JP2002543449A

JP2002543449A - 全誘電性同軸導波管

Info

Publication number: JP2002543449A
Application number: JP2000614071A
Authority: JP
Inventors: ジョンディージョアンノポーロス; ヨエルフィンク; ミハイイバンシュ; エドウィンエルトーマス
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2002-12-17
Also published as: EP1188078A1; WO2000065386A1; CA2367821A1; WO2000065386A9; US6573813B1

Abstract

(57)【要約】誘電性コア領域（１０１）と、誘電性材料から成り前記コア領域（１０１）の周囲に設けられ電磁放射を閉じ込める環体（１０６）と、前記環体（１０６）の周囲に設けられ屈折率が交互に設定された円筒形同軸誘電性シェルで構成される外側領域（１０８）と、を含む全誘電性同軸導波管（１００）。コア領域（１０１）と外側領域（１０８）は、環体（１０６）の屈折率より高い平均屈折率を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、導波の分野に関し、より詳細には全誘電性同軸導波管に関する。

【０００２】（背景技術）本願は、１９９９年４月２３日出願の米国仮出願第６０／１３０，６８１号に
基づき優先権を主張する。

【０００３】導波管は、現代の光電子工学及び電気通信での基礎である。現在、２つの異な
る電磁スペクトル管理様式（regime）、例えば光と無線においては、互いにきわ
めて異なる２つの主要なタイプの導波管（金属性及び誘電性）が用いられている
。無線周波数の場合、最もよく知られているのは金属性同軸ケーブルである。

【０００４】誘電性絶縁体及び外側導電シェルに単一の導電ワイヤを封入することにより、
同軸ケーブルと呼ばれる、電気的に遮蔽された伝送回路が得られる。同軸ケーブ
ルにおいては、電磁界は誘電性絶縁体内部を伝搬し、一方、関連する電流は内側
及び外側の導電体の隣接表面に限定されて流れる。この結果、同軸ケーブルは、
放射損失が極めて低く、また外部干渉に対する感受率も低い。同軸ケーブルは、
もともと通信用に開発され、現在では広帯域のオーディオ及びビデオ信号、なら
びにコンピュータネットワークにおけるデータ伝送に用いられている。

【０００５】同軸ケーブル構造におけるマックスウェルの方程式の解は、一般に、横電界（
ＴＥ）モードと横磁界（ＴＭ）モード、ならびに横電磁（ＴＥＭ）波と呼ばれる
特別な形をサポートする。この解においては、電界及び磁界のいずれもが伝搬ベ
クトルｋに対して横断方向にある。

【数１】電界の横成分（transverse component）は次式を満たし、

【数２】磁界は次式により与えられる。

【数３】この結果、軸方向の波数（axial wave number）は、無限中間値（infinite medi
um value）を有し、

【数４】すべてのｋの値が真（real）であるため、遮断（カットオフ）値が存在しないこ
とを意味する。

【０００６】ＴＥＭモードは、電界分布において径方向の対称性を有し、周波数と波動ベク
トルのあいだに線形の関係がある点が特異である。これにより、ＴＥＭモードに
は２つの例外的特性が与えられる。まず、径方向の対称性により、界が導波管を
通過後に、界の偏向が回転する可能性を懸念する必要がない。さらに、前述の線
形関係により、異なる周波数のパルスが導波管に沿って伝搬する際にその形状を
維持することが保証される。同軸金属導波管の致命的な欠点は、金属における吸
収損失が大きいために、光波長においては役立たないことである。このため、光
の導波には、誘電性材料が限定的に使用されている。しかしながら、金属表面と
誘電体表面とにおける電磁界の境界条件に差があるために、全誘電性材料でＴＥ
Ｍに似たモードを再形成することはこれまで不可能であった。

【０００７】この結果、光の導波は、シリカ及びカルコゲニド光ファイバを例とする、従来
からの屈折率ガイド（index-guiding）すなわち全反射メカニズムを用いて行わ
れている。このような誘電性導波管により、きわめて低い損失が可能になる。光
ファイバは、多くの点で申し分なく優れていることが証明されてはいるが、それ
でも次の２つの基本的な問題を有する。第１に、ファイバの基本モードは、２つ
のＰに似た対称性（two-fold p-like symmetry）を備えた電界を有するため、フ
ァイバの一端に入射する光の偏向と、他端から出射する光の偏向とは一般に、完
全に異なる。これは、ファイバを偏向依存性の装置と組合わせた際に深刻な問題
である。さらに、導波管は全反射を伴うため、相当な散乱損失なしには、曲率半
径が３ｍｍ未満である鋭い曲げを有するファイバを光が通過するのは不可能であ
る。光学波長における光の場合、これが比較的大きな半径となり、ファイバの小
型化の可能性の規模が限定されてしまう。

