意のωについて
【００７９】
【数１７】
2004521378.tif 000019
を求めると、
【００８０】
【数１８】
2004521378.tif 000020
の対応する固有ベクトルによって、必要な混合偏光振幅が生成される。有限に多い層の場合、ｆmの実数根のみが最外領域のライト・ラインより下にある。（最外領域のライト・ラインより下では、代わりに入射波のハンケル関数が指数的に増殖する関数となるが、その係数はやはりゼロでなければならないことが判明した。）このライト・ラインより上では、入射および出射フラックスが実数βについて等しくなり、定常定在波パターンに対応する。ライト・ラインより上の
【００８１】
【数１９】
2004521378.tif 000021
の小さい虚数部は、出力崩壊率
【００８２】
【数２０】
2004521378.tif 000022
を生成する。
【００８３】
全てのモードで、ブラッグ・バンドギャップの場が、最終的に他の損（例えば、吸収）が優勢になる点まで指数的に崩壊するため、放射線崩壊αnは、クラッド層の増加とともに指数的に減少する。この構造のλ＝１．５５ミクロンで、ＴＥ損はクラッドの二分子層ごとに約１０分の１だけ減少し、ＴＭ損はクラッドの二分子層ごとに約５分の１だけ減少する。ＴＭバンドギャップの方が小さいので、混合偏光（非ゼロｍ）モードの損は最終的に、閉じ込めが少ないＴＭ成分が優勢になる。図６では、最低損ＴＥ01モード、次に低い損失ＴＥ02モード、および線形偏光ＥＨ11モードに対応して上記でパラメータ化した１７層でＲ＝３０ａの構造について、計算した放射線漏洩率αnを示し、混合偏光モードの特徴を示す。後述する吸収と同様、この差損はモード・フィルタリング効果をもたらし、それによってＴＥ01モードは、大きいコアのブラッグ・ファイバでも、単一モードとして効果的に動作することができる。図６から、１７のクラッド層だけで、ＴＥ01モードは０．０１ｄＢ／ｋｍより十分下の漏洩率を有し、ＥＨ11さえ数メートルの崩壊長を有する。このように損失が少ないので、モードを大抵の解析（例えば、分散関係および摂動理論）の真の境界として、せいぜい独立損項として含まれる漏洩率で処理することができる。
【００８４】
放射損はクラッドの場の振幅
【００８５】
【数２１】
2004521378.tif 000023
に比例し、これは式（５）からＴＥ01の１／Ｒ4のようになり、これに（Ｒとしてスケーリングする）表面積を掛ける。
【００８６】
【数２２】
2004521378.tif 000024
これは中空金属導波路におけるＴＥ01抵抗損のスケーリングと同じである。これに対して、境界付近にノードがないことから、ＴＭおよび混合偏光放射損は１／Ｒとしてしかスケーリングしない。
＜群速度分散＞
分散関係式ω（β）が与えられると、１つの重要な量は群速度分散Ｄ（パルスが分布する速度）であり、これは規範的には下式のように定義される。
【００８７】
【数２３】
2004521378.tif 000025
これは単位はｐｓ／（ｎｍ．ｋｍ）、すなわち、Δλ（ｎｍ）当たりの伝搬（ｋｍ）当たりのパルス分布（ｐｓ）である。分散Ｄおよび群速度ｖ＝ｄω／ｄβは、式（９）の関数ｆから厳密に計算され、これはｆ（ω，β）＝０によって黙示的に分散関係を定義する。
【００８８】
クラッドによって導入される材料分散（ｎ（ω）での非ゼロ変動）も考察できるが、その影響は（クラッドへの場の侵入が小さいので）無視できることが判明した。例えば、クラッドがシリカと同じ１．５５ミクロンの材料分散を有するとすると、材料分散の寄与は、帯域幅の大部分で０．１ｐｓ／（ｎｍ．ｋｍ）未満である。残りは導波路の分散であり、これはコアの幾何学的形状、さらにクラッドの可変侵入度に由来する。その結果生じる波長の関数としての分散を、１７層のブラッグ・ファイバ（実線）および同じ半径の中空金属導波路（より明るい線および円）のＴＥ01モードについて、図７でプロットする。
【００８９】
次のセクションで検討するように、ブラッグ・ファイバにおける分散の実際的意味は、非線形効果がないため、通常のファイバとは非常に異なる。分散が非線形性と相互作用しないので、任意の距離だけ伝搬した後、原則的に完全に補償することができ、それによってファイバ・リンクの最後で全ての分散を補償し、さらにより高い分散を許容することができる。逆に、ゼロ分散ポイントで、またはその付近で動作すると、４光波混合ノイズは悪化しない。
【００９０】
別の重要な考慮事項は、（ｄＤ／ｄλ）／Ｄで測定した相対的分散傾斜（ＲＤＳ）である。この量は、理想的には全ての分散補償システムで一致する。上記の１７層のブラッグ・ファイバでは、ＲＤＳは約０．０００７ｎｍ-1である。これは、従来のＴｒｕｅＷａｖｅ−ＲＳ（商標）（０．０１０ｎｍ-1）およびＬＥＡＦ（商標）（０．０２１ｎｍ-1）ファイバのＲＤＳより１５〜３０倍小さく、傾斜が小さくなると、通常はファイバの分散補償達成が容易になる。
＜吸収および非線形性の抑制＞
このセクションでは、ブラッグ・ファイバのクラッド材料における吸収損および非線形性の効果について計算する。これらの効果は、ＴＥ01モードでは強く抑制されるので、損失および非線形性が高い材料を使用することができ、そのため高屈折率材料の選択肢が非常に広がることを示す。さらに、シリカ・ファイバの特性をも非常に凌ぐ可能性があることも分かる。
【００９１】
