超短パルスレーザを極めるカゴメPCファイバ

ファタ・ベナビッド、フレデリック・ジェローム、ベノイト・デボード、メシャール・アルハラビ

超短パルスレーザや超低損失でロバストな1mJパルスエネルギーのシングルモード動作、そしてペタW/cm2に迫る強度がハイポサイクロイド形状カゴメフォトニック結晶ファイバを使い実証された。

過去10年で超高速、つまり超短パルス（USP）レーザには爆発的な進歩が見られた。それによって500fsパルス幅、高繰り返しレート、高平均パワー、さらに最大1mJパルスエネルギーのテーブルトップレーザが、現在、商業的に一般的になっている。これらUSPベース材料マイクロ加工レーザのこの上ない微細精度と、非侵襲および非熱アブレーション特性によって、既存の自動車、マイクロエレクトロニクス、眼科市場から新しいプラスチックエレクトロニクスや顕微手術までの幅広いアプリケーションに変革的な影響を与えてきた（1）。
　こうした印象的なデモンストレーションや潜在力にもかかわらず、標準的なソリッドコア光ファイバを用いてUSPレーザ光を加工対象物に供給すると、その完全性は損なわれる。幸い、USPレーザの進歩と並行してフォトニック結晶ファイバ（PCF）の分野が、フォトニクスにおける変革力として登場してきた（2）。USPレーザのアプリケーションは、したがって、新しいホローコアPC光ファイバ設計の恩恵を受けることができる。このような設計は、低い伝送損失、ハイパワーと高エネルギーの取り扱い、低非線形、低分散により、USPレーザのパルス幅、ビーム品質、パワーレベルを維持する。

ホローコア設計の相違点

2002年、ステップインデクス光ファイバとは導光特性が非常に異なる2つのタイプの低損失光ファイバが開発された（3、4）。両タイプのファイバとも、2次元周期クラッドを周囲に持つホローコアで光を通し、したがってホローコアフォトニック結晶ファイバ（HCPCF）と名付けられている。両ファイバは共有する特性がいくつかあるが、その導光と光特性に内在する物理学は著しく異なっている。
　第1のファイバは念願のフォトニックバンドギャップ（PBG）導光技術の実験成果であり、周波数にクラッドモードがなく、HC導波モードの屈折率もないHC-PCFとなった（5）。今日、PBGHC-PCFに対するわれわれの理解と設計は、直観的な「フォトニックタイトバインディングモデル」によって著しく成熟した（6）。
　2番目の、カゴメ格子HC-PCF（カゴメHC-PCFとも言う）は、そのクラッド構造で広帯域スペクトラムを通し、PBGがないことでPBG HC-PCFと対照的である。結合抑制（IC）導波の導入によって導波機構が明らかになったのが2007年のことだった。ここで、クラッドはコアモード空間にもはやバンドギャップを必要としないが、構造と寸法はモードの連続性をサポートするように設計される。つまり、モードはコアモードとの位相不整合が強く、コアモードがコアから逃れることを抑制している。
　エアシリカHC-PCFでは、クラッドモードがクラッドの薄いシリカウエブに強く閉じ込められ、非常に速い横振動（高方位数）を示すなら、この状況は起こり得る（7）。ファイバPBGは光をコアから外に出す位相整合クラッドモードの欠如によって定義されるという意味で、ICガイドファイバの周囲クラッドはコアモード周波数インデックス域では疑似PBGとして振る舞う。
　たとえクラッドモードとコアモードが同じ実効屈折率であっても、そのような強い不整合が起こり得ることに留意すべきである。このモデルは、フォン・ノイマンとウイグナーが量子力学、凝縮系物理学の脈絡で予言した束縛状態、あるいは準束縛状態というモデルに近似している。したがって、カゴメHC-PCFは連続体における束縛状態または準束縛状態の初めてのフォトニック的表現である。
　さらに重要な点は、このモデルが強力な予言ツールとなっており、それによってわれわれはハイポサイクロイド的（つまり負曲率）コア形状のHC-PCFを開発できるようになったと言うことである（図1）（8）。このコア形状は、従来の7セルHC-PCFの形状である円形的な輪郭と比べて、ICガイダンスを強化するものである。

ハイポサイクロイドカゴメ

ハイポサイクロイド輪郭は、内半径R_inと外半径R_outの、交替する負曲率カップを示している。この輪郭では、HCの基本モードはHE11であり、モードフィールドダイアメタ（MFD）はキャピラリもしくは半径が等しい円形コアHC-PCFのMFDである。この事実に基づいて、コアモードと強振動（高方位的な数字m）シリカコア周囲モード（クラッドモード）との重なり積分は、次の3つの手段により大幅に減らせる。
　まず、単純に空間的な重なりを減らすことで半径R_inの円では、ハイポサイクロイド輪郭で、コアHE11モードの横方向プロファイルは6つの最内カップのタンジェント面だけと交わるが、円形輪郭の場合は、そのプロファイルは円全体の周囲と交わる。
　次に、ICは対称性によって強化される。ハイポサイクロイドの周囲の長さがより大きくなることで、シリカコア周辺モードはより高いmを示し、より強い横方向の位相不整合、Δβ⊥∝mのために、コアモードとクラッドモードの重なり積分は一段と低減される。
　最後に、結合ノードに存在するコアモードと低方位数モードの重なりを減らすことでICは強化される。実際、HC-PCF構造と製造工程に特有の結合ノードは、ハイポサイクロイド輪郭でコアモードから「除去」される。このシンプルで直観的な事実により、ICの一段の強化、したがって閉じ込め損失をさらに低減することが期待できる。
　パラメータbで定量化されているインナーカップの負曲率の増加により、閉じ込め損失は、円形コアでは1dB/mから、1より大きなbのハイポサイクロイド輪郭では＜1dB/kmから減少する（図2）（9）。さらに、高次モード（HOM）伝搬損失はbの増加とともに増加する。これは大きな負曲率ではシングルモード動作に有利になることを示している。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2014/11/feature1-_LFWJ2014_11-7.pdf