【０００８】ところが最近、１次元及び２次元のフォトニックバンドギャップにより光学的
な光を閉じ込める全誘電性導波管が導入されている。単一モードの伝搬には依然
として前述の２つのｐに似た対称性の問題があるが、これらの新しい設計には、
光が主として中空導波管の空洞コアを通過して伝搬するという潜在的な効果があ
り、これによって材料の非線形性及び吸収損失の影響が最小限になる。さらに、
少なくとも部分的なフォトニックバンドキャップの存在によって光が閉じ込めら
れるため、光ファイバの場合に比べて小さい曲率半径の曲げの周囲に光を伝送で
きることが保証される。

【０００９】（発明の開示）本発明は、金属性同軸ケーブルと誘電性導波管の最良の特性を部分的に組合わ
せた、全誘電性同軸導波管を提供する。全誘電性同軸導波管は、金属性同軸ケー
ブルのＴＥＭモードにきわめて類似した基本モードをサポートする。径方向に対
称性のある電界分布を有するため、その伝搬を通じて偏向が維持される。本発明
の全誘電性同軸導波管は、広い周波数範囲にわたって単一モードに設計できる。
さらに、モードは、その周囲ではパルスが伝搬中にその形状を保持可能な、固有
のゼロ分散ポイントを有し、このゼロ分散ポイントを単一モード周波数窓に配置
することができる。そして、この同軸オムニガイド（omniguide）により、曲率
半径が光の波長程度に縮小可能な、鋭い曲げの周囲に光を導くことができる。こ
の導波管の設計は、完全に汎用であり、広範囲の構造的パラメータ、材料及び波
長に適用できる。本発明の同軸導波管は、金属性同軸ケーブルと誘電性導波管の
本質的に異なるモード管理様式の橋渡しとなる、最初の効果的な試みである。

【００１０】例示的な実施形態によれば、本発明の全誘電性同軸導波管は、誘電性コア領域
と、誘電性材料から成り、前記コア領域の周囲に設けられ、電磁放射を閉じ込め
る環体と、前記環体の周囲に設けられ、交互に設定された屈折率を有する円筒形
同軸誘電性シェルから構成される外側領域とを含む。コア領域と外側領域は、環
体の屈折率より高い平均屈折率を有する。

【００１１】（発明を実施するための最良の形態）図１は、本発明による全誘電性同軸導波管１００の例示的な実施形態を示す断
面図である。導波管（またはオムニガイド）１００は、誘電媒体を含む同心状の
円筒形シェルのアレイを、円筒を形成するように組立てて構成される。各層は、
全方位反射を達成するよう選択された所定の厚さ及び誘電定数（屈折率）を有す
る。全方位反射性が確立すると、特定の電磁波が誘電定数の最も低い材料に閉じ
込められる。

【００１２】導波管１００は、３つの異なる領域を有する。まず、コア領域１０１は、低誘
電定数材料で形成可能なコア領域部１０２と、この領域部１０２の周囲に設けら
れ、厚さと誘電定数が層ごとに交互に設定された同心リングまたは円筒形同軸シ
ェルから構成されるコア領域部１０４とを有する。通常厚さがより大きい、低誘
電定数の層すなわち環体領域１０６がコア領域１０１の周囲を取り囲んでいる。
厚さ及び誘電定数が層ごとに交互に設定された、別の連続する同心リングまたは
円筒形同軸シェルからなる外側領域１０８が、環体を取り囲んでいる。誘電定数
及び層厚の選択により、全方位反射の条件が確立し、特定の電磁波を低誘電定数
の環体領域に閉じ込める。図示されるように、シェルは誘電定数ε_n及び特性長
ｈ_nを有し、コアは半径ｒ_cを有する。マックスウェル方程式の解は平面に限定さ
れるが、Ｚ方向に伝搬成分を有する可能性もあるため、環体領域が導波領域であ
る。

