| 研究課題/領域番号 |
20K03818
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| 研究機関 | 電気通信大学 |
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研究代表者 |
森永 実 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 准教授 (60230140)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 量子光通信 / 量子光学 |
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| 研究実績の概要 |
単一光子源として用いる微小発光体からの発光を伝送路である単一モード光ファイバーに効率よく導くためにファイバー端を細くテーパー状に加工し先端に微小発光体を取り付けることにより手軽に用いることのできる単一光子発生デバイスを作成し単一光子による量子光通信の実験に役立てることを目指している。発光体で発生した光子の伝送路への結合効率は適切な先端径にすること（ファイバーに入る光子の割合が多くなる）とテーパー角を十分緩やかにする（ファイバーに入った光子がすべてファイバーコアに引き込まれる・断熱条件と呼ばれる）ことの2点を満たすことにより最大化される。ファイバーの一部分を一定幅加熱しながら引き伸ばすという通常の加工方法で断熱条件を満たすように加工すると、断熱条件が一番厳しくなる半径が波長の30倍程度の領域より細い区間では先端に向けてテーパー角が断熱条件の要求より遥かに小さくなっていき、従って「無駄に」長くなるため機械的強度の観点からデバイスとして扱いづらい。細い区間の長さを抑えるためには加熱幅を小さくすることが必要なので加工には集光したCO2レーザーを用いている。ファイバー上を一定幅でCO2レーザーを往復させながらファイバーの両端を引いて伸ばす。往復幅を変化させることにより実効的な加熱幅を調整している。進捗状況に記すように加工装置に様々な改良を行なった結果概ね意図する形状のファイバーチップを作ることができた。ただし光損失が十分抑えられていないのと先端径が目標の3倍程度あるのが今後改善を必要とする項目である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
加熱加工のために使用しているCO2レーザーのON/OFFは今までは手動で行なっていたため正確なタイミングでOFFにすることができず加工プロセスを途中で止めて加工途中の状態を確認することができていなかった。またCO2レーザーの制御はレーザー導入時にセットになっていたコントローラを使用していて出力値の設定は手でつまみを回して行うため再現性に欠いていた。そこでマイコンを使ったPWMによるコントローラを開発し数値で出力値を指定できるようにした他ステージのコントローラにも機能を追加しステージコントローラからもレーザーのON/OFFおよび出力値の変更ができるようにした。また加工部分を拡大してリアルタイムでモニタし記録するカメラを設置したため加工時のファイバーの様子、例えば加工条件によってファイバーが振動したり位置がシフトしたりする様子などがよくわかるようになった。
ファイバーにはモニター用のレーザー光を通して加工中の透過光強度を記録しているが引き伸ばすステージの動作と連携していないため例えば透過率の低下がどの加工段階で発生しているのか照合するのが難しかった。そこでステージ動作情報も同時に記録されるように改良を行なった。
その他、加工の安定性のためにCO2レーザーの焦点はファイバーよりやや下に設定しているが、細かい調整を行うために微調機構を取り入れた。
このようにファイバーチップの加工・製作環境は充実してきた。
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| 今後の研究の推進方策 |
進捗状況に記したようにファイバー加工のハード面は整備されてきたので新しく加わった機能を利用し特性のよいテーパー状光ファイバーチップの製作条件を探っていく。現在作成できているファイバーチップの先端径は3μm程度まででそれより細くならない。これはファイバー径がレーザーの吸収長と同程度の10μm以下になると加熱量は加熱領域の体積に比例する一方放熱のうち熱伝導など面を通して行われるものは面積に比例するためファイバー径が小さくなると相対的に放熱が勝ってきて温度が低下する、ということが起きていると考えている。対策としては加工中にCO2レーザーの出力を上げていく方法の他、ファイバー径がある程度小さくなったら温度が下がる前に一気にファイバーを引きちぎる方法がある。現在CO2レーザーの出力は最大値（25W）の12%程度で加工を行なっているので前者の方法で十分対応できると考えているが出力を上げると加工が不安定になる傾向も見られるため後者の方法も検討する。このためにはファイバーを高速で引くための機構の追加が必要である。
ある程度の性能を持つと考えられるファイバーチップが出来たら先端に発光体を付けて性能評価を行う。微小発光体を先端面中央に配置するからくりも検討中であるが、差し当たっては単にファイバーチップを発光体が分散した溶液の表面に漬けることにより発光体を付着させる。発生した光子が単一光子状態にあるか識別するための2光子相関計測装置もFPGAを用いて現在開発中である。
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