JP2005189374A - Oxide glass material for optical device material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide glass material having low absorption and producing a heterogeneous phase having sufficiently high absorption by condensed irradiation of short pulse laser light, for manufacturing an optical device such as a waveguide by forming an inner structure in the glass material, and to provide a method for manufacturing the material. <P>SOLUTION: The glass material contains a light absorbing substance having intrinsic absorption in a wavelength region shorter than 600 nm and no intrinsic absorption in the wavelength region from 600 nm to less than 2,000 nm, for example, either germanium oxide or tin oxide or an oxide containing the combination of these having a group IV element having higher ionization tendency added to the above oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、短パルスレーザーの集光照射により、その集光照射部分においてのみその光学特性が変化する主として酸化物からなる非晶質材料とその製造方法及び光学特性変化を誘起するための短パルスレーザー照射方法に関する。かかる酸化物系ガラス材料は光通信分野で使用される光学素子等の材料として用いることができる。 The present invention relates to an amorphous material mainly composed of an oxide whose optical characteristics change only at the focused irradiation portion by a short pulse laser, a manufacturing method thereof, and a short pulse for inducing a change in optical characteristics. The present invention relates to a laser irradiation method. Such an oxide-based glass material can be used as a material for an optical element or the like used in the optical communication field.

非晶質酸化物等からなるガラス材料は、透明性、均質性に優れるため光通信分野等において光学材料として広く用いられており、例えば、光ファイバーや平面導波路(以下PLC)も高純度のシリカ(SiO)ガラス等を紡糸、成膜することにより形成されている。 A glass material made of an amorphous oxide or the like is widely used as an optical material in the field of optical communication because of its excellent transparency and homogeneity. For example, an optical fiber or a planar waveguide (hereinafter referred to as PLC) is also a high-purity silica. It is formed by spinning (SiO 2 ) glass or the like and forming a film.

さらに、ガラス材料の内部に特性の異なる部分を形成した構造(以下では内部構造と称する)、例えば周期的な屈折率変化を付与することにより、機能性を発現させることが行われている。例えば、波長フィルターとして機能するファイバーグレーティングや多層膜フィルターが製品化されている。また、高度に制御された内部構造を有するフォトニック結晶に関する研究開発も現在盛んに進められている。 Furthermore, a structure in which portions having different characteristics are formed inside the glass material (hereinafter referred to as an internal structure), for example, by imparting a periodic refractive index change, has been made to express functionality. For example, fiber gratings and multilayer filters that function as wavelength filters have been commercialized. In addition, research and development on photonic crystals having highly controlled internal structures are now underway.

ガラス材料に内部構造を形成する方法としては、例えば真空成膜法により交互に異なる材料を積層して多層膜を形成する方法、フォトリソグラフィー等によるパターニングと成膜を組み合わせて埋め込み導波路構造を形成する方法、貴金属等を含む光感光性ガラスに紫外線を照射してさらに加熱処理等することによりガラス中に部分的に貴金属微粒子や酸化物等の微結晶を析出させる方法、酸化ゲルマニウム(GeO)を添加したSiO系ガラスからなる光ファイバー又はPLCに紫外線を照射して周期的な屈折率変化を生じさせるファイバーグレーティング形成の方法、ガラス材料等に電子線やレーザー光を照射することにより部分的に欠陥生成や溶融結晶化等を生じさせる方法等が知られている。 As a method of forming the internal structure in the glass material, for example, a method of forming a multilayer film by alternately stacking different materials by a vacuum film forming method, and forming a buried waveguide structure by combining patterning and film formation by photolithography etc. , A method of precipitating fine crystals of noble metal fine particles or oxides in glass by irradiating photosensitive glass containing noble metal etc. with ultraviolet rays and further heat treatment, germanium oxide (GeO 2 ) An optical fiber or PLC made of SiO 2 -based glass added with UV light is irradiated with ultraviolet rays to cause a periodic refractive index change, partially by irradiating an electron beam or laser light onto a glass material, etc. Methods for generating defects, melt crystallization, and the like are known.

また近年においては、短パルスレーザーの集光照射によりガラス中に高エネルギー密度状態が生じ当該集光領域にガラス材料の高密度化や貴金属等の微粒子析出等が誘起され特性が変化した領域(以下、異質相と称する)が生じることを利用して、ガラス中に内部構造を形成する方法が開発されている。 In recent years, a region with high energy density in the glass due to the focused irradiation of a short pulse laser has caused the density of the glass material to increase and the precipitation of fine particles such as noble metals in the focused region. (Referred to as “heterogeneous phase”), a method for forming an internal structure in glass has been developed.

例えばピーク出力値が高いレーザーを集光照射・走査することにより光誘起屈折率変化を生じさせ、ガラス材料の内部に光導波路を形成する方法(例えば、特許文献1)や、非線形光学効果を呈する酸化物ガラス等の内部にレーザー光を集光照射し屈折率を変化させて、光カーシャッタ型スイッチ等の一部となる光導波路を材料内部に形成する方法(例えば、特許文献2、特許文献3)が知られている。また貴金属微粒子析出の例として、パルスレーザー光の集光照射により貴金属等の金属イオンを光還元して変質域をガラス材料の内部に選択的に形成させる方法(例えば特許文献4)や同様の方法で微小核形成を行った後にその後の熱処理で微結晶を結晶析出させる方法(例えば特許文献5)が知られている。 For example, a method of generating a light-induced refractive index change by condensing and scanning a laser with a high peak output value to form an optical waveguide inside a glass material (for example, Patent Document 1) or exhibits a nonlinear optical effect. A method of forming an optical waveguide that becomes a part of an optical Kerr shutter type switch or the like inside a material by condensing and irradiating laser light inside oxide glass or the like (for example, Patent Document 2, Patent Document) 3) is known. Further, as an example of precious metal fine particle precipitation, a method of selectively forming an altered region inside a glass material by photoreducing metal ions such as precious metal by focused irradiation of pulsed laser light (for example, Patent Document 4) or a similar method There is known a method (for example, Patent Document 5) in which fine nuclei are crystallized by subsequent heat treatment after micronucleation is performed.

かかる短パルスレーザー照射による内部構造の形成をデバイスに応用した例としては、グレーティング付き光導波路を得る方法(例えば特許文献6)や光導波路アレイを得る方法(例えば特許文献7)が知られている。 As an example of applying the internal structure formation by short pulse laser irradiation to a device, a method for obtaining an optical waveguide with a grating (for example, Patent Document 6) and a method for obtaining an optical waveguide array (for example, Patent Document 7) are known. .