【００１３】同軸導波管のさらなる例示的実施形態が図２及び図３に示されている。図２は
、本発明による全誘電性同軸導波管２００の別の例示的実施形態の断面図である
。導波管２００は、コア領域部２０２とコア領域部２０４とを有するコア領域２
０１を含む。コア領域部２０２は、コア領域部２０２の周囲に設けられたコア領
域部２０４の交互層または円筒形同軸シェルの１つと同じ誘電定数を有する。コ
ア領域部２０４のシェルの誘電定数は交互に設定されている。低誘電材料から成
る環体２０６がコア領域部２０４を取り囲み、電磁放射は主としてこの環体領域
に閉じ込められる。厚さ及び誘電定数が交互に設定された同心リングまたは円筒
形同軸シェルが環体を取り囲んでいる。図２に示すように、シェルは誘電定数ε _n 及び特性長ｈ_nを有し、コア領域部２０２は誘電定数ε_n＝ε₁及び半径ｒ_c＝ｈ₁ を有する。

【００１４】別の実施形態では、コア領域部２０２と、コア領域部２０４の全シェルは同じ
誘電定数を有することができる。さらに、これら２つのコア領域部を組合わせて
、１誘電性材料から成る単一ロッドなどの１材料構造体を形成することもできる
。

【００１５】図３は、本発明による全誘電性同軸導波管３００の別の例示的な実施形態の断
面図である。導波管３００の構造は、図１に示した導波管１００の基本的同軸構
造と同様であり、より詳細には、コア領域部３０２と、全方位領域３０６ａ，３
０６ｂ，３０６ｃ，３０８のうちの２つに挟まれた複数の低誘電材料リングすな
わち環体３０４ａ，３０４ｂ、３０４ｃを含む。領域３０６ａ，３０６ｂ，３０
６ｃ，３０８はそれぞれ、誘電定数が交互に設定された一連の層またはシェルを
含む。この構造配列は、所望の回数繰り返すことができる。これら繰り返された
各構造の特性厚さ及び誘電定数を独立的に選択することにより、特定周波数に対
して光を閉じ込めることができる。この特定周波数は、同一でも異なってもよい
。

【００１６】図３に示すように、領域３０６ａ〜ｃ及び３０８のそれぞれが、誘電定数ε_n
と幅（単一の組合わせ例が図１に示される）を有する誘電体層から成る多層フィ
ルムを表している。領域または環体３０４ａ〜ｃは、誘電定数ε₀，ε’₀，ε” ₀ などの導波領域に対応する。コア領域部３０２は、誘電定数ε_cを有する。ε_c
は、電磁放射を閉じ込めることのできる低誘電性材料に選択できる。全誘電性の
材料を使用することにより、光及びマイクロ波周波数を含むさまざまな周波数に
おいてきわめて損失の低い導波が可能になる。

【００１７】同軸導波管構造におけるマックスウェル方程式の解は、高誘電性領域または低
誘電性領域に限定することも、まったく限定しないことも可能である。この分析
において、我々が特に関心を持つのは、低誘電性導波領域に限定されたモードの
特性である。これらのモードの存在については、数値的にも解析的にも実証され
ている。図４は、図２に示した導波管２００に対する、ＴＥ及びＴＭ限定モード
を示すグラフである。オムニガイドにおける多数の限定された電磁モードの金属
に類似する特性により、同軸金属導波管に存在するＴＥＭモードと同様、ＴＥＭ
波が低誘電性導波媒体に存在することが示唆される。

【００１８】本発明をさらに説明するため、比較説明を次に示す。図５Ａは、従来の金属同
軸導波管５００の断面図である。光は、２つの金属円筒５０２と５０４の間の領
域５０６に閉じ込められ、軸方向（図の平面方向に対して垂直な方向）に移動す
る。単純光線モデルにおいては、同軸ケーブルを通過する光の伝搬は、金属壁か
ら遠ざかる方向への連続的な鏡面反射の結果見ることができる。金属同軸導波管
によりサポートされる最初の数モードに対する分散式を図６Ａのグラフに示す。
範囲を限定するため、導波領域の内側及び外側半径を、それぞれｒ_i＝３．００
ａ、ｒ_o＝４．６７ａ（ａは以下に定義する同軸導波管の任意の長さの単位）と
する。波動ベクトルの任意の値に対し、最も低い周波数モードは、電界と磁界の
いずれもが光の伝搬方向に対して横断方向であるＴＥＭモードである。このモー
ドはゼロ角運動量を有するが、これは、モードが軸方向を中心とした回転のもと
で不変であることを意味する。このモードのさらなる特性は、その一定群速度で
あり、これによりどの周波数においても分散がなくなる。

