JP2021529981A - 光ファイバのメタ表面及び関連方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、光ファイバの面上に形成されたアレーパターニングを有する超薄型光学メタ表面のシステム及び方法を提供する。パターニングは、光の集光及びステアリング、及び光の偏光状態の制御等、そこを通過する光の操作を可能にする。パターニングは、メタ表面を通過する光を選択的に方向付けるように、不均一であってもよい。アレー構造は、大きさ、角度、形状、及び他の不均一な性質において変更してもよい。さらに、アレーは、そこを通過する光を操作する能力を向上させるため、メタ表面特徴を可変的に変調することように、電気的に作動できる及び制御できる材料を含んでもよい。材料は、光ファイバ上に形成された導電体、誘電体、または導電体、絶縁体、及び誘電体の複合材料を含んでもよい。超薄型メタ表面と光ファイバとの統合は、光学イメージング及びセンシング、光学通信、及び他の用途において実用的な用途を提供することができる。

Description

（関連出願）
本出願は、２０１８年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／６８６，７６５号の利益を主張し、当該出願は参照によって本明細書に組み込まれる。

政府がスポンサーした研究または開発に関する主張は適用されない。

アペンディックスの参照は適用されない。

本開示は、光ファイバに一般的に関する。本開示は、特に、光ファイバ上に形成されるメタ表面に関する。

光ファイバは、光を誘導及び操作する効率的で確立された方法であり、減衰が小さい長距離通信のための高いバンド幅光学透過を可能にする。誘電体の光導波路は、光を透過させるために効率的であるが、その機能性は、コアの及びクラッドの材料（例えば、Ｇｅドープされたシリカ及びシリカガラス）の誘電体特性によって限定される。光ファイバを通過する光は通常発散しているため、光ファイバを出た後、光強度は著しく減少する。開口数は、ファイバ材料の屈折率によって定められている。

光学通信用途で使用される以外には、従来の光ファイバは、ファイバレーザ、リモート及び光学的センシング、ファイバイメージング及び内視鏡、及びファイバレーザ手術のために使用される。しかしながら、位相、振幅、偏光状態、及びモードプロファイル（mode profile）等の光ファイバ導波路の光学特性は、ファイバ引抜き加工後、光ファイバにおいて変更することができない。加えて、透過光のスポット径は発散し、スポット径は、誘電体コアの回折限界によって限定される。

光ファイバ内において、構造の要素は良く誘導された空間的モードと直接的に相互作用できるため、ファイバの光学特性を変更及び向上させるように、光ファイバの面上にプラズモン／ナノ構造を加工することを試みた。回折格子及びプラズモンセンサ等のコンパクトな光学系は、従来のファイバの面上の周期的な金属ナノ構造（例えば、均一なスリット、孔またはバー）によって実現された。フォトニック結晶ファイバ（「ＰＣＦ」）の中空なコアの面上のポリマー膜に金属構造を設ける方法は、ナノプラズモンフィルタとしての機能を有する。この方法は、異なる種類の光ファイバとの統合性を提供する。しかしながら、これらのファイバ内のプラズモンレンズは、低い透過効率、狭い操作波長、及び複雑な加工及び設計という難点を有し、よって、これらの可能な実用的な用途を限定する。

さらに、外部の電気光学装置（例えば、ニオブ酸リチウム変調器）は、現在、光ファイバ信号変調に必要である。しかしながら、それらの外部変調器はかさばり、高額であり、著しい挿入損失を誘発する。液晶、強誘電性結晶、磁性流体、及びグラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）等、他の材料は、高い動的範囲及び低損失光学変調のため、光ファイバクラッド内で使用された。しかしながら、これらの材料を用いて構造を加工することは困難であり、構造は、弱い光−物質作用によって小さい変調範囲を有し、低い変調速度を有し、光ファイバシステムと完全な互換性を有しない加熱または磁場等の異なる外部刺激を必要とする。

本開示は、光ファイバの面上に形成されたアレーパターニングを有する超薄型光学メタ表面のシステム及び方法を提供する。アレーパターニングは、光を集光及び操作し、及び光の偏光状態を制御する等、そこを通過する光の操作を可能にする。パターニングは、メタ表面を通過する光を選択的に方向付けるように、不均一であってもよい。アレー構造は、大きさ、角度、形状、及び他の不均一な性質において変更してもよい。さらに、アレーは、そこを通過する光を操作する能力を向上させるため、メタ表面特徴を可変的に変調するように、電気的に作動できる及び制御できる材料を含んでもよい。材料は、光ファイバ上に形成された導電体、誘電体、または導電体、絶縁体、及び誘電体の複合材料を含んでもよい。超薄型メタ表面と光ファイバとの統合は、光学イメージング及びセンシング、光学通信、高パワーレーザ、ビームステアリング（steering）、カラーフィルタ、及び他の用途において実用的な用途を提供することができる。

本開示は、面を有する光ファイバを提供し、光ファイバの面上に係合されたメタ表面を備え、メタ表面は複数のメタ表面要素のメタ表面アレーを有し、メタ表面要素はデータに対して複数の回転角度において配置され、光ファイバを通過する光はそれぞれのメタ表面要素の回転角度においてメタ表面要素を通過できる。

本開示は、面を有する光ファイバを提供し、光ファイバの面上に係合されたメタ表面を備え、光ファイバからの光が通過できる複数のメタ表面要素のメタ表面アレーを有し、メタ表面は、メタ表面要素を通過する光の特性を変調するため、印加された電圧に応じるように構成される。

本開示は、さらに、光ファイバから出た入射光を変更する方法を提供し、方法は、光ファイバの面上に形成された複数のメタ表面要素を有するメタ表面を光が通過できることと、メタ表面要素の直前の光と比較して、メタ表面要素を通過する光の特性を変更することとを有する。

特許または出願のファイルは、少なくとも１つの色付きの図面を含む。１つまたは複数の色付きの図面を有する特許または特許出願公報の複製は、請求及び必要な手数料の納付によって、庁（the Office）から提供される。

メタ表面が上に形成された例示的な光ファイバの概略透視図である。 メタ表面要素の例示的メタ表面パターンを示す、図１Ａのメタ表面の一部の拡大概略透視図である。 図１Ｂのメタ表面アレーのメタ表面要素の拡大概略透視図である。 右手円偏光から左手円偏光へのデータ（datum）に対する例示的な回転角度における要素のメタ表面アレーの実施の形態の概略図である。 図１Ｃに示すように形成された最適化されたメタ表面要素の実施の形態の例示的な右手円偏光（ＲＣＰ）から左手円偏光（ＬＣＰ）へのシミュレートされた変換効率の概略グラフである。 メタ表面からのある焦点距離におけるメタ表面要素の他の例示的回転角度の概略的グラフである。 メタ表面から図４の焦点長さとは異なる焦点長さにおけるメタ表面要素の他の例示的回転角度の概略グラフである。 メタ表面が上に形成され、加工された例示的な光ファイバの概略端面図である。 第1開口数及び第１焦点長さを有するメタ表面要素の例示的メタ表面アレーの概略図である。 図７のアレーの開口数及び焦点長さと異なる第２開口数及び第２焦点長さを有するメタ表面要素の他の例示的メタ表面アレーの概略図である。 メタ表面アレー結果及び焦点長さを検査する例示的なシステムの概略図である。 メタ表面によって集光された、メタ表面を通過する光を示す実験的な検査結果の概略図である。 例示的なメタ表面で集光するときの複数の光の性質対波長の実験測定の概略チャートである。 メタ表面要素の他の実施の形態の概略透視図である。 図１２のメタ表面要素の右手円偏光から左手円偏光への効率対波長の概略図である。 ある波長におけるメタ表面要素の例示的磁場分布の概略図である。 光ファイバ上の例示的変調可能なメタ表面の概略透視図である。 変調可能なメタ表面要素の例示的なメタ表面パターンを示す、図１５Ａのメタ表面の一部の拡大概略上面図である。 例示的な変調可能なメタ表面要素の概略断面図である。 チャートのインセット内に図示された、測定された位相対代替的な変調可能なメタ表面要素の印加バイアスの概略チャートである。 印加電圧による位相及び集光効果の制御を示すシミュレートされた位相波面の概略グラフである。 光ファイバ上の変調可能なメタ表面の他の実施の形態の概略透視図である。 図１９Ａのメタ表面の例示的な変調可能なメタ表面要素の概略断面図である。 様々な波長において印加されたバイアス電圧によるシミュレートされた位相シフトを示す概略的グラフである。 ある波長において印加されたバイアス電圧から成るシミュレートされた位相シシフトを示す概略グラフである。 様々な印加された電圧における光ビームステアリングにおける３つの変形例の概略グラフである。 図２２の３つの光ビームステアリングにおける様々な回折角度における３つの光強度の概略グラフである。

