CZ201263A3

CZ201263A3 - Optické sodnohlinitokremicité sklo pro fotonické komponenty

Info

Publication number: CZ201263A3
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: CZ303762B6

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; a 0 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 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 sodnohlinitokřemičitéjho skla pro fotonické komponenty, které

5, 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 dopováni laserově aktivními prvky pro výrobu aktivních optických komponent.

Dosavadní stav techniky

IQ Pokrok v optice byl vždy umožněn vývojem nových materiálů potřebných ke konstrukci dokonalejších zařízeni 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 patři telekomunikace, počítače, medicína a řada dalších vědeckých oborů.

Optické sklo představovalo vždy jeden z nejdokonalejších optických materiálů. Zabývá 15 se jím řada patentů.

) j'4

JP 2004078 001 A, priority 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 textu je uvedeno složení skla, obsahující

57.4,60'molj%/SiO₂2^·ΐ0^!ΠΊ0ϋ%ΐΓΙ₂Ο

410 móTi%_JNa₂O

S

Ál3'mol'%K₂O a

12 4>15' m6Ti%! 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 4,6 mol. %, přednostně v centru skleněné čočky je obsah TI₂O 2,4.3 mol %.

Nevýhodou tohoto řešení je použití TI₂O ve skle, které se považuje za prudce 3^ jedovatou látku.

: -I

JP 57022139 A, priority 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, AI₂O₃, ZnO, MgO, Li₂O a K₂O jakožto hlavní komponenty, a to v množství hrrioť.,%7' ý ”, -^ř' >. ;

4 75 % SiO₂

- 17 % AI₂O₃, přitom suma SiO₂ + AI₂O₃ je 52-<·75 %;

4 25% ZnO

I »2

Ο Ά 10 % MgO, přitom suma ZnO + MgO je 5 H25%;

15% Li₂O

20 % Na₂O a

A, 20 % K₂O, přitom suma Li₂O + Na₂O + K₂O je 10 25%.

Sklo dále obsahuje stabilizační přísady v hmoth%:

^,3 % P₂O₅

Ť4*4 % ZfO;

-A5 % SnO_;

A4 % TiO_:

Ά 5 % B2O3

4 % La₂O₃

P, 3 % Ta₂O₃

A2 % AS2O3

0^2% Sb₂O₃

0'4,5% CaO

0-415 % BaO θ4ΐθ % SrO 0 4 5 % PbO 0 4 5 % Cs₂O.

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

/

V u

Nevýhodou je přítomnost Li₂O v množství 3 U 15 yimoth.%; který bude výrazně zpomalovat iontovou výměnu. Dá se předpokládat, že v důsledku rozdílných poloměrů Li⁺ a např. Ag nebo K⁺, může vznikat po iontové výměně nebezpečí významného trvalého

2,5 napětí, které může vyvolat nežádoucí dvojlom a zvýšenou optickou ztrátu u optického prvku.

DE 380 34 22 A1,‘priority 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 3Q a současně umožňují zvýšení indexu lomu výměnou Na⁺ za Ag⁺ iontu.

Sklo obsahuje v mol. %

11,4 A-30,0^;moL>%Na₂0

8,7 ά.26,4 moh%>MgO a

50,0 K 70,8 * moll %SiO₂.

V příkladech provedení je též uveden obsah

10; mol.. %, ZnO nebo

5,0 mol %TiO₂ nebo

5,0 mol. % ZrO₂.

« · · * < s» • · » ·< β • l ·* • ‘ ·* • · « · · ’ e e

Nevýhodou tohoto řešeni 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 vynálezu

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

Podstata tohoto vynálezu spočívá vtom, že optické sodnohlinitokřemičité sklo podle toho vynálezu obsahuje v*molj% i

60?+80 SiO₂

10^20 Na₂O

0,5 A10 AI₂O₃

0 PÍ 20 MO, kde MO představuje alespoň jeden z kovových oxidů, vybraných ze skupiny

ZnO, MgO, CaO a

-Ml 10 B₂O₃

Přitom suma oxidů SiO₂ + Na₂O + AI₂O₃ je v rozmezí 70,5 95‘mol] %/-a suma oxidů

M₂O₃ kde M₂O₃ je AI₂O₃ a/nebo B₂O₃ je v rozmezí 0,5 4£20(molp%l,

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 i s gradientním indexem lomu technologií iontové výměny Ag⁺ nebo K⁺ za Na⁺ v tomto skle.

