フォトニッククリスタルファイバーを用いた高強度白色光源の開発
電子工学科

米田研究室

１．概要
本研究は、1990 年代後半に考案され近年になって市場に登場してきたフォトニッククリスタルファイバー（PCF）を取り扱ったものである。通常の光ファイバーの構造と異なり、実効面積の小さなコアとコアの周囲に周期的に配置されたエアホール群により、光を閉じ込めて伝搬させている。従来の光ファイバーと比べて非常に大きな非線形効果が得られるため、その用途は幅広く、通信用デバイス・白色光発生源・波長変換デバイス・分散補償ファイバー・偏光保持ファイバー等の利用方法が考案されている。
しかし、用途の幅広さなど便利な面ばかりでなく、PCF は致命的な弱点も併せ持つ。それは、PCF はコアとエアホールを幾何学的に配置させた複雑な構造をしており、コア径は数μm と非常に微細な形状をしている
ため、高強度の入力光に対して壊れ易いことである。例
えば白色光源として使用する場合、出力光のスペクトル幅を十分に得るためには高強度の入力光が必要不可欠であり、入力光強度を上げていくと、あるとき突然光が出なくなるという現象が報告されている（およそ100mW を超えた辺りで）。入射端面のコアの形状は破壊され、次に入射してくる光はその部分で散乱してしまい光が内部を伝搬しなくなる。従来のシングルモードファイバーと比較すると、コアが損傷するエネルギー閾値は桁違いに小さく、実用上耐え難いものである。マイクロストラクチャゆえに脆いとはいえ、高強度の白色光源を待ち望んでいるユーザーのことを考えると、放任することのできない深刻な問題である。
そこで本研究では、この問題を解決すべく、入射端面に保護用レンズを作成することを考えた。複雑で微細な構造を持つ入射端面よりも、シンプルな形状をした入射端面の方が壊れにくいという発想である。
２．PCF の特徴
PCF の構造は、クラッド部に周期的なエアホール（空孔）を有するもので、大きく分けて二種類のタイプがある。まず、コア部が純粋なシリカガラスでできており、その周囲を光の波長程度のサイズの空孔が周期的に配置されているタイプである（Index Guiding PCF）。もうひとつは、コア部が空洞（他の気体・液体の場合もある）でできており、同じく周期的なエアホールが配置されているタイプのものである（Hollow Core PCF）。前者が、内部全反射により光を閉じ込めているのに対し、後者は、フォトニックバンドギャップ効果により光を閉じ込めて伝搬させている。従って、その特性、使用方法には相違点がある。
スーパーコンティニウム光（SC）とは、高強度の超短パルスが光ファイバーなどの非線形媒質に入射すると、そのスペクトルが広帯域にわたり広がり、白色化する光のことである。その物理的現象は、自己位相変調（SFM）、誘導ラマン散乱（SRS）、高次ソリトン分裂過程（SFP）等を伴うものであり複雑である。参考までに、

高橋

浩志

PCF を用いて白色化させた光を、プリズムで分散させたときの写真を Fig.1 に掲載した。
３．PCF の問題点
SC 光の発生を実現できるファイバーとして、現在まで PCF が話題の中心に挙がっており、それに関する論文も多数投稿されている。しかしその一方で、高強度のパルスを PCF に入射させると入射端面に位置するコアが破壊され、SC 光が出力されないばかりか、入射端面のコア部で光が散乱してしまいコア内部を光が伝搬しないという現象も観測されている。その原因のひとつとして、光をコア内に入射させるために集光させると、集光部分でのエネルギー密度は高くなり、非線形過程による吸収により、その部分が光破壊されるという報告がある[1]。また、通常の光ファイバーと異なり、PCF のコ
ア径は数μm と小さいため、入射端面における光電場の集中なども起因している。
この問題を回避するためには、入射させる光の光量を少なくする、レーザー装置の繰り返し周波数を下げる等の対処方法が考えられるが、「ファイバーのコア破壊」に関するテーマを扱った論文は、今まであまり投稿されていないのが実情である。参考までに、PCF のコア破壊の様子を Fig.2 に記載した。

