高パワー低損失ファイバ導波路
一般に１態様では本発明が、導波路軸（１９９）に沿って延びるコア（１２０）を取り囲むポリマー（１３０）およびガラス（１４０）という異なる誘電材料（１３０、１４０）の互層からなる高パワー低損失ファイバ導波路（１００）を含む物品を特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００２年１２月１０日に出願された米国特許仮出願第６０／４３２０５９号の優先権を主張するものである。上記出願の内容は本願明細書に援用される。
本発明はファイバ導波路および導波路を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
導波路は数多くの産業で重要な役割を演じている。例えば光導波路は電気通信網で広く使用されており、このような電気通信網では、異なる位置と位置との間で情報を光信号として伝えるために、光ファイバなどのファイバ導波路が使用されている。このような導波路は光信号を、好ましい１つ以上の経路に沿った伝搬に実質的に限定する。光導波路の他の用途には、内視鏡、光検出応用などの撮像の用途が含まれる。
【０００３】
最も一般的なタイプのファイバ導波路は、屈折率による導光を利用して光信号を好ましい経路に限定する光ファイバである。このようなファイバは、導波路軸に沿って延びるコア領域と、導波路軸を中心にコアを取り囲み、コア領域の屈折率よりも小さな屈折率を有するクラッド領域とを含む。この屈折率差のため、相対的に屈折率の高いコアの中を実質的に導波路軸に沿って伝搬する光線は、コア−クラッド界面で全反射（ＴＩＲ）を受け得る。その結果、光ファイバは、１つ以上の電磁（ＥＭ）放射モードを、コアの中を導波路軸に沿って伝搬するように導く。このような導波モードの数はコア径の増大とともに増加する。特に屈折率による導光機構は、導波路軸に平行な所与の波ベクトルに対する最低周波数導波モードよりも下の一切のクラッド・モードの存在を排除する。商業的に使用されている屈折率によってガイドされたほとんど全ての光ファイバは、屈折率差を生み出しコア−クラッド界面を生じさせるためにコアまたはクラッドあるいはその両方に不純物が添加されたシリカ・ベースのファイバである。例えば一般に使用されているシリカ光ファイバの屈折率は約１．４５、屈折率差は、１．５ミクロンの範囲の波長に対して用途により約０．２％から３％である。
【０００４】
プリフォームからファイバを線引きする方法は、ファイバ導波路を製造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、所望のファイバの正確な形状および組成を有する短い（例えば長さ２５から５０ｃｍ（１０から２０インチ）の）棒である。しかし、プリフォームの直径はファイバの直径よりもはるかに大きい（例えば１００倍から１０００倍）。一般に、光ファイバを線引きするとき、プリフォームの材料組成は、コアの屈折率をクラッドの屈折率よりも大きくするために、プリフォームのコアに添加されたさまざまな濃度の１種または数種のドーパントを有する単一のガラスからなる。このことは、コアおよびクラッドを形成している材料がレオロジー的、化学的に同じように線引きされることを保証し、同時に、コア内での導波モードをサポートするのに十分な屈折率差を提供する。プリフォームからファイバを形成するためには、炉の中でプリフォームを、ガラスの粘度が、プリフォームからファイバを線引きできる十分に低い粘度（例えば１０８ポアズ未満）となる温度まで加熱する。線引きすると、プリフォームは、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なる。ファイバの直径は、ファイバの特定のレオロジー的特性および線引き速度によって決まる。
【０００５】
プリフォームは、化学蒸着（ＭＣＶＤ）、外付け蒸着（ＯＶＤ）、プラズマ活性化化学蒸着（ＰＣＶＤ）および軸付け蒸着（ＶＡＤ）を含む当業者に周知の多くの技法を使用して製造され得る。これらの方法はそれぞれ一般に、事前に製作しておいた管または棒の壁に気化させた原料の層をすすの形で付着させることを含む。付着の直後にそれぞれのすす層は融合する。これによってプリフォーム管を得、続いてこれをつぶして中実の棒とし、
外側を覆い、次いで線引きしてファイバにする。
【０００６】
光ファイバの用途は波長および信号電力によって制限される。ファイバは、導かれる波長でのエネルギー吸収が小さい材料から形成され、欠陥が最小限であることが好ましい。吸収が大きい場合には、長いファイバ上での伝送の間に、信号強度をノイズと区別がつかないレベルにまで低減する可能性がある。比較的に吸収の小さい材料であっても、コアおよび／またはクラッドによる吸収によってファイバが加熱される。欠陥によって、導かれた放射がコアの外に散乱する可能性があり、これによってファイバが加熱する可能性もある。あるパワー密度を超えると、この加熱は、修復できないほどの損傷をファイバに与える。したがって高パワー放射源を利用する多くの用途は、放射源からその目的地へ放射を導くのに光ファイバ以外の装置を使用する。
【０００７】
ある態様では本発明は、ポリマー部分およびガラス部分（例えばカルコゲン・ガラス部分）を含むフォトニック結晶導波路（例えばブラッグ・ファイバ）を特徴とする。いくつかの実施形態ではこのフォトニック結晶導波路は中空コアを含む。ポリマーとガラスからなる複数の互層（例えば渦巻形に巻かれた連続するポリマー層と連続するガラス層）によって確定されたフォトニック・バンドギャップによって、中空コアの中に放射が閉じ込められる。一般に、ガラスの層は高い屈折率を有し、ポリマー層は低い屈折率を有する。互層の光学的厚さによって基本および高次スペクトル透過窓が決定され、可視放射（例えば波長０．３５から０．７５ミクロンを有する放射）から赤外放射（例えば波長０．７５から約１５ミクロンまたはそれ以上の放射）にスケーリングすることが可能である。
【０００８】
本発明はさらに、ファイバ・フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法を特徴とする。ポリマー基板をガラスの層でコーティングして平面多層フィルムを形成する。次いでこの多層フィルムを丸めて、渦巻線断面を有する中空多層管を得る。続いてこの中空管を加熱によって合着して、渦巻層を融合させ、中空ファイバ・プリフォームを得る。これを線引きしてファイバ導波路とする。
【０００９】
フォトニック結晶導波路の異なる部分間の屈折率差が大きくなるように材料を選択することが可能である。屈折率差を大きくすることによって、大きなフォトニック・バンドギャップおよび全方向性反射能を有するファイバを提供することができる。フォトニック・バンドギャップが大きいと、導波路のコアを取り囲む部分への侵入深度が浅くなり、ファイバによって導かれる放射の放射損および吸収損が低減する。
【００１０】
ファイバ材料の熱機械的、レオロジー的および物理化学的特性が両立するときに光学的に異なるファイバ材料を一緒に線引きすると、欠陥密度の小さいファイバを得ることができる。したがってある態様では本発明が、一緒に線引きすることが可能なガラスとポリマーの組合せ、ならびに一緒に線引きすることが可能なガラスとポリマーを選択する基準を特徴とする。
【００１１】
低損失、低欠陥密度のファイバを使用して、ファイバにほとんど損傷を与えることなく高パワー放射を導くことが可能である。
一般に第１の態様では本発明が、多層構造を丸めて渦巻構造にしてファイバ導波路を形成することを含み、ファイバ導波路を形成することは、渦巻構造から得られたファイバ・プリフォームを線引きする方法を特徴とする。
【００１２】
この方法の実施形態は、以下の特徴および／または他の態様の特徴のうちの１つ以上の特徴を含み得る。
この多層構造は、異なる屈折率を有する材料からなる少なくとも２つの層を含み得る。これらの層は、第１の材料の層と、この第１の材料層を間にはさむ一対の第２の材料の層
とを含み得る。これらの層を実質的に平らな層とすることが可能である。これらの異なる材料は、ガラスを含む第１の材料と、ポリマーを含む第２の材料とを含み得る。いくつかの実施形態では、異なる材料が高屈折率材料および低屈折率材料を含み、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比が１．５よりも大きい（例えば１．８よりも大きい）。
【００１３】
この方法はさらに、少なくとも第１の材料（例えばカルコゲン・ガラスなどのガラス）の第１の層を、第１の材料のそれとは異なる第２の材料（例えばＰＥＳ、ＰＥＩなどのポリマー）の第２の層上に配置して、多層構造を形成することを含み得る。第１の材料は、第２の層の両面に配置することができる。この配置はスパッタリングまたは蒸着からなり得る。第１および第２の層上に追加の層を配置して多層物品を形成することが可能である。
【００１４】
この多層構造を棒（例えば中空棒）に巻き付けて、渦巻構造を形成し得る。この方法は、渦巻構造を合着してプリフォームを形成し得る。合着は、渦巻構造を加熱することを含む。いくつかの実施形態では合着が、真空条件下で渦巻構造を加熱することを含む。この方法は、線引きの前にプリフォームから棒を（例えば化学エッチングによって）取り去ることを含む。
【００１５】
この渦巻構造は、多層構造の互層によって取り囲まれたコアを含み得る。このファイバ導波路は、多層構造に対応する複数の層によって取り囲まれた中空コアを含み得る。
一般に他の態様では本発明が、導波路軸に沿って延びるコアを取り囲む異なる材料の互層を含むファイバ導波路を含み、互層が渦巻構造を画定する物品を特徴とする。
【００１６】
この物品の実施形態は、以下の特徴および／または他の態様の特徴のうちの１つ以上の特徴を含み得る。
この渦巻構造は、コアを複数回取り巻く異なる材料の少なくとも２つの層を含む多層構造を含み得る。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比が１．５よりも大きい（例えば１．８よりも大きい）。これらの異なる材料は、ポリマー（例えばＰＥＳ）およびカルコゲン・ガラス（例えばＡｓ２Ｓｅ３）を含み得る。
【００１７】
互層の最も内側の層は、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有することができる。互層の厚さは、約８〜１２ミクロンの範囲の波長（例えば波長約１０．６ミクロン）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導くように選択することが可能である。いくつかの実施形態では互層の厚さが、約２〜５ミクロンの範囲の波長のＥＭ放射を導波路軸に沿って導くように選択される。
【００１８】
コアは中空とすることが可能である。まっすぐなファイバについて、このファイバ導波路は、選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）で約１ｄＢ／ｍよりも小さな伝送損を示すことが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約１０．６ミクロンである。
【００１９】
約４〜１０ｃｍの範囲の任意の曲げ半径で９０度曲げたときに、ファイバ導波路は、選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）で約１．５ｄＢよりも小さな伝送損を示すことが可能である。
【００２０】
このファイバ導波路は、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約１
０．６ミクロンである。ファイバ導波路が少なくとも０．３ｍの曲げ長さで滑らかに９０度に曲げられているときでも、このファイバ導波路は、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。
【００２１】
このファイバ導波路は、約２５Ｗ以上のパワーの選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約１０．６ミクロンである。
【００２２】
一般に他の態様では本発明が、導波路軸に沿って延びるコアを取り囲むポリマーおよびガラスを含む異なる誘電材料の互層を含む高パワー低損失ファイバ導波路を含む物品を特徴とする。
【００２３】
この物品の実施形態は、以下の特徴および／または他の態様の特徴のうちの１つ以上の特徴を含み得る。
互層は渦巻構造を画定することが可能である。渦巻構造は、コアを複数回取り巻く異なる材料の少なくとも２つの層からなる多層構造を含み得る。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比は１．５よりも大きい。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比は１．８よりも大きい。ガラスはカルコゲン・ガラス（例えばＡｓ２Ｓｅ３）を含み得る。ポリマーはＰＥＳまたはＰＥＩを含み得る。互層の最も内側の層は、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有することが可能である。互層の厚さは、約８〜１２ミクロンの範囲の波長（例えば波長約１０．６ミクロン）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導くように選択することが可能である。いくつかの実施形態では互層の厚さが、約２〜５ミクロンの範囲の波長のＥＭ放射を導波路軸に沿って導くように選択される。
【００２４】
コアは中空でもよい。
まっすぐなファイバ導波路について、このファイバ導波路は、選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）で約１ｄＢ／ｍよりも小さな伝送損を示すことが可能である。この選択された波長を約１０．６ミクロンとすることが可能である。
【００２５】
約４〜１０ｃｍの範囲の任意の曲げ半径で９０度曲げたときに、ファイバ導波路は、選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）で約１．５ｄＢよりも小さな伝送損を示すことが可能である。この選択された波長を約１０．６ミクロンとすることが可能である。
【００２６】
このファイバ導波路は、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。この選択された波長を約１０．６ミクロンとすることが可能である。
【００２７】
ファイバ導波路が少なくとも０．３ｍの曲げ長さで滑らかに９０度に曲げられているときでも、このファイバ導波路は、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。
【００２８】
このファイバ導波路は、約２５Ｗ以上のパワーの選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有す
ることが可能である。この選択された波長を約１０．６ミクロンとすることが可能である。
【００２９】
本発明の実施形態は以下の１つ以上の利点を有することができる。
フォトニック結晶ファイバ導波路は、まっすぐなファイバと曲がったファイバの両方で低い伝送損を有することが可能である。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して高パワーＥＭ放射を導くことができる。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、高パワー密度を有するＥＭ放射を導くことが可能である。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、ＩＲ波長（例えば波長０．７５から約１２ミクロンまたはそれ以上）のＥＭ放射を導くことができる。
【００３０】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細が、添付図面および以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的および利点は、以下の説明および図面ならびに請求項から明らかとなろう。
【００３１】
図面の同じ符号は同じ要素を指す。
【特許文献１】米国特許出願第１０／１２１４５２号
【特許文献２】米国特許第６１３０７８０号
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１Ａを参照すると、フォトニック結晶ファイバ導波路１００は、導波路軸に沿って延びるコア１２０と、コアを取り囲む誘電閉じ込め領域１１０（例えば高屈折率層と低屈折率層の互層）とを含む。閉じ込め領域１１０は、閉じ込め領域に機械的支持を提供する支持層１５０によって取り囲まれている。
【００３３】
閉じ込め領域１１０は、異なる屈折率を有する誘電材料（例えばポリマー、ガラス）の連続層１３０および１４０を含み、それに対して他の実施形態では、閉じ込め領域を形成する同心の複数の不連続層を含む。連続層１３０および１４０は、それに沿ってフォトニック結晶ファイバ導波路が電磁放射を導く軸１９９を中心とした渦巻線を形成する。一方の層、例えば層１４０は屈折率ｎＨ、厚さｄＨの高屈折率層であり、層、例えば層１３０は屈折率ｎＬ、厚さｄＬの低屈折率層である。ただしｎＨ＞ｎＬ（ｎＨ−ｎＬは例えば０．０１以上、０．０５以上、０．１以上、０．２以上、０．５以上とすることが可能である）。層１３０および１４０は軸１９９を中心に渦巻線を描くので、軸１９９から延びる半径方向の断面１６０はそれぞれの層と２回以上交差し、高屈折率層と低屈折率層の互層を含む半径方向プロファイルを提供する。
【００３４】
図１Ｂを参照すると、渦巻線を描くこれらの層は光学的に、層１３０および層１４０の光学的厚さに対応する周期を有する、半径方向断面１６０に沿った周期的な屈折率変動を提供する。すなわち、閉じ込め領域１１０は２重層光学周期ｎＨｄＨ＋ｎＬｄＬを有する。「Ｒ」は軸１９９から測った半径方向の位置を指す。
【００３５】
層１３０および１４０の厚さ（ｄＨおよびｄＬ）および光学的厚さ（ｎＨｄＨおよびｎＬｄＬ）は変更することが可能である。いくつかの実施形態では、層１３０の光学的厚さと層１４０の光学的厚さが同じである。層の厚さは通常、ファイバの所望の光学性能に基づいて（例えば導波する波長に従って）選択される。層の厚さと光学性能との間の関係については後に論じる。層の厚さは一般にサブミクロン・サイズから数十ミクロンである。例えば、層１３０および１４０の厚さを約０．１μｍから２０μｍ（例えば約０．５から５μｍ）とすることが可能である。
【００３６】
図１Ａに示した実施形態では、閉じ込め領域１１０の厚さが２重層として５つ分である
。しかし実際には、閉じ込め領域１１０がそれよりも多くの２重層（例えば２重層として約８個分超、１０個分超、１５個分超、２０個分超、２５個分超、例えば４０個分以上）を含むことができる。
【００３７】
層１４０は、カルコゲン・ガラスなど屈折率の高い材料を含む。層１３０は、層１４０の高屈折率材料よりも屈折率が低い材料からなり、一般に機械的に柔軟である。例えば層１３０はしばしばポリマーからなる。層１３０および層１４０を形成する材料は一緒に線引きすることが可能な材料であることが好ましい。一緒に線引きすることが可能な材料を選択する基準については以下で論じる。
【００３８】
この実施形態ではコア１２０が中空である。任意選択で、気体（例えば空気、窒素および／または希ガス）、液体（例えば等方性液体または液晶）などの流体を中空コアに満たすことが可能である。あるいはコア１２０が、閉じ込め領域１１０を形成する材料とレオロジー的に両立する任意の材料または材料の組合せからなることも可能である。ある実施形態ではコア１２０が、本願明細書に援用する２００２年４月１２日に出願され、現在、公告番号ＵＳ−２００３−００４４１５８−Ａ１として公告されている「ＨＩＧＨ ＩＮＤＥＸ−ＣＯＮＴＲＡＳＴ ＦＩＢＥＲ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」という名称の米国特許出願第１０／１２１４５２号に記載されている材料などの、１種または数種のドーパント材料を含む。
【００３９】
コアおよび閉じ込め領域１２０および１１０は、異なる屈折率を有する複数の誘電材料を含むことができる。このような場合には、所与の領域の「平均屈折率」を考えることができる。これは、その領域の諸成分の重み付けされた屈折率の和を表し、それぞれの屈折率は、その領域内でその成分が占める面積によって重み付けされている。しかし、層１３０と１４０の間の境界は屈折率の変化によって画定される。この変化は、２種類の異なる誘電材料の界面によって、または同じ誘電材料内の異なるドーパント濃度（例えばシリカ内の異なるドーパント濃度）によって生じさせることができる。
