CO2 レーザーによるテーパードファイバーの作製と評価
森永研究室

ZHOU CHENGGONG

令和 6 年 3 ⽉８⽇
１背景と⽬的単位である単⼀光⼦の利⽤により，従来の単⼀光⼦源は⼀度に⼀つの光⼦を⽣成す暗号⽅式に⽐べて⾼いセキュリティが確保る光源であり，通常特定の物質や特殊な装され，現代社会において通信のプライバシ置を使⽤して⽣成され，⾼い制御性と精度ーとセキュリティを向上させる先進的な技が求められる．単⼀光⼦源は量⼦暗号通信，術となる[1]．

量⼦コンピュータや量⼦光情報科学における多くの応⽤に不可⽋なものである．その中の量⼦暗号通信は，光ファイバーを利⽤する⼀般的な通信⽅式とは異なり，単⼀光⼦を使⽤して通信のセキュリティを強化することができる．光ファイバーにおける通信では，情報は光の強度によって表現され，⼀般的には公開鍵暗号⽅式が使⽤されてい図 1 量⼦暗号通信の概略図る．しかし，量⼦暗号通信では，光の最⼩単本研究では単⼀光⼦光通信を実現させる位である単⼀光⼦を活⽤することで，物理ため，単⼀光⼦源を光の伝送路である光フ的な盗聴に対する⾼い耐性を実現している．

ァイバーに伝送する必要がある．光ファイ

この技術の特徴は，量⼦⼒学の原理に基づバーを CO2 レーザーにより加熱して延伸いて通信の安全性を確保している点にある．

し先細りさせると，先端部分で光の閉じ込

通信過程での光⼦の状態を観測すると，そめが強くなりモード密度が⾼まる．ファイれが変化し，その変化が通信の双⽅で検知

バー先端直径が光波⻑程度の時にモード密されるため，第三者による盗聴が即座に検度が最⼤になりかつ単⼀モードである．フ知される．量⼦エンタングルメントと呼ばァイバー先端直径が光波⻑程度かつ断熱条れる現象も利⽤され，通信の端末間で共有件を満たしつつテーパー部が最短となるよされる秘密鍵を安全に交換する．この物理うに光ファイバーの加⼯を⽬指す．

的な盗聴検知の特性により，量⼦暗号通信

2 原理は重要な機密情報のやりとりやセキュアな光ファイバーは主に⽯英ガラスから構成

通信に広く利⽤されつつである．光の最⼩され，その構造はコア，クラッド，被覆の三つの層から成り⽴っている．コアとクラックラッドーエア伝搬部の三つに分けられる．

ドの屈折率は⼯夫され，コアの屈折率が⾼コアークラッド伝搬部ではコアとクラッドくなるように設計されている．これにより，の屈折率の違いにより，コア内に光が閉じ中⼼のコア部では光が全反射と屈折を繰り込められて伝搬していく領域となり，テー返し，コア部の中⼼を通って光が伝搬されパー部では光ファイバーの径が細くなってる．被覆は主にプラスチック材料で構成さいく部分である．テーパー部で細くなるにれ，外圧による伝送損失を抑制し，熱や湿度つれてコアだけでなくクラッドも同様に細による強度特性の劣化を防ぐことができる．

くなっていく．半径 19.43μm あたりから

光ファイバーのこの構造により，⾼い信号コアが⼩さくなりすぎ基本の伝搬モードを伝送性能が確保され，通信やデータ伝送の⽀えることが出来なくなっていく．そうし分野で広く活⽤される．その耐久性と信頼ていくと光は徐々にクラッドに漏れていき，性は，様々な環境条件下での使⽤において

図 1 のクラッドーエア伝搬部ではクラッド重要な役割を果たしている．と空気界⾯の屈折率の違いによってクラッ

光ファイバー内に存在できる伝搬モード

ド内に光が導かれる．[2]の数は規格化周波数𝑉によってきまる．この規格化周波数は次の式(𝛥 (𝑉 = 𝑘$ 𝑎(𝑛() − 𝑛)) )) = 𝑘$ 𝑎𝑛( ( ))22𝜋𝑎𝑁𝐴=(1.1)
𝜆で表すことができる．ここで𝑘$ = 2𝜋/𝜆，𝑎はコア半径，𝜆は光の波⻑である． これら

図 1 テーパーファイバー概略図のパラメーターは光ファイバーがシングルモードかマルチモードかを特定するための2.1 断熱基準ものである．V<2.405 のとき，単⼀のモーテーパー中の伝搬モード変換はテーパードの光のみが伝搬される．シングルモードの形状に強く関係している．図２のテーパ

ファイバーとマルチモードファイバーは主ーの⾓度𝛺(𝑧) が⼤きすぎる場合，モード変にコアの⼤きさに起因している．通常マル換は⾮断熱的になり，損失が観測される．逆チモーファイバーのコア半径𝑎 はおよそにテーパーの⾓度を⼩さくするとテーパー25~30μm であるのに対し，シングルモー中のエネルギーが基本モードにとどまり，ドファイバーを実現するのに必要な半径はモード変換はより断熱的になる．⾓度Ωを⽤2~4μｍである．

