世界で初めてセンチメートルスケールの螺旋ポリマーファイバーを創成――次世代型光ファイバーの実用化に寄与 千葉大学

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本研究にて形成された螺旋ポリマーファイバーの例(長さ5.8mm、ファイバー直径~6µm、螺旋の捩じれの間隔は平均250µm)

千葉大学の尾松孝茂教授、英国セントアンドリュース大学のKishan Dholakia教授ら国際共同研究グループは2020年7月15日、世界で初めて、光渦を安定して空間伝搬する「螺旋ポリマーファイバー」をセンチメートルスケールで創成したことを発表した。大容量高速光通信を実現する次世代型光ファイバーの実用化に大きく寄与するという。

より大容量/高速の通信を実現する手段として注目されている光渦を利用した次世代光通信は、光渦を安定して空間伝搬できる実用的なファイバーの作製方法が確立されていなかった。これまでも光渦を伝搬するためのファイバー形成が研究されていたが、長さの最大はマイクロメートルスケールで、実用化に多くの課題があった。なお、光渦とは、通常は光の等位相面である波面が平面や球面になっているのに対して、波面が螺旋状(螺旋波面)になっているドーナツ型の強度分布をもつ光のことである。

研究では、非回折光渦を光硬化性樹脂に照射して硬化させ、長尺ファイバーの形成に成功した。非回折光渦は、空間的強度分布が空間伝搬しても変わらない非回折性と長い焦点深度を有しており、長尺のファイバーはこれらの性質によって形成できた。拡大図を見ると形成されたファイバーは螺旋を描いているが、これは非回折光渦の軌道角運動量が転写され、ファイバーが捩じれたことによる(冒頭画像参照)。

非回折ではない光渦の伝搬方向プロファイル(上)と非回折光渦の伝搬方向プロファイル(下)。非回折光渦の方が10倍以上長い焦点深度を持つ。

光照射で形成された螺旋ファイバーの長さは、これまでは最大でも140μmだった。しかし、今回の実験でできたファイバーの長さは最大1cmを超えており、世界で初めてセンチメートルスケールの長尺螺旋ファイバーを光照射だけで作製することに成功した。また、作製した螺旋ファイバーの光伝播性能が良好であることも確認している。

実験には波長532nmのレーザーを用い、開口数0.4、倍率20の顕微鏡対物レンズで、螺旋型位相板と円錘レンズを使用して発生させた非回折光渦(1次ベッセルビーム)を光硬化性樹脂中に照射した。

実験では、「光導波路自己形成」という自己組織化現象を利用。光硬化性樹脂は光硬化と同時に屈折率が上昇し、光を閉じ込めるレンズのように振る舞い、その結果、光は硬化した樹脂中を回折することなく安定に伝播し、さらに光硬化を促進する。樹脂は、こうした過程でファイバーへと成長するという。

研究によって創成された長尺螺旋ポリマーファイバーは、光渦を安定して伝搬できる光ファイバーの実用化に向けた大きなステップとなる。

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