吸収および非線形性は、材料の誘電率におけるΔεの微小なシフトに対応し、したがって摂動理論で処理することができる。この一般的な技術により、非摂動モード（伝達行列により以前に計算）のみを使用して、小さい摂動によるシフトΔβを計算することができる。吸収損（レイリー散乱を含むこともある）については、Δεは、誘電率εに加算して（材料に依存する）散逸率を表す小さい虚数部である。１次摂動解析を使用して、例えば、コアに損失がなく、高屈折率および低屈折率クラッド層が同じ材料散逸率α0（ｄＢ／ｍで表すことができる）を有すると仮定して、１７層のブラッグ・ファイバの例のＴＥ01、ＴＥ02およびＥＨ11モードの損失を計算する。さらに、計算した散逸率αをα0で割り、個々のモードの吸収抑制係数に依存しない無次元の材料損失を出す。これをバンドギャップ全体で周波数ごとに実行し、その結果を図８にプロットする。図から分かるように、クラッド損はＴＥ01の帯域幅の大部分で４桁以上抑制され、これは式（６）のスケーリング則に基づいて予測できる結果である。さらに、ＴＥ01の損失は、他のモードよりはるかに小さく、単一モード態様の動作を可能にするモード・フィルタリング効果を生じる。
【００９２】
次に、ブラッグ・ファイバのカー(Kerr)非線形性について考察する。このような非線形性によって材料の指数ｎは電界強度の関数として変動する。すなわち、
【００９３】
【数２４】
2004521378.tif 000026
であり、ここで、ｎ2は材料の「非線形率係数」である。１次まで、誘電率に対する結果の摂動は
【００９４】
【数２５】
2004521378.tif 000027
として表すことができる。
【００９５】
カー非線形性により、ファイバ・システムには幾つかの問題が生じる。１つの周波数におけるエネルギーが同じ／別の周波数でβだけずれる自己／交差位相変調（ＳＰＭ／ＸＰＭ）、および１つの周波数のエネルギーが別の周波数へと漏洩する４光波混合（ＦＷＭ）である。ＳＰＭおよびＸＰＭは分散と相互作用して、分散補償方式を制限し、ＦＷＭはチャネル間にノイズ／漏話を引き起こす。本明細書での関心事は、本質的にはその効果を計算することではなく、無視できる限界を決定することである。
【００９６】
ファイバの非線形性の強さは、非線形長さスケールＬNLによって与えられ、これはＳＰＭ位相ずれΔβの逆数と定義され、これはＳＰＭおよびＸＰＭが有意になる長さスケールであり、ＦＷＭノイズのスケーリング係数としても現れる。ＬNLはモード出力Ｐに（１次まで）反比例するので、非線形強度γ≡ｌ／ＰＬNL＝Δβ／Ｐも決定することができ、これは導波路の非線形効果の強度に比例し、出力に依存しない量である。１次摂動理論を使用し、各クラッド層が同じｎ2の値を有すると仮定して、バンドギャップ全体での１７層ブラッグ・ファイバのＴＥ01モードのγを計算する。次に、これらの値γをγ0で割り、これはコアとクラッドとの両方がｎ2非線形性を有すると仮定した場合のγの計算値である。その結果の値は、無次元の非線形抑制係数を提供し、これが図１０にプロットされる。結果は、クラッドの非線形性が帯域幅の多くで８桁以上抑制されることを示す。このように、コアが大きいブラッグ・ファイバの非線形性は、シリカより１０００倍以上非線形のクラッド材料でも、クラッドではなく空気の非線形性が優勢である。気体は、シリカのほぼ１０００分の１のカー定数を有し、１７層ファイバにおけるコア面積は、典型的なシリカ・ファイバの有効面積のほぼ１０倍であるので、このブラッグ・ファイバは、従来のシリカ・ファイバのほぼ１０，０００分の１の非線形性を有する。
【００９７】
非線形性がこのように小さいと、ファイバ作用にとって劇的に新しい分野が開かれる。例えば、大きい出力、間隔が狭いチャネルおよび／またはＦＷＭに関係なく低い／ゼロ分散である。特に、ＦＷＭノイズはγ2／（Δβ2＋α2）に比例するので、チャネル間隔を非常に小さくしても（Δβがゼロに近づいても）、γがこの場合のように小さい場合は、０．０１ｄＢ／ｋｍ程度の小さい放射／吸収損αでもＦＷＭを最小にするのに十分である。
【００９８】
図８および図９の結果は、コア半径Ｒの関数としてスケーリング則に直接従う。特に、１次摂動結果は、クラッドの
【００９９】
【数２６】
2004521378.tif 000028
の部分に比例する被積分関数を含み、これは式（６）で分かるように１／Ｒ3としてスケーリングし、したがって下式が得られる。
【０１００】
【数２７】
2004521378.tif 000029
これは中空金属導波路の抵抗損のスケーリングと同じなので、よく分かっている結果である。非線形強度γのスケーリングは、同様の引数によって分かる。しかし、ここでは非線形摂動自体からの
【０１０１】
【数２８】
2004521378.tif 000030
の追加係数があり、これは式（５）からの１／Ｒ4スケーリングに対応する。その結果、非線形強度γは１／Ｒ7としてスケーリングする。他方、非線形性を加えた場合の非線形強度γ0は、通常の光ファイバの場合と同様、面積Ｒ2と逆にスケーリングする。したがって下式のようになる。
【０１０２】
【数２９】
2004521378.tif 000031
コアが大きいブラッグ・ファイバのＴＥ01モードで、クラッドの吸収および非線形性を非常に強力に抑制できるのは、この急速な１／Ｒ3および１／Ｒ5スケーリングのせいである。このスケーリング則を明示的に実証するために、図１０でＲの関数としてＴＥ01モードの吸収および非線形抑制係数をプロットし、予測したスケーリング則を重ね合わせた。空の正方形／円は計算値を示し、実線は３０ａの値から開始して、スケーリング則を適用することにより予測される値を示す。
＜屈折率対比でのスケーリング則＞
以前の計算の多くは４．６／１．６という屈折率対比を想定したが、閉じ込めが強力なままである限り、同じ品質結果が広範囲の屈折率に当てはまる。屈折率対比は、特徴的な侵入度ｄpを決定するクラッドへの場の崩壊率で明らかになり、ｄp＜＜Ｒの場合、金属導波路への類似が維持される。以下で、スケーリング則を導き出し、ブラッグ・ファイバの特性がクラッドの屈折率とともに変動する様子を予測する（ｄp＜＜Ｒとする）。
【０１０３】
