Em direção ao baixo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3697 (2023) Cite este artigo

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O desenvolvimento de sistemas fotônicos eficientes e compactos em suporte à óptica integrada de infravermelho médio enfrenta atualmente vários desafios. Até o momento, a maioria dos dispositivos baseados em vidro de infravermelho médio está empregando vidros de flúor ou calcogenetos (FCGs). Embora a comercialização de dispositivos ópticos baseados em FCGs tenha crescido rapidamente durante a última década, seu desenvolvimento é bastante complicado devido à baixa resiliência de cristalização e higroscopicidade ou às propriedades mecânico-térmicas fracas dos FCGs. Para superar esses problemas, o desenvolvimento paralelo de fibra óptica de óxido de metal pesado a partir do sistema vítreo de óxido de bário-germânio-gálio (BGG) revelou uma alternativa promissora. No entanto, ao longo de 30 anos de otimização da fabricação de fibras, a etapa final que faltava para desenhar fibras BGG com perdas aceitáveis ​​para dispositivos ópticos ativos e passivos de metros de comprimento ainda não havia sido alcançada. Neste artigo, primeiro identificamos os três fatores mais importantes que impedem a fabricação de fibras BGG de baixa perda, ou seja, qualidade da superfície, estrias volumétricas e escurecimento térmico do vidro. Cada um dos três fatores é então abordado na criação de um protocolo que permite a fabricação de fibras ópticas de baixa perda a partir de composições de vidro BGG ricas em gálio. Assim, até onde sabemos, relatamos as perdas mais baixas já medidas em uma fibra de vidro BGG, ou seja, até 200 dB km-1 a 1350 nm.

Após o notável desenvolvimento de fibras de sílica de baixa perda na década de 1970, o surgimento de sistemas de telecomunicações de alta velocidade e longa distância e lasers de fibra de alta potência revolucionaram nossas vidas diárias1,2. No entanto, as fibras de sílica não transmitem luz acima de 2,5 μm e, portanto, não podem ser empregadas para aplicações no chamado domínio do infravermelho médio (MIR)3. Como resultado, famílias complementares de vidros transmissores de MIR foram descobertas e desenvolvidas, incluindo vidros de telurito, calcogeneto, fluoreto e germanato. O desenvolvimento de fibras de flúor superou de alguma forma a maioria das outras famílias de vidro MIR, com uma ampla gama de fibras agora disponíveis comercialmente. Embora os vidros de flúor se expandam em uma grande variedade de composições de vidro, incluindo as famílias de fluoreto de zircônio, fluoreto de índio ou fluoreto de alumínio, esses vidros macios possuem uma baixa temperatura de transição vítrea (Tg), enquanto sua reduzida estabilidade térmica/mecânica/química em comparação com outros Os óculos MIR tornam seu manuseio mais desafiador3,4.

Entre outros vidros MIR, os vidros germanados são uma das melhores alternativas aos vidros fluoretados em termos de propriedades térmicas e mecânicas. De fato, sua Tg pode atingir 700 °C, suas janelas de transmissão óptica podem abranger de 0,28 a 5,5 μm e sua microdureza Knoop pode se estender até 5,1 GPa5. Até o momento, perdas mínimas de germanato (200 dB km−1) foram obtidas em vidros de germanato de chumbo6. No entanto, a presença de óxido de chumbo na composição do vidro contribui para o rebaixamento das propriedades térmicas e mecânicas, ou seja, Tg abaixo de 400 °C e dureza Vickers abaixo de 2,5 GPa7, enquanto restringe seu uso em vários campos de aplicação devido a severas regulamentações mundiais em produtos contendo chumbo.

Desde a descoberta dos vidros de bário-gálio-germânio (BGG) na década de 19908, esforços consideráveis ​​foram realizados para melhorar ainda mais as propriedades do vidro9,10,11,12,13, transformá-los em fibras14,15,16 e também funcionalizá-los17 ,18,19. Enquanto isso, os vidros BGG ricos em gálio, ou seja, galato (razão GaO3/2/GeO2 em mol% maior que 1) têm atraído atenção significativa, uma vez que suas propriedades térmicas, ópticas e mecânicas são ainda superiores às dos BGG à base de germanato composições (razão GaO3/2/GeO2 em mol% menor que 1). De fato, a substituição de íons Ge4+ por Ga3+ aumenta a janela de transmissão óptica até 6,0 μm e a microdureza Knoop até 5,4 GPa, enquanto a solubilidade dos íons de terras raras permanece alta (mais de 10 mol%)5,20,21 .