フォトニック・バンドギャップ・ファイバ
【課題】 所望の分散特徴を有する光ファイバを設計する。
【解決手段】 本明細書において説明される多くの構造の中には、所望の分散スペクトルを提供するように設計されたフォトニック・バンドギャップ・ファイバが含まれる。さらに、広い伝送帯域およびより低い伝送損失を達成するための設計も議論される。たとえば、いくつかのファイバ設計では、クラッディングにおける高屈折率材料のより小さい寸法および大きなコアのサイズは、広いスペクトル範囲にわたって小さい平坦な分散を提供する。他の例では、コアに最も近い高屈折率リング形領域の厚さは、所望の波長において負の分散またはゼロの分散を提供するように、十分に大きな寸法を有する。さらに、同心状のリングまたは円に沿って分布した低屈折率クラッディングの特徴が、広いバンドギャップを達成するために使用されることが可能である。
【解決手段】 本明細書において説明される多くの構造の中には、所望の分散スペクトルを提供するように設計されたフォトニック・バンドギャップ・ファイバが含まれる。さらに、広い伝送帯域およびより低い伝送損失を達成するための設計も議論される。たとえば、いくつかのファイバ設計では、クラッディングにおける高屈折率材料のより小さい寸法および大きなコアのサイズは、広いスペクトル範囲にわたって小さい平坦な分散を提供する。他の例では、コアに最も近い高屈折率リング形領域の厚さは、所望の波長において負の分散またはゼロの分散を提供するように、十分に大きな寸法を有する。さらに、同心状のリングまたは円に沿って分布した低屈折率クラッディングの特徴が、広いバンドギャップを達成するために使用されることが可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている２００４年１２月３０日に出願された「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国仮特許出願６０／６４０３４５（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０３２ＰＲ）に対する優先権を主張する。
【０００２】
本発明は光ファイバに関し、より具体的には、フォトニック・バンドギャップ・ファイバに関する。
【背景技術】
【０００３】
周期的光学媒体のフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）に基づく光導波路の概念は、１９７８年にＹｅｈおよびＹａｒｉｖによる理論論文において初めて提案された（「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｂｒａｇｇ Ｆｉｂｅｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ｖｏｌ．６８、第９、１９７８年９月、１１９６〜１２０１ページ）。その２１年後に、１９９９年９月のＳｃｉｅｎｃｅに発表されたＣｒｅｇａｎらの論文によって、ＰＢＧ効果によって誘導される光ファイバが、初めて実際的に実証された（Ｒ．Ｆ．Ｃｒｅｇａｎ、Ｂ．Ｊ．Ｍａｎｇａｎ、Ｊ．Ｃ．Ｋｎｉｇｈｔ、Ｔ．Ａ．Ｂｉｒｋｓ、Ｐ．Ｓｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌ、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、およびＤ．Ｃ．Ａｌｌａｎ：「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．２８５、１９９９年９月、１５３７〜１５３９ページ）。これらの最初の実証では、光ファイバのクラッディングは、シリカ毛細管を三角形に積み重ねることによって形成され、コアは、中心の大きな空気穴によって形成された。このファイバのクラッディングは、断面が、ブラッグ・ファイバと呼ばれるＹｅｈおよびＹａｒｉｖによって当初の１９７８年の論文において提案された１セットの異なる媒体の同心円ではなかった。しかし、同じ原理が、両方の導波路の基盤を形成する。最初のブラッグ・ファイバの実証は、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙに発表された論文（Ｙ．Ｆｉｎｋ、Ｄ．Ｊ．Ｒｉｐｉｎ、Ｓ．Ｆａｎ、Ｃ．Ｃｈｅｎ、Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ、およびＥ．Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ：「Ｇｕｉｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｌｌ−Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１７、第１１、１９９９年１１月、２０３９〜２０４１ページ」）においてＦｉｎｋによって１９９９年１１月に報告された。
【０００４】
１９９９年にフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）が初めて実証されて以来、進歩が速くなっている。Ｓｍｉｔｈらが、２００３年８月にＮａｔｕｒｅに発表された論文において、損失が１３ｄＢ／ｋｍ程度に低いＰＢＧＦを報告した（Ｃ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｎ．Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎ、Ｍ．Ｔ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ、Ｄ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｊ．Ａ．Ｗｅｓｔ、Ｎ．Ｆ．Ｂｏｒｒｅｌｌｉ、Ｄ．Ｃ．Ａｌｌａｎ、およびＫ．Ｗ．Ｋｏｃｈ：「Ｌｏｗ−ｌｏｓｓ Ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ Ｓｉｌｉｃａ／ａｉｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ」、Ｎａｔｕｒｅ、ｖｏｌ．４２４、２００４年８月、６５７〜６５９ページ）。他の突破口が、２００４年２月のＯｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅにおける期限後の論文において訪れた（Ｂ．Ｊ．Ｍａｎｇａｎ、Ｌ．Ｆａｒｒ、Ａ．Ｌａｎｇｆｏｒｄ、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、Ｄ．Ｐ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ、Ｆ．Ｃｏｕｎｙ、Ｍ．Ｌａｗｍａｎ、Ｍ．Ｍａｓｏｎ、Ｓ．Ｃｏｕｐｌａｎｄ、Ｒ．Ｆｌｅａ、およびＨ．Ｓａｂｅｒｔ：「Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ（１．７ｄＢ／ｋｍ） Ｈｏｌｌｏｗ Ｃｏｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ」、ＰＤＰ２４、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００４年２月）。Ｍａｎｇａｎらが、損失が１．７ｄＢ／ｋｍ程度に低いＰＢＧＦを報告した。
【０００５】
この進展は、実世界の応用分野により近い技術をもたらした。応用分野の第１領域は、高エネルギー光パルス伝播である。一般的には、光ファイバに沿って伝播する光パワーは、ＰＢＧＦの中心に穴を通常備えるコアにある。光は、固体よりはるかに小さい非線形の係数を有する真空、空気、または不活性気体において有効に伝播することができる。さらに、そのような中空コアは、高いピーク・パワーを有する光パルスを伝播させるのに理想的な媒体である。そうでない場合、そのようなパルスは、コア・ガラスの非線形プロセスに起因するパルスのひずみおよび／またはエネルギー損失のために、従来の光ファイバでは相当な距離にわたって誘導されない可能性がある。そのような高ピーク・パワー・パルス伝播の初めての実証が、Ｏｕｚｏｕｎｏｖらによって２００３年にＳｃｉｅｎｃｅの論文において報告された（Ｄ．Ｇ．Ｏｕｚｏｕｎｏｖ、Ｆ．Ｒ．Ａｈｍａｄ、Ａ．Ｌ．Ｇａｅｔａ、Ｄ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｎ．Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎ、Ｍ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ、Ｃ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、およびＫ．Ｗ．Ｋｏｃｈ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．３０１、２００３年、１７０２ページ）。キセノン気体が、報告された実験の１つの最中にコアを充填するために使用された。最高で１０１３Ｗ／ｃｍ２のパルス強度で１００ｍにわたるひずみのない伝送が達成された。
【０００６】
精確な分散制御が、長距離伝送およびパルス成形に使用される光ファイバに有用である。非線形性がない場合、分散は、光ファイバを通る伝送中のパルスの展開を規定する。電気通信および光パルスの送達など、パルスの形状が保存される場合、低分散が望ましい可能性がある。特に、広い帯域幅にわたる平坦な低分散が有用であることがある。注目すべき例は、電気通信における波長分割多重化であり、この場合、波長にわたる一定の低分散レベルが、すべての搬送波の波長について一様な性能を提供するように補助することができる。対照的に、所定のレベルのパルス成形が望ましい場合、波長にわたって制御可能な変化量を有する高レベルの分散が、代わりに好ましい可能性がある。注目すべき例は、高エネルギー・パルス・システムにおけるパルス圧縮であり、この場合、公正な量の補償を達成するために、２次および３次の分散の組合せ（βｍ＝ｄｍβ／ｄωｍとしてβ２およびβ３、βおよびωは伝播定数および光周波数である）を使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国仮特許出願６０／６４０３４５（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０３２ＰＲ）
【特許文献２】米国特許出願１０／８４４９４３（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０２４Ａ）
【特許文献３】米国特許出願１１／１３４８５６（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０３５Ａ）
【特許文献４】米国特許出願１０／８１４５０２（弁理士整理番号第ＩＭＲＡＡ．０２３Ａ）
【特許文献５】米国特許出願１０／８１４３１９（弁理士整理番号第ＩＭＲＡＡ．０２５Ａ）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＹｅｈおよびＹａｒｉｖ、「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｂｒａｇｇ Ｆｉｂｅｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ｖｏｌ．６８、第９、１９７８年９月、１１９６〜１２０１ページ
【非特許文献２】Ｒ．Ｆ．Ｃｒｅｇａｎ、Ｂ．Ｊ．Ｍａｎｇａｎ、Ｊ．Ｃ．Ｋｎｉｇｈｔ、Ｔ．Ａ．Ｂｉｒｋｓ、Ｐ．Ｓｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌ、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、およびＤ．Ｃ．Ａｌｌａｎ：「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．２８５、１９９９年９月、１５３７〜１５３９ページ
【非特許文献３】Ｙ．Ｆｉｎｋ、Ｄ．Ｊ．Ｒｉｐｉｎ、Ｓ．Ｆａｎ、Ｃ．Ｃｈｅｎ、Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ、およびＥ．Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ：「Ｇｕｉｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｌｌ−Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１７、第１１、１９９９年１１月、２０３９〜２０４１ページ
【非特許文献４】Ｃ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｎ．Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎ、Ｍ．Ｔ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ、Ｄ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｊ．Ａ．Ｗｅｓｔ、Ｎ．Ｆ．Ｂｏｒｒｅｌｌｉ、Ｄ．Ｃ．Ａｌｌａｎ、およびＫ．Ｗ．Ｋｏｃｈ：「Ｌｏｗ−ｌｏｓｓ Ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ Ｓｉｌｉｃａ／ａｉｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ」、Ｎａｔｕｒｅ、ｖｏｌ．４２４、２００４年８月、６５７〜６５９ページ
【非特許文献５】Ｂ．Ｊ．Ｍａｎｇａｎ、Ｌ．Ｆａｒｒ、Ａ．Ｌａｎｇｆｏｒｄ、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、Ｄ．Ｐ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ、Ｆ．Ｃｏｕｎｙ、Ｍ．Ｌａｗｍａｎ、Ｍ．Ｍａｓｏｎ、Ｓ．Ｃｏｕｐｌａｎｄ、Ｒ．Ｆｌｅａ、およびＨ．Ｓａｂｅｒｔ：「Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ（１．７ｄＢ／ｋｍ） Ｈｏｌｌｏｗ Ｃｏｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ」、ＰＤＰ２４、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００４年２月
【非特許文献６】Ｄ．Ｇ．Ｏｕｚｏｕｎｏｖ、Ｆ．Ｒ．Ａｈｍａｄ、Ａ．Ｌ．Ｇａｅｔａ、Ｄ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｎ．Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎ、Ｍ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ、Ｃ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、およびＫ．Ｗ．Ｋｏｃｈ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．３０１、２００３年、１７０２ページ
【非特許文献７】Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ（ＣｈａｐｍａｎおよびＨａｌｌ、１９８３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、所望の分散特徴を有する光ファイバを設計する能力が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書において説明される多くの構造の中には、所望の分散スペクトルを提供するように設計されたフォトニック・バンドギャップ・ファイバが含まれる。さらに、広い伝送帯域およびより低い伝送損失を達成するための設計も議論される。
【００１１】
以下で説明されるように、たとえば、ＰＢＧＦの分散は、クラッディングの層を適切に設計することによって特定の応用分野に適合されることができる。たとえば、いくつかの場合、ＰＢＧＦにおいて所望の分散スペクトルの範囲を得るために、コア・モードとクラッディングの１つまたは複数の最内層との強い相互作用を使用することができる。たとえば、いくつかのファイバ設計では、クラッディングにおける高屈折率材料のより小さい寸法および大きなコア・サイズが、広いスペクトル範囲にわたって小さい平坦な分散を提供する。さらに、同心状のリングまたは円に沿って分布した低屈折率のクラッディング特徴が、広いバンドギャップを達成するために使用されることが可能である。広範な他の設計も可能である。
【００１２】
ＰＢＧＦを製作する技法も、本明細書において説明される。例示的な製作技法には、プレフォームの形成があり、これは、たとえば、数１０または数１００倍にスケール・アップし、プレフォームを引っ張り、通常は数１０から数１００マイクロメートルである必要なファイバ直径までプレフォームを低減することが可能であるＰＢＧＦの大規模なバージョンである。他の方法が説明される。
【００１３】
フォトニック・バンドギャップ・ファイバの様々な応用分野も提示される。本明細書において議論されない他の応用分野も、同様に可能である。
【００１４】
たとえば、本発明の一実施形態は、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより比ｄ／Λは約０．３より小さい。クラッディングは、約πラジアンより小さい正規化周波数ν＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λを有し、コアは、約１００ｎｍより大きい波長伝送帯域を有する。
【００１５】
本発明の他の実施形態はまた、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバをも備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈屈折率のリング形領域は、平均の厚さｄを有する。コアに最も近い高屈折率リング形領域は、平均の厚さδを有するコア・クラッディング境界を形成し、それにより、約１ラジアンより小さい正規化周波数ν＝２πδ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λを提供する。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、約１０μｍより大きいコアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより比ｄ／Λは約０．２より小さい。ファイバは、伝送帯域の少なくとも約１００ｎｍにわたって約−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍから５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の分散を有する。
【００１７】
本発明の他の実施形態はまた、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより比ｄ／Λは約０．２より小さい。コアに最も近い高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄより約１．１倍大きい厚さδを有する。ファイバは、伝送帯域の少なくとも約２０ｎｍにわたって約−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい分散を有する。
【００１８】
本発明の他の実施形態は、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、波長Λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄを有し、それにより、ファイバは、約（ａ）０．５５πから０．８５π、（ｂ）１．０５πから１．７５π、または（ｃ）２．４πから２．７πの間の正規化周波数ν＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λに対応する波長において、約１００ｄＢ／ｋｍより小さい伝送損失を有する。
【００１９】
本発明の他の実施形態は、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。コアは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄを有し、コアに最も近い高屈折率リング形領域は、最大の厚さｄの約０．１倍から５倍である厚さδを有し、それによりファイバは、適合された波長においてゼロ分散を有する。
【００２０】
本発明の他の実施形態は、光源、光ファイバ、および少なくとも１つの光検出器を備える気体分析装置を備える。光ファイバは、コアおよびクラッディングを備え、光源に光学的に結合される。光ファイバは、気体を受け取るために、コアまたはコアの近傍において１つまたは複数の穴をさらに備える。少なくとも１つの光検出器は、気体によって影響を受ける光をファイバのコアから受光するように配置される。
【００２１】
本発明の他の実施形態は、フォトニック・バンドギャップ・ファイバを製造する方法を備える。方法は、中心の周りに配置された管の複数のリングを形成するように複数の管を構成することと、開領域を提供するように中心から管の少なくとも３つのリングを排除することとを備える。方法は、管を伸張させ、それによりリングおよび開領域のサイズを低減することをさらに備える。
【００２２】
本発明の他の実施形態も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】コアを形成するために７本の管が除去されている、複数の中空管から作製されたクラッディングを有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）の例を概略的に示す断面図である。
【図１Ｂ】コアを形成するために１９本の管が除去されている、複数の中空管から作成されたクラッディングを有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）の例を概略的に示す断面図である。
【図２Ａ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｂ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｃ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｄ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｅ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｆ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図３Ａ】様々な直径を有する複数のより大きい同心管、およびより大きな同心管を分離するために使用された複数のより小さい管から形成されたブラッグ・ファイバを概略的に示す図である。
【図３Ｂ】様々な直径を有する円形同心管を積み重ね、図３Ａに示されたような同心管の間により小さい毛細管を導入することによってＰＢＧファイバを作製する装置および方法を概略的に示す図である。
【図３Ｃ】様々な直径を有する円形同心管を積み重ね、図３Ａに示されたような同心管の間により小さい毛細管を導入することによってＰＢＧファイバを製作する装置および方法を概略的に示す図である。
【図３Ｄ】様々な直径を有する円形同心管を積み重ね、図３Ａに示されたような同心管の間により小さい毛細管を導入することによってＰＢＧファイバを製作する装置および方法を概略的に示す図である。
【図４Ａ】同心状の円形経路に沿って配置された複数の微細構造から形成された同心円形リングを備えるＰＢＧファイバを形成するためのプレフォームを概略的に示す図である。
【図４Ｂ】同心状の円形経路に沿って配置された複数の微細構造から形成された同心円形リングを備えるＰＢＧファイバを形成するためのパーフォームを概略的に示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａおよび４ＢのＰＢＧファイバを形成する装置および方法を概略的に示す図である。
【図４Ｄ】図４Ａおよび４ＢのＰＢＧファイバを形成する装置および方法を概略的に示す図である。
【図４Ｅ】図４Ａおよび４Ｂと同様の同心円形経路に配置された微細構造を備えるＰＢＧファイバにおけるシミュレーションした光学モードを概略的に示す図である。
【図４Ｆ】図４Ａおよび４Ｂと同様の同心円形経路に配置された微細構造を備えるＰＢＧファイバにおけるシミュレーションした光学モードを概略的に示す図である。
【図４Ｇ】図４Ａおよび４Ｂと同様の同心円形経路に配置された微細構造を備えるＰＢＧファイバにおけるシミュレーションした光学モードを概略的に示す図である。
【図４Ｈ】共に融合された円形経路に配置された複数の管から形成された高屈折率の第１の複数の環状リング形領域および低屈折率の第２の複数の環状リング形領域を概略的に示す図である。
【図５】１の屈折率を有する空気に配置された１．４５の屈折率を有するガラス・ロッドの１５ｃｍ湾曲半径について、湾曲損失を示すプロット図である。
【図６】高屈折率および低屈折率の複数の同心リング形領域を備えるブラッグ・ファイバの断面を概略的に示す図である。
