JP2004535595A - 高屈折率コントラストの光導波路および用途 - Google Patents

Abstract

本発明はプリフォームから引抜き可能な高屈折率コントラストの光導波路（１３０１）を特徴とする。本発明は高屈折率コントラストの光導波路を形成する材料及びそれらの選択についてのガイドラインをも特徴とする。光ファイバ及びフォトニック結晶ファイバを含み得る高屈折率コントラストの光導波路（１３０１）により、光導波路（１３０１）において光信号の半径方向の向上された閉じ込めが提供される。更に、高屈折率コントラストの光導波路内において大きな光エネルギー密度を達成することができ、これは多数の用途にとって魅力的な候補となる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に関し、特に高屈折率コントラストの光導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２００１年４月１２日付けのＥｍｉｌｉａ Ａｎｄｅｒｓｏｎ他の、「ＤＩＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＦＯＲ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＯＭＮＩ−ＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ」という名称の米国仮特許出願第６０／２８３，４５９号、２００１年７月１０日付けのＭａｒｉｎ Ｓｏｌｊａｃｉｃ他の、「ＨＩＧＨ Ｑ−ＣＡＶＩＴＩＥＳ ＩＮ ＯＭＮＩＧＵＩＤＥ ＡＮＤ ＢＲＡＧＧ ＦＩＢＥＲＳ」という名称の米国仮特許出願第６０／３０４，２２９号、および２００１年５月１５日付けのＭａｒｉｎ Ｓｏｌｊａｃｉｃ他の、「ＡＸＩＡＬＬＹ ＭＯＤＵＬＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＢＡＮＤＧＡＰ ＦＩＢＥＲＳ， ＭＥＴＡＬ−ＣＯＡＴＥＤ ＦＩＢＥＲＳ， ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＴＨＥＩＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ」という名称の米国仮特許出願第６０／２９１，１０６号に対する優先権を主張する。上記全ての内容は、引用によって本明細書の記載に援用する。
【０００３】
電気通信網では、光学構成部品が益々普及している。例えば、光ファイバなどの光導波路を使用して、異なる場所間で情報を光信号として搬送する。このような導波路は、光信号を１つまたは複数の好ましい経路に沿った伝搬にほぼ閉じ込める。同様に、ソース、変調器および変換器などの他の構成部品は、電磁（ＥＭ）エネルギーを閉じ込める導波領域を含むことが多い。金属導波路は、比較的長い波長（例えば、マイクロ波）にて長い使用の歴史を有するが、光学領域（例えば、３５０ｎｍ〜３ミクロン）での導波路としての有用性は吸収によって制限される。それ故、多くの光学的用途では、誘電体導波領域が好ましい。
【０００４】
光導波路の最も好ましいタイプは光ファイバであり、これは屈折率誘導を利用して光信号を好ましい経路に閉じ込める。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、コア領域より小さい屈折率を有するクラッド領域を含む。屈折率コントラストのため、屈折率が高い方のコア内で導波路軸にほぼ沿って伝搬する光線は、コアとクラッドの境界面から全反射（ＴＩＲ）することができる。その結果、光ファイバが１つまたは複数のモードの電磁（ＥＭ）放射線を誘導し、コア内で導波路軸に沿って伝搬させる。このような導波モードの数は、コア直径とともに増加する。特に、屈折率導波メカニズムのために、導波路軸に平行な任意の波数ベクトルについて、最低周波数の導波モードより下にクラッド・モードが存在できない。商業的に使用されているほぼ全ての屈折率導波光ファイバは、シリカ系で、コアおよびクラッドの一方または両方に不純物をドープして、屈折率コントラストを発生させ、コアとクラッドとの境界面を生成する。例えば、一般に使用されているシリカの光ファイバは、約１．４５の屈折率、および用途に応じて、１．５μｍの範囲の波長で約０．２％から３％の範囲の屈折率コントラストを有する。
【０００５】
プリフォームからのファイバの引抜き加工は、光導波路を作成するために最も一般的に使用されている方法である。プリフォームは、精密な形状および所望のファイバの組成を有する短い棒（例えば、１０〜２０インチ（２５．４〜５０．８ｃｍ）の長さ）である。しかし、プリフォームの直径は、ファイバの直径よりはるかに大きい（例えば、１００〜１０００倍大きい）。通常、光ファイバを引抜き加工する場合、プリフォームの材料組成は、クラッドの屈折率に対してコアの屈折率を上げるため、プリフォームのコアに設けた可変レベルの１つまたは複数のドーパントを有する単一のガラスを含む。これにより、コアおよびクラッドを形成する材料は、引抜き加工のために流動学的および化学的に同様であるが、それでもコア内で導波モードを支援するために、確実に十分な屈折率のコントラストを提供することができる。プリフォームからファイバを形成するため、炉で、プリフォームからファイバを引抜き加工するためにガラスの粘度が十分に低くなる（例えば、１０⁸ポアズ未満）温度までプリフォームを加熱する。引抜き加工したら、プリフォームの直径を短縮して、プリフォームと同じ断面組成および構造を有するファイバにする。ファイバの直径は、ファイバの特定の流動学的特性、および引抜き加工する速度によって決定される。
【０００６】
プリフォームは、変形化学蒸着法（ＭＣＶＤ）および外付け化学蒸着法（ＯＶＤ）など、当業者には周知の多くの技術を使用して作成することができる。ＭＣＶＤプロセスは、気化した原材料の層を、煤の形態で予め作成した管の内壁に蒸着させる。各煤層は、蒸着直後に融解し、ガラス層にする。その結果、プリフォーム管をその後につぶして中実棒にし、被覆して、次に引抜き加工してファイバにする。
【０００７】
ＯＶＤプロセスは、回転する棒に原材料を蒸着させる。これは２段階で実行される。すなわちレイダウンおよび強化である。レイダウン・ステップでは、煤プリフォームを、四塩化ケイ素（シリカ・ファイバ用）および四塩化ゲルマニウムなどの超純粋蒸気から作成する。蒸気が、横行バーナを通り、炎と反応して、酸化ケイ素および酸化ゲルマニウムの煤粒子を形成する。これらの粒子は、回転する標的棒の表面上に蒸着する。蒸着が完了すると、棒を除去し、蒸着した材料を強化炉に入れる。水蒸気が除去され、プリフォームがつぶれて、高密度で透明なガラスになる。
【０００８】
ファイバ・プリフォームを作成する別の方法は、単に、一方の材料の棒を中空プリフォームのコアに挿入する。加熱によってプリフォームが強化され、１つの物体になる。
光導波路は、単に光情報を伝達するチャネルを提供することに加え、多数の光学素子のベースを形成する。例えば、光導波路は、分散など、光信号にとって有害な効果を補償するように設計することができる。分散は、異なる波長の光信号を異なる速度で進行させる導波路の特性であり、その結果、光パルスが広がってしまう。通常、長い搬送シリカ光ファイバは、１．５μｍの範囲の波長で２〜５０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの正分散を有する。この正分散は、シリカ光ファイバによって導入される正分散と大きさが等しい負分散を有する導波路に信号を通すことによって補償することができる。往々にして、これは、光電気通信網内でファイバの正分散と負分散を有する区間を交互に設けることによって実施される。
【０００９】
光信号にとって有害になる効果の別のものとしては減衰等がある。減衰は、単に、信号が光ファイバを伝搬するにつれ生じる光信号の強度の損失である。減衰が十分に大きいと、光信号は背景ノイズから識別不可能になる。したがって、通信網の重要な構成要素はファイバ増幅器である。その名前が示唆するように、ファイバ増幅器は、光信号の信号強度を増幅する光導波路である。例えば、高密度波長分割多重の適用の普及により、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が現代の電気通信システムに必須の構成要素となった。ＥＤＦＡは、ファイバ内の光信号を増幅し、したがって従来の中継器を必要とせずに、より長い距離にわたって情報を伝送することができる。ＥＤＦＡを形成するには、ファイバに、１５５０ｎｍでの光を増幅するのに適切なエネルギー・レベルを原子構造内に有する希土類元素であるエルビウムをドープする。９８０ｎｍのポンプ・レーザを使用して、エルビウム・ドープ・ファイバにエネルギーを注入する。１５５０ｎｍでの弱い信号がファイバに入ると、光がエルビウム原子を励起して、保存しているエネルギーを追加の１５５０ｎｍの光として放出する。この誘導された発光は、元の信号とコヒーレントであり、したがって元の信号は、ファイバを伝搬するにつれ、強度が上がる。
【００１０】
ファイバ・レーザは、光ファイバを使用して作成する光学構成部品の別の例である。通常、高屈折率のコアと低屈折率のクラッドとの間の屈折率の差によって、半径方向にキャビティが形成され、これは全反射（ＴＩＲ）によってＥＭ放射線を閉じ込める。キャビティは、反射器によって軸方向に形成することができる。初期のファイバ・レーザの端反射器は、研磨したファイバの端部に配置されるか、それに蒸着した鏡であった。ファイバ軸線に沿った屈折率変調も、反射器を生成し、それ故、レーザ・キャビティを形成するのに使用することができる。例えば、２つのブラッグ格子が利得媒体を囲み、端反射器を形成し、それにより分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザを形成することができる。あるいは、軸方向の変調が利得媒体の全長にわたって延在し、「分布フィードバック」（ＤＦＢ）レーザを形成することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
典型的な光導波路の組成は、往々にして、ファイバの光学的特性を操作するために、適当にドープされた断面輪郭を有する１つの材料で構成される。しかし、異なる材料を含む組成も使用することができる。したがって、異種物質を含む組成、異種材料の組成から得た光導波路、および例示としてのデバイスを開示する。
【００１２】
本発明は、プリフォームから引抜き加工することができる、高屈折率コントラストの光導波路を特徴とする。本発明は、高屈折率コントラストの光導波路を形成する材料、およびそれを選択するためのガイドラインも特徴とする。高屈折率コントラストの光導波路は、光ファイバ（すなわち全反射を用いて、光をコアに閉じ込める光導波路）およびフォトニック結晶ファイバ（例えば、ブラッグ・ファイバ）を含むことができ、光導波路への光信号の半径方向閉じ込めを強化することができる。強化した半径方向閉じ込めは、放射線の損失を減少させ、それによって伝送効率を改善することができる。さらに、高屈折率コントラストの光導波路内では、大きい光エネルギー密度を達成することができ、そのためこれは非線形の用途などの多数の用途にとって魅力的な候補となる。さらに、強化された半径方向閉じ込めに加え、光導波路内で軸方向の閉じ込めの強化も達成することが可能である。強化した軸方向閉じ込めおよび強化した半径方向閉じ込めを使用すると、高屈折率コントラストの光導波路内に、高いＱ値および／または小さいモード・ボリュームを有する光キャビティを形成することができる。このキャビティは、二安定素子などの多くの光デバイスのベースを形成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
次に、本発明の様々な態様、特徴および利点を要約する。
一般的に、１つの態様においては、本発明は、導波路軸を有する光導波路を特徴とする。光導波路は、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₁、作業温度Ｔ_wおよび軟化温度Ｔ_sを有する第１の材料を含む第１の部分を含む。光導波路は、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₂、および温度Ｔの関数として変動する粘度η₂を有する第２の材料からなる第２の部分も含む。ｎ₁とｎ₂の絶対差は少なくとも０．３５（例えば、少なくとも０．５、少なくとも０．６、少なくとも０．７、少なくとも０．８、少なくとも０．９、少なくとも１．０、少なくとも１．１、少なくとも１．２、少なくとも１．３、少なくとも１．４、少なくとも１．５、少なくとも１．６、少なくとも１．７、少なくとも１．８）である。Ｔ_wでのη₂は少なくとも１０³ポワズ（例えば、少なくとも１０⁴ポワズ）および１０⁶ポワズ以下（例えば、１０⁵ポワズ以下）である。Ｔ_sでのη₂は少なくとも１０⁵ポワズ（例えば、少なくとも１０⁶ポワズ、少なくとも１０⁷ポワズ、少なくとも１０⁸ポワズ、少なくとも１０⁹ポワズ、少なくとも１０¹⁰ポワズ、少なくとも１０¹¹ポワズ）および１０¹³ポワズ以下（例えば、１０¹²ポワズ以下、１０¹¹ポワズ以下、１０¹⁰ポワズ以下、１０⁹ポワズ以下、１０⁸ポワズ以下）である。
【００１４】
光導波路の実施形態は、１つまたは複数の以下の特徴および／または本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかを含むことができる。
第１および／または第２の材料は、ガラスなどの誘電体であってもよい。第１の材料はカルコゲナイド・ガラスを含むことができ、第２の材料は酸化ガラスおよび／またはハロゲン化ガラスを含むことができる。
【００１５】
第１および第２の部分は、均質部分または不均質部分であってもよい。不均質部分は、導波路軸に沿って延在する少なくとも１つの中空領域を含むことができる。
第１および／または第２の材料は、ポリマーなどの無機材料であってもよい。
【００１６】
第１の部分は、コアでｎ₁＞ｎ₂でよく、第２の部分はクラッド層を含むことができる。
光導波路は、ブラッグ・ファイバなどのフォトニック結晶ファイバであってもよい。
いくつかの実施形態では、第１の部分はガラス転移温度Ｔ_gを有することができ、Ｔ_gでのη₂は少なくとも１０⁸ポワズ（例えば、少なくとも１０⁹ポワズ、少なくとも１０¹⁰ポワズ、少なくとも１０¹¹ポワズ、少なくとも１０¹²ポワズ、少なくとも１０¹³ポワズ）である。
【００１７】
第１の材料は、第１の熱膨張率ＴＥＣ₁を有し、第２の材料は第２の熱膨張率ＴＥＣ₂を有することができ、２０℃と３８０℃の間で、｜ＴＥＣ₁−ＴＥＣ₂｜≦５×１０^-6／℃（例えば、｜ＴＥＣ₁−ＴＥＣ₂｜≦４×１０^-6／℃、｜ＴＥＣ₁−ＴＥＣ₂｜≦３×１０^-6／℃、｜ＴＥＣ₁−ＴＥＣ₂｜≦２×１０^-6／℃、｜ＴＥＣ₁−ＴＥＣ₂｜≦１×１０^-6／℃）であってもよい。
【００１８】
２０℃における第１の部分と第２の部分との間の残留応力は、１００ＭＰａ未満（例えば、８０ＭＰａ未満、５０ＭＰａ未満、４０ＭＰａ未満、３０ＭＰａ未満、２０ＭＰａ未満）であってもよい。
【００１９】
光導波路は閉じ込め領域を含むことができ、閉じ込め領域は第１および第２の部分を含むことができる。第１の部分は、導波路軸に沿って延在する第１の層を含むことができ、第２の部分は、導波路軸に沿って延在し、第１の層を囲む第２の層を含むことができる。
【００２０】
光導波路は、導波路軸に沿って延在する光変調を含むことができる。光変調は、構造的変調および／または屈折率変調を含むことができる。
第２の態様においては、本発明は、導波路軸を有する光導波路を作成する方法を特徴とする。該方法は、第１の部分および第１の部分を囲む第２の部分を含むファイバ・プリフォームを設けることを含む。第１の部分は、屈折率ｎ₁を有する第１の材料を含み、第２の部分は屈折率ｎ₂を有する第２の材料を含み、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３５（例えば、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．５、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．７）である。上記方法は、さらに、第１および第２の部分が１０³ポワズと１０⁶ポワズの間の粘度を有する温度までファイバ・プリフォームを加熱し、加熱したファイバ・プリフォームを光導波路に引抜き加工することを含む。
【００２１】
上記方法の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかおよび／または１つまたは複数の以下の特徴を含むことができる。
ファイバ・プリフォームは、第１および第２の部分が約１０⁴ポワズ等の１０³ポワズと１０⁵ポワズとの間の粘度を有するように加熱することができる。
【００２２】
第１の部分はプリフォーム・コアを含むことができる。第２の部分はプリフォーム・クラッドを含むことができる。
ファイバ・プリフォームはプリフォーム閉じ込め領域を含むことができ、第１および第２の部分はファイバ・プリフォームに含めることができる。
【００２３】
第１の材料は第１のガラス（例えば、カルコゲナイド・ガラス）を含むことができ、第２の材料は第１のガラスとは異なる第２のガラス（例えば、酸化ガラスまたはハロゲン化ガラス）を含むことができる。
【００２４】
方法は、さらに、光導波路の導波路軸に沿って延在する光変調を形成するように引抜き加工する間に光導波路を摂動させることを含む。
引抜き加工の間、ファイバ・プリフォームの相対的断面構造を維持することができる。
【００２５】
さらに他の態様においては、本発明は、導波路軸を有し、かつ導波路軸に沿って延在する第１の部分を含む光導波路を特徴とする。光導波路は、第１の部分とは異なり、導波路軸に沿って延在して、第１の部分を囲む第２の部分も含み、第１および第２の部分の少なくとも一方は、セレン・カルコゲナイド・ガラスおよびテルル・カルコゲナイド・ガラスで構成されるグループから選択されるカルコゲナイド・ガラスを含む。
【００２６】
光導波路の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかおよび／または１つまたは複数の以下の特徴を含むことができる。
カルコゲナイド・ガラスは、以下のガラスのいずれかでよい。すなわち、Ａｓ−Ｓｅ、Ｇｅ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｓ−Ｓｅ、Ｓ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｇｅ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｇｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｐｂ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｌ、Ａｓ−Ｔｅ−Ｔｌ、Ａｓ−Ｓｅ−ＧａおよびＧｅ−Ｓｂ−Ｓｅである。カルコゲナイド・ガラスはＡｓ₁₂Ｇｅ₃₃Ｓｅ₅₅であってもよい。
【００２７】
カルコゲナイド・ガラスは、以下の元素のいずれかを含むことができる。すなわち硼素、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、ガリウム、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン、タリウム、鉛、ビスマス、カドミウム、ランタン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素である。
【００２８】
第１および第２の部分のいずれか、または両方は、非線形材料（例えば、電気光学材料および／または光屈折材料）を含むことができる。いずれかまたは両方の部分に、１つまたは複数の希土類イオン（例えば、エルビウム・イオン）をドープすることができる。
【００２９】
第２の部分は、有機または無機誘電体などの誘電体を含むことができる。無機材料は無機ガラス（例えば、酸化、ハロゲン化・ガラスまたは混合した酸化フッ素ガラス）であってもよい。無機材料が酸化ガラスである場合、酸化ガラスは最高４０モル％（例えば、最高３０％、最高２０％、最高１０％、最高５％）のＭＯの形態の化合物を含むことができ、Ｍは、Ｐｂ、Ｃａ、Ｍｇ、ＳｒおよびＢａであってもよい。酸化ガラスは、最高４０モル％（例えば、最高３０％、最高２０％、最高１０％、最高５％）のＭ₂Ｏの形態の化合物を含むことができ、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂおよびＣｓであってもよい。酸化ガラスは、最高４０モル％（例えば、最高３０％、最高２０％、最高１０％、最高５％）のＭ₂Ｏ₃の形態の化合物を含むことができ、Ｍは、Ａｌ、ＢおよびＢｉであってもよい。酸化ガラスは、最高６０モル％（例えば、最高５０％、最高４０％、最高３０％、最高２０％、最高１０％、最高５％）のＰ₂Ｏ₅を含むことができる。酸化ガラスは、さらに、最高４０モル％（例えば、最高３０％、最高２０％、最高１０％、最高５％）のＳｉＯ₂を含むことができる。
【００３０】
誘電体が有機材料である実施形態では、有機材料はポリマー（例えば、カーボネート、スルホン、エーテルイミドおよび／またはアクリレート系ポリマーおよび／またはフルオロポリマー）であってもよい。
【００３１】
第１の部分は、屈折率ｎ₁を有するコアでよく、第２の部分は屈折率ｎ₂＜ｎ₁を有する。
光導波路は、ブラッグ・ファイバまたは穴あきフォトニック結晶ファイバなどのフォトニック結晶ファイバであってもよい。
【００３２】
別の態様においては、本発明は、導波路軸を有し、導波路軸に沿って延在するコア、および導波路軸に沿って延在し、コアを囲む閉じ込め領域を含む光導波路を特徴とし、閉じ込め領域は、カルコゲナイド・ガラスを含む。閉じ込め領域は、さらに、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、動作中、閉じ込め領域は少なくとも第１の範囲の周波数のＥＭ放射線を導波して、導波路軸に沿って伝搬させる。
【００３３】
光導波路の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかおよび／または１つまたは複数の以下の特徴を含むことができる。
閉じ込め領域は、屈折率ｎ₁を有する第１の部分、および屈折率ｎ₂を有する第２の部分を含むことができ、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．１（例えば、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．２、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．４、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．５、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．６、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．７、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．８）である。
