JP2011100754A - Optical device made of fluoride glass having optical thin film - Google Patents

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Hideyuki Okamoto
英之 岡本
Yoshinori Kubota
能徳 久保田
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Central Glass Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical device having an optical thin film deposited on fluoride glass where the bonding performance of the optical thin film is improved. <P>SOLUTION: Optical glass having the fluoride glass and the optical thin film is characterized in that the optical thin film is deposited on the surface of the fluoride glass containing oxygen in a range of ≥300 and ≤5,000 mass ppm on the surface and in the vicinity thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明はフッ化物ガラスと光学薄膜を有する光デバイスに関するものある。   The present invention relates to an optical device having fluoride glass and an optical thin film.

近年、可視光が直接発光できる材料として、フッ化物材料が注目されている。例えば、チッ化ガリウム系半導体光源を用いて希土類添加光導波路励起することにより、可視光領域のレーザが得られている(非特許文献1、2、3、4)。また、フッ化物材料は赤外領域においても透明であることから、赤外用レーザ光導波路、伝送用光導波路等として用いられていることは言うまでもない。   In recent years, fluoride materials have attracted attention as materials capable of directly emitting visible light. For example, a laser in the visible light region is obtained by exciting a rare earth-doped optical waveguide using a gallium nitride based semiconductor light source (Non-Patent Documents 1, 2, 3, 4). Further, since the fluoride material is transparent in the infrared region, it goes without saying that it is used as an infrared laser optical waveguide, a transmission optical waveguide, or the like.

高効率なレーザを実現するためには、用いられる光デバイスとして低損失な共振器を用いることが必要である。非特許文献4などは、レーザ共振器を構成するためにクリーブした希土類添加フッ化物ファイバの端面にミラーを突き当てることによって共振器を構成している。しかしミラーの突き当てによるレーザ共振器の構成では、レーザ光が空気層を経由するため不要な反射が生じ、レーザ出力の安定性を劣化させてしまう可能性がある。さらには、直径1mm以下である細いファイバをミラーに対して垂直に突き当てることは困難であるため、角度ずれなどの影響により、共振器損失を増大させてしまう可能性がある。   In order to realize a highly efficient laser, it is necessary to use a low-loss resonator as an optical device to be used. Non-Patent Document 4 and the like constitute a resonator by abutting a mirror against the end face of a rare earth-doped fluoride fiber cleaved to constitute a laser resonator. However, in the configuration of the laser resonator by the abutment of the mirror, since the laser light passes through the air layer, unnecessary reflection may occur, and the stability of the laser output may be deteriorated. Furthermore, since it is difficult to hit a thin fiber having a diameter of 1 mm or less perpendicularly to the mirror, there is a possibility that the resonator loss may be increased due to the influence of angular deviation or the like.

一般に、これを回避する一つの手段として、レーザ媒質である希土類添加光導波路の端面に直接ミラー膜を形成した光デバイスを用いることが挙げられる。該光導波路の端面に形成する誘電体多層膜などの光学薄膜には、高いパワー密度の励起波長と発振波長の光に対する高い耐損傷性が求められる。そのため、光学多層膜には、可視域から赤外域に渡る広い範囲で吸収係数がほぼ0であること、高いレーザ損傷閾値の膜組織であること、さらに成膜する光導波路端面との密着性に優れていることが重要である。   In general, one means for avoiding this is to use an optical device in which a mirror film is directly formed on the end face of a rare earth-doped optical waveguide that is a laser medium. An optical thin film such as a dielectric multilayer film formed on the end face of the optical waveguide is required to have high damage resistance against light having a high power density and an oscillation wavelength. Therefore, the optical multilayer film has an absorption coefficient of almost 0 in a wide range from the visible range to the infrared range, a film structure with a high laser damage threshold, and adhesion to the end face of the optical waveguide to be formed. It is important to be good.

また、光学薄膜と光導波路との熱膨張係数の差が大きいとその界面に大きな膜応力が発生し、マイクロクラックによるレーザ損傷性の低下、さらには膜剥離の危険性がある。   In addition, if the difference in thermal expansion coefficient between the optical thin film and the optical waveguide is large, a large film stress is generated at the interface, and there is a risk of laser damage reduction due to microcracks and further film peeling.

