ガラスのポーリング

ガラス分極とは、電荷の分布を変化させる物理的なプロセスである。原理的には、電荷はランダムに分布しており、ガラス内部には恒久的な電場は存在しない。

電荷が移動してある場所に固定されると、ガラス内部に永久的な電場が記録されます。この電場によって、通常では不可能な様々な光学的機能がガラス内で実現されます。その結果、電池のように正極と負極が存在するような効果が、光ファイバー内部で得られることになります。

その効果は、光ファイバーの特性の変化として現れます。例えば、ガラスの分極処理によって、入力光を元の放射周波数の2倍、波長の半分の波長に変換する第二高調波発生が可能になります。例えば、1030nm付近の近赤外線は、このプロセスによって緑色光に相当する 515nmの波長に変換できます。 

ガラスの分極処理は、光変調などの他の機能にも利用できる線形電気光学効果を生み出すことも可能にする。

ガラスの分極処理は、材料の本来の対称性を破る電場を発生させることに基づいています。ガラスの分極処理は、媒体に高電圧を印加しながら、熱、紫外線、またはその他のエネルギー源で励起することによって行われます。熱によって電荷が拡散移動し、高電圧によって電荷の移動方向を制御できます。

シリカファイバーの光分極^{[ 1 ]}は、コアとクラッドの界面に電荷の自己組織化された周期的な分布を作り出すことで、第二高調波発生を可能にする。

UV分極^{[ 2 ]}は、報告された高い非線形性のため大きな注目を集めたが、さまざまなグループが結果を再現できなかったため、関心は薄れた。

シリカの熱分極により強い電場が生成されます^{[ 3 ]。}これは、ガラスを 数分間、280℃の温度と数キロボルトのバイアス電圧に同時にさらすことによって行われます。陽イオンは高温で移動可能であり（例：Na+）、分極電場によって試料の陽極側から移動します。これにより、陽極表面付近に、正イオンが枯渇した数マイクロメートル厚の高電気抵抗領域が形成されます。枯渇領域は負に帯電しており、分極電圧が印加されている間に試料を室温まで冷却すると、電子の分布が固定されます。分極後、陽極表面に引き寄せられた正電荷とガラス内部の負電荷によって、記録された電場が生成され、10⁹ ^V  /mに達することがあります。より詳細な研究^{[ 4 ] [ 5 ]}では、陰極電極付近に陽イオンがほとんど蓄積されないこと、および分極が過度に長時間続くと陽極に最も近い層が部分的に中和されることが示されています。ガラス分極のプロセスは、陽極接合で使用されるプロセスと非常によく似ており、記録された電場によってガラスサンプルが陽極に結合されます。

熱分極では、記録された強い電場によって生成される非線形光学効果を利用します。 ^{[ 6 ]}有効な2次光学非線形性は、χ ₍ ²⁾ _eff ~ 3χ ⁽³⁾ Erecから生じます。シリカガラスでは、誘起される非線形係数は約1 pm/Vですが、ファイバーではこの値の数分の1です。内部電極を備えたファイバーを使用すると、ファイバーを分極して線形電気光学効果を発現させ、電圧を印加して屈折率を制御してスイッチングや変調を行うことができます。分極されたファイバー内の記録された電場は、分極されたファイバーを側面から紫外線にさらすことで消去できます。 

これにより、準位相整合に必要な条件を満たす任意の周期の電界格子を人工的に作成することが可能になります。 ^{[ 7 ]}周期分極は、光ファイバーにおける効率的な周波数倍増に使用されます。^{[ 8 ]}