【図７Ａ】図６に示されたようなブラッグ・ファイバのシミュレーションから得られるＨＥ１１モードを概略的に示す図である。
【図７Ｂ】図６に示されたようなブラッグ・ファイバのシミュレーションから得られるＨＥ１１モードを概略的に示す図である。
【図８】中心からの半径距離と共に増大する厚さを有する高屈折率および低屈折率の同心リング状領域を備えるチャープ・ブラッグ・ファイバの断面を概略的に示す図である。
【図９】ブラッグ・ファイバにおけるコアのサイズの効果を概略的に示す、波長に対する分散損失および閉込め損失のプロットを示す図である。
【図１０】ブラッグ・ファイバをシミュレーションすることによって決定された高屈折率領域の平均の厚さと周期の比（ｄ／Λ）の効果を概略的に示す、波長に対する分散および閉込めの損失のプロットを示す図である。
【図１１】高屈折率材料の第１層の厚さと高屈折率層の周期の比の効果を示す、ブラッグ・ファイバの波長に対する分散および閉込めの損失のプロットを示す図である。
【図１２】ブラッグ・ファイバのコア半径に対する閉込め損失および有効モード屈折率のプロットを示す図である。
【図１３】ブラッグ・ファイバにおける伝送帯域を決定するための計算を概略的に示す図である。
【図１４】分析公式と完全数値計算を使用して決定された閉込め損失の比較を概略的に示す図である。
【図１５】ブラッグ・ファイバの最小伝送損失を決定する方式を概略的に示す図である。
【図１６】ブラッグ・ファイバの高屈折率領域の厚さと周期の比（ｄ／Λ）の効果を示す、正規化周波数に対する分散損失および閉込め損失のプロットを示す図である。
【図１７】高屈折率リング状領域の周期Λのみが変化し、一方、幅ｄが一定に維持されるブラッグ・ファイバにおけるチャープの効果を示す、正規化周波数に対する分散損失および閉込め損失のプロットを示す図である。
【図１８】平均の幅ｄおよび周期Λの両方が変化するブラッグ・ファイバにおける異なるチャープの効果を示す、正規化周波数に対する分散損失および閉込め損失のプロットを示す図である。
【図１９】ＰＢＧＦを組み込む単一スパン電気通信システムを概略的に示すブロック図である。
【図２０】ＰＢＧＦを組み込む複数スパン電気通信システムを概略的に示すブロック図である。
【図２１Ａ】ＰＢＧＦを組み込むファイバ・チャープ・パルス増幅システムを概略的に示すブロック図である。
【図２１Ｂ】ＰＢＧＦを組み込むファイバ・チャープ・パルス増幅システムを概略的に示すブロック図である。
【図２２Ａ】ＰＢＧＦを使用するスペクトル伝送測定に基づく気体検出システムを概略的に示すブロック図である。
【図２２Ｂ】図２２Ａの気体検出システムにおいて気体と光を組み合わせるためのマルチプレクサの概略図である。
【図２２Ｃ】図２２Ａの気体検出システムにおいて気体と光を分離するためのデマルチプレクサの概略図である。
【図２３Ａ】ＰＢＧＦにおける後方ラーマン散乱に基づく気体検出システムの概略図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａの気体検出システムにおいて気体と光を組み合わせるためのマルチプレクサの概略図である。
【図２３Ｃ】図２３Ａの気体検出システムにおいて気体と光を分離するためのデマルチプレクサの概略図である。
【図２４Ａ】ＰＢＧＦにおける前方ラーマン散乱に基づく気体検出システムの概略図である。
【図２４Ｂ】図２４Ａの気体検出システムにおいて気体と光を分離するためのデマルチプレクサの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１Ａに示されたようなフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）１００が、コア１０２およびクラッディング１０４を備え、クラッディングは、コアの周りに六角形の経路に沿って配置された複数の微細構造１０６を備える。そのようなクラッディング１０４は、たとえば、小さい薄壁管を三角形のパターンにおいて積み重ねることによって形成することが可能である。図１Ａからわかるように、この三角形パターンは、六角形の構成をもたらし、六角形積重ねと呼ぶことも可能である。図１Ａに示されたコア１０２は、六角形の経路の中心から７本の管を排除することによって製作することが可能である。図１Ｂでは、ＰＢＧＦ１００のコア１０２は、１９本の管を残すことによって形成される。図１Ｂのファイバは、はるかにより大きいコアのサイズを有する。
【００２５】
これらのファイバは、管を引っ張ることによって形成することが可能である。クラッディング１０４は、円形の管を積み重ねることによって創出されるが、ファイバ１００の最終的な断面は、引っ張りプロセス中の表面張力と粘性流の相互作用が円形の穴をゆがませるので、通常、円形の穴を含んでいない。穴は、通常、引っ張りの最中に加圧される。この圧力は、最終的な穴の幾何学的形状の決定において主要な役割を担う。
【００２６】
管は、中空ガラス管を備えることが可能であり、ガラス部分は、中空部分と比較して相対的に高い屈折率の材料を備え、中空部分は空であり、排気する、あるいは気体または空気で充填することが可能である。引っ張った後、ガラス部分は共に融合して、内部に中空領域を有する高屈折率マトリックスを形成する。ガラス・マトリックス内のこれらの中空領域は、クラッディング１０４のフォトニック・バンドギャップ閉込めを提供する微細構造１０６を形成する。
【００２７】
しかし、六角形積重ねの中心から７本または１９本の管を除去することによって作成されたこれらのファイバ１００は、１００ｎｍより小さい伝送ウィンドウを有する。それでも多くの応用分野では、はるかにより広い伝送帯域が有用である。本明細書において説明されるように、より広い伝送帯域またはウィンドウは、クラッディングにおいて高屈折率材料の厚さを低減することによって達成することができる。さらに、伝送損失は、クラッディングにおけるこの高屈折率材料の最適化された厚さにおいて最小値を有する。高屈折率クラッディング材料の非常に薄い厚さにおいてより高い漏れ損失を得ることがあり、したがってクラッディングは、もはや良好な閉込めを提供しない。所望のコアのサイズを提供するために、より多数の管または結果的な微細構造を中心から除去することができる。所望のコアのサイズを提供するために、中心において多くの管が除去されている複数の管を備えるプレフォームを下方に引っ張ることができる。クラッディングの寸法は、所望のコアのサイズを与えるように下方に引っ張られるとき、大きく低減することができる。したがって様々な実施形態において、伝送帯域は大きく、一方、伝送損失も大きく低減することが可能である。
【００２８】
積み重ねられたプレフォームの図が図２Ａに示されており、コア２０２、管２０５を積み重ねることによって形成されたクラッディング２０４を備える。コア管２０７が、コア２０２を形成するために使用される。この方法では、高屈折率材料の小さい寸法が、三角形に積み重ねられたクラッディングを使用してコア２０２を形成するとき、１９よりはるかに多い管を除去することによって達成される。次いで、プレフォームは、引っ張った後にあるコアのサイズをもたらすように引っ張られる。クラッディングの寸法は、同様のコアのサイズを有する他の設計と比較して大きく低減される。
【００２９】
閉込め損失とは別に、ＰＢＧＦにおける追加の損失機構は、コアの周りの表面モードの存在に起因する。誘導コア・モード（guided core mode）が、パワーを表面モードに結合することがある。この結合されたパワーの一部は、その後失われる。表面モードの存在は、コアを形成するために規則的なマトリックスにおいて管を除去することの直接的な結果である。しかし、表面モードの数は、コアの周りの高屈折率材料の幅を低減する、または最小限に抑えることによって減少させることが有利にできる。様々な好ましい実施形態では、コア／クラッディング境界の幅は、対応するクラッディングの幅よりさらに大きく低減される。誘導コア・モードとクラッディングにおいて支持されるモードとの間においてよりはるかに強い結合が、誘導コア・モードとこれらの表面モードとの間に存在する。コア／クラッディング境界の幅の低減は、クラッディング構造において高屈折率材料の幅を低減するための上述された技法によって提供される。
【００３０】
したがって、ＰＢＧファイバにおけるある程度の損失は、コアとコアに最も近い高屈折率材料によって形成されたクラッディングとの境界面の周りに表面モードが存在することによる。この高屈折率材料は、図２Ａに示されたような断面において見られるように環状またはリング形とすることが可能である層を備えることが可能である。この高屈折率材料は、相対的に低い屈折率を有する中空コア２０２の周りに高屈折率の境界を形成する。高屈折率材料層は、コア管２０５によって少なくとも部分的に形成することが可能である。表面モードは、コアの周りのこの高屈折率境界によって支持される。上述されたように、これらの表面モードは、誘導コア・モードの漏れチャネルとして作用することができる。コア・モードは、パワーをこれらの表面モードに結合することがあり、それによりパワーは、クラッディング・モードまたはより高い可能性で放射モードにさらに結合することにより失われる。この問題を解決する１つの方法は、コアの周りの高屈折率境界の幅を低減することである。高屈折率境界の幅を低減することは、図２Ａのコア管２０５を除去することによって達成することが可能である。改良された設計が、図２Ｂに概略的に示されており、コア管２０５は、コア２０２の周りの高屈折率境界の厚さを低減するために除去されている。図１Ａおよび１Ｂの設計はまた、コア管を除去することから利益を得ることもできる。これらの結果としての設計が、図２Ｃおよび２Ｄに示されている。コア／クラッディングはまた、選択的にエッチングすることもできる。
【００３１】
さらに、表面モードを排除するために、他のステップを取り入れることができる。この手法では、図２Ｅに概略的に示されるように、複合構造２０８が、コア２０４に最も近い管の代わりに使用される。図示されたように、コアの周りの管のそれぞれは、複合管で置き換えられる。この場合たとえば、１２つの複合構造が使用される。複合管または構造２０８の一例が、図２Ｆに示されている。この複合構造２０８は、管２１０を積み重ね、次いで最終的なプレフォームに組み込むために管を適切なサイズまで下方に引っ張ることによって形成される。たとえば、複合構造を形成する積重ね管の大きな束が、パーフォーム積重ねの管と同じ寸法まで下方に引っ張られる。
【００３２】
高屈折率材料の寸法をさらに低減するために、積重ねと引っ張りの繰返しを使用することができる。高屈折率材料の小さい寸法によって利益を得るために、より多くのクラッディング管、具体的にはコア２０２により近いものを複合構造２０８によって置き換えることができる。したがって、この手法は、コアの周りのガラスの寸法を大きく低減することができる。図２Ａ〜２Ｆに示された一般的な手法は、三角形積重ねクラッディングに限定されず、他の積重ね方法において使用することもできる。他の変形形態も可能である。
【００３３】
当業者によって使用される様に一貫した方式で本明細書において使用される際、ＰＢＧファイバは、主にフォトニック・バンドギャップ効果によって内部において光を誘導するファイバである。フォトニック・バンドギャップ効果は、周期的なクラッディング構造を必ずしも必要とせず、クラッディングによって囲まれる、または部分的に囲まれるコアの誘導モードが、パワーをコアの外部にチャンネリングするためにごく少数の経路を有するように、クラッディングにおいて支持されたごく少数の誘導モードが存在することのみを必要とする。クラッディング構造の断面は、六角形リングの微細構造を提供する管の三角形積重ね構成によって形成された２次元周期構造を備えることが可能である。クラッディング構造はまた、高屈折率光学材料と低屈折率光学材料が交互になっている同心円形リングを備えることも可能である。いくつかの実施形態では、クラッディング構造は、同心円形リングを備え、穴がこれらの同心円の交互リングに位置する。これらのクラッディング設計の共通の特徴は、相対的に高い屈折率および低い屈折率を有する少なくとも２つの光学材料を含むことである。上述されたような様々な利点を提供するために、ある好ましい実施形態では、高屈折率を有する光学材料の物理的寸法は、ごく少数のモードを支持するように十分小さい。クラッディングの典型的な例には、ＹｅｈおよびＹａｒｉｖによって記述された円筒構造、およびＣｒｅｇａｎらによって記述された三角形または六角形の微細構造の構成がある。フォトニック・バンドギャップ・ファイバのさらなる議論が、「Ｌａｒｇｅ Ｃｏｒｅ Ｈｏｌｅｙ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許出願１０／８４４９４３（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０２４Ａ）、および「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許出願１１／１３４８５６（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０３５Ａ）において提供されており、やはり参照によって本明細書にその全体が組み込まれている。
【００３４】
上述されたように、ＰＢＧＦの伝送帯域幅を増大させ、かつ伝送損失を低減するために、クラッディングによって支持されるモードの数は、低減することが可能であるが、その理由は、これらの支持されたモードは、コアの誘導モードを外部に結合する漏れチャネルとして作用することがあるからである。クラッディングのモードの数を低減する有効な方式は、クラッディングの高屈折率部分の幅を低減するものである。図１Ａおよび１Ｂに示されたようなＰＢＧファイバの高屈折率材料は、複数のリング形領域に含まれている。具体的には、図１Ａおよび１Ｂに示されたリング形領域は、高屈折率材料に位置する開口によって形成された微細構造を有する高屈折率材料を備える。これらのリング形領域は、コアの周りに構成される。隣接するリング形領域はまた、高屈折率材料のウエブによって相互接続される。三角形積重ねクラッディングでは、これらのリングは、六角形の形態を取り、リングがコアから離れるにつれ、サイズが増大する。クラッディングにおける高屈折率リング形領域の幅は、空気充填因子としばしば呼ばれる高屈折率材料と低屈折率を有する内部の開口との面積比ではなく、クラッディングにおいて支持されるモードの数を決定する役割を担う。本明細書において説明されるように、低減されたまたは最小限の伝送損失を提供するクラッディングの高屈折率部分の最適な幅が存在する。この最適な幅の詳細は、複数の同心リング形領域を備えるＰＢＧファイバの例としてブラッグ・ファイバを使用して以下において議論される。
【００３５】
円形リング形領域が、図２Ｃおよび２Ｄに示された六角形リング形領域と比較して、いくつかの性能上の利点を提供する。これらの利点は、より広い伝送帯域幅およびより低い伝送損失を含むことが可能である。詳細が、ブラッグ・ファイバのシミュレーションの結果と関連して以下において議論される。そのようなブラッグ・ファイバは、コアの周りに交互同心リングまたはリング形領域に構成された高屈折率材料および低屈折率材料を備える。しかし、ブラッグ・ファイバは、低屈折率材料として空気を使用するとき、実施が困難である。
【００３６】
図３Ａは、高屈折率のほぼ円形の同心リング状領域３０６および低屈折率のほぼ円形の同心リング状領域３０８を備えるクラッディング３０４によって囲まれたコア３０２を備えるブラッグ・ファイバ３００を概略的に示し、低屈折率領域は空気を備える。高屈折率領域３０６と低屈折率領域３０８は、交互になっている。これらの領域３０６、３０８は、示された断面図からわかるように円形であるが、ファイバ３００の縦方向を考慮するときは円筒であることに留意されたい。具体的には、様々な直径の大きな円筒管が、同心リング３０６を形成するために使用される。小さい管が、スペーサ３１０として使用される。コア３０２は、同心領域３０６、３０８の中心に配置される。
【００３７】
図３Ａの設計は、図３Ｂに示されたような装置３１２を使用して積み重ねることができる。装置３１２は、小さい管３１６を保持する細長いスロットを備える第１ホルダ３１４を含む。第２ホルダ３１８が、大きな管３２０を支持するＶグローブのシリーズを備える。装置３１２は、細長いスロットおよびＶ溝が図示されている図３Ｃにさらに示されている。小さい管３３０を有する第１ホルダ３１４は、図３Ｄにさらに示されている。
【００３８】
円形積重ねを有する他の設計が、図４Ａに示されている。中心開口４０２が、コアを形成する。より大きな直径の管を備えるコア管４０３が、コア／クラッディング境界を形成するために使用される。より小さい直径を有する小さい管４０６が、クラッディングを形成するために使用される。図示された実施形態では、より小さい管４０６のそれぞれは、同じ直径を有する。小さい管４０６は、円形パターンにおいて構成される。好ましい実施形態では、コア管４０３は、図４Ｂに示されたように除去される。
【００３９】
このプレフォームを積み重ねるために使用された装置４１２が、図４Ｃに示されている。ホルダ４１４が、ピン４１５を保持する開口を含み、ピン４１５は、小さい管４０６を保持する。ホルダ４１４はまた、コア管４０３を保持するための中心開口４１７をも含む。完全に積み重ねられたプレフォーム４１８が、図４Ｄにさらに示されている。この例では、ホルダは同心円形経路に沿って管を配置したが、ホルダは、あらゆる任意のパターンで構成することができる。
【００４０】
積重ねパーフォームが形成された後、２つのテーパが、たとえば、２つの端部において管を共に融合するために、ホルダの近傍の位置において管を加熱することによって、ホルダから短距離離れて作製される。次いで、ホルダを取り外すことができる。積重ねは、より大きな他の管に挿入して、移動バーナで全長にわたって融合することが可能である。積重ねの２つの端部は、表面層をさらにエッチングし、化学蒸着システムなどを使用して高純度のより柔軟なガラスを付着させることを可能にするために切り開かれる。エッチングのプロセスは、表面の汚染を除去することを補助することができる。より柔軟なガラス層を表面層の上に付着させることにより、より滑らかな表面を提供することによって散乱損失を低減することを補助することができる。パーフォームは、ファイバを形成するためにその後引っ張られる。
【００４１】
シミュレーションが、図４Ｅに示されたファイバ４２０について実施された。図４Ｅに示されたように、ファイバ４２０は、同心円形パターンに構成された複数の微細構造４２４を備える。微細構造４２４は、マトリックス材料２４６において形成された穴または開口を備える。穴または開口は、排気され、あるいは、たとえばガラスを備えることが可能であり、かつ相対的に高い屈折率を有するマトリックス材料４２６と比較して、相対的に低い屈折率をもたらす空気または気体で充填される。マトリックス材料４２６における微細構造４２４の構成は、高屈折率材料（ガラス）の同心リング形領域および低屈折率（開口）の同心状リング形領域を創出する。隣接するリング形領域が、高屈折率材料４２６のウエブ４２８によって接続される。
【００４２】
ＨＥ１１モードのシミュレーションされた場が、図４Ｅ〜４Ｇに示されている。図４Ｅは縦方向の電場を示し、図４Ｆは縦方向の磁場を示し、図４Ｇは横方向の電場を示す。
【００４３】
図４Ｈは、コア４３２およびクラッディング４３４を備える引っ張られたファイバ４３０の例を示す。穴の境界（小さい管４１６の側壁）は、コア４３２の中心を中心とする円形断面を有する第１の複数の同心リングまたはリング形領域４３１を形成するように接合される。これらのリング状領域４３１は、ガラスなど、相対的に高い屈折率の材料を備える。リング４３１は、穴の境界（たとえば小さい管４１６の壁）の一部から形成されたウエブ４３３によって共に連結される。これらのウエブ４３３は、高屈折率材料をも備える。コア４３２に最も近い層である最内リング形領域４３１’も示されている。ファイバ４３０はまた、コア４３２の中心を中心とする円形断面を有する第２の複数の同心リングまたはリング形領域４３５をも含む。第２の複数のリング形領域４３５は、微細構造を形成する排気された、あるいは気体または空気で充填された開口の円形構成を備え、相対的に低い屈折率を有する。第１リング形領域４３１および第２リング形領域４３５は、交互になっている。
【００４４】
支持された表面モードの数を低減する、または最小限に抑える目的でＰＢＧＦのコア／クラッディング境界における高屈折率材料の幅の影響を評価するために、シミュレーションが実施される。具体的には、屈折率ｎｌの低屈折率背景に埋め込まれた半径δおよび屈折率ｎｈの高屈折率ロッドによって支持されたモードが、波長λについて計算される。この場合、従来の光ファイバについて導出された値Ｖを使用することができる。
【数１】
【００４５】
基本モードのみが、Ｖ＜２．４０５のときに支持され、この基本モードはカット・オフされない。少なくとも２つのモードが、基本モードが２重の縮退を有すると考慮される場合、支持される。しかし実際には、支持されたモードは、基本モードが有効には支持されないように、Ｖが小さいときは弱く誘導される。Ｖについてこの実用上の限界を得るために、湾曲光ファイバの損失は、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ（ＣｈａｐｍａｎおよびＨａｌｌ、１９８３年）においてＳｎｙｄｅｒおよびＬｏｖｅによって与えられた損失の公式を使用して決定される。光ファイバにおける電力伝送をＲｃの湾曲半径を有する湾曲ファイバにわたってＰ（ｚ）＝Ｐ（０）ｅｘｐ（−γｚ）として表すことができる場合、ステップ屈折率ファイバの基本モードについての以下の公式においてγを得ることができる。
【数２】
上式で、ＵおよびＷは導波路について通常通り画定され、Ｋ１は１次の修正ベッセル関数であり、Δ＝（ｎｈ−ｎｌ）／ｎｈである。小さいＶについて、Ｖ≒Ｕである場合、湾曲損失の公式は簡単にすることができる。
【数３】
【００４６】
湾曲損失は、１５ｃｍの湾曲半径について１の屈折率を有する空気によって囲まれた１．４５の屈折率のガラス・ロッドについて計算され、図５に示されている。湾曲損失は、０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、および２μｍの４つの波長についてｄＢ／ｍの単位でプロットされている。湾曲損失は、考慮されたすべての波長について、ほぼＶ＝０．６４−０．６６において１０００ｄＢ／ｍを超える。１０００ｄＢ／ｍおよび１５ｃｍの湾曲半径の選択の任意性を考慮すると、０．５のＶの値が、基本モードのカット・オフについて妥当な実用上のガイダンスを提供する。この例では、０．５のＶの値を使用すると、ロッドの直径は、０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、および２．０μｍの波長について、７６ｎｍ、１５２ｎｍ、２２７ｎｍ、および３０３ｎｍ程度に小さい。これらの数字は、実用的な意味においてあらゆるモードを支持しないように、ＰＢＧＦのコア／クラッディング境界における高屈折率材料の厚さについて、近似的な上限を提供する。この場合δは、高屈折率コア／クラッディング境界の最大の厚さであるように選択される。実際にはこの限界よりかなり小さくなる必要はないが、その理由は、表面モードを排除することについて予期される利益が少なく、一方、第１層が閉込め損失に寄与する利益が、δが過度に小さいときに大きく低減されるからである。誘導モードはまた、コア／クラッディング層が過度に薄い場合、このコア／クラッディング層を貫通する可能性がより高い。これは、閉込め損失の増大に加えて、この層の不完全性のために散乱損失を増大させることがある。この分析は、ｎｈ＝１．４５およびｎｌ＝１．０について行われたが、同じ分析をあらゆる他の２つの材料の組合せについて行うことができる。高屈折率材料の層を有するクラッディングでは、コア／クラッディング境界層の最大の厚さは、上記の限界を満たすことが必要である可能性がある。この設計手法は、高屈折率層がコアおよびブラッグ・ファイバを囲む六角形の形態にあるとき、三角形積重ねクラッディングについて使用することが可能である。この手法はまた、他の設計にも適用可能である。しかし、厚さの値の範囲は、これらの範囲外の値を使用することができるので、限定ではない。他の変形形態も可能である。
【００４７】
ガラスと空気の層を交互にすることによって形成されたブラッグ・ファイバが、上記において議論された。ブラッグ・ファイバ６００の断面が、図６に示されている。この断面図は、コア６０２およびクラッディング６０４を示す。クラッディング６０４は、交互の高屈折率および低屈折率の複数のリング形領域６０３、６０５を備える。高屈折率のリング形領域６０３は、相対的に高い屈折率を有する材料を備えることが可能であり、低屈折率のリング形領域６０５は、相対的に低い屈折率を有する材料を備えることが可能である。
【００４８】
あるパラメータも、図６に示されている。Λは、周期クラッディングの周期である。ｄは、高屈折率層（ｎｈ）６０３の厚さであり、Ｄは、低屈折率層（ｎｌ）６０５の厚さである。クラッディング領域６０４の外部の媒体６０９の屈折率は、ｎ０として定義される。ｎ０は、モード閉込め損失の計算を可能にするために、シミュレーションにおいて小さい虚数部分を有する。Ｎは層の総数である。層が異なる特性を有するとき、各パラメータを表すために添え字ｎが使用される。ｎは１からＮの間であり、１は最内層を表す。比Ｒは、ｄ／Λとして定義される。チャープは、（Λｉ＋１−Λｉ）／Λｉとして定義され、これは、図６のブラッグ・ファイバのシミュレーションにおいてすべての層について一定のままである。コア６０２は、ρの半径を有する。以下の値は、具体的に与えられてない場合、シミュレーションにおいて使用される：ｎｈ＝１．４５、ｎｌ＝１、ｎ０＝ｌ＋ｉｌｅ−８、ｐ＝５μｍ、Ｒ＝０．１、Ａ＝３．５μｍ、チャープ＝０、および層の数Ｎ＝１０。チャープが導入されるとき、Λ１＝３．５μｍが使用される。すなわち、第１層は変化しなかった。ブラッグ・ファイバ６００が、本明細書において議論される様々なシミュレーションについて使用されるにもかかわらず、一般的な結論は、他のタイプのＰＢＧＦにも当てはまるはずである。