Objective Lens

Ti-Sapphire Laser
82MHz, 100fs745nm

×20f=90mm

×2065〜70mm

Objective Lens
Photonoic
Crystal Fiber
NL-2.0-735(blaze photonics)

Fig.1

22deg.
f=50mm

CCDCamPCF から発生する白色光をプリズムで分散させたときの写真及びその光学配置図。入力光（745nm）が PCF により緑色の領域にまでスペクトル拡大している。CCD カメラの撮像素子には赤外カットフィルターが組み込まれているため、赤外領域は写っていないが、赤外領域側にもスペクトルは拡大している。

コアとその周辺の様子。正常な状態（左側）と、光破壊により形状が変化してしまった状態（右側）。Index Guiding PCF。
光破壊は、出射強度を上げるために入射強度を上げていくと突然起きる。このとき出射端面、ファイバーバルク内は破壊されず、常に入射端面が破壊される。

４．本研究の重要性
そこで登場するのが、本研究で提案する、ファイバーの端面に屈折率球体（ガラス半球）を作成する方法である。屈折率球体を作ることで、光がファイバー表面を通過する部分の面積を広げ、ファイバー表面におけるエネルギー密度を下げることができる。屈折率球体の材質としてガラスを選んだ理由として、PCF はシリカガラスでできているため、両者の材料のマッチングを合わせるためである。また、PCF のコア及び周辺のエアホールの構造は複雑であり、微細構造ゆえに壊れやすいという観点から、できる限り入射端面をシンプルな形状にするという狙いもある。概念図を Fig.3 に示した。
尚、本研究で紹介するガラス半球の作成のプロセスは、後述するようにジメチルポリシロキサン構造をもつシリコンオイルを利用し、紫外線を照射させることで SiO2素子を生成するというものである。このアイデアの多くは、東海大学教授の村原正隆氏の研究成果を引用したものである。
５．シリコンオイルから SiO2 素子の生成本研究で提案する屈折率球体（ガラス半球）の作成手
順は、紫外線を用いた表面改質の技法を用いて、シリコンオイルから SiO2 素子を生成する方法である。具体的には、Fig.4 で表される化学構造の中で、Si‐C 結合を光分解させ、CH3 基の代わりに O を置換させる。

７．シリコンオイルの吸収波長使用するシリコンオイルの吸収波長を求めるために、分光光度計（Hitachi spectro photo meter）を用いて透過率の測定を行った。結果を Fig.6 に示した。Fig.6 から、10cs、100cs では 190nm 付近に、1cs では 200nm付近に最も強い吸収を示していることが分かる。このことから、190〜200nm 付近に波長帯域をもつ紫外光が、このシリコンオイルに適している（1cs、10cs、100csは動粘度の異なるオイル。値が高いほど動粘度は高い）。
25Ar2(126nm)
Kr2(146nm)
20Xe2(172nm)
photon energy [eV]Fig.2

６．紫外線を用いた表面改質
紫外線を用いて、物質表面の改質を実現する研究がなされている[2]。具体的には、材料の表面を親水性にしたければ OH 基や NH2 基を、新油性なら CH3 基や C2H5基を置換して、化学結合のみによる新しい表面を形成する手法であり、いわば光化学的“表面改質法”である。
紫外線領域の波長のフォトンエネルギー（=hν）は、Fig.5 に示すように 2〜10eV であり、分子間の結合エネルギーに匹敵する。このとき物質の分子と照射した紫外線のフォトンが衝突し、その分子の結合エネルギーがフォトンのエネルギーよりも小さく、かつその波長域に吸収帯を有するとき、その分子は光解離される。このときに、末端原子と所望の官能基とを置換させることにより、表面改質を達成することができる。言い換えると、もし切断したい分子間の結合エネルギーと吸収波長が分かっていれば、用いるべきレーザーの種類が決定できる[3]ArF(193nm)
15KrCl(222nm)

XeCl(308nm)

KrF(248nm)

10XeF(351nm)

5050

コア径

Fig.5
入射ビーム

150200250
wavelength [nm]300350400

波長[nm]とフォトンエネルギー[eV]との関係

100

PCF の端面に屈折率球体を作成。真空−ファイバー境界との断面積を大きくし、さらにレンズ効果によりカップリング向上を行うことで、高入力による高強度白色光源を実現。

transmittance [%]Fig.3

10010KF-96L-1CS
KF-96-10CS
KF-96-100CS

Fig.4

1190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300
wavelength [nm]

