1990年代に、Philip St. J. Russellのグループによって先駆的に研究され、フォトニック結晶ファイバーの開発と様々な応用をめぐっては、興味が尽きない。他の考え方を取り入れる一方で、フォトニックバンドギャップ構造の幅広い部分を構成するこの分野は、現在の光学の研究においてもっとも活発な分野であると考えられている。これは、フォトニック結晶ファイバーが、幅広い用途 (下記を参照) にとって興味深い多くの特有の特性を実現するデザインにおいて、多くの自由度をもたらすからであると部分的には考えられる。

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1: よく用いられる、ソリッドコアのフォトニック結晶ファイバーのデザイン。中央の穴がない三角形の空孔パターンがある。グレーの部分は、ガラスを示しており、白丸は空孔で、典型的な寸法は数マイクロメートルである。コア近辺の部分だけが示されている。

フォトニック結晶ファイバー(ホーリーファイバー、ホールアシストファイバー、マイクロストラクチャーファイバー、微細構造ファイバーとも呼ばれる) とは、空間的に変化をするガラスの組成からではなく、ファイバー長全体を通っている極微小で近接した空孔から得られる導波路特性を有した光ファイバーである。そういった空孔は、(大きな)孔で予備成形する、例えば、キャピラリーおよびあるいはソリッドチューブを積み重ね(スタックチューブ手法) 、それらを、大きなチューブに挿入することで作られる。通常、この予備成形は、1 mm程度の径まで行われ、それから、最終的に125 μm ほどのファイバーとなる。特に、柔らかいガラスとポリマー (プラスチック) を用いても、押出法によりフォトニック結晶ファイバー用の作製が可能である[13, 33]。フォトニック結晶ファイバーの特性に応じて、たくさんの種類の孔の並びが存在する。このようなフォトニック結晶ファイバーは、すべて特別なファイバーであると考えられる。

最も単純な (もっとも一般的に使われている) フォトニック結晶ファイバーの種類は、一つの孔がなく空孔のパターンが三角形であるものである(図1を参照)。すなわち、空孔の配列にソリッドコアが囲まれている構造である。この種類のフォトニック結晶ファイバーの導波特性は、実効屈折率モデルでおおまかに理解することができる。孔のない部分は、高い実効屈折率を有しており、これは、従来のファイバー内のコアに類似している。

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 2: 中空コアファイバーの終端の顕微鏡写真。写真は、NKT Photonicsのご厚意によるものである。

クラッド領域のフォトニックバンドギャップを基にした、まったく導波構造の異なるいわゆるフォトニックバンドギャップファイバー(PBG fibers) [6]と呼ばれるものもある。後者の構造は、中空コア内 (すなわち、低屈折率領域)(図2を参照)においても導波が可能である。そのため、ほとんどのパワーが中央の孔を通ることになる (→中空ファイバー)。 そうした空気導波中空コアフォトニック結晶ファイバー (すなわち、空心バンドギャップファイバー ) は、とても小さな非線形性と高い損傷閾値を有する。それらは、典型的に、100から200 nmといった比較的狭い波長範囲において光を導波し、また、ほとんどのパワーが中空コア内を伝搬するので、高光強度のパルス圧縮等に用いられる。

ほとんどのフォトニック結晶ファイバーは、純粋な石英ガラス(→ 石英ファイバー)からなり、上記の作製手法と互換性がある。しかし、他の材料で作られた様々なフォトニック結晶ファイバーが実証されており、とりわけ目立つのが、重い金属で柔らかいガラスとポリマー (プラスチック光ファイバー) からなるファイバーが、時に、テラヘルツ波の領域においても利用されている [12]。

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 3: フォトニック結晶ファイバーの予備成形の検査。写真は、サウサンプトン大学のOptoelectronicsリサーチセンターのご厚意によるものである。

増幅器とレーザー用のアクティブファイバー

ファイバーレーザーや増幅器用のレーザー活性フォトニック結晶ファイバーは、例えば、希土類添加ロッドを予備成形アセンブリの中央の素子として用いることで、作製できる。希土類のドーパント (例、イッテルビウムやエルビウム) は、屈折率を上げる傾向にあるが、この影響は、正確に補償できる。例えば、導波特性が、従来の屈折率の違いではなく、フォトニック微細構造のみによって決まるようにさらに蛍光ドープを行う等である。希土類添加フォトニック結晶ファイバーを用いると、ファイバーの波長分散特性が、通常は正常の分散領域にあるが、適切な設計においては、異常となることがある[7, 15, 16]、1 μm 領域で動作するソリトンモード同期レーザー等の実現が可能である。

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 4: 空クラッドを有するフォトニック結晶ファイバーの構造。

高出力ファイバーレーザーや増幅器において、励起クラッドが、空クラッド (空クラッドファイバー) 領域に囲まれた二重クラッドフォトニック結晶ファイバー(図4)が用いられる。屈折率のコントラストがとても大きいため、励起クラッドはとても高い開口数 (NA) を持つ。開口数が大きければ、ビーム品質と輝度の面における励起光源に対する要求が小さくなる。そういったフォトニック結晶ファイバーのデザインは、ファイバーコアのとても大きなモード面積を有する[4, 26]一方で、回折限界出力のシングルモードのみ導波し、そのため、良質なビーム品質を有した高出力用途に適している。もう一つの利点としては、どのポリマーコーティングからも励起光源が離れているため、コーティングの過剰加熱によって起こり得る問題を避けることができる。

