東北大,結晶化ガラスで最大の光変調性能を実現


東北大学は,光通信技術を支える光波制御デバイスの新たな材料となる「完全表面結晶化ガラス」を創製し,光の自在な操作を可能とするポッケルス効果の発現を実証した(ニュースリリース)。

情報通信でレーザー光を自在に操るには,波長変換や光変調をしたりするデバイスが必須となるが,ファイバーとデバイスとの接続整合性の担保の面から,ガラスをベースとする光波制御デバイスの構築が望まれていた。

これまでに研究グループでは,ケイ酸塩ガラスを熱処理することで,自発分極を有するSr2TiSi2O8結晶が析出した,高い結晶配向性と可視光透過性を具有する「完全表面結晶化ガラス」を開発し,ポッケルス効果の発現に成功している。

従来の結晶化ガラスと比較して,この「完全表面結晶化ガラス」は析出結晶の配向性と体積分率が高い一方,光変調特性に関わるポッケルス係数がLiNbO3結晶よりも小さいという課題があった。

天然鉱物のフレスノイト(Ba2TiSi2O8)は,チタンと酸素で構成されるピラミッド型TiO5ユニットの整列により自発分極が生じる。Sr2TiSi2O8結晶と同様にフレスノイト構造を持ちゲルマニウムを含むみ,LiNbO3結晶に匹敵する波長変換特性を示すことから,優れたポッケルス効果が期待されていた。

今回研究グループは,このBa2TiGe2O8結晶が析出した「完全結晶化ガラス」の創製に成功。結晶の構成元素の酸化物を含む前駆体ガラスを適切な温度で熱処理を施すことで,自発分極方向への配向性を有する試料を得た。この試料はこれまでの「完全表面結晶化ガラス」に無い特異かつ複雑な微細組織であることが判明した。

レーザー光を各種試料に入射し,電圧を印加した結果,Ba2TiGe2O8結晶のポッケルス効果の発現を初めて実証した。また,幹と枝のような構造を持つ樹状結晶は,それぞれ異なる結晶方位を持つことから,樹状構造の形成を阻止し,副相の形成を抑制することでポッケルス係数の向上が可能であるとの指針が得られた。

さらに,前駆体ガラスの組成設計を実施した結果,37BaO‒15TiO2‒48GeO2組成において,現在の結晶化ガラス材料におけるポッケルス係数の最高値であるr13=3.6pm/V,r33=3.3pm/Vを達成した。

これにより,以前のSr2TiSi2O8結晶が析出した「完全表面結晶化ガラス」のポッケルス効果を約30%以上回ることに成功し,ガラス材料を前駆体とする「完全表面結晶化ガラス」は,結晶化組織の構造を制御することで,ポッケルス係数が大きく向上することを証明した。今後,情報通信分野はもとより,他の光応用分野への利用も期待されるとしている。

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