例えば、ZBLAN系フッ化物ガラスに、高屈折率材料であるTa、低屈折率材料であるSiOなどの酸化物材料を用い多層膜を成膜した場合、ZBLAN系フッ化物ガラスの熱膨張係数が196×10−7/℃であるのに対して、該多層膜の熱膨張係数は40〜50×10-7/℃と、ZBLAN系フッ化物ガラス比べて1/4〜1/5倍と小さいために、成膜後、該フッ化物ガラスと該多層膜の界面に大きな膜応力が発生する。 For example, when a multilayer film is formed on a ZBLAN fluoride glass using an oxide material such as Ta 2 O 5 which is a high refractive index material and SiO 2 which is a low refractive index material, the heat of the ZBLAN fluoride glass While the expansion coefficient is 196 × 10 −7 / ° C., the thermal expansion coefficient of the multilayer film is 40 to 50 × 10 −7 / ° C., which is 1/4 to 1/5 compared with the ZBLAN fluoride glass. Therefore, a large film stress is generated at the interface between the fluoride glass and the multilayer film after film formation.

上述のように、高効率なレーザを構成するためには、直接光導波路の端面にミラーを突き当てたり、直接光導波路の端面に光学薄膜を成膜した光デバイスを用いるなどして、低損失な共振器を構成することが必要となるが、さらには、下記に示すように光導波路のNAを適切に設定する必要もある。   As described above, in order to configure a high-efficiency laser, a low loss can be achieved by using an optical device in which an optical thin film is formed directly on the end face of the optical waveguide or by directly hitting a mirror on the end face of the optical waveguide However, it is also necessary to appropriately set the NA of the optical waveguide as described below.

非特許文献1、3、4には、ファイバレーザに使用されたフッ化物ファイバのファイバパラメータが記載されており、特にNAについては、0.12〜0.39の範囲のファイバが使用されている。ただし、NAが0.22を超えるファイバを作製する場合、鉛等を添加してコアの屈折率を高める必要があるが、環境上の問題から好ましくない。また、NAが0.10より小さくなると、光導波路のなかでも、特に光導波路の半径が変わりやすい光ファイバにおいて、曲げ等の影響を受けやすくなるため、取り扱いが困難となる。ゆえに、光ファイバのNAとしては0.10〜0.22の範囲が好ましいとされている。   Non-Patent Documents 1, 3, and 4 describe fiber parameters of a fluoride fiber used for a fiber laser, and in particular, for NA, a fiber in the range of 0.12 to 0.39 is used. . However, when producing a fiber having an NA exceeding 0.22, it is necessary to add lead or the like to increase the refractive index of the core, but this is not preferable because of environmental problems. Further, when the NA is smaller than 0.10, it becomes difficult to handle an optical fiber, particularly in an optical fiber in which the radius of the optical waveguide is easily changed, because it is easily affected by bending or the like. Therefore, the NA of the optical fiber is preferably in the range of 0.10 to 0.22.

U.WEICHMANN, J.BAIER, J.BENGOECHEA and H.MOENCH, :‘GaN−diode pumped Pr3+:ZBLAN fiber−lasers for the visible wavelength range’, Proc.CLEO/Europe−IQEC, European Conference on., Munich, Germany, 2007U. WEICHMANN, J.M. BAIER, J.A. BENGOECHEA and H. MOENCH,: 'GaN-diode pumped Pr3 +: ZBLAN fiber-lasers for the visible waverange range', Proc. CLEO / Europe-IQEC, European Conference on., Munich, Germany, 2007 雑誌「Laser Focus World Japan」、2009年7月号、50〜52ページMagazine "Laser Focus World Japan", July 2009, 50-52 pages Michel J.F.Digonnet編集、「Rare−Earth−Doped Fiber Lasers and Amplifiers Second Edition」、Marchel Dekker,Inc出版、pp、186,187、225、232,479,484,495,501,508Michel J. F. Edited by Diginet, “Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers Second Edition”, Marchel Dekker, Inc, pp, 186, 187, 225, 232, 479, 484, 495, 501 and 508 H.OKAMOTO,K.KASUGA,I.HARA,Y.KUBOTA,‘ULTRA−Wideband Tunable RGB Fiber Laser’、Proc.CLEO2009、Baltimore、United States、2009H. OKAMOTO, K.M. KASUGA, I.K. HARA, Y. et al. KUBOTA, 'ULTRA-Wideband Tunable RGB Fiber Laser', Proc. CLEO 2009, Baltimore, United States, 2009

以上のとおり、光導波路の端面に光学薄膜を成膜した光デバイスを用いることにより、例えば高効率なレーザを実現することができることが知られているが、光導波路にフッ化物ガラスを用いる場合、光学薄膜とフッ化物ガラスとの熱膨張係数の差が大きいため、その界面に大きな膜応力が発生し、光学薄膜と光導波路との密着強度が低下する可能性がある。   As described above, it is known that, for example, a highly efficient laser can be realized by using an optical device in which an optical thin film is formed on the end face of the optical waveguide. Since the difference in thermal expansion coefficient between the optical thin film and the fluoride glass is large, a large film stress is generated at the interface, which may reduce the adhesion strength between the optical thin film and the optical waveguide.

