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Aug 14, 2023

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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3697 (2023) Cite este artículo 1008 Accesos 1 Citas 1 Detalles de Altmetric Metrics El desarrollo de sistemas fotónicos eficientes y compactos en apoyo

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3697 (2023) Citar este artículo

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El desarrollo de sistemas fotónicos eficientes y compactos en apoyo de la óptica integrada del infrarrojo medio se enfrenta actualmente a varios desafíos. Hasta la fecha, la mayoría de los dispositivos basados ​​en vidrio de infrarrojo medio emplean vidrios de fluoruro o calcogenuro (FCG). Aunque la comercialización de dispositivos ópticos basados ​​en FCG ha crecido rápidamente durante la última década, su desarrollo es bastante engorroso debido a la mala cristalización y la resistencia a la higroscopicidad o a las malas propiedades mecánico-térmicas de los FCG. Para superar estos problemas, el desarrollo paralelo de fibra óptica de óxido de metales pesados ​​a partir del sistema vítreo de óxido de bario-germanio-galio (BGG) ha revelado una alternativa prometedora. Sin embargo, después de 30 años de optimización de la fabricación de fibras, aún no se había alcanzado el último paso que faltaba: estirar fibras BGG con pérdidas aceptables para dispositivos ópticos activos y pasivos de metros de largo. En este artículo, primero identificamos los tres factores más importantes que impiden la fabricación de fibras BGG de baja pérdida, es decir, la calidad de la superficie, las estrías volumétricas y el oscurecimiento térmico del vidrio. Luego, se aborda cada uno de los tres factores al establecer un protocolo que permita la fabricación de fibras ópticas de bajas pérdidas a partir de composiciones de vidrio BGG ricas en galio. En consecuencia, hasta donde sabemos, reportamos las pérdidas más bajas jamás medidas en una fibra de vidrio BGG, es decir, hasta 200 dB km-1 a 1350 nm.

Tras el extraordinario desarrollo de las fibras de sílice de baja pérdida en la década de 1970, la aparición de sistemas de telecomunicaciones de alta velocidad y larga distancia y láseres de fibra de alta potencia han revolucionado nuestra vida diaria1,2. Sin embargo, las fibras de sílice no transmiten luz por encima de 2,5 μm y, por lo tanto, no pueden emplearse para aplicaciones en el llamado dominio del infrarrojo medio (MIR)3. Como resultado, se han descubierto y desarrollado familias complementarias de vidrios transmisores de MIR, incluidos vidrios de telurito, calcogenuro, fluoruro y germanato. El desarrollo de fibras de fluoruro de alguna manera ha superado a la mayoría de las otras familias de vidrio MIR, con una amplia gama de fibras ahora disponibles comercialmente. Aunque los vidrios de fluoruro se expanden en una gran variedad de composiciones de vidrio, incluidas las familias de fluoruro de circonio, fluoruro de indio o fluoruro de aluminio, estos vidrios blandos poseen una temperatura de transición vítrea (Tg) baja, mientras que su reducida estabilidad térmica/mecánica/química en comparación con otros Las gafas MIR dificultan su manejo3,4.

Entre otros vidrios MIR, los vidrios de germanato son una de las mejores alternativas a los vidrios de fluoruro en términos de propiedades térmicas y mecánicas. De hecho, su Tg puede alcanzar los 700 °C, sus ventanas de transmisión óptica pueden abarcar desde 0,28 hasta 5,5 μm y su microdureza Knoop puede extenderse hasta 5,1 GPa5. Hasta la fecha, se obtuvieron pérdidas mínimas de germanato (200 dB km-1) en vidrios de germanato de plomo6. Sin embargo, la presencia de óxido de plomo en la composición del vidrio contribuye a la degradación de las propiedades térmicas y mecánicas, es decir, Tg por debajo de 400 °C y dureza Vickers hasta 2,5 GPa7, al tiempo que restringe su uso en diversos campos de aplicación debido a estrictas regulaciones mundiales. sobre productos que contienen plomo.

Desde el descubrimiento de los vidrios de bario-galio-germanio (BGG) en la década de 19908, se han realizado esfuerzos considerables para mejorar aún más las propiedades del vidrio9,10,11,12,13, convertirlos en fibras14,15,16 y también funcionalizarlos17 ,18,19. Mientras tanto, los vidrios BGG ricos en galio, concretamente galato, (proporción GaO3/2/GeO2 en % molar superior a 1) han atraído una gran atención, ya que sus propiedades térmicas, ópticas y mecánicas son incluso superiores a las de los BGG a base de germanato. composiciones (relación GaO3/2/GeO2 en % molar menor que 1). De hecho, la sustitución de iones Ga3+ por Ge4+ aumenta tanto la ventana de transmisión óptica hasta 6,0 μm como la microdureza Knoop hasta 5,4 GPa, mientras que la solubilidad de los iones de tierras raras sigue siendo alta (más de 10 % en moles)5,20,21 .