【００４９】
このモデルは、フーリエ・ベッセル級数において分解された場と整合する境界場に基づく。ブラッグ・ファイバのシミュレーションされたＨＥ１１モードが、図７Ａおよび７Ｂに示されている。縦方向の電場、縦方向の磁場、および横方向の電場が、図７Ａにおいて与えられ、一方、ＥＺ、ＨＺ、Ｅτ、およびＥθの径方向の分布が、図７Ｂにおいて与えられている。
【００５０】
２つのタイプのチャープ・ブラッグ・ファイバも研究される。第１のタイプは図８に示され、高屈折率層６０３の周期Λおよび厚さｄの両方とも、層ごとに線形に変化する。第２のタイプのチャープ構造では、周期Λのみが変化し、高屈折率層の厚さｄは一定のままである（図示せず）。
【００５１】
ファイバ分散に対するコアの半径の効果が、図９に示されている。４つのコア半径１５μｍ、１０μｍ、５μｍ、および４μｍが研究された。モード閉込め損失は点線を使用して示され、分散は実線で示されている。コアのサイズが増大するにつれ、伝送ウィンドウは広がり、分散は全体的に低減される。広いスペクトルにわたる低い平坦な分散を大きなコア・サイズにおいて達成することができる。そのような分散の特徴は、複数の波長が広い波長領域にわたって伝送される電気通信に適している。このシミュレーションの比（ｄ／Λ）は０．１である。
【００５２】
比Ｒ＝ｄ／Λの効果が、図１０に示されており、５つの比０．１、０．２、０．３、０．４、および０．５がシミュレーションされた。増大する比Ｒの最も著しい効果は、伝送ウィンドウを狭くすることである。この効果は、分散を強く増大させることを伴う一方、分散の傾斜も著しく増大させる。したがって、電気通信システムにおいて所望される広いスペクトル範囲にわたる低平坦分散では、小さい比が有用である可能性がある。さらに、小さい比と大きなコアの組合せを使用することによって、広いスペクトル範囲にわたる非常に低い平坦分散プロファイルが可能になる。このシミュレーションのコア・サイズは、５μｍである。図９に示されたように、０．１の比および１５μｍのコア・サイズで、１０００ｎｍ程度に広い帯域幅にわたる０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍから７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の分散を得ることができる。
【００５３】
図１１のプロットでは、高屈折率材料６０３の第１層の比Ｒ＝ｄ／Λのみが変化した。これらのシミュレーションでは、比は、ｄの値として第１層６０３の厚さを使用して決定される。図示されたように、分散およびゼロ分散の波長は、第１層の比を調節することによって修正することができ、一方、伝送は、比Ｒの変化が過度に大きくない限り、最小限に影響を受ける。この例では、第１層の比は、０．１５より小さいとすることが可能である。図１１は、第１層６０３の比Ｒ＝ｄ／Λ（ｄは、第１層の厚さである）を増大させることによって、ゼロ分散波長を伝送ウィンドウの中心に向かって著しく移動させることができることを示す。この結果は、著しい伝送損失を生じることなしにスペクトルの高い負分散部分がそれによって使用できるので著しい。
【００５４】
Λを比例してスケーリングすることによって曲線を波長にシフトさせることができるので、分散曲線の任意の所望の部分を対象の特定の波長にシフトすることによって、分散曲線の任意の所望の部分を使用することができる。分散の適合は、このようにして任意の波長について行うことができる。比およびコアのサイズの効果が研究されたが、第１層６０３の屈折率は、ＰＢＧＦにおいて所望の分散を得るように同様に調節することもできる。
【００５５】
図１２は、様々なモードの閉込め損失および有効屈折率を計算することによって、様々なコアの半径についてブラッグ・ファイバにおいて支持されるモードの数を示す。図示されたように、コアの半径が１０μｍより大きいとき、シミュレーションされたすべてのモードについて、低伝送損失を実現することができる。４μｍと５μｍの間のコアの半径では、ＨＥ１１モードのみが十分に支持される。４μｍより小さいコア半径では、すべてのモードが高い損失を有する。このデータは、単一モード動作について最適なコアのサイズを示す。
【００５６】
以下の分析に進む前に、パラメータの追加の定義が以下において与えられる。
ｎｒ：有効屈折率の実数部分
ｎｉ：有効屈折率の虚数部分
λ：光の波長
ν：正規化周波数
ｋ：＝２π／λ、真空波の数
β：＝βｒ＋ｉβｉ＝２π（ｎｒ＋ｉｎｉ）／λ、伝播定数
α：＝２πｉｎｉ／λ、閉込め損失
ｋｈ：＝ｋ（ｎｈ２−ｎｒ２）１／２、高屈折率媒体の横方向波ベクトル
ｋｌ：＝ｋ（ｎｒ２−ｎ１２）１／２、低屈折率媒体の横方向波ベクトル
ｍ：伝送帯域または停止帯域の次数、ｍ∈（１，∞）
【００５７】
ＰＢＧＦのある好ましい実施形態では、誘導モードの有効屈折率ｎｒは、コアの屈折率ｎ１に非常に近い。この近似により、ｋ１≒０およびｋｈ＝ｋ（ｎｈ２−ｎ１２）１／２となる。ｎｒ≒ｎｌの限界では、ＴＥ状のモードについて、以下のようになる。
【数４】
【００５８】
ｅｘｐ（ｉｋＴＥΛ）の振幅は、モード場の収束または発散を決定し、ブラッグ・ファイバのバンドギャップは、以下のように決定される。
【数５】
【００５９】
ｅｘｐ（ｉｋＴＥΛ）の振幅は、すべてのＴＥ状モード閉込めの程度の尺度を提供するので、この振幅は、モード閉込め損失に比例する。伝送帯域境界は、｜ｅｘｐ（ｉｋＴＥΛ）｜＝１によって決定される。正規化周波数が、ν＝ｋｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２として定義され、かつｎｒ≒ｎｌの限界において、ν＝ｋｈｄである場合、伝送帯域の上限は、νｈ＝ｍπによって決定される。ｍは、伝送帯域の次数を決定し、かつ整数である。伝送帯域の下限（下方周波数限界）νｌは、以下の式によって決定される
【数６】
【００６０】
図１３は、様々な値におけるｔａｎ（ν）および２Ｒ／（１−Ｒ）をプロットする。交点は、下方伝送限界を決定する。複数の伝送帯域は、ｔａｎ（ν）の周期性の結果である。
【００６１】
上方伝送限界は、導波路パラメータに独立であり、下方伝送限界は、Ｒにのみ依存する。図示されたように、正規化周波数νは、寸法パラメータｄにのみ依存し、周期Λには独立になる。したがって、周期Λは、伝送帯域の限界の決定において役割を果たさない。伝送帯域の下限を決定する関係が、図１３に示されている。比Ｒは、伝送帯域の下限の決定において些少な役割を果たす。多くの伝送帯域が、正規化周波数νにおいてπだけ離れて存在する。さらに、下方伝送帯域限界は、Ｒと共に増大する。伝送帯域は、低屈折率層の幅が狭くなるにつれ、狭くなる。
【００６２】
閉込め損失の精確な量は、コアの設計によっても影響を受けるモード場分布によって決定される。｜ｅｘｐ（ｉｋＴＥΛ）｜は、閉込め損失に比例し、図１４において５つの異なるＲの値について正規化周波数νに対してプロットされている。３つの伝送帯域が示されている。図示されたように、上方伝送限界は、Ｒに独立であり、一方、伝送帯域の下限は、Ｒに関係する。より小さいＲは、より広い伝送帯域およびより低い閉込め損失をもたらす。高次の伝送帯域は、より低い閉込め損失を有する。
【００６３】
Ｒ＝０．４および０．５についての数値シミュレーションが、図１４において点によって示されている。図示されたように、数値計算閉込め損失は、スケール因子をある程度調節することで、本明細書において提示された簡単なシミュレーションに十分に適合する。完全な数値結果が、図１６において正規化周波数νに対してプロットされたすべてのＲ値について示されている。図示されたように、数値モデルによって計算された閉込め損失も、本明細書において記載された公式と一貫する。
【００６４】
図１５は、様々な値におけるｔａｎ（ν）／νおよび（Ｒ−１）／（Ｒ＋１）をプロットする。交点は、最小限の伝送を決定する。図１５の伝送の最小値は、νｏｐｔにおいて生じ、以下によって決定される。
【数７】
【００６５】
上式の両側が、図１５にプロットされている。（Ｒ−１）／（Ｒ＋１）は、様々なＲの値についてプロットされている。交点は、Ｒに依存する最小伝送点を決定する。伝送の最小値は、Ｒの増大と共に高いνに向かって移動する。
【００６６】
伝送帯域を決定する簡単な方法はＴＥ状モードに基づくので、この方法は、すべてのＴＥモードおよびＨＥモードに適用される。ＴＭモードおよびＨＭモードについての等価な公式は、以下の通りである。
【数８】
【００６７】
伝送帯域の上限は、νｈ＝ｍπによって与えられ、一方、伝送帯域の下限は、以下によって決定される。
【数９】
【００６８】
完全な数値シミュレーションが、ｄが一定に維持され、Λが最内層から増大して変化する場合について実施された。結果が、第１伝送帯域について図１７に示されている。層あたり２％より小さい周期の変化では、伝送帯域はほぼ変化しない。層あたり３％を超える周期の変化では、伝送帯域はより浅くかつより狭くなる。この伝送帯域の低減および伝送損失の増大は、外側の層が内部層と同調する良好な閉込めをもはや提供しないためである。この効果は、式６＆７の導出においてｎｒ≒ｎｌであると仮定する結果である。この仮定は、ｋｌ＝０およびＤを無関係とする。実際には、ｎｒはｎｌに近いが、等しくはなく、それにより、ブラッグ・ファイバの特徴は、弱いＤ依存性を有する。図１７に示されたように、Ｄの大きな変化は伝送帯域幅を低減し、伝送損失を増大させる。
【００６９】
周期が層あたり３％変化する場合、最外層の周期は、最内層の周期より３０％大きいことに留意されたい。
【００７０】
他のシミュレーションが、様々なチャープを有する同じファイバについて実施された。すなわち、ｄおよびΛの両方が、最内層から増大して変化する。結果が、図１８に示されている。１％のチャープにおいてさえ、上方伝送限界は著しく変化する。２％のチャープでは、伝送帯域は十分に弱く、かつ狭い。
【００７１】
これらの結果に基づいて、ｄおよびＤの両方とも、増大したまたは最大の伝送帯域幅、および低減されたまたは最小の伝送損失を提供するように、様々な好ましい実施形態において層ごとに一定に維持される。一定値のｄを使用することは、一定値のＤを使用するよりも強い効果を有するようである。この理由のために、各周囲の周りの一定のｄおよびＤも、ある実施形態では使用される。たとえば、三角形積重ねクラッディングでは、コアを囲む各層の周りにおいてｄおよびＤの両方が変化することにより、ブラッグ・ファイバと比較して、伝送帯域幅全体を低減し、伝送損失を増大させることができる。しかし、ある実施形態では、ｄおよび／またはＤが変化する。
【００７２】
図１７および１８は、外側のクラッディング層が、分散特性に対してより小さい影響を有することを示す。チャープの最も著しい影響は、伝送ウィンドウの低減である。分散は、最内層が同一であるファイバではほとんど変化しない。
【００７３】
ブラッグ・ファイバのこれらのシミュレーションでは、伝送帯域幅をさらに低減する表面モードの影響は無視された。上記で議論されたように、表面モードを排除する設計では、δをコア／クラッディング層の最大の厚さとして、Ｖ＝２πδ＊（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λ＜０．５である。図１４は、小さいＲにより広い伝送帯域幅が可能になることを示す。波長ドメインにおける最も広い可能な伝送帯域幅は、νがνｌからνｈ＝πのとき、すなわちλがλｍｉｎ＝２ｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２からλｍａｘ＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／νｌのときであり、νｌはＲに依存し、式６によって与えられる。上方波長限界λｍａｘは、νが過度に小さいときの閉込め損失の結果である。下方波長限界λｍｉｎは、クラッディングにおけるトンネリング・プロセスの存在の結果である。より小さいｄは、より下方の伝送帯域限界λｍｉｎを与える。
【００７４】
最低の損失は、可能な最高のｍおよびν＝νｏｐｔにおいて動作するとき、表面モードが欠如した状態で達成することができる。しかし、より高いｍではより多くの表面モードが存在する。この事実は、通常、動作する可能な最高のｍを限定する。より小さいコア／クラッディングの厚さδにより、表面モードのペナルティを有さずに、より高いｍにおいて動作することが可能になり、したがってより低い可能な伝送損失が可能になる。しかし、伝送帯域は、ｍが増大する際、波長ドメインにおいて狭くなることに留意されたい。
【００７５】
図１４の結果は、一様なｄおよびＤが周囲に存在するブラッグ・ファイバに関する。三角形積重ねクラッディングの場合など、ｄが一様ではない一般的な状況では、最小限の損失は、式７によって決定されるようにν＝νｏｐｔではもはや生じず、図１４の伝送帯域の形状は、もはや当てはまらない。それにもかかわらず、効果は、ｄおよびＤの範囲にわたる合計の効果を考慮することによって研究することができる。有効な最大伝送帯は狭く、最大伝送損失は増大するが、新しい最適値ν＝νｏｐｔにおいて最低の損失が依然として存在する。したがってある実施形態では、ほぼ一様なｄおよびＤを有するクラッディングの幾何学的形状を使用することがより良好である。
【００７６】
図４Ａおよび４Ｂに示された円筒積重ねクラッディングの設計は、光ファイバの中に引っ張られるとき、図３Ａおよび図６に示されたブラッグ・ファイバと同様である。穴は、ファイバを引っ張る最中にわずかに加圧される。これにより、図４Ａの管の間のギャップは消滅する。上述されたように、図４Ｇは、そのような引っ張られたファイバの例を示す。穴の境界は、構造の中心を中心とする同心円形層４３１を形成するように接合される。円形の層またはリング４３１は、穴の境界の一部から形成されたウエブ４３３によって円形の層またはリングの間において連結される。ファイバ４３０はまた、排気された、あるいは気体または空気で充填された開口の円形構成を備える同心リング４３５をも含む。
【００７７】
したがって、円形パターンに構成された微細構造から形成されたＰＢＧファイバは、ブラッグ・ファイバと同様である。両方とも、高屈折率および低屈折率のほぼリング形の領域を備える。高屈折率および低屈折率のこれらのほぼリング形の領域は同心状であり、コアを中心とする。高屈折率および低屈折率のこれらのほぼリング形の領域リング形領域は、交互になっている。
【００７８】
ＰＢＧファイバが、図４Ｅおよび４Ｆに示されたような複数の微細構造から形成されたクラッディングを備える場合、高屈折率領域の平均の厚さｄは、低屈折率領域を通る中心線間において計算することが可能である。これらの中心線は、低屈折率領域を形成する微細構造の中心を通過する。低屈折率領域が円形または環状である場合、これらの中心線は、微細構造が円形または環状の経路に沿って構成されるので、やはり円形または環状である。例示的な中心線Ａ、Ｂが、図４Ｆに示されている。一般に、２つの中心線の間隔は、ピッチＡに対応する。
【００７９】
これらの２つの中心線Ａ、Ｂ間の高屈折率材料の平均の厚さは、異なる方式で計算することが可能である。この平均の厚さを決定する１つの方法は、これらの２つの中心線Ａ、Ｂ内に位置する高屈折率材料の面積を計算するものである。この面積は、２つの円形または環状の経路の間において、かつそれらに対して等距離にコアの周りに延びる環状経路に沿って一様に分布することができる。２つの中心線間のこの環状経路の幅は、高屈折率材料の平均の厚さｄに対応する。この平均の厚さは、クラッディングにわたる平均である厚さｄを得るのと同様の方式で、高屈折率材料の他のリングについて計算される。２つの中心線間の高屈折率材料の平均の厚さを計算する他の方式も、使用することが可能である。
【００８０】
高屈折率材料の平均の厚さを決定する同じ手法が、他の形状を有する高屈折率のリング形領域にも同様に適用可能である。たとえば、微細構造が、六角形のリングを形成するように構成される場合、中心線が、リングを形成する微細構造の中心を通過するので、中心線は六角形である。これらの六角形の中心線間の高屈折率材料の厚さは、値ｄを得るように決定することが可能である。高屈折率材料のあらゆる任意の形状の領域について、同じ手法を使用することができ、円形または六角形の形状に限定されるものではない。
【００８１】
コアに最も近い最内高屈折率領域の平均の厚さδを決定するために、同様の手法を使用することができる。コアに最も近い微細構造のリングを通る中心線内の高屈折率材料の平均の厚さが決定される。たとえば図４Ｆでは、中心線Ａが使用される。１つの方法では、この第１中心線Ａ内のすべての高屈折率材料の領域が計算され、第１中心線に隣接し、かつ第１中心線によって境界を画定される環状の経路に沿って一様に分布する。したがって、この環状経路の最外境界は、一般に、第１リングの微細構造の中心を通過する。この環状経路の厚さは、平均の厚さδに対応する。上記で議論されたように、六角形または他の形状のリングの平均の厚さは、このようにして同様に計算することが可能である。当業者なら、本明細書において提供される説明に基づいて、高屈折率材料の平均の厚さｄおよびδをどのように決定するかを認識するであろう。
【００８２】
図９に示されたように数百ナノメートルの広い波長領域にわたる低伝送損失および低分散は、それぞれが異なる波長における数１０または数１００のチャネルを単一の光ファイバ上で送信することができる電気通信の波長分割多重化システムには非常に有用である。さらに、そのようなシステムはまた、誘導光のほとんどが気体または真空にあるということのために、非線形性が大きく低減されている。この特徴により、より高いパワーがラウンチング（入力）されることが可能になり、結果として増幅のないより高い伝送率および／またはより長い伝送距離が可能になる。
【００８３】
図１９は、ＰＢＧＦ１９０５を組み込むそのような電気通信システムを示す。送信器１９０１からの信号は、マルチプレクサ１９０２によって多重化され、次いで分散事前補償（分散プリコンペンセーション）ユニット１９０３によって事前補償され、増幅器１９０４によって増幅される。ＰＢＧＦ１９０５の単一スパンが、源から行先までの距離にわたって信号を送信するために使用される。送信された信号は、次いで、増幅器１９０６によって行先において増幅される。分散補償ユニット１９０７が、デマルチプレクサ１９０８の前に使用される。各信号は、複数の受信器１９１０によって受信される前にあらゆるチャネル依存送信ひずみを除外するために、事後補償（ポストコンペンセーション）ユニット１９０９によって精細に補償される。図２０は、源にある送信器２００１、マルチプレクサ２００２、事前補償ユニット２００３、および増幅器、ならびに行先にあるデマルチプレクサ２０１２、複数の事後補償ユニット２０１３、および受信器２０１４をも含む同様の伝送システムを示す。しかし、図２０に示されたシステムでは、ＰＢＧＦ２００５、２００７、２００９の複数のスパンが含まれている。各スパンの追加の分散補償ユニットおよび増幅器２００６、２００８、および２０１０も含まれている。光接続が、図１９および２０に示された光学構成要素の間に提供されるが、これらの光学構成要素間に構造を含むことも可能である。様々なこれらの構成要素が、光ファイバを備えることが可能である。図１９および２０は、電気通信システムの枢要な構成要素のみを示す。追加の構成要素を追加することができる。同様に、図１９および２０のいくつかの構成要素は、異なる実施形態では省略する、および／または位置を変更することができる。他の構成および変形形態も可能である。
【００８４】
ＰＢＧＦはまた、超高速光パルスのような光パルスを生成するシステムにおいて使用することもできる。超高速パルス・システムに関する追加の詳細が、参照によって本明細書にその全体が組み込まれている「Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ」という名称の米国特許出願１０／８１４５０２（弁理士整理番号第ＩＭＲＡＡ．０２３Ａ）、および「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許出願１０／８１４３１９（弁理士整理番号第ＩＭＲＡＡ．０２５Ａ）に含まれている。
【００８５】
たとえば、図２１Ａは、分散適合ＰＢＧＦ２１０６を組み込むファイバ・チャープ・パルス増幅（ＦＣＰＡ）システムを示す。発振器２１０１からのパルスは、事前チャープ・ユニット２１０２を使用することによって事前チャープ（プリチャープ）され、次いで前置増幅器２１０３によって増幅される。主増幅器２１０５によって次いで増幅されるパルスのサブセットを拾い上げるために、パルス・ピッカ２１０４を使用することができる。ＰＢＧＦ２１０６は、増幅されたパルスを圧縮するために使用され、増幅されたパルスは、その後、低分散ＰＢＧＦ送達ファイバ２１０７によって送達される。光接続が、図２１Ａに示された光学構成要素間において提供されるが、これらの光学構成要素間に構造を含むことも同様に可能である。様々なこれらの構成要素は、光ファイバまたは光ファイバ・デバイスを備えることが可能である。図２１Ｂには、発振器２１１０、事前チャープ・ユニット２１１１、前置増幅器２１１２、パルス・ピッカ２１１３、主増幅器２１１４を備えるファイバ・パルス増幅システムも示されている。しかし、図２１Ｂでは、ＰＢＧＦ圧縮器および送達ファイバは、単一のファイバ２１１５に組み合わされる。図２１Ａおよび２１Ｂは、パルス増幅システムの枢要な構成要素のみを示す。追加の構成要素を追加することができる。同様に、図２１Ａおよび２１Ｂのいくつかの構成要素は、異なる実施形態では省略する、および／または位置を変更することができる。他の構成および変形形態も可能である。
【００８６】
低損失および広い伝送帯域を有するＰＢＧＦはまた、長い相互作用長により大きく改善された感度で気体分析を追跡するために使用することもできる。図２２Ａは、スペクトル吸収に基づいて気体に関する測定を検出する、識別する、定量化する、またはそうでない場合は実施するそのようなシステムを示す。同調可能な源２２０１が、マルチプレクサ２２０２を経てＰＢＧＦ２２０４に光学的に結合され、これにより、ＰＢＧＦ２２０４のコアに気体を注入することが可能になる。気体フィルタ２２０３が、気体流の固体粒子を除外するために使用されることが可能である。出力端部において、デマルチプレクサ２２０５が、気体と光ビームを分離するために使用される。次いで、光ビームは、検出器２２０７に向けられる。気体の流れを高速化するために、気体ポンプを気体フィルタ２２０３および／または気体出口２２０６に接続することができる。
【００８７】
図２２Ｂは、封止室２２１５を備えるマルチプレクサ２２０２の構成を示す。ファイバ２２１０によって伝播された源の光は、視準レンズ２２１２によって視準され、レンズ２２１３によってＰＢＧＦ２２０４の入力端部２２１１に集束される。気体が、上述されたフィルタを備えることが可能である気体入力２２１４を経て入力される。デマルチプレクサ２２０５は、図２２Ｃに示されている。デマルチプレクサはまた、室２２１８、ＰＢＧファイバ２２０４の出力端部２２２０、ならびに視準レンズ２２２２、および集束レンズ２２２３を備え、集束レンズ２２２３は、ＰＢＧＦ２２０４の出力２２２０から出力された光を受光し、光を出力ファイバ２２２１に結合する。デマルチプレクサ２２０５は、気体出力ポート２２２４をさらに備える。図２２Ａの同調可能光源２２０１の代わりに、広い帯域源およびモノクロメータを使用することができる。
【００８８】
そのようなシステムでは、気体は、マルチプレクサに導入され、内部の穴または開口を経てＰＢＧＦの一部に入る。様々な好ましい実施形態では、コアは中空であり、気体は中空コアに入る。気体は、たとえば、１つまたは複数の波長における吸収のために光を減衰させることによって、光の伝播に影響を与える。したがって気体の吸収スペクトルは、検出器２３０８およびモノクロメータまたは同調可能フィルタ２３０７を使用して測定することができる。図２２Ａ〜２２Ｃに示されたようなある実施形態では、気体は、ＰＢＧＦ２２０４を通って流れる。そのような場合、ファイバ２２０４の長さが長いことにより、気体と光の相互作用を増大させて、より高い信号を提供することが可能である。他の実施形態では、光の他の特性を測定することが可能である。
【００８９】
たとえば、図２３Ａは、ラーマン散乱光の検出に基づく微量気体検出システムを示す。気体はファイバに導入され、測定されるラーマン散乱を生じる。気体は、ファイバの開口に入ることが可能であり、ある好ましい実施形態では、ＰＢＧＦの中空コアを通って流れることが可能である。上述されたように、ＰＢＧＦの相互作用長が長いことにより、検出感度の増大が提供される。追加の利点は、ラーマン散乱光の大部分が収集され、またフォトニック・バンドギャップ・ファイバ内において伝播することもできることである。この特徴は、広い伝送帯域、すなわちより大きな固体収集角度を有するＰＢＧＦに特に当てはまる。
【００９０】
図２３Ａに示された実施形態では、ラーマン・ポンプ２３０１が、マルチプレクサ２３０２を経てＰＢＧＦ２３０４に光学的に結合される。ＰＢＧＦ２３０４の出力端部が、デマルチプレクサユニット２３０５に光学的に結合される。気体は、固体粒子を除去するフィルタ２３０３を通って入る。気体は、デマルチプレクサ上の出口２３０６を通って出る。気体を高速化するために、入口２３０３および出口２３０６においてポンプを使用することができる。ラーマン散乱による後方伝播散乱光が、同調可能フィルタまたはモノクロメータ２３０７に向かって、かつ検出器２３０８の上に向けられる。同調可能フィルタまたはモノクロメータ２３０７および検出器２３０８は、散乱光の波長スペクトルを測定することができる。