また、短パルスレーザー照射により形成される析出相や変質相の特性がどのようなものか、またマトリックスである非照射部分の特性とどの程度異なるかにより、形成される内部構造に起因する機能が異なる。例えば、屈折率の変化が大きいほど小型のグレーティングが実現できる。そのような観点から、ガラス材料中に貴金属、化合物半導体、強誘電体等種々の材料からなる析出相や変質相を生じさせることが研究開発されており、それに適した材料の開発も平行して行われている。例えば、伝搬損失の少ない優れた光導波路を形成するために適した組成としてAlを含有するガラス材料を検討した例(例えば、特許文献8)や、希土類イオン等を含むガラスにおいてイオン価数変化が生じること(例えば、特許文献9)及びそれを応用した表示用材料(例えば、特許文献10)、またSi等の非金属粒子析出を誘起するためのガラス材料(例えば、特許文献11)などが例として挙げられる。 In addition, depending on the characteristics of the precipitate phase and altered phase formed by short pulse laser irradiation, and how different from the characteristics of the non-irradiated part that is the matrix, the functions attributable to the internal structure formed Different. For example, the smaller the refractive index change, the smaller the grating can be realized. From such a viewpoint, it has been researched and developed to generate precipitated or altered phases consisting of various materials such as noble metals, compound semiconductors, and ferroelectrics in glass materials, and in parallel with the development of materials suitable for them. Has been done. For example, the ionic value of an example in which a glass material containing Al 2 O 3 is studied as a composition suitable for forming an excellent optical waveguide with little propagation loss (for example, Patent Document 8) or glass containing rare earth ions or the like. Number change occurs (for example, Patent Document 9) and a display material (for example, Patent Document 10) using the same, and glass material for inducing precipitation of non-metallic particles such as Si (for example, Patent Document 11) For example.

また溶融凝固プロセス以外の方法によって作製されたガラス材料以外のガラス材料に関しても、例えばスパッタ法等の真空成膜法により主として非晶質酸化物からなる薄膜、多層膜中に短パルスレーザーを照射することにより微粒子等を形成する方法及び材料の研究開発が行われている。薄膜、多層膜を短パルスレーザー照射の対象にした例としては、Agと金属酸化物からなる多層膜中にAg微粒子を形成する方法(例えば、特許文献12)や酸化インジウム等の薄膜に構造やエッチング特性の変化を生じさせた例(例えば、特許文献13、特許文献14)がある。 For glass materials other than glass materials produced by methods other than the melt solidification process, a short pulse laser is applied to a thin film or multilayer film mainly made of amorphous oxide by a vacuum film-forming method such as sputtering. Thus, research and development of methods and materials for forming fine particles and the like have been conducted. Examples of thin films and multilayer films that are subjected to short pulse laser irradiation include a method of forming Ag fine particles in a multilayer film made of Ag and a metal oxide (for example, Patent Document 12), a structure of a thin film such as indium oxide, There are examples (for example, Patent Document 13 and Patent Document 14) in which a change in etching characteristics is caused.

さらに、短パルスレーザー照射時にアシスト用の異なるレーザー光を照射する等の高度なレーザー照射方法も検討されており、多色性の表示用材料等が知られている。(例えば、特許文献15) Further, advanced laser irradiation methods such as irradiation with different laser beams for assist during short pulse laser irradiation have been studied, and polychromatic display materials and the like are known. (For example, Patent Document 15)

以上のような短パルスレーザー光を照射してガラス材料に内部構造を形成する方法は、内部構造の形成と材料合成を同時に行うことが可能で、かつほぼ任意の形状を精度良く形成することが容易であることから、PLCやフォトニック結晶等の光学素子の加工法として有用と考えられている。 The method of forming the internal structure on the glass material by irradiating the short pulse laser beam as described above can simultaneously form the internal structure and synthesize the material, and can form an almost arbitrary shape with high accuracy. Since it is easy, it is considered useful as a processing method for optical elements such as PLC and photonic crystal.

特開平9−311237「光導波路及びその作製方法」Japanese Patent Laid-Open No. 9-311237 “Optical Waveguide and Method for Producing the Same” 特開平10−288799「光導波回路及び非線形光学装置」Japanese Patent Laid-Open No. 10-288799 “Optical Waveguide Circuit and Nonlinear Optical Device” 特開平11−167036「光導波回路及び非線形光学装置」Japanese Patent Laid-Open No. 11-167036 “Optical Waveguide Circuit and Nonlinear Optical Device” 特開平11−60271「金属微粒子分散ガラス及びその製造方法」Japanese Patent Laid-Open No. 11-60271 “Metal Fine Particle Dispersed Glass and Method for Producing the Same” 特開平11−71139「微結晶分散ガラス及びその製造方法」Japanese Patent Laid-Open No. 11-71139 “Microcrystalline Dispersed Glass and Manufacturing Method Thereof” 特開2000−249859「グレーティング付き光導波路の製造方法」JP 2000-249859 “Manufacturing method of optical waveguide with grating” 特開平11−231151「光導波路アレイ及びその製造方法」Japanese Patent Laid-Open No. 11-231151 “Optical Waveguide Array and Manufacturing Method Thereof” 特開2001−228344「光導波路」Japanese Patent Laid-Open No. 2001-228344 “Optical Waveguide” 特開2000−33263「固体材料内部の選択的改質方法及び内部が選択的に改質された固体材料」JP 2000-33263 “Selective reforming method inside solid material and solid material whose interior is selectively modified” 特開2002−154845「レーザー光照射による表示用材料の製造方法」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-154845 “Method for producing display material by laser light irradiation” 特開2001−235609「非金属粒子析出ガラス及びその作製方JP 2001-235609 “Non-metallic particle precipitated glass and method for producing the same 特開2003−12345「熱線遮断ガラスの着色方法」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-12345 “Coloring method of heat ray shielding glass” 特開2003−178625「光学素子機能を有する透明導電膜およびその製造方法」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-178625 “Transparent Conductive Film Having Optical Element Function and Manufacturing Method Thereof” 特開2003−171783「金属酸化物膜の選択的なエッチング処理方法および該方法により選択エッチング処理された金属酸化物膜並びに光学素子及び導電膜」Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-171783 “Selective Etching Process for Metal Oxide Film and Metal Oxide Film, Optical Element, and Conductive Film selectively Etched by the Method” 特開2003−19863「紫外線照射を受けた際に周囲とは異なる挙動を示す任意形状の異質部分を形成させ得る透明無機材料及びその製造方法」JP 2003-19863 A "Transparent inorganic material capable of forming a heterogeneous portion having an arbitrary shape that exhibits a behavior different from that of surroundings when irradiated with ultraviolet rays and a method for producing the same"

ガラス材料に内部構造を形成することにより導波路やフォトニック結晶等を作製して光機能性を発現させる場合、内部構造を構成する各相の屈折率等の特性が大きく異なることが好ましい場合がある。例えば、比屈折率差が大きいほど導波路の寸法が小さくできることや、回折格子の回折効率が大きくなること等が挙げられる。短パルスレーザー光照射によりガラス材料中に導波路等の内部構造を形成する場合について考慮すると、短パルスレーザーが局所的に照射されることによって局所的に高エネルギー密度の状態が生じ、それに起因して特性が変化した部分(以下では異質相という。)と、レーザー光が照射されず微粒子析出等の状態変化も当然に生じていない部分(以下では未照射領域という)との屈折率が大きく異なることが好ましいことになる。 When optical waveguides and photonic crystals are produced by forming an internal structure in a glass material to exhibit optical functionality, it may be preferable that the characteristics such as the refractive index of each phase constituting the internal structure differ greatly. is there. For example, the larger the relative refractive index difference, the smaller the size of the waveguide, and the higher the diffraction efficiency of the diffraction grating. Considering the case where an internal structure such as a waveguide is formed in a glass material by irradiating with a short pulse laser beam, a state of high energy density is locally generated by irradiating the short pulse laser locally. The refractive index of the portion where the characteristics have changed (hereinafter referred to as the heterogeneous phase) is significantly different from the portion where the laser light is not irradiated and no change in state such as particulate precipitation occurs (hereinafter referred to as the unirradiated region). It will be preferable.

