JPH0493823A

JPH0493823A - 光屈折率材料

Info

Publication number: JPH0493823A
Application number: JP20684390A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tamura; 保暁田村; Atsushi Shibukawa; 渋川　篤; Junichi Owaki; 純一大脇
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1990-08-06
Publication date: 1992-03-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野１本発明は、光屈折率材料に係わり、特に作製ロット間で
の光屈折率特性のバラツキが少な（、また屈折率変化を
生じさせるために照射する光の波長感度領域と異なった
波長領域の光の照射により屈折率変化を消去することの
できる光屈折率材料に関する。

［従来の技術］光屈折率材料は、光の照射により空間的な光の強度分布
に応じて媒質の屈折率が空間的に変化する、いわゆる光
屈折率効果を示す材料である。この光屈折率材料によれ
ば、光照射により屈折率変調型の回折格子を形成するこ
とができることがら、実時間ホログラム材料、位相共役
波発生用材料として広く用いられている。

ここで、第２図を参照して光屈折率効果の原理について
説明する。

まず、光屈折率材料に光を照射すると、光エネルギーに
より光屈折率材料のバンドギャップ内に存在するドナー
から電子が伝導帯に放出される（■）。

次に、伝導帯に放出された電子はドリフトにより媒質内
を移動し、その媒質内に存在するトラップにより捕らえ
られる。この際、電子が捕獲された部分には負の空間電
荷分布が生じ、また電子が放出された部分には正の空間
電荷分布が生じる（■）。

次いで、この空間電荷分布によって媒質内に空間的に変
調した電界分布が生じる（■）。

次に、光屈折率材料は電気光学効果を併せ持つため、媒
質内に生じた電界分布に応じて材料の屈折率が変化し、
その結果空間的に変調した屈折率分布が形成される（■
）。

以上の■から■の過程により光屈折率効果が生じる。そ
して、上述の光屈折率材料ではドナーとトラップがその
動作を支配しているため、所望の光屈折率特性を実現す
るためにはドナー濃度、トラップ濃度を精密に制御する
必要がある。

従来より、上述の光屈折率材料としては、例えば鉄を添
加したニオブ酸リチウムや同じく鉄を添加したチタン酸
バリウムなどが知られている。これらの材料では添加物
である鉄がドナーとして、また母体結晶中に存在する酸
素欠陥がトラップとしてそれぞれ機能して光屈折率効果
が生じているとされている。このため、再現性良（光屈
折率効果を生じさせるためには、ドナーである鉄濃度、
トラップである酸素欠陥濃度を制御して材料を作製する
必要がある。

［発明が解決しようとする課題１ところが、ニオブ酸リチウムやチタン酸バリウムなどの
酸化物結晶は酸素欠陥を生じ易く、このため結晶作製時
の雰囲気ガスや溶融温度などの結晶作製条件のわずかな
相違により容易に酸素欠陥濃度が変化してしまう。この
ため、結晶作製時にドナーである鉄の添加濃度を精密に
制御して結晶成長を行っても、酸素欠陥濃度、即ちトラ
ップ濃度の制御が困難であるため、得られた結晶の光屈
折率特性のロット間のバラツキが大きく光屈折率特性の
制御性に欠ける欠点があった。

また、鉄以外の元素を添加した従来の光屈折率材料とし
ては、稀土類元素であるセリウム（Ｃｅ）を添加したＳ
ｒｏ　ａＢａｏ、Ｊｂ２０ｓ（ＳＢＮ：６０）が知られ
ているが、このＳＢＮ：６０も、やはりトラップの制御
ができないため、制御性にかける欠点があった。また、
セリウムと鉄を共に添加した場合には、鉄の添加により
結晶に縞状構造（一種の欠陥）が生じる欠点があるため
、むしろロット間での特性のバラツキが大きくなる。

