Verso il basso

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3697 (2023) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di sistemi fotonici efficienti e compatti a supporto dell’ottica integrata nel medio infrarosso si trova attualmente ad affrontare diverse sfide. Ad oggi, la maggior parte dei dispositivi basati su vetro nel medio infrarosso utilizzano vetri al fluoruro o calcogenuro (FCG). Sebbene la commercializzazione di dispositivi ottici basati su FCG sia cresciuta rapidamente durante l'ultimo decennio, il loro sviluppo è piuttosto complicato a causa della scarsa cristallizzazione e resilienza all'igroscopicità o delle scarse proprietà meccanico-termiche degli FCG. Per superare questi problemi, lo sviluppo parallelo della fibra ottica di ossido di metallo pesante dal sistema vetroso di ossido di bario-germanio-gallio (BGG) ha rivelato un'alternativa promettente. Tuttavia, in oltre 30 anni di ottimizzazione della fabbricazione delle fibre, il passaggio finale mancante della trafilatura delle fibre BGG con perdite accettabili per dispositivi ottici attivi e passivi lunghi diversi metri non era ancora stato raggiunto. In questo articolo, identifichiamo innanzitutto i tre fattori più importanti che impediscono la fabbricazione di fibre BGG a bassa perdita, ovvero qualità della superficie, strie voluminose e oscuramento termico del vetro. Ciascuno dei tre fattori viene quindi affrontato nella creazione di un protocollo che consenta la fabbricazione di fibre ottiche a bassa perdita da composizioni di vetro BGG ricche di gallio. Di conseguenza, per quanto ne sappiamo, riportiamo le perdite più basse mai misurate in una fibra di vetro BGG, ovvero fino a 200 dB km−1 a 1350 nm.

In seguito allo straordinario sviluppo delle fibre di silice a bassa perdita negli anni ’70, l’emergere di sistemi di telecomunicazioni a lungo raggio ad alta velocità e di laser a fibra ad alta potenza hanno rivoluzionato la nostra vita quotidiana1,2. Tuttavia, le fibre di silice non trasmettono luce al di sopra di 2,5 μm e quindi non possono essere impiegate per applicazioni nel cosiddetto dominio del medio infrarosso (MIR)3. Di conseguenza, sono state scoperte e sviluppate famiglie di vetri complementari che trasmettono MIR, tra cui vetri al tellurito, calcogenuro, fluoruro e germanato. Lo sviluppo delle fibre al fluoro ha in qualche modo superato la maggior parte delle altre famiglie di vetri MIR, con un'ampia gamma di fibre ora disponibili in commercio. Sebbene i vetri al fluoruro si espandano in un'ampia scelta di composizioni di vetro, comprese le famiglie del fluoruro di zirconio, fluoruro di indio o fluoruro di alluminio, questi vetri morbidi possiedono una bassa temperatura di transizione vetrosa (Tg), mentre la loro stabilità termica/meccanica/chimica ridotta rispetto ad altri Gli occhiali MIR rendono la loro gestione più impegnativa3,4.

Tra gli altri vetri MIR, i vetri germanati sono una delle migliori alternative ai vetri al fluoruro in termini di proprietà termiche e meccaniche. Infatti, la loro Tg può raggiungere i 700 °C, le loro finestre di trasmissione ottica possono variare da 0,28 fino a 5,5 μm e la loro microdurezza Knoop può estendersi fino a 5,1 GPa5. Ad oggi, perdite di germanato minime (200 dB km−1) sono state ottenute nei vetri al germanato di piombo6. Tuttavia, la presenza di ossido di piombo nella composizione del vetro contribuisce al degrado delle proprietà sia termiche che meccaniche, ovvero Tg inferiore a 400 °C e durezza Vickers fino a 2,5 GPa7, limitandone al contempo l'uso in vari campi applicativi a causa delle severe normative mondiali sui prodotti contenenti piombo.

Dalla scoperta dei vetri bario-gallio-germanio (BGG) negli anni '908, sono stati compiuti sforzi considerevoli per migliorare ulteriormente le proprietà del vetro9,10,11,12,13, trasformarli in fibre14,15,16 e anche funzionalizzarli17 ,18,19. Nel frattempo, i vetri BGG ricchi di gallio, cioè gallato, (rapporto GaO3/2/GeO2 in moli% maggiore di 1) hanno attirato molta attenzione, poiché le loro proprietà termiche, ottiche e meccaniche sono addirittura superiori a quelle dei vetri BGG a base di germanato. composizioni (rapporto GaO3/2/GeO2 in moli% inferiore a 1). Infatti, la sostituzione di Ge4+ con ioni Ga3+ aumenta sia la finestra di trasmissione ottica fino a 6,0 μm che la microdurezza Knoop fino a 5,4 GPa, mentre la solubilità degli ioni delle terre rare rimane elevata (più di 10 mol%)5,20,21 .