貴金属等のガラス材料と異なる物質をガラス材料中に析出等させる場合には、ガラス材料中に当該貴金属等元素が含まれていなければならず、また異質相の屈折率を高くするには異質相中に析出等する微粒子の体積分率を大きくすることが必要となる。 In the case where a material different from a glass material such as a noble metal is deposited in the glass material, the glass material must contain the element such as the noble metal, and in order to increase the refractive index of the foreign phase, the foreign phase It is necessary to increase the volume fraction of the fine particles precipitated inside.

すなわち、異質相の特性を大きく変化させるためには、析出等する微粒子を構成する物質が予めガラス材料中にガラス材料を構成する物質としてある程度多量に存在しなくてはならない。その結果、未照射領域のガラス材料の屈折率が高くなり、異質相のそれとの差が小さくなることがありうる。   That is, in order to greatly change the characteristics of the heterogeneous phase, a substance constituting the fine particles to be deposited must be present in a certain amount in advance as a substance constituting the glass material in the glass material. As a result, the refractive index of the glass material in the unirradiated region may be increased, and the difference from that of the heterogeneous phase may be decreased.

また、透明で均質なガラス材料を形成するには、当該ガラス材料系におけるガラス化可能な組成範囲による組成の制限が存在するため、酸化物ガラスへの固溶限が小さい貴金属元素等を多量に添加しても、溶融凝固過程において拡散凝集した微粒子が析出してしまうなどの結晶化を生じてしまい、透明で均質なガラス材料は得られない場合がある。   In addition, in order to form a transparent and homogeneous glass material, there is a composition limitation depending on the composition range that can be vitrified in the glass material system, so a large amount of a noble metal element having a small solid solubility limit in oxide glass is used. Even if it is added, crystallization such as precipitation and aggregation of fine particles in the melt-solidification process may occur, and a transparent and homogeneous glass material may not be obtained.

以上のように、ガラス材料に内部構造を形成することにより導波路やフォトニック結晶等を作製して光機能性を発現させる方法を用いて素子作製を行うにあたっては、所定の機能を発現させるためのガラス材料の選択あるいは作製に困難がある場合があるという問題があった。 As described above, when an element is fabricated using a method for producing a waveguide, a photonic crystal, etc. by forming an internal structure in a glass material and exhibiting optical functionality, a predetermined function is exhibited. There is a problem that there are cases where it is difficult to select or produce the glass material.

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、吸収等が小さくかつ短パルスレーザー光を集光照射することにより吸収等が十分に大きな異質相を形成することができる酸化物系ガラス材料及びその製造方法等を提供することを目的とする。 The present invention has been devised to solve such problems, and it is possible to form a heterogeneous phase that has small absorption and the like and that has sufficiently large absorption and the like by condensing and irradiating a short pulse laser beam. An object of the present invention is to provide an oxide-based glass material and a method for producing the same.

本発明の酸化物系ガラス材料は、その目的を達成するため、600nmより短い波長範囲において固有吸収が存在しかつ波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が存在しない吸収物質を含むマトリックスをもち、ガラス材料の内部に集光点を調節したパルスレーザー光の集光照射により波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収を誘起することができることを特徴とする。前記吸収物質としては、酸化ゲルマニウムと酸化スズのいずれか一つあるいはそれらの組合せからなる酸化物に、よりイオン化傾向の高い周期律表IV属元素を添加したものがある。また、前記吸収物質に添加した周期律表IV属元素の少なくともその一部は非酸化物又は非量論組成の酸化物として存在することが好ましい。また、前記吸収物質は、波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収がなくかつパルスレーザー光の照射によっても波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が誘起されることのない材料により被覆されていることが好ましい。 In order to achieve the object, the oxide-based glass material of the present invention has a matrix containing an absorbing substance that has intrinsic absorption in a wavelength range shorter than 600 nm and does not have intrinsic absorption in a wavelength range of 600 nm to less than 2000 nm. The intrinsic absorption can be induced in the wavelength range from 600 nm to less than 2000 nm by the focused irradiation of the pulsed laser light with the focusing point adjusted inside the glass material. Examples of the absorbing material include those obtained by adding a group IV element of the periodic table having a higher ionization tendency to an oxide made of any one of germanium oxide and tin oxide or a combination thereof. Moreover, it is preferable that at least a part of the periodic table group IV element added to the absorbing material is present as a non-oxide or a non-stoichiometric oxide. The absorbing substance is coated with a material that does not exhibit intrinsic absorption in the wavelength range of 400 nm or more and less than 2000 nm and that does not induce intrinsic absorption in the wavelength range of 400 nm or more and less than 2000 nm even when irradiated with pulsed laser light. It is preferable.

さらに、前記吸収物質は、周期律表IV属元素がシリコンでありかつ酸化物が酸化ゲルマニウムであることまたは周期律表IV属元素がシリコン又はゲルマニウムでありかつ酸化物が酸化スズであることがさらに好ましい。 Further, in the absorbing material, the periodic table group IV element is silicon and the oxide is germanium oxide, or the periodic table group IV element is silicon or germanium and the oxide is tin oxide. preferable.

そして吸収物質を被覆する材料は、非晶質酸化物であることが好ましい。 The material covering the absorbing substance is preferably an amorphous oxide.

以下、本発明を更に詳細に説明する。 本発明の基本的な考え方は、光の媒質として好ましい吸収の小さな酸化物相から、短パルスレーザー照射による光還元反応等を用いて、半導体等の非酸化物相あるいは元の酸化物を構成する陽イオンの価数が大きく減少した酸化物等からなる相を生じさせることにより、大きな特性変化を伴う異質相の形成を図るというものである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The basic idea of the present invention is that a non-oxide phase such as a semiconductor or an original oxide is constituted by using a photoreduction reaction or the like by short pulse laser irradiation from an oxide phase having a small absorption preferable as a light medium. The formation of a heterogeneous phase accompanied by a large change in characteristics is achieved by generating a phase composed of an oxide or the like having a greatly reduced cation valence.