【００４０】
誘電閉じ込め領域１１０は、第１の波長範囲に含まれるＥＭ放射が誘電コア１２０の中を導波路軸１９９に沿って伝搬するように導く。閉じ込め機構は、第１の波長範囲を含むバンドギャップを形成する領域１１０のフォトニック結晶構造に基づく。この閉じ込め機構は屈折率カイド型ではないので、コアの屈折率が、コアに隣接した閉じ込め領域の屈折率よりも高い必要はない。反対に、コア１２０の平均屈折率を、閉じ込め領域１１０の平均屈折率よりも低くすることもできる。例えばコア１２０を空気、他の気体、例えば窒素、または実質的に真空にすることができる。このような場合、このコアの中を導かれるＥＭ放射は、多くの気体がシリカまたは他のこのような固体材料よりも小さな吸収および非線形相互作用定数を有することを反映して、シリカ・コアの中を導かれるＥＭ放射よりもはるかに小さい損失およびはるかに小さい非線形相互作用を有する。追加の実施形態では例えば、周囲の閉じ込め領域の構造的な支持となり、その一方で空気を主とするコアを画定する多孔質誘電材料をコア１２０が含む。したがってコア１２０は均一な屈折率プロファイルを有する必要がない。
【００４１】
閉じ込め領域１１０の層１３０と１４０はブラッグ・ファイバ（Ｂｒａｇｇ ｆｉｂｅｒ）として知られているファイバを形成する。渦巻線形に巻かれたこれらの層の周期的な光学構造は、（ブラッグ・ミラーとしても知られている）平面誘電スタック反射器の互層に似ている。閉じ込め領域１１０の層および誘電スタック反射器の平らな互層はともに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は、ジョン Ｄ．ジョナポラス（Ｊｏｈｎ Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ）他著「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」（プリンストン・ユニバーシティ・プレス（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ）、米ニュージャージー州プリンストン（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ）、１９９
５年）に全般的に説明されている。
【００４２】
本願明細書で使用するとき、フォトニック結晶は、フォトニック結晶中にフォトニック・バンドギャップを生み出す屈折率変調を有する誘電体構造である。本願明細書で使用するフォトニック・バンドギャップは、誘電体構造中にアクセス可能な拡張された（すなわち伝搬、非局在化）状態がない波長（または逆数をとれば周波数）範囲である。一般に、この構造は周期的な誘電体構造だが、例えばより複雑な「準結晶」を含むこともできる。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って、このバンドギャップを使用して、光を閉じ込め、導き、かつ／または局在化することが可能である。さらに、このギャップの上下の波長には、アクセス可能な拡張状態が存在し、低屈折率領域にも光を閉じ込めることができる（先に説明したものなどの屈折率ガイドされたＴＩＲ構造とは対照的である）。用語「アクセス可能な」状態は、系のある対称性または保存則によって結合が禁止されない状態を意味する。例えば２次元系では、偏光が保存され、そのため同様の偏光の状態だけをバンドギャップから排除すればよい。（一般的なファイバなどの）均一な断面を有する導波路では、波数ベクトルβが保存され、そのためフォトニック結晶導波モードをサポートするためには、所与のβを有する状態だけをバンドギャップから排除すればよい。さらに、円柱対称性を有する導波路では、「角運動量」インデックスｍが保存され、そのため同じｍを有するモードだけをバンドギャップから排除すればよい。要するに、高対称系では、対称性に関係なく全ての状態が排除される完全なバンドギャップに比べてフォトニック・バンドギャップに対する要件がかなり緩和される。
【００４３】
したがって、ＥＭ放射はこの誘電スタック反射器の中を伝搬し得ないので、フォトニック・バンドギャップにおいてこの誘電スタック反射器の反射性は高い。同様に、閉じ込め領域１１０の層は、バンドギャップの入射光線に対する反射性が高いので、この層は閉じ込めを提供する。厳密に言えば、フォトニック結晶がバンドギャップで完全に反射性であるのは、フォトニック結晶内の屈折率変調が無限の広がりを有するときだけである。そうでない場合には、フォトニック結晶の両側の伝搬モードを結合する一過性モードを通して入射放射がフォトニック結晶を「トンネル」することが可能である。しかし実際には、このようなトンネリングのレートは、フォトニック結晶の厚さ（例えば互層の数）とともに指数関数的に低下する。これはさらに、閉じ込め領域の屈折率差の大きさとともに低下する。
【００４４】
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に小さな領域の上でだけ広がることができる。例えば、誘電スタックは垂直入射光線に対する反射性は高いが、斜めに入射した光線に対する反射性は部分的でしかない。「完全フォトニック・バンドギャップ」は、全ての可能な波数ベクトルおよび全ての偏光の上に及ぶバンドギャップである。一般に、完全フォトニック・バンドギャップは、３つの次元に沿った屈折率変調を有するフォトニック結晶とだけ関連している。しかし、隣接する誘電材料からフォトニック結晶に入射するＥＭ放射の文脈では、隣接する誘電材料が伝搬ＥＭモードをサポートする全ての可能な波数ベクトルおよび偏光に対するフォトニック・バンドギャップである「全方向性フォトニック・バンドギャップ」を定義することが可能である。同じ意味で、全方向性フォトニック・バンドギャップを、ライト・ライン（ｌｉｇｈｔ ｌｉｎｅ）よりも上の全てのＥＭモードに対するフォトニック・バンドギャップと定義することも可能である。このライト・ラインは、フォトニック結晶に隣接する材料によってサポートされた最低周波数伝搬モードを定義する。例えば空気中ではライト・ラインがおおよそω＝ｃβによって与えられる。上式でωは放射の角周波数、βは波数ベクトル、ｃは光速である。全方向性平面反射器の説明が、本願明細書に援用する米国特許第６１３０７８０号に開示されている。さらに、誘電体の互層を使用して、円柱形の導波路幾何形状に（平面限界の）全方向反射を提供することが、本願明細書に援用する「ＯＭＮＩＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ
ＭＵＬＴＩＬＡＹＥＲ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＩＮＧ」という名称のヨエル・フィンク（Ｙｏｅｌ Ｆｉｎｋ）他の米国特許第６４６３２００号に開示されている。
【００４５】
閉じ込め領域１１０の互層１３０および１４０がコア１２０に関して全方向バンドギャップを生み出すとき、コアから閉じ込め領域に入射するＥＭ放射は原理上完全に反射されるので、導波モードは強く閉じ込められる。しかし、このような完全な反射が起こるのは層の数が無限であるときだけである。層の数が有限（例えば２重層として約１０個）のときには、全方向フォトニック・バンドギャップは例えば、０°から８０°までの全ての入射角および全方向バンドギャップに周波数を有するＥＭ放射の全ての偏光に対して、平面幾何形状で少なくとも９５％の反射に対応する。さらに、フォトニック結晶ファイバ導波路１００が、全方向性でないバンドギャップを有する閉じ込め領域を有するときであっても、この導波路は依然として強い導波モード、例えばバンドギャップの周波数範囲について０．１ｄＢ／ｋｍ未満の放射損を有するモードをサポートする。一般に、バンドギャップが全方向性であるか否かは、互層によって生み出されるバンドギャップのサイズ（一般に２つの層の屈折率差とともに変化する）およびフォトニック結晶の屈折率が最も小さい成分によって決まる。
【００４６】
ブラッグ構成に似た構成では、高屈折率層の屈折率および厚さを変更することができ、かつ／または低屈折率層の屈折率および厚さを変更することができる。閉じ込め領域はさらに、１周期当たり３つ以上の層（例えば１周期当たり３つまたはそれ以上の層）を含む周期構造を含むことができる。さらに、屈折率変調はファイバ半径の関数として閉じ込め領域の中で連続的にまたは不連続的に変更することができる。一般に、閉じ込め領域は、フォトニック・バンドギャップを生み出す任意の屈折率変調に基づくことができる。
【００４７】
多層構造１１０は半径方向の軸に関して周期的な屈折率変動を有するため、この実施形態では多層構造１１０がブラッグ反射器を形成する。適当な屈折率変動は約１／４波長条件である。垂直入射では、それぞれの層が等しい光学的厚さλ／４を有し、または同じことだがｄＨ／ｄＬ＝ｎＬ／ｎＨである「１／４波長」スタックに対して最大バンドギャップが得られることがよく知られている。ｄおよびｎは高屈折率および低屈折率層の厚さおよび屈折率を指す。これらはそれぞれ層２４０および２３０に対応する。垂直入射はβ＝０に対応する。円柱形導波路では、所望のモードが一般にライト・ラインω＝ｃβの近くにある（大きなコア半径限界では、最も低い次数のモードが実質上、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、１／４波長条件は下式のようになる。
【００４８】
【数１】
【００４９】
この１／４波長条件は円柱形幾何形状によって修正されるため、厳密に言えば、この式は必ずしも最適ではない。円柱形幾何形状では、それぞれの層の光学的厚さがその半径方向の座標とともに滑らかに変化する必要がある。それにもかかわらずこの式は、特に中央バンドギャップ波長よりも大きなコア半径に対して、多くの望ましい特性を最適化するための優れた指針となることが分かっている。
【００５０】
フォトニック結晶ファイバ導波路のいくつかの実施形態が、２００２年１月２５日に出願され、現在、公告番号ＵＳ−２００２−０１６４１３７−Ａ１として公告されている本
願明細書に援用するスティーブン Ｇ．ジョンソン（Ｓｔｅｖｅｎ Ｇ．Ｊｏｈｎｓｏｎ）他の「ＬＯＷ−ＬＯＳＳ ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＣＲＹＳＴＡＬ ＦＩＢＥＲ ＨＡＶＩＮＧ ＬＡＲＧＥ ＣＯＲＥ ＲＡＤＩＵＳ」という名称の米国特許出願第１０／０５７２５８号に記載されている。
【００５１】
コア１２０の半径は、ファイバ１２０の最終用途に応じて変更できる。コアの半径は、ファイバによって導波されるエネルギーの波長または波長範囲によって、およびファイバがシングル・モード・ファイバなのかまたはマルチモード・ファイバなのかによって変わってくる。例えばファイバが可視波長（例えば波長約４００ｎｍから８００ｎｍ）を導くシングル・モード・ファイバである場合には、コア半径は、サブミクロンから数ミクロン程度（例えば約０．５μｍから５μｍ）となる。しかしファイバがＩＲ波長（約２μｍから１５μｍ、例えば１０．６μｍ）を導くマルチモード・ファイバである場合には、コア半径は、数十から数千ミクロン程度（例えば約１０μｍから２，０００μｍ、例えば５００μｍから１，０００μｍ）となる。コア半径は約５λ超（例えば約１０λ超、２０λ超、３０λ超、５０λ超、１００λ超）である。ただしλは導かれるエネルギーの波長である。
【００５２】
以前に論じたとおり、支持層１５０は閉じ込め領域１１０に機械的支持を提供する。支持層１５０の厚さは希望に応じて変更することが可能である。いくつかの実施形態では、支持層１５０が閉じ込め領域１１０よりもかなり厚い。例えば支持層１５０の厚さを、閉じ込め領域１１０の厚さの約１０倍以上（例えば２０倍超、３０倍超、５０倍超）とすることが可能である。
【００５３】
支持層１５０の組成は通常、閉じ込め領域１１０に対して所望の機械的支持および保護が提供されるように選択される。多くの実施形態では、支持層１５０が、閉じ込め領域１１０と一緒に線引きすることが可能な材料から形成される。一緒に線引きするのに適した材料を選択するための基準については後に論じる。いくつかの実施形態では、閉じ込め領域１１０の形成に使用される材料と同じ材料から支持層を形成する。例えば、層１３０がポリマーから形成される場合、支持層１５０を同じポリマーから形成することが可能である。
【００５４】
次に、閉じ込め領域１１０の層１３０および１４０の組成について説明する。高屈折率部分（例えば層１４０）を形成するのに適当な高さの屈折率を有する材料には、カルコゲン・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んだガラス）、重金属酸化物ガラス、アモルファス合金およびこれらの組合せが含まれる。
【００５５】
カルコゲン元素の他に、カルコゲン・ガラスは以下の１つ以上の元素を含むことができる：ホウ素、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、ガリウム、ゲルマニウム、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、臭化物、ヨウ素）。
【００５６】
カルコゲン・ガラスは２成分または３成分ガラス、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、あるいはこれらの元素に基づくＡｓ−Ｇａ−Ｇｅ−Ｓ、Ｐｂ−Ｇａ−Ｇｅ−Ｓなどの複合多成分ガラスとすることが可能である。カルコゲン・ガラスの中のそれぞれの元素の比率は変更可能である。適当な高さの屈折率を有するカルコゲン・ガラスは例えば、ヒ素５〜３０モル％、ゲルマニウム２０〜４０モル％、セレン３０〜６０モル％から形成される。
【００５７】
高屈折率を有する重金属酸化物ガラスの例には、Ｂｉ２Ｏ３含有ガラス、ＰｂＯ含有ガラス、Ｔｌ２Ｏ３含有ガラス、Ｔａ２Ｏ３含有ガラス、ＴｉＯ２含有ガラスおよびＴｅＯ２含有ガラスが含まれる。
【００５８】
適当な高さの屈折率を有するアモルファス合金には、Ａｌ−Ｔｅ、Ｒ−Ｔｅ（Ｓｅ）が含まれる（Ｒ＝アルカリ）。
低屈折率部分（例えば層１３０）を形成するのに適当な低さの屈折率を有する材料には、酸化物ガラス、ハロゲン化物ガラス、ポリマーおよびこれらの組合せが含まれる。炭酸エステル（例えばポリカーボネート（ＰＣ））、スルホン（例えばポリ（エーテルスルホン）（ＰＥＳ））、エーテルイミド（例えばポリ（エーテルイミド）（ＰＥＩ））、およびアクリル酸エステル（例えばポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ））類のポリマー、ならびにフルオロポリマーを含むポリマーも釣り合いのよい候補である。
【００５９】
適当な酸化物ガラスには例えば、以下の１種または数種の化合物を含むガラスが含まれる：Ｍ２Ｏ ０〜４０モル％（ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓ）；Ｍ’Ｏ ０〜４０モル％（Ｍ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、ＺｎまたはＰｂ）；Ｍ”２Ｏ３ ０〜４０モル％（Ｍ”はＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＳｎまたはＢｉ）；Ｐ２Ｏ５ ０〜６０モル％；およびＳｉＯ２ ０〜４０モル％。
【００６０】
フォトニック結晶ファイバ導波路の部分は任意選択で他の材料を含み得る。例えば、任意の部分が、自体の屈折率を変化させる１種または数種の材料を含み得る。部分は、自体の屈折率を増大させる材料を含み得る。このような材料には例えば、ホウケイ酸ガラスを含んでいる部分の屈折率を増大させる酸化ゲルマニウムが含まれる。あるいは、部分は、自体の屈折率を低下させる材料を含むことも可能である。例えば酸化ホウ素は、ホウケイ酸ガラスを含んでいる部分の屈折率を低下させる。
【００６１】
高屈折率差ファイバ導波路の部分は均質または不均質とすることが可能である。例えば、１つ以上の部分が、不均質部分を形成するためにホスト材料に埋め込まれた１種類の材料のナノ粒子（例えば導波波長の光の散乱を最小限に抑える十分に小さな粒子）を含み得る。この１例が、高屈折率カルコゲン・ガラスのナノ粒子をポリマー・ホストの中に埋め込むことによって形成された高屈折率ポリマー複合材料である。他の例には、無機ガラス・マトリックス中のＣｄＳｅおよび／またはＰｂＳｅナノ粒子などがある。
【００６２】
ファイバ導波路の部分は、自体の機械的、レオロジー的および／または熱力学的ふるまいを変化させる材料を含み得る。例えば、１つ以上の部分が可塑剤を含み得る。部分は、結晶化またはファイバ内での他の望ましくない相的ふるまいを抑え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）を含めることによって抑えることができる。他の例として、ガラス・セラミック材料が望ましい場合には、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などの核生成剤を材料に含めることが可能である。
【００６３】
部分はさらに、ファイバの隣接する部分間（例えば低屈折率層と高屈折率層の間）の界面に影響を及ぼすように設計された化合物を含み得る。このような化合物には接着促進剤、相溶化剤などがある。例えば、シリカ・ベースのガラス部分とポリマー部分の間の接着を促進するためにオルガノシラン化合物を使用することが可能である。例えば、リンまたはＰ２Ｏ５は、カルコゲニド・ガラスと酸化物ガラスの両方と両立し、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。
【００６４】
ファイバ導波路は、特定のファイバ導波路応用に固有の追加の材料を含むことができる。例えばファイバ増幅器では、ファイバ内の光信号と相互作用してファイバによる１つ以
上の光波長の吸収または発光を増強する能力を有する任意のドーパントまたはドーパントの組合せ、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・イオンなどの少なくとも１種の希土類イオンから任意の部分を形成することが可能である。
【００６５】
高屈折率差導波路の部分は、１種または数種の非線形材料を含み得る。非線形材料は、導波路の非線形応答を増強する材料である。具体的には非線形材料はシリカよりも大きな非線形応答を有する。例えば非線形材料は、シリカのカー非線形インデックス（Ｋｅｒｒ
ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｉｎｄｅｘ）よりも大きい（すなわち３．５×１０−２０ｍ２／Ｗ超、例えば５×１０−２０ｍ２／Ｗ超、１０×１０−２０ｍ２／Ｗ超、２０×１０−２０ｍ２／Ｗ超、１００×１０−２０ｍ２／Ｗ超、２００×１０−２０ｍ２／Ｗ超の）カー非線形インデックスｎ（２）を有する。
【００６６】
線引き工程を使用して頑丈なファイバ導波路を製造するときには、所望の光学特性を有する材料の組合せの全てが適当というわけではない。一般に、レオロジー的、熱機械的および物理化学的に両立する材料を選択しなければならない。両立する材料を選択するためのいくつかの基準について次に論じる。
【００６７】
第１の基準は、レオロジー的に両立する材料を選択することである。言い換えると、ファイバの線引きおよび動作のさまざまな段階で遭遇する温度に対応する幅広い温度範囲にわたって同様の粘度を有する材料を選択しなければならない。粘度は、加えられたせん断応力下での流動に対する流体の抵抗である。本願明細書ではポアズを単位として粘度を表す。レオロジー的両立性に関して詳しく述べる前に、所与の材料に対する一組の特性温度を定義しておくことは有用である。この特性温度は所与の材料が特定の粘度を有する温度である。
【００６８】
焼なまし点Ｔａは、材料の粘度が１０１３ポアズとなる温度である。Ｔａは、オートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ ＳＰ−２Ａ Ｓｙｓｔｅｍを使用して測定することが可能である。Ｔａは一般に、ガラス片の粘度が残留応力の解放を許す十分に低い粘度になる温度である。
【００６９】
軟化点Ｔｓは、材料の粘度が１０７．６５ポアズとなる温度である。Ｔｓは、軟化点計測器、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ ＳＰ−３Ａを使用して測定することが可能である。軟化点は、材料の流動の性質が可塑性から粘性に変化する温度に関係する。