【００３４】
コアは中空コアであってもよい。コアは、上記で列挙した誘電体などの誘電体を含むことができる。
閉じ込め領域は複数の層を含むことができる。この層は、上記で列挙したカルコゲナイド・ガラスなどのカルコゲナイド・ガラスを含む交互の層を含むことができる。複数の層のサブセットは、カルコゲナイド・ガラスがなくてもよい。層のサブセットは交互の層であってもよい。
【００３５】
さらに他の態様においては、本発明は光導波路を作成する方法を特徴とし、該方法は、第１の部分および第１の部分を囲む第２の部分を含むファイバ・プリフォームを設けることを含み、第１の部分はカルコゲナイド・ガラスを含む。上記方法は、また、第１および第２の部分が１０³ポワズと１０⁶ポワズの間の粘度を有するようにファイバ・プリフォームを加熱することと、光導波路を作成するため、加熱したファイバ・プリフォームを引抜き加工することとを含む。
【００３６】
上記方法の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかを含むことができる。
一般的に、別の態様においては、本発明は、導波路軸を有し、導波路軸に沿って延在し、屈折率ｎ₁を有する第１の誘電体を含むコアと、導波路軸に沿って延在し、かつコアを囲むクラッドとを含む光導波路を特徴とし、上記クラッドは、屈折率ｎ₂＜ｎ₁を有する第２の誘電体を含む。また、光導波路は、０．７より大きい（例えば、０．８より大きい、０．９より大きい、１．０より大きい、１．１より大きい、１．２より大きい、１．３より大きい、１．４より大きい、１．５より大きい）開口数を有する。
【００３７】
光導波路の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかおよび／または以下で列挙する特徴のいずれかを含むことができる。
第１の誘電体の屈折率は１．８より大きい（例えば、１．９より大きい、２．０より大きい、２．１より大きい、２．２より大きい、２．３より大きい、２．４より大きい、約２．５など）ものであってもよい。
【００３８】
コアは、導波路軸に沿って延在する光変調（例えば、屈折率変調および／または構造的変調）を含むことができる。光変調により、光ファイバは少なくとも０．１％（例えば、少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％、６％以上など）の伝送バンドギャップを有することができる。
【００３９】
少なくとも１つの波長で、ファイバは直径が３ミクロン未満（例えば、２ミクロン未満、１ミクロン未満、０．５ミクロン未満、０．２５ミクロン未満）のモード・フィールドを有することができる。
【００４０】
第２の誘電体の屈折率は、１．９未満（例えば、１．８未満、１．７未満、１．６未満、１．５未満、約１．４など）であってもよい。
光導波路は、さらに、導波路軸に沿って延在する分散調整領域を含むことができ、動作中に、コアはある周波数範囲で少なくとも１つのモードをサポートすることができ、分散調整領域は、第１の周波数範囲において導波モードと相互作用して作業モードを生成する１つまたは複数の追加モードを導入する。クラッドは分散調整領域を囲むことができる。
【００４１】
コアは、３ミクロン未満（例えば、２ミクロン未満、１ミクロン未満、０．５ミクロン未満、０．２５ミクロン未満）の直径を有することができる。
さらに他の態様においては、本発明は、導波路軸を有する光導波路であって、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₁および融点Ｔ_mを有する第１の材料を含む第１の部分を含む光導波路を特徴とする。光導波路は、導波路軸に沿って延在し、かつ第１の部分を囲んで、屈折率ｎ₂および作業温度Ｔ_wを有する第２の材料を含む第２の部分も含み、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３５で、Ｔ_m＞Ｔ_wである。
【００４２】
光導波路の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかを含むことができる。
別の態様においては、本発明は、導波路軸を有する光ファイバであって、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₁を有する第１の誘電体を備えるコアと、導波路軸に沿って延在し、かつコアを囲むクラッドとを含む光ファイバを特徴とする。クラッドは、屈折率ｎ₂を有する第２の誘電体を含むことができ、ｎ₁−ｎ₂≧０．５（例えば、ｎ₁−ｎ₂≧０．６、ｎ₁−ｎ₂≧０．７、ｎ₁−ｎ₂≧０．８、ｎ₁−ｎ₂≧０．９、ｎ₁−ｎ₂≧１．０、ｎ₁−ｎ₂≧１．１、ｎ₁−ｎ₂≧１．２）である。
【００４３】
光ファイバの実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかを含むことができる。
さらに他の態様においては、本発明は、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₁を有する第１の部分と、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₂を有する第２の部分とを含む導波路軸を有する光導波路を設けることを含む方法を特徴とし、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３５である。上記方法は、入力信号パワーに対して非線形変動する出力信号パワーを有する出力信号を光導波路が生成するのに十分な入力信号パワーで、入力信号を光導波路内に配向することも含む。
【００４４】
上記方法の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する特徴のいずれかを含むことができる。
一般的に、別の態様においては、本発明は、導波路軸に沿って軸方向の光変調を有するフォトニック結晶ファイバを作成する方法を特徴とする。該方法は、フォトニック結晶ファイバ・プリフォームを引抜温度まで加熱し、プリフォームからフォトニック結晶ファイバを引抜き加工し、フォトニック結晶ファイバ内に導波路軸に沿って軸方向の光変調を生成するため、引抜き加工の間にフォトニック結晶ファイバ・プリフォームを摂動させることを含む。
【００４５】
上記方法の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する１つまたは複数の特徴および／または以下の特徴のいずれかを含むことができる。
フォトニック結晶ファイバは、導波路軸に沿って延在し、かつ第１の屈折率ｎ₁を有する第１の層と、第１の層に隣接して導波路軸に沿って延在し、かつ第２の屈折率ｎ₂を有する第２の層とを含むことができ、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．１（例えば、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．２、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．４、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．５）である。
【００４６】
フォトニック結晶ファイバは中空コアを有することができる。
フォトニック結晶ファイバの直径は、引抜速度に関連させることができ、ファイバの摂動は、引抜速度を変動させてファイバ直径を変動させることを含むことができる。
【００４７】
フォトニック結晶ファイバの摂動は、フォトニック結晶ファイバの直径を変化させるため、導波路軸に沿って引抜温度を変動させることを含むことができる。フォトニック結晶ファイバは、引抜中に放射線（例えば、レーザ放射線）で照明し、導波路軸に沿って引抜温度を変動させることができる。
【００４８】
フォトニック結晶ファイバは中空ファイバでよく、ファイバの摂動は、中空ファイバ内の圧力を変動させることを含むことができる。別の方法としては、または追加的に、ファイバの摂動は、フォトニック結晶ファイバの外側の圧力を変動させることを含むことができる。
【００４９】
軸方向の光変調は周期的または非周期的変調であってもよい。軸方向の光変調は、フォトニック結晶ファイバ内にファイバ・ブラッグ格子を形成することができる。
軸方向の光変調は、フォトニック結晶ファイバ内に光キャビティを形成することができる。
【００５０】
さらに他の態様においては、本発明は、光導波路の導波路軸に沿って軸方向の光変調を形成する方法を特徴とする。該方法は、中空コアを有する光導波路を提供し、コア媒体を中空コア内に導入し、光導波路の導波路軸に沿ってコア媒体に軸方向光変調を形成させる作用物質に光導波路を露出させることを含む。
【００５１】
上記方法の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する１つまたは複数の特徴および／または以下の特徴のいずれかを含むことができる。
コア媒体は、類似した形状の複数の物体（例えば、球形の物体）を含むことができる。類似形状の物体はポリマー物体であってもよい。少なくとも類似形状の物体の一部を、中空コア内で相互に隣接して配置することができる。作用物質に光導波路を露出することは、光導波路が中空コア内にある類似形状の複数の物体と一致するようにファイバを加熱することを含むことができる。
【００５２】
上記方法は、導波路ファイバを作用物質に露出した後、コア媒体の少なくとも一部を除去することを含むことができる。コア媒体の除去は、コア媒体の一部を除去する除去剤（例えば、エッチング剤または溶剤）をコア内に設けることを含むことができる。
【００５３】
コア媒体は、感光性媒体（例えば、フォトレジスト、または放射線に露出すると変化する屈折率を有する材料）であってもよい。
作用物質へのコア媒体の露出は、コア媒体の一部を放射線（例えば、電磁放射線または電子ビーム放射線）で照明することを含むことができる。放射線は干渉パターンを含むことができる。放射線は、コア媒体の露出部分の光学的特性（例えば、コア媒体の屈折率、またはコア媒体の構造）を、放射線に露出していない部分の光学的特性とは異なるようにすることができる。
【００５４】
コア媒体はブロック共重合体であってもよい。
別の態様においては、本発明は、導波路軸を有する光導波路であって、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₁を有する第１の部分と、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₂を有する第２の部分とを含む光導波路を特徴とし、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３５である。また、光導波路は、導波路軸に沿って延在する軸方向の光変調を有する。
【００５５】
光導波路の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する１つまたは複数の特徴および／または以下の特徴のいずれかを含むことができる。
軸方向の光変調は、少なくとも０．１％（例えば、少なくとも０．５％、少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％、少なくとも６％、少なくとも７％、８％以上など）の振幅を有することができる。
【００５６】
軸方向の光変調は、光導波路直径の変調などの構造的変調を含むことができる。軸方向の光変調は、光導波路の屈折率の変調であってもよい。
軸方向の光変調は、光導波路内にブラッグ反射器を形成することができる。軸方向の光変調は、光導波路内に光キャビティを形成する。光キャビティは、共振波長λ、および５００λ³以下（例えば、２００λ³以下、１００λ³以下、５０λ³以下、２０λ³以下、１０λ³以下、５λ³以下、２λ³以下、１λ³以下）のモード・ボリュームを有する。
【００５７】
第２の部分は第１の部分を囲み、第１の部分は非線形材料を含むことができる。
別の態様においては、本発明は、導波路軸を有する光ファイバであって、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₁を有するコアと、導波路軸に沿って延在し、かつコアを囲むクラッドとを含み、クラッドは屈折率ｎ₂＜ｎ₁を有し、さらに、導波路軸に沿って延在し、かつ共振波長λ、および１００λ³以下（例えば、５０λ³未満、２０λ³未満、１０λ³未満、５λ³未満、２λ³未満、１λ³未満）のモード・ボリュームを有する光キャビティを形成する軸方向の光変調を含む光ファイバを特徴とする。
【００５８】
光ファイバの実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する１つまたは複数の特徴および／または以下の特徴のいずれかを含むことができる。
軸方向の光変調は、少なくとも１％（例えば、少なくとも２％、少なくとも３％、少なくとも４％、少なくとも５％）の振幅を有することができる。
【００５９】
別の態様においては、本発明は、導波路軸を有する光導波路を含む光導波路装置を特徴とし、光導波路は、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₁を有する第１の部分と、導波路軸に沿って延在し、かつ屈折率ｎ₂を有する第２の部分とを含み、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３５である。光導波路装置は、また、光導波路内に光キャビティを形成する軸方向の光変調と、動作中に、光導波路中を伝搬し、第１のパワー値Ｐ₁と第２のパワー値Ｐ₂との間のパワーを有する入力信号とを含み、これによって光導波路は、入力信号パワーに対して非線形で変動する出力信号パワーを有する出力信号を生成する。
【００６０】
光導波路装置の実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する１つまたは複数の特徴および／または以下の特徴のいずれかを含むことができる。
Ｐ₁とＰ₂との間の入力信号パワーにより、光導波路は、入力信号パワーに対して不連続的に変動する出力信号パワーを有する出力信号を生成する。
【００６１】
入力信号パワーがＰ₁より低いと、光導波路は、出力パワー値Ｐ_out,1より低い出力信号パワーを有する出力信号を生成することができ、入力信号パワーがＰ₂より高いと、光導波路が、出力パワー値Ｐ_out,2より高い出力信号パワーを有する出力信号を生成することができ、Ｐ_out,2／Ｐ_out,1は少なくとも２（例えば、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも１００）である。比率Ｐ₁／Ｐ₂は、０．５より大きい（例えば、０．７５より大きい、０．９より大きい、０．９５より大きい、０．９９より大きい）ものであってもよい。
【００６２】
光キャビティは、品質係数Ｑを有し、Ｐ₁は１０⁸Ｗ／Ｑ²以下（例えば、１０⁷Ｗ／Ｑ²、１０⁶Ｗ／Ｑ²、１０⁵Ｗ／Ｑ²、１０⁴Ｗ／Ｑ²、１０³Ｗ／Ｑ²以下）であってもよい。
軸方向の光変調は、複数の光キャビティ（例えば、２つの光キャビティ、３つの光キャビティ、４つの光キャビティ、または５つ以上の光キャビティ）を形成することができる。
【００６３】
さらに他の態様においては、本発明は、導波路軸を有するフォトニック結晶ファイバを特徴とし、フォトニック結晶ファイバは、導波路軸に沿って延在するコア領域と、導波路軸に沿って延在して、コアを囲み、かつカルコゲナイド・ガラスを含む閉じ込め領域と、導波路軸に沿って延在し、フォトニック結晶ファイバ内に光キャビティを形成する軸方向の光変調とを含む。
【００６４】
フォトニック結晶ファイバの実施形態は、本発明の他の態様に関して言及する１つまたは複数の特徴および／または以下の特徴のいずれかを含むことができる。
フォトニック結晶ファイバは、１次元で周期的なフォトニック結晶ファイバ（例えば、ブラッグ・ファイバ）であってもよい。フォトニック結晶ファイバは、例えば、穴あき領域などの不均質閉じ込め領域などを有する２次元で周期的なフォトニック結晶ファイバであってもよい。
【００６５】
軸方向の光変調は、少なくとも０．０１％の振幅を有することができる。
他に定義されていない限り、本明細書で使用する全ての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で言及する全ての出版物、特許出願、特許および他の参考文献は、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、定義を含めて本発明の明細書が優勢となる。また、装置、方法および例は、例示に過ぎず、制限するものではない。
【００６６】
本発明の追加の特徴、目的および利点は、以下の詳細な説明および図面および特許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】
【００６７】
本発明を、添付の図面を参照しながら以下にさらに記述するが、これは単なる例示としてのものにすぎない。
様々な図面の類似の参照記号は、類似の要素を示す。
【００６８】
本発明は、同時引抜き加工することができる異なる光学材料を含む部分を有する光導波路に関する。部分は、導波路の光学特性を決定する光導波路の構造的要素（例えば、導波路が光信号を経路に閉じ込める方法を決定する構造的要素）である。このような光導波路の１つは、部分がコアおよびコアを囲むクラッドを含む従来の光ファイバ（以下では「光ファイバ」と呼ぶ）である。コアおよびクラッドにより、ある周波数サブセット内の光エネルギーは、コア内に閉じ込められながら、導波路軸に沿って伝搬する。光導波路の別の例としてはフォトニック結晶ファイバがあり、これはコアおよび閉じ込め領域を含む。閉じ込め領域は屈折率変動を有し、これはバンドギャップを形成し、ある周波数範囲内の光を反射して、その光をコアに閉じ込める。１つのタイプのフォトニック結晶ファイバがブラッグ・ファイバで、その閉じ込め領域は、屈折率を変化させる異なる組成の複数層を含むことができる。このような場合では、各層が導波路の一部と見なされる。
【００６９】
同時引抜き加工することができる異なる光学材料を含む部分を有する光導波路は、光導波路引抜システムを使用して、光導波路プリフォームから作成することができる。図１について説明すると、光導波路引抜システム１０１はプリフォーム・ホルダ１１０を含み、これは炉１３０に対してプリフォーム１２０を配置する。炉１３０は、プリフォーム１２０を引抜き加工して光導波路１４０にできるほど十分に高い温度まで、プリフォーム１２０を加熱する。光導波路１４０は、導波路軸に沿って延在する様々な部分、例えば、コア、クラッド層および／またはコアまたはクラッド層内の領域を含む。ファイバ・モニタ・システム１５０が、様々なファイバ特性（例えば、ファイバ直径）を測定する。ファイバ・モニタ・システム１５０は、制御装置１６０と通信する。制御装置１６０は、ファイバ・モニタ・システム１５０から受信したファイバ・データに基づいて、引抜パラメータ（例えば、炉の温度および引抜速度）を制御する。コーティング塗布装置１７０が、光導波路１４０に保護コート（例えば、プラスチック・コーティング）を塗布する。一連のＵＶランプ１８０が、化学線内で保護コーティングを硬化する。コーティングした光導波路を巻き取りスプール１９０に巻き付け、使用するために連続ファイバのコンパクトなスプールを提供する。任意選択で、光導波路引抜システム１０１は、焼きなまし炉１９５を含み、これはファイバ１４０を再加熱して、ファイバ１４０が冷却するにつれ発生した応力を緩和する。
【００７０】
光導波路を引抜き加工する場合、光導波路の半径方向の寸法は、引抜速度の平方根に反比例する（例えば、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， ｐ．１８２（１９８８）参照）。光導波路を引っ張る速度が速いほど、光導波路の直径が小さくなる。さらに、光導波路内の様々な部分の寸法比は、引っ張り速度が変化する間、保存される。例えば、クラッド対コアの半径比が１：１のプリフォームでは、ファイバ全体で温度分布が均一でガラス質区間の粘度が均一であると仮定すると、完成したファイバの実際の寸法に関係なく、クラッドとコアとの半径比が１：１のファイバが生成される。すなわち、引っ張り速度が変化すると、完成した光導波路の最終寸法が変化するが、任意の断面内で１つの部分の別の部分に対する相対的寸法は変化しない。したがって、光導波路の引抜き加工は、複雑なプリフォームの断面構造を完成したファイバにて保存し、そのため、引抜き加工は複雑な光導波路にとって適切な製造法になる。例えば、「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａｉｒ」（Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８５，５４３３，ｐ．１５３７−１５３９（Ｓｅｐｔ．１９９９））にてＲｕｓｓｅｌｌ他は、「ハニカム」に似た半径方向の断面を有し、引抜き加工で形成されたフォトニック結晶ファイバについて説明している。
【００７１】
好ましい実施形態では、本発明は、導波路の異なる部分が非常に異なる屈折率を有する光導波路に関する。以下のパラグラフで説明するように、光導波路の異なる部分の屈折率間の大きい差は、導波路内への電磁モードの半径方向閉じ込めを強化することができる。導波モードの強化された半径方向閉じ込めは、クラッド内の電磁エネルギーの量を減少させ、それによってクラッドに関連する伝送損失を減少させることができる。さらに、導波モードの強化された半径方向閉じ込めは、光導波路内の非線形効果を強化することができる。
【００７２】
「非常に異なる屈折率」とは、光導波路の第１の部分と第２の部分との屈折率の絶対差が、少なくとも０．３５（例えば、少なくとも０．４、少なくとも０．４５、少なくとも０．５、少なくとも０．５５、少なくとも０．６、少なくとも０．７、少なくとも０．８、少なくとも０．９、少なくとも１．０、少なくとも１．１、少なくとも１．２）である、という意味である。例えば、導波路軸に沿って延在する光導波路の高い屈折率部分は、屈折率ｎ₁を有する高屈折率の材料（例えば、誘電体）を含み、ｎ₁は約１．８０より大きい（例えば、１．８５より大きい、１．９より大きい、１．９５より大きい、２．０より大きい、２．１より大きい、２．２より大きい、２．３より大きい、２．４より大きい、２．５より大きい、約２．８など）。光導波路は、導波路軸に沿って延在する低屈折率部分も有する。低屈折率部分は、屈折率ｎ₂を有する低屈折率の材料（例えば、誘電体）を含み、ｎ₂は約２．２未満（２．０未満、約１．９未満、約１．８５未満、約１．８未満、約１．７５未満、１．７未満、１．６５未満、１．６未満、１．５５未満、１．５未満、１．４５未満、１．４など）である。
【００７３】
光導波路の異なる部分間の屈折率の差を表す代替方法は、「屈折率コントラスト」である。屈折率コントラストは下式のように定義される。
【００７４】
【数１】