上記の図面、及び下記の特定の構造及び機能の記載された説明は、出願人が発明したものの範囲、または添付の請求項の範囲を限定するために示していない。むしろ、図面及び記載された説明は、いずれかの当業者に、特許保護を求める発明を作る及び使用する方法を教えるために設けられている。当業者は、明確性及び理解のために、発明の商業的な実施の形態の全ての特徴は説明または示されていないことを認める。当業者は、さらに、本開示の特徴を含む実際の商業的な実施の形態の開発は、商業的な実施の形態における開発者の最終的な目標を達成するように、その実施の形態特有の複数の選択を要することを認める。このような実施の形態特有の選択は、システム関連、ビジネス関連、政府関連、または他の制約の順守を含んでもよく、これらの制約に限られない。これらの制約は、特定の実施、場所、または時間によって変化し得る。絶対的な意味において、開発者の努力は複雑で時間を要するものであるかもしれないが、そのような努力は、いずれにせよ、本開示の利益を受ける当業者にとっては通常の事業である。本明細書において開示及び説明される発明は、複数及び様々な改造及び変形例によって影響を受けやすいと理解されよう。例えば、しかしこれに限定せず、「ある（a）」等の単数形の使用は、ものの数を限定することは意図されていない。さらに、様々な方法及びシステムの実施の形態は、開示された方法及び実施の形態の変形例を生成するように互いと組み合わせて含まれてもよい。単数形の要素の説明は、複数系の要素を含んでもよく、その逆も成り立つ。少なくとも１つのものの参照は、１つまたは複数のものを含んでもよい。さらに、実施の形態の様々な態様は、本開示の理解された目標を達成するために互いと併せて使用されてもよい。内容が他のことを要求しない限り、用語「有する（comprise）」、または「有する（comprises）」または「有している」等の変形は、少なくとも記載された要素またはステップまたは要素のグループまたはステップのグループまたはその同等のものを含むことを示唆し、より大きい数的量またはいずれかの他の要素またはステップまたは要素のグループまたはステップまたはその同等品を除外することを示唆しないと理解されよう。デバイスまたはシステムは、複数の方向及び配置において使用されてもよい。用語「上面」、「上」、「上向き」、「下面」、「下」、「下向き」及び類似の用語は、図面及びそれらの図示された配置に対する方向を示すために使用され、商業的な用途において、例えば地球等の固定データに対して絶対的でない。用語「内側」、「内向き」、「内部」または類似の用語は、例えばアセンブリまたは構成の長手方向の中心線等、アセンブリまたは構成の中央部分に向かう方向を示し、用語「外側」、「外向き」、「外部」または類似の用語は、アセンブリまたは構成の中央部分から離れる方向を示す。用語「係合された」、「係合されている」、「カプラ」及び類似の用語は、本明細書にて広く使用され、１つまたは複数の部材の部分を互いに、例えば、機械的に、磁性的に、電気的に、化学的に、操作的に、直接的に、または中間要素を用いて間接的に、固定する、結び付ける、結合する、締める、取り付ける、接合する、その中に挿入する、その上または中に形成する、通信するまたは他の方法で関連づけるためのいずれかの方法またはデバイスを含んでもよく、さらに、一元的な方法において、１つの機能的部材を他の部材と統合的に形成することを限定なく含んでもよい。係合は、回転的を含む、いずれかの方向において起こり得る。ステップの順番は、特に限定されない限り、様々な順番で実施されてもよい。本明細書にて説明される様々なステップは、他のステップと組み合わせられてもよく、記載されたステップの間に差し挟んでもよく、及び／または複数のステップに分割されてもよい。同様に、要素は機能的に説明され、個別の構成として実施されてもよく、または複数の機能を有する構成内に組み合わせられてもよい。ある要素は、簡潔性のためにデバイス名で名付けられており、当業者に知られている関連構成のシステムを含むと理解され、特に説明されない。様々な機能を発揮する様々な例示は、説明及び図面に設けられており、形状、大きさ、説明において限定的ではなく、本明細書に含まれる説明を考慮して、当業者に知られているように変形されてもよい例示的な構造として機能する。よって、用語「例示的な」の使用は、名詞「例示」の形容詞としての形態であり、同様に例示的な構造を示し、必ずしも望ましい実施の形態でない。「Ａ」、「Ｂ」等の接尾文字を有する要素番号は、似た構造または機能を有する類似要素のグループ内の異なる要素を指定し、文字無しの対応する要素番号は、通常、１つまたは複数の似た要素を参照する。似た要素に対して複数の要素番号を使用する複数の実施の形態が開示されているため、出願に開示される要素に対応する請求項のいずれかの要素番号は、例示的であり、限定的でない。

本開示は、光ファイバ面上に形成されたアレーパターニングを有する超薄型光学メタ表面のためのシステム及び方法を提供する。アレーパターニングは、そこを通過する光の操作、例えば、集光及び光のステアリング、及び光の偏光状態を制御することを可能にする。パターニングは、メタ表面を通過する光を選択的に方向付けるように不均一であってもよい。アレー構造は、大きさ、角度、形状及び他の不均一な性質において異なってもよい。さらに、アレーは、そこを通過する光を操作する能力を向上させるメタ表面の特徴を可変的に変調するように、電気的に作動及び制御することができる材料を含んでもよい。材料は、光ファイバ上に形成された導電体、誘電体、または導電体、絶縁体、及び誘電体の複合体を含んでもよい。超薄型メタ表面と光ファイバとの統合は、光学イメージング及びセンシング、光学通信、高パワーレーザ、ビームステアリング（steering）、カラーフィルタ、及び他の用途において実用的な用途を提供することができる。

図１Ａは、その上に形成されたメタ表面を有する例示的な光ファイバの概略透視図である。一般的に、光ファイバ２は、通常「面」４と呼ばれる端面を有して形成される。面は、光ファイバの長手軸に対して概ね直交する。ある光ファイバは、ファイバに沿って延在する中空チャネル（channel）６を有して形成され、フォトニック結晶ファイバ（「ＰＣＦ」）またはマイクロ構造ファイバとして知られている。中実コアＰＣＦにおいて、コア１０は、「クラッド」と呼ばれる周囲のマイクロ構造を有する材料よりも高い平均屈折率を有する。光は、改造された合計内部反射によって、中実コアＰＣＦのコア内でトラップされ、コア内で誘導される。ＰＣＦの独特な穴開き構造及び誘導メカニズムによって、望ましいガラス−空気構造を設計することで、光学特性を操作できる。本明細書にて開示される原理の図示のため、ＰＣＦは図示され、開示されるが、他の光ファイバは、本発明において可能である。（材料に関する追加の説明を挿入）。

