微小発光体を結合させるためのテーパードファイバーチップの作製と評価
森永研究室 相馬康人
1. はじめに

2. テーパーファイバー

量子情報工学における多くの応用に単一テーパーファイバーは光ファイバーの断光子源は必要不可欠なものである。その中面の径を細くしたものであり、細くする過でも光子に情報を乗せて行う量子暗号通信程で左右のテーパー部分が生じる。図 1 はは単一発光体から放出された光子を効率よテーパードファイバーの概略図を示しておく単一モードファイバーの伝搬モードと結り、コアークラッド伝搬部、テーパー部、ク合させる必要がある。単一の量子エミッタ

ラッドーエア伝搬部の三つに分けられる。

からの光子を効率よく単一空間モードに結コアークラッド伝搬部ではコアとクラッド合させる方法はいくつかあるが、これらでの屈折率の違いにより、コア内に光が閉じ集めた光子をさらに単一モードファイバー込められて伝搬していく領域となり、テーに結合させるとそこで損失が発生する。

パー部では光ファイバーの径が細くなって現在単一モードファイバーの結合への追いく部分である。テーパー部で細くなるに加損失を防ぐために単一モードファイバーつれてコアだけでなくクラッドも同様に細の伝搬モードに単一光子を直接結合させるくなっていく。半径 20μm あたりからコア手法として、ナノファイバー上に発光体をが小さくなりすぎ基本の伝搬モードを支え配置し、そのナノファイバーの近傍上のエることが出来なくなっていく。そうしていバネッセント領域からファイバー内へ光子

くと光は徐々にクラッドに漏れていき、クを導く方法が用いられている[1]。しかし、

ラッドーエア伝搬部ではクラッドと空気界

ナノファイバーは空気中の埃や塵などの汚面の屈折率の違いによってクラッド内に光染に弱いため、クリーンルームを用いる必が導かれる。[1]

要があり使用できる環境が限られる。
本研究はナノファイバーのウエスト部分で切断したような形状であるテーパードファイバーチップを作製し、その先端に発光体を付着させることで発光体と単一モードファイバーの伝搬モードを直接結合させたデバイスを作成することを目指した。本研

図 1 テーパーファイバー概略図

究で作成するテーパードファイバーチップ
はテーパー長を最小とすることで、環境を2.1 断熱基準選ばずに手軽に用いることが出来る単一光

テーパー中の伝搬モード変換はテーパー子源を作ることで量子暗号通信の実験に役の形状に強く関係している。図 1 のテーパ立てることを目標としている。

ーの角度𝛺(𝑧) が大きすぎる場合、伝搬過程

はは非断熱的になりモード変換が起きて、いる。このグラフは式(1)と(2)において𝑧𝑡 =損失が観測される。逆にテーパーの角度を𝑧𝑏 となるときの計算結果となっている。つ小さくするとテーパー中のエネルギーが基まり本モードにとどまり、モード変換はより断Ω(𝑧) =熱的になる。ここで角度Ωを用いてテーパー部の長さ𝑧𝑡 を表すと
𝑧𝑡 =𝑟(𝛽1 − 𝛽2 )2𝜋(3)となるときである。グラフの青線よりも大𝑅tan(𝛺)(1)

きいテーパー角でファイバーを変化させた
ときモードは非断熱的になり、グラフの青となる。ここで𝑅はテーパー部でのファイバ線よりも小さい角度でファイバーを変化さー半径(クラッド半径)である。𝑅における二せたときモードは断熱的になる。

つのモード間のビート長𝑧𝑏 は

図 2 は伝搬効率を上げるための目安となる。

𝑧𝑏 =

2𝜋2𝜋
𝜆==
𝛥𝛽 𝛽1 − 𝛽2𝑛𝑒𝑓𝑓.1 − 𝑛𝑒𝑓𝑓.2(2)で表される。ここで𝛽1 は半径𝑅における基本モード(HE11)の伝搬定数で𝛽2 は同じ対称性を持つ他のモードの半径𝑅における伝搬定数である。テーパーファイバーのテーパー長がビート長に比べて十分に長い時

図 3 半径による伝搬モードの実効屈折率(𝑧𝑡 ≫ 𝑧𝑏 )にはロスが少なくなり、ファイバ[2]ー中のモードは断熱的になる。図 2 にモードが断熱的になるためのテーパー角の限界