ここで、ｎ₁＞ｎ₂である。一般的に、本発明は、高い屈折率コントラスト、例えば、少なくとも０．１、０．５以上などの屈折率コントラストを有する光導波路に関する。屈折率コントラストは、パーセンテージとしても表すことができる。
【００７５】
本明細書では、材料の屈折率とは、導波路が光を導波するよう設計された波長における材料の屈折率を指すことに留意されたい。通常、光導波路では、この波長は約０．３μｍと１５μｍの間である。特定の波長範囲は、電気通信用途にとって重要な範囲で、例えば、０．７〜０．９μｍおよび１．１〜１．７μｍである。この波長範囲は、一般に使用される材料（例えば、シリカ）が比較的小さい吸収係数を有するような波長に対応し、その結果、構成部品の損失が比較的少なくなる。
【００７６】
次に、高屈折率コントラストの光導波路の高屈折率部分と低屈折率部分とにとって適切な特定の材料について説明する。
高屈折率部分を形成するために適宜に高い屈折率の材料には、カルコゲナイド・ガラス（例えば、硫黄、セレンおよび／またはテルルなどのカルコゲン元素を含むガラス）、重金属酸化ガラス、非晶質合金、およびその組合せ等がある。
【００７７】
カルコゲン元素に加えて、カルコゲナイド・ガラスは、以下の元素、すなわち、硼素、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、ガリウム、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン、タリウム、鉛、ビスマス、カドミウム、ランタンおよびハロゲン化物（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素）のうちの１つまたは複数を含むことができる。
【００７８】
カルコゲナイド・ガラスは、２成分または３成分ガラス系、例えば、Ａｓ−Ｓ、Ａｓ−Ｓｅ、Ｇｅ−Ｓ、Ｇｅ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｓ−Ｓｅ、Ｓ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｇｅ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｇｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｐｂ、Ａｓ−Ｓ−Ｔｌ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｌ、Ａｓ−Ｔｅ−Ｔｌ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｇａ、Ｇａ−Ｌａ−Ｓ、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｓｅまたは複合体、Ａｓ−Ｇａ−Ｇｅ−Ｓ、Ｐｂ−Ｇａ−Ｇｅ−Ｓなどの元素に基づいた多成分ガラスであってもよい。カルコゲナイド・ガラス中の各元素の比率は変えることができる。例えば、適宜に高い屈折率を有するカルコゲナイド・ガラスは、５〜３０モル％のヒ素、２０〜４０モル％のゲルマニウム、および３０〜６０モル％のセレンで形成することができる。
【００７９】
高い屈折率を有する重金属酸化ガラスの例としては、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＰｂＯ、Ｔｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂およびＴｅＯ₂を含むガラスがある。
適宜に高い屈折率を有する非晶質合金としては、Ａｌ−Ｔｅ、Ｒ−Ｔｅ（Ｓｅ）（Ｒ＝アルカリ）等がある。
【００８０】
低屈折率部分を形成するのに適宜に低い屈折率を有する材料としては、酸化ガラス、ハロゲン化ガラス、ポリマー、およびその組合せ等がある。適切な酸化ガラスとしては、以下の化合物を１つまたは複数含むガラス等がある。すなわち０〜４０モル％のＭ₂Ｏで、ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓであり、さらに０〜４０モル％のＭ’Ｏで、Ｍ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、ＺｎまたはＰｂであり、さらに０〜４０モル％のＭ”₂Ｏ₃で、Ｍ”はＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＳｎまたはＢｉであり、さらに０〜６０モル％のＰ₂Ｏ₅、および０〜４０モル％のＳｉＯ₂である。
【００８１】
多くのハロゲン化ガラスが低屈折率の要件を満足することができる。フッ化ガラスおよび酸化ガラスとフッ化ガラスの混合物で、例えば、燐酸フッ化物は整合材料として特に適している。
【００８２】
炭酸、スルホン酸、エーテルイミドおよびアクリル酸系、さらにフルオロポリマーを含むポリマーも優れた整合材料の候補である。
高屈折率コントラストの光導波路の部分は、任意選択で他の材料を含むことができる。例えば、どの部分も、その部分の屈折率を変化させる１つまたは複数の材料を含むことができる。部分は、その部分の屈折率を上昇させる材料を含むことができる。このような材料には、例えば、酸化ゲルマニウムがあり、これはホウケイ酸ガラスを含む部分の屈折率を増加させることができる。あるいは、部分は、その部分の屈折率を減少させる材料を含むことができる。例えば、酸化ホウ素は、ホウケイ酸ガラスを含む部分の屈折率を減少させることができる。
【００８３】
高屈折率コントラストの光導波路の部分は、均質または不均質であってもよい。例えば、１つまたは複数の部分が、不均質部分を形成するために、基材に埋め込んだ１つの材料のナノ粒子（例えば、導波波長にて最小限に光を散乱するのに十分なほど小さい粒子）を含むことができる。その例としては、高屈折率のカルコゲナイド・ガラスのナノ粒子をポリマーの基材に埋め込んで形成した高屈折率ポリマー複合体がある。さらに他の例としては、無機ガラス基質にＣｄＳｅおよび／またはＰｂＳｅのナノ粒子を含んだものがある。不均質ファイバ部分の他の例としては、いわゆる「穴あき」部分がある。穴あき部分は、導波路軸に沿って延在する１つまたは複数の中空領域、すなわち穴を含む。中空領域は流体（例えば、気体または液体）で充填することができる。例えば、空気で充填した中空領域は、その部分の屈折率を減少させることができる。この理由は空気の屈折率ｎ_air≒１だからである。いくつかの実施形態では、光導波路は同じ材料の穴あき部分と非穴あき部分を含むことができる。例えば、光導波路は、中実ガラス部分、および中空領域があるガラス部分を有するクラッド層を含むことができる。低屈折率の中空領域のため、中空領域がある部分の屈折率は中実部分より低い。
【００８４】
高屈折率コントラストの光導波路の部分は、ファイバのその部分の機械的、流動学的および／または熱力学的挙動を変化させる材料を含むことができる。例えば、１つまたは複数の部分は可塑剤を含むことができる。部分は、結晶化を、またはファイバ内の他の望ましくない位相挙動を抑制する材料を含むことができる。例えば、ポリマーの結晶化は、架橋剤（例えば、感光性架橋剤）を含むことによって抑制することができる。他の例では、ガラス・セラミック材料が望ましい場合は、ＴｉＯ₂またはＺｒＯ₂などの核剤を材料に含めることができる。
【００８５】
部分は、ファイバの隣接する部分間の境界面に影響するよう設計された化合物も含むことができる。このような化合物には、定着剤および相溶化剤がある。例えば、オルガノシラン化合物を使用して、シリカ系ガラス部分とポリマー部分との接着を促進することができる。例えば、リンまたはＰ₂Ｏ₅は、カルコゲナイド・ガラスおよび酸化ガラスの両方との相溶性があり、これらのガラスから形成された部分間の接着を促進することができる。
【００８６】
高屈折率コントラストの光導波路は、特定の光導波路用途に固有の追加材料を含むことができる。例えば、ファイバ増幅器では、どの部分も、ファイバ内の光信号と相互作用することができる任意のドーパントまたはドーパントの組合せで形成し、ファイバによる１つまたは複数の光の波長の吸収または放出を強化することができる。例えば、少なくとも１つの希土類イオン、エルビウム・イオン、イッテルビウム・イオン、ネオジム・イオン、ホルミウム・イオン、ジスプロシウム・イオンおよび／またはツリウム・イオンなどである。
【００８７】
高屈折率コントラストの導波路の部分は、１つまたは複数の非線形材料を含むことができる。非線形材料とは、導波路の非線形応答を強化する材料である。特に、非線形材料は、シリカより大きい非線形応答を有する。例えば、非線形材料は、シリカのカー（Kerr）非線形指数より大きい（例えば、３．５×１０^-20ｍ²／Ｗより大きい、５×１０^-20ｍ²／Ｗより大きい、１０×１０^-20ｍ²／Ｗより大きい、２０×１０^-20ｍ²／Ｗより大きい、１００×１０^-20ｍ²／Ｗより大きい、２００×１０^-20ｍ²／Ｗより大きいなど）カー非線形指数ｎ⁽²⁾を有する。
【００８８】
引抜き加工を使用して、頑丈な高屈折率コントラストの光導波路を作成する場合、十分に異なる屈折率を有する材料の全ての対が適切である必要はない。通常、流動学、熱動力学、および物理化学的に相溶性がある材料を選択するとよい。次に、相溶性材料を賢明に選択するためのいくつかの基準について検討する。
【００８９】
第１の基準は、流動学的に相溶性のある材料を選択することである。すなわち、ファイバの引抜き加工および作業の様々な段階で経験する温度に対応する広い温度範囲にわたり、同様の粘度を有する材料を選択することである。粘度とは、剪断応力を加えた状態における流体の流れに対する抵抗である。本明細書では、粘度をポワズの単位で示す。流動学的相溶性について詳しく述べる前に、任意の材料に関する一組の特徴的な温度、任意の材料が比粘度を有する温度を定義する。
【００９０】
焼きなまし点Ｔ_aは、材料が１０¹³ポワズの粘度を有する温度である。Ｔ_aは、Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（オハイオ州ウェスタービル）のＭｏｄｅｌ ＳＰ−２Ａシステムを使用して測定することができる。通常、Ｔ_aは、ガラス片の粘度が残留応力を緩和できるほど十分に低くなる温度である。
【００９１】
軟化点Ｔ_sは、材料が１０^7.65ポワズの粘度を有する温度である。Ｔ_sは、軟化点計器、例えば、Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（オハイオ州ウェスタービル）のＭｏｄｅｌ ＳＰ−３Ａシステムを使用して測定することができる。軟化点は、材料の流れが自然界で可塑性から粘性へと変化する温度に関連する。
【００９２】
作業点Ｔ_wは、材料が１０⁴ポワズの粘度を有する温度である。Ｔ_wは、ガラス粘度計、例えば、Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（オハイオ州ウェスタービル）のＭｏｄｅｌ ＳＰ−４Ａシステムを使用して測定することができる。作業点は、ガラスを容易に引抜き加工してファイバにすることができる温度に関連する。例えば、材料が無機ガラスであるいくつかの実施形態では、材料の作業点温度は、２５０℃以上、例えば、約３００℃、４００℃、５００℃またはそれ以上であってもよい。
【００９３】
融点Ｔ_mは、材料が１０²ポワズの粘度を有する温度である。Ｔ_mは、ガラス粘度計、例えば、Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（オハイオ州ウェスタービル）のＭｏｄｅｌ ＳＰ−４Ａシステムを使用して測定することができる。融点は、ガラスが液体になり、ファイバの幾何学的形状の維持に関してファイバ引抜き加工制御が非常に困難になる温度に関連する。
【００９４】
流動学的に相溶性があるためには、２つの材料は広い温度範囲にわたって、例えば、ファイバを引抜き加工する温度から、ファイバがもはや認識できる速度で応力を緩和できない温度（例えば、Ｔ_a）またはそれ以下まで、類似の粘度を有するとよい。したがって、２つの材料が引抜き加工時に類似の速度で流れるように、２つの相溶性材料の作業温度は類似であるとよい。例えば、第２の材料の作業温度Ｔ_w2で第１の材料の粘度η₁（Ｔ）を測定すると、η₁（Ｔ_w2）は少なくとも１０³ポワズ、例えば、１０⁴ポワズまたは１０⁵ポワズ、および１０⁶ポワズ以下であるとよい。さらに、引抜き加工したファイバが冷めるにつれ、両方の材料の挙動は類似の温度で粘性から弾性に変化するはずである。すなわち、２つの材料の軟化温度は類似でなければならない。例えば、第２の材料の軟化温度Ｔ_s2にて、第１の材料の粘度η₁（Ｔ_s2）は少なくとも１０⁶ポワズ、例えば、１０⁷ポワズまたは１０⁸ポワズおよび１０⁹ポワズ以下である。好ましい実施形態では、両方の材料を一緒にアニールすることが可能でなければならず、したがって第２の材料の焼きなまし温度Ｔ_a2で、第１の材料の粘度η₁（Ｔ_a2）は少なくとも１０⁸ポワズ（例えば、少なくとも１０⁹ポワズ、少なくとも１０¹⁰ポワズ、少なくとも１０¹¹ポワズ、少なくとも１０¹²ポワズ、少なくとも１０¹³ポワズ、少なくとも１０¹⁴ポワズ）でなければならない。
【００９５】
また、流動学的に相溶性があるためには、両方の材料の温度の関数としての粘度の変化（すなわち粘度勾配）は、可能な限り一致することが好ましい。すなわち、材料がガラスである場合、短いガラスを別の短いガラスと対にする（短いガラスが温度の関数として粘度勾配が急なガラスである場合、長いガラスとは反対）。例えば、高屈折率のＢｉ₂Ｏ₃を基材とするガラスでは、短いホウケイ酸ガラスは、長い燐酸塩ガラスより類似の引抜温度とよく一致する。Ｂｉ₂Ｏ₃が短いガラスを形成するからである。
【００９６】
第２の選択基準は、各材料の熱膨張率（ＴＥＣ）が焼きなまし温度と室温との間の温度にて類似でなければならないことである。すなわち、ファイバが冷めて、その流動性が液体状から固体状へと変化するにつれ、両方の材料の体積が類似の量だけ変化しなければならない。２つの材料のＴＥＣが十分に一致しないと、２つのファイバ部分間で体積変化の差が大きくなり、その結果、大量の残留応力が生じ、このため１つまたは複数の部分がひび割れたり、および／または離層したりする。残留応力は、材料の破壊応力より十分低い応力でも遅れ破壊を引き起こす場合がある。
【００９７】
ＴＥＣは、温度変化によるサンプル長さの分数変化率の尺度である。図２について説明すると、このパラメータは、任意の材料について、温度と長さ（または同等に温度と体積）の曲線の勾配から計算することができる。材料の温度と長さの曲線は、例えば、Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（オハイオ州ウェスタービル）のＭｏｄｅｌ １２００Ｄ膨脹計などの膨脹計を使用して測定することができる。ＴＥＣは、選択した温度範囲にわたって、または任意の温度の瞬間的変化として測定することができる。この量は℃^-1の単位を有する。温度と長さの曲線には、異なる勾配を有する２つの線形領域があることに留意されたい。曲線が第１の直線領域から第２の直線領域へと変化する転移領域がある。この領域は、ガラス転移に関連する。ここで、ガラス・サンプルの挙動は、固体材料に通常関連する挙動から、粘性流体に通常関連する挙動へと転移する。これは連続的転移であり、勾配の不連続変化とは反対に、温度と体積の曲線の勾配の漸進的変化を特徴とする。ガラス転移温度Ｔ_gは、図２で示すように、外挿したガラスの固体流体線と粘性流体線とが交差する温度と定義することができる。ガラス転移温度は、脆性固体から、流れることができる固体への材料流体学的性質の変化に関連する温度である。物理的に、ガラス転移温度は、材料中の様々な分子並列モードおよび回転モードを励起するのに必要な熱エネルギーに関連する。ガラス転移温度は、往々にしてほぼ焼きなまし点と見なされ、粘度は１０¹³ポワズであるが、実際には、Ｔ_g測定値は相対値であり、測定技術に依存する。
【００９８】
図２で示すように、膨脹計も使用して、膨脹計の軟化点Ｔ_dsを測定することができる。膨脹計は、サンプルに小さい圧縮荷重を加え、サンプルを加熱することによって動作する。サンプルの温度が十分に高くなると、材料は軟化し始め、圧縮荷重によってサンプルがたわみ、これは体積または長さの減少として観察される。この相対値は、膨脹計軟化点と呼ばれ、通常は、材料の粘度が１０¹⁰ポワズと１０^12.5ポワズの間の時に発生する。材料の正確なＴ_dsの値は、通常、計器および測定パラメータによって決定される。同様の計器および測定パラメータを使用すると、この温度が、この粘度領域における様々な材料の流動学的相溶性に有用な尺度を提供する。
【００９９】
上述したように、ＴＥＣを一致させることは、引抜き加工中でファイバに生じるような過度の残留応力がないファイバを獲得するために、重要な考慮事項である。通常、２つの材料のＴＥＣが十分に一致していない場合は、残留応力が弾性応力として生じる。弾性応力成分は、ファイバがガラス転移温度から室温（例えば、２５℃）へと冷める時、その異なる材料間の体積収縮の差から生じる。体積変化はＴＥＣおよび温度変化によって決定される。ファイバ内の材料が引抜き加工中に任意の境界面で融解または接着する実施形態では、その各ＴＥＣが異なる結果、境界面に応力が生じる。一方の材料が張力（正応力）を受けて、他方が圧縮力（負応力）を受け、したがって合計の応力はゼロになる。中位の圧縮応力自体は、通常、ガラス・ファイバの主要な関心事ではないが、引張り応力は望ましくなく、時間が経過すると破壊につながることがある。したがって、引抜き加工中にファイバ内での弾性応力発生を最小限に抑えるため、構成要素材料のＴＥＣの差を最小にすることが望ましい。例えば、２つの異なる材料から形成した複合ファイバでは、加熱速度３℃／分で膨脹計にて測定したＴ_gと室温との間における各ガラスのＴＥＣの絶対差は、５×１０^-6℃^-1以内（例えば、４×１０^-6℃^-1以内、３×１０^-6℃^-1以内、２×１０^-6℃^-1以内、１×１０^-6℃^-1以内、５×１０^-7℃^-1以内、４×１０^-7℃^-1℃以内、３×１０^-7℃^-1以内、２×１０^-7℃^-1以内）でなければならない。
【０１００】
同様のＴＥＣを有する材料を選択すると、弾性応力成分を最小にすることができるが、粘弾性応力成分から残留応力が生じることもある。粘弾性応力成分は、構成要素材料の歪み点またはガラス転移温度間に十分な差がある場合に発生する。図２の曲線で示すように、材料は、Ｔ_gより下に冷めるにつれ、相当の大きさの体積収縮を行う。さらに、冷却して、この転移で粘度が変化するにつれ、応力を緩和するために必要な時間がゼロ（瞬時）から分単位へと増加する。例えば、２つ以上のガラスで作成し、それぞれが異なるガラス転移範囲（および異なるＴ_g）を有する複合プリフォームを考えてみる。初期引抜き加工の間、ガラスは粘性流体として挙動し、引抜き加工の歪みによる応力は瞬時に緩和される。引抜き加工炉の最高温度部分を過ぎると、ガラス・ファイバは急速に熱を失い、応力緩和時間とともに、ファイバ材料の粘度も急激に増加する。Ｔ_gまで冷めると、各ガラスは実際的にそれ以上応力を緩和できなくなる。応力緩和時間が引抜速度と比較して、非常に大きくなるからである。したがって、構成要素のガラスが異なるＴ_g値を有すると仮定すると、Ｔ_gまで冷めた第１のガラスは、もはや応力を減少させることができないが、第２のガラスはまだそのＴ_gより高く、ガラス境界面で生じる応力を緩和することができる。第２のガラスがそのＴ_gまで冷めると、ガラス間に生じた応力は、もはや効果的に緩和することができない。さらに、この点で、第２のガラスの体積収縮は、第１のガラス（この時点でＴ_gより下がり、脆性固体として挙動している）の体積収縮よりはるかに大きい。このような状況の結果、ガラス間に十分な応力が蓄積することができ、したがってガラス部分の一方または両方が機械的に破壊される。そのため、ファイバ材料を選択するために第３の選択基準に行き着く。すなわち、引抜き加工中にファイバ内に発生する粘弾性応力を最小にするため、構成要素ガラスのＴ_gの差を最小にすることが望ましい。第１の材料のガラス転移温度Ｔ_g1は、第２の材料のガラス転移温度Ｔ_g2から１００℃以内でなければならない（例えば、｜Ｔ_g1−Ｔ_g2｜は９０℃未満、８０℃未満、７０℃未満、６０℃未満、５０℃未満、４０℃未満、３０℃未満、２０℃未満、１０℃未満でなければならない）。
【０１０１】
成分材料間の差のため、引抜き加工したファイバに永久応力を発生させるメカニズムが２つ（すなわち弾性および粘弾性）があるので、このメカニズムを用いて、相互に相殺してもよい。例えば、ファイバを構成する材料は、材料のＴ_gが一致せずに、反対の符号の応力が生じると、熱膨張の不一致によって引き起こされる応力を自然に相殺することができる。逆に、材料の熱膨張が全体的な永久応力を減少させる場合は、材料間のＴ_gの差が大きくなってもよい。図３について説明すると、熱膨張とガラス転移温度の差との複合した効果を評価する１つの方法は、各構成要素材料の温度と長さの曲線を比較することである。以前の勾配正接法を使用して各ガラスのＴ_gを求めた後、曲線が低い方のＴ_g温度値（図３で示すようにＴ_g1）で一致するように、曲線の一方を縦座標軸に沿って変位させる。室温におけるｙ軸の交点の差は、ガラスが結合しなかった場合に予想される歪みεを与える。Ｔ_gから室温までの温度範囲にわたって大きい方の収縮量を示す材料に予想される引張り応力σは、下式から簡単に計算することができる。
【０１０２】
σ＝Ｅ・ε
ここで、Ｅは材料の弾性係数である。通常、１００ＭＰａ未満（例えば、５０ＭＰａ未満、３０ＭＰａ未満）の残留応力値は、２つの材料が相溶性があることを示すほど十分に小さい。
【０１０３】
第４の選択基準は、候補材料の熱安定性を一致させることである。熱安定性の尺度は、温度間隔（Ｔ_x−Ｔ_g）によって与えられ、Ｔ_xは、各分子がその最低エネルギー状態を見いだせるほど十分に低速で材料が冷めた時に、結晶化が開始する温度である。したがって、結晶相は、材料にとってはガラス相よりエネルギー的に好ましい状態である。しかし、材料のガラス相は、通常、光導波路の用途となると、結晶相より性能および／または製造上の利点を有する。結晶化温度がガラス転移温度に近づくほど、材料は引抜き加工中に結晶化する可能性が高く、これは（例えば、ファイバに、伝送損失を増加させる光学的不均質性を導入することにより）ファイバにとって有害なことがある。通常、プリフォームからファイバを再度引抜き加工することによりガラスを採糸できるのに、少なくとも８０℃（例えば、少なくとも１００℃）の熱安定性間隔（Ｔ_x−Ｔ_g）で十分である。好ましい実施形態では、熱安定性間隔は少なくとも１２０℃、例えば、１５０℃、２００℃以上である。Ｔ_xは、示差熱分析計（ＤＴＡ）または示差走査熱量計（ＤＳＣ）などの熱分析計を使用して測定することができる。
【０１０４】
同時引抜き加工できる材料を選択する場合のさらに他の考慮事項は、材料の融点Ｔ_mである。融点で、材料の粘度は、ファイバの引抜き加工中にうまく正確な幾何学的形状を維持するには低すぎるようになる。したがって、好ましい実施形態では、一方の材料の融点が、流動学的には同等の第２の材料の作業温度より高い。すなわち、プリフォームを加熱すると、プリフォームのいずれの材料も溶融する前に、プリフォームは、うまく引抜き加工できる温度に到達する。
【０１０５】
高屈折率コントラストの光導波路を形成でき、かつ流動学的に同様である材料の特定の組合せとしては、以下のものがある。
Ｇｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅の組成を有するカルコゲナイド・ガラスは、高屈折率の適切な材料である。波長１．５μｍにおけるその屈折率は２．５４６９で、５８７．５６ｎｍ（屈折率を測定することが多いナトリウムｄ線の波長で、ｎ_dと呼ばれる）では、それより高くなる。このガラスは、様々な形状で容易に形成され、製造される。結晶化の開始（Ｔ_x）は５００℃より高く、熱膨張率（ＴＥＣ）は５０℃〜３２０℃の範囲で１２．０〜１３．５×１０^-6／℃である。この組成は、赤外線周波数で高い光学的均質性および低い吸収損も呈する。このガラスは、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ（Ｇａｒｌａｎｄ， テキサス州）から商標名ＡＭＴＩＲ−１で市販されている。さらに、このガラスはガラス転移温度Ｔ_g＝３６５、膨脹計測軟化温度Ｔ_ds＝３９１、軟化点温度Ｔ_s＝４７６℃を有し、引抜温度Ｔ_d＝５１５℃を有する。Ｔ_dはガラス棒（直径約４〜７ｍｍ、長さ３〜６インチ）を、炉内に、棒の底部約１／３が炉の中心に配置された状態で、第１の温度で懸垂して測定する。棒が５分後に軟化せず、伸張してファイバにならなかったら、炉温度を１０℃上昇させる。棒が軟化し、容易に細いファイバ（例えば、直径３００μｍ未満）に引抜き加工できるようになるまで、このステップを繰り返す。これが起きる温度が引抜温度Ｔ_dである。Ｔ_dは、材料の粘度により決定される上述の特徴的温度とは異なることに留意されたい。
【０１０６】
【表１】