【００１９】同図に示される他のモードは、ｎ＝１かつ可変角運動量ｍに対する横電界（Ｔ
Ｅ_mn）モードである。導波管は、さらに横磁界（ＴＭ）モードもサポートするが
、最も低く位置するＴＭモードに対する遮断周波数が０．３０（２πｃ／ａ）以
上であるため、図には表れていない。これらのいずれかモードの遮断周波数が、
次式の形で表される。ここで、ｆは角運動量ｍの各値及び各偏向（ＴＥまたはＴ
Ｍ）に対する超越方程式の解である。

【数５】

【００２０】全誘電性導波管を金属同軸導波管と同様の動作原理で設計することは、誘電体
−誘電体間の界面における境界条件が、空気（誘電体）−金属間の界面における
条件とは異なるために容易ではない。特に、光線が屈折率のより低い領域から入
射した場合には、誘電体−誘電体間の界面において鏡面反射を得ることはできな
い。したがって、一般にはこれまで、全誘電性同軸導波管を、原理上にしろ、Ｔ
ＥＭに類似するモードをサポートするように設計することは不可能であると仮定
されてきた。しかしながら、全方位誘電性反射板に関する近年の研究により、全
誘電性材料を用いて光を反射し、閉じ込め、ガイドする新しい可能性が生まれて
いる。

【００２１】全方位誘電性反射材又は単に誘電性ミラーは、屈折率が低い層と屈折率が高い
層とが交互に設けられる周期的な多層平面構造である。この構造は、どの方向か
らの入射光であっても、どのような偏光を有する入射光であっても、入射光が反
射されるような、周波数の範囲が存在するように設計できる。また、この周波数
範囲内の反射光の電場は、金属からの反射によって得られる位相シフトに非常に
近い、対応する位相シフトを有する。実際に、各入射角及び各偏光に対して、そ
の位相シフトが金属における位相シフトと同一となる周波数が存在する。この観
察と、全ての入射角において全方位誘電性ミラーの反射率が高く保持されるとい
う事実とが、同軸ケーブル設計において、金属の代わりに全方位ミラーを使う可
能性を探索することを強く示唆する。実際に、全方位誘電性ミラーは、光学的な
光及び赤外線を、金属に内在する損失無しにガイドする新しい機構を提供する。

【００２２】図５Ｂは、本発明による同軸導波管（オムニガイド）５１０の実施形態を例示
する断面図であり、この導波管では、金属シリンダが、全方位ミラーに関連する
円筒形の誘電性層によって置き換えられている。導波管は、同軸であり、全方位
反射性の周波数範囲が存在するよう、多層膜が選択される。これら両方の性質が
、ＴＥＭに似たモードを作り出すために重要である。誘電性層のパラメータは、
中空導波管の実験から、以下のように定められる。層５１２の屈折率は、ｎ₁＝
４．６であり、厚さは、ｄ₁＝０．３３ａであり、層５１４の屈折率は、ｎ₂＝１
．６であり、厚さは、ｄ₂＝０．６７ａである。ここで、ａ＝ｄ₁＋ｄ₂は、多層
構造の周期の単位長である。導波領域の内径及び外径はそれぞれ、ｒ_i＝３．０
０ａ及びｒ_o＝４．６７ａであり、ここでａは、同軸導波管２００の任意の長さ
の単位である。ここに示す計算では、同軸導波領域の屈折率は、１に設定される
。実際には、導波領域は、低い屈折率を有する誘電体である。

【００２３】ここで、平面全方位誘電性ミラーのモードを復習することが有益である。全方
位ミラーの投射帯構造（projected band structure）を、図６Ｂのグラフに示す
。領域６００は、誘電性ミラー内の光が伝搬可能なモードを表す。領域６０２は
、誘電体内の、光の伝搬が許されないモードを表す。対角線６０４が、光錐体の
縁を識別し、水平線６０６が、全方位反射性の周波数範囲の境界を画定する。こ
の周波数範囲が正確に、同軸オムニガイドが、金属同軸ケーブルのモードに最も
近いモードをサポートするであろうと予測できる、周波数範囲である。同軸オム
ニガイド５１０のモードの周波数及び場パターンの計算は、以下のように行われ
る。

【００２４】システムの円柱対称性の結果、この導波管によってサポートされる様々なモー
ドを特定し分類するために使うことのできる、２つの良い「保存数量」が存在す
る。これらは、波動ベクトルの軸成分ｋ_z及び「角運動量」ｍ（ｍ＝０，１，２
，．．．）である。与えられたモードにおいて、電場及び磁場の径方向の成分及
び角方向の成分は、対応するｚ成分（軸成分）から計算できる。与えられた波動
ベクトルｋ_z及び角運動量ｍにおいて、屈折率ｎの層における場の軸成分は一般
的に、