【００９１】
マルチプレクサ２３０２は、図２３Ｂに示された封止室２３１０Ａを備える。ポンプ光が、ポンプ源２３０１に光学的に結合された光ファイバ２３１０によって搬送され、次いで、視準レンズ２３１３によって視準される。視準されたポンプ・ビーム２３１８は、集束レンズ２３１４によってＰＢＧＦ２３０４の入力端部２３１１に集束される。後方に伝播する散乱ラーマン信号２３１９が、ラーマン信号のみを反射し、ポンプ光を反射しないように設計されるフィルタ２３１６によって反射される。ラーマン信号２３１９は、集束レンズ２３１５によって、同調可能フィルタまたはモノクロメータに光学的に接続された出力ファイバ２３１７の上に集束される。気体は、フィルタを備えることが可能である気体入口ポート２３１２を通って入る。
【００９２】
デマルチプレクサ２３０５が、図２３Ｃに示されている。デマルチプレクサ２３０５は、封止室２３２５、およびＰＢＧＦ２３０４の端部２３２０からポンプ光を収集する収集レンズ２３２２を備える。デマルチプレクサは、ＰＢＧＦ２３０４を通って伝播するポンプ光を監視するための検出器２３２４をさらに備える。収集レンズ２３２２は、ＰＢＧＦ２３０４の端部２３２０からのポンプ光を結合し、ポンプ光を検出器２３２４の上に向ける。
【００９３】
図２４Ａは、前方に伝播するラーマン信号の検出に基づくラーマン検出システムを示す。ある好ましい実施形態では、動作は、高いポンプ電力が存在する場合の増幅のためにはるかにより強い信号が予期される刺激ラーマン体系にある。図２３Ａに示された構成はまた、刺激ラーマン放出を検出するために、刺激ラーマン・モードにおいて使用することもできる。
【００９４】
図２４Ａに示されたラーマン検出システムは、ラーマン・ポンプ２４００、気体入力ポート２４０１を有するデマルチプレクサ２４０２、ＰＢＧファイバ２４０３、気体出力ポート２４０５を有するデマルチプレクサ２４０４を備える。システムは、デマルチプレクサ２４０４からラーマン信号を受信するために、デマルチプレクサ２４０４に光学的に結合された同調可能フィルタまたはモノクロメータ２４０６をさらに含む。検出器２４０７も、ラーマン信号を感知するために含まれる。
【００９５】
デマルチプレクサ２４０４は、図２４Ｂに示されている。デマルチプレクサ２４０４は、気体を包含する封止室２４１８を備える。ポンプ信号およびラーマン信号が、ＰＧＢファイバ２４０３の出力端部２４１０によって室２４１８に導入される。ポンプ信号およびラーマン信号は、視準レンズ２４１３によって視準される。ラーマン信号２４１９は、ポンプ光を反射するように設計されるフィルタ２４１５を通過する。このラーマン信号２４１９は、レンズ２４１４によって、光を同調可能フィルタまたはモノクロメータ２４０６に向けるファイバ２４１１の上に集束される。ポンプ光２４１７は、フィルタ２４１５によって、電力を監視するための検出器２４１６の上に反射される。マルチプレクサ２４２０は、図２２Ｂに示されたものと同様である。
【００９６】
光接続が、図２２Ａ、２３Ａ、および２４Ａに示された光学構成要素間に提供されるが、これらの光学構成要素間に構造を含むことも同様に可能である。様々なこれらの構成要素が、光ファイバまたは光ファイバ・デバイスを備えることが可能である。
【００９７】
図２２Ａ〜２２Ｃ、２３Ａ〜２３Ｃ、および２４Ａ〜２４Ｂに示されたシステムおよび構成要素は、単なる例である。当業者なら、代替の構成および設計を構想することが可能である。たとえば、図２３Ｂに示されたフィルタ２３１６は、ポンプ光を反射し、かつ信号を通過させるように設計することができる。ファイバの位置は、そのような実施形態では異なるとすることが可能である。同様に、図２４Ｂのフィルタ２４１５は、ラーマン信号を反射するように設計することができる。ファイバの位置は、同様に異なるとすることが可能である。図２３Ｃおよび２４Ｂのポンプ監視機能は、排除することができる。光を図２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｂ、２２Ｃ、および２４Ｂのフィルタおよび検出器に搬送するために使用されるファイバも、バルクな光学機器を使用することによって排除することができる。代替として、光ファイバは、光を誘導するために使用することができる。いくつかの実施形態では、ＰＢＧＦの端部は、封止することができ、一方、気体は、ファイバの側面上に穿孔された穴を通ってＰＢＧＦのコアに入り、ＰＢＧＦのコアを出ることができる。実際、気体の流れを高速化し、気体をＰＢＧＦに沿って一様に分布させるために、ファイバに沿って多くの穴を穿孔することができる。しかし、ある実施形態では、気体は、一方または両方の端面を通ってＰＢＧＦに入るおよび／またはＰＢＧＦを出る。
【００９８】
他の変形形態も可能である。追加の構成要素をシステムに追加することができる。同様に、図２２、２３、および２４のいくつかの構成要素は、異なる実施形態では、省略する、および／または位置を変更することができる。他の構成および変形形態も可能である。構成要素は、異なるように設計することができる。たとえば、他の構成および設計では、マルチプレクサおよびデマルチプレクサを使用することが可能である。ある実施形態では、マルチプレクサまたはデマルチプレクサの一方または両方を排除することが可能である。さらに、本明細書において記載された例示的な応用分野のいずれかにおいて、単一の連続ＰＢＧＦまたはＰＢＧＦの別の部分を使用することが可能である
【実施例】
【００９９】
本明細書において説明されたファイバ構造を実施するために、異なる屈折率を有する任意の２つの誘電体媒体を使用することができる。高屈折率材料に適切な候補はガラスであり、特に、物理的特性および光学的特性ならびに耐久性が有利である融合シリカ・ガラスである。低屈折率の媒体は、気体または真空の１つまたは混合物から選択することができる。低屈折率材料のこの選択は、高い非線形閾値、低い散乱および吸収損失、ならびに非常に低い分散を有する。
【０１００】
広い伝送帯域を有するＰＢＧＦは、電気通信およびスペクトル吸収またはラーマン散乱技法に基づく微量気体分析など、多くの応用分野を有する。そのような広い伝送帯域は、ν＜π、すなわちｄ＜０．５λ／（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２およびＲ＜０．３を有するブラッグ・ファイバにおいて達成することができる。波長のスケーリングにより、任意の波長範囲についてのファイバ設計が可能になる。ファイバの寸法は、波長に比例してスケーリングすることができる。すなわち、波長を２倍にすると、ファイバの寸法は２倍になる。
【０１０１】
広い伝送帯域はまた、コアの周りの層化クラッディング構造に類似する任意のクラッディング設計において平均の厚さｄを低減することによって達成することもできる。２００ｎｍの伝送帯域を達成するために低減された平均ｄが使用される三角形積重ね構造を備えるある実施形態では、ν＜πおよびＲ＜０．０５である。たとえば、図４において記述された円形積重ね構造では、ν＜π、すなわちｄ＜０．５λ／（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２およびＲ＜０．２で、２００ｎｍの伝送帯域を達成することができる。
【０１０２】
低伝送損失はまた、ある範囲の応用分野にも有利である。損失は、式７によって決定されたνｏｐｔにおける動作によって低減する、または最小限に抑えることができる。ある実施形態では、平均の厚さｄは、ｄが周上において変化する場合、νｏｐｔを推定するために使用することが可能である。たとえば、Ｒ＝０．２では、ｍ＝１についてνｏｐｔ≒０．７π、ｍ＝２について１．６０π、およびｍ＝３について２．５６πである。Ｒ＝０．１では、ｍ＝１についてνｏｐｔ≒０．６７π、ｍ＝２について１．５８π、およびｍ＝３について２．５５πである。
【０１０３】
低分散もまた、電気通信に有用である。ある実施形態では、コアの半径は、２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい分散を達成するように、１０μｍより大きくなるように選択することができる。さらに、第１層の厚さδおよび反射率は、分散を適合させるように変更することができる。第１層の厚さδは、ｄの１％から５０％に調節することができる。たとえばいくつかの実施形態では、分散を適合させるために、δ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２λ＝０．０１から２を使用することができる。強い負の分散を達成するために、大きなｄを使用することができる。頑強な単一モード動作では、コアの半径ρは、ある実施形態では１５μｍより小さくすることが可能である。
【０１０４】
広い帯域伝送帯域では、コア／クラッディング境界上において表面モードを排除することが有用である可能性がある。様々な実施形態において、コア／クラッディング境界のδ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２λは、表面モードを完全に排除するために約０．１５より小さいことが可能である。第１層の厚さの低減は、閉込めを減少させ、かつ第１層へのモード貫通を増大させ、それにより、第１層からのより高い閉込め損失および散乱損失が得られる。実際には、表面モードの損失と閉込め／散乱の損失の間の兼合いが追及されなければならない。
【０１０５】
異なる設計および構成を有する他の実施形態が可能であり、上記に限定されるべきではない。さらに、好ましい実施形態の上記の説明は、例示として与えられた。与えられた開示から、当業者なら、本発明およびそれに付随する利点を理解するだけでなく、開示された構造および方法に対する明らかな多様な変更および修正にも気づくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の範囲内にあるすべてのそのような変更および修正を網羅することが追及される。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている２００４年１２月３０日に出願された「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国仮特許出願６０／６４０３４５（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０３２ＰＲ）に対する優先権を主張する。
【０００２】
本発明は光ファイバに関し、より具体的には、フォトニック・バンドギャップ・ファイバに関する。
【背景技術】
【０００３】
周期的光学媒体のフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）に基づく光導波路の概念は、１９７８年にＹｅｈおよびＹａｒｉｖによる理論論文において初めて提案された（「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｂｒａｇｇ Ｆｉｂｅｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ｖｏｌ．６８、第９、１９７８年９月、１１９６〜１２０１ページ）。その２１年後に、１９９９年９月のＳｃｉｅｎｃｅに発表されたＣｒｅｇａｎらの論文によって、ＰＢＧ効果によって誘導される光ファイバが、初めて実際的に実証された（Ｒ．Ｆ．Ｃｒｅｇａｎ、Ｂ．Ｊ．Ｍａｎｇａｎ、Ｊ．Ｃ．Ｋｎｉｇｈｔ、Ｔ．Ａ．Ｂｉｒｋｓ、Ｐ．Ｓｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌ、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、およびＤ．Ｃ．Ａｌｌａｎ：「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．２８５、１９９９年９月、１５３７〜１５３９ページ）。これらの最初の実証では、光ファイバのクラッディングは、シリカ毛細管を三角形に積み重ねることによって形成され、コアは、中心の大きな空気穴によって形成された。このファイバのクラッディングは、断面が、ブラッグ・ファイバと呼ばれるＹｅｈおよびＹａｒｉｖによって当初の１９７８年の論文において提案された１セットの異なる媒体の同心円ではなかった。しかし、同じ原理が、両方の導波路の基盤を形成する。最初のブラッグ・ファイバの実証は、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙに発表された論文（Ｙ．Ｆｉｎｋ、Ｄ．Ｊ．Ｒｉｐｉｎ、Ｓ．Ｆａｎ、Ｃ．Ｃｈｅｎ、Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ、およびＥ．Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ：「Ｇｕｉｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｌｌ−Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１７、第１１、１９９９年１１月、２０３９〜２０４１ページ」）においてＦｉｎｋによって１９９９年１１月に報告された。
【０００４】
１９９９年にフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）が初めて実証されて以来、進歩が速くなっている。Ｓｍｉｔｈらが、２００３年８月にＮａｔｕｒｅに発表された論文において、損失が１３ｄＢ／ｋｍ程度に低いＰＢＧＦを報告した（Ｃ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｎ．Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎ、Ｍ．Ｔ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ、Ｄ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｊ．Ａ．Ｗｅｓｔ、Ｎ．Ｆ．Ｂｏｒｒｅｌｌｉ、Ｄ．Ｃ．Ａｌｌａｎ、およびＫ．Ｗ．Ｋｏｃｈ：「Ｌｏｗ−ｌｏｓｓ Ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ Ｓｉｌｉｃａ／ａｉｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ」、Ｎａｔｕｒｅ、ｖｏｌ．４２４、２００４年８月、６５７〜６５９ページ）。他の突破口が、２００４年２月のＯｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅにおける期限後の論文において訪れた（Ｂ．Ｊ．Ｍａｎｇａｎ、Ｌ．Ｆａｒｒ、Ａ．Ｌａｎｇｆｏｒｄ、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、Ｄ．Ｐ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ、Ｆ．Ｃｏｕｎｙ、Ｍ．Ｌａｗｍａｎ、Ｍ．Ｍａｓｏｎ、Ｓ．Ｃｏｕｐｌａｎｄ、Ｒ．Ｆｌｅａ、およびＨ．Ｓａｂｅｒｔ：「Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ（１．７ｄＢ／ｋｍ） Ｈｏｌｌｏｗ Ｃｏｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ」、ＰＤＰ２４、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００４年２月）。Ｍａｎｇａｎらが、損失が１．７ｄＢ／ｋｍ程度に低いＰＢＧＦを報告した。
【０００５】
この進展は、実世界の応用分野により近い技術をもたらした。応用分野の第１領域は、高エネルギー光パルス伝播である。一般的には、光ファイバに沿って伝播する光パワーは、ＰＢＧＦの中心に穴を通常備えるコアにある。光は、固体よりはるかに小さい非線形の係数を有する真空、空気、または不活性気体において有効に伝播することができる。さらに、そのような中空コアは、高いピーク・パワーを有する光パルスを伝播させるのに理想的な媒体である。そうでない場合、そのようなパルスは、コア・ガラスの非線形プロセスに起因するパルスのひずみおよび／またはエネルギー損失のために、従来の光ファイバでは相当な距離にわたって誘導されない可能性がある。そのような高ピーク・パワー・パルス伝播の初めての実証が、Ｏｕｚｏｕｎｏｖらによって２００３年にＳｃｉｅｎｃｅの論文において報告された（Ｄ．Ｇ．Ｏｕｚｏｕｎｏｖ、Ｆ．Ｒ．Ａｈｍａｄ、Ａ．Ｌ．Ｇａｅｔａ、Ｄ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｎ．Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎ、Ｍ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ、Ｃ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、およびＫ．Ｗ．Ｋｏｃｈ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．３０１、２００３年、１７０２ページ）。キセノン気体が、報告された実験の１つの最中にコアを充填するために使用された。最高で１０１３Ｗ／ｃｍ２のパルス強度で１００ｍにわたるひずみのない伝送が達成された。
【０００６】
精確な分散制御が、長距離伝送およびパルス成形に使用される光ファイバに有用である。非線形性がない場合、分散は、光ファイバを通る伝送中のパルスの展開を規定する。電気通信および光パルスの送達など、パルスの形状が保存される場合、低分散が望ましい可能性がある。特に、広い帯域幅にわたる平坦な低分散が有用であることがある。注目すべき例は、電気通信における波長分割多重化であり、この場合、波長にわたる一定の低分散レベルが、すべての搬送波の波長について一様な性能を提供するように補助することができる。対照的に、所定のレベルのパルス成形が望ましい場合、波長にわたって制御可能な変化量を有する高レベルの分散が、代わりに好ましい可能性がある。注目すべき例は、高エネルギー・パルス・システムにおけるパルス圧縮であり、この場合、公正な量の補償を達成するために、２次および３次の分散の組合せ（βｍ＝ｄｍβ／ｄωｍとしてβ２およびβ３、βおよびωは伝播定数および光周波数である）を使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国仮特許出願６０／６４０３４５（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０３２ＰＲ）
【特許文献２】米国特許出願１０／８４４９４３（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０２４Ａ）
【特許文献３】米国特許出願１１／１３４８５６（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０３５Ａ）
【特許文献４】米国特許出願１０／８１４５０２（弁理士整理番号第ＩＭＲＡＡ．０２３Ａ）
【特許文献５】米国特許出願１０／８１４３１９（弁理士整理番号第ＩＭＲＡＡ．０２５Ａ）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＹｅｈおよびＹａｒｉｖ、「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｂｒａｇｇ Ｆｉｂｅｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ｖｏｌ．６８、第９、１９７８年９月、１１９６〜１２０１ページ
【非特許文献２】Ｒ．Ｆ．Ｃｒｅｇａｎ、Ｂ．Ｊ．Ｍａｎｇａｎ、Ｊ．Ｃ．Ｋｎｉｇｈｔ、Ｔ．Ａ．Ｂｉｒｋｓ、Ｐ．Ｓｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌ、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、およびＤ．Ｃ．Ａｌｌａｎ：「Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．２８５、１９９９年９月、１５３７〜１５３９ページ
【非特許文献３】Ｙ．Ｆｉｎｋ、Ｄ．Ｊ．Ｒｉｐｉｎ、Ｓ．Ｆａｎ、Ｃ．Ｃｈｅｎ、Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ、およびＥ．Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ：「Ｇｕｉｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｇｈｔ ｉｎ Ａｉｒ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｌｌ−Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１７、第１１、１９９９年１１月、２０３９〜２０４１ページ
【非特許文献４】Ｃ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｎ．Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎ、Ｍ．Ｔ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ、Ｄ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｊ．Ａ．Ｗｅｓｔ、Ｎ．Ｆ．Ｂｏｒｒｅｌｌｉ、Ｄ．Ｃ．Ａｌｌａｎ、およびＫ．Ｗ．Ｋｏｃｈ：「Ｌｏｗ−ｌｏｓｓ Ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ Ｓｉｌｉｃａ／ａｉｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ」、Ｎａｔｕｒｅ、ｖｏｌ．４２４、２００４年８月、６５７〜６５９ページ
【非特許文献５】Ｂ．Ｊ．Ｍａｎｇａｎ、Ｌ．Ｆａｒｒ、Ａ．Ｌａｎｇｆｏｒｄ、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、Ｄ．Ｐ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ、Ｆ．Ｃｏｕｎｙ、Ｍ．Ｌａｗｍａｎ、Ｍ．Ｍａｓｏｎ、Ｓ．Ｃｏｕｐｌａｎｄ、Ｒ．Ｆｌｅａ、およびＨ．Ｓａｂｅｒｔ：「Ｌｏｗ Ｌｏｓｓ（１．７ｄＢ／ｋｍ） Ｈｏｌｌｏｗ Ｃｏｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ」、ＰＤＰ２４、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００４年２月
【非特許文献６】Ｄ．Ｇ．Ｏｕｚｏｕｎｏｖ、Ｆ．Ｒ．Ａｈｍａｄ、Ａ．Ｌ．Ｇａｅｔａ、Ｄ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｎ．Ｖｅｎｋａｔａｒａｍａｎ、Ｍ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ、Ｃ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、およびＫ．Ｗ．Ｋｏｃｈ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．３０１、２００３年、１７０２ページ
【非特許文献７】Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ（ＣｈａｐｍａｎおよびＨａｌｌ、１９８３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、所望の分散特徴を有する光ファイバを設計する能力が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書において説明される多くの構造の中には、所望の分散スペクトルを提供するように設計されたフォトニック・バンドギャップ・ファイバが含まれる。さらに、広い伝送帯域およびより低い伝送損失を達成するための設計も議論される。
【００１１】
以下で説明されるように、たとえば、ＰＢＧＦの分散は、クラッディングの層を適切に設計することによって特定の応用分野に適合されることができる。たとえば、いくつかの場合、ＰＢＧＦにおいて所望の分散スペクトルの範囲を得るために、コア・モードとクラッディングの１つまたは複数の最内層との強い相互作用を使用することができる。たとえば、いくつかのファイバ設計では、クラッディングにおける高屈折率材料のより小さい寸法および大きなコア・サイズが、広いスペクトル範囲にわたって小さい平坦な分散を提供する。さらに、同心状のリングまたは円に沿って分布した低屈折率のクラッディング特徴が、広いバンドギャップを達成するために使用されることが可能である。広範な他の設計も可能である。
【００１２】
ＰＢＧＦを製作する技法も、本明細書において説明される。例示的な製作技法には、プレフォームの形成があり、これは、たとえば、数１０または数１００倍にスケール・アップし、プレフォームを引っ張り、通常は数１０から数１００マイクロメートルである必要なファイバ直径までプレフォームを低減することが可能であるＰＢＧＦの大規模なバージョンである。他の方法が説明される。
【００１３】
フォトニック・バンドギャップ・ファイバの様々な応用分野も提示される。本明細書において議論されない他の応用分野も、同様に可能である。
