微細構造光ファイバー

微細構造光ファイバー (MOF)は、屈折率ではなく導波路構造の操作によって導波が得られる光ファイバー導波路です。

従来の光ファイバーでは、光は全反射の効果によって導かれます。光は、周囲の材料 (クラッド) の屈折率よりも高い屈折率を持つコア内で導かれます。屈折率の変化は、コアとクラッドの異なるドーピング、または異なる材料の使用によって得られます。微細構造ファイバーでは、まったく異なるアプローチが適用されます。ファイバーは 1 つの材料 (通常はシリカ) で作られ、光は固体コアの周囲の領域にある空気穴によって導かれます。空気穴は、2 次元アレイの規則的なパターンで配置されることがよくありますが、非周期的なものも含め、他のパターンの空気穴も存在します。空気穴が周期的に配置されていることから、「フォトニック結晶ファイバー」という用語の使用が正当化されますが、この用語は、光子欠陥内で伝播が発生するファイバー、または光子バンドギャップ効果によって伝播が発生するファイバー専用です。そのため、フォトニック結晶ファイバーは、微細構造光ファイバーのサブグループと考えることができます。

MOFには主に2つのクラスがある

1. 屈折率導波ファイバー、全反射効果によって導波が行われる
2. フォトニック バンドギャップ ファイバー。散乱光の建設的干渉によって導波が得られます(フォトニック バンドギャップ効果を含む)。

構造化光ファイバーは、全長にわたって走るチャネルをベースにした光ファイバーで、1974 年に Kaiser と Co が開発しました。これには、エアクラッド光ファイバー、穴の配列が周期的で結晶のように見えるフォトニック結晶ファイバーと呼ばれることもある微細構造光ファイバー、その他多くのサブクラスが含まれます。Martelli と Canning は、同一の隙間領域を持つ結晶構造は、実際には実用上最も理想的な構造ではないことに気付き、フラクタル ファイバーなどの非周期構造ファイバーが、曲げ損失を低く抑えるにはより適した選択肢であると指摘しました。^[1]非周期ファイバーは、回折のないビームに類似した用語で光伝搬を説明するフレネル ファイバーのサブクラスです。^[2]これらも、光ファイバーの仮想ゾーンに適切に配置されたエア チャネルを使用して作成できます。^[3]

フォトニック結晶ファイバーは、Kaiser らが報告した微細構造ファイバーの変種です。これは、Yeh らのバンドギャップのアイデアを、規則的な配列のチャネルを周期的に積み重ねてファイバーの形にすることで、簡単な方法で取り入れようとする試みです。最初のこのようなファイバーは、そのようなバンドギャップではなく、効果的なステップ インデックスによって伝搬しました。ただし、歴史的な理由から、名前は変更されていません。ただし、一部の研究者は、ベル研究所の既存の研究を参考にして、これらのファイバーを「ホーリー」ファイバーまたは「微細構造」光ファイバーと呼ぶことを好みます。ナノスケールへの移行^[4]は、より最近の「構造化」ファイバーというラベルによって先取りされました。非常に重要な変種は、1986/87 年にベル研究所の DiGiovanni が Marcatili らの研究に基づいて発明したエア クラッド ファイバーです。 1984年^[5]これは、空気穴を使用してファイバー設計を構築することに基づいた、おそらくこれまでで最も成功したファイバー設計であり、特にレーザー形式で実装された場合、高開口数と光収集に関する重要なアプリケーションがありますが、バイオフォトニクスや天体フォトニクスなどのさまざまな分野で大きな期待が寄せられています。^[6]

周期構造は、多くの用途にとって最適なソリューションではないかもしれません。近接場の形成をはるかに超えるファイバーは、ファイバーの端を超えて光を集束させることを含め、初めて遠方場を形成するように意図的に設計できるようになりました。^[7]これらのフレネルファイバーは、非周期的、フラクタル、不規則な適応光学、またはフレネル/フラクタルゾーンで使用されるより高度な形式を含む、レンズ設計に長い間適用されてきたよく知られたフレネル光学を使用しています。他の多くの実用的な設計上の利点には、回折ベースの伝搬導波路のより広いフォトニックバンドギャップと、ステップインデックスファイバーよりも伝搬損失が低い構造化光ファイバーを実現するために重要な曲げ損失の低減が含まれます。