Por lo tanto, los vidrios BGG no destacan por una propiedad específica, como los silicatos fundidos con su alta Tg y su resistencia a la cristalización o los calcogenuros con su transmisión óptica hasta el dominio del infrarrojo lejano. Sin embargo, es la combinación de su temperatura de transición vítrea, dureza, transmisión óptica, resistencia mecánica y solubilidad de tierras raras lo que hace que la fibra de vidrio BGG sea extremadamente valiosa en el desarrollo futuro de fibras ópticas de infrarrojo medio tanto activas como pasivas.

En el innovador esfuerzo por desarrollar fibras BGG robustas y fiables, se han logrado dos de los tres hitos principales: la fabricación de una fibra con núcleo revestido y la reducción del contenido del grupo OH12,22,23. Sin embargo, el último pero no menos importante hito, consistente en reducir las pérdidas ópticas de fondo por debajo de los dB por metro, aún no se ha alcanzado, mientras que las pérdidas ópticas previstas deberían alcanzar unos pocos dB por kilómetro24.

En este artículo, informamos sobre la fabricación de fibras de vidrio BGG ricas en galio de bajas pérdidas producidas mediante el enfoque de preforma a fibra. Al identificar y resolver los tres factores más predominantes que impiden la fabricación de fibras BGG de bajas pérdidas, es decir, la calidad de la superficie, las estrías volumétricas y el oscurecimiento térmico de la fibra, logramos extraer en segmentos de decenas de metros de largo la primera fibra BGG. con pérdidas ópticas de hasta 200 dB km-1 a 1350 nm. Además, también incorporamos a la fibra una preforma de BGG con bajo contenido de OH que presenta pérdidas de fondo considerables hasta la absorción fundamental de agua, es decir, 2800 nm. Por lo tanto, nuestro trabajo aporta el último hito que falta en el desarrollo de fibras BGG de uso práctico.

Todos los precursores de vidrio (al menos 99,99 % de pureza) se pesan, se mezclan y se introducen con precisión en un crisol de platino.

Para las Preformas A y D, la mezcla se funde a 1500 °C en aire durante 1,5 h, mientras que cada 30 min se retira el crisol del horno y se agita. Para la Preforma B, la mezcla se funde a 1500 °C en aire durante 1,5 h y luego se enfría a 1450 °C justo antes de colar. Para la Preforma C, la mezcla se funde a 1600 °C en aire durante 1,5 h, mientras que cada 30 min se retira el crisol del horno y se agita.

Para todas las preformas, se precalienta un molde de acero inoxidable a 50 °C por debajo de la temperatura de transición vítrea. Cuando el molde se termaliza, el vidrio fundido se vierte rápidamente dentro del molde. Luego, la preforma de vidrio se recoce a 50 °C por debajo de la Tg durante 5 h y se enfría lentamente hasta temperatura ambiente. Las Preformas B, C y D recocidas se someten a un proceso de pulido en un aparato casero diseñado para preformas cilíndricas, utilizando pasos sucesivos de tamaño de grano hasta una suspensión de óxido de cerio de 1 μm.

Para la preforma de vidrio que contiene un contenido muy bajo de OH, los procesos de fusión y colada se realizan bajo atmósfera de argón. Además, durante la fusión del vidrio, se añade a los precursores del vidrio un 3% en peso de bifluoruro de amonio como agente deshidratante. Los flúores restantes en el vidrio disminuyen en 60 °C la temperatura de transición vítrea y en 2 × 10–3 el índice de refracción, en comparación con los valores presentados en la Tabla 1.

Las preformas se introducen en el interior de un horno bajo atmósfera de dinitrógeno. Alrededor de 820 °C se inicia el estirado de las fibras. Como la fibra de vidrio no está recubierta de polímero, la fibra se enrolla cuidadosamente manualmente sobre un cabrestante.