図４〜図１３について説明すると、９つの低屈折率のガラスの熱膨張曲線を測定し、Ｇｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅の熱膨張と比較してある。表１は、９つのガラスそれぞれのパラメータＴ_g、Ｔ_ds、Ｔ_sおよびＴ_dを示す。表１は、各パラメータについて低屈折率のガラスの値とＧｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅との値の差を、それぞれΔＴ_g、ΔＴ_ds、ΔＴ_sおよびΔＴ_dとして示す。低屈折率のガラスＱ−１００は、Ｋｉｇｒｅ， Ｉｎｃ．（Ｈｉｌｔｏｎ Ｈｅａｄ， サウスカロライナ州）から市販されているガラスの商標名である。
【０１０７】
この９つの低屈折率のガラスを、以下のようにＧｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅と同時引抜き加工した。断面が丸い棒または断面が正方形の棒として入手可能なこの低屈折率のガラスをそれぞれ、Ｇｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅と統合し、１つの部片にした。棒は、一方の棒を他方に隣接して保持し、これを炉内で加熱することによって、１つの部片に統合した。棒は、２つの材料の軟化温度付近まで、またはその温度以上まで加熱し、棒間に結合部が形成できるようにする。相溶性が不十分な材料は統合できず、結合部が広範囲の場合はひび割れ、他の場合は室温まで冷却すると分離する。統合したサンプルを同時引抜き加工するため、各サンプルを炉内に懸垂し、両方の材料が軟化して、ファイバに引抜き加工するのに十分な温度まで加熱した。この試験中、サンプルの一方が他方の材料より大幅に軟化するか液化することが判明した。さらに、材料の粘度が十分に一致していない場合、材料の一方は、他方の材料が引抜き加工するのに十分なほど軟化する前に、過度に軟化し、変形および／または気化してしまう。不一致の材料から形成したサンプルは、冷却すると永久曲率を呈した。表１に列挙した９つの低屈折率のガラスでは、Ｇｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅と相溶性がないと判明したのは、１０Ｌｉ₂Ｏ−４０ＰｂＯ−２０Ｂ₂Ｏ₃−３０ＳｉＯ₂のみであった。
【０１０８】
図１３について説明すると、低屈折率のガラス１０Ｌｉ₂Ｏ−４０ＰｂＯ−２０Ｂ₂Ｏ₃−３０ＳｉＯ₂は、別のカルコゲナイド・ガラスＧｅ₄₀Ａｓ₂₅Ｓｅ₂₅と良好に同時引抜き加工された。したがって、組成変化は、１つの特定材料と別の材料との相溶性に影響を与えることができる。
【０１０９】
上記では、実際の同時引抜き加工の実験に基づいて、高屈折率の材料と低屈折率の材料との相溶性を検討した。経験的な流動学的データを外挿すると、相溶性がある高屈折率の材料と低屈折率の材料とを識別することができる。このような分析は、ＳｃｉＧｌａｓｓおよび／またはＳｃｉＰｏｌｙｍｅｒデータベース（マサチューセッツ州バーリントン所在のＳｃｉＶｉｓｉｏｎ社から入手可能）を使用して実行することができる。図１４Ａ〜図１７について説明すると、Ｐｒｉｖｅｎ−２０００法を使用して、ＳｃｉＧｌａｓｓおよびＳｃｉＰｏｌｙｍｅｒデータベースから流動学的データを作成した。以下で、このデータについて検討する。
【０１１０】
Ｇｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅ガラスと相溶性がある適切な低屈折率のガラスには、（モル％で）２６ＳｉＯ₂−３１Ｂ₂Ｏ₃−１２Ｎａ₂Ｏ−１２Ｋ₂Ｏ−６Ｌｉ₂Ｏ−１３ＰｂＯの組成を有するアルカリホウケイ酸ガラスがある。この組成は容易にガラス化し、ガラスはカルコゲナイド・ガラスと同様の熱安定性を有する。すなわちＴ_g＝４０１℃、屈折率ｎ_d＝１．６２およびＴＥＣ＝１３．９×１０^-6／℃を有する。２つのガラスの粘度曲線は、ファイバ引抜温度を含む広い温度範囲にわたって重なる（粘度＝１０³〜１０⁶ポワズ）。さらに、ガラスは化学的に相溶性があり、５５０℃で接触すると、滑らかで均質な境界面を生成する。
【０１１１】
ガラスの基本的組成を変更して、物理的特性を調節することができる。これを図１４Ａにも示す。わずかに異なる組成３３．６ＳｉＯ₂−２１．７Ｂ₂Ｏ₃−４４．７Ｎａ₂Ｏ（モル％）を有する別のホウケイ酸ガラスは、ｎ_d＝１．７０、Ｔ_g＝３９５℃およびＴＥＣ＝１２．９×１０^-6／℃の特性を有する。ガラス中のアルカリ含有率を低下させると、熱安定性が上昇し、熱膨張率がＧｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅ガラスの熱膨張率に近づき、その結果、粘度１０^3.5〜１０^7.5ポワズの温度範囲で、実質的に等しい粘度曲線になる。この効果は、ｎ_dの増加を伴うが、それでもＧｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅ガラスに対して十分に高い屈折率コントラストを提供する。
【０１１２】
Ｇｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅と一致する低屈折率のガラスの別の選択肢は、燐酸塩ガラス系にある。例えば、図１４Ａは、５２Ｐ₂Ｏ₃−２０Ｌｉ₂Ｏ−４Ｋ₂Ｏ−１５Ｓｃ₂Ｏ₃−９ＢａＯ（モル％）ガラスの粘度・温度の挙動を示す。上記で検討したホウケイ酸ガラスと比較して、この燐酸塩ガラスの方が、熱安定性に関しては優れた選択肢である。さらに、Ｓｃ₂Ｏ₃の存在が、燐酸塩ガラスの化学的安定性を改善することが知られている。この燐酸塩ガラスの熱膨張（ＴＥＣ＝１１．２×１０^-6／℃）は、Ｇｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅ガラスのそれと近く、それはｎ_d＝１．６０である。これはＴ_g＝４２６℃を有し、引抜温度でのその粘性挙動（粘度１０³〜１０⁶ポワズ）は、Ｇｅ₃₃Ａｓ₁₂Ｓｅ₅₅ガラスのそれと非常に一致する。
【０１１３】
カルコゲナイド・ガラスとフッ化ガラスとの組合せも、光導波路に高い屈折率コントラストを提供することができる。例えば、図１４Ｂについて説明すると、ｎ_d＝２．５を有するカルコゲナイド・ガラスＧｅ₂₀Ｓｅ₈₀を、屈折率ｎ_d＝１．３を有するフッ化ガラス５８ＢｅＦ₂−１５ＣｓＦ（モル％）と対にする。
【０１１４】
図１５について説明すると、高屈折率の重金属酸化ガラス４５Ｂｉ₂Ｏ₃−４０ＰｂＯ−１５Ｇａ₂Ｏ₃（モル％）と低屈折率の酸化ガラスとの２つの組合せは、その粘度、熱膨張、および安定性の挙動を使用して識別される。鉛ビスマス酸系ガラスは屈折率ｎ_d＝２．３２、Ｔ_g＝３５０℃およびＴＥＣ＝１２．７×１０^-6／℃を有する。このガラスの粘度と温度の挙動は、前述した例のカルコゲナイド・ガラスとは異なり、したがって上記で検討したホウケイ酸ガラスは理想的な一致相手ではない。かわりに、特定の低屈折率のアルカリケイ酸塩ガラスおよび燐酸塩ガラスを、この重金属酸化ガラスと対にすることができる。各ガラス・タイプ、ケイ酸塩ガラスおよび燐酸塩ガラスの例の粘度と温度の挙動が図１５に図示され、４４ＳｉＯ₂−１２ＰｂＯ−３８Ｌｉ₂Ｏ−６ＳｒＯおよび５８Ｐ₂Ｏ₅−１４ＭｇＯ−８Ｎａ₂Ｏ−２０Ｌｉ₂Ｏ（モル％）の組成を有する。両方のガラスの粘度曲線は、引抜温度領域で４５Ｂｉ₂Ｏ₃−４０ＰｂＯ−１５Ｇａ₂Ｏ₃ガラスの曲線と非常に一致する。ケイ酸塩ガラスの熱膨張率（ＴＥＣ＝１３．８×１０^-6／℃）は、燐酸塩ガラスのＴＥＣ（ＴＥＣ＝１４．２×１０^-6／℃）より高屈折率のＢｉ−Ｐｂガラスに近いが、燐酸塩ガラスの屈折率ｎ_d＝１．５０はケイ酸塩ガラスｎ_d＝１．６４より低い。この場合も特定の実施に応じて、この２つの低屈折率のガラスのいずれかを、４５Ｂｉ₂Ｏ₃−４０ＰｂＯ−１５Ｇａ₂Ｏ₃ガラスの一致相手として選択することができる。
【０１１５】
高屈折率コントラストの複合光導波路を形成するため無機ガラスと同時引抜き加工するのに、多数のポリマーも適切な低屈折率の材料である。例えば、図１６について説明すると、ポリエーテルイミド５およびＡｓ₄₀Ｓｅ₆₀ガラスの粘度と温度の曲線は、これらが同時引抜き加工に適切な材料であることを示す。ポリエーテルイミド５およびＡｓ₄₀Ｓｅ₆₀ガラスは、それぞれ１．６４および２．９の屈折率（ｎ_d）を有する。
【０１１６】
カルコゲナイド・ガラスのヒ素／セレンの比率を変更しても、高い屈折率はそれほど変化しないが、ガラスの粘度を変更し、その流動学的パラメータを異なるクラスの融点が異なるポリマーと一致させることが可能になる。例えば、カルコゲナイドＡｓ₅₀Ｓｅ₅₀をポリ三環系１と、Ａｓ₃₀Ｓｅ₇₀をポリ［２，２−プロパンビス（４−（２，６−ジブロモフェニル）カーボネート］と、Ａｓ₅Ｓｅ₉₅をポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）と組み合わせることができる。他のカルコゲナイド・ガラスも、同時引抜き加工のためにポリマーと組み合わせることができる。例えば、Ｇｅ₁₀Ｓｅ₉₀は、ポリ［４．４’−スルホンジフェノキシジ（４−フェニレン）スルホン］と組み合わせることができる。
【０１１７】
図１７について説明すると、Ｇａ₂Ｓ₃系の高屈折率のガラスを、多成分酸化ガラスと結合する。これは、上記の例のガラスと比較すると融点が高いガラスであり、流動学的に様々なホウケイ酸、ケイ酸塩および燐酸塩ガラスと合わせることができる。例えば、屈折率２．５のＧａ₂Ｓ₃−３０Ｌａ₂Ｓ₃は、屈折率１．５３の２２ＳｉＯ₂−５４Ｂ₂Ｏ₃−１８Ｎａ₂Ｏ−６ＰｂＯと合わせることができる（組成はモル％で与えられる）。ＴＥＣ＝８．５×１０^-6／℃である。
【０１１８】
高屈折率コントラストの光導波路に適切な材料を選択する基準について説明し、そのような材料の例を特定してきたが、次に導波路軸に沿って伝搬する周波数のサブセットについて、光放射線を半径方向に閉じ込める導波路構造の特定の例に注目してみる。特に、光ファイバおよびフォトニック結晶ファイバの例について説明する。両方のケースで、高い屈折率コントラストを有する導波路材料を選択すると、導波路が導波モードを半径方向に閉じ込める能力が強化される。
【０１１９】
図１８について説明すると、高屈折率コントラストの光ファイバ７０１は、導波路軸に沿って延在するコア７１０、およびコア７１０を囲むクラッド層７２０を含む。コア７１０は高屈折率の材料、例えば、カルコゲナイド・ガラスを含む。クラッド層７２０は、低屈折率の材料、例えば、酸化ガラスおよび／またはハロゲン化ガラスを含む。したがって、コア７１０はクラッド層７２０の屈折率ｎ_Lより高い屈折率ｎ_Hを有する。コアに導入される特定の光線は、コアとクラッドとの境界面で全反射し、ほぼコアに閉じ込められる。これらの導波モードの波長および数は、光ファイバ７０１の構造、およびコアおよびクラッド材料の特性によって決定される。通常、光ファイバがサポートできるモード数は、コアの直径につれ増加する。
【０１２０】
コア７０１とクラッド層７２０、光ファイバ７０１の間の高い屈折率コントラストは、大きい開口数（ＮＡ）に対応し、これは
【０１２１】
【数２】