吸収材料の満たすべき光学特性の波長依存性について、短パルスレーザーの集光照射による局所的変化を効率的に生じさせるためには、二光子吸収過程に相当する波長においては吸収が大きいことが好ましく、一方集光位置を自由に設定できるようにするためには集光領域以外では吸収が小さいことが必要となる。すなわち、短パルスレーザー光の波長においては吸収が小さいが、その1/2の波長においては吸収が大きいことが重要になる。例えばAl:Tiレーザーを利用する場合には、レーザー光の波長は800nmであり、二光子吸収過程に相当する波長はその1/2の400nmである。そして、本発明にかかる酸化物系ガラス材料を素子化して利用する場合の使用波長においては、異質相以外の部分は屈折率、吸収が小さく、異質相部分は逆に屈折率、吸収が大きいことが好ましい。また、光通信分野で利用される光の波長帯は、主として1.3μm帯と1.5μm帯であり、情報伝達に使用される使用波長の上限は2000nm程度と考えられる。 As for the wavelength dependence of the optical properties to be satisfied by the absorbing material, it is preferable that the absorption is large at the wavelength corresponding to the two-photon absorption process in order to effectively cause local change due to the focused irradiation of the short pulse laser. On the other hand, in order to be able to freely set the condensing position, it is necessary that the absorption is small outside the condensing region. That is, it is important that the absorption is small at the wavelength of the short pulse laser light, but the absorption is large at the half wavelength. For example, when an Al 2 O 3 : Ti laser is used, the wavelength of the laser beam is 800 nm, and the wavelength corresponding to the two-photon absorption process is 400 nm, which is a half of the wavelength. And in the wavelength used when using the oxide-based glass material according to the present invention as an element, the portion other than the heterogeneous phase has a small refractive index and absorption, and the heterogeneous phase portion has a large refractive index and absorption. Is preferred. In addition, the wavelength bands of light used in the optical communication field are mainly 1.3 μm band and 1.5 μm band, and the upper limit of the wavelength used for information transmission is considered to be about 2000 nm.

以上の理由により、本発明の発明者らは波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が存在しない吸収物質であってかつガラス材料の内部に集光点を調節したパルスレーザー光を集光照射することにより波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収を誘起することができる吸収物質を見出すことを試みた。なおここで固有吸収とは、物質を構成するイオンの内殻電子や電子系、ホール系の素励起、格子振動等に起因する物質固有の光吸収をいう。また、吸収物質以外の当該酸化物系ガラス材料を構成する部分は、波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収がなくかつパルスレーザー光の照射によっても波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が誘起されることのない材料(以下では無吸収材料と称する)からなることが、内部構造形成及び素子化した後の機能の点で好ましい。そして当該吸収物質は短パルスレーザー光を集光照射することにより波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収を誘起することができることが必要であり、その理由は本発明にかかる酸化物系ガラス材料を用いた素子の使用波長域において屈折率、吸収係数の増大を生じせしめるためである。 For the reasons described above, the inventors of the present invention collect and irradiate pulsed laser light that is an absorbing substance having no intrinsic absorption in a wavelength range of 600 nm or more and less than 2000 nm and whose focusing point is adjusted inside the glass material. Thus, an attempt was made to find an absorbing material capable of inducing intrinsic absorption in a wavelength range from 600 nm to less than 2000 nm. Here, intrinsic absorption refers to light absorption specific to a substance caused by inner electrons of electrons constituting the substance, an electron system, elementary excitation of a Hall system, lattice vibration, or the like. In addition, the portion constituting the oxide glass material other than the absorbing substance has no intrinsic absorption in the wavelength range of 400 nm to less than 2000 nm, and the intrinsic absorption in the wavelength range of 400 nm to less than 2000 nm even when irradiated with pulsed laser light. It is preferable from the viewpoint of the function after forming the internal structure and forming the device, that it is made of a material that does not induce (hereinafter referred to as a non-absorbing material). The absorbing material must be capable of inducing intrinsic absorption in the wavelength range of 600 nm or more and less than 2000 nm by condensing and irradiating a short pulse laser beam because the oxide glass material according to the present invention is used. This is because the refractive index and the absorption coefficient are increased in the wavelength range of use of the element using the element.

以上のような考察を経て、本発明の発明者らは比較的バンドギャップが狭い材料であって、上記の光波長範囲において固有吸収がないまたは十分に小さい安定な酸化物という観点から材料の探索を行い、GeやSn等のIV族元素に着目するに至った。そして光還元反応の促進を図るべく酸素欠陥を多く含む状態のガラス材料を容易に得る方法として、スパッタ法等の真空成膜法を利用することに想到し、さらに還元剤として作用させるべく酸化物相を構成する陽イオンより酸化されやすい元素を添加することを試みた。通常このような組合せでガラス材料を作製すると、より酸化されやすい元素が優先して酸化されるため、上記のようないわば還元剤を含んだガラス材料を得ることは困難である。例えば、SiO相中にGe相が存在するガラスは作製可能であり容易に想到しうるが、GeO相中にSi相ないしはSiO相が存在するガラスを作製することは想定しがたい。そして、SiO相中に金属相が生じた構造のガラス材料は、大きな固有吸収を示すことが還元雰囲気でのガラス溶融や同時スパッタ法による微粒子分散薄膜等の研究例によりよく知られるところである。 Through the above considerations, the inventors of the present invention search for a material from the viewpoint of a stable oxide having a relatively narrow band gap and no intrinsic absorption in the above optical wavelength range or sufficiently small. As a result, attention has been focused on group IV elements such as Ge and Sn. Then, as a method for easily obtaining a glass material containing a large amount of oxygen defects in order to promote the photoreduction reaction, it was conceived that a vacuum film-forming method such as a sputtering method was used, and an oxide was further used to act as a reducing agent. An attempt was made to add an element that is easier to oxidize than the cation constituting the phase. Usually, when a glass material is produced by such a combination, an element that is more easily oxidized is preferentially oxidized, and thus it is difficult to obtain a glass material containing a reducing agent as described above. For example, a glass in which a Ge phase is present in the SiO 2 phase can be produced and can be easily conceived, but it is difficult to envisage producing a glass in which the Si phase or the SiO phase is present in the GeO 2 phase. A glass material having a structure in which a metal phase is generated in the SiO 2 phase is well known from research examples such as glass melting in a reducing atmosphere and fine particle-dispersed thin films by a co-sputtering method.

