К низкому

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3697 (2023) Цитировать эту статью

770 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Разработка эффективных и компактных фотонных систем для поддержки интегрированной оптики среднего инфракрасного диапазона в настоящее время сталкивается с рядом проблем. На сегодняшний день в большинстве устройств на основе стекла среднего инфракрасного диапазона используются фторидные или халькогенидные стекла (FCG). Хотя коммерциализация оптических устройств на основе БТГ быстро выросла за последнее десятилетие, их разработка довольно затруднительна из-за плохой устойчивости к кристаллизации и гигроскопичности или плохих механо-термических свойств БТГ. Для решения этих проблем параллельная разработка оптического волокна из оксида тяжелых металлов из стекловидной системы оксида бария-германия-галлия (BGG) выявила многообещающую альтернативу. Однако за 30 лет оптимизации производства волокон последний недостающий этап — вытяжка волокон BGG с приемлемыми потерями для активных и пассивных оптических устройств метровой длины — так и не был достигнут. В этой статье мы сначала определяем три наиболее важных фактора, которые препятствуют изготовлению волокон BGG с низкими потерями, а именно качество поверхности, объемные полосы и термическое потемнение стекла. Затем каждый из трех факторов учитывается при разработке протокола, позволяющего изготавливать оптические волокна с низкими потерями из композиций стекла BGG, богатых галлием. Соответственно, насколько нам известно, мы сообщаем о самых низких потерях, когда-либо измеренных в стекловолокне BGG, т.е. до 200 дБ/км на длине волны 1350 нм.

После выдающегося развития кварцевых волокон с низкими потерями в 1970-х годах появление высокоскоростных телекоммуникационных систем дальней связи и мощных волоконных лазеров произвело революцию в нашей повседневной жизни1,2. Однако кварцевые волокна не пропускают свет с длиной волны более 2,5 мкм и поэтому не могут использоваться для применений в так называемой средней инфракрасной области (MIR)3. В результате были открыты и разработаны дополнительные семейства стекол, пропускающих СИК-излучение, включая теллуритные, халькогенидные, фторидные и германатные стекла. Разработка фторидных волокон каким-то образом обогнала большинство других семейств стекол MIR, и теперь на рынке доступен широкий ассортимент волокон. Хотя фторидные стекла расширяются при большом выборе составов стекол, включая семейства фторида циркония, фторида индия или фторида алюминия, эти мягкие стекла обладают низкой температурой стеклования (Tg), в то время как их термическая/механическая/химическая стабильность по сравнению с другими стеклами снижается. Очки МИР усложняют обращение с ними3,4.

Среди других стекол МИР германатные стекла являются одной из лучших альтернатив фторидным стеклам по термическим и механическим свойствам. Действительно, их Tg может достигать 700 °C, окна оптического пропускания — от 0,28 до 5,5 мкм, а микротвердость по Кнупу — до 5,1 ГПа5. К настоящему времени минимальные германатные потери (200 дБ/км) получены в свинцово-германатных стеклах6. Однако наличие оксида свинца в составе стекол способствует снижению как термических, так и механических свойств, т.е. Tg ниже 400 °С и твердости по Виккерсу до 2,5 ГПа7, одновременно ограничивая их применение в различных областях применения из-за жестких мировых норм. о свинцовосодержащих продуктах.

С момента открытия барий-галлий-германиевых (BGG) стекол в 1990-х годах8 были предприняты значительные усилия для дальнейшего улучшения свойств стекла9,10,11,12,13, объединения их в волокна14,15,16, а также их функционализации17. ,18,19. В то же время значительное внимание привлекли богатые галлием, а именно галлатные, стекла БГГ (соотношение GaO3/2/GeO2 в мольных процентах превышает 1), поскольку их термические, оптические и механические свойства даже превосходят свойства БГГ на основе германата. составы (соотношение GaO3/2/GeO2 в мол.% менее 1). Действительно, замена ионов Ga3+ на Ge4+ увеличивает как окно оптического пропускания до 6,0 мкм, так и микротвердость по Кнупу до 5,4 ГПа, при этом растворимость редкоземельных ионов остается высокой (более 10 мол%)5,20,21 .