【００１４】
たとえば、本発明の一実施形態は、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより比ｄ／Λは約０．３より小さい。クラッディングは、約πラジアンより小さい正規化周波数ν＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λを有し、コアは、約１００ｎｍより大きい波長伝送帯域を有する。
【００１５】
本発明の他の実施形態はまた、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバをも備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈屈折率のリング形領域は、平均の厚さｄを有する。コアに最も近い高屈折率リング形領域は、平均の厚さδを有するコア・クラッディング境界を形成し、それにより、約１ラジアンより小さい正規化周波数ν＝２πδ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λを提供する。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、約１０μｍより大きいコアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより比ｄ／Λは約０．２より小さい。ファイバは、伝送帯域の少なくとも約１００ｎｍにわたって約−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍから５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の分散を有する。
【００１７】
本発明の他の実施形態はまた、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより比ｄ／Λは約０．２より小さい。コアに最も近い高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄより約１．１倍大きい厚さδを有する。ファイバは、伝送帯域の少なくとも約２０ｎｍにわたって約−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい分散を有する。
【００１８】
本発明の他の実施形態は、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、波長Λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。クラッディングは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄを有し、それにより、ファイバは、約（ａ）０．５５πから０．８５π、（ｂ）１．０５πから１．７５π、または（ｃ）２．４πから２．７πの間の正規化周波数ν＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λに対応する波長において、約１００ｄＢ／ｋｍより小さい伝送損失を有する。
【００１９】
本発明の他の実施形態は、コアおよびコアの周りに配置されたクラッディングを備える、伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える。コアは、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域、および低屈折率ｎｌを有する第２の複数のリング形領域を備える。第１の複数の高屈折率リング形領域は、平均の厚さｄを有し、コアに最も近い高屈折率リング形領域は、最大の厚さｄの約０．１倍から５倍である厚さδを有し、それによりファイバは、適合された波長においてゼロ分散を有する。
【００２０】
本発明の他の実施形態は、光源、光ファイバ、および少なくとも１つの光検出器を備える気体分析装置を備える。光ファイバは、コアおよびクラッディングを備え、光源に光学的に結合される。光ファイバは、気体を受け取るために、コアまたはコアの近傍において１つまたは複数の穴をさらに備える。少なくとも１つの光検出器は、気体によって影響を受ける光をファイバのコアから受光するように配置される。
【００２１】
本発明の他の実施形態は、フォトニック・バンドギャップ・ファイバを製造する方法を備える。方法は、中心の周りに配置された管の複数のリングを形成するように複数の管を構成することと、開領域を提供するように中心から管の少なくとも３つのリングを排除することとを備える。方法は、管を伸張させ、それによりリングおよび開領域のサイズを低減することをさらに備える。
【００２２】
本発明の他の実施形態も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】コアを形成するために７本の管が除去されている、複数の中空管から作製されたクラッディングを有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）の例を概略的に示す断面図である。
【図１Ｂ】コアを形成するために１９本の管が除去されている、複数の中空管から作成されたクラッディングを有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）の例を概略的に示す断面図である。
【図２Ａ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｂ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｃ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｄ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｅ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図２Ｆ】より広い伝送帯域幅および低い伝送損失を達成する六角形に構成された微細構造から形成されたクラッディングを有するＰＢＧＦ設計を概略的に示す断面図である。
【図３Ａ】様々な直径を有する複数のより大きい同心管、およびより大きな同心管を分離するために使用された複数のより小さい管から形成されたブラッグ・ファイバを概略的に示す図である。
【図３Ｂ】様々な直径を有する円形同心管を積み重ね、図３Ａに示されたような同心管の間により小さい毛細管を導入することによってＰＢＧファイバを作製する装置および方法を概略的に示す図である。
【図３Ｃ】様々な直径を有する円形同心管を積み重ね、図３Ａに示されたような同心管の間により小さい毛細管を導入することによってＰＢＧファイバを製作する装置および方法を概略的に示す図である。
【図３Ｄ】様々な直径を有する円形同心管を積み重ね、図３Ａに示されたような同心管の間により小さい毛細管を導入することによってＰＢＧファイバを製作する装置および方法を概略的に示す図である。
【図４Ａ】同心状の円形経路に沿って配置された複数の微細構造から形成された同心円形リングを備えるＰＢＧファイバを形成するためのプレフォームを概略的に示す図である。
【図４Ｂ】同心状の円形経路に沿って配置された複数の微細構造から形成された同心円形リングを備えるＰＢＧファイバを形成するためのパーフォームを概略的に示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａおよび４ＢのＰＢＧファイバを形成する装置および方法を概略的に示す図である。
【図４Ｄ】図４Ａおよび４ＢのＰＢＧファイバを形成する装置および方法を概略的に示す図である。
【図４Ｅ】図４Ａおよび４Ｂと同様の同心円形経路に配置された微細構造を備えるＰＢＧファイバにおけるシミュレーションした光学モードを概略的に示す図である。
【図４Ｆ】図４Ａおよび４Ｂと同様の同心円形経路に配置された微細構造を備えるＰＢＧファイバにおけるシミュレーションした光学モードを概略的に示す図である。
【図４Ｇ】図４Ａおよび４Ｂと同様の同心円形経路に配置された微細構造を備えるＰＢＧファイバにおけるシミュレーションした光学モードを概略的に示す図である。
【図４Ｈ】共に融合された円形経路に配置された複数の管から形成された高屈折率の第１の複数の環状リング形領域および低屈折率の第２の複数の環状リング形領域を概略的に示す図である。
【図５】１の屈折率を有する空気に配置された１．４５の屈折率を有するガラス・ロッドの１５ｃｍ湾曲半径について、湾曲損失を示すプロット図である。
【図６】高屈折率および低屈折率の複数の同心リング形領域を備えるブラッグ・ファイバの断面を概略的に示す図である。
【図７Ａ】図６に示されたようなブラッグ・ファイバのシミュレーションから得られるＨＥ１１モードを概略的に示す図である。
【図７Ｂ】図６に示されたようなブラッグ・ファイバのシミュレーションから得られるＨＥ１１モードを概略的に示す図である。
【図８】中心からの半径距離と共に増大する厚さを有する高屈折率および低屈折率の同心リング状領域を備えるチャープ・ブラッグ・ファイバの断面を概略的に示す図である。
【図９】ブラッグ・ファイバにおけるコアのサイズの効果を概略的に示す、波長に対する分散損失および閉込め損失のプロットを示す図である。
【図１０】ブラッグ・ファイバをシミュレーションすることによって決定された高屈折率領域の平均の厚さと周期の比（ｄ／Λ）の効果を概略的に示す、波長に対する分散および閉込めの損失のプロットを示す図である。
【図１１】高屈折率材料の第１層の厚さと高屈折率層の周期の比の効果を示す、ブラッグ・ファイバの波長に対する分散および閉込めの損失のプロットを示す図である。
【図１２】ブラッグ・ファイバのコア半径に対する閉込め損失および有効モード屈折率のプロットを示す図である。
【図１３】ブラッグ・ファイバにおける伝送帯域を決定するための計算を概略的に示す図である。
【図１４】分析公式と完全数値計算を使用して決定された閉込め損失の比較を概略的に示す図である。
【図１５】ブラッグ・ファイバの最小伝送損失を決定する方式を概略的に示す図である。
【図１６】ブラッグ・ファイバの高屈折率領域の厚さと周期の比（ｄ／Λ）の効果を示す、正規化周波数に対する分散損失および閉込め損失のプロットを示す図である。
【図１７】高屈折率リング状領域の周期Λのみが変化し、一方、幅ｄが一定に維持されるブラッグ・ファイバにおけるチャープの効果を示す、正規化周波数に対する分散損失および閉込め損失のプロットを示す図である。
【図１８】平均の幅ｄおよび周期Λの両方が変化するブラッグ・ファイバにおける異なるチャープの効果を示す、正規化周波数に対する分散損失および閉込め損失のプロットを示す図である。
【図１９】ＰＢＧＦを組み込む単一スパン電気通信システムを概略的に示すブロック図である。
【図２０】ＰＢＧＦを組み込む複数スパン電気通信システムを概略的に示すブロック図である。
【図２１Ａ】ＰＢＧＦを組み込むファイバ・チャープ・パルス増幅システムを概略的に示すブロック図である。
【図２１Ｂ】ＰＢＧＦを組み込むファイバ・チャープ・パルス増幅システムを概略的に示すブロック図である。
【図２２Ａ】ＰＢＧＦを使用するスペクトル伝送測定に基づく気体検出システムを概略的に示すブロック図である。
【図２２Ｂ】図２２Ａの気体検出システムにおいて気体と光を組み合わせるためのマルチプレクサの概略図である。
【図２２Ｃ】図２２Ａの気体検出システムにおいて気体と光を分離するためのデマルチプレクサの概略図である。
【図２３Ａ】ＰＢＧＦにおける後方ラーマン散乱に基づく気体検出システムの概略図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａの気体検出システムにおいて気体と光を組み合わせるためのマルチプレクサの概略図である。
【図２３Ｃ】図２３Ａの気体検出システムにおいて気体と光を分離するためのデマルチプレクサの概略図である。
【図２４Ａ】ＰＢＧＦにおける前方ラーマン散乱に基づく気体検出システムの概略図である。
【図２４Ｂ】図２４Ａの気体検出システムにおいて気体と光を分離するためのデマルチプレクサの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１Ａに示されたようなフォトニック・バンドギャップ・ファイバ（ＰＢＧＦ）１００が、コア１０２およびクラッディング１０４を備え、クラッディングは、コアの周りに六角形の経路に沿って配置された複数の微細構造１０６を備える。そのようなクラッディング１０４は、たとえば、小さい薄壁管を三角形のパターンにおいて積み重ねることによって形成することが可能である。図１Ａからわかるように、この三角形パターンは、六角形の構成をもたらし、六角形積重ねと呼ぶことも可能である。図１Ａに示されたコア１０２は、六角形の経路の中心から７本の管を排除することによって製作することが可能である。図１Ｂでは、ＰＢＧＦ１００のコア１０２は、１９本の管を残すことによって形成される。図１Ｂのファイバは、はるかにより大きいコアのサイズを有する。
【００２５】
これらのファイバは、管を引っ張ることによって形成することが可能である。クラッディング１０４は、円形の管を積み重ねることによって創出されるが、ファイバ１００の最終的な断面は、引っ張りプロセス中の表面張力と粘性流の相互作用が円形の穴をゆがませるので、通常、円形の穴を含んでいない。穴は、通常、引っ張りの最中に加圧される。この圧力は、最終的な穴の幾何学的形状の決定において主要な役割を担う。
【００２６】
管は、中空ガラス管を備えることが可能であり、ガラス部分は、中空部分と比較して相対的に高い屈折率の材料を備え、中空部分は空であり、排気する、あるいは気体または空気で充填することが可能である。引っ張った後、ガラス部分は共に融合して、内部に中空領域を有する高屈折率マトリックスを形成する。ガラス・マトリックス内のこれらの中空領域は、クラッディング１０４のフォトニック・バンドギャップ閉込めを提供する微細構造１０６を形成する。
【００２７】
しかし、六角形積重ねの中心から７本または１９本の管を除去することによって作成されたこれらのファイバ１００は、１００ｎｍより小さい伝送ウィンドウを有する。それでも多くの応用分野では、はるかにより広い伝送帯域が有用である。本明細書において説明されるように、より広い伝送帯域またはウィンドウは、クラッディングにおいて高屈折率材料の厚さを低減することによって達成することができる。さらに、伝送損失は、クラッディングにおけるこの高屈折率材料の最適化された厚さにおいて最小値を有する。高屈折率クラッディング材料の非常に薄い厚さにおいてより高い漏れ損失を得ることがあり、したがってクラッディングは、もはや良好な閉込めを提供しない。所望のコアのサイズを提供するために、より多数の管または結果的な微細構造を中心から除去することができる。所望のコアのサイズを提供するために、中心において多くの管が除去されている複数の管を備えるプレフォームを下方に引っ張ることができる。クラッディングの寸法は、所望のコアのサイズを与えるように下方に引っ張られるとき、大きく低減することができる。したがって様々な実施形態において、伝送帯域は大きく、一方、伝送損失も大きく低減することが可能である。
【００２８】
積み重ねられたプレフォームの図が図２Ａに示されており、コア２０２、管２０５を積み重ねることによって形成されたクラッディング２０４を備える。コア管２０７が、コア２０２を形成するために使用される。この方法では、高屈折率材料の小さい寸法が、三角形に積み重ねられたクラッディングを使用してコア２０２を形成するとき、１９よりはるかに多い管を除去することによって達成される。次いで、プレフォームは、引っ張った後にあるコアのサイズをもたらすように引っ張られる。クラッディングの寸法は、同様のコアのサイズを有する他の設計と比較して大きく低減される。
【００２９】
閉込め損失とは別に、ＰＢＧＦにおける追加の損失機構は、コアの周りの表面モードの存在に起因する。誘導コア・モード（guided core mode）が、パワーを表面モードに結合することがある。この結合されたパワーの一部は、その後失われる。表面モードの存在は、コアを形成するために規則的なマトリックスにおいて管を除去することの直接的な結果である。しかし、表面モードの数は、コアの周りの高屈折率材料の幅を低減する、または最小限に抑えることによって減少させることが有利にできる。様々な好ましい実施形態では、コア／クラッディング境界の幅は、対応するクラッディングの幅よりさらに大きく低減される。誘導コア・モードとクラッディングにおいて支持されるモードとの間においてよりはるかに強い結合が、誘導コア・モードとこれらの表面モードとの間に存在する。コア／クラッディング境界の幅の低減は、クラッディング構造において高屈折率材料の幅を低減するための上述された技法によって提供される。
【００３０】
したがって、ＰＢＧファイバにおけるある程度の損失は、コアとコアに最も近い高屈折率材料によって形成されたクラッディングとの境界面の周りに表面モードが存在することによる。この高屈折率材料は、図２Ａに示されたような断面において見られるように環状またはリング形とすることが可能である層を備えることが可能である。この高屈折率材料は、相対的に低い屈折率を有する中空コア２０２の周りに高屈折率の境界を形成する。高屈折率材料層は、コア管２０５によって少なくとも部分的に形成することが可能である。表面モードは、コアの周りのこの高屈折率境界によって支持される。上述されたように、これらの表面モードは、誘導コア・モードの漏れチャネルとして作用することができる。コア・モードは、パワーをこれらの表面モードに結合することがあり、それによりパワーは、クラッディング・モードまたはより高い可能性で放射モードにさらに結合することにより失われる。この問題を解決する１つの方法は、コアの周りの高屈折率境界の幅を低減することである。高屈折率境界の幅を低減することは、図２Ａのコア管２０５を除去することによって達成することが可能である。改良された設計が、図２Ｂに概略的に示されており、コア管２０５は、コア２０２の周りの高屈折率境界の厚さを低減するために除去されている。図１Ａおよび１Ｂの設計はまた、コア管を除去することから利益を得ることもできる。これらの結果としての設計が、図２Ｃおよび２Ｄに示されている。コア／クラッディングはまた、選択的にエッチングすることもできる。
【００３１】
さらに、表面モードを排除するために、他のステップを取り入れることができる。この手法では、図２Ｅに概略的に示されるように、複合構造２０８が、コア２０４に最も近い管の代わりに使用される。図示されたように、コアの周りの管のそれぞれは、複合管で置き換えられる。この場合たとえば、１２つの複合構造が使用される。複合管または構造２０８の一例が、図２Ｆに示されている。この複合構造２０８は、管２１０を積み重ね、次いで最終的なプレフォームに組み込むために管を適切なサイズまで下方に引っ張ることによって形成される。たとえば、複合構造を形成する積重ね管の大きな束が、パーフォーム積重ねの管と同じ寸法まで下方に引っ張られる。
【００３２】
高屈折率材料の寸法をさらに低減するために、積重ねと引っ張りの繰返しを使用することができる。高屈折率材料の小さい寸法によって利益を得るために、より多くのクラッディング管、具体的にはコア２０２により近いものを複合構造２０８によって置き換えることができる。したがって、この手法は、コアの周りのガラスの寸法を大きく低減することができる。図２Ａ〜２Ｆに示された一般的な手法は、三角形積重ねクラッディングに限定されず、他の積重ね方法において使用することもできる。他の変形形態も可能である。
【００３３】
当業者によって使用される様に一貫した方式で本明細書において使用される際、ＰＢＧファイバは、主にフォトニック・バンドギャップ効果によって内部において光を誘導するファイバである。フォトニック・バンドギャップ効果は、周期的なクラッディング構造を必ずしも必要とせず、クラッディングによって囲まれる、または部分的に囲まれるコアの誘導モードが、パワーをコアの外部にチャンネリングするためにごく少数の経路を有するように、クラッディングにおいて支持されたごく少数の誘導モードが存在することのみを必要とする。クラッディング構造の断面は、六角形リングの微細構造を提供する管の三角形積重ね構成によって形成された２次元周期構造を備えることが可能である。クラッディング構造はまた、高屈折率光学材料と低屈折率光学材料が交互になっている同心円形リングを備えることも可能である。いくつかの実施形態では、クラッディング構造は、同心円形リングを備え、穴がこれらの同心円の交互リングに位置する。これらのクラッディング設計の共通の特徴は、相対的に高い屈折率および低い屈折率を有する少なくとも２つの光学材料を含むことである。上述されたような様々な利点を提供するために、ある好ましい実施形態では、高屈折率を有する光学材料の物理的寸法は、ごく少数のモードを支持するように十分小さい。クラッディングの典型的な例には、ＹｅｈおよびＹａｒｉｖによって記述された円筒構造、およびＣｒｅｇａｎらによって記述された三角形または六角形の微細構造の構成がある。フォトニック・バンドギャップ・ファイバのさらなる議論が、「Ｌａｒｇｅ Ｃｏｒｅ Ｈｏｌｅｙ Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許出願１０／８４４９４３（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０２４Ａ）、および「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許出願１１／１３４８５６（弁理士整理番号ＩＭＲＡＡ．０３５Ａ）において提供されており、やはり参照によって本明細書にその全体が組み込まれている。
【００３４】
上述されたように、ＰＢＧＦの伝送帯域幅を増大させ、かつ伝送損失を低減するために、クラッディングによって支持されるモードの数は、低減することが可能であるが、その理由は、これらの支持されたモードは、コアの誘導モードを外部に結合する漏れチャネルとして作用することがあるからである。クラッディングのモードの数を低減する有効な方式は、クラッディングの高屈折率部分の幅を低減するものである。図１Ａおよび１Ｂに示されたようなＰＢＧファイバの高屈折率材料は、複数のリング形領域に含まれている。具体的には、図１Ａおよび１Ｂに示されたリング形領域は、高屈折率材料に位置する開口によって形成された微細構造を有する高屈折率材料を備える。これらのリング形領域は、コアの周りに構成される。隣接するリング形領域はまた、高屈折率材料のウエブによって相互接続される。三角形積重ねクラッディングでは、これらのリングは、六角形の形態を取り、リングがコアから離れるにつれ、サイズが増大する。クラッディングにおける高屈折率リング形領域の幅は、空気充填因子としばしば呼ばれる高屈折率材料と低屈折率を有する内部の開口との面積比ではなく、クラッディングにおいて支持されるモードの数を決定する役割を担う。本明細書において説明されるように、低減されたまたは最小限の伝送損失を提供するクラッディングの高屈折率部分の最適な幅が存在する。この最適な幅の詳細は、複数の同心リング形領域を備えるＰＢＧファイバの例としてブラッグ・ファイバを使用して以下において議論される。
【００３５】
円形リング形領域が、図２Ｃおよび２Ｄに示された六角形リング形領域と比較して、いくつかの性能上の利点を提供する。これらの利点は、より広い伝送帯域幅およびより低い伝送損失を含むことが可能である。詳細が、ブラッグ・ファイバのシミュレーションの結果と関連して以下において議論される。そのようなブラッグ・ファイバは、コアの周りに交互同心リングまたはリング形領域に構成された高屈折率材料および低屈折率材料を備える。しかし、ブラッグ・ファイバは、低屈折率材料として空気を使用するとき、実施が困難である。
【００３６】
図３Ａは、高屈折率のほぼ円形の同心リング状領域３０６および低屈折率のほぼ円形の同心リング状領域３０８を備えるクラッディング３０４によって囲まれたコア３０２を備えるブラッグ・ファイバ３００を概略的に示し、低屈折率領域は空気を備える。高屈折率領域３０６と低屈折率領域３０８は、交互になっている。これらの領域３０６、３０８は、示された断面図からわかるように円形であるが、ファイバ３００の縦方向を考慮するときは円筒であることに留意されたい。具体的には、様々な直径の大きな円筒管が、同心リング３０６を形成するために使用される。小さい管が、スペーサ３１０として使用される。コア３０２は、同心領域３０６、３０８の中心に配置される。
【００３７】
図３Ａの設計は、図３Ｂに示されたような装置３１２を使用して積み重ねることができる。装置３１２は、小さい管３１６を保持する細長いスロットを備える第１ホルダ３１４を含む。第２ホルダ３１８が、大きな管３２０を支持するＶグローブのシリーズを備える。装置３１２は、細長いスロットおよびＶ溝が図示されている図３Ｃにさらに示されている。小さい管３３０を有する第１ホルダ３１４は、図３Ｄにさらに示されている。
【００３８】
円形積重ねを有する他の設計が、図４Ａに示されている。中心開口４０２が、コアを形成する。より大きな直径の管を備えるコア管４０３が、コア／クラッディング境界を形成するために使用される。より小さい直径を有する小さい管４０６が、クラッディングを形成するために使用される。図示された実施形態では、より小さい管４０６のそれぞれは、同じ直径を有する。小さい管４０６は、円形パターンにおいて構成される。好ましい実施形態では、コア管４０３は、図４Ｂに示されたように除去される。
【００３９】
このプレフォームを積み重ねるために使用された装置４１２が、図４Ｃに示されている。ホルダ４１４が、ピン４１５を保持する開口を含み、ピン４１５は、小さい管４０６を保持する。ホルダ４１４はまた、コア管４０３を保持するための中心開口４１７をも含む。完全に積み重ねられたプレフォーム４１８が、図４Ｄにさらに示されている。この例では、ホルダは同心円形経路に沿って管を配置したが、ホルダは、あらゆる任意のパターンで構成することができる。
