DE69517036T2 - Wellenleiterstruktur - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenleiterstruktur, die eine gewünschte numerische Apertur aufweist.
• Im US-Patent Nr. 5,240,885 (Aitken et al.) ist die Herstellung von Seltenerdmetall-dotierten Cadmiumhalogenidgläsern beschrieben, wobei diese Gläser aufgrund ihrer geringen Phonon- Energie Strahlung weit in den Infrarot-Anteil des elektromagnetischen Strahlungsspektrums übertragen. Aufgrund dieser Fähigkeit empfahlen sie sich bei Dotierung mit geeigneten Seltenerdmetallen zum Gebrauch bei der Herstellung von effizienten Lasern, Verstärkern und Aufwärtsmischern (upconverters). Da Metall-Schwefelbindungen im allgemeinen schwächer sind als Metall-Sauerstoffbindungen, weisen Sulfidgläser viel geringere Phonon-Energien auf als Oxidgläser und übertragen dadurch Strahlung viel weiter in den Infrarotbereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums. Demgemäß wurde Sulfidgläsern das Potential zugesprochen, hervorragende Wirtsmaterialien für Seltenerdmetalle in den oben aufgeführten Anwendungen zu sein, bei denen eine wirksame Strahlungsemission erforderlich ist.
• Unglücklicherweise sind jedoch viele Sulfidgläser schwarz und folglich für einige der obigen Anwendungen insofern ungeeignet, als daß ein solches Wirtsglas dazu tendieren würde, die Pumpstrahlung anstelle des Seltenerdmetall-Dotierungsmittels zu absorbieren. Eines der am meisten bekannten Sulfidgläser, nämlich Arsensulfid, ist für Strahlung im langen Wellenlängenbereich des sichtbaren Anteils des Strahlungsspektrums sowie weit in den Infrarotbereich hinein transparent und scheint daher ein geeignetes Wirtsglas für Seltenerdmetalle zu sein. Es wurde jedoch gefunden, daß Seltenerdmetalle relativ unlöslich in Arsensulfidgläsern sind, und es wurde gezeigt, daß es schwierig ist, derartige Gläser mit ausreichend Seltenerdmetall für eine ausreichende Pumpleistungsabsorption zu dotieren.
• Es ist bekannt, daß Seltenerdmetalle in den meisten Oxidgläsern sehr gut löslich sind, und es wurde vermutet, daß deren offensichtliche Unlöslichkeit in Arsensulfidgläsern auf der starken strukturellen Verschiedenheit zwischen Letzteren und den Oxidgläsern beruht. Man nimmt an, daß Arsensulfidgläser aus langen Ketten und Schichten kovalent gebundener, pyramidaler AsS&sub3;-Gruppen bestehen, wohingegen Oxidgläser typischerweise ein dreidimensionales Netz werk verhältnismäßig ionisch gebundener MO&sub4;-Tetraeder umfassen, wobei M ein sogenanntes Netzwerk-bildendes Metall ist, wie beispielsweise Silicium, Phosphor, Aluminium, Bor, etc.. Seltenerdmetalle werden in diesen ionischen Netzwerkstrukturen gut aufgenommen, wo sie Ladungsungleichgewichte ausgleichen können, die durch die Gegenwart zweier oder mehrerer Netzwerk-bildender Metalle entstehen, z. B. Aluminium und Silicium in Aluminiumsilicatgläsern - energetisch ähnliche Orte können in den zweidimensionalen kovalenten Strukturen, die für Arsensulfid- und verwandte Gläser üblich sind, nicht existieren.
