JP2002521306A - フォトニクス構造体の製造方法 - Google Patents

フォトニクス構造体の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 本方法は、非等方性光学特性を有するガラス体の製造方法を提供する。プリフォーム（１０）は、引っ張り器（１８）によって線引及び細化されてロッド又はファイバ（１６）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、1998年7月30日出願の米国仮出願第60/094,609号による利益を請求
する。 本発明は、フォトニック結晶及びフォトニック結晶からなる受動素子の製造方
法に関する。特に、本方法は１つ以上の押し出し工程を含み、物体を粘性焼結す
る工程によって多孔質体若しくはチャネル化体を製造する。焼結されてチャネル
化された物体は加熱されて最終的な直径に線引きされる。
【０００２】
【従来の技術】
フォトニック結晶は、周期的に変化する誘電定数を有する構造体である。周期
構造は、一次、二次若しくは三次元構造であってもよい。フォトニック結晶は、
特定の光波長の透過を許容する一方で、それ以外の光波長の透過を妨げる。した
がって、フォトニック結晶は、結晶から排除される波長バンドを定義する許容さ
れた光波長バンド及びバンドギャップを有すると言われている。
【０００３】 現在、長距離通信での使用において注目されている波長は、約800nmから1800n
mの範囲である。特に、約1300nmから1600nmの範囲の波長バンドが注目されてい
る。 かかるバンドギャップ内の波長を有する光は、フォトニック結晶を通過するこ
とができない。一方で、かかるバンドギャップの上下のバンドの波長の光は、結
晶内を伝搬することができる。フォトニック結晶は、ブラッグ散乱方程式の解に
類似するバンドギャップのセットを呈する。バンドギャップは、誘電定数の変化
のパターン及び周期によって決定される。したがって、誘電定数の変化の周期的
な配列は、格子原子によるＸ線波長のブラッグ散乱と類似の特定波長光に対する
ブラッグ散乱としての作用を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】 フォトニック結晶の誘電率の周期変化に欠陥をもたらすことで、結晶内の伝搬
を許容若しくは許容しない光波長を変化させることが出来る。フォトニック結晶
を伝搬することはできないが、欠陥領域を伝搬することができる光は、欠陥領域
内に閉じ込められる。したがって、結晶内の点欠陥は、局所化された「光キャビ
ティ」として働き得る。フォトニック結晶内の線欠陥は、バンドギャップ内の波
長を有するモードの導波路として作用し得るのと同様に、結晶格子は、結晶の欠
陥線に導波光を閉じ込める役割を有する。バンドギャップ内の光波長に対して、
三次元フォトニック結晶の特定の線欠陥は、導波路チャネルとして作用する。か
かるフォトニック結晶の構造及び機能の論文として、ヨアンノポウラス氏（Joan
nopoulos）等による1997年3月13日のネイチャー誌第386巻第143乃至149頁の「フ
ォトニック結晶：光の新規なツイストの導入（Photonic Crystals: putting a n
ew twist on light）」がある。
【０００５】 誘電定数の変化周期がブラッグ散乱を経た光波長のオーダーであるときに、１
次オーダーのバンドギャップ現象が観測される。したがって、上記の如き、すな
わち約1300nmから1600nmの範囲の対象となる波長に対して、変化周期が約500nm
のときに１次のバンドギャップが達成される。しかしながら、フォトニック結晶
効果は、約0.1μmから５μmの範囲内の誘電率周期性を有する結晶で生じ得る。
このようなより大きな空間的周期性を有する二次元若しくは三次元フォトニック
結晶は、製造が困難である。
【０００６】 チュチンスキー（Tuchinskiy）氏の米国特許第5,774,779号において、多チャ
ネル化構造の製造方法が開示されている。複数のロッドが互いに結束されて、押
し出しによって直径が減じられる。かかる結束及び押し出しステップでは、１回
以上の既に押し出されたロッドを使用して繰り返され得る。しかしながら、単位
面積当たりのチャネル数で表されるチャネル密度がフォトニック結晶を形成する
ほどに十分に大きい線引ステップは開示されていない。
【０００７】 そこで、研究所の環境と比較して、製造環境においても反復自在、融通性が高
く且つ潜在的に応用自在である二次元若しくは三次元のフォトニック結晶を製造
する方法が必要とされる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の主たる目的は、ガラス線引技術と粉体押し出し技術を含む押し出し技
術を融合して、全てのタイプのフォトニック結晶の製造上の課題を取り扱う。線
引の術語は、ある材料の粘性体が予め選択された次元に延伸される工程を言う。
物体が切断されることなく、この粘性体を延伸されるためには、物体に与えられ
る物体の粘度及び引張力が適宜調整される。物体の粘度は、物体の温度を制御す
ることで制御することができる。
【０００９】 本発明の第１の特徴は、バンドギャップを有するフォトニック結晶の製造方法
である。少なくとも１つのガラス粉体とバインダからなる材料がダイを通して押
し出されて、互いに離間し且つ複数の開口を有する第１面及び第２面を有する物
体を形成する。各々の表面に形成された各開口は、チャネルの端部であって、こ
れらは２つの表面の間の範囲に沿って延在する。
【００１０】 本発明の結晶を製造するのに適したガラス粉体は、パイレックス（商標）及び
