波長以下の光ファイバー

サブ波長径光ファイバー（SDFまたはSDOF）は、光ファイバーを伝搬する光の波長よりも直径が小さい光ファイバーです。SDFは通常、両端の長くて太い部分（従来の光ファイバーと同じ）、ファイバの直径がサブ波長の値まで徐々に小さくなる遷移領域（テーパー）、および主な作用部分であるサブ波長径のウエストで構成されています。このような強い幾何学的閉じ込めにより、SDF内の誘導電磁場は基本モードと呼ばれる単一 モードに制限されます。通常の光ファイバーでは、光はせん断波と縦方向のバルク弾性波を励起および感知し、前方誘導音波ブリルアン散乱と後方誘導ブリルアン散乱を引き起こします。サブ波長径光ファイバーでは、状況は劇的に変わります。^[1]

これらの光学素子の命名方法については一般的な合意はなく、グループによって強調するファイバーの特性が異なり、場合によっては異なる用語が使用されることもあります。使用されている名称には、サブ波長導波路、^[2]サブ波長光ワイヤ、^[3]サブ波長径シリカワイヤ、^[4]サブ波長径ファイバーテーパー、^{[5] [6]}（フォトニック）ワイヤ導波路、^{[7] [8]}フォトニックワイヤ、^{[9] [10] [11]}フォトニックナノワイヤ、^{[12] [13] [14]}光ナノワイヤ、^[15]光ファイバーナノワイヤ、^[16]テーパー（光）ファイバー、^{[17] [18] [19] [20]}ファイバーテーパー、^[21] サブミクロン径シリカファイバー、^{[22] [23]}極細光ファイバー、^[24]光ナノファイバー、^{[25] [26]}光マイクロファイバー、^[27]サブミクロンファイバー導波路、^[28]マイクロ/ナノ光ワイヤ（MNOW）などがあります。

導波路という用語は、ファイバーだけでなく、シリコンフォトニックサブ波長導波路などの他の導波構造にも適用できます。^[29]サブミクロンという用語は、多くの場合サブ波長と同義です。これは、ほとんどの実験が 0.5 ～ 1.6 μm の波長の光を使用して実行されるためです。^{[12]接頭辞}「ナノ」が付いた名前はすべて、やや誤解を招きます。これは、通常、ナノメートル規模の寸法を持つオブジェクト (例:ナノ粒子、ナノテクノロジー) に適用されるためです。SDF の特徴的な動作は、ファイバーの直径が光の波長の約半分のときに現れます。そのため、サブ波長という用語がこれらのオブジェクトに最も適しています。^{[オリジナル研究? ]}

SDF は通常、市販のステップインデックス型光ファイバーをテーパー加工して作成されます。このプロセスは特殊な牽引機械で実行されます。

光ファイバーは通常、コア、クラッド、保護コーティングから構成されます。ファイバーを引っ張る前に、コーティングが除去されます（つまり、ファイバーが剥がされます）。裸のファイバーの端は、機械上の可動式の「移動」ステージに固定されます。次に、ファイバーの中央（ステージ間）が炎（燃焼する酸水素など）またはレーザー光線で加熱され、同時に移動ステージが反対方向に動きます。ガラスが溶けてファイバーが引き伸ばされ、直径が減少する。^[30]

説明した方法を使用すると、長さが 1 ～ 10 mm、直径が 100 nm までのウエストが得られます。非結合モードへの光の損失を最小限に抑えるためには、テーパ角が断熱条件^{[31]を満たし、通常は数}ミリラジアンのオーダーの値を超えないように、引っ張りプロセスを制御する必要があります。この目的のために、レーザービームは引っ張られるファイバーに結合され、出力光はプロセス全体を通して光パワーメーターで監視されます。高品質の SDF は結合された光の 95% 以上を透過しますが^[30] 、損失のほとんどはウエスト領域の表面欠陥または不純物 による散乱によるものです。

テーパー加工される繊維が固定された加熱源の上に均一に引っ張られると、結果として得られるSDFは指数関数的な半径プロファイルを持ちます。^[32]多くの場合、一定の厚さのウエストである円筒形のウエスト領域を持つことが便利です。このような繊維の製造には、加熱源を移動させることによってホットゾーンを継続的に調整する必要があり、^[30]製造プロセスが大幅に長くなります。

SDF は非常に薄いため、非常に壊れやすいです。そのため、SDF は通常、引き抜いた直後に専用のフレームにマウントされ、このフレームから取り外されることはありません。ファイバーをマウントに固定する一般的な方法は、エポキシ樹脂などのポリマー接着剤または光学接着剤を使用することです。

ただし、ほこりがSDF の表面に付着する場合があります。 相当なレーザー出力がファイバーに結合されると、ほこりの粒子がエバネッセント フィールドで光を散乱させ、加熱して、ウエストを熱的に破壊する可能性があります。 これを防ぐために、SDF はフローボックスや真空チャンバーなどのほこりのない環境で引き抜かれて使用されます。 一部のアプリケーションでは、新しくテーパー加工した SDF を純水に浸してウエストを汚染から保護すると 便利です。

応用分野としては、センサー、^[33]非線形光学、ファイバーカップラー、原子の捕捉と誘導、^{[26] [34] [35] [36]}量子情報処理のための量子インターフェース、^{[37] [38]}全光スイッチ、^[39]誘電体粒子の光学的操作などがある。^{[40] [41]}

波長以下の直径を持つ光ファイバーは、光をナノスケールの次元に閉じ込めるという特殊な条件により、さまざまな用途に使用されています。主な用途は次のとおりです。

SDFは、温度や湿度などの環境要因に対する感度を高めます。

これらは、フォトニクスや量子通信において重要な、第 2 次高調波発生や全光スイッチング プロセスにおいて重要な役割を果たします。

これらのファイバーは原子と光子の操作を可能にするため、量子情報処理において非常に重要です。

SDF は光ピンセットでナノ粒子を移動させるために使用され、ナノテクノロジーに役立ちます。

幅広い用途があるため、高度な光学技術や量子技術の基礎となります。

• ダブルクラッドファイバー