シリコンオイルの化学構造。ガラスと同じ無機質のシロキサン結合（Si‐O‐Si）と有機質のメチル基（‐CH3）からなる。

Fig.6

シリコンオイルの透過率 vs 波長特性

８．屈折率球体のシミュレーション
屈折率球体の最適な高さを求めるためには、球体を通過する光の表面積を求めなければならない。そこで、ビーム光線の伝搬理論を引用してシミュレーションを行うことにする[4]。ビームスポットサイズω(z)はビーム光線の断面の半径を表しており次式で表される。
⎡⎛ λz ⎞ ⎤⎟ ⎥2 ⎟⎝ πω0 n ⎠ ⎥⎦ω 2 ( z ) = ω02 ⎢1 + ⎜⎜⎢⎣2(1)

ファイバー内を伝搬しているビーム光線がコア外へ進Fig.9 ドロップレットレンズ原理図
行する場面を考えると、出射端面における位置（z=0 とおく）ではビームスポットは最小になっている。例えばこれをシミュレーションしてみると Fig.7 のようになる。 ９．ドロップレットレンズ作成装置
屈折率球体（ガラス半球）の作成方法として、本研究(1)式をビームの広がり角を表す式で近似させると、ビーで提案する「ドロップレットレンズ」がある。これは、ムの広がり角θbeam は次式で表される。
シリコンオイルの持つ表面張力を利用したもので、ファ⎛ λ ⎞⎛πω02 n ⎞⎟⎟⎜⎜ z >>⎟⎟θ beam = tan −1 ⎜⎜( 2)
イバー端面を下向きにしてシリコンオイルに浸し、それλ ⎠⎝⎝ πω0 n ⎠を引き上げたときに、液体の表面張力によりレンズを作成する方法である。原理図を Fig.9 に示す。
(2)式を用いて、屈折率球体の表面を通過する面積を求め「ドロップレットレンズ」の特徴は、屈折率球体の高ると次式のようになる（立体角の概念を利用した。半頂さをシリコンオイルの動粘度を変える（または組み合わ角がθbeam に相当、L は球体の高さ（曲率半径））。
せる）ことでコントロールできることである（シリコン⎛⎧⎛ λ ⎞ ⎞⎟⎟⎟
S = 2πL2 ⎜1 − cos⎨tan −1 ⎜⎜(3)オイルの表面張力は動粘度に依存するためで、動粘度が⎜⎝ πω0 n ⎠ ⎟⎠⎩⎝
高いほど表面張力は強い）。このとき紫外線を照射させることで、シリコンオイルで形成された半球の球殻を固上式を用いて、コア半径 1.0μm（=ω0）の場合の表面め、形状を保持することが可能となる。
積は、Fig.8 のようになった。例えば 6.2μm の厚みの2屈折率球体を作成した場合、表面積は 3.2μm になる。
１０．ドロップレットレンズの作成と評価
これはコア面積 3.14μm2(コアを直径 2μm の円とみな【 ドロップレットレンズ作成の手順 】した場合)と比較すると同程度の面積である。従って、①光ファイバー（コア径100μm、クラッド径 110μm）
6.2μm 以上の厚みの屈折率球体を作成するのが適当での先端にシリコンオイル（10cs、100cs）を付着させるある。
⇒ドロップレットレンズの作成（結果を Fig.10 に）。
ω(z)② 紫外線光源で 1 時間照射させる。⇒ドロップレットレンズの球殻を固める（結果を Fig.11 に）。
z