【００４０】
積重ねパーフォームが形成された後、２つのテーパが、たとえば、２つの端部において管を共に融合するために、ホルダの近傍の位置において管を加熱することによって、ホルダから短距離離れて作製される。次いで、ホルダを取り外すことができる。積重ねは、より大きな他の管に挿入して、移動バーナで全長にわたって融合することが可能である。積重ねの２つの端部は、表面層をさらにエッチングし、化学蒸着システムなどを使用して高純度のより柔軟なガラスを付着させることを可能にするために切り開かれる。エッチングのプロセスは、表面の汚染を除去することを補助することができる。より柔軟なガラス層を表面層の上に付着させることにより、より滑らかな表面を提供することによって散乱損失を低減することを補助することができる。パーフォームは、ファイバを形成するためにその後引っ張られる。
【００４１】
シミュレーションが、図４Ｅに示されたファイバ４２０について実施された。図４Ｅに示されたように、ファイバ４２０は、同心円形パターンに構成された複数の微細構造４２４を備える。微細構造４２４は、マトリックス材料２４６において形成された穴または開口を備える。穴または開口は、排気され、あるいは、たとえばガラスを備えることが可能であり、かつ相対的に高い屈折率を有するマトリックス材料４２６と比較して、相対的に低い屈折率をもたらす空気または気体で充填される。マトリックス材料４２６における微細構造４２４の構成は、高屈折率材料（ガラス）の同心リング形領域および低屈折率（開口）の同心状リング形領域を創出する。隣接するリング形領域が、高屈折率材料４２６のウエブ４２８によって接続される。
【００４２】
ＨＥ１１モードのシミュレーションされた場が、図４Ｅ〜４Ｇに示されている。図４Ｅは縦方向の電場を示し、図４Ｆは縦方向の磁場を示し、図４Ｇは横方向の電場を示す。
【００４３】
図４Ｈは、コア４３２およびクラッディング４３４を備える引っ張られたファイバ４３０の例を示す。穴の境界（小さい管４１６の側壁）は、コア４３２の中心を中心とする円形断面を有する第１の複数の同心リングまたはリング形領域４３１を形成するように接合される。これらのリング状領域４３１は、ガラスなど、相対的に高い屈折率の材料を備える。リング４３１は、穴の境界（たとえば小さい管４１６の壁）の一部から形成されたウエブ４３３によって共に連結される。これらのウエブ４３３は、高屈折率材料をも備える。コア４３２に最も近い層である最内リング形領域４３１’も示されている。ファイバ４３０はまた、コア４３２の中心を中心とする円形断面を有する第２の複数の同心リングまたはリング形領域４３５をも含む。第２の複数のリング形領域４３５は、微細構造を形成する排気された、あるいは気体または空気で充填された開口の円形構成を備え、相対的に低い屈折率を有する。第１リング形領域４３１および第２リング形領域４３５は、交互になっている。
【００４４】
支持された表面モードの数を低減する、または最小限に抑える目的でＰＢＧＦのコア／クラッディング境界における高屈折率材料の幅の影響を評価するために、シミュレーションが実施される。具体的には、屈折率ｎｌの低屈折率背景に埋め込まれた半径δおよび屈折率ｎｈの高屈折率ロッドによって支持されたモードが、波長λについて計算される。この場合、従来の光ファイバについて導出された値Ｖを使用することができる。
【数１】
【００４５】
基本モードのみが、Ｖ＜２．４０５のときに支持され、この基本モードはカット・オフされない。少なくとも２つのモードが、基本モードが２重の縮退を有すると考慮される場合、支持される。しかし実際には、支持されたモードは、基本モードが有効には支持されないように、Ｖが小さいときは弱く誘導される。Ｖについてこの実用上の限界を得るために、湾曲光ファイバの損失は、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ（ＣｈａｐｍａｎおよびＨａｌｌ、１９８３年）においてＳｎｙｄｅｒおよびＬｏｖｅによって与えられた損失の公式を使用して決定される。光ファイバにおける電力伝送をＲｃの湾曲半径を有する湾曲ファイバにわたってＰ（ｚ）＝Ｐ（０）ｅｘｐ（−γｚ）として表すことができる場合、ステップ屈折率ファイバの基本モードについての以下の公式においてγを得ることができる。
【数２】
上式で、ＵおよびＷは導波路について通常通り画定され、Ｋ１は１次の修正ベッセル関数であり、Δ＝（ｎｈ−ｎｌ）／ｎｈである。小さいＶについて、Ｖ≒Ｕである場合、湾曲損失の公式は簡単にすることができる。
【数３】
【００４６】
湾曲損失は、１５ｃｍの湾曲半径について１の屈折率を有する空気によって囲まれた１．４５の屈折率のガラス・ロッドについて計算され、図５に示されている。湾曲損失は、０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、および２μｍの４つの波長についてｄＢ／ｍの単位でプロットされている。湾曲損失は、考慮されたすべての波長について、ほぼＶ＝０．６４−０．６６において１０００ｄＢ／ｍを超える。１０００ｄＢ／ｍおよび１５ｃｍの湾曲半径の選択の任意性を考慮すると、０．５のＶの値が、基本モードのカット・オフについて妥当な実用上のガイダンスを提供する。この例では、０．５のＶの値を使用すると、ロッドの直径は、０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、および２．０μｍの波長について、７６ｎｍ、１５２ｎｍ、２２７ｎｍ、および３０３ｎｍ程度に小さい。これらの数字は、実用的な意味においてあらゆるモードを支持しないように、ＰＢＧＦのコア／クラッディング境界における高屈折率材料の厚さについて、近似的な上限を提供する。この場合δは、高屈折率コア／クラッディング境界の最大の厚さであるように選択される。実際にはこの限界よりかなり小さくなる必要はないが、その理由は、表面モードを排除することについて予期される利益が少なく、一方、第１層が閉込め損失に寄与する利益が、δが過度に小さいときに大きく低減されるからである。誘導モードはまた、コア／クラッディング層が過度に薄い場合、このコア／クラッディング層を貫通する可能性がより高い。これは、閉込め損失の増大に加えて、この層の不完全性のために散乱損失を増大させることがある。この分析は、ｎｈ＝１．４５およびｎｌ＝１．０について行われたが、同じ分析をあらゆる他の２つの材料の組合せについて行うことができる。高屈折率材料の層を有するクラッディングでは、コア／クラッディング境界層の最大の厚さは、上記の限界を満たすことが必要である可能性がある。この設計手法は、高屈折率層がコアおよびブラッグ・ファイバを囲む六角形の形態にあるとき、三角形積重ねクラッディングについて使用することが可能である。この手法はまた、他の設計にも適用可能である。しかし、厚さの値の範囲は、これらの範囲外の値を使用することができるので、限定ではない。他の変形形態も可能である。
【００４７】
ガラスと空気の層を交互にすることによって形成されたブラッグ・ファイバが、上記において議論された。ブラッグ・ファイバ６００の断面が、図６に示されている。この断面図は、コア６０２およびクラッディング６０４を示す。クラッディング６０４は、交互の高屈折率および低屈折率の複数のリング形領域６０３、６０５を備える。高屈折率のリング形領域６０３は、相対的に高い屈折率を有する材料を備えることが可能であり、低屈折率のリング形領域６０５は、相対的に低い屈折率を有する材料を備えることが可能である。
【００４８】
あるパラメータも、図６に示されている。Λは、周期クラッディングの周期である。ｄは、高屈折率層（ｎｈ）６０３の厚さであり、Ｄは、低屈折率層（ｎｌ）６０５の厚さである。クラッディング領域６０４の外部の媒体６０９の屈折率は、ｎ０として定義される。ｎ０は、モード閉込め損失の計算を可能にするために、シミュレーションにおいて小さい虚数部分を有する。Ｎは層の総数である。層が異なる特性を有するとき、各パラメータを表すために添え字ｎが使用される。ｎは１からＮの間であり、１は最内層を表す。比Ｒは、ｄ／Λとして定義される。チャープは、（Λｉ＋１−Λｉ）／Λｉとして定義され、これは、図６のブラッグ・ファイバのシミュレーションにおいてすべての層について一定のままである。コア６０２は、ρの半径を有する。以下の値は、具体的に与えられてない場合、シミュレーションにおいて使用される：ｎｈ＝１．４５、ｎｌ＝１、ｎ０＝ｌ＋ｉｌｅ−８、ｐ＝５μｍ、Ｒ＝０．１、Ａ＝３．５μｍ、チャープ＝０、および層の数Ｎ＝１０。チャープが導入されるとき、Λ１＝３．５μｍが使用される。すなわち、第１層は変化しなかった。ブラッグ・ファイバ６００が、本明細書において議論される様々なシミュレーションについて使用されるにもかかわらず、一般的な結論は、他のタイプのＰＢＧＦにも当てはまるはずである。
【００４９】
このモデルは、フーリエ・ベッセル級数において分解された場と整合する境界場に基づく。ブラッグ・ファイバのシミュレーションされたＨＥ１１モードが、図７Ａおよび７Ｂに示されている。縦方向の電場、縦方向の磁場、および横方向の電場が、図７Ａにおいて与えられ、一方、ＥＺ、ＨＺ、Ｅτ、およびＥθの径方向の分布が、図７Ｂにおいて与えられている。
【００５０】
２つのタイプのチャープ・ブラッグ・ファイバも研究される。第１のタイプは図８に示され、高屈折率層６０３の周期Λおよび厚さｄの両方とも、層ごとに線形に変化する。第２のタイプのチャープ構造では、周期Λのみが変化し、高屈折率層の厚さｄは一定のままである（図示せず）。
【００５１】
ファイバ分散に対するコアの半径の効果が、図９に示されている。４つのコア半径１５μｍ、１０μｍ、５μｍ、および４μｍが研究された。モード閉込め損失は点線を使用して示され、分散は実線で示されている。コアのサイズが増大するにつれ、伝送ウィンドウは広がり、分散は全体的に低減される。広いスペクトルにわたる低い平坦な分散を大きなコア・サイズにおいて達成することができる。そのような分散の特徴は、複数の波長が広い波長領域にわたって伝送される電気通信に適している。このシミュレーションの比（ｄ／Λ）は０．１である。
【００５２】
比Ｒ＝ｄ／Λの効果が、図１０に示されており、５つの比０．１、０．２、０．３、０．４、および０．５がシミュレーションされた。増大する比Ｒの最も著しい効果は、伝送ウィンドウを狭くすることである。この効果は、分散を強く増大させることを伴う一方、分散の傾斜も著しく増大させる。したがって、電気通信システムにおいて所望される広いスペクトル範囲にわたる低平坦分散では、小さい比が有用である可能性がある。さらに、小さい比と大きなコアの組合せを使用することによって、広いスペクトル範囲にわたる非常に低い平坦分散プロファイルが可能になる。このシミュレーションのコア・サイズは、５μｍである。図９に示されたように、０．１の比および１５μｍのコア・サイズで、１０００ｎｍ程度に広い帯域幅にわたる０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍから７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の分散を得ることができる。
【００５３】
図１１のプロットでは、高屈折率材料６０３の第１層の比Ｒ＝ｄ／Λのみが変化した。これらのシミュレーションでは、比は、ｄの値として第１層６０３の厚さを使用して決定される。図示されたように、分散およびゼロ分散の波長は、第１層の比を調節することによって修正することができ、一方、伝送は、比Ｒの変化が過度に大きくない限り、最小限に影響を受ける。この例では、第１層の比は、０．１５より小さいとすることが可能である。図１１は、第１層６０３の比Ｒ＝ｄ／Λ（ｄは、第１層の厚さである）を増大させることによって、ゼロ分散波長を伝送ウィンドウの中心に向かって著しく移動させることができることを示す。この結果は、著しい伝送損失を生じることなしにスペクトルの高い負分散部分がそれによって使用できるので著しい。
【００５４】
Λを比例してスケーリングすることによって曲線を波長にシフトさせることができるので、分散曲線の任意の所望の部分を対象の特定の波長にシフトすることによって、分散曲線の任意の所望の部分を使用することができる。分散の適合は、このようにして任意の波長について行うことができる。比およびコアのサイズの効果が研究されたが、第１層６０３の屈折率は、ＰＢＧＦにおいて所望の分散を得るように同様に調節することもできる。
【００５５】
図１２は、様々なモードの閉込め損失および有効屈折率を計算することによって、様々なコアの半径についてブラッグ・ファイバにおいて支持されるモードの数を示す。図示されたように、コアの半径が１０μｍより大きいとき、シミュレーションされたすべてのモードについて、低伝送損失を実現することができる。４μｍと５μｍの間のコアの半径では、ＨＥ１１モードのみが十分に支持される。４μｍより小さいコア半径では、すべてのモードが高い損失を有する。このデータは、単一モード動作について最適なコアのサイズを示す。
【００５６】
以下の分析に進む前に、パラメータの追加の定義が以下において与えられる。
ｎｒ：有効屈折率の実数部分
ｎｉ：有効屈折率の虚数部分
λ：光の波長
ν：正規化周波数
ｋ：＝２π／λ、真空波の数
β：＝βｒ＋ｉβｉ＝２π（ｎｒ＋ｉｎｉ）／λ、伝播定数
α：＝２πｉｎｉ／λ、閉込め損失
ｋｈ：＝ｋ（ｎｈ２−ｎｒ２）１／２、高屈折率媒体の横方向波ベクトル
ｋｌ：＝ｋ（ｎｒ２−ｎ１２）１／２、低屈折率媒体の横方向波ベクトル
ｍ：伝送帯域または停止帯域の次数、ｍ∈（１，∞）
【００５７】
ＰＢＧＦのある好ましい実施形態では、誘導モードの有効屈折率ｎｒは、コアの屈折率ｎ１に非常に近い。この近似により、ｋ１≒０およびｋｈ＝ｋ（ｎｈ２−ｎ１２）１／２となる。ｎｒ≒ｎｌの限界では、ＴＥ状のモードについて、以下のようになる。
【数４】
【００５８】
ｅｘｐ（ｉｋＴＥΛ）の振幅は、モード場の収束または発散を決定し、ブラッグ・ファイバのバンドギャップは、以下のように決定される。
【数５】
【００５９】
ｅｘｐ（ｉｋＴＥΛ）の振幅は、すべてのＴＥ状モード閉込めの程度の尺度を提供するので、この振幅は、モード閉込め損失に比例する。伝送帯域境界は、｜ｅｘｐ（ｉｋＴＥΛ）｜＝１によって決定される。正規化周波数が、ν＝ｋｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２として定義され、かつｎｒ≒ｎｌの限界において、ν＝ｋｈｄである場合、伝送帯域の上限は、νｈ＝ｍπによって決定される。ｍは、伝送帯域の次数を決定し、かつ整数である。伝送帯域の下限（下方周波数限界）νｌは、以下の式によって決定される
【数６】
【００６０】
図１３は、様々な値におけるｔａｎ（ν）および２Ｒ／（１−Ｒ）をプロットする。交点は、下方伝送限界を決定する。複数の伝送帯域は、ｔａｎ（ν）の周期性の結果である。
【００６１】
上方伝送限界は、導波路パラメータに独立であり、下方伝送限界は、Ｒにのみ依存する。図示されたように、正規化周波数νは、寸法パラメータｄにのみ依存し、周期Λには独立になる。したがって、周期Λは、伝送帯域の限界の決定において役割を果たさない。伝送帯域の下限を決定する関係が、図１３に示されている。比Ｒは、伝送帯域の下限の決定において些少な役割を果たす。多くの伝送帯域が、正規化周波数νにおいてπだけ離れて存在する。さらに、下方伝送帯域限界は、Ｒと共に増大する。伝送帯域は、低屈折率層の幅が狭くなるにつれ、狭くなる。
【００６２】
閉込め損失の精確な量は、コアの設計によっても影響を受けるモード場分布によって決定される。｜ｅｘｐ（ｉｋＴＥΛ）｜は、閉込め損失に比例し、図１４において５つの異なるＲの値について正規化周波数νに対してプロットされている。３つの伝送帯域が示されている。図示されたように、上方伝送限界は、Ｒに独立であり、一方、伝送帯域の下限は、Ｒに関係する。より小さいＲは、より広い伝送帯域およびより低い閉込め損失をもたらす。高次の伝送帯域は、より低い閉込め損失を有する。
【００６３】
Ｒ＝０．４および０．５についての数値シミュレーションが、図１４において点によって示されている。図示されたように、数値計算閉込め損失は、スケール因子をある程度調節することで、本明細書において提示された簡単なシミュレーションに十分に適合する。完全な数値結果が、図１６において正規化周波数νに対してプロットされたすべてのＲ値について示されている。図示されたように、数値モデルによって計算された閉込め損失も、本明細書において記載された公式と一貫する。
【００６４】
図１５は、様々な値におけるｔａｎ（ν）／νおよび（Ｒ−１）／（Ｒ＋１）をプロットする。交点は、最小限の伝送を決定する。図１５の伝送の最小値は、νｏｐｔにおいて生じ、以下によって決定される。
【数７】
【００６５】
上式の両側が、図１５にプロットされている。（Ｒ−１）／（Ｒ＋１）は、様々なＲの値についてプロットされている。交点は、Ｒに依存する最小伝送点を決定する。伝送の最小値は、Ｒの増大と共に高いνに向かって移動する。
【００６６】
伝送帯域を決定する簡単な方法はＴＥ状モードに基づくので、この方法は、すべてのＴＥモードおよびＨＥモードに適用される。ＴＭモードおよびＨＭモードについての等価な公式は、以下の通りである。
【数８】
【００６７】
伝送帯域の上限は、νｈ＝ｍπによって与えられ、一方、伝送帯域の下限は、以下によって決定される。
【数９】
【００６８】
完全な数値シミュレーションが、ｄが一定に維持され、Λが最内層から増大して変化する場合について実施された。結果が、第１伝送帯域について図１７に示されている。層あたり２％より小さい周期の変化では、伝送帯域はほぼ変化しない。層あたり３％を超える周期の変化では、伝送帯域はより浅くかつより狭くなる。この伝送帯域の低減および伝送損失の増大は、外側の層が内部層と同調する良好な閉込めをもはや提供しないためである。この効果は、式６＆７の導出においてｎｒ≒ｎｌであると仮定する結果である。この仮定は、ｋｌ＝０およびＤを無関係とする。実際には、ｎｒはｎｌに近いが、等しくはなく、それにより、ブラッグ・ファイバの特徴は、弱いＤ依存性を有する。図１７に示されたように、Ｄの大きな変化は伝送帯域幅を低減し、伝送損失を増大させる。
【００６９】
周期が層あたり３％変化する場合、最外層の周期は、最内層の周期より３０％大きいことに留意されたい。
【００７０】
他のシミュレーションが、様々なチャープを有する同じファイバについて実施された。すなわち、ｄおよびΛの両方が、最内層から増大して変化する。結果が、図１８に示されている。１％のチャープにおいてさえ、上方伝送限界は著しく変化する。２％のチャープでは、伝送帯域は十分に弱く、かつ狭い。
【００７１】
これらの結果に基づいて、ｄおよびＤの両方とも、増大したまたは最大の伝送帯域幅、および低減されたまたは最小の伝送損失を提供するように、様々な好ましい実施形態において層ごとに一定に維持される。一定値のｄを使用することは、一定値のＤを使用するよりも強い効果を有するようである。この理由のために、各周囲の周りの一定のｄおよびＤも、ある実施形態では使用される。たとえば、三角形積重ねクラッディングでは、コアを囲む各層の周りにおいてｄおよびＤの両方が変化することにより、ブラッグ・ファイバと比較して、伝送帯域幅全体を低減し、伝送損失を増大させることができる。しかし、ある実施形態では、ｄおよび／またはＤが変化する。
【００７２】
図１７および１８は、外側のクラッディング層が、分散特性に対してより小さい影響を有することを示す。チャープの最も著しい影響は、伝送ウィンドウの低減である。分散は、最内層が同一であるファイバではほとんど変化しない。
【００７３】
ブラッグ・ファイバのこれらのシミュレーションでは、伝送帯域幅をさらに低減する表面モードの影響は無視された。上記で議論されたように、表面モードを排除する設計では、δをコア／クラッディング層の最大の厚さとして、Ｖ＝２πδ＊（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λ＜０．５である。図１４は、小さいＲにより広い伝送帯域幅が可能になることを示す。波長ドメインにおける最も広い可能な伝送帯域幅は、νがνｌからνｈ＝πのとき、すなわちλがλｍｉｎ＝２ｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２からλｍａｘ＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／νｌのときであり、νｌはＲに依存し、式６によって与えられる。上方波長限界λｍａｘは、νが過度に小さいときの閉込め損失の結果である。下方波長限界λｍｉｎは、クラッディングにおけるトンネリング・プロセスの存在の結果である。より小さいｄは、より下方の伝送帯域限界λｍｉｎを与える。
【００７４】
最低の損失は、可能な最高のｍおよびν＝νｏｐｔにおいて動作するとき、表面モードが欠如した状態で達成することができる。しかし、より高いｍではより多くの表面モードが存在する。この事実は、通常、動作する可能な最高のｍを限定する。より小さいコア／クラッディングの厚さδにより、表面モードのペナルティを有さずに、より高いｍにおいて動作することが可能になり、したがってより低い可能な伝送損失が可能になる。しかし、伝送帯域は、ｍが増大する際、波長ドメインにおいて狭くなることに留意されたい。
【００７５】
図１４の結果は、一様なｄおよびＤが周囲に存在するブラッグ・ファイバに関する。三角形積重ねクラッディングの場合など、ｄが一様ではない一般的な状況では、最小限の損失は、式７によって決定されるようにν＝νｏｐｔではもはや生じず、図１４の伝送帯域の形状は、もはや当てはまらない。それにもかかわらず、効果は、ｄおよびＤの範囲にわたる合計の効果を考慮することによって研究することができる。有効な最大伝送帯は狭く、最大伝送損失は増大するが、新しい最適値ν＝νｏｐｔにおいて最低の損失が依然として存在する。したがってある実施形態では、ほぼ一様なｄおよびＤを有するクラッディングの幾何学的形状を使用することがより良好である。
【００７６】
図４Ａおよび４Ｂに示された円筒積重ねクラッディングの設計は、光ファイバの中に引っ張られるとき、図３Ａおよび図６に示されたブラッグ・ファイバと同様である。穴は、ファイバを引っ張る最中にわずかに加圧される。これにより、図４Ａの管の間のギャップは消滅する。上述されたように、図４Ｇは、そのような引っ張られたファイバの例を示す。穴の境界は、構造の中心を中心とする同心円形層４３１を形成するように接合される。円形の層またはリング４３１は、穴の境界の一部から形成されたウエブ４３３によって円形の層またはリングの間において連結される。ファイバ４３０はまた、排気された、あるいは気体または空気で充填された開口の円形構成を備える同心リング４３５をも含む。
【００７７】
したがって、円形パターンに構成された微細構造から形成されたＰＢＧファイバは、ブラッグ・ファイバと同様である。両方とも、高屈折率および低屈折率のほぼリング形の領域を備える。高屈折率および低屈折率のこれらのほぼリング形の領域は同心状であり、コアを中心とする。高屈折率および低屈折率のこれらのほぼリング形の領域リング形領域は、交互になっている。
【００７８】
ＰＢＧファイバが、図４Ｅおよび４Ｆに示されたような複数の微細構造から形成されたクラッディングを備える場合、高屈折率領域の平均の厚さｄは、低屈折率領域を通る中心線間において計算することが可能である。これらの中心線は、低屈折率領域を形成する微細構造の中心を通過する。低屈折率領域が円形または環状である場合、これらの中心線は、微細構造が円形または環状の経路に沿って構成されるので、やはり円形または環状である。例示的な中心線Ａ、Ｂが、図４Ｆに示されている。一般に、２つの中心線の間隔は、ピッチＡに対応する。
【００７９】
これらの２つの中心線Ａ、Ｂ間の高屈折率材料の平均の厚さは、異なる方式で計算することが可能である。この平均の厚さを決定する１つの方法は、これらの２つの中心線Ａ、Ｂ内に位置する高屈折率材料の面積を計算するものである。この面積は、２つの円形または環状の経路の間において、かつそれらに対して等距離にコアの周りに延びる環状経路に沿って一様に分布することができる。２つの中心線間のこの環状経路の幅は、高屈折率材料の平均の厚さｄに対応する。この平均の厚さは、クラッディングにわたる平均である厚さｄを得るのと同様の方式で、高屈折率材料の他のリングについて計算される。２つの中心線間の高屈折率材料の平均の厚さを計算する他の方式も、使用することが可能である。
【００８０】
高屈折率材料の平均の厚さを決定する同じ手法が、他の形状を有する高屈折率のリング形領域にも同様に適用可能である。たとえば、微細構造が、六角形のリングを形成するように構成される場合、中心線が、リングを形成する微細構造の中心を通過するので、中心線は六角形である。これらの六角形の中心線間の高屈折率材料の厚さは、値ｄを得るように決定することが可能である。高屈折率材料のあらゆる任意の形状の領域について、同じ手法を使用することができ、円形または六角形の形状に限定されるものではない。
【００８１】
コアに最も近い最内高屈折率領域の平均の厚さδを決定するために、同様の手法を使用することができる。コアに最も近い微細構造のリングを通る中心線内の高屈折率材料の平均の厚さが決定される。たとえば図４Ｆでは、中心線Ａが使用される。１つの方法では、この第１中心線Ａ内のすべての高屈折率材料の領域が計算され、第１中心線に隣接し、かつ第１中心線によって境界を画定される環状の経路に沿って一様に分布する。したがって、この環状経路の最外境界は、一般に、第１リングの微細構造の中心を通過する。この環状経路の厚さは、平均の厚さδに対応する。上記で議論されたように、六角形または他の形状のリングの平均の厚さは、このようにして同様に計算することが可能である。当業者なら、本明細書において提供される説明に基づいて、高屈折率材料の平均の厚さｄおよびδをどのように決定するかを認識するであろう。