ドープされたフォトニック結晶ファイバーは、ピークパワーのとても高いファイバーベースのチャープパルス増幅システムの使用に適した性質を有する。

設計によって得られる性質

ホールパターンのデザイン (基本的な格子の位置関係や孔の相対的な大きさそして、ちいさな変異が関係している) が変わると、特性が大きく変化し、それは、設計の詳細に強く依存している。

  • 例えば、マルチモードファイバー (または、二重クラッドファイバーの励起クラッド用) における6や0.7といったとても大きな開口数を得ることが可能である [20]。
  • 広範囲の波長に渡る単一モード導波(エンドレスシングルモードファイバー)は、孔の大きさと穴の間隔の比が小さいときに、実現される[3]。
  • 極端に小さいまたは、極端に大きなモード面積 (従来のファイバーを用いて実現できるより小さな開口数で) が実現可能である。これにより、とても強いあるいは、とても弱い光非線形性を示す。フォトニック結晶ファイバーは、たとえ、モード面積が大きくても、曲り損失の影響が少ない[4]。
  • 孔をある並びに配置することで、結果として、フォトニックバンドギャップを形成する(→フォトニックバンドギャップファイバー)。内部では、高い屈折率がもはや必要ないので、中空コア内においても導波が可能となる。そのような空導波型中空コアファイバーは、高パルスエネルギーレベルにおける分散パルス圧縮等の応用において興味深い。
  • 特に、大きな孔では、ガスや液体でふさがる可能性がある。ガス封入フォトニック結晶ファイバーは、ファイバー光センサーや、高出力における非線形的なスペクトルの広がり、そして、可変パワーアッテネーター等に利用される。
  • 非対称な孔のパターンは、偏光保持ファイバーに用いられる極端に強い複屈折性につながることがある[8]。これは、大きいモード面積と組み合わせて用いられる。
  • 偏光依存性の強いアッテネーター (偏光ファイバー) [18,24] は、様々な方法で実現される。例としては、偏光依存した基本モードカットオフが存在し、ある波長領域内ではある偏光を有する光のみを導波する。
  • 同様にして、長波長光を強く減衰させることでラマン散乱を抑制することができる[25]。
  • 可視領域における異常分散[7]といった、かなり、めずらしい波長分散特性は、特に小さなモード面積のフォトニック結晶ファイバーにおいて起こる。設計において自由度があり、希望とするパラメータの異なった組み合わせを可能とする。
  • コアレスのエンドキャップは、熱処理をすることで、ファイバーの終端近くの孔を単純に溶かすことで作製できる。シールされた終端面により、ファイバー表面上で大きなモード面積を実現することができるので、強力なナノ秒パルスを増幅させる等のための高い損傷閾値が達成される。
  • コア間で、結合が存在するかもしれないシングルファイバー内のコア構造の規則的なパターンを用いることでマルチコアデザインが実現できる。

ファイバー端における技術的な問題

結果として、フォトニック結晶ファイバーは、標準的な光ファイバーと同じような使い方が可能である。しかし、様々な点において特別な注意が必要となる。

  • フォトニック結晶ファイバーの終端は、エタノールといった液体の溶媒で洗浄してはならない。なぜなら、毛細血管現象によって、孔の中に液が入る可能性があるからである。当然、導波特性は、孔の中のどのような液体でも強く影響を受ける可能性がある。そういった効果の研究さえ存在していいて、例えば、孔の中の液体量を制御することで、光損失量を可変にするといったものである。
  • フォトニック結晶ファイバーを裂いたり、融着することは可能性であるが、空気の量が大きいファイバーでは特に、難しくなる。融着している間は、空気が、ファイバーを広げたり歪めたりする。ファイバー間の結合は、機械的な重ね合わせや、ファイバーコネクタ、保護されたパッチケーブルそしてビーム拡大ユニット等の様々なものを用いることで、可能となる。
  • たとえ、つなぎ合わせの作業がうまく行ったとしても、例えば、小さなコアのフォトニック結晶ファイバーが通常のシングルモードファイバーに結合するといったようなモード面積の不整合による大きな結合損失が存在する可能性がある。結合効率を上げるための特殊なテーパーシングルモードファイバーやテーパーフォトニック結晶ファイバーが存在するが、これらは簡単には利用することができない。

用途

幅広い分野の用途において、フォトニック結晶ファイバーの性質は非常に魅力的である。例を以下に示す。

  • 高出力デバイスを含む、ファイバーレーザーや増幅器、モード同期ファイバーレーザー等
  • スーパーコンティニューム光発生 [9, 28] (→周波数コム)や、ラマン変換 [11]、パラメトリック増幅そして、パルス圧縮等に用いる非線形デバイス
  • 分散制御、フィルタリングやスイッチングといった光通信素子
  • 様々な種類のファイバー光センサー
  • 相関した光子対の発生[23]や、電磁気的に誘起される透過現象そして、冷原子の導波等の量子光学

フォトニック結晶ファイバーが出てきて数年たっているとしても、応用可能な幅広い領域をすべて見つけ出したとは言えない。この分野が、これから先何年も活気のある分野であり、ファイバーのデザインと用途の両方に関する発想が豊かな研究がなされることが期待される。

参考文献

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参考
https://www.rp-photonics.com/photonic_crystal_fibers.html