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2013 Fiscal Year Research-status Report

異常原子価3d遷移金属を発光中心とする広帯域光増幅器用結晶化ガラス材料の開発

Research Project

Project/Area Number 25620184
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

田部 勢津久  京都大学, 人間・環境学研究科(研究院), 教授 (20222119)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2015-03-31
Keywordsガラス / 光通信 / 遷移金属 / 異常原子価 / 光ファイバ / 結晶化ガラス
Research Abstract

超広帯域波長多重光ファイバ通信実現のため,近赤外波長域に広帯域発光を示す光増幅器用3d遷移金属イオン含有透明結晶化ガラスの開発を目指した.そのため,通常安定な3価や6価でなく,クロム(IV)イオンを安定化できる酸化物結晶の作製と評価,同結晶を析出できる結晶化ガラス組成の探索と結晶析出のための熱処理条件の最適化,析出結晶の粒径,ガラスマトリックスとの屈折率差と光透過率の関係解明,結晶中およびマトリックス中に存在するクロムイオンの価数状態と光物性の調査を行った.
まず,Cr4+イオンを安定に固溶し得る結晶化ガラスの組成探索と母ガラス作製,熱処理前後の基礎光物性評価を行った.Zn2SiO4, Mg2SiO4, Li2ZnSiO4結晶はそれぞれZnO4やSiO4の四面体サイトを有するために,クロムはd2電子配置=4価の状態で安定に固溶する.
ターゲット結晶の構成成分を含み,かつ適度な熱的安定性が期待されるケイ酸塩組成のガラスを溶融法で作製した.得られたガラスは何種類かの温度で熱処理し,析出結晶とその粒径をXRD等により確認した.各試料はダイアモンドカッターで切削加工研磨,光物性測定に供した.作製した試料の発光スペクトル,蛍光寿命,量子収率を評価した.
X線回折により,目的組成のナノ結晶が析出していることを確認した.いずれの試料も熱処理結晶化後はCr4+に基づく1.1~1.5μmの波長領域に広帯域発光を示した.Mg2SiO4試料のみ,Cr3+イオンに基づく,0.9μm付近の発光を示した.他の2試料に比べ,Li2ZnSiO4析出結晶化ガラス試料は長い蛍光寿命と高い量子効率を示した.Tanabe-Suganoダイアグラムより検討した結果,同試料は結晶場強度が強く,1E準位から3A基底状態へのスピン禁制遷移が支配的であったのに対し,Zn2SiO4結晶析出試料は,結晶場強度が弱く,長波長発光を示すが,3重項間のスピン許容遷移が優勢になるため,蛍光寿命が短かったと考察された.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Cr4+イオン状態を安定に固溶できるケイ酸塩ナノ結晶を析出させた,3種類の結晶化ガラス試料の作製に成功した.いずれも母ガラスはCr3+イオンを含んでいたが,熱処理,結晶析出後に4価が安定に固溶され,着色が変化した.結晶化後にはCr4+イオン特有の波長1μm以上の長波長発光が観測され,光ファイバ通信波長域に広帯域な発光を得ることができた.中でもLi2ZnSiO4結晶析出試料は長い蛍光寿命と高い量子効率を確認できた.

Strategy for Future Research Activity

長い蛍光寿命と高い量子効率を確認できたLi2ZnSiO4結晶析出結晶化ガラス試料について,蛍光スペクトル特性や蛍光寿命の評価を進めつつ,母ガラス組成,熱処理条件の最適化,添加Cr濃度の最適化,光増幅実験を行う.

  • Research Products

    (14 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (9 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Effect of Bi2O3 doping on persistent luminescence of MgGeO3:Mn phosphor2014

    • Author(s)
      Y. Katayama, J. Ueda, S. Tanabe
    • Journal Title

      Opt. Mater. Express

      Volume: 4[4] Pages: 613-623

    • DOI

      10.1364/OME.4.000613

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tunable trap depth in Zn(Ga1-xAlx)2O4:Cr,Bi red persistent phosphors: considerations of high-temperature persistent luminescence and photostimulated persistent luminescence2013

    • Author(s)
      Y. Zhuang, J. Ueda, S. Tanabe
    • Journal Title

      J. Mater. Chem. C

      Volume: 1[47] Pages: 7849-7855

    • DOI

      10.1039/C3TC31462F

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Conversion of Valence State and Coordination State of Fe in Transparent Glass-Ceramics Containing Li2ZnSiO4 Nanocrystals2013