【数６】で表される。ここで、ＦはＥ_z又はＨ_zのいずれかを表し、Ｊ_m及びＹ_mはそれぞれ
、第１種及び第２種ベッセル関数であり、ｋ_Tは、横軸波動ベクトルであり、次
式で示される。

【数７】

【００２５】同軸オムニガイドのモードは、２つの異なる方法を用いて計算される。第１は
、伝送行列方法に基づく半解析方法である。マクスウェル方程式から、各層内の
電場及び磁場のｚ成分は、式（５）のような一般的な形式に表すことができる。
与えられたｋ_z、ω及びｍにおいて、場Ｅ_z及び場Ｈ_zを決定する変数は、ベッセ
ル関数の前の４つの係数（Ｅ_zにおける２つ及びＨ_zにおける２つ）のみである。
隣合う層間のインターフェースにおける境界条件は、以下のように行列方程式の
形であらわすことができる。

【数８】ここで、

【数９】は、Ｊ番目の層における電場及び磁場を決定する係数であり、Ｍは、ｋ_z、ω、
ｍ、層の配列、及び層の屈折率に依存する４ｘ４の転送行列である。与えられた
点（ｋ_z，ω）における電磁場を計算した後、同軸導波領域におけるＥ場パワー
閉じ込め（E-field power confinement）、すなわち

【数１０】を検討することにより共鳴モードが見つかる。第２の方法は、周波数領域での、
スーパセル近似法内で共役傾き法を使うマクスウェル方程式の数値解法に関連す
る。（３０ａｘ３０ａｘ０．１ａ）の大きさを有するスーパセルが使われ、約２
３０，０００の平面波の基集合が導き出された。固有値は、剰余（residue）が
１０^-6以下になった時に収束したと考慮された。これらの両方の方法の結果が、
０．１ω％以上の精度で一致することがわかった。

【００２６】同軸オムニガイド５１０の投射帯構造を図６Ｃのグラフに示す。帯６０６及び
６０８は、導波管の同軸内径及び外径によって定義された領域内に集中された、
ガイドされたモードを表す。点線は、同軸領域内の、２０％よりも小さな集中度
を有するモードを表す。ｍ＝１からｍ＝６まで符号が付せられた全方位反射範囲
内のモードと、ＴＥ₁₁からＴＥ₆₁まで符号が付せられた同軸ケーブル内のモード
との、近い対応に留意されたい。ｍ＝２における小さな不連続点は、同じ対称性
でコア領域内深くに集中した共鳴モードとの弱い結合による。また、ｍ＝０モー
ド（線６０８）が、ＴＥＭモードに対応するように見えることにも留意されたい
。もちろん、有限数の外部シェルを有する同軸オムニガイドでは、これらのモー
ドは共鳴としてのみ存在できる。

【００２７】２．５のバイレイヤ（bilayer）のみでも、モードは非常に集中された共鳴で
ある場合があり、漏出率は、シェルの数に応じて指数関数的に低くなる。強い局
地化は、図７Ａから図７Ｄのパワー密度グラフに示される。ここではパワー密度
は、図６Ｃのｋ_z＝０．１９（２π／ａ）における、最も低い４つの周波数モー
ドに対する電場として、グラフに表される。カラーバーが示すように、パワーは
、黒から濃い赤、赤、オレンジ、黄色、と変化するにしたがって増加する。青い
丸は、様々な誘電性シェル間の境界を識別する。全ての場合において、パワーが
、主に同軸領域内に閉じ込められることを理解されたい。これは特に、ｍ＝０の
モードにおいて正しく、このｍ＝０のモードはまた、ＴＥＭモードと同様に、円
柱対称性を有する。誘電性物質のみから成る導波管は、真のＴＥＭモードをサポ
ートできないことは広く知られているが、純粋なＴＭモードであるｍ＝０モード
が、ＴＥＭモードの特性のいくつかを有することがわかった。

【００２８】まず、上で説明されたように、同軸オムニガイドは、ゼロの角運動量を有し、
よって、放射形対称な電場分布を有する。また、同軸導波領域内（パワーの６５
％以上が集中している）の電場及び磁場は、金属同軸ケーブルの電場及び磁場と
ほぼ同一である。例えば、主要成分がＥ_r及びＨφであり、１／ｒに比例して変
化する。最後に、ｍ＝０分散曲線（線６０８）が光ライン（light line）と交差
する点では、同軸オムニガイドの電磁場と、金属同軸ケーブルの電磁場との間に
、一致する対応が同軸領域内で存在する。また、群速度の微分は、この点近辺で
は正確にゼロであり、この付近における、ほぼ分散のない伝搬につながる。簡略
化のために、全ての計算において、固有導波分散（intrinsic waveguide disper
sion）が考慮された。実際の導波管では、物質分散が存在する場合があり、これ
は、導波管パラメータをうまく調整することにより、標準の方法で補償できる。
実際に、同軸オムニガイドの複数の使用可能なパラメータは、これを達成するた
めに、光ファイバよりもはるかに高い柔軟性を提供する。

