[論文レビュー] Nested-capillary anti-resonant silica fiber with mid-infrared transmission and low bending sensitivity at 4000 nm

Mariusz Klimczak, Dominik Dobrakowski+6 more|PubMed|Jan 8, 2019

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 40被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、大口径コア（60 µm以上）を有するネストキャピラリー反共振シリカファイバを提示しており、3500〜4200 nmのミッドインフラレッド帯域で低曲げ損失を実現する。40 mmの曲げ半径で3回転の曲げを加えた際、4000 nmで0.5 dB/mの曲げ損失を達成しており、ガスセンシングやファイバーレーザーなどのミッドインフラレッド応用に不可欠な高い曲げ耐性を示している。

ABSTRACT

We report a silica glass nested capillary anti-resonant nodeless fiber with transmission and low bending sensitivity in the mid-infrared around 4000 nm. The fiber is characterized in terms of transmission over 1700-4200 nm wavelengths, revealing a mid-infrared 3500-4200 nm transmission window, clearly observable for a 12 m long fiber. Bending loss around 4000 nm is 0.5 dB/m measured over three full turns with 40 mm radius, going up to 5 dB/m for full turns with 15 mm radius. Our results provide experimental evidence of hollow-core silica fibers in which nested, anti-resonant capillaries provide high bend resistance in the mid-infrared. This is obtained for a fiber with a large core diameter of over 60 μm relative to around 30 μm capillaries in the cladding, which motivates its application in gas fiber lasers or fiber-based mid-infrared spectroscopy of CO_x or N_xO analytes.

研究の動機と目的

• ミッドインフラレッドスペクトルにおける高い曲げ耐性を有するホールウエルシリカファイバの開発を目的とする。
• 実用的展開に向けた課題として、従来のミッドインフラレッドファイバにおける高い曲げ損失を解決することを目的とする。
• 大口径コア構造を用いて、3500–4200 nm範囲での長距離伝送を可能とすることを目的とする。
• ネスト反共振キャピラリー構造がシリカで実現可能なミッドインフラレッド応用における実験的妥当性を示すこと

提案手法

• ファイバは、シリカガラスマトリックス内に反共振ホールウエルコアを有するネストキャピラリー構造を用いて作製された。
• 設計は、直径約30 µmの複数のクラッドキャピラリーに取り囲まれた大口径コア直径（60 µm以上）を特徴としている。
• 広帯域ミッドインフラレッド光源を用い、12 mのファイバ長で1700–4200 nm範囲で伝送特性を測定した。
• 4000 nmにおける曲げ感度は、曲げ半径40 mmおよび15 mmで3回転の曲げを加えた際の損失を測定することで定量化された。
• 反共振メカニズムにより、光がシリカクラッドに共鳴結合するのを防ぐことで、放射損失を低減している。
• 理論的モデリングにより設計が裏付けられ、抑制されたクラッドモードを介した低損失ガイドイングが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネストキャピラリー反共振シリカファイバは、ミッドインフラレンジの4000 nmで低曲げ損失を達成できるか？
• RQ2 このファイバの伝送帯域幅は3500–4200 nm範囲でどの程度か？
• RQ3 4000 nmにおけるファイバの曲げ損失は、曲げ半径を小さくするにつれてどのように変化するか？
• RQ4 大口径（60 µm以上）のホールウエルファイバは、低損失および高い曲げ耐性を維持できるか？
• RQ5 このファイバはミッドインフラレンジ分光法やガスファイバーレーザー用途において実用的であるか？

主な発見

• 12 mの長さで確認されたファイバは、3500〜4200 nmの伝送窓を有している。
• 4000 nmにおける曲げ損失は、曲げ半径40 mmで3回転の曲げを加えた場合、0.5 dB/mであり、強力な曲げ耐性を示している。
• 曲げ半径15 mmで3回転の曲げを加えた場合、曲げ損失は5 dB/mに増加し、よりきつい曲げに対して感度を示している。
• 大口径コア直径（60 µm以上）により、効率的な光ガイドとガスファイバーレーザー用途への対応が可能になった。
• ネスト反共振構造は、放射損失を効果的に抑制し、ミッドインフラレンジでの低損失伝送を実現している。
• 実験結果により、ミッドインフラレンジ応用に向けた高い曲げ耐性を有するシリカベースのホールウエルファイバの実現可能性が裏付けられた。