【００７０】
加工点Ｔｗは、材料の粘度が１０４ポアズとなる温度である。Ｔｗは、ガラス粘度計、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ ＳＰ−４Ａを使用して測定することが可能である。加工点は、ガラスを容易にファイバに線引きすることが可能な温度に関係する。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、材料の加工点温度が２５０℃超、例えば約３００℃，４００℃、５００℃またはそれ以上であり得る。
【００７１】
融点Ｔｍは、材料の粘度が１０２ポアズとなる温度である。Ｔｍも、ガラス粘度計、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ ＳＰ−４Ａを使用して測定することが可能である。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の線引き工程の制御が非常に難しくなる温度に関係する。
【００７２】
レオロジー的に両立するためには、幅広い温度範囲、例えばファイバを線引きする温度から、ファイバが識別可能な速度では応力をもはや解放し得ない温度（例えばＴａ）までの温度範囲にわたって、２種類の材料が同様の粘度を有していなければならない。したがって、線引きされたときにこの２種類の材料が似通った速度で流動するように、両立する２種類の材料の加工温度は同様でなければならない。例えば、第１の材料の粘度η１（Ｔ）を第２の材料の加工温度Ｔｗ２で測定した場合、η１（Ｔｗ２）は少なくとも１０３ポアズ、例えば１０４ポアズまたは１０５ポアズであり、かつ１０６ポアズ以下でなければならない。さらに、線引きしたファイバが冷却するにつれて、両方の材料のふるまいは同様の温度で粘性から弾性に変化しなければならない。言い換えると、この２種類の材料の軟化温度は同様でなければならない。例えば、第２の材料の軟化温度Ｔｓ２で、第１の材料の粘度η１（Ｔｓ２）は少なくとも１０６ポアズ、例えば１０７ポアズまたは１０８のポアズであり、かつ１０９ポアズ以下でなければならない。好ましい実施形態では、両方の材料を一緒に焼きなますことが可能でなければならず、そのため、第２の材料の焼なまし温度Ｔａ２での第１の材料の粘度η１（Ｔａ２）は、少なくとも１０８ポアズ（例えば少なくとも１０９ポアズ、少なくとも１０１０ポアズ、少なくとも１０１１ポアズ、少なくとも１０１２ポアズ、少なくとも１０１３ポアズ、少なくとも１０１４ポアズ）でなければならない。
【００７３】
レオロジー的に両立するためにはさらに、温度に対する両方の材料の粘度変化（すなわち粘度の傾き）ができるだけ一致していることが好ましい。
第２の選択基準は、焼なまし温度と室温の間の温度でそれぞれの材料の熱膨張率（ＴＥＣ）が似通っていなければならないことである。言い換えると、ファイバが冷却し、そのレオロジーが液体状から固体状に変化するときに、両方の材料の体積が同様の量だけ変化しなければならない。２種類の材料のＴＥＣの一致が十分でない場合には、２つのファイバ部分間の大きな体積変化の差の結果、大量の残留応力が発生する可能性があり、それによって１つ以上の部分に亀裂が入り、かつ／または剥離が生じる可能性がある。材料の破壊応力よりも十分に低い応力であっても残留応力が遅れ破壊を引き起こす可能性もある。
【００７４】
ＴＥＣは、温度変化に伴う試料の長さのごくわずかな変化の尺度である。このパラメータは、所与の材料に対して、温度−長さ曲線（またはこれと等価の温度−体積曲線）の傾きから計算することが可能である。材料の温度−長さ曲線は、例えば、オートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ １２００Ｄ膨張計などの膨張計を使用して測定することが可能である。ＴＥＣは、選択された温度範囲にわたって、または所与の温度での瞬時変化として測定することが可能である。この量の単位は℃−１である。
【００７５】
多くの材料で、温度−長さ曲線には異なる傾きを有する２つの直線領域が存在する。曲線が第１の直線領域から第２の直線領域に変化する遷移領域が存在する。この領域は、ガラス試料のふるまいが、固体材料に通常関連したふるまいから、粘性流体に通常関連したふるまいに遷移するガラス転移に関連する。これは連続的な遷移であり、傾きの不連続な変化とは対称的に、温度−体積曲線の傾きの緩やかな変化によって特徴づけられる。ガラス転移温度Ｔｇは、外挿したガラス固体の線と粘性流体の線とが交差する温度と定義される。ガラス転移温度は、ぜい性固体から流動可能な固体への材料レオロジーの変化に関連した温度である。物理的にはガラス転移温度は、材料の中の分子のさまざまな平行移動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係する。ガラス転移温度はしばしば、粘度が１０１３ポアズとなるおおよその焼なまし点とされるが、実際には、測
定されるＴｇは相対的な値であり、測定法に左右される。
【００７６】
膨張計を使用して膨張計軟化点Ｔｄｓを測定することも可能である。膨張計は、試料に小さな圧縮荷重をかけその試料を加熱することによって機能する。試料の温度が十分に高くなると材料は軟化し始め、圧縮荷重が、体積または長さの低減として観察される試料の曲がりを引き起こす。この相対値を膨張計軟化点と呼び、これは通常、材料の粘度が１０１０から１０１２．５ポアズであるときに生じる。材料の正確なＴｄｓ値は通常、装置および測定パラメータに依存する。同様の装置および測定パラメータが使用されるときには、この温度は、この粘度範囲におけるさまざまな材料のレオロジー的両立性の有用な尺度を提供する。
【００７７】
先に述べたとおり、ＴＥＣを一致させることは、線引き工程中のファイバに発生する過大な残留応力を持たないファイバを得るための重要な考慮事項である。一般に、２つの材料のＴＥＣが十分には一致していないとき、残留応力は弾性応力として生じる。弾性応力成分は、ガラス転移温度から室温（例えば２５℃）まで冷却されるときのファイバのさまざまな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。線引き工程中にファイバの材料が任意の界面で融合されまたは接合される実施形態では、材料のＴＥＣの違いによって界面に応力が生じる。一方の材料は引っ張られ（正の応力）、もう一方の材料は圧縮され（負の応力）、そのため全体の応力はゼロになる。穏やかな圧縮応力は通常、ガラス・ファイバにとって大きな問題ではないが、引張応力は望ましくなく、時間がたつと破損につながる可能性がある。したがって、線引き時にファイバに生じる弾性応力を最小化するために成分材料のＴＥＣの差を最小化することが望ましい。例えば、２つの異なる材料から形成された複合ファイバでは、膨張計を用いて加熱速度３℃／分で測定したＴｇと室温との間のそれぞれのガラスのＴＥＣの絶対差が、５×１０−６℃−１以下（例えば４×１０−６℃−１以下、３×１０−６℃−１以下、２×１０−６℃−１以下、１×１０−６℃−１以下、５×１０−７℃−１以下、４×１０−７℃−１以下、３×１０−７℃−１以下、２×１０−７℃−１以下）でなければならない。
【００７８】
同様のＴＥＣを有する材料を選択することによって弾性応力成分を最小化することが可能だが、残留応力は粘弾性応力成分からも発生し得る。粘弾性応力成分は、成分材料のひずみ点温度またはガラス転移温度に十分な差があるときに生じる。Ｔｇよりも低い温度に冷却されると、材料はかなりの大きさの体積収縮を受ける。冷却時のこの遷移で粘度が変化すると、応力を緩和するために必要な時間はゼロ（瞬時）から数分まで増大する。例えば異なるガラス転移範囲（および異なるＴｇ）を有するガラスおよびポリマーでできた複合プリフォームを考える。線引きの初期、ガラスおよびポリマーは粘性流体としてふるまい、線引きひずみに起因する応力はすぐに緩和される。線引き炉の最も熱い部分を出ると、ファイバは急速に熱を失い、ファイバ材料の粘度および応力緩和時間を指数関数的に増大させる。Ｔｇまで冷却させると、ガラスおよびポリマーは事実上それ以上の応力を解放することができない。応力緩和時間が線引き速度に比べて非常に大きくなっているためである。そのため、成分材料が異なるＴｇ値を有しているとすると、Ｔｇまで冷却した第１の材料はもはや応力を低減させることができず、第２の材料は依然としてそのＴｇよりも高く、材料間で発生した応力を解放することが可能である。第２の材料がＴｇまで冷却されると、材料間に生じた応力はもはや効果的には緩和されない。さらにこの時点で、第２のガラスの体積収縮は、（温度がそのＴｇよりも低く、ぜい性固体としてふるまっている）第１の材料の体積収縮よりもはるかに大きい。このような状況の結果、ガラスとポリマーの間には十分な応力が発生し、その結果、一方または両方の部分が機械的に破損する。このことから、線引き時にファイバに生じる粘弾性応力を最小化するためには成分材料間のＴｇの差を最小化することが望ましいという、ファイバ材料を選択するための第３の選択基準が導かれる。第１の材料のガラス転移温度Ｔｇ１は、第２の材料のガラス転移温度Ｔｇ２から１００℃以内であることが好ましい（例えば｜Ｔｇ１−Ｔｇ２｜が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）。
【００７９】
成分材料間の差に起因する線引きしたファイバの永久応力を発生させる２つの機構（すなわち弾性および粘弾性）が存在するため、これらの機構を使用して互いを相殺することができる。例えば、材料のＴｇの不一致が反対の符号の応力を生み出す場合、ファイバを構成している材料は、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。反対に、材料の熱膨張が全体の永久応力を低減させる場合には、材料間のＴｇのより大きな差は許容される。熱膨張とガラス転移温度差の併用効果を評価する１つの方法は、それぞれの成分材料の温度−長さ曲線を比較する方法である。上記の傾き−接線法を使用してそれぞれの材料のＴｇを見つけた後に、低いほうのＴｇ温度値のところで曲線が一致するように一方の曲線を縦軸に沿って移動させる。室温でのｙ切片の差は、ガラスが結合されなかった場合に予想されるひずみεを与える。Ｔｇから室温までの温度範囲でより大きな量の収縮を示す材料の予想される引張応力σは、下式から単純に計算することが可能である。
【００８０】
σ＝Ｅ・ε
上式でＥはその材料の弾性率である。一般に、１００ＭＰａ未満（例えば５０ＭＰａ未満、３０ＭＰａ未満）の残留応力値は、２つの材料が両立することを示すのに十分な小ささである。
【００８１】
第４の選択基準は候補材料の熱安定性が一致することである。熱安定性の尺度は温度間隔（Ｔｘ−Ｔｇ）によって与えられる。上式でＴｘは、それぞれの分子がその最も低いエネルギー状態を見つけることが可能な程度に材料をゆっくりと冷却したときに結晶化が始まる温度である。したがって、結晶相は、材料にとってガラス相よりもエネルギー的により有利な状態である。しかし、ファイバ導波路応用に関して言えば材料のガラス相は一般に、結晶相に優る性能および／または製造利点を有する。結晶化温度がガラス転移温度に近いほど、材料は線引き中に結晶化されやすく、このことはファイバにとって有害である（例えば伝送損を増大させ得る光学的不均一性をファイバに導入する）。通常は、熱安定性間隔（Ｔｘ−Ｔｇ）が少なくとも８０℃（例えば少なくとも１００℃）あれば、プリフォームからファイバを線引きすることによって材料をファイバにするのに十分である。好ましい実施形態では、熱安定性間隔が少なくとも１２０℃、例えば１５０℃、２００℃またはそれ以上である。Ｔｘは、示差熱分析計（ＤＴＡ）、示差走査熱量計（ＤＳＣ）などの熱分析機器を使用して測定することが可能である。
【００８２】
一緒に線引きすることが可能な材料を選択するときに考慮すべき他の事項は、材料の融解温度Ｔｍである。融解温度では、材料の粘度が低くすぎて、ファイバの線引き工程中に正確なジオメトリーをうまく維持することができない。したがって好ましい実施形態では、一方の材料の融解温度が、レオロジー的に両立する第２の材料の加工温度よりも高い。言い換えると、プリフォームを加熱したときに、プリフォームのいずれかの材料が融解する前に、プリフォームの温度が、プリフォームをうまく線引きすることが可能な温度に達する。
【００８３】
一緒に線引きすることが可能であり、閉じ込め領域の層間の高い屈折率差を有するフォトニック結晶ファイバ導波路を提供する１対の材料の１例は、Ａｓ２Ｓｅ３とポリマーＰＥＳである。Ａｓ２Ｓｅ３のガラス転移温度（Ｔｇ）は約１８０℃、熱膨張率（ＴＥＣ）は約２４×１０−６／℃である。１０．６μｍでＡｓ２Ｓｅ３の屈折率は２．７７７５、吸収係数αは５．８ｄＢ／ｍである。この屈折率は、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、５０５、１１（１９８４）に記載されているハルトウニ（Ｈａｒｔｏｕｎｉ）らの測定により、吸収係数、「Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ
ａｌｌｉｎｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、Ａ．アンドリーシュ（Ａ．Ａｎｄｒｉｅｓｈ）およびＭ．ベルトロッチ（Ｍ．Ｂｅｒｔｏｌｏｔｔｉ）編、ＮＡＴＯ ＡＳＩ Ｓｅｒｉｅｓ、３、Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、３６巻、１５５ページ（１９９６）に記載されているボイト（Ｖｏｉｇｔ）およびリンケ（Ｌｉｎｋｅ）の測定による。これらの参考文献はともに本願明細書に援用される。ＰＥＳのＴＥＣは約５５×１０−６／℃、屈折率は約１．６５である。
【００８４】
いくつかの実施形態では、導波路１００などのフォトニック結晶ファイバ導波路を、平面多層物品を丸めて渦巻構造にし、この渦巻構造から得られたプリフォームからファイバを線引きすることによって製造する。
【００８５】
図２Ａを参照する。プリフォームを調製するため、ポリマー・フィルム２１０の表面２１１にガラスを付着させる２２０。このガラスは、熱蒸着、化学蒸着またはスパッタリングを含むいくつかの方法によって付着させることが可能である。図２Ｂを参照する。この付着工程によって、ポリマー・フィルム２１０上のガラス層２３０からなる多層物品２４０を得る。
【００８６】
図２Ｃを参照する。この付着工程に続き、心棒２５５（例えばホウケイ酸ガラスなどの中空ガラスまたはポリマー管）に多層フィルム２４０を巻き付けて、渦巻管を形成する。次いでこの渦巻管に、数枚（例えば約３枚から１０枚）のポリマー・フィルムを巻き付けてプリフォーム・ラップを形成する。いくつかの実施形態では、このポリマー・フィルムが、多層物品を形成するのに使用されたものと同じポリマーまたはガラスから作られる。真空条件下でこのプリフォーム・ラップを、多層フィルム２４０および渦巻管に巻き付けられたフィルムを形成しているポリマーおよびガラスのガラス転移温度よりも高い温度まで加熱する。プリフォーム・ラップは、渦巻管の層が互いに融合し、渦巻管が渦巻管に巻き付けられたポリマー・フィルムと融合するのに十分な時間加熱する。加熱温度および加熱時間は、プレフォーム・ラップの組成に依存する。例えばこの多層がＡｓ２Ｓｅ３とＰＥＳからなり、ラッピング・フィルムがＰＥＳからなる場合には一般に、２００〜３００℃（例えば約２５０℃）で１５〜２０分（例えば約１８分）加熱すれば十分である。この加熱はさまざまな層を互いに融合させ、渦巻管とラッピング・フィルムとを合着させる。合着後の構造が図２Ｄに示されている。渦巻管は合着して、丸められた多層フィルム２４０に対応する多層領域２６０になっている。巻き付けたポリマー・フィルムは合着して単一の支持クラッド２７０となっている。この合着後の構造は心棒２５５の中空コア２５０を保持している。
【００８７】
渦巻管にポリマー・フィルムを巻き付けて支持クラッド２７０とする代わりに、渦巻管の外径に一致した内径を有する中空管に渦巻管を挿入することも可能である。
合着後の構造から心棒２５５を取り去って中空プリフォームを得る。次いでこれを線引きしてファイバにする。プリフォームは、最終的なファイバと同じ組成および同じ相対寸法（例えば閉じ込め領域の層の厚さに対するコア半径）を有する。ファイバの絶対寸法は使用する線引き比に依存する。（例えば数千メートルの）長いファイバを線引きすることができる。次いで線引きしたファイバを所望の長さに切断することが可能である。
【００８８】
心棒が渦巻管の堅固な支持となるように、合着は、心棒のガラス転移よりも低い温度で実施されることが好ましい。このことは多層フィルムが真空条件下でつぶれないことを保証する。心棒の組成は、合着後に多層管の最も内側の層から外れるように選択することが可能である。あるいは、合着時に心棒が多層管の最も内側の層に接着する場合、心棒は例えばエッチングによって化学的に除去することもできる。例えば、心棒がガラス毛管である実施形態では、例えばフッ化水素酸を使用して心棒をエッチングしてプリフォームを得ることが可能である。
【００８９】
中実のコアが望ましい実施形態では、ファイバの他の部分と一緒に線引きされる中実の心棒の周りに多層管を合着することが可能である。あるいは他の実施形態では、心棒を用いずに多層フィルムを丸めて自己支持型の渦巻管を得ることも可能である。
【００９０】
いくつかの実施形態では、ポリマー・フィルム２１０の両面をガラスでコーティングすることが可能である。それぞれのガラス層の厚さが、片面だけに付着させたガラス層の厚さの半分でよいため、この方法は有利である。薄いガラス層は一般に、丸める間に起こり得る機械的応力損傷を受けにくい。
【００９１】
以上に論じた技法を使用して調製したフォトニック結晶ファイバ導波路は低い欠陥密度を有する。導波路は例えば、ファイバ１０メートル当たり約１個未満（例えばファイバ２０メートル当たり約１個未満、ファイバ５０メートル当たり約１個未満、ファイバ１００メートル当たり約１個未満）の欠陥を有する。欠陥には、材料欠陥（例えば不純物）と構造欠陥（例えば層間剥離、層の亀裂）の両方が含まれ、これらはともに、導かれた放射をコアから散乱させて信号損失を引き起こし、ファイバの局部加熱を生じさせ得る。したがって、信号損失に敏感な応用（例えばファイバによって吸収された放射によってファイバが損傷する可能性がある高パワー応用）ではファイバ欠陥を低減させることが望ましい。
【００９２】
基板の両面を覆うガラス・フィルムから形成されたフォトニック結晶ファイバ導波路は、ガラス・フィルムが片面だけを覆うファイバ導波路とは少し異なる屈折率プロファイルを提供する。例えば図３Ａおよび３Ｂを参照すると、両面がコーティングされた多層フィルムから形成されたファイバの閉じ込め領域３１０は、連続した渦巻ポリマー層３３０／ガラス層３４０を有する。ガラス層３４０の最も内側の領域３４０Ａおよび最も外側の領域３４０Ｂはポリマーを覆う単一のガラス層に対応し、それに比べて他の領域は２倍の層厚を有する。半径方向の断面３６０でとったその屈折率プロファイルが図３Ｂに示されている。
【００９３】
いくつかの実施形態では、丸める前に２枚以上の多層フィルムを調製し重ね合わせる。このようにすると、フィルムのサイズを増大させることなく閉じ込め領域の層の数を増やすことが可能になる。
【００９４】
先に論じたとおり、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用してＩＲ放射を導くことが可能である。ＩＲ放射は、約０．７ミクロンから２０ミクロン（例えば約２から５ミクロン、または約８から１２ミクロン）の波長を有する。いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、約６．５ミクロンまたは１０．６ミクロンの波長を有する放射を発射するＣＯ２レーザなどのＩＲレーザからの放射を導くことが可能である。ＩＲエネルギーを発射することが可能なレーザにはこの他、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（例えば波長１．０６４ミクロン）、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ（例えば波長２．９４ミクロン）、Ｅｒ，Ｃｒ：ＹＳＧＧ（エルビウム、クロムをドープしたイットリウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット）レーザ（例えば波長２．７９６ミクロン）、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ（例えば波長２．１ミクロン）、自由電子レーザ（例えば波長６から７ミクロン）、量子カスケード・レーザ（例えば波長３から５ミクロン）などがある。