特に、クラッドの二分子層ごとに、場は何らかの減衰率κ（ω，β）だけ減少する。ほぼライト・ライン上にあるモードでは、式（４）により「４分の１波長」二分子層を使用し、
【０１０４】
【数３０】
2004521378.tif 000032
を定義すると、ＴＥ／ＴＭ場のギャップ中央κは下式の通りになる。
【０１０５】
【数３１】
2004521378.tif 000033
これで、侵入度ｄpはａ／（１−κ2）に比例する。式（６）からの以前のスケーリング則を使用し、
【０１０６】
【数３２】
2004521378.tif 000034
を定義して、式（６）をさらに一般化して下式を与えることができる。
【０１０７】
【数３３】
2004521378.tif 000035
同様に、式（１２）および式（１３）をさらに一般化することができ、ここで下式
【０１０８】
【数３４】
2004521378.tif 000036
も定義する。
【０１０９】
【数３５】
2004521378.tif 000037
ＴＥまたはＴＭモードについて、任意の放射線漏洩率を達成するために必要なクラッド層の数は、それぞれｌｏｇ（１／κte）またはｌｏｇ（１／κtm）と逆にスケーリングする。したがって、ドープしたシリカ層でよくあるように、例えば、１．４５９／１．４５０という屈折率を使用する場合、図６の場合と同じＴＥ放射線漏洩率を達成するには、約２０００のクラッド層が必要である。
【０１１０】
帯域幅は、屈折率対比によっても異なる。１つは、ライト・ラインに沿ってＴＭのギャップのサイズによって制限され、これは式（４）の４分の１波長スタックでは下式の通りになる。
【０１１１】
【数３６】
2004521378.tif 000038
ここで、ω0はギャップ中央周波数である。
【０１１２】
【数３７】
2004521378.tif 000039
＜電気通信システム＞
本明細書で説明するフォトニック結晶導波路は、光電気通信システムで使用することができる。図１１は、光伝送路１１３０によって相互に結合されるソース・ノード１１００および検出ノード１１２０を含む光電気通信システム１１００の略図を示す。光伝送路は、伝送ファイバ１１３２の１つ以上のセグメント、および分散補償ファイバ１１３４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１１１０は、伝送路に沿って指向された光信号の元のソースか、または光信号を伝送路１１３０へと再指向したり、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１１１０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１１２０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、光信号を再指向したり、光学的に増幅したり、および／または電気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。また、検出器ノード１１２０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、事後補償、またはインライン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。
【０１１３】
本明細書で説明する大コアのフォトニック結晶ファイバは、小さい損失および非線形性のため、システム１１００の伝送ファイバとして使用することができる。損失が小さいので、周期的増幅の必要性が少なくなり、伝送路を長くすることができる。例えば、損失は、１ｄＢ／ｋｍ未満、または０．１ｄＢ／ｋｍ未満、さらには０．０１ｄＢ／ｋｍ未満である。さらに、ＦＷＭが減少するので、ファイバのＷＤＭチャネル間隔をさらに小さくすることができる。さらに、非線形長さがはるかに小さくなるので、分散補償ファイバ１１３４によって大量の分散を補償することができる。
＜結合の問題＞
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。
【０１１４】
結合を容易にするため、どちらかのファイバがモード結合領域を含んで、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モードと結合するため、シリカ・ファイバはモード結合領域を含み、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、屈折率断面で軸方向に多少変化する結合領域を含むフォトニック結晶ファイバでよい。
【０１１５】
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内のものとなる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】フォトニック結晶導波路ファイバ１００の断面の略図である。
【図２】ブラッグ・ファイバ導波路（左側）および中空金属導波路（右側）の断面の略図である。
【図３】平面ブラッグ・ミラー（左側）および中空金属導波路（右側）のフォトニック帯域図である。
【図４】ブラッグ・ファイバのフォトニック帯域図グラフである。
【図５】ＴＥ01（左側）およびＥＨ11（右側）場の分布のプロットである。
【図６】コアが大きく（Ｒ＝３０ａ）、１７層の中空ブラッグ・ファイバのモードの放射線漏洩グラフである。
【図７】コアが大きいブラッグ・ファイバのＴＥ01モードの群速度（波長）分散のグラフである。
【図８】コアが大きいブラッグ・ファイバのモードでクラッド材料からの吸収損のグラフである。
【図９】コアが大きいブラッグ・ファイバのＴＥ01モードのクラッド非線形抑制のグラフである。