メタ表面８は、光ファイバ２上、特に面４上に形成されてもよい。光ファイバのコア１０及び面を通常通過する光１２’は、光がメタ表面を通過するため、光１２としてメタ表面によって操作されてもよい。（他のポート及び光ファイバを通過する光は、本明細書における説明を用いて同様に操作されてもよい。）メタ表面８の少なくとも一部は、伝導性材料、例えば、金、透明伝導酸化物（「ＴＣＯ」）等の伝導性酸化物、金属製窒化物、または他の材料で形成されてもよく、いくつかは本明細書にてより詳細に説明される。メタ表面は、サブ波長であってもよいメタ表面要素１８のメタ表面アレー１６を含む。少なくとも１つの実施の形態において、メタ表面８は、メタ表面アレー１６の幾何学的配置によって、ファイバ面内において集光する光を生成するように形成されてもよい。通常速く分散する光は、操作され制御され、よって、ある焦点長さＬにおける焦点１４で極めて強い集光された光となることができる。メタ表面要素１８は、メタ表面要素を通過することによって等、面に形成されたメタ表面から最終的に生じる透過、反射、及び散乱された光の位相及び振幅を制御するように構成されてもよい。メタ表面アレーにおける位相遅れの分布は、以下のように特徴づけることができ、ｒはメタ表面アレー上の現在の点から中心までの距離、ｆは焦点長さ、及びλは操作波長である。

このような位相プロファイルによって、入射される平面波面は球状なものに変換され、焦点長さにおいて収束する。式（１）における固定された操作波長λ、φ（ｒ、λ）は、各メタ表面要素内の位相変調として幾何学的位相を利用することによって取得することができる。円偏光の入射光と共鳴するメタ表面要素１８の回転によって幾何学的位相を発生させる。有利に、メタ表面は、２５±１μｍのコア直径を有する純シリカで形成されたＬＭＡ−２５等、大きいコアを有する比較的ラージモードエリア（ＬＭＡ）ＰＤＦ光ファイバ上に形成されてもよい。ＰＣＦの大きいコア面積によって、メタ表面アレー１６上により多くのメタ表面要素８（例えば、１０００＋）を形成することができ、従来のシングルモードファイバを超えた集光性を達成する位相プロファイルを提供する。

メタ表面８は、高度な光操作及び新しい用途の開発の機会を提供するよう、独特な方法で光を回折及び集光することができる。メタ表面は、概ね平坦であり、１００ナノメートル（ｎｍ）未満の厚みを通常有する。プリズムまたはレンズ等の従来の３次元の光学系は、平坦であり、低いプロファイルを有し、低コストなメタ表面のものと交換できる。メタ表面は、電磁スペクトラムの広い範囲において、発散及び集光レンズを含む平坦なレンズ、波長板、ホログラフィック表面、フィルタ及び増幅器、直線偏光板、軌道角運動量の操作及び検出デバイス等の超薄型光学素子を有効化できる。メタ表面要素によって課されている位相シフト及び振幅変更を制御することで、メタ表面アレーは、波面エンジニアリング、放射線パターンテーラリング、非相互的な磁気光学効果、ビームステアリング、非線形超高速光学スイッチング及びその他等を有効化できる。本明細書にて開示されるように、メタ表面のある実施の形態は変調可能であってもよく、よってメタ表面の性能特性は、メタ表面要素に係合されたパワーソース等の入力と共に変更する。変調可能な実施の形態は、伝導性を有する酸化物及び／または金属製窒化物の材料を含んでもよい。少なくとも１つの実施の形態において、変調可能な要素は、反射された／回折された光の位相及び振幅の動的電気的制御を有効化する、ゲート変調可能な伝導性酸化物のメタ表面要素を含んでもよい。

図１Ｂは、メタ表面要素の例示的メタ表面パターンを示す、図１Ａのメタ表面の一部の拡大概略透視図である。メタ表面８は、例示的なアレー１６として形成されている。コアを通過する光の連続的なシングルモードの誘導は、広い波長範囲において光ファイバ内で維持されてもよく、光は主にコア部分内に制限される。メタ表面アレーは、コア大きさと対応するように設計され、よって、誘導されるコアモードにおいて、コアを通過する光がメタ表面の全体と作用できる。アレーは、例えば、この例示におけるように、データ３０に対して様々な角度で配置されるメタ表面要素の円状の列等、複数のパターンを含んでもよい。データ３０は、直交しても半径方向にあってもよく、よって、相対的な角度及び位置は様々なメタ表面要素の間で異ならせることができる。図１Ｂに示す特定の例示において、第１アレー列２０は、環における位置にかかわらず、データ３０に対して一定の角度位置におけるメタ表面要素１８のシリーズを有する。同様に、第２アレー列２２は、第１アレー列２０に対して内側に形成され、データ３０に対して第１アレー列２０における要素とは異なる一定の角度位置における複数のメタ表面要素を有する。さらなるアレー列、第３アレー列２４は、第２アレー列２２に対して内側に形成され、データ３０に対して第１及び第２アレー列における要素とは異なる一定の角度位置における複数のメタ表面要素を有する。この実施の形態において、アレー列は、中心２６に到達するまで、メタ表面アレー１６の中心に向かって内側に半径方向の間隔で続いてもよく、データ３０に対して、０°を含むある望ましい角度において、メタ表面要素を含んでもよい。例示された実施の形態は限定的ではなく、例えば、要素の異なるパターン、データに対して一定の角度ではなくあるパターンにおける要素の異なる角度、異なる大きさ、異なる形状、異なる間隔、及び他の均一または不均一な変形例を含んでもよい。

図１Ｃは、図１Ｂにおけるメタ表面アレーのメタ表面要素の拡大概略透視図である。メタ表面要素１８は、面において、通常、厚み「ｔ」を有して、メタ表面８内、それを通じて、またはその上に形成されてもよい。図示された実施の形態において、メタ表面要素１８は、例えば、光ファイバコアの二酸化ケイ素材料面上に成膜された金層を通過するエッチングによって、メタ表面８を通じた開口として形成される。メタ表面要素は、幅「ｗ」、及び本明細書にて説明されるように、データ３０に対する長さ（または幅、または他の構造上の参照）等の要素のある参照線３２に沿った角度θを有する深さ「ｔ」を有する長さ「ｌ」を有してもよい。隣接したメタ表面要素は、周期的間隔「ｐ」を有してもよい。

図２は、右手円偏光（「ＲＣＰ」）から左手円偏光（「ＬＣＰ」）へのデータに対する例示的な角度θにおける要素のメタ表面アレーの実施の形態の概略図である。メタ表面アレー１６のこの例示において、メタ表面要素１８Ａの長手軸は、ゼロの回転角度θＡを定義するように、データ３０を確立させるために使用されてもよい。メタ表面要素１８Ａは、図１Ｂの中心２８におけるメタ表面要素を示してもよい。角度θの回転方向は、光がＲＣＰからＬＣＰへ、またはＬＣＰからＲＣＰへと集光するかを特定する。本明細書における目的においては、正の角度θは、光をＬＣＰからＲＣＰへ収束させる反時計回りの回転方向に対応する。後続の例において、メタ表面要素は、負の角度θを有する時計回りに回転され、よって、メタ表面アレーは、光をＲＣＰ（入射光）からＬＣＰへ（出力光）へと集光する。メタ表面要素１８Ａの右に進むと、要素１８Ｂによって示されるメタ表面要素の列は、データ３０と要素１８Ｂの長手軸と平行な線の間で測定されてもよい位置合わせ角度θＢにおいて形成されてもよい。この実施の形態において、角度θＢは、要素１８Ａのための角度θＡとは異なる。要素１８Ｃによって示されるメタ表面要素の他の列は、データ３０と要素１８Ｃの長手軸と平行な線の間で測定されてもよい位置合わせ角度θＣにおいて形成されてもよい。この実施の形態において、角度θＣは角度θＡまたはθＢとは異なる。要素１８ｎによって示されるメタ表面要素の追加の列は、同様に位置合わせ角度θｎにおいて形成されてもよい。メタ表面要素１８Ａの左に進むと、要素１８Ｄによって示されるメタ表面要素の列は、データ３０と要素１８Ｄの長手軸と平行な線の間で測定されてもよい角度θＤにおいて形成されてもよい。この実施の形態において、角度θＤは角度θＡとは異なる。要素１８Ｅによって示されるメタ表面要素の他の列は、データ３０と要素１８Ｅの長手軸と平行な線の間で測定されてもよい角度θＥにおいて形成されてもよい。この実施の形態において、角度θＥは隣接の角度θＤ（及び他の角度）とは異なる。要素１８ｎ’によって示されるメタ表面要素の追加の列は、同様に角度θｎ’において形成されてもよい。列は、メタ表面アレーが完成されるまで形成されてもよい。列の数、角度、形状及び要素並びに列の向きは、メタ表面を通過する光の望まれた制御の種類及び用途によって、変更されてもよい。さらに、長手軸は、データに対する角度θを確立させる参照として示される。楕円形要素の幅または長軸または短軸に対する参照線、及びメタ表面要素の間の角度を規定する他の便利な参照線を含む他の参照線及び表面が使用されてもよい。さらに、光を制御することにおける望ましい効果のために適切であれば、角度はある列内において変更してもよい。