Las mediciones de calorimetría diferencial de barrido (DSC) se realizaron con un calorímetro DSC 404 F3 Pegasus a una velocidad de calentamiento de 10 °C min-1. Gracias a las mediciones de DSC, se extrajo la temperatura de transición vítrea. Los análisis químicos se realizaron mediante microanálisis con sonda electrónica (EPMA) en un aparato CAMECA-SX100. Se adquirió espectroscopia de dispersión de longitud de onda (WDS) para medir los elementos catiónicos, con un valor promedio basado en 8 adquisiciones. Los índices de refracción se midieron a cinco longitudes de onda diferentes (532 nm, 632,8 nm, 972,4 nm, 1308,2 nm y 1537,7 nm) con un refractómetro acoplador de prisma (Metricon, 2010/M). Los espectros de transmisión UV-visible-IR cercano de 200 a 1100 nm se registraron en un espectrómetro Cary 60 UV-Vis (Agilent) en pasos de 1 nm, mientras que los espectros de transmisión IR cercano-MIR se obtuvieron de 1 a 7 μm. utilizando un espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier con un promedio de 50 exploraciones y una resolución de 4 cm-1. Los espectros Raman se registraron a temperatura ambiente de 200 a 1100 cm-1 utilizando un microscopio Renishaw inVia Raman y un objetivo de microscopio de 50X. Para la excitación se utilizó un láser de onda continua que opera a 633 nm. La microscopía electrónica de barrido en modo de electrones retrodispersados ​​se llevó a cabo en un Quanta 3D (FEI) (15 kV y bajo vacío) equipado con un detector de cristal de Si (Li) de 10 mm2 (Ametek) para las mediciones de EDX. Las dispersiones de rayos X se registraron a temperatura ambiente y se recogieron en un difractómetro Panalytical AERIS equipado con un detector de acelerador X en un rango angular de 2θ = 10–80°. La radiación Cu-Kα se generó a 40 kV y 8 mA (lambda = 0,15418 nm).

Las pérdidas por propagación de las fibras se midieron mediante el método de reducción. Las mediciones se realizaron utilizando una fuente supercontinua de fibra (superK compact de NKT photonics), un monocromador (Bruker) y un detector PDA10CS de Thorlabs sensible en el rango infrarrojo (700–1800 nm) para la fibra de vidrio con bajas pérdidas. Para la caracterización de pérdidas de fibra MIR. Para determinar el bajo contenido de OH, se utilizó una fuente supercontinua de fluoruro casera que operaba de 1000 a 3900 nm junto con un OSA Yokogawa AQ6376 que cubría de 1500 a 3400 nm. Todas las escisiones de fibras se realizaron utilizando un sistema de escisión Vytran LDC401A y se inspeccionaron metódicamente con un objetivo del microscopio.

El método de estirado de preforma a fibra requiere una composición de vidrio con gran resistencia al proceso de desvitrificación. De hecho, la formación de cristales en la superficie o en la mayor parte de la fibra estirada da como resultado propiedades ópticas y mecánicas deficientes25. Como regla general, la diferencia de temperatura (ΔT) entre las temperaturas de cristalización (Tx) y transición vítrea (Tg) es un indicador conveniente de estabilidad del vidrio que generalmente se espera que sea superior a 100 °C. Sin embargo, este indicador es de alguna manera engañoso con respecto a la desvitrificación de la superficie del vidrio de las composiciones de BGG15,16,25. Evitar iones alcalinos y agregar óxidos de lantánidos, es decir, Y2O3, La2O3, Yb2O3, Gd2O3, etc., en las composiciones de vidrio BGG ha demostrado ser un medio muy eficaz para mejorar la resiliencia a la desvitrificación de la superficie13,15,16,26,27 . No obstante, la adición de elementos lantánidos también aumenta significativamente tanto la viscosidad del vidrio fundido como la temperatura de fundición. Por lo tanto, de una amplia variedad de composiciones de BGG que hemos sintetizado, hemos seleccionado la siguiente composición de galato que permite una adición mínima de óxido de itrio y al mismo tiempo proporciona una estabilidad superior del vidrio (Tabla 1).

Para vitrificar vidrios de galato se debe favorecer la formación de iones de galio trivalentes en una unidad estructural tetraédrica frente a sitios de coordinación superiores. Sin embargo, las unidades tetraédricas de galio poseen una carga negativa [GaO4]- que requiere ser compensada. En la composición de vidrio seleccionada, la cantidad de cargas de compensación positivas de Ba2+ es casi una vez y media mayor que la cantidad de iones de galio.