【００９５】
いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、極めて高いパワー密度を有する放射を導くことが可能である。例えば導波路を使用して、約１００Ｗ／ｃｍ２を超えるパワー密度（例えば約３００Ｗ／ｃｍ２超、５００Ｗ／ｃｍ２超、１ｋＷ／ｃｍ２超、例えば約１０ｋＷ／ｃｍ２以上のパワー密度）を有する放射を導くことが可能である。コアの中を導かれる放射の吸収が小さいため、特に中空コア導波路はこのような応用によく適している。導波波長の吸収が小さい材料を導波路の閉じ込め領域の材料に
選択することによって、吸収損をさらに軽減することが可能である。先に論じたとおり、例えばカルコゲン・ガラスはＩＲ波長での吸収が小さく、高パワーＩＲ導波路によく適している。導波路性能を低下させるだけでなく導波路に損傷を与える可能性もある放射損は、高い屈折率差を有する材料を閉じ込め領域の材料として選択することによってさらに低減させることが可能である。
【００９６】
高パワー・レーザからの放射をファイバに結合することによってファイバ導波路中に高パワー密度を生み出すことが可能である。例えば、先に挙げたいくつかのレーザなどの高パワーＩＲレーザからの放射をフォトニック結晶ファイバ導波路を使用して導くことが可能である。レーザの出力パワーは約１ワット超（例えば約５ワット、１０ワット、２５ワットまたはそれ以上）とすることが可能である。いくつかの応用では、レーザの出力エネルギーを約１００ワット超、例えば数百ワット（例えば約２００ワット超、３００ワット超、５００ワット超、１キロワット超）とすることが可能である。
【００９７】
いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路が比較的に小さい伝送損を有する。例えば、伝送損を約２ｄＢ／ｍ未満（例えば約１ｄＢ／ｍ未満、０．５ｄＢ／ｍ未満、例えば０．２ｄＢ／ｍ以下）とすることが可能である。このファイバ導波路はＩＲ波長、例えば約３〜５ミクロン（例えば約３．５ミクロン）または約１０〜１２ミクロン（例えば約１０．６ミクロン）のある波長でで、低い伝送損を有することが可能である。同様の材料から作られたＴＩＲ光ファイバに比べて伝送損を大幅に（例えば１〜３桁以上）低くすることが可能である。例えば中空コアとカルコゲン・ガラス／ポリマーの閉じ込め領域とを有するフォトニック結晶ファイバ導波路は、カルコゲン・ガラス・コアとポリマー・クラッドとを有するＴＩＲファイバよりもかなり低い伝送損を有する。例えばＡｓ２Ｓｅ３での損失は１０．６ミクロンで約７〜１０ｄＢ／ｍと報告されており、ＰＥＳでの損失は１０．６ミクロンで約１００，０００ｄＢ／ｍである。これとは対照的に、Ａｓ２Ｓｅ３／ＰＥＳ閉じ込め領域を有するフォトニック結晶ファイバ導波路の損失は約１ｄＢ／ｍ未満とすることが可能である。この比較的に低い損失は、導かれた電磁波のファイバの閉じ込め領域への侵入深度が浅いことによって可能になると考えられる。したがってたとえ閉じ込め領域の材料が導波波長で比較的に高い吸収を有するとしても、導かれる放射と材料の間の相互作用は最小限にとどまる。
【００９８】
フォトニック結晶ファイバ導波路はさらに、ファイバの曲がりに起因する比較的に小さい損失を受ける。例えば、曲率半径約１０ｃｍ未満（例えば約５ｃｍ未満、例えば４ｃｍ以下）でファイバを９０度曲げても、損失は約２ｄＢ未満（例えば１．５ｄＢ、１ｄＢ、０．５ｄＢまたはそれ以下）である。曲げに関連した損失が比較的に小さいことは、使用中にファイバが曲がっても伝送信号の相対強度があまり変化しないことが好ましい多くのファイバ用途において有利である。
【００９９】
伝送損（例えば固有損失および／または曲がりに起因する損失）が小さいことは一般に高パワー応用でも有利である。高パワー応用では、ファイバに沿って失われるパワーによって放射源からその目的地に送達されるパワーが低減することに加えて、ファイバの損傷も起こり得る。
【実施例１】
【０１００】
厚さ２５〜５０ミクロンのＰＥＳフィルムに熱蒸着を使用して厚さ５〜１０ミクロンのＡｓ２Ｓｅ３を付着させ、続いてこのコーティングされたフィルムを中空ガラス心棒に巻き付けることによって、さまざまなファイバを製造した。この管を厚いＰＥＳの外層で覆い、これを真空条件下で加熱して合着させた。合着後、心棒の中空コアにフッ化水素酸を導入することによって心棒をエッチングして除去した。このエッチングによって多層プリフォームを得た。これをそれぞれを光ファイバ線引き塔に入れ、線引きして数十から数百
メートルのファイバにした。
【０１０１】
線引き工程中にファイバの外径（ＯＤ）を監視することによってそれぞれのファイバのフォトニック・バンドギャップの名目位置を求めた。フォトニック・バンドギャップ位置は、ＯＤ測定によって提供される線引き比から求めた。ファイバＯＤの一般的な標準偏差はファイバＯＤの約１パーセントであった。
【０１０２】
図４Ａおよび４Ｂを参照する。ファイバの１断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）分析によれば、線引きしたファイバは比例した層厚比を概ね維持し、製造工程に関連した熱サイクリングおよび伸長の間にＰＥＳとＡｓ２Ｓｅ３フィルムはよく接着した。図４Ａおよび４Ｂに示した多層構造では、ＰＥＳ層（灰色）の厚さが約９００ｎｍ、Ａｓ２Ｓｅ３層（明色）の厚さが約２７０ｎｍであった（最初および最後のＡｓ２Ｓｅ３層を除く。これらの層の厚さは１３５ｎｍであった）。
【０１０３】
フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光計（Ｎｉｃｏｌｅｔ Ｍａｇｎａ ８６０）を用い、ファイバに光を結合する放物面鏡および外部検出器を使用して、広帯域ファイバ透過スペクトルを測定した。２つの異なる層構造を有するファイバに対するこれらの測定の結果を図５に示す。スペクトルごとに、基本および高次フォトニック・バンドギャップの光が導かれた。
【０１０４】
直径７００〜７５０ミクロンの中空コアを有し、ＯＤが１３００〜１４００ミクロンであり、１０〜１１ミクロン波長にまたがる基本フォトニック・バンドギャップを有するいくつかのファイバを調製した。図６Ａは、長さ約３０ｃｍのまっすぐなファイバを使用して測定した、これらのファイバのうちの１つのファイバのＦＴＩＲ透過スペクトルを示している。
【０１０５】
これらのファイバの伝送損を定量するため、ファイバ・カットバック測定を実施した。これらの測定は、約４メートルのまっすぐなファイバを通して伝送される放射の強度を、より短い長さに切断された同じファイバを通して伝送される強度と比較することを含む（図６Ｂ参照）。この試験は、複数のファイバに対して実施し、その結果は、異なる試験ファイバに関してほぼ同じであることが分かった。測定は、２５ワットのＣＯ２レーザ（ＧＥＭ−２５、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ−ＤＥＯＳ）および高パワー検出器（８１８Ｔ−１０検出器、ニューポート（Ｎｅｗｐｏｒｔ）社）を使用して実施した。ファイバ切断中の入力結合条件および伝搬条件の変動を低減させるために、ファイバはまっすぐに保持し、ファイバの両端および両端間の複数の箇所で固定した。レーザ・ビームは、集束レンズおよび直径５００ミクロンのピンホール開口を通してからファイバに結合した。さらに、不良位置合せによる偶発性のレーザ損傷を低減させるため、ファイバの入力端面を金属フィルムでコーティングした。
【０１０６】
約１０．６ミクロンにおけるファイバの基本バンドギャップの伝送損は、図６Ｂに示すように約０．９５ｄＢ／ｍと測定され、推定される測定の不確かさは約０．１５ｄＢ／ｍであった。約１０．６ミクロンを中心とするバンドギャップを有するファイバの曲げ解析（次に論じる）によれば、曲げ半径４〜１０ｃｍで９０度曲げたときの曲げ損失は約１．５ｄＢ／ｍ未満であった。
【０１０７】
曲げ損失の測定は、広帯域ＦＴＩＲ源および１０．６ミクロンで動作するＣＯ２レーザを使用して実施した。それぞれの測定では、さまざまな半径の金属円筒に巻き付けてファイバを９０度曲げた。曲げの後のファイバの量はそれぞれのケースで約１５ｃｍであった。この部分はそれぞれのケースでまっすぐに保った。図７に、ＦＴＩＲ分光計を使用して測定した、長さ約５０ｃｍのまっすぐなファイバとさまざまな曲げ半径で曲げた同じファ
イバの相対強度を示す。
【０１０８】
図７に示したＦＴＩＲ曲げ測定は、最も大きな半径での曲げに対して１ｄＢ未満の全曲げ損失値を与える。これらの結果を補強するため、長さ約２．５ｍのファイバを使用したＣＯ２レーザ測定を用いて同様の試験を実施した。図８に、ＣＯ２レーザでの、曲げのないファイバに対する９０度の曲げのｄＢで表した平均曲げ損失を示す。
【０１０９】
このＣＯ２レーザ曲げ損失の結果は、数回の試行の平均を表し、観察された損失の変動は約０．２ｄＢ程度であった。ＣＯ２レーザを使用して得られた結果は、ＦＴＩＲ装置を使用して得られた結果と同じ定性的特性を有していた。使用したさまざまな源は、さまざまなコヒーレンシ、開口数および偏光状態を有していたことに留意されたい。したがってそれらはさまざまな損失特性を有するモードに結合することが予想された。
【０１１０】
ＣＯ２レーザからファイバに結合された最大レーザ・パワー密度は約３００のＷ／ｍ２であり、これは、紙およびＰＥＳフィルム（ファイバの主成分）を通して穴を燃やすのに十分であった。放射が中空ファイバ・コアに適切に結合されたとき、ファイバの損傷は観察されなかった。ＣＯ２レーザ（ＧＥＭ−２５、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ−ＤＥＯＳ）はＨｅＮｅレーザを使用して位置を合わせた。ＨｅＮｅレーザを使用してＣＯ２レーザの経路を追跡した。これによって比較的に低いパワーのレーザで装置の位置を合わせることができる。参照ビームを分割するためレーザとファイバの間にＺｎＳｅビームスプリッタを置いた。ビームスプリッタを透過したビームは、ファイバに結合する前に、レンズ・アセンブリを使用して集中してピンホール開口を通した。ＧＰＩＢ／Ｌａｂｖｉｅｗコンピュータ・インタフェースを有するＮｅｗｐｏｒｔデュアル・チャネル・パワー・メータを使用して、ビームスプリッタ参照ビームおよびファイバ出力からデータを同時に集めた。
【０１１１】
カットバック測定では、素速いカミソリ切断動作を使用してファイバを切断し、合理的に再現可能な切断を生み出した。切断における残留変動を考慮するため、図６Ｂに示したカットバック測定データの記録されたそれぞれのデータ・ポイントの周囲で短い切断（例えば１〜２ｍｍ）を実施した。切断によってパワー・レベルはあまり変化しなかったが、明らかに劣等な切断からのデータは破棄した。１つの切断長のそれぞれの切断の測定データを平均して、図６Ｂに示したデータを得た。さらに、それぞれの切断の後に測定した透過ビームと参照ビームの間のパワー比を数分間にわたって時間平均した。
【０１１２】
ＣＯ２レーザの入力結合条件を変化させることによって、長さ約４メートル、コア径約７００ミクロンのファイバで、ファイバの可変モード出力パターンも観察した。ファイバは名目上まっすぐに保持した。モーダル出力パターンは、Ｓｐｉｒｉｃｏｎ Ｐｙｒｏｃａｍ ＩＩＩを使用して出力ビームを撮像することによって観察した。さまざまなモード・パターンの撮像は、ファイバが比較的に少ない数のモードで動作することを示唆した（例えばこれらのファイバは約１０以下の導波モードを有する）。
【０１１３】
追加の実施形態
本発明のいくつかの実施形態を説明した。それでもやはり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくさまざまな変更を実施できることを理解されたい。したがって、他の実施形態は特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１実施形態の断面図。
【図１Ｂ】図１Ａに示したフォトニック結晶ファイバ導波路の一部の屈折率プロファイルを示す図。
【図２Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の１工程を示す概略図。
【図２Ｂ】フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の１工程を示す概略図。
【図２Ｃ】フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の１工程を示す概略図。
【図２Ｄ】フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の１工程を示す概略図。
【図３Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１実施形態の閉じ込め領域の断面図。
【図３Ｂ】図３Ａに示した閉じ込め領域の屈折率プロファイルを示す図。
【図４Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１例のＳＥＭ顕微鏡写真。
【図４Ｂ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１例のＳＥＭ顕微鏡写真。
【図５】フォトニック結晶ファイバ導波路の２つの異なる例の透過スペクトルを示す図。最も高い透過ピークはそれぞれのケースの１次フォトニック・バンドギャップに対応し、矢印はより高次のバンドギャップを指示する。
【図６Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１例の透過スペクトルを示す図。
【図６Ｂ】異なる長さに切断されたフォトニック結晶ファイバ導波路の１例の、ファイバ長に対する透過パワーの対数を示す図。図の傾きはｄＢ／ｍである。
【図７】さまざまな曲率半径で曲げられたファイバの透過スペクトルを示す図。
【図８】損失値は、曲がったファイバを透過した全パワーを、まっすぐに保持した同じファイバと比較することによって得た、ＣＯ２レーザからのＥＭ放射がフォトニック結晶ファイバ導波路を透過するときの曲げ損失を曲率の関数として示す図。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００２年１２月１０日に出願された米国特許仮出願第６０／４３２０５９号の優先権を主張するものである。上記出願の内容は本願明細書に援用される。
本発明はファイバ導波路および導波路を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
導波路は数多くの産業で重要な役割を演じている。例えば光導波路は電気通信網で広く使用されており、このような電気通信網では、異なる位置と位置との間で情報を光信号として伝えるために、光ファイバなどのファイバ導波路が使用されている。このような導波路は光信号を、好ましい１つ以上の経路に沿った伝搬に実質的に限定する。光導波路の他の用途には、内視鏡、光検出応用などの撮像の用途が含まれる。
【０００３】
最も一般的なタイプのファイバ導波路は、屈折率による導光を利用して光信号を好ましい経路に限定する光ファイバである。このようなファイバは、導波路軸に沿って延びるコア領域と、導波路軸を中心にコアを取り囲み、コア領域の屈折率よりも小さな屈折率を有するクラッド領域とを含む。この屈折率差のため、相対的に屈折率の高いコアの中を実質的に導波路軸に沿って伝搬する光線は、コア−クラッド界面で全反射（ＴＩＲ）を受け得る。その結果、光ファイバは、１つ以上の電磁（ＥＭ）放射モードを、コアの中を導波路軸に沿って伝搬するように導く。このような導波モードの数はコア径の増大とともに増加する。特に屈折率による導光機構は、導波路軸に平行な所与の波ベクトルに対する最低周波数導波モードよりも下の一切のクラッド・モードの存在を排除する。商業的に使用されている屈折率によってガイドされたほとんど全ての光ファイバは、屈折率差を生み出しコア−クラッド界面を生じさせるためにコアまたはクラッドあるいはその両方に不純物が添加されたシリカ・ベースのファイバである。例えば一般に使用されているシリカ光ファイバの屈折率は約１．４５、屈折率差は、１．５ミクロンの範囲の波長に対して用途により約０．２％から３％である。
【０００４】
プリフォームからファイバを線引きする方法は、ファイバ導波路を製造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、所望のファイバの正確な形状および組成を有する短い（例えば長さ２５から５０ｃｍ（１０から２０インチ）の）棒である。しかし、プリフォームの直径はファイバの直径よりもはるかに大きい（例えば１００倍から１０００倍）。一般に、光ファイバを線引きするとき、プリフォームの材料組成は、コアの屈折率をクラッドの屈折率よりも大きくするために、プリフォームのコアに添加されたさまざまな濃度の１種または数種のドーパントを有する単一のガラスからなる。このことは、コアおよびクラッドを形成している材料がレオロジー的、化学的に同じように線引きされることを保証し、同時に、コア内での導波モードをサポートするのに十分な屈折率差を提供する。プリフォームからファイバを形成するためには、炉の中でプリフォームを、ガラスの粘度が、プリフォームからファイバを線引きできる十分に低い粘度（例えば１０８ポアズ未満）となる温度まで加熱する。線引きすると、プリフォームは、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なる。ファイバの直径は、ファイバの特定のレオロジー的特性および線引き速度によって決まる。
【０００５】
プリフォームは、化学蒸着（ＭＣＶＤ）、外付け蒸着（ＯＶＤ）、プラズマ活性化化学蒸着（ＰＣＶＤ）および軸付け蒸着（ＶＡＤ）を含む当業者に周知の多くの技法を使用して製造され得る。これらの方法はそれぞれ一般に、事前に製作しておいた管または棒の壁に気化させた原料の層をすすの形で付着させることを含む。付着の直後にそれぞれのすす層は融合する。これによってプリフォーム管を得、続いてこれをつぶして中実の棒とし、
外側を覆い、次いで線引きしてファイバにする。
【０００６】
光ファイバの用途は波長および信号電力によって制限される。ファイバは、導かれる波長でのエネルギー吸収が小さい材料から形成され、欠陥が最小限であることが好ましい。吸収が大きい場合には、長いファイバ上での伝送の間に、信号強度をノイズと区別がつかないレベルにまで低減する可能性がある。比較的に吸収の小さい材料であっても、コアおよび／またはクラッドによる吸収によってファイバが加熱される。欠陥によって、導かれた放射がコアの外に散乱する可能性があり、これによってファイバが加熱する可能性もある。あるパワー密度を超えると、この加熱は、修復できないほどの損傷をファイバに与える。したがって高パワー放射源を利用する多くの用途は、放射源からその目的地へ放射を導くのに光ファイバ以外の装置を使用する。
【０００７】
ある態様では本発明は、ポリマー部分およびガラス部分（例えばカルコゲン・ガラス部分）を含むフォトニック結晶導波路（例えばブラッグ・ファイバ）を特徴とする。いくつかの実施形態ではこのフォトニック結晶導波路は中空コアを含む。ポリマーとガラスからなる複数の互層（例えば渦巻形に巻かれた連続するポリマー層と連続するガラス層）によって確定されたフォトニック・バンドギャップによって、中空コアの中に放射が閉じ込められる。一般に、ガラスの層は高い屈折率を有し、ポリマー層は低い屈折率を有する。互層の光学的厚さによって基本および高次スペクトル透過窓が決定され、可視放射（例えば波長０．３５から０．７５ミクロンを有する放射）から赤外放射（例えば波長０．７５から約１５ミクロンまたはそれ以上の放射）にスケーリングすることが可能である。
【０００８】
本発明はさらに、ファイバ・フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法を特徴とする。ポリマー基板をガラスの層でコーティングして平面多層フィルムを形成する。次いでこの多層フィルムを丸めて、渦巻線断面を有する中空多層管を得る。続いてこの中空管を加熱によって合着して、渦巻層を融合させ、中空ファイバ・プリフォームを得る。これを線引きしてファイバ導波路とする。
【０００９】