【００２９】上述の特性は確かに、偏光回転及びパルス拡大に関する問題を克服するために
、当業者が達成するよう願う特質である。図６Ｃに示す帯は明らかに複モード、
すなわち、与えられた周波数に対して、２つ又はそれ以上の、励起できる、ガイ
ドされたモードが存在する。単一モードの動きをサポートできる同軸オムニガイ
ドを設計するには、構造的なパラメータのみを調整する必要がある。全方位反射
性周波数範囲が変化しないように、バイレイヤのパラメータを固定して保つこと
は容易である。これにより、同軸オムニガイドと金属同軸ケーブルとの両方に共
通するパラメータ、すなわち同軸導波領域の内径及び外径のみが残る。

【００３０】ＴＥＭに似たモードの単一モード動作は、全ての他のモードの周波数が増加し
、ゼロでない最も低い角モードがバンドギャップ内に遮断周波数を有する場合の
み、可能である。これを行うためには、同軸導波領域の内径を減らす必要がある
。同時に、バイレイヤの厚さａは、一定であるべきであり、これは、導波管の内
部部分に、３つのバイレイヤを収容することができなくなることを意味する。内
部領域の周期的な構造を捨て、単一の誘電性ロッドによって置き換える程度まで
に、内径を減らす必要がある。しかしながら、内部コアのミラー構造の損失は、
重要ではない。大切なのは、誘電体の薄いロッドをコア内に追加し、原点におけ
る、場の１／ｒ発散を避けることであり、また、十分に高いコントラストを有す
る誘電体を使い、ＴＥＭに似たモードを同軸領域内に集中させることである。し
かしながらこの方法は、ｒ_i＞ａの場合にはうまくいかず、この場合、多層コア
に戻る必要がある。

【００３１】導波領域の内径及び外径に異なる値を用いたテストによって、所望の性質を有
する構造が見つかった。この例示実施形態を同軸オムニガイド５２０として図５
Ｃに示す。中央誘電性ロッド５２１は、屈折率がｎ₁＝４．６であり、半径ｒ_i＝
０．４０ａである。同軸導波領域は、外径ｒ_o＝１．４０ａを有し、外側バイレ
イヤ５２２及び５２４のパラメータは、同軸オムニガイド５１０で使われたもの
と等しい。オムニガイド５２０では、導波管が単一モードの形で動作できる、２
つの周波数範囲が存在する。これは図８に見ることができ、図８は、同軸オムニ
ガイド５２０がサポートするモードの分散曲線のグラフを示す。中空の点は、電
場パワーの５０％より大きな閉じ込めを示し、中実の点は、２０％と５０％との
間の閉じ込めを示す。点線は、２０％より低い閉じ込めを示す。２つの外側の箱
は、ｍ＝０帯が単一モードである周波数範囲を識別する。

【００３２】図６Ｃと図８とを比較することにより、ｍ＝１帯の遮断周波数が、相当に上に
シフトされており、同時に、ｍ＝０帯が、比較的変化していないことがわかる。
ｍ＝１帯の平坦性は、ＴＥＭに似た帯が、ｍ＝１帯よりも周波数が上又は下で、
単一モードになることを可能にする。パラメータの正確な値は、高周波数の単一
モード窓（ω＝０．２０５（２πｃ／ａ））の中間において、モードに分散が存
在しないように選択される。ｍ＝１モードが示す非常に小さな群速度は、導波管
パラメータを適切に選択することによって、負の値にまですることもできる。

【００３３】図９Ａから図９Ｃに、ｋ_z＝０．２（２π／ａ）及びω＝０．２０３（２πｃ
／ａ）における、同軸オムニガイド５２０のｍ＝０モードの電場成分分布を示す
。カラーバーは、より大きな正の値及び負の値がそれぞれ濃い赤及び濃い青の領
域で示され、ゼロ（低い）値の電場が白（薄い色）の領域で表される。場の分布
は明らかに、所望のように、モードの同軸導波領域内への高い閉じ込めを示し、
この領域では、場の分布がほぼ完全に、伝搬方向に対して横向き（強度の１０^-3 より低い量がｚに沿っている）であることを示すことを理解されたい。

