[論文レビュー] Hollow-core fibers with reduced surface roughness and ultralow loss in the short-wavelength range

Jonas H. Osório, Foued Amrani+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2022

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 31被引用数 84

ひとこと要約

本論文は、引き出し中に反対方向のガス流を適用することにより、コア表面粗さを低減する画期的なプロセスを提案する。これにより、表面散乱損失が顕著に低減され、290 nmで50 dB/km、369 nmで9.7 dB/km、可視光帯域で2 dB/km未満の記録的な超低損失を達成した。表面粗さのルート・ミーン・スクエア（rms）は0.40 nmから0.15 nmに低下した。これは、紫外線および可視光帯域において、酸化ケイ酸系コアファイバの限界を上回る性能を実現した。

ABSTRACT

While optical fibers display excellent performances in the infrared, visible and ultraviolet ranges remain poorly addressed by them. Obtaining better fibers for the short-wavelength range has been restricted, in all fiber optics, by scattering processes. In hollow-core fibers, the scattering loss arises from the core roughness and represents the limiting factor in reducing their loss regardless of the fiber cladding confinement power. To attain fibers performing at short wavelengths, it is paramount developing means to minimize the height variations on the fiber microstructure boundaries. Here, we report on the reduction of the core surface roughness of hollow-core fibers by modifying their fabrication technique. In the novel process proposed herein, counter directional gas fluxes are applied within the fiber holes during fabrication to attain an increased shear rate on its microstructure. The effect of the process on the surface roughness has been quantified by optical profilometry and the results showed that the root-mean-square surface roughness has been reduced from 0.40 nm to 0.15 nm. The improvement in the fiber core surface quality entailed fibers with ultralow loss in the short-wavelength range. We report on fibers with record loss values as low as 50 dB/km at 290 nm, 9.7 dB/km at 369 nm, 5.0 dB/km at 480 nm, and 1.8 dB/km at 719 nm. The results reveal this new approach as a promising path for the development of hollow-core fibers guiding at short wavelengths with loss that can potentially be orders of magnitude lower than the ones achievable with their silica-core counterparts.

研究の動機と目的

• 短波長動作における表面粗さに起因する散乱損失という根本的制限を克服すること。
• 現在のHCPCFの基準である0.40 nm未満のコア表面粗さを低減するためのプロセスを開発すること。
• 表面散乱損失を最小限に抑えることで、紫外線および可視光帯域における超低損失を実現すること。
• 複雑なクラッド構造を用いずに、単純なSR-TL HCPCF構造が記録的な低損失を達成できることを実証すること。
• 将来の高性能HCPCFに適用可能なスケーラブルでプロセスに基づく表面平滑化手法を確立すること。

提案手法

• 本発明のプロセスは、引き出し中に繊維の穴内に反対方向のガスフラックスを適用し、ケイ酸ガラス膜にせん断速度を高める。
• 熱的毛細管波を抑制するためにせん断流れを用い、これによりガラス転移温度で凍結する表面粗さが低減される。
• 表面高さプロファイルを測定し、ルート・ミーン・スクエア（rms）粗さを計算するために光学的プロファイル計測法を用いる。
• 原子間力顕微鏡（AFM）を用いてナノスケール分解能で高周波の表面テクスチャを検証する。
• 400 nm未満の波長ではプラズマランプ、400 nmを超える波長ではスーパーコンtinウム光源を用いて損失測定を実施する。
• プロファイル計測において、クラッドチューブからの不要な反射を排除するためにインデックスマッチング液を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 引き出し中に反対方向のガス流を適用することで、中空コアファイバの表面粗さを低減できるか？
• RQ2 表面粗さが低減することで、紫外線および可視光帯域における散乱損失はどの程度低減されるか？
• RQ3 SR-TL HCPCFは、複雑なクラッド構造を用いずに、紫外線および可視光帯域における超低損失を達成できるか？
• RQ4 従来の技術と比較して、新しいプロセス法により表面粗さおよび損失性能にどの程度の定量的改善が得られるか？
• RQ5 表面粗さの低減が、250–400 nm帯域で10 dB/km未満の損失値を達成するのに十分であるか？

主な発見

• 反対方向ガス流技術を用いることで、中空コアファイバのルート・ミーン・スクエア（rms）表面粗さが0.40 nmから0.15 nmに低減された。
• ファイバAは290 nmで記録的な損失50 dB/kmを達成し、深紫外帯域で報告された中で最も低い損失を記録した。
• ファイバBは719 nmで1.8 dB/km、558 nmで0.9 dB/kmを達成し、可視光帯域で2 dB/km未満の性能を示した。
• 両ファイバの測定損失値は、酸化ケイ酸のレイノルズ散乱限界（SRSL）を下回っており、根本的な性能の飛躍を示している。
• 損失の改善は、表面散乱損失（SSL）の低減に起因しており、表面粗さに比例して2乗の関係で増大する。
• 結果から、短波長HCPCFにおいて表面粗さが主因の損失メカニズムであることが確認され、プロセス工学的手法により効果的に低減可能であることが示された。