フォトニック結晶導波路の異なる部分間の屈折率差が大きくなるように材料を選択することが可能である。屈折率差を大きくすることによって、大きなフォトニック・バンドギャップおよび全方向性反射能を有するファイバを提供することができる。フォトニック・バンドギャップが大きいと、導波路のコアを取り囲む部分への侵入深度が浅くなり、ファイバによって導かれる放射の放射損および吸収損が低減する。
【００１０】
ファイバ材料の熱機械的、レオロジー的および物理化学的特性が両立するときに光学的に異なるファイバ材料を一緒に線引きすると、欠陥密度の小さいファイバを得ることができる。したがってある態様では本発明が、一緒に線引きすることが可能なガラスとポリマーの組合せ、ならびに一緒に線引きすることが可能なガラスとポリマーを選択する基準を特徴とする。
【００１１】
低損失、低欠陥密度のファイバを使用して、ファイバにほとんど損傷を与えることなく高パワー放射を導くことが可能である。
一般に第１の態様では本発明が、多層構造を丸めて渦巻構造にしてファイバ導波路を形成することを含み、ファイバ導波路を形成することは、渦巻構造から得られたファイバ・プリフォームを線引きする方法を特徴とする。
【００１２】
この方法の実施形態は、以下の特徴および／または他の態様の特徴のうちの１つ以上の特徴を含み得る。
この多層構造は、異なる屈折率を有する材料からなる少なくとも２つの層を含み得る。これらの層は、第１の材料の層と、この第１の材料層を間にはさむ一対の第２の材料の層
とを含み得る。これらの層を実質的に平らな層とすることが可能である。これらの異なる材料は、ガラスを含む第１の材料と、ポリマーを含む第２の材料とを含み得る。いくつかの実施形態では、異なる材料が高屈折率材料および低屈折率材料を含み、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比が１．５よりも大きい（例えば１．８よりも大きい）。
【００１３】
この方法はさらに、少なくとも第１の材料（例えばカルコゲン・ガラスなどのガラス）の第１の層を、第１の材料のそれとは異なる第２の材料（例えばＰＥＳ、ＰＥＩなどのポリマー）の第２の層上に配置して、多層構造を形成することを含み得る。第１の材料は、第２の層の両面に配置することができる。この配置はスパッタリングまたは蒸着からなり得る。第１および第２の層上に追加の層を配置して多層物品を形成することが可能である。
【００１４】
この多層構造を棒（例えば中空棒）に巻き付けて、渦巻構造を形成し得る。この方法は、渦巻構造を合着してプリフォームを形成し得る。合着は、渦巻構造を加熱することを含む。いくつかの実施形態では合着が、真空条件下で渦巻構造を加熱することを含む。この方法は、線引きの前にプリフォームから棒を（例えば化学エッチングによって）取り去ることを含む。
【００１５】
この渦巻構造は、多層構造の互層によって取り囲まれたコアを含み得る。このファイバ導波路は、多層構造に対応する複数の層によって取り囲まれた中空コアを含み得る。
一般に他の態様では本発明が、導波路軸に沿って延びるコアを取り囲む異なる材料の互層を含むファイバ導波路を含み、互層が渦巻構造を画定する物品を特徴とする。
【００１６】
この物品の実施形態は、以下の特徴および／または他の態様の特徴のうちの１つ以上の特徴を含み得る。
この渦巻構造は、コアを複数回取り巻く異なる材料の少なくとも２つの層を含む多層構造を含み得る。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比が１．５よりも大きい（例えば１．８よりも大きい）。これらの異なる材料は、ポリマー（例えばＰＥＳ）およびカルコゲン・ガラス（例えばＡｓ２Ｓｅ３）を含み得る。
【００１７】
互層の最も内側の層は、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有することができる。互層の厚さは、約８〜１２ミクロンの範囲の波長（例えば波長約１０．６ミクロン）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導くように選択することが可能である。いくつかの実施形態では互層の厚さが、約２〜５ミクロンの範囲の波長のＥＭ放射を導波路軸に沿って導くように選択される。
【００１８】
コアは中空とすることが可能である。まっすぐなファイバについて、このファイバ導波路は、選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）で約１ｄＢ／ｍよりも小さな伝送損を示すことが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約１０．６ミクロンである。
【００１９】
約４〜１０ｃｍの範囲の任意の曲げ半径で９０度曲げたときに、ファイバ導波路は、選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）で約１．５ｄＢよりも小さな伝送損を示すことが可能である。
【００２０】
このファイバ導波路は、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約１
０．６ミクロンである。ファイバ導波路が少なくとも０．３ｍの曲げ長さで滑らかに９０度に曲げられているときでも、このファイバ導波路は、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。
【００２１】
このファイバ導波路は、約２５Ｗ以上のパワーの選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。いくつかの実施形態ではこの選択された波長が約１０．６ミクロンである。
【００２２】
一般に他の態様では本発明が、導波路軸に沿って延びるコアを取り囲むポリマーおよびガラスを含む異なる誘電材料の互層を含む高パワー低損失ファイバ導波路を含む物品を特徴とする。
【００２３】
この物品の実施形態は、以下の特徴および／または他の態様の特徴のうちの１つ以上の特徴を含み得る。
互層は渦巻構造を画定することが可能である。渦巻構造は、コアを複数回取り巻く異なる材料の少なくとも２つの層からなる多層構造を含み得る。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比は１．５よりも大きい。異なる材料は高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料を含むことが可能であり、高屈折率材料の屈折率と低屈折率材料の屈折率との比は１．８よりも大きい。ガラスはカルコゲン・ガラス（例えばＡｓ２Ｓｅ３）を含み得る。ポリマーはＰＥＳまたはＰＥＩを含み得る。互層の最も内側の層は、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有することが可能である。互層の厚さは、約８〜１２ミクロンの範囲の波長（例えば波長約１０．６ミクロン）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導くように選択することが可能である。いくつかの実施形態では互層の厚さが、約２〜５ミクロンの範囲の波長のＥＭ放射を導波路軸に沿って導くように選択される。
【００２４】
コアは中空でもよい。
まっすぐなファイバ導波路について、このファイバ導波路は、選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）で約１ｄＢ／ｍよりも小さな伝送損を示すことが可能である。この選択された波長を約１０．６ミクロンとすることが可能である。
【００２５】
約４〜１０ｃｍの範囲の任意の曲げ半径で９０度曲げたときに、ファイバ導波路は、選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）で約１．５ｄＢよりも小さな伝送損を示すことが可能である。この選択された波長を約１０．６ミクロンとすることが可能である。
【００２６】
このファイバ導波路は、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。この選択された波長を約１０．６ミクロンとすることが可能である。
【００２７】
ファイバ導波路が少なくとも０．３ｍの曲げ長さで滑らかに９０度に曲げられているときでも、このファイバ導波路は、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有することが可能である。
【００２８】
このファイバ導波路は、約２５Ｗ以上のパワーの選択された波長（例えば約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長）のＥＭ放射を導波路軸に沿って導く能力を有す
ることが可能である。この選択された波長を約１０．６ミクロンとすることが可能である。
【００２９】
本発明の実施形態は以下の１つ以上の利点を有することができる。
フォトニック結晶ファイバ導波路は、まっすぐなファイバと曲がったファイバの両方で低い伝送損を有することが可能である。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して高パワーＥＭ放射を導くことができる。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、高パワー密度を有するＥＭ放射を導くことが可能である。フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、ＩＲ波長（例えば波長０．７５から約１２ミクロンまたはそれ以上）のＥＭ放射を導くことができる。
【００３０】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細が、添付図面および以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的および利点は、以下の説明および図面ならびに請求項から明らかとなろう。
【００３１】
図面の同じ符号は同じ要素を指す。
【特許文献１】米国特許出願第１０／１２１４５２号
【特許文献２】米国特許第６１３０７８０号
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１Ａを参照すると、フォトニック結晶ファイバ導波路１００は、導波路軸に沿って延びるコア１２０と、コアを取り囲む誘電閉じ込め領域１１０（例えば高屈折率層と低屈折率層の互層）とを含む。閉じ込め領域１１０は、閉じ込め領域に機械的支持を提供する支持層１５０によって取り囲まれている。
【００３３】
閉じ込め領域１１０は、異なる屈折率を有する誘電材料（例えばポリマー、ガラス）の連続層１３０および１４０を含み、それに対して他の実施形態では、閉じ込め領域を形成する同心の複数の不連続層を含む。連続層１３０および１４０は、それに沿ってフォトニック結晶ファイバ導波路が電磁放射を導く軸１９９を中心とした渦巻線を形成する。一方の層、例えば層１４０は屈折率ｎＨ、厚さｄＨの高屈折率層であり、層、例えば層１３０は屈折率ｎＬ、厚さｄＬの低屈折率層である。ただしｎＨ＞ｎＬ（ｎＨ−ｎＬは例えば０．０１以上、０．０５以上、０．１以上、０．２以上、０．５以上とすることが可能である）。層１３０および１４０は軸１９９を中心に渦巻線を描くので、軸１９９から延びる半径方向の断面１６０はそれぞれの層と２回以上交差し、高屈折率層と低屈折率層の互層を含む半径方向プロファイルを提供する。
【００３４】
図１Ｂを参照すると、渦巻線を描くこれらの層は光学的に、層１３０および層１４０の光学的厚さに対応する周期を有する、半径方向断面１６０に沿った周期的な屈折率変動を提供する。すなわち、閉じ込め領域１１０は２重層光学周期ｎＨｄＨ＋ｎＬｄＬを有する。「Ｒ」は軸１９９から測った半径方向の位置を指す。
【００３５】
層１３０および１４０の厚さ（ｄＨおよびｄＬ）および光学的厚さ（ｎＨｄＨおよびｎＬｄＬ）は変更することが可能である。いくつかの実施形態では、層１３０の光学的厚さと層１４０の光学的厚さが同じである。層の厚さは通常、ファイバの所望の光学性能に基づいて（例えば導波する波長に従って）選択される。層の厚さと光学性能との間の関係については後に論じる。層の厚さは一般にサブミクロン・サイズから数十ミクロンである。例えば、層１３０および１４０の厚さを約０．１μｍから２０μｍ（例えば約０．５から５μｍ）とすることが可能である。
【００３６】
図１Ａに示した実施形態では、閉じ込め領域１１０の厚さが２重層として５つ分である
。しかし実際には、閉じ込め領域１１０がそれよりも多くの２重層（例えば２重層として約８個分超、１０個分超、１５個分超、２０個分超、２５個分超、例えば４０個分以上）を含むことができる。
【００３７】
層１４０は、カルコゲン・ガラスなど屈折率の高い材料を含む。層１３０は、層１４０の高屈折率材料よりも屈折率が低い材料からなり、一般に機械的に柔軟である。例えば層１３０はしばしばポリマーからなる。層１３０および層１４０を形成する材料は一緒に線引きすることが可能な材料であることが好ましい。一緒に線引きすることが可能な材料を選択する基準については以下で論じる。
【００３８】
この実施形態ではコア１２０が中空である。任意選択で、気体（例えば空気、窒素および／または希ガス）、液体（例えば等方性液体または液晶）などの流体を中空コアに満たすことが可能である。あるいはコア１２０が、閉じ込め領域１１０を形成する材料とレオロジー的に両立する任意の材料または材料の組合せからなることも可能である。ある実施形態ではコア１２０が、本願明細書に援用する２００２年４月１２日に出願され、現在、公告番号ＵＳ−２００３−００４４１５８−Ａ１として公告されている「ＨＩＧＨ ＩＮＤＥＸ−ＣＯＮＴＲＡＳＴ ＦＩＢＥＲ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」という名称の米国特許出願第１０／１２１４５２号に記載されている材料などの、１種または数種のドーパント材料を含む。
【００３９】
コアおよび閉じ込め領域１２０および１１０は、異なる屈折率を有する複数の誘電材料を含むことができる。このような場合には、所与の領域の「平均屈折率」を考えることができる。これは、その領域の諸成分の重み付けされた屈折率の和を表し、それぞれの屈折率は、その領域内でその成分が占める面積によって重み付けされている。しかし、層１３０と１４０の間の境界は屈折率の変化によって画定される。この変化は、２種類の異なる誘電材料の界面によって、または同じ誘電材料内の異なるドーパント濃度（例えばシリカ内の異なるドーパント濃度）によって生じさせることができる。
【００４０】
誘電閉じ込め領域１１０は、第１の波長範囲に含まれるＥＭ放射が誘電コア１２０の中を導波路軸１９９に沿って伝搬するように導く。閉じ込め機構は、第１の波長範囲を含むバンドギャップを形成する領域１１０のフォトニック結晶構造に基づく。この閉じ込め機構は屈折率カイド型ではないので、コアの屈折率が、コアに隣接した閉じ込め領域の屈折率よりも高い必要はない。反対に、コア１２０の平均屈折率を、閉じ込め領域１１０の平均屈折率よりも低くすることもできる。例えばコア１２０を空気、他の気体、例えば窒素、または実質的に真空にすることができる。このような場合、このコアの中を導かれるＥＭ放射は、多くの気体がシリカまたは他のこのような固体材料よりも小さな吸収および非線形相互作用定数を有することを反映して、シリカ・コアの中を導かれるＥＭ放射よりもはるかに小さい損失およびはるかに小さい非線形相互作用を有する。追加の実施形態では例えば、周囲の閉じ込め領域の構造的な支持となり、その一方で空気を主とするコアを画定する多孔質誘電材料をコア１２０が含む。したがってコア１２０は均一な屈折率プロファイルを有する必要がない。
【００４１】
閉じ込め領域１１０の層１３０と１４０はブラッグ・ファイバ（Ｂｒａｇｇ ｆｉｂｅｒ）として知られているファイバを形成する。渦巻線形に巻かれたこれらの層の周期的な光学構造は、（ブラッグ・ミラーとしても知られている）平面誘電スタック反射器の互層に似ている。閉じ込め領域１１０の層および誘電スタック反射器の平らな互層はともに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は、ジョン Ｄ．ジョナポラス（Ｊｏｈｎ Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ）他著「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」（プリンストン・ユニバーシティ・プレス（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ）、米ニュージャージー州プリンストン（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ）、１９９
５年）に全般的に説明されている。
【００４２】
本願明細書で使用するとき、フォトニック結晶は、フォトニック結晶中にフォトニック・バンドギャップを生み出す屈折率変調を有する誘電体構造である。本願明細書で使用するフォトニック・バンドギャップは、誘電体構造中にアクセス可能な拡張された（すなわち伝搬、非局在化）状態がない波長（または逆数をとれば周波数）範囲である。一般に、この構造は周期的な誘電体構造だが、例えばより複雑な「準結晶」を含むこともできる。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って、このバンドギャップを使用して、光を閉じ込め、導き、かつ／または局在化することが可能である。さらに、このギャップの上下の波長には、アクセス可能な拡張状態が存在し、低屈折率領域にも光を閉じ込めることができる（先に説明したものなどの屈折率ガイドされたＴＩＲ構造とは対照的である）。用語「アクセス可能な」状態は、系のある対称性または保存則によって結合が禁止されない状態を意味する。例えば２次元系では、偏光が保存され、そのため同様の偏光の状態だけをバンドギャップから排除すればよい。（一般的なファイバなどの）均一な断面を有する導波路では、波数ベクトルβが保存され、そのためフォトニック結晶導波モードをサポートするためには、所与のβを有する状態だけをバンドギャップから排除すればよい。さらに、円柱対称性を有する導波路では、「角運動量」インデックスｍが保存され、そのため同じｍを有するモードだけをバンドギャップから排除すればよい。要するに、高対称系では、対称性に関係なく全ての状態が排除される完全なバンドギャップに比べてフォトニック・バンドギャップに対する要件がかなり緩和される。
【００４３】
したがって、ＥＭ放射はこの誘電スタック反射器の中を伝搬し得ないので、フォトニック・バンドギャップにおいてこの誘電スタック反射器の反射性は高い。同様に、閉じ込め領域１１０の層は、バンドギャップの入射光線に対する反射性が高いので、この層は閉じ込めを提供する。厳密に言えば、フォトニック結晶がバンドギャップで完全に反射性であるのは、フォトニック結晶内の屈折率変調が無限の広がりを有するときだけである。そうでない場合には、フォトニック結晶の両側の伝搬モードを結合する一過性モードを通して入射放射がフォトニック結晶を「トンネル」することが可能である。しかし実際には、このようなトンネリングのレートは、フォトニック結晶の厚さ（例えば互層の数）とともに指数関数的に低下する。これはさらに、閉じ込め領域の屈折率差の大きさとともに低下する。
【００４４】
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に小さな領域の上でだけ広がることができる。例えば、誘電スタックは垂直入射光線に対する反射性は高いが、斜めに入射した光線に対する反射性は部分的でしかない。「完全フォトニック・バンドギャップ」は、全ての可能な波数ベクトルおよび全ての偏光の上に及ぶバンドギャップである。一般に、完全フォトニック・バンドギャップは、３つの次元に沿った屈折率変調を有するフォトニック結晶とだけ関連している。しかし、隣接する誘電材料からフォトニック結晶に入射するＥＭ放射の文脈では、隣接する誘電材料が伝搬ＥＭモードをサポートする全ての可能な波数ベクトルおよび偏光に対するフォトニック・バンドギャップである「全方向性フォトニック・バンドギャップ」を定義することが可能である。同じ意味で、全方向性フォトニック・バンドギャップを、ライト・ライン（ｌｉｇｈｔ ｌｉｎｅ）よりも上の全てのＥＭモードに対するフォトニック・バンドギャップと定義することも可能である。このライト・ラインは、フォトニック結晶に隣接する材料によってサポートされた最低周波数伝搬モードを定義する。例えば空気中ではライト・ラインがおおよそω＝ｃβによって与えられる。上式でωは放射の角周波数、βは波数ベクトル、ｃは光速である。全方向性平面反射器の説明が、本願明細書に援用する米国特許第６１３０７８０号に開示されている。さらに、誘電体の互層を使用して、円柱形の導波路幾何形状に（平面限界の）全方向反射を提供することが、本願明細書に援用する「ＯＭＮＩＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ
ＭＵＬＴＩＬＡＹＥＲ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＩＮＧ」という名称のヨエル・フィンク（Ｙｏｅｌ Ｆｉｎｋ）他の米国特許第６４６３２００号に開示されている。
【００４５】
閉じ込め領域１１０の互層１３０および１４０がコア１２０に関して全方向バンドギャップを生み出すとき、コアから閉じ込め領域に入射するＥＭ放射は原理上完全に反射されるので、導波モードは強く閉じ込められる。しかし、このような完全な反射が起こるのは層の数が無限であるときだけである。層の数が有限（例えば２重層として約１０個）のときには、全方向フォトニック・バンドギャップは例えば、０°から８０°までの全ての入射角および全方向バンドギャップに周波数を有するＥＭ放射の全ての偏光に対して、平面幾何形状で少なくとも９５％の反射に対応する。さらに、フォトニック結晶ファイバ導波路１００が、全方向性でないバンドギャップを有する閉じ込め領域を有するときであっても、この導波路は依然として強い導波モード、例えばバンドギャップの周波数範囲について０．１ｄＢ／ｋｍ未満の放射損を有するモードをサポートする。一般に、バンドギャップが全方向性であるか否かは、互層によって生み出されるバンドギャップのサイズ（一般に２つの層の屈折率差とともに変化する）およびフォトニック結晶の屈折率が最も小さい成分によって決まる。
【００４６】
ブラッグ構成に似た構成では、高屈折率層の屈折率および厚さを変更することができ、かつ／または低屈折率層の屈折率および厚さを変更することができる。閉じ込め領域はさらに、１周期当たり３つ以上の層（例えば１周期当たり３つまたはそれ以上の層）を含む周期構造を含むことができる。さらに、屈折率変調はファイバ半径の関数として閉じ込め領域の中で連続的にまたは不連続的に変更することができる。一般に、閉じ込め領域は、フォトニック・バンドギャップを生み出す任意の屈折率変調に基づくことができる。
【００４７】
多層構造１１０は半径方向の軸に関して周期的な屈折率変動を有するため、この実施形態では多層構造１１０がブラッグ反射器を形成する。適当な屈折率変動は約１／４波長条件である。垂直入射では、それぞれの層が等しい光学的厚さλ／４を有し、または同じことだがｄＨ／ｄＬ＝ｎＬ／ｎＨである「１／４波長」スタックに対して最大バンドギャップが得られることがよく知られている。ｄおよびｎは高屈折率および低屈折率層の厚さおよび屈折率を指す。これらはそれぞれ層２４０および２３０に対応する。垂直入射はβ＝０に対応する。円柱形導波路では、所望のモードが一般にライト・ラインω＝ｃβの近くにある（大きなコア半径限界では、最も低い次数のモードが実質上、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、１／４波長条件は下式のようになる。
【００４８】
【数１】
【００４９】
この１／４波長条件は円柱形幾何形状によって修正されるため、厳密に言えば、この式は必ずしも最適ではない。円柱形幾何形状では、それぞれの層の光学的厚さがその半径方向の座標とともに滑らかに変化する必要がある。それにもかかわらずこの式は、特に中央バンドギャップ波長よりも大きなコア半径に対して、多くの望ましい特性を最適化するための優れた指針となることが分かっている。
【００５０】
フォトニック結晶ファイバ導波路のいくつかの実施形態が、２００２年１月２５日に出願され、現在、公告番号ＵＳ−２００２−０１６４１３７−Ａ１として公告されている本
願明細書に援用するスティーブン Ｇ．ジョンソン（Ｓｔｅｖｅｎ Ｇ．Ｊｏｈｎｓｏｎ）他の「ＬＯＷ−ＬＯＳＳ ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＣＲＹＳＴＡＬ ＦＩＢＥＲ ＨＡＶＩＮＧ ＬＡＲＧＥ ＣＯＲＥ ＲＡＤＩＵＳ」という名称の米国特許出願第１０／０５７２５８号に記載されている。
【００５１】
コア１２０の半径は、ファイバ１２０の最終用途に応じて変更できる。コアの半径は、ファイバによって導波されるエネルギーの波長または波長範囲によって、およびファイバがシングル・モード・ファイバなのかまたはマルチモード・ファイバなのかによって変わってくる。例えばファイバが可視波長（例えば波長約４００ｎｍから８００ｎｍ）を導くシングル・モード・ファイバである場合には、コア半径は、サブミクロンから数ミクロン程度（例えば約０．５μｍから５μｍ）となる。しかしファイバがＩＲ波長（約２μｍから１５μｍ、例えば１０．６μｍ）を導くマルチモード・ファイバである場合には、コア半径は、数十から数千ミクロン程度（例えば約１０μｍから２，０００μｍ、例えば５００μｍから１，０００μｍ）となる。コア半径は約５λ超（例えば約１０λ超、２０λ超、３０λ超、５０λ超、１００λ超）である。ただしλは導かれるエネルギーの波長である。
【００５２】
以前に論じたとおり、支持層１５０は閉じ込め領域１１０に機械的支持を提供する。支持層１５０の厚さは希望に応じて変更することが可能である。いくつかの実施形態では、支持層１５０が閉じ込め領域１１０よりもかなり厚い。例えば支持層１５０の厚さを、閉じ込め領域１１０の厚さの約１０倍以上（例えば２０倍超、３０倍超、５０倍超）とすることが可能である。
【００５３】
支持層１５０の組成は通常、閉じ込め領域１１０に対して所望の機械的支持および保護が提供されるように選択される。多くの実施形態では、支持層１５０が、閉じ込め領域１１０と一緒に線引きすることが可能な材料から形成される。一緒に線引きするのに適した材料を選択するための基準については後に論じる。いくつかの実施形態では、閉じ込め領域１１０の形成に使用される材料と同じ材料から支持層を形成する。例えば、層１３０がポリマーから形成される場合、支持層１５０を同じポリマーから形成することが可能である。
【００５４】
次に、閉じ込め領域１１０の層１３０および１４０の組成について説明する。高屈折率部分（例えば層１４０）を形成するのに適当な高さの屈折率を有する材料には、カルコゲン・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んだガラス）、重金属酸化物ガラス、アモルファス合金およびこれらの組合せが含まれる。
【００５５】
カルコゲン元素の他に、カルコゲン・ガラスは以下の１つ以上の元素を含むことができる：ホウ素、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、ガリウム、ゲルマニウム、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、臭化物、ヨウ素）。
【００５６】
カルコゲン・ガラスは２成分または３成分ガラス、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、あるいはこれらの元素に基づくＡｓ−Ｇａ−Ｇｅ−Ｓ、Ｐｂ−Ｇａ−Ｇｅ−Ｓなどの複合多成分ガラスとすることが可能である。カルコゲン・ガラスの中のそれぞれの元素の比率は変更可能である。適当な高さの屈折率を有するカルコゲン・ガラスは例えば、ヒ素５〜３０モル％、ゲルマニウム２０〜４０モル％、セレン３０〜６０モル％から形成される。
【００５７】
高屈折率を有する重金属酸化物ガラスの例には、Ｂｉ２Ｏ３含有ガラス、ＰｂＯ含有ガラス、Ｔｌ２Ｏ３含有ガラス、Ｔａ２Ｏ３含有ガラス、ＴｉＯ２含有ガラスおよびＴｅＯ２含有ガラスが含まれる。
【００５８】
適当な高さの屈折率を有するアモルファス合金には、Ａｌ−Ｔｅ、Ｒ−Ｔｅ（Ｓｅ）が含まれる（Ｒ＝アルカリ）。
低屈折率部分（例えば層１３０）を形成するのに適当な低さの屈折率を有する材料には、酸化物ガラス、ハロゲン化物ガラス、ポリマーおよびこれらの組合せが含まれる。炭酸エステル（例えばポリカーボネート（ＰＣ））、スルホン（例えばポリ（エーテルスルホン）（ＰＥＳ））、エーテルイミド（例えばポリ（エーテルイミド）（ＰＥＩ））、およびアクリル酸エステル（例えばポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ））類のポリマー、ならびにフルオロポリマーを含むポリマーも釣り合いのよい候補である。
【００５９】
適当な酸化物ガラスには例えば、以下の１種または数種の化合物を含むガラスが含まれる：Ｍ２Ｏ ０〜４０モル％（ＭはＬｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓ）；Ｍ’Ｏ ０〜４０モル％（Ｍ’はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、ＺｎまたはＰｂ）；Ｍ”２Ｏ３ ０〜４０モル％（Ｍ”はＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＳｎまたはＢｉ）；Ｐ２Ｏ５ ０〜６０モル％；およびＳｉＯ２ ０〜４０モル％。
【００６０】
フォトニック結晶ファイバ導波路の部分は任意選択で他の材料を含み得る。例えば、任意の部分が、自体の屈折率を変化させる１種または数種の材料を含み得る。部分は、自体の屈折率を増大させる材料を含み得る。このような材料には例えば、ホウケイ酸ガラスを含んでいる部分の屈折率を増大させる酸化ゲルマニウムが含まれる。あるいは、部分は、自体の屈折率を低下させる材料を含むことも可能である。例えば酸化ホウ素は、ホウケイ酸ガラスを含んでいる部分の屈折率を低下させる。
【００６１】
高屈折率差ファイバ導波路の部分は均質または不均質とすることが可能である。例えば、１つ以上の部分が、不均質部分を形成するためにホスト材料に埋め込まれた１種類の材料のナノ粒子（例えば導波波長の光の散乱を最小限に抑える十分に小さな粒子）を含み得る。この１例が、高屈折率カルコゲン・ガラスのナノ粒子をポリマー・ホストの中に埋め込むことによって形成された高屈折率ポリマー複合材料である。他の例には、無機ガラス・マトリックス中のＣｄＳｅおよび／またはＰｂＳｅナノ粒子などがある。
【００６２】
ファイバ導波路の部分は、自体の機械的、レオロジー的および／または熱力学的ふるまいを変化させる材料を含み得る。例えば、１つ以上の部分が可塑剤を含み得る。部分は、結晶化またはファイバ内での他の望ましくない相的ふるまいを抑え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）を含めることによって抑えることができる。他の例として、ガラス・セラミック材料が望ましい場合には、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などの核生成剤を材料に含めることが可能である。
【００６３】
部分はさらに、ファイバの隣接する部分間（例えば低屈折率層と高屈折率層の間）の界面に影響を及ぼすように設計された化合物を含み得る。このような化合物には接着促進剤、相溶化剤などがある。例えば、シリカ・ベースのガラス部分とポリマー部分の間の接着を促進するためにオルガノシラン化合物を使用することが可能である。例えば、リンまたはＰ２Ｏ５は、カルコゲニド・ガラスと酸化物ガラスの両方と両立し、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。
【００６４】
ファイバ導波路は、特定のファイバ導波路応用に固有の追加の材料を含むことができる。例えばファイバ増幅器では、ファイバ内の光信号と相互作用してファイバによる１つ以
上の光波長の吸収または発光を増強する能力を有する任意のドーパントまたはドーパントの組合せ、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・イオンなどの少なくとも１種の希土類イオンから任意の部分を形成することが可能である。
【００６５】
高屈折率差導波路の部分は、１種または数種の非線形材料を含み得る。非線形材料は、導波路の非線形応答を増強する材料である。具体的には非線形材料はシリカよりも大きな非線形応答を有する。例えば非線形材料は、シリカのカー非線形インデックス（Ｋｅｒｒ
ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｉｎｄｅｘ）よりも大きい（すなわち３．５×１０−２０ｍ２／Ｗ超、例えば５×１０−２０ｍ２／Ｗ超、１０×１０−２０ｍ２／Ｗ超、２０×１０−２０ｍ２／Ｗ超、１００×１０−２０ｍ２／Ｗ超、２００×１０−２０ｍ２／Ｗ超の）カー非線形インデックスｎ（２）を有する。
【００６６】
線引き工程を使用して頑丈なファイバ導波路を製造するときには、所望の光学特性を有する材料の組合せの全てが適当というわけではない。一般に、レオロジー的、熱機械的および物理化学的に両立する材料を選択しなければならない。両立する材料を選択するためのいくつかの基準について次に論じる。
【００６７】
第１の基準は、レオロジー的に両立する材料を選択することである。言い換えると、ファイバの線引きおよび動作のさまざまな段階で遭遇する温度に対応する幅広い温度範囲にわたって同様の粘度を有する材料を選択しなければならない。粘度は、加えられたせん断応力下での流動に対する流体の抵抗である。本願明細書ではポアズを単位として粘度を表す。レオロジー的両立性に関して詳しく述べる前に、所与の材料に対する一組の特性温度を定義しておくことは有用である。この特性温度は所与の材料が特定の粘度を有する温度である。
【００６８】
焼なまし点Ｔａは、材料の粘度が１０１３ポアズとなる温度である。Ｔａは、オートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ ＳＰ−２Ａ Ｓｙｓｔｅｍを使用して測定することが可能である。Ｔａは一般に、ガラス片の粘度が残留応力の解放を許す十分に低い粘度になる温度である。
【００６９】
軟化点Ｔｓは、材料の粘度が１０７．６５ポアズとなる温度である。Ｔｓは、軟化点計測器、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ ＳＰ−３Ａを使用して測定することが可能である。軟化点は、材料の流動の性質が可塑性から粘性に変化する温度に関係する。
【００７０】
加工点Ｔｗは、材料の粘度が１０４ポアズとなる温度である。Ｔｗは、ガラス粘度計、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ ＳＰ−４Ａを使用して測定することが可能である。加工点は、ガラスを容易にファイバに線引きすることが可能な温度に関係する。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、材料の加工点温度が２５０℃超、例えば約３００℃，４００℃、５００℃またはそれ以上であり得る。
【００７１】
融点Ｔｍは、材料の粘度が１０２ポアズとなる温度である。Ｔｍも、ガラス粘度計、例えばオートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ ＳＰ−４Ａを使用して測定することが可能である。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の線引き工程の制御が非常に難しくなる温度に関係する。
【００７２】
レオロジー的に両立するためには、幅広い温度範囲、例えばファイバを線引きする温度から、ファイバが識別可能な速度では応力をもはや解放し得ない温度（例えばＴａ）までの温度範囲にわたって、２種類の材料が同様の粘度を有していなければならない。したがって、線引きされたときにこの２種類の材料が似通った速度で流動するように、両立する２種類の材料の加工温度は同様でなければならない。例えば、第１の材料の粘度η１（Ｔ）を第２の材料の加工温度Ｔｗ２で測定した場合、η１（Ｔｗ２）は少なくとも１０３ポアズ、例えば１０４ポアズまたは１０５ポアズであり、かつ１０６ポアズ以下でなければならない。さらに、線引きしたファイバが冷却するにつれて、両方の材料のふるまいは同様の温度で粘性から弾性に変化しなければならない。言い換えると、この２種類の材料の軟化温度は同様でなければならない。例えば、第２の材料の軟化温度Ｔｓ２で、第１の材料の粘度η１（Ｔｓ２）は少なくとも１０６ポアズ、例えば１０７ポアズまたは１０８のポアズであり、かつ１０９ポアズ以下でなければならない。好ましい実施形態では、両方の材料を一緒に焼きなますことが可能でなければならず、そのため、第２の材料の焼なまし温度Ｔａ２での第１の材料の粘度η１（Ｔａ２）は、少なくとも１０８ポアズ（例えば少なくとも１０９ポアズ、少なくとも１０１０ポアズ、少なくとも１０１１ポアズ、少なくとも１０１２ポアズ、少なくとも１０１３ポアズ、少なくとも１０１４ポアズ）でなければならない。
【００７３】
レオロジー的に両立するためにはさらに、温度に対する両方の材料の粘度変化（すなわち粘度の傾き）ができるだけ一致していることが好ましい。
第２の選択基準は、焼なまし温度と室温の間の温度でそれぞれの材料の熱膨張率（ＴＥＣ）が似通っていなければならないことである。言い換えると、ファイバが冷却し、そのレオロジーが液体状から固体状に変化するときに、両方の材料の体積が同様の量だけ変化しなければならない。２種類の材料のＴＥＣの一致が十分でない場合には、２つのファイバ部分間の大きな体積変化の差の結果、大量の残留応力が発生する可能性があり、それによって１つ以上の部分に亀裂が入り、かつ／または剥離が生じる可能性がある。材料の破壊応力よりも十分に低い応力であっても残留応力が遅れ破壊を引き起こす可能性もある。
【００７４】
ＴＥＣは、温度変化に伴う試料の長さのごくわずかな変化の尺度である。このパラメータは、所与の材料に対して、温度−長さ曲線（またはこれと等価の温度−体積曲線）の傾きから計算することが可能である。材料の温度−長さ曲線は、例えば、オートン・セラミック・ファウンデーション（Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）社（米オハイオ州ウェスタービル（Ｗｅｓｔｅｒｖｉｌｌｅ））のＭｏｄｅｌ １２００Ｄ膨張計などの膨張計を使用して測定することが可能である。ＴＥＣは、選択された温度範囲にわたって、または所与の温度での瞬時変化として測定することが可能である。この量の単位は℃−１である。
【００７５】
多くの材料で、温度−長さ曲線には異なる傾きを有する２つの直線領域が存在する。曲線が第１の直線領域から第２の直線領域に変化する遷移領域が存在する。この領域は、ガラス試料のふるまいが、固体材料に通常関連したふるまいから、粘性流体に通常関連したふるまいに遷移するガラス転移に関連する。これは連続的な遷移であり、傾きの不連続な変化とは対称的に、温度−体積曲線の傾きの緩やかな変化によって特徴づけられる。ガラス転移温度Ｔｇは、外挿したガラス固体の線と粘性流体の線とが交差する温度と定義される。ガラス転移温度は、ぜい性固体から流動可能な固体への材料レオロジーの変化に関連した温度である。物理的にはガラス転移温度は、材料の中の分子のさまざまな平行移動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係する。ガラス転移温度はしばしば、粘度が１０１３ポアズとなるおおよその焼なまし点とされるが、実際には、測
定されるＴｇは相対的な値であり、測定法に左右される。
【００７６】
膨張計を使用して膨張計軟化点Ｔｄｓを測定することも可能である。膨張計は、試料に小さな圧縮荷重をかけその試料を加熱することによって機能する。試料の温度が十分に高くなると材料は軟化し始め、圧縮荷重が、体積または長さの低減として観察される試料の曲がりを引き起こす。この相対値を膨張計軟化点と呼び、これは通常、材料の粘度が１０１０から１０１２．５ポアズであるときに生じる。材料の正確なＴｄｓ値は通常、装置および測定パラメータに依存する。同様の装置および測定パラメータが使用されるときには、この温度は、この粘度範囲におけるさまざまな材料のレオロジー的両立性の有用な尺度を提供する。
【００７７】