しかしながら、発明者らがGeOとSiの同時スパッタ法を試み、得られた薄膜の光学特性をGeOのみからなる酸化物薄膜と比較したところ、その薄膜は非晶質構造を保ち、かつ紫外から可視域短波長領域の固有吸収による吸収端のシフトが生じたもののそれより長波長の波長範囲においては吸収の増加が見られないという結果を得た。発明者らはこの知見に基づき、さらに材料探索を進めて本発明で開示する吸収材料を見出した。また、かかる吸収材料は顕著な二光子吸収を示すため、表面近傍に異質相を形成するべく集光位置を浅い位置に設定すると容易にアブレージョンを生じ、表面の破壊が生じる。これを防止するには、例えばSiOやAl等の無吸収材料による被覆が有効であることも判明した。これらの研究成果に基づいて本発明の完成に至ったものである。 However, when the inventors tried a simultaneous sputtering method of GeO 2 and Si and compared the optical characteristics of the obtained thin film with an oxide thin film made of only GeO 2 , the thin film maintained an amorphous structure and was ultraviolet. As a result, the absorption edge shifted due to the intrinsic absorption in the visible short wavelength region, but no increase in absorption was observed in the longer wavelength range. Based on this finding, the inventors have further searched for materials and found an absorbent material disclosed in the present invention. In addition, since such an absorbing material exhibits remarkable two-photon absorption, if the focusing position is set at a shallow position so as to form a heterogeneous phase in the vicinity of the surface, abrasion easily occurs and the surface is destroyed. In order to prevent this, it has also been found that coating with a non-absorbing material such as SiO 2 or Al 2 O 3 is effective. The present invention has been completed based on these research results.

本発明にかかる酸化物系ガラス材料を用いることにより、短パルスレーザー光を集光照射した部分に光学特性の大きく異なる異質相を形成することが可能となる。従来は微量添加した成分が析出等するのみであり異質相中の析出微粒子の体積分率は1%以下の程度であったが、本発明の酸化物系ガラス材料においては異質相部分の吸収物質がそのまま還元等の反応により変質するため、体積分率として数%から数10%の変化が可能となる。また、短パルスレーザー光が照射されなかった部分においてはきわめて低い吸収等を示し、結果として異質相部分との特性の差が大きい内部構造を得ることが可能となる。 By using the oxide-based glass material according to the present invention, it is possible to form a heterogeneous phase having greatly different optical characteristics in a portion where the short pulse laser beam is condensed and irradiated. Conventionally, only a small amount of added component precipitates and the volume fraction of precipitated fine particles in the heterogeneous phase is about 1% or less. However, in the oxide-based glass material of the present invention, the absorbing substance in the heterogeneous phase portion. Is altered by reaction such as reduction as it is, so that the volume fraction can be changed from several percent to several tens of percent. In addition, in the portion not irradiated with the short pulse laser beam, extremely low absorption or the like is shown, and as a result, an internal structure having a large difference in characteristics from the heterogeneous phase portion can be obtained.

以下においては発明者らが本発明を実施するために最良と考える実施の形態を説明する。吸収等が小さくかつ短パルスレーザー光を集光照射することにより、光還元反応等の現象を利用して光吸収等が十分に大きな異質相を形成することができる酸化物系ガラス材料としては、波長600nm以上2000nm未満の波長範囲未満において固有吸収が存在しない吸収物質であってかつガラス材料の内部に集光点を調節したパルスレーザー光を集光照射することにより波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収を誘起することができる吸収物質のみからなる酸化物系ガラス材料、又は当該吸収物質と波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収がなくかつパルスレーザー光の照射によっても波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が誘起されることのない材料(以下では無吸収材料と称する)とからなることが好ましい。 In the following, the best mode for carrying out the present invention by the inventors will be described. As an oxide-based glass material that is capable of forming a heterogeneous phase with a sufficiently large light absorption, etc. by utilizing a phenomenon such as a photoreduction reaction by condensing and irradiating a short pulse laser beam with a small absorption, etc. Wavelength range of 600 nm or more and less than 2000 nm by condensing and irradiating a pulsed laser beam with a condensing point adjusted inside the glass material, which is an absorbing substance having no intrinsic absorption at a wavelength of 600 nm or more and less than 2000 nm. Oxide-based glass material consisting only of an absorbing substance capable of inducing intrinsic absorption in the above, or no absorption in the wavelength range of the absorbing substance and the wavelength of 400 nm or more and less than 2000 nm, and a wavelength of 400 nm or more and 2000 nm even when irradiated with pulsed laser light Materials that do not induce intrinsic absorption in the wavelength range below It is preferable that consists referred to hereafter as the non-absorbing materials) and.

また吸収物質と組み合わせられることのある無吸収材料は、短パルスレーザー光及び素子として用いられる波長範囲の光の吸収ができるだけ小さいことが必要であり、波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収がなくかつ短パルスレーザー光の集光照射によっても波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が誘起されないことが必要である。このような材料としては、例えばH2不純物やOH欠陥のないSiOがある。 In addition, a non-absorbing material that may be combined with an absorbing substance needs to absorb as little as possible short-wave laser light and light in a wavelength range used as an element, and has intrinsic absorption in a wavelength range from 400 nm to less than 2000 nm. In addition, it is necessary that intrinsic absorption is not induced in a wavelength range of 400 nm or more and less than 2000 nm even by focused irradiation of a short pulse laser beam. As such a material, for example, there is SiO 2 free of H 2 impurities and OH defects.

そしてこのような条件を満たす吸収物質としては、酸化ゲルマニウム(GeO)と酸化スズ(SnO)のいずれか一つあるいはそれらの組合せからなる酸化物に、よりイオン化傾向の高い周期律表IV属元素を添加したものがある。これらの酸化物は吸収係数が非常に小さく、波長400nm以上波長2000nm未満の波長範囲において光をよく透過する。そして例えばGeOとSiのように酸化物に周期律表IV属元素を添加することにより、当該酸化物をSi−Ge結合等の酸素欠陥に起因する固有吸収を有するようにできるとともに600nm以上の波長の光に対しては固有吸収を生じない吸収物質とすることができる。さらに、酸素欠陥に起因する固有吸収をより強くするため及び短パルスレーザー照射による光還元反応等を促進してGeO又はSnOの酸化物相からGe又はSnからなる相を生じさせるためには、周期律表IV属元素の少なくともその一部は酸化物に対する還元剤として作用しうる非酸化物又は非量論組成の酸化物として存在することが好ましい。Si、Geの間接遷移の最小バンドギャップはそれぞれ1.12eV、0.66eV(300°K)であり、波長としてはそれぞれ約1.1μm、1.9μmに固有吸収を示しそれ以上の波長においては固有吸収を示さないので、これらの半導体等からなる相を生じせしめることができれば、波長600nm以上波長2000nm未満の波長範囲において屈折率、吸収係数等の光学特性を酸化物状態でのそれらに比して大きく変化させることができる。また、吸収物質相の表面近傍に異質相を形成するべく集光照射する場合にはレーザーアブレージョンによる表面の蒸発、破壊を生じることがあることから、アブレージョン防止を目的として吸収物質をSiO等のような無吸収材料で被覆することが好ましく、安定性や耐久性の観点からも無吸収材料は酸化物であることが好ましい。 Further, as an absorbing material satisfying such a condition, an oxide made of any one of germanium oxide (GeO 2 ) and tin oxide (SnO 2 ) or a combination thereof is added to the periodic table IV group having a higher ionization tendency. Some have added elements. These oxides have a very small absorption coefficient, and transmit light well in a wavelength range of 400 nm or more and less than 2000 nm. Then, for example, by adding a periodic group IV element to the oxide such as GeO 2 and Si, the oxide can have intrinsic absorption caused by oxygen defects such as Si—Ge bonds and 600 nm or more. An absorbing material that does not cause intrinsic absorption of light having a wavelength can be used. Furthermore, in order to make the intrinsic absorption due to oxygen defects stronger, and to promote the photoreduction reaction by short pulse laser irradiation and the like to generate a phase composed of Ge or Sn from the oxide phase of GeO 2 or SnO 2 In addition, it is preferable that at least a part of the group IV element of the periodic table exists as a non-oxide or non-stoichiometric oxide capable of acting as a reducing agent for the oxide. The minimum band gaps of indirect transitions of Si and Ge are 1.12 eV and 0.66 eV (300 ° K), respectively, and the wavelengths are about 1.1 μm and 1.9 μm, respectively. Since it does not show intrinsic absorption, optical properties such as refractive index and absorption coefficient can be compared with those in the oxide state in the wavelength range from 600 nm to less than 2000 nm if a phase composed of these semiconductors can be generated. Can be greatly changed. In addition, when focused irradiation is performed to form a heterogeneous phase in the vicinity of the surface of the absorbing material phase, the surface may be evaporated or destroyed by laser ablation, so that the absorbing material may be made of SiO 2 or the like for the purpose of preventing abrasion. The non-absorbing material is preferably coated, and the non-absorbing material is preferably an oxide from the viewpoint of stability and durability.