    • Author(s)
      Y. Zhuang, S. Tanabe
    • Journal Title

      J. Am. Ceram. Soc.

      Volume: 96[9] Pages: 2864-2869

    • DOI

      10.1111/jace.12398

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhancement of Red Persistent Luminescence in Cr-Doped ZnGa2O4 Phosphors by Bi2O3 Codoping2013

    • Author(s)
      Y. Zhuang, J. Ueda, S. Tanabe
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 6[5] Pages: 052602-1-4

    • DOI

      10.7567/APEX.6.052602

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Mn-Bi 共添加MgGeO3蛍光体における赤色長残光機能発現2014

    • Author(s)
      ○片山裕美子、上田純平、田部勢津久
    • Organizer
      日本セラミックス協会2014年年会
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学日吉キャンパス (横浜)
    • Year and Date
      20140317-20140319
  • [Presentation] 赤色長残光を示すCr添加透明結晶化ガラスの作製と光学特性評価2014

    • Author(s)
      ○松崎乃里子、庄逸煕、上田純平、田部勢津久
    • Organizer
      日本セラミックス協会2014年年会
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学日吉キャンパス (横浜)
    • Year and Date
      20140317-20140319
  • [Presentation] Broadband near-infrared luminescence in Cr4+-activated transparent glass ceramics2013

    • Author(s)
      ○Y. Zhuang, S. Tanabe
    • Organizer
      第54回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
    • Place of Presentation
      産業技術総合研究所 関西センター(池田)
    • Year and Date
      20131122-20131122
  • [Presentation] Red persistent and photostimulable phosphors for bio-imaging (基調講演)2013

    • Author(s)
      ○S. Tanabe, Y. Katayama
    • Organizer
      The 2nd International Workshop on Persistent and Photostimulable Phosphors
    • Place of Presentation
      華南理工大学 (広州、中国)
    • Year and Date
      20131117-20131121
    • Invited
  • [Presentation] Tunable trap depth in Zn(Ga1-xAlx)2O4:Cr,Bi red persistent phosphors: considerations of high-temperature persistent lumines cence and photostimulated persistent luminescence2013

    • Author(s)
      ○Y. Zhuang, J. Ueda, S. Tanabe
    • Organizer
      The 2nd International Workshop on Persistent and Photostimulable Phosphors
    • Place of Presentation
      華南理工大学 (広州、中国)
    • Year and Date
      20131117-20131121
  • [Presentation] Effect of Bi doping on persistent luminescence and photo-stimulated luminescence properties of MgGeO3:Mn2013

    • Author(s)
      ○Y. Katayama, J. Ueda, S. Tanabe
    • Organizer
      International Workshop on Luminescent Materials 2013 (LumiMat'13)
    • Place of Presentation
      京都大学芝蘭会館別館 (京都)
    • Year and Date
      20131114-20131115
  • [Presentation] Photoconductivity and electronic structures of persistent phosphors2013

    • Author(s)
      ○S. Tanabe, J. Ueda
    • Organizer
      2013 JSAP-MRS Joint Symposia,Sympo. I:"Rare Earth Doped Advanced Materials for Photonic Applications
    • Place of Presentation
      同志社大学田辺キャンパス (京田辺)
    • Year and Date
      20130916-20130920
    • Invited
  • [Presentation] Bi2O3添加MgGeO3:Mn蛍光体における赤色長残光特性2013

    • Author(s)
      ○片山裕美子、上田純平、田部勢津久
    • Organizer
      第35回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      同志社大学田辺キャンパス (京田辺)
    • Year and Date
      20130916-20130920
  • [Presentation] Effect of Zn/Ga ratio on persistent luminescence in Bi or/and Cr doped ZnGa2O4 phosphors2013

    • Author(s)
      ○Y. Zhuang, S. Tanabe
    • Organizer
      10th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 10)
    • Place of Presentation
      Hotel Del Coronado (San Diego, USA)
    • Year and Date
      20130802-20130807
  • [Remarks] 京都大学 人間・環境学研究科 田部研究室

    • URL

      http://www.talab.h.kyoto-u.ac.jp/

URL: 

Published: 2015-05-28  

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