CZ303762B6

CZ303762B6 - Optické sodnohlinitokremicité sklo pro fotonické komponenty

Info

Publication number: CZ303762B6
Application number: CZ20120063A
Authority: CZ
Inventors: Míka@Martin; Spirková@Jarmila; Lahodný@Frantisek; Nekvindová@Pavla; Stanek@Stanislav
Original assignee: Vysoká skola chemicko - technologická v Praze
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-04-24
Also published as: CZ201263A3

Abstract

Popisuje se optické sodnohlinitokremicité sklo, které obsahuje v % mol.: 60 az 80 SiO.sub.2.n.; 10 az 20 Na.sub.2.n.O; 0,5 az 10 Al.sub.2.n.O.sub.3.n.; 0 az 20 MO, kde MO predstavuje alespon jeden z kovových oxidu, vybraných ze skupiny ZnO, MgO, CaO, s výhodou 0,1 az 15 % mol. ZnO, MgO, CaO; a0 az 10 B.sub.2.n.O.sub.3.n., s výhodou 0,1 az 10 % mol. B.sub.2.n.O.sub.3.n.. Suma oxidu SiO.sub.2 .n.+ Na.sub.2.n.O + Al.sub.2.n.O.sub.3 .n.= 70,5 az 95 % mol. Suma oxidu M.sub.2.n.O.sub.3.n., kde M.sub.2.n.O.sub.3 .n.je Al.sub.2.n.O.sub.3 .n.a/nebo B.sub.2.n.O.sub.3 .n.je v rozmezí 0,5 az 20 % mol. Sklo vykazuje strední optickou bazicitu v intervalu 0,45 az 0,65; vysokou vnitrní spektrální propustnost skla o tloustce 2 mm nad 99,0 % v oblasti 400 az 2000 nm; index lomu 1,49 az 1,54; strední optickou homogenitu pod 2.10.sup.-4 .n.a hydrolytickou odolnost pod 0,4 ml.g.sup.-1 .n.[ml HCl (C=0,01 mol.l.sup. -1.n.)].

Description

Optické sodnohlinitokřemičité sklo pro fotonické komponenty

Oblast techniky

Vynález se týká optického sodnohlinitokřemičitého skla pro fotonické komponenty, které je určeno zejména pro pasivní optické prvky s gradientním indexem lomu připravené iontovou 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 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 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 TLO 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 TI₂O ve skle je 1 až 6 mol. %, přednostně v centru skleněné čočky je obsah TI₂O 2 až 3 mol %.

Nevýhodou tohoto řešení je použití TI?O 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, ALO3, ZnO, MgO, Li₂O a K₂O jakožto hlavní komponenty, a to v množství % hmotn:

až 75 % SiO₂ až 17 % ALO3, přitom suma SiO₂ + ALO3 je 52 až 75 %;

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

až 15 % LiO₂ až 20 % Na₂O a až 20 % K₂O, přitom suma Li₂O + Na₂O + K₂O je 10 až 25 %.

- 1 CZ 303762 B6

Sklo dále obsahuje stabilizační přísady v hmotn. %:

až 3 % P2O5 až 4 % ZrO₂ až 5 % SnO₂ až 4 % TiO₂ až 5 % B₂O₃ až 4 % La₂O₃ až 3 % Ta₂O₃ až 2 % As₂O₃ až 2 % Sb₂O₃ až 5 % CaO až 15 % BaO

Oaž 10%SrO až 5 % PbO až 5 % Cs₂O.

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

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^r nebo K7, 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 výrobu mikrooptických struktur, rozšiřují aplikační oblast a současně umožňují zvýšení indexu lomu výměnou Na⁺ 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 A1₂O₃ 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 vynálezu

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

- 2.

