フォトニック結晶ファイバー

フォトニック結晶ファイバー（PCF ）は、フォトニック結晶の特性に基づいた光ファイバーの一種です。1996年に英国のバース大学で初めて研究されました。中空コアに光を閉じ込める能力や、従来の光ファイバーでは不可能な閉じ込め特性を持つことから、PCFは現在、光ファイバー通信、ファイバーレーザー、非線形デバイス、高出力伝送、高感度ガスセンサーなどの分野で応用されています。より具体的なPCFのカテゴリには、フォトニックバンドギャップファイバー（バンドギャップ効果で光を閉じ込めるPCF）、ホーリーファイバー（断面に空気穴を使用するPCF）、ホールアシストファイバー（空気穴の存在によって変更された従来の高屈折率コアによって光を導くPCF）、ブラッグファイバー（多層フィルムの同心リングで形成されたフォトニックバンドギャップファイバー）などがあります。フォトニック結晶ファイバーは、光が屈折率の差だけでなく構造の変更によっても導かれる、より一般的なクラスの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。中空コア光ファイバー（HCF）は、穴あき光ファイバーに似た光ファイバーの一種です。^[1]

^{光ファイバーは、1970年代に従来のステップインデックスファイバー[2] [3]}として広く導入され、その後、効果的な空気クラッド構造によって伝播が定義される単一材料ファイバーとして実用化されて以来、さまざまな形態に進化してきました。^[4]

一般に、フォトニック結晶ファイバーなどの規則的な構造のファイバーは、1 つ、2 つ、またはそれ以上の材料から構成される断面（通常はファイバーの長さに沿って均一）を持ち、最も一般的には断面の大部分にわたって周期的に配置されています。このゾーンは「クラッド」と呼ばれ、光が閉じ込められるコア（または複数のコア）を囲んでいます。たとえば、フィリップ ラッセルが最初に実証したファイバーは、シリカファイバー内の空気穴の六角形の格子で構成され、中央に光が導かれる固体^[5]または中空^{[ 6]}コアがあります。その他の配置には、Yeh と Yariv によって「ブラッグ ファイバー」として最初に提案された 2 つ以上の材料の同心円リング、蝶ネクタイ、パンダ、楕円形の穴構造（相対屈折率の不規則性により高い複屈折を実現するために使用）、個々のパラメーターを変更できるため光学特性をより適切に制御できる スパイラル^{[8]デザインなどがあります。}

(注: PCF、特にブラッグ ファイバーは、ファイバー ブラッグ グレーティングと混同しないでください。ファイバー ブラッグ グレーティングは、PCF のように横方向で変化するのとは異なり、ファイバー軸に沿った周期的な屈折率または構造変化で構成されます。PCF とファイバー ブラッグ グレーティングはどちらも、方向は異なりますが、ブラッグ回折現象を利用します。)

報告されている固体コアフォトニック結晶ファイバーの最低減衰量は0.37 dB/kmである^[9]。中空コアの場合は1.2 dB/kmである^{[10] 。}

一般的に、このようなファイバーは他の光ファイバーと同じ方法で製造されます。まず、数センチメートルのスケールで「プリフォーム」を作成し、次にプリフォームを加熱して、はるかに小さい直径（多くの場合、人間の髪の毛とほぼ同じくらい）まで引き伸ばします。これにより、プリフォームの断面積は縮小さ​​れますが、（通常は）同じ特徴が維持されます。このようにして、1 つのプリフォームから数キロメートルのファイバーを製造できます。空気穴は、中空のロッドを集めて束にし、その束を加熱して、整列した穴のある 1 つのロッドに融合してから引き伸ばすことによって最も一般的に作成されますが、最初の非周期的なデザインを作成するためにドリル/ミリングが使用されました。^[11]これは、最初の軟質ガラスおよびポリマー構造ファイバーを製造するためのその後の基礎となりました。

フォトニック結晶ファイバーのほとんどはシリカガラスで製造されていますが、特定の光学特性（高い光学非線形性など）を得るために他のガラスも使用されています。ポリマーでフォトニック結晶ファイバーを製造することにも関心が高まっており、グレーデッドインデックス構造、リング構造ファイバー、中空コアファイバーなど、さまざまな構造が研究されています。これらのポリマーファイバーは、微細構造ポリマー光ファイバーの略称である「MPOF」と呼ばれています。^[12]ポリマーとカルコゲニドガラスの組み合わせは、2002年にTemelkuranらによって10.6μmの波長（シリカが透明ではない） に使用されました。 ^[13]