本発明にかかる酸化物の合成方法や、酸化物にIV属元素を添加する方法は特定の方法に限定されるものではないが、一般的かつIV族元素の添加が容易で非量論組成の酸化物相の合成も容易な方法として、スパッタ法等の公知の真空成膜方法を用いることができる。例えば、GeO酸化物粉末を焼結したスパッタ用ターゲットの表面にSiチップを置いてアルゴン等の放電ガス中で同時スパッタする方法や、GeOとSiを独立のターゲットとして、同時に放電して同一のガラス基板表面に成膜する方法及びGeOとSiを交互に成膜して多層膜とする方法等が挙げられる。 The method for synthesizing an oxide according to the present invention and the method for adding a group IV element to the oxide are not limited to a specific method, but are generally easy to add group IV elements and have a non-stoichiometric composition. As a method for easily synthesizing the oxide phase, a known vacuum film forming method such as a sputtering method can be used. For example, a method in which a Si chip is placed on the surface of a sputtering target obtained by sintering GeO 2 oxide powder and simultaneously sputtered in a discharge gas such as argon, or GeO 2 and Si are used as independent targets and discharged simultaneously. And a method of forming a multilayer film by alternately forming GeO 2 and Si.

また本発明にかかる短パルスレーザーの集光照射に関しても、レーザー光の波長や集光照射の方法が特定の波長や方法に限定されるものではなく、対象となる酸化物系ガラスの組成に起因する吸収スペクトルや無吸収材による被覆の厚み、形成するガラス材料内部の集光位置、集光照射により形成する異質相の寸法形状等に応じて、適した方法を公知の方法から選択することができる。 Regarding the focused irradiation of the short pulse laser according to the present invention, the wavelength of the laser beam and the method of the focused irradiation are not limited to a specific wavelength or method, but are caused by the composition of the target oxide glass. It is possible to select a suitable method from known methods according to the absorption spectrum to be absorbed, the thickness of the coating with the non-absorbing material, the condensing position inside the glass material to be formed, the size and shape of the heterogeneous phase to be formed by condensing irradiation, etc. it can.

以下では本発明の実施例を示して詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the following examples.

本実施例においては、酸化ゲルマニウム系吸収物質の薄膜に酸化シリコン薄膜をオーバーコート成膜した二層膜に対して短パルスレーザーを照射して異質相を形成し、その特性を評価した。本実施例の概要は以下の通りである。 In this example, a heterogeneous phase was formed by irradiating a two-layer film in which a silicon oxide thin film was overcoated with a thin film of a germanium oxide-based absorbing material to form a heterogeneous phase, and its characteristics were evaluated. The outline of the present embodiment is as follows.

高周波スパッタ装置を用い、酸化ゲルマニウム(GeO)ターゲット表面にSiチップ4個を置いて同時スパッタを行う方法により、シリカガラス基板(厚み1mm)の表面に吸収物質であるSi添加GeO薄膜を成膜した。さらにその表面にレーザー照射時のアブレージョン防止のための酸化シリコン(SiO)オーバーコートを成膜して、二層膜試料を作製した。レーザー光照射について、図1のように無吸収材料からなる層3を透過して吸収材料からなる層2の内部において集光領域7を形成するように光学系を調整した。面状の異質相を形成するために、二層膜試料を水平駆動可能な二ステージに固定してステージを移動させることにより、照射位置を走査しながら短パルスレーザー光の集光照射を行い、直線を重ね書きした。当該試料について分光透過率測定により光学特性の変化を評価し、異質相の同定を目的にX線回折測定を実施した。 By using a high frequency sputtering apparatus and placing four Si chips on the surface of a germanium oxide (GeO 2 ) target and performing simultaneous sputtering, an Si-added GeO 2 thin film as an absorbing material is formed on the surface of a silica glass substrate (thickness 1 mm). Filmed. Further, a silicon oxide (SiO 2 ) overcoat for preventing abrasion during laser irradiation was formed on the surface to prepare a two-layer film sample. With respect to laser light irradiation, the optical system was adjusted so as to pass through the layer 3 made of a non-absorbing material and form the light-collecting region 7 inside the layer 2 made of the absorbing material as shown in FIG. In order to form a planar heterogeneous phase, the two-layer film sample is fixed to a two stage that can be driven horizontally, and the stage is moved to perform focused irradiation of short pulse laser light while scanning the irradiation position, Overlaid straight lines. The sample was evaluated for changes in optical properties by spectral transmittance measurement, and X-ray diffraction measurement was performed for the purpose of identifying a heterogeneous phase.