本発明では、光学薄膜が成膜された光デバイスにおいて、フッ化物ガラスと光学薄膜との密着性が向上した光デバイスを提供することを目的としている。   An object of the present invention is to provide an optical device in which adhesion between a fluoride glass and an optical thin film is improved in an optical device on which an optical thin film is formed.

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、フッ化物ガラスに光学薄膜を成膜する場合、特定の酸素含有量を有するフッ化物ガラス表面に光学薄膜を成膜することにより膜の密着性が向上することを見出し、本発明に至ったものである。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that when an optical thin film is formed on fluoride glass, the film adhesion is improved by forming the optical thin film on the surface of fluoride glass having a specific oxygen content. The present invention has been found to improve, and the present invention has been achieved.

すなわち、フッ化物ガラスと光学薄膜を有する光デバイスにおいて、表面およびその近傍に300質量ppm以上5000質量ppm以下の範囲内で酸素を含有する該フッ化物ガラスの該表面に、光学薄膜が成膜されていることを特徴とする光デバイスを提供するものである。   That is, in an optical device having a fluoride glass and an optical thin film, an optical thin film is formed on the surface of the fluoride glass containing oxygen within the range of 300 ppm to 5000 ppm by mass in the vicinity of the surface. An optical device is provided.

さらには、該フッ化物ガラスがフッ化物ガラス光導波路であり、表面およびその近傍に300質量ppm以上5000質量ppm以下の範囲内で酸素を含有する表面が、該フッ化物ガラス光導波路の少なくとも一つの端面であることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイスを提供するものである。   Further, the fluoride glass is a fluoride glass optical waveguide, and the surface and the surface containing oxygen within the range of 300 ppm by mass to 5000 ppm by mass in the vicinity thereof are at least one of the fluoride glass optical waveguides. The optical device according to claim 1, wherein the optical device is an end face.

本発明により、フッ化物ガラスに光学薄膜が成膜された光デバイスにおいて、光学薄膜の密着性が向上した光デバイスを提供することができる。   According to the present invention, in an optical device in which an optical thin film is formed on fluoride glass, an optical device with improved adhesion of the optical thin film can be provided.

以下に本発明を詳細に説明する。   The present invention is described in detail below.

本発明の光デバイスは、酸素を含有させたフッ化物ガラスの表面に光学薄膜を成膜することで得ることができる。   The optical device of the present invention can be obtained by forming an optical thin film on the surface of fluoride glass containing oxygen.

用いられるフッ化物ガラスは、その種類について限定されるものではなく、例えば、ZBLAN系フッ化物ガラス、Al−Zr系フッ化物ガラス(アルミニウムとジルコニウムを主成分とするフッ化物ガラス)、Al系フッ化物ガラス(Alを主成分とするフッ化物ガラス)などが挙げられる。   The type of fluoride glass used is not limited with respect to the type thereof. For example, ZBLAN fluoride glass, Al-Zr fluoride glass (fluoride glass mainly composed of aluminum and zirconium), Al fluoride. Examples thereof include glass (fluoride glass mainly composed of Al).

フッ化物ガラスの表面およびその近傍に酸素を300質量ppm以上5000質量ppm以下の範囲内で含有させる方法として、酸素存在下で加熱する熱酸化法、酸素イオンもしくは酸素プラズマを表面に照射させる方法、酸素存在下の雰囲気中に放置させる方法、水と接触させる方法などを用いることができるが、本発明は、酸素を含有させる方法に限定されない。   As a method of containing oxygen within the range of 300 ppm to 5000 ppm by mass on the surface of the fluoride glass and its vicinity, a thermal oxidation method in which heating is performed in the presence of oxygen, a method of irradiating the surface with oxygen ions or oxygen plasma, Although a method of leaving in an atmosphere in the presence of oxygen, a method of contacting with water, or the like can be used, the present invention is not limited to a method of containing oxygen.

