3Dプリントされたフォトニック結晶ファイバーは光通信、センサー技術、バイオメディカル機器を進歩させる

出典：江蘇省レーザー産業イノベーション連盟

キング・アブドラ科学技術大学（KAUST）の研究者らが開発した積層造形プロセスにより、光子を使って高速情報処理できる小型光学デバイスをこれまでにない容易さと精度で製造することが可能になった。

フォトニック結晶ファイバー (PCF) は、微細構造ファイバーまたはホーリーファイバーとも呼ばれ、一連の微細な縦方向の中空チャネルが光を導くことができる単一材料の光ファイバーです。 PCF の縦方向中空チャネルの幾何学的設計は、光モードのサイズと形状、モード分散、複屈折、非線形性などの光ファイバー導波路パラメータを制御および調整するための強力なツールです。 PCF の開発により、広範囲にわたるファイバー導波路パラメータをこれまでにないほど細かく制御できるようになり、スーパーコンティニューム生成、ファイバー分散エンジニアリング、超高複屈折効果などの独自の可能性が開かれました。さらに、フォトニック結晶ファイバーは、中空コアファイバーの製造において独特であり、超低非線形性を備えたファイバー伝搬や、新しいガスおよび光流体センサーなどの重要な用途があります。

フォトニック結晶ファイバー（画像出典：百度百科事典）
しかし、現在の PCF 製造方法では、複雑な小型フォトニックシステムを作成するために必要な特性を持つ PCF セグメントを製造する上で重要な制限があります。 PCF は主に、直径数センチメートルの円筒形の「プリフォーム」を延伸することによって製造されます。プリフォームの断面形状は、ファイバーの最終的なサブミリメートルスケールの形状の拡大版に対応します。しかし、現在のプリフォーム製造方法では、プリフォームの設計の自由度が限られています。さらに、伸張プロセス中は、材料の粘度、重力、表面張力の影響により、プリフォームの形状は通常維持されません。したがって、望ましい PCF 断面構造を得ることは簡単なプロセスではなく、非常に困難な場合があります。特定の穴の形状は不可能な場合もあります。最近、設計の自由度を高める手段として、センチメートル規模の PCF プリフォームの 3D プリントが提案されていますが、図面の摂動効果が依然として、任意の PCF 設計の正確な実現を妨げる主な制限要因となっています。最後に、マイクロフォトニックシステムを作成するために必要な PCF セグメントの長さと縦方向のテーパーをマイクロメートルレベルで制御することは、標準的なプリフォームベースのアプローチでは非常に困難です。

ここで、キング・アブドラ科学技術大学の研究者らは、高解像度 3D プリンティングを使用して、異なる形状の積み重ねられた超短 PCF セグメントをその場でワンステップで製造し、サブミリメートルの長さで複雑な光学操作を実行する全ファイバー統合デバイスを作成することを実証しました。彼らのアプローチは、多くの制限や欠点をもたらす描画プロセスを完全に回避し、PCF の横方向と縦方向の両方の形状を制御する上で前例のない設計の柔軟性と精度を提供します。

▲図 1。さまざまなカテゴリの 3D プリント PCF 設計の光ガイドにより、このアプローチの実現可能性が実証されています。(a) 高度に非線形な PCF、(b) らせん状にねじれたコアレス PCF (矢印はねじれの方向を示します)、(c) フォトニックバンドギャップ中空 PCF、(d) 反共鳴中空 PCF、(e) フラクタルリングコア PCF。上の行は、3D プリントされた導波路端面の光学顕微鏡画像に重ね合わせた出力光モードを示しており、下の行は対応する走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像を示しています。光モードの波長は、(b) (640 nm) を除くすべての構造で 1060 nm です。
図 1a は、3D プリントされた長さ 1 mm の HNL PCF のようなセグメントの全長走査型電子顕微鏡写真です。研究チームは、レーザーを使用してフォトニック結晶ファイバーを層ごとに構築し、感光性ポリマーを透明な固体に変換しました。特性評価の結果、この技術により、従来の製造よりも速い速度で、数種類の微細構造光ファイバーの幾何学的パターンを複製できることが示されました。新しいプロセスにより、複数のフォトニックユニットを組み合わせることも容易になります。彼らは、光線の偏光成分を別々のファイバーコアに分割する一連のフォトニック結晶ファイバーセグメントを 3D プリントすることで、このアプローチを実証しました。ビームスプリッターと従来の光ファイバー間のカスタムテーパー接続により、効率的なデバイス統合が保証されます。