図３は、図１Ｃに示すような形状を有する例示的な最適化されたメタ表面要素の、例示的な右手円偏光（ＲＣＰ）から左手円偏光（ＬＣＰ）へのシミュレートされた変換効率の概略グラフを示す。このメタ表面要素のシミュレートされた変換効率は、最大効率１７％を有する１４８２．６ｎｍとして計算された共鳴波長を有する。グラフは、特定の円偏光入射光における収束効果を達成するように、中心に対して各個別の共鳴メタ表面要素の要求された回転角度を特定する理論的なシミュレーションを示す。特定の波長における例示的な最適化されたメタ表面要素は、５００ｎｍの長さｌと、１５０ｎｍの幅ｗと、６００ｎｍの周期性ｐを有する４０ｎｍの深さｔを有してもよい。点線は、実験的なバンド幅の波長範囲を示す。この例示において、最大効率は１４３０ｎｍにおいて略１７％である。電気通信波長に適した少なくとも１つの実施の形態において、効率は、１５００ｎｍにおいて略１６．５％であり、１６３０ｎｍにおいて略１３％である。特定の波長における最大値は、本明細書における開示に基づいて、特定の用途において最適化されてもよい。

本明細書にて説明されるラージモードフォトニック結晶ファイバのあるシミュレーションは、ルメリカル（Lumerical）ソリューションズ株式会社のＭＯＤＥソリューションズソフトウェアを用いて実施された。シミュレーションにおいて、ピッチ及びラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−２５）（ＮＫＴフォトニック、株式）の穴直径は、それぞれ１６．４μｍ及び４μｍとして設計された。使用されたフォトニック結晶ファイバの材料の例示は純シリカガラスであった。メタ表面の強度分布のシミュレーションは、コンピュータシミュレーションテクノロジー（ＣＳＴ）マイクロウェーブスタジオを用いて実施された。ユニット要素の設計において、ユニットセル境界条件が、アレー構成における透過スペクトラムのシミュレーションのために、適用された。簡易性のために、円柱状のレンズは、設計されたメタ表面の頂点長さを数値的に意味するようにシミュレートされ、完全一致層（perfect matched layer）（ＰＭＬ）及び周期的境界条件はそれぞれＸ及びＹ方向において適用された。シリカの誘電率関数は、標準的なセルマイヤー展開（expansion）を用いてモデルされる。近赤外線範囲における金の、複雑な、周波数に依存する誘電体関数は、０．０７ｅＶのダンピング定数と８．９９７ｅＶのプラズマ周波数を有するローレンツ−ドルーデモデルによって説明されてもよい。

図４はメタ表面からある焦点長さにおけるメタ表面要素の例示的な回転角度の概略グラフである。グラフは、図１Ａのメタ表面アレー１６のメタ表面要素１８の回転角度θを、０．３７の開口数（ＮＡ）において示し、開口数は、１５５０ｎｍの波長において、３０μｍの焦点長さＬの焦点１４における集光された光のビーム１２に、コア１０を通過する光を収束させるように設計される。グラフの中央の点４４にまたは点４４からゼロ距離（０μｍ）に近位に配置されたメタ表面要素は、例えば、図１Ｂに示す中心２８上の、焦点１４における光のビームの中央を図示してもよい。点４４において、メタ表面要素はゼロ回転角度θであってもよく、角度θは（［位置］、［回転角度］）の座標として、即ち、座標（０，０）として記載されてもよい。メタ表面要素の距離が中心点４４から外側に移動すると、例えば、図４のグラフの例示的実施の形態における絶対値の増加等、メタ表面要素の回転角度は変更してもよい。例えば、中心点４４の左側で、中心から−４．８μｍの点４６’において、メタ表面要素角度θは略−２８°または座標（−４．８、−２８）である。中心点４４の右側で、中心から４．８μｍの点４６において、メタ表面要素角度θは略−２８°または座標（４．８、−２８）である。さらに、中心位置から−１０μｍ離れた点４８’において、角度θは略−１２５°または座標（−１０、−１２５）である。同様に、中心位置から１０μｍ離れた点４８において、角度θは略−１２５°または座標（１０、−１２５）である。またさらに遠くに、中心位置から−１２．５μｍ離れた点５０’において、角度θは略−１７３°または座標（−１２．５、−１７３）である。同様に、中心位置から１２．５μｍ離れた点５０において、角度θは略−１７３°または座標（１２．５、−１７３）である。

図５は、図４の焦点長さとは異なる、メタ表面から焦点長さのメタ表面要素の他の例示的回転角度の概略グラフである。グラフは、図１Ａのメタ表面アレー１６のメタ表面要素１８の回転角度θを、０．２３の開口数（ＮＡ）において示し、開口数は、１５５０ｎｍの波長において、５０μｍの焦点長さＬにおける集光された光のビーム１２に光を収束させるように設計される。グラフの中央の点５４にまたは点５４からゼロ距離（０μｍ）に近位に配置されたメタ表面要素は、焦点における光のビームの中央を図示してもよい。点５４において、メタ表面要素はゼロ回転角度θであってもよく、角度θは座標（０，０）として記載されてもよい。メタ表面要素の距離が中心点５４から外側に移動すると、メタ表面要素の回転角度は変更してもよい。例えば、中心点５４の左側で、中心から−３．６μｍの点５６’において、メタ表面要素角度θは略−２６．２°または座標（−３．６、−２６．２）である。中心点５４の右側で、中心から３．６μｍの点５６において、要素角度θは略−２６．２°または座標（３．６、−２６．２）である。さらに、中心位置から−７．８μｍ離れた点５８’において、角度θは略−１２１°または座標（−７．８、−１２１）である。同様に、中心位置から７．８μｍ離れた点５８において、角度θは略−１２１°または座標（７．８、−１２１）に増加する。またさらに遠くに、中心位置から−９μｍ離れた点６０’において、要素角度θは略−１６１°または座標（−９、−１６１）である。同様に、中心位置から９μｍ離れた点６０において、角度θは略−１６１°または座標（９、−１６１）である。中心位置から−９．６μｍ離れた点６２’において、要素角度θは略−２．２°または座標（−９．６、−２．２）である。同様に、中心位置から９．６μｍ離れた点６２において、要素角度θは略−２．２°または座標（９．６、−２．２）である。中心位置から−１２μｍ離れた点６４’において、要素角度θは略−１０１°または座標（−１２、−１０１）である。同様に、中心位置から１２μｍ離れた点６４において、要素角度θは略−１０１°または座標（１２、−１０１）である。

