CZ23568U1

CZ23568U1 - Optické sodnohlinitokřemičité sklo pro fotonické komponenty

Info

Publication number: CZ23568U1
Application number: CZ201225551U
Authority: CZ
Inventors: Míka@Martin; Špirková@Jarmila; Lahodný@František; Nekvindová@Pavla; Stanek@Stanislav
Original assignee: Vysoká škola chemicko - technologická v Praze
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2012-03-20

Description

Optické sodnohlinitokřemičité sklo pro fotonické komponenty

Oblast techniky

Technické řešení se týká optického sodnohlinitokřemičitého skla pro fotonické komponenty, které je určeno zejména pro pasivní optické prvky s gradientním indexem lomu připravené ionto5 vou výměnou Ag“ či K za Na' . Toto optické sklo je rovněž vhodné k dopování laserově aktivními prvky pro výrobu aktivních optických komponent.

Dosavadní stav techniky

Pokrok v optice byl vždy umožněn vývojem nových materiálů potřebných ke konstrukci dokonalejších zařízení na zpracování optického signálu. Mezi ně patří například pasivní rozbočnice a ío slučovače, nebo aktivní zesilovače a lasery, nacházející široké uplatnění v řadě oblastí, mezi něž patří telekomunikace, počítače, medicína a řada dalších vědeckých oborů.

Optické sklo představovalo vždy jeden z nejdokonalejších optických materiálů. Zabývá se jím řada patentů.

JP 2004078 001 A, s prioritou 21. 8. 2002 JP, přihlašovatele Nippon Sheet Glass Co. Ltd., JP, se 15 zabývá tvorbou gradientu indexu lomu v tyčových čočkách, kterými může být realizován podélný komponent pro optickou komunikaci s maximální kolimační délkou.

V příkladech provedení japonského textuje uvedeno složení skla, obsahující až 60 % mol. SiO₂ až 10 % mol. T1₂O

6 až 10 % mol. Na₂O až 13 % mol. K₂O a až 15 % mol. ZnO jakožto fakultativní složku.

Podstatou řešení je, že se koncentrace TI iontu postupně redukuje, radiálně od středu k povrchu skleněných tyčí, a to prostřednictvím TI iontové výměny. Obsah T1₂O ve skle je 1 až 6 % mol., přednostně v centru skleněné čočky je obsah T1₂O 2 až 3 % mol.

Nevýhodou tohoto řešení je použití T1₂O ve skle, které se považuje za prudce jedovatou látku.

JP 57022139 A, s prioritou 20. 7. 1980 JP, Nippon Sheet Glass Co. Ltd., JP se zabývá složením skla pro přípravu optických elementů, které mají gradientní index lomu, připravený technologií iontové výměny.

Sklo obsahuje SiO₂, A1₂O₃, ZnO, MgO, Li₂O a K₂O jakožto hlavní komponenty, a to v množství % hmotn.:

až 75 % SiO₂ až 17 % A1₂O₃, přitom suma SiO₂ + A1₂O₃ je 52 až 75 %;

až 25 % ZnO

0 až 10 % MgO, přitom suma ZnO + MgO je 5 až 25%;

až 15 % Li₂O až 20 % Na₂O a až 20 % K₂O, přitom suma Li₂O + Na₂O + K₂O je 10 až 25%.

Sklo dále obsahuje stabilizační přísady v % hmotn.:

0 až 3 % P₂O₅ až 4 % ZrO₂ až 5 % SnO₂ až 4 % TiO₂ až 5 % B₂O₃45 0 až 4 % La₂O₃ až 3 % Ta₂O₃

- 1 CZ 23568 Ul

O az 2 % As₂O₃0 až 2 % Sb₂O₃0 až 5 % CaO Oaž 15%BaO

0 až 10 % SrO až 5 % PbO 0 až 5 % Cs₂O.

Optické prvky gradientního indexu lomu mohou být připraveny z tohoto složení skla metodou iontové výměny.

ío Nevýhodou je přítomnost Li₂O v množství 3 až 15 % hmotn., který bude výrazně zpomalovat iontovou výměnu. Dá se předpokládat, že v důsledku rozdílných poloměrů Li a např. Ag* nebo Κ.\ může vznikat po iontové výměně nebezpečí významného trvalého napětí, které může vyvolat nežádoucí dvoj lom a zvýšenou optickou ztrátu u optického prvku.

DE 380 34 22 Al, s prioritou 25. 2. 1988 DD, přihlašovatele Jeaner Glaswerk VEB DD, popisuje sklo odolné vůči kyselinám, vhodné pro mikrooptické struktury. Tato optická skla, mající vlastnosti optimalizované pro výrobu mikrooptických struktur, rozšiřují aplikační oblast a současně umožňují zvýšení indexu lomu výměnou Na¹ za Ag* iontu.