実質的に純粋なシリカ粉体を含む。押し出し体は、第１の温度に加熱されてバイ
ンダが取り除かれる。更に、より高い第２の温度に加熱されてガラス粉体の粒子
を粘性焼結し、焼結押し出しガラス体を形成する。この焼結ガラス体は、更に加
熱されて２面の間の範囲に沿って線引きされて、２つのチャネル間に延在するチ
ャネルの直径を減じる。線引き体は、ファイバ若しくはロッドの長軸に沿って延
伸された複数のチャネルを有するガラスロッド若しくはガラスファイバと呼ばれ
る。線引温度は、一般的に焼結温度よりも高いが、特定のガラス組成及び線引張
力の場合、線引温度は焼結温度未満であり得る。
【００１１】 押し出しの後、物体を線引き炉へ入れるのに大きすぎる場合、付加的な工程が
行われる。すなわち、２つの表面間の範囲と垂直な物体の断面積及びこのような
チャネルの束の寸法は、以下のステップ： − チャネルを柔軟材料で満たすステップと、 − １つ以上の一連の減寸ダイを通して、チャネルを通る方向に物体を通過させ
るステップと、 − 柔軟材料を除去するステップ、によって減じられる。
【００１２】 仮出願第60/068230号に記載のマイクロ結晶性ワックスの如き柔軟材料は、物
体が１つ以上の一連の減寸ダイを通過するときにチャネルを維持することを与え
る。減寸ダイは、物体の断面寸法に相応した寸法の「漏斗」型の入口と、入口に
対して少なくとも１／２倍に寸法を減少させる出口とを有する。減寸工程の後、
柔軟材料が除去される。
【００１３】 フォトニック結晶として機能するチャネル化されたガラスファイバのために、
チャネル開口部の配列は、ファイバの表面全体に周期的に分布する。長距離通信
において、この時、特定の興味ある波長に対して、最終的な線引きされたファイ
バ若しくはロッドの配列の周期は、約0.4μmから５μmの範囲である。本願明細
書において記載及び開示される新規な方法は、40μm、好ましくは５μm未満、最
も好ましくは１μm未満の周期を有する配列を形成し得る。
【００１４】 また、チャネルの誘電定数は、有益なバンドギャップを与えるためには約３倍
のチャネル壁を形成する材料の誘電定数でなければならない。例えば、チャネル
は空気で満たされるか若しくは誘電定数に必要な差を与えるために真空引きされ
得る。選択肢として、チャネルは、ガラス体の誘電定数と比較して適当な誘電定
数を有するいかなる固体若しくは流体で実質的に満たされていてもよい。
【００１５】 フォトニック結晶に要求される寸法は、使用用途次第である。結晶若しくは結
晶欠陥を通って伝搬する結晶への入射光ビームで照射される結晶の面積は、特に
重要である。例えば、ビーム面積は、ビームのモードフィールド直径によって特
徴づけられ得る。現時点における光長距離通信での最大の関心事である波長、す
なわち、約1300nmから1600nmの範囲において、モードフィールド直径は、約10μ
m未満であると予想される。したがって、結晶の側方照射の場合、周期的な形態
の長さ方向に沿って計測されるフォトニック結晶の適切な長さは、３μmから12
μmの範囲である。
【００１６】 フォトニック結晶の周期的な特徴の長さ方向と垂直な平面の面積は、約100μm 2 から1.25mm2の範囲内で選択される。より大きな断面積が本願明細書において記
載される結束技術を用いて可能である。しかしながら、結束ステップは、例えば
ロッドの如き、結束体を形成する部材中に均一な周期性を与えるのには適してい
ない。結束された部材で共通した周期性を維持することは、加熱及び線引きステ
ップの間において維持される互いの相対方位を与え得るロッドの場合においてよ
り特徴的である。例えば、正方形、矩形及び六角形のロッドは、線引ステップを
通して維持されるであろう最密充填若しくは他の予め選択されたパターンに配置
され得る。
【００１７】 領域のこのような選択は、伝搬される光波長と比較して大きく、カプラ及びス
プリッタとしての導波路パスの形で線欠陥を許容する。しかしながら、フォトニ
ック結晶若しくは欠陥を有するフォトニック結晶において、バンドギャップの算
出が実質的な範囲において無限の結晶構造に基づくとの仮定を含むと理解されな
ければならない。実際上、「無限の」寸法を有する結晶を構成することは、実験
的に保証されなければならない問題である。
【００１８】 実際問題として、ここに開示及び記載されている方法を使用して形成されるフ
ォトニック結晶の長さは、線引ガラス体からスライスカットされ得る技術のみに
よってローエンドに制限される。光学回路において必要とされる長さと比較して
、長さの潜在的な上限は非常に大きい。本方法は、合理的には、少なくとも数十
センチメートルオーダーの長さを有するフォトニックファイバ結晶を生成するも
のと思われる。
【００１９】 押し出されるガラス材料は、好ましくは約５μm未満の粒子サイズを有する。
かかるサイズは、真っ直ぐに粒子を押し出し且つ任意的に減じて粒子を押し出す
ための実際的な上限である10粒子径未満のチャネルの押し出し壁厚さを許容する
と共に、押し出し材料に良好な結合を与える。しかしながら、粘性焼結の後にサ
イズ減少の大きい部分で行われる場合には、より大きな粒子サイズを使用するこ
とが出来る。なぜなら焼結ステップの間に粒子が同一性を失うからである。
【００２０】 押し出しダイは、押し出しステップの間にローカル欠陥若しくは線欠陥を細長
体に与えるのに使用できる。故に、キャビティ共振器、導波路若しくは複数の導
波路は、押し出しステップで形成され得る。押し出し体の整合性が押し出しステ
ップの間で維持されなければならないと理解されるだろう。したがって、フォト
ニック結晶の表面全体に亘るボイドタイプの欠陥の場合、最外環状層、すなわち