図６は、その上に形成されるメタ表面を有する加工された例示的な光ファイバの概略的端面図である。図７は、第１開口数及び第１焦点長さを有するメタ表面要素の例示的メタ表面アレーの概略図である。図８は、図７のアレーの開口数及び焦点長さと異なる第２開口数及び第２焦点長さを有するメタ表面要素の他の例示的メタ表面アレーの概略図である。光ファイバの面４は、その上にメタ表面８を形成する表面を提供する。メタ表面８はコア１０上に形成され、よってメタ表面アレー１６はコアを覆う。メタ表面アレー１６は、複数のメタ表面要素１８を含む。メタ表面要素１８は、互いに対して、及び、例えば、少なくとも１つの実施の形態において光ファイバ及び／またはコアの中心と位置合わせされたメタ表面の中心等の、メタ表面上の共通な参照点に対して様々な位置及び角度において配置されてもよい。図７は、開口数０．３７において検査される、メタ表面アレーの少なくとも１つの実施の形態を示す。図８は、開口数０．２３において検査される金属表面アレーを示す。

図９は、焦点長さ及び他の性質を含むメタ表面アレー結果を検査する例示的なシステムの概略図である。システム７０は、そのように設計されると、メタ表面の集光効果を確認するように使用されてもよい。通常、システムは、例えば、直交軸システムにおけるＺ軸スキャン等、メタ表面からの距離において推進方向に沿って、光強度分布を捉えることができる。通常、システム７０は、円偏光を発生させるよう、線形偏光板７４及び１／４波長板７６を通過するように光を向けられるレーザ７２等の光源を含む。円偏光は、その後、コア１０と、図１Ａにも示されるように、端面４内に形成されたメタ表面アレー１６を有するメタ表面８を有する出力端面４とを有する光１２’として、光ファイバ２内に対象レンズ７８によって集光されてもよい。メタ表面を通過する光１２は、近赤外線カメラ８８上に右手または左手円偏光出力要素を撮像するように、他の対象８０、レンズ８２、１／４波長板８４、線形偏光板８６を通じて線形ステージ９０によって収集されてもよい。メス（mess）表面上の光強度分布を取得するように、メタ表面の端面は最初カメラ上に集光される（Ｚ＝０ｎｍ）。その後、例えば、１−２μｍの、ステップされた（stepped）大きさにおいて、端面から直線上で離れるように移動している間、イメージが撮られる。実験的に、合計移動距離は概ね略５０から６０μｍであることがわかっている。

図１０は、メタ表面によって集光される、メタ表面を通過する光を示す実験的検査結果の概略図である。１５１０μｍ、１５５０μｍ、及び１５９０μｍの波長の異なる例示のＹ軸における強度を示すように、本明細書にて説明されるような集光するメタ表面の測定結果の上列の例示が示されている。下列は、メタ表面のシミュレートされた強度分布プロファイルである。メタ表面アレー１６上に最初に分散した光から、収束された光９６、及び各サンプル波長のための上列における集光された光９２の実際に測定された強度に最終的に似ている焦点長さにおける高い強度の集光された光９８への集光は、シミュレートされた列においてより明確に示される。

図１１は、例示的なメタ表面で集光するときの複数の光の性質対波長の実験測定の概略チャートである。線１０４は、グラフの左側上のＹ軸を使用する異なる波長における焦点長さの測定結果を示す。限定的でない例示において、焦点長さは、略２５−２８μｍから略１５００−１６３０μｍ波長から変更され、焦点長さの多くは２７−２８μｍの間である。線１０６は、グラフの右側のＹ軸を用いる異なる波長における対応する焦点平面方の操作的効率を示す。効率は、略１５２０−１５３０μｍの波長において１６％より少し多いハイ（high）から、１６３０μｍの波長において９％より少し多いロウ（low）に、増加する波長値と共に減少に向かう傾向を有する。線１０８は、半値幅を示し、１５００−１６３０μｍの波長において、略２．６μｍの比較的一定の値を示す集光スポット径を示す。

図１２は、メタ表面の面４の他の実施の形態の概略透視図である。伝導性誘電体シリコンの層は、光ファイバの面４上に形成されてもよい。メタ表面８の残りの材料が光ファイバの面から突出するメタ表面要素となるように、メタ表面要素１８は、要素の周りの材料１１４を除去することによって形成されてもよい。他の実施の形態は、下向きに材料をエッチングするのではなく、シリカ上に成膜され、シリカ表面から上向きに形成されるシリコン層を含んでもよい。

図１３は、図１２のメタ表面要素の右手円偏光から左手円偏光への効率対波長の概略図である。シミュレートされた構造及び突出したメタ表面要素１８を有するメタ表面８のＲＣＰ−ＬＣＰ変換係数の偏光効率は、略１５５０ｎｍの波長において略９１％である。

図１４は、特定の波長におけるメタ表面要素の例示的磁場分布の概略グラフである。図１２に示す誘電体メタ表面要素の磁場分布は、共鳴において磁場１１２を示し、内側リングは、メタ表面要素の中心に向かって顕著にエナジャイズ（energized）されている。

図１５Ａは、光ファイバ上の例示的変調可能なメタ表面の概略透視図である。図１５Ｂは、図１５Ａのメタ表面の一部の拡大概略上面図であり、変調可能なメタ表面要素の例示的なメタ表面パターンを示す。この例示的な実施の形態は、変調可能な（例えば、ゲート変調可能な）メタ表面をＰＣＦ種類の光ファイバ上に設ける。少なくとも１つの実施の形態において、変調可能なメタ表面は、光ファイバ上のメタ表面の集光特性（及び本明細書にて説明される他の特性）の能動的制御を設けるように、電圧及び性能における変化に反応する。コア１０を有する光ファイバ２は、ファイバの面４上に成膜されるメタ表面８を含んでもよい。メタ表面８は、メタ表面要素１８のメタ表面アレー１６を含む。この実施の形態のメタ表面要素１８は、第２導電体１２８上の対応する電圧ドレインと共に、第１導電体１２６からの電圧を印加することによって、変調可能である。１つまたはそれより多くの導電体は、例えば、要素導電体１３０等、要素導電体に係合されてもよい。

メタ表面の性能を変更することで、位相、したがって焦点距離、光ビームの方向、及び他の特性等の光の特性を変更することができる。変調可能な実施の形態は、メタ表面において、例えば、及び限定無く、金属材料、伝導性酸化物、絶縁体、窒化金属、及びその他、を使用してもよく、ＭＯＳタイプの構造と似てもよい。このような実施の形態は、制御可能な位相のために蓄積された電子分布及び変調可能な周波数に基づいて、光の閉じ込めを制御でき、よって、焦点長さ及び他の特性を影響する。

ＴＣＯは、可視光及び近赤外線周波数において高い透過率を有する多くドープされた半導体であり、一般的に１０^１９−１０^２１ｃｍ^−３の間のキャリア濃度を有する。材料のキャリア濃度によって、可視光または近赤外線の領域において、ＴＣＯは金属の特徴（例えば、負の誘電率）を示す。伝導性酸化物は金属の特徴を示す一方、それらの材料損失は、金及び銀等の反応性が低い（noble）金属より顕著に低く、代替的なプラズモン／メタ表面材料として伝導性酸化物は大きな可能性を有する。ＴＣＯのキャリア濃度は、異なる加工方法、後加工技術（例えば、アニーリングによって）、及び成膜の間の酸素フロー率を変化させることによって変化させることができる。例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のフィルムのエリプソメトリによって測定された誘電率は、異なるスパッタ温度を用いてスパッタリング装置によって加工されてもよい。異なるエプシロンゼロ付近（epsilon-near-zero）周波数（−１＜εｒ＜１）及び低い材料損失（εｉ＜０．５）を有する材料が使用されてよい。他の加工方法、原子層成膜（ＡＬＤ）は、ドーパント比を変更することによって、例えば、薄膜（厚み＜２０ｎｍ）を有し、１５００ｎｍ−１７００ｎｍのＥＮＺ波長を有するＡＺＯを加工することができ、薄膜の特性の精密な制御ができる。