一方、従来の光屈折率材料を実時間ホログラム媒体とし
て使用する場合、光屈折率材料に記録したホログラムを
消去する際には、レーザーの照射を一旦停止し、光屈折
率材料にインコヒーレント光を全面照射し、トラップさ
れたキャリヤを放出させ、結晶全体に均質に分布させる
ことにより屈折率変化を無くすようにする。これはレー
ザー光照射中に同じ波長のレーザー光を照射すると、干
渉が起こり、新たなホログラムが形成されるためである
。このようにして記録されたホログラムを消去するため
に、−旦情報処理を停止しなければならないことから、
光情報の連続処理や高速処理ができない欠点があった。

本発明の目的は、上述の技術的課題を解決すべく、光屈
折率特性の制御が容易で、かつレーザー光を照射したま
までもホログラムの消去が可能である光屈折率材料を提
供することにある。

［課題を解決するための手段１本発明は、アルカリ土類金属を含有する母体材料に、稀
土類元素、ビスマス元素、錫元素、鉛元素からなる群よ
り選ばれた少なくとも２種の元素を添加したことを特徴
とするものである。

本発明においてアルカリ土類金属（Ｂｅ、　Ｍｇ、Ｃａ
、　Ｓｒ、　Ｂａ、　Ｒａ）を含有する母体材料に添加
し得る元素としては、Ｃｅ、　Ｐｒ、　Ｎｄ、　Ｐｍ、
　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、Ｔｂ、　Ｄｙ、　Ｈａ、　Ｅ
ｒ、　Ｔｍ、Ｙｂ、　Ｌｕ等の稀土類金属元素、ビスマ
ス（Ｂｉ）、錫（Ｓｎ）、鉛（ｐｂ）からなる群より少
なくとも２種の元素が選択される。

［作　用１本発明の光屈折率材料の作用について第１図を参照しな
がら説明する。波長え、の光を照射すると、添加元素ｌ
から電子が放出される。添加元素１から放出された電子
はドリフトにより移動し添加元素２により捕獲され、媒
質中に空間電荷分布が生じ、従って電気光学効果により
屈折率が変化する。次に、この媒質に波長え２の光を照
射すると、添加元素２から電子が放出され、再び添加元
素１に捕獲され、屈折率変化は消去される。

すなわち、添加元素１にドナーの役割をもたせ、添加元
素２にトラップの役割をもたせているので、添加元素１
．２の添加濃度をそれぞれ独立に制御して添加すれば、
ドナー濃度、トラップ濃度をそれぞれ独立に制御するこ
とができる。したがって、母体結晶の欠陥濃度の多少に
関わらず、常に所望の光圧折率特性を示す光屈折率材料
を提供することができる。

また、添加元素１と添加元素２の波長感度領域が異なる
ので、書き込み光と消去光との間で干渉は起こらず、屈
折率変化の消去の際に入射レーザー光を照射しながら、
必要な部分のみを消去することが可能となる。

特に、本発明において用いられる添加元素である稀土類
元素、ビスマス元素、錫元素、鉛元素はいずれもアルカ
リ土類金属元素とイオン半径が近いことから、これら元
素を添加しても母体材料内に生じる格子歪は小さ（てす
み、従って欠陥の少ない光屈折率材料が得られる。また
、本発明で選択した元素をＳＢＮ：６０に添加しても、
鉄添加のＳＢＮ：６０の場合に生じるような縞状構造は
生じない。

さらに、本発明において用いられる添加元素が光屈折率
材料内で形成する準位の深さは伝導帯の底から約１ｅＶ
以上と深いためトラップされた電子が熱的に放出される
ことがなく、従って従来の光屈折率材料と比較しても安
定なメモリー特性を示す。