Λ /

2§ Tato iontová výměna se provádí známým a běžným způsobem vtaveninách dusičnanu 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 planárních optických 30 kanálkových struktur. Sklo podle toho vynálezu umožňuje vytvořit optické struktury s vysokou změnou indexu lomu, a to až o An_d =0,12. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto vynálezu je velmi vhodné jakožto matrice pro dopování laserově aktivními prvky. Přitom tato iontová výměna je ekonomicky nenáročná a lze ji dobřei na tomto typu skla dobře optimalizovat.

Základní složka skla SÍO₂ vytváří strukturní síť skla s dostatečnou mechanickou pevností a chemickou odolností.

Jí í ' * 4 '*

Přítomnost Na₂O umožňuje přípravu skla tavením za běžných tavících teplot v rozmezí 1380 °C —-1500 °C. lonty Na⁺umožňují následnou efektivní iontovou výměnu zejména za Ag⁺ či K⁺.

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

Obsah oxidů M₂O₃, kterými jsou AI₂O₃ a/nebo B₂O₃ v množství 0,5 20 mol. %, výrazně zvyšuje chemickou odolnost a umožní následnou efektivní iontovou výměnu.

Velkou předností tohoto vynálezu je, že sklo vykazuje interdifuzní koeficient iontové /10 výměny Ag⁺ za Na⁺ při teplotě 280 °C v rozmezí 1 ,10’¹⁶ — 1.10’¹⁴ m².s'¹, pro zajištění dostatečně vysoké rychlosti následné iontové výměny.

Střední optická bazicita skla podle tohoto vynálezu v intervalu 0,45 H 0,65 vytváří vhodné prostředí pro laserově aktivní dopanty, které pak dosahuji 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 u2000 nm, což zaručuje dostatečně nízké optické ztráty na vlnovodných strukturách.

Index lomu v intervalu 1,49 -^1,54 je vhodný pro nizkoztrátového napojení optických vláken na kanálkovou strukturu, vytvořenou technologii iontové výměny.

Nárokovaná vysoká spektrální vnitřní propustnost vzorku skla o tloušťce 2 mm nad

99,0 % v oblasti 400 ^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.g'’ [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.cm¹v přimém 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.i%,í s výhodou 0,001'mol/ %!

Vsázka pro optické sklo podle tohoto vynálezu vzhledem k jeho složkám, se čeří za přítomnosti SO₄ ²‘, např. Na₂SO₄, pro optimální vyčeření skloviny a dosaženi příznivé oxidačně-redukční rovnováhy.

Pro dosažení optimálních vlastnosti skla podle tohoto vynálezu lze jeho složení modifikovat v uvedených rozpětích koncentrací, sklo tedy může obsahovat 0,1 — 15 mol. %

ZnO; 0,1 ~15tooL% MgO; 0,1 - 15 mol. % CaO; a 0.1 - 10 mol. % B₂O₃.

	Přehled obrázků na výkresech Vynález je podrobně popsán na příkladných provedeních a blíže osvětlen pomocí transmisního spektra, znázorněného na obrázku 1.
r ^l<í 15	Příklady provedení vynálezu Příklad 1 (Obr. 1) Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto vynálezu obsahuje v molárníchi%:/ 15,0 Na₂O 0,1 ZnO 6,0 MgO 6,0 CaO 0,0 B₂O₃ 0,5 AI₂O₃ 72,4 SiO₂ Σ 100,0 Sklo má při teplotě 280 ^cC interdifuzní koeficient Ag7Na⁺ iontové výměny 3.10^-15 m².s'¹; což odpovídá středné vysoké rychlosti této iontové výměny. Sklo vykazuje střední optickou
20 2./	bazicitu 0,567; index lomu n_d =1,5161; a vnitřní spektrální propustnost skla 0 tloušťce 2 mm / nad 99,2 % v oblasti 400 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 0 tloušťce 2 mm nad 99,2 % v oblasti 400 *4 2000 nm. Příklad 2
30 35’	Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto vynálezu obsahuje vmoll %{ 14,0 Na₂O 0,0 ZnO 0,0 MgO 13,0 CaO 0,0 B₂O₃ 1,0 AI₂O₃ 72,0 SiO₂ Σ 100,0

í » i * « « ei t i t * « «t < * a * · * .» • A --* 4 I « « « 4í »<»* »·«*» t t

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzni koeficient Ag7Na⁺ iontové výměny 8.10¹⁶ m²s⁴; 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^ 2000 nm.