以下では、製造条件と評価条件をより具体的に説明する。成膜装置として、発信周波数13.56MHz、定格500Wの高周波電源を用いる高周波スパッタ装置(アネルバ社製SPF−320H)を用いた。成膜の手順は以下の通りである。放電ガスとしてアルゴン(Ar)ガス(純度99.999%)を用い、流量20SCCM(標準状態において毎分20mL)で成膜室内の圧力が1Paとなるように真空排気速度を調整した。高周波電源を調整して放電電力200Wを印加してグロー放電を行い、ターゲット直上40mmの位置に対向して設置されたシリカガラス基板表面にSiを添加したGeO膜を膜厚25μm成膜した。その後、基板をSiOターゲットの直上に移動し、同条件で膜厚20μmのSiO膜を成膜して二層膜試料とした。基板ホルダーは水冷(水温約25℃)されており、成膜中の基板温度は150℃以下に保たれていた。 Below, manufacturing conditions and evaluation conditions are demonstrated more concretely. As a film forming apparatus, a high-frequency sputtering apparatus (SPF-320H manufactured by Anelva) using a high-frequency power source with a transmission frequency of 13.56 MHz and a rated power of 500 W was used. The film forming procedure is as follows. Argon (Ar) gas (purity 99.999%) was used as the discharge gas, and the vacuum exhaust rate was adjusted so that the pressure in the film formation chamber was 1 Pa at a flow rate of 20 SCCM (20 mL per minute in the standard state). A glow discharge was performed by applying a discharge power of 200 W by adjusting a high-frequency power source, and a GeO 2 film added with Si was formed to a thickness of 25 μm on the surface of a silica glass substrate placed facing a position 40 mm directly above the target. Thereafter, the substrate was moved immediately above the SiO 2 target, and a SiO 2 film having a thickness of 20 μm was formed under the same conditions to obtain a two-layer film sample. The substrate holder was water-cooled (water temperature about 25 ° C.), and the substrate temperature during film formation was kept at 150 ° C. or lower.

また短パルスレーザー照射は、チタンサファイア(Al:Ti)レーザーを使用し、波長800nm、パルスの繰り返し周波数250kHz、パルス幅約260fs(フェムト秒)、照射エネルギー300mWとして、40倍の対物レンズを用いた光学顕微鏡を用いた集光系を通じて試料に集光照射した。 The short pulse laser irradiation uses a titanium sapphire (Al 2 O 3 : Ti) laser, a wavelength of 800 nm, a pulse repetition frequency of 250 kHz, a pulse width of about 260 fs (femtosecond), an irradiation energy of 300 mW, and a 40 × objective lens. The sample was condensed and irradiated through a condensing system using an optical microscope.

試料を固定したXYステージは、レーザー光の入射方向をZ方向として、モータ駆動によるXY方向移動機構及び圧電素子によるZ方向駆動機構を備えていた。Z方向の駆動により試料内の集光位置を調整し、Si添加GeO膜中のSiOオーバーコート膜と接する側の位置に集光点が位置するように調整した。 The XY stage on which the sample is fixed was provided with a motor-driven XY direction moving mechanism and a piezoelectric element Z-direction driving mechanism with the incident direction of laser light as the Z direction. The condensing position in the sample was adjusted by driving in the Z direction so that the condensing point was located at a position on the side in contact with the SiO 2 overcoat film in the Si-added GeO 2 film.

XYステージの走査速度を1mm/sとして試料をX方向に走査しながら試料に短パルスレーザー光を照射することにより、直線描画処理を行った。一回の直線描画を行った後に、XYステージをY方向に10μm移動し、短パルスレーザー光を集光照射しながらXYステージをX方向に走査することを繰り返して重ね書きによる面状走査を行った。   A linear drawing process was performed by irradiating the sample with a short pulse laser beam while scanning the sample in the X direction at a scanning speed of the XY stage of 1 mm / s. After drawing a straight line once, the XY stage is moved 10 μm in the Y direction, and the XY stage is scanned in the X direction while condensing and irradiating a short pulse laser beam, and the surface scan by overwriting is performed. It was.

レーザー光を照射した位置(照射部分)及び照射しなかった位置(未照射部分)において分光透過率測定、X線回折測定を行った結果を図2に示す。未照射部分においては波長約500nm以下において強い固有吸収が認められたが波長600nm以上2000nmの波長範囲においては固有吸収のないことが確認された。波長500nm以下の吸収は酸素欠陥によるものと推定された。照射部分は目視でも黒褐色化したことが認められ、分光透過率測定によっても大きな吸収が生じたことが認められた。   FIG. 2 shows the results of spectral transmittance measurement and X-ray diffraction measurement at the position irradiated with laser light (irradiated portion) and the position not irradiated (unirradiated portion). In the unirradiated portion, strong intrinsic absorption was observed at a wavelength of about 500 nm or less, but it was confirmed that there was no intrinsic absorption in the wavelength range of 600 nm to 2000 nm. Absorption at a wavelength of 500 nm or less was estimated to be due to oxygen defects. It was confirmed that the irradiated portion was dark brown by visual observation, and that a large absorption was observed by spectral transmittance measurement.

同一試料についてのX線回折測定の結果を図3に示す。Cu-Kα線(波長0.15406nm)を用いてθ-2θ駆動のゴニオメータ法により測定した。未照射部分には結晶相による反射ピークが認められなかったが、照射部分には結晶相による反射ピークが認められ、短パルスレーザー照射により何らかの結晶相が析出したことがわかった。   The result of the X-ray diffraction measurement for the same sample is shown in FIG. Measurement was performed by a goniometer method driven by θ-2θ using Cu—Kα rays (wavelength 0.15406 nm). A reflection peak due to the crystal phase was not observed in the unirradiated portion, but a reflection peak due to the crystal phase was observed in the irradiated portion, and it was found that some crystal phase was precipitated by short pulse laser irradiation.

Si相とGe相の間接遷移による吸収端がそれぞれ約1.1μm、約1.9μmであり異質相部分の分光透過率測定の結果波長2μm付近に吸収端が存在すること、X線回折測定におけるピークの位置から異質相中にSiとGeの固溶相あるいはSiOとGeの混合相が生じたと推定されることの二点から、短パルスレーザー光の集光照射によって生じた異質相部分は主に光還元されたGeからなる相からなると結論した。   The absorption edge due to the indirect transition between the Si phase and the Ge phase is about 1.1 μm and about 1.9 μm, respectively. As a result of measuring the spectral transmittance of the heterogeneous phase portion, there is an absorption edge near the wavelength of 2 μm. From the two points that it is presumed that a solid solution phase of Si and Ge or a mixed phase of SiO and Ge was generated in the heterogeneous phase from the peak position, the heterogeneous phase part generated by the focused irradiation of short pulse laser light is mainly It was concluded that it consisted of a phase consisting of photoreduced Ge.

実施例1と同様の条件、方法により、シリカガラス基板の表面に吸収物質であるSi添加SnO薄膜及び酸化シリコン(SiO)からなるオーバーコート膜を成膜して二層膜試料を作製し、短パルスレーザー光の集光照射を行って吸収物質であるSi添加SnO層中に異質相を形成した。 Under the same conditions and method as in Example 1, an overcoat film made of an Si-added SnO 2 thin film and silicon oxide (SiO 2 ) as an absorbing material was formed on the surface of a silica glass substrate to prepare a two-layer film sample. Then, a heterogeneous phase was formed in the Si-added SnO 2 layer, which is an absorbing substance, by performing focused irradiation with a short pulse laser beam.