表面およびその近傍に300質量ppm以上5000質量ppm以下の範囲内で酸素が含有するフッ化物ガラスの該表面に成膜される光学薄膜の構成は、高屈折率材料からなる膜または低屈折率材料からなる膜のいずれか1層または複数積層された構造となっており、高屈折率膜としてはTa、TiO、Nb、またはZnSなど、低屈折率膜としてはSiOやMgFなどが挙げられる。 The structure of the optical thin film formed on the surface of the fluoride glass containing oxygen within the range of 300 ppm to 5000 ppm in the vicinity of the surface is a film made of a high refractive index material or a low refractive index material Any one or a plurality of films made of these layers are laminated, such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , or ZnS as the high refractive index film, and SiO 2 as the low refractive index film. And MgF 2 .

光学薄膜が単層の場合、ミラーや反射抑制機能を有した光学部品などの光デバイスなどが得られる。   When the optical thin film is a single layer, an optical device such as a mirror or an optical component having a reflection suppressing function can be obtained.

光学薄膜が積層構造の光学多層膜である場合、得られる光デバイスとしては超広帯域SWPF(ショートウェーブパスフィルタ)やノッチフィルタなどがあり、膜総数が多く膜厚が厚いため、膜材料には長時間に渡る成膜においても膜構造や光学特性が変化しないTaとSiOの組み合わせが適している。 When the optical thin film is an optical multilayer film having a laminated structure, the obtained optical device includes an ultra-wideband SWPF (short wave path filter), a notch filter, and the like. A combination of Ta 2 O 5 and SiO 2 that does not change the film structure and optical characteristics even in film formation over time is suitable.

本発明の光デバイスを得る成膜方法としては、一般的な成膜の方法を用いることができ、本発明は、成膜する方法に限定されない。   As a film forming method for obtaining the optical device of the present invention, a general film forming method can be used, and the present invention is not limited to the film forming method.

例えば、イオンアシスト蒸着法、プラズマアシスト蒸着法、イオンプレート蒸着法など、優れた光学特性を有する光学多層膜が得られる成膜方法を用いることができる。これらの成膜方法では、成膜温度を高くし、イオンもしくはプラズマ照射により蒸着材料を活性化すると共に、付着力の弱い蒸着物質を基材から剥離しながら密度の高い膜を形成する必要がある。ところが、ファイバなどの光導波路の端面への成膜においては、成膜温度を高くするとファイバ被服樹脂からの脱ガスが生じ膜に吸収が生じる可能性がある。そのため、成膜時の基材温度は250℃以下にすることが好ましいが、基材温度が250℃以下になるとイオンもしくはプラズマのアシストが無いと形成される膜に吸収が生じ易くなり、屈折率が低くなる可能性がある。特に膜材料としてTaを用いる場合、その傾向が顕著であるため、多層膜の形成において基材温度は50〜250℃、望ましくは100〜230℃以下とし、イオンもしくはプラズマアシストを併用するのが好ましい。 For example, a film forming method such as an ion assist vapor deposition method, a plasma assist vapor deposition method, or an ion plate vapor deposition method that can obtain an optical multilayer film having excellent optical characteristics can be used. In these film-forming methods, it is necessary to increase the film-forming temperature, activate the vapor deposition material by ion or plasma irradiation, and form a high-density film while peeling the vapor-deposited material with weak adhesion from the substrate. . However, in film formation on the end face of an optical waveguide such as a fiber, if the film formation temperature is raised, degassing from the fiber coating resin may occur and absorption may occur in the film. Therefore, the substrate temperature during film formation is preferably 250 ° C. or less. However, when the substrate temperature is 250 ° C. or less, absorption of the formed film is likely to occur without the assistance of ions or plasma, and the refractive index is increased. May be low. In particular, when Ta 2 O 5 is used as the film material, the tendency is remarkable. Therefore, in forming the multilayer film, the substrate temperature is 50 to 250 ° C., preferably 100 to 230 ° C. or less, and ion or plasma assist is used in combination. Is preferred.

上記のような成膜方法を用いることで、光導波路構造を持たないバルクのフッ化物ガラス表面やフッ化物ガラス光導波路の端面へも、密着強度の高い膜を形成することができる。特に、光学研磨された該バルクのフッ化物ガラス表面へ上記のような成膜方法を用いて成膜することにより、レーザ共振器ミラーや無反射機能を有する光学部品などの光デバイスを得ることもできる。   By using the film forming method as described above, a film having high adhesion strength can be formed on the surface of a bulk fluoride glass that does not have an optical waveguide structure or on the end surface of the fluoride glass optical waveguide. In particular, an optical device such as a laser resonator mirror or an optical component having a non-reflective function can be obtained by forming a film on the surface of the optically polished bulk fluoride glass by using the film forming method as described above. it can.