クラッド層は、線引ステップの間で維持されなければならない。線引工程の後、
押し出し体の整合性を維持するために与えられている層が公知の機械的若しくは
化学的手段によって除去され得る。かかる層が信号光に対して透明な場合、線引
後、その場所に残存していてもよい。
【００２１】 選択肢として、ローカル欠陥若しくは線欠陥は、機械的若しくは化学的手段を
用いて壁構造の部分を除去する線引の前に、押し出し体中に形成され得る。選択
肢として、欠陥はチャネルを嵌入若しくは埋め戻すことによって形成され得る。
減寸ダイ押し出しが使用される場合、埋め込みは、かかるステップの前若しくは
後になされ得る。
【００２２】 特に有益なフォトニック結晶素子は、２本の互いに交差する導波路パスを有す
るものである。線欠陥、すなわち結晶中の導波路に沿って伝搬する光がバンドギ
ャップ内にあるように結晶周期性が選択される。したがって、２本の導波路パス
の直角交差であっても、伝搬する光は、実質的な損失を有さずに直角に曲がるで
あろう。唯一起こり得る損失は、光入力ポートによる後方散乱である。ここで再
び、光が実質的に損失を有さずに曲がるという記載は、結晶範囲の無限性を暗黙
に含んでいることに注意すべきである。
【００２３】 本方法は、また、導波路の長軸に沿って延在し且つ導波路の端部で終わる特定
の予め選択されたチャネルパターンを有する光導波路ファイバの製造にも適する
。他のチャネルパターンも有益であることが理解されるだろう。例えば、長軸に
沿ったチャネルは断続的であっても良く、周期構造の代わりにランダムに分布し
ても、若しくは導波路長の僅かなセグメントのみに亘って延在していても良い。
また、周期的若しくはランダムパターンを有する長軸を交差させたチャネルは、
光導波路通信システムに有益な特定の伝播特性を生じると判るであろう。長軸を
交差させたチャネルを製造する方法は、線引と同時若しくは線引後に行われる穴
あけステップを含む。
【００２４】 研究に値する典型的な構成は、導波路ファイバの中心部分が固体ガラスのもの
である。導波路の中心部分は、導波路のクラッドを実質的に形成するチャネル化
構造体に接し且つこれに包囲されている。このような構造は、非常に広い波長範
囲に亘って、シングルモードを伝搬する導波路ファイバを与えることがわかった
。例えば、1997年のオプティカル・レタース第22巻第13号第961頁のバークス氏
（Birks）等による「永久シングルモードフォトニック結晶ファイバ（Endlessly
Single Mode Photonic Crystal Fibers）」を参照されたい。チャネル数が変化
し、周期が変化し若しくは複数のチャネルサイズが使用されると、このような導
波路特性の変化が予測される。後者の場合、チャネルの少なくとも２つのサイズ
が使用され得て、各々のサイズは選択された周期性パターンに適合する。ペース
ト若しくはプラスチック材料の押し出しのためのダイの製造技術は公知である。
サイズ及び周期性の組合せのいずれであっても、線欠陥、キャビティ欠陥若しく
は多孔質クラッドに対して必要とされるダイは、公知である。したがって、ここ
ではダイについてこれ以上詳述しない。
【００２５】 この種の複数のチャネルサイズのフォトニック結晶構造と関連するバンドギャ
ップの議論において、例えば、1996年9月30日のフィジカル・レビュー・レター
ズ第77巻第14号第2949頁乃至第2952頁のアンダーソン（Anderson）氏等による「
より大なる二次元フォトニックバンドギャップ（Larger Two Dimensional Photo
nic Band Gaps）」を参照のこと。かかる引用例において、バンドギャップを有
し、異なるチャネルサイズの数が２つである構造の例が記載されている。
【００２６】 本方法の他の潜在的に役立つ実施例は、より小さい寸法のチャネルの周期配列
に囲まれた中心チャネルを含む光導波路ファイバである。この種の構成のための
バンドギャップの存在は、理論的には存在するが、実験によっては見出されなか
った。上記した如く、ダイ技術は、後の寸法の減少、粘性焼結および導波路ファ
イバを形成する線引のためのこの種の押し出し体の形成方法にある。
【００２７】 本発明の第２の特徴において、本方法は第１の特徴にて説明したように、複数
のガラスロッド若しくはチューブを形成するために使用されても良い。より小さ
い直径のロッド若しくはファイバにガラスロッドを加熱・線引きするステップに
先だって、少なくとも２本のロッドが１単位として結束・線引きされ得る。この
単位は、単一のステップ若しくは目標サイズが達されるまで線引・再結束ステッ
プが繰り返されて線引きされ得る。最終的に生じる細長体は、「多結晶」体、す
なわち同じ周期性を有するが、この周期性が１つのフォトニック結晶から隣へは
維持されずに配向したフォトニック結晶クラスター、若しくは、複数の周期性、
すなわち複数の透過バンドとバンドギャップを有するフォトニック結晶のクラス
ターであり得る。
【００２８】 上述の如く、かかる結束方法及び結束されたロッドの形によると、本結束方法
は、多結晶体若しくはフォトニック結晶のクラスタからなる物体のいずれかのタ
イプを生じ得る。 本発明の更なる特徴は、ここに記載及び開示される方法を使用して製造され得
るフォトニック結晶である。
【００２９】 更に、本発明の別の特徴は、異なる誘電定数を有し、一つ以上の適当なバイン
ダで混合された少なくとも２種類のガラス粉体が同時に押し出されて、物体の一
端から他端まで延在するガラス／バインダタイプのフィラメントの周期配列を有
する細長体を形成し、他のガラス／バインダタイプからなる壁によって互いに分