実施例1と同様に分光透過率測定を行った結果、未照射部分においては波長約500nm以下において強い固有吸収が認められたが波長600nm以上2000nmの波長範囲においては固有吸収のないことが確認された。照射部分は目視でも黒褐色化したことが認められ、分光透過率測定によっても波長600nm以上2000nmの波長範囲において吸収が大きいことが確認された。Sn相の間接遷移の最小バンドギャップは0.08eVdであり、相当する固有吸収の波長は約15.5μmであるからその波長以下の波長範囲では吸収を生じることに符合するものであり、光還元によるSn相の形成を生じたと結論した。   As a result of measuring the spectral transmittance in the same manner as in Example 1, it was confirmed that in the non-irradiated portion, strong intrinsic absorption was observed at a wavelength of about 500 nm or less, but there was no intrinsic absorption in the wavelength range of 600 nm to 2000 nm. It was. It was confirmed that the irradiated portion was blackish brown by visual observation, and it was confirmed by spectral transmittance measurement that the absorption was large in the wavelength range of 600 nm to 2000 nm. The minimum band gap of the indirect transition of the Sn phase is 0.08 eVd, and the wavelength of the corresponding intrinsic absorption is about 15.5 μm, which is consistent with the fact that absorption occurs in the wavelength range below that wavelength. It was concluded that this resulted in the formation of Sn phase.

本発明にかかる600nmより短い波長範囲において固有吸収が存在しかつ波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が存在しない吸収物質を含むマトリックスをもち、ガラス材料の内部に集光点を調節したパルスレーザー光を集光照射することにより波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収を誘起することができる酸化物系ガラス材料等は、光通信分野における光学素子、フォトニック結晶等を短パルスレーザー照射により形成するための材料として利用できる他に、酸化物系の固体の内部にレーザー印字するための表示材料として、また回折格子やフォトマスク等を短パルスレーザー照射により形成するための材料として利用することができると考えられる。 The pulse according to the present invention has a matrix containing an absorbing substance that has intrinsic absorption in a wavelength range shorter than 600 nm and has no intrinsic absorption in a wavelength range of 600 nm to less than 2000 nm, and has a condensing point adjusted inside a glass material. Oxide glass materials that can induce intrinsic absorption in the wavelength range from 600 nm to less than 2000 nm by condensing and irradiating laser light are used to irradiate optical elements, photonic crystals, etc. in the field of optical communication with short pulse lasers. In addition to being able to be used as a material for the formation of oxides, it can also be used as a display material for laser printing inside oxide-based solids, and as a material for forming diffraction gratings and photomasks by short pulse laser irradiation. It is considered possible.

二層膜試料の場合の集光照射位置の説明図である。It is explanatory drawing of the condensing irradiation position in the case of a two-layer film sample. 短パルスレーザー照射部分及び未照射部分の分光透過率測定結果である。It is a spectral transmittance measurement result of a short pulse laser irradiation part and an unirradiated part. 短パルスレーザー照射部分及び未照射部分のX線回折測定結果である。It is an X-ray-diffraction measurement result of a short pulse laser irradiation part and an unirradiated part.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板ガラス
2 吸収材料からなる層
3 無吸収材料からなる層
4 集光レンズ
5 平行レーザー光
6 集光レーザー光
7 焦点に誘起される異質相
11 シリカ基板の分光透過率曲線
12 未照射部分の分光透過率曲線
13 照射部分の分光透過率曲線
21 未照射部分のX線回折プロファイル
22 照射部分のX線回折プロファイル
23 結晶相に起因する反射ピーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate glass 2 Layer made of absorbing material 3 Layer made of non-absorbing material 4 Condensing lens 5 Parallel laser beam 6 Condensed laser beam 7 Focal-induced heterogeneous phase 11 Spectral transmittance curve 12 of silica substrate Spectral transmittance curve 13 Spectral transmittance curve 21 of irradiated portion X-ray diffraction profile 22 of non-irradiated portion X-ray diffraction profile 23 of irradiated portion Reflection peak due to crystal phase

Claims (8)

600nmより短い波長範囲において固有吸収が存在しかつ波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が存在しない吸収物質を含むマトリックスをもち、ガラス材料の内部に集光点を調節したパルスレーザー光を集光照射することにより波長600nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収を誘起することができる酸化物系ガラス材料。 A pulsed laser beam having a matrix containing an absorbing material that has intrinsic absorption in a wavelength range shorter than 600 nm and no intrinsic absorption in a wavelength range of 600 nm to less than 2000 nm, and that has a condensing point adjusted inside the glass material. An oxide-based glass material capable of inducing intrinsic absorption in a wavelength range of 600 nm to less than 2000 nm by light irradiation. 吸収物質が、酸化ゲルマニウムと酸化スズのいずれか一つあるいはそれらの組合せからなる酸化物に、よりイオン化傾向の高い周期律表IV属元素を添加したことを特徴とする請求項1に記載の酸化物系ガラス材料。 2. The oxidation according to claim 1, wherein the absorbing material is a group IV element of a periodic table having a higher ionization tendency added to an oxide composed of any one of germanium oxide and tin oxide or a combination thereof. Physical glass material. 吸収物質に添加した周期律表IV属元素の少なくともその一部が非酸化物又は非量論組成の酸化物として存在することを特徴とする請求項2に記載の酸化物系ガラス材料。 The oxide-based glass material according to claim 2, wherein at least part of the periodic table group IV element added to the absorbing substance is present as a non-oxide or an oxide having a non-stoichiometric composition. 吸収物質が、波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収がなくかつパルスレーザー光の照射によっても波長400nm以上2000nm未満の波長範囲において固有吸収が誘起されることのない材料により被覆されていることを特徴とする請求項3に記載の酸化物系ガラス材料。 The absorbing material is coated with a material that has no intrinsic absorption in the wavelength range of 400 nm or more and less than 2000 nm and that does not induce intrinsic absorption in the wavelength range of 400 nm or more and less than 2000 nm even when irradiated with pulsed laser light. The oxide-based glass material according to claim 3. 吸収物質が、周期律表IV属元素がシリコンでありかつ酸化物が酸化ゲルマニウムであることを特徴とする請求項4に記載の酸化物系ガラス材料。 5. The oxide-based glass material according to claim 4, wherein the absorbing substance is a group IV element of the periodic table of silicon and an oxide of germanium oxide. 吸収物質が、周期律表IV属元素がシリコン又はゲルマニウムでありかつ酸化物が酸化スズであることを特徴とする請求項4に記載の酸化物系ガラス材料。 5. The oxide-based glass material according to claim 4, wherein the absorbing substance is a group IV element of the periodic table of silicon or germanium and the oxide of tin oxide. 吸収物質を被覆する材料が、非晶質酸化物であることを特徴とする請求項4、請求項5又は請求項6に記載の酸化物系ガラス材料。 The oxide-based glass material according to claim 4, 5 or 6, wherein the material covering the absorbing substance is an amorphous oxide. 請求項1から請求項7に記載の酸化物系ガラス材料の内少なくとも一つを用いた光学素子。
An optical element using at least one of the oxide-based glass materials according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010520139A (en) * 2007-02-28 2010-06-10 コーニング インコーポレイテッド Extruded glass structure and manufacturing method thereof

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