表面およびその近傍に300質量ppm以上5000質量ppm以下の範囲内で酸素を含有する、フッ化物ガラスで構成された光導波路の入出力端面に、レーザを構成するための光学薄膜を成膜して得られる光デバイスを用いることにより、励起光およびレーザ光の閉じ込め効果を大きくすることができるため、高効率なレーザを構成することもできる。さらには、相互作用長をながくとるためのミラーとして本発明の光デバイスを用いてレーザを構成しても良い。   An optical thin film for forming a laser is formed on the input and output end faces of an optical waveguide made of fluoride glass containing oxygen in the range of 300 ppm to 5000 ppm by mass on and near the surface. By using the obtained optical device, the confinement effect of the excitation light and the laser light can be increased, so that a highly efficient laser can be configured. Furthermore, a laser may be configured using the optical device of the present invention as a mirror for reducing the interaction length.

フッ化物ガラスで構成されるフッ化物ガラス光導波路を用いる場合、NAが、上述した0.10〜0.22の範囲に含まれるものを用いても良い。   When using the fluoride glass optical waveguide comprised with fluoride glass, you may use what NA is contained in the range of 0.10-0.22 mentioned above.

レーザを構成するためにフッ化物ガラスとしてフッ化物ガラス光導波路を用いる場合、コア材料とクラッド材料の組成として、例えば、ZBLANガラスの場合、ZrFが53±2mol%、BaFが21±2mol%、LaFが0〜4mol%、AlFが4±2mol%、YFが2±2mol%、NaFが18±2mol%、LaとY以外の3価希土類フッ化物が0〜4mol%範囲かつ、その合計が実質的に100mol%であるコアガラス組成と、ZrFが47±8mol%、HfFが1〜13mol%、BaFが21±3mol%、LaFが3±2mol%、AlFが4±2mol%、YFが2±2mol%、NaFが19±3mol%の範囲かつ、その合計が実質的に100mol%であるクラッドガラス組成を、Al−Zrガラスの場合、AlFが28±5mol%、ZrFが13±5mol%、BaFが12±2mol%、SrFが13±2mol%、CaFが21±2mol%、MgFが4±2mol%、YFが0〜10mol%、NaFが2±2mol%、Y以外の3価希土類フッ化物が0〜10mol%の範囲かつ、その合計が実質的に100mol%であるコアガラス組成と、AlFが30±5mol%、ZrFが0〜5mol%、HfFが10±5mol%、BaFが11±2mol%、SrFが13±2mol%、CaFが20±2mol%、MgFが3±2mol%、YFが9±2mol%、NaFが4±2mol%の範囲かつ、その合計が実質的に100mol%であるクラッドガラス組成を組み合わせることにより、0.10〜0.22の範囲のNA(開口数)を実現できる。さらにはこれらを、レーザ共振器のミラーまたは発光媒質を含むミラーとして用いることにより、高効率なレーザ共振器を構成することもできる。 When a fluoride glass optical waveguide is used as the fluoride glass to constitute the laser, the composition of the core material and the cladding material is, for example, ZrF 4 is 53 ± 2 mol% and BaF 2 is 21 ± 2 mol% in the case of ZBLAN glass. LaF 3 is 0 to 4 mol%, AlF 3 is 4 ± 2 mol%, YF 3 is 2 ± 2 mol%, NaF 3 is 18 ± 2 mol%, and trivalent rare earth fluorides other than La and Y are in the range of 0 to 4 mol%. , The core glass composition whose total is substantially 100 mol%, ZrF 4 is 47 ± 8 mol%, HfF 4 is 1 to 13 mol%, BaF 2 is 21 ± 3 mol%, LaF 3 is 3 ± 2 mol%, AlF 3 clad There 4 ± 2mol%, YF 3 is 2 ± 2 mol%, and the range NaF 3 of 19 ± 3 mol%, the sum is substantially 100 mol% Las composition, in the case of Al-Zr glass, AlF 3 is 28 ± 5mol%, ZrF 4 is 13 ± 5mol%, BaF 2 is 12 ± 2mol%, SrF 2 is 13 ± 2mol%, CaF 2 is 21 ± 2 mol% MgF 2 is 4 ± 2 mol%, YF 3 is 0 to 10 mol%, NaF is 2 ± 2 mol%, trivalent rare earth fluoride other than Y is in the range of 0 to 10 mol%, and the total is substantially 100 mol%. and one core glass composition, AlF 3 is 30 ± 5mol%, ZrF 4 is 0 to 5 mol%, HfF 4 is 10 ± 5mol%, BaF 2 is 11 ± 2mol%, SrF 2 is 13 ± 2mol%, CaF 2 is 20 Clad glass having a range of ± 2 mol%, MgF 2 of 3 ± 2 mol%, YF 3 of 9 ± 2 mol%, NaF of 4 ± 2 mol%, and the total thereof being substantially 100 mol% By combining the compositions, an NA (numerical aperture) in the range of 0.10 to 0.22 can be realized. Furthermore, a high-efficiency laser resonator can be configured by using these as a mirror of a laser resonator or a mirror including a light emitting medium.