【図１０】ブラッグ・ファイバのコア半径に対する吸収および非線形性の比例する特性を示すグラフである。
【図１１】本明細書で説明する、コアが大きいフォトニック結晶導波路ファイバを実施する光電気通信システムの略図である。
【図２】
2004521378.tif 000041
【図３】
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【図４】
2004521378.tif 000043
【図６】
2004521378.tif 000044
【図７】
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【図８】
2004521378.tif 000046
【図９】
2004521378.tif 000047
【図１０】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年9月12日(2003.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路であって、
導波路軸に沿って延在する誘電体コア領域と、
導波路軸の周囲でコアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、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備える誘電体閉じ込め領域とを備え、前記フォトニック結晶構造は、前記導波路軸の周囲でコアを囲む少なくとも２つの誘電体の交互層を備え、当該閉じ込め領域は使用中は少なくとも第１の範囲の周波数のＥＭ放射線を案内して導波路軸に沿って伝搬させ、
前記コアが、第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在する導波路。
【請求項２】
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約１０λの距離にわたって横断方向に延在する、請求項１に記載の導波路。
【請求項３】
前記コアの前記平均屈折率が、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．２より小さい、請求項１に記載の導波路。
【請求項４】
前記コアの前記平均屈折率が、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．１より小さい、請求項１に記載の導波路。
【請求項５】
前記コアが気体を含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項６】
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７】
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８】
前記第１の周波数範囲と前記中心周波数の帯域幅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９】
前記導波路の軸が直線である、請求項１に記載の導波路。
【請求項１０】
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１１】
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１２】
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１３】
前記閉じ込め領域が、前記第１の周波数範囲の周波数について、放射損が０．１ｄＢ／ｋｍ未満で少なくとも１つのモードを案内して前記導波路軸に沿って伝搬する、請求項１に記載の導波路。
【請求項１４】
前記閉じ込め領域が、前記第１の周波数範囲の周波数について、放射損が０．０１ｄＢ／ｋｍ未満で少なくとも１つのモードを案内して前記導波路軸に沿って伝搬する、請求項１３に記載の導波路。
【請求項１５】
前記モードがＴＥモードである、請求項１３に記載の導波路。
【請求項１６】
前記導波路が、前記伝搬するＥＭ放射線の平均エネルギーの少なくとも９９％が前記第１の周波数範囲の周波数では前記コア内にあるモードをサポートする、請求項１に記載の導波路。
【請求項１７】
前記モードがＴＥモードである、請求項１６に記載の導波路。
【請求項１８】
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つの誘電体を含む、請求項４９に記載の導波路。
【請求項１９】
前記高屈折率誘電体の屈折率と前記低屈折率誘電体の屈折率との比が１．１より大きい、請求項１８に記載の導波路。
【請求項２０】
前記高屈折率誘電体の屈折率と前記低屈折率誘電体の屈折率との比が１．５より大きい、請求項１９に記載の導波路。
【請求項２１】
前記高屈折率誘電体の屈折率と前記低屈折率誘電体の屈折率との比が２より大きい、請求項２０に記載の導波路。
【請求項２２】
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２３】
前記フォトニック・バンドギャップが、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、かつ任意の偏光を有するＥＭ放射線が、平面の幾何学的形状では、０°から少なくとも８０°の範囲の入射角に対して９５％より大きい反射率を有するのに十分なものある、請求項１に記載の導波路。
【請求項２４】
前記フォトニック結晶が２次元フォトニック結晶である、請求項４９に記載の導波路。
【請求項２５】
前記フォトニック結晶が１次元フォトニック結晶である、請求項４９に記載の導波路。
【請求項２６】