Como se muestra en la Tabla 1, la diferencia en la composición elemental es despreciable y parece incluso indicar una relación Ga/Ba menor (1,27) de lo esperado (1,4). Por lo tanto, la formación de [GaO4]- en la composición de galato seleccionada se ve fuertemente favorecida frente a sitios coordinados cinco y seis veces.

Realizado mediante calorimetría diferencial de barrido en polvo molido, las temperaturas características Tg y Tx se midieron como 718 y 905 °C, respectivamente. Además, si bien el vidrio presenta una Tg alta y un ΔT grande (≈ 190 °C), la temperatura de fundición ideal se produce a una temperatura más baja que para las composiciones de BGG ricas en germanato.

En la Fig. 1 se representan tanto el espectro Raman como la evolución del coeficiente de absorción lineal para la composición de galato seleccionada. El espectro Raman se puede dividir en tres regiones: frecuencias alta (650–1000 cm−1), intermedia (400–650 cm−1) y baja (200–400 cm−1). El dominio espectral más alto se puede atribuir a los modos de estiramiento simétrico y antisimétrico de las unidades tetraédricas de galio y germanio [TO4]16,28. El rango espectral intermedio se puede asignar a varias contribuciones vibratorias de la flexión T – O – T con movimientos de oxígeno T – O – T en el plano28,29. Finalmente, el dominio espectral más bajo se puede asignar a movimientos de oxígeno fuera del plano en un puente T-O-T doblado (T = Ge o Ga en coordinación cuádruple)28 o a cationes modificadores de redes que vibran en grandes sitios intersticiales29.

(a) Espectro Raman de datos sin procesar normalizado a su intensidad máxima medida a 633 nm; (b) Coeficiente de absorción lineal en el rango de longitud de onda UV-visible a IR medio para la composición de galato seleccionada.

En la composición seleccionada, la respuesta Raman predominante apunta a 516 cm-1 con un hombro alrededor de 450 cm-1 (apenas se muestra en la Fig. 1). Como la cantidad de galio es una vez y media la de germanio, el cambio de unidades tetraédricas de galio y germanio en el esqueleto de vidrio debe seguir el mismo patrón. Por lo tanto, la formación de dos entidades [GeO4] unidas es probablemente ocasional, lo que explica la contribución mínima de la banda en 450 cm-1, generalmente asignada a los puentes Ge-O-Ge específicos, mientras que tener la respuesta predominante en 516 cm-1 es muy probable. consistente con una estructura de vidrio rica en [GaO4]-29. Como se informa en la Tabla 1, la cantidad de compensadores de carga positiva aportados por los iones Ba2+ es más de lo necesario para estabilizar las unidades [GaO4]-. Por lo tanto, los iones Ba2+ restantes que no contribuyen al mecanismo de compensación [GaO4]- (aproximadamente un tercio del contenido total de bario) están despolimerizando la red de vidrio, lo que lleva a la aparición de entidades Ge∅3O-. Las entidades Ge∅3O− son unidades tetraédricas de GeO4 con tres oxígenos puente y un oxígeno no puente simbolizados por los símbolos ∅ y O−, respectivamente. La segunda contribución más intensa alcanza un máximo de 810 cm-1, lo que puede explicarse por la presencia de oxígenos que no forman puentes en las unidades tetraédricas de germanio Ge∅3O-20.

La evolución del coeficiente de absorción lineal se ha medido desde el UV hasta el infrarrojo medio. Como se observa en la Fig. 1b, la transparencia de la ventana óptica de la composición seleccionada, definida en 10 cm −1, abarca desde 300 nm, es decir, absorción de cola de banda prohibida, hasta 5,9 μm, es decir, absorción multifónica. En comparación con los vidrios BGG ricos en germanato, el borde del IR medio tiene un desplazamiento al rojo de aproximadamente 200 nm gracias al bajo contenido de germanio en nuestra composición de galato. La presencia de bandas de absorción de hidroxilo se reporta entre 2,7 y 5 μm ya que no se tuvo especial cuidado para eliminarlas durante la síntesis del vidrio30.

Hemos identificado tres factores perjudiciales principales que impiden el estirado de fibras BGG de baja pérdida: calidad de la superficie, estrías volumétricas y oscurecimiento de la fibra.