先に述べたとおり、ＴＥＣを一致させることは、線引き工程中のファイバに発生する過大な残留応力を持たないファイバを得るための重要な考慮事項である。一般に、２つの材料のＴＥＣが十分には一致していないとき、残留応力は弾性応力として生じる。弾性応力成分は、ガラス転移温度から室温（例えば２５℃）まで冷却されるときのファイバのさまざまな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。線引き工程中にファイバの材料が任意の界面で融合されまたは接合される実施形態では、材料のＴＥＣの違いによって界面に応力が生じる。一方の材料は引っ張られ（正の応力）、もう一方の材料は圧縮され（負の応力）、そのため全体の応力はゼロになる。穏やかな圧縮応力は通常、ガラス・ファイバにとって大きな問題ではないが、引張応力は望ましくなく、時間がたつと破損につながる可能性がある。したがって、線引き時にファイバに生じる弾性応力を最小化するために成分材料のＴＥＣの差を最小化することが望ましい。例えば、２つの異なる材料から形成された複合ファイバでは、膨張計を用いて加熱速度３℃／分で測定したＴｇと室温との間のそれぞれのガラスのＴＥＣの絶対差が、５×１０−６℃−１以下（例えば４×１０−６℃−１以下、３×１０−６℃−１以下、２×１０−６℃−１以下、１×１０−６℃−１以下、５×１０−７℃−１以下、４×１０−７℃−１以下、３×１０−７℃−１以下、２×１０−７℃−１以下）でなければならない。
【００７８】
同様のＴＥＣを有する材料を選択することによって弾性応力成分を最小化することが可能だが、残留応力は粘弾性応力成分からも発生し得る。粘弾性応力成分は、成分材料のひずみ点温度またはガラス転移温度に十分な差があるときに生じる。Ｔｇよりも低い温度に冷却されると、材料はかなりの大きさの体積収縮を受ける。冷却時のこの遷移で粘度が変化すると、応力を緩和するために必要な時間はゼロ（瞬時）から数分まで増大する。例えば異なるガラス転移範囲（および異なるＴｇ）を有するガラスおよびポリマーでできた複合プリフォームを考える。線引きの初期、ガラスおよびポリマーは粘性流体としてふるまい、線引きひずみに起因する応力はすぐに緩和される。線引き炉の最も熱い部分を出ると、ファイバは急速に熱を失い、ファイバ材料の粘度および応力緩和時間を指数関数的に増大させる。Ｔｇまで冷却させると、ガラスおよびポリマーは事実上それ以上の応力を解放することができない。応力緩和時間が線引き速度に比べて非常に大きくなっているためである。そのため、成分材料が異なるＴｇ値を有しているとすると、Ｔｇまで冷却した第１の材料はもはや応力を低減させることができず、第２の材料は依然としてそのＴｇよりも高く、材料間で発生した応力を解放することが可能である。第２の材料がＴｇまで冷却されると、材料間に生じた応力はもはや効果的には緩和されない。さらにこの時点で、第２のガラスの体積収縮は、（温度がそのＴｇよりも低く、ぜい性固体としてふるまっている）第１の材料の体積収縮よりもはるかに大きい。このような状況の結果、ガラスとポリマーの間には十分な応力が発生し、その結果、一方または両方の部分が機械的に破損する。このことから、線引き時にファイバに生じる粘弾性応力を最小化するためには成分材料間のＴｇの差を最小化することが望ましいという、ファイバ材料を選択するための第３の選択基準が導かれる。第１の材料のガラス転移温度Ｔｇ１は、第２の材料のガラス転移温度Ｔｇ２から１００℃以内であることが好ましい（例えば｜Ｔｇ１−Ｔｇ２｜が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）。
【００７９】
成分材料間の差に起因する線引きしたファイバの永久応力を発生させる２つの機構（すなわち弾性および粘弾性）が存在するため、これらの機構を使用して互いを相殺することができる。例えば、材料のＴｇの不一致が反対の符号の応力を生み出す場合、ファイバを構成している材料は、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。反対に、材料の熱膨張が全体の永久応力を低減させる場合には、材料間のＴｇのより大きな差は許容される。熱膨張とガラス転移温度差の併用効果を評価する１つの方法は、それぞれの成分材料の温度−長さ曲線を比較する方法である。上記の傾き−接線法を使用してそれぞれの材料のＴｇを見つけた後に、低いほうのＴｇ温度値のところで曲線が一致するように一方の曲線を縦軸に沿って移動させる。室温でのｙ切片の差は、ガラスが結合されなかった場合に予想されるひずみεを与える。Ｔｇから室温までの温度範囲でより大きな量の収縮を示す材料の予想される引張応力σは、下式から単純に計算することが可能である。
【００８０】
σ＝Ｅ・ε
上式でＥはその材料の弾性率である。一般に、１００ＭＰａ未満（例えば５０ＭＰａ未満、３０ＭＰａ未満）の残留応力値は、２つの材料が両立することを示すのに十分な小ささである。
【００８１】
第４の選択基準は候補材料の熱安定性が一致することである。熱安定性の尺度は温度間隔（Ｔｘ−Ｔｇ）によって与えられる。上式でＴｘは、それぞれの分子がその最も低いエネルギー状態を見つけることが可能な程度に材料をゆっくりと冷却したときに結晶化が始まる温度である。したがって、結晶相は、材料にとってガラス相よりもエネルギー的により有利な状態である。しかし、ファイバ導波路応用に関して言えば材料のガラス相は一般に、結晶相に優る性能および／または製造利点を有する。結晶化温度がガラス転移温度に近いほど、材料は線引き中に結晶化されやすく、このことはファイバにとって有害である（例えば伝送損を増大させ得る光学的不均一性をファイバに導入する）。通常は、熱安定性間隔（Ｔｘ−Ｔｇ）が少なくとも８０℃（例えば少なくとも１００℃）あれば、プリフォームからファイバを線引きすることによって材料をファイバにするのに十分である。好ましい実施形態では、熱安定性間隔が少なくとも１２０℃、例えば１５０℃、２００℃またはそれ以上である。Ｔｘは、示差熱分析計（ＤＴＡ）、示差走査熱量計（ＤＳＣ）などの熱分析機器を使用して測定することが可能である。
【００８２】
一緒に線引きすることが可能な材料を選択するときに考慮すべき他の事項は、材料の融解温度Ｔｍである。融解温度では、材料の粘度が低くすぎて、ファイバの線引き工程中に正確なジオメトリーをうまく維持することができない。したがって好ましい実施形態では、一方の材料の融解温度が、レオロジー的に両立する第２の材料の加工温度よりも高い。言い換えると、プリフォームを加熱したときに、プリフォームのいずれかの材料が融解する前に、プリフォームの温度が、プリフォームをうまく線引きすることが可能な温度に達する。
【００８３】
一緒に線引きすることが可能であり、閉じ込め領域の層間の高い屈折率差を有するフォトニック結晶ファイバ導波路を提供する１対の材料の１例は、Ａｓ２Ｓｅ３とポリマーＰＥＳである。Ａｓ２Ｓｅ３のガラス転移温度（Ｔｇ）は約１８０℃、熱膨張率（ＴＥＣ）は約２４×１０−６／℃である。１０．６μｍでＡｓ２Ｓｅ３の屈折率は２．７７７５、吸収係数αは５．８ｄＢ／ｍである。この屈折率は、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、５０５、１１（１９８４）に記載されているハルトウニ（Ｈａｒｔｏｕｎｉ）らの測定により、吸収係数、「Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ
ａｌｌｉｎｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｉｎ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、Ａ．アンドリーシュ（Ａ．Ａｎｄｒｉｅｓｈ）およびＭ．ベルトロッチ（Ｍ．Ｂｅｒｔｏｌｏｔｔｉ）編、ＮＡＴＯ ＡＳＩ Ｓｅｒｉｅｓ、３、Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、３６巻、１５５ページ（１９９６）に記載されているボイト（Ｖｏｉｇｔ）およびリンケ（Ｌｉｎｋｅ）の測定による。これらの参考文献はともに本願明細書に援用される。ＰＥＳのＴＥＣは約５５×１０−６／℃、屈折率は約１．６５である。
【００８４】
いくつかの実施形態では、導波路１００などのフォトニック結晶ファイバ導波路を、平面多層物品を丸めて渦巻構造にし、この渦巻構造から得られたプリフォームからファイバを線引きすることによって製造する。
【００８５】
図２Ａを参照する。プリフォームを調製するため、ポリマー・フィルム２１０の表面２１１にガラスを付着させる２２０。このガラスは、熱蒸着、化学蒸着またはスパッタリングを含むいくつかの方法によって付着させることが可能である。図２Ｂを参照する。この付着工程によって、ポリマー・フィルム２１０上のガラス層２３０からなる多層物品２４０を得る。
【００８６】
図２Ｃを参照する。この付着工程に続き、心棒２５５（例えばホウケイ酸ガラスなどの中空ガラスまたはポリマー管）に多層フィルム２４０を巻き付けて、渦巻管を形成する。次いでこの渦巻管に、数枚（例えば約３枚から１０枚）のポリマー・フィルムを巻き付けてプリフォーム・ラップを形成する。いくつかの実施形態では、このポリマー・フィルムが、多層物品を形成するのに使用されたものと同じポリマーまたはガラスから作られる。真空条件下でこのプリフォーム・ラップを、多層フィルム２４０および渦巻管に巻き付けられたフィルムを形成しているポリマーおよびガラスのガラス転移温度よりも高い温度まで加熱する。プリフォーム・ラップは、渦巻管の層が互いに融合し、渦巻管が渦巻管に巻き付けられたポリマー・フィルムと融合するのに十分な時間加熱する。加熱温度および加熱時間は、プレフォーム・ラップの組成に依存する。例えばこの多層がＡｓ２Ｓｅ３とＰＥＳからなり、ラッピング・フィルムがＰＥＳからなる場合には一般に、２００〜３００℃（例えば約２５０℃）で１５〜２０分（例えば約１８分）加熱すれば十分である。この加熱はさまざまな層を互いに融合させ、渦巻管とラッピング・フィルムとを合着させる。合着後の構造が図２Ｄに示されている。渦巻管は合着して、丸められた多層フィルム２４０に対応する多層領域２６０になっている。巻き付けたポリマー・フィルムは合着して単一の支持クラッド２７０となっている。この合着後の構造は心棒２５５の中空コア２５０を保持している。
【００８７】
渦巻管にポリマー・フィルムを巻き付けて支持クラッド２７０とする代わりに、渦巻管の外径に一致した内径を有する中空管に渦巻管を挿入することも可能である。
合着後の構造から心棒２５５を取り去って中空プリフォームを得る。次いでこれを線引きしてファイバにする。プリフォームは、最終的なファイバと同じ組成および同じ相対寸法（例えば閉じ込め領域の層の厚さに対するコア半径）を有する。ファイバの絶対寸法は使用する線引き比に依存する。（例えば数千メートルの）長いファイバを線引きすることができる。次いで線引きしたファイバを所望の長さに切断することが可能である。
【００８８】
心棒が渦巻管の堅固な支持となるように、合着は、心棒のガラス転移よりも低い温度で実施されることが好ましい。このことは多層フィルムが真空条件下でつぶれないことを保証する。心棒の組成は、合着後に多層管の最も内側の層から外れるように選択することが可能である。あるいは、合着時に心棒が多層管の最も内側の層に接着する場合、心棒は例えばエッチングによって化学的に除去することもできる。例えば、心棒がガラス毛管である実施形態では、例えばフッ化水素酸を使用して心棒をエッチングしてプリフォームを得ることが可能である。
【００８９】
中実のコアが望ましい実施形態では、ファイバの他の部分と一緒に線引きされる中実の心棒の周りに多層管を合着することが可能である。あるいは他の実施形態では、心棒を用いずに多層フィルムを丸めて自己支持型の渦巻管を得ることも可能である。
【００９０】
いくつかの実施形態では、ポリマー・フィルム２１０の両面をガラスでコーティングすることが可能である。それぞれのガラス層の厚さが、片面だけに付着させたガラス層の厚さの半分でよいため、この方法は有利である。薄いガラス層は一般に、丸める間に起こり得る機械的応力損傷を受けにくい。
【００９１】
以上に論じた技法を使用して調製したフォトニック結晶ファイバ導波路は低い欠陥密度を有する。導波路は例えば、ファイバ１０メートル当たり約１個未満（例えばファイバ２０メートル当たり約１個未満、ファイバ５０メートル当たり約１個未満、ファイバ１００メートル当たり約１個未満）の欠陥を有する。欠陥には、材料欠陥（例えば不純物）と構造欠陥（例えば層間剥離、層の亀裂）の両方が含まれ、これらはともに、導かれた放射をコアから散乱させて信号損失を引き起こし、ファイバの局部加熱を生じさせ得る。したがって、信号損失に敏感な応用（例えばファイバによって吸収された放射によってファイバが損傷する可能性がある高パワー応用）ではファイバ欠陥を低減させることが望ましい。
【００９２】
基板の両面を覆うガラス・フィルムから形成されたフォトニック結晶ファイバ導波路は、ガラス・フィルムが片面だけを覆うファイバ導波路とは少し異なる屈折率プロファイルを提供する。例えば図３Ａおよび３Ｂを参照すると、両面がコーティングされた多層フィルムから形成されたファイバの閉じ込め領域３１０は、連続した渦巻ポリマー層３３０／ガラス層３４０を有する。ガラス層３４０の最も内側の領域３４０Ａおよび最も外側の領域３４０Ｂはポリマーを覆う単一のガラス層に対応し、それに比べて他の領域は２倍の層厚を有する。半径方向の断面３６０でとったその屈折率プロファイルが図３Ｂに示されている。
【００９３】
いくつかの実施形態では、丸める前に２枚以上の多層フィルムを調製し重ね合わせる。このようにすると、フィルムのサイズを増大させることなく閉じ込め領域の層の数を増やすことが可能になる。
【００９４】
先に論じたとおり、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用してＩＲ放射を導くことが可能である。ＩＲ放射は、約０．７ミクロンから２０ミクロン（例えば約２から５ミクロン、または約８から１２ミクロン）の波長を有する。いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、約６．５ミクロンまたは１０．６ミクロンの波長を有する放射を発射するＣＯ２レーザなどのＩＲレーザからの放射を導くことが可能である。ＩＲエネルギーを発射することが可能なレーザにはこの他、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（例えば波長１．０６４ミクロン）、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ（例えば波長２．９４ミクロン）、Ｅｒ，Ｃｒ：ＹＳＧＧ（エルビウム、クロムをドープしたイットリウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット）レーザ（例えば波長２．７９６ミクロン）、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ（例えば波長２．１ミクロン）、自由電子レーザ（例えば波長６から７ミクロン）、量子カスケード・レーザ（例えば波長３から５ミクロン）などがある。
【００９５】
いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路を使用して、極めて高いパワー密度を有する放射を導くことが可能である。例えば導波路を使用して、約１００Ｗ／ｃｍ２を超えるパワー密度（例えば約３００Ｗ／ｃｍ２超、５００Ｗ／ｃｍ２超、１ｋＷ／ｃｍ２超、例えば約１０ｋＷ／ｃｍ２以上のパワー密度）を有する放射を導くことが可能である。コアの中を導かれる放射の吸収が小さいため、特に中空コア導波路はこのような応用によく適している。導波波長の吸収が小さい材料を導波路の閉じ込め領域の材料に
選択することによって、吸収損をさらに軽減することが可能である。先に論じたとおり、例えばカルコゲン・ガラスはＩＲ波長での吸収が小さく、高パワーＩＲ導波路によく適している。導波路性能を低下させるだけでなく導波路に損傷を与える可能性もある放射損は、高い屈折率差を有する材料を閉じ込め領域の材料として選択することによってさらに低減させることが可能である。
【００９６】
高パワー・レーザからの放射をファイバに結合することによってファイバ導波路中に高パワー密度を生み出すことが可能である。例えば、先に挙げたいくつかのレーザなどの高パワーＩＲレーザからの放射をフォトニック結晶ファイバ導波路を使用して導くことが可能である。レーザの出力パワーは約１ワット超（例えば約５ワット、１０ワット、２５ワットまたはそれ以上）とすることが可能である。いくつかの応用では、レーザの出力エネルギーを約１００ワット超、例えば数百ワット（例えば約２００ワット超、３００ワット超、５００ワット超、１キロワット超）とすることが可能である。
【００９７】
いくつかの実施形態では、フォトニック結晶ファイバ導波路が比較的に小さい伝送損を有する。例えば、伝送損を約２ｄＢ／ｍ未満（例えば約１ｄＢ／ｍ未満、０．５ｄＢ／ｍ未満、例えば０．２ｄＢ／ｍ以下）とすることが可能である。このファイバ導波路はＩＲ波長、例えば約３〜５ミクロン（例えば約３．５ミクロン）または約１０〜１２ミクロン（例えば約１０．６ミクロン）のある波長でで、低い伝送損を有することが可能である。同様の材料から作られたＴＩＲ光ファイバに比べて伝送損を大幅に（例えば１〜３桁以上）低くすることが可能である。例えば中空コアとカルコゲン・ガラス／ポリマーの閉じ込め領域とを有するフォトニック結晶ファイバ導波路は、カルコゲン・ガラス・コアとポリマー・クラッドとを有するＴＩＲファイバよりもかなり低い伝送損を有する。例えばＡｓ２Ｓｅ３での損失は１０．６ミクロンで約７〜１０ｄＢ／ｍと報告されており、ＰＥＳでの損失は１０．６ミクロンで約１００，０００ｄＢ／ｍである。これとは対照的に、Ａｓ２Ｓｅ３／ＰＥＳ閉じ込め領域を有するフォトニック結晶ファイバ導波路の損失は約１ｄＢ／ｍ未満とすることが可能である。この比較的に低い損失は、導かれた電磁波のファイバの閉じ込め領域への侵入深度が浅いことによって可能になると考えられる。したがってたとえ閉じ込め領域の材料が導波波長で比較的に高い吸収を有するとしても、導かれる放射と材料の間の相互作用は最小限にとどまる。
【００９８】
フォトニック結晶ファイバ導波路はさらに、ファイバの曲がりに起因する比較的に小さい損失を受ける。例えば、曲率半径約１０ｃｍ未満（例えば約５ｃｍ未満、例えば４ｃｍ以下）でファイバを９０度曲げても、損失は約２ｄＢ未満（例えば１．５ｄＢ、１ｄＢ、０．５ｄＢまたはそれ以下）である。曲げに関連した損失が比較的に小さいことは、使用中にファイバが曲がっても伝送信号の相対強度があまり変化しないことが好ましい多くのファイバ用途において有利である。
【００９９】
伝送損（例えば固有損失および／または曲がりに起因する損失）が小さいことは一般に高パワー応用でも有利である。高パワー応用では、ファイバに沿って失われるパワーによって放射源からその目的地に送達されるパワーが低減することに加えて、ファイバの損傷も起こり得る。
【実施例１】
【０１００】
厚さ２５〜５０ミクロンのＰＥＳフィルムに熱蒸着を使用して厚さ５〜１０ミクロンのＡｓ２Ｓｅ３を付着させ、続いてこのコーティングされたフィルムを中空ガラス心棒に巻き付けることによって、さまざまなファイバを製造した。この管を厚いＰＥＳの外層で覆い、これを真空条件下で加熱して合着させた。合着後、心棒の中空コアにフッ化水素酸を導入することによって心棒をエッチングして除去した。このエッチングによって多層プリフォームを得た。これをそれぞれを光ファイバ線引き塔に入れ、線引きして数十から数百
メートルのファイバにした。
【０１０１】
線引き工程中にファイバの外径（ＯＤ）を監視することによってそれぞれのファイバのフォトニック・バンドギャップの名目位置を求めた。フォトニック・バンドギャップ位置は、ＯＤ測定によって提供される線引き比から求めた。ファイバＯＤの一般的な標準偏差はファイバＯＤの約１パーセントであった。
【０１０２】
図４Ａおよび４Ｂを参照する。ファイバの１断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）分析によれば、線引きしたファイバは比例した層厚比を概ね維持し、製造工程に関連した熱サイクリングおよび伸長の間にＰＥＳとＡｓ２Ｓｅ３フィルムはよく接着した。図４Ａおよび４Ｂに示した多層構造では、ＰＥＳ層（灰色）の厚さが約９００ｎｍ、Ａｓ２Ｓｅ３層（明色）の厚さが約２７０ｎｍであった（最初および最後のＡｓ２Ｓｅ３層を除く。これらの層の厚さは１３５ｎｍであった）。
【０１０３】
フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光計（Ｎｉｃｏｌｅｔ Ｍａｇｎａ ８６０）を用い、ファイバに光を結合する放物面鏡および外部検出器を使用して、広帯域ファイバ透過スペクトルを測定した。２つの異なる層構造を有するファイバに対するこれらの測定の結果を図５に示す。スペクトルごとに、基本および高次フォトニック・バンドギャップの光が導かれた。