前記閉じ込め領域が、前記導波路軸の周囲でコアを囲む２つの誘電体の交互層を備える、請求項１８に記載の導波路。
【請求項２７】
光導波路であって、
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前記コアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電体の交互層を備える閉じ込め領域とを備え、当該交互層は前記導波路軸の周囲でコアを囲み、前記閉じ込め領域は使用中、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在し、前記交互の誘電体層のうち少なくとも幾つかの屈折率および厚さが、下記の等式
【数１】
2004521378.tif 000106
をほぼ満足し、
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、導波路。
【請求項２８】
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１に記載の導波路。
【請求項２９】
前記導波路が、前記閉じ込め領域が前記モードの放射損を前記第１の周波数範囲の周波数に対して０．１ｄＢ／ｋｍ未満に制限するのに十分な数の交互層の対を備える導波路の軸に沿って伝搬する少なくとも１つのモードをサポートする、請求項１に記載の導波路。
【請求項３０】
前記導波路が、前記閉じ込め領域が前記モードの放射損を前記第１の周波数範囲の周波数に対して０．０１ｄＢ／ｋｍ未満に制限するのに十分な数の交互層の対を備える導波路の軸に沿って伝搬する少なくとも１つのモードをサポートする、請求項１に記載の導波路。
【請求項３１】
前記低屈折率誘電体がポリマーまたはガラスを含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項３２】
前記高屈折率誘電体がゲルマニウム、テルルまたはカルコゲナイド・ガラスを含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項３３】
前記コアの直径が約８λから８０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３４】
前記コアの直径が約４λから６０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３５】
前記コアの直径が約５λから６０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３６】
前記コアの直径が約６λから４０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３７】
前記コアの直径が約８λから４０λの範囲である、請求項１に記載の導波路。
【請求項３８】
光電気通信システムであって、
光信号を生成する送信器と、
前記送信器の一端に結合され、光信号を搬送する請求項１に記載の光導波路とを備え、前記光信号が前記第１の周波数範囲の周波数であるシステム。
【請求項３９】
前記光導波路が３０ｋｍより長い距離を有する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記光導波路が２００ｋｍより長い距離を有する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４１】
前記光導波路が５００ｋｍより長い距離を有する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４２】
前記光導波路の他端に結合され、前記光信号を検出する光受信器を備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４３】
前記光導波路の他端に結合され、前記光信号を増幅する光増幅器を備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４４】
前記光導波路の他端に結合され、前記光信号を電気信号として再生する光再生器を備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４５】
前記光導波路の他端に結合され、前記光導波路によって引き起こされた分散をほぼ取り消す分散を前記光信号に導入する分散補償モジュールを備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４６】
前記光信号が、約１．２ミクロンから約１．７ミクロンの範囲の波長である、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４７】
前記光信号が、約０．７ミクロンから約０．９ミクロンの範囲の波長である、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４８】
前記送信器が様々な波長で複数の信号を生成し、様々な波長が、前記第１の周波数範囲の周波数に対応する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４９】
光導波路であって、
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前記コアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、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備える誘電体閉じ込め領域とを備え、前記閉じ込め領域は使用中、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在し、前記導波路の少なくとも第１の端部が、前記屈折率断面が導波路軸に関して連続的に変化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５０】