【００３４】（ｋ_z，ω）の点は、光ラインに非常に近いため、導波領域内の電場は、伝搬
方向に対して、ほぼ完全に横向きである。これは純粋なＴＭモードであるため、
磁場のｚ成分はいつでもゼロであることに留意されたい。場の分布は明らかに、
所望のように、導波領域内へのモードの高い閉じ込めを示している。また、これ
らのＥ_x及びＥ_yの値は、正確にゼロな角成分と一致する、完全に放射形対称を有
する正味の場分布につながる。上述の全ての特徴は、ｍ＝０モードと純粋なＴＥ
Ｍモードとの間の近い対応を証明する。

【００３５】これに加え、本発明の同軸オムニガイドには、更に３つの有利な特徴が存在す
る。第１は、同軸オムニガイドの構造の調整可能なパラメータが複数存在する（
各層の屈折率及び厚さ、バイレイヤの厚さ、導波領域の内径及び外径、中央ロッ
ドの屈折率、など）ことにより、導波管を所望の最適な性能（導波領域内での閉
じ込め、単一モード窓の幅、ゼロ分散の周波数、群速度、など）に調整する際の
高い柔軟性を可能にする。第２の好適な特徴は、光の径方向の閉じ込めが、全方
向反射の結果であり、全反射の結果ではないことである。これは、光ファイバよ
りも鋭い曲がり角を通って光を送るために同軸オムニガイドを使うことができる
ことを意味する。最後に、電磁場の径方向の減少が、光ファイバの場合よりも相
当に大きい。すなわち、１０のバイレイヤのみで、約６桁の電場強度の低減が可
能である。これは、同じ波長のガイドされた光において、導波管の束におけるク
ロストークの複雑性を招くことなく、同軸オムニガイドの外側の直径を、光ファ
イバのクラッド層の直径よりも相当に小さくできることを意味する。これらの、
実質的により小さな導波管の曲げ半径及び隣合う導波管間のより小さな空間を可
能にする特性は、将来の集積光学装置を相当に小型化できる可能性につながる。

【００３６】本発明は、いくつかの好適な実施形態に関して示され、説明されたが、ここに
説明した形式及び詳細に対する省略又は追加を、本発明の精神及び範囲から離れ
ることなく実行できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による全誘電性同軸導波管の例示的実施形態の断面図であ
る。