Podstata tohoto vynálezu spočívá v tom, že optické sodnohiinitokřemičité sklo podle toho vynálezu obsahuje v % mol.

až 80 SiO₂10 až 20 Na₂O 0.5 až 10 A1₂O₃ až 20 MO, kde MO představuje alespoň jeden z kovových oxidů, vybraných ze skupiny ZnO, MgO, CaO a 0 až 10 B₂O₃

Přitom suma oxidů SiO₂ + Na₂O + A1₂O₃ je v rozmezí 70,5 až 95 % mol; a suma oxidů M₂O₃ kde M₂O₃ je A1₂O₃ a/nebo B₂O₃ je v rozmezí 0,5 až 20 % mol.

Hlavní výhodou složení skla je, že optické sklo podle tohoto vynálezu splňuje náročné podmínky pro dosažení vysoké spektrální propustnosti skla, vysoké optické homogenity a nízkých 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 výměna se provádí známým a běžným způsobem v taveninách dusičnanů příslušných kationtů kovů. Přítomnost Na* ve skle podle tohoto vynálezu je tedy nezbytná. Za zmínku stojí, že sklo podle tohoto vynálezu neobsahuje ionty K⁺, které by v kombinaci s Na* zpomalovaly proces iontové výměny a mohly by vyvolat vznik trvalého mechanického napětí. Sklo podle tohoto vynálezu slouží jako substrát pro vytváření planámích optických kanálkových struktur. Sklo podle toho vynálezu umožňuje vytvořit optické struktury s vysokou změnou indexu lomu, a to až o Nnj = 0,12. Optické sodnohiinitokřemičité sklo podle tohoto vynálezu je velmi vhodné jakožto matrice pro dopování laserové aktivními prvky. Přitom tato iontová výměna je ekonomicky nenáročná a lze ji na tomto typu skla dobře optimalizovat.

Základní složka skla SiO₂ 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 °C. Ionty Na* umožňují následnou efektivní iontovou výměnu zejména za Ag* či Kf.

Přítomnost oxidů alkalických zemin CaO a MgO, a rovněž i přítomnost ZnO, v celkovém množství 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 A1₂O₃ a/nebo B₂O₃ v množství 0,5 až 20 % mol., výrazně zvyšuje chemickou odolnost a umožní následnou efektivní iontovou výměnu.

Velkou předností tohoto vynálezu je, že sklo vykazuje interdifuzní koeficient iontové výměny Ag* za Na* při teplotě 280 °C v rozmezí 1.10 ¹⁶ až 1.10“¹⁴ m².s', pro zajištění dostatečně vysoké rychlosti následné iontové výměny.

Střední optická bazicita skla podle tohoto vynálezu 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 vlnovodných strukturách.

Index lomu v intervalu 1,49 až 1.54 je vhodný pro nízkoztrátového napojení optických vláken na kanálovou strukturu, vytvořenou technologií iontové výměny.

- j CZ 303762 B6

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 ml.g¹ [ml HCI (C=0,01 mol.l·¹)], a spadá do hydrolytické třídy III. - II. Sklo podle tohoto vynálezu je proto dobře odolné proti vzdušné vlhkosti.

Optická homogenita pod 2.10^-4 vyjadřuje směrodatnou odchylku indexu lomu naměřeného v 10 různých místech vzorku skla podle tohoto vynálezu.

Nízké optické ztráty představují útlum optického signálu v jednotkách dB.cm“¹ v přímém jednovidovém optickém vlnovodném kanálku, vytvořeného ve skle podle tohoto vynálezu 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 vynálezu vzhledem kjeho složkám, se čeří za přítomnosti SO₄ ²“, např. Na₂SO₄, pro optimální vyčeření skloviny a dosažení příznivé oxidačně-redukční rovnováhy.