フォトニック結晶ファイバーは、閉じ込めのメカニズムに応じて、インデックスガイドとフォトニックバンドギャップの 2 つの動作モードに分けられます。

屈折率ガイドフォトニック結晶ファイバーは、クラッドよりも高い平均屈折率を持つコアが特徴です。これを実現する最も簡単な方法は、同じ材料でできたクラッド領域で囲まれたソリッド コアを維持することですが、空気の屈折率によってクラッドの平均屈折率が必然的に低下するため、空気穴が点在しています。これらのフォトニック結晶ファイバーは、従来の光ファイバーと同じ屈折率ガイド原理で動作しますが、コアとクラッド間の有効屈折率コントラストをはるかに高くできるため、非線形光学デバイス、偏波保持ファイバーでの用途ではるかに強力な閉じ込めを実現できます。あるいは、有効屈折率コントラスト をはるかに低くして作ることもできます。

あるいは、光が微細構造クラッドによって生成された光バンドギャップによって閉じ込められる、フォトニックバンドギャップフォトニック結晶ファイバーを作成することもできます。このようなバンドギャップは、適切に設計されていれば、より低い屈折率のコア、さらには中空（空気）コアに光を閉じ込めることができます。中空コアを持つバンドギャップファイバーは、利用可能な材料によって課せられる制限を回避できる可能性があります。たとえば、透明な材料が利用できない波長の光を導くファイバーを作成できます（光は主に空気中にあり、固体材料中にあるため）。中空コアのもう1つの潜在的な利点は、何らかの物質の存在を分析するガスなど、コアに材料を動的に導入できることです。PCFは、光の透過率を高めるために、同様のまたは異なる屈折率の材料のゾルゲルで穴をコーティングすることによって変更することもできます。

「フォトニック結晶ファイバー」という用語は、 1995 年から 1997 年にかけてフィリップ ラッセルによって造られました(彼は (2003)、このアイデアは 1991 年の未発表の研究にまで遡ると述べています)。

• ファイバーブラッググレーティング
• 光ファイバー
• 屈折率分布型光学
• リーキーモード
• 光通信
• 光学媒体
• フォトニック結晶
• 波長以下の光ファイバー

• TA Birks、PJ Roberts、P. St. J. Russell、DM Atkin、TJ Shepherd、「シリカ/空気構造における完全な 2-D フォトニック バンドギャップ」Electronic Letters 31、1941-1942 (1995)。(最初に報告された PCF 提案)
• P. St. J. Russell、「フォトニック結晶ファイバー」、Science 299、358–362 (2003)。(レビュー記事)
• P. St. J. Russell、「フォトニック結晶ファイバー」、J. Lightwave. Technol.、24 (12)、4729–4749 (2006)。(レビュー記事)
• F. Zolla、G. Renversez、A. Nicolet、B. Kuhlmey、S. Guenneau 、 D. Felbacq、「フォトニック結晶ファイバーの基礎」（Imperial College Press、ロンドン、2005 年）。ISBN 1-86094-507-4。 
• RF Cregan、BJ Mangan、JC Knight、TA Birks、P. St.J. Russell、PJ Roberts、および DC Allan、「空気中の光のシングルモードフォトニックバンドギャップ誘導」、Science、vol. 285、no. 5433、pp. 1537–1539、1999 年 9 月。
• A. Bjarklev、J. Broeng、AS Bjarklev、「フォトニック結晶ファイバー」（Kluwer Academic Publishers、ボストン、マサチューセッツ州、2003年）。ISBN 1-4020-7610 -X。 
• JM Dudley、G. Genty、S. Coen、「フォトニック結晶ファイバーにおけるスーパーコンティニウム生成」、Reviews of Modern Physics 78、1135 (2006)。

• バース大学フォトニクス・フォトニック材料センター（CPPM）[1]
• エアランゲンのマックスプランク光科学研究所のフィリップ・セント・ジョン・ラッセル教授のグループ[2]による、いくつかの紹介資料、レビュー、および現在の研究に関する情報。
• フォトニック結晶ファイバーに関するレーザー物理と技術の百科事典（多数の参考文献あり）
• Steven G. Johnson、「フォトニック結晶と微細構造ファイバーのチュートリアル」(2005)。
• フィリップ・ラッセル: フォトニック結晶ファイバー、歴史的説明: IEEE LEOS ニュースレター、2007 年 10 月
• John D. Joannopoulos、Steven G. Johnson、Joshua N. Winn、Robert D. Meade、「フォトニック結晶: 光の流れの形成」、第 2 版 (プリンストン、2008 年)、第 9 章。(オンラインで読むことができます。)
• フィリップ・ラッセルの全体会議プレゼンテーション: フォトニック結晶ファイバーの新たな応用 SPIE ニュースルーム