割されたフォトニック結晶の製造方法である。従来技術において、壁を形成して
いるガラス製バインダは、しばしばマトリックスガラスと称する。少なくとも２
つのガラスタイプを含む結晶体を作る代替方式は、最初の押し出しにおいて形成
されるチャネルを埋め戻すか若しくは詰め込むステップを含む。最初の押し出し
ステップによって、本発明の第１の特徴にて説明したようなステップを実質的に
使用させ得る。
【００３０】
【発明の実施の形態】
フォトニック結晶技術は、まだ急速な発展段階であって、基本的な形状、特性
及び二次元又は三次元結晶の使用がテストされている段階である。 押し出しプロセスは、多種多様なフォトニック結晶の製造に非常に適している
。理由は、以下である： − 押し出し技術は、広範囲の材料及び形状に押し出しを行うために利用できる
という点において成熟している。 − 非常に小さい壁厚さ、高度な開口正面領域及び高いチャネル（セル）密度（
単位断面積あたりのチャネル（セル）数で計測される）を有する周期構造を形成
することができる。 − 例えば、被覆ダイ及びミキサー手段によって汚染を防止することができる故
、押し出し構造体の純度が初期材料の純度だけによって制限される。 − バインダと混合されたアモルファスシリカ粉体の如き材料がガラス初期材料
として互換性を有する。 − 減寸押し出し手段によって、初期若しくは押し出しステップで形成された物
体の断面積を変化させることで容易に広範囲にわたるチャネル密度を得ることが
出来る。
【００３１】 押し出し工程は、他において文献化されている故、本願明細書においては詳細
には記載しない。本願明細書で記載された本発明において使用される押し出し方
法と装置は、例えば、バグリー（Bagley）氏による米国特許第3,790,654号、及
びカニングハム（Cunningham）氏等による米国特許第4,902,216号において開示
されており、これらを引用することで本願明細書はこれらを包含しているものと
する。この技術は、同時に何万ものチャネルを押し出すことができる。
【００３２】 シリカ粉末やパイレックス（商標）の如き典型材料を最初に押し出してダイを
通過させると、１cm2あたり約62本のチャネル密度が形成された。続いて、漏斗
状の減寸ダイによって、かかる押し出し体を通過させると、１cm2あたり約6200
本のチャネル密度を生じ得る。さらに高いチャネル密度は、粘性焼結押し出し基
板を加熱線引きすることによって達成される。
【００３３】 図９に記載の減寸ダイ本体78は、押し出し体72が導入される入力漏斗74ととも
に示されている。図示されない押し出し体への前方方向への力の負荷機構によっ
て、押し出し体を減少断面76へと通過させて、減寸体80を押し出す。 減寸押し出しの後、均一な壁厚さとみなして、チャネル中心間の最小間隔は、
30μmのオーダーである。これは最小限のウェブ厚さが約10粒子径であるという
要求によってセットされる制限である。この壁厚さは、また、加熱及び線引きに
続く押出し成形によって達成されると理解される。すなわち、減寸ステップは任
意であって、典型的には、線引き炉の寸法が制限因子となる。
【００３４】 フォトニック結晶の特定の応用のための特徴的な間隔を得るために、スペクト
ルの近赤外線部分において、約λ/3若しくは0.5μmの間隔が要求される。しかし
ながら、この間隔の特徴は、サブミクロンレベルよりも大きく、数ミクロンオー
ダーにもなり得て、有益なフォトニック結晶構造を更に生じることができる。い
ずれにせよ、押し出し工程は、フォトニック結晶構造体を形成するために使用し
得る。構造体が押し出された後に、任意には、減寸ダイに物体を通過させて更に
減寸し、かかる後の物体は、バインダを取り除くために加熱されて、そして、加
熱・線引きされた物体を形成するように粘性焼結され、更に物体の厚さ寸法を減
じて、１０分の１オーダーの所望のピッチと光学的にアクティブな構造を達成す
る。
【００３５】 線引の組み合わせと共に、押し出し技術の組合せは、フォトニック結晶を製造
するための特徴的で用途の広いプロセスを提供する。形状の寸法精度を維持する
と共に、押し出し工程は、広範囲にわたる断面形状を提供する。押し出しの寸法
精度を上回る線引工程の寸法精度は、これらの２つの工程の組合せをフォトニッ
ク結晶製造の強力なツールとする。
【００３６】 周期配列は、いくつもの種類のチャネルを含む必要はない。例えば、押し出し
工程、例えば埋め戻し若しくは共押し出し工程によって、一つ以上の初期材料を
使用することができて、ある材料の周期構造を他の材料のマトリックス内に埋め
込むことができるのである。すなわち、フォトニック結晶は、固体材料の誘電定
数の周期変化を呈する固体のガラス体である。
【００３７】 図１に示される粘性焼結若しくは押し出し成形体は、正方形のチャネルの周期
配列である。かかる物体は、バインダにシリカ粉末の押し出し体から作られる。
押し出し体は、バインダを取り除くために加熱される。その後、物体は、粘性焼
結するために加熱される。配列の規則性に注目されたい。フォトニック結晶に選
択される最終的な構成によって、押出し線引き体のチャネル８及び壁（ウェブ）
６のいずれかが結晶の周期的な特徴として機能する。
【００３８】 線引工程の概略図は、図２Ａに示される。必要な場合、押し出し減寸粘性焼結
体10は、炉12の中に吊り下げられる。炉内にガラス体を与える手段を含む吊り下
げ手段は図示されていないが、公知技術である。コイル14は、炉12の発熱体を表
す。炉の一端部近傍の加熱ゾーンの局在化は、把持手段18によって焼結体10から
線引される連続且つ均一なガラスロッド若しくはファイバ16を許容するように、
