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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3697(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

중적외선 통합 광학을 지원하는 효율적이고 컴팩트한 광자 시스템의 개발은 현재 몇 가지 과제에 직면해 있습니다. 현재까지 대부분의 중적외선 유리 기반 장치는 불소 또는 칼코게나이드 유리(FCG)를 사용하고 있습니다. FCG 기반 광학 장치의 상용화가 지난 10년 동안 급속히 성장했지만 FCG의 결정화 및 흡습성 복원력이 좋지 않거나 기계적 열적 특성이 좋지 않아 개발이 다소 번거롭습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 바륨-게르마늄-갈륨 산화물 유리체 시스템(BGG)에서 중금속 산화물 광섬유의 병행 개발이 유망한 대안을 공개했습니다. 그러나 30년이 넘는 섬유 제조 최적화 과정에서 미터 길이의 능동 및 수동 광학 장치에 대해 허용 가능한 손실로 BGG 섬유를 그리는 최종 누락 단계에는 아직 도달하지 못했습니다. 이 기사에서는 먼저 저손실 BGG 섬유의 제조를 방해하는 세 가지 가장 중요한 요소, 즉 표면 품질, 부피 줄무늬 및 유리 열 암흑화를 식별합니다. 세 가지 요소 각각은 갈륨이 풍부한 BGG 유리 구성에서 저손실 광섬유를 제작할 수 있는 프로토콜을 설정할 때 해결됩니다. 따라서, 우리가 아는 한, 우리는 BGG 유리 섬유에서 측정된 가장 낮은 손실, 즉 1350 nm에서 200 dB km−1까지 보고했습니다.

1970년대 저손실 실리카 섬유의 눈부신 발전에 이어 고속 장거리 통신 시스템과 고출력 광섬유 레이저의 출현은 우리의 일상 생활에 혁명을 가져왔습니다1,2. 그러나 실리카 섬유는 2.5μm 이상의 빛을 투과하지 못하므로 소위 중적외선(MIR) 영역3에 적용할 수 없습니다. 결과적으로, 텔루라이트, 칼코게나이드, 불소 및 게르마네이트 유리를 포함한 보완적인 MIR 투과 유리 계열이 발견 및 개발되었습니다. 불소 섬유의 개발은 다른 MIR 유리 제품군의 대부분을 극복했으며 현재 다양한 종류의 섬유가 상업적으로 이용 가능합니다. 불화물 유리는 불화지르코늄, 불화인듐 또는 불화알루미늄 계열을 포함하여 다양한 유리 조성으로 확장되지만 이러한 연질 유리는 유리 전이 온도(Tg)가 낮고 다른 유리에 비해 열적/기계적/화학적 안정성이 낮습니다. MIR 안경은 취급을 더욱 어렵게 만듭니다3,4.

다른 MIR 유리 중에서 게르마네이트 유리는 열적, 기계적 특성 측면에서 불소 유리의 가장 좋은 대안 중 하나입니다. 실제로 Tg는 700°C에 도달할 수 있고 광학 전송 창은 0.28~5.5μm 범위에 달하며 Knoop 미세 경도는 최대 5.1GPa5까지 확장될 수 있습니다. 현재까지 납-발아산 유리에서는 최소 게르마네이트 손실(200dB km−1)이 얻어졌습니다6. 그러나 유리 구성에 산화납이 존재하면 열적 및 기계적 특성이 모두 저하됩니다. 즉, Tg는 400°C 미만, 비커스 경도는 2.5GPa7로 낮아집니다. 동시에 엄격한 전 세계 규제로 인해 다양한 응용 분야에서의 사용이 제한됩니다. 납 함유 제품에 대해.

1990년대 바륨-갈륨-게르마늄(BGG) 유리가 발견된 이후8, 유리 특성을 더욱 향상시키고9,10,11,12,13 섬유로 끌어들이고14,15,16 기능화하기 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다17 ,18,19. 그 동안 갈륨이 풍부한, 즉 갈레이트 BGG 유리(GaO3/2/GeO2 비율이 1보다 큰 몰%)는 게르마네이트 기반 BGG보다 열적, 광학적 및 기계적 특성이 훨씬 우수하기 때문에 상당한 관심을 끌었습니다. 조성(GaO3/2/GeO2 비율(1보다 작은 몰%)). 실제로 Ga3+ 이온을 Ge4+로 대체하면 광학 전송 창은 최대 6.0μm, Knoop 미세 경도는 최대 5.4GPa까지 증가하는 반면 희토류 이온의 용해도는 높게 유지됩니다(10mol% 이상)5,20,21 .