上記の3価の希土類フッ化物としては、例えば、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、またはYbのフッ化物から任意に選ばれ、発光に寄与する希土類元素として用いることができる。   The trivalent rare earth fluoride is arbitrarily selected from, for example, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, or Yb, and contributes to light emission. It can be used as a rare earth element.

以下の実施例を用いて、本発明を詳細に開示する。   The invention is disclosed in detail using the following examples.

[実施例1〜3、比較例1〜3]
本例において、フッ化物ガラス表面の酸素濃度の効果について示す。酸素濃度の分析には、二次イオン質量分析法(SIMS)を用いたが、SIMS分析だけでは定量的な分析が困難であるため、まず、酸素含有量が既知である標準試料(フッ化物バルクガラス、組成:ZrF(53.0)−BaF(22.0)−LaF(2.2)−AlF(3.5)−YF(2.0)−NaF(17.0)―PrF3(0.3)、単位はmol%)を用いて検量線を求めた。標準試料の酸素含有量については、予め、特許第3128027号に記載の方法を用いて測定した。
[Examples 1-3, Comparative Examples 1-3]
In this example, the effect of the oxygen concentration on the fluoride glass surface is shown. Secondary ion mass spectrometry (SIMS) was used for oxygen concentration analysis. However, since quantitative analysis is difficult only by SIMS analysis, first a standard sample (fluoride bulk) with a known oxygen content is used. Glass, composition: ZrF 4 (53.0) -BaF 2 (22.0) -LaF 3 (2.2) -AlF 3 (3.5) -YF 3 (2.0) -NaF 3 (17.0 ) -PrF3 (0.3), the unit is mol%) to obtain a calibration curve. The oxygen content of the standard sample was measured in advance using the method described in Japanese Patent No. 3128027.

次に、表面を光学研磨した6個のフッ化物ガラスを用意し、そのうち5個についてのみ、表面に酸素プラズマを異なる時間照射した。その後、求めた検量線に基づき、SIMS分析を行い、6個のフッ化物ガラス表面の酸素濃度を計測したところ、150質量ppm(酸素プラズマ照射なし)、210質量ppm、300質量ppm、2010質量ppm、4950質量ppm、6000質量ppmであった。その後、それぞれのガラス表面上に誘電体多層膜(TaおよびSiO、総数20層、総膜厚1μm)を形成し、5×5mm角に切断し、各100枚(計600枚)の誘電体多層膜フィルタを得た。得られた誘電体多層膜フィルタを用い、JIS D0202−1988に準拠したテープ剥離試験を行った。
テープ剥離試験にはニチバン製CT−24を用い、指の腹で押さえて成膜面に密着させたのち、テープをはがして膜剥がれを目視で確認した。エッジ部で膜剥がれが生じたものを不良とし、エッジ部で膜剥がれが生じないものを良品とした。
Next, six fluoride glasses whose surfaces were optically polished were prepared, and only five of them were irradiated with oxygen plasma for different times. Thereafter, SIMS analysis was performed based on the obtained calibration curve, and the oxygen concentration on the surface of the six fluoride glasses was measured. As a result, 150 mass ppm (no oxygen plasma irradiation), 210 mass ppm, 300 mass ppm, 2010 mass ppm. 4950 mass ppm and 6000 mass ppm. Thereafter, dielectric multilayer films (Ta 2 O 5 and SiO 2 , total 20 layers, total film thickness 1 μm) are formed on each glass surface, cut into 5 × 5 mm squares, and each 100 sheets (600 sheets in total) A dielectric multilayer filter was obtained. A tape peeling test based on JIS D0202-1988 was performed using the obtained dielectric multilayer filter.
In the tape peeling test, CT-24 manufactured by Nichiban was used, and it was pressed with the belly of a finger to adhere closely to the film formation surface, and then the tape was peeled off to visually confirm the film peeling. The case where film peeling occurred at the edge portion was regarded as defective, and the case where film peeling did not occur at the edge portion was regarded as good.