Para aislar cada factor, se fabricaron cuatro preformas, a saber, A, B, C y D, respectivamente (consulte la sección Experimental para obtener más detalles): una preforma sin pulir con gran homogeneidad aparente (para ilustrar problemas de calidad de la superficie), una preforma pulida con pobre homogeneidad aparente (para ilustrar problemas de estrías volumétricas) y dos preformas pulidas con gran homogeneidad aparente pero fundidas a 1600 °C (para ilustrar problemas de oscurecimiento térmico de la fibra) o a 1500 °C (produciendo la fibra BGG de baja pérdida). Para mayor claridad, los términos "pulido" o "sin pulir" se refieren aquí al pulido completo de la superficie de la preforma. Para obtener más detalles sobre el protocolo de preparación de preformas, se invita a los lectores a consultar la sección Experimental.

Como se introdujo anteriormente, uno de los principales problemas que se enfrentan durante el estirado de fibras de composiciones de BGG mediante el método de preforma a fibra es la desvitrificación del vidrio que ocurre tanto en la superficie de la preforma como en la de la fibra. Esta cristalización de la superficie impide que la fibra sea mecánicamente robusta, mientras que en las fibras de índice único también aumenta significativamente las pérdidas ópticas en la interfaz núcleo-revestimiento, es decir, vidrio-aire o revestimiento de vidrio, rico en defectos. Como explica Zanotto, “la nucleación de la superficie se debe principalmente a partículas de impurezas cuyo número es inversamente proporcional al grado de perfección y limpieza de la superficie”31. Por lo tanto, para ilustrar este problema, en la Fig. 2 se muestran las caracterizaciones de reducción de la preforma sin pulir.

(a) Estricción de una preforma sin pulir observada a través de un polariscopio; Borde de la sección transversal del cuello de la preforma fotografiada por (b) un microscopio óptico en modo de transmisión y (c) un microscopio electrónico de barrido en modo de electrones retrodispersados; (d) Difractograma de la superficie de reducción del estrechamiento de la preforma.

Primero, observamos que la geometría del cuello es irregular. Paralelamente, durante el proceso de cristalización se forma una capa de 40 µm de espesor. Utilizando imágenes ópticas y electrónicas, se analizó la morfología de la cristalización (Fig. 2b, c). Reveló una organización cristalina entre dendritas ordenadas con simetría cristalográfica y dendritas policristalinas desordenadas, lo que indica una tasa de crecimiento gobernada principalmente por el calor y la difusión del material32. Sugiere que la tasa de crecimiento es relativamente más rápida que la difusión de iones. Mientras tanto, el difractograma de la capa cristalizada ha sido monitoreado y reveló la formación de una sola fase atribuida a policristales hexagonales de P63 BaGa2O4. Esta composición cristalina es coherente con la formación de dendritas, ya que esta composición difiere fuertemente de la estequiometría del vidrio y requiere la difusión de los iones de germanio de baja movilidad.

En consecuencia, dado que la preforma no fue pulida antes del estirado de la fibra, la mala calidad de la superficie de la preforma promovió la nucleación de la superficie. Mientras se evite la nucleación de la superficie, en particular mediante la preparación cuidadosa de la preforma de vidrio mediante procesos de pulido y limpieza, no se detectó cristalización durante el proceso de estirado de la fibra.

La propagación de modos ópticos a lo largo de la fibra de vidrio es muy sensible a la presencia de estrías en el interior de la preforma de vidrio, que podrían originarse ya sea por una mala homogeneización del vidrio fundido y/o por un método de fundición inadecuado33. A lo largo de los años se desarrollaron varias técnicas de caracterización para evaluar la calidad óptica del vidrio después de la fundición en función de diversas evaluaciones: gráfico de sombras, estriaoscopio, interferometría o polariscopio14,34. En este estudio hemos elegido el polariscopio por su practicidad y eficacia. En la Fig. 3 se comparan dos preformas, ya sea no homogeneizadas u homogeneizadas mediante temperatura de fundición optimizada y agitación.

(a) Fotografía de una preforma de vidrio fundida de la composición de galato seleccionada observada a través de un polariscopio; (b) transmisión óptica UV-visible con corrección de pérdida de Fresnel medida a lo largo de cada preforma de vidrio con dos caras opuestas pulidas; (c) Fotografía de estas dos últimas preformas con una (c) pobre o (d) gran homogeneidad aparente observada a través de un polariscopio. Barras de escala: 1,5 cm.