Sklo obsahuje v % mol.

11,4 až 30,0 % mol. Na₂O

8,7 až 26,4 mol.% MgO a

50,0 až 70,8 % mol. SiO₂.

V příkladech provedení je též uveden obsah % mol. ZnO nebo 5,0 % mol. TiO₂ nebo

5,0 % mol. ZrO₂.

Nevýhodou tohoto řešení je, že složení skla je určeno pouze pro pasivní optické struktury. Sklo neobsahuje AI2O3 nebo B₂O₃, takže je pravděpodobné, že dopování laserově aktivních dopantů nebylo vůbec zamýšleno, a pokud ano, pak by jejich rozpustnost v tomto skle byla velmi nízká.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody se odstraní nebo omezí u optického sodnohlinitokřemičitého skla, určeného pro fotonické komponenty, připravené iontovou výměnou Ag¹ či K za Na', přitom optické sodnohlinitokřemičité sklo je vhodné pro dopování laserově aktivními prvky.

Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že optické sodnohlinitokřemičité sklo obsahuje v % mol.

60 až 80 SiO₂ až 20 Na₂O 0,5 až 10 Al₂O₃ až 20 MO, kde MO představuje alespoň jeden z kovových oxidů, vybraných ze skupiny ZnO, MgO, CaO a

0ažl0B₂O₃.

Přitom suma oxidů SiO₂ + Na₂O + A1₂O₃ je v rozmezí 70,5 až 95 % mol.; a suma oxidů M₂O_?, kdeM₂O₃je ALO3 a/nebo B₂O₃ je v rozmezí 0,5 až 20 % mol..

Hlavní výhodou složení skla je, že optické sklo podle tohoto technického řešení splňuje náročné podmínky pro dosazení vysoké spektrální propustnosti skla, vysoké optické homogenity a níz45 kých optických ztrát ve vytvořených strukturách. Sklo se připravuje z běžně dostupných sklářských surovin. Předložené sklo lze využít pro výrobu pasivních optických prvků s gradientním indexem lomu technologií iontové výměny Ag nebo K za Na⁺ v tomto skle. Tato iontová vý-2 CZ 23568 Ul měna se provádí známým a běžným způsobem v taveninách dusičnanů příslušných kationtů kovů. Přítomnost Na' ve skle podle tohoto technického řešení je tedy nezbytná. Za zmínku stojí, že sklo podle tohoto technického řešení neobsahuje ionty které by v kombinaci s Na' zpomalovaly proces iontové výměny a mohly by vyvolat vznik trvalého mechanického napětí. Sklo podle tohoto technického řešení slouží jako substrát pro vytváření planámích optických kanálkových struktur. Sklo podle toho technického řešení umožňuje vytvořit optické struktury s vysokou změnou indexu lomu, a to až o An_f/ “0,12. Optické sodnohlinitokremičité sklo podle tohoto technického řešení je velmi vhodné jakožto matrice pro dopování laserově aktivními prvky. Přitom tato iontová výměna je ekonomicky nenáročná a lze ji dobře na tomto typu skla optimalizovat.

io Základní složka skla S1O2 vytváří strukturní síť skla s dostatečnou mechanickou pevností a chemickou odolností.

Přítomnost Na₂O umožňuje přípravu skla tavením za běžných tavících teplot v rozmezí 1380 °C až 1500 ^dC. Ionty Na' umožňují následnou efektivní iontovou výměnu zejména za Ag~ či K^T.

Přítomnost oxidů alkalických zemin CaO a MgO, a rovněž i přítomnost ZnO, v celkovém množ15 ství 0 až 20 % mol., umožňuje nastavit požadovanou optickou basicitu, která je přímo úměrná parciálnímu zápornému náboji na kyslíkových atomech skelné sítě.

Obsah oxidů M₂O₃, kterými jsou Al₂O₃ a/nebo B₂O₃ v množství 0,5 až 20 % mol., výrazně zvyšuje chemickou odolnost a umožní následnou efektivní iontovou výměnu.

Velkou předností tohoto technického řešení je, že sklo vykazuje interdifuzní koeficient iontové

2» výměny Ag' za Na¹ při teplotě 280 °C v rozmezí 1.10^-16 až 1.10~¹⁴ mís’¹, pro zajištění dostatečně vysoké rychlosti následné iontové výměny.

Střední optická bazicita skla podle tohoto technického řešení v intervalu 0,45 až 0,65 vytváří vhodné prostředí pro laserově aktivní dopanty, které pak dosahují vysoké intenzity luminiscence a nízké optické ztráty ve vytvořených kanálkových vlnovodech.

