ニオブ酸リチウムの屈折率測定への利用法

ニオブ酸リチウムは、その優れた電気光学特性、圧電特性、非線形光学特性により、広範な電気通信からフォトニクスの研究まで、重要な用途を有しています。その中でも最も基本的な用途は屈折率測定であり、測定対象そのものとして、また他の物質の精密な光屈折率測定のツールとしても利用されている。

1.屈折率とは

屈折率は、通常nと記号化され、物質を透過する際に屈折する光の量の尺度です。レンズによる光の集束、光ファイバーによるインパルスの伝達、電磁波との相互作用における結晶の作用を定義する基本的な光学パラメータです。屈折率の測定は、レーザー、変調器、センサー、導波路を設計するために正確でなければならない。

ニオブ酸リチウムの光学特性は異方性であり、一軸性結晶である。そのため複屈折性があり、2つの異なる屈折率を持つ：

- 普通屈折率（n↪Lm_2092） - 光軸に垂直に偏光した光に対して。

- 異常屈折率（nₑ）- 光軸に平行に偏光した光に対して。

複屈折は性質というよりも、光の分析や操作に役立つツールである。

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2.ニオブ酸リチウムの光学特性

波長633nm、室温におけるニオブ酸リチウムの典型的な屈折率は以下の通りである：

-nₒ≈ 2.286

-nₑ≈ 2.203

これらは、波長、温度、組成（化学量論的LiNbO₃または合同LiNbO₃）に依存します。研究者は、この波長依存性を記述するためにSellmeier方程式を導きました。通常の光線に対する代表的な方程式は以下の通りである：

nₒ^2(λ) = 5.35583 + 0.100473/ (λ^2 - 0.20692^2) + 100/(λ^2 - 11.34927^2)

ここで、λはマイクロメートル単位の波長である。

この光学的に高度に特定された応答により、ニオブ酸リチウムは屈折率測定器の校正物質となり、温度または波長に依存する屈折率測定の調査対象となる。

3.ニオブ酸リチウムを屈折率測定に利用する技術

(a) プリズムカップリング(m-line)法

プリズムカップリングは最も一般的な手法の一つで、ニオブ酸リチウム試料または薄膜に接したインデックスプリズムを通してレーザービームを透過させる。入射角に基づいて、研究者はガイドされた光学モードに関連する明確な「m線」を観察する。モード角に基づいて、フィルムや基板の実効屈折率を正確に決定することができる。

ニオブ酸リチウムプリズムは、そのため、この技術で特に好まれている：

-低い散乱損失と光学的品質、

-非常に広い波長領域にわたる全体的な屈折率の安定性。

-赤外光と可視光の両方の光源への適合性。

この技術は、10-⁴を超える屈折率精度を提供するように構成することができ、したがって導波路の特性評価において非常に求められるツールである。

(b) エリプソメトリー

薄膜光学では、表面からの反射光の偏光変化を検出するためにエリプソメトリーが使用される。サファイアやシリコンなどの基板上にニオブ酸リチウム膜を成長させる場合、エリプソメトリー測定は膜厚と屈折率の分散を定量化するために適用される。

ニオブ酸リチウムは異方性であるため、通常VASEが採用される。これにより、通常の屈折率と異常屈折率の波長依存性の測定という、完全なテンソルの特性評価が容易になります。

(c) 干渉計

マイケルソン干渉計またはマッハツェンダー干渉計の配置は、非常に微小な屈折率変化の検出に使用できます。ニオブ酸リチウムは、その大きな電気光学効果（電界依存性屈折率）により、このようなセットアップをテストするための理想的な材料である。

制御された電圧をニオブ酸リチウム結晶に印加することで、研究者は実際に干渉縞の位相シフトを見ることができ、そこから屈折率の変化（Δn）を導き出すことができる。この特性は、気体、液体、その他の固体の屈折率変化を正確に測定することを目的とした干渉計の校正にも応用されている。

(d) 温度依存性屈折率測定法

ニオブ酸リチウムは屈折率が温度依存性であるため、熱光学係数の熱測定にも利用されている。透過または反射ビームの既知の値と角度変位で結晶をステップ加熱するのが一般的である。

例えば、LiNbO₃の熱光学係数(dn/dT)はおおよそ以下の通りです：

-dnₒ/dT ≈ 3.9 × 10-⁵ K-¹ 。

-dnₑ/dT ≈ 3.2 × 10-⁵ K-¹ 。

この情報は、周波数ダブラーや変調器のような温度に敏感な光デバイスの設計に非常に有用である。

4.事例：光導波路製造における屈折率校正

ニオブ酸リチウムは、集積光回路製造において、基板材料と屈折率基準の両方の役割を果たしている。Ti:LiNbO₃で導波路を製造する場合、局所屈折率を0.003～0.010上げるために、結晶表面にチタンを拡散させる。

このような修正を検証するために、エンジニアは、上記のプリズム結合技術に基づいてモード伝搬角を計算します。ニオブ酸リチウムのベースライン屈折率に関する信頼性の高い知識は、拡散深さと光モード閉じ込めを正確に計算することを容易にします。

これにより、得られたデバイス（マッハツェンダー変調器、光スイッチ、位相シフター）は、電気通信ネットワークにおいて最高の性能を発揮する。

さらに読む：タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの比較：技術マニアのための包括的比較

5.ニオブ酸リチウムが光計測を支配する理由

屈折率測定におけるニオブ酸リチウムの有用性は、以下の組み合わせに依存している：

-高い光学的透明性（350nm～5μm）

-再現可能で安定した屈折率

-高レベルでの表面研磨性

-アクティブなチューニングと変調を可能にする高い電気光学応答を有する。

これらの特性は、将来の光計測デバイスのための能動的な材料プラットフォームであると同時に、受動的な測定対象材料でもある。

6.結論

ニオブ酸リチウムは、屈折率較正用化合物としての初期採用から動的電気光学測定に至るまで、光科学にとって不可欠なツールであり続けてきた。その複屈折、温度安定性、確立された製造プロセスにより、科学者やエンジニアは光と物質の相互作用の根源を調べることができる。その他の先端光学材料については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

参考文献

[1] Andrienko, Denis.液晶入門。Journal of Molecular Liquids.267.10.1016/j.molliq.2018.01.175.