窒化チタン（ＴｉＮ）は、耐火性窒化遷移金属（ＴＭＮｓ）のファミリーに所属し、高い融点（〜３０００°Ｃ）、酸化耐性、熱力学的安定性、並びに高い硬度等の供給結合物（セラミック）、及び、良好な熱的及び電気的伝導性等の金属の特性の両方を示す。ＴｉＮは、超大型集積回路のための金属化スキームにおいて、及び拡散バリアの材料、オーム接触の修正、及びフィールドエフェクトトランジスタにおけるゲート電極として、幅広く使用されている。ＴｉＮは、その高いキャリア濃度によって、可視／ＮＩＲ周波数において、金属の特徴（例えば、負の誘電率）を示すことができる。ＴｉＮの薄膜は、例えば、分子ビームエピタクシー（ＭＢＥ）及び原子層成膜（ＡＬＤ）技術を使用して、メタ表面として加工されてもよい。高品質の薄膜は、サブナノメートルから数百ナノメートルの厚み、〜９．２×１０^２０ｃｍ^−３のキャリア濃度、及び〜４５０ｎｍの対応するＥＮＺ波長を有して加工されてもよい。加えて、超薄膜ＴｉＮフィルムは、ＡＬＤ技術を用いて、例えば、１３ｎｍと３２ｎｍとの厚みを有して加工されてもよい。ＴｉＮフィルムは、成膜温度を変更することによって、〜７５０ｎｍと１２００ｎｍとのＥＮＺにおいて、変更してもよい。ＴｉＮフィルムは、同じスペクトラム領域において金に相当する金属及び光学特性を示す一方、これらはより経済的であり、これらの材料特性は過酷な環境及びＣＭＯＳ工程の両方においてより適切であり、代替的なプラズモン材料としての顕著な可能性を有する。

図１６は、例示的な変調可能なメタ表面要素の概略断面図である。例示された実施の形態において、伝導性酸化物１４２の第１層は、光ファイバコア１０上に成膜されてもよい。ある実施の形態において、伝導性酸化物層はＴＣＯ材料であってもよい。酸化アルミニウム等の絶縁層１５０は、伝導性酸化層上に成膜されてもよい。金属または他の金属層１５０は、絶縁層上に成膜されてもよい。金属層１５０は、エッチング、または必要に応じて他の方法で形成されてもよい。この場合において、光開口１４８は、金属層１４４の部分の間に形成される。さらなる絶縁層１５０は金属層の上に成膜されてもよい。他の伝導性酸化物層１４６は、絶縁層の上に成膜されてもよい。１つまたは複数の電圧源は層に係合されてもよい。例えば、第１電圧源１５２は、伝導性酸化物層１４２と金属層１４４との間に係合されてもよい。同様に、第２電圧源１５４は、金属層１４４及び伝導性酸化物層１４６に係合されてもよい。各構造における複数の電圧源は、さらなる変調性の選択肢において、個別の電圧によって変更されてもよい。

図１７は、チャートのインセット内に図示された、測定された位相シフト対代替的変調可能なメタ表面要素の印加されたバイアスの概略チャートである。このチャートは、上で参照された変更可能なメタ表面要素の変形例に基づく。メタ表面８は、例えば、金等の金属反射層１６０を含み、（図示されていない）光ファイバコアのシリカ上に成膜されてもよい。ＩＴＯ等の伝導性酸化物１６２は、反射層上に成膜されてもよい。酸化アルミニウム等の絶縁層１４は、伝導性酸化物層上に成膜されてもよい。金等の他の金属層１６６は、絶縁層上に成膜されてもよい。層１６６は、本明細書にて説明されるメタ表面アレーを形成するようにメタ表面要素を用いてパターニングされてもよい。電圧源１６８は、伝導性酸化物層１６２と金属層１６６との間で係合される。

図面のグラフは、形成された変調可能なメタ表面要素に対して印加された電圧の効果を示す。０Ｖにおいて、位相シフトはなく、メタ表面要素はデフォルトモードで動作している。変調可能なメタ表面要素に電圧が印加され、特定の波長としてこの要素に２．５Ｖが印加されると、光の位相は１８０°（π）シフトする。

図１８は、印加電圧による位相及び集光効果の制御を示すシミュレートされた位相波面の概略グラフである。図１８は、反射されたアレーメタ表面の位相特性のシミュレーションを示す。これらの結果は、印加された電圧によって光の位相波面を成形することができると予測し、よって変調可能な焦点を有するメタ表面レンズを実現できる。この例示において、５．０７Ｖのサンプル電圧は点１７６及び１７４に印加される。３．５Ｖ、２．６９Ｖ、２．２４Ｖ、１．７７Ｖ及び０Ｖの電圧は、点１７２から点１７０のそれぞれに印加される。位相波面グラフは、グラフの端の点１７２において、０Ｖでは位相シフトを示さない。５．０７Ｖの最大電圧において、点１７４における位相シフトは顕著である。

図１９Ａは、光ファイバ上の変調可能なメタ表面の他の実施の形態の概略透視図である。図１９Ｂは、図１９Ａのメタ表面の例示的な変調可能なメタ表面要素の概略断面図である。この実施の形態は、他のゲート変調可能なメタ表面アレーを示す。シミュレーションの目的において、メタ表面８は、例えば、１μｍの厚みを有するシリカの層１８２上に形成されてもよい。実用的な用途において、シリカは面における光ファイバの材料であってもよい。メタ表面アレー１６は、横方向に間隔を有する延在メタ表面要素１８によって形成されてもよく、要素は、要素上において均一な電圧のために、メタ表面アレーの一端１８０において係合されてもよい。光１２はメタ表面アレーを通過してもよい。この実施の形態におけるメタ表面要素１８は、シリカの第１層１８２を含んでもよい。金等の金属層１８４は、層１８２上に成膜されてもよい。絶縁層１８６は、例えば、二酸化ハフニウムである。ＩＴＯ等の誘電体層１８８は、絶縁層１８６上に成膜されてもよい。他の絶縁層１９０は誘電体層１８８上に成膜されてもよい。他の金属層１９２は、絶縁層１９０上に成膜されてもよい。

図２０は、１３００ｎｍから１７００ｎｍの波長範囲において印加されたバイアス電圧によるシミュレートされた位相シフトを示す概略的グラフである。図１９Ａ及び１９Ｂに示す変調可能なメタ表面アレーに電圧を印加することで、メタ表面要素の位相は、−１１０°から１１０に大きくシフトされてもよい。これらの結果は、印加された電圧によって、光の位相波面は成形されてもよいと予測し、よって、変調可能な焦点を有するメタ表面レンズが実現される。

図２１は、ある波長において印加されたバイアス電圧によるシミュレートされた位相シフトを示す概略グラフである。図１９Ａ及び１９Ｂに示す変調可能なメタ表面アレーに様々な電圧を印加することで、ある波長において、位相シフトを見ることができる。この例示において、位相シフトは、４Ｖ、１５５０ｎｍの波長において位相シフトは８０°である。

図２２は、様々な印加された電圧のための光ビームステアリングにおける３つの変形例の概略グラフである。図２３は、図２２の３つの光ビームステアリングのための様々な回折角度における３つの光強度の概略グラフである。光ファイバから出る光２１４の高エネルギビームは、例えば、図１６に示されているように、メタ表面要素の変調可能なメタ表面アレーから様々な角度の回折におけるビームのステアリングの利益を受ける。外部の位置合わせシステム、例えば、機械的に操作されるミラー及びレンズは、ビームの角度及び方向を変更することができる。しかしながら、このような位置合わせシステムは、遅く、複雑であり及びかさばる可能性がある。本願は、ビームを電気的に操作することを設ける。変調可能なメタ表面は、ビームを操作でき、または（例えば、１０ＧＨｚまたはそれより高い）超高速な速度及び（例えば、単位ビット当たり５０ｆＪ未満）パワー効率が良い方法で、ビームの焦点を変更することができる。上述のように、構造は、光ファイバの端面上に直接形成されて加工されてもよい。ＴｉＮ等の変調可能な材料は、耐火性金属としての特徴によって、ダメージを受けず、高い強度の光に耐えることができる。例えば、用途は、手術用レーザ及び高い強度の光を用いるレーザの他の用途を含んでもよい。