【図２】本発明による全誘電性同軸導波管の別の例示的実施形態を示す断
面図である。

【図３】本発明による全誘電性同軸導波管の別の例示的実施形態を示す断
面図である。

【図４】図２の導波管に対するＴＥ及びＴＭ限定モードのグラフである。

【図５Ａ】従来の金属性同軸導波管の断面図である。

【図５Ｂ】本発明による同軸導波管（オムニガイド）の例示実施形態の断
面図である。

【図５Ｃ】本発明による同軸導波管（オムニガイド）の例示実施形態の断
面図である。

【図６Ａ】金属性同軸導波管によってサポートされる、最初のいくつかの
モードの分散関係を示すグラフである。

【図６Ｂ】全方位ミラーの投射帯構造のグラフである。

【図６Ｃ】同軸オムニガイドの投射帯構造のグラフである。

【図７Ａ】図６Ｃの最も低い４つの周波数モードにおける電場で示された
パワー密度グラフである。

【図７Ｂ】図６Ｃの最も低い４つの周波数モードにおける電場で示された
パワー密度グラフである。

【図７Ｃ】図６Ｃの最も低い４つの周波数モードにおける電場で示された
パワー密度グラフである。

【図７Ｄ】図６Ｃの最も低い４つの周波数モードにおける電場で示された
パワー密度グラフである。

【図８】図５Ｃの同軸オムニガイドによってサポートされるモードの分散
曲線を示すグラフである。

【図９Ａ】図５Ｃの同軸オムニガイドのｍ＝０モードの電場成分分布を示
すパワー密度グラフである。

【図９Ｂ】図５Ｃの同軸オムニガイドのｍ＝０モードの電場成分分布を示
すパワー密度グラフである。

【図９Ｃ】図５Ｃの同軸オムニガイドのｍ＝０モードの電場成分分布を示
すパワー密度グラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者フィンクヨエルアメリカ合衆国マサチューセッツ州ケンブリッジウォズワースストリート 60 アパートメント 22 イー (72)発明者イバンシュミハイアメリカ合衆国マサチューセッツ州ケンブリッジマサチューセッツアベニュー 77 イーストキャンパスグッド＃404 (72)発明者トーマスエドウィンエルアメリカ合衆国マサチューセッツ州ナティックアップルリッジドライブ 14 Ｆターム(参考） 2H050 AC09 AC13 AD01 5J014 BA03 EA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電性コア領域と、誘電性材料から成り、前記コア領域の周囲に設けられ、電磁放射を閉じ込める
環体と、前記環体の周囲に設けられ、屈折率が交互に設定された円筒形同軸誘電性シェ
ルで構成される外側領域と、を含み、前記コア領域と前記外側領域は、前記環体の屈折率より高い平均屈折率を有す
ることを特徴とする、全誘電性同軸導波管。
【請求項２】請求項１に記載の導波管において、前記コア領域は誘電体ロ
ッドを含むことを特徴とする導波管。
【請求項３】請求項２に記載の導波管において、前記コア領域は、屈折率
が交互に設定された円筒形同軸誘電性シェルから構成される内側領域を前記ロッ
ドの周囲にさらに含むことを特徴とする導波管。
【請求項４】請求項３に記載の導波管において、前記ロッドは低誘電性材
料を含むことを特徴とする導波管。
【請求項５】請求項４に記載の導波管において、前記電磁放射は前記ロッ
ドに閉じ込められることを特徴とする導波管。
【請求項６】請求項１に記載の導波管において、前記導波管は円形断面を
含むことを特徴とする導波管。
【請求項７】請求項１に記載の導波管において、前記外側領域は、低誘電
性材料と高誘電性材料とを交互に配置して形成したシェルを含むことを特徴とす
る導波管。
【請求項８】請求項１に記載の導波管において、前記導波管を利用して高
電力の電磁放射をガイドすることを特徴する導波管。
【請求項９】請求項１に記載の導波管において、前記導波管を利用して高
電力の電磁放射を曲げの周囲にガイドすることを特徴とする導波管。
【請求項１０】請求項１に記載の導波管において、前記導波管を利用して
、電磁放射を少なくとも１つの広帯域領域にガイドすることを特徴とする導波管
。
【請求項１１】請求項１に記載の導波管において、前記導波管を利用して
、電磁放射を複数の広帯域領域にガイドすることを特徴とする導波管。
【請求項１２】請求項１１に記載の導波管において、前記広帯域領域にお
ける電磁放射は単一モードであることを特徴とする導波管。
【請求項１３】請求項１１に記載の導波管において、前記広帯域領域にお
ける電磁放射は多モードであることを特徴とする導波管。
【請求項１４】請求項１に記載の導波管であって、誘電性材料から成り、前記外側領域の周囲に設けられ、磁気放射を閉じ込める
第２の環体と、前記第２の環体の周囲に設けられ、屈折率が交互に設定された円筒形同軸誘電
性シェルから構成される第２の外側領域と、をさらに含むことを特徴とする導波管。
【請求項１５】請求項１４に記載の導波管であって、複数の環体とさらな
る外側領域が交互に連続してさらに含み、各環体は誘電性材料から成り、電磁放
射を閉じ込める外側領域の周囲に設けられ、各さらなる外側領域は環体の周囲に
設けられ、屈折率が交互に設定された円筒形同軸誘電性シェルを有することを特
徴とする導波管。
【請求項１６】請求項１５に記載の導波管において、前記コア領域と前記
複数の外側領域は、前記複数の環体の屈折率より高い平均屈折率を有することを
特徴とする導波管。
【請求項１７】誘電性コア領域と、電磁放射を閉じ込める、誘電材料から成る環体と、前記環体の周囲に設けられ、屈折率が交互に設定された円筒形同軸誘電性シェ
ルから構成される外側領域と、を含み、前記外側領域の前記屈折率、シェル数、及び厚さにより、前記電磁放射の波長
範囲に対する全偏向の０゜から少なくとも８０゜の範囲の入射角に対して９５％
以上である、平面ジオメトリの反射率が得られることを特徴とする、全方位反射
を備えた全誘電性同軸導波管。
【請求項１８】金属同軸ケーブルにおいてサポートされるＴＥＭモードに
類似する横電磁波をサポートする全方位性同軸導波管。
【請求項１９】軸方向に対称的であり、主として径方向の電界及び周波数
範囲に対する線形の分散を有する、基本電磁波ガイドモードを有する、全誘電性
同軸導波管。