全ファイバー統合型PCF偏光ビームスプリッターの設計と製造

フォトニック結晶ファイバーは、偏光制御や波長分離などの特定の光学機能を実現するために必要な伝搬距離を短縮します。画像提供: KAUST、アナスタシア・セリン
近年、サブミリメートル規模のデュアルコア PCF PBS 設計がいくつか提案されています。しかし、現在の PCF 製造方法には限界があり、製造の成功を妨げています。実際、これまで提案されたデュアルコアの形状は一般的に非対称であり、さまざまなサイズと形状の穴が含まれており、これらすべてがプリフォーム設計の複雑さを増しています。さらに、これらの PCF PBS 設計のサブミリメートルの長さでは、望ましい出力偏光分割を生成するためにサブマイクロメートルレベルまでの正確な制御が必要です。これらの要因が組み合わさると、すでに伸長した繊維からセグメントを所望の長さに切断して切り刻むことが困難になります。さらに、ファイバー上の PCF PBS の統合には、たとえば融着接続による標準ファイバーとの強固な結合が必要です。この結合には、デュアルコア構造の 2 つのコアのうち 1 つのみを直接結合するために、数ミクロンの小さいが重要な横方向のオフセットも必要です。光ファイバーの線引きによって製造される PCF の場合、この統合ステップも非常に困難です。

図: PCF 設計の 3D プリントによって実現された PCF 偏光ビームスプリッターの最初の製造。左側は PCF PBS のレンダリングです。ここでは、ダウンテーパセクション (マゼンタ)、デュアルコア方向性結合器 (DC) セクション (青)、およびコアファンアウトセクション (シアン) の 3 つの異なる PCF セクションがシングルモードファイバーの端面に統合されています。任意の偏光を持つ光線 (黄色の光線) は、水平 (赤色の光線) と垂直 (緑色の光線) の偏光成分に分離されます。右側は、3D プリントされた完全な PCF PBS の断面の SEM 画像です。中央には、3D プリントされた構造の対応する SEM 画像と並べてレンダリングされた 3 つの異なる断面が表示されています。
標準のシングルモードファイバー上にデュアルコア DC PCF 構造を効果的に統合するには、追加の要素を追加する必要があります。研究者らは、3D プリント手法の利点の 1 つを活用して、デュアルコア DC PCF 構造を、連続する 3 つの導波路セグメント (上の図を参照) で構成されるより複雑なフォトニック構造に組み込みました。この 3 つのセグメントは、PCF のようなテーパーカプラ (下部テーパー)、デュアルコア DC 複屈折 PCF 構造、および 2 つのコアの空間分離を増やす最終ファンアウトセクションです。

フォトニック結晶ファイバーは、幾何学的設計を通じて光誘導特性を制御する「調整ノブ」を科学者に提供します。「しかし、これらの特性は、従来の方法では任意の穴パターンを生成することが困難であったため、十分に活用されていませんでした。この史上初の PCF ベースのファイバー偏光ビームスプリッターを製作することで、研究者らは、このアプローチのこれまでにない精度と柔軟性を実証しました。このデバイスは、長さ 210 m の標準シングルモード光ファイバーの端面に 1 回のステップで直接印刷できるため、光通信 C バンドでのブロードバンド操作が可能になります。このアプローチは、高解像度の 3D 印刷と PCF 設計の可能性を活用し、新しいタイプの小型で複雑なフォトニックシステムの開発への道を開き、光通信、センサー技術、バイオメディカルデバイスの開発にプラスの影響を与え、その発展を促進するでしょう。」

記事情報: Bertoncini, A. & Liberale, C. 複雑なファイバーエンドフォトニックデバイス向けのフォトニック結晶ファイバー設計に基づく 3D プリント導波路。Optica 11、1487–1494 (2020)。

記事リンク: https://www.osapublishing.org/op ... 1-1487&id=441982###

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