と定義される。例えば、光ファイバ７０１は少なくとも０．７（例えば、少なくとも約０．８、少なくとも約０．９、少なくとも約１．０、少なくとも約１．１、少なくとも約１．２、少なくとも約１．３）のＮＡを有することができる。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、コア７１０は小さい直径を有することができる。コアとクラッドの間に大きい屈折率の差があるので、高屈折率コントラストの光ファイバは、モードを小さい直径のコアに効果的に閉じ込めることができる。例えば、コア７１０は１０ミクロン未満、例えば、５ミクロン未満、３ミクロン未満、２ミクロン未満、１ミクロン未満、０．５ミクロン未満、０．２５ミクロン未満の直径を有することができる。
【０１２３】
高屈折率コントラストの光導波路は、全反射（ＴＩＲ）以外によって光を光路に半径方向に閉じ込める導波路も含む。例えば、高屈折率コントラストの光導波路は、半径方向に変化する屈折率を有する閉じ込め領域を使用して、光をコア領域に閉じ込める光導波路を含むことができる。このような光導波路としては、ブラッグ・ファイバなどのフォトニック結晶ファイバ等がある。
【０１２４】
図１９について説明すると、フォトニック結晶ファイバ１３０１は、導波路軸に沿って延在する誘電コア１３２０、およびコアを囲む誘電閉じ込め領域１３１０（例えば、多層クラッド）を含む。図１９の実施形態では、異なる屈折率を有する誘電体の閉じ込め領域１３１０は、交互層１３３０および１３４０を含むよう図示されている。１セットの層、例えば、層１３４０が、屈折率ｎ_Hおよび厚さｄ_Hを有する高屈折率の層セットを形成し、他方のセットの層、例えば、層１３３０は、屈折率ｎ_Lおよび厚さｄ_Lを有する低屈折率の層セットを形成し、ここで、ｎ_L＞ｎ_Lである。便宜上、図１９には誘電体閉じ込め層のうちいくつかしか図示されていない。実際には、閉じ込め領域１３１０はさらに多くの層（例えば、２０以上の層）を含むことができる。
【０１２５】
通常、層１３４０は、以上の説明で挙げた高屈折率の材料など、高い屈折率を有する材料を含む。このような材料には、例えば、カルコゲナイド・ガラス、重金属酸化ガラス、および非晶質合金がある。しかし、さらに一般的には、層１３４０は十分に高い屈折率を有し、層１３３０を形成する材料と流動学的に相溶性がある任意の材料または材料の組合せで形成することができる。層１３４０のそれぞれの材料は、同じでも異なってもよい。
【０１２６】
層１３３０は、酸化ガラス、ハロゲン化ガラス、または特定のポリマーなど、以上の説明で挙げた低屈折率の材料のように低い屈折率を有する材料を含む。さらに一般的には、層１３３０は十分に低い屈折率を有し、層１３４０を形成する材料と流動学的に相溶性がある任意の材料または材料の組合せから形成することができる。各層１３３０の材料は同じでも、異なってもよい。
【０１２７】
この実施形態では、コア１３２０は高屈折率または低屈折率のガラスなどの固体誘電体を含む。しかし、一般的に、コア１３２０は、閉じ込め領域１３１０を形成する材料と流動学的に相溶性がある任意の材料または材料の組合せを含むことができる。特定の実施形態では、コア１３２０は、上述したような１つまたは複数のドーパント材料を含むことができる。あるいは、コア１３２０は中空コアであってもよい。任意選択で、中空コアを気体（例えば、空気、窒素および／または希ガス）または液体（例えば、等方性液体または液晶）などの流体で充填することができる。
【０１２８】
フォトニック結晶ファイバ１３０１は円形の断面を有し、コア１３２０は円形の断面を有し、領域１３１０（およびその中の層）は環状断面を有する。しかし他の実施形態では、導波路およびその成分領域は、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、以下で述べるように、コアおよび閉じ込め領域１３２０および１３１０は、異なる屈折率を有する複数の誘電体を含むことができる。そのような場合は、任意の領域の「平均屈折率」に言及することがあり、それは領域の成分の加重屈折率の合計を指し、各屈折率は、その成分の領域における部分区域によって加重される。しかし、領域１３２０と１３１０との境界は、屈折率の変化によって形成される。変化は、２つの異なる誘電体の境界面によって、または同じ誘電体の異なるドーパント濃度（例えば、シリカ中の様々なドーパント濃度）によって引き起こされる。
【０１２９】
誘電閉じ込め領域１３１０は、第１の波長範囲のＥＭ放射線を誘導し、導波路軸に沿って誘電コア１３２０中を伝搬させる。閉じ込めのメカニズムは、第１の波長範囲を含むバンドギャップを形成する領域１３１０内のフォトニック結晶構造に基づく。閉じ込めのメカニズムは屈折率で誘導するのではないので、コアが、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はない。逆に、コア１３２０は、閉じ込め領域１３１０より低い平均屈折率を有してもよい。例えば、コア１３２０は空気、窒素などの他の気体であってもよく、またはほぼ真空排気してもよい。このような場合、コア内を導波されるＥＭ放射線は、シリカ・コア内を誘導される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なり、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反映する。例えば、追加の実施形態では、コア１３２０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、なおほぼ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１３２０は均一の屈折率プロファイルを有する必要はない。
【０１３０】
閉じ込め領域１３１０の交互層１３３０および１３４０は、ブラッグ・ファイバとして周知のものを形成する。交互層は、平面誘電スタック反射器（ブラッグ・ミラーとしても周知である）の交互層と類似である。閉じ込め領域１３１０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、概ねＪｏｈｎ Ｄ． Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他の、Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ ニュージャージー州， １９９５）に記載されている。
【０１３１】
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有する誘電構造である。フォトニック・バンドギャップは、本明細書では、誘電構造にアクセス可能な拡張（すなわち、伝搬、非局所的）状態がない波長（または逆に周波数）の範囲である。通常、この構造は周期的な誘電構造であるが、この構造は、また、例えば、より複雑な「準結晶」などを含むことができる。バンドギャップは、フォトニック結晶を、バンドギャップ構造から外れた「欠陥」領域と組み合わせることにより光を閉じ込め、導波および／または局所化するのに使用することができる。さらに、ギャップの上下ともに波長のアクセス可能な拡張状態があり、これによって（上述したような屈折率導波ＴＩＲ構造とは逆に）さらに低い屈折率の領域にも光を閉じ込めることができる。「アクセス可能」な状態という言葉は、結合が系の対称または保存規則によってまだ禁止されていない状態を意味する。例えば、２次元系では分極が保存され、したがってバンドギャップからは、同様の分極の状態のみを除外する必要がある。（典型的なファイバのような）断面が均一な導波路では、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べく任意のβの状態のみがバンドギャップから除外される必要がある。さらに、円柱対称の導波路では、「角運動量」屈折率ｍが保存され、したがってバンドギャップからは同じｍを有するモードのみが除外される必要がある。要するに、高対称性の系では、フォトニック・バンドギャップの要件が、対称性に関係なく全ての状態が除外される「完全な」バンドギャップと比較すると、大幅に緩和される。
【０１３２】
したがって、誘電スタック反射器は、ＥＭ放射線がスタック中を伝搬できないので、フォトニック・バンドギャップ内で反射性が高い。同様に、閉じ込め領域１３１０内の環状層は、バンドギャップ内の入射光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、フォトニック結晶内の屈折率変調が無限範囲を有する場合にしか、バンドギャップで完全に反射性をもたない。他の場合は、入射放射線が、フォトニック結晶の各側の伝搬モードを結合する減衰モードを介して、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ル効果の率は、フォトニック結晶の厚さ（例えば、交互層の数）とともに急激に減少する。これは、また閉じ込め領域内の屈折率コントラストの大きさと一緒に減少する。
【０１３３】
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延在できない。例えば、誘電スタックは通常の入射光では反射性が高く、それでも斜めに入射する光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、可能な全ての波数ベクトルおよび全ての分極にわたって延在す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関連しない。しかし、ＥＭ放射線が隣接する誘電体からフォトニック結晶に入射する場合、「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が伝搬する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分極のフォトニック・バンドギャップである。同様に、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てのＥＭモードのフォトニック・バンドギャップと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がサポートす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・ラインはほぼω＝ｃβによって与えられ、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は、米国特許第６，１３０，７８０号に開示され、その内容は引用によって本明細書の記載に援用する。さらに、交互誘電層を使用して円柱導波路の幾何学的形状に（平面の限界内で）全方向反射を提供することが、公開された国際ＰＣＴ特許出願第００／２２４６６号に開示され、その内容は引用によって本明細書の記載に援用する。
【０１３４】
閉じ込め領域１３１０の交互層１３３０および１３４０が、コア１３２０に対して全方向バンドギャップを生じる場合、導波モードは強力に閉じ込められる。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、このような完全な反射は、無限数の層がある場合のみ生じる。有限数の層（例えば、約２０の層）の場合、全方向フォトニック・バンドギャップは、０°〜８０°の範囲の全入射角度で、全方向バンドギャップの周波数を有するＥＭ放射線の全ての分極について、少なくとも９５％の平面の幾何学的形状の反射に対応する。さらに、フォトニック結晶ファイバ３０が、全方向でないバンドギャップを有する閉じ込め領域を有する場合でも、強力に誘導されたモード、例えば、放射線損失がバンドギャップの周波数の範囲で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、交互層が生成するバンドギャップのサイズ（通常は２つの層の屈折率コントラストに比例する）、およびフォトニック結晶の最低屈折率の成分によって決定される。
【０１３５】
追加の実施形態では、誘電閉じ込め領域は、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むことができる。例えば、（平面の範囲内で）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、（平面の範囲内で）２次元で周期的なフォトニック結晶などを形成するように選択することができる。例えば、Ｒ． Ｆ． Ｃｒｅｇａｎ他の、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８５， ｐ．１５３７ − １５３９， １９９９を参照されたい。さらに、ブラッグに似た構成でも、高屈折率層の屈折率および厚さを変えたり、および／または低屈折率層の屈折率および厚さを変えたりすることができる。閉じ込め領域は、１周期に２つより多くの層（例えば、１周期の３つ以上の層）を含む周期的構造も含むことができる。さらに、屈折率変調は、閉じ込め領域内の半径の関数として連続的または不連続的に変動することができる。一般的に、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屈折率変調を基礎とする。
【０１３６】
この実施形態では、多層構造１３１０がブラッグ反射器を形成する。半径方向の軸線に対して周期的な屈折率変動を有するからである。適切な屈折率変動は、ほぼ４分の１波長の状態である。垂直入射では、各層が等しい光学的厚さλ／４を有するか、同様の意味でｄ_H／ｄ_L＝ｎ_L／ｎ_Hである「４分の１波長」スタックで最大のバンドギャップが獲得されることは周知であり、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。これは、それぞれ像１３４０および１３３０に対応する。垂直入射はβ＝０に対応する。円柱導波路では、所望のモードは通常、ライト・ラインω＝ｃβの近くにある（大きいコア半径範囲内で、最低次数モードは基本的に、ｚ軸すなわち導波路軸に沿って伝搬する平面波である）。この場合、４分の１波長状態は下式になる。
【０１３７】
【数３】

厳密に言うと、この等式は正確には最適でない。４分の１波長状態が円柱の幾何学的形状によって変更されるからであり、それには各層の光学的厚さが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、この等式は、多くの望ましい特性を、特に中間バンドギャップ波長より大きいコア半径について最適化するために優れたガイドラインを提供する。
【０１３８】
フォトニック結晶ファイバのいくつかの実施形態が、２００２年１月２５日付けのＳｔｅｖｅｎ Ｇ． Ｊｏｈｎｓｏｎ他の、「ＬＯＷ−ＬＯＳＳ ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＣＲＹＳＴＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＨＡＶＩＮＧ ＬＡＲＧＥ ＣＯＲＥ ＲＡＤＩＵＳ」という名称の米国特許第１０／０５７，２５８号に記載されている。
【０１３９】
高屈折率コントラストの光ファイバと高屈折率コントラストのフォトニック結晶ファイバとの両方が、ファイバのコアに対する導波モードの半径方向閉じ込めを強化することができる。これは、ファイバの部分間に、例えば、光ファイバのコアとクラッド間、またはブラッグ・ファイバの交互層の間に大きい屈折率の不一致があるからである。屈折率の大きい不一致のため、導波モードの電界強度は、コアの外側で非常に急速に崩壊する。したがって、導波モード・エネルギーの大部分はコア内にある。すなわち、高屈折率コントラストの光導波路は、クラッド内を伝搬する導波モード・エネルギーに伴う損失を少なくすることができる。さらに、導波モード・エネルギーの大部分が、非常に小さいコア・サイズ（例えば、２μｍ未満、１μｍ以内などの直径を有するコア）でも、コアに依然として閉じ込められることを意味する。言うまでもなく、高屈折率コントラストの光導波路は、１０μｍ以上などの大きいコア直径も有することができる。
【０１４０】
導波モードの半径方向範囲の尺度は、モード・フィールド直径（ＭＦＤ）である。ＭＦＤは、放射の分布、すなわち単一モード・ファイバの端面における光学パワーを特徴とする。Ｋ． Ｐｅｔｅｒｍａｎの、「Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ｆｏｒ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ−ｍｏｄｅ ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ ｆｏｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒｓ」（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． １９， ｐｐ． ７１２ − ７１４， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９８３）によると、ＭＦＤは数学的に下式のように表すことができる。
【０１４１】
【数４】