【００８２】
図９に示されたように数百ナノメートルの広い波長領域にわたる低伝送損失および低分散は、それぞれが異なる波長における数１０または数１００のチャネルを単一の光ファイバ上で送信することができる電気通信の波長分割多重化システムには非常に有用である。さらに、そのようなシステムはまた、誘導光のほとんどが気体または真空にあるということのために、非線形性が大きく低減されている。この特徴により、より高いパワーがラウンチング（入力）されることが可能になり、結果として増幅のないより高い伝送率および／またはより長い伝送距離が可能になる。
【００８３】
図１９は、ＰＢＧＦ１９０５を組み込むそのような電気通信システムを示す。送信器１９０１からの信号は、マルチプレクサ１９０２によって多重化され、次いで分散事前補償（分散プリコンペンセーション）ユニット１９０３によって事前補償され、増幅器１９０４によって増幅される。ＰＢＧＦ１９０５の単一スパンが、源から行先までの距離にわたって信号を送信するために使用される。送信された信号は、次いで、増幅器１９０６によって行先において増幅される。分散補償ユニット１９０７が、デマルチプレクサ１９０８の前に使用される。各信号は、複数の受信器１９１０によって受信される前にあらゆるチャネル依存送信ひずみを除外するために、事後補償（ポストコンペンセーション）ユニット１９０９によって精細に補償される。図２０は、源にある送信器２００１、マルチプレクサ２００２、事前補償ユニット２００３、および増幅器、ならびに行先にあるデマルチプレクサ２０１２、複数の事後補償ユニット２０１３、および受信器２０１４をも含む同様の伝送システムを示す。しかし、図２０に示されたシステムでは、ＰＢＧＦ２００５、２００７、２００９の複数のスパンが含まれている。各スパンの追加の分散補償ユニットおよび増幅器２００６、２００８、および２０１０も含まれている。光接続が、図１９および２０に示された光学構成要素の間に提供されるが、これらの光学構成要素間に構造を含むことも可能である。様々なこれらの構成要素が、光ファイバを備えることが可能である。図１９および２０は、電気通信システムの枢要な構成要素のみを示す。追加の構成要素を追加することができる。同様に、図１９および２０のいくつかの構成要素は、異なる実施形態では省略する、および／または位置を変更することができる。他の構成および変形形態も可能である。
【００８４】
ＰＢＧＦはまた、超高速光パルスのような光パルスを生成するシステムにおいて使用することもできる。超高速パルス・システムに関する追加の詳細が、参照によって本明細書にその全体が組み込まれている「Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ」という名称の米国特許出願１０／８１４５０２（弁理士整理番号第ＩＭＲＡＡ．０２３Ａ）、および「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許出願１０／８１４３１９（弁理士整理番号第ＩＭＲＡＡ．０２５Ａ）に含まれている。
【００８５】
たとえば、図２１Ａは、分散適合ＰＢＧＦ２１０６を組み込むファイバ・チャープ・パルス増幅（ＦＣＰＡ）システムを示す。発振器２１０１からのパルスは、事前チャープ・ユニット２１０２を使用することによって事前チャープ（プリチャープ）され、次いで前置増幅器２１０３によって増幅される。主増幅器２１０５によって次いで増幅されるパルスのサブセットを拾い上げるために、パルス・ピッカ２１０４を使用することができる。ＰＢＧＦ２１０６は、増幅されたパルスを圧縮するために使用され、増幅されたパルスは、その後、低分散ＰＢＧＦ送達ファイバ２１０７によって送達される。光接続が、図２１Ａに示された光学構成要素間において提供されるが、これらの光学構成要素間に構造を含むことも同様に可能である。様々なこれらの構成要素は、光ファイバまたは光ファイバ・デバイスを備えることが可能である。図２１Ｂには、発振器２１１０、事前チャープ・ユニット２１１１、前置増幅器２１１２、パルス・ピッカ２１１３、主増幅器２１１４を備えるファイバ・パルス増幅システムも示されている。しかし、図２１Ｂでは、ＰＢＧＦ圧縮器および送達ファイバは、単一のファイバ２１１５に組み合わされる。図２１Ａおよび２１Ｂは、パルス増幅システムの枢要な構成要素のみを示す。追加の構成要素を追加することができる。同様に、図２１Ａおよび２１Ｂのいくつかの構成要素は、異なる実施形態では省略する、および／または位置を変更することができる。他の構成および変形形態も可能である。
【００８６】
低損失および広い伝送帯域を有するＰＢＧＦはまた、長い相互作用長により大きく改善された感度で気体分析を追跡するために使用することもできる。図２２Ａは、スペクトル吸収に基づいて気体に関する測定を検出する、識別する、定量化する、またはそうでない場合は実施するそのようなシステムを示す。同調可能な源２２０１が、マルチプレクサ２２０２を経てＰＢＧＦ２２０４に光学的に結合され、これにより、ＰＢＧＦ２２０４のコアに気体を注入することが可能になる。気体フィルタ２２０３が、気体流の固体粒子を除外するために使用されることが可能である。出力端部において、デマルチプレクサ２２０５が、気体と光ビームを分離するために使用される。次いで、光ビームは、検出器２２０７に向けられる。気体の流れを高速化するために、気体ポンプを気体フィルタ２２０３および／または気体出口２２０６に接続することができる。
【００８７】
図２２Ｂは、封止室２２１５を備えるマルチプレクサ２２０２の構成を示す。ファイバ２２１０によって伝播された源の光は、視準レンズ２２１２によって視準され、レンズ２２１３によってＰＢＧＦ２２０４の入力端部２２１１に集束される。気体が、上述されたフィルタを備えることが可能である気体入力２２１４を経て入力される。デマルチプレクサ２２０５は、図２２Ｃに示されている。デマルチプレクサはまた、室２２１８、ＰＢＧファイバ２２０４の出力端部２２２０、ならびに視準レンズ２２２２、および集束レンズ２２２３を備え、集束レンズ２２２３は、ＰＢＧＦ２２０４の出力２２２０から出力された光を受光し、光を出力ファイバ２２２１に結合する。デマルチプレクサ２２０５は、気体出力ポート２２２４をさらに備える。図２２Ａの同調可能光源２２０１の代わりに、広い帯域源およびモノクロメータを使用することができる。
【００８８】
そのようなシステムでは、気体は、マルチプレクサに導入され、内部の穴または開口を経てＰＢＧＦの一部に入る。様々な好ましい実施形態では、コアは中空であり、気体は中空コアに入る。気体は、たとえば、１つまたは複数の波長における吸収のために光を減衰させることによって、光の伝播に影響を与える。したがって気体の吸収スペクトルは、検出器２３０８およびモノクロメータまたは同調可能フィルタ２３０７を使用して測定することができる。図２２Ａ〜２２Ｃに示されたようなある実施形態では、気体は、ＰＢＧＦ２２０４を通って流れる。そのような場合、ファイバ２２０４の長さが長いことにより、気体と光の相互作用を増大させて、より高い信号を提供することが可能である。他の実施形態では、光の他の特性を測定することが可能である。
【００８９】
たとえば、図２３Ａは、ラーマン散乱光の検出に基づく微量気体検出システムを示す。気体はファイバに導入され、測定されるラーマン散乱を生じる。気体は、ファイバの開口に入ることが可能であり、ある好ましい実施形態では、ＰＢＧＦの中空コアを通って流れることが可能である。上述されたように、ＰＢＧＦの相互作用長が長いことにより、検出感度の増大が提供される。追加の利点は、ラーマン散乱光の大部分が収集され、またフォトニック・バンドギャップ・ファイバ内において伝播することもできることである。この特徴は、広い伝送帯域、すなわちより大きな固体収集角度を有するＰＢＧＦに特に当てはまる。
【００９０】
図２３Ａに示された実施形態では、ラーマン・ポンプ２３０１が、マルチプレクサ２３０２を経てＰＢＧＦ２３０４に光学的に結合される。ＰＢＧＦ２３０４の出力端部が、デマルチプレクサユニット２３０５に光学的に結合される。気体は、固体粒子を除去するフィルタ２３０３を通って入る。気体は、デマルチプレクサ上の出口２３０６を通って出る。気体を高速化するために、入口２３０３および出口２３０６においてポンプを使用することができる。ラーマン散乱による後方伝播散乱光が、同調可能フィルタまたはモノクロメータ２３０７に向かって、かつ検出器２３０８の上に向けられる。同調可能フィルタまたはモノクロメータ２３０７および検出器２３０８は、散乱光の波長スペクトルを測定することができる。
【００９１】
マルチプレクサ２３０２は、図２３Ｂに示された封止室２３１０Ａを備える。ポンプ光が、ポンプ源２３０１に光学的に結合された光ファイバ２３１０によって搬送され、次いで、視準レンズ２３１３によって視準される。視準されたポンプ・ビーム２３１８は、集束レンズ２３１４によってＰＢＧＦ２３０４の入力端部２３１１に集束される。後方に伝播する散乱ラーマン信号２３１９が、ラーマン信号のみを反射し、ポンプ光を反射しないように設計されるフィルタ２３１６によって反射される。ラーマン信号２３１９は、集束レンズ２３１５によって、同調可能フィルタまたはモノクロメータに光学的に接続された出力ファイバ２３１７の上に集束される。気体は、フィルタを備えることが可能である気体入口ポート２３１２を通って入る。
【００９２】
デマルチプレクサ２３０５が、図２３Ｃに示されている。デマルチプレクサ２３０５は、封止室２３２５、およびＰＢＧＦ２３０４の端部２３２０からポンプ光を収集する収集レンズ２３２２を備える。デマルチプレクサは、ＰＢＧＦ２３０４を通って伝播するポンプ光を監視するための検出器２３２４をさらに備える。収集レンズ２３２２は、ＰＢＧＦ２３０４の端部２３２０からのポンプ光を結合し、ポンプ光を検出器２３２４の上に向ける。
【００９３】
図２４Ａは、前方に伝播するラーマン信号の検出に基づくラーマン検出システムを示す。ある好ましい実施形態では、動作は、高いポンプ電力が存在する場合の増幅のためにはるかにより強い信号が予期される刺激ラーマン体系にある。図２３Ａに示された構成はまた、刺激ラーマン放出を検出するために、刺激ラーマン・モードにおいて使用することもできる。
【００９４】
図２４Ａに示されたラーマン検出システムは、ラーマン・ポンプ２４００、気体入力ポート２４０１を有するデマルチプレクサ２４０２、ＰＢＧファイバ２４０３、気体出力ポート２４０５を有するデマルチプレクサ２４０４を備える。システムは、デマルチプレクサ２４０４からラーマン信号を受信するために、デマルチプレクサ２４０４に光学的に結合された同調可能フィルタまたはモノクロメータ２４０６をさらに含む。検出器２４０７も、ラーマン信号を感知するために含まれる。
【００９５】
デマルチプレクサ２４０４は、図２４Ｂに示されている。デマルチプレクサ２４０４は、気体を包含する封止室２４１８を備える。ポンプ信号およびラーマン信号が、ＰＧＢファイバ２４０３の出力端部２４１０によって室２４１８に導入される。ポンプ信号およびラーマン信号は、視準レンズ２４１３によって視準される。ラーマン信号２４１９は、ポンプ光を反射するように設計されるフィルタ２４１５を通過する。このラーマン信号２４１９は、レンズ２４１４によって、光を同調可能フィルタまたはモノクロメータ２４０６に向けるファイバ２４１１の上に集束される。ポンプ光２４１７は、フィルタ２４１５によって、電力を監視するための検出器２４１６の上に反射される。マルチプレクサ２４２０は、図２２Ｂに示されたものと同様である。
【００９６】
光接続が、図２２Ａ、２３Ａ、および２４Ａに示された光学構成要素間に提供されるが、これらの光学構成要素間に構造を含むことも同様に可能である。様々なこれらの構成要素が、光ファイバまたは光ファイバ・デバイスを備えることが可能である。
【００９７】
図２２Ａ〜２２Ｃ、２３Ａ〜２３Ｃ、および２４Ａ〜２４Ｂに示されたシステムおよび構成要素は、単なる例である。当業者なら、代替の構成および設計を構想することが可能である。たとえば、図２３Ｂに示されたフィルタ２３１６は、ポンプ光を反射し、かつ信号を通過させるように設計することができる。ファイバの位置は、そのような実施形態では異なるとすることが可能である。同様に、図２４Ｂのフィルタ２４１５は、ラーマン信号を反射するように設計することができる。ファイバの位置は、同様に異なるとすることが可能である。図２３Ｃおよび２４Ｂのポンプ監視機能は、排除することができる。光を図２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｂ、２２Ｃ、および２４Ｂのフィルタおよび検出器に搬送するために使用されるファイバも、バルクな光学機器を使用することによって排除することができる。代替として、光ファイバは、光を誘導するために使用することができる。いくつかの実施形態では、ＰＢＧＦの端部は、封止することができ、一方、気体は、ファイバの側面上に穿孔された穴を通ってＰＢＧＦのコアに入り、ＰＢＧＦのコアを出ることができる。実際、気体の流れを高速化し、気体をＰＢＧＦに沿って一様に分布させるために、ファイバに沿って多くの穴を穿孔することができる。しかし、ある実施形態では、気体は、一方または両方の端面を通ってＰＢＧＦに入るおよび／またはＰＢＧＦを出る。
【００９８】
他の変形形態も可能である。追加の構成要素をシステムに追加することができる。同様に、図２２、２３、および２４のいくつかの構成要素は、異なる実施形態では、省略する、および／または位置を変更することができる。他の構成および変形形態も可能である。構成要素は、異なるように設計することができる。たとえば、他の構成および設計では、マルチプレクサおよびデマルチプレクサを使用することが可能である。ある実施形態では、マルチプレクサまたはデマルチプレクサの一方または両方を排除することが可能である。さらに、本明細書において記載された例示的な応用分野のいずれかにおいて、単一の連続ＰＢＧＦまたはＰＢＧＦの別の部分を使用することが可能である
【実施例】
【００９９】
本明細書において説明されたファイバ構造を実施するために、異なる屈折率を有する任意の２つの誘電体媒体を使用することができる。高屈折率材料に適切な候補はガラスであり、特に、物理的特性および光学的特性ならびに耐久性が有利である融合シリカ・ガラスである。低屈折率の媒体は、気体または真空の１つまたは混合物から選択することができる。低屈折率材料のこの選択は、高い非線形閾値、低い散乱および吸収損失、ならびに非常に低い分散を有する。
【０１００】
広い伝送帯域を有するＰＢＧＦは、電気通信およびスペクトル吸収またはラーマン散乱技法に基づく微量気体分析など、多くの応用分野を有する。そのような広い伝送帯域は、ν＜π、すなわちｄ＜０．５λ／（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２およびＲ＜０．３を有するブラッグ・ファイバにおいて達成することができる。波長のスケーリングにより、任意の波長範囲についてのファイバ設計が可能になる。ファイバの寸法は、波長に比例してスケーリングすることができる。すなわち、波長を２倍にすると、ファイバの寸法は２倍になる。
【０１０１】
広い伝送帯域はまた、コアの周りの層化クラッディング構造に類似する任意のクラッディング設計において平均の厚さｄを低減することによって達成することもできる。２００ｎｍの伝送帯域を達成するために低減された平均ｄが使用される三角形積重ね構造を備えるある実施形態では、ν＜πおよびＲ＜０．０５である。たとえば、図４において記述された円形積重ね構造では、ν＜π、すなわちｄ＜０．５λ／（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２およびＲ＜０．２で、２００ｎｍの伝送帯域を達成することができる。
【０１０２】
低伝送損失はまた、ある範囲の応用分野にも有利である。損失は、式７によって決定されたνｏｐｔにおける動作によって低減する、または最小限に抑えることができる。ある実施形態では、平均の厚さｄは、ｄが周上において変化する場合、νｏｐｔを推定するために使用することが可能である。たとえば、Ｒ＝０．２では、ｍ＝１についてνｏｐｔ≒０．７π、ｍ＝２について１．６０π、およびｍ＝３について２．５６πである。Ｒ＝０．１では、ｍ＝１についてνｏｐｔ≒０．６７π、ｍ＝２について１．５８π、およびｍ＝３について２．５５πである。
【０１０３】
低分散もまた、電気通信に有用である。ある実施形態では、コアの半径は、２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい分散を達成するように、１０μｍより大きくなるように選択することができる。さらに、第１層の厚さδおよび反射率は、分散を適合させるように変更することができる。第１層の厚さδは、ｄの１％から５０％に調節することができる。たとえばいくつかの実施形態では、分散を適合させるために、δ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２λ＝０．０１から２を使用することができる。強い負の分散を達成するために、大きなｄを使用することができる。頑強な単一モード動作では、コアの半径ρは、ある実施形態では１５μｍより小さくすることが可能である。
【０１０４】
広い帯域伝送帯域では、コア／クラッディング境界上において表面モードを排除することが有用である可能性がある。様々な実施形態において、コア／クラッディング境界のδ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２λは、表面モードを完全に排除するために約０．１５より小さいことが可能である。第１層の厚さの低減は、閉込めを減少させ、かつ第１層へのモード貫通を増大させ、それにより、第１層からのより高い閉込め損失および散乱損失が得られる。実際には、表面モードの損失と閉込め／散乱の損失の間の兼合いが追及されなければならない。
【０１０５】
異なる設計および構成を有する他の実施形態が可能であり、上記に限定されるべきではない。さらに、好ましい実施形態の上記の説明は、例示として与えられた。与えられた開示から、当業者なら、本発明およびそれに付随する利点を理解するだけでなく、開示された構造および方法に対する明らかな多様な変更および修正にも気づくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の範囲内にあるすべてのそのような変更および修正を網羅することが追及される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、クラッディングが、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備え、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより、比ｄ／Λが約０．３より小さい、クラッディングとを備え、
前記クラッディングが、約πラジアンより小さい正規化周波数ν＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λを有し、前記コアが、約１００ｎｍより大きい波長伝送帯域を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２】
前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、前記平均の厚さｄの約２分の１より小さい平均の厚さδを有する、請求項１に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項３】
前記伝送帯域が、少なくとも約２００ｎｍである、請求項１に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項４】
波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、クラッディングが、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備え、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が平均の厚さｄを有する、クラッディングとを備え、
前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、約１ラジアンより小さい正規化周波数ν＝２πδ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２λを提供するように、平均の厚さδを有するコア・クラッディング境界を形成する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項５】
前記コアの幅が、λの約１０倍と１５倍の間である、請求項４に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項６】
伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
約１０μｍより大きいコアと、
前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、クラッディングが、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備え、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより、比ｄ／Λが約０．２より小さい、クラッディングとを備え、
ファイバが、前記伝送帯域の少なくとも約１００ｎｍにわたって、−約５０から５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の分散を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項７】
前記分散が、約−２０から２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間である、請求項６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項８】
前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、最大の厚さｄの約３分の４より小さい平均の厚さδを有する、請求項６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項９】
伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、クラッディングが、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備え、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより、比ｄ／Λが約０．２より小さく、前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、前記平均の厚さｄの約１．１倍より大きい厚さδを有する、クラッディングとを備え、
ファイバが、前記伝送帯域の少なくとも約２０ｎｍにわたって約−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい分散を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１０】
前記分散が、約−１００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい、請求項９に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１１】
波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
前記コアの周りに配置され、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備えるクラッディングとを備え、
前記高屈折率リング形領域が、平均の厚さｄを有し、それにより、ファイバが、約（ａ）０．５５πから０．８５π、（ｂ）１．０５πから１．７５π、または（ｃ）２．４πから２．７πの間において、正規化周波数ν＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２λに対応する波長において約１００ｄＢ／ｋｍより小さい伝送損失を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１２】
前記伝送損失が、約１．５ｄＢ／ｋｍより小さい、請求項１１に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１３】
伝送帯域を備えるフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備える前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が、平均の厚さｄを有する、クラッディングとを備え、
前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、最大の厚さｄの約０．１倍から５倍の間の厚さδを有し、それによりファイバが、適合された波長においてゼロ分散を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１４】