図２２に示す上の変形例において（図１６に示すメタ表面要素構造に似ている）、変調可能なメタ表面アレー１６Ａの例示は、±１の回折次数を有する反射特性において、例えば、πの位相変化等の位相変化をもたらすように、アレーにおけるインクリメンタルな（incremental）物理的位置において、電圧ｖ１を印加することによって、エナジャイズすることができる。入射光２１４が位相変化状態にエナジャイズされたメタ表面アレー１６Ａに到達すると、光は回折光２１６Ａ及び回折光２１８として、入射光２１４とは異なる角度で反射されてもよい。結果は図２３における上のグラフに示されている。この例示において、入射光２１４は０°にあり、回折光２１６Ａは入射光の右側に略４０°に傾斜され、及び回折光２１８は回折の入射光の左側に略−４０°に傾斜される。

図２２に示す中央の変形例において、変調可能なメタ表面アレー１６Ｂの例示は、セット２２６において、印加位置においてインクリメンタルな位相変化をもたらすように、アレーにおいてセット２２６を形成するようにインクリメンタルな空間位置２２０、２２２、２２４において、複数の電圧ｖ１、ｖ２、ｖ３を印加することによって、エナジャイズすることができる。電圧の印加は、複数のセットにおいて繰り返されてもよい。入射光２１４が、位相変化状態にエナジャイズされたメタ表面アレー１６Ａに到達すると、光はある角度において回折光２１６Ｂとして、入射光２１４とは異なる角度で反射されてもよい。結果は図２３における中央のグラフに示されている。この例示において、入射光２１４は０°にあり、回折光２１６Ｂは入射光の右側に略４０°に傾斜される。さらなる変形例は、異なるセットにおける異なる電圧であり、セット内における異なる電圧は、例示された階段型位相変化を形成せず、湾曲したまたは他の位相成形等を形成する。

図２２に示す下の変形例において、変調可能なメタ表面アレー１６Ｃの例示は、セットにおいて、印加位置においてインクリメンタルな位相変化をもたらすように、アレーにおいてセット２２６を形成するようにインクリメンタルな空間位置２２０、２２２、２２４において、複数の電圧ｖ１、ｖ２、ｖ３を印加することによって、エナジャイズすることができる。しかしながら、この変形例において、電圧は増加した長さにおいて印加され、中央の変形例の形状より、位相変化の形状が少なく傾斜された形状をもたらす。電圧の印加は、複数のセットにおいて繰り返されてもよい。入射光２１４が、位相変化状態にエナジャイズされたメタ表面アレー１６Ｃに到達すると、光はある角度において回折光２１６Ｃとして、入射光２１４とは異なる角度で反射されてもよい。結果は図２３における中央のグラフに示されている。この例示において、入射光２１４は０°にあり、回折光２１６Ｃは入射光の右側に略２０°に傾斜される。

本明細書にて説明されるラージモードエリアフォトニック結晶ファイバのあるシミュレーションは、ルメリカル（Lumerical）ソリューションズ株式会社のＭＯＤＥソリューションズソフトウェアを用いて実施された。ラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−２５）（ＮＫＴフォトニック、株式）のピッチ及び穴直径は、それぞれ１６．４μｍ及び４μｍである。使用されたフォトニック結晶ファイバの材料の例示は純シリカガラスであった。メタ表面の強度分布のシミュレーションは、コンピュータシミュレーションテクノロジー（ＣＳＴ）マイクロウェーブスタジオを用いて実施された。アレー構成における透過スペクトラムのシミュレーションのために、ユニット要素の設計には、ユニットセル境界条件が適用された。簡易性のために、円柱状のレンズは、設計されたメタ表面の焦点長さを数値的に意味するようにシミュレートされ、完全一致層（perfect matched layer）（ＰＭＬ）及び周期的境界条件はそれぞれＸ及びＹ方向において適用された。シリカの誘電率関数は、標準的なセルマイヤー展開（expansion）を用いてモデルされる。近赤外線の領域における金の、複雑な、周波数に依存する誘電体関数は、０．０７ｅＶのダンピング定数と８．９９７ｅＶのプラズマ周波数を有するローレンツ−ドルーデモデルによって説明されてもよい。

メタ表面は、例えば、ビアリー（Beery）位相等の幾何学的な位相を直接パターニングすることによって開発され、２５±１μｍの大きいコア直径を有する純シリカで形成されたラージモードエリアフォトニック結晶ファイバ（ＬＭＡ−ＰＣＦ）の端面上に４０ｎｍの厚みを有するメタ表面に基づく。円偏光入射ビームは、重要な集光効率を有する電気通信波長領域において、ファイバから通過した後に集光されてもよい。

ＰＣＦメタ表面を実験的に形成するように、４０ｎｍの厚みを有する金層は、マグネトロンスパッタによってＬＭＡ−ＰＣＦの端面に成膜された。メタ表面アレーパターンは、３０ｋＶの加速電圧及び１００ｐＡの電流を用いた収束イオンビームミリング（ＦＩＢ）によって加工された（しかしながら、電子ビームリソグラフィ等を含む他のナノ加工技術が使用されてもよい）。メタ表面アレーがファイバのコアを全体的に覆うように、ファイバの中心を合わせるように特別注意した。ＰＣＦの面上に加工されたメタ表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のイメージは図６に示され、ＮＡ＝０．３７を有する拡大版は図７に示され、ＮＡ＝０．２３の拡大版は図８に示される。ＳＥＭから取得された寸法を用いて加工されたサンプルのシミュレートされた透過は、共鳴波長が１４９９．３及び１４９０．３ｎｍに配置され、０．３７及び０．２３のＮＡを有するメタ表面において、１７％及び１６．５％の最大効率を有することを示し、これらは設計された構造と近い。

ファイバ内のメタ表面の集光効果を検証するため、光の強度分布は、図９に示すシステムを含むＺ−スキャンのセットアップを有して光推進方向に沿って、フィールド強度をイメージすることによって撮影（capture）された。設計された幾何学的な位相に基づいたメタ表面を用いて、入射された右手円偏光（ＲＣＰ）の光は、ＰＣＦメタ表面内にローンチ（launch）され、左手円偏光（ＬＣＰ）成分は出力光として収集された。２０ｎｍのステップを有して１５１０から１６１０ｎｍの間の波長におけるメタ表面のＸ−Ｚ平面上のスティッチング（stitching）フィールド強度プロファイルは、図１０に示される。距離がＰＣＦメタ表面の端面から焦点平面まで増加すると、光密度が増加することが見受けられ、よって、集光効果が示される。測定された焦点長さは〜３０μｍに位置する。測定された光の分布は、ＳＥＭ画像から取得されたメタ表面要素の実際の大きさを用いてシミュレートされた結果と十分な一致を示す。メタ表面からの集光効果を確認するため、出力からのＲＣＰ成分はＬＣＰ成分と同様に収集され、ＲＣＰ出力成分からは集光が観察されず、これはベリー（Berry）位相に基づいたメタ表面の理論的設計と一致する。