なお、紫外線光源として D2 ランプ（スペクトル分布115〜400nm 浜松ホトニクス社製）を使用した。

10μm
10cs
Fig.7100cs

ビームスポットサイズのシミュレーション（ω0=1.0μm、λ=745nm、n(λ)=1.45、コア半径=ω0 ）

820μm
通過する表面積 [μm^2]740μm

6Fig.105紫外線照射前

410cs

3100cs215μm

00Fig.8246
半球の高さ [μm]屈折率球体の高さ[μm] vs 表面積[μm2]825μm

10Fig.11

紫外線照射後45μm
Fig.1230μm

紫外線照射前（左側）と、紫外線照射後（右側）。

Fig.15

シリコンオイルがコア及びエアホールが溶けて空洞になった部分に侵入する様子（左側）、及び時間が経過した後の様子（右側）。

１１．単一モードファイバーによる実験
単一モードファイバー（モードフィールド径 4μm、外径 125μm、ファイバー長 10m）の端面にドロップレットレンズを作成し、光が通るか実験してみた。手順を次に示す。
①単一モードファイバーの端面にシリコンオイル(100cs)を付着させる（結果を Fig.12 に）。
②D2 ランプで 1 時間照射させる（結果を Fig.12 に）。
③Ti-Sapphire レーザー(745nm、82MHz)を入射させる。
④フォトダイオードを用いて光パワーを計測

エッチング範囲

Fig.16

フォトダイオードで光電流を計測したところ入力側は 2.4mA、出力側は 0.5mA だった。使用したフォトダイオードの受光感度より、入力側 6mW、出力側 1.2mWとなった。このことから光は問題なくレンズを通ることが分かった。
１２．ドロップレットレンズの作成と評価（PCF 端面）
フォトニッククリスタルファイバーの端面にドロップレットレンズを作成してみた（結果を Fig.13 に）。
Fig.13 から分かるように、コア及びエアホール上にシリコンオイルが貼り付いていない様子が分かる。幾つかの方法で確認してみたところ、オイルがエアホールに流れ込んでいるのではなく、PCF 端面の構造上の問題により貼り付いていないということが判明した。詳細な理由については明らかでないが、HF 溶液（濃度 5%）に浸して PCF 端面をエッチングさせてやると、シリコンオイルを端面に貼り付けるのに成功した。その様子をFig.14 に示した。

Fig.13

PCF にオイルを付着させる前（左側）、及び付着後（右側）エッチング後の PCF 端面（左側）及びドロップレットレン
ズ付着後（右側）

しかし、時間が経過するとまた別の問題が発生した。
エッチングすると、コア及びその周辺のエアホールが侵され、その部分は溶ける。時間が経過すると、その部分にシリコンオイルが入り込んでしまい、その結果端面には何もなくなってしまう。
その様子を Fig.15 に示した。
この現象を解決する方法として、エッチングする時間を短くしてエッチングする領域を少なくし、侵入する体積を最初に貼り付いたレンズの体積より少なくさせてやれば良い。このアイデアを Fig.16 に図案化させた。
１３．残された問題点
Fig.16 のような解決策が見つかったものの机上のアイデアで、未だ実践していない段階である。
シリコンオイルに紫外線を照射させると、体積が縮小する現象が残された問題点である（Fig.11,Fig.12）。実験では、紫外線が酸素分子により吸収されるのを防ぐた
めに、0.1Torr の真空状態で行ったが、その状態では酸素分子が不足しており CH3 基との置換反応を行うことができない。もし、190〜200nm の付近で紫外線が酸素に吸収されないならば、真空を引くメリットはどこにもない。今後、その詳細を明らかにした上で、再度実験する必要がある。
１４．今後の展開
Fig.16 で提案したアイデアを実践して、フォトニッククリスタルファイバーの端面にドロップレットレンズを作成する予定である。それが完成した暁には、出力光のパワーが 1 桁（あるいはそれ以上）上がるまで挑戦してみたい。
――――――――――――――――参考文献――――――――――――――

40μm[1]Chris B. Schaffer, Andre Broudeur, Jose F. Garcia, and Eric Mazur, Opt. Lett. 26,93‐96 (2001)[2]村原正隆、”エキシマレーザーを用いたプラスチックの表面改質”, 20, 407‐413 (表面科学)[3]村原正隆、”エキシマレーザー表面処理”, C-2-1‐C-2-12

Fig.14エッチング後（左側）とそれにオイルを付着後（右側）。

[4]Amnon Yariv, “Chap.6 (p.99‐p.129)”( Laser Expo 2004 講演予稿集)

Quantum Electronics