炉内に温度分布を与える。線引きされたロッド若しくはファイバ16を中継するタ
イプを含む他の把持手段は公知である。押出し成形されて減寸される物体10は、
線引ステップの間に粘性焼結され得る。非焼結体の引っ張り強度は、線引張力を
サポートするのに十分である。上記の如く、押し出し体若しくは押出し成形焼結
体が小さな直径を有する場合、減寸ステップを省くことができ、押し出しステッ
プのすぐ後に線引が開始される。必要な寸法は、実質的に、大部分の線引き炉と
互換性を持つサイズである約５cmよりも大きくない直径を有するプリフォームに
押し出され得る。
【００３９】 本発明の他の実施例において、線引方法は２段階のステップで実施される。粘
性焼結体は、最初に外層クラッドであるロッド若しくはファイバに線引きされて
、ファイバに線引きされる、かかるファイバは、典型的には、100ミクロンオー
ダーのクラッド直径及び10ミクロンのフォトニック結晶コア直径を有する。この
ステップは、非常に高いチャネル密度を有する構造を得るためには有益であろう
。
【００４０】 図２Ｂに示される断面図は、押し出しチャネル体、押出し成形されて減寸され
たチャネル体若しくは押出し成形されて減寸されて線引されたチャネル体を表す
。チャネルは、ガラス20に形成された周期配列22として示されている。 図２Ｂの構造において、周期配列22はガラスフィラメント端部の配列であると
理解される。ここでガラス配列22の誘電定数は、ガラスマトリックス20の誘電定
数とは異なる。したがって、チャネルを有する物体を記載する際において、同時
に出願人は、誘電定数差の周期配列を形成するように他方に埋め込まれた第１及
び第２のガラスからなる物体を記載している。
【００４１】 本発明の重要な特徴の１つは、断面形状が減寸されるステップにおいても押し
出された形状を実質的に保存し得ることである。 図２Ｃの面28で示す予め選択された周期性を有するフォトニック結晶及びより
大きい面領域を生じるために、図２Ｃの26で示される複数の押出し成形体若しく
は押し出して減寸されたチャネル体は、線引を補助するような、例えば外周チュ
ーブ24を使用して結束されて、１単位として線引きされる。選択肢として、異な
る周期性を有するチャネル化された物体が図２Ｃに示すように結束されて、１単
位として線引きされ得る。これによって、異なるバンドパス及びバンドギャップ
波長を有する一組のフォトニック結晶を形成する。線引きの単位は、はさまれた
いくつかの周期性を有し、異なる結晶構造を有するか若しくは不規則に配列され
た結晶からなり得る。いくつかのチャネル化された物体は、ランダム化するため
に故意に実行される周期性を有し得る。このフィールドデータの要求は、本願明
細書において記載されて開示された工程の組合せの多様性に適する。
【００４２】 図３は、通過バンド及びバンドギャップ波長の範囲の相対的な大きさを示して
いる。光の周波数（相対的単位）は、Ｘ軸上の光波長ベクトル（相対的単位）に
対してＹ軸にプロットされている。第１、第２及び第３のバンドギャップ30、32
及び34は、それぞれ点線内で周期的に示される。許容若しくは伝搬できる周波数
帯は、各々のギャップの上下にある。
【００４３】 本願明細書において記載されている方法を使用して製造されるフォトニック結
晶の実施例が図４に示される。押し出しステップ、及びこれに続く押し出し体の
焼結及び線引は、マトリックスガラス36を通って延在するチャネル38の周期配列
を有する細長いロッド若しくはファイバ40を形成する。 開示された方法を使用して製造されるフォトニック結晶の他の実施例は、図５
において例示される。ここで、チャネルの周期パターンは、２つの交差線欠陥44
及び46を含むように変化する。交差線欠陥が結晶のバンドギャップの波長を有す
る光に対して導波路パスとなるように線欠陥の幅が選択される。全く過剰損失を
生じることなしに鋭い曲げであっても、フォトニック結晶は光を導波する。矢印
48及び50は、光の進行方向を示す。導波路パスは、第１の押出し成形ステップに
おいて結晶内に形成され、加熱及び線引ステップにおいても維持される。本実施
例における光学経路方向は、フォトニック結晶の中央線に関して非ゼロの角度で
あって、故に、フォトニック結晶ロッド若しくはファイバの側部から光が入出す
ることに注目されたい。
【００４４】 フォトニック結晶クラッド層を有する導波路は、図６に図示される。固体ガラ
スコア56は、フォトニック結晶52によって包囲されている。円54は、材料の位置
若しくは誘電定数の周期配列を形成するチャネルを示す。本願明細書において記
載される新規な方法によって容易に製造することのできる導波路構造は、シング
ルモードを伝搬する導波路に亘って波長の非常に広い範囲を提供することがわか
った（上記引用例を参照のこと）。
【００４５】 重要であると考慮された導波路構造は、図７に図示される。この場合、コア領
域58は、フォトニック結晶マトリックスガラス62の中空円筒である。上述のよう
に、円60は、ガラス62において埋め込まれる周期的な誘電定数の配列を表す。円
60は、導波路長に沿って延在するチャネル若しくはガラスフィラメントを表す。 新規な方法の他の実施例として、図８は、マトリックスガラス70に埋め込まれ
る周期的形態66及び64の２つの組を示す。円及び点の組は、周期配列のそれぞれ
の典型である。かかる形態のサイズ若しくは周期性は、特定のバンドギャップを
与えるように選択され得る。ここで再び、押し出し技術は、かかる種の重なり合
い若しくは織り交ぜ構造を形成することに非常に適している。
【００４６】 本発明の多様な実施例が上に開示されて、記載されてきたにもかかわらず、本