ここで、ψ（ｒ）は、ファイバの軸線からの半径ｒにおける基本モードの近距離場の振幅である。単一モード光ファイバのガウス・パワー分布（すなわち、ψ（ｒ）＝ψ₀ｅｘｐ（−ｒ²／（１／２・ＭＦＤ）²）について、モード・フィールド直径は、電界または磁界強度が最大値の１／ｅまで減少する直径、すなわちパワーが最大パワーの１／ｅ²まで減少する直径である。何故なら、パワーはフィールド強度の２乗に比例するからである。
【０１４２】
したがって、いくつかの実施形態では、高屈折率コントラストの光導波路は、Ｗ． Ｔ． Ａｎｄｅｒｓｏｎが「Ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ」（Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２， ２， ｐ．１９１ − １９７ （１９８４））で測定したように、５μｍ以内（例えば、４μｍ以内、３μｍ以内、２μｍ以内、１μｍ以内、０．５μｍ以内）のＭＦＤのような小さいＭＦＤを有する。
【０１４３】
図２０について説明すると、光ファイバでは、ＭＦＤはコアとクラッド層との間の屈折率コントラストの関数として変動する。これは、コア半径の関数として、異なるコアとクラッドの屈折率値について、最低次数（ＬＰ₀₁）モードのＭＦＤを計算することによって実証される。例えば、Ｈ． Ｎｉｓｈｉｈａｒａ他の、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ（ＭｃＧｒａｗＨｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８５））によると、対称形（例えば、円柱対称）の導波路構造の基本モードにはカットオフがなく、したがって対称のファイバでは、ＬＰ₀₁モードが常にサポートされる。この例では、クラッドの屈折率ｎ_Lは１．５とされ、コアの屈折率ｎ_Hが変化する。コアの直径が非常に小さい（例えば、０．２μｍ未満）場合、モードのコアへの閉じ込めは不良で、ＭＦＤが大きくなる。コアのサイズが増加するにつれ、ＭＦＤは最小値へと減少し、これはコアおよびクラッドの屈折率の関数である。例えば、２．８、２．４および２．０のコア屈折率の最小ＭＦＤ（それぞれ４６％、３６％および２５％の屈折率コントラストを有する）は、それぞれ約０．７３、０．９２および１．２７μｍである。コア半径がさらに増加するにつれ、ＭＦＤはその最小値から増加し、光ファイバは、より高次のモードをサポートし始める。各ファイバの単一モード・カットオフ直径を、図２０で星として示す。各曲線間の差が示すように、基本モードの最小ＭＦＤは、屈折率コントラストが減少するにつれ増加する。
【０１４４】
ＭＦＤが小さく高屈折率コントラストの光導波路を使用して、一方の光デバイスからの光を別のデバイスと結合することができる。例えば、図２１について説明すると、ＭＦＤが小さく、高屈折率コントラストのテーパ付き光導波路９１０は、シリカ・ファイバ９２０からの光をフォトニック集積回路９３０に結合する。高屈折率コントラストのテーパ付き光導波路９１０は、ファイバ・モードが一方端９１２でシリカ・ファイバ・モードと、他方端９１４ではフォトニック集積回路９３０のモードと非常に一致するよう設計される。境界面９４０および９５０は、各境界面での光信号の反射をさらに最小にするために、屈折率一致ゲルで被覆することができる。
【０１４５】
現在、ファイバとフォトニック集積回路との結合は、通常、シリカ・ファイバを集積回路の小さな面と直接「突き合わせ結合」することによって達成される。しかし、ファイバと回路との間には往々にしてモード・サイズの大きい差があるので、この結合は効果がないことがある。このモード・サイズの食い違いによる損失は、ファイバをテーパ付きにすることにより、ある程度まで緩和できるが、ＭＦＤは通常、ファイバ材料の屈折率によって与えられる限界より下まで下げることができない。その結果、テーパ付きファイバのシリカ・ファイバ・モードは、それでもファイバからの光を、ミクロン以下のモード・サイズになることもある多くの集積光デバイスと効率的に結合するほど十分に小さくない。高屈折率コントラストのテーパ付き光導波路を使用すると、従来のシリカ・ファイバより最小ＭＦＤが小さくなり、場合によっては、異なるモード・サイズを有する光デバイスの結合に伴う損失を減少させることができる。
【０１４６】
いくつかの実施例では、高屈折率コントラストのテーパ付き光導波路を使用すると、従来のファイバ結合部を全て置換することができる。例えば、高屈折率コントラストの光導波路は、高屈折率のファイバを光源に直接ピッグテール(pig-tailing)接続することにより、レーザ光源などの光源から直接来る光をフォトニック回路に結合することができる。
【０１４７】
再び図１８および図１９について説明すると、光ファイバ７０１は均質のコア７１０、および１つの均質のクラッド層７２０を有する。また、フォトニック結晶ファイバ１３０１は均質のコアを有し、閉じ込め領域１３１０は均質の層を含む。しかし、さらに一般的には、高屈折率コントラストの光導波路は、複合コア構造および／または複合閉じ込め領域／クラッド構造を有することができる。例えば、コアは、異なる屈折率を有する部分を含むか、グレーデッド・インデックス・コア（例えば、半径の関数として変化する屈折率プロファイルを有するコア）であってもよい。別の方法としては、または追加的に、閉じ込め領域／クラッド層は、異なる屈折率を有する部分を含むことができる。例えば、光ファイバは、穴あきクラッド層を含むことができる。別の例では、フォトニック結晶ファイバは、連続的に変化する半径方向の屈折率プロファイル（例えば、シヌソイド屈折率プロファイル）を有する閉じ込め領域を含むことができる。
【０１４８】
光導波路の追加の部分または領域は、特定の用途により、分散、非線形性および／または曲がり感度などの様々なファイバ特性の調整を可能にする。例えば、高屈折率コントラストの光導波路を分散補償用途に（すなわち高い正または負分散を有するように）設計することができる。図２２について説明すると、高屈折率コントラストの光導波路１００１は、コア１０１０と、コア１０１０を囲むクラッド１０２０（例えば、光ファイバの場合はクラッド層、フォトニック結晶ファイバの場合は閉じ込め領域）を含む。コア１０１０とクラッド１０２０との間には、分散調整領域１０３０が含まれる。分散調整領域のサイズおよび組成は、光導波路１００１が特定の分散特徴を有するように選択される。高屈折率コントラストの光ファイバは、異なる波長で閉じ込めに差があるので、選択された波長で大きい導波分散を有することができる。
【０１４９】
例えば、高屈折率コントラストの光ファイバは、大きい負分散を有することができる。図２３について説明すると、理論的に、このようなファイバは、所望のスペクトル領域（この場合は１．５５μｍ付近）にわたって９，０００ｐｓ／ｎｍ−ｋｍより大きい負分散を有するように設計することができる。この例では、高屈折率コントラストの光導波路は光ファイバである。ファイバのコアは２．８の屈折率および０．１７１０μｍの半径を有し、分散補償領域は、コアを囲む内層および内層を囲む外層を含む。内層は１．５の屈折率および０．７６４５μｍの半径を有し、外層は２．４の屈折率および０．８２１０μｍの半径を有する。光ファイバの外層を囲むクラッドは、１．５の屈折率を有する。
【０１５０】
フォトニック結晶ファイバの分散調整については、２００２年１月２５日付けのＳｔｅｖｅｎ Ｇ． Ｊｏｈｎｓｏｎ他の、「ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＣＲＹＳＴＡＬ ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥＳ ＨＡＶＩＮＧ ＴＡＩＬＯＲＥＤ ＤＩＳＰＥＲＳＩＯＮ ＰＲＯＦＩＬＥＳ」という名称の米国特許第１０／０５７，４４０号に記載されている。
【０１５１】
高屈折率コントラストの光導波路の一部に、コア内の光信号と相互作用して、例えば、光信号の増幅および／または光信号の周波数アップ・コンバージョンなどを提供することができる任意の材料または材料の組合せをドープすることができる。例えば、ファイバ増幅器の用途では、ファイバのコアが、１つまたは複数の希土類イオン・ドーパント（例えば、エルビウム・イオン、イッテルビウム・イオン、ネオジム・イオン、ホルミウム・イオン、ジスプロシウム・イオンおよび／またはツリウム・イオン）を含むことができる。
【０１５２】
高屈折率コントラストの光導波路の導波モードの半径方向閉じ込めが強化されたため、直径が小さいコア・ファイバにおけるこれらのモードの光エネルギー密度が大きくなる。したがって、高屈折率コントラストの光ファイバは、強化された非線形応答を有することができる。さらに、非線形応答が強化されるため、高屈折率コントラストの光ファイバを、光ファイバおよび全ての光スイッチなど、非線形光デバイスに使用することができる。特に、３次非線形効果（カー係数としても周知である）は電界強度に比例し、したがって（非線形係数とファイバに結合される合計パワーが一定であると）モード面積に反比例する。例えば、理論的に、ｎ_H＝２．８の均質なコアおよびｎ_L＝１．５の均質なクラッド層を含む高屈折率コントラストの光ファイバのＭＦＤは、λ＝１．５５μｍで０．７３μｍまで小さくすることができる。逆に、典型的な単一モードのシリカ光ファイバは、λ＝１．５５μｍで約１０．４μｍのＭＦＤを有する。したがって、高屈折率コントラストの光ファイバのモード面積は（０．７３／１０．４）²またはシリカ光ファイバの約２００分の１である。その結果、高屈折率コントラストのファイバの非線形応答は、約２００倍増大する。
【０１５３】
さらに、コアがカルコゲナイド・ガラスなどの非線形ガラスで作成された実施形態では、さらに大きい非線形応答が可能である。例えば、「Ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ ｇｌａｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ａｓ−Ｓ−Ｓｅ」（Ｊ． Ｎｏｎ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ ２５６−７， ３５３ （１９９９））のＣａｒｄｉｎａｌ他、および「Ｈｉｇｈｌｙ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ａｓ−Ｓ−Ｓｅ ｇｌａｓｓｅｓ ｆｏｒ ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」（Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２７ （２）， １１９ （１９９２））のＨａｒｂｏｌｄ他によると、カルコゲナイド・ガラスのカー非線形性は１−２×１０^-17ｍ²／Ｗにすることができ、これはシリカの約４００倍である。したがって、高屈折率コントラストのファイバは、シリカ・ファイバ同等物の約８０，０００倍の非線形光学応答を有することができる。（例えば、小さいＭＦＤによる２００倍および非線形係数が高くなるために４００倍）。したがって、高屈折率コントラストの光ファイバは、４光波混合による波長変換、第２の高調波発生および光パラメトリック生成などの用途に使用することができる。非線形性が強化された高屈折率コントラストの光ファイバは、低パワー超連続体発生にも使用することができ、これは分光、精密光学的振動数計測および波長分割多重に潜在的用途を有する。これらの用途は、例えば、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ」（Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄ．， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ （１９９５））でＡｇｒａｗａｌが、「Ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ６０−ｐｓ ｐｕｍｐ ｐｕｌｓｅｓ ｉｎ ａ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ」（Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２６ （１７）， １３５６ （２００１））でＣｏｅｎ他が説明している。
【０１５４】
以上の説明では、高屈折率コントラストの光導波路の光エネルギーの半径方向閉じ込めについて検討してきた。高屈折率コントラストの光導波路の光エネルギーを軸方向に閉じ込めることも可能である。さらに、軸方向の閉じ込めを使用すると、高屈折率コントラストの光導波路に光キャビティを生成することが可能である。さらに、強化された半径方向の閉じ込め、およびその後の半径方向に漏れたエネルギーによる低いエネルギー損に起因して、高屈折率コントラストの光導波路の光キャビティを１次元キャビティとして処理することができる。
【０１５５】
光エネルギーは、ファイバ・コア内で光を軸方向に変調することにより、高屈折率コントラストのファイバ内で軸方向に閉じ込めることができる。軸方向の光変調は、屈折率および／または導波路の構造の変調または変動でよく、変調の特徴的な長さスケールΛは、ファイバ内で測定したファイバλによって導波された光の波長のオーダーである（例えば、０．１λ≦Λ≦１００λ）。いくつかの実施形態では、軸方向の光変調によって、コアおよび／またはコアを囲む部分で屈折率が軸方向に変調される。したがって、コアは高い屈折率ｎ_core,Hの領域、および低い屈折率ｎ_core,Lの領域を含む。通常、軸方向の屈折率コントラスト（ｎ_core,H−ｎ_core,L）／ｎ_core,Hは少なくとも０．０１％、例えば、０．０５％、０．１％またはそれ以上である。いくつかの実施形態では、軸方向の屈折率コントラストは、１％超、２％超、３％超、４％超、５％超、１０％以上などになり得る。
【０１５６】
さらに一般的に、軸方向の光変調振幅Ａ_maxをｍａｘ（Ａ（ｒ，θ，ｚ₁，ｚ₂））と定義することができ、ここで、
【０１５７】
【数５】

であり、θは方位角であり、ｚは軸方向の位置を指す。Ａの最大値は、｜ｚ₁−ｚ₂｜≦１００λおよびファイバの一部のｒについて評価される。一般的に、Ａ_max（パーセンテージで示す）は０．００２％以上である。用途により、Ａ_maxは、約０．１％未満、約０．０５％未満、約０．０１％未満など、十分に小さくすることができる。あるいは、Ａ_maxは、０．５％超、１％超、２％超、４％超、５％超、８％超、１０％超、１２％超、１５％超、２０％超、５０％超、１００％超、１５０％超、１７５％以上など、大きくてもよい。
【０１５８】
導波路軸に沿った光変調は、ファイバ内で伝搬する電磁波に多大な影響を与えることがある。並進対称が破壊されるので、軸方向のモーメントがもはや保存されない。軸方向の光変調が周期的である場合、ブロッホ波の解は保存された対応するブロッホ波数とともに表示される。次に、有限のファイバは伝搬モード、さらに周期的誘電構造（例えば、ブラッグ・ミラー）で観察されるような急激に崩壊するモードを呈する。すなわち、特定の周波数では、光変調は、ファイバ内を伝搬する光信号を反射する。
【０１５９】
この反射が十分に強い場合、軸方向の光変調により、ファイバ内で伝搬する光信号の少なくとも１つの周波数について、少なくとも１つの動作モードに伝送バンドギャップが生じることがある。伝送バンドギャップΔΩのサイズは下式によって与えられる。
【０１６０】
【数６】