メタ表面の光学性能も分析された。図１１は、波長に対する焦点長さの依存性の分析を示す。０．３７のＮＡを有するＰＣＦメタ表面において、測定された焦点長さは、１５００−１６３０ｎｍの間の波長で、２６．７μｍから２８．０μｍに変化し、これは、シミュレートされた結果と十分一致する（即ち、同じ波長範囲において、２８．５μｍの焦点長さ）。示されていないが、０．２３のＮＡを有するメタ表面において、実験的な焦点長さは、１５００−１６３０ｎｍの操作波長の間で、４０．０から４１．３μｍに変化し、４０．０から４１．０μｍのシミュレートされた結果とよく似ている。しかしながら、この焦点長さは、理論的計算からより大きなオフセットを示し、オフセットは、主に、第１フレネルゾーン内のみで分割された実施位相分布による。これには、コア大きさまたはメタ表面のＮＡのいずれかの増加によって、効果的に対処できる。１５５０ｎｍの波長では、測定及びシミュレートされた焦点長さは、２つのＰＣＦメタ表面において２８．０及び４０．０μｍであり、設計と近い。

０．３７のＮＡを有するＰＣＦメタ表面の焦点の半値幅（ＦＷＨＭ）及び操作効率は、図１１の下側の曲線に示されている。ＦＷＨＭは、最大光強度の半分におけるビームウエストとして定義され、ガウス関数に、焦点における光強度の測定された断面図をフィッティングすることによって取得される。測定されたＦＷＨＭは、０．３７のＮＡを有するＰＣＦメタ表面の測定された波長範囲内において、２．４０−２．６３μｍである。

０．３７のＮＡを有するＰＣＦメタ表面の操作効率は、中央の曲線上の図１１に示されている。操作効率（即ち、入射ＲＣＰから出力ＬＣＰの集光効率）は、焦点におけるモードプロファイルの光強度に対する、金のコーティング無しの参照ＰＣＦの端面の直前の光強度の比として定義される。１５３０及び１５４０ｎｍの波長において、１６％の最大効率が、ＰＣＦメタ表面において測定された。示されていない０．２３のＮＡを有するメタ表面において、同じ波長において、最大効率は１６．４％であった。波長による操作効率の減少は、図３に示す、メタ表面要素からシミュレートされたＲＣＰからＬＣＰの変換効率に基づいている。

本明細書の目的において、ＰＣＦメタ表面の向上された光学強度は、集光平面において全体のビームプロファイル上で統合された光強度に対する、メタ表面無しのＬＭＡ−ＰＣＦの端面の直後のものの比として定義される。向上した光学強度は、１５４０ｎｍの波長において２．３４倍大きくなっている。集光性能は操作効率によって限定されるが、ＰＣＦメタ表面の光強度は参照ファイバのものよりも強い。示されている効率の良いファイバ内のメタ表面は、制御可能なＮＡ、小さいスポット径、及び向上した光学強度を設け、これらは、レーザ手術のファイバ内レンズ及び光ファイバ内視鏡と、光ファイバレーザ及び分光法の集光要素と、光学インターコネクトの効率的なファイバカプリング等の、新しい及び超コンパクト（ultracompact）なファイバ内光学イメージング及び通信デバイス用途の開発を向上させることができる。

上述の発明の１つまたは複数の態様を使用する他及びさらなる実施の形態は、請求項に定義される開示された発明から離脱せず、考案することができる。例えば、中空なチューブを有する及び有しない異なる光ファイバ構造、異なるメタ表面構造及び厚み、直径、形状、角度、波長、焦点長さ、材料、及び本出願において設けられた他のパラメータは、変更されてもよく、請求項の範囲によってのみ限定される。

本発明は、望ましい及び他の実施の形態の文脈において説明され、本発明の全ての実施の形態は説明されていない。説明された実施の形態における自明な改造及び変形は、当業者には入手可能である。開示された及び開示されなかった実施の形態は、出願人によって想到される本発明の範囲または適用性を限定または制限することを意図せず、特許法に基づいて、出願人は、後続のクレームの範囲内の全ての改造及び改良を完全に保護することを意図する。

Claims (21)

1. 面を有する光ファイバであって、
   前記光ファイバの面に係合されたメタ表面を有し、
   前記メタ表面は複数のメタ表面要素のメタ表面アレーを有し、
   前記メタ表面要素は、データに対して複数の回転角度において配置され、
   前記光ファイバを通過する光は、それぞれの前記メタ表面要素の回転角度において、前記メタ表面要素を通過することができる、光ファイバ。
2. 前記メタ表面は、印加された電圧に反応して、前記メタ表面要素を通過する光の特性を変調する、請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記メタ表面は、印加された電圧に反応して、前記メタ表面要素を通過する光の焦点長さ、方向、位相シフト、振幅、波長またはそれらの組み合わせを変更するように、前記メタ表面を変調する、請求項１に記載の光ファイバ。
4. 前記メタ表面は、導電体層を有し、
   前記メタ表面要素は、前記導電体層の深さの少なくとも一部を通じて形成される、請求項１に記載の光ファイバ。
5. 前記メタ表面は、金属層、絶縁層、伝導性酸化物層を有し、
   前記伝導性酸化物層は印加された電圧に反応する、請求項１に記載の光ファイバ。
6. 前記メタ表面アレーは、前記メタ表面要素を通過する光を円偏光させるように構成される、請求項１に記載の光ファイバ。
7. 前記メタ表面は、前記メタ表面から焦点長さにおける焦点に光を集光するように構成される、請求項１に記載の光ファイバ。
8. 前記メタ表面アレーは、前記メタ表面要素の周囲に第１アレー列を、前記データに対して固定された回転角度において配置された複数の前記メタ表面要素と共に、有する、請求項１に記載の光ファイバ。
9. 面を有する光ファイバであって、
   前記光ファイバの面に係合されたメタ表面を有し、
   前記メタ表面は、前記光ファイバからの光が通過できる複数のメタ表面要素のメタ表面アレーを有し、
   前記メタ表面要は、前記メタ表面要素を通過する光の特性を変調するように印加された電圧に反応するように構成される、光ファイバ。
10. 前記メタ表面は、印加された電圧に反応して、前記メタ表面要素を通過する光の焦点長さ、方向、位相シフト、振幅、波長またはそれらの組み合わせを変更するように、前記メタ表面を変調する、請求項９に記載の光ファイバ。
11. 前記メタ表面は、導電体層を有し、
    前記メタ表面要素は、前記導電体層の深さの少なくとも一部を通じて形成される、請求項９に記載の光ファイバ。
12. 前記メタ表面は、金属層、絶縁層、伝導性酸化物層を有し、
    前記伝導性酸化物層は、印加された電圧に反応し、前記伝導性酸化物層の性能特性を変更する、請求項９に記載の光ファイバ。
13. 前記メタ表面要素は、データに対する複数の回転角度において配置され、
    前記光ファイバを通過する光は、それぞれの前記メタ表面要素の回転角度において前記メタ表面要素を通過することができる、請求項９に記載の光ファイバ。
14. 前記メタ表面アレーは、前記メタ表面要素を通過する光を円偏光させるように構成される、請求項９に記載の光ファイバ。
15. 光ファイバから出る入射光を変更する方法であって、
    光を、前記光ファイバの面上に形成された複数のメタ表面要素を有するメタ表面を通過させることと、
    前記メタ表面要素の直前の光と比較して、前記メタ表面要素を通過する光の特性を変更することと、
    を有する、方法。
16. 光の特性を変更することは、前記メタ表面要素を通過する光の焦点長さ、方向、位相シフト、振幅、波長またはそれらの組み合わせを変更することを有する、請求項１５に記載の方法。
17. 光の特性を変更することは、前記メタ表面に電圧を印加することを有する、請求項１５に記載の方法。
18. 前記メタ表面に電圧を印加することは、前記メタ表面の部分に複数の電圧を印加することを有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記メタ表面要素は、データに対して複数の回転角度において配置され、
    前記光ファイバを通過する光を、それぞれの回転角度において前記メタ表面要素を通過させることをさらに有する、請求項１５に記載の方法。
20. 前記メタ表面要素を通過する光を、焦点に収束させることをさらに有する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記メタ表面アレーは、前記メタ表面要素を通過する光を円偏光させる、請求項１５に記載の方法。

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