前記高屈折率リング形領域が、前記高屈折率材料の環状領域を備え、前記低屈折率リング形領域が、低屈折率材料の環状領域を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１５】
前記高屈折率リング形領域が、間に前記低屈折率領域を画定するように、スペーサによって間隔をおいて位置する前記高屈折率材料の環状領域を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１６】
前記低屈折率リング形領域がそれぞれ、ほぼリング形のパターンに構成された複数の別の低屈折率微細構造を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１７】
前記低屈折率微細構造が、六角形のパターンにおいて構成される、請求項１６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１８】
前記低屈折率微細構造が、円形のパターンにおいて構成される、請求項１６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１９】
前記低屈折率微細構造が、空気または気体で充填された間隙を備える、請求項１６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２０】
前記高屈折率リング形領域が、ほぼ同じ厚さを有する、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２１】
前記高屈折率リング形領域が、ほぼ一定の周期を有する、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２２】
隣接する高屈折率リング形領域が、前記高屈折率材料のウエブによって接続される、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２３】
前記高屈折率リング形領域が、ほぼ同心状の円を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２４】
前記高屈折率リング形領域が、ほぼ同心状の六角形を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２５】
前記第１の複数が、５つを超える前記高屈折率リング形領域を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２６】
前記高屈折率材料が、ガラスを備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２７】
前記高屈折率材料が、融合シリカを備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２８】
低屈折率を有する前記第２の複数のリング形領域が、気体、気体の混合物、または真空を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２９】
低屈折率を有する前記第２の複数のリング形領域が、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、酸素、またはそれらの任意の組合せを備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項３０】
前記コアおよびクラッディングの少なくとも一方が、複屈折性を誘起するために、２重折りたたみの幾何学的形状を有する、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項３１】
前記コアの幅が、約１０μｍと１５μｍの間である、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項３２】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える電気通信システム。
【請求項３３】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備えるファイバ・チャープ・パルス増幅システム。
【請求項３４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える光パワー送達システム。
【請求項３５】
光源と、
前記光源に光学的に結合された光ファイバであって、コアおよびクラッディングを備え、前記気体を受け取るために、前記コアまたは前記コアの近傍において、１つまたは複数の穴をさらに備える、光ファイバと、
前記気体によって影響を受けた前記ファイバの前記コアから光を受光するために配置された少なくとも１つの光検出器とを備える、気体分析装置。
【請求項３６】
前記光ファイバが、フォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える、請求項３５に記載の気体分析装置。
【請求項３７】
前記コアが、約２０μｍより大きい幅を有する、請求項３６に記載の気体分析装置。
【請求項３８】
前記光ファイバが、気体が前記ファイバの前記穴の内および外に流れるのを可能にするように、開口をその側面にさらに備える、請求項３５に記載の気体分析装置。
【請求項３９】
光ビームおよび前記気体を組み合わせるように構成された少なくとも１つの光および気体マルチプレクサをさらに備える、請求項３５に記載の気体分析装置。
【請求項４０】
前記光ビームおよび前記気体を分離するように構成された少なくとも１つの光および気体デマルチプレクサをさらに備える、請求項３９に記載の気体分析装置。
【請求項４１】
ポンプ光とラーマン散乱信号光を分離するように配置された反射性狭帯域フィルタをさらに備える、請求項４０に記載の気体分析装置。
【請求項４２】
前記検出器が、前記気体を識別する、または定量化する、あるいはその両方のために、前記気体のスペクトル伝送を測定するように構成される、請求項４０に記載の気体分析装置。
【請求項４３】
前記検出器が、前記気体を識別する、または定量化する、あるいはその両方のために、ラーマン散乱信号を測定するように構成される、請求項４０に記載の気体分析装置。
【請求項４４】
前記検出器が、後方伝播ラーマン散乱信号を測定するように構成される、請求項４３に記載の気体分析装置。
【請求項４５】
前記検出器が、前方伝播ラーマン散乱信号を測定するように構成される、請求項４３に記載の気体分析装置。
【請求項４６】
フォトニック・バンドギャップ・ファイバを製造する方法であって、
中心の周りに配置された管の複数のリングを形成するように複数の管を構成することと、
開領域を提供するように、前記中心から少なくとも３つのリングを排除することと、
前記管を伸張し、それにより前記リングおよび前記開領域のサイズを低減することとを備える、方法。
【請求項４７】
管が三角形パターンにおいて構成され、前記リングが六角形である、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項４８】
前記少なくとも３つのリングを排除することが、前記中心から管の少なくとも３つのリングを除去することを備える、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項４９】
管の少なくとも４つのリングが、前記中心から排除される、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項５０】
管の少なくとも５つのリングが、前記中心から排除される、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項５１】
前記管が、前記開領域のサイズが所定のコアのサイズにほぼ等しくなるように伸張される、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項５２】
前記管が、前記開領域の幅が約１０μｍから１５μｍの間であるように伸張される、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項１】
波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、クラッディングが、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備え、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより、比ｄ／Λが約０．３より小さい、クラッディングとを備え、
前記クラッディングが、約πラジアンより小さい正規化周波数ν＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２／λを有し、前記コアが、約１００ｎｍより大きい波長伝送帯域を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２】
前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、前記平均の厚さｄの約２分の１より小さい平均の厚さδを有する、請求項１に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項３】
前記伝送帯域が、少なくとも約２００ｎｍである、請求項１に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項４】
波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、クラッディングが、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備え、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が平均の厚さｄを有する、クラッディングとを備え、
前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、約１ラジアンより小さい正規化周波数ν＝２πδ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２λを提供するように、平均の厚さδを有するコア・クラッディング境界を形成する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項５】
前記コアの幅が、λの約１０倍と１５倍の間である、請求項４に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項６】
伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
約１０μｍより大きいコアと、
前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、クラッディングが、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備え、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が、平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより、比ｄ／Λが約０．２より小さい、クラッディングとを備え、
ファイバが、前記伝送帯域の少なくとも約１００ｎｍにわたって、−約５０から５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間の分散を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項７】
前記分散が、約−２０から２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの間である、請求項６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項８】
前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、最大の厚さｄの約３分の４より小さい平均の厚さδを有する、請求項６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項９】
伝送帯域を有するフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、クラッディングが、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備え、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が平均の厚さｄおよび平均の周期Λを有し、それにより、比ｄ／Λが約０．２より小さく、前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、前記平均の厚さｄの約１．１倍より大きい厚さδを有する、クラッディングとを備え、
ファイバが、前記伝送帯域の少なくとも約２０ｎｍにわたって約−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい分散を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１０】
前記分散が、約−１００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍより小さい、請求項９に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１１】
波長λを有する光を伝播させるためのフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
前記コアの周りに配置され、屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備えるクラッディングとを備え、
前記高屈折率リング形領域が、平均の厚さｄを有し、それにより、ファイバが、約（ａ）０．５５πから０．８５π、（ｂ）１．０５πから１．７５π、または（ｃ）２．４πから２．７πの間において、正規化周波数ν＝２πｄ（ｎｈ２−ｎｌ２）１／２λに対応する波長において約１００ｄＢ／ｋｍより小さい伝送損失を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１２】
前記伝送損失が、約１．５ｄＢ／ｋｍより小さい、請求項１１に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１３】
伝送帯域を備えるフォトニック・バンドギャップ・ファイバであって、
コアと、
屈折率ｎｈを有する高屈折率材料によって画定された第１の複数のリング形領域と、屈折率ｎｌの低屈折率を有する第２の複数のリング形領域とを備える前記コアの周りに配置されたクラッディングであって、前記第１の複数の高屈折率リング形領域が、平均の厚さｄを有する、クラッディングとを備え、
前記コアに最も近い前記高屈折率リング形領域が、最大の厚さｄの約０．１倍から５倍の間の厚さδを有し、それによりファイバが、適合された波長においてゼロ分散を有する、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１４】
前記高屈折率リング形領域が、前記高屈折率材料の環状領域を備え、前記低屈折率リング形領域が、低屈折率材料の環状領域を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１５】
前記高屈折率リング形領域が、間に前記低屈折率領域を画定するように、スペーサによって間隔をおいて位置する前記高屈折率材料の環状領域を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１６】
前記低屈折率リング形領域がそれぞれ、ほぼリング形のパターンに構成された複数の別の低屈折率微細構造を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１７】
前記低屈折率微細構造が、六角形のパターンにおいて構成される、請求項１６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１８】
前記低屈折率微細構造が、円形のパターンにおいて構成される、請求項１６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項１９】
前記低屈折率微細構造が、空気または気体で充填された間隙を備える、請求項１６に記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２０】
前記高屈折率リング形領域が、ほぼ同じ厚さを有する、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２１】
前記高屈折率リング形領域が、ほぼ一定の周期を有する、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２２】
隣接する高屈折率リング形領域が、前記高屈折率材料のウエブによって接続される、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２３】
前記高屈折率リング形領域が、ほぼ同心状の円を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２４】
前記高屈折率リング形領域が、ほぼ同心状の六角形を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２５】
前記第１の複数が、５つを超える前記高屈折率リング形領域を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２６】
前記高屈折率材料が、ガラスを備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２７】
前記高屈折率材料が、融合シリカを備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２８】
低屈折率を有する前記第２の複数のリング形領域が、気体、気体の混合物、または真空を備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項２９】
低屈折率を有する前記第２の複数のリング形領域が、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、酸素、またはそれらの任意の組合せを備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項３０】
前記コアおよびクラッディングの少なくとも一方が、複屈折性を誘起するために、２重折りたたみの幾何学的形状を有する、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項３１】
前記コアの幅が、約１０μｍと１５μｍの間である、請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ。
【請求項３２】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える電気通信システム。
【請求項３３】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備えるファイバ・チャープ・パルス増幅システム。
【請求項３４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のフォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える光パワー送達システム。
【請求項３５】
光源と、
前記光源に光学的に結合された光ファイバであって、コアおよびクラッディングを備え、前記気体を受け取るために、前記コアまたは前記コアの近傍において、１つまたは複数の穴をさらに備える、光ファイバと、
前記気体によって影響を受けた前記ファイバの前記コアから光を受光するために配置された少なくとも１つの光検出器とを備える、気体分析装置。
【請求項３６】
前記光ファイバが、フォトニック・バンドギャップ・ファイバを備える、請求項３５に記載の気体分析装置。
【請求項３７】
前記コアが、約２０μｍより大きい幅を有する、請求項３６に記載の気体分析装置。
【請求項３８】
前記光ファイバが、気体が前記ファイバの前記穴の内および外に流れるのを可能にするように、開口をその側面にさらに備える、請求項３５に記載の気体分析装置。
【請求項３９】
光ビームおよび前記気体を組み合わせるように構成された少なくとも１つの光および気体マルチプレクサをさらに備える、請求項３５に記載の気体分析装置。
【請求項４０】
前記光ビームおよび前記気体を分離するように構成された少なくとも１つの光および気体デマルチプレクサをさらに備える、請求項３９に記載の気体分析装置。
【請求項４１】
ポンプ光とラーマン散乱信号光を分離するように配置された反射性狭帯域フィルタをさらに備える、請求項４０に記載の気体分析装置。
【請求項４２】
前記検出器が、前記気体を識別する、または定量化する、あるいはその両方のために、前記気体のスペクトル伝送を測定するように構成される、請求項４０に記載の気体分析装置。
【請求項４３】
前記検出器が、前記気体を識別する、または定量化する、あるいはその両方のために、ラーマン散乱信号を測定するように構成される、請求項４０に記載の気体分析装置。
【請求項４４】
前記検出器が、後方伝播ラーマン散乱信号を測定するように構成される、請求項４３に記載の気体分析装置。
【請求項４５】
前記検出器が、前方伝播ラーマン散乱信号を測定するように構成される、請求項４３に記載の気体分析装置。
【請求項４６】
フォトニック・バンドギャップ・ファイバを製造する方法であって、
中心の周りに配置された管の複数のリングを形成するように複数の管を構成することと、
開領域を提供するように、前記中心から少なくとも３つのリングを排除することと、
前記管を伸張し、それにより前記リングおよび前記開領域のサイズを低減することとを備える、方法。
【請求項４７】
管が三角形パターンにおいて構成され、前記リングが六角形である、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項４８】
前記少なくとも３つのリングを排除することが、前記中心から管の少なくとも３つのリングを除去することを備える、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項４９】
管の少なくとも４つのリングが、前記中心から排除される、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項５０】
管の少なくとも５つのリングが、前記中心から排除される、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項５１】
前記管が、前記開領域のサイズが所定のコアのサイズにほぼ等しくなるように伸張される、請求項４６に記載の気体分析装置。
【請求項５２】
前記管が、前記開領域の幅が約１０μｍから１５μｍの間であるように伸張される、請求項４６に記載の気体分析装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図３Ａ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｈ】
【図５】
【図６】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２２Ｃ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２３Ｃ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図４Ｇ】
【図７Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図３Ａ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｈ】
【図５】
【図６】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２２Ｃ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２３Ｃ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図４Ｇ】
【図７Ａ】
【公開番号】特開２０１２−８８７２０（Ｐ２０１２−８８７２０Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５９６６８（Ｐ２０１１−２５９６６８）
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【分割の表示】特願２００７−５４９６７２（Ｐ２００７−５４９６７２）の分割
【原出願日】平成１７年１２月３０日（２００５．１２．３０）
【出願人】（５９３１８５６７０）イムラ アメリカ インコーポレイテッド (65)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【分割の表示】特願２００７−５４９６７２（Ｐ２００７−５４９６７２）の分割
【原出願日】平成１７年１２月３０日（２００５．１２．３０）
【出願人】（５９３１８５６７０）イムラ アメリカ インコーポレイテッド (65)
【Ｆターム（参考）】
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