発明は特許請求の範囲だけに制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】粘性焼結押し出し体の図である。
【図２Ａ】線引き炉内における粘性焼結押し出し体の図である。
【図２Ｂ】押し出し体若しくは線引き体の断面図である。
【図２Ｃ】線引前の押し出し体の束の図である。
【図３】フォトニック結晶の通過バンド及びバンドギャップを示すチャート図で
ある。
【図４】周期的な特徴を示す押し出し若しくは線引きされたフォトニック結晶の
長軸方向に対する横断面図である。
【図５】導波路パスを有する２次元フォトニック結晶の図である。
【図６】固体ガラスコア及びフォトニック結晶クラッドを有する導波路ファイバ
の図である。
【図７】より小さい開口部若しくはフィラメントからなるフォトニック結晶に包
囲されている大きい中央経路を有する導波路ファイバの図である。
【図８】第２のチャネルサイズを有する第２の周期構造体を埋め込んだ第１のチ
ャネルサイズを有する第１の周期構造を与えるために重畳される異なるサイズの
チャネルの図である。
【図９】減寸ダイの図である。
【符号の説明】
6 仕切壁 8 チャネル 10 押し出し減寸粘性焼結体 12 炉 14 コイル 16 ファイバ 20 ガラスマトリックス 22 ガラス配列 24 チューブ 26 チャネル体 30、32、34 バンドギャップ 72 押し出し体 74 入力漏斗 76 減少断面 78 減寸ダイ本体 80 減寸体
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年８月２日（２０００．８．２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２８
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＷ (72)発明者 ウスィリカ ラヤ アール． アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14870 ペインテッドポスト ウエストヒルテラ ス 101 Ｆターム(参考） 2H050 AB01Z AC01 AC64 AC71 4G021 HA00

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 a) 少なくとも１つのガラス粉体とバインダからなる材料をダイ
    を通して押出し成形し、第２の表面から離間した第１の表面を有する物体を形成
    する押し出しステップと、 b) 前記物体を加熱して、バインダを取り除くとともにガラス体を形成する
    ガラス粉体粘性焼結を行う加熱ステップと、 c) 前記ガラス体からガラスファイバ若しくはロッドを線引きする線引ステ
    ップと、からなる予め選択された波長バンドを伝搬するバンドギャップを有する
    フォトニック結晶の製造方法であって、 前記表面の各々は面積を有しており、複数のチャネルが前記第１の表面から前
    記第２の表面まで延在して前記表面の各々に開口を形成し、前記チャネルは断面
    を有する仕切壁によって互いに分割されて、前記壁の横断面は前記表面の各々に
    おいて互いの開口の配列を分割していることを特徴とするフォトニック結晶の製
    造方法。 【請求項２】 前記押し出しステップは、a) 前記物体のチャネルの周期配列及
    び前記表面の各々にチャネルの開口を形成するステップを含むことを特徴とする
    請求項１記載の方法。 【請求項３】 前記開口の配列の周期は、0.4μmから5.0μmの範囲であることを
    特徴とする請求項２記載の方法。 【請求項４】 前記チャネルを脱気するステップ若しくは前記ガラスファイバ又
    はロッドにおける前記チャネルを液体で充填するステップを更に含み、脱気され
    たチャネルは第１の誘電定数を有し、液体充填されたチャネルは第２の誘電定数
    を有し、及び前記壁は第３の誘電定数を有し、前記第１及び第２の表面に亘って
    及びグラスファイバ又はロッドの交差する前記第１及び第２の表面間に位置する
    前記グラスファイバ又はロッドのすべての面領域に亘って誘電定数の周期的な変
    化を与えることを特徴とする請求項３記載の方法。 【請求項５】 ガラス粉体の粘性焼結体の誘電定数は、前記脱気されたチャネル
    若しくは液体充填されたチャネルの誘電定数よりも少なくとも３倍大きいことを
    特徴とする請求項４記載の方法。 【請求項６】 前記線引ステップc)に先だって、前記ガラス体を加熱して粘性を
    減じるステップを更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項７】 ステップc)の後に、前記ロッド若しくはファイバをガラス形成材
    料でオーバークラッディングするステップと、 オーバークラッドロッド若しくはファイバを形成するために前記材料を粘性焼
    結するステップと、 線引によって前記オーバークラッドロッド若しくはファイバの直径を減じるス
    テップと、 を更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項８】 ステップa)の後に、 − 柔軟材料で前記複数のチャネルを充填するステップと、 − 前記第１及び第２の表面間の軸と平行方向に、少なくとも１つの減寸ダイを
    通して、前記第１及び第２の表面の面積及び前記表面間の前記物体のすべての横
    断面の面積を減じる前記物体を押し出すステップと、 − 前記複数のチャネルから前記柔軟材料を除去するステップと、を更に含むこ