また、添加元素１と添加元素２との間の相互作用が強い
ので、光励起により添加元素１から放出された電子は効
率よく添加元素２に捕獲される。

したがって、本発明の光屈折率材料は従来の光屈折率材
料と比較して極めて感度の高い。

［実施例］以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明する。

（実施例１）チタン酸バリウムにユーロピウムとサマリウムを添加し
た光屈折率材料を説明する。

上述の光屈折率材料を作製するにあたっては、チタン酸
バリウムのバリウムに対して重量比で０、００１％のユ
ーロピウムおよび０．００１％のサマリウムを上述のチ
タン酸バリウムに混合して得た原料を用いてチョコラル
スキー法によって単結晶成長を行った。同様の単結晶成
長を行って得られた複数ロットの光屈折率材料にそれぞ
れ一定光強度のＡｒレーザー光を照射してホログラムを
形成し、回折効率のロット間のバラツキを調べたところ
、その変動値は０，１％以内であり、光圧折率特性のロ
ット間での変動が極めて少ないことが明かとなった。ま
た、膜厚１ｍｍ当りの回折効率１％を得るために必要な
光強度が数１００μＷ／ｃｍ”　ト小すく、感度が高い
ことが示された。このようにして書き込んだ回折格子は
半導体レーザー、ＹＡＧレーザーのいずれによっても消
去することができた。

また、Ａｒレーザーを照射しながら消去を行っても書き
込み波長と消去波長とが異なることから、書き込み光と
消去光との間での干渉は起こらず、任意の部分の記録を
消去することができた。

（実施例２）チタン酸バリウムにセリウムとサマリウムを添加した光
屈折率材料を説明する。

上述の光屈折率材料を作製するにあたっては、チタン酸
バリウムのバリウムに対して重量比で０、００１％のセ
リウムおよび０００１％のサマリウムを上述のチタン酸
バリウムに混合して得た原料を用いてチョコラルスキー
法によって単結晶成長を行った。同様の単結晶成長を行
って得られた複数ロットの光屈折率材料にそれぞれ一定
光強度のＡｒレーザー光を照射してホログラムを形成し
、回折効果のロット間のバラツキを調べたところ、その
変動値は０．１％以内であり、光圧折率特性のロット間
での変動が極めて少ないことが明がとなった。また、膜
厚１ｍｍ当りの回折効率１％を得るために必要な光強度
が数１０μＷ／ｃがと小さ（、感度が高いことが示され
た。このようにして書き込んだ回折格子は半導体レーザ
ー、ＹＡＧレーザーのいずれによっても消去することが
できた。また、Ａｒレーザーを照射しながら、消去を行
っても書き込み波長と消去波長とが異なることから、書
き込み光と消去光との間での干渉は起こらず、任意の部
分の記録を消去することができた。

（実施例３）ＢＳＫＮＮ　（Ｂａｔ−ｘＳｒ註＋−ｖＮａｖＮｔｌ＋
０＋ｓ　：　Ｏ＜　Ｘ　＜　２　。

０＜Ｙ＜１）にセリウムとサマリウムを添加した光屈折
率材料を説明する。

上述の光屈折率材料を作製するにあたっては、上述のＢ
ＳＫＮＮのバリウムとストロンチウムの混合重量に対し
て、重量比で０．００１％のセリウムおよび０．００１
％のサマリウムをＢＳＫＮＮに混合して得た原料を用い
てチョクラルスキー法によって単結晶成長を行った。同
様の単結晶成長を行って得られた複数ロットの光屈折率
材料にそれぞれ一定光強度のＡｒレーザー光を照射して
ホログラムを形成し、回折効率のロット間のバラツキを
調べたところ、その変動値は０．１％以内であり、光圧
折率特性のロット間での変動が極めて少ないことが明か
となった。また、膜厚１ｍｍ当りの回折効率１％を得る
ために必要な光強度が数１０μＷ／ｃｍ２と小さく、感
度が高いことが示された。このようにして書き込んだ回
折格子は半導体レーザー、ＹＡＧレーザーのいずれによ
っても消去することができた。

また、Ａｒレーザーを照射した状態で消去を行っても書
き込み波長と消去波長とが異なることから、書き込み光
と消去光との間での干渉は起こらず、任意の部分の記録
を消去することができた。