La inspección visual de la preforma típica fundida de la composición de galato seleccionada, como se muestra en la Fig. 3a, no permite la detección de burbujas o faltas de homogeneidad masiva severas. Sin embargo, para confirmar la idoneidad del método de enfriamiento por fusión se debe realizar un examen óptico cuidadoso a lo largo del eje de la preforma. Por lo tanto, ambos extremos de la preforma se pulen ópticamente y luego se inspeccionan a través de un polariscopio como se presenta en la figura 3c, d. Por un lado, en la preforma con parámetros de enfriamiento en estado fundido no optimizados (Fig. 3c), las estrías anchas están inequívocamente congeladas en el volumen, lo que conduce a una atenuación significativa de la transmisión óptica, incluso después de la corrección de la pérdida de Fresnel (determinada para una refracción). índice de 1,745 a 972 nm) (Fig. 3b-curva roja). Por otro lado, la preforma con parámetros optimizados de enfriamiento en estado fundido revela un vidrio transparente con muy pocas estrías (Fig. 3d), lo que explica la gran transmisión óptica (Fig. 3b-curva negra) por encima del 98% desde 580 nm hasta 1100 nm. .

Como era de esperar, el embutido de la preforma con poca homogeneidad aparente da como resultado una fibra óptica con pérdidas. De hecho, aunque la preforma se calienta por encima de la temperatura de transición vítrea durante el proceso de estirado de la fibra, la temperatura y el tiempo de exposición no son lo suficientemente altos ni prolongados, respectivamente, para permitir la relajación de las estrías.

Se espera que realizar la fundición a temperaturas más altas reduzca tanto la aparición como el tamaño de las estrías perjudiciales. En consecuencia, aumentar la temperatura de fundición debería ser beneficioso desde este punto de vista. Las imágenes ópticas antes y después del estirado de la fibra de la preforma pulida con gran homogeneidad aparente y fundida a 1600 °C se muestran en la Fig. 4 junto con la medición de la pérdida de la fibra estirada.

Fotografía de la preforma pulida fundida a 1600 °C observada a través de un polariscopio (a) antes y (b) después del estirado de la fibra; (c) Imagen óptica en modo de transmisión de la sección de la fibra que presenta el fenómeno de oscurecimiento; (d) Pérdidas ópticas medidas en una fibra oscurecida de 5 m de longitud.

Como se observa en la Fig. 4a, la preforma pulida no presenta ninguna cristalización superficial perjudicial visible ni estrías de volumen. Al estirarse en segmentos de fibra de decenas de metros de largo, el estrechamiento de la preforma también permanece libre de defectos, mientras que su geometría (Fig. 4b) sugiere parámetros de estirado bien ajustados. Mientras que la fibra parece ser mecánicamente robusta con respecto a la torsión, la curvatura y la tensión, sus propiedades ópticas estaban lejos de ser óptimas. De hecho, el análisis óptico realizado con un microscopio óptico ha revelado un fenómeno de oscurecimiento en la región interna de la fibra. En la preforma de vidrio no se observó tal zona de oscurecimiento. La presencia de un defecto relacionado con el germanio, es decir, un defecto térmicamente inestable, podría haber sido una posibilidad, pero un tratamiento térmico a 400 o 600 °C no reduce el oscurecimiento, mientras que tampoco se observa luminiscencia naranja bajo excitación UV35. Sontakke y Annapurna han investigado la formación de nanopartículas de galio o germanio en una familia de vidrio cercana compuesta por Ga2O3, GeO2, BaO, CaO, MgO y La2O3. Su estudio ha revelado una fuerte correlación entre la aparición de una banda de absorción en toda la región visible con un máximo a 450 nm y la formación de nanopartículas de galio o germanio36. Mientras tanto, un aumento en la temperatura de fundición suele estar asociado con un ambiente más oxidante, lo que en el caso de vidrios de óxido de metales pesados ​​tiende a aumentar considerablemente el nivel de ataque del platino37. En nuestra fibra BGG, la presencia de nanopartículas de galio, germanio o platino aún no se ha podido confirmar mediante microscopía electrónica de transmisión. Sin embargo, las pérdidas ópticas se midieron mediante el método de reducción en una fibra de 5 m de longitud de 1100 a 1700 nm. Como se muestra en la Fig. 4d, el espectro de atenuación revela una pérdida de fondo significativa superior a 20 dB m-1, que disminuye en toda la región espectral. Esta tendencia sería coherente con la aparición de una resonancia de plasmón superficial debida a las nanopartículas metálicas, pero también con su dispersión de Rayleigh asociada.

En la Fig. 5 se presentan las imágenes ópticas y las mediciones de pérdida tras el estirado de fibras de la preforma pulida con parámetros optimizados de enfriamiento en estado fundido y fundida a 1500 °C.

