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Aug 14, 2023

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Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 3697 (2023) Citer cet article 1008 Accès 1 Citations 1 Détails d'Altmetric Metrics Le développement de systèmes photoniques efficaces et compacts en support

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3697 (2023) Citer cet article

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Le développement de systèmes photoniques efficaces et compacts prenant en charge l’optique intégrée dans l’infrarouge moyen est actuellement confronté à plusieurs défis. À ce jour, la plupart des appareils à base de verre à infrarouge moyen utilisent des verres fluorés ou chalcogénures (FCG). Bien que la commercialisation de dispositifs optiques basés sur les FCG ait connu une croissance rapide au cours de la dernière décennie, leur développement est plutôt lourd en raison soit d’une mauvaise résilience à la cristallisation et à l’hygroscopique, soit de mauvaises propriétés mécano-thermiques des FCG. Pour surmonter ces problèmes, le développement parallèle de fibres optiques à base d’oxyde de métaux lourds à partir du système vitreux d’oxyde de baryum-germanium-gallium (BGG) a révélé une alternative prometteuse. Cependant, après 30 ans d'optimisation de la fabrication des fibres, la dernière étape manquante consistant à tirer des fibres BGG avec des pertes acceptables pour les dispositifs optiques actifs et passifs de plusieurs mètres de long n'avait pas encore été atteinte. Dans cet article, nous identifions d'abord les trois facteurs les plus importants qui empêchent la fabrication de fibres BGG à faibles pertes, à savoir la qualité de la surface, les stries volumiques et l'assombrissement thermique du verre. Chacun des trois facteurs est ensuite abordé dans la mise en place d'un protocole permettant la fabrication de fibres optiques à faibles pertes à partir de compositions de verre BGG riches en gallium. En conséquence, au meilleur de nos connaissances, nous rapportons les pertes les plus faibles jamais mesurées dans une fibre de verre BGG, soit jusqu'à 200 dB km−1 à 1350 nm.

Suite au développement exceptionnel des fibres de silice à faibles pertes dans les années 1970, l’émergence de systèmes de télécommunications longue distance à haut débit et de lasers à fibre haute puissance ont révolutionné notre vie quotidienne1,2. Cependant, les fibres de silice ne transmettent pas la lumière au-dessus de 2,5 µm et ne peuvent donc pas être utilisées pour des applications dans le domaine dit de l'infrarouge moyen (MIR)3. En conséquence, des familles de verres complémentaires transmettant le MIR ont été découvertes et développées, notamment les verres tellurite, chalcogénure, fluorure et germanate. Le développement des fibres fluorées a en quelque sorte dépassé la plupart des autres familles de verres MIR, avec une large gamme de fibres désormais disponibles dans le commerce. Bien que les verres fluorés s'étendent sur un large choix de compositions de verre, notamment les familles du fluorure de zirconium, du fluorure d'indium ou du fluorure d'aluminium, ces verres souples possèdent une faible température de transition vitreuse (Tg), tandis que leur stabilité thermique/mécanique/chimique réduite par rapport aux autres Les lunettes MIR rendent leur manipulation plus difficile3,4.

Parmi les autres verres MIR, les verres germanates sont l'une des meilleures alternatives aux verres fluorés en termes de propriétés thermiques et mécaniques. En effet, leur Tg peut atteindre 700 °C, leurs fenêtres de transmission optique peuvent s'étendre de 0,28 jusqu'à 5,5 μm et leur micro-dureté Knoop peut s'étendre jusqu'à 5,1 GPa5. À ce jour, des pertes minimales de germanate (200 dB km−1) ont été obtenues dans les verres plomb-germanate6. Cependant, la présence d'oxyde de plomb dans la composition du verre contribue à dégrader les propriétés thermiques et mécaniques, c'est-à-dire une Tg inférieure à 400 °C et une dureté Vickers jusqu'à 2,5 GPa7, tout en limitant leur utilisation dans divers domaines d'application en raison de réglementations mondiales strictes. sur les produits contenant du plomb.

Depuis la découverte des verres baryum-gallium-germanium (BGG) dans les années 19908, des efforts considérables ont été déployés pour améliorer encore les propriétés du verre9,10,11,12,13, les transformer en fibres14,15,16 et également les fonctionnaliser17. ,18,19. Entre-temps, les verres BGG riches en gallium, à savoir le gallate (rapport GaO3/2/GeO2 en % molaire supérieur à 1) ont beaucoup retenu l'attention, car leurs propriétés thermiques, optiques et mécaniques sont même supérieures à celles du BGG à base de germanate. compositions (rapport GaO3/2/GeO2 en % molaire inférieur à 1). En effet, la substitution des ions Ge4+ aux ions Ga3+ augmente à la fois la fenêtre de transmission optique jusqu'à 6,0 μm et la micro-dureté de Knoop jusqu'à 5,4 GPa, tandis que la solubilité des ions de terres rares reste élevée (plus de 10 % en moles)5,20,21. .