ここで、Ω₁およびΩ₂は、各バンドギャップ縁の５０％伝送強度位置で測定した、それぞれ最高および最低伝送バンドギャップ周波数である。軸方向の光変調を有する光導波路の伝送バンドギャップのサイズは、伝送バンドギャップの領域でファイバの伝送スペクトルを測定することにより、経験的に決定することができる。
【０１６１】
通常、シリカ光ファイバの周期的な軸方向の光変調は、約０．０１％から約０．１％のΔΩを有することができる。いくつかの実施形態では、高屈折率コントラストの光導波路は、０．２％超、０．５％超、０．８％超、１％超、２％超、３％超、４％超、５％超、６％超、７％超、８％以上など、大きい伝送バンドギャップを提供する周期的な光変調を含むことができる。
【０１６２】
軸方向の光変調が光導波路内の光信号に及ぼす影響を、図２４に概略的に示す。高屈折率コントラストの光導波路２４０１は周期的光変調２４１０を含む。第１の周波数ω₁を有する成分、および第２の周波数ω₂を有する別の成分を含む入力信号２４２０が、入力端２４３０からファイバ２４０１に入る。軸方向光変調２４１０は、ファイバ２４０１の特定の信号周波数で伝送バンドギャップを開く。このバンドギャップは周波数ω₁を含むが、周波数ω₂は含まない。したがって、軸方向光変調２４１０は、周波数ω₁を有する成分は強力に反射するが、周波数ω₂を有する成分には最小限にしか影響せず、これは光変調２４１０を通してほぼ伝送される。それ故、周波数ω₁を有する反射信号２４４０は、入力端２４３０からファイバ２４０１を出て、周波数ω₂を有する伝送信号２４５０は、入力端２４３０とは反対の出力端２４６０からファイバ２４０１を出る。ファイバ２４０１に同様の第２の光変調を設けると、ファイバ内に光キャビティが生成されることに留意されたい。光共振器としても周知の光キャビティは、２つの反射器間で繰り返し反射させることにより、特定の周波数または周波数範囲を有する放射線を「トラップ」する。光キャビティは通常、中位のパワー入力で大きい場の強さを構築するために使用される。光キャビティは、多くの光デバイスの基礎となり、以下のパラグラフでこれについて検討する。
【０１６３】
適当な変調に関するスクリーニング試験は、広帯域光源で変調したファイバを照明し、波長の関数として伝送を測定することにより実行することができる。ファイバは、特定の周波数範囲を伝送し、他の範囲を反射しなければならない。さらに、（変調周期および変調振幅を一定にして）光変調したファイバの長さが増加すると、反射した波の強度が急激に上がる。
【０１６４】
以上の例で説明した光変調は周期的であるが、光変調は、任意のｚ依存性（すなわち、軸方向依存性）を有してもよい。例えば、ｚで周期的、またはｚで非周期的であってもよい。例えば、光変調は、周期が伝搬ｚの距離の関数としてゆっくり変化するｚ依存性を有することができる。このような変調は、規則的なＩＤフォトニック・バンドギャップを局所的に提供するが、バンドギャップの特性は伝搬距離とともにゆっくり変化する。あるいは、ｚの変調周期を固定できるが、変調の振幅（その強度）は、アポダイズド・ファイバ(apodized fibers)などで変動することができる。光変調は、順不同にするか、ｚにフラクタル構造を有することさえできる。
【０１６５】
導波路軸に沿って光変調を有する高屈折率コントラストの光導波路は、多くの方法で作成することができる。いくつかの実施形態では、光変調は、ファイバを引抜き加工する間にファイバ内に形成することができる。図２５について説明すると、これは、引抜き加工中にファイバまたはファイバ・プリフォームを摂動させることにより達成することができる。ファイバ変調装置１５１０が、ファイバ引抜システム１５０１に含まれる。ファイバ変調装置１５１０は、ファイバ引抜システムの引抜速度を周期的に変動させることにより、ファイバを摂動させる。ファイバ１５２０の直径は引抜速度と関連するので、ファイバ変調装置１５１０は、ファイバ１５２０の直径に周期的変調を導入する。
【０１６６】
制御装置１６０がファイバ変調装置１５１０と通信して、ファイバ監視システム１５０から受信したデータに基づき、ファイバを引抜き加工する速度を変動させる。したがって、制御装置１６０により、ファイバ１５２０内の光変調の周期および大きさが指定された範囲内になるように確実に制御される。
【０１６７】
一般的に、ファイバまたはファイバ・プリフォームは、引抜き加工中に、ファイバの内部（中空コアまたは穴あきファイバの場合）および／または外側の両方で圧力などの他のパラメータを変動させることにより摂動させることができる。例えば、超音波変換器を使用して、まだ粘性のファイバを囲む圧力を迅速に変動させることができる。別の例では、中空ファイバのコア内の圧力は、プリフォームの対応する中空領域内にある気体を周期的に圧縮することにより、時間の関数として変更することができる。このような周期的圧縮は、導波路軸に沿ってファイバの変調を生成することができる。いくつかの実施形態では、局所的温度変動も、ファイバを摂動させることができる。例えば、ファイバを加熱するよう選択された動作波長を有するレーザ（またはいくつかのレーザ）を使用して、引抜き加工中にファイバを周期的に照明することができる。各レーザ・パルスがファイバを局所的に加熱し、ファイバの粘度を低下させる。したがって、ファイバの加熱した部分は、レーザで加熱された部分より細い直径に引抜き加工され、ファイバ内に光変調を形成する。
【０１６８】
あるいは、ファイバを引抜き加工した後に、フォトニック結晶ファイバ内に光変調を形成することができる。例えば、液体に球を分散させ、毛管作用によってこれをコアに引き込んだり、および／または光学ピンセットを使用して球を操作したりして、同じ半径の球をファイバ・コアに入れることができる。これらの球の直径は、コアの直径と同様であってもよい。球は、ファイバが高温である間に、コアに入れることができる。高温から冷めると、閉じ込め領域は球上に収縮し、球が軸方向の変調をファイバのコアに刻印する。任意選択で、適切な溶剤または酸を使用して、後に球を除去することができる。あるいは、球をファイバに入れ、膨張剤に露出して膨脹させ、コアにぴったりと取り付けることができる。
【０１６９】
以上の方法の結果、光導波路の光変調を構造的に形成することができる。図２６について説明すると、構造的に形成され、導波路軸に沿って延在する光変調を有するこのようなフォトニック結晶ファイバ１４０１が図示されている。フォトニック結晶ファイバ１４０１の閉じ込め層１４１０およびコア１４１０の直径は、導波路軸に沿った位置の関数として周期的に変動し、ファイバに光変調を提供する。
【０１７０】
高屈折率コントラストの光導波路に軸方向の屈折率変調を生成する方法も想定される。例えば、ｚ方向で周期的な構造に自己集合することができるブロック共重合体で充填したコアを有する光導波路を調製することができる。このようなブロック共重合体は、「Ｂｌｏｃｋ Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ ａｓ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １７（１１）， ｐ．１９６３ − １９６９ （１９９９））（ＪＬＴ ＩＥＥＥ − ｓｐｅｃｉａｌ ｉｓｓｕｅ ｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ − ｉｎｖｉｔｅｄ ｐａｐｅｒ）でＦｉｎｋ他が説明している。このようなファイバは、ブロック共重合体コアを有するプリフォームから引抜き加工することができる。あるいは、中空コアを有するファイバを引抜き加工することができ、引抜き加工の後にコアをブロック共重合体で充填する。別の例では、中空コアを有するファイバは、オパール（自己集合球）で充填して、ファイバ・コア内に実３次元フォトニック・バンドギャップ構造を生成することができる。さらに、中空コアを有するファイバから開始した場合、コアにポリマー（例えば、紫外線硬化性ポリマー）の追加的最内層を１つ蒸着させ、２つの干渉光線で照明することができる。十分に明るい光強度の区域では、ポリマーは架橋し、不溶性になる。架橋していない、または架橋が弱いポリマーを溶剤で溶解し、軸方向の光変調を残すことができる。屈折率光変調を形成する別の方法は、上述したようにファイバの中空コアに球を入れる。ファイバをさらに処理しなくても、球自体が軸方向の屈折率変調を提供する。
【０１７１】
光ファイバに一般にブラッグ格子を実装する方法で、所望の軸方向の光変調を生成することもできる。コアおよび／またはクラッドは、感光性材料またはドーパントを含むことができる。ファイバ上の２つの干渉性紫外線で側部から周期的にファイバを照明すると、ファイバにドーピング・レベルが刻印され、その結果、ファイバに沿って軸方向に屈折率が変調される。適切な波長の放射線に露出することによってガラスの屈折率を変更するプロセスが、「光黒化」として知られている。カルコゲナイド・ガラスの屈折率は、特定の照明に対して非常に強い応答を示すことができる。例えば、Ｒａｍａｃｈａｎｄｒａｎ他が光で誘発された約５％の屈折率変化を報告している（例えば、「Ｌｏｗ ｌｏｓｓ ｐｈｏｔｏｉｎｄｕｃｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ａｎｎｅａｌｅｄ ｆｉｌｍｓ ｏｆ ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ ｇｌａｓｓｅｓ」（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ７４（１）， １３ （１９９９）参照）。
【０１７２】
いくつかの実施形態では、リソグラフィ法を用いて、光導波路内に軸方向の光変調を生成することができる。例えば、中空フォトニック結晶ファイバのコアなど、光導波路の中空部分は、図２７Ａ〜図２７Ｃで示すように、フォトレジストなどの感光性材料で被覆することができる。図２７Ａについて説明すると、中空ブラッグ・ファイバ２７０１の閉じ込め領域２７１０の最内層２７２０が、フォトレジスト層２７３０で被覆されている。ファイバは周期的な光パターン２７４０で照明される。光パターンを形成する光は、フォトレジスト層２７３０の露出部分２７６１〜２７６５で反応を開始する波長を有するが、その波長は閉じ込め領域２７１０に侵入できるよう閉じ込め領域２７１０の層のブラッグ反射帯からは離れている。次に、コア２７５０に現像剤を流し、これは周期的光パターン２７４０に最低限に露出したフォトレジスト層２７３０の部分を除去し、部分２７６１〜２７６５のみを残す。図２７Ｂについて説明すると、コアにエッチング液を流し、フォトレジスト２７３０で被覆されていない最内層２７２０の部分２７７１〜２７７６を除去する。図２７Ｃについて説明すると、任意選択で、コア２７５０に最終的に洗浄剤を流し、これはフォトレジスト層２７３０の残りの部分２６６１〜２６６５を除去し、軸方向の光変調を有するブラッグ・ファイバを残す。最内層２７２０がカルコゲナイド・ガラスである実施例では、エッチング液は基剤（例えば、アンモニア、カリウム、水酸化物、水酸化ナトリウム）であってもよい。
【０１７３】
前述したように、いくつかの実施形態では、高屈折率コントラストの光導波路の軸方向光変調は、光導波路に大きいバンドギャップを生成することができる。さらに、大きいバンドギャップは、高屈折率コントラストの光導波路の光信号の軸方向閉じ込めを強化することができる。これは、高屈折率コントラストの光導波路によって得られる半径方向閉じ込めの強化と同様である。強化された軸方向の閉じ込めは、モード・ボリュームが極めて小さい光キャビティを提供することができる。さらに、モード・ボリュームが極めて小さい光キャビティは、デバイス用途に有用である。このようなキャビティおよびデバイスの例について、以下で検討する。
【０１７４】
図２８について説明すると、閉じ込め領域２８５０に囲まれたフォトニック結晶ファイバ２８０１の中空コア２８１０が、等しい複数の球２８２１〜２８２６で充填される。球２８２１〜２８２６は、サイズおよび組成が等しい。図２８には６つの等しい球しか図示されていないが、コア２８１０は任意の数の球（例えば、１０個またはそれ以上、２０個またはそれ以上、１００個またはそれ以上）で充填できることに留意されたい。これより小さい球２８３０を、等しい球２８２１〜２８２６の間に配置する。球２８２１〜２８２６および２８３０は、軸方向の位置の関数として、コアの平均屈折率を変調する。球２８２１から２８２６は等しいので、軸方向の光変調は空間的に周期的で、変調振幅は一定である。しかし、球２８３０が小さいので、周期的光変調に欠陥が生じ、ファイバ２８０１に光キャビティが生成される。球２８３０は、サイズが等しい球２８２１〜２８２６より小さいので、欠陥を生じるが、球同士の他の違いも光キャビティを生成することができる。例えば、球の組成および／または形状の違いが光キャビティを生成することができる。さらに、他の実施例では、複数の等しくない球をコアに入れ、光キャビティを生成することができる。さらに、球２８２１〜２８２６および２８３０のいずれも、全く球である必要はない。さらに一般的に、光キャビティは、ファイバ内に伝搬する光信号に１つまたは複数の共振モードを生成する軸方向の光変調によって、光導波路内に形成することができる。
【０１７５】
例えば、図２９について説明すると、光導波路２９０１はコア２９１０を含み、閉じ込め領域２９２０に囲まれる。コア２９１０は、隣接する領域が異なる屈折率を有する領域２９３０〜２９３４を含む。したがって、光導波路２９０１は軸方向の光変調を含む。この実施例では、領域２９３１および２９３２は同じ屈折率ｎ_aを有し、領域２９３０、２９３３および２９３４はｎ_aとは異なる同じ屈折率ｎ_bを有し、ｎ_aはｎ_bより大きくても小さくてもよい。領域２９３０は光導波路２９０１内に光キャビティを形成する。少なくとも１つの共振モードをサポートできるからである。図２９は領域２９３０〜２９３４を不連続領域として図示しているが、他の実施例では、隣接する領域がさらに連続的でもよい。例えば、コア２９１０の平均屈折率は、軸方向の位置の関数として連続的または不連続的に変動することができる。
【０１７６】
光導波路の光キャビティのさらに他の例を図３０に示す。フォトニック結晶ファイバ３００１は、コア３０１０およびコア３０１０を囲む閉じ込め領域３０２０を含む。ファイバ３００１は、ファイバ３００１の他の領域と比較すると小さい直径を有する２つの領域３０３０および３０４０を含む。領域３０３０および３０４０はファイバ３００１内に軸方向の光変調を生成し、これは領域３０５０に光キャビティを形成する。言うまでもなく、光導波路３００１はファイバ直径が不連続に変動するが、ファイバ直径は連続的に変動してもよい。さらに、直径が小さい方の領域が図示されているが、他の実施例では、ファイバは、隣接するファイバ領域より大きい直径の領域を含むことができる。
【０１７７】
いくつかの実施形態では、導波路軸に沿って光変調を有し、高屈折率コントラストの光導波路は、光学フィルタを形成することができる。図３２について説明すると、光学フィルタ１６０１は、高屈折率コントラストの光導波路１６２０（例えば、高屈折率コントラストの光ファイバまたはフォトニック結晶ファイバ）内に形成されたファブリ・ペロー発振器１６１０を含む。ファブリ・ペロー発振器１６１０は、光導波路１６２０内の２つのブラッグ格子１６３０および１６４０から形成される。ブラッグ格子１６３０および１６４０は、ファイバ１６２０内の光変調から形成される。ブラッグ格子１６３０と１６４０間の空間が光キャビティ１６５０を形成する。ブラッグ格子１６３０および１６４０の周期および振幅は、格子が、ω₀をほぼ中心とする周波数範囲の光を反射するように選択される（ここで、ω₀＝λ₀／ｃで、ｃは光の速度である）。
【０１７８】
光学フィルタ１６０１は以下のように機能する。周波数ω（ここで、ω＝λ／ｃ）を有する入力信号１６６０が、左側からブラッグ格子１６３０に入射する。ブラッグ格子１６３０の反射帯にあるほとんどの入力信号周波数で、光学フィルタ１６０１は入射入力信号１６６０の大部分を反射信号１６７０として反射する。しかし、キャビティの共振周波数に近い周波数の特定の狭い範囲では、入力信号１６６０が効率的にキャビティ１６５０に結合する。キャビティ信号（図示せず）は、ブラッグ格子１２３０と１２４０の間で前後に発振してから、キャビティ１６５０から出力信号１６８０として結合される。キャビティの共振周波数では、入力信号のほとんど全てが光学フィルタ１６０１によって伝送される。
【０１７９】
キャビティ１６５０が出力信号１６８０としてキャビティの外で結合する前に、キャビティ信号がキャビティ１６５０の内部で費やす時間を、Δｔ≒Ｑ×Ｔと表すことができ、Ｑはキャビティの品質係数である。品質係数はＱ＝ω₀／δωとして表すことができ、δωはキャビティのスペクトル幅である。Ｔはキャリア光の周期（Ｔ＝２π／ω₀）である。図３３について説明すると、理論的に、キャリア周波数の近くでこのようなデバイスは、ローレンツに似た伝送スペクトルを有する。問題の周波数範囲で１つの共振モードしかサポートしない左右対称のキャビティでは、伝送は（放射線損を無視すると）１００％でピークになる。伝送帯域δωは全幅半値と定義される。
【０１８０】
いくつかの実施形態では、強化された半径方向の閉じ込め（半径方向損を防止する）および強化された軸方向の閉じ込め（軸方向損を防止する）のため、高屈折率コントラストの光導波路内に形成された光キャビティは、高いＱ値を有することができる。例えば、このような光キャビティは、少なくとも３００（例えば、少なくとも４００、少なくとも５００、少なくとも６００、少なくとも７５０、少なくとも１，０００、少なくとも１，２００）、１０，００以上、約１００，０００または約２００，０００のようなＱを有することができる。
【０１８１】
別の方法としては、または追加的に、高屈折率コントラストの光導波路に形成される光キャビティは、約５００λ³未満、例えば、約２００λ³未満などの小さいモード・ボリュームを有することができる。いくつかの実施形態では、モード・ボリュームは、１００λ³より小さくても（例えば、１０λ³未満、５λ³未満、３λ³未満、２λ³未満、１λ³未満）よい。ここで、λは共振光の波長である。本明細書では、光キャビティのモード・ボリュームＶ_MODEは下式で与えられる。
【０１８２】
【数７】

ここで、集積ボリュームは、キャビティのモードの電界ベクトル
【０１８３】
【数８】

と電気的変位ベクトル
【０１８４】
【数９】

とのスカラー積
【０１８５】
【数１０】

が
【０１８６】
【数１１】

の１％以上である領域にわたり、ここで、
【０１８７】
【数１２】

はどの程度でも
【０１８８】
【数１３】

の最大値、すなわち
【０１８９】
【数１４】

である。すなわち、高屈折率コントラストの光導波路の強化された半径方向と軸方向の閉じ込め特性を組み合わせることにより、大きいＱを有する極めて小さい体積の光キャビティに光エネルギーを閉じ込めることが可能である。
【０１９０】
例えば、交互の高屈折率および低屈折率クラッド層を有し（図１９参照）、二重層構造が周期ａを有し（ここで、ａは動作周波数を調節させるため下を選択する）、高屈折率の層と低屈折率の層との層屈折率はそれぞれ２．８および１．５、厚さは０．３ａおよび０．７ａである、高屈折率コントラストのフォトニック結晶ファイバについて考えてみる。７つと半分のクラッド二重層を使用する（高屈折率の層で開始し、終了する）。コアは２．３ａの直径を有し、空気（屈折率１）で充填される。コアの内部では、誘電スラブの周期的シーケンスから反射器が形成され、周期は２ａ、屈折率は１．２、（空気によって分離された）厚さはａである。中心の幅１．９ａの空気領域が光キャビティを形成する。９つの周期的誘電スラブが光キャビティの各側にある。２次元モデルを使用して、このキャビティは、周波数０．３０３１ｃ／ａ、１２４９のＱ、およびわずか約２０ａ²のモード面積の共振モードをサポートする。この周波数はａ／λ、例えば、１．５５μｍの物理的λの「無次元」単位で、構造の規模を設定する０．４６９８μｍのａを示唆する。周波数を調節させ、状態を局所化すると、Ｑをさらに増加させることができる。例えば、欠陥に隣接する２つのスラブの屈折率を１．２から１．１３６に変更することにより、０．３０６０ｃ／ａの周波数で２９００のＱが達成される。このＱ値は、軸方向へのモードの漏れ率によって決定される制限的「放射線」Ｑ値である（すなわち半径方向の損失を無視している）ことに留意されたい。したがって、これは実際のデバイスのＱの上限値を示す。しかし、高屈折率コントラストの光導波路で可能な半径方向閉じ込めの強化により、この値が３次元系を表すものと予想される。
【０１９１】
いくつかの実施形態では、光キャビティは、刺激に応答して変動する屈折率を有する材料を含む。例えば、図３３について説明すると、光スイッチ１８０１は、高屈折率コントラストの光導波路内に形成された１対のブラッグ格子１８２０および１８３０を含む。ブラッグ格子１８２０および１８３０は、光導波路１８１０内に光キャビティ１８４０を形成する。光導波路１８１０は、光キャビティ１８４０内に電気光学材料（例えば、液晶）を含む。光スイッチ１８０１は電気モジュール１８５０も含み、これは制御装置１８６０によって起動すると、光キャビティ１８４０に電界を印加する。印加された電界は電気光学材料の屈折率を変化させ、これは光キャビティ１８４０の有効光路長を、ゼロ印加電界キャビティの光路長から変化させる。
【０１９２】
有効キャビティ長の変化は、キャビティの共振周波数を偏移シフトさせる。図３４について説明すると、屈折率変化δｎが小さい場合、伝送曲線は、屈折率変化δｎの記号に応じて、高い周波数または低い周波数へと直線的に偏移シフトする。理論的に、ピーク伝送周波数ω₀の周波数偏移Δωは、下式のように表すことができる。
【０１９３】
Δω／ω₀＝κ・δｎ／ｎ₀
ここで、ｎ₀はキャビティ内の材料の初期屈折率であり、κはシステムの特定の幾何学的形状によって決定される一定の係数である。一般的に、κ≦１であり、κ＝１を有するキャビティは、屈折率の任意の変化で共振周波数に最も大きい偏移を起こす。このような結果は、共振モード・エネルギーの大きい部分が偏移した屈折率の領域に厳密に閉じ込められた場合に達成される。
【０１９４】
本発明の実施形態では、屈折率に誘発された変化δｎは十分に大きく、したがってΔω＞δωであり、屈折率変化を光スイッチに使用することができる。再び図３３について説明すると、光スイッチ１８０１は以下のように機能する。入力信号１８７０がキャリア周波数ω₀を有するものと仮定する。外部から刺激が加えられない状態では、この周波数は光キャビティ１８４０の伝送周波数と一致し、信号は出力信号１８８０として出る。したがって、スイッチがオンされる。しかし外部刺激が加わると、屈折率が変化し、伝送周波数をω₀±Δωに偏移させる。したがって、光スイッチは入力信号１８７０を反射し、スイッチがオフされる。
【０１９５】
以上の実施形態では、ファイバは電気光学材料（すなわち印加電界の関数として屈折率が変化する材料）を含む。さらに一般的に、光スイッチ（または他のデバイス）は、カー媒体などの活動物質、または他の非線形材料を含むことができる。起動すると、刺激（例えば、外部電界または磁界、温度変化、または十分なパワーの入力信号）により、活動物質の屈折率がδｎの量だけ変化する。この屈折率の変化がキャビティ内の光路の長さを変更し、これがキャビティの長さを効果的に変化させて、デバイスを１つの光学的状態から別の状態へと切り換える。
【０１９６】
いくつかの実施例では、光信号はそれ自体が刺激として作用して、キャビティ材料の屈折率を変更する。例えば、キャビティ材料はカー媒体でよく、その場合δｎ∝Ｅ²∝Ｉであり、Ｉは光の局所的強度である。この配置構成は、二安定光デバイスを提供することができる。すなわち、特定の入力信号パワーおよびキャリア周波数では、出力信号パワーは複数の値（例えば、２つの値）を有することができる。いくつかの実施形態では、このようなデバイスは、１０⁸Ｗ／Ｑ²以下（例えば、１０⁷Ｗ／Ｑ²以下、１０⁶Ｗ／Ｑ²以下、１０⁵Ｗ／Ｑ²以下、１０⁴Ｗ／Ｑ²以下）の入力信号パワーで、光学的二安定性を呈することができ、パワーはＱ因子の２乗当たりのワット数という単位である。
【０１９７】
図３５について説明すると、このようなカー非線形キャビティが以下のように分析されている。理論的に、単一のキャリア周波数ω₀で、キャビティの伝送曲線はキャビティの屈折率ｎ_cのローレンツに似た関数になる。入力強度と出力強度との関係Ｉ_OUT（Ｉ_IN）は、以下のように自己矛盾のない方法で解決することができる。Ｉ_INの各値で、Ｉ_OUTの対応する値を求める。この検討は入力および出力強度について言及しているが、入力および出力パワー（例えば、定常状態パワー）に言及すると都合がよいことに留意されたい。図３６の伝送と屈折率の曲線は、可能なＩ_OUT値に１つの制約を与える。別の制約は、任意の屈折率ｎおよびキャリア周波数ω₀において、キャビティ内に保存されたエネルギーが常にＩ_OUTに比例することに由来し、比例定数はシステムの幾何学的形状によって与えられ、一般的に信号には無関係である。次に、Ｉ−ｒが小さく、Ｑが大きくなるよう、高い反射率ｒを有するブラッグ反射器を有する光キャビティでは、キャビティ内の電界を、左側へと伝搬する波と右側への伝搬する波との組合せとしてモデル化することができる。ｒは最大で１であるので、この２つの波はほぼ同じ強度を有し、これはちょうどＩ_OUT（１−ｒ）である。ここで、キャビティ内に保存された合計エネルギーは、入力および出力強度の線形関数であり、それ故ｎ_cはカー効果のためにＩ_OUTの線形関数になる。すなわちｎ_c＝ｎ_C0＋αＩ_OUTであり、αは何らかの定数であり、Ｉ_OUT＝Ｔ×Ｉ_INで、したがって（Ｉ_INが固定されている場合）ｎ_cの関数としてＴに別の制約が与えられる。
【０１９８】
【数１５】