前記屈折率断面が、連続的に変化して作業モードの場の輪郭を変化させる、請求項４９に記載の導波路。
【請求項５１】
光導波路であって、
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前記コアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、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備える誘電体閉じ込め領域とを備え、前記閉じ込め領域は使用中、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在し、前記第１の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したシリコンの領域を更に含む、請求項１に記載の導波路。
【請求項５２】
光導波路であって、
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前記コアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、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備える誘電体閉じ込め領域とを備え、前記閉じ込め領域は使用中、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在し、前記第１の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の導波路と接触して、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備える、請求項１に記載の導波路。
【請求項５３】
光導波路であって、
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前記コアを囲む少なくとも２つの誘電体の交互層を備える誘電体閉じ込め領域であって、前記コアより大きい平均屈折率を有する誘電体閉じ込め領域とを備え、当該閉じ込め領域は使用中、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在する導波路。
【請求項５４】
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約１０λの距離にわたってコアを横断方向に延在する、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５５】
前記誘電体閉じ込め領域が、少なくとも１０％だけ異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電体を備える、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５６】
前記コアが約６λから６０λの範囲の直径を有する、請求項５３に記載の導波路。
【請求項５７】
光導波路であって、
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前記コアを囲む誘電体閉じ込め領域であって、前記導波路軸の周囲で前記コアを囲む少なくとも２つの誘電体の交互層を備えた閉じ込め領域とを備え、前記２つの誘電体は、少なくとも１０％だけ異なる屈折率を有し、使用中は前記閉じ込め領域が、少なくとも第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、
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数では約１．３より小さい平均屈折率を有し、
前記コアが、約４λから８０λの範囲の直径を有し、ここで、λは前記第１の周波数範囲の中心周波数に対応する波長であり、
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約６λの距離にわたって横断方向に延在する導波路。
【請求項５８】
前記誘電体閉じ込め領域が、前記コアから少なくとも約１０λの距離にわたって横断方向に延在する、請求項５７に記載の導波路。
【請求項５９】
前記コアが、約６λから６０λの範囲の直径を有する、請求項５７に記載の導波路。
【請求項６０】
光導波路であって、
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を囲む誘電体閉じ込め領域であって、異なる屈折率を有する誘電体の少なくとも１２対の交互層を備えた閉じ込め領域とを備え、該交互層が、少なくとも第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のに十分であり、
前記交互層の屈折率が、前記第１の周波数範囲の周波数に対して少なくとも１０％だけ異なり、
前記交互層の対の各々が、約ａと等しい厚さを有し、
前記コアが、約１０ａから１００ａの範囲の直径を有する導波路。
【請求項６１】
前記コアが、前記第１の周波数範囲の周波数に対して約１．３より小さい平均屈折率を有する、請求項６０に記載の導波路。
【請求項６２】
前記コアの直径が、約２０ａから１００ａの範囲である、請求項６０に記載の導波路。
【国際調査報告】
2004521378.tif 000107
2004521378.tif 000108
2004521378.tif 000109