【０１０４】
直径７００〜７５０ミクロンの中空コアを有し、ＯＤが１３００〜１４００ミクロンであり、１０〜１１ミクロン波長にまたがる基本フォトニック・バンドギャップを有するいくつかのファイバを調製した。図６Ａは、長さ約３０ｃｍのまっすぐなファイバを使用して測定した、これらのファイバのうちの１つのファイバのＦＴＩＲ透過スペクトルを示している。
【０１０５】
これらのファイバの伝送損を定量するため、ファイバ・カットバック測定を実施した。これらの測定は、約４メートルのまっすぐなファイバを通して伝送される放射の強度を、より短い長さに切断された同じファイバを通して伝送される強度と比較することを含む（図６Ｂ参照）。この試験は、複数のファイバに対して実施し、その結果は、異なる試験ファイバに関してほぼ同じであることが分かった。測定は、２５ワットのＣＯ２レーザ（ＧＥＭ−２５、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ−ＤＥＯＳ）および高パワー検出器（８１８Ｔ−１０検出器、ニューポート（Ｎｅｗｐｏｒｔ）社）を使用して実施した。ファイバ切断中の入力結合条件および伝搬条件の変動を低減させるために、ファイバはまっすぐに保持し、ファイバの両端および両端間の複数の箇所で固定した。レーザ・ビームは、集束レンズおよび直径５００ミクロンのピンホール開口を通してからファイバに結合した。さらに、不良位置合せによる偶発性のレーザ損傷を低減させるため、ファイバの入力端面を金属フィルムでコーティングした。
【０１０６】
約１０．６ミクロンにおけるファイバの基本バンドギャップの伝送損は、図６Ｂに示すように約０．９５ｄＢ／ｍと測定され、推定される測定の不確かさは約０．１５ｄＢ／ｍであった。約１０．６ミクロンを中心とするバンドギャップを有するファイバの曲げ解析（次に論じる）によれば、曲げ半径４〜１０ｃｍで９０度曲げたときの曲げ損失は約１．５ｄＢ／ｍ未満であった。
【０１０７】
曲げ損失の測定は、広帯域ＦＴＩＲ源および１０．６ミクロンで動作するＣＯ２レーザを使用して実施した。それぞれの測定では、さまざまな半径の金属円筒に巻き付けてファイバを９０度曲げた。曲げの後のファイバの量はそれぞれのケースで約１５ｃｍであった。この部分はそれぞれのケースでまっすぐに保った。図７に、ＦＴＩＲ分光計を使用して測定した、長さ約５０ｃｍのまっすぐなファイバとさまざまな曲げ半径で曲げた同じファ
イバの相対強度を示す。
【０１０８】
図７に示したＦＴＩＲ曲げ測定は、最も大きな半径での曲げに対して１ｄＢ未満の全曲げ損失値を与える。これらの結果を補強するため、長さ約２．５ｍのファイバを使用したＣＯ２レーザ測定を用いて同様の試験を実施した。図８に、ＣＯ２レーザでの、曲げのないファイバに対する９０度の曲げのｄＢで表した平均曲げ損失を示す。
【０１０９】
このＣＯ２レーザ曲げ損失の結果は、数回の試行の平均を表し、観察された損失の変動は約０．２ｄＢ程度であった。ＣＯ２レーザを使用して得られた結果は、ＦＴＩＲ装置を使用して得られた結果と同じ定性的特性を有していた。使用したさまざまな源は、さまざまなコヒーレンシ、開口数および偏光状態を有していたことに留意されたい。したがってそれらはさまざまな損失特性を有するモードに結合することが予想された。
【０１１０】
ＣＯ２レーザからファイバに結合された最大レーザ・パワー密度は約３００のＷ／ｍ２であり、これは、紙およびＰＥＳフィルム（ファイバの主成分）を通して穴を燃やすのに十分であった。放射が中空ファイバ・コアに適切に結合されたとき、ファイバの損傷は観察されなかった。ＣＯ２レーザ（ＧＥＭ−２５、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ−ＤＥＯＳ）はＨｅＮｅレーザを使用して位置を合わせた。ＨｅＮｅレーザを使用してＣＯ２レーザの経路を追跡した。これによって比較的に低いパワーのレーザで装置の位置を合わせることができる。参照ビームを分割するためレーザとファイバの間にＺｎＳｅビームスプリッタを置いた。ビームスプリッタを透過したビームは、ファイバに結合する前に、レンズ・アセンブリを使用して集中してピンホール開口を通した。ＧＰＩＢ／Ｌａｂｖｉｅｗコンピュータ・インタフェースを有するＮｅｗｐｏｒｔデュアル・チャネル・パワー・メータを使用して、ビームスプリッタ参照ビームおよびファイバ出力からデータを同時に集めた。
【０１１１】
カットバック測定では、素速いカミソリ切断動作を使用してファイバを切断し、合理的に再現可能な切断を生み出した。切断における残留変動を考慮するため、図６Ｂに示したカットバック測定データの記録されたそれぞれのデータ・ポイントの周囲で短い切断（例えば１〜２ｍｍ）を実施した。切断によってパワー・レベルはあまり変化しなかったが、明らかに劣等な切断からのデータは破棄した。１つの切断長のそれぞれの切断の測定データを平均して、図６Ｂに示したデータを得た。さらに、それぞれの切断の後に測定した透過ビームと参照ビームの間のパワー比を数分間にわたって時間平均した。
【０１１２】
ＣＯ２レーザの入力結合条件を変化させることによって、長さ約４メートル、コア径約７００ミクロンのファイバで、ファイバの可変モード出力パターンも観察した。ファイバは名目上まっすぐに保持した。モーダル出力パターンは、Ｓｐｉｒｉｃｏｎ Ｐｙｒｏｃａｍ ＩＩＩを使用して出力ビームを撮像することによって観察した。さまざまなモード・パターンの撮像は、ファイバが比較的に少ない数のモードで動作することを示唆した（例えばこれらのファイバは約１０以下の導波モードを有する）。
【０１１３】
追加の実施形態
本発明のいくつかの実施形態を説明した。それでもやはり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくさまざまな変更を実施できることを理解されたい。したがって、他の実施形態は特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１実施形態の断面図。
【図１Ｂ】図１Ａに示したフォトニック結晶ファイバ導波路の一部の屈折率プロファイルを示す図。
【図２Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の１工程を示す概略図。
【図２Ｂ】フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の１工程を示す概略図。
【図２Ｃ】フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の１工程を示す概略図。
【図２Ｄ】フォトニック結晶ファイバ導波路を製造するための方法の１工程を示す概略図。
【図３Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１実施形態の閉じ込め領域の断面図。
【図３Ｂ】図３Ａに示した閉じ込め領域の屈折率プロファイルを示す図。
【図４Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１例のＳＥＭ顕微鏡写真。
【図４Ｂ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１例のＳＥＭ顕微鏡写真。
【図５】フォトニック結晶ファイバ導波路の２つの異なる例の透過スペクトルを示す図。最も高い透過ピークはそれぞれのケースの１次フォトニック・バンドギャップに対応し、矢印はより高次のバンドギャップを指示する。
【図６Ａ】フォトニック結晶ファイバ導波路の１例の透過スペクトルを示す図。
【図６Ｂ】異なる長さに切断されたフォトニック結晶ファイバ導波路の１例の、ファイバ長に対する透過パワーの対数を示す図。図の傾きはｄＢ／ｍである。
【図７】さまざまな曲率半径で曲げられたファイバの透過スペクトルを示す図。
【図８】損失値は、曲がったファイバを透過した全パワーを、まっすぐに保持した同じファイバと比較することによって得た、ＣＯ２レーザからのＥＭ放射がフォトニック結晶ファイバ導波路を透過するときの曲げ損失を曲率の関数として示す図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路軸に沿って延びるコアを取り囲む、ポリマーおよびガラス等の異なる誘電材料の互層からなる高パワー低損失ファイバ導波路からなる物品。
【請求項２】
前記互層が渦巻構造を形成する請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記渦巻構造が、前記コアを複数回取り巻く、前記異なる材料の少なくとも２つの層からなる多層構造である請求項２に記載の物品。
【請求項４】
前記異なる材料が高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料からなり、該高屈折率材料の屈折率と該低屈折率材料の屈折率との比が１．５よりも大きい請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記異なる材料が高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料からなり、該高屈折率材料の屈折率と該低屈折率材料の屈折率との比が１．８よりも大きい請求項１に記載の物品。
【請求項６】
前記ガラスがカルコゲン・ガラスからなる請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記カルコゲン・ガラスがＡｓ２Ｓｅ３からなる請求項６に記載の物品。
【請求項８】
前記ポリマーがＰＥＳまたはＰＥＩからなる請求項６に記載の物品。
【請求項９】
前記互層の最も内側の層が、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有する請求項１に記載の物品。
【請求項１０】
前記互層の厚さが、波長約１０．６ミクロンのＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項１に記載の物品。
【請求項１１】
前記互層の厚さが、約８〜１２ミクロンの範囲の波長のＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項１に記載の物品。
【請求項１２】
前記互層の厚さが、約２〜５ミクロンの範囲の波長のＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項１に記載の物品。
【請求項１３】
前記コアが中空である請求項１に記載の物品。
【請求項１４】
まっすぐな前記ファイバ導波路について、前記ファイバ導波路が、選択された波長で約１ｄＢ／ｍよりも小さな伝送損を示す請求項１に記載の物品。
【請求項１５】
前記選択された波長が約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長である請求項１４に記載の物品。
【請求項１６】
前記選択された波長が約１０．６ミクロンである請求項１５に記載の物品。
【請求項１７】
約４〜１０ｃｍの範囲の任意の曲げ半径で９０度曲げたときに、前記ファイバ導波路が、選択された波長で約１．５ｄＢよりも小さな伝送損を示す請求項１に記載の物品。
【請求項１８】
前記選択された波長が約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長である請求項１７に記載の物品。
【請求項１９】
前記選択された波長が約１０．６ミクロンである請求項１８に記載の物品。
【請求項２０】
前記ファイバ導波路が、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長のＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項１に記載の物品。
【請求項２１】
前記選択された波長が約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長である請求項２０に記載の物品。
【請求項２２】
前記選択された波長が約１０．６ミクロンである請求項２１に記載の物品。
【請求項２３】
前記ファイバ導波路が少なくとも０．３ｍの曲げ長さで滑らかに約９０度に曲げられているときでも、前記ファイバ導波路が、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の前記選択された波長の前記ＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項２０に記載の物品。
【請求項２４】
前記ファイバ導波路が、約２５Ｗ以上のパワーの選択された波長の前記ＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項１に記載の物品。
【請求項２５】
前記選択された波長が約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長である請求項２４に記載の物品。
【請求項２６】
前記選択された波長が約１０．６ミクロンである請求項２４に記載の物品。
【請求項１】
導波路軸に沿って延びるコアを取り囲む、ポリマーおよびガラス等の異なる誘電材料の互層からなる高パワー低損失ファイバ導波路からなる物品。
【請求項２】
前記互層が渦巻構造を形成する請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記渦巻構造が、前記コアを複数回取り巻く、前記異なる材料の少なくとも２つの層からなる多層構造である請求項２に記載の物品。
【請求項４】
前記異なる材料が高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料からなり、該高屈折率材料の屈折率と該低屈折率材料の屈折率との比が１．５よりも大きい請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記異なる材料が高屈折率誘電材料および低屈折率誘電材料からなり、該高屈折率材料の屈折率と該低屈折率材料の屈折率との比が１．８よりも大きい請求項１に記載の物品。
【請求項６】
前記ガラスがカルコゲン・ガラスからなる請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記カルコゲン・ガラスがＡｓ２Ｓｅ３からなる請求項６に記載の物品。
【請求項８】
前記ポリマーがＰＥＳまたはＰＥＩからなる請求項６に記載の物品。
【請求項９】
前記互層の最も内側の層が、同じ材料の以降の層の厚さよりも小さな厚さを有する請求項１に記載の物品。
【請求項１０】
前記互層の厚さが、波長約１０．６ミクロンのＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項１に記載の物品。
【請求項１１】
前記互層の厚さが、約８〜１２ミクロンの範囲の波長のＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項１に記載の物品。
【請求項１２】
前記互層の厚さが、約２〜５ミクロンの範囲の波長のＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導くように選択されている請求項１に記載の物品。
【請求項１３】
前記コアが中空である請求項１に記載の物品。
【請求項１４】
まっすぐな前記ファイバ導波路について、前記ファイバ導波路が、選択された波長で約１ｄＢ／ｍよりも小さな伝送損を示す請求項１に記載の物品。
【請求項１５】
前記選択された波長が約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長である請求項１４に記載の物品。
【請求項１６】
前記選択された波長が約１０．６ミクロンである請求項１５に記載の物品。
【請求項１７】
約４〜１０ｃｍの範囲の任意の曲げ半径で９０度曲げたときに、前記ファイバ導波路が、選択された波長で約１．５ｄＢよりも小さな伝送損を示す請求項１に記載の物品。
【請求項１８】
前記選択された波長が約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長である請求項１７に記載の物品。
【請求項１９】
前記選択された波長が約１０．６ミクロンである請求項１８に記載の物品。
【請求項２０】
前記ファイバ導波路が、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の選択された波長のＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項１に記載の物品。
【請求項２１】
前記選択された波長が約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長である請求項２０に記載の物品。
【請求項２２】
前記選択された波長が約１０．６ミクロンである請求項２１に記載の物品。
【請求項２３】
前記ファイバ導波路が少なくとも０．３ｍの曲げ長さで滑らかに約９０度に曲げられているときでも、前記ファイバ導波路が、約３００Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度の前記選択された波長の前記ＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項２０に記載の物品。
【請求項２４】
前記ファイバ導波路が、約２５Ｗ以上のパワーの選択された波長の前記ＥＭ放射を前記導波路軸に沿って導く能力を有する請求項１に記載の物品。
【請求項２５】
前記選択された波長が約０．７５から約１０．６ミクロンまでの範囲の波長である請求項２４に記載の物品。
【請求項２６】
前記選択された波長が約１０．６ミクロンである請求項２４に記載の物品。
【図４Ａ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００６−５０９２５３（Ｐ２００６−５０９２５３Ａ）
【公表日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５５８６８０（Ｐ２００４−５５８６８０）
【出願日】平成１５年１２月１０日（２００３．１２．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０３９３４４
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０５２０７８
【国際公開日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（５００２１９５３７）マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー (25)
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【住所又は居所原語表記】７７ Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ａｖｅｎｕｅ， Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｓｅｔｔｓ ０２１３９，Ｕ．Ｓ．Ａ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年１２月１０日（２００３．１２．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０３９３４４
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０５２０７８
【国際公開日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（５００２１９５３７）マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー (25)
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【住所又は居所原語表記】７７ Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ａｖｅｎｕｅ， Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｓｅｔｔｓ ０２１３９，Ｕ．Ｓ．Ａ
【Ｆターム（参考）】
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