図３はファイバー半径における各モードの値を示す。

実効屈折率を表している。単一モードファイバーの伝搬モードが矢印のついている
HE11 モードである。図 2 と図 3 を比較すると断熱条件のテーパー角度の上限値が大
きいところでは HE11 モードとほかのモードと離れているためエネルギーが移動しづ
らく、テーパー角度の上限値が小さいとこ
ろでは HE11 モードとほかのモードが密集しているため、ほかのモードに移動しやすい。また式(2)より入射波長によって断熱角

図 2 ファイバー半径における断熱条件[2]度が変化するため、伝搬させる光の波長に適した光ファイバーの加工を行う必要があ

図 2 は横軸がファイバー半径、縦軸はテーる。

パー角度になっていて、モードが断熱的となるためのテーパー角度の上限値を表して

2.2 テーパードファイバーチップ

テーパードファイバーチップはテーパーファイバーの最も半径が小さい部分で切断

実際に使用したファイバー加工機の写真を
図 6、7 に示す。

したような形状で先細りしている。テーパードファイバーチップの概形を図 4 に示す。

図 6 ファイバー加工機概略図
図 4 テーパードファイバーチップ概形図
このテーパードファイバーチップと発光体との結合率は数値シミュレーションから求められ、この結果を図 5 に示す。
図 7 ファイバー加工機
まず、ファイバーを加工するためには軟化できる程度まで加熱する必要があり、本実験では出力を容易に制御でき、集光することによって局所的な加熱ができる CO2 レーザーを用いた。ファイバーを固定するための左右のステージの横にはステッピングモーターを配置し、モーターを Arduino で
図 5 チップ先端の半径𝑎による発光体との制御することでステージの移動速度と移動結合効率[3]距離をコントロールした。ソレノイドはチップ作成時にファイバーを切断するために

図 5 から先端半径を発光体の発光波長の用いた。ファイバー半径が小さくなるにつ0.32 倍にすることによって最大の結合効率れて放出する熱の割合が大きくなるため、である 38%を得ることが出来る。

熱を放出する前に素早く引いて切断するためにソレノイドを用いた。

3. テーパードファイバーチップの作製
3.1 ファイバー加工機

3.2 ファイバー加工方法

テーパードファイバーチップの作製にあ本実験で用いた加工方法は左右のステーたり使用したファイバー加工機の概略図とジを同じ方向に動かし、進行方向側のステージを少しだけ早く動かすことによって引3.3 実験

き伸ばし、往復させることで徐々にファイ3.3.1 ファイバー加工パラメータバーの半径を行った。用いた加工法方法の今回の実験に使用した 3.2 で示した加工方

概略図を図 8 に示す。

法での移動距離の変化倍率𝑏の変化と実験でのパラメータのテーパー角の変化を図 9、図 10 にそれぞれに示す。

図 9 加工中の𝑏の変化

図 8 加工方法の概略図(上図はステージ動作回数𝑛 − 1回目、下図は𝑛回目)
図 8 の様にステージが左側に動くときにステージの移動距離を𝑏倍させることによっ

図 10 図 9 でのパラメータ設定値の角度変て、緑の矢印の長さ（次に半径の変化が生じ化𝑛るまでの長さ）が𝐿𝑠 × (𝛼 − 𝑏) × 𝑏 となる。
この𝑏の値を調整することによって緑の矢テーパー長を最小化させるため、図 10 のよ

印の長さを制御することが出来ることからうにの断熱条件の半径によるテーパー角のテーパー角の大きさを制御することが出来上限値が大きいところでは角度を大きくする。今回作成するテーパードファイバーチ

るために𝑏を大きくとることによってーパップは右側のみを使用するため、ステージー角度Ω(𝑧)を大きくさせ、テーパー角の上を左側に動かすときのみ移動距離を𝑏倍さ限値が小さいところでテーパー角が小さくせた。

なるように𝑏を変化させた。遅い方のステー
ジの移動速度𝑣𝑠 は 0.162[mm/s]、速い方のステージの移動速度は 0.171[mm/s]に設定し、左右のステージの移動速度の比𝛼は 1.05とした。加工は四段階に分けて行った。設定したパラメータを表 1 に示す。

