ガラスの光化学反応性の解明 ― 電子、振動構造からのアプローチ ―

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13305061
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 横尾 俊信 京都大学, 化学研究所, 教授 (90158353)
• 研究分担者: 高橋 雅英 京都大学, 化学研究所, 助教授 (20288559)
• キーワード: フォトリフラクティブ / 紫外光レーザ / 光導波回路 / 光化学反応 / 酸素欠陥 / 酸化物ガラス / ファイバグレーティング / シリカガラス

研究概要

光ファイバのコア材料として広く用いられているGe含有SiO_2ガラスは、強力な紫外光を入射することにより屈折率変化を誘起できる。このような光活性化過程はファイバ・ブラッググレーティングに広く応用されているだけでなく、シリカ系ガラスへの二次非線形光学特性の賦与などガラスの機能修飾にも用いられている。また、屈折率変化などの光修飾の高効率化の努力も続けられており、高圧水素処理やOH-flooding処理、あるいは材料自体の活性をあげるための増感剤の添加などが行われている。本研究では、ファイバ・ブラッググレーティングの書き込みに利用されている5eV付近の紫外光に対するシリカ系ガラス、特にGe含有SiO_2ガラスの光活性化現象と光誘起屈折率変化の起源について明らかにした。
光誘起屈折率変化に寄与する光誘起現象はGe含有SiO_2ガラス中の主にGe関連欠陥の光化学過程と密接に関連付けられている。我々はGe^<2+>の光活性を中心に紫外光に対するガラスの応答および屈折率変化との関連について二次元蛍光スペクトルマッピング、電子スピン共鳴、蛍光寿命分析などの手法を用いて明らかにした。Ge2+に端を発する一連の光化学反応により、緻密化とともに屈折率変化が発現すること。高配位数の反応中間体を経て最終的に安定なダングリングボンドを形成することなどを報告した。得られた反応機構を元に設計した高光活性ガラス薄膜は10^<-3>以上の光誘起屈折率変化を示した。この値は従来ガラス試料の100倍程度の活性である。また、この薄膜を用いて光導波回路のレーザ描画を行い、簡単なプロセスを用いた光導波回路作成にも成功している。

研究成果

• [文献書誌] Niida, H, Takahashi, M, Uchino, T, Yoko, T: "Preparation of organic-inorganic hybrid precursors O=P(OSiMe_3)_x(OH)_<3-x> for low-melting glasses"J.Ceram.Soc.Jpn.. 111(3). 171-175 (2003)
• [文献書誌] Takahashi, M, Niida, H, Tokuda, Y, Yoko, T: "Organic-inorganic hybrid phosphite low-melting glasses for photonics application"J.Non-Cryst.Solids. 326-327. 524-528 (2003)
• [文献書誌] Niida, H, Takahashi, M, Uchino, T, Yoko, T: "Preparation and structure of organic-inorganic hybrid low-melting phosphite glasses from phosphonic acid H_3PO_3"J.Mater.Res. 18(5). 1081-1086 (2003)
• [文献書誌] Tokuda Y., Saito M., Takahashi M., Yamada K., Watanabe W., Itoh K., Yoko T.: "Waveguide formation in niobium tellurite glasses by pico- and femtosecond laser pulses"J.Non-Cryst.Solids. 326-327. 472-475 (2003)
• [文献書誌] Takahashi, M., Sakoh, A., Ichii, K., Tokuda, T., Yoko, T., Nishii, J.: "Photosensitive GeO_2-SiO_2 films for ultraviolet laser writing of channel waveguides and Bragg gratings"Appl.Opt.. 42(42). 4594-4598 (2003)
• [文献書誌] Sakoh, A., Takahashi, M., Yoko, T., Nishii, J., Nishiyama H., Miyamoto, I.: "Photochemical process of divalent germanium responsible for photorefractive index change in GeO_2-SiO_2 glasses"Optics Express. 11(21). 2679-2688 (2003)