(a) Fotografía de la caída de la preforma estirada con los parámetros de fabricación apropiados observados a través de un polariscopio; Imagen óptica en modo de transmisión de (b) la fibra y (c) su sección transversal; (d) Pérdidas ópticas medidas en una fibra de 10 m de longitud.

La gota de preforma estirada se muestra en la Fig. 5a y no presenta ningún defecto visible, como manchas o capas de cristalización. De una única preforma de vidrio se extrajeron 40 m de fibra de 250 μm de diámetro con muy pocos defectos superficiales. El segmento de fibra estirada más largo con defectos superficiales no perjudiciales tiene una longitud de 20 m. La mayoría de las fibras estiradas están libres de defectos como se presenta en la Fig. 5b, c. Se llevaron a cabo varias mediciones de atenuación para evaluar la calidad total de la fibra. Como era de esperar, los segmentos de fibra con defectos superficiales presentaron mayores pérdidas, de hasta unos pocos dB m-1. En la Fig. 5d se representan las pérdidas ópticas medidas en dos segmentos de fibra de 10 m de largo de 1100 a 1700 nm con un recorte de 3 m para cada uno. Nuestro mejor segmento de fibra (Fig. 5d: curva negra) muestra pérdidas de hasta 200 dB km-1 a aproximadamente 1350 nm. Además, se observa una banda de absorción significativa a 1450 nm y un aumento continuo de las pérdidas ópticas más allá de 1400 nm.

El agua molecular posee varias bandas de absorción en el dominio óptico del infrarrojo cercano, en particular con una banda intensa a 1960 nm y una moderada a 1445 nm38,39. A partir del trabajo de Tsubomura, la banda de 1960 nm observada en agua líquida se asignó a una combinación del tono de estiramiento fundamental OH con un modo de deformación. Mientras tanto, como informaron Wang et al. en las fibras de vidrio germanatos de plomo, una banda armónica de la absorción fundamental de 2,9 μm de los grupos hidroxilo se localiza a 1450 nm, mientras que se observa de manera similar un aumento continuo de las pérdidas ópticas más allá de 1400 nm cuando no se lleva a cabo ningún proceso de deshidratación en su preforma de vidrio40 . A lo largo de su estudio sobre deshidratación, Wang et al. han destacado que la purificación de hidroxilo disminuye la banda de 1450 nm al tiempo que aplana las pérdidas ópticas de fondo más allá de 1400 nm. Finalmente, también se informaron resultados similares para los vidrios de telurito41,42.

Como no se tuvo especial cuidado en deshidratar nuestra preforma de vidrio, tanto la banda de 1450 nm como la absorción continua más allá de 1400 nm se atribuyen a la presencia de grupos OH dentro de la fibra de vidrio. Por lo tanto, aunque la presencia de grupos OH oculta las pérdidas de fondo reales de las fibras BGG, los autores realmente esperan que las pérdidas de fondo sean incluso inferiores a 200 dB km-1 a 1350 nm y en longitudes de onda más altas considerando la dispersión de Rayleigh. De hecho, como se informa en el espectro de transmisión de BGG (Fig. 1b), no hay absorciones adicionales hasta la primera contribución multifónica por encima de 5 μm.

Además, considerando las atenuaciones ópticas medidas en fibras de índice único de 10 m de largo, si la composición del vidrio fuera químicamente sensible al agua o higroscópica, las atenuaciones ópticas habrían sido mucho mayores que las medidas, lo que confirma la mayor resiliencia de BGG al agua que los fluoruros. .

La medición de la atenuación óptica también se realizó en un segmento de fibra con un pequeño defecto superficial (Fig. 5d: curva roja). Como era de esperar, las pérdidas de fondo son mayores que sin defectos en la superficie y se reducen a 500 dB km-1. No obstante, tanto la distribución espectral general como la intensidad de la banda de armónicos del grupo OH son muy similares a la que no tiene defecto superficial, lo que confirma también la buena calidad de la medición de la pérdida.

En ese sentido, demostramos el trefilado de fibras BGG de decenas de metros de largo con excelentes cualidades ópticas y superficiales. De hecho, aunque la presencia de OH y/o agua aumenta artificialmente las pérdidas de fondo, es la primera vez que las atenuaciones ópticas en las fibras BGG se miden por debajo de los dB por metro, hasta 200 dB km-1. Esas pérdidas de propagación en una fibra BGG son un buen augurio para la fabricación de dispositivos ópticos activos y pasivos de un metro de longitud, que tienen una demanda creciente para aplicaciones Mid-IR43,44,45, cuando se obtendrán las mismas pérdidas de fondo en todo el dominio. de la transparencia BGG.