図 12 作製したファイバーの写真
青線が図 2 の断熱条件のテーパー角の上限

表 3.1 加工のパラメータ値で加工した時のファイバー半径で、黄色加工

一往復ごが実験値、緑が先ほどのパラメータでの計との𝑏の算値を表していて、実験値と計算値を比較変化

すると今回の加工方法ではほとんど計算値

初期𝑏

方法
(1)

②1.036-0.001

通りに加工を行えた。そして先端の半径は(2)②1.018-0.002

3.8μm となった。作製したテーパードフ(3)①10ァイバーチップの先端の写真を図 13 に示(4)②1.007+0.002

す。

計算値では第一段階(1)ではファイバー半径が 62.5~42.3μm、第二段階(2)では 42.3μm~25.9μm、第三段階(3)では 25.9μm~18.4μm、第四段階(4)では 9.7μm の変化となるようにパラメータの設定を行った。

図 13 作製したファイバーの先端の写真

3.3.2 実験結果
3.3 で示したパラメータを用いたテーパ

目標ではファイバー先端の半径をサブ波長ードファイバーチップの半径の変化の計算程度にすることだったが、最終的には 3.8値と実験値、上限角から求めた半径の変化μm となった。この原因として CO2 レーのグラフを図 11 に示す。加えて実際に作製ザーの加熱が不十分なままソレノイドで引したテーパードファイバーチップの写真をいて切断しまったことが原因と考えられ

図 12 に示す。

る。
断熱的なテーパー角度で加工を行えているかを確認するために光ファイバーの一端からレーザーを入射し、もう一端から出た光の強度を測定しつつ、その間で光ファイバーを加工することで加工中の透過光の強度から透過光の強度の変化から断熱条件を満たせているかを評価することが出来る。

図 11 作製したファイバー半径の比較

透過率測定のための実験系を図 14 に示す。

に示す。求めたテーパー角は z 方向に 10μm ごとの半径の変化の平均値から角度を求めたものである。

図 14 透過率測定のための実験系の模式図
図 14 での実験系を用いて透過光の強度の変化を測定した。実験結果を図 15 に示す。
図 15 作製したファイバーの角度変化
図 15 から半径 20μm 付近のところでテーパー角が断熱条件の上限値よりも大きくなってしまったことがわかる。図 14 の透過率と比較すると第一段階(1)’と第二段階(2)では透過率は大きく低下しておらず、第三段階(3)で透過率が 85%程度まで減少し、第四図 14 加工中の透過率の変化

段階(4)で 80%程度まで低下してしまったことから透過率の改善するためには第三段

図 4 では青線が透過率、オレンジの線がス階(3)と第四段階(4)でテーパー角をより小テージの動作を表しておりそれぞれのパルさくとる必要がある。そして機械的強度をスの塊が第一段階~第四段階までを表して強くし、汚染に強くするために、高い透過率いて、(1)~(4)の間ではパルスが High になのままテーパー長を最小限に抑える必要がっているときにステージが右側に動いていあるため、第一段階(1)と第二段階(2)の加て、Low になっているときにステージが左工ではテーパー角を今よりも大きくとる必側に動いている。(４)の終了時ではすでに要があると考える。

ファイバー半径が 10μm 以下になっていて、切断前にファイバー半径をより細くするた

参考文献

めに右ステージのみを動かして延伸した。

[1] Nayak, K.P., et al., Nanofiber quantum photonics.

そのあとはソレノイドを起動して切断を行

Journal of Optics, 2018. 20(7).

い、図 14 から最終的な透過率は 80%であ[2] Ravets, S., et al., Intermodal energy transfer in atapered optical fiber: optimizing transmission. J Opt Soc

った。実際に作製したテーパードファイバ

Am A Opt Image Sci Vis, 2013. 30(11): p. 2361-71.

ーチップのテーパー角が断熱条件を満たせ[3] Chonan, S., S. Kato, and T. Aoki, Efficient single-ているかを確認する必要があるため作製しmode photon-coupling device utilizing a nanofiber tip.

たファイバーのテーパー角の変化を図 15

Sci Rep, 2014. 4: p. 4785.