    とを特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項９】 前記柔軟材料は、柔軟なマイクロ結晶ワックスからなることを特
    徴とする請求項８記載の方法。 【請求項１０】 ステップc)の後で、端部表面の面積が約100μm2から1.25mm2の
    範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項１１】 前記ガラス粉体の平均粒子サイズは約５μmであって、好まし
    くは、サイズは約１μmであることを特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項１２】 ステップa)は、ダイを通して前記材料を押し出して前記チャネ
    ルの周期配列に少なくとも１つの線欠陥を与えるステップを含むことを特徴とす
    る請求項１記載の方法。 【請求項１３】 ステップa)は、ダイを通して前記材料を押し出して前記チャネ
    ルの周期配列に少なくとも１つのキャビティ欠陥を与えるステップを含むことを
    特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項１４】 ステップa)は、前記材料の一定量を与えるダイを通して前記材
    料を押し出すステップを含み、前記第１の表面の中央に位置する領域から始まっ
    て、前記第２の表面の対応する領域へ前記物体に沿って延在する開口の無いこと
    を特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項１５】 ステップa)は、前記チャネルを与えるダイを通して前記材料を
    押し出すステップを含み、前記チャネルは、前記第１の表面の中央に位置する領
    域から始まり前記第２の表面の中央に位置する領域まで前記物体に沿って延在し
    、中央に位置するチャネルは、前記中央に位置するチャネルを包囲するチャネル
    の断面よりも大きな断面を有し、より大なるチャネルは仕切壁によって、包囲す
    るチャネルから分離されていることを特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項１７】 ステップa)は、Ｎを整数として、Ｎサイズのうちの１つの断面
    積を有する複数のチャネルを与えるようにダイを通して前記材料を押し出すステ
    ップを含み、前記複数のチャネルがチャネルの第Ｎグループを形成し、グループ
    の各々のチャネルは同じサイズの断面を有し、第Ｎグループのチャネルの各々は
    、第Ｎ周期配列のうちの１つの各端部ごとに周期的に配列されることを特徴とす
    る請求項１記載の方法。 【請求項１８】 Ｎ＝２であって且つ異なる２つの周期配列を有することを特徴
    とする請求項１７記載の方法。 【請求項１９】 a) 少なくとも１つのガラス粉体とバインダからなる材料をダ
    イを通して押出し成形し、第２の表面から離間した第１の表面を有する物体を形
    成する押し出しステップと、 b) 前記物体を加熱してバインダを取り除き、ガラス体を形成するガラス粉
    体粘性焼結する加熱ステップと、 c) 前記ガラス体からガラスファイバ若しくはロッドを線引きする線引ステ
    ップと、 d) ステップa)からステップc)を繰り返して複数のガラスファイバ若しくは
    ロッドを形成するステップと、 e) 前記ガラスファイバ若しくはロッドの軸に沿って並べて登録した少なく
    とも２つのガラスファイバ若しくはロッドを保持する手段を用いてガラスファイ
    バ若しくはロッドのうちの少なくとも２本を結束するステップと、 f) 結束された前記ガラスファイバ若しくはロッドからガラスファイバ若し
    くはロッドを線引きするステップと、からなる予め選択された波長バンドを伝搬
    し且つバンドギャップを有するフォトニック結晶の製造方法であって、 前記表面の各々は面積を有しており、複数のチャネルは前記第１の表面から前
    記第２の表面まで延在して前記表面の各々に開口を形成し、前記チャネルは断面
    を有する仕切壁によって互いに分割されて、前記壁の横断面は前記表面の各々に
    おいて互いの開口の配列を分割していることを特徴とするフォトニック結晶の製
    造方法。 【請求項２０】 前記押し出しステップa)は、前記物体のチャネルの周期配列及
    び前記各々の表面のチャネルの開口を形成するステップ、を含むことを特徴とす
    る請求項１９記載の方法。 【請求項２１】 開口の配列周期は、0.4μmから5.0μmの範囲であることを特徴
    とする請求項２０記載の方法。 【請求項２２】 前記チャネルを脱気するステップ若しくは前記ガラスファイバ
    又はロッドの前記チャネルを液体で充填するステップを更に含み、脱気されたチ
    ャネルは第１の誘電定数を有し、液体充填されたチャネルは第２の誘電定数を有
    し、及び前記壁は第３の誘電定数を有し、第１及び第２の表面に亘って及びガラ
    スファイバ若しくはロッドの交差する前記第１及び第２の表面間に位置する前記
    ガラスファイバ又はロッドのすべての面領域に亘って誘電定数の周期的な変化を
    与えることを特徴とする請求項２１記載の方法。 【請求項２３】 ガラス粉体の粘性焼結体の誘電定数は、前記脱気されたチャネ
    ル若しくは液体充填されたチャネルの誘電定数よりも少なくとも３倍大きいこと
    を特徴とする請求項２２記載の方法。 【請求項２４】 前記線引ステップc)に先だって、前記ガラス体を加熱して粘性