Pérdidas ópticas medidas para una preforma que contiene bajo contenido de OH (a) determinada a partir de una medición FTIR y (b) fibra extraída de la preforma deshidratada correspondiente.

En la Fig. 6 se presentan las mediciones de pérdida óptica para una preforma de BGG deshidratada y su fibra estirada. Debido al proceso de deshidratación, la concentración del contenido de grupos hidroxilo ha disminuido considerablemente hasta pérdidas ópticas de 19 dB m-1 a 2900 nm, mientras que fueron dos órdenes de magnitud mayores en el hidratado. En la fibra estirada contraparte, al restar las pérdidas de fondo de alrededor de 17 a 20 dB m-1 en el rango de 2400 a 2600 nm, las pérdidas ópticas OH medidas son de alrededor de 17 dB m-1, lo que confirmó las pérdidas de la fibra óptica debido a la El contenido de OH se puede predecir a partir de una medición FTIR realizada en la preforma. Esto también confirma que el proceso de deshidratación empleado es altamente eficiente y que no hay contaminación significativa por OH en el vidrio durante el proceso de estirado de la fibra como se esperaba. Debido a las dificultades para homogeneizar bien el vidrio fundido durante el proceso de fusión, se registran elevadas pérdidas de fondo Q4. No obstante, por primera vez en fibras BGG, se ha medido con éxito la distribución espectral sin otras contribuciones que la absorción fundamental de los grupos OH, con pérdidas de material de hasta 3400 nm.

En conclusión, se han identificado claramente los tres factores perjudiciales reales que contrarrestan el estirado de las fibras de los vidrios de bario-galio-germanio de bajas pérdidas: la calidad de la superficie, las estrías volumétricas y el oscurecimiento térmico. Si bien tanto la calidad de la superficie como las estrías volumétricas son factores básicos bien conocidos en la comunidad del vidrio, se ha evidenciado el oscurecimiento de las fibras de vidrio BGG que se produce durante todo el proceso de estirado de la fibra. Para cada factor perjudicial destacado en el sistema de vidrio BGG, se ha elaborado una solución para alcanzar, por primera vez, pérdidas aceptables (hasta 200 dB km-1) compatibles con la fabricación de ópticas Mid-IR activas y pasivas de un metro de longitud. dispositivos. Los resultados obtenidos ofrecen un protocolo claro para fabricar fibra óptica de bajas pérdidas a partir de una composición de vidrio BGG. Cuando se logren en vidrios BGG libres de hidroxilo y con núcleo revestido, estas bajas pérdidas abrirán nuevas vías para el desarrollo de nuevos componentes basados ​​en fibra y láseres que operen por encima de 2,2 μm.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo ha recibido financiación del gobierno canadiense, gestionado por el programa Sentinel North de la Universidad Laval y el programa Canadian Research Chair (CERC), y del gobierno francés, gestionado por la Agencia Nacional de Investigación de Francia y la Región de Nouvelle Aquitaine. Este proyecto también ha recibido financiación del programa de innovación en el marco del Acuerdo de subvención Marie-Skłodowska-Curie N°823941 (FUNGLASS). El autor correspondiente, TG, posee una beca postdoctoral de excelencia Sentinel North durante la preparación de este trabajo.

Centro de Óptica, Fotónica y Láseres (COPL), Universidad Laval, Québec, G1V 0A6, Canadá

Théo Guérineau, Samar Aouji, Steeve Morency, Patrick Larochelle, Philippe Labranche, Jerome Lapointe, Martin Bernier, Réal Vallée y Younès Messaddeq

ICMCB, UMR 5026, Universidad de Burdeos, CNRS, Burdeos INP, 33600, Pessac, Francia

Samar Aouji, Florian Calzavara, Sylvain Danto, Thierry Cardinal y Evelyne Fargin

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TG y SM concibieron los experimentos, TG, SA, SM, FC, PL, PL, JL, MB y RV realizaron los experimentos, TG, SA, FC, PL y MB analizaron los resultados. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Théo Guérineau.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Guérineau, T., Aouji, S., Morency, S. et al. Hacia fibras ópticas de infrarrojo medio Ga2O3-BaO-GeO2 de bajas pérdidas. Informe científico 13, 3697 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30522-1

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Recibido: 27 de diciembre de 2022

Aceptado: 24 de febrero de 2023

Publicado: 06 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30522-1

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