Sklo o tloušťce 2 mm má vysokou vnitřní spektrální propustnost nad 99,0 % v oblasti 400 až 2000 nm, což zaručuje dostatečně nízké optické ztráty na vlno vodných strukturách.

Index lomu v intervalu 1,49 až 1,54 je vhodný pro nízkoztrátového napojení optických vláken na kanálkovou strukturu, vytvořenou technologií iontové výměny.

Nárokovaná vysoká spektrální vnitřní propustnost vzorku skla o tloušťce 2 mm nad 99,0 % v oblasti 400 až 2000 nm je nutnou podmínkou pro dosažení nízkých optických ztrát kanálkových vlnovodů, vzniklých v další operaci iontové výměny.

Sklo má velmi dobrou hydrolytickou odolnost pod 0,4 mí.g’¹ [ml HC1 (C = 0,01 mol.f¹)], a spadá do hydrolytické třídy III. až H. Sklo podle tohoto technického řešení je proto dobře odolné proti vzdušné vlhkosti.

Optická homogenita vyjadřuje směrodatnou odchylku indexu lomu naměřeného v 10 různých místech vzorku skla podle tohoto technického řešení.

Nízké optické ztráty představují útlum optického signálu v jednotkách dB.cm’¹ v přímém jednovidovém optickém vínovodném kanálku, vytvořeného ve skle podle tohoto technického řešení iontovou výměnou Ag* za Na⁺.

Nečistoty a zejména oxidy polyvalentních prvků, jako je Sb, As, Fe, může obsahovat nad 100 % mol. složek skla, v množství do 0,01 % mol, s výhodou 0,001 % mol..

Vsázka pro optické sklo podle tohoto technického řešení vzhledem k jeho složkám, se čeří za přítomnosti SO₄‘, např. Na₂SO₄, pro optimální vyěerení skloviny a dosažení příznivé oxidaěněredukění rovnováhy.

Pro dosažení optimálních vlastností skla podle tohoto technického řešení lze jeho složení modifikovat v uvedených rozpětích koncentrací, sklo tedy může obsahovat 0,1 až 15 % mol. ZnO; 0,1 až 15 % mol. MgO; 0,1 až 15 % mol. CaO; a 0,1 až 10 % mol. B₂O₃.

-3 CZ 23568 Ul

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je podrobně popsáno na příkladných provedeních a blíže osvětleno pomocí transmisního spektra, znázorněného na obrázku 1.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1 (Obr. 1)

Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto technického řešení obsahuje v % mot:

15,0 Na₂O 0,1 ZnO in 6,0 MgO

6,0 CaO 0,0 B₂O₃0,5 A1₂O₃72,4 SiO₂ is Σ 100,0.

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient Ag /Na iontové výměny 3.1Ο“¹⁵ m².s'¹; což odpovídá středně vysoké rychlosti této iontové výměny. Sklo vykazuje střední optickou bazicitu 0,567; index lomu n_fl = 1,5161; a vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad 99,2 % v oblasti 400 až 2000 nm .

Sklo má optickou homogenitu 1,4.10'⁴ a hydrolytickou odolnost 0,35 ml.g'¹.

Sklo je vhodné pro kodopování Er/Yb, pak je využitelné pro výrobu laserových zdrojů v blízké IČ oblasti kolem 1535 nm .

Na obr. 1 je zachyceno transmisní spektrum tohoto skla tj. závislost propustnosti v % na vlnové délce v nm. Spektrum dokládá vysokou vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad

99,2 % v oblasti 400 až 2000 nm.

Příklad 2

Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto technického řešení obsahuje v % mol.:

14,0 Na₂O 0,0 ZnO

0,0 MgO

13,0 CaO 0,0 B₂O₃1,0 A1₂O₃72,0 SiO₂

Σ 100,0 .

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient AgTNa* iontové výměny 8.10'¹⁶ m²s'¹; což odpovídá nízké rychlosti této iontové výměny. Sklo vykazuje střední optickou bazicitu 0,575; index lomu ~ 1,5247; a vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad 99,1 % v oblasti 400 až 2000 nm .

Sklo má optickou homogenitu l,6.10⁴a hydrolytickou odolnost 0,22 ml.g'¹,

Sklo je vhodné pro kodopování Er/Yb, pak je aplikovatelné pro výrobu laserových zdrojů a integrované optiky pro blízkou IČ oblast kolem 1535 nm .

-4 CZ 23568 Ul

Příklad 3

Optické sodnohlinítokřemičíté sklo podle tohoto technického řešení obsahuje v % mol.

