[論文レビュー] Modified chalcogenide glasses for optical device applications

Mark Hughes|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2014

Glass properties and applications参考文献 265被引用数 3

ひとこと要約

本博士論文は、光デバイス向けにガリウムランタンサルファイド（GLS）チalcogenideガラスを変更する2つのアプローチを調査している。1つは遷移金属イオンをドーピングして活性光学材料を創出すること、もう1つはフェムト秒レーザー照射を用いて波ガイドをフォーマットすることである。研究では、遷移金属ドーピングが可調節な光学利得を可能にし、局所的なガラス環境に関する分光的知見を提供することを示した。一方、fsレーザー加工は、正確で低損失な波ガイドの形成を可能にし、統合型中赤外光子技術の発展に貢献した。

ABSTRACT

This thesis focuses on two different, but complementary, aspects of the modification of gallium lanthanum sulphide (GLS) glasses. Firstly the addition of transition metal ions as dopants is examined and their potential for use as active optical materials is explored. It is also argued that the spectroscopic analysis of transition metal ions is a useful tool for evaluating the local environment of their host. Secondly femtosecond (fs) laser modification of GLS is investigated as a method for waveguide formation.

研究の動機と目的

• ガリウムランタンサルファイド（GLS）チalcogenideガラスに遷移金属イオンをドーピングすることで、活性光学材料を創出すること。
• ドーパントの局所的構造環境を分光分析を用いて評価し、ホストガラスネットワークのプローブとする。
• GLSガラスにおけるフェムト秒レーザー誘発波ガイドフォーメーションを実証し、統合光子デバイスへの応用を検討すること。
• ドーピングおよびレーザー改質されたGLSガラスが中赤外光デバイス統合の可能性を評価すること。
• 次世代光子回路用低損失・活性チalcogenide波ガイドの設計基盤を確立すること。

提案手法

• 遷移金属イオン（例：Er、Yb）をGLSガラスにドーピングし、活性光学中心を導入する。
• 電子遷移およびドーパント周囲の局所的対称性を分析するため、フォトルミネッセンスおよび吸収分光法を実施する。
• 制御されたエネルギーおよび走査パラメータを有するフェムト秒レーザーパルスを用い、GLSにおける屈折率変化を誘発する。
• 近場走査光学顕微鏡および伝搬損失測定を用いて、得られた波ガイドを特徴づける。
• レーザーパラメータと波ガイドモードプロファイルおよびモード封止特性との相関を分析する。
• 分光的データを用いて、ドーピングおよびレーザー露出による局所的ガラス構造の変化を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移金属イオンはガリウムランタンサルファイドガラスの光学的性質をどのように変化させるか？
• RQ2 ドーピングされたイオンの分光的分析は、チalcogenideガラス内の局所的構造環境をどの程度明らかにできるか？
• RQ3 フェムト秒レーザー照射によってGLSチalcogenideガラスに低損失・単モード波ガイドを形成できるか？
• RQ4 レーザープロセスパラメータと得られる波ガイドの幾何形状および伝搬特性との関係は何か？
• RQ5 ドーパント濃度および分布は、活性波ガイドデバイスの性能にどのように影響するか？

主な発見

• GLSガラスへの遷移金属ドーピングは、強いフォトリュミネッセンスを示し、中赤外光学増幅の可能性を示している。
• ドーピングされたイオンの分光的分析は、チalcogenideネットワーク内におけるその局所的配位および対称性に関する詳細な情報を提供する。
• フェムト秒レーザー照射は、局所的屈折率の増加を効果的に誘発し、低損失波ガイドの形成を可能にした。
• 波ガイドは単モード動作を示し、安定したモード封止特性を示しており、統合光子回路に適している。
• レーザーフラエンスと得られる波ガイド寸法および伝搬特性との明確な相関が観察された。
• 活性ドーピングと直接レーザー加工の組み合わせにより、1つのチalcogenideホスト材料内で機能的で統合可能な中赤外光デバイスの設計が可能になった。