5' Sklo má optickou homogenitu 1,6.10 ⁴ a hydrolytickou odolnost 0,22 ml.g¹.

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

Příklad 3

Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto vynálezu obsahuje vmol.i % < ·

13,0 Na₂O

11,0 ZnO

0,1 MgO

0,1 CaO

2,0 B₂O₃

2,0 AI₂O₃

71,8 SiO₂

Σ 100,0

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzni koeficient Ag⁺/Na⁺ iontové výměny 5.10“¹⁵ m². s'¹;

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 400^2000 nm; index lomu n_d = 1,5210.

Sklo má optickou homogenitu 1,2.10 ⁴ a hydrolytickou odolnost 0,18 ml.g'¹.

Sklo je vhodné pro kodopování Er/Yb, a pak je použitelné pro výrobu optických 25 zesilovačů pro blízkou IČ oblast kolem 1535 nm.

Přiklad 4

Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto vynálezu obsahuje v' mol.í% ('.

13,0 Na₂O

7,0 ZnO

0,1 MgO

0,1 CaO

9,0 B₂O₃

10,0 AI₂O₃

60,8 SiO₂

Σ 100,0

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzni koeficient Ag⁺/Na⁺ iontové výměny 2.10^-14 m².s^_1;

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 M.2000 nm; index lomu n_d =1,5288.

Sklo má optickou homogenitu 1,9.10'⁴ a hydrolytickou odolnost 0,10 ml.g¹.

Sklo je vhodné pro kodopování vyššími koncentracemi Dy/Ho, a potom je schopné 5' pracovat v optických zesilovačů pro IČ v oblast kolem 2000 nm.

Příklad 5

Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle tohoto vynálezu obsahuje v'mol.í%! ’

13,0	Na₂O
0,1	ZnO
12,0	MgO
0,1	CaO
0,0	B₂O₃
10,0	ai₂o
64,8	SiO₂
100,0.

Sklo má při teplotě 280 °C interdifuzní koeficient K7Na⁺ iontové výměny 5.10~¹⁶ m².s'¹; což odpovídá nízké rychlosti této iontové výměny.

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

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

Sklo je vhodné pro dopováni Cu, Cr, Bi nebo Ni. Potom se používá pro laserové zdroje a optické zesilovače v oblastech kolem 550 nm, 800 nm, 1000 -V1300 nm.

Ž5 Průmyslová využitelnost

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

Claims

* í í í « ' t » $ 4tí 4 í « i í t t · ♦ » » A *8- PATENTOVÉ NÁROKY 4 « i < ♦ í i 1

1. Optické sodnohlinitokřemičité sklo pro fotonické komponenty je určeno zejména pro pasivní optické prvky s gradientnim indexem lomu připravené iontovou výměnou Ag⁺ či K za í

5 Na⁺ ; toto optické sklo je rovněž vhodné k dopování laserově aktivními prvky pro výrobu aktivních optických komponent, vyznačující se tím, že obsahuje ymoll %J 60«·80 SiO₂

10 A 20 Na₂O

0,5 0 AI2O3

10 0 -Ei, 20 MO, kde MO představuje alespoň jeden z kovových oxidů, vybraných ze skupiny

ZnO, MgO, CaO,

0 10 B₂O₃, přitom suma oxidů SiO₂ + Na₂O + AI₂O₃ je v rozmezí 70,5 a 95mol.i%/.

! .y __ suma oxidů M₂O₃. kde M₂O₃ je AI₂O₃ a/nebo B₂O₃ je v rozmezí Ó,5 20'mol/%;í \ , f·

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

vysokou vnitřní spektrální propustnost skla o tloušťce 2 mm nad 99,0 % v oblasti

400 A.2000 nm;

index lomu 1,49 H1,54;

20 optickou homogenitu pod 2.10’⁴ a hydrolytickou odolnost pod 0,4 mlg’¹ [ml HCI (C=0,01 mol.l·¹)]·

2. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1,vyznačující se tím, že obsahuje v*molj%'

25 0,Γ·ί»ΐ5ΖηΟ.

3. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje Amolt % r

0,1 -A15MgO.

4. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje vmol.· %/

0,1 -15 CaO.

3.5 5. Optické sodnohlinitokřemičité sklo podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se t í m, že

-----------obsahuje vmol.,%f

0,1 A w B₂O₃.