    を減じるステップを更に含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。 【請求項２５】 ステップc)の後に、 前記ロッド若しくはファイバをガラス形成材料でオーバークラッディングす
    るステップと、 前記材料を粘性焼結させてオーバークラッドロッド若しくはファイバを形成
    するステップと、 線引によって前記オーバークラッドロッド若しくはファイバの直径を減じる
    ステップと、を更に含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。 【請求項２６】 ステップa)の後に − 柔軟材料で前記複数のチャネルを充填するステップと、 − 前記第１及び第２の表面間の軸と平行方向に少なくとも１つの減寸ダイを通
    して、前記第１及び第２の表面の面積及び前記表面間の前記物体のすべての横断
    面の面積を減じる前記物体を押し出すステップと、 − 前記複数のチャネルから前記柔軟材料を除去するステップと、を更に含むこ
    とを特徴とする請求項１９記載の方法。 【請求項２７】 前記柔軟材料は、柔軟なマイクロ結晶ワックスからなることを
    特徴とする請求項２６記載の方法。 【請求項２８】 請求項１記載の方法を使用して製造されるバンドギャップを有
    するフォトニック結晶。 【請求項２９】 請求項１２記載の方法を使用して製造されるバンドギャップ及
    び周期配列に少なくとも１つの線欠陥を有するフォトニック結晶からなる受動光
    学素子。 【請求項３０】 請求項１３記載の方法を使用するバンドギャップ及び周期配列
    に少なくとも１つのキャビティ欠陥を有するフォトニック結晶からなる受動光学
    素子。 【請求項３１】 請求項１４記載の方法を使用して製造される光導波路ファイバ
    。 【請求項３２】 請求項１５記載の方法を使用して製造される光導波路ファイバ
    。 【請求項３３】 a) 第１のガラス粉体及びバインダと、第２のガラス粉体及び
    バインダとからなる材料をダイを通して押出し成形して第２の表面から離間した
    第１の表面を有する物体を形成する押し出しステップと、 b) 前記物体を加熱してバインダを取り除き、ガラス体を形成する前記第１
    及び第２のガラス粉体を粘性焼結する加熱ステップと、 c) ガラス体からガラスファイバ若しくはロッドを線引きする線引ステップ
    と、からなる予め選択された波長バンドを伝搬し且つバンドギャップを有するフ
    ォトニック結晶の製造方法であって、 前記表面の各々は面積を有し、第１のガラス粉体及びバインダからなる複数の
    連続するフィラメントが前記第１の表面から前記第２の表面まで延在し、前記フ
    ィラメントの各々は前記第２のガラス粉体及びバインダからなる壁によって互い
    に分割されており、各々の前記表面領域は、第２のガラス粉体及びバインダから
    なる仕切壁断面によって互いに分割された第１のガラス粉体及びバインダからな
    るフィラメント端部からなることを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。 【請求項３４】 前記押し出しステップa)は、前記各々の表面の前記物体及びフ
    ィラメント端部にフィラメントの周期配列を形成することを特徴とする請求項３
    ３記載の方法。 【請求項３５】 前記フィラメントの周期配列は、0.4μmから5.0μmの範囲であ
    ることを特徴とする請求項３４記載の方法。 【請求項３６】 前記フィラメント及びフィラメント端部は第１の誘電定数を有
    し、前記壁及び壁端部は第２の誘電定数を有し、前記第１及び第２の表面に亘っ
    て及び前記ガラスファイバ若しくはロッドの交差する前記第１及び第２の表面間
    に位置する前記ガラスファイバ又はロッドのすべての面領域に亘って誘電定数の
    周期的な変化を与えることを特徴とする請求項３５記載の方法。 【請求項３７】 前記第１のガラス粉体の粘性焼結体の誘電定数は、前記第２の
    ガラス粉体の粘性焼結体の誘電定数よりも少なくとも３倍大きいことを特徴とす
    る請求項３６記載の方法。 【請求項３８】 前記線引ステップc)に先だって、前記ガラス体を加熱して粘性
    を減じるステップを更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項３９】 ステップc)の後に、前記ロッド若しくはファイバをガラス形成
    材料でオーバークラッディングするステップと、 前記材料を粘性焼結してオーバークラッドロッド若しくはファイバを形成する
    ステップと、 線引によって前記オーバークラッドロッド若しくはファイバの直径を減じるス
    テップと、 を更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。 【請求項４０】 前記第１及び第２のガラス粉体の平均粒子サイズは約５μmで
    あって、好ましくは、サイズは約１μmであることを特徴とする請求項３３記載
    の方法。 【請求項４１】 ステップa)の後に、前記第１及び第２の表面間の軸と平行方向
    に、少なくとも１つの減寸ダイを通して、前記第１及び第２の表面の面積及び前
    記表面間の前記物体のすべての横断面の面積を減じる前記物体を押し出すステッ
    プをさらに含むことを特徴とする請求項３３記載の方法。
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