図３５について説明すると、Ｔ（Ｉ_IN）を求めるため、この２つの制約をまとめてプロットし、解を２つの曲線の交点として獲得する。二安定光デバイスの場合、δｎ＝０である（すなわちｎ_C0が、ω₀で伝送が最大になるキャビティを提供するにはあまりに小さい）場合、任意のω₀でピーク伝送周波数がわずかに離調するように、キャビティを設計する。
【０１９９】
図３６から明白なように、任意のＩ_INでＩ_OUTに１、２または３つの可能な値を有することができる。図３７について説明すると、これらの解を明示的に解く場合、Ｉ_OUT（Ｉ_IN）の特徴的なヒステリシス曲線が得られる。曲線の「後ろ向き」部分（すなわちＩ_INが増加するにつれＩ_OUTが減少する部分）の解は不安定である。すなわち、小さくても摂動があると、システムが曲線の上または下の分岐へとジャンプし、したがってこの曲線の上下の分岐だけが物理的に観察可能である。この方法で、ヒステリシス・ループを有する二安定デバイスが獲得される。例えば、高いＩ_INから開始して徐々に減少させると、上分岐が「尽きる」まで曲線の上分岐を辿り、その時点で不連続的に下分岐へと落下する。あるいは、Ｉ_IN＝０で開始し、Ｉ_INを徐々に増加させると、この分岐が「尽きる」まで下分岐を辿り、その時点で図３７の点線で示すように、不連続的に上分岐へとジャンプする。
【０２００】
非線形ファブリ・ペロー・ファイバ内発振器の特徴を、以下で説明する単純な１次元モデルを使用して調査することができる。ブラッグ格子の説明に使用する例示としてのパラメータは、λ₀／８（ここで、λ₀は光の自由空間波長と互換性がある）と等しい層の厚さで、屈折率はｎ₁＝１．５およびｎ₂＝２．７５である。この１次元系は３４％のバンドギャップを有する。高い閉じ込めのため、必要なＱを達成するには５つの二重層で十分である。２つの格子に挟まれた非線形キャビティは、ｎ＝１＋δｎの屈折率を有し、厚さはλ₀／２である。ここで、δｎは、キャビティの外部から（または内部から）誘発された屈折率変化があれば、その変化である。（これは、例えば、単純な線形フィルタにはない。）
図３８について説明すると、δｎ＝０およびδｎ＝０．００３の両方について、周波数の関数として伝送曲線がプロットされている。この構造の品質計数（Ｑ）は２３５０であり、共振周波数は（δｎ＝０の場合）０．９３５４６３ω₀／２πである（ここで、ω₀はλ₀に対応する周波数である）。屈折率偏移が見られ、その結果、ピーク周波数が偏移する。
【０２０１】
次に図３９について説明すると、信号自体によって誘発されたδｎが分析されている。動作周波数を、線形デバイスの共振周波数の０．９９９１倍となるように選択する。δｎがキャビティ内部の総エネルギーに正比例すると仮定すると、図３９は、このデバイスの出力強度（Ｉ_OUT）と入力強度（Ｉ_IN）とを示す。物理的強度は、使用している非線形材料のカー係数に強く依存するので、強度の単位は任意である。しかし、このデバイスを図３９の領域で動作させた場合に得られる最大δｎが０．００２３になるように、（任意単位の）Ｉとδｎとの間の比例定数を選択した。
【０２０２】
図４０について説明すると、動作周波数が共振周波数に近づくよう選択することによって、ヒステリシス・ループの効果を軽減することが可能である。この例では、Ｉ_OUT対Ｉ_INの非線形応答が可能な限り大きくなるように、これらの周波数間の距離が維持される。動作周波数は共振周波数の０．９９９６倍であり、このデバイスを図４０の領域で操作した場合に達成される最大δｎはδｎ＝０．００１である。
【０２０３】
図４０に示したものよりさらに強力なＩ_OUT対Ｉ_INの非線形関係で、１つのデバイスの出力を、別の等しいデバイスの入力として使用する。図４１について説明すると、このようなデバイスを４つ縦続接続した場合、階段状に近い非線形応答が観察される。
【０２０４】
一般的に、所望の非線形応答を有するデバイスを提供するには任意の数のデバイスを縦続接続することができる。例えば、二安定光デバイスは、５つ以上の光キャビティ（例えば、５つの光キャビティ、６つの光キャビティ、７つの光キャビティ、または８つまたはそれ以上の光キャビティ）を含むことができる。あるいは、二安定光デバイスは、３つ以下の光キャビティ（例えば、１つ、２つ、または３つの光キャビティ）を含むことができる。
【０２０５】
二安定光デバイスは、光制限およびパワーイコライザ用途に使用する光学システムなど、多くの光学システムに使用することができる。例えば、（図４１のように）比較的平坦な出力曲線を有する実施形態では、出力は、入力が変動しても固定した強度を有する。同じ効果を調べて、二安定光デバイスは、信号のノイズを除去するのにも使用することができる。例えば、光学システムの光学再生器の代わりに二安定光デバイスを使用することができる。光学再生器は、電気的出力を光送信器に直接供給する光受信器である。次に、光送信器は、新しい光信号をファイバに発射する。光再生器は、通常、光信号を破壊し、システムのビット・エラー率を上昇させる分散、非線形性およびノイズなどの効果を除去するため、長距離用途に使用される。しかし、光信号を電気信号に変換し、電気信号を光信号に戻すには多くの構成部品が必要であるので、光学再生器は複雑で、効率が悪く、高価になることがある。二安定光デバイスは、光学再生器に全て光の類似物を提供することができる。例えば、図４２は、二安定光デバイスに入る入力信号、およびデバイスから出る対応の出力信号の強度プロファイルを示す。入力信号パルス・トレインのプロファイルは、元々システムに向けられた２進波形（図示せず）から非常に変形している。しかし、二安定デバイスは、１つの入力信号に対して可能な２つの出力状態しか提供せず、これは二安定閾値強度より上および下の入力信号に対応する。したがって、２進パルス・トレインは出力信号で復元される。
【０２０６】
さらに、デバイスが２つの入力信号を有し、これが次に信号入力として二安定デバイスに加えられる場合、二安定デバイスを全光型ＡＮＤゲートとして使用することができる（デバイスをトリガして高出力状態にすると同時に、２つの入力しか存在しないように、パラメータを選択できるからである）。さらに、「制御」信号と主信号が２つの異なる周波数である場合、このようなデバイスは、１つの信号を別の信号に光学的に刻印するか、あるいは波長変換にも使用することができる。また、（図４０の曲線の高いｄ（Ｉ_OUT）／ｄ（Ｉ_IN）領域で操作する場合は）増幅器、または潜在的に（図４１に示すようなヒステリシスを使用するか、図４１の出力曲線で示すものに似た２つのデバイスを有するフィードバック・ループを使用して）全光型メモリとしてもこれを使用することができる。
【０２０７】
さらに一般的に、本明細書で説明する高屈折率コントラストの光導波路はいずれも、光電気通信システムに使用することができる。図４３は、光伝送線４０３０によって相互に結合されたソース・ノード４０１０および検出ノード４０２０を含む光電気通信システム４０００の略図を示す。光伝送線は、伝送ファイバの１つまたは複数の区画、および分散補償ファイバの１つまたは複数の区画を含むことができる。伝送ファイバは、高屈折率コントラストの光導波路（例えば、高屈折率コントラストの光ファイバまたは高屈折率コントラストのフォトニック・ファイバ）であってもよい。分散補償ファイバ区画はいずれも、高屈折率コントラストの光導波路でもよい。ソース・ノード４０１０は、伝送線に沿って配向された光信号の元のソースであるか、光信号を伝送線４０３０に再配向、光学的に増幅および／または電気的に検出し、光学的に再生する中間ノードであってもよい。さらに、ソース・ノード４０１０は、複数の光信号を異なる波長で多重化または逆多重化する構成部品を含むことができる。同様に、検出器ノード４０２０は、伝送線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、光学的に増幅および／または電気的に検出し、光学的に再生する中間ノードであってもよい。また、検出器ノード４０２０は、複数の光信号を異なる波長で多重化または逆多重化する構成部品も含むことができる。ソース・ノード４０１０または検出器ノード４０２０にあるデバイスのいずれも、高屈折率コントラストの光導波路デバイスを含むことができる。例えば、ソース・ノードの光学再生器は、高屈折率コントラストの光導波路二安定デバイスであってもよい。さらに他の例では、いずれかのノードがエルビウムをドープした高屈折率コントラストの光ファイバ増幅器などを含むことができる。分散補償ファイバを、伝送ファイバによって生じた光信号の分散の事前補償または事後補償のために配置してもよい。さらに、伝送線に沿って伝送される光信号は、対応する波長に複数の信号を含む波長分割多重化（ＷＤＭ）信号であってもよい。システムの適切な波長は、約１．２ミクロンから約１．７ミクロンの範囲内にある波長を含み、これは今日使用されている多くの長距離システムに対応し、さらに約０．７ミクロンから約０．９ミクロンの範囲内にある波長を含み、これは現在考慮されているメトロ・システムに対応する。
【０２０８】
本発明の多くの実施形態について説明したが、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、他の実施形態も請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０２０９】
【図１】高屈折率コントラストの光導波路引抜システムの実施形態の略図である。
【図２】Ｔ_gとＴ_dsとを示すガラスの温度と体積（または長さ）とのプロットである。
【図３】２つのガラスの温度と長さとのプロットである。
【図４】カルコゲナイド・ガラスと酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図５】カルコゲナイド・ガラスと別の酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図６】カルコゲナイド・ガラスと別の酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図７】カルコゲナイド・ガラスと別の酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図８】カルコゲナイド・ガラスと別の酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図９】カルコゲナイド・ガラスと別の酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図１０】カルコゲナイド・ガラスとＱ−１００Ｋｉｒｇｅガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図１１】カルコゲナイド・ガラスと別の酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図１２】カルコゲナイド・ガラスともう１つの酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図１３】カルコゲナイド・ガラスと図１２の酸化ガラスとの熱膨張を比較するプロットである。
【図１４Ａ】３つのホウケイ酸／燐酸塩ガラスとＡＭＴＩＲ−１の１０００／温度とログ粘度とを示すプロットである。
【図１４Ｂ】フッ化ガラスとＧｅ₂₀Ｓｅ₈₀の１０００／温度とログ粘度とを示すプロットである。
【図１５】鉛ビスマス・ガラスと２つの硼素／燐酸塩ガラスとの１０００／温度とログ粘度とを示すプロットである。
【図１６】Ａｓ₄₀Ｓｅ₆₀ガラスとポリマーとの１０００／温度とログ粘度とを示すプロットである。
【図１７】Ｌａ−Ｇａ−Ｓガラスと鉛アルカリホウケイ酸ガラスの１０００／温度とログ粘度とを示すプロットである。
【図１８】高屈折率コントラストの光ファイバの実施形態の断面図である。
【図１９】高屈折率コントラストのフォトニック結晶ファイバの実施形態の断面図である。
【図２０】高屈折率コントラストの光ファイバの異なるコア屈折率の値について、モード・フィールド直径とコア直径との関係を示すプロットである。
【図２１】光ファイバからの光を集積光デバイスに結合する、高屈折率コントラストの光導波路の実施形態の略図である。
【図２２】分散調整領域を含み高屈折率コントラストの光導波路の実施形態の断面図である。
【図２３】高屈折率コントラストの光ファイバの実施形態の分散と波長とのプロットである。
【図２４】軸方向の光変調を有し、高屈折率コントラストの光導波路の略図である。
【図２５】ファイバ変調装置を含む、高屈折率コントラストの光導波路引抜システムの実施形態の略図である。
【図２６】軸方向の光変調を有する、高屈折率コントラストのフォトニック結晶ファイバの実施形態の断面図である。
【図２７】Ａ〜Ｃは高屈折率コントラストの中空光導波路に軸方向の光変調を形成する一連のステップの略図である。
【図２８】高屈折率コントラストの光導波路内に形成された光キャビティの実施形態の略図である。
【図２９】高屈折率コントラストの光導波路内に形成された光キャビティの別の実施形態の略図である。
【図３０】高屈折率コントラストの光導波路内に形成された光キャビティのさらに他の実施形態の略図である。
【図３１】高屈折率コントラストの光導波路内に形成された光キャビティの動作を示す略図である。
【図３２】光学フィルタの周波数の関数としてのフィルタ伝送のプロットである。
【図３３】光スイッチの略図である。
【図３４】光スイッチの２状態について、周波数の関数としてのフィルタ伝送のプロットである。
【図３５】光デバイスの空洞内における屈折率の関数としての伝送のプロットである。
【図３６】二安定光デバイスの空洞内における屈折率の関数としての伝送のプロット、および空洞内の屈折率と、伝送と入力信号強度の積との直線関係を示す曲線である。
【図３７】二安定光デバイスの入力強度の関数として出力強度を示すプロットである。
【図３８】光キャビティの内側における屈折率の２つの異なる値について、二安定光デバイスの周波数の関数として伝送を示すプロットである。
【図３９】二安定光デバイスの入力強度の関数として出力強度を示すプロットである。
【図４０】別の二安定光デバイスの入力強度の関数として出力強度を示すプロットである。
【図４１】もう１つの二安定光デバイスの入力強度の関数として出力強度を示すプロットである。
【図４２】二安定光デバイスの動作を示す略図である。
【図４３】高屈折率コントラストの光導波路を含む電気通信システムの略図である。

Claims (48)

1. 導波路軸を有する光導波路であって、
   前記導波路軸に沿って延在する第１の部分と、
   前記第１の部分とは異なり、前記導波路軸に沿って延在し、かつ前記第１の部分を囲む第２の部分とを備え、
   前記第１及び第２の部分の少なくとも１つは、セレン・カルコゲナイド・ガラスおよびテルル・カルコゲナイド・ガラスで構成されるグループから選択されるカルコゲナイド・ガラスを備える、光導波路。
2. 前記カルコゲナイド・ガラスは、Ａｓ−Ｓｅ、Ｇｅ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｓ−Ｓｅ、Ｓ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓｅ−Ｔｅ、Ｇｅ−Ｓ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｇｅ−Ｓｅ、Ａｓ−Ｇｅ−Ｔｅ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｐｂ、Ａｓ−Ｓｅ−Ｔｌ、Ａｓ−Ｔｅ−Ｔｌ、Ａｓ−Ｓｅ−ＧａおよびＧｅ−Ｓｂ−Ｓｅで構成されるグループから選択される、請求項１に記載の光導波路。
3. 前記カルコゲナイド・ガラスは、硼素、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、ガリウム、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン、タリウム、鉛、ビスマス、カドミウム、ランタン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素から構成されるグループから選択される元素を備える、請求項１に記載の光導波路。
4. 前記第１及び第２の部分の少なくとも一つは非線形材料を含む、請求項１に記載の光導波路。
5. 前記非線形材料が電気光学材料である、請求項４に記載の光導波路。
6. 前記第１又は第２の材料が複数の希土類イオンを含む、請求項１に記載の光導波路。
7. 前記希土類イオンがエルビウム・イオンを含む、請求項６に記載の光導波路。
8. 前記第１の部分が均質な部分である、請求項１に記載の光導波路。
9. 前記第１の部分が不均質部分である、請求項１に記載の光導波路。
10. 前記第１の部分が導波路軸に沿って延在する１つまたは複数の穴を有する穴あき部分含む、請求項９に記載の光導波路。
11. 前記第２の部分が誘電体材料を備える、請求項１に記載の光導波路。
12. 前記誘電体材料が無機材料である、請求項１１に記載の光導波路。
13. 前記無機材料が無機ガラスである、請求項１２に記載の光導波路。
14. 前記無機ガラスがハロゲン化ガラスである、請求項１３に記載の光導波路。
15. 前記無機ガラスが酸化ガラスである、請求項１３に記載の光導波路。
16. 前記酸化ガラスが最高４０モル％のＭＯの形態の化合物を含み、Ｍは、Ｐｂ、Ｃａ、Ｍｇ、ＳｒおよびＢａから構成されるグループから選択される、請求項１５に記載の光導波路。
17. 前記酸化ガラスが最高４０モル％のＭ₂Ｏの形態の化合物を含み、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂおよびＣｓから構成されるグループから選択される、請求項１５に記載の光導波路。
18. 前記酸化ガラスが最高４０モル％のＭ₂Ｏ₃の形態の化合物を含み、Ｍは、Ａｌ、ＢおよびＢｉから構成されるグループから選択される、請求項１５に記載の光導波路。
19. 前記酸化ガラスが最高６０モル％のＰ₂Ｏ₅を含む、請求項１５に記載の光導波路。
20. 前記酸化ガラスが最高４０モル％のＳｉＯ₂を含む、請求項１５に記載の光導波路。
21. 前記無機ガラスが混合された酸化フッ素ガラスである、請求項１３に記載の光導波路。
22. 前記誘電体材料が有機材料である、請求項１１に記載の光導波路。
23. 前記有機材料がポリマーである、請求項２２に記載の光導波路。
24. 前記有機材料がカーボネート、スルホン、エーテルイミド、アクリレート系およびフルオロポリマーから構成されるグループから選択されるポリマーである、請求項２３に記載の光導波路。
25. 前記第２の部分が均質な部分である、請求項１に記載の光導波路。
26. 前記第２の部分が不均質部分である、請求項１に記載の光導波路。
27. 前記第２の部分が導波路軸に沿って延在する１つまたは複数の穴を有する穴あき部分含む、請求項２６に記載の光導波路。
28. 前記第１の部分は屈折率ｎ₁を有するコアであり、前記第２の部分は屈折率ｎ₂＜ｎ₁を有する、請求項１に記載の光導波路。
29. 前記光導波路がフォトニック結晶ファイバである、請求項１に記載の光導波路。
30. 前記フォトニック結晶ファイバがブラッグ・ファイバである、請求項２９に記載の光導波路。
31. 前記第１の部分は屈折率ｎ₁を有し、前記第２の部分は屈折率ｎ₂を有し、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３５である、請求項１に記載の光導波路。
32. 前記第１の部分は屈折率ｎ₁を有し、前記第２の部分は屈折率ｎ₂を有し、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．５である、請求項１に記載の光導波路。
33. 導波路軸を有する光導波路であって、
    前記導波路軸に沿って延在するコアと、
    前記導波路軸を中心に前記コアを囲む閉じ込め領域であって、カルコゲナイド・ガラスを含む閉じ込め領域と、当該閉じ込め領域は、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更に含み、前記閉じ込め領域は動作中、少なくとも第１の範囲の周波数のＥＭ放射線を導波して、前記導波路軸に沿って伝搬させる、光導波路。
34. 前記第１の部分は屈折率ｎ₁を有し、前記第２の部分は屈折率ｎ₂を有し、｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．１である、請求項３３に記載の光導波路。
35. ｜ｎ₁−ｎ₂｜≧０．３である、請求項３４に記載の光導波路。
36. 前記コアが中空コアである、請求項３３に記載の光導波路。
37. 前記コアが誘電材料を含む、請求項３３に記載の光導波路。
38. 前記コアが非線形材料を含む、請求項３３に記載の光導波路。
39. 前記コアが希土類イオンを含む、請求項３３に記載の光導波路。
40. 前記閉じ込め領域が複数の層を備える、請求項３３に記載の光導波路。
41. 交互層はカルコゲナイド・ガラスを含む、請求項４０に記載の光導波路。
42. 前記複数の層のサブセットはカルコゲナイド・ガラスがなくてもよい、請求項４０に記載の光導波路。
43. 前記層のサブセットは交互の層である、請求項４０に記載の光導波路。
44. 前記カルコゲナイド・ガラスはセレンを含む、請求項３３に記載の光導波路。
45. 前記カルコゲナイド・ガラスはテルルを含む、請求項３３に記載の光導波路。
46. 前記カルコゲナイド・ガラスは、硼素、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、ガリウム、ヒ素、インジウム、スズ、アンチモン、タリウム、鉛、ビスマス、カドミウム、ランタン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素から構成されるグループから選択される元素を備える、請求項３３に記載の光導波路。
47. 光導波路を作成するための方法であって、
    カルコゲナイド・ガラスを備える第１の部分と、第１の部分を囲む第２の部分とを備えるファイバ・プリフォームを提供し、
    前記第１および第２の部分が１０³ポワズと１０⁶ポワズの間の粘度を有するように前記ファイバ・プリフォームを加熱し、
    前記加熱したファイバ・プリフォームを引抜き加工して光導波路を作成することを備える方法。
48. 加熱した第１及び第２の部分の粘度は１０⁵ポワズ未満である、請求項４７に記載の方法。

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