その結果、酸素濃度150質量ppmの誘電体多層膜フィルタ(比較例1)では100枚中12枚についてエッジ部で膜が剥がれ(膜剥がれ率12%)、酸素濃度210質量ppmの誘電体多層膜フィルタ(比較例2)では100枚中11枚についてエッジ部で膜が剥がれ(膜剥がれ率11%)、酸素濃度300質量ppm(実施例1)、2010質量ppm(実施例2)、4950質量ppm(実施例3)の誘電体多層膜フィルタでは各々100枚中3枚についてエッジ部で膜が剥がれ(膜剥がれ率3%)、酸素濃度6000質量ppmのフィルタ(比較例3)では100枚中5枚についてエッジ部で膜が剥がれた(膜剥がれ率5%)。
酸素濃度210質量ppmのフィルタの膜剥がれ率は、酸素濃度150質量ppmのフィルタ(酸素プラズマ照射なし)のものとほぼ同一であり、酸素含有層の形成による膜密着強度の改善がみられない。また、酸素濃度6000質量ppmのフィルタでは、膜剥がれ率が増加している。上記のように、必要以上にフッ化物ガラス表面を酸化することは避けた方が良い。ゆえに、フッ化物ガラス表面の酸素濃度は300質量ppm〜5000質量ppmであることが望ましい。
[実施例4、比較例4]
まず、ZBLANガラスファイバ(コア組成:ZrF(53.0)−BaF(22.0)−LaF(2.2)−AlF(3.5)−YF(2.0)−NaF(17.0)―PrF(0.3)、クラッド組成:ZrF(40.0)−BaF(18.0)−LaF(4.0)−AlF(3.0)−NaF(22.0)−HfF(13.0)、単位はmol%)を作製し、ファイバを長さ10cm毎にクリーブし、200本を得た。クリーブ面は平坦であることを光学顕微鏡像により確認した。半分の100本のクリーブ端面に対し、実施例2と同条件で酸素プラズマを照射した。したがって、フッ化物ガラス表面の酸素濃度は、酸素プラズマを照射してないファイバ端面においては150質量ppm、酸素プラズマを照射したファイバ端面においては2010質量ppmである。
As a result, in the dielectric multilayer filter (Comparative Example 1) having an oxygen concentration of 150 mass ppm, the film is peeled off at the edge portion of 12 out of 100 sheets (film peeling rate is 12%), and the dielectric multilayer film having an oxygen concentration of 210 mass ppm In the filter (Comparative Example 2), about 11 out of 100 sheets, the film peeled off at the edge (film peeling rate 11%), oxygen concentration 300 mass ppm (Example 1), 2010 mass ppm (Example 2), 4950 mass ppm. In the dielectric multilayer filter of (Example 3), the film peels off at the edge portion (film peeling rate 3%) for 3 out of 100 sheets, and 5 out of 100 sheets in the filter with oxygen concentration of 6000 mass ppm (Comparative Example 3). The film peeled off at the edge of the sheet (film peeling rate 5%).
The film peeling rate of the filter having an oxygen concentration of 210 mass ppm is almost the same as that of the filter having an oxygen concentration of 150 mass ppm (no oxygen plasma irradiation), and no improvement in the film adhesion strength due to the formation of the oxygen-containing layer is observed. In the filter having an oxygen concentration of 6000 mass ppm, the film peeling rate is increased. As described above, it is better to avoid oxidizing the fluoride glass surface more than necessary. Therefore, it is desirable that the oxygen concentration on the surface of the fluoride glass is 300 mass ppm to 5000 mass ppm.
[Example 4, Comparative Example 4]
First, ZBLAN glass fiber (core composition: ZrF 4 (53.0) -BaF 2 (22.0) -LaF 3 (2.2) -AlF 3 (3.5) -YF 3 (2.0) -NaF 3 (17.0) -PrF 3 (0.3), Cladding composition: ZrF 4 (40.0) -BaF 2 (18.0) -LaF 3 (4.0) -AlF 3 (3.0)- NaF 3 (22.0) -HfF 4 (13.0), the unit is mol%), and the fiber was cleaved every 10 cm in length to obtain 200 fibers. The cleaved surface was confirmed to be flat by an optical microscope image. Half of the 100 cleaved end faces were irradiated with oxygen plasma under the same conditions as in Example 2. Therefore, the oxygen concentration on the surface of the fluoride glass is 150 mass ppm at the fiber end face not irradiated with oxygen plasma and 2010 mass ppm at the fiber end face irradiated with oxygen plasma.