Pro dosažení optimálních vlastností skla podle tohoto vynálezu 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.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je podrobně popsán na příkladných provedeních a blíže osvětlen pomocí transmisního spektra, znázorněného na obrázku 1.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1 (Obr. 1)

Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto vynálezu obsahuje v % molámích:

15,0 Na₂O

0,1 ZnO

6,0 MgO

6,0 CaO

0,0 B₂O₃

0,5 A1₂O₃

72,4 SiO₂

Σ 100,0

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient Ag/Na' iontové výměny 3.10“¹’ m².s což odpovídá středně vysoké rychlosti této iontové výměny. Sklo vykazuje střední optickou bazicitu 0,567; index lomu η_:1 = 1,5161; a vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad 99,2 % v oblasti 400 až 2000 nm.

-4CZ 303762 B6

Sklo má optickou homogenitu 1,40.10⁴ a hydrolytickou odolnost 0,35 ml.g

Sklo je vhodné pro kodopování Er/Yb, pak je využitelné pro výrobu laserových zdrojů v blízké IC oblast 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 vynálezu obsahuje v % mol.:

14,0 Na₂O

0,0 ZnO

0,0 MgO

13,0 CaO

0,0 B₂O₃

1,0 A1₂O₃

72,0 SiO₂

Σ 100,0

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient Ag7Na’ iontové výměny 8.10’¹⁶ mV; což odpovídá nízké rychlosti této iontové výměny. Sklo vykazuje střední optickou bazicitu 0,575; index lomu n_d = 1,5247; a vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad 99,1 % v oblasti 400 až 2000 nm.

Sklo má optickou homogenitu 1,6.10 ⁴ a hydrolytickou odolnost 0,22 ml.g’¹.

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

Příklad 3

13,0 Na₂O

11,0 ZnO

0,1 MgO

0,1 CaO

2,0 B₂O₃

2,0 A1₂O₃

71,8 SiO₂

Σ 100,0

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient Ag7Na⁺ iontové výměny 5.10’¹⁵ m².s '; což odpovídá vyšší rychlosti 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 n_d - 1,5210.

- 5 CZ 303762 B6

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

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

Příklad 4

13,0 Na₂O

7,0 ZnO

0,1 MgO

0,1 CaO

9,0 B₂O₃

10,0 A1₂O₃

60,8 SiO₂

Σ 100,0

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient Ag⁺/Na⁺ iontové výměny 2.10“¹⁴ m².scož 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 = 1,5288.

Sklo má optickou homogenitu 1,9.10 ⁴ 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 oblast kolem 2000 nm.

Příklad 5

13,0Na₂O

0,1 ZnO

12,0 MgO

0,1 CaO

0,0 B₂O₃

10,0 A1₂O₃

64,8 SiO?

Σ 100,0

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient K7Na“ iontové výměny 5.10 ¹⁶ m².s ‘; což odpovídá vyšší rychlosti této iontové výměny.

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

Sklo má optickou homogenitu 1,5.10^-4 a hydrolytickou odolnost 0,13 ml.g“¹.

-6CZ 303762 B6

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, aje též využitelné pro integrovanou optiku, jako jsou např. optické zesilovače a lasery.

Claims

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

60 až 80 S1O2

10 až 20 Na2O

0,5 až 10 A1₂O₃

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

0 až 10 B2O3, přitom suma oxidů SiO₂ + Na₂O + AI2O3 je v rozmezí 70,5 až 95 % mol, suma oxidů M₂O₃, kde M₂O₃ je A1₂O₃ a/nebo B₂O₃ je v rozmezí 0,5 až 20 % mol.;

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

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

index lomu 1,49 až 1,54;

optickou homogenitu pod 2.10 ⁴ a hydrolytickou odolnost pod 0,4 ml-g’¹ [ml HCl (C=0,01 mol.!”¹)].

2. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující huje v % mol.

0,1 až 15 ZnO.

3. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující huje v % mol.

0,1 až 15 MgO.

4. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující huje v % mol.

0,1 až 15 CaO.

se tím, že obsas e tím, že obsas e tím, že obsa-7CZ 303762 B6

5. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsa huje v % mol.

0,1 až 10 B₂O₃.