（実施例４）ＳＣＮＮ（Ｓｒｚ−ｘｃａｘＮａａＮｂｉＯ＋ｓ　：　
０　＜　Ｘ　＜　２　）にセリウムとサマリウムを添加
した光屈折率材料を説明する。

上述の光屈折率材料を作製するにあたっては、上述の５
ＣＮＮのストロンチウムとカルシウムの混合重量に対し
て、重量比で０．００１％のセリウムおよび０．００１
％のサマリウムを５ＣＮＮに混合して得た原料を用いて
帯域溶融法によって単結晶成長を行った。同様の単結晶
成長を行って得られた複数ロットの光屈折率材料にそれ
ぞれ一定光強度のＡｒレーザー光を照射してホログラム
を形成し、回折効率のロット間のバラツキを調べたとこ
ろ、その変動値は０．１％以内であり、光圧折率特性の
ロット間での変動が極めて少ないことが明かとなった。

また、膜厚１ｍｍ当りの回折効率１％を得るために必要
な光強度が数１００μＷ／ｃがと小さく、感度が高いこ
とが示された。このようにして書き込んだ回折格子は半
導体レーザー、ＹＡＧレーザーのいずれによっても消去
することができた。また、Ａｒレーザーを照射しながら
、消去を行っても書き込み波長と消去波長とが異なるこ
とから、書き込み光と消去光間での干渉は起こらず、任
意の部分の記録を消去することができた。

（実施例５）チタン酸バリウムにユーロピウムとビスマスを添加した
光屈折率材料を説明する。

上記光屈折率材料を作製するにあたっては、チタン酸バ
リウムのバリウムに対して重量比でｏ、　ｏｏｉ％のユ
ーロピウムおよび０．００１％のビスマスをチタン酸バ
リウムに混合して得た原料を用いてチョクラルスキー法
によって単結晶成長を行った。同様の単結晶成長を行っ
て得られた複数ロットの光屈折率材料にそれぞれ一定光
強度のＡｒレーザー光を照射してホログラムを形成し、
回折効率のロット間のバラツキを調べたところ、その変
動値は０．１％以内であり、光圧折率特性のロット間で
の変動が極めて少ないことが明かとなった。また、膜厚
１ｍｍ当りの回折効率１％を得るために必要な光強度が
数１００μＷ／ｃｍ２と小さく、感度が高いことが示さ
れた。本実施例では、ビスマスを用いたことにより、サ
マリウムを用いた実施例１の場合と比較して消去波長域
が短波長側にシフトするが、実施例１の場合と同様にＡ
ｒレーザー光で書き込んだ回折格子は半導体レーザー、
ＹＡＧレーザーのいずれによっても消去することができ
た。

また、上述の各実施例以外に、元素Ｂｅ、　ＭｇやＲａ
を組成として含む材料に、稀土類元素（Ｃｅ、　Ｐｒ、
Ｎｄ、　Ｐｍ、　Ｓｍ、　Ｅｕ５Ｇｄ、　Ｔｂ、　Ｄｙ
、　Ｈａ、　Ｅｒ、　Ｔｍ、　Ｙｂ。

Ｌｕ）　、ビスマス（Ｂｉ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）
のうち２種の元素を添加した場合でも同様の効果が得ら
れた。

１発明の効果］以上説明したように、本発明の光屈折率材料では、２種
の添加元素のうち一方の元素をドナーとして、また他方
の元素をトラップとして機能させ得るので、従来のよう
に、濃度制御の困難な酸素欠陥にトラップとしての機能
を担わせる必要がない。したがって、本発明においては
、２種の添加元素の濃度を制御すれば、作製ロット間で
の光屈折率特性のバラツキを少な（でき、容易に光屈折
率特性を制御することが可能である。

また、本発明では、一方の添加元素と他方の添加元素と
は波長感度領域が異なるので、書き込み光と消去光との
間で干渉は起こらず、屈折率変化の消去の際に入射レー
ザー光を照射しながら、必要な部分のみを消去すること
が可能となる。したがって、レーザー光を照射したまま
でもホログラムの消去も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光屈折率材料の動作原理を示す図、第２図は従来の光屈折率材料の動作原理を示す図である
。

Claims

【特許請求の範囲】

１）アルカリ土類金属を含有する材料に、稀土類元素、
ビスマス元素、錫元素、鉛元素からなる群より選ばれた
少なくとも２種の元素を添加したことを特徴とする光屈
折率材料。