2種のファイバそれぞれ100本のクリーブ端面全てに、誘電体多層膜(TaおよびSiO、総数20層、総膜厚1μm)を形成し、酸素濃度が2010質量ppmの端面に誘電体多層膜を成形して得られたファイバ100本(実施例4)、酸素濃度が150質量ppmの端面に誘電体多層膜を成形して得られたファイバ100本(比較例4)を得た。得られたファイバ200本を用いてテープ剥離試験を行った。 Dielectric multilayer films (Ta 2 O 5 and SiO 2 , total 20 layers, total film thickness 1 μm) are formed on all 100 cleaved end faces of each of the two types of fibers, and a dielectric is formed on the end face having an oxygen concentration of 2010 mass ppm. 100 fibers (Example 4) obtained by molding the multilayer film and 100 fibers (Comparative Example 4) obtained by molding the dielectric multilayer film on the end face having an oxygen concentration of 150 ppm by mass were obtained. A tape peeling test was performed using 200 obtained fibers.

テープ剥離試験にはニチバン製CT−24を用い、指の腹で押さえて成膜面に密着させた後、テープをはがして、膜剥がれを光学顕微鏡で確認した。エッジ部で膜剥がれが生じたものを不良とし、エッジ部で膜剥がれが生じないものを良品とした。酸素プラズマを照射していないファイバ(比較例4)100本中12本についてエッジ部で膜剥がれが起きた(膜剥がれ率12%)のに対し、酸素プラズマを照射したファイバ(実施例4)100本中3本についてエッジ部の膜剥がれが起きた(膜剥がれ率3%)。以上より、誘電体多層膜成形前の端面の酸素濃度が酸素プラズマの照射により2010質量ppmと増大したことにより、誘電体多層膜の密着強度が増大している。   In the tape peeling test, CT-24 manufactured by Nichiban was used and pressed with the belly of the finger to adhere to the film formation surface, and then the tape was peeled off and the film peeling was confirmed with an optical microscope. The case where film peeling occurred at the edge portion was regarded as defective, and the case where film peeling did not occur at the edge portion was regarded as good. Fibers not irradiated with oxygen plasma (Comparative Example 4) 12 out of 100 fibers peeled off at the edge (film peeling rate 12%), whereas fibers irradiated with oxygen plasma (Example 4) 100 The film peeling of the edge portion occurred in three of the books (film peeling rate of 3%). As described above, the oxygen concentration of the end surface before forming the dielectric multilayer film is increased to 2010 mass ppm by the irradiation of oxygen plasma, so that the adhesion strength of the dielectric multilayer film is increased.

光学薄膜のフッ化物ガラスへの密着強度が高められた光デバイスが得られることで、低損失な共振器を実現することができ、高出力なレーザが構成できたり、高強度なARコーティングが構成することもでき、レーザテレビ、レーザプロジェクション、レーザ顕微鏡光源、超短パルス光源、赤外光源、テラヘルツ光源など、フッ化物ガラスを用いる全ての光学装置に応用できる。
By obtaining an optical device with improved adhesion strength of optical thin film to fluoride glass, a low-loss resonator can be realized, a high-power laser can be constructed, and a high-strength AR coating can be constructed. It can also be applied to all optical devices using fluoride glass, such as laser television, laser projection, laser microscope light source, ultrashort pulse light source, infrared light source, terahertz light source.

Claims (2)

フッ化物ガラスと光学薄膜を有する光デバイスにおいて、表面およびその近傍に300質量ppm以上5000質量ppm以下の範囲内で酸素を含有する該フッ化物ガラスの該表面に、光学薄膜が成膜されていることを特徴とする光デバイス。 In an optical device having fluoride glass and an optical thin film, an optical thin film is formed on the surface of the fluoride glass containing oxygen within the range of 300 ppm to 5000 ppm by mass in the vicinity of the surface. An optical device characterized by that. 該フッ化物ガラスがフッ化物ガラス光導波路であり、表面およびその近傍に300質量ppm以上5000質量ppm以下の範囲内で酸素を含有する表面が、該フッ化物ガラス光導波路の少なくとも一つの端面であることを特徴とする、請求項1に記載の光デバイス。
The fluoride glass is a fluoride glass optical waveguide, and the surface containing oxygen within the range of 300 ppm to 5000 ppm by mass in the vicinity thereof is at least one end face of the fluoride glass optical waveguide. The optical device according to claim 1, wherein:
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