• Ein System von Sulfidgläsern, die eine gute Transparenz sowohl im sichtbaren als auch im Infrarot-Teil des Strahlungsspektrums aufweisen und die eine verhältnismäßig ionische dreidimensionale Struktur besitzen, von der erwartet wird, daß Seltenerdmetalle besser aufgenommen werden können, umfaßt Galliumsulfidgläser. Im Gegensatz zu Arsensulfidgläsern basiert die Struktur dieser Gläser auf einer dreidimensionalen Verknüpfung von GaS&sub4;- Tetraedern mit gemeinsamer Ecke. In diesen Gläsern sind Seltenerdmetalle gut löslich. In der Tat enthalten einige der stabilsten Galliumsulfidgläser ein Seltenerdmetall als Hauptbestandteil. Von allgemeinem Interesse sind die US-Patente 4,612,294, 4,704,371 und 4,942,144 sowie die folgenden Literaturartikel:
• ["Verres Formes Par Les Sulfures L&sub2;S&sub3; Des Terres Rares Avec Le Sulftire De Gallium Ga&sub2;S&sub3;", Loireau-Lozac'h et al., Mat. Res. Bull., 11, 1489-1496 (1976)]. Weitere wissenschaftliche Studien zu Galliumsulfid enthaltenden Gläsern sind in den folgenden Veröffentlichungen enthalten: ["Systeme GeS&sub2;-Ga&sub2;S&sub3; Diagramme De Phases Obtention Et Proprietes Des Verres", Loireau-Lozac'h et al. Ann. Chim., 10, 101-104 (1975)]; ["Etude Du Systeme Ga&sub2;S&sub3;-Na&sub2;S", Palazzi, C. R. Acd. Sc. Paris, 229, Serie II, Nr. 9, 529-532 (1984)]; ["Study on Ge-Ga-x(X = S. Se) Glass Systems", Xilai et al. Collected Papers, XIV Intl. Cong. on glass, 118-127 (1986)]; ["Le Systeme Ga&sub2;S&sub3;-Ag&sub2;S", Guittard et al. Ann. Chim. 8, 215-225 (1983)]; ["An EXAFS Structural Approach of the Lanthanum-Gallium-Sulfur Glasses", Benazeth et al. J. Non-Cryst. Solids, 110, 89-100 (1989)]; ["Glass Formation and Structural Studies of Chalcogenide Glasses in the CdS-Ga&sub2;S&sub3;-GeS&sub2; System", Barnier et al. Materials Science and Engineering, B7, 209-214 (1990)], {"F NMR Study of [(Ga&sub2;S&sub3;)0.25 (GeS&sub2;)0.75]0.75 (NaF)0.25 Glass", Baidakov et al. Soviet Journal of Glass Physics and Chemistry, 18, Nr. 4, 322-324 (1992)}; ["Chalcogenide Glasses in Ga&sub2;S&sub3;-GeS&sub2;-MeF" Systems", Orkina et al. Glass Physics and Chemistry, 19, Nr. 3, (1993)]; ["Active Fiber Research Highlights", Snitzer et al. Fiber Optics Materials Research Program, Rutgers University, Seite 32 (13. April 1993)] und ["Pr³&spplus;: La- Ga-S Glass: A Promising Material for 1.3 um Fiber Amplification", Becker et al. Optical Amp. and Their Appl., PDS, 19-23 (1992)].
• Die obige Liste von Literaturzitaten gibt einen Hinweis auf die extensive Forschung, die in den letzten Jahren in dem allgemeinen Gebiet der Galliumsulfid enthaltenden Gläser durchgeführt wurde.
• Weiterhin beschreibt "Propriétés magnétiques de phases amorphes de composition 1,8 Ga&sub2;S&sub3;- (LAGd)&sub2;S&sub3;", Wintenberger et al. C R Acad. Sc., Paris t292, Serie II, Nr. 7, 563-566 (1981), Messungen der Suszeptibilität und Hochfeldmagnetisierung in der Glasphase 1.8Ga&sub2;S&sub3;-Gd&sub2;S&sub3; und entsprechender Gläser, wobei das Gadolinium größtenteils durch Lanthan ausgetauscht ist.
• Der Brechungsindex von Lanthan-Gallium-sulfid-Glas beträgt ungefähr 2,5, und unsere Experimente zeigten, daß der Index recht unempfindlich in bezug auf Änderungen des La : Ga- Verhältnisses ist. Wir haben gefunden, daß der teilweise Austausch von Lanthan durch andere Seltenerdmetalle, insbesondere Gadolinium, zu einer beträchtlichen Erhöhung des Brechungsindex führen kann. Solche Austausche erlauben es grundsätzlich, eine Kern- /Mantelstruktur mit einer numerischen Apertur weit oberhalb 0,4 zu erhalten.
• Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung eine Wellenleiterstruktur vor, die eine gewünschte numerische Apertur aufweist, umfassend ein Kernglas, das einen hohen Brechungsindex aufweist und von einem Mantelglas umgeben ist, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelglas aus einem Lanthan- Gallium-sulfid-Glas besteht und das Kernglas aus einem Lanthan-Gallium-sulfid-Glas besteht, wobei ein ausreichender Anteil des Lanthans durch Gadolinium ausgetauscht ist, um dessen Brechungsindex auf einen Wert zu erhöhen, der geeignet ist, um die gewünschte numerische Apertur in der Wellenleiterstruktur zu erhalten.
• Daher umfaßt gemäß der vorliegenden Erfindung eine effektive Wellenleiterstruktur ein Kernglas, das einen hohen Brechungsindex aufweist, das von einem Mantelglas mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben ist, wobei die Differenz zwischen den Brechungsindizes so gewählt ist, daß eine gewünschte numerische Apertur erhalten wird. Das Mantelglas besteht aus einem Lanthan-Gallium-sulfid-Glas, und das Kernglas besteht aus einem Lanthan- Gallium-sulfid-Glas, wobei ein ausreichender Anteil des Lanthans durch Gadolinium ausgetauscht ist, um den Brechungsindex auf einen Wert zu erhöhen, der geeignet ist, um die gewünschte numerische Apertur in der Wellenleiterstruktur zu erhalten.
• Tabelle I zeigt zwei Glaszusammensetzungen, ausgedrückt in Molprozent, wobei Lanthan- Gallium-sulfid-Gläser dargestellt sind, bei denen ein Teil des Lanthans durch Gadolinium ausgetauscht ist. Die Gläser wurden mit Pr³&spplus;-Ionen dotiert, um den τ-Gehalt zu bestimmen. Da die Gläser im Labor hergestellt wurden, wurde für jeden Bestandteil ein Sulfid eingesetzt. Dies ist jedoch nicht notwendig. Daher können andere Schwefel-enthaltende Ansatzmaterialien als Sulfide verwendet werden, solange die ausgewählten Materialien beim Zusammenschmelzen mit den anderen Ansatzbestandteilen in den geeigneten Anteilen zu dem gewünschten Sulfid umgewandelt werden.
• Die Gläser wurden hergestellt, indem die Ansatzbestandteile vereinigt wurden, die Bestandteile zusammen gründlich vermischt wurden, um die Sicherstellung eines homogenen Glases zu unterstützen, und anschließend die Ansatzgemische in Glaskohlenstoff oder Aluminiumoxid-Tiegel verteilt. Die Tiegel wurden in einen Ofen überführt, der bei ungefähr 1000- 1100ºC betrieben wurde, ungefähr 15-60 Minuten bei dieser Temperatur gehalten, die Schmelzen wurden anschließend in Stahlformen gegossen, um Scheiben mit einem Durchmesser von 4 cm und einer Dicke von 5 mm zu bilden, und diese Scheiben wurden unverzüglich zu einem Ausglüher überführt, der bei ungefähr 500-550ºC betrieben wurde.
• In Tabelle I sind außerdem die Dichte (Den.), ausgedrückt in g/cm³, die Übergangstemperatur (Tg) und die Temperatur des Kristallisationsbeginns (Tx), ausgedrückt in ºC, der Brechungsindex (nD) und die τ-Werte, ausgedrückt in usec, jedes Glases angegeben, sofern diese gemessen wurden. TABELLE I

Claims (1)

1. Wellenleiterstruktur, die eine gewünschte numerische Apertur aufweist, umfassend ein Kernglas, das einen hohen Brechungsindex aufweist und von einem Mantelglas umgeben ist, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelglas aus einem Lanthan-Gallium-sulfid-Glas besteht und das Kernglas aus einem Lanthan-Gallium-sulfid-Glas besteht, wobei Gadolinium einen ausreichenden Anteil des Lanthans ersetzt hat, um dessen Brechungsindex auf einen Wert zu erhöhen, der geeignet ist, um die gewünschte numerische Apertur in der Wellenleiterstruktur zu erhalten.