13,0 Na₂O 11,0 ZnO

0,1 MgO

0,1 CaO 2,0 B₂O₃2,0 A1₃O₃

71.8 SiO₂io Σ 100,0.

Sklo má pri teplotě 280 °C interdifuzní koeficient Ag7Na^h iontové výměny 5.10⁴⁵ m². s'¹; což odpovídá vyšší iychlosti této iontové výměny. Sklo vykazuje střední optickou bazicitu 0,535; vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad 99,3 % v oblasti 400 až 2000 nm; index lomu 1,5210.

Sklo má optickou homogenitu 1,2.10⁴ a hydrolytickou odolnost 0,18 ml.g'¹.

Sklo je vhodné pro kodopování Er/Yb, a pak je použitelné pro výrobu optických zesilovačů pro blízkou IČ oblast kolem 1535 nm .

Příklad 4

Optické sodnohlinitokřemíČité sklo podle tohoto technického řešení obsahuje v % mol.:

13,0Na?O

7,0 ZnO 0.1 MgO 0,1 CaO 9,0 B₂O₃

10,0 AI₂O₃

60.8 SiO₂Σ 100,0 .

Sklo má pri teplotě 280 °C interdifuzní koeficient Ag/Na iontové výměny 2.10”¹⁴ m².s'’; což odpovídá vysoké rychlosti této iontové výměny.

Sklo vykazuje střední optickou bazicitu 0,537; vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad 99,1 % v oblasti 400 až 2000 nm; index lomu n_fi ~ 1,5288.

Sklo má optickou homogenitu 1,9.10⁴ a hydrolytickou odolnost 0,10 ml.g ¹.

Sklo je vhodné pro kodopování vyššími koncentracemi Dy/Ho, a potom je schopné pracovat v optických zesilovačů pro IČ v oblast kolem 2000 nm .

Příklad 5

13,0 Na₂O 0,1 ZnO 12,0 MgO

0,1 CaO

0,0 B₂O₃10,0Al₂O

64.8 SÍO,

Σ 100,0.

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient K7Na' iontové výměny 5.10^-16 mís'¹; což odpovídá nízké rychlosti této iontové výměny.

-5CZ 23568 Ul

Sklo vykazuje střední optickou bazicitu 0,566; vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad 99,1 % v oblasti 400 až 2000 nm ; a index lomu n_(i = 1,5111.

Sklo má optickou homogenitu l,5.10'⁴a hydrolytickou odolnost 0,13 ml.g'¹.

Sklo je vhodné pro dopování Cu, Cr, Bi nebo Ni. Potom se používá pro laserové zdroje a optické zesilovače v oblastech kolem 550 nm, 800 nm, 1000 až 1300 nm .

Průmyslová využitelnost

Sklo je vhodné zejména pro výrobu pasivních optických prvků, jako jsou planámí kanálkové rozbočnice a slučovače, a je též využitelné pro integrovanou optiku, jako jsou např. optické zesilovače a lasery.

Claims

io NÁROKY NA OCHRANU

1. Optické sodnohlinitokřemičité sklo pro fotonické komponenty je určeno zejména pro pasivní optické prvky s gradientním indexem lomu připravené iontovou výměnou Ag či K7 za Na¹; toto optické sklo je rovněž vhodné k dopování laserově aktivními prvky pro výrobu aktivních optických komponent, vyznačující se tím, že obsahuje v % mol.

15 60 až 80 SiO₂

10 až 20 Na₂O 0,5 až 10 Al₂O₃

0 až 20 MO, kde MO představuje alespoň jeden z kovových oxidů, vybraných ze skupiny ZnO, MgO, CaO,

20 0 až 10 B₂O₃, přitom suma oxidů SiO₂ + Na₂O + Al₂O₃ je v rozmezí 70,5 až 95 % mol., suma oxidů M₂O₃, kde M₂O₃je Al₂O₃ a/nebo B₂O₃ je v rozmezí 0,5 až 20 % mol.;

přičemž sklo vykazuje střední optickou bazicitu v intervalu 0,45 až 0,65;

25 vysokou vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce
2 mm nad 99,0 % v oblasti 400 až 2000 nm ;

index lomu l ,49 až l ,54; optickou homogenitu pod 2.10⁴ a hydrolytickou odolnost pod 0,4 ml g ’ [ml HCl (C = 0,01 mol.l'¹)].

30 2. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje v % mol.

0,1 až 15 ZnO.
3. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje v % mol.

35 0,1 až 15 MgO.
4. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje v % mol.

0,1 až 15 CaO.
5. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku l, vyznačující se tím, že

40 obsahuje v % mol.

0,1 až 10 B₂O₃.