いてテーパー部の⻑さ𝑧9 を表すとテーパードファイバーは光ファイバーの断⾯の径を細くしたものであり，細くする

𝑧9 =𝑅tan(𝛺)(2.1)

過程で左右のテーパー部分が⽣じる．図 1となる．ここで𝑅はテーパー部でのファイバはテーパードファイバーの概略図を⽰してー半径(クラッド半径)である．𝑅における⼆おり，コアークラッド伝搬部，テーパー部，つのモード間のビート⻑𝑧> は

2𝜋2𝜋𝜆(2.2)==
𝛥𝛽 𝛽( − 𝛽)𝑛@AA.( − 𝑛@AA.)

フの⻘線よりも⼩さいテーパー⾓度でファで表される．ここで𝛽( は半径𝑅における基本的になる．図 2 は伝搬効率を上げるためのモードの伝搬定数で𝛽) は同じ対称性を持つ⽬安となる．また，式(2.2)より⼊射波⻑に第⼀励起モードの半径𝑅における伝搬定数

よって断熱⾓度が変化するため，伝搬させである(EH11)．テーパーファイバーのテーる光の波⻑に適した光ファイバーの加⼯をパー⻑がビート⻑に⽐べて⼗分に⻑い時⾏う必要がある．[3]𝑧> =イバーを変化させたときモード変換は断熱(𝑧9 ≫ 𝑧> )にはロスが少なくなり，ファイバー中のモード変換は断熱的になる．図 2 にモード変換が断熱的になるためのテーパー⾓の限界値を⽰す．

2.2 先端直径
テーパードファイバーチップはテーパードファイバーの最も半径が⼩さい部分で切断したコーン状または円錐状のような形状のものである．テーパードファイバーチッ
プの概略図を図に⽰す．

図 2 ファイバー半径におけるテーパー⾓の断熱性[3]図 3 テーパードファイバーチップ概略図

図 2.2.2 は横軸がファイバー半径，縦軸は単⼀光⼦発信機からシングルモード光フテーパー⾓度になっていて，モード変換がァイバーへの光⼦のナノファイバーチップ断熱的となるためのテーパー⾓度の限界値にカップリングした時は図 4a に⽰したよを表している．このグラフは式(2.1)とうにナノファイバーチップの半径がα，光(2.2)において𝑧9 = 𝑧> となるときの計算結源からファイバー軸の距離を r，ファイバー果となっている．

への距離を z とした．図 4 b では，ナノファイバー半径α＝0.32λ，r＝z＝０の時，カΩ(𝑧) =𝑟(𝛽( − 𝛽) )2𝜋(2.3)ップリング効率を最も⾼く 38%であることを⽰した．さらに⾦属ミラーを使⽤すると，効率が 76% まで向上した．シリコン導波となるときである．グラフの⻘線よりも⼤路を使⽤すると，効率がさらに 87% に向

きいテーパー⾓度でファイバーを変化させ上した[4]．

たときモード変換は⾮断熱的になり，グラーが軟化する程度まで加熱を⾏う必要があるため加熱するために本実験では CO2 レーザーを⽤いて加熱を⾏った CO2 レーザーを⽤いた加熱⽅法は出⼒を容易に制御でき，気流やそのほかの湯意外な物質の影響
図 4 単⼀光⼦発信機からシングルモーをファイバーに与えない．ソレノイドはフド光ファイバーへ⼊射させたときのカップ

ァイバーの直径が⼩さくなるにつれて加熱

リング効率と光ファイバー半径の関係

⽤の CO2 レーザーの吸収が減ることで加[4]．

⼯に必要な温度を保てなくなるため，切断する際に温度が低下する前に⼀気にファイ3 実験バーを引いて切断するために⽤いた．

テーパードファイバーチップの作製のため，光ファイバーの加⼯が⾏われた．使⽤したファイバー加⼯機の概念図を図 5 に⽰した．

図 6 光ソレノイドの写真

4 結果
テーパードファイバー加⼯中の光透過率を
図 5 光ファイバー加⼯機の概略図調べるため，図 7 に⽰したように 532nm
レーザーをファイバーの⼀端から⼊射させステッピングモーター(駿河精機)を左右て，もう⼀端から出⼒を図った．に配置し，左のステージ上部には光ファイバーを固定するための溝があり，溝に沿うようにファイバーを設置し，マグネットによって固定している．右ステージの上にはソレノイドの先に３D プリンターで作成したキューブの形状の物の中に⾦属板バネが⼊っていてこの⾦属板バネによって固定を⾏っている．板バネの上部にも溝がついて

図 7 透過光強度測定のための実験系いて，平⾏になるように設置を⾏う．ステッピングモーターで左右のステージの速度と移動距離を Arduino で制御した．
ファイバーを加⼯するためにはファイバ加⼯中の 532nm レーザーの光の透過率は下の図 8 に⽰したようになった．ファイバー直径におけるテーパー⾓の断熱性によって，ファイバー直径が 20μm になるとき直径が 10μm より細くならなかった．原因に損失が最も少ないことである．そのときは加熱のパワー不⾜だと考えられる．のファイバー光透過率が 96%に上がった．

図 8 加⼯中の光の透過率

図 10 加⼯したファイバー直径ステージで加⼯したファイバーの直径は 10

ソレノイドを動作させる前の加熱，CO2μm 程度になったとき，ファイバーがそれレーザー出⼒（元は 3.0W である）を以上細くならなかった，図 9 に⽰した．

8.0W から 10.0W に上げて加⼯した．CO2
レーザー出⼒が 8.75W (35%)より⼤きい時，加⼯したファイバー先端直径が 10μmより細くなった図 11 に⽰した．

図 9 加⼯したファイバーの写真
原因と考えられるのはファイバー 直径が10μm 程度なると CO2 レーザーがファイバーに透過するようになり温度が低下する．
対策としてはファイバーの直径を約 20μm

図 11 加⼯したファイバー直径まで加⼯した後，ステージを停⽌， CO2 レーザーの再び出⼒ ON，⼗分溶けた状態で，図 11 の実験結果を⽐較すると CO２レーザソレノイドを使って素早く引っ張る．CO2ーの出⼒を 9.25W，10.0W にしたときファレーザーの再び出⼒ ON からソレノイドをイバー先端の直径が 1μm 程度になって，引っ張る時間をΔt として，CO２の出⼒を8.75W の 5μm に⽐べて⽬標の先端直径にP とした．まず CO2 レーザーON にしてか近くなった．また，図 3.2.26 のファイバー

らソレノイドの動作させる遅延時間Δt を全体の直径を⽐べると，10.0W のときの先0ms から 100ms まで，変えて加⼯を⾏った．

端部分が⻑く引き伸ばされ，約 1mm とな結果を図 10 に⽰した．加⼯したファイバーって，テーパー⻑が 3.5mm となり⽬標のテーパー⻑より⻑くなった．CO２レーザーのて，そのときの光透過率を 96%にあげ出⼒を 9.25W にした時の結果は先端直径がた．また，ソレノイドの使⽤により，先端1μm 程度で，テーパー⻑が 2.5mm，ファ直径 1.0μm，テーパー⻑が 2.5mm のテー

イバー直径が 20μm 近くではテーパー⾓度

パードファイバーチップを作製することがが⼩さくて断熱条件を守られ，損失が少なできた．

くシングルモードで伝搬されると考えられ

6 今後の展望る[3]．従って，図 11 の CO２レーザーの今後⽬標先端直径 0.5μm 程度に加⼯す

出⼒を 9.25W にした時の結果は望ましいテ

るには，ソレノイドの改良が必要と考えらーパードファイバーチップ考えられる．図れる．現在使⽤されているソレノイドの速12 に⽰したのは CO２レーザーの出⼒を度と移動距離が調節できなく，先端直径の9.25W にした時のファイバー全体の写真で加⼯は CO２レーザーの出⼒で制御していある．

た．ソレノイドの改良により，速度・移動距離と先端直径の相関性が調べられ，より望ましい先端直径が加⼯できると考えられる．
また，テーパードファイバー加⼯中での断熱性をもっと詳しく評価する必要があると考えられる．先端直径が 0.5μm 程度かつ断熱条件が守られるテーパードファイバーを作成できたら，量⼦ドットと結合させ，単⼀光⼦状態ができているか相関計測を⾏って確かめる

5 まとめ
本研究では単⼀光⼦光通信を実現させる

参考⽂献
1.

Mario Krenn, M.M., Thomas Scheidl

ため，単⼀光⼦源を光の伝送路である光フand Anton Zeilinger, Quantum communication

ァイバーに伝送する必要がある．光ファイwith photons. Optics in Our times, 2007: p. 455-

バーを CO2 レーザーにより加熱して延伸

482.

し先細りさせると，先端部分で光の閉じ込

2.

めが強くなりモード密度が⾼まる．ファイ

Nayak, K.P., et al., Nanofiber quantumphotonics. Journal of Optics, 2018. 20(7).

バー先端直径が光波⻑程度の時にモード密3.

度が最⼤になりかつ単⼀モードである．フtransfer in a tapered optical fiber: optimizing

ァイバー先端直径が光波⻑程度（0.5μm 程transmission. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis,度）かつ断熱条件を満たしつつテーパー部

2013. 30(11): p. 2361-71.

が最短となるように光ファイバーを⽬指し4.て，加⼯を⾏った[4]．

Efficient single-mode photon-coupling device

先⾏研究のファイバー加⼯⽅法にしたがって，ファイバーの直径を 20μm にしRavets, S., et al., Intermodal energy

Chonan, S., S. Kato, and T. Aoki,